多自由度微型机械臂设计与实现.
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。
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真摘要：近年来，随着工业自动化的快速发展，机械臂在生产制造领域的应用越来越广泛。
作为工业机器人的重要组成部分，机械臂的控制系统设计和运动学仿真成为了研究和应用的热点。
本文围绕六自由度机械臂的控制系统设计和运动学仿真展开研究，通过对机械臂的结构、动力学模型和运动学原理的分析，设计了一套完整的机械臂控制系统，并进行了运动学仿真验证实验。
研究结果表明，该控制系统能够实现六自由度机械臂的准确控制和精确运动。
关键词：六自由度机械臂，控制系统，运动学仿真，结构分析，动力学分析1. 引言机械臂是一种能够替代人工完成各种物体抓取、搬运和加工任务的重要设备。
随着工业自动化程度的提高和生产效率的要求，机械臂在生产制造行业中的应用越来越广泛。
机械臂的控制系统设计和运动学仿真成为了研究和应用的热点，尤其是六自由度机械臂。
六自由度机械臂具有较大的运动自由度，在复杂任务中具有更强的工作能力和适应性。
因此，研究六自由度机械臂的控制系统设计和运动学仿真对于改善机械臂的性能和应用具有重要意义。
2. 机械臂结构分析六自由度机械臂的结构由底座、第一至第六关节组成。
底座作为机械臂的固定支撑，通过第一关节与机械臂连接。
第一至第四关节形成了前臂部分，决定了机械臂的悬臂长度。
第五关节和第六关节分别为腕部和手部，负责完成机械臂的末端操作。
结构分析可以为后续的动力学和运动学建模提供基础。
3. 动力学模型机械臂的动力学模型是基于牛顿第二定律和欧拉定理建立的。
通过考虑机械臂各关节的质量、惯性和振动特性，可以对机械臂的力学性能进行描述。
动力学模型的建立是机械臂控制系统设计的重要基础。
4. 运动学原理机械臂的运动学原理研究机械臂的位置、速度和加速度之间的关系。
通过运动学原理可以确定机械臂的姿态和末端位置，实现机械臂的准确定位和精确控制。
运动学原理是机械臂控制系统设计和运动学仿真的重要内容。
本科毕业论文-基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计解析
唐山学院毕业设计设计题目：基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计系别：信息工程系班级：11电气工程及其自动化3班姓名：刘亮指导教师：田红霞2015年6月1日基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计摘要机械臂控制器作为机械臂的大脑，对于它的研究有着十分重要的意义。
随着微电子技术和控制方法的不断进步，以单片机作为控制器的控制系统越来越成熟。
本课题正是基于单片机的机械臂控制系统的研究。
本文首先介绍了国内外机械臂发展状况以及控制系统的发展状况。
其次，阐述了四自由度机械手臂控制系统的硬件电路设计及软件实现。
详细阐述了机械臂控制系统中单片机及其外围电路设计、电源电路设计和舵机驱动电路设计。
在程序设计中，着重介绍了利用微分插补法进行PWM调速的程序设计。
并给出了控制器软件设计及流程图。
最后，给出了系统调试中出现的软硬件问题，进行了详细的分析并给出了相应的解决办法。
关键词：机械臂单片机自由度舵机PWMDesign of Multi DOF Manipulator ControllerBased on MCUAbstractAs the brain of robot arm, manipulator controller is very important for its research.With the development of microelectronics technology and control method, the control system of MCU is becoming more and more mature.This thesis is based on the research of the manipulator control system of MCU.Firstly,it is introduced the development of the manipulator and the control system at home and abroad.Secondly,it is given the circuit and software design for the four DOF manipulator in this disertation.it is expatiated the Single Chip Microcomputer(SCM),the relative circuit design ,Power circuit design,and driver circuit design of manipulator control system.In the design of the program, the design of PWM speed regulation by differential interpolation is introduced emphatically. The software design and flow chart of the controller are given.Finally,it is presented the problems of hardware and software in practive given resolves.Key word: Manipulator;MCU;DOF;Steering engine;PWM目录1引言 (1)1.1研究的背景和意义 (1)1.2国内外机械臂研究现状 (2)1.2.1国外机械臂研究现状 (2)1.2.2国内机械臂研究现状 (3)1.3机械臂控制器的发展现状 (3)1.4本设计研究的任务 (4)2机械结构与控制系统概述 (5)2.1机械结构 (5)2.2控制系统 (6)2.3系统功能介绍 (8)2.4舵机工作原理与控制方法 (8)2.4.1概述 (8)2.4.2舵机的组成 (8)2.4.3舵机工作原理 (9)3系统硬件电路设计 (11)3.1时钟电路设计 (11)3.2复位电路设计 (11)3.3控制器电源电路设计 (12)3.4舵机驱动电路 (13)3.5串口通信电路设计 (13)4系统软件设计 (14)4.1四自由机械臂轨迹规划 (15)4.2主程序设计 (16)4.3舵机调速程序设计 (17)4.3.1舵机PWM信号 (17)4.3.2利用微分插补法实现对多路PWM信号的输出 (18)4.4初末位置置换子程序 (21)4.5机械爪控制程序 (22)4.6定时器中断子程序 (23)4.6.1定时器T1中断程序 (23)4.6.2定时器T0中断子程序 (24)5系统软硬件调试 (25)5.1单片机系统开发调试工具 (25)5.1.1编程器 (25)5.1.2集成开发环境Keil和Protues (25)5.2控制系统的仿真 (26)5.3软件调试 (27)5.4硬件调试 (27)5.5软硬件联合调试 (28)6结论 (29)谢辞 (30)参考文献 (31)附录 (32)1引言1.1研究的背景和意义机器人是传统的机械结构学结合现代电子技术、电机学、计算机科学、控制理论、信息科学和传感器技术等多学科综合性高新技术产物,它是一种拟生结构、高速运行、重复操作和高精度机电一体化的自动化设备。
本科毕业论文-基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计
本科毕业论文-基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计摘要：随着自动化技术的不断发展，机械手臂在工业生产中扮演着越来越重要的角色，越来越得到人们的关注。
现代机械手臂控制器尤其是多自由度机械手臂控制器的设计与实现成为了本领域中的研究热点。
本文基于单片机芯片设计了一种多自由度机械手控制器，采用了串行通信的方式从计算机发送命令控制机械手臂的动作。
在硬件设计方面，使用了AT89S52单片机作为主控制器，引入了五个伺服电机控制模块作为机械手的动力源，以及一组角度传感器作为手臂的姿态测量元件。
在软件设计方面，采用C语言编写程序，实现了机械手臂自动运动、复位、姿态检测等功能。
同时，对机械手臂的自动防撞、误操作检测等进行了设计。
最终实验表明，本文设计的多自由度机械手控制器具有较强的动作准确性和鲁棒性。
关键词：多自由度机械手，单片机，控制器，硬件设计，软件设计Abstract：With the continuous development of automation technology, the role of robotic manipulators in industrial production is becoming more and more important, and it has attracted more and more attention from people. The design and implementation of modern robotic controller, especially multi-degree-of-freedom robotic controller, has become a hot research topic in this field.In this paper, a multi-degree-of-freedom robotic arm controller based on MCU chip is designed, and the motion of the robotic arm is controlled by serial communication from the computer. In terms of hardware design, AT89S52 MCU is used as the main controller. Five servo motor control modules are introduced as the power source of the manipulator, and a set of angle sensors are used as the posture measurement element of the arm.In terms of software design, the program is written in C language, and the functions of automatic movement, reset and posture detection of the robotic arm are realized. At the same time, the automatic anti-collision and misoperation detection of the robotic arm are also designed. Finally, the experiment shows that the multi-degree-of-freedom robotic arm controller designed in this paper has strong motion accuracy and robustness.Keywords: multi-degree-of-freedom robotic arm, MCU, controller, hardware design, software design一、引言机器人技术早产业生产中广泛使用，将传统的出产系统向自动化和智能化方向推进。
五自由度桌面级多功能机械臂设计
五自由度桌面级多功能机械臂设计多功能机械臂是一种能够完成多种任务的机械装置，可以在工业生产线上进行物料搬运、装配、焊接等工作。
为了能够满足不同的应用需求，传统的机械臂设计通常采用六自由度结构，即具有六个独立驱动轴。
随着人工智能和机器学习的发展，对机械臂的要求越来越高，例如执行精确的操作、完成复杂的任务等。
提出了五自由度桌面级多功能机械臂设计的概念。
五自由度桌面级多功能机械臂设计的首要目标是实现紧凑的结构和高精度的控制。
在结构设计上，可以采用轻量化的材料和紧凑的机构布局，以减少整体尺寸和重量。
五个自由度分别包括三个旋转关节和两个平移关节，旋转关节和平移关节可以通过电机驱动和传动装置实现运动。
通过合理的结构设计，可以最大程度地减小机械臂的体积和质量，并且提高机械臂的刚度和稳定性。
在控制系统设计上，可以采用先进的传感器技术和自适应控制算法，以实现高精度的位置控制和力控制。
可以在机械臂的末端装配视觉传感器和力传感器，通过对工作环境的感知和力量反馈，实现对机械臂运动的精确控制。
还可以使用机器学习算法对机械臂进行学习和优化，以适应复杂的工作场景和环境变化。
五自由度桌面级多功能机械臂的设计还应考虑到安全性和人机交互性。
在安全性方面，可以在机械臂的关节和末端装配接近传感器和碰撞检测装置，以及相应的自动停机装置，以确保机械臂在遇到障碍物或危险情况时能够自动停止运动。
在人机交互性方面，可以通过触摸屏等人机界面，实现对机械臂的简单和直观的操作。
五自由度桌面级多功能机械臂设计是一种结合了先进的结构设计、控制系统和人机交互技术的机械臂设计方法。
通过合理的结构设计和精确的控制系统，可以实现高精度、高效率和高可靠性的工作。
还可以根据实际应用需求，对机械臂进行模块化设计和定制化开发，以满足不同行业和领域的需求。
《2024年六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》范文
《六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》篇一一、引言随着工业自动化和智能制造的快速发展，六自由度（6-DOF）机械臂因其灵活性和高效性，在工业生产、医疗、军事等领域得到了广泛应用。
本文旨在设计一个六自由度机械臂控制系统，并对其运动学进行仿真分析。
二、六自由度机械臂控制系统设计1. 硬件设计六自由度机械臂控制系统主要由机械臂本体、驱动系统、控制系统和传感器系统等组成。
其中，机械臂本体采用模块化设计，包括基座、大臂、小臂和末端执行器等部分。
驱动系统采用伺服电机和减速器，以提供足够的动力和精度。
控制系统采用高性能的微处理器，实现对机械臂的精确控制。
传感器系统包括位置传感器、力传感器等，以实现对机械臂状态和环境信息的实时感知。
2. 软件设计软件设计包括控制算法和程序设计两部分。
控制算法采用经典的控制策略，如PID控制、模糊控制等，实现对机械臂的精确控制。
程序设计采用模块化设计思想，便于后续的维护和升级。
此外，为了提高系统的鲁棒性和自适应能力，我们采用基于机器视觉的算法，实现机械臂的自主导航和定位。
三、运动学仿真运动学仿真是对六自由度机械臂进行性能评估的重要手段。
本文采用MATLAB软件进行运动学仿真。
1. D-H参数法建模首先，我们采用Denavit-Hartenberg（D-H）参数法对机械臂进行建模。
通过建立连杆坐标系，确定各连杆之间的相对位置和姿态，从而得到机械臂的运动学方程。
2. 正运动学仿真正运动学仿真是指根据关节角度计算末端执行器的位置和姿态。
我们通过MATLAB中的机器人工具箱，输入各关节的角度值，得到末端执行器的位置和姿态。
通过对比仿真结果和实际结果，验证了正运动学模型的正确性。
3. 逆运动学仿真逆运动学仿真是指根据末端执行器的位置和姿态，计算关节角度。
我们通过MATLAB中的优化工具，对逆运动学方程进行求解，得到各关节的角度值。
通过对比不同优化算法的求解结果，选择最优的求解方法。
四、实验与结果分析为了验证六自由度机械臂控制系统的性能，我们进行了实际实验和仿真实验。
五自由度桌面级多功能机械臂设计
五自由度桌面级多功能机械臂设计一、机械臂的结构和工作原理五自由度桌面级多功能机械臂通常由基座、臂段、关节和末端执行器等部分组成。
基座通常用来支撑整个机械臂，臂段则是机械臂的主要结构部分，关节可以使机械臂进行柔性的动作，末端执行器则是进行各种操作的工具。
机械臂的工作原理主要是通过控制各个关节的运动来实现机械臂的运动，实现各种任务的完成。
二、机械臂的设计要点1. 结构设计：五自由度桌面级多功能机械臂的结构设计需要考虑机械臂的稳定性、承载能力和灵活性。
机械臂的结构设计还需要考虑材料的选择、连接方式等因素，以保证机械臂在工作过程中能够稳定可靠地进行各种动作。
2. 关节设计：机械臂的关节设计是关键的部分，关节需要能够进行灵活的转动，并且能够承受机械臂的重量。
关节的设计也需要考虑到控制的精准度和速度，以保证机械臂在工作过程中能够准确地完成各种任务。
3. 控制系统设计：五自由度桌面级多功能机械臂的控制系统设计是机械臂设计中至关重要的一部分。
控制系统需要能够实现对各个关节的精确控制，并且需要具备一定的智能化能力，以便机械臂能够自主地完成一些复杂的任务。
4. 末端执行器设计：末端执行器是机械臂进行各种操作的工具，如抓取、搬运等。
末端执行器的设计需要考虑到不同的操作需求，比如需要设计不同的夹具、传感器等，以适应不同的任务需求。
三、机械臂的应用领域五自由度桌面级多功能机械臂设计广泛应用于各种领域，比如工业生产、医疗、科研等。
在工业生产中，机械臂可以完成装配、搬运、焊接等任务，提高生产效率和产品质量。
在医疗领域，机械臂可以用于手术、康复等工作，实现精确的操作和治疗。
在科研领域，机械臂可以用于实验室操作、科学研究等，为科研人员提供便利。
四、结语五自由度桌面级多功能机械臂设计是一项具有挑战性的工作，需要综合考虑结构、关节、控制系统和末端执行器等多个因素。
机械臂的设计也需要根据具体的应用场景进行定制，以保证机械臂能够最大限度地发挥其作用。
五自由度桌面级多功能机械臂设计
五自由度桌面级多功能机械臂设计
首先，根据机械臂的应用场景和功能要求，设计出符合实际需求的桌面级多功能机械
臂结构。
机械臂由五个自由度构成，由底座、第一臂段、第二臂段、第三臂段和末端执行
器组成。
机械臂的底座为圆形结构，支架采用四分之一弧形分布，底盘结构采用角隅喷锡，漆面光滑。
其次，机械臂关节间的运动需精密匹配，因此关节的结构设计和传动方式至关重要。
机械臂采用直线导轨、直线滑块和吸盘负压结构组成，并配有电机和齿轮传动机构，保证
机械臂动作的精度和稳定性。
可对第三臂段进行旋转运动，以实现更加灵活的抓取和操
作。
再次，机械臂末端执行器是机械臂最关键的组成部分，其设计也决定了机械臂的功能
和适用性。
机械臂末端执行器采用灵活扫描夹爪结构，可以自由旋转并采用吸盘负压结构
抓取物品，可用于实现物品的抓取、搬运和组装等多种功能。
最后，为了提高机械臂的智能化和人机交互能力，机械臂还配备了专用的控制系统和
人机界面。
控制系统采用单片机和传感器等多种技术和元器件，实现了对机械臂的精确控
制和运动规划。
人机界面则采用触摸屏和语音识别系统，方便用户进行指令输入和系统操作。
综上所述，五自由度桌面级多功能机械臂设计涉及到多个方面，需要在结构设计、关
节传动、末端执行器、控制系统和人机界面等方面进行综合考虑和优化设计。
未来，随着
机械臂技术的不断改进和完善，相信桌面级多功能机械臂的应用前景将更加广阔。
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机器人技术 ＰＬＣ技术应用２００例》 您的论文得到两院院士关注 多自由度微型机械臂设计与实现 The Design and Implementation of Multi-DOF Micro-manipulator (1.装备指挥技术学院;2. 国防科学技术大学 杨庆 1 税海涛 2 汤亚锋 1 ＹＡＮＧＱｉｎｇＳＨＵＩＨａｉ－ｔａｏＴＡＮＧＹａ－ｆｅｎｇ 摘要:空间机械臂面临着轻质化、小型化及低功耗的发展趋势。本文设计了5自由度微型机械臂的机械结构, 对驱动电机及
配套设备进行了选型。采用上/下位机的控制结构, 基于DSP2812和CPLD3128开发了机械臂控制系统。将该机械臂系统固定于卫星模拟器上, 采用双目视觉导引 方式, 对固定目标的关键部件完成了夹取、剪切和插拔等动作。关键词:空间机械臂; 多自由度; DSP2812; 控制系统中图分类号:TP241.3文献标识码:A
Abstract:Space Manipulator faces the development trend of lightweight, mini-type and low-power-consuming. The mechanical struc -ture of micro-manipulator with 5-DOF is designed, and the motors?as well as other equipments are selected. With the upper/lowercontrol architecture, the control system is constructed based on DSP2812and CPLD3128. At last, the micro -manipulator system is fixed on the satellite simulator. Guided by the dual -vision system, the actions, such as clamping, cutting and inserting &drawing with a key component of a fixed target, are accomplished.
Key words:space-manipulator; multi-DOF; DSP2812; control system 文章编号:1008-0570(201009-2-0147-02 引言 随着航天技术的发展, 人类探索太空的活动越来越频繁。出于经济方面和安全方面的考虑, 空间机器人将协助甚至代替航天员完成大量在轨服务任务, 如对故障卫星的捕获、装配、修理等, 其在未来的空间应用中将发挥重大作用。空间机器人上一般都安装有一个或多个多自由度机器臂。第一个成功应用的空间机械臂系统是加拿大为美国国家宇航局(NASA定制的航天飞机遥操作机械臂系统(SRMS,该臂于1981年底升空, 有六个旋转关节, 每个关节由一个单自由度基本模块JOD 构成;1993年德国宇航中心研制成功并发射的六个自由度空间机器人系统
ROTEX, 成功演示了空间机器人的在轨装配、更换ORU 以及捕获太空浮游物体等空间作业能力;1997年日本NASDA 研制的
科学实验卫星ETS-VII, 成功演示了空间机器人用于在轨卫星捕获与对接的能力;2005年德国宇航中心在国际空间站(ISS上进行了Rokviss 机械臂部件验证试验, 对其研制的模块化、小质量、力矩控制关节进行了验证。目前国际空间站拥有一个复杂的空间机器人系统, 主要包括加拿大的移动服务系统(MSS,日本的实验舱机械 手系统(JEMRMS和欧洲航天局资助研制的欧洲机械臂(ERA。这些机械臂系统都是面向大型航天器而设计, 而
21世纪航天技术发展的战略目标之一是实现航天器的质量、体积以及全寿命成本比目前降低一个数量级, 充分体现“更快、更好、更省”的原则。因此, 空间机械臂也应顺应微型航天器的发展趋势, 实现轻质化、小型化及低功耗。
为了建立微型空间机械臂地面仿真平台, 设计并制造了一套多自由度微型机械臂系统, 对其执行能力进行了检验。
1结构设计 本文设计的多自由度微型机械臂系统为5自由度串联结构, 可以折叠收缩, 能够满足基本在轨服务任务的操作需求。采用3mm 厚轻质铝合金板件作为基本的连杆部件, 双连杆形成T 型结构, 具有结构简单、重量轻的特点, 同时满足了机械臂各关节连接的强度需要。
多自由度微型机械臂实物如图1所示, 主要由关节轴、连杆和执行部件组成。该机械臂共有4个关节轴, 考虑到重量限制和易装配性要求, 所有关节轴都设计成相似的结构, 具有模块化、易装配特点, 零件重量轻、构型简单。每个关节轴都具有1个内轴和1个外轴, 二者通过固定电机与滚动轴承连接在一起。内轴主要用于固定电机和轴瓦, 机械臂的基座则是一个特殊的内轴。为便于安装, 内轴设计为异型电机套, 装配时利用减速器上的滚动轴承和装配在内轴上的滑动轴承产生单自由度的转动; 外轴主要作为自由度连接, 通过与减速器上的滚动轴承和安装在内轴上的滑动轴承作用限制轴向滑动。执行部件能够完成夹取、剪切等动作, 节约了成本。
图1多自由度微型机械臂 2驱动电机及配套设备选型 驱动电机采用小功率伺服电机, 减轻了驱动系统重量。使用微型电机直接控制方式, 满足了基本的控制要求, 同时设计和实现都相对简单。机械臂的杆件参数如图 2所示。为了表述方便, 对运动副从0到3编号, 相邻电机旋转轴的间距依次定义为l 0到l 3, 其中l 3包括了执行部件。假设各连杆质量分布均匀, 设计最
杨庆:讲师硕士147-- 技术创新 《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２０１０年第２６卷第９－２期 ３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６ 现场总线技术应用２００例》 机器人技术 大抓取质量为150g 。 图2机械臂杆件参数示意图 根据机械臂的杆件参数, 计算各关节所需最大驱动力矩, 然后选择转矩和效率合适的减速箱, 最终确定合适的驱动电机, 并选择匹配的码盘, 如表1所示。鉴于Maxon 公司生产的电机质量可靠, 在航天领域得到广泛应用(在“勇气号”和“机遇号”火星车中, 每辆有43套直流微电机组合作为驱动部件, 其中有39套来自Maxon 公司, 机械臂各关节电机及减速箱均采用Maxon 产品。数字MR 编码器为带线驱动, 一周脉冲数为256, 通道数为2。
表1电机及配套设备选型 3控制系统设计 机械臂控制系统采用上/下位机的控制结构, 这种结构可以充分发挥上位机运算能力强的特点, 快速完成机械臂路径规划工作, 下位机则专门负责控制机械臂的运动[8]。上位机采用PC 机, 基于VC++6.0编译生成上层控制程序, 下位机为基于 DSP2812和CPLD3128开发的5轴电机控制板, 基于C 语言编译底层电机控制程序。上/下位机分别通过串口和SCI 接口各自连接一个串口/无线转换模块CC2431, 以无线方式实现上位机
与下位机之间控制指令、电机状态的通信。机械臂控制系统的结构如图3所示。
图3控制系统结构图 电机控制板的核心处理器选用TMS320F2812, 是32位定点 DSP 控制器, 其主频高达150MHz, 大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。由于机械臂包含了5路电机, 而1片DSP2812仅有两路正交脉冲编码电路, 所以在电机控制板上集成了CPLD EPM3128, 利用其实现了3路正交脉冲的鉴相与计数, 电机控制结构如图4所示。
此外, 在电机控制板上集成了功率驱动芯片L298P 。设计中将L298P 内集成的2组H 桥并联, 输出电流可达4A 。
串口/无线转换模块集成了串口芯片MAX3232和无线收发芯片CC2431。CC2431芯片内集成了增强的51内核和射频芯片CC2420, 工作频率为30MHz, 无线通信波特率为38400bps 。
控制系统的工作过程如下:上位机根据目标信息进行路径规划, 生成机械臂各关节的控制命令, 并通过串口发送到无线模块, 由串口/无线转换模块CC2431将其转换为无线电信号传输出去;5轴电机控制板上的串口/无线转换模块CC2431接收该无线电信号, 并将其转换为串口信号后传送给下位机;DSP2812根据控制指令, 产生PWM 信号, 驱动机械臂关节的五个电机转动相应角度, 保证执行末端到达目标位置, 并完成一定动作。
图4电机控制结构图 4结论 本文对5自由度机械臂的结构进行了合理设计, 根据机械臂的结构参数和任务要求, 选择了合适的驱动电机和配套减速箱以及数字编码器, 采用上/下位机的控制结构, 基于DSP2812和CPLD3128开发了机械臂控制系统。整套机械臂系统质量为
912g, 功耗小于15w, 实现了轻质化、小型化及低功耗的设计目标。将该机械臂系统固定于5自由度卫星模拟器上, 采用双目视觉导引方式, 对固定目标的关键部件进行了夹取、剪切和插拔等动作, 执行误差小于1mm, 实现了对微型机械臂空间在轨服务关键技术的研究和验证, 对于认知在轨服务技术本质, 促进我国在
轨服务关键技术的工程化应用具有重要意义。 本文作者创新点:设计了5自由度微型机械臂的机械结构, 采用上/下位机的控制结构, 基于DSP2812和CPLD3128开发了机械臂控制系统, 满足了轻质化、小型化及低功耗要求, 实现了对固定目标关键部件的夹取、剪切和插拔等动作。
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