（机械设计及理论专业论文）平面五连杆机构轨迹综合及其智能控制.pdf

垩蔓查堂婴主堂些丝塞一摘要两自由度平面五连杆机构较为复杂对它的研究目前还很欠缺，本文重点在理论与实践两个方面对五连杆机构的轨迹做了研究。介绍了多自由度连杆机构的发展现状，对已知连杆位置求解轨迹点的正解问题、己知轨迹点反求连杆位置的逆解问题、两原动件匀速转动时的交点问题以及平面内两点间的路径实现做了理论上的探讨。在实践上，设计制作了五连杆机构的控制系统，包括机械部分设计、外观设计、电源、步进电机驱动及控制、数据采集、串口通讯、输入及输出装置等部分的设计。以p r o t e 为设计工具，制作了步进电机驱动器和以新型m s p 4 3 0 单片机为核心的控制系统电路板。设计了单片机端的控制程序，包括步进电机控制、编码器数据采集、r s 2 3 2通讯、键盘读入、液晶显示屏输出等部分。提出了个单片机同时对两个编码器进行数据采集的脉冲合并法。该程序可完成两原动件匀速转动控制，并可通过串口与计算机联合控制五连杆机构，实现示教与智能控制等功能。使用c + + 语言在c + + b u i l d e r 开发环境下设计了方便易用的w i n d o w s 五连杆机构控制程序，可在计算机上进行五连杆机构模拟实验，亦可通过计算机的串口对五连杆机构实验台进行控制，完成轨迹记录与分析、任意轨迹驱动数据生成等功能。关键词：五连杆，多自由度，轨迹，单片机，m s p 4 3 0 ，示教，智能控制垩蔓查兰堡圭兰垡笙奎一t h ep l a n a rf i v er o dm e c h a n i s mw h i c hh a st w od e g r e e so ff r e e d o mi sv e r yc o m p l e x a n dr e s e a r c ho nj ti sd e f i c i e n t 1 nt h i sp a p e r ，t h et r a c ko ft h ef i v er o dm e c h a n i s mi ss t u d i e d ，a n dt h ee m p h a s e so fs t u d ya r eo nt h et h e e r ya n dp r a c t i c e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fm u l t i - d e g r e ef r e e d o mm e c h a n i s m t h ep r o b l e mo f “h o wt oc a l c u l a t et h ep o s i t i o no fp o i n to nl i n k a g er o d ，ft h el e n g t ho fa l lr o d sa n df h e i rp o s i t i o nw e r eg i v e n ? ”，“h o wt oc a l c u l a t et h ep o s i t i o no ff i v er o d si ft h ep o s i t i o no fp o i n to ni i n k a g eb a rw e r eg i v e n ? ”t h en u m b e ro fp o i n to fi n t e r s e c t i o no ft h et r a c k a n dt h ep a t hi nap l a n ea r es t u d i e di nt h e o r yi nt h i sp a p e r i np r a c t i c e t h ec e n t r e is y s t e mo ff i v er o dm e c h a n i s mi sd e s i g n e da n dm a d e i tj n c l u d e st h ed e s i g no fm e c h a n i c a lp a r t ，a p p e a r a n c e p o w e rs u p p l y s t e p - m o t o rd r i v e ，d a t ac o l l e c t i o np ar t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，i n p u ta n do u tp u tp a r t t h ec i r c u i tb o a r do fs t e p - m o t o rd r i v ea n dt h ec e n t r e is y s t e mw h i c hu s e sn e wm s p 4 3 0m c ua si t sc o r ea r em a d e p r o t e il su s e da sac i r c u i tb o a r d sd e s i g nt 0 0 1 t h ec o n t r o l l i n gp r o g r a mi nm c up a r ti sd e s i g n e d ，a n di ti n c l u d e st h ep ar to fs t e p - m o t o rc o n t r o l l i n g ，d a t ac o l l e c t i o no ft h ec o d e r s ，r s 2 3 2c o m m u n i c a t i o n k e y b o a r di n p u t ，a n dl c do u t p u t t h ep u l s em e r g i n gm e t h o do fu s i n go n em c ut oc o l l e c tt w oc o d e r s d a t as i m u l t a n e o u s l yi sp u tf o r w a r d t h ep r o g r a mh a st h ef u n c t i o no fc o n t r o l l i n gt h et w om o t o r sr u na tc o n s t a n ta n g l es p e e d i ta l s oh a st h ef u n c t i o no ft e a c h i n ga n di n t e l l e c t u a lc o n t r o l l i n gw h e nt h em c ui sa s s o c i a t e dw i t hc o m p u t e rv i as e r i a lp o r t t h ec o n t r o l l i n gp r o g r a mo ff i v er o dm e c h a n i s mi nw i n d o w si sd e v e l o p e di nc + + i nc + + b u i l d e rd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t i tc a ns i m u l a t ef i v er o dm e c h a n i s mi nc o m p u t e r c e n t r e it h ef i v er o dm e c h a n i s mi n s t r u m e n tv i as e r i a lp o r t ，r e c o r dt h et e a c h i n gd a t aa n da n a l y z ei t ，a n db u i l dt h ec o n t r o l l i n gd a t ao fa n yk i n do ft r a c kt od r i v et h ef i v er o dm e c h a n i s mi n s t r u m e n t k e yw o r d s ：f i v er o dm e c h a n i s m ，m u l t i d e g r e eo ff r e e d o m t r a c k s i n g l ec h i pm s p 4 3 0 ，t e a c h i n g ，i n t e l l e c t u a lc o n t r o li j学位论文版权使用授权书xs 了9 s 3本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密口，在年解密后适用本授权书。不保密口。学位论文作者签名：陶德磷指导教师签名2 鲫；年妒占日6 弓年叶月西日本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其人个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：阉f 墓、每日期：2 卯岁年年月，岔日第一章绪论1 1 多自由度连杆机构发展现状及趋势在各种机构形式中，连杆机构的特点表现为具有多种多样的结构和多种多样的特性。仅就平面连杆机构而言，即使其构件数目被限制在很少的情况下，大量的各种可能的结构形式在今天仍难以估计。它们的特性在每一方面都是多种多样的，可以将其视为最一般的机械系统。所以，很多数学家、自然科学家、工程师都把连杆机构作为值得研究的对象而对其进行理论研究。集合论、图论、几何学、拓扑学和工程力学等都将连杆机构选作例予加以研究和讨论。由于连杆机构的科学基础要比其实际应用大得多，因此，连秆机构并不仅仅属于机械制造这一部分，对它的研究还涉及到很多学科的知识。连杆机构具有多方面独特的优点，因而在各种机构中得到了广泛的应用，农业、纺织、轻工、重型、冶金、精密等各种机械行业中大量应用平面连杆机构。例如：在农业机械和重型机械中，就利用了连杆机构的运动副能承受重载和防止污染及其它有害影响的优点。近百年来，世界各国学者对连杆机构进行了大量的研究，其论文、专著和评述很多。人们所以花如此大的精力去研究它，就在于连杆机构无论是过去还是现在，都对机械工业乃至整个生产业的发展有着重要的意义和作用。1 9 世纪以来，以几何图解法为主导的德国机构学学派曾对连杆机构的研究做出了巨大的贡献，其研究成果长期处于世界领先地位。二次世界大战后，借助于计算机技术的发展，使连杆机构在生产实际中的应用又有了新的突破，开辟了许多新的分支。在平面连杆机构中最基本的形式为四杆机构，关于四杆机构的分析已进行了不少研究工作。但是不论在运动学及动力学方面，四杆机构仍有进一步研究的必要。至于五杆以上的多杆机构特别是多秆多自由度机构。目前的工作还很不完善a 四连杆机构虽然结构形式简单，而且应用广泛，但其所能实现的功能也比较简单，随着机械自动化、机械手、机器入的发展，人们对杌构所需满足的运动特性及动力特性有更高的要求，在国际上也十分注重这方面的工作。五连杆机构与四连杆机构的最大差别，就是自由度的不同。四连杆所能实现的只是一种特定的轨迹，五连杆则可以实现任意形状的轨迹。关于五杆和多杆机构的连杆曲线，德国的j 伏尔默已作了简单的分析，但对于运动特性，至今仍未有比较透彻的分析。随着科学技术的发展，分析、研究的工具越来越先进，特别是微型计算机的江苏大学硕士学位论文出现，使得原来因大量计算而不便的研究变得很是简便，同时也大大缩短了计算时间。多自由度机构由于其本身的复杂性，在对它的研究中，必然涉及到一系列用传统方法很难或是无法解决的问题，必须综合利周电子、计算机和控制等现代化手段才能很好的对其进行研究。目前，各个学科相互融合，利用先进的理论和工具来对传统的理论进行研究是一种发展趋势。一般来说，应用相对于理论具有滞后性，有的可以长达数十年。五连杆机构也是如此，虽然在2 0 世纪8 0 年代已有人对此机构进行了初步的研究，但直到最近五连杆机构才逐步出现在实际应用中，而且与其理论方面相比，只是应用了很少的一部分。如：装卸机上使用具有摇块的五杆机构；1 9 9 7 年，本田在世界上第一次用五连杆双横臂结构实现于汽车的后悬挂系统上；真空断路器专用机构也采用了平面五连杆机构。这些都只是一个应用的起点，要把它推向更广的应用，就必须对其进行更加深入的研究，使其理论更加成熟。1 2 本课题研究的内容及意义1 2 1 五连杆机构轨迹综合五连杆机构的轨迹复杂，具有很多不确定的因素。影响五连秆轨迹的因素很多，包括：杆件尺寸、点位、两原动件的起始角和原动件的角速度比等。这给实现任意的轨迹带来了困难。这些问题的解决需要用到理论力学、几何学、机构学和控制学等综合知识。如给定连杆的长度和位置，我们可以唯一地确定一个轨迹点，这是轨迹求解的正向问题，可以使用机构的矢量分析方法来解决。然而轨迹点的逆解问题却很复杂，逆解问题是指给定连杆长度和一个连杆点的位置不能确定一种唯一的连杆位置。本文综合前人对五连杆机构的分析，对五连杆的逆解中的轨迹交点问题和平面内两点间的路径问题做了研究。1 2 2 五连杆机构的智能控制对五连杆轨迹的研究不仅仅是静态情况下的研究，还应包括运动分析，即对连杆的角速度、角加速度和连杆点的速度、加速度的分析。由于五连杆机构有两个原动件，其原动件的转速也决定了连杆的轨迹，这和四两杆机构是不同的。在对五连杆机构进行研究的过程中，必须对它的原动件的转速进行灵活的控制。由于使用简单的方法很难实现对原动件的灵活自如的控制，需要结合其它领域的知识才能达到智能控制的目的。根据五连杆机构的特点，本文介绍了一种利用单片机和计算机对五连杆机构进行联合控制的方法，研究了五连杆机构的示教及智能控制。江苏大学硕士学位论文示教是把人为的连杆点的轨迹和速度记录下来，并可进行分析与还原。它是机器人、机械臂等学习已知运动轨迹及其运动特性的一种重要方法。作为智能控制的一部分，示教发挥着很重要的作用。它的实现包含机构学、力学、电子学、计算机、控制等很多方面的知识，因此，示教也是本文研究的一个重点和难点。特别是使用单片机对连杆的运动数据进行采集时，对两个原动件的数据采集必须同时进行，这与只对一个原动件进行数据采集大不一样，必须采取一定的措施才能保证数据采集的完整性。此外，计算机必须和单片机控制的五连杆机构进行通讯才能达到示教的目的。除了示教可以对五连杆机构进行控制外，还可以通过功能强大的计算机直接对五连杆机构进行智能化的控制，让五连杆机构连杆点以任意速度实现任意轨迹，这也是本课题研究的个重要方面。1 2 3 研究的意义五连秆机构是多自由度机构中最基本的一种机构，从这种最为基本的形式出发，可以拓展出很多其它的形式各异的多自由度机构，因此对五连杆机构的研究具有普遍意义，不仅可以丰富关于连杆机构的理论，对其它的多自由度机构的理论分析也有一定的参考作用。本课题是机构学与控制学的相结合的种尝试，尤其是对连杆点轨迹控制的研究，是多自由度连杆机构分析、机械臂控制和生产实践中等经常遇到的问题。这不仅为机器人和机械手等多自由度机构的理论研究奠定了一定的基础，同时在实际应用中，也有着积极的作用和意义。在此理论研究与实践基础上做进步的探索，就可望开发出工业控制、自动化装配线等具有很大实际应用价值的设备。江苏大学硕士学位论文第二章五连杆机构轨迹综合平面五连杆机构的机构简图如图2 1 所示。其中杆船和杆彪是两个原动件，点p 是连杆占f 上的任意一点。对原动件爿疗、西f 的转动进行一定的控制，可以使点尸在工作区内以预设的速度、加速度实现任意形状的轨迹。0图2 1 平面五连杆机构简图2 1 连杆轨迹点计算对连杆轨迹点求解的方法很多，为了方便计算机计算和模拟，可以采用直角坐标计算方法。计算机屏幕的显示原理是使屏幕上的象素显示出不同的颜色和亮度，象索是按照直角坐标排列的。如果使用的是使用计算机进行模拟，必须求出爿、宦、口、f 、p 的各点的直角坐标，建立如图2 1 所示的直角坐标系，现已知各杆的长度和原动件的角度分别为口和，爿点坐标( 矗，儿) ，则可求得：f 点坐标：( + f 5 ，)口点坐标：一j = 一“c o s 口、y 8 = y a k $ 1 n ( z口点坐标：4坚蔓盔兰堡主兰垡堡!l一 砀= x e + c o s al y d = y e + 4 s i n o ef 点坐标：彳( 妇一七) ：+ ( y b 一坨) ：= ( 神( 2 t )l ( b x c ) 2 + ( y d 一坨) 2 = 铲( 6 )由( a ) 一( b ) 可得：k = 魁豆2 ( x 笋。一臀助z ，一x 8 、x d x 8 令：爿：生二笠查：= 量丝2 二丝：b ：匕= 丝z u d x 8 1x d x bc把2 2 式代入2 1 ( a ) 可得：( b 2 + 1 ) y c 2 + 2 b ( x a 一爿) 一y 。】此+ ( x 。一爿) 2 + _ y 。2 - 1 2 2 = o( 2 3 )上式是一元二次方程，可使用求解公式进行求解。两个解中取较大的一个解，这是由机构的位置决定的。f 点坐标：p 2 靶+ 毒( 驴1 引l y ，= y c + ( y 。一y c )尸点坐标：j 即2 x f - ( x d 一七堵l y ，= y ，+ ( y 。一y c ) g求出所需要的各点坐标后，就可以使用计算机进行模拟，在计算机上研究五连杆的轨迹，图2 2 和图2 3 是通过计算机进彳亍运动模拟的结果。2 2 原动件匀速转动轨迹交点求解平面五连杆机构轨迹形式多种多样，随着杆长、两原动件的转速比、初始角这三个参数不断变化，将产生形状各异的轨迹曲线。对轨迹交点数目的研究是研究其轨迹的规律性，轨迹的交点实质就是五连杆机构反解多解性的一个表现，因此，这对五连杆机构反解求解也有帮助。2 2 1 五连杆轨迹交点的不确定性在五连杆各杆杆长不变、连杆点点位不变的情况下，只要原动件的转速是有理数，则轨迹的形状都是一个封闭的曲线，且轨迹的周期与两原动件转速的最小公倍数有关( 见4 2 节) 。在这些轨迹曲线中，有的轨迹曲线没有交点，有的存江苏大学硕士学位论文在一个或多个交点。图2 2 原动件转速比为2 ：l 时的轨迹图2 3 原动件转速比为1 ：2 时的轨迹图2 2 所示的轨迹形状是在两原动件角速度比为2 ：1 的情况下产生的曲线，其轨迹有3 个交点。图2 3 的连杆与图1 中的具有相同的杆长和初始角，但两原动件角速度比为l ：2 ，其产生的轨迹交点只有1 个。2 2 2 轨迹点是否是交点的判断及交点的搜索法从轨迹的交点处来分析，交点产生的原因是由于有两段轨迹曲线在交点处相交a 两个原动件匀角速度转动，因此在两段轨迹曲线上，两原动件的转速在经过交点时都是一样的，但经过交点时原动件的角度不同。由此可以确定，在交点处至少有两个原动件位置与之对应。这样，轨迹点交点问题就可以转换成对连杆位置的求解。江苏大学硕士学位论文五连杆机构是一个闭环多自由度机构，其轨迹点有着正解唯一，反解不唯一的性质。即：给定两个原动件的位置可以确定唯一的轨迹点，但给定一个轨迹点却不能够唯一地确定两个原动件的位置。在一般的情况下，给定一个轨迹点p 将有4 种原动件位置与其对应。如图2 4 所示：a，。? 、图2 4 五连杆机构连杆位置求解示意图尸点是一个已知的确定的轨迹点，杆长一定，则以p 为圆心，户猡为半径做圆，再以爿为圆心，胎为半径做圆，两个圆( 图2 4 中未画出) 在一般情况下有两个交点。两圆相切时有个交点，属于图2 。5 中的特殊情况。由于杆件相连，没有交点是不可能的。杆、彪也是同样的道理，有两个交点，而且对应于杆a b 的每一种情况都有两个交点。因此，存在四种原动件位置与户点位置对应：a b c d e 、a b c dre 、a b g q e 和a b c id l e图2 4 是两杆处于一般位置的情况，当连杆在某些特殊位置时，给定一个轨迹点，则只有1 种或2 种连杆位置与其对应。7垩蔓查兰堡主兰垡堡塞pp( 8 )图2 5 五连杆机构连杆特殊位置示意图( b )如图2 5 ( a ) 所示，给定轨迹点尸，则只有a b c d e 、a b c d e 两种位置可与之对应。图2 5 ( b ) 的连杆位置只有一个解。如果在匀速转动的一个周期内，两原动件能够到达符合上诉条件的两个或两个以上的位置，则轨迹曲线必然相交。并由此可知，连杆曲线的交点最多可能有四段轨迹曲线相交于一点。五连杆机构轨迹点求解本身很复杂，如果给定五连杆的各杆长度、原动件初始角和角速度，用解析法求解轨迹是否有交点，则是一个相当繁琐的问题。目前计算机技术发展迅速，原有的各种用数学解析方法不便解决的问题很多都在计算机上得到了解决。因此，我们可以考虑采用基于计算机的方法或者两者相结合的方法来求解五连杆的轨迹交点问题。对于一个给定的轨迹点位置尸和此时的连杆位置a b c d e ，可以用解析法求得一般情况下的连杆位置的另外3 个解。原动件的初始角和角速度是已知的，如果可以计算出在轨迹曲线的一个周期内，连杆位置还可以到达另3 个连杆位置中的任意一个位置，那么就可以肯定，连杆轨迹将在尸点相交。如果连杆的杆长已知，令两原动件转速为r 6 和鸭，完成轨迹的一个周期需转过的圈数分别为m 和m 。两原动件的位置对应于图2 4 的四个位置a b c d e 、a b c d e 、a b c fd i e 和a b c ld l e 分别是印、妒、口，届和q 届设连杆现在位置是a b c d e ，经过时间 后，两个原动件转过的角度分别为： 糍，( 其中f s 1 ”。)( 2 4 )以和b 的关系为：坚蔓奎兰堡主兰垡篓塞一岛= 鸟r 6( 2 ，5 )则当满足下面3 个方程组中间的任意一个时，轨迹将在p 点相交f 譬晏麓，( 2 6 )l + 岛= ，巴莹!( 2 7 )l + 岛嘲f 譬刍2 巴，( 2 8 )p + 岛= p j 。( 以上三个方程组左边都需对3 6 0 求余) 。现己知给定轨迹点是否为交点的条件，可以使用m t l a b 工具，或是编程计算等方法对轨迹点进行搜索，就可以找出轨迹点p 的位置，并可求出交点处的原动件位置以及从初始角运动到此位置所需的时间。2 3 连杆位置求解上一节中已经讨论了给定一个轨迹点尸，在般情况下有4 种位置解。在进行轨迹的智能控制时，主要的就是五连杆的逆解问题。求逆解时，原动件的位置旦确定，各杆位置也就能确定，逆解的解析法如下。见图2 6 ，现己知轨迹点p ( x p 乃) ，a ( _ ，y a ) ，e ( 蠢，儿) 和各杆杆长，只需求得两个原动件的角度口和口即可。c z黑0图2 6 连杆位置求解f兰蔓查兰堡圭兰垡兰奎占和b 关于p a 对称，由余弦定理可得z p a b = a r c c o s ( 呜铲z p a e = a r c c o s ( 莆卜o s l 丽满jt 可以求得一个原动件a z ? 的角度口= z p 4 e z p a b( 2 9 )口有两个解，当z p a b 为零，即连杆处于特殊位置时，只有一个解。- 。口已知，则b 点坐标( b e 为水平线) ：p 8 。x a +( 2 j2 , 4 c o s z10)tyby a + 1 1 s 1 1 1 口一。s ( 莆卜。s l 丽褊j伽c 一删o s ( 筲 ：a r c c o s l 丽赫jf 点坐标可求得：，七+ 如8 ( z 伽?(2ii)ty c = y b + i ：s i n z c b e l“。通常情况下c 点坐标也有两个解。与求解口的原理相同，口的求解如下：f么c e d = & t c o o s l= a r c c o s i一) 2 + ( 一儿) 2 十口一厶212 厶k 一) 2 + 帆一y e ) 2 0江苏大学硕士学位论文厂、，1一一啷l 筲j 一啷4x c - - x e 丽jr 可以求得一个原动件占的角度口= z c e f z c e d( 2 1 2 )口在一般情况下有4 个解。原动件角度计算的结果见式2 9 和2 1 2 。以上给出了具体的已知轨迹点求解连杆位置的过程，实际的计算由计算机快速完成。2 4 平面两点问路径综合2 4 1 研究平面内两点问路径的意义在生产实践中，我们常常会遇到这样的一些问题，如：绣花机的针头怎样才能实现预定的复杂轨迹；工厂中机械手怎样运动才能避开物体的阻挡，到达目的位置进行操作等等。这些问题归结起来实际上就是平面内两点间的路径问题，这是多自由度机构通常需要解决的问题。理论上平面内两点间的路径有无穷多个，在这些路径中，只有部分是可以满足我们的需要。对于五连杆机构如果把轨迹的运动特性考虑进去，对这些路径进行分析，不仅可以得出满足路径需求的轨迹，而且可以得出满足动力特性的路径，这对于生产实践有着很好的实际应用意义，对于空间多自由度机构的路径分析也有一定的帮助。2 ，4 2j 反动件匀速转动实现的平面两点闻路径五连杆的轨迹灵活多变，通过改变杆长、初始角、两曲柄的转速比可以获得各种各样的轨迹。给定五连杆工作区内的两点尸和b 则由图2 4 可知在一般情况下每一点都有4 种连杆位置与之对应。任取其中的一个位置。令尸和p 对应的原动件的角度为ap 、p p 和a q 、& 。现在要使连杆轨迹点从尸点运动到0 点，且两原动件是以匀角速度转动，先不考虑运动特性，则两原动件需满足的转速比为：m七3 6 0 + 口一o r 毒2 舂浦墨、k 2 列1 2 ，3 ( 2 9 )由上式可知，五连杆的两原动件匀速转动时实现给定两点问路径的方法有无穷多种。且当墨、岛取0 或l 时，可使两原动件实现路径需要转过的角度最小( 不超过1 8 0 。) ，在这种情况下，两点间的路径共有4 x 4 = 1 6 条。垩蔓奎兰堡主兰垡笙奎在各杆长和点位确定后，两原动件的转速比与路径的形状无关，转速比只与连杆轨迹点的运动特性有关。转速一旦确定，其运动特性就无法改变。因此，对于运动特性要求较高的场合，匀速转动实现的路径可能就无法满足需要。2 4 3 智能控制实现平面两点问路径对于五连杆原动件匀速转动所无法解决的路径问题，如：轨迹点的运动特性要求较高。两点间的要求路径是一直线，或是匀速转动无法解决的问题。这时就必须采用示教或智能控制的方法来解决。路径的智能控制是通过计算机分析某一段轨迹的形成，生成五连杆机构原动件的驱动信息，再把这些信息传送到五连杆实验台，由实验台完成实际的路径。对于一些具有规律的、可以用方程式表达出来的曲线，则可以先把这条曲线离散化。如图2 6 ，设要让连杆点以匀速线速度完成从尸到0 这样一段路径，则可以先把轨迹离散地取点，分别计算出各点所对应的连秆位置( 连杆位置不唯一) ，求出完成离散的两个相邻点之间的微小轨迹原动件应怎样运动，以及步进电机各步之间的时间间隔，并生成驱动步进电机的驱动信号。图2 6 智能控制轨迹分折由于步进电机所能够到达的角位置本身就是离散的，因此，实际所完成的轨迹是理论轨迹的逼近，具有一定的误差。当需要完成的轨迹很复杂，不便用数学公式表达时，则可以采用示教的形式来实现。示教轨迹是由人手带动连杆而形成的，因此，这样的轨迹的运动具有很大的随机性，对于运动特性要求较高的场合，并不能很好地满足。但因其可以实现非常复杂的任意轨迹，在应用中仍具有很好的实际意义。坚蔓查堂堡主兰垡丝苎第三章控制系统设计平面五连杆机构的轨迹控制相当复杂，仅由单片机控制很难完成。把单片机和计算机连接起来，对五连杆机构进行联合控制，可以发挥计算机的强大功能，实现对五连杆机构的控制。如果不使用单片机，直接采用计算机控制也可以实现控制目的。但由于需要设计制作插接在计算机内板卡( 般为i s a 和p c i 接口) ，而且要设计较为复杂的计算机底层驱动程序，因此，相比之下，采用单片机于计算机联合控制更易实现。3 1 控制系统的设计目标和整体结构对五连杆机构轨迹进行控制的目的是使其能够实现两个原动件匀速转动、示教和轨迹输出这三个功能。五连杆机构两原动件转速是两杆轨迹的一个影响因素，匀速转动控制是为了研究两个原动件在恒定转速比的情况下连杆点的轨迹。示教就是把人为的实际轨迹记录下来，以研究它的运动规律，并能够把记录的轨迹实现还原，完成一个多自由度机构学习的功能。智能控制是计算机处在主动位置，对由五连杆机构和单片机组成的系统进行智能化的控制，以实现任意形状的连杆点曲线。3 1 1 系统整体结构系统的整体结构如图3 1 。接五连杆原动件图3 1 五连杆实验台整体结构示意图节联接江苏大学硕士学位论文本课题研究的是平面五连杆机构，所以连杆的运动都在一个平面内完成，原动件由安装在操作平台的两根驱动轴驱动。驱动轴由轴承座固定，可承受一定的径向和轴向的力，此轴承座也可根据实际需要改成减速器。原动件、步进电机、编码器安装在一根轴线上，三者同时转动，转速相等。电机使用了两端都有输出轴的型号，一段与轴承座固定，之间用联轴节连接以防轴卡死，因电机驱动五连杆时可能会频繁地换向，所以使用了弹性钢片联轴节，而不是轴向变形量较大的弹簧式联轴节。示教所需要的原动件检测装置采用了圆光栅编码器，它是一种精密的光电科技产品，不能受到大力量的冲击或振动。步进电机转动时轴的振动较为强烈，因此编码器的固定方法采用了悬空方式，它的轴端与步进电机的一端通过弹性钢片连轴节连接。为防止编码器外壳跟随编码器的轴转动而造成数据采集的误差，把编码器输出用的较粗的电缆固定起来。这样不仅简化了编码器的固定，还可以有效防止编码器因振动而损坏。所有的构件都放置在实验台的箱体内。对步进电机的控制、编码器的数据采集、串口通讯等功能都集中到一块电路板上，该控制板可以安置在箱体内部的侧面，只占有很少的空间，而不用另外设计个控制箱。电源变压器和步进电机的驱动器也集成到了箱内，对外的连线十分简洁，只有一根电源线和一根串1 3 通讯线。3 1 2 机械部分及外观设计五连杆实验台的外观如图3 2 所示。图3 2 实验台外观4坚蔓查堂堡主兰堡堡苎一五连杆的各连杆设计成可以改变杆长的结构，连杆以及操作平台都用铝合金制成，具有质量轻、美观等优点。轴承座中使用两个小型号的轴承固定五连杆机构的驱动轴，结构紧凑、体积小巧，表面经过发黑处理。整个箱体采用可拆分式结构，便于安装、维修与调试。箱体所有表面经过喷塑，并且各边都有铝合金条包边处理。以上连杆、轴承座、箱体等机械部件都使用了c a x a 电子图板进行设计。键盘采用贴片式薄膜键盘，与普通的按键式键盘相比，不仅轻薄，而且美观、易于安装。键盘、电源开关、显示屏和指示灯等组件与整卜面板融为一体，安装时只需贴到箱体的前板即可。3 2 硬件部分设计3 2 1 单片机芯片的选择外部需要连接的设备比较多，包括：两个编码器、两个步进电机、4 4 的键盘、2 1 6 l c d 液晶显示屏、串口、蜂鸣器、指示灯等。如果采用常用的5 1 系列单片机，5 1 系列的单片机具有4 个8 位i o 口，无法与这么多外设直接相连，必须要进行总线扩展才能满足外设的需求，这将会增加系统的复杂度，系统的可靠性也会有所降低。m s p 4 3 0 系列微控制器是美国德州t i 公司推出的1 6 位超低功耗产品，其集成度高，功耗很低，适合应用于自动信号采集系统、液晶显示智能化仪器、电池供电或长时间连续工作的设各。电源供电电压1 8 3 6 v 。具有工业级1 6b i tr i s cm c u 。m s p 4 3 0c p u 的运行按需采用不同的时钟，高频晶振满足c p u 快速运行，低频手表晶振可以满足低功耗的需要1 8 】。根据具体的需要，在平面五连杆机构的控制中选用了m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机。m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机存储器包括6 0 k b 的f l a s h 存储器和2 k b 的r a m 。外围模块极为丰富，具有2 组频率可达8 i i i h z 的时钟模块，4 8 个i o 口，2 个1 6 位定时器，2 个u s a r t 通讯接口，1 2 位a d 转换器，精密模拟比较器，看门狗，硬件乘法器等等。由于该单片机的r o m 是f l a s h 型，这一特点使得它的开发工具相当简便。利用单片机本身具有的j t a g 接口或片内的b o o tr o m ，可以在一台p c 及一个结构非常小巧的j t a g 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序的调试。与开发5 1系列单片机相比较，可以省去单片机开发常用的仿真器和编程器，降低产品的成本。m s p 4 3 0 f 1 4 9 具有的外围模块和w o 相当丰富。可以在不扩展总线的情况下连垩蔓查兰堕圭兰些堡奎接所有外围设备。3 2 2 电机及其驱动器作为驱动原动件转动的动力源可以采用伺服电机或者是步进电机，这两种电机的特性不同。伺服电机采用闭环控制，一般用于精度和动力特性要求比较高的场合，但是其成本比较高，一般是步进电机的数倍。步进电机的精度相对伺服电机比较低，但由于在不失步的情况下，用开环的控制方法就可以达到闭环的控制效果，控制较为简单，成本也低。综合考虑具体的应用需求，在该五连杆控制系统中采用了步进电机作为动力源。步进电机转动所需要的p w m ( 脉宽调制) 信号可以由单片机产生，但是会占用比较多的c p u 时间。考虑到控制系统的实时性要求比较高，而且单片机要控制较多的外设，使用了步进电机驱动器，简化了单片机的工作，单片机只需提供方向信号和简单的脉冲信号即可。在这个系统中，选用了常用的、精度比较高的步距角为1 8 0 9 度的混合式步进电机，全步走的时候每步是1 8 度，半步走的时步距角为0 9 度。实际中使用的步距角为o 9 度，则电机完成一整周的转动需要走3 6 0 0 9 = 4 0 0 步。磁阻式的步进电机由于耗电和发热量都比较大而没有选用步迸电机的精度选择相当重要，精度选择过低，将会导致绘制出的连杆曲线不够平滑，产生锯齿状的曲线。从曲线平滑的角度来看，电机的精度越高越好，但由于电机的精度要和编码器保持一致，精度选择过高，将使编码器的精度也要随之选择精度很高的编码器，数据采集与输出时的数据量将增大很多，这将给单片机的数据处理带来困难。可以考虑采用精度较低的电机和编码器，再通过一个减速器来驱动原动件，这与直接驱动的方式相比较相当于增加了电机的转动力矩，电机和编码器的精度也相当于乘以了减速器的减速比。但是由于选用了永磁式步进电机，在电机不加电的情况下，也需要有一定的力矩才能使其被动的转动。在电机作为动力源驱动原动件时，这个力不会产生什么影响，但是，当示教时，电机将被动地转动，如果加入了减速器，将使这个原来比较小的力矩增大数倍，使得示教时连杆带动电机转动变得困难。因此，步进电机与原动件之间通过连轴节直接联接。步进电机的驱动器使用了自行设计的驱动器，不仅结构简单小巧，而且大大降低了执行部件的成本。对于小机座号的二相永磁步进电机及二相( 四相) 混合式步进电动机，应用s g s 公司推出的l 2 9 7 和l 2 9 8 两芯片可方便地组成步迸电机控制驱动器，并可与微处理机连接控制。其中l 2 9 7 是一种步进电动机控制集成芯片，可产生四相驱动信号，应用于微处理机控制两相双极和四相单极步进电机。l 2 9 8 是一种高压、垩蔓查堂堡主堂垡丝奎一大电流双桥式驱动器，其设计是为接受标准t t l 逻辑电平信号和驱动电感负载的例如继电器、直流电动机和步进式电动机。步进电机驱动器的设计过程不再详细讲述，具体可参阅相关资料。3 。2 3 数据采集装置要实现示教功能，就需要有一定的传感装置把两个原动件的运动规律记录下来，采用圆光栅编码器作为传感器，可检测原动件的运动。由于要对原动件转动参数进行记录与分析，需要使用转动参数采集装置进行数据采集。该控制系统中使用了两个圆光栅编码器。圆光栅编码器是用来测量转动参数的传感装置。它内部有一个圆形的玻璃盘片，在玻璃盘片上，利用光刻技术，刻上了很多精密、细致的、与直径方向相同的铬线，铬线的疏密程度与编码器的精度有关。这样，在玻璃盘片上就形成了一道道明暗相间的条纹。编码器工作时，在玻璃盘片的一侧有个光源，在相对的另一侧有一个接收光信号的感光装置。随着编码器的轴带动刻有铬线的玻璃盘片的转动，光源发出的光被盘片时而阻断，时而通过。这样，盘片另一侧的接收装置接收到的是系列的光脉冲，再把它转换成电信号，就可以得到输出脉冲信号。在一个编码器中，有两个这样的光源和接收装置，这两个装置的位置安排得可以使输出的两个脉冲信号，相差9 0 度的相位角。a厂 厂 厂b厂 厂 厂 图3 3 编码器输出波形如图一：编码器输出a 、b 两组脉冲信号，且正转时a 比b 先9 0 度的相位；则当编码器向相反的方向转动时，a 比b 滞后9 0 度的相位。产生相位差是为了能蟛识别编码器旋转的方向。得到两组脉冲信号后，用7 4 l s 7 4 ( 双d 触发器) ，就可以把相位差信号转化为方向信号。另外，编码器转动时，在某个特定的位置会发出一个脉冲信号，便于对转动圈数计数。单片机采集到来自编码器输出的脉冲后，对采集到的信息进行处理与加工，并以一定的格式传送到计算机，可由计算机以文件形式保存或者进行分析。江苏大学硕士学位论文3 2 4 键盘键盘是对实验台操作的人机交互接口，通过键盘来实现对五连杆机构的控制。设计键盘，首先要确定键的功能与数量，然后再进行硬件和软件的设计。对于该控制系统。需要进行匀速转动控制、示教记录和轨迹还原。因此需要进行这三种模式选择的模式键：其次需要输入转速的0 9 的数字键和负号键：另外还需要暂停控制、参数设置和确认这几个键。键的总的数量是1 6 个。实现键盘扫描的方法很多，可以用每个按键分别接到一个i 0 口各个引脚上的方法来进行键的扫描。这种方法原理简单，程序设计也很方便，但是这种方法比较浪费i 0 端口，在键的数量比较少的时候可以采用，但对于键的数量比较多，或者i 0 端口不富裕的情况就不适用了。通常使用的键盘结构是矩阵式的，如果有珊n 个键，采用矩阵式的结构以后，只需m + n 个i 0 端口就行了。因为键的数量是1 6 个，采用4 4 的矩阵式键盘结构，只需要8 个i 0 端口。键盘的原理图如图图3 4 键盘工作原理m s p 4 3 0 的p 4 口用于与键盘连接，p 2 7 用于检测是否有键按下。其中使用了一个四输入与门( 7 4 l s 2 1 ) ，当没有键按下时，p 2 7 读入的始终是高电平，若有任意键按下，电平就跳变为低电平，程序就可以检测到有键按下，接着进行键的识别。p 2 7 不仅可以用于检测有无键按下，而且可以把p 2 7 设置为中断源，使键盘以中断方式工作，减少c p u 在键盘上所消耗的时间。键的识别采用行扫描法，p 4 o p 4 3 各位均输出0 ，即相当于把这四个端口接地。p 4 4 p 4 7 输出为高电平。当有键按下时，p 2 7 跳变为低电平，系统就可以检测至q 有键按下，并延迟一定的时间以去除键的抖动。接着分别把列线垩蔓茎堂堡主堂垡笙茎p 4 4 p 4 7 中的一个单独地置为高电平，其余的置为低电平。读入p 4 0 p 4 3口的数据，如果都为0 ，则置为高电平的列线上没有键按下。于是换一根列线置为高电平，直到读入行线的数据中有任何一位是l ( 高电平) 。此时相应的行线和列线的交叉点就是按键的位置。从p 4 o p 4 3 读入和p 4 4 p 4 7 输出的数据是键盘的扫描码，经过查表计算后可转换成预先定义的数值。3 2 5 显示设备作为信息反馈的显示装置采用了2x1 6 的液晶字符型矩阵式显示屏，字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字和符号等的点阵型液晶显示模块。在显示器件的电极图形设计上，它是由若干个5 x7 的点阵字符位组成。每一个点阵字符位都可以显示一个字符。常见的七段数码显示管使用时需要三八译码器、七段码驱动器等外围电路，而且只能够显示数字。字符型l c d 则不仅仅只是一个显示装置，由于其内部包含有l c d 驱动器和l c d控制器，可以大大简化电路设计，对外接口也十分简洁。不需要任何外接电路，可以直接与单片机连接，具有显示功能强，使用方便等优点。表3 1 液晶显示屏引脚功能 l c d 脚位1234567i89i1 0l1 l1 21 31 4l 引脚功能v c cv s s阳r sr we ld 1d 2l ld 4d 5 d 8口7其中包括3 根控制线和一个8 位数据总线。8 位的数据总线和m s p 4 3 0 f 1 4 9 的p s i o 口相接，r s 、r w 、e n 三根控制线分别与p 6 0 p 6 z 连接。3 2 6 串口通讯r s 2 3 2 接口是一种标准的串行通讯接口，一般的单片机都带有r s 2 3 2 接口，串口操作简单、可靠性高，在通讯中有着广泛的应用。在普通的单片机选择串行通讯波特率的时候，都要考虑到单片机晶振的选择，即单片机的晶振频率必须是波特率的1 6 的整数倍。m s p 4 3 0 的波特率发生器用了一个分频器和一个调整器。即使晶振频率不是所需波特率的整数倍也能正常工作，而且使通讯协议可以工作在最大的波特率。m s p 4 3 0 f 1 4 9 有两个通用串行同步异步接口( u s a r t ) ，可以使7 位或8 位的串行位流以预设的速率或外部时钟确定的速率移入移出单片机，使u s a r t o 和u s a r t l 其中的一个与计算机进行通讯，就可以实现计算机对实验台的控制。u s a r t接口支持两种不同的串行协议：通用异步协议( u a r t 协议) 和同步协议( s p i 协1 9坚茎查兰堡圭兰垡堕壅议) 。当用来与p c 机的r s 2 3 2 口通信时，应当对其进行设置，使其工作于u a r t模式。实验台在示教、轨迹还原和控制过程中需要实时的数据传输，速度是一个需要考虑的重要因素。w i n d o w s 操作系统能够提供的最高波特率为1 1 5 2 0 0am s p 4 3 0 f 1 4 9 的最高时钟频率可以达到8 m ，经过大约7 0 分频后也可以达到11 5 2 0 0的波特率。因此这样的波特率对于p c 机和单片机都是可行的，可以暂定使用1 1 5 2 0 0 的波特率。目前p c 机的串! e l 都以从老式的2 5 芯改为现在的9 芯，其r s 一2 3 2 c 接e 1 定义如表3 2表3 2r s 2 3 2 接口引脚定义针脚123456789载波接收发送数据终信号数据设请求清除振铃定义检测数据数据端就绪地各就绪发送发送提示符号d c dr x dt x dd t rs gd s rr t sc t sr ir x d 和t x d 是数据接受和发送必