机械手写毛笔字论文.doc

作品设计报告 智能水稻灌溉系统 参赛队员：张洪锋 宋海洋 黄岗桂 指导教师：付兴烨 参赛院校：绥化学院电气工程学院引言写字机器人在机器人教学和科普展览等方面有着非常重要的意义, 其控制系统作为机器人的核心部分,是影响机器人性能的关键部分。 写字机器人的控制主要是对机械手末端在空间内 按照特定方式运动进行控制, 这就要求控制系统通过合理的程序控制机械手末端的运动轨迹, 目 前主要是通过上位机 下位机控制来实现, CPU 将控制信号传到次级控制器, 然后由 次级控制器控制电机按照要求的速度转动, 从而实现机械手在空间中的运动摘要本设计是基于stm32单片机和步进电机加编码器所组成的五轴联动的机械手臂完成自动书写毛笔字的效果，首先通过人来书写一遍，通过编码器记录下来走过的脉冲，然后有单片机来读取脉值，再通过单片机的定时器来模拟编码器所发出的脉冲，驱动步进电机，来完成写字的目的。整个系统是通过组态进行监控，系统安装了一个有昆仑组态的TPC7062K的一个触摸屏通过用工业上实用的modbus协议赖于单片机进行通信，实现对系统的状态进行监控。关键词 stm32 编码器 modbus 步进电机1 写字机器人控制系统的总体方案机器人控制系统的任务主要是由 编码器发送各种控制命令, 经 cpu 程序进行译码、 预处理后, , 将控制命令送入 寄存器, 然后 单片机 将控制指令转化为脉冲或电压信号输入到 单片机 中; 这些信号 (包括脉冲方向输出、 脉冲计数、 数字量输出 信号和输入信号 )对步进电机进行驱动, 输出 频率可调的脉冲串 来驱动轴步进电机, 通过改变脉冲串的频率和个数来实现电机速度和位置的控制及多轴联动等功能, 从而实现机械手在空间中的运动。 控制系统可以与步进电机构成开环控制电路, 一方面提供扩展接口 , 方便对系统功能作进一步扩充; 另一方面控制机械手运动的角 度和速度,使机械手具有较高的位置精度、 较好的动态性能和较大的调速范围 , 从而控制机械手在空间中的直线运动和曲线运动,2实现的功能此设计主要是来实现书写毛笔字的过程，首先按下启动按键，等待系统初始化，大约5秒后由人来书写文字书写完成后，等待系统进行数据处理，大约5秒钟后，按下执行按键，系统会自动模拟刚才所写的字，此过程运行时组态一直进行对系统的监控3设备组成设备主要组成有两块stm32单片机最小系统版，六台步进电机，五个编码器，一个mcgs触摸屏，六路继电器，一个51单片机最小系统（主要用到其串口连接stm32单片机进行modbus通信）四台开关电源，一块稳压电路，2个j-link，六台步进电机驱动器。2.1 stm32单片机STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARM/Cortex-M3/32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC 、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。 STM32F103xx增强型系列工作于-40至+105 的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。完整的STM32F103xx增强型系列产品包括从36脚至100脚的五种不同封装形式；根据不同的封装形式，器件中的外设配置不尽相同。下面给出了该系列产品中所有外设的基本介绍。这些丰富的外设配置，使得STM32F103xx增强型微控制器适合于多种应用场合：电机驱动和应用控制 ；医疗和手持设备PC外设和GPS平台；工业应用：可编程控制器、变频器、打印机和扫描仪 ；警报系统，视频对讲，和暖气通风空调系统STM32开发板核心芯片的参数如表2-1表2-1 器件功能和配置(STM32F103xx 增强型)2.2 内部资源 STM32有丰富的内部资源内置闪存存储器；内置SRAM； 嵌套的向量式中断控制器(NVIC)； 外部中断/事件控制器(EXTI)； 时钟和启动； 自举模式； DMA ； RTC(实时时钟)和后备寄存器 ； 窗口看门狗； I2C总线 ； 通用同步/异步接受发送器(USART)； 串行外设接口(SPI)； 控制器区域网络(CAN) ； 通用串行总线(USB)； 通用输入输出接口(GPIO)； ADC(模拟/数字转换器) ；温度传感器； 串行线JTAG调试口(SWJ-DP)、此设计用到了stm32单片机的中断嵌套向量NVIC，终端的优先级和定时器的部分，非别是定时器1，定时器2，定时器3，定时器4，定时器7，定时器8，2.3昆仑组态mcgsMCGS嵌入版采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS嵌入版的组态工作既简单直观，又灵活多变。实时性强、有良好的并行处理性能。MCGS嵌入版是真正的32位系统，充分利用了32位WindowsCE操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程为单位对在工程作业中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理，使嵌入式PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。例如，MCGS嵌入版在处理数据采集、设备驱动和异常处理等关键任务时，可在主机运行周期时间内插空进行象打印数据一类的非关键性工作，实现并行处理。丰富、生动的多媒体画面。MCGS嵌入版以图像、图符、报表、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等相关信息；用大小变化、颜色改变、明暗闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果；对图元、图符对象定义相应的状态属性，实现动画效果。MCGS嵌入版还为用户提供了丰富的动画构件，每个动画构件都对应一个特定的动画功能。完善的安全机制。MCGS嵌入版提供了良好的安全机制，可以为多个不同级别用户设定不同的操作权限。此外，MCGS嵌入版还提供了工程密码功能，以保护组态开发者的成果。强大的网络功能。MCGS嵌入版具有强大的网络通讯功能，支持串口通讯、Modem串口通讯、以太网TCP/IP通讯，不仅可以方便快捷的实现远程数据传输，还可以与网络版相结合通过Web浏览功能，在整个企业范围内浏览监测到所有生产信息，实现设备管理和企业管理的集成。多样化的报警功能。MCGS嵌入版提供多种不同的报警方式，具有丰富的报警类型，方便用户进行报警设置，并且系统能够实时显示报警信息，对报警数据进行应答，为工业现场安全可靠地生产运行提供有力的保障。实时数据库为用户分步组态提供极大方便。MCGS嵌入版由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，其中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区，是整个系统的核心。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。在生成用户应用系统时，每一部分均可分别进行组态配置，独立建造，互不相干。2.4步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力，以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。步进电机的静态指标术语拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。2.5 步进电机驱动器 二、TB6560单轴板总体接线图：TB6560单轴板信号输步进电机接法六线步进电机接法八线步进电机接法电机+A -A +B -B 分别接驱动板上的AM AP BM BP 接口细分数、衰减模式、电流输出大小的调节：说明：TB6560单轴驱动器上的拨码开关可以对驱动器的细分数、衰减模式、电流输出大小的调节。细分数调节拨码M1拨码M2细分模式OFFON1/16ONON1/8ONOFF1/2OFFOFF1为了使电机能更平稳地运行，尽量选择高细分，如1/16细分。衰减模式对拨码开关上的D1D2两路，D1/D2： ON/ON100%； ON/OF25%； OF/ON50%； OF/OF0%；拨码D1拨码D2工作模式ONON100%OFON50%ONOF25%OFFOFF0%注：步进电机驱动板电流衰减具体作用：现在的步进电机细分的方式基本上都是电流细分法，将相电流按正弦波相切得到的电流点作为细分点。在相电流达到细分点时就要控制电流进行控制衰减，否则得话就会出现角度过冲也就无法准确的停留在细分角度上。电机的速度不同选择的衰减模式不同。高速时快衰减、低速时慢衰减。高速时慢衰减就会出现震动大、噪音高等问题。低速时选择快衰减就会导致电机无力严重时会出现定位不准。电机控制IC上的电流衰减所针对的是H桥开关管的控制模式。慢衰减时高侧管关闭，快衰减时高低侧管都关闭。混合衰减是先是以快速衰减然后以慢速衰减，混合衰减的时间比例因芯片和功率也个不相同电流输出大小的调节拨码T1拨码T2电流大小ONON25%*2.5AOFFON50%*2.5AONOFF75%*2.5AOFFOFF100%*2.5A 建议电流尽量接近步进电机额定电流TB6560 单轴驱动器电源选择：1 供电电压的选定：一般来说, 供电电压越高, 电机高速时力矩越大, 越能避免高速时掉步。但另一方面,电压太高可能损坏驱动器, 而且在高电压下工作时, 低速运动振动较大，TB6560 单轴驱动器，建议选择24V的电压。输出电流的设定值: 对于同一电机, 电流设定值越大时,电机输出力矩越大, 但电流大时电机和驱动器的发热也比较严重。所以一般情况是把电流设成供电机长期工作时出现温热但不过热时的数值。 四线电机和六线电机高速度模式：输出电流设成等于或略小于电机额定电流值； 六相电机高力矩模式：输出电流设成电机额定电流的70%； 八线电机串联接法：输出电流设成电机额定电流的70%； 八线电机并联接法：输出电流可设成电机额定电流的1.4倍。注 意: 电流设定后请运转电机15-30分钟, 如电机温升太高，则应降低电流设定值。如降低电流值后，电机输出力矩不够则请改善散热条件，保证电机及驱动器均不烫手为宜。3基本框图Mcgs组态监控按键开始读取按键启动驱动步进电机单片机处理计算并模拟编码器输入脉冲4硬件系统5总结通过此项目的实际与实现是我充分你的额认识到了我的不足，有很多的地方都不是非常的明白，在设计到动手实现再到程序的调试，都飞了很大的周章，与此同时我们也学习到了很多的东旭，包括硬件的结构和实现，软件的仿真与调试，在许多天的辛苦努力下终于完成了再次感谢我们的指导教师。本项目的优点；（1） 实现了机械手臂自动写字省去了人力，省事方便（2） 能实现机械手的空间位置的控制，发展前景比较广泛（3） 应用前景很好改进 在写字的时候有时候会出现东东的现象，主要是因为机械结构反面还有不足。同时会出现抖墨的现象。参考文献 1 陈凯良. 恒流源及其应用电路 M . 杭州 : 浙江科学技术出版社, 1 992 2 夏春林, 丁凡, 路甬 祥. 超磁致 伸缩材 料驱 动器实 验研 究 J. 电工技术学报, 1999, 1 4( 4): 14-1 6 3 杨兴, 贾振元, 武丹 , 等. 基于 功率 M O SFET 的超 磁致 伸缩执行器驱动电源 J . 压电与声光,