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        基于單片機的六自由度機械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計

        2021-06-04 08:39:46陳心怡張春雨朱麗華
        銅陵學(xué)院學(xué)報 2021年2期
        關(guān)鍵詞:單片機機械信號

        陳心怡 張春雨 朱麗華

        (1.池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 池州 247000;2.安徽科技學(xué)院,安徽 滁州 239000)

        一、引言

        機械臂也稱工業(yè)機器人,是以運動作為控制對象的智能控制裝備,主要由手臂、舵機、抓手等組成[1]。機器人手臂的張開、夾緊等系列動作由電動機驅(qū)動,并準確地反饋到可編程邏輯控制器。在工業(yè)生產(chǎn)中控制機械臂完成我們所需要的夾取和分揀動作,本項目便是圍繞六自由度機械臂控制系統(tǒng)展開的。通常一個52系列的單片機包含有FLASH ROM、RAM、3個16位的定時器/計數(shù)器和1個UART等,它具有性能可靠、性價比高等特點。在工業(yè)生產(chǎn)中,往往需要機械手臂完成一些相對復(fù)雜的控制運動,機械手臂系統(tǒng)中一個單片機遠遠不夠,仍需要TK-A66自由度機械手臂、1501數(shù)字舵機等控制機械臂的運動。

        本文就是用單片機作為核心控制器,LD1501-MG數(shù)字舵機作為TK-A66自由度機械手臂的運動控制單元,結(jié)合制成的6自由度機械臂的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單片機芯片STC89C52作為主控制器,A/D轉(zhuǎn)換采用以雙積分方式運行的ICL7135,利用定時計數(shù)器的計數(shù)功能,測量外部電壓,省去很多處部電路[2]。單片機通過產(chǎn)生PWM信號控制機械臂的舵機,從而控制6自由度的機械手臂。

        二、算法設(shè)計

        (一)建立運動學(xué)模型

        如圖1所示,具有三維開環(huán)鏈結(jié)構(gòu)的機械手分別由基座、增幅臂和旋轉(zhuǎn)手臂組成,可通過肩部旋轉(zhuǎn)和俯仰、肘部和腕部俯仰、腕部偏轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實現(xiàn)6個自由度的運動,進而保證機械手在工作空間中的所有位置狀態(tài)[3]。

        圖1機械臂模型

        為準確反映關(guān)節(jié)坐標與機械端位置之間的關(guān)系,本文根據(jù)D-H原則和笛卡爾坐標系建立機械臂關(guān)節(jié)的坐標系及機械臂的正向運動學(xué)方程,但逆運動學(xué)模式在實際應(yīng)用過程中更為普遍[4]。機械臂控制系統(tǒng)的運行可以通過調(diào)整關(guān)機位置來實現(xiàn),這就需要通過逆運動學(xué)模型,計算出完成理想軌跡時每個關(guān)節(jié)所需達到的角度值。在確定了機械臂的構(gòu)型后應(yīng)以D-H法則確定運動學(xué)參數(shù),如表1所示。

        表1 D-H參數(shù)表

        根據(jù)圖1中的構(gòu)型建立參考坐標系和關(guān)節(jié)坐標系,再用齊次方程描述機械臂各連桿的空間幾何關(guān)系,用4×4齊次矩陣來表示相鄰連桿之間的幾何關(guān)系,再算出機械臂相對于參考坐標系的后端地址。鑒于該坐標系中存在偏移量α1和α2,故χ1、χ2和χ3的空間關(guān)系并不重合,如圖2所示。

        圖2 1,2,3坐標空間關(guān)系

        (二)運動控制算法

        運動軌跡和速度是機械臂兩大控制變量,軌跡控制算法是機械臂控制系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分。相對于二維軌跡控制算法,六自由度軌跡控制算不是二維插補算法的簡單組合,綜合曲線特征,采用分段曲線逼近擬合軌跡曲線。為了提高擬合度,須精確計算出各段曲線交點值,以保證運動狀態(tài)參數(shù)的連續(xù)性[5]??紤]到既要使機械臂能沿著既定的軌跡運動,又要確保運動過程中的實時可控性,本文采用Trial Mode運動模式的控制算法,即通過階梯形分割其速度曲線,在每個采樣周期內(nèi)分段進行提取設(shè)計,確保對插補算法指定軌跡進行約束。

        (三)調(diào)試運動規(guī)劃算法

        合理設(shè)計機械臂算法調(diào)試軟件,本文軟件采用C語言編寫算法,借助WinCE系統(tǒng)平臺構(gòu)建其運動規(guī)劃算法的實驗平臺,采用MFC設(shè)計合理的程序框架,來驗證算法功能以確保算法函數(shù)的可行性與控制的精準度,確保對不同運動模式的仿真驗證。

        三、硬件設(shè)計

        將硬件設(shè)計過程分為單片機模塊和舵機控制模塊兩個部分,系統(tǒng)原理圖如圖3所示。在機械臂硬件設(shè)計過程時,其構(gòu)成部件的選擇應(yīng)匹配于機械臂的基本技術(shù)參數(shù),之后根據(jù)對關(guān)機轉(zhuǎn)矩等計算推演,合理選擇滿足功率要求的電機。綜合考慮,本硬件設(shè)計中核心的器件選用STC89C52型號的微處理器,內(nèi)置8KB可在線編程閃存,具有A/D轉(zhuǎn)換功能,并能產(chǎn)生PWM信號。另一方面,產(chǎn)生的PWM信號控制機械臂舵機的制動[6]。

        圖3系統(tǒng)原理圖

        (一)單片機模塊

        單片機模塊所使用的STC89C52單片機,包括單片機芯片、復(fù)位電路、時鐘電路和電源電路。該芯片采用CMOS工藝,具有密度高、存儲信息不易丟失的特點,與C51指令集兼容。Internal RAM允許重復(fù)在線編程,還可通過SPI串行端口或同一非易失性存儲器進行重新編輯。通過將8位CPU與可線上下載的Flash進行集成,可有效地解決復(fù)雜的控制問題。內(nèi)部系統(tǒng)包括8K字節(jié)可在線編程ISP閃存,4.0-5.5V電源,完全靜態(tài)工作0Hz~24MHz,256字節(jié)內(nèi)部RAM,32根可編程I/O線,8個中斷源和雙數(shù)據(jù)指針,2個16位定時器/計數(shù)器。

        (二)舵機控制模塊

        本系統(tǒng)采用數(shù)字舵機LD1501-MG分2組進行實驗,第一組中舵機與單片機共用同一電源,第二組中使用不同電源供電。數(shù)據(jù)表明,第一組單片機運行不穩(wěn)定,第二組中兩者運行較好。所以本系統(tǒng)采用舵機與單片機公用不同電源方案,且舵機所需的電源功率要大于單片機的電源功率,如圖4所示[7]。

        2)其他土地利用類型都有不同程度的減少,其中水域和耕地減少的最為明顯,1985-2000年和2000-2016年水域的減少速度分別為0.08%和0.19%,耕地的減少速度分別為0.12%和0.14%;

        圖4舵機驅(qū)動電路圖

        四、軟件設(shè)計

        (一)總體設(shè)計

        本設(shè)計利用上位機操作系統(tǒng)及監(jiān)控程序?qū)崿F(xiàn)信息通訊、軌跡規(guī)劃及運動算法控制等功能[8]。根據(jù)操作步驟,上位機提取INI文件和數(shù)據(jù)庫中的參數(shù),并在可視化界面中輕易完成機械臂軌跡規(guī)劃和關(guān)節(jié)角位置的設(shè)定。信息通信過程首先要初始化通信端口,通信總線與各關(guān)節(jié)進行通信連接,發(fā)出連接信號并讀取數(shù)據(jù),進而發(fā)出指令并驅(qū)動電動機運動。為兼顧系統(tǒng)軟件功能可以同步完成,本控制系統(tǒng)采由C51語言編程來實現(xiàn),程序結(jié)構(gòu)采用模塊式,由主程序、初末置換函數(shù)、速度控制函數(shù)、機械臂控制函數(shù)、定時器T0子程序、定時器T1子程序6部分組成。結(jié)構(gòu)清晰,便于分析調(diào)試。

        (二)主程序設(shè)計

        主程序是將整個程序分成若干模塊,在程序中利用函數(shù)調(diào)用的方式,連接各個子程序,傳遞之間的參數(shù)。系統(tǒng)的主程序按照以下流程執(zhí)行。

        程序開始,對全局變量進行聲明,對相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù)初始化,3個定時器數(shù)據(jù)初始化,將輸出引腳設(shè)置為強推挽輸出,為舵機提供足夠的電流。中斷設(shè)置,定時器初始化并開啟中斷,設(shè)置定時器TCON和TMOD參數(shù)。

        中斷請求,接到信號請求則調(diào)用pwm[]數(shù)組更新函數(shù)舵機調(diào)速子程序vpwm()。流程圖如圖5所示。

        (三)舵機控制程序設(shè)計

        圖5程序流程圖

        為保證機械臂平穩(wěn)運行,需要對舵機進行精確控制,以實現(xiàn)速度調(diào)節(jié),實際上在程序中對舵機控制信號PWM占空比進行調(diào)節(jié)即可。PWM是脈沖寬度調(diào)制信號,具有易控制、迅速和動態(tài)響應(yīng)好等特點,被廣泛應(yīng)用在人工智能機器人及航模設(shè)計的舵機及直流電機的控制中,其PWM設(shè)置格式應(yīng)注意以下幾點:

        (1)上升沿保證有0.5ms,介于0.5ms至2.5ms之間;

        (2)要求用程序?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的PWM信號,對于硬件體現(xiàn)出來的機械臂動作更加連續(xù)、流暢。

        圖6多路舵機PWM速度控制程序流程圖

        五、系統(tǒng)仿真與實現(xiàn)

        為使控制系統(tǒng)的開發(fā)更加的高效便捷,在進行硬件電路的焊接前,先進行仿真。本控制系統(tǒng)設(shè)計,用Protues仿真軟件搭建仿真系統(tǒng)的電路圖,由于舵機在Protues元器件庫中沒有加入,本仿真可用Protues自帶的虛擬示波器Oscilloscope代替。通過觀察Oscilloscope顯示的PWM控制信號的占空比,判斷控制系統(tǒng)的控制性能??筛鶕?jù)仿真結(jié)果,通過調(diào)整單片機程序,改變占空比,從而得到電機平均速度,達到調(diào)速的目的。

        硬件調(diào)試階段首先測試舵機,將舵機測試程序燒錄到單片機系統(tǒng)中,測試并記錄舵機偏轉(zhuǎn)的角度并與預(yù)期角度進行比較,誤差角度控制在±1度以內(nèi),對不能達到要求的舵機不予選用。選擇好舵機以后根據(jù)機械臂結(jié)構(gòu)圖組裝好機械臂,通過軟件編程程序控制機械臂實現(xiàn)6自由度運動。最后,組裝硬件并反復(fù)調(diào)試。在調(diào)試的過程中,根據(jù)實際情況,機械臂的重量,平穩(wěn)程度等,可通過編程來控制發(fā)送PWM信號的時間,以適應(yīng)不同距離的測量需要,以達到準確抓取目標的任務(wù),確保實現(xiàn)6自由度機械臂的運動控制功能。

        六、結(jié)語

        機械臂作為應(yīng)用廣泛的運動執(zhí)行機構(gòu),其運動穩(wěn)定性在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中意義重大。本方案在反復(fù)比較國內(nèi)外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,深入分析其適用行業(yè)特點和功能需求,確定總體設(shè)計方案使用STC89C52作為主控制器、LD1501-MG數(shù)字舵機作為控制單元,主要由機械臂電路與單片機控制電路兩大部分構(gòu)成。

        機械臂控制系統(tǒng)中建立運動學(xué)模型,運用TM算法,對機械臂手臂的運動速度和軌跡進行控制設(shè)計,實現(xiàn)機械臂手臂運動軌跡的控制功能。在本系統(tǒng)控制程序中,利用單片機產(chǎn)生的PWM信號對舵機進行控制,給出了微分插補法生成多路舵機PWM速度控制信號的程序?qū)崿F(xiàn)方法,通過微分插補法進行舵機速度的控制,實現(xiàn)機械臂狀態(tài)的控制和調(diào)整,使機械臂的運行更加平穩(wěn)。此系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)受限于無障礙的空間環(huán)境,其控制和軌跡算法應(yīng)結(jié)合不同的復(fù)雜環(huán)境進行跟進調(diào)整,使其功能和應(yīng)用價值更為凸顯。

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