并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目錄設(shè)計(jì)總說(shuō)明1Generaldescriptionofthedesign41緒論71.1并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)71.2并聯(lián)機(jī)器人的歷史及應(yīng)用82并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)93相關(guān)硬件電路的設(shè)計(jì)123. 1設(shè)計(jì)總電路圖123.2硬件的選擇123.2.1單片機(jī)C51123.2.2步進(jìn)電機(jī)173.2.3位移傳感器193. 3本章小結(jié)214運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的分析一一并聯(lián)機(jī)器人的反解224. 1本章小結(jié)255并聯(lián)機(jī)器人的正解245. 1本章小結(jié)306總結(jié)與展望31參考文獻(xiàn)33附錄34致謝38I華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總說(shuō)明隨著科技，工業(yè)及先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，并聯(lián)機(jī)器人已經(jīng)從簡(jiǎn)單的上料下料裝置發(fā)展成數(shù)字

2、化制造中的重要單元，無(wú)論實(shí)在軍事領(lǐng)域中還是生物醫(yī)學(xué)中他都至關(guān)重要。并聯(lián)機(jī)器人作為一種新型的機(jī)器人形式得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，與串聯(lián)機(jī)器人相比該型機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差小等特點(diǎn)，與串聯(lián)機(jī)器人形成了良好的互補(bǔ)關(guān)系?？捎糜诹杂啥葦?shù)控加工中心、航天器對(duì)接機(jī)構(gòu)、汽車裝配線、運(yùn)動(dòng)模擬器、巖土挖掘、光學(xué)調(diào)整、醫(yī)療機(jī)械等領(lǐng)域。并聯(lián)機(jī)器人和傳統(tǒng)工業(yè)用串聯(lián)機(jī)器人是有不同的，并聯(lián)機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：（1）精準(zhǔn)度較高，沒(méi)有累計(jì)的誤差；（2）驅(qū)動(dòng)裝置接近定平臺(tái)或可放置在平臺(tái)上，運(yùn)動(dòng)的部分重量比較輕，欲動(dòng)速度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好；（3）結(jié)構(gòu)緊湊，剛度強(qiáng)，承載能力大；（4）完全對(duì)稱，各向同性好；（5）工作

3、空間較小，便捷；根據(jù)上述這些特點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)器人可以在需要高剛度、高精度或者是大載荷而且不需要很大工作空間的領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。并聯(lián)機(jī)器人在我們的生活中并不多見(jiàn)，其最基本的結(jié)構(gòu)可以定義為含兩個(gè)及兩個(gè)以上的獨(dú)立鏈所構(gòu)建的上下兩平面的結(jié)構(gòu)，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)在并聯(lián)機(jī)器人大多被用于軍事領(lǐng)域中的水下潛艇、以及新型坦克駕駛運(yùn)動(dòng)模擬器，下一代空軍坐戰(zhàn)斗機(jī)的矢量噴管及立體空間飛行器的對(duì)接裝置、空間姿態(tài)控制器等；在醫(yī)學(xué)生物工程中的細(xì)胞操作機(jī)器人、可完美實(shí)現(xiàn)活性細(xì)胞的注射和分割；醫(yī)學(xué)中的微外科手術(shù)機(jī)器人；在譬如航天學(xué)里的大型射電天文望遠(yuǎn)鏡的姿態(tài)調(diào)整裝置；混聯(lián)裝備等。在工業(yè)中并聯(lián)機(jī)器人不同于傳統(tǒng)的

4、串聯(lián)機(jī)器人，相對(duì)于傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)器人，并聯(lián)機(jī)器人在需要高剛度、高精度或者大載荷而無(wú)須很大工作空間的領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。本次的設(shè)計(jì)開(kāi)始事多并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)和并聯(lián)機(jī)器人的歷史及應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，對(duì)并聯(lián)機(jī)器人有個(gè)大致的了解和認(rèn)識(shí)。并聯(lián)機(jī)器人并非是想想中的機(jī)器人它是一個(gè)能夠運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)，論文接下來(lái)會(huì)介紹并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，更近一步了解機(jī)器人對(duì)后文的研究和探索打好基礎(chǔ)，接下來(lái)就是根據(jù)要求和任務(wù)對(duì)并聯(lián)機(jī)器人硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，解決并聯(lián)機(jī)器人的反解及優(yōu)化并聯(lián)機(jī)器人的正解，對(duì)于本次設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，對(duì)于并聯(lián)機(jī)器人的正反解問(wèn)題的求解，我認(rèn)識(shí)到，對(duì)一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，需要各個(gè)部分的密切協(xié)調(diào)運(yùn)作，只有每一個(gè)零部件都運(yùn)行，都在運(yùn)

5、作，系統(tǒng)才能做到預(yù)期的控制目的。盡管并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，但無(wú)論哪種并聯(lián)機(jī)器人，我們當(dāng)看到這一問(wèn)題的時(shí)候，首先需要做的都是運(yùn)用結(jié)構(gòu)學(xué)以及空間數(shù)學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，只有經(jīng)問(wèn)題簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)模擬化我們才能來(lái)更高效的解決這類問(wèn)題。設(shè)計(jì)里所用到的單片機(jī)也是我們?nèi)粘Ｋ鶎W(xué)的MCS-51系列，這是最好的一次將理論與實(shí)際結(jié)合起來(lái)的機(jī)會(huì)。同時(shí)有關(guān)設(shè)計(jì)中的步進(jìn)電機(jī)雖說(shuō)我們?cè)谡n程的學(xué)習(xí)中沒(méi)有過(guò)多的研究，但是通過(guò)查閱資料，基本上已經(jīng)學(xué)會(huì)了對(duì)其的使用。最終通過(guò)程序的編寫，以及調(diào)試達(dá)到了對(duì)并聯(lián)機(jī)器人位置求解的仿真。本次設(shè)計(jì)釆用了差分進(jìn)化算法研究的并聯(lián)機(jī)器人的正解問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)對(duì)6自由度SPS型并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行MATLAB

6、仿真，從而驗(yàn)證了這種方法具有可行性。1）這次設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)器人，本著其位姿反解問(wèn)題相對(duì)容易求取的特點(diǎn)，將求解其正解問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)思維的假設(shè)，在己知其空間6自由度參數(shù)，將得其所給定的桿長(zhǎng)與前邊假定好了的6自由度參數(shù)求得的桿長(zhǎng)之差做成數(shù)學(xué)函數(shù)，求函數(shù)的最小值（解決優(yōu)化問(wèn)題）。2）與遺傳算法相比，差分進(jìn)化的算法的優(yōu)點(diǎn)是使用少量的迭代次數(shù)卻可以得到更高精度位置正解的答案。3）本此設(shè)計(jì)中解決問(wèn)題所用的數(shù)學(xué)方法，不僅對(duì)6自由度的并聯(lián)機(jī)器人適用，而且應(yīng)該是對(duì)任何自由度下的并聯(lián)機(jī)器人都適用。并聯(lián)機(jī)器人以最簡(jiǎn)單的理解為兩個(gè)平臺(tái)，一個(gè)動(dòng)平臺(tái)和一個(gè)定平臺(tái)，兩個(gè)平臺(tái)之間通過(guò)不同的桿相連，通過(guò)驅(qū)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)，來(lái)帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)在空間

7、里的位置發(fā)生改變。并聯(lián)機(jī)器人按照其自由度的不同，可以分為多自由度并聯(lián)機(jī)器人跟少自由度并聯(lián)機(jī)器人，每個(gè)自由度都由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)通過(guò)研究并聯(lián)機(jī)器人的物理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用差分進(jìn)化解決并聯(lián)機(jī)器人的正解問(wèn)題。實(shí)際求解并聯(lián)機(jī)器人的正解比較困難，所以可以利用并聯(lián)機(jī)器人位姿反解相比容易求取的特點(diǎn)，我們運(yùn)用思維轉(zhuǎn)換模式把并聯(lián)機(jī)器人的位姿正解問(wèn)題巧妙轉(zhuǎn)化成假設(shè)己知位姿正解，再去運(yùn)用數(shù)學(xué)方法通過(guò)位姿反解求得桿長(zhǎng)值，最終再使所求得的桿長(zhǎng)值與給定的桿長(zhǎng)值之差為最小的優(yōu)化問(wèn)題，然后利用差分進(jìn)化的全局尋優(yōu)能力來(lái)直接求解并聯(lián)機(jī)器人的位姿正解然后利用MATLAB將運(yùn)動(dòng)軌跡離散化進(jìn)行位置反解，處理機(jī)器人相應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)

8、送至單片機(jī)執(zhí)行，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成機(jī)器人控制。關(guān)鍵i司:并聯(lián)機(jī)器人；位置反解；位置正解第11頁(yè)共40頁(yè)P(yáng)arallelrobotcontrolsystemtotalcontrolsystemdesignGeneraldescriptionofthedesignAlongwiththescienceandtechnology、mdustiyandthedevelopmentofadvancedmanufactuimgmdustiy,parallelrobothasthematenalfiomthesmipledevicedevelopedintoanmipoitantumtmdigitalmanu

9、factuiing,regardlessofismthefieldofnulitaiyorheiscmcialinbiologicalmedicme.Parallelrobotasanewkindofrobothasbeenmoreandmoreusedinform,comparedwiththeseiiesrobottherobothasasimplestnictme,largestiffiiess,strongcanymgcapacity,lowenoi;etc,formedthegoodcomplementaiyrelationshipwithserialrobot.Sixdegrees

10、offieedomcanbeusedfornumericalcontrolmachiningcentei;thespacecraftdockingmechanism,autoassemblylines,motionsunulatoi;rockandearthexcavation,opticaladjustment,medicalmachinery,andotherfieldsPaiallelrobotsenesandtraditionalindustrialrobotisdifferent,parallelrobotliasthefollowingfeatures:(1) lughprecis

11、ion,nocumulativeenor;(2) dnvingdevicescanbeplacedclosetotheplatformorontheplatform,andsomeoftheweightofthemovementtobeliglitei;highmovingspeed,betterdynamicresponse;(3) compactstmctuie,strongligidity,thebearingcapacity;(4) completelysynunetiicalandisotiopicgood;(5) theworkingspaceissmall,convenient;

12、Accoidingtothesecharacteiistics,parallelrobotcanbeinneedofhighligidity,lughprecisionorlargeloadwithoutgreatworkhasbeenwidelyusedinthefieldmspacePaiallelrobotdoesnotseemoreinouilife,themostbasicstmctuiecanbedefinedastwoandtwooimoreindependentchamconstiuctedtwoflatstmctuie,anddriveaclosed-loopmechanis

13、mmparallelmamieLNowmostofparallelrobotisusedmthemilitaiyinthefieldofundenvatersubmarmes,aswellasnewtankdrivingsimulatoi;thenextgenerationofairforcefighterofvectornozzleandstereospacecraftdockingdevice,spaceattitudecontrollei;etc.;Inmedicalbiologicalengineermgcellsmtherobotoperation,canperfectrealiza

14、tionofactivecellliijectionandsegmentation;Tliemicrosurgicalrobotsmmedicme;hisuchasthelargeradiotelescopeintheastronauticsattitudeadjustmentdevice;Mixedequipment.Diffeientfiomthetraditionalserialrobotsintheindustrialparallelrobot,comparedwiththetraditionalsenalrobots,parallelrobotinneedofhighiigiditv

15、,higliprecisionorlargeloadwithoutgreatworkhasbeenwidelyappliedmthefieldinspaceThestallofdesignmattermorethanthechaiacteiisticsofparallelrobotandthehistoiyandapplicationofparallelrobottocanyonthesimplemtioduction,forpaiallelrobothasageneralundeistandmgandtheunderstanding.Therobotinpaiallelrobotisnott

16、liuikitisamovementoftheplatform,thepaperwillintroducethestnictuieoftheparallelrobot,nextonestepclosertoundeistandmgtherobottoabasisforthelaterleseaicliandexploiation,thenextstepisaccordingtotherequuementandthetaskofpaiallelrobothardwaredesigncalculation,tosolvetheinversesolutionofparallelrobotandthe

17、optimizationoftheparallelrobot,positivesolutionsforthedesign,solvetheproblemofpositivesolutionsforparallelrobot,Irealized,toacompletecontrolsystem,theclosecoordinationofeachpartoftheneedtorun、onlynineveryparts、axemoperation,thesystemcanacluevetheexpectedcontiolpuipose.Althoughthestnictuieoftheparall

18、elrobotiscomplicated,butnomatterwhatkindofpaiallelrobot,whenweseethisproblem,firstofallneedtodoistousestmctuialandspatialmathematicsmethodtosimplify,onlysimplifytheproblem,stnictuieMoNiHuawecanmoreefficienttosolvesuchproblems.DesignintheuseofsmglechipmicrocomputerisalsolearnedtoouidailyMCS-51series,

19、thisisoneofthebesttimestheopponunitytocombuietheoiywithpractice.Atthesametime,thedesignofsteppermotoralthoughwenottoomuchresearchmthecourseoflearning,butaccesstodata,basicallyhavelearnedtouse.Finallvtluoughthewiitmgofthepiogiam.aswellasdebuggmgacluevedthesimulationofparallelrobotlocationThisdesignUS

20、ESthediffeientialevolutionalgoiitlunleseaicliofpaiallelrobotpositivesolutionoftheproblem,atthesametimetluoughthesixdegreesoffreedompaiallelrobotSPStypeMATLABsunulation,thusthismethodisprovedfeasible.1) thedesignofpaiallelrobot,inlinewithitspositionmversesolutionofthepioblemisrelativelyeasytocalculat

21、e,thecharacteristicsofthepositivesolutiontosolvetheproblemontheassumptionofmathematicalthiiiknig,sixdegreesoffreedominitsspaceknownpaiameteis,itwasagoodtoagivenlengthandassumethatgoodinfiontofsixdegreesoffreedomofthedifferenceofthelengthoftheparametersareobtamedtomakemathematicalfiniction,andfiincti

22、onofthemininium(tosolveoptinuzationpioblems)2) comparedwithgeneticalgontlmi,differentialevolutionalgontlunhastheadvantageofusingasmallnumberofiterationscangetlugherprecisionpositionpositivesolutionoftheanswer.3) mathematicalmethodsusedmtlussolvetheprobleminthedesignofthis,notonlyfor6dofparallelrobot

23、used,andshouldbeapplicabletoanydegreeoffieedomparallelrobotunderPaiallelrobotwiththemostsimpleunderstandingforthetwoplatfonns,amovingplatformandafixedplatform,tluoughdifferentrodcoimectedbetweenthetwoplatfonns,bydrivingrodmovement,thepositionofmovingplatforminspacetodrivechangeAccoidingtothedifferen

24、tdegreesoffieedomparallelrobot,whichcanbedividedmtomanydegreesoffieedompaiallelrobotwithlessdegreesoffreedomparallelrobot,drivenbyamotoreverydegreeoffieedomDesigntluoughthestudyofthephysicalstnictuieofpaiallelrobot,onthebasisofusmgthedifferentialevolutiontosolvetheproblemofthepositivesolutionsofthep

25、arallel10bo匸Practicalparallelrobotpositivesolutionisdifficulttosolve,soyoucanuseparallelrobotposeinveisesolutioncomparedtothechaiacteiisticsofeasytocalculate,weusethetiansfbnnationoftliuikingmodelofparallelrobotposepositivesolutionpioblemisclevermtothatposepositivesolutions,tousemathematicalmethodsb

26、yposturelengthvalueobtainedbyinversesolution,finallytomakethecalculatedvaluewiththegivenlengthlengthvalueforthedifferencebetweenthenuiuinumoptimizationproblem,andthenusingthedifferentialevolutionoftheglobaloptunizationabilitytoduectlysolvetheparallelrobotposepositivesolution.ThenuseMATLABtotrajectoi

27、ydiscretizationpositionmversesolution,thecorrespondinginputdataprocessingrobot,andsendsthedatatothemicrocontrolleftopeiibrm,dnvmgasteppermotortocompletetherobotcontrol.Keywords:paiallelrobotposition;inversesolution;positionpositivesolutions1緒論1.1并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)提到機(jī)器人，我們并不感到陌生，在如今這個(gè)時(shí)代里，我們接觸到許多機(jī)器人。同時(shí)對(duì)機(jī)器人的研究也越

28、來(lái)越深入。然而，我們今天所提的并聯(lián)機(jī)器人，跟以往我們說(shuō)的機(jī)器人在樣子上可能有些不同，它沒(méi)有電影作品中的高度人行，智能化。然而截止到目前并聯(lián)機(jī)器人是現(xiàn)在熱門的機(jī)器人研究中的一個(gè)重要的分支。并聯(lián)機(jī)器人的定義為：由于其最基本的結(jié)構(gòu)可以定義為含有兩個(gè)及兩個(gè)以上的獨(dú)立鏈所構(gòu)建的上下兩個(gè)平面的結(jié)構(gòu)，同時(shí)以并聯(lián)方式所驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)控制的機(jī)構(gòu)。對(duì)于機(jī)器人結(jié)構(gòu)的家族來(lái)說(shuō)，其中包涵有兩類的機(jī)器人，一個(gè)是串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，另一種是并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)。相對(duì)于串聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)來(lái)看，表現(xiàn)在具有精度高，剛度大,動(dòng)力性能好，易于反饋控制的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于并聯(lián)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，特別是其精度高這一特點(diǎn)，可以將其用在很多的精密儀器中。在生產(chǎn)中并聯(lián)機(jī)

29、器人的機(jī)構(gòu)通常采用兒何相對(duì)對(duì)稱式的構(gòu)型，目的是使其具備良好的各向同性。并且，與串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)所研究的反解問(wèn)題簡(jiǎn)單而其正解問(wèn)題相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于串聯(lián)機(jī)器人來(lái)說(shuō)正解相對(duì)簡(jiǎn)單，且唯一的反解問(wèn)題復(fù)雜而且可能多值，與串聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行比較，并聯(lián)機(jī)器人在其位置的精密度上有較高的優(yōu)越性，所以不存在驅(qū)動(dòng)器累計(jì)的誤差。在結(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)力學(xué)這些方面并聯(lián)機(jī)器人跟串聯(lián)機(jī)器人有著很多的不同點(diǎn)，其至在有些問(wèn)題上他們是相互對(duì)立的關(guān)系。下面讓我們一起來(lái)看看并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)：1. 帶動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，需要驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)于并聯(lián)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其驅(qū)動(dòng)裝置大多選擇安放在基底座或者是接近基底座的地方，這么一來(lái)的好處就是能使它的運(yùn)動(dòng)

30、部件的質(zhì)量可以大大減小，對(duì)于結(jié)構(gòu)力學(xué)來(lái)說(shuō)能使其動(dòng)態(tài)性能好，從而可以很容易的實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。2. 研究并聯(lián)機(jī)器人必須會(huì)涉及到正反解的問(wèn)題，對(duì)于并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)說(shuō)其反解容易，相對(duì)正解比較的復(fù)雜。3. 并聯(lián)機(jī)器人一般可以實(shí)現(xiàn)基座驅(qū)動(dòng)器的良好密封，可以在高溫，輻射，潮濕，太空及水下一些惡劣的環(huán)境里工作。4. 并聯(lián)機(jī)器人的誤差問(wèn)題也需要注意，因?yàn)椴⒙?lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)中不存在驅(qū)動(dòng)器所累積的誤差，這么以來(lái)就能使其有很高的精度。5. 并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過(guò)兒個(gè)運(yùn)動(dòng)連接就可以以并聯(lián)的方式與基座相連，所有有很強(qiáng)的承載力，剛性比較好，整體結(jié)構(gòu)比較緊湊。6. 并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)通常釆用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，有比較好的各向同性。7. 并

31、聯(lián)機(jī)器人的工作空間小，可操作性比較差。1.2并聯(lián)機(jī)器人的歷史及應(yīng)用并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)張要追溯到上個(gè)世紀(jì)。早在1931年，并聯(lián)機(jī)構(gòu)首次出現(xiàn)，這次重大的研究成果并沒(méi)有用在科學(xué)探究中，而是Gwinnett在其專利中提出的一種并聯(lián)的娛樂(lè)設(shè)施。首次出現(xiàn)的并聯(lián)機(jī)器人是為了豐富人生活?yuàn)蕵?lè)的。只過(guò)去了9年時(shí)間，Pollard開(kāi)發(fā)了新一種的空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)運(yùn)用在了汽車的噴漆工藝上。這是并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)第一次開(kāi)始在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用。至此拉開(kāi)的并聯(lián)機(jī)器人的大幕，使并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)入一個(gè)火熱的發(fā)展時(shí)期。到了1962年，Gough第一次設(shè)計(jì)了一種適用于六自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)的輪胎檢測(cè)的裝置。在隨后的三年里，Stewart將Gou訪

32、提出的模型進(jìn)行了深層次的研究分析后，將這種結(jié)構(gòu)推廣成為飛行模擬器的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生裝置。到現(xiàn)在為止，這種機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。從其結(jié)構(gòu)上來(lái)看，Stewart模型的機(jī)構(gòu)其動(dòng)平臺(tái)通過(guò)六個(gè)相同的對(duì)立分支與定平臺(tái)相連接，在每個(gè)分支中都有一個(gè)連接動(dòng)平臺(tái)的球較、一個(gè)移動(dòng)副和一個(gè)連接定平臺(tái)的球狡，為了避免本身繞兩個(gè)球狡中心連線的自傳運(yùn)動(dòng)，通常也用一個(gè)萬(wàn)向較來(lái)代替其中一個(gè)球餃。直到1978年，科學(xué)家Hunt提出將六自由度的并聯(lián)結(jié)構(gòu)變成機(jī)器人操作器，從這之后也就拉開(kāi)了并聯(lián)機(jī)器人研究的新序幕。一個(gè)全新的并聯(lián)機(jī)器人時(shí)代到來(lái)。以上的內(nèi)容都是國(guó)外在并聯(lián)機(jī)器人方面的發(fā)展研究歷程，看到這我們也許會(huì)著急思考一個(gè)問(wèn)題，既然國(guó)外這

33、么早著手研究并聯(lián)機(jī)器人了，那我們國(guó)內(nèi)有研究嗎？同時(shí)在并聯(lián)機(jī)器人這個(gè)新型的領(lǐng)域我國(guó)有什么特別拿的出手的項(xiàng)目嗎？其實(shí)從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)的并聯(lián)機(jī)器人也開(kāi)始成為熱門研究項(xiàng)目。在這個(gè)科技產(chǎn)品井噴的年代，我國(guó)并沒(méi)有落后世界的腳步，在國(guó)內(nèi)眾多研究并聯(lián)機(jī)器人的科學(xué)家，以及大學(xué)的教授們中，其中研究并聯(lián)機(jī)器人中最杰出，貢獻(xiàn)最大的當(dāng)屬黃真教授，其實(shí)早在1990年，燕山大學(xué)的黃真教授就自行研究，成功的使我國(guó)有了第一臺(tái)六自由度的并聯(lián)機(jī)器人，同時(shí)于兒年后，在1994年黃真教授在6自由度的并聯(lián)機(jī)器人的基礎(chǔ)上加以改造，乂研制出了一臺(tái)柔性狡鏈并聯(lián)式六自由度的機(jī)器人誤差補(bǔ)償器，在3年后，黃真教授乂聯(lián)合孔令富教授、方躍法教

34、授等人合作出版了我國(guó)第一部關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人理論及技術(shù)專著。由于在這篇幅有限，我們就不在這一一介紹國(guó)內(nèi)并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展。目前，就全世界的并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展歷程來(lái)看，并聯(lián)機(jī)器人在航空航天、深海作業(yè)、電子機(jī)電工業(yè)、以及醫(yī)療輔助等多個(gè)方面都有良好的表現(xiàn)，在這些領(lǐng)域內(nèi)并聯(lián)機(jī)器人都有重要的應(yīng)用。根據(jù)并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)，以及人們對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的深入研究，未來(lái)并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓展。并聯(lián)機(jī)器人的主要應(yīng)用范圍為：運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)學(xué)的模擬器。高精度的定位與調(diào)整裝置。工業(yè)裝配作業(yè)。與串聯(lián)機(jī)器人結(jié)合組成串并聯(lián)機(jī)器人。機(jī)械學(xué)加工。礦產(chǎn)采掘工程。多維空間技術(shù)。海洋工程。娛樂(lè)裝置。生物醫(yī)療工程。以上所列舉的十個(gè)研究方向是現(xiàn)今并聯(lián)機(jī)

35、器人運(yùn)用最多最廣的，經(jīng)過(guò)資料的查閱，我們發(fā)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人現(xiàn)在運(yùn)用最廣的領(lǐng)域是在醫(yī)學(xué)上。我相信，人們本著對(duì)科學(xué)技術(shù)的不斷探究，以及對(duì)新型領(lǐng)域的不斷探索，在未來(lái)一定會(huì)研究出更多有關(guān)聯(lián)的并聯(lián)機(jī)器人,讓其運(yùn)用到我們多彩的生活，學(xué)習(xí)，娛樂(lè)中。2并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)一說(shuō)到機(jī)器人，腦懷中閃現(xiàn)的肯定是一個(gè)以人為原型的機(jī)械設(shè)備，但是并聯(lián)機(jī)器人并非想想那樣，他是由兩個(gè)平臺(tái)和兩個(gè)或兩個(gè)一張以上的自由桿構(gòu)成，從并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展史來(lái)看，可以將并聯(lián)機(jī)器人按照其自由度的不同去劃分，可以將其分為多自由并聯(lián)機(jī)器人跟少自由度并聯(lián)機(jī)器人，其中我們常見(jiàn)的并聯(lián)機(jī)器人有3自由度的，4自由度的，以及本次研究的6自由度并聯(lián)機(jī)器人。當(dāng)然還有結(jié)構(gòu)更為

36、復(fù)雜的并聯(lián)機(jī)器人。常見(jiàn)的并聯(lián)機(jī)器人模型如圖2-1、2-2、2-3所示。圖2-16自由度并聯(lián)機(jī)器人圖2-24自由度并聯(lián)機(jī)器人圖2-33自由度并聯(lián)機(jī)器人這些結(jié)構(gòu)看起來(lái)并不是特別復(fù)雜的兒何結(jié)構(gòu)體稱為并聯(lián)機(jī)器人，但要是經(jīng)過(guò)仔細(xì)的觀察和研究，我們可以很容易的發(fā)現(xiàn)這些并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)都非常的相似，這些不同的并聯(lián)機(jī)器人都是由鏈角連接的結(jié)構(gòu)體。盡管“奇怪”的并聯(lián)機(jī)器人跟我們?nèi)粘ｋ娪袄锏臋C(jī)器人長(zhǎng)得不像，但是如果近一步的研究他們結(jié)構(gòu)，并且將這些研究做好，然后將其用在工業(yè)生產(chǎn)中，以及探測(cè)業(yè)都會(huì)有很大的幫助。只有研究透徹結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的并聯(lián)機(jī)器人，將其結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題完全弄明白，再去循序漸進(jìn)地研究相對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜一點(diǎn)的并

37、聯(lián)機(jī)器人的模型，我們才能徹底去了解并聯(lián)機(jī)器人并且更好的使用它，使并聯(lián)機(jī)器人成為我們的一大幫手。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第13頁(yè)共40頁(yè)3相關(guān)硬件電路的設(shè)計(jì)3. 1設(shè)計(jì)總電路圖如圖3-1所示為系統(tǒng)硬件總電路圖。IMIIXU1OC12N；ixr皿CX；14IMVxr皿IXl<IVO(IT7GSDCOV!.V25步世電機(jī)IKLxDCaitlADCItllZDCKIHU2rryKlC-IOO；iU»LFSlKIC-IOOU»U5libINI<X'I1IN20.12IN：<XT1IN4<KUINS<11曲IW«T»6DCO

38、M2?步進(jìn)電機(jī)41INIIX)VIr>IN?O('T2«*I70U3沖以T4IM1IXIK丄、'Xfr*iNrIMIfT£匚COWGXHwcr*IV*>55步進(jìn)血比步進(jìn)電機(jī)3KTt-WOlik屯必2MCIJI步JrnpL21Fr?niAmaiTkr網(wǎng)rIICUCIW補(bǔ)叩一E1Fr?IIUW124步逵電帆f，3-1系統(tǒng)碩件總電路圖本次設(shè)計(jì)研究的主要任務(wù)就是運(yùn)用單片機(jī)控制并聯(lián)機(jī)器人，在已知并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及正反解的算法后，需要對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)關(guān)鍵的所在，就是選擇合適的控制原件，對(duì)于控制器件我們選用的是單片機(jī)，本次設(shè)計(jì)采用C51單片機(jī)是為整

39、個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心。3.2硬件的選擇3.2.1單片機(jī)C51單片機(jī)C51如圖3-2所示。Y1C35(1GNI)IK11.0592MHz冬乜=j=Clic2P14tI£fP_,ICap33pFPl5C卩16那Pl?耳PI4%P3O1(r1vPHP01PI2P02P13F03PI4Pl5P16P041X)5P06PI7P07P30/RXDP20P3I/TXDP2IP324NT0P33.1NTIP34/TOP22P23P24P35.TIP25XIE26P27X2EA/VPPRDP37WRP36RESETALEPRD(；PSEMU1AT89C51圖3-2單片機(jī)C51IOKM地|RAPOIr)lP

40、MPi)5PD6P07pTi口P24P2?險(xiǎn)rTTI"單片機(jī)對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)都很陌生，其實(shí)我們的生活中與他息息相關(guān)的東西比比皆是，生活中的電冰箱，音響，抽油煙機(jī)都運(yùn)用到了單片機(jī)。最常見(jiàn)的就是手機(jī)了，手機(jī)里面也有單片機(jī)，其實(shí)我們換一種思維方式，實(shí)際上就是我們生活在一個(gè)單片機(jī)控制的世界里。只要有控制的存在就有單片機(jī)的存在。看到這，你也許還是一頭霧水，到底什么是單片機(jī)呢？其實(shí)用俗話來(lái)說(shuō)單片機(jī)對(duì)于一個(gè)用電路設(shè)計(jì)運(yùn)用的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就好比是一個(gè)電腦系統(tǒng)中的最核心部件一一CPU。對(duì)人類的機(jī)體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)也就像是大腦一樣的存在。其實(shí)他就是一個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分,起到控制關(guān)鍵的功能，下面讓我們一起來(lái)看一看單片

41、機(jī)的結(jié)構(gòu)。單片機(jī)本質(zhì)上是在一塊芯片上集成了由運(yùn)算器、控制器、儲(chǔ)存器、輸入/輸出接口5個(gè)基本部分，則這種芯片為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。使用單片機(jī)做電路核心的硬件系統(tǒng)稱為單片機(jī)系統(tǒng)。現(xiàn)今社會(huì)技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著集成化電路的不斷提高，如今越來(lái)越多的單片機(jī)把各種外圍設(shè)備的功能器件也都集成在芯片內(nèi)，如一些wifi功能的模塊。常用的MCS-C51單片機(jī)的芯片內(nèi)部集成了CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、并行的I/O接口、串聯(lián)接口等基本功能元器部件，并在內(nèi)部把這些元器部件連接在一起oMCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)一般采用40個(gè)引腳雙列直插式封裝方式(DIP)。對(duì)于MCS-51單片機(jī)的40個(gè)管腳而言，按照排

42、列，有P1、P3口，在這些口中，需要格外注意的是P3口，因?yàn)槠渚哂械诙δ艿木壒?，所以在硬件連接以及程序設(shè)計(jì)時(shí)要格外小心。同時(shí)在使用單片機(jī)的I/O口時(shí)要對(duì)以下事項(xiàng)進(jìn)行注意：（1）每一個(gè)I/O口都可以獨(dú)立作為輸入或輸出口的使用，但P2跟P0口在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)作為地址、數(shù)據(jù)總線，此時(shí)它們將不能再作為I/O口使用。（2）51單片機(jī)復(fù)位時(shí)每一個(gè)I/O口的“內(nèi)部總線”二1,如果隨后程序使“內(nèi)部總線”二0,那么當(dāng)I/O口作為輸入時(shí)，必須通過(guò)程序通過(guò)輸出1使FET截止，這樣從管腳Px.x輸入的信號(hào)才能在“讀管腳”信號(hào)的幫助下被正確讀走。（3）P1,P2,P3因?yàn)閮?nèi)部上拉電阻而被稱為“準(zhǔn)雙向口”。在作為輸入

43、時(shí)，上拉電阻將“管腳Px.x”拉高并在外設(shè)輸入低電平時(shí)向外輸出電流。（4）P0口沒(méi)有內(nèi)部上拉電阻，是一個(gè)正真的雙向口。作為輸入時(shí)因開(kāi)漏結(jié)構(gòu)而浮地。對(duì)于P3口的功能如表3-1所示。表3-1P3II功能管腳口具體的功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時(shí)器、計(jì)數(shù)器0）P3.5T1（定時(shí)器、計(jì)數(shù)器1）P3.6WR（外部存儲(chǔ)器寫選通）P3.7RD（外部存儲(chǔ)器讀選通）一個(gè)完整的單片機(jī)系統(tǒng)中還有復(fù)位電路，所謂的復(fù)位電路，就是如其本意，使單片機(jī)能復(fù)位的電路。無(wú)論是對(duì)于何種系統(tǒng)，只要包涵控制在其中，就一定會(huì)涉及到

44、復(fù)位的問(wèn)題。現(xiàn)在存在的復(fù)位操作分為三種方式，分別為上電自動(dòng)復(fù)位，按鍵手動(dòng)復(fù)位，和看門狗自動(dòng)復(fù)位。單片機(jī)上電后首先從復(fù)位操作開(kāi)始，復(fù)位操作可以使單片機(jī)處于某種確定的初始狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位是通過(guò)復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的復(fù)位電路是當(dāng)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)按下復(fù)位電路使抽油煙機(jī)停止工作回到初始未啟動(dòng)狀態(tài)。1. 上電自動(dòng)復(fù)位上電自動(dòng)復(fù)位是在施加電源瞬間通過(guò)RC電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3-3所示。在通電瞬間,華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電源通過(guò)電容C和電阻R回路對(duì)電容充電，使RST端出現(xiàn)如圖3.4所示的波形，經(jīng)過(guò)施密特整形電路，可向內(nèi)部復(fù)位電路提供一個(gè)正脈沖引起單片機(jī)復(fù)位。通常取R二1KQ,C=22pF,就能可靠復(fù)位。

45、如果系統(tǒng)中還有其他外圍器件也需要復(fù)位信號(hào)，可以按圖3-5所示加接一個(gè)門電路。2. 按鍵手動(dòng)復(fù)位按鍵手動(dòng)復(fù)位是指單片機(jī)在運(yùn)行期間通過(guò)手動(dòng)按鈕使CPU強(qiáng)行復(fù)位，在從頭開(kāi)始運(yùn)行。圖3-6所示的是上電自動(dòng)復(fù)位與按鍵手動(dòng)復(fù)位結(jié)合的情況。3. 看門狗自動(dòng)復(fù)位以單片機(jī)為核心的智能裝備，應(yīng)具有自動(dòng)脫離死循環(huán)或死機(jī)的功能，這就是看門狗電路，也叫做WatchingDog.看門狗的設(shè)計(jì)理念是：設(shè)計(jì)一個(gè)硬件電路，在程序正常運(yùn)行期間，只要定時(shí)發(fā)出清除信號(hào)（稱為喂狗），該電路就一直維持不發(fā)作，一旦程序不能正常運(yùn)行，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，看門狗電路會(huì)自動(dòng)發(fā)作，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)促使單片機(jī)復(fù)位。看門狗的設(shè)計(jì)方法有很多種，可使用外圍芯片，

46、利用單片機(jī)內(nèi)部看門狗，利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器中斷等方式實(shí)現(xiàn)。下圖表示的是單片機(jī)的復(fù)位電路如圖3-3、3-4、3-5、3-6所示：22nFReset圖3-322UF丄Reset圖3-5圖3-6在單片機(jī)中我們還需要注意的就是有關(guān)中斷的問(wèn)題，所謂中斷，就是在執(zhí)行程序的時(shí)候，突發(fā)狀況發(fā)生，必須要終止現(xiàn)在所執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行現(xiàn)在所需要的程序，這種狀況發(fā)生時(shí)就是中斷。對(duì)于中斷，我們需要知道以下內(nèi)容。中斷的發(fā)生將遵循下面的2條基本原則：1、低級(jí)中斷響應(yīng)能夠被高級(jí)中斷打斷，但是低級(jí)中斷在高級(jí)中斷響應(yīng)時(shí)不能夠打斷。2、某一中斷已經(jīng)響應(yīng)時(shí)，同級(jí)別的中斷不能停止它的響應(yīng)。輔優(yōu)先級(jí)規(guī)則當(dāng)中央處理器同時(shí)收到兒個(gè)同一級(jí)

47、別的中斷請(qǐng)求時(shí)，哪個(gè)中斷響應(yīng)源基于硬件上的查詢順序。不在同一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)當(dāng)2個(gè)或超過(guò)兩個(gè)中斷先后發(fā)生時(shí)，或者當(dāng)2個(gè)以上不同優(yōu)先級(jí)中斷一起發(fā)生時(shí)，哪個(gè)先被響應(yīng)由IP寄存器決定。在同一臺(tái)機(jī)器周期在2個(gè)以上的發(fā)生具有相同優(yōu)先級(jí)的中斷發(fā)生，這是內(nèi)部查詢序列的第一反應(yīng)，該IP寄存器不能確定的第一反應(yīng)。中斷系統(tǒng)中任何機(jī)器周期都會(huì)實(shí)現(xiàn)順序檢查任何一個(gè)中斷源，如果查詢到中斷請(qǐng)求被標(biāo)志為1,如果不被下述條件所阻止，則將在下一個(gè)機(jī)器周期的轉(zhuǎn)到響應(yīng)的中斷服務(wù)程序。3.2.2步進(jìn)電機(jī)圖3-7所示為步進(jìn)電機(jī)模塊。VCCP?TP04P052P06P07-XGNDINIOUT1IN2OUT2IN3OUT3IN4OUT4IN

48、5OUT5IN6OUT6IN7OUT7GNDCOMU6161372TT疋"vcc9T12345MIIDR1X5圖3-7步進(jìn)電機(jī)連接模塊本次設(shè)計(jì)不僅用到了單片機(jī)還需要用到步進(jìn)電機(jī)，在這個(gè)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)屬于控制器，而對(duì)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)而言就是被控對(duì)象。本次設(shè)計(jì)中，目的是運(yùn)用單片機(jī)控制并聯(lián)機(jī)器人，而并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)則離不開(kāi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中是步進(jìn)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)機(jī)械桿的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到使動(dòng)平臺(tái)發(fā)生空間位置改變的目的。首先，我們對(duì)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)需要了解。跟研究其他的電動(dòng)機(jī)一樣，我們來(lái)看步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也需要從內(nèi)部結(jié)構(gòu)先入手。從步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的中央有一個(gè)齒輪狀的轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)動(dòng)軸就固定

49、在轉(zhuǎn)子上。轉(zhuǎn)子的周圍是4個(gè)多齒輪的電磁鐵作為定子，電磁鐵是由管腳供電，這樣就可以被外部電路驅(qū)動(dòng)并控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)依靠吸引轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)。首先，給電磁鐵（1）注明這里的1,2,3,4是對(duì)于轉(zhuǎn)子周圍4塊電磁鐵的編號(hào)，其中任意一塊為1通電，于是轉(zhuǎn)子被電磁鐵（1）吸引并轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)很小的角度，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的齒與電磁鐵（1）的齒對(duì)齊后轉(zhuǎn)子停止，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)了1步，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的齒與電磁鐵（2）的齒對(duì)齊后，轉(zhuǎn)子上的齒與電磁鐵之間偏離了一個(gè)很小的角度。這時(shí)給電磁鐵通電后而關(guān)閉電磁鐵，于是轉(zhuǎn)子被電磁鐵吸引轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)很小的角度，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的齒與電磁鐵的齒對(duì)齊后轉(zhuǎn)子停止，步進(jìn)電機(jī)乂轉(zhuǎn)動(dòng)一步。接下來(lái)接通電磁鐵（3）而關(guān)閉電磁

50、鐵（1）和（2）,于是轉(zhuǎn)子乂將轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)很小的角度，步進(jìn)電機(jī)級(jí)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，然后電磁鐵（4）接通，轉(zhuǎn)子乂轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)很小的角度，步進(jìn)電機(jī)乂轉(zhuǎn)動(dòng)一步，就這樣，電磁鐵（1）（2）（3）（4）快速依次逐一不斷地以很小的角度跳動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上就形成了步進(jìn)的表象。電磁鐵切換越快，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)也就越快。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸步進(jìn)走過(guò)360。后，這就好像步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞了一圈。在控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的工作原理就是將所獲得的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的量，它屬于一種開(kāi)環(huán)的控制原件。對(duì)于電動(dòng)機(jī)研究，我們經(jīng)常會(huì)研究其是否超載，對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在沒(méi)有超載的情況下，其轉(zhuǎn)速、停止的位置這些因素只取決于電磁的脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)

51、載變化的影響，換言之，改變步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)變化的關(guān)鍵所在，就是看給電機(jī)加的脈沖信號(hào)量，有了這個(gè)脈沖信號(hào)，才能式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度,這個(gè)角度被叫做步距角。通過(guò)詳細(xì)的理解，其實(shí)步進(jìn)電機(jī)就是一類將電脈沖量轉(zhuǎn)化成為角位移量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其運(yùn)動(dòng)原理通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖量的信號(hào)源，它就可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)器，去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使其按原先設(shè)定好的方向去轉(zhuǎn)動(dòng)一定的固定好的角度（即步進(jìn)角）。所以可以通過(guò)去控制脈沖量的個(gè)數(shù)去控制角位移的量，這樣就能達(dá)到準(zhǔn)的確定位目的；同時(shí)你可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照其結(jié)構(gòu)一般可以分為單極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)跟雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩種

52、。單極步進(jìn)電機(jī)一般有5或6個(gè)管腳，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部有4個(gè)勵(lì)磁線圈，單極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每個(gè)相位上有兩個(gè)勵(lì)磁線圈，通常，同一相位上的兩個(gè)勵(lì)磁線圈有一端連接在一起形成公共端，在大多數(shù)情況下二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只有5個(gè)管腳，這是因?yàn)樵陔妱?dòng)機(jī)內(nèi)部，兩個(gè)相的公共端（管腳5和管腳6）相連形成了一個(gè)大公共端。除了單極步進(jìn)電機(jī)外，還有更為精確的雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是每個(gè)相位上有一個(gè)獨(dú)立的勵(lì)磁線圈。每個(gè)相位有兩個(gè)引腳，而沒(méi)有公共端。這樣，要改變磁極就需要轉(zhuǎn)換線圈中的電流的方向，其控制驅(qū)動(dòng)電路就相對(duì)復(fù)雜一些。一般可使用電路來(lái)驅(qū)動(dòng)并控制雙極性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。對(duì)于一個(gè)完整的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的系統(tǒng)主要是由以下結(jié)構(gòu)所構(gòu)成：（1

53、）步進(jìn)控制器（1）功率放大器（3）步進(jìn)電機(jī)。所說(shuō)的步進(jìn)電機(jī)的控制器：由一個(gè)外形似環(huán)狀的分配器、邏輯控制調(diào)節(jié)器以及緩沖寄存器正、反轉(zhuǎn)控制門所組成，控制電機(jī)是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制器所實(shí)現(xiàn)的?？刂破鞯墓ぷ髟硎菍⑤斎氲拿}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成環(huán)形脈沖，這樣能方便的去控制步進(jìn)電機(jī)，也正是如此才能進(jìn)行正、反向控制。功率放大器的作用就是把控制器輸出的環(huán)型脈沖加以放大，無(wú)論對(duì)于何種電機(jī)，功率放大器的存在都是必要的，只有將小的脈沖信號(hào)放大才能達(dá)到以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。通過(guò)分析我們可以發(fā)現(xiàn)，在這種控制方式中，相比于其他的控制系統(tǒng)，步進(jìn)控制線路復(fù)雜、也因此導(dǎo)致其成本較高，從而限制了它的應(yīng)用。但是，如果采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由

54、軟件代替上述步進(jìn)控制器，則問(wèn)題將大大簡(jiǎn)化。這樣不僅簡(jiǎn)化了線路，降低了成本，而且可靠性也大大的提高To由于步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與速度成反比，速度越快負(fù)載轉(zhuǎn)矩越小。但速度過(guò)快而超過(guò)極限后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將不再轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與勵(lì)磁線圈通電切換的頻率有關(guān)，所以在每走一部后，程序必須延時(shí)一段時(shí)間。步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)過(guò)程控制及儀表中的主要控制原件之一。例如，在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，可以用絲桿把角位移變成直線位移，也可以用它帶動(dòng)螺旋電位器，調(diào)節(jié)電壓或電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的控制。本次設(shè)計(jì)利用步進(jìn)電機(jī)主要是為了其能構(gòu)造出電動(dòng)推桿，利用電動(dòng)推桿才能從而帶動(dòng)動(dòng)平面的運(yùn)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)中需要機(jī)械桿來(lái)帶動(dòng)動(dòng)平面的運(yùn)動(dòng)，所以用用

55、步進(jìn)電機(jī)構(gòu)造了電動(dòng)推桿。電動(dòng)推桿其實(shí)就是一種將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的量去轉(zhuǎn)變成為推桿的直線運(yùn)動(dòng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電力驅(qū)動(dòng)裝置。電動(dòng)推桿在生活中廣泛運(yùn)用于各種各樣的簡(jiǎn)單的，或者相對(duì)復(fù)雜的制作工藝流程中運(yùn)用電動(dòng)推桿為一個(gè)執(zhí)行機(jī)械所使用，從而達(dá)到以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制或著自動(dòng)控制的目的。設(shè)計(jì)中單片機(jī)所用的是小電壓，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是大電壓器件，在電路設(shè)計(jì)中直接使用小電壓器件是無(wú)法直接帶動(dòng)大電壓器件，所以要求必須有驅(qū)動(dòng)電路。本次設(shè)計(jì)中所選用的驅(qū)動(dòng)器件是ULN2003Lo使用驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003L可以提高單片機(jī)I/O的驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)勵(lì)磁線圈的驅(qū)動(dòng)與控制。在單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電路中必須要用到ULN20

56、03Lo從ULN2003L的內(nèi)部結(jié)構(gòu)去看，其輸入端是7個(gè)山1"咽7的信號(hào)口，信號(hào)經(jīng)過(guò)反向后再由OUT1S、OUT7口輸出，正是由于經(jīng)過(guò)這個(gè)反響信號(hào)的處理，才使得這個(gè)從ULN2003L輸出的信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力有了很大的提升，這個(gè)信號(hào)足夠驅(qū)動(dòng)一般的步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁線圈。從而實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)（小功率）帶動(dòng)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（大功率）的功能。3. 2.3位移傳感器位移傳感器乂可以稱為線性位置傳感器，其結(jié)構(gòu)是一種屬于金屬感應(yīng)相關(guān)的線性器件，無(wú)論何種傳感器，其作用都是我們運(yùn)用其的目的都是將某些傳感器測(cè)量出來(lái)的信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)變成光，或者電的信號(hào)，本次使用的移傳感器的作用也是一樣的，就是把各種被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電量

57、。這里所說(shuō)的位移，跟物理學(xué)上所學(xué)的位移是一個(gè)意思，指的是物體的位置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)了始末兩個(gè)狀態(tài)，在始末狀態(tài)下位置所發(fā)生的變化，運(yùn)動(dòng)學(xué)中的位移的求取是非常容易的，而對(duì)于傳感器而言，所監(jiān)測(cè)的位移量的測(cè)量方式所涉及的范圍是相當(dāng)廣泛的。可以檢測(cè)的量有很多種形式，但無(wú)論何種形式，其目的都是將難測(cè)的量轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單一側(cè)的量。直線位移傳感器的功能如其名字一樣就把直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。為了達(dá)到直線傳感器的功能，經(jīng)常將可變電阻的滑軌安裝在傳感器上固定的位置，滑片可以在滑軌上的滑動(dòng)，通過(guò)滑動(dòng)的位移來(lái)測(cè)量不同的阻值。給傳感器滑軌上連接直流電壓（這個(gè)電壓一定要保持穩(wěn)定狀態(tài)），在滑動(dòng)片流過(guò)一定的小電流時(shí)，在滑片和始端之間就存在了一個(gè)電壓，這個(gè)電壓與滑動(dòng)變阻器的滑片移動(dòng)量之間成正比關(guān)系。將傳感器用作分壓器可最大限度降低對(duì)滑軌總阻值精確性的要求，因?yàn)橛蓽囟茸兓鸬淖柚底兓粫?huì)影響到測(cè)量結(jié)果。實(shí)際上這次實(shí)驗(yàn)所用的直線位移傳感器