Delta機器人畢業(yè)論文

1、武漢科技大學本科畢業(yè)設計摘 要Delta并聯(lián)機器人是一類全新的機器人,它具有剛度大、承載能力強、精度高、自重負荷比小、動力性能好等一系列優(yōu)點,與目前廣泛應用的串聯(lián)機器人在應用上構成互補關系,因而擴大了機器人的應用領域。Delta并聯(lián)機器人是最典型的空間三自由度移動的并聯(lián)機構,Delta機構整體結構簡單、緊湊,驅動部分均布于固定平臺,這些特點使它具有良好的運動學和動力學特性,實驗條件下末端控制加速度可高達5.0g(重力加速度)。大量的實踐證明,Delta機構是迄今為止設計最成功的并聯(lián)機構之一。目前,Delta并聯(lián)機器人己經廣泛應用于化妝品、食品和藥品的包裝和電子產品的裝配。步進電機是將電脈沖信號

2、轉為角位移或線位移的開環(huán)控制元件。以步進電機作為Delta機器人的動力，其既簡單廉價，又可靠穩(wěn)定。它有瞬間啟動，急速停止，精度高等特點。在運動學反解模型的基礎上，利用VS2008開發(fā)了基于Windows平臺的三自由度Delta機器人上位機控制端，實現(xiàn)了空間坐標的反解及數(shù)據(jù)的串口收發(fā)。并設計制造了Delta機器人，設計采用二相混合式步進電機作為機器人的動力來源。使用S3C6410作為控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)下位機串口數(shù)據(jù)的收發(fā)、對機械運動的控制及步進電機的驅動。關鍵詞：Delta機器人； 位置反解； 步進電機； S3C6410Abstract Parallel robot is a new kind

3、 of robots, It has a serial advantages over serial robots in terms of high stiffness, larger payload, high precision, load/wight ratio and good dynamic capability, it has complementary relationship with serial robots which is widely used in application, as a result, enlarge the whole application fie

4、ld. The Delta parallel robot is the most typical three translation Dof parallel structure, the whole structure is simple and compact, the driving part are evenly distributed to base platform, this characteristics lead to good kinematic and dynamic identity, under experiment, the acceleration can rea

5、ch to 5.0 times of g(acceleration of gravity).A number of experiments proved that, the Delta robot is one of the most successful robots since today. At present, the Delta robot is widely used in the packing of cosmetic, food and medicine as well as assembly of electronic products.The stepping motor

6、is a open-loop control components that could be to transform the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement. The stepping motor is the power of Delta robot which is both simple and cheap, reliable and stable. It has instant start, rapid stop, and high accuracy.On the ba

7、sis of inverse kinematics model, develops the computer control system based on Windows using VC2008, The inverse solution space coordinates and Serial data transceiver. Design and manufacture of Delta robot, Using the two-phase hybrid stepping motor, using S3C6410 as the control core, The lower comp

8、uter serial port to send and receive data and Control of the mechanical motion.Key word: Delta robot; Inverse solution of position; Stepping motor; S3C6410目 錄緒論11 系統(tǒng)開發(fā)相關工具介紹51.1 OK6410開發(fā)板介紹51.2 RVDS開發(fā)工具介紹61.3 交叉編譯環(huán)境的搭建71.4 OK6410裸機程序的燒寫82 Delta機器人詳細設計112.1 硬件結構分析112.1.1 Delta機器人機械結構112.1.2 步進電機介紹122

9、.1.3 步進電機驅動器122.1.4 硬件電路連接142.2 三自由度Delta機器人位置分析172.2.1 Delta機器人機構簡介172.2.2 位置反解分析172.2.3 位置反解數(shù)值算例203 控制系統(tǒng)實現(xiàn)213.1 控制系統(tǒng)控制流程213.2 S3C6410初始化213.3 中斷控制的實現(xiàn)243.3.1 保存現(xiàn)場253.3.2 處理中斷253.3.3 恢復現(xiàn)場263.4 時鐘初始化263.4.1 鎖相環(huán)配置263.4.2 分頻器的配置273.5 串口控制273.5.1 時鐘單元選擇283.5.2 配置波特率發(fā)生器284.5.3 串口中斷控制283.6 定時器設置293.7 步進電機

10、控制303.8 上位機控制程序313.8.1 上位機串口模塊323.8.2 位置反解計算模塊334 系統(tǒng)測試35總結36參考文獻37致謝38IV緒論引言自從1961年美國Unimation公司推出第一臺工業(yè)機器人以來，機器人得到了十分迅速的發(fā)展。如今機器人已經廣泛應用于工業(yè)生產中，如噴氣、焊接、搬運、裝配等工作，在汽車工業(yè)、電子工業(yè)、核工業(yè)、服務業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等許多方面都有應用。現(xiàn)在所說的機器人多指串聯(lián)機器人。1965年，英國高級工程師Stewart首先提出了一種6自由度的并聯(lián)機構作為飛行模擬器用于訓練飛行員4，如圖 1.1示。到1978年，澳大利亞的Hunt教授指出這種機構更接近于人體的結構，

11、可以將此平臺作為機器人機構。80年代中期，國際上研究并聯(lián)機器人的學者還寥寥無幾，出的成果也不多，到80年代末期特別是90年代以來，并聯(lián)機器人才被廣為關注，并成為新的熱點，許多大型會議都設有專題進行討論。1985年，Clavel提出了一種成為Delta的三維移動機構，如圖 1.2示。Delta機器人是最經典的空間三自由度移動的并聯(lián)機構，大多數(shù)空間三自由度并聯(lián)機構都是從Delta機構衍生的。Delta機器人是一種具有3個平動自由度的高速并聯(lián)機器人，也是目前商業(yè)應用最成功的并聯(lián)機器人之一。 圖1.1 Stewart平臺 圖 1.2 Delta機器人并聯(lián)機器人研究發(fā)展的現(xiàn)狀目前，國內外對于并聯(lián)機器人的

12、研究主要集中于機構學、運動學、動力學和控制策略等幾個領域。其中機構學和運動分析主要研究并聯(lián)機器人的運動學、奇異形位、工作空間和靈巧度分析等方面，這些研究是實現(xiàn)并聯(lián)機器人控制和應用的基礎。動力學和控制策略的研究主要是對并聯(lián)機器人進行動力學分析和建模，研究各種可能的控制算法，對并聯(lián)機器人實時控制，以達到預期的控制效果11。下面分別對并聯(lián)機器人的運動學、動力學、機構性能等方面的主要研究成果和趨勢進行闡述：1.運動學研究內容包括位置正反解、速度和加速度分析兩部分。位置正解是給定并聯(lián)機器人各輸入關節(jié)的位置參數(shù)，求解末端執(zhí)行器的位姿參數(shù)；反解就是給定并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器的位姿參數(shù)，求解各輸入關節(jié)的位置參數(shù)

13、。其中，解決位置正解問題主要方法有數(shù)值法和解析法兩種。2.并聯(lián)機器人的動力學研究包括慣性力計算、受力分析、驅動力矩分析、主負約束反力分析、動力學模型建立、計算機動態(tài)仿真、動態(tài)參數(shù)辨識等，其中建立動力學模型是實現(xiàn)并聯(lián)機器人控制的基礎。研究動力學特性的方法通常有以下：拉格朗日(L眼range)法、牛頓一歐拉(Newton一Euler)法、凱恩(Kane)法、高斯(Gauss)法等。Lagrange方法建立動力學方程是以系統(tǒng)動能和勢能建立的，它推導復雜、計算量大，但用矩陣形式表示的動力學模型既能用于動力學控制，又能用于系統(tǒng)動力學模擬，而且能清楚的表示出各構件間的禍合特性，有利于對系統(tǒng)的禍合特性做深入

14、研究，因此Lagrange方程得到廣泛的應用。本文研究的目的與意義 由于并聯(lián)機器人采用閉環(huán)機構,和串聯(lián)機器人的開鏈式機構相比,具有如下特點：1并聯(lián)機器人其末端件上平臺同時由6(或3)根驅動桿支撐，與串聯(lián)的懸臂梁相比，其承載能力高、剛度大，而且結構穩(wěn)定；由于剛度大，在相同的自重或體積下，并聯(lián)式較串聯(lián)式有較高的承載能力。2串聯(lián)式末端件上的誤差是各個關節(jié)誤差的積累和放大，因此誤差大而精度低，并聯(lián)式沒有那樣的積累和放大關系，各桿件誤差形成平均值，誤差小而精度高。3串聯(lián)機器人的驅動電機及傳動系統(tǒng)大都放在運動的大小臂上，增加了系統(tǒng)的運動慣性，惡化了系統(tǒng)的動力性能；而并聯(lián)機器人很容易將電機置于基座上，減少了

15、運動負荷，極大地提高了系統(tǒng)的動力性能。4在位置求解上，串聯(lián)機構正解容易，反解十分困難，而與之相反的是，并聯(lián)機構正解困難而反解卻容易得到。由于機器人的在線實時計算是要計算反解，這就對串聯(lián)式造成了困難，而并聯(lián)式很容易實現(xiàn)。5相對于串聯(lián)機器人，同樣的機構尺寸，并聯(lián)機器人的工作空間較小，主要是受輸入空間、平臺和基座的形狀和大小、平臺和基座及其桿件在空間的相互干涉、奇異位置等約束造成。6由于并聯(lián)機構動力學特性具有高度非線性、強禍合的特點，使得其控制較為復雜。通過以上分析可知，并聯(lián)機器人與串聯(lián)機器人在應用上形成了一種互補的關系，各自都有其特殊的應用領域，可以說并聯(lián)機器人的出現(xiàn)擴大了機器人的應用范圍。隨著微

16、電子和計算機技術的發(fā)展，并聯(lián)機器人得到了越來越廣泛的應用。工業(yè)上，并取機器人可以用在汽車總裝線上安裝輪胎，汽車發(fā)動機，還可以用作飛船對接器，潛艇救援中的對接器，飛行模擬器、空間飛行器對接機構及其地面試驗設備，天文望遠鏡跟蹤元位系統(tǒng)等，其中Delta機器人被廣泛應用于食品與藥品的包裝與機械自動生產線上。對于困難的地下工程，如上方挖掘，也可以利用并聯(lián)機構。并聯(lián)機器人的一個重要應用就是被稱為“21世紀的機床”的虛擬軸機床。并聯(lián)機床的中心結構簡單，傳動鏈極短，剛度大，質量輕，切削效率高，成本低，很容易實現(xiàn)6軸聯(lián)動，因而可以加工非常復雜的三維曲面。1994年美國芝加哥IMTS博覽會上GIDDINGS&a

17、mp;LEWIS公司推出了新開發(fā)的并聯(lián)式VARJAX“虛擬軸機床”，引起廣泛關注。并聯(lián)機器人的另一個重要的應用方面是作為微動機構或微型機構。這種機構充分發(fā)揮了并聯(lián)機構工作空間不犬、精度和分辨率高的特點，在三維空間內微小移動在220m之間。如在眼科手術、微細外科手術中的細胞操作、心臟冠狀動脈移植等中都得到了很好的應用。系統(tǒng)初步介紹 本次設計主要包含五大部分： 1.Delta機器人機械部分，Delta機器人以42步進電機作為動力，使用1:27行星減速器，可以獲得更大的力矩以及更高的精度。機器人主體由搖臂、連桿、基座平臺、移動平臺及支架組成。 2.步進電機驅動部分，由于Delta機器人的特性，需要步

18、進電機低速運行，需要對步進電機進行細分控制。因此，對步進電機驅動器有較高要求。本次設計采用細分型高性能步進電機驅動芯片HST3525芯片作為步進電機驅動。獲得更好的性能。 3.電源部分，本次設計為充分發(fā)揮步進電機的性能，主電源采用24V 10A高頻開關電源。步進電機驅動控制信號電壓為5V，固選用5V開源電源為驅動器提供驅動電壓。 4.電壓轉換部分，S3C6410 的GPIO口輸出高電平為3.3V，為了能驅動HST3525芯片。需要用電壓轉換部分將3.3V轉換為5V電壓。 5.本次設計采用ARM11 SANSUNG S3C6410作為控制芯片，實現(xiàn)坐標解算和電機控制。S3C6410 是一個 16

19、/32 位 RISC 微處理器，旨在提供一個具有成本效益、功耗低，性能高的應用處理器解決方案。S3C6410 采用了64/32 位內部總線架構。該 64/32 位內部總線結構由 AXI、AHB 和 APB 總線組成。它還包括許多強大的硬件加速器，像視頻處理，音頻處理，二維圖形，顯示操作和縮放。 用戶輸入坐標命令傳遞給解算函數(shù)，解算函數(shù)(x,y,z）->(,)，經解算函數(shù)反解后將所需運轉步數(shù)傳遞到串口，串口將命令更新保存在機器狀態(tài)中。每2ms機械運動控制程序運行一次，判斷還需運轉步數(shù)及方向，傳遞給電機驅動，步進電機旋轉相應角度，機械臂移動到對應坐標點。本文的主要工作 本文首先對Delta機

20、器人的背景、現(xiàn)狀、目的和意義進行了描述，對Delta機器人的控制流程進行了分析講解，然后對本控制系統(tǒng)的各個組成部分及功能模塊進行了詳細的分析，有Delta機器人機械部分、步進電機驅動部分、電壓轉換部分、ARM11 SANSUNG S3C6410芯片。在此基礎上，論文詳盡的描述了本控制系統(tǒng)的S3C6410控制部分。包括S3C6410芯片初始化、時鐘初始化、UART中斷、按鍵中斷、定時器的使用、空間坐標反解等。1 系統(tǒng)開發(fā)相關工具介紹1.1 OK6410開發(fā)板介紹 隨著微電子技術的快速發(fā)展，ARM處理器經歷了包括ARM7、ARM9在內的多個發(fā)展歷程，而ARM11的成熟應用必將為嵌入式的發(fā)展帶來新的

21、活力，使更高端的產品應用成為可能。與ARM9的5級流水線相比，ARM11擁有一條具有獨立的load-store和算術流水的8級流水線，在同樣工藝下，ARM11處理器的性能與ARM9相比大約提高了40%。ARM11執(zhí)行ARMv6架構的指令，ARMv6指令包含了針對媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）擴展，采用特殊的設計，以改善視頻處理性能。為了能夠進行快速浮點運算，ARM11增加了向量浮點單元。所有這些結構上的提高，都是ARM9處理器不可比擬的1。S3C6410是由三星公司推出的一款低功耗、高性價比的RSIC處理器，它基于ARM11內核（ARM1176JZF-S)，可廣泛應用于移動電話和通用處

22、理等領域；S3C6410為2.5G和3G通信服務提供了優(yōu)化的硬件性能，內置強大的硬件加速器：包括運動視頻處理、音頻處理、2D加速、顯示處理和縮放等；集成了一個MFC(Multi-Format video Codec)支持MPEG4/H.263/H.264編解碼和VC1的解碼，能夠提供實時的視頻會議以及NRSC和PAL制式的TV輸出；除此之外，該處理器內置一個采用最先進技術的3D加速器，支持OpenGL ES 1.1/ 2.0和D3DM API，能實現(xiàn)4M triangles/s的3D加速；同時，S3C6410包含了優(yōu)化的外部存儲器接口，該接口能滿足在高端通信服務中的數(shù)據(jù)帶寬要求。由于以上突出的

23、性能表現(xiàn)，著名的蘋果公司手機IPHONE就是基于S3C6410處理器。OK6410開發(fā)板基于三星公司最新的ARM11處理器S3C6410，擁有強大的內部資源和視頻處理能力，可穩(wěn)定運行在667MHz主頻以上，支持Mobile DDR多種NAND Flash。OK6410開發(fā)板上集成了多種高端接口，如復合視頻信號、攝像頭、USB、SD卡、液晶屏、以太網，并配備溫度傳感器和紅外接收頭等。這些接口可作為應用參考幫助用戶實現(xiàn)高端產品級設計。OK6410開發(fā)板采用核心板+底板結構，核心板尺寸規(guī)格為5CM×6CM，底板尺寸為10.5CM×14CM，核心板與底板之間采用4組高質量進口連接器

24、（鎳金工藝，接觸好、抗氧化），共計320個引腳（80×4），方便客戶進行二次開發(fā)，進行各種形式的擴展應用。OK6410的軟件系統(tǒng)目前支持WinCE 6.0、LINUX2.6.28、Android2.1以及uC/OS-II，提供標準板級支持包（BSP）并開放源碼，其中包含了所有接口的驅動程序，客戶可以直接加載使用。另外，該板可連接飛凌公司與之相配套使用的串口擴展板、WIFI模塊、攝像頭模塊等。1.2 RVDS開發(fā)工具介紹RealView® Development Suite（RVDS）是 ARM 公司繼 SDT 與 ADS1.2 之后主推的新一代開發(fā)工具。RVDS 集成的 R

25、VCT 是業(yè)內公認的能夠支持所有 ARM 處理器，并提供最好的執(zhí)行性能的編譯器；RVD 是 ARM 系統(tǒng)調試方案的核心部分，支持含嵌入式操作系統(tǒng)的單核和多核處理器軟件開發(fā)，可以同時提供相關聯(lián)的系統(tǒng)級模型 構建功能和應用級軟件開發(fā)功能，為不同用戶提供最為合適的調試功效。目前全球基于 ARM 處理器的 40 億個產品設備中，大部分的軟件開發(fā)是基于 RealView開發(fā)工具。安全、可靠和高性能地設計產品的最好選擇就是購買 ARM RealView 開發(fā)工具。Rvds2.2 集成了 Codewarrior for rvds 開發(fā)環(huán)境。Codewarrior for rvds 提供基于 Windows

26、使用的工程管理工具。它的使用使源碼文件的管理和編譯工程變得非常方便。 但 CodeWarrior IDE 在 UNIX 下不能使用 RealView 編譯工具（RVCT）。優(yōu)化的標準 C/ C+ 編譯器鏈接器匯編器映像轉換工具ARM 目標文件管理C 語言庫RogueWave C+ 標準模版庫RealView 編輯工具為了給 ARM 架構提供最優(yōu)異的支持， ARM 公司經過十六年的研究推出了 ARMRealView 編譯工具。他們包含了能夠將 C 或 C+ 編譯成 32 位 ARM 指令集、16 位 Thumb指令集和 Thumb-2 指令集所必需的軟件部件。RVDS 編譯工具為 ARM 架構提

27、供了最優(yōu)異的支持， 它在代碼的速度和大小上有了許多重要改進。使用 RVDS 中的編譯工具能為嵌入式 Linux 和 Symbian 系統(tǒng)提供最優(yōu)化的應用程序。RVDS 為那些一直在尋求互用 ARM 與 GNU 工具鏈,并且基于 ARM 架構的兼容 Application Binary Interface (ABI)的客戶提供空前靈活的支持,使開源工具與商業(yè)工具的使用貫穿整個軟件開發(fā)團隊。1.3 交叉編譯環(huán)境的搭建1.安裝Ubuntu 12.04操作系統(tǒng)。Ubuntu 是一個以桌面應用為主的 Linux 操作系統(tǒng)，官網下載Ubuntu 12.04進行安裝。嵌入式交叉編譯，經常需要 root 用戶

28、的權限，ubuntu12.04 默認是不允許 root 登錄的，在登錄窗口只能看到普通用戶和訪客登錄。以普通身份登陸 Ubuntu 后我們需要做一些修改，用于支持 root 用戶登陸。2.安裝交叉編譯器。將 arm-linux-gcc-4.3.2.tgz 文件拷貝到 Ubuntu 的/forlinx 目錄下，該文件可自行上網下載，也可以在OK6410開發(fā)板用戶基礎資料光盤的“實用工具”文件夾中找到。在 Ubuntu 中新建一個終端，輸入下面的命令安裝交叉編譯器： （進入/forlinx 目錄） （創(chuàng)建目錄，若目錄已存，跳過即可） （編譯器解壓到 /usr/local/arm）把交叉編譯器路徑添

29、加到系統(tǒng)環(huán)境變量中， 以后可以直接在終端窗口中輸入arm-linx-gcc 命令來編譯程序。在終端中執(zhí)行:gedit /etc/profile添加以下四行到該文件中：export PATH=/usr/local/arm/4.3.2/bin:$PATHexport TOOLCHAIN=/usr/local/arm/4.3.2export TB_CC_PREFIX=arm-linuxexport PKG_CONFIG_PREFIX=$TOOLCHAIN/arm-none-linux-gnueabi保存，退出。重新啟動系統(tǒng)，在終端里面執(zhí)行 arm-linux-gcc 回車，結果如圖2.1所示：圖 1

30、.1 Ubuntu終端說明交叉編譯器已經成功安裝到了系統(tǒng)里面，可以使用該編譯器來編譯 Uboot 代碼和內核代碼了。1.4 OK6410裸機程序的燒寫1.燒寫裸機程序前，我們需要做好開發(fā)板數(shù)據(jù)線以及電源線的連接。 1)開發(fā)板電源線。 2)USB轉串口線：一端連接電腦USB口，一端連接開發(fā)板。 3)USB device線：一端連接電腦USB口，一端連接開發(fā)板。（dnw下載程序使用，需先安裝dnw驅動。） 2.燒寫原理：用UBOOT命令nand燒寫程序到開發(fā)板。 1)通過SD_Writer.exe將mmc.bin燒寫到SD 卡中，將開發(fā)板設置到SD卡啟動，具體設置如表1.1所示。表 1.1 SD卡

31、啟動撥碼表引腳號Pin8Pin7Pin6Pin5Pin4Pin3Pin2Pin1引腳定義SELNANDOM4OM3OM2OM1GPN15GPN14GPN13SD卡啟動11111000 注：上表中。1表示撥碼需要調到On；0表示撥碼需要調到Off。在撥動開關時，務必把開關撥到底。如果沒有撥到底，會導致燒寫失敗。 SD_Writer.exe的程序界面如圖 1.2所示。圖 1.2 SD_Writer 2) 將SD卡安裝到開發(fā)板中并啟動，快速敲空格鍵讓開發(fā)板停留在uboot的啟動畫面，如圖1.3所示：圖 1.3 uboot3) 輸入dnw 50008000 下載你要燒寫的程序，如圖1.4所示：圖 1.

32、4 dnw下載然后從dnw的usbport->Transmit->Transmit發(fā)送你要生成的led.bin文件。4) 輸入 nand erase 0 100000 擦除nandflash前1Mb空間，如圖1.5所示。圖 1.5 擦除nand flash5) 輸入 nand write.uboot 50008000 0 100000 將內存地址50008000中的1Mb數(shù)據(jù)寫到nandflash的0100000空間中，如圖1.6所示。(即前1Mb中，uboot中輸入的數(shù)據(jù)默認16進制)圖 1.6 燒寫nand flash6) 將開發(fā)板設置到nandflash啟動,如表1.2。并啟

33、動開發(fā)板，你就可以看到程序在開發(fā)板上運行了。（由于OK6410采用的是每頁4KB的nandflash，而CPU默認支持最大2KB每頁的nandflash，種方法可以兼容大的bin文件。）表 1.2 nand flash啟動撥碼表引腳號Pin8Pin7Pin6Pin5Pin4Pin3Pin2Pin1引腳定義SELNANDOM4OM3OM2OM1GPN15GPN14GPN13SD卡啟動10011000注：上表中。1表示撥碼需要調到On；0表示撥碼需要調到Off。 在撥動開關時，務必把開關撥到底。如果沒有撥到底，發(fā)生接觸不良，會導致啟動失敗。2 Delta機器人詳細設計2.1 硬件結構分析2.1.1

34、 Delta機器人機械結構Delta機器人基平臺、搖臂及動平臺由250x250x10mm亞克力透明板切割而來。圖紙如下： 圖2.1基平臺圖紙 圖2.2 動平臺圖紙 圖2.3 搖臂圖紙Delta機器人的關節(jié)用關節(jié)軸承代替球頭鉸鏈。關節(jié)軸承圖紙如圖 2.4。 圖2.4 關節(jié)軸承2.1.2 步進電機介紹步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構，當步進電機接收到一個脈沖信號，它就按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”）它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。步進電機內部的線圈組數(shù)，區(qū)分步進電機的相數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五

35、相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°?？紤]到大小與驅動功率的限制，本次設計選用42BYGH403二相步進電機，其具體參數(shù)如表2.1：表 2.1 步進電機參數(shù)電機型號步距角(°)機身長(mm)電壓(V)電流(A)電阻()電感(mH)靜力矩(kg.cm)轉動慣量(g.cm2)重量(Kg)42BYGH4031.8402.41.651.52.73.5540.25上表數(shù)據(jù)中，因42BYGH403為二相步進電機，固步距角為1.8&

36、#176;，即每一個脈沖電機轉動1.8°。靜力矩也叫保持轉矩，是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。 由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。選擇的步進電機靜力矩為3.5kg.cm。在沒有驅動脈沖輸入時能更好的穩(wěn)定機械臂。二相四線步進電機的接線如圖2.5所示：圖 2.5 接線圖2.1.3 步進電機驅動器本次設計步進電機需要低速運行，自制帶有細分功能的驅動器較為復雜，固選用二相混合式步進電機高細分2A驅動器HST3525。

37、HST3525是采用專利技術研發(fā)的細分型高性能步進電機驅動器,適合驅動任何中小型2.0A相電流以下兩相或四相混合式步進電機。每秒兩萬次的斬波頻率，可以消除驅動器中的斬波噪聲。為滿足在脈沖頻率不高的情況下實現(xiàn)低速高細分、高速時用低細分的需求，上位機先檢測驅動器輸出的整步信號FSTEP，如整步信號有效，則上位機輸出新的細分數(shù)(MS2、MS1、MS0)，待下一個整步出現(xiàn)后，驅動器就以新的細分數(shù)工作。動態(tài)改細分時，細分選擇開關SW4、SW5、SW6必須置于OFF狀態(tài)。上位機初始化后，應在輸出脈沖前，設置細分數(shù)(MS2、MS1、MS0)。如MS2、MS1、MS0為全OFF狀態(tài)，則驅動器不工作，直到MS2

38、、MS1、MS0脫離全OFF狀態(tài)。HST3525驅動器的參數(shù)：供電電壓AC12-36V或DC12-24V驅動電流0.3-2.0A細分精度1-128細分可選 光隔離信號輸入電機噪聲優(yōu)化功能可驅動任何2.0A相電流以下兩相、四相混合式步進電機20KHz斬波頻率驅動器電氣規(guī)格：表 2.2 驅動器電氣規(guī)格表說明單位最小值典型值最大值輸出電流A0.31.22.0控制信號輸入電流mA71016步進脈沖頻率KHz0.1-100輸入電源電壓VDC122436脈沖低電平時間s5-驅動器微步細分設定：表 2.3 驅動器微步細分設定表步數(shù)/轉MicroSW4SW5SW62001ONONON4002OFFONON80

39、04ONOFFON16008OFFOFFON320016ONONOFF640032OFFONOFF1280064ONOFFOFF驅動器工作電流設定：表 2.4 驅動器工作電流設定表輸出峰值電流SW1SW2SW30.3AONONON0.4AOFFONON0.5AONOFFON0.6AOFFOFFON1.0AONONOFF1.2AOFFONOFF1.5AONOFFOFF2.0AOFFOFFOFF驅動器接口信號描述：表2.5 驅動器接口信號表名稱功能PUL脈沖信號：上升沿有效，每當脈沖由低變高時電機走一步DIR方向信號：用于改變電機的轉向，TTL電平驅動VCC光耦驅動電源EN使能信號：禁止或允許驅動

40、器工作，低電平禁止A+電機A相A-電機A相B+電機B相B-電機B相AC1接入AC12-36或DC12-24V之間的任意值AC2接入AC12-36或DC12-24V之間的任意值2.1.4 硬件電路連接2.1.4.1 驅動器與S3C6410接線S3C6410包含了187個多功能輸入/輸出端口管腳，這些管腳被分為（ProtA）GPA-（ProtQ）GPQ17個端口。端口的管腳均可以設置成輸入或輸出本次設計選用端口GPC端口，GPC包括管腳GPC0GPC7選用GPC0GPC5作為控制信號。步進電機選型為兩相四線型42BYGH403 其額定電流為1.65A因此需要驅動器，驅動器HST3525實現(xiàn)其輸入接

41、口為脈沖信號和轉向信號，使能端懸空。用S3C2440驅動三臺42BYGH403步進電機的物理連接圖如圖2.6所示：40 圖 2.6 系統(tǒng)接線其中S3C6410的I/O 輸出高電平為 33V為了能夠驅動HST3525，需用33V轉5V轉換電路，其實現(xiàn)如圖2.7所示當GPC0的輸出是0的時候輸出會被拉成5V左右當GPC0的輸出時33V時由于三極管導通此時輸出被拉低成0，因此在給出GPC的輸出時還要注意將電平進行反轉。 圖 2.7 3.3V轉5V電路圖 3.1.4.2 USER IO接口USER IO口為OK6410開發(fā)板的擴展口。（用到的IO口）GND -GNDSPIMOSIO3 GPC2SPIC

42、S0 -GPC3SPICLK0-GPC1SPIMISCO0-GPC0SPICS1-GPC7SPIMISO1-GPC4SPIMOSI1-GPC6圖 2.8 USER IO SPICLK1-GPC52.1.4.3 UART串口電路本次設計使用UART 接口實現(xiàn)RS-232通信的硬件電路。S3C6410 的UART 接口為 LVTTL 電平，邏輯“1”是高電平 23.3V，邏輯“0”是低電平 00.8V。而 R-S232 接口的電平范圍是-15+15V，采用負邏輯，即邏輯“1”為-3-15V，邏輯“0”為+3+15V。要使二者之間進行正常通信，就必須要通過一個電平轉換電路將 TTL 高電平表示的“1

43、”轉換成 RS-232 的負電壓信號，把 TTL 低電平表示的“0”轉換成 RS-232 的正電壓信號。在本設計中采用常見的電平轉換芯片 MAX202來實現(xiàn)電平轉換，UART0 的電平轉換電路如圖 2.9 所示。TXD0、RXD0分別連接S3C6410的GPA1、GPA0。RTSN0與CTSN0為自動流量控制，本次設計沒有用到自動流量控制，在UNCON0寄存器中禁止自動流量控制。 圖 2.9 UART串口電路3.1.4.4 按鍵電路接有10K的上拉電阻，按下按鍵I/O口為低電平，GPNDAT寄存器數(shù)據(jù)為0。電路如圖 2.10所示。圖 2.10 按鍵電路2.2 三自由度Delta機器人位置分析2

44、.2.1 Delta機器人機構簡介 Delta機器人由靜平臺（上平臺）、動平臺（下平臺）、3根主動桿、3個平行四邊形從動支鏈組成（結構如圖2.11）?；脚_的三邊通過三條相同的運動鏈分別連接到運動平臺的三條邊上。每條運動鏈中有一個由四個球鉸與桿件組成的平行四邊形閉環(huán)，此閉環(huán)再與一個帶轉動關節(jié)的驅動臂相串聯(lián)，驅動臂的一端固定在靜平臺上，在電動機的驅動下作一定角度的反復擺動。這三條運動鏈決定了運動平臺的運動特性。運動平臺不能繞任何軸線旋轉，但可以在直角坐標空間沿x,y,z三個方向平移運動，即具有三個自由度12。分析該機構,容易知道該機構具有局部冗余自由度,即球鉸之間的連桿可以繞自身軸轉動，計算自

45、由度時將四個球鉸中的兩個按虎克鉸考慮，以便消除局部自由度的影響。 圖 2.11 Delta機器人機構圖計算空間機構自由度 Kutzbach-Grubler 公式可知：F=6n-g-1+i-1gfi式中：n為機構桿件數(shù)；g為運動副個數(shù)；i-1gfi為所有運動副自由度之和。得出F=6×17-21-1+3×6+1×15=32.2.2 位置反解分析求解位置反解即給定運動平臺的中心點在基座坐標系中的坐標，求解基座平臺的三個控制電機的旋轉角度，也就是三個驅動臂對基座平臺的張角。運動學逆問題的求解是機器人控制的關鍵，因為只有使各關節(jié)變量按反解中求得的值運動，才能使末端操作器達到

46、所要求的位姿。為了方便求解三自由度平臺的空間位置關系，研究平臺的運動規(guī)律，需要將機構稍加改造?？紤]到運動平臺只有平動而無轉動，相對靜平臺姿態(tài)固定，機構中所有平行四邊形框架始終為平面四邊形，不會扭曲為空間四邊形。在此條件下，平行四邊形左右兩邊的運動與上下兩邊中點的連線的運動完全相同。因此，在運動分析時，可以將機構精簡為圖2.12所示。固定平臺是為以O為中心，動平臺為以O'為中心。三根主動桿為圖中的BiEi，長度均為Lb；從動桿為圖中EiPi,長度均為La。首先，為了計算方便，建立運動模型圖如圖2.12所示。由圖可以看出，在固定平臺上建立坐標系O-X Y Z，動平臺上建立坐標系O'

47、- X' Y' Z'，1，2，3為電機驅動臂對基座平臺的張角。 圖 2.12 結構示意圖設，OBi=R，OPi=r，則點Bi在坐標系O-X Y Z中的位置矢量為： BiO= RcosRsin0其中，= 4i -36 （i=1,2,3）。也可以得到點Pi在坐標系O'- X' Y' Z'中的位置矢量： PiO'= rcosrsin0 其中，= 4i -36 （i=1,2,3）。根據(jù)幾何學關系，則Ei點在坐標系O-X Y Z中的位置矢量為： ei= (R+Lbsini)cos(R+Lbsini)sin- Lbcosi假設矢量OO在坐標系

48、O-X Y Z中C0= x y zT,則矢量OPi在坐標系O-X Y Z可表示為： PiO= rcos+xrsin+yz因此，根據(jù)PiEi= La，可推導出下列公式：R+Lbsini-rcos-x2+(R+Lbsini-r)sin-y2+(-Lbcosi-z)2= La2 (1)為運動學逆解公式。上式整理簡化，得Aiti2+ Biti+ Ci=0 (i=1,2,3). (2)ti= tan(12i) (i=1,2,3);式中Ai，Bi，Ci均為已知量，所以等式(2)即為關于ti的一元二次方程。ti= -Bi±Bi2-4AiCi2Ai i=1,2,3 (3).因此，當給定機器人運動平臺

49、的位置根據(jù)下式直接可求出電機的輸入，即驅動臂的張角。 i=2arctan(ti)式(3)中的Ai，Bi，Ci經一系列的計算后可得到：A1= La2-Lb2-x2-y2-z2-R-r2+(R-r)(3x+y)Lb+2zB1= -22R-r-3x-yC1= La2-Lb2-x2-y2-z2-R-r2+(R-r)(3x+y)Lb-2zA2= La2-Lb2-x2-y2-z2-R-r2-(R-r)(3x+y)Lb+2zB2= -22R-r+3x-yC2= La2-Lb2-x2-y2-z2-R-r2-(R-r)(3x+y)Lb-2zA3= La2-Lb2-x2-y2-z2-R-r2-2y(R-r)2Lb

50、+zB3= -2(R-r+y)C3= La2-Lb2-x2-y2-z2-R-r2-2y(R-r)2Lb+z2.2.3 位置反解數(shù)值算例通過上面的分析得到了Delta三自由度并聯(lián)機器人的位置反解計算公式，下面就以本次設計的Delta機器人的機構參數(shù)進行實例計算。本次設計Delta機器人機構各參數(shù)為：R = 42mm，r = 18mm，La = 243mm，Lb = 120mm，動平臺的位置(x,y,z) = (50,50,100)(mm),經計算得：A1 = 469.596B1 = 177.205C1 = 69.596A2 = 434.954B2 = -169.205C2 = 34.954A3

51、= 211.137B3 = -148C3 = 11.1371=0.15707(rad)2=0.39929(rad)3=0.46162(rad)3 控制系統(tǒng)實現(xiàn)3.1 控制系統(tǒng)控制流程用戶PC串口服務程序機械運動控制程序（中斷內）坐標反解解算函數(shù)(x,y,z)=>(,)步進電機驅動程序（定時中斷內）步進電機驅動步進電機驅動步進電機驅動步進電機1步進電機2步進電機3機械結構反饋S3C6410判斷步進電機運動方向與所需運動步數(shù)圖 3.1 控制系統(tǒng)流程圖工作總流程：用戶輸入坐標命令傳遞給解算函數(shù)，解算函數(shù)(x,y,z）->(,)，經解算函數(shù)反解后將所需運轉步數(shù)傳遞到串口，串口將命令更新保存

52、在機器狀態(tài)中。每2ms機械運動控制程序運行一次，判斷步進電機還需運轉步數(shù)及方向，傳遞給電機驅動，步進電機旋轉相應角度，機械臂移動到對應坐標點。3.2 S3C6410初始化 S3C6410的啟動代碼的作用為硬件的初始化及調用C函數(shù)。硬件初始化流程如圖3.2所示。Start跳轉至reset關閉看門狗設置棧 8K初始化時鐘、DDR、串口代碼重定位將程序從NAND Flash復制到DDR內存清除BSS段中斷初始化打開中斷，進入user modebl main()圖 3.2 S3C6410初始化流程看門狗是S3C6410內的一個定時器，其作用是在CPU啟動后，3s內若無任何對看門狗寄存器的操作將會強制復

53、位系統(tǒng)。所以在硬件初始化是需要往0x7E004000（WTCON）地址寫0，關閉看門狗。S3C6410內有8K的片內內存，上電后從0地址開始運行，但是本次設計的代碼大于8K，程序無法完整復制至片內內存，需要將程序從NAND flash中復制到DDR內運行。上電后從NAND flash復制8K程序到片內內存，在這8K程序中，必須完成硬件初始化、DDR初始化和程序從NAND flash中拷貝到DDR中，這樣才能保證S3C6410 CPU程序可以跳轉到DDR，保證程序的順利進行，具體流程如圖3.3所示。DDR內存初始化程序的重定位程序復制至DDR內存清除BSS段圖 3.3 程序復制至DDRDDR內存

54、的初始化在8K片內內存進行，還未進行重定位，只能用位置無關命令進行初始化。初始化包括使能時鐘、預充電、自刷新，初始化完成后才能進入讀寫數(shù)據(jù)狀態(tài)。程序重定位是把代碼段、數(shù)據(jù)段復制到鏈接地址去，實現(xiàn)如下：adr r0, _start /* 獲得_start指令當前所在的地址 : 0*/ldr r1, =_start /* _start的鏈接地址 0x51000000 */ldr r2, =bss_start /* bss段的起始鏈接地址 */sub r2, r2, r1程序從NAND flash復制到DDR內存用copy2ddr函數(shù)實現(xiàn)，在進行復制之前需要調用nand_init()函數(shù)對NAND flash進行初始化。在Li