三角机器人控制系统设计及仿真.docx

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1、三角机器人控制系统设计及仿真摘要三角机器人是在许多行业中扮演着十分重要的角色。通常，三角机器人主要结构为机构本体和控制系统。控制系统主要由主控制部分、运动控制部分、驱动部分、通信部分、电源部分以及辅助单元组成。本文将介绍三角机器人不同的控制方法以及三角机器人如何在单片机的控制下，通过控制电机的转动，从而控制三角机器人进行送料、贴标等类似的工作。本文设计的三角机器人的控制系统操作简单，成本低，且可以根据实际需求修改程序从而适应不同的生产要求。关键词：三角机器人；控制系统；电路图；仿真DesignandsimulationofcontrolsystemofDeltarobotAbstractDel

2、tarobotisanimportantpartofmanyindustries.Ithasbeenprovedthatdeltarobotiscomposedofthemechanismandcontrolsystemwhichconsistsofthemaincontrolmodule,themotioncontrolmodule,thedrivingmodule,thecommunicationmodule,thepowermoduleandtheauxiliaryunit.ThisessaywillintroducethedifferentcontrolmethodsofDeltaro

3、botandHowtocontroltherotationofthemotorcontrolledbythechipmicrocomputer,ensuringsimpletaskssuchaspay-offandmarkingarecompletedbyrobots.Thecontrolsystemofthetrianglerobotdesignedinthispaperissimpletooperate,budget,andcanbemodifiedaccordingtotheactualneedstoadapttodifferentproductionrequirements.Keywo

4、rds:Deltarobot;controlsystem;circuitdiagram;simulation目录i、三角机器人控制系统设计概述I1.1、 三角机器人发展与现状11.2、 本设计的设计目的、意义及技术要求31.3、 本设计应解决的主要问题32、三角机器人控制系统设计32.1、 三角机器人控制系统方案的确定42.2、 本设计控制系统的控制原理52.3、 三角机器人控制系统主要元件的选择62.3.1、 主控制芯片的选择62.3.2、 电源芯片的选择62.3.3、 驱动电机的选择72.4、 三角机器人主控电路板设计82.5、 三角机器人电源管理系统电路设计92.6、 三角机器人驱动系统

5、设计102.7、 电路图编译测试113、电机与电路板安装113.1、 三角机器人结构尺寸Il3.2、 电路板的安装123.3、 电机的安装124、三角机器人运动学分析134.1、 ,三角机器人运动学描述134.2、 空间位置描述144.3、 姿态描述144.4、 位姿描述154.5、 坐标系变换154.6、 三角机器人结构分析164.7、 位置求解16471、建立坐标系164.7.2、 位置逆解与位置正解175、控制程序的编写与仿真结果235.1、 控制程序的原理235.2、 控制程序245.3、 仿真结果26总结27参考文献28谢辞29附件一程序仿真视频附件二291、三角机器人控制系统设计概

6、述.三角机器人发展与现状Clavel博士在洛桑联邦理工大学就职时，发明了一种并联机械结构，它是三自由度的运动机构。因为它的上下两个平台都是等边三角形，所以它被称为Delta机械手（图I-Do从20世纪末开始，很多人对这种并联机械结构进行改造升级。Clavel博士对运动副做出改进，提高了其灵活性；Tsai简化了其较链结构；Pierrot等人将CIaVeI博士发明的机械结构改良为6个支链的机械手，这种机械手可以高速运动。这一类由三角机构改进、根据三角机构研发出来的机械结构且具有类似的结构与相似的运动方式的机器人称为Delta机器人（Delta-likemanipulator,DLM）,也就是三角机

7、器人。图1-1Clavel博士发明的Delta机械手现在，Delta并联机器人主要应用于现实产业中的结构有三种：二自由度Delta并联机器人、三自由度Delta并联机器人与多自由度Delta并联机器人。其中三自由度Delta并联机器人又分为三轴驱动形式与四轴驱动形式。本次设计的三角机器人就是属于三自由度Delta并联机器人（图1-2）。三角机器人是一种高速轻载的并联机器人，可以通过视觉系统与预先的编程捕捉目标，使用三个并联的电机来精确定位所需抓取物体的空间位置，然后完成它所需要完成的工作。三角机器人具有以下特点：1、运动速度与响应速度快，动力性能好；2、体积小，重量轻，成本低；3、刚度大，负载

8、能力强，结构稳定；运动速度与响应速度快，动力性能好；4、运动耦合弱，力的控制容易以及实时控制性能好；5、定位精确，反复定位精度高。21世纪以来，全世界许多行业都对三角机器人十分重视而且三角机器人向着高速、高精度、灵活性等方向发展。图1-2三角机器人早期的机器人的控制系统结构庞大，操作复杂且定位精度以及速度比较差，可靠性低，只能根据控制指令执行简单的动作。随着时代的变迁与科技的发展，计算机技术、伺服系统技术、自动控制系统技术也发展的十分迅速，机器人控制系统的性能也跟着这些技术的发展逐渐变得完善。目前，三角机器人的控制系统发展的比较完善。控制系统已经集成为一个高性能的控制器，有着独立计算与储存的能

9、力，还有其他许多新的功能如示教等，提高了机器人的可操作性与系统的稳定性。在国外，由于研究开发的时间早，机器人的控制系统的研究比国内的先进许多。很多老牌机器人公司都有属于自己公司本身的专用控制器。瑞士ABB机器人公司的IRC5C紧凑型控制器、德国KUKA机器人公司的KRC4控制器、日本FANUC机器人公司的R-30iBMate标准型控制器与日本YASKAWA公司的DX200控制器等。在通用控制器上，国外的实力也非常强。如美国的DELTATauDataSySteIn公司研发的PMAC运动控制器（图1-3）是当今世界上功能性最强、灵活性最大的运动控制器，在很多场合都有应用。图1-3PMAC运动控制器

10、在国内，近年来国内运动控制技术有了比较快的发展，一些公司也研发出新型的运动控制器如沈阳新松的Siasun-GRC系列、迈科讯的mtc系列等等。经过比较长时间的发展与不断的创新，国内与国外关于三角机器人的控制器在硬件方面的差距已经大幅度缩小，基本没什么差别，但在控制算法以及易用性等方面，还是有着一定的差距。目前，在三角机器人的模型结构日渐成熟的条件下，我国的研究重心逐渐放在的控制系统的软件开发与改进上，并且也有了一定的成果。1.2、 本设计的设计目的、意义及技术要求本设计的目的是设计出一款三角机器人的控制系统，能根据烧录的程序，控制三角机器人进行工作，完成送料或者贴标等工作。本设计的控制系统相对

11、于市面上的控制系统而言相对简单，但对本人而言是一个十分大的挑战。而且本设计可以实现送料或贴标等工作；提高生产水平与生产效率，减轻人们的劳动强度且可以使工厂的成本降低。三角机器人控制系统的技术要求是在系统稳定可靠、工作效率高、通用性强以及操作简单。且能时时关注运行状态，保证机器的运行安全。1.3、 本设计应解决的主要问题本次设计的控制系统的功能是能使机械结构根据烧录进芯片的程序运行，进行物体的送料和贴标。(1)三角机器人控制系统的设计方案的拟定。预先拟定设计方案，根据方案的可行性决定最终方案。(2)三角机器人控制系统材料以及元件的选择，根据稳定、功能以及性价比选择出合适的材料与设备。(3)完成芯

12、片以及元件的选择，使用AltiUmDesigner19来画电路图，然后编译测试电路的可行性。(4)电路板与电机的安装。(5)进行三角机器人的运动学分析。(6)使用KeilC4进行程序的编写以及将图复制到ProteUS上并仿真测试程序的可行性。2、三角机器人控制系统设计2.1、 三角机器人控制系统方案的确定目前，市场上所使用的一般分为以下四种：(1)控制方式选择PLC控制(图2-1)PLC控制是在传统的顺序控制器的基础上加上许多新的技术组成的控制装置。R的是用来代替继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建设柔性的远程控制系统。相对来说设计比较困难且成本大。上S机P图2-1 PLC控制结构

13、33(2)控制方式选择单片机控制(图2-2)单片机控制是基于单片机的芯片，再加上一些外部电路和其他电子元件最后集成PCB板组合在一起的控制器。一般在简单的工业控制中应用，编程用的是C语言，跟其他控制方式来比比较简单与实惠。图2-2单片机控制结构(3)控制方式选择运动控制器控制(图2-3)运动控制器是基于PC总线，与PC主机构成主从式控制结构。运动控制器一般有自己的软件开发编程工具包，自带系统平台与编程工具，虽然可靠性高但编程难度大。图2-3运动控制器控制结构(4)控制方式选择运动控制卡控制(图2-4):运动控制卡是基于PC总线，利用高性能微处理器和大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制

14、。运动控制卡包含许多功能。运动控制卡有电机控制所需的各种速度、位置控制功能。而且运动控制卡让使用者按照自己本身的软件进行开发编程。图2-4运动控制卡控制结构考虑到难度以及个人能力的限制，PLC控制与运动控制器控制的难度较大，编程较难，且费用较高以及后期研发不方便；运动控制卡控制虽然比较简单，但对比单片机控制来说还是较为复杂。单片机的价格经济且集成度高，控制性能好低功耗且便于生产。综合所有因素，单片机控制更加符合我目前的能力，所以最终选定为单片机控制。控制结构如图2-2所示。2.2、 本设计控制系统的控制原理三角机器人的控制系统主要为自动控制，开启电源后，经过一小段时间的延迟，三角机器人会根据提

15、前烧录好的程序，驱动电机，从而使三角机器人开始运动，进行送料或贴标等工作。本设计的控制系统工作的流程图如图2-5所示。图2-5流程图2.3、 三角机器人控制系统主要元件的选择三角机器人控制系统所需要的主要元件：（1）主控制芯片（2）电源芯片（3）驱动电机。2.3.1、 主控制芯片的选择主控电路芯片的选择要考虑其处理速度、模块资源、数据储存空间于程序储存空间的大小、芯片的管脚功能、功耗、成本以及个人能力等，综合所有原因，本次设计的控制系统的主控制芯片选用的是STC89C51单片机。这款单片机是一款基于8位单片机处理芯片，采用8051核。这款单片机是新一代单片机，也是一款常用的51单片机。图2-6STC89C51芯片2.3.2、 电源芯片的选择三角机器人控制系统的设计的主控制板电源模块的电源芯片选用的是美国MPS公司的一款单片同步降压稳压器MP2307芯片（图2-7）。它的电流模式控制可以提供快速瞬态响应和逐周期电流限制。芯片输出电流大，且性价比高，后期PCB板的焊接也十分方便，符合本设计。该芯片各个引脚功能如表2T所示。ZSg*ENSW-dSS9FB图2-7MP2307芯片引脚图1