【《某六自由度机械臂控制系统的硬件和软件设计案例》6100字】

某六自由度机械臂控制系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u27618某六自由度机械臂控制系统的硬件和软件设计案例 1191811.硬件电路设计 1103931.1六自由度机械臂运动学分析 1289601.1.1机械臂结构参数 2156361.1.2运动学正解 3189561.1.3运动学逆解 4277401.2硬件结构 458161.3机械手臂的组成 4237891.4机械手臂的分类 538091.5驱动部分的设计 6117771.6单片机系统 6106481.7串口通信电路 710501.7.1串口通信的基本原理 7174551.7.2串行通信的电平转换 7119841.7.3单片机与PC机串行通信实现手段 7248921.8电机驱动电路 8230962.软件系统设计 8186772.1LED灯的闪烁 841902.2检测按键 9238622.3ADC检测电池的电压 9132192.4舵机的控制 10181602.2.1舵机内部结构 1084492.2.2舵机的工作原理 1040492.2.3舵机控制 10249682.5多路舵机的速度控制 1147052.6用串口控制舵机 11195912.7增加无线控制 121.硬件电路设计1.1六自由度机械臂运动学分析本文把6自由度机械臂当作研究对象，采用改良后D－H模型进行运动学分析、求解。1.1.1机械臂结构参数机器人手臂的六个关节是旋转关节，前三个关节决定手腕参考点的位置，后三个关节决定手腕的方向。像大多数工业机器人一样，最后3个关节轴在一个点相交。因此，该点被用作手腕的参考点，同时也是链接坐标系{4}、{5}和{6}的原点。对于机械臂来说，它通常被认为是关节结合的“连接结构”。因此，在分析机器人手臂时，需要为机器人的每根杆建立一个坐标系。在分析坐标系时，首先需要定义一个实体坐标系在每个连杆上，以表示每个连杆与其相邻杆间的相对位置关系。根据这个原理，我们首先对连杆和接头进行编号，然后采用自下而上的顺序，底座为连杆0，从底座向上为连杆1，连杆2，…，接头i连杆i-1和i+1。最终建立的坐标系OiXiYiZi连接到悬挂机构，如图3-1所示：图3-1连杆坐标系根据连杆坐标系设置，相应的连杆参数可定义如下：（1）围绕Xi-1轴旋转αi-1角，使得Zi-1轴位于与Zi轴相同的平面上；（2）沿Xi-1轴到距离αi-1的距离，使Zi-1轴和Zi轴处于同一高度；（3）围绕Zi轴旋转αi-1角，使Xi-1轴与虚轴相同；（4）沿Zi轴平移距离Di，以便将连杆i-1的坐标系移到其原点，并且连杆i坐标系与连杆i-1坐标系的原点重合。利用改良的D-H模型，建立起机器人手臂的坐标系。在改进D-H坐标系时，坐标系{0}和{1}一般重合，O1是轴1和轴2的公共法线在轴1上的交点，此时关节1和2沿z轴的偏移不反映出来，但对整个机械臂关节的相对运动没有影响。选择第一个关节坐标系以与基础坐标系重合。根据机械臂的结构和连杆坐标系，可以得到其连杆关节参数，如表3-1所示：表3-1各关节参数表1.1.2运动学正解从上面相邻连杆的运动关系可以看出，连杆i在连杆坐标系i-1中的相对位置可用齐次变换矩阵来描述：因此，机械臂末端执行机构坐标系相对于基准坐标系的变换矩阵：因此，在知道每个关节的角度的情况下，可以获得机器人末端执行器的位置。1.1.3运动学逆解机器人手臂的逆运动学问题是指以已知的机器人手臂末端的位置，即已知的关节变换矩阵，来求解每个旋转关节的角度。因此，机器人手臂的逆运动学问题可以理解为通过正运动学方程求解关节的1、2、3、4、5、6个关节。1.2硬件结构本设计的硬件部分由单片机、独立键盘模块、串口通信、电机驱动模块、电源指示模块等组成。1.3机械手臂的组成一般控制系统、驱动系统、执行器三个部分组成机械手臂。执行器：手腕是将手臂连接到末端执行器的一部分，以调整末端执行器的姿势和方向。手臂是用于支撑手腕和末端执行器的一部分，由电源接头和连接杆组成，改变末端执行器的位置。底座是机器人的底部基部分，可分为固定和移动。控制器：控制系统根据机器人手臂的动作要求，分为开环控制系统和闭环控制系统。大多数工业机械臂由计算机控制，计算机分为决策层、决策层和执行层。决策层的作用是识别环境，建立模型，将工作任务分解为基本的动作序列。策略层则把基本动作转变成对应关节变化规律，并分配至各关节的伺服系统。执行级别为每个关节伺服系统提供特定的指令。1.4机械手臂的分类机器人手臂可按坐标形式、驱动模式、控制模式和信号输入模式进行分类。按坐标形式划分：坐标形式是指执行机构的手臂在移动时选择的参考坐标系的形式。直角坐标机械臂末端执行器的空间位置变化是通过沿X轴垂直移动、沿Y轴水平移动和沿Z轴上下移动来实现的。圆柱坐标机器人手臂是通过两次运动和一次旋转改变末端执行器的空间位置，手臂的运动是立柱的平面延伸和沿立柱升降的两次直线运动以及手臂绕立柱旋转的组合。极坐标机器人手臂的运动包括直线运动和两个旋转，即X轴在手臂方向的收缩、Y轴的倾斜运动和Z轴的旋转。该机械臂占地面积小，结构紧凑，定位精度高，但避障性差，存在平衡问题。关节协调机器人由立柱、小臂和大臂组成，大臂和小臂做俯仰运动，立柱绕Z轴旋转，形成腰部关节，立柱和手臂形成肩部关节，大臂和小臂形成肘部关节。驱动方式：目前使用最多的是电驱动。即驱动单元可以直接驱动机构的运动，也可以通过谐波减速装置减缓后驱动机构的运动，结构简单紧凑。液压驱动机械臂具有很强的抓取能力，能抓取数百公斤的优质物体，油压可达7MPa，其液压传动平稳、灵敏，但密封要求高，不适合在高低温环境下工作，需要配备液压系统。气压驱动的机械臂结构简单，且运动速度快，价格低廉，但由于空气可压缩，导致工作速度稳定性差，气源压力一般为0.7MPa，所以握力小，只能抓取重量几公斤到十几公斤的物体。根据控制方式：采用点控制式机器人，其运动是空间点之间的直线运动，不会涉及两点之间的运动，只在目标点控制机器人末端执行器的姿态和位置。通过信号输入：人工操作的机械臂是由操作员直接参与的具有多个自由度的机械臂。固定程序操作机器人手臂是一种按照预先定义的条件、顺序和位置，一步一步重复地执行给定作业任务的机器人。可变程序操作机械臂与固定程序操作机械臂基本相同，但工作顺序等相关信息容易修改。程序控制机械臂的操作指令由计算机程序以类似于数控机床的方式提供给机械臂。仿示教机械臂型可以根据存储在记忆装置中的信息，通过人工示教再现，示教动作可以自动重复进行。智能机器人手臂借助传感器感知工作环境或工作条件的变化，对应自身的决策能力完成相应的工作任务。1.5驱动部分的设计机器人手臂有三个伺服电机驱动：M1电机控制手臂在Z轴上旋转和摆动，M2电机控制手臂在Z轴上旋转和摆动，C电机控制末端执行器在Z轴上上下移动。为了设计方便，控制方法采用点控制。末端执行器在空间中的位置通过控制三个电机的前进和后退来确定。由于三台电机不同时控制，互不干扰，提高了整个系统的稳定性。伺服电机控制：电源线和地线提供内部能量，通常在4V和6V之间。伺服电机会导致放大器在大负载时被拉下，因此整个系统的供电比例必须合理。具体传动环节：底座部分装有M1伺服电机，通过齿轮传动控制臂的转动，底座与臂座的轴承连接；大臂座配有M2伺服电机，通过齿轮和传动控制小臂的转动和摆动。末端执行器部分配备M3伺服电机，该电机还通过齿轮和线材驱动控制末端执行器的上下移动。选择伺服电机：选择的伺服电机为Topor's，型号为SG303。其主要技术参数为：转速:0.23秒/60度；力矩:1.2kg*cm；重量:0.6kg；电源:12V和24V电源供电；增量编码器：编码器是将角度或线性位移转换为电信号的装置滚动轴承：滚动轴承的类型、公差等级和尺寸均已按国家标准制定，机械设计时只需根据相应的工作条件选择合适的轴承类型、公差等级和尺寸，并结合轴承结构进行设计。根据滚动轴承在载荷作用下的作用方向，常用的轴承可分为三类，即径向接触轴承、轴向接触轴承和中心接触球轴承。1.6单片机系统单片机的概念：它是一种微型计算机，将计算机的主要基本部件小型化，并将它们集成到芯片中。通常，芯片包含CPU、RAM、ROM、并行IO端口、串行端口、定时/计数器、中断控制系统、系统时钟、系统总线等。单片机特点：控制功能非常强大；低电压、低功耗、易生产、便携式产品；其系统配置和系统扩展较为规范、典型，易于构成各种规模的系统应用。1.7串口通信电路串行通信电路，即实现单片机与上位机通信的功能，主要通过MAX232芯片实现与相应的通信指令电路组成，用这种方法实现串行通信并烧录相应的程序下载。1.7.1串口通信的基本原理串行数据传输的特点是数据传输是按位顺序进行的，只有一行，但成本低，速度慢。因此，计算机与外界的数据传输大多是串行的，其传输距离可以从几米到几千公里不等。串行通信可分为异步和同步两种方式。微控制器中使用的串行通信通常是异步的。并行数据传输的特点是：各种数据同时传输，传输效率高。由于所需的数据位数较多，并行数据传输的成本较高。并行数据传输通常不到20米远，而计算机内部的数据传输通常是并行的。传输速率是数据传输的速度。在串行通信中，数据是以位的形式传输的，因此传输速率由每秒传输的二进制码的位数表示，称为波特率。在串行通信中，它通常用来测量通信速度，每秒传输一个端口，一般异步通信端口速率在110到9600KHZ之间。在选择通信的波特率时，不能盲目追求高，满足数据传输的要求是基本的。1.7.2串行通信的电平转换微控制器通过串行端口与个人计算机通信。微控制器的输入和输出是TTL电平，一般不适用于长距离传输，因为在传输过程中电平衰减，使传输数据不准确。PC机配置为RS-232串行接口，因此在微控制器与PC机通信时，第一步是进行电平转换，TTL电平需要转换为RS-232电平，传输线上传输的RS-232电平可以达到12V，比TTL电平具有更强的抗衰减和抗干扰能力，满足远距离传输。常用的电平转换芯片是MAX2232，它可以在两个电平之间进行转换。另外，信号传输介质最好采用双绞线，这样有利于抑制外部共模信号引起的干扰。1.7.3单片机与PC机串行通信实现手段由于可编程串行异步通信芯片8250集成在PC机上，可以通过PC机的COM1串行通信口或COM2进行控制，不再需要单独做实验板。我们可以通过串行电缆将微控制器内部电平转换接口连接到PC机的COM1串行通信端口或COM2，然后用软件对它们进行初始化，以便它们可以运行自己的接收或发送程序。具体编程时，我们可以实现很多函数。例如，我们可以从ROM或RAM中读取微控制器和PC机的内容并在线修改。PC机的程序可以使用汇编程序MASM6.0、VC、VB或C编写。控制电路和计算机通讯可以作为计算机上的监控接口，使机器人的控制更加人性化。1.8电机驱动电路一般来说，在单向电机驱动时，只有大功率三极或继电器或场效应管才能直接驱动电机，可以使用由4个功率元件构成的H桥电路或使用双刀双掷继电器实现电机双向转动这一功能。如果设计要求不需要调速，只能采用继电器；然而，如果需要速度调节，一些开关元件，如三脚架和场效应管，可以用来实现脉宽调制速度。本设计主要选用L298N驱动芯片，加上少量的电容、电阻和二极管可以简单地实现电机驱动，电机驱动自带的光耦器件可以隔离电机的控制信号和驱动信号，从而提高了系统的抗干扰能力。然而，光耦合器可能很贵，所以这部分设计被省略了。2.软件系统设计2.1LED灯的闪烁定时器是微控制器中用来计算时间的硬件设备。使用计时器让微控制器以指定的时间间隔执行指定的操作，或者精确计算事件发生的时间间隔。微控制器中的定时器通常由基于时间的发生器和计数器组成。时基被称为时间的基本单位。时基发生器可以产生具有基于时间的周期的信号，并且计数器可以计数由时基发生器产生的信号的数目。例如，如果时基是1秒，则时基生成器每秒产生一个信号，计数器的值每秒加1。当计数器值等于我们设置的值时，微控制器执行我们设置的操作。综上所述，LED闪烁时，有必要每隔一段时间改变一下LED灯的状态。我们先设置计时器的时基，然后设置计数的值，然后设置达到指定时间后要做什么。打开软件stc-isp，找到右上边的定时器计算页面，输入相对应的有效参数，这里令定时器每100微秒执行一次我们指定的操作。如图4-1所示。图4-1软件生成定时代码2.2检测按键机械按键在按下或松开时，由于机械弹性的影响，通常会伴随着固定时间的触点机械抖动，然后其触点稳定，抖动时间为5-10ms。在触点抖动期间检测按键的打开和关闭状态会导致判断错误。按键的机械抖动可以通过硬件电路消除，也可以通过软件方法消除，这里我们使用软件去抖动方法。软件的总体思路是：当检测到按键被按下时，执行约10毫秒的延时程序，然后重新检测按键是否仍被按下，以确认按键不是由抖动引起的。同样，当检测到有释放时，通过延迟然后判断来消除抖动的影响。2.3ADC检测电池的电压在微控制器应用中，通常需要将输入的模拟电压信号转换为微控制器可以识别的数字信号，将连续变化的模拟信号转换为数字信号的技术称为A/D转换技术。在实际应用中，A/D转换器可以连接到输入信号和单片机之间完成A/D转换，也可以选择用单片机内部的A/D转换器来处理。我们的仪表板有一个内部ADC转换器，当模拟信号被输入控制板并转换成数字信号时，进行数值分析来计算电压值。2.4舵机的控制2.2.1舵机内部结构舵的内部由一个小型直流电机、一组变速齿轮组、一个线性反馈电势和一个控制电路板组成。其中，舵机的原动力由高速旋转的直流电机提供，驱动减速齿轮，使其产生高扭矩输出，齿轮组的变速比越大，舵机的输出扭矩越大，即越能驱动更大重量的负载（受齿轮强度限制），但输出速度（响应速度）也较低。2.2.2舵机的工作原理舵机是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图4-2表示：图4-2舵机工作原理减速齿轮组也由电机驱动，其输出端带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角角度转换为一比例电压反馈给控制电路，控制电路将其与输入的控制信号对应的角度作比较，并驱动马达正向或反向地转动，使电位器反馈角度趋向于控制信号期望度，从而达到使伺服达精确定位的目的。2.2.3舵机控制标准的PWM舵机有三条控制线，分别为：电源、地及控制。如图4-3所示。图4-3舵机三条控制线内部直流电机和控制线所需的能量由电源线与地线提供，通常在5V和8V间，电源应尽可能与处理系统的电源隔离。在大负载时，即使是方向舵也会降低放大器的电压，因此电源与整个系统的比例必须合理。通常输入一个周期性正向脉冲信号，高电平时间在1ms-2ms之间，低电平时间在5ms到20ms之间。模拟方向舵需要保持一个周期性信号来保持方向舵的角度，当信号丢失时，方向舵不再输出功率。我们使用的是一种数字舵，它通过发送一次正确的高电平信号来保持锁定角度，对低电平时间要求不是很严格。如表4-1所示。表4-1舵机信号与对应角度2.5多路舵机的速度控制方向舵机运动速度：内部直流电机和变速齿轮组的组合决定其瞬时运动速度，这是恒压驱动的唯一