?需要機(jī)械臂相關(guān)資源的同學(xué)可以在評(píng)論區(qū)中留言哦指南目錄機(jī)械臂速成小指南零點(diǎn)五機(jī)械臂相關(guān)資源機(jī)械臂速成小指南零指南主要內(nèi)容及分析方法機(jī)械臂速成小指南一機(jī)械臂發(fā)展概況機(jī)械臂速成小指南二機(jī)械臂的應(yīng)用機(jī)械臂速成小指南三機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)械臂速成小指南四機(jī)械臂關(guān)鍵部件之減速機(jī)機(jī)械臂速成小指南五末端執(zhí)行器機(jī)械臂速成小指南六步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器機(jī)械臂速成小指南七機(jī)械臂位姿的描述方法機(jī)械臂速成小指南八運(yùn)動(dòng)學(xué)建模標(biāo)準(zhǔn)DH法機(jī)械臂速成小指南九正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析機(jī)械臂速成小指南十可達(dá)工作空間機(jī)械臂速成小指南十一坐標(biāo)系的標(biāo)準(zhǔn)命名機(jī)械臂速成小指南十二逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析機(jī)械臂速成小指南十三軌跡規(guī)劃概述機(jī)械臂速成小指南十四多項(xiàng)式插值軌跡規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂速成小指南十五線性規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂速成小指南十六帶拋物線過渡的線性規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂速成小指南十七直線規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂速成小指南十八圓弧規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂速成小指南十九機(jī)械臂的電路板抓取實(shí)驗(yàn)機(jī)械臂速成小指南二十機(jī)械臂的位姿重復(fù)性實(shí)驗(yàn)機(jī)械臂速成小指南二十一幾何雅可比矩陣機(jī)械臂速成小指南二十二機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)值解方法機(jī)械臂速成小指南二十三Paul方法求解機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解含matlab代碼以下為正文一、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器概述1.步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)軸角位移的特殊電機(jī)當(dāng)驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖信號(hào)它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度。在機(jī)械臂控制過程中我們通過調(diào)節(jié)脈沖個(gè)數(shù)來控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度并與行星減速器相配合驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)同時(shí)我們也可以通過調(diào)節(jié)脈沖頻率來控制關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的速度與加速度從而完成對(duì)末端執(zhí)行器與各關(guān)節(jié)的軌跡規(guī)劃。根據(jù)轉(zhuǎn)子與定子的不同類型可將步進(jìn)電機(jī)分為永磁式、反應(yīng)式與混合式如下圖所示。永磁式反應(yīng)式混合式永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由永磁體制成定子由軟磁材料制成二者周邊均沒有齒槽。定子線圈通電并產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互排斥的固定磁場(chǎng)永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是成本低、轉(zhuǎn)矩大在斷電時(shí)有定位轉(zhuǎn)矩缺點(diǎn)是步距角大、定位精度低、啟動(dòng)頻率較低以及運(yùn)行頻率低。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)也叫磁阻式步進(jìn)電機(jī)其中又分為單段式步進(jìn)電機(jī)與多段式步進(jìn)電機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子均由軟磁材料制成二者周邊均勻分布有齒槽當(dāng)定子繞組激磁通電齒槽間氣隙磁場(chǎng)發(fā)生變化進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)定子旋轉(zhuǎn)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速高且響應(yīng)速度快缺點(diǎn)是單步驅(qū)動(dòng)時(shí)振幅大、振蕩時(shí)間長(zhǎng)且斷電后無定位轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)將永磁式步進(jìn)電機(jī)與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合即輸出轉(zhuǎn)矩大、精度高、運(yùn)行穩(wěn)定且斷電后仍有定位轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的定子由軟磁材料制成轉(zhuǎn)子為兩端套有軟磁材料的圓柱永磁鐵且周邊同樣帶有齒槽?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的爆炸圖如下圖所示。2.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。而在沒有脈沖輸入時(shí)在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置即處于定位狀態(tài)。選擇合適的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以提高步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性與精度。我所選用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)型號(hào)為DM542與OK2D4020A其中OK2D4020A驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)4號(hào)電機(jī)其余5個(gè)電機(jī)均由DM542驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。DM542OK2D4020A以DM542為例該驅(qū)動(dòng)采用32位DSP數(shù)字信號(hào)處理Digital Signal Processing簡(jiǎn)稱DSP技術(shù)采用內(nèi)置微細(xì)分技術(shù)即使在低細(xì)分的條件下也能夠達(dá)到高細(xì)分的效果低中高速 運(yùn)行都很平穩(wěn)噪音小。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部集成了參數(shù)自動(dòng)整定功能能夠針對(duì)不同電機(jī)自動(dòng)生成最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)且具有過壓、欠壓、短路保護(hù)等保護(hù)功能。3.電氣指標(biāo)及環(huán)境參數(shù)步進(jìn)電機(jī)常用的電氣指標(biāo)有輸出電流峰值、輸入電源電壓、控制信號(hào)輸入電流、步進(jìn)脈沖頻率及絕緣電阻等以DM542為例其電氣指標(biāo)如下圖所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的環(huán)境參數(shù)通常包括溫濕度、振動(dòng)及粉塵等以DM542為例其環(huán)境參數(shù)如下圖所示。二、細(xì)分驅(qū)動(dòng)工作原理細(xì)分驅(qū)動(dòng)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)其主要目的是提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的高精度細(xì)分。細(xì)分驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)有因減少每一步所走過的步距角提高步距均勻度進(jìn)而提高控制精度減少電機(jī)振動(dòng)低頻振蕩是步進(jìn)電機(jī)的固有特性用細(xì)分是消除它的最好方法減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)提高輸出轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可將控制電路發(fā)出的脈沖信號(hào)進(jìn)一步細(xì)分大幅提高驅(qū)動(dòng)精度該功能稱為“細(xì)分”。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部主要由環(huán)形分配單元及功率驅(qū)動(dòng)單元兩部分組成其驅(qū)動(dòng)原理如下圖所示。1.環(huán)形分配單元又稱環(huán)分器或脈沖分配單元主要功能是把來源于控制環(huán)節(jié)下位機(jī)的時(shí)鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的各相輸入端。環(huán)形分配器的輸出既是周期性的又是可逆的。環(huán)形分配單元既可以通過硬件實(shí)現(xiàn)也可以通過軟件實(shí)現(xiàn)。硬件環(huán)形分配的基本結(jié)構(gòu)為觸發(fā)器其個(gè)數(shù)與步進(jìn)電機(jī)相數(shù)相同而軟件環(huán)形分配是通過編程的方式生成控制表。以兩相四拍驅(qū)動(dòng)兩相步進(jìn)電機(jī)為例設(shè)單序列脈沖為?x當(dāng)其輸入環(huán)形分配單元后?x可被分頻為?A與?B兩路輸出脈沖二者分別對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的A相繞組與B相繞組。當(dāng)輸出端輸出?A步進(jìn)電機(jī)A相繞組通電當(dāng)輸出端輸出?B則步進(jìn)電機(jī)B相繞組通電圖2.7即為兩相四拍驅(qū)動(dòng)方式下?x、?A與?B的波形圖。以DM542為例采用八位撥碼開關(guān)設(shè)定細(xì)分精度、動(dòng)態(tài)電流、靜止半流以及實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)和內(nèi)部調(diào)節(jié)參數(shù)的自整定。撥碼開關(guān)的詳細(xì)描述如下圖所示。撥碼開關(guān)各位意義撥碼開關(guān)實(shí)物圖其細(xì)分設(shè)定表如下所示。2.功率驅(qū)動(dòng)單元當(dāng)?shù)玫竭m當(dāng)?shù)拿}沖波形后需對(duì)其進(jìn)行放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)常用的有功率MOS管組成的H橋電路。三、下位機(jī)、驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的連接方式1.控制信號(hào)接口PUL為脈沖控制信號(hào)脈沖上升沿有效;PUL-高電平時(shí)4~5V低電平時(shí)0~0.5V。為了可靠響應(yīng)脈沖信號(hào)脈沖寬度應(yīng)大于12μs。如采用12V或24V時(shí)需串電阻。DIR為高/低電平信號(hào)為保證電機(jī)可靠換向方向信號(hào)應(yīng)先于脈沖信號(hào)至少5us建立。電機(jī)的初始運(yùn)行方向與電機(jī)的接線有關(guān)互換任一相繞組(如 A、A-交換)可以改變電機(jī)初始運(yùn)行的方向DIR-高電平時(shí)4~5V低電平時(shí)0~0.5V。ENA為使能信號(hào)用于使能或禁止。ENA 接5VENA-接低電平或內(nèi)部光耦導(dǎo)通時(shí)驅(qū)動(dòng)器將切斷電機(jī)各相的電流使電機(jī)處于自由狀態(tài)此時(shí)步進(jìn)脈沖不被響應(yīng)。當(dāng)不需用此功能時(shí)使能信號(hào)端懸空即可。2.強(qiáng)電接口GND為直流電源地V為直流電源正極A、B分別為A、B相的線圈。四、步進(jìn)電機(jī)選配方法選擇電機(jī)時(shí)主要由電機(jī)的扭矩和額定電流決定。扭矩大小主要由電機(jī)尺寸決定。尺寸大的電機(jī)扭矩較大而電流大小主要與電感有關(guān)小電感電機(jī)高速性能好但電流較大。1.電機(jī)選配1負(fù)載轉(zhuǎn)矩其中J負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量ε負(fù)載的最大角加速度 C安全系數(shù)推薦值 1.2-1.4T_負(fù)載最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括有效負(fù)載、摩擦力、傳動(dòng)效率等阻力轉(zhuǎn)矩。2轉(zhuǎn)矩影響因素對(duì)于給定的步進(jìn)電機(jī)與線圈接法輸出轉(zhuǎn)矩有以下特點(diǎn)電機(jī)實(shí)際電流越大輸出轉(zhuǎn)矩越大但電機(jī)銅損PI^2R越多電機(jī)發(fā)熱偏多驅(qū)動(dòng)器供電電壓越高電機(jī)高速扭矩越大由步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性圖可知高速比中低速扭矩小。力矩—轉(zhuǎn)速特性圖如下所示2.電機(jī)接線方法對(duì)于 6、8 線步進(jìn)電機(jī)不同線圈的接法電機(jī)性能有相當(dāng)大的差別如下圖所述3. 供電電壓與輸出電流的選定1供電電壓的選擇一般來說供電電壓越高電機(jī)高速時(shí)力矩越大。越能避免高速時(shí)掉步。但另一方面電壓太高會(huì)導(dǎo)致過壓保護(hù)電機(jī)發(fā)熱較多甚至可能損壞驅(qū)動(dòng)器。在高電壓下工作時(shí)電機(jī)低速運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)會(huì)大一些。2輸出電流的設(shè)定對(duì)于同一電機(jī)電流設(shè)定值越大時(shí)電機(jī)輸出力矩越大但電流大時(shí)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱也比較嚴(yán)重。具體發(fā)熱量的大小不僅與電流設(shè)定值有關(guān)也與運(yùn)動(dòng)類型及停留時(shí)間有關(guān)。以下的設(shè)定方式采用步進(jìn)電機(jī)額定電流值作為參考但實(shí)際應(yīng)用中的最佳值應(yīng)在此基礎(chǔ)上調(diào)整。原則上如溫度很低40℃則可視需要適當(dāng)加大電流設(shè)定值以增加電機(jī)輸出功率力矩和高速響應(yīng)。四線電機(jī)輸出電流設(shè)成等于或略小于電機(jī)額定電流值六線電機(jī)高力矩模式輸出電流設(shè)成電機(jī)單極性接法額定電流的 50%六線電機(jī)高速模式輸出電流設(shè)成電機(jī)單極性接法額定電流的 100%八線電機(jī)串聯(lián)接法輸出電流可設(shè)成電機(jī)單極性接法額定電流的 70%八線電機(jī)并聯(lián)接法輸出電流可設(shè)成電機(jī)單極性接法額定電流的 140%。五、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的編程實(shí)現(xiàn)對(duì)同一個(gè)步進(jìn)電機(jī)而言末端執(zhí)行器由初始位姿變換至不同的目標(biāo)位姿時(shí)其旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)速度及旋轉(zhuǎn)角度通常不同。并且在變換的過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速也不是恒定的變換初期電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)變換中期電機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)變換末期電機(jī)減速旋轉(zhuǎn)。為確保關(guān)節(jié)正確旋轉(zhuǎn)以及末端執(zhí)行器能以穩(wěn)定的軌跡到達(dá)期望位姿必須對(duì)驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確的控制。本文選擇以AT mega 2560為核心的Arduino下位機(jī)和兩種型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制相關(guān)代碼燒錄于下位機(jī)中下表列出了控制1號(hào)電機(jī)的Arduino程序中所用到的主要變量名稱及含義。1號(hào)電機(jī)控制程序中主要變量名稱及含義序號(hào)名稱含義1ACCStep加速運(yùn)動(dòng)步數(shù)2DCCStep減速運(yùn)動(dòng)步數(shù)3J1step1號(hào)電機(jī)旋轉(zhuǎn)步數(shù)4AdjSpeed機(jī)械臂速度參數(shù)5J1caldir1號(hào)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向6J1rotdir1號(hào)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向標(biāo)識(shí)7J1stepPin1號(hào)電機(jī)脈沖控制引腳8J1dirPin1號(hào)電機(jī)方向控制引腳以關(guān)節(jié)1的控制為例關(guān)節(jié)1的旋轉(zhuǎn)方向由1號(hào)電機(jī)方向控制引腳J1dirPin控制當(dāng)引腳為高電平時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)低電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)。方向控制引腳J1dirPin 的電平由J1caldir與J1rotdir共同決定。其中J1rotdir由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的型號(hào)決定J1caldir由上位機(jī)的運(yùn)算結(jié)果決定。關(guān)節(jié)1的旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)是通過延時(shí)函數(shù)delayMicroseconds()以及機(jī)械臂速度參數(shù)AdjSpeed實(shí)現(xiàn)的參數(shù)增大延時(shí)時(shí)間增長(zhǎng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度降低參數(shù)減小延時(shí)時(shí)間減少關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度增加。關(guān)節(jié)1的旋轉(zhuǎn)角度由加速運(yùn)動(dòng)步數(shù)ACCStep、減速運(yùn)動(dòng)步數(shù)DCCStep及1號(hào)電機(jī)旋轉(zhuǎn)步數(shù)J1step確定。