二自由度机械臂驱动控制系统设计
二自由度机械臂实验报告
⼆⾃由度机械臂实验报告⼆⾃由度机械臂实验报告实验报告课程名称: 机电系统建模与控制实验项⽬名称: ⼆⾃由度机械臂实验任课教师: 马越组别：第6组成员：刘仕杰.胡据林.王昊阳.于骁实验⽇期：2019年12⽉9⽇⼀、实验简介⼆⾃由度（DOF）串联柔性（2DSFJ）机械臂包括两个⽤于驱动谐波齿轮箱（零回转间隙）的直流电机及⼀个双杆串联机构（）。
两个连接都是刚性的。
主连接通过⼀个柔性关节耦合到第⼀个驱动器上，在其端部载有第⼆个谐波驱动器，该驱动器通过另⼀个柔性关节与第⼆个刚性连接耦合。
两个电机及两个柔性关节都装有正交光学编码器。
每⼀个柔性关节配有两个可更换的弹簧。
使⽤⼀个翼形螺钉零件，就可沿着⽀撑杆，将每根弹簧端移到所希望的不同定位点。
该系统可视为多种⼿臂式机器⼈机构的⾼度近似，是典型的多输⼊多输⼊（MIMO）系统。
⼆、实验内容1. 系统开环时域动态特性和频域特性分析；2. 应⽤极点配置⽅法设计控制器，进⾏时域动态响应特性和频域特性分析（超调量、上升时间、震荡次数等，根据极点分布决定），改变极点分布位置，完成⾄少 2 组不同闭环参数性能对⽐；3. 应⽤ LQR ⽅法设计反馈控制律，进⾏时域动态响应特性和频域特性分析（超调量、上升时间、震荡次数等，根据极点分布决定），改变 Q 和 R 的值，完成⾄少 2 组不同闭环参数性能对⽐；4. 设计全阶状态观测器，完成物理 PSF 与状态观测（⾄少两组观测器极点位置）综合作⽤下的系统性能控制。
三、实验设备1.设备构造与线路图（1）直流电机#1第⼀台直流电机为⼀台可在最⾼27V 下⼯作的Maxon273759 精密刷电机（90 ⽡）。
该电机可提供 3A 的峰值电流，最⼤连续电流为 1.2A。
注意：施⽤在电机上的⾼频信号会对电机刷造成最终损坏。
产⽣⾼频噪⾳的最可能来源是微分反馈。
如果微分增益过⾼，噪⾳电压会被输⼊到电机⾥。
为保护您的电机，请将您的信号频带限制控制在 50Hz以内。
机械臂的控制系统设计
机械臂的控制系统设计目录前言3第一章绪论41.1课题背景41.2机械臂国内外发展现状41.3课题的主要研究内容51.4课题的意义6第二章机械臂的功能分析与方案确定72.1机械臂的功能分析72.2机械臂的总体方案的确定72.2.1机械系统方案的确定72.2.2电气控制系统的设计72.3本章小结7第三章机械臂机械系统设计93.1机械系统分析及器件选择93.1.1步进电机的选择93.1.2步进驱动器的选择93.2机械臂的机械运动设计103.2.1确认4自由度机械臂的机械运动方式103.2.2运用三维软件Solidwork绘制机械臂的零件图103.2.3运用Solidwork进行零件装配113.2.4运用Solidwork进行仿真12第四章可编程控制器与触摸屏134.1可编程控制器134.1.1概述134.2工作原理134.2.1硬件组成134.2.2可编程控制器的工作原理134.3可编程控制器的特点144.4可编程控制器的应用及发展前景144.5触摸屏的概述144.6触摸屏的发展及发展趋势154.6.1触摸屏的发展史154.6.2触摸屏的发展趋势15第五章机械臂控制系统研究165.1控制系统分析及器件的选择165.1.1控制系统分析165.1.2可编程控制器的选择165.1.3触摸屏的选择175.2机械臂控制方案的设计185.2.1确认控制方案并绘制控制系统的结构框图185.2.2机械臂控制原理与I/O端口的分配195.2.3控制系统流程图的设计21第六章软件控制266.1F某3U系列的PLC指令系统266.2编写PLC程序及其说明276.3G 某-Developer编程软件的使用方法356.4KincoHMIware触摸屏软件的使用方法386.5触摸屏界面设计39第七章总结44致谢45参考文献46附录1PLC程序47附录2触摸屏界面63前言在工业生产过程中，机械臂通常也被叫做工业机器人，是能够帮助很多工厂实现现代化道路的重要设备之一。
机械臂控制系统设计
机械臂控制系统设计工业机械臂是近代自动控制领域中一项新的技术，发展由于积极的作用被人们重视，机械臂是机器人的重要组成部分，机械臂主标签：机械臂；控制；系统；设计一、设计选型分析1.关节结构的设计分析机械臂按照运动形式可以分为直角坐标型、圆柱坐标型、关节型、极坐标型，直角坐标型的臂部由三个相互正交的移动副组成，带动腕部分别沿着X、Y、Z 三个坐标轴的方向作直线移动，而且结构十分的简单，运动位置精确度很高，但是占得空间很大，工作范围很小，圆柱坐标型的臂部由一个转动副和两个移动副组成，占的空间很小，工作范围大，可以在狭窄空间内绕过各种障碍物，二极坐标型的臂部是由两个转动副和一个移动副组成，产生沿手臂轴X的直线移动，绕基座轴Y的转动和绕关节轴Z的摆动，手臂可作绕Z轴的俯仰运动，并且抓住地面的物体，采用关节型的基础上，局部结合三种进行设计。
对于臂部的设计应该满足承载能力足、刚度高、导向性能好、定位精度高、重量轻、转动惯量小、与腕部和机身的连接部位设计合理。
由于手臂是支承手腕的部件，设计时应该考虑抓取物体的重量或者是携带工具的重量，还有就是考虑运动时的动载荷及转动惯性，为了可以有效的防止臂部在运动的时候产生变形，手臂的截面形状应进行合理的选择，对于工字型截面的弯曲刚度会比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度比实心轴大，为了可以有效的防止手臂直线运动的时候，沿着运动轴线发生相对转动，应该设置导向装置，还可以采用一些缓冲措施，为了提高其运动的速度，可以减少臂部运动部分的重量，减少手臂对回转轴的转动惯量，还有就是臂部安装的形式和位置关系到其强度、刚度和承载能力，直接影响其外观。
2.驱动控制系统的设计分析对于驱动控制系统可以分为开环控制和闭环控制，为了可以实现实时控制和精确定位等要求，使用带有反馈的闭环控制系统，也叫做伺服系统，伺服系统可以分为液压伺服系统和电动伺服系统，所以应该考虑到机械臂的重量、体积、使用方便，应该使用精度高、信号处理灵活、结构紧凑、质量小的电动伺服系统，实现同步型交流伺服电机。
二自由度机械臂控制系统的设计与实现
二自由度机械臂控制系统的设计与实现一、引言机械臂是一种能模拟人类手臂运动的机电系统，广泛应用于工业生产、医疗辅助、科学研究等领域。
二自由度机械臂是指具有两个关节的机械臂，可以实现在平面内的运动。
本文将介绍二自由度机械臂控制系统的设计与实现。
二、系统架构设计1.机械结构设计机械臂的结构设计非常重要，要能够满足运动需求，并具有足够的稳定性和精度。
对于二自由度机械臂来说，通常采用两个旋转关节来实现运动。
关节的设计应考虑到负载能力、速度、精度等因素。
2.控制器设计机械臂的控制器是实现运动控制的核心部分。
控制器的设计应考虑到对关节运动的控制、轨迹规划、传感器数据采集等功能的支持。
常见的控制器包括伺服控制器、PLC控制器等。
3.传感器选择传感器用于获取机械臂关节位置、速度、负载等参数，是控制系统的重要组成部分。
根据需求可以选择编码器、力传感器等不同类型的传感器。
三、系统实现1.关节控制算法设计关节控制算法用于实现对机械臂关节运动的控制。
常见的控制算法包括PID控制算法、模糊控制算法等。
在设计控制算法时，需要考虑机械臂的动力学模型、非线性特性等因素。
2.轨迹规划算法设计轨迹规划算法用于生成机械臂运动的轨迹。
常见的轨迹规划算法包括直线插值、圆弧插值等。
在设计轨迹规划算法时，需要考虑机械臂的限制条件，如关节角度范围、运动速度等。
3.硬件连接与调试将控制器和传感器与机械臂相连，进行硬件连接。
通过调试软件和硬件的配合，实现对机械臂运动的控制。
在调试过程中需要对控制算法和轨迹规划算法进行调优，确保机械臂能够准确完成指定的运动。
四、系统测试与验证在实现机械臂控制系统后，需要进行系统测试与验证。
通过测试可以评估系统的性能，如运动的准确度和稳定性等。
验证测试是对系统的功能进行验证，确认系统是否满足设计要求。
同时，还可以针对系统进行性能优化，提升机械臂的运动速度和精度。
五、结论本文介绍了二自由度机械臂控制系统的设计与实现。
通过设计合理的机械结构、控制器、传感器和算法，可以实现对机械臂的精确控制。
二自由度机械臂matlab
二自由度机械臂matlab二自由度机械臂是一种常见的工业机器人，它由两个旋转关节组成，可以在水平和垂直方向上进行运动。
在工业自动化领域，二自由度机械臂被广泛应用于装配线上的零部件处理、焊接、涂装等工作。
在本文中，我们将探讨如何利用Matlab对二自由度机械臂进行建模和控制。
我们需要建立二自由度机械臂的数学模型。
通过分析机械臂的结构，可以得到其运动学和动力学方程。
运动学方程描述了机械臂末端的位置和姿态与关节角度之间的关系，而动力学方程则描述了机械臂关节的运动和扭矩之间的关系。
利用Matlab可以方便地求解这些方程，从而实现对机械臂运动的仿真和控制。
接下来，我们可以利用Matlab进行机械臂的控制设计。
控制设计的目标是使机械臂能够按照预先设定的轨迹进行运动，并实现精准的定位和操作。
常见的控制方法包括PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
在Matlab中，可以通过编写控制算法来实现对机械臂的闭环控制，从而提高其运动的精度和稳定性。
除了控制设计，Matlab还可以用于机械臂的路径规划和优化。
路径规划是指在给定约束条件下，寻找机械臂末端的最佳运动轨迹，以实现高效的操作。
而优化算法可以帮助机械臂在复杂环境中选择最优的路径，避免碰撞和提高效率。
通过Matlab的强大计算能力，可以快速地求解路径规划和优化问题，为机械臂的运动提供有效的支持。
二自由度机械臂的建模和控制是一个复杂而又具有挑战性的问题。
利用Matlab作为工具，可以方便地对机械臂进行仿真、控制设计、路径规划和优化，从而提高机械臂的运动性能和工作效率。
未来随着人工智能和机器学习的发展，二自由度机械臂的应用将会更加广泛，Matlab将继续发挥重要的作用，推动机械臂技术的发展和应用。
二自由度机械臂控制系统的设计与实现的开题报告
二自由度机械臂控制系统的设计与实现的开题报告一、题目二自由度机械臂控制系统的设计与实现。
二、研究背景随着现代工业的发展，机械臂在制造业和物流领域得到广泛应用。
因此，机械臂控制系统的研究和开发具有重要的现实意义。
目前，机械臂的控制方式主要有基于传统PID控制和基于机器学习的控制方式。
而在二自由度机械臂控制系统的设计和实现中，通常会采用传统PID控制方式。
三、研究目的与意义本文旨在设计和实现一套二自由度机械臂控制系统，以便更好地理解和掌握机械臂控制方面的知识，也为制造业和物流领域提供更好的机械臂控制系统方案。
四、研究内容1、二自由度机械臂的建模和仿真。
2、采用传统PID控制方式设计机械臂控制器。
3、采用ROS框架搭建机械臂控制系统。
4、控制系统测试与实验。
五、研究方法1、使用Matlab software建模和仿真二自由度机械臂。
2、采用传统PID控制方式，使用Matlab software设计控制器。
3、使用ROS框架，编写控制程序，搭建机械臂控制系统。
4、进行实验测试，对系统进行调试和优化。
六、研究进度安排1、建模和仿真二自由度机械臂及PID控制器的设计：1个月。
2、ROS框架搭建机械臂控制系统和编写控制程序：2个月。
3、实验测试、调试和优化系统：1个月。
4、论文撰写和答辩：1个月。
七、参考文献[1] 蒋永忠, 梁发才, 李广真. ROS系统在机械臂控制中的应用研究[J]. 物理学报, 2019, 68(8): 080508.[2] 叶海涛, 郭东生, 李修涛. 基于PID控制的多自由度机械臂运动控制研究[J]. 现代电子技术, 2016, 39(12): 92-95.[3] 刘娜. 机械臂运动控制与仿真[D].东华大学, 2016.[4] W. Yu, L. J. Young, W. J. Zhang et al. Sliding mode control for the 2-DOF direct-drive robot arm with uncertainties and disturbances [J]. Robotics and Autonomous Systems, 2016, 82: 139-147.。
二自由度机械臂动力学模型
二自由度机械臂的动力学模型通常涉及到两个主要的方面：几何构型和运动方程。
在建立动力学模型之前，首先需要确定机械臂的几何参数，包括每个关节的转动惯量以及各连杆的长度。
动力学模型可以分为两部分：静力学模型和动力学模型。
静力学模型关注的是力的平衡问题，即在机械臂的任意位置上，作用在机械臂上的所有外力之和等于零，所有外力矩之和也等于零。
动力学模型则进一步考虑了机械臂的运动情况，即在给定的力和力矩作用下，机械臂的运动如何变化。
为了建立动力学模型，我们通常采用牛顿-欧拉方法或者拉格朗日方法。
牛顿-欧拉方法从关节坐标出发，逐步推导出各关节的力和力矩，再结合连杆的长度，得到整个机械臂的动力学方程。
拉格朗日方法则是从能量的角度出发，利用动能和势能的关系来建立动力学方程。
具体来说，对于二自由度机械臂，其动力学方程可以表示为：
M(q)q'' + C(q, q', t)q' + G(q, t) = T(q, q', t)
其中：
- M(q) 是机械臂的质量矩阵，q是关节变量；
- q' 是关节变量的速度；
- q'' 是关节变量的加速度；
- C(q, q', t) 是由关节速度引起的科氏力和离心力等构成的矩阵；
- G(q, t) 是重力矩阵；
- T(q, q', t) 是外部施加的力和力矩。
在实际应用中，还需要对上述方程进行求解，这通常需要借助计算机模拟或数值积分方法。
通过求解动力学方程，可以预测机械臂在特定输入下的动态响应，这对于机械臂的控制系统的设计至关重要。
二自由度机械臂matlab
二自由度机械臂matlab二自由度机械臂是一种常见的工业机器人，它通常由两个旋转关节组成，可以在水平平面内进行运动。
在工业自动化领域，二自由度机械臂被广泛应用于装配、焊接、搬运等任务中，其简单结构和灵活性使其成为生产线上的重要角色。
在工程设计中，使用Matlab对二自由度机械臂进行建模和控制是一种常见的方法。
Matlab是一种功能强大的数学建模软件，可以帮助工程师们快速准确地分析和设计机械系统。
通过Matlab，工程师可以轻松地对机械臂的运动学和动力学特性进行建模，并设计出高效稳定的控制算法。
建立二自由度机械臂的数学模型是Matlab中的关键步骤。
首先，工程师需要确定机械臂的几何参数，包括关节长度、关节角度范围等。
然后，利用正运动学和逆运动学方程，工程师可以计算出机械臂末端的位置和姿态，从而建立起机械臂的运动学模型。
在建立好运动学模型之后，工程师需要进一步分析机械臂的动力学特性。
通过使用Matlab的仿真工具，工程师可以模拟机械臂在不同工况下的运动轨迹和力学特性，帮助他们优化机械臂的设计参数和控制算法。
控制算法是二自由度机械臂设计中的另一个关键点。
在Matlab中，工程师可以编写各种控制算法，如经典的PID控制、模糊控制、神经网络控制等，来实现对机械臂的精准控制。
通过不断调整和优化控制算法，工程师可以使机械臂在各种工况下实现高效稳定的运动。
总的来说，利用Matlab对二自由度机械臂进行建模和控制是一种高效可靠的方法。
Matlab提供了丰富的工具和函数，帮助工程师们快速准确地分析和设计机械系统。
通过不断优化和改进，工程师们可以设计出性能优越的二自由度机械臂，为工业生产带来更高的效率和质量。
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目录
第一章绪论
1.1设计目的与意义 (1)
1.2工业机器人机械臂的概述 (1)
1.3系统描述 (1)
第二章步进电机驱动器设计
2.1 步进电机概述 (2)
2.2 步进电机的转动控制 (2)
2.2.1 基于控制电路的控制 (2)
2.2.2 基于单片机的控制 (6)
2.2.3 方案选择 (11)
第三章PLC控制系统设计
3.1 任务描述 (11)
3.2 控制任务和要求 (11)
3.3 PLC的选型 (12)
3.4 I/O地址编号和接线图 (12)
3.5 PLC控制系统程序设计 (12)
结论 (13)
附录一PLC源程序 (14)
附录二步进电机C语言源程序 (19)
附录三电镀生产线的自动工作状态流程 (21)
附录四I/O接线图 (22)
第一章绪论
1.1设计目的与意义
随着工业化生产的不断细分，新工艺新材料的不断涌现，在实际产品中得到应用的设计效果也日新月异，电镀是我们在设计中经常要涉及到的一种工艺，而电镀效果是我们使用时间较长，工艺也较为成熟的一种效果，对于这种工艺的应用在产品上已经非常多。
电镀能增强金属的抗腐蚀性(镀层金属多采用耐腐蚀的金属)、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性、和表面美观。
如何更好地实现电镀工艺的自动化，是目前很多研究者在研究的问题。
本次设计采用了自动控制与点动控制相结合的方式，满足了电镀过程的需求，对实现电镀过程的自动化做了一次意义的尝试。
同时，通过本次设计，进一步提升了自己在PLC 编程方面的能力，加深了对PLC的认识以及对步进电机的驱动和工作方式有了更深的体会。
1.2工业机器人机械臂的概述
工业机器人作为最典型的机电控制系统实例之一，几乎具有机电一体化系统的所有特点。
既具有操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，又具有速度快、精度高、柔性好的特点。
工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。
三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。
六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人—环境交互系统、人机交互系统、控制系统。
机械臂作为工业机器人的一种形式，是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。
机械臂可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。
近年来，为实现工业过程自动化，已有不少操作机械臂广泛应用于工厂的各个生产过程，尤其是那些人力所限和人所不及的外部环境或危险场所，将是机械臂进一步发展的应用领域。
1.3系统描述
自动化电镀生产线上的机械臂为二自由度机械臂，由两个步进电机控制。
其中一个步进电机控制吊钩的上下运动；另一个步进电机控制行车的左行与右行。
该机械臂的模型如下图1.1所示：
图1.1 电镀工艺机械臂模型
该机械臂由罗克韦尔公司的Micrologix 1000控制，控制的流程主要有电镀槽、镀液回收槽、清洗槽三大部分组成，并设置了原位指示灯、点动指示灯和自动指示灯，具体情况见第三章，此处指给出系统整体结构图：
图2.2 系统整体结构图
第二章步进电机驱动器设计
2.1 步进电机概述
步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。
该设计采用电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。
当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，
并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。
目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。
本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。
四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。
各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图a、b、c所示。
本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。
图2.1 步进电机工作时序波形图
2.2步进电机的转动控制
目前，步进电机的转动控制主要有三大类：
一、基于控制电路的控制
这种控制方式的核心是555定时器芯片，它产生步进电机转动所需的脉冲，并通过分频器分配给步进电机的各相，最后通过一个功率放大电路就实现了对步进电机的转动控制。
这种控制方式的优点是简单、可靠，缺点是不适用与控制精度要求很高的场合。
二、基于微控制器的控制
这种控制方式的核心是各种类型的单片机以及各种各类的PLC。
它的优点在于设计者根据实际的需求灵活的设计控制电路，因而这种控制方式的灵活性很大，功能丰富。
三、基于专用控制芯片的控制
这种控制方式一般适用在控制精度要求高的场合，它是由专门的设计公司开发的，因而它的功能很强大。
主要由三部分组成：脉冲发生器、脉冲分配器、功率放大电路组成，其结构形式如下图2.2所示：
图2.2 步进电机的控制电路
①脉冲发生电路
脉冲发生电路就是产生方波的电路，可以考虑由晶体管或IC芯片构成的多谐振荡电路或专用定时器芯片电路等。
在需要产生特别精确脉冲的场合可以使用石英振荡电路。
如图
2.3电路采用了NE555定时器芯片。
图2.3 脉冲放生电路
②脉冲分配电路
脉冲分配电路的任务是从脉冲发生电路产生的方波中分解出对应的四相脉，74HC74为单输入端的双D触发器。
一个片子里封装着两个相同的D触发器，每个触发器只有一个D 端，它们都带有直接置0端RD和直接置1端SD，为低电平有效。
CP上升沿触发。
D型触。