?需要機械臂相關資源的同學可以在評論區中留言哦指南目錄機械臂速成小指南零點五機械臂相關資源機械臂速成小指南零指南主要內容及分析方法機械臂速成小指南一機械臂發展概況機械臂速成小指南二機械臂的應用機械臂速成小指南三機械臂的機械結構機械臂速成小指南四機械臂關鍵部件之減速機機械臂速成小指南五末端執行器機械臂速成小指南六步進電機驅動器機械臂速成小指南七機械臂位姿的描述方法機械臂速成小指南八運動學建模標準DH法機械臂速成小指南九正運動學分析機械臂速成小指南十可達工作空間機械臂速成小指南十一坐標系的標準命名機械臂速成小指南十二逆運動學分析機械臂速成小指南十三軌跡規劃概述機械臂速成小指南十四多項式插值軌跡規劃機械臂速成小指南十五線性規劃機械臂速成小指南十六帶拋物線過渡的線性規劃機械臂速成小指南十七直線規劃機械臂速成小指南十八圓弧規劃機械臂速成小指南十九機械臂的電路板抓取實驗機械臂速成小指南二十機械臂的位姿重復性實驗機械臂速成小指南二十一幾何雅可比矩陣機械臂速成小指南二十二機械臂逆運動學的數值解方法機械臂速成小指南二十三Paul方法求解機械臂運動學逆解含matlab代碼以下為正文一、電機驅動器概述1.步進電機簡介步進電機是一種將電脈沖信號轉化為轉軸角位移的特殊電機當驅動器接收到脈沖信號它就驅動步進電機轉動相應的角度。在機械臂控制過程中我們通過調節脈沖個數來控制電機旋轉角度并與行星減速器相配合驅動機械臂關節同時我們也可以通過調節脈沖頻率來控制關節旋轉的速度與加速度從而完成對末端執行器與各關節的軌跡規劃。根據轉子與定子的不同類型可將步進電機分為永磁式、反應式與混合式如下圖所示。永磁式反應式混合式永磁式步進電機的轉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。定子線圈通電并產生與轉子磁場相互排斥的固定磁場永磁轉子產生電磁轉矩。永磁式步進電機的優點是成本低、轉矩大在斷電時有定位轉矩缺點是步距角大、定位精度低、啟動頻率較低以及運行頻率低。反應式步進電機也叫磁阻式步進電機其中又分為單段式步進電機與多段式步進電機。反應式步進電機的定子與轉子均由軟磁材料制成二者周邊均勻分布有齒槽當定子繞組激磁通電齒槽間氣隙磁場發生變化進而產生轉矩帶動定子旋轉。反應式步進電機優點是輸出轉矩大、轉速高且響應速度快缺點是單步驅動時振幅大、振蕩時間長且斷電后無定位轉矩。混合式步進電機將永磁式步進電機與反應式步進電機的優點相結合即輸出轉矩大、精度高、運行穩定且斷電后仍有定位轉矩。混合式步進電機的定子由軟磁材料制成轉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。混合式步進電機的爆炸圖如下圖所示。2.步進電機驅動器步進電機驅動器是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號它就驅動步進電機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。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量從而達到準確定位的目的同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度從而達到調速和定位的目的。而在沒有脈沖輸入時在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置即處于定位狀態。選擇合適的步進電機驅動可以提高步進電機運行的穩定性與精度。我所選用的電機驅動型號為DM542與OK2D4020A其中OK2D4020A驅動器用于驅動4號電機其余5個電機均由DM542驅動器驅動。DM542OK2D4020A以DM542為例該驅動采用32位DSP數字信號處理Digital Signal Processing簡稱DSP技術采用內置微細分技術即使在低細分的條件下也能夠達到高細分的效果低中高速 運行都很平穩噪音小。驅動器內部集成了參數自動整定功能能夠針對不同電機自動生成最優運行參數且具有過壓、欠壓、短路保護等保護功能。3.電氣指標及環境參數步進電機常用的電氣指標有輸出電流峰值、輸入電源電壓、控制信號輸入電流、步進脈沖頻率及絕緣電阻等以DM542為例其電氣指標如下圖所示。電機驅動的環境參數通常包括溫濕度、振動及粉塵等以DM542為例其環境參數如下圖所示。二、細分驅動工作原理細分驅動實質上是一種電子阻尼技術其主要目的是提高電機的運轉性能實現步進電機步距角的高精度細分。細分驅動的優點有因減少每一步所走過的步距角提高步距均勻度進而提高控制精度減少電機振動低頻振蕩是步進電機的固有特性用細分是消除它的最好方法減少轉矩脈動提高輸出轉矩。步進電機驅動器可將控制電路發出的脈沖信號進一步細分大幅提高驅動精度該功能稱為“細分”。步進電機驅動器內部主要由環形分配單元及功率驅動單元兩部分組成其驅動原理如下圖所示。1.環形分配單元又稱環分器或脈沖分配單元主要功能是把來源于控制環節下位機的時鐘脈沖串按一定的規律分配給步進電動機驅動器的各相輸入端。環形分配器的輸出既是周期性的又是可逆的。環形分配單元既可以通過硬件實現也可以通過軟件實現。硬件環形分配的基本結構為觸發器其個數與步進電機相數相同而軟件環形分配是通過編程的方式生成控制表。以兩相四拍驅動兩相步進電機為例設單序列脈沖為?x當其輸入環形分配單元后?x可被分頻為?A與?B兩路輸出脈沖二者分別對應步進電機的A相繞組與B相繞組。當輸出端輸出?A步進電機A相繞組通電當輸出端輸出?B則步進電機B相繞組通電圖2.7即為兩相四拍驅動方式下?x、?A與?B的波形圖。以DM542為例采用八位撥碼開關設定細分精度、動態電流、靜止半流以及實現電機參數和內部調節參數的自整定。撥碼開關的詳細描述如下圖所示。撥碼開關各位意義撥碼開關實物圖其細分設定表如下所示。2.功率驅動單元當得到適當的脈沖波形后需對其進行放大后驅動電機常用的有功率MOS管組成的H橋電路。三、下位機、驅動器與電機的連接方式1.控制信號接口PUL為脈沖控制信號脈沖上升沿有效;PUL-高電平時4~5V低電平時0~0.5V。為了可靠響應脈沖信號脈沖寬度應大于12μs。如采用12V或24V時需串電阻。DIR為高/低電平信號為保證電機可靠換向方向信號應先于脈沖信號至少5us建立。電機的初始運行方向與電機的接線有關互換任一相繞組(如 A、A-交換)可以改變電機初始運行的方向DIR-高電平時4~5V低電平時0~0.5V。ENA為使能信號用于使能或禁止。ENA 接5VENA-接低電平或內部光耦導通時驅動器將切斷電機各相的電流使電機處于自由狀態此時步進脈沖不被響應。當不需用此功能時使能信號端懸空即可。2.強電接口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、步進電機選配方法選擇電機時主要由電機的扭矩和額定電流決定。扭矩大小主要由電機尺寸決定。尺寸大的電機扭矩較大而電流大小主要與電感有關小電感電機高速性能好但電流較大。1.電機選配1負載轉矩其中J負載的轉動慣量ε負載的最大角加速度 C安全系數推薦值 1.2-1.4T_負載最大負載轉矩包括有效負載、摩擦力、傳動效率等阻力轉矩。2轉矩影響因素對于給定的步進電機與線圈接法輸出轉矩有以下特點電機實際電流越大輸出轉矩越大但電機銅損PI^2R越多電機發熱偏多驅動器供電電壓越高電機高速扭矩越大由步進電機的矩頻特性圖可知高速比中低速扭矩小。力矩—轉速特性圖如下所示2.電機接線方法對于 6、8 線步進電機不同線圈的接法電機性能有相當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高速時力矩越大。越能避免高速時掉步。但另一方面電壓太高會導致過壓保護電機發熱較多甚至可能損壞驅動器。在高電壓下工作時電機低速運動的振動會大一些。2輸出電流的設定對于同一電機電流設定值越大時電機輸出力矩越大但電流大時電機和驅動器的發熱也比較嚴重。具體發熱量的大小不僅與電流設定值有關也與運動類型及停留時間有關。以下的設定方式采用步進電機額定電流值作為參考但實際應用中的最佳值應在此基礎上調整。原則上如溫度很低40℃則可視需要適當加大電流設定值以增加電機輸出功率力矩和高速響應。四線電機輸出電流設成等于或略小于電機額定電流值六線電機高力矩模式輸出電流設成電機單極性接法額定電流的 50%六線電機高速模式輸出電流設成電機單極性接法額定電流的 100%八線電機串聯接法輸出電流可設成電機單極性接法額定電流的 70%八線電機并聯接法輸出電流可設成電機單極性接法額定電流的 140%。五、步進電機驅動機械臂關節的編程實現對同一個步進電機而言末端執行器由初始位姿變換至不同的目標位姿時其旋轉方向、旋轉速度及旋轉角度通常不同。并且在變換的過程中電機轉速也不是恒定的變換初期電機加速旋轉變換中期電機勻速旋轉變換末期電機減速旋轉。為確保關節正確旋轉以及末端執行器能以穩定的軌跡到達期望位姿必須對驅動各關節的步進電機進行精確的控制。本文選擇以AT mega 2560為核心的Arduino下位機和兩種型號的步進電機驅動器完成對步進電機的控制相關代碼燒錄于下位機中下表列出了控制1號電機的Arduino程序中所用到的主要變量名稱及含義。1號電機控制程序中主要變量名稱及含義序號名稱含義1ACCStep加速運動步數2DCCStep減速運動步數3J1step1號電機旋轉步數4AdjSpeed機械臂速度參數5J1caldir1號電機旋轉方向6J1rotdir1號電機旋轉方向標識7J1stepPin1號電機脈沖控制引腳8J1dirPin1號電機方向控制引腳以關節1的控制為例關節1的旋轉方向由1號電機方向控制引腳J1dirPin控制當引腳為高電平時電機反轉低電平時電機正轉。方向控制引腳J1dirPin 的電平由J1caldir與J1rotdir共同決定。其中J1rotdir由電機驅動的型號決定J1caldir由上位機的運算結果決定。關節1的旋轉速度的調節是通過延時函數delayMicroseconds()以及機械臂速度參數AdjSpeed實現的參數增大延時時間增長關節旋轉速度降低參數減小延時時間減少關節旋轉速度增加。關節1的旋轉角度由加速運動步數ACCStep、減速運動步數DCCStep及1號電機旋轉步數J1step確定。