机械臂运动控制系统设计与实现
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。
机械臂运动学控制及python实现
机械臂运动学控制及python实现机械臂运动学控制是机器人领域中的一个重要研究方向，它涉及到机械臂的运动规划、轨迹生成、关节控制等方面。
通过运动学控制，可以实现机械臂在空间中的精确运动和定位。
在 Python 中，可以使用一些库来实现机械臂的运动学控制。
其中，`numpy`是一个非常重要的库，它提供了多维数组对象和对这些数组进行操作的函数，可以用于表示机械臂的关节角度、位置等信息。
以下是一个简单的示例代码，演示了如何使用`numpy`进行机械臂的正运动学计算：```pythonimport numpy as np# 定义机械臂的关节角度joint_angles = np.array([0.0, 0.0, 0.0])# 定义机械臂的关节数和连杆长度num_joints = 3link_lengths = np.array([0.3, 0.4, 0.5])# 计算机械臂的末端位置end_position = calculate_end_position(joint_angles, num_joints, link_lengths) print("机械臂的末端位置：", end_position)```在上述代码中，我们定义了机械臂的关节角度、关节数和连杆长度。
然后，使用一个函数`calculate_end_position`来计算机械臂的末端位置。
这个函数根据给定的关节角度和连杆长度，使用正运动学公式进行计算。
请注意，这只是一个简单的示例，实际的机械臂运动学控制涉及到更复杂的运动规划、轨迹生成、逆运动学计算、关节控制等方面。
根据具体的需求，你可能需要使用更专业的机器人库或工具来实现更高级的运动学控制。
如果你对特定的机械臂运动学控制问题有更详细的需求，请提供更多信息，我将尽力为你提供更准确的帮助。
设计机械臂实验报告
设计机械臂实验报告引言机械臂是一种能够模拟人类手臂动作的机器设备。
它由一系列的关节、驱动器和传感器组成，可以执行各种需要高度精确和大力度的工作任务。
机械臂在工业生产、医疗手术、军事领域等具有广泛的应用前景。
本实验旨在设计一个基于Arduino控制板的机械臂，并在实际操作中验证其运动控制和抓取能力。
设计与材料我们设计的机械臂由四个关节组成，分别是基座、肩部、肘部和手部。
每个关节都使用了舵机和位置传感器，以实现位置控制和反馈。
整体结构材料采用了铝合金，轻量且坚固。
Arduino控制板用于接收指令并控制舵机的运动。
实验中的关键材料与器件如下所示：- Arduino控制板- 4个舵机- 4个位置传感器- 铝合金框架- 连接器和螺栓- 电源和电线实验步骤1. 设计机械臂结构根据我们对机械臂运动和功能的需求，我们设计了一个合适的机械臂结构。
基座固定在平面上，肩部和肘部通过舵机连接，并能够绕各自的轴旋转。
手部可以通过舵机打开和关闭，以模拟抓取动作。
2. 搭建机械臂按照设计图纸，将铝合金框架连接起来，同时将舵机和位置传感器安装在各个关节上。
确保关节可以自由运动，并且传感器能够准确测量位置。
3. 编写控制程序利用Arduino开发环境，编写控制程序。
程序中包括了舵机运动控制的算法，以及位置传感器的读取与反馈。
我们使用了PID控制算法，通过对位置误差的调整，使得舵机能够准确地到达指定的位置。
4. 测试运动控制将机械臂连接到电源和Arduino控制板，上传编写好的程序。
通过输入指令，控制机械臂的运动。
观察机械臂是否按照预定的轨迹运动，并且关节的位置是否准确。
5. 测试抓取能力在设计的机械臂手部上，放置不同大小和形状的物体。
通过控制舵机的运动，模拟机械臂的抓取行为。
测试机械臂是否能够稳定地抓取物体，并将其移动到指定位置。
实验结果经过一系列测试，我们的机械臂成功地实现了运动控制和抓取的功能。
机械臂能够按照设定的轨迹准确运动，并且关节的位置控制非常精确。
机械臂控制系统的设计
机械臂控制系统的设计1 引言近年来;随着制造业在我国的高速发展;工业机器人技术也得到了迅速的发展..根据负载的大小可以将机械臂分为大型、中型、小型三类..大型机械臂主要用于搬运、码垛、装配等负载较重的场合；中小型机械臂主要用于焊接、喷漆、检测等负载较小的场合..随着国外工业机器人技术的不断发展;尤其是一些中小型机器人;它们具有体积小、质量轻、精度高、控制可靠的特点;甚至研发出更为轻巧的控制箱;可以在工作区域随时移动;这样大大方便了工作人员的操作..在工业机器人的应用中最常见的是六自由度的机械臂..它是由6个独立的旋转关节串联形成的一种工业机器人;每个关节都有各自独立的控制系统..2机械臂硬件系统设计2.1 机械臂构型的选择要使机器臂的抓持器能够以准确的位置和姿态移动到给定点;这就要求机器人具有一定数量的自由度..机器臂的自由度是设计的关键参数;其数目应该与所要完成的任务相匹配..为了使安装在双轮自平衡机器人上的机械臂能够具有完善的功能;能够完成复杂的任务;将其自由度数目定为6个;这样抓持器就可以达到空间中的任意位姿;并且不会出现冗余问题..在确定自由度后;就可以合理的布置各关节来分配这些自由度了..由于计算数值解远比封闭解费时;数值解很难用于实时控制;这样;后3个关节就确定了末端执行器的姿态;而前3个关节确定腕关节原点的位置..采用这种方法设计的机械臂可以认为是由定位结构及其后面串联的定向结构或手腕组成的..这样设计出来的机器人都具有封闭解..另外;定位结构都采用简单结构连杆转角为0或90°的形式;连杆长度可以不同;但是连杆偏距都为0;这样的结构会使推倒逆解时计算简单..定位机构是涉及形式主要有以下几种：SCARA型机械臂;直角坐标型机械臂;圆柱坐标型机械臂;极坐标型机械臂;关节坐标型机械臂等..SCARA机械臂是平面关节型;不能满足本文对机械臂周边3维空间任意抓取的要求；直角坐标型机械臂投影面积较大;工作空间小；极坐标方式需要线性移动;机械臂如需较大的工作空间;则臂长较长；和其他类型相比关节型机械臂在其工作空间内干涉是最小的;是一种较为优良的结构..所以初步确定本文机械臂构型为关节型..2.2臂杆长度的确定机械臂的臂杆设计如表2-1所示：表2-1 机械臂臂杆长度臂体名称大臂L1 小臂L2 机械手长度mm 550 500 1502.3 机械臂结构设计2.3.1 关节结构方案为了便于机械臂关节的模块化涉及和简化结构;本设计使用电机直接连接减速器;减速器连接臂体连接结构..图2-1是关节结构动力传递方案..图2-1 关节结构动力传递方案使用这种联接方式因中间零件少;故形变量与回程间隙都较小;且能保持较高的结构刚度..2.4 关键部件的选型2.4.1 关节负载的估算各关节的动态参数是驱动元件的选择和关节传动零件选择的重要依据..由机器人动力学相关知识可知完整的机器人动力学方程为：式中一般使用静力学方法和动力学方法计算机器人的动力参数;速度较低的机械;在运行过程中;惯性引起的动载荷较小;一般使用静力学方法;忽略C和F的影响..而对于运行速度较高机械;其动载荷也较大;即C项的影响较大;甚至超过静载荷；且粘滞摩擦也较大;同时考虑静载荷和动载荷;需使用动力学计算..本文的设计要求是一款可以安装在全向移动平台上的轻型机械臂;对关节的旋转速度要求不高;因此估算机械臂力矩时采用静力学方法..图2-2 机械臂受力简图估计关节力矩之前;首先假设每个关节的重力作用集中在中心;将连杆的重量均分于各关节;机械臂受力简图如图 2-2 所示;使用静力学方法计算关节所受力矩的最大值..六自由度机械臂三维静态仿真图如图2-3所示：图2-3 三维静态仿真图2.4.2 关节驱动系统电机的选型机械臂的驱动系统;有三种基本类型;即电动驱动、液压驱动和气动驱动;也可以根据需要组合成为复合式的驱动系统..1 电机驱动目前机械臂上使用最多的一种驱动方式是电动驱动;它利用各种电机产生的力和力矩;直接或通过机械传动装置来驱动执行机构..这类系统效率比液压驱动和气动驱动系统高;且电源方便;所以在机器人中得到了广泛的应用..2 液压驱动液压驱动的主要优点是功率密度大..液压缸也可直接作为臂体的一部分;因而结构紧凑;刚性好..由于液压油液的不可压缩性;系统的固有频率较高;快速响应好;可实现频繁平稳的变速和换向..液压系统易于实现过载保护;动作平稳、耐冲击、耐振动、防爆性好..3 气动驱动气动驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成;其特点是气源方便、结构简单、造价较低、维修方便..与液压驱动系统相比;同体积条件下功率较小;也难以进行速度控制;多用于中、小负荷且精度要求不高的机器人控制系统中..综上;本设计决定使用电动驱动方式为机械臂提供动力;步进电机为驱动电机..2.4.3驱动系统减速器的选型结合上文;本文将使用步进电机为驱动电机为机械臂提供动力;结合各关节受力和机械臂关节传动机构组合方式;应在驱动电机和机械臂关节间安装减速器做扭矩适配;降低输出轴的速度;增大输出扭矩..一般行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、谐波减速器、齿轮减速器等可以和步进电机适配..1、行星齿轮减速器行星齿轮减速器通常由一个或者多个外部齿轮围绕着一个中心齿轮旋转;就像行星绕着太阳公转一样..在工作状态中多个行星齿轮协同工作;因而承载能力大;属纯扭矩传动;工作平稳..单级行星齿轮减速器的减速比一般较小;需要增加减速比时只需增加行星轮系的级数即可;而整体体积变化较小..2、蜗轮蜗杆减速器蜗轮蜗杆减速器的传动比大;一般为 10-80;也可以达到 80 以上..此外;蜗轮蜗杆减速器机械结构紧凑、热交换性能好、工作平稳、噪声小、具备机械自锁能力;安全性高..3、谐波减速器波发生器;柔轮;刚轮是谐波减速器的三大部分;谐波齿轮减速器传动结构简单;减速比高;同时啮合的齿数多;运行平稳、传动承载力大;齿侧间隙小;传动精度高;传动误差只有普通圆柱齿轮传动的 1/4 左右;传动空程小;适用于反向转动;在机器人领域有着广泛应用..但对柔轮材料有较高的强度要求;工艺复杂..4、齿轮减速器圆柱齿轮减速机构为定传动比齿轮机构;其传动准确;平稳高效;传动功率范围和速度范围大;广泛用于各种仪器仪表中;但其制造和安装精度要求高;高减速比时结构较为复杂;体积一般较大..综上;初步去确定使用谐波齿轮减速器;减速比大;传动精度高;体积小巧;输入轴与输出轴轴线重合;可很方便地与步进电机组合安装成为机械臂关节的一部分;同时便于机械臂的模块化设计..本文将采用 Harmonic Drive CSF-mini 系列组合型谐波减速器;其中腰关节采用型号为 CSF-14-100-2XH-F；肘关节俯仰和肘关节旋转采用 CSF-11-100-2XHF;腕俯仰采用 CSF-8-100-2XH-F..2.4.4电机驱动器的选型虽然步进电机广泛地应用于各行各业;但步进电机并不能像普通的直流电机那样通过控制输入的等效电压就可以驱动和调速..它必须利用电子电路;将直流电变成分时多相时序控制电流;用这种电流为步进电机供电;步进电机才能正常工作..常见的有单片机 I/O 直接控制;步进电机驱动芯片、运动控制卡..1、单片机 I/O 直接控制方式使用单片机内部的锁存器、计数/定时器;和并行 I/O 接口;可以实现对步进电机的控制;脉冲环形分配器的功能由单片机系统实现完成;通过软件中断方式实现步进电机的变速控制;改变通电顺序则可改变转向..2、步进电机专用驱动芯片步进电机专用驱动芯片一般集成度较高;外围电路简单;一般有 ENABLE、STEP 和 DIR 三个输入端;ENABLE 为使能端;使能有效时方可驱动步进电机；STEP 为脉冲输入;输入一个脉冲;即可驱动步进电机产生微动；DIR 为方向 ;改变 DIR 逻辑电平即可换向..3、运动控制卡驱动控制通过计算机可直接控制步进电机;运动控制卡是专用于步进电机控制的 PC 插卡;是应对复杂系统的控制而出现的;一般可同时控制十几台甚至几十台步进电机的运动;一般价格很高..综上;本设计将使用步进电机专用驱动芯片来驱动步进电机..其中肩关节和肘关节俯仰有自锁需求;使用东芝 THB7128 3A 128 高细分步进电机专用驱动芯片驱动;其他轴选用 A4988 微步驱动器..2.4.5传感器的选型本文将使用步进电机和谐波齿轮减速器为机械臂提供动力;步进电机只需要通控制驱动脉冲的数量;即可简单实现较高精度的定位;并使工作物在精确地停在目标位置..步进电机以细分后的步距角为基本单位进行定位..以两相电机为例;其步距角为1.8°;使用 1/16 细分方式进行驱动;那么每给驱动器一个脉冲步进电机转子旋转的角度为角度=1.8°1/16=0.1125°;转子旋转一周需要脉冲数为360°/0.1125°=3200;需要旋转到其他任意角度的计算方式与上式相同..本文使用限位开关的型号为 Omron 微动开关 SS-5 摆杆型限位开关..2.4.6下位机的选型对于机器臂控制;需要对多台电机进行联动控制..为了实现多台电机之间的通信和控制;必须建立一套数据通信系统来完成主计算机与各运动控制单元间的数据交换..基于现场总线的分布式控制技术能够解决这些问题..但常见的分布式控制系统又有 USB 总线;SERCOS总线;RS-485 总线和 CAN 总线等这几种..本设计将采用RS-485 总线来实现机械臂的分布式控制..本设计选用了TI公司的2000系列 DSP TMS320LF2407 作为控制单元..其时钟频率可达 40MHz;具有高速的处理能力;片内资源丰富;特别是它特有两个内置事件管理器模块EVA、EVB..通过JTAG 接口可以方便的对 DSP 进行全速的在系统调试仿真..TMS320LF2407 的电源电压为 3.3V;正常下作电流为 80m A 左右;抗干扰能力较强..关节控制器硬件电路关节控制器是以 DSP 芯片为核心;芯片本身及其外围电路的性能直接决定了系统的性能..故芯片的选择及其外围电路的设计;也就显得十分的重要..下面将通过单个模块电路的方式分别介绍控制器硬件电路..(1)电源电路通过开关电源;接入B0505LS模块产生稳定的的5V 电压作为TPS7333芯片的供电电压;管脚8做为2407 的上电复位信号..管角 5;6 通过滤波电容输出作为 2407 的供电电压3.3V..如图2-5..图2-4 电源电路(2)时钟电路TMS320LF2407 的时钟源可以来自外部有源晶振也可以用晶体;利用内部振荡器..一般经常使用外部时钟输入;因为使用外部时钟时;时钟的精度高、信号比较稳定;外部时钟电路和锁相环电路如图 2-6 所示..图2-5 时钟电路(3)JTAG 接口电路仿真接口电路如图2-7所示.目标层次的TI调试标准使用5个标准的IEEE1149.1JTAG信号TRST、TCK、TMS、TDI、TDO和两个TI扩展口EMU0、EMU1..JTAG 目标器件通过专用的仿真端口支持仿真;此端口由仿真器直接访问并提供仿真功能..JTAG 接口电路为仿真器与微机的接口电路;便于系统进行在线调试..图2-6 JTAG电路(4)外接SRAM电路TMS320LF2407最多可寻址64K的外部程序空间和64K的外部数据空间..由于控制算法的需要;本系统需扩充外部 RAM..TMS320LF2407片内的 Flash可用作程序存储器;但在开发阶段使用 Flash 作为程序存储器极为不便;因为每一次程序的修改都需要对 Flash 进行清除、擦除和编程操作;而且进行CCS 调试时只能设置硬件断点;故从调试的角度考虑;应扩充程序 RAM..这里用的是CY7C1021V33芯片;它是64K16bit的SRAM;存取时间为15ns;故不需要插入等待周期;可保证系统全速运行..图 2-8 为外接 SRAM 扩展电路图..图2-7 SRAM扩展电路图(5)编码器处理电路增量式编码器信号处理电路如图2-9所示..图 2-8 增量式编码器信号处理电路(6)霍尔接近开关电路本设计选用 A31443E 常开型霍尔接近开关..其接法如图 2-10;提供电压为5V;由于输出采用了集电极开路门;必须通过 10K 的上拉电阻接到 5V 电源上..当磁源的某一极与霍尔传感器的距离达到一定范围以内时;输出低电平;否则输出高电平;不需要外接放大电路..一套关节控制器将采用 3 支霍尔接近开关..HALL1、HALL2 分别固定在关节控制器运动的极限位置;其信号通过 IOPE5、IOPE6 不断查询..HALL3 用于绝对零位检测;采用中断的方式..图2-9 霍尔接近开关的接法2.5 机械臂的模块化设计机械臂的大小臂体和关节在整个机械臂中具有高度的相似性;同时机械臂是机电一体化的典型;其主体结构和联接结构都有一定的复杂性;而采用模块化设计思想;可以一定程度上简化设计流程;只需对不同的应用对象进行少量修改便可完成组合适配..2.5.1 旋转关节的设计机械臂的基本单元有旋转关节和俯仰关节;其结构具有相似性;本文重点介绍旋转关节的设计..旋转关节包含有电机、减速器、编码器、制动器以及其他附件;本文使用步进电机直连谐波减速器的驱动方式;使用限位微动开关确定机械臂初始定位零点;以计步进电机已发脉冲数为关节相对旋转角度参考;是一个开环的运动控制系统;动力传递链路为：电机--波发生器--柔轮--刚轮—输出轴..机械臂的旋转关节模块在运行过程中会受到来自机械臂末端的弯矩;因此需要对输出轴做轴向和径向卸荷;减少输出轴的负载;保证系统的刚度;延长使用寿命..一般来说;一根轴需要两个支点;每个支点由一个或一个以上的轴承组成;每组轴承间有以下三种常用的配置方法..1、双支点各单向固定这种轴承配置常用两个反向安装的圆锥滚子轴承或角接触球轴承;两个轴承各限制轴向一个方向的轴向移动..这种配置方式轴向移动限制比较精确、也便于调整轴承的预紧程度..另外深沟球轴承也可用于双支点各单向固定;通过调整外壳与轴承端盖端面的厚度来补偿轴的受热伸长;因而这种配置方式不适合需要对轴做精确轴向定位的场合..2、一支点双向固定;另一端支点游动对于热伸长量较大的轴;这种轴一般跨距较大且工作温度较高;应该采用一支点双向固定;另一支点游动的支撑结构..其双向固定端需要使用能承受双向轴向载荷的轴承;内外圈都需要固定..3、两端游动支撑对于人字齿轮轴;由于本身具有相互间的轴向限位作用;其中只需保证一根轴与机座有相对固定的轴向位置;另一根轴上的两个轴承必须游动;防止人字齿轮卡死或两侧受力不均匀..本文将采用一支点双向固定;另一端支点游动的方式组合成卸荷轴承组;其中双向固定端使用深沟球轴承;游动端使用滚针轴承..其中腰关节使用型号为 HRB 61809-2Z、SKF HK5020;肘关节旋转使用型号为 HRB 61806-2Z、SKF HK3512..2.5.2 旋转关节的设计各运动轴基于模块化设计;设计时已考虑各运动轴的联接;使用简单的金属板件便能将各运动轴连接可靠;并具有一定的刚度..本文各运动轴均为法兰端面输出;与金属板材间通过螺钉联接固定;依靠金属板与法兰端面的摩擦力传递扭矩到金属板材..图 2-11 为肩关节联接金属板材机械加工工程图：图2-10 肩关节联接金属板2.5.3 抓手的设计一款通用型的机械臂应该具有抓取多种物体的能力;也为某一目标物体专门设计一款抓手;因而在设计机械臂臂体与机械抓手时;需要设计一个合理的联接结构;以便机械抓手能够快速更换..机械抓手在抓取物体时需要保持一定的夹持力;本文将使用舵机为机械手爪提供动力;舵机在旋转到位后能持续提供一定的扭矩以保持夹持状态..使用舵机型号为 TowerPro MG945 全金属齿舵机;表2-5舵机型号及相关参数图2-12 为和机械抓手配合的臂体联接结构..同理只要末端执行器设计为可与该联接结构配合;即可实现更换;以完成对不同物体的抓取任务..图2-11 机械臂执行器联接结构3机械臂软件系统设计整个机械臂控制系统软件包括主计算机监控软件和各关节控制器软件..主计算机接收目标位姿数据;完成路径规划算法..另外;主计算机要实时读取关节控制器的反馈数据;记录机械臂的当前位姿;并显示在屏幕上..不仅直线运动、点到点运动、复位动作的完成需要主计算机监控软件协调;而且像各关节绝对位置的确定过程、各关节运动范围是否越界也必须由主计算机实时参与;及时做出决策..主计算机还要提供给用户友好的人机交互界面;方便于用户输入各种命令;存储设置好的参数;允许数据以表格或者曲线等形式导出..3.1 关节控制器软件设计3.1.1 PID控制算法关节控制器TMS320LF2407来实现;完成电机的位置环控制和速度环控制;如图3-1所示..位置环的控制周期设为2ms;速度环的控制周期也设为2ms..由于采用了速度环;系统的动态性性能可以得到显着提高..两个闭环都采用积分分离PD控制;根据实际调试情况;可以对控制律进行适当的化简..零位霍尔接近开关在系统上电时用于较粗略的确定电机的绝对位置;再结合增量编码器的Z通道的信号;就可以较精确的确定出电机的绝对位置..主计算机路径规划求得的目标位置;应该换算成增量码盘的脉冲数后;再发给关节控制器..关节控制器利用它和从增量编码器实际测得的脉冲数进行比较;利用积分分离PID算法求解位置环的控制量..3.1.2 关节控制器程序流程主程序的流程图如3-2所示：图3-1 主程序流程图寄存器初始化操作主要包括：设置CPUCLK为外部晶振的2倍频;即16MHZ；设置串口通讯波特率为：38.4kbPs；设置定时器/计数器相关寄存器；设置QEP 电路单元相关寄存器；设置中断控制寄存器等等..串口数据接收中断服务程序流程图如3-3所示..在中断服务程序中;读取数据接收寄存器中的数据;存入数据接收区;而并不作任何进一步分析和处理..数据接收区是内存中暂时存放数据的区域;当存满一条完整指令信息后;由主程序分析和处理..图 3-2 串口数据接收中断服务程序流程图控制周期2ms定时中断服务程序的流程见图3-4..定时器/计数器3为位置环和速度环控制周期定时2ms;每3ms进入定时中断服务程序一次;读取位置反馈值和速度反馈值;进行积分分离PID运算;最后输出给DA转换成模拟量..每一个插补周期50ms;主计算机向关节控制器发送一次运动规划后的目标位置..该目标位置是以增量编码器信号四倍频后的脉冲数为单位;以前一次的目标位置作为脉冲计数的零点;因此;关节控制器在读取新的目标位置后;也应该以前一次的目标位置作为新的增量码盘脉冲计数零点;测量实际的电机位置;与新的目标位置比较、运算..主计算机根据需要可以查询当前电机运行的实际位置;关节控制器返回的位置则是关节角的绝对位置;单位是0.1度..图3-3 控制周期定时中断服务服务程序流程图4 结束语本文提出了一套机械臂结构方案..硬件上;对机械臂的构型、臂杆长度、电机、驱动器、减速器、传感器和主控制器进行了选型..并且对机械臂进行了模块化设计;其中包括旋转关节的设计、连接件的设计和抓手的设计..软件方面设计了DSP关节控制器;实现了电机位置和速度闭环控制..基于RS485总线和DSP 的分布式控制体系结构;具有高速、稳定、可靠、易于维护等优点;适合于六自由度机械臂的实时控制..5 参考文献1 王罗罗. 机械臂的结构设计及控制研究D. 哈尔滨工业大学; 2009.2 招绍坤. 轻型机械臂模块化设计与运动控制的研究 D. 哈尔滨工业大学; 2010.3 王再明. 轻型臂电控系统的研究D. 哈尔滨工业大学; 2007.4 方红根;杨军. 基于模块化关节轻型机械臂的研制J. 上海电气技术; 2011.5 濮良贵. 机械设计M. 北京：高等教育出版社;2012：186-273.6 李世其; 刘洋; 朱文革 ;刘燕; 贾阳. 多关节轻型机械臂的设计研究J. 航天器工程; 2009.7 刘宝志. 步进电机的精确控制方法研究D. 山东大学; 2010.8 雷凯. 步进电机细分驱动技术的研究D. 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机械臂快速控制原型系统设计与开发
机械臂快速控制原型系统设计与开发摘要：随着工业自动化的不断发展，机械臂在工业生产中发挥着重要的作用。
本文针对机械臂控制系统的需求，设计并开发了一个快速控制原型系统。
该系统具有高效、灵活、稳定的特点，能够实现对机械臂的精确控制，提高工作效率。
1. 引言机械臂作为一种重要的工业自动化设备，广泛应用于各个领域，如制造业、仓储物流等。
为了满足对机械臂控制的需求，快速控制原型系统的设计和开发尤为重要。
2. 系统设计本文基于嵌入式技术，设计了一个机械臂快速控制原型系统。
该系统包括主控制器、传感器、执行机构等组成部分。
主控制器采用高性能的处理器，具有强大的计算能力和良好的实时性。
传感器用于感知机械臂的位置、姿态等信息，以实现对机械臂的精确控制。
执行机构通过接收主控制器的指令，实现对机械臂的运动控制。
3. 系统开发在系统开发过程中，我们首先进行了硬件设计和选型。
选择了高性能的处理器和稳定可靠的传感器、执行机构，以确保系统的性能和稳定性。
然后，进行了软件设计和开发。
主控制器通过编程实现对传感器和执行机构的控制，以及与外部设备的通信。
我们采用了实时操作系统和相关的开发工具，提高了系统的实时性和可靠性。
4. 系统测试与应用经过系统开发后，我们对机械臂快速控制原型系统进行了测试。
测试结果表明，该系统能够实现对机械臂的精确控制，运动轨迹准确、稳定。
在实际应用中，系统能够提高工作效率，减少人工操作的错误率，降低生产成本。
5. 结论本文设计并开发了一个机械臂快速控制原型系统，该系统具有高效、灵活、稳定的特点，能够实现对机械臂的精确控制。
在实际应用中，该系统能够提高工作效率，提高生产质量。
然而，该系统还存在一些问题，需要进一步优化和改进。
在未来的研究中，我们将进一步完善系统的功能和性能，探索更多先进的控制算法和技术，以满足不断发展的工业自动化需求。
六轴工业机器人控制系统的设计与实现
六轴工业机器人控制系统的设计与实现随着科技的不断发展，机器人技术已经在各行各业得到了广泛的应用。
六轴工业机器人具有灵活性高、适应性强、工作范围广等特点，因此在汽车制造、电子生产、航空航天等领域得到了广泛应用。
六轴机器人的控制系统是其核心部分，对于机器人的运动性能、精度、稳定性等都有着至关重要的影响。
本文将讨论六轴工业机器人控制系统的设计与实现。
一、六轴工业机器人的基本结构六轴工业机器人通常由机械结构、执行器、传感器、控制器等组成。
其基本结构由底座、腰关节、肩关节、手腕关节、手部和末端执行器等部分组成。
六个关节分别控制机器人在空间的运动，机械臂末端进行工件的抓取、移动等操作。
传感器用于实时监测机器人的位置、力度、速度等参数，以便控制系统进行实时调整。
1. 高精度：机器人的运动需要保证高精度和稳定性，尤其是在需要进行精确定位、装配等操作时，对控制系统的要求更高。
3. 多轴协同控制：六轴机器人的每个关节都需要独立控制，同时又需要协同运动，因此控制系统需要能够实现多轴联动控制。
4. 安全性：在工业生产中，机器人可能会与人类操作者进行接触，因此对于机器人的安全性有着严格的要求。
控制系统需要能够实时监测机器人的状态，避免发生意外情况。
5. 灵活性：机器人可能需要进行不同的任务，因此控制系统需要具备一定的灵活性，能够快速切换任务并进行相应的控制。
1. 控制策略选择：一般来说，六轴机器人的控制可采用基于位置控制、力控制和混合控制等策略。
在不同的应用场合，控制策略的选择将影响机器人的运动性能和控制系统的设计。
2. 控制器硬件设计：控制器是机器人控制系统的核心部分，其硬件设计需要满足高性能、高实时性的要求。
通常采用的是嵌入式系统或者工业PC等硬件平台，以满足对控制系统的高要求。
3. 控制器软件设计：控制器的软件设计包括实时控制算法的设计、运动规划算法的实现、系统安全监测等方面。
还需要实现通信接口、人机界面等功能，以便人机交互和远程监控等需求。
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.。
三自由度机械臂毕业设计
三自由度机械臂毕业设计毕业设计题目：三自由度机械臂设计与控制一、设计背景三自由度机械臂是工业机器人中常见的一种结构，通常由三个关节驱动器构成，可以实现在三个方向上的运动。
该设计旨在研究三自由度机械臂的结构设计和控制算法，提高其运动精度和稳定性，以满足工业生产中对机器人精准操作的需求。
二、设计内容1.机械结构设计：根据机械臂的工作范围和负载要求，设计合适的机械结构，包括三个关节的连杆长度、角度范围等，确保机械臂能够在工作空间内自由灵活地运动，并能承受所需的负载。
2.关节驱动器选择：选择合适的关节驱动器，比如伺服电机、步进电机等，确保驱动器能够提供足够的转矩和精确的控制，以实现机械臂的精准运动。
3.控制系统设计：设计相应的控制系统，包括运动规划、轨迹跟踪、碰撞检测等算法，实现机械臂在各种工作场景下的自动化操作。
同时，考虑到三自由度机械臂的运动学模型，设计合理的控制策略，提高机械臂的运动精度和稳定性。
4.系统集成和调试：将机械结构、关节驱动器和控制系统进行集成，通过实验验证机械臂的性能和稳定性，调试控制算法，不断优化设计方案，使机械臂达到预期的工作效果。
三、设计目标1.实现三自由度机械臂在三维空间内的高精度运动，能够完成各种复杂的工作任务。
2.提高机械臂的运动速度和稳定性，减少运动过程中的振动和误差，提高工作效率。
3.实现机械臂与外部环境的智能交互，通过传感器实时监测工作环境，避免碰撞和危险情况的发生。
4.设计简洁高效的控制系统，具有良好的实时性和可靠性，便于操作和维护。
四、预期成果通过以上设计内容和目标，预期能够完成一台具有高精度运动和稳定性的三自由度机械臂原型机，并实现其在工业生产中的应用。
同时，可以得到相关的技术研究成果，为工业机器人领域的发展贡献一份力量。
五、结语三自由度机械臂的设计与控制是一个具有挑战性和重要性的课题，需要多方面的知识和技能综合运用。
希望通过本次毕业设计，能够全面学习和掌握机械臂设计与控制的相关知识，提升自己在工程领域的实践能力和创新能力，为未来的科研和工作打下坚实的基础。
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独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生签名：程嘎帆２岬年期猡日
关于论文使用授权的说明本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。
（保密的学位论文在解密后应遵守此协议）
研究生签名：霍嗄导师签名：陬潮红帆ｍ／ｆ年．ｒ，９母
时间：沙，甲年厂月刁日摘要随着科技的发展，很多实际生产中也对机械臂功能要求也越来越精细化，特别是在高端研究领域。比如医疗器械、汽车制造业、深海潜艇、火炮、空间站维修等等，对它提出了更高的要求，在小型化、精密化等方面，能满足科研和实际生产的需求。而这些都离不开运动控制系统技术实现的问题。首先了解机械臂的现状，针对机械臂的实际要求选择执行机构为无刷直流伺服电机，因为具有结构简单、运行稳定性好、维护方便等优点，满足设计要求。通过了对生产要求分析选择了伺服系统的，然后对无刷直流电机的工作原理、数学模型、ＰＷＭ调制方式深入的学习，然后建立了无刷直流伺服系统的动态模型，最后利用了ＭＡＴＬＡＢ中ＳＩＭＵＬＩＮＫ验证理论的可行性。其次对系统硬件进行了设计，以意法半导体（ＳＴ）公司生产的Ｓ１Ｍ３２Ｆ１０３ＶＣＴ６芯片为主，结合１Ｒ２１３６功率模块设计了电机的驱动电路；在通信上是ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＣＴ６芯片和ＭＡＸ２３２ＡＣＳＥ芯片完成数据通信及程序烧写，为验证理论研究提供硬件支持。最后针对调速系统和位置的闭环，选择实际生产中要求稳定性高的算法，分别是ＰＩ和积分分离ＰＩＤ这两种算法；具有检测、电机启动、串口通信程序等等。通过上述工作完成，机械臂运动控制系统得以实现，满足一些基本的运动需求。
关键词：机械臂，无刷直流电机，伺服系统，Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
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ｍｏｔｏｒｓｔａｒｔ－ｕｐ，ｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍｓａｎｄＳＯｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄ
ｈａｒｄｗａｒｅ，ｔｈｅｂａｓｉｃｃｏｎｔｒｏｌｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｒｎｌｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｒｍ，Ｂｒｕｓｈｉｅｓｓｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｍｏｔｏｒ，Ｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍ，ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＣＴ６
ＩＩ目录第一章绪论…………………………………………．．１１．１课题来源…………………………………………１１．２研究目的及意义……………………………………２１．３国内外研究现状……………………………………３１．４机械臂运动控制系统方案……………………………．５１．５论文主要内容……………………………………．．６１．６本章小结…………………………………………７第二章机械臂伺服系统和无刷直流电机…………………．８２．１无刷直流电机原理及数学模型…………………………８２．２无刷直流伺服系统…………………………………１５２．３伺服系统仿真分析…………………………………１８２．４本章小结………………………………………．．２０第三章系统硬件设计…………………………………２１
３．１硬件电路总体设计方案…………………………．．２ｌ３．２嵌入式处理芯片及外围电路设计………………………２１３．３电机驱动电路设计…………………………………２４３．４电流检测电路设计…………………………………２６３．５串口通信电路设计…………………………………２７３．６电源电路设计……………………………………．２８３．７无刷直流伺服电机…………………………………３０３．８差分信号转ＴＴＬ信号模块选用………………………．．３１３．９本章小结………………………………………．．３２第四章算法和系统软件………………………………．３３４．１软件总体设计思路…………………………………３３４．２算法编程实现……………………………………．３４４．３检测程序设计……………………………………．３７
４．４ＰｗＭ定时器程序设计………………………………．４０４．５电机启动程序设计…………………………………４１４．５串口通信程序设计…………………………………４２４．６本章小结………………………………………．．４３第五章总结与展望……………………………………４４参考文献……………………………………………．４５致谢…………………………………………………４８附录…………………………………………………４９个人简介……………………………………………．５５
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