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山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
畢業(yè)生姓名
：
梁興
專業(yè)
：
機(jī)械電子工程
學(xué)號(hào)
：
180533006
指導(dǎo)教師
：
張海
所屬系（部）
：
機(jī)械電子工程系
二〇二〇年五月 模塊式六自由度機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要
近二十年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展非常迅速，各種用途機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。我國(guó)在機(jī)器人的應(yīng)用和研究方面與工業(yè)化發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距，因此設(shè)計(jì)和研究各種用途的機(jī)器人特別是推廣機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用是有現(xiàn)實(shí)的意義。
典型的工業(yè)機(jī)器人例如噴裝配機(jī)器人、漆機(jī)器人、焊接機(jī)器人等大多是固定在加工設(shè)備旁邊或生產(chǎn)線作業(yè)的，本論文在參考大量的文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合了項(xiàng)目的要求，設(shè)計(jì)一種小型的、固定在AGV上的、以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的串聯(lián)六自由度機(jī)器人。
首先，針對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)要求提出了多個(gè)方案，并且對(duì)其進(jìn)行分析和比較，選擇其中最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案;然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，用D一H方法來(lái)建立坐標(biāo)變換矩陣，推算出運(yùn)動(dòng)方程的正解和逆解;用矢量積法推導(dǎo)速度雅可比矩陣，并計(jì)算包括腕點(diǎn)在內(nèi)的一些點(diǎn)的速度和位移;然后借助坐標(biāo)的變換矩陣進(jìn)行工作空間的分析。這些工作為移動(dòng)式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析提供了依據(jù)。
最后運(yùn)用已有的六自由度機(jī)械手及其手爪的三維造型和裝配，將模型導(dǎo)入proteus中，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了分析，并且對(duì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中使用的虛擬樣機(jī)技術(shù)做了嘗試，積累了經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞:6自由度機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；仿真；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；單片機(jī)；
Control system design of modular 6-DOF robot
Abstract
In the Past twenty years，the robot technology has been developed greatly and used in many different fields. There is a large gap between our country and the developed countries in research and application of the robot technology so that there will be a great value to study，design and applied different kinds of robots，especially industrial robots.
Most typical industrial robots such as welding robot，painting robot and assembly robot are all fixed on the product line or near the machining equipment when they are working. Based on larger number of relative literatures and combined with the need of project，the author have designed a kind of small一size serial robot with 6 degree of freedom which can be fixed on the AGV to construct a mobile robot.
First of all，several kinds of schemes were proposed according to the design demand. The best scheme was chosen after analysis and comparing and the structure was designed. At same time，The kinematics analysis was conducted，coordinate transformation matrix using D一H method was set up，and the kinematics equation direct solution and inverse solution was deduced，the matrix was constructed using vector product method，and the values displacement and velocity of some special point including the wrist point were calculated. Secondly，the working space of the robot was analyzed and the axes section of practical working space was drawn. These works provided a basis to structure design, kinematics and control.
At last do the completion of six degrees of freedom manipulator’s and gripper’s three-dimensional modeling and assembly. models will be imported in proteus, and do the simulation and kinematics, and the simulation result was analyzed. In the experiment，the author tried to use the virtual prototyping technology in mechanism design.
Key words: Six degrees of freedom robot;Kinematics Analysis; simulation;
目 錄
摘 要 I
1 緒論 1
1.1 機(jī)器人概述 1
1.2 模塊式六自由度機(jī)器人概述 1
1.3 主要研究?jī)?nèi)容 3
2運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 4
2.1 概述 4
2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 4
2.2.1 空間機(jī)構(gòu)位置的描述 4
2.2.2 空間機(jī)構(gòu)中兩任意坐標(biāo)系的變換關(guān)系 9
2.2.3 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 11
2.3 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 11
2.3.1 機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù) 11
2.3.2 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 13
3 模塊式六自由度機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 15
3.1 總體控制方案設(shè)計(jì) 15
3.2 步進(jìn)電機(jī)選取及控制設(shè)計(jì) 15
3.2.1 步進(jìn)電機(jī)原理及控制技術(shù) 15
3.2.2 步進(jìn)電機(jī)的換向控制 17
3.2.3 步進(jìn)電機(jī)的選取 19
3.3 ULN2003驅(qū)動(dòng)器 20
3.4 單片機(jī)的概述 23
3.5 89C51系列控制單片機(jī)設(shè)計(jì)與選擇 24
3.5.1 AT89C51簡(jiǎn)介 27
3.5.2 AT89C51最小系統(tǒng) 31
3.5.3 AT89C51系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32
4 模塊式六自由度機(jī)器人控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) 35
4.1 仿真軟件概述 35
4.1.1 protues簡(jiǎn)介 35
4.1.2 Keil C51簡(jiǎn)介 35
4.2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì) 35
4.2.1 仿真系統(tǒng)組成 35
4.2.2 仿真系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 35
4.3 運(yùn)行調(diào)試結(jié)果 36
總 結(jié) 37
參考文獻(xiàn) 38
附錄 40
致 謝 64
5
山西工程技術(shù)學(xué)院----畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
1 緒論
1.1 機(jī)器人概述
機(jī)器人是種能夠進(jìn)行編程，并在自動(dòng)控制下執(zhí)行移動(dòng)作業(yè)任務(wù)或某種操作的機(jī)械裝置。
機(jī)器人技術(shù)綜合了電子工程、機(jī)械工程、人工智能、及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種科學(xué)的最新研究成果，是典型的機(jī)電一體化技術(shù)代表，是在當(dāng)代科技發(fā)展最活躍領(lǐng)域。機(jī)器人的制造研究與應(yīng)用正受到越來(lái)越多的工業(yè)國(guó)家的重視。近十幾年來(lái)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種工業(yè)機(jī)器人的在各個(gè)領(lǐng)域各種用途中獲得廣泛應(yīng)用。
1.2 模塊式六自由度機(jī)器人概述
1.2.1 機(jī)器人分類
關(guān)于機(jī)器人如何分類，在國(guó)際上沒(méi)有制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，有的按控制方式分，有的按負(fù)載重量分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按自由度分。一般的分類方式：多功能，有幾個(gè)自由度，操作型機(jī)器人，能自動(dòng)控制，可固定或運(yùn)動(dòng)，可重復(fù)編程，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)之中。程控型機(jī)器人，按預(yù)先要求的條件及順序，依次控制工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作?！笆窘淘佻F(xiàn)型”機(jī)器人，可以通過(guò)引導(dǎo)或者其它方式，首先教會(huì)機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作，輸入工作程序，則機(jī)器人可自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。感覺(jué)控制型機(jī)器人，通過(guò)傳感器獲取的信息來(lái)控制機(jī)器人的動(dòng)作。數(shù)控型的機(jī)器人，不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過(guò)語(yǔ)言、數(shù)值等對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，根據(jù)機(jī)器人示教后的信息進(jìn)行工作。適應(yīng)控制型機(jī)器人，機(jī)器人能適應(yīng)變化中環(huán)境，控制自身的行動(dòng)。學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人，具有一定的學(xué)習(xí)功能，機(jī)器人能“體會(huì)”工作的經(jīng)驗(yàn)，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗(yàn)用于作業(yè)中。智能型機(jī)器人，以人工智能決定其機(jī)器人的行動(dòng)。
1.2.2 自由度理論概述
自由度的概念:工業(yè)機(jī)器人的空間機(jī)構(gòu)一般都為多關(guān)節(jié)，其運(yùn)動(dòng)副通常有轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副兩種。移動(dòng)關(guān)節(jié)是以移動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)。相應(yīng)地，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)是以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)之中，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)被稱為主動(dòng)關(guān)節(jié)。主動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目就是機(jī)器人的自由度。
由機(jī)械原理可知，機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)確定時(shí)必須所給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)目，稱為機(jī)構(gòu)的自由度（degree of freedom of mechanism），其數(shù)目通常表示為F。如果一個(gè)構(gòu)件組合體自由度F>0，他就可以稱為一個(gè)機(jī)構(gòu)，也就是表明各構(gòu)件間可有相對(duì)的運(yùn)動(dòng)；如果F=0，則表明它是一個(gè)結(jié)構(gòu)（structure），即已退化成為一個(gè)構(gòu)件。機(jī)構(gòu)自由度分為平面的機(jī)構(gòu)自由度和空間的機(jī)構(gòu)自由度。一個(gè)原動(dòng)件只能提供一個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。
1.2.3 模塊式六自由度機(jī)器人的應(yīng)用
六自由度機(jī)器人是一種典型工業(yè)機(jī)器人，在裝配、自動(dòng)搬運(yùn)、噴涂、焊接、等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有廣泛應(yīng)用。固高科技GRB系列的六自由度機(jī)器人是固高先進(jìn)的設(shè)計(jì)與成熟完備的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和教學(xué)理念有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物,它既滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求，也是教學(xué)與科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的理想對(duì)象。?
該機(jī)器人采用六關(guān)節(jié)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各個(gè)關(guān)節(jié)以“精密諧波減速器+絕對(duì)編碼器電機(jī)”為傳動(dòng)。在小臂處留有氣動(dòng)工具、安裝攝像頭等外部設(shè)備的接口，并且提供備用的電氣接口，方便用戶進(jìn)行功能的擴(kuò)展。?
機(jī)器人控制方面，采用集成的PC技術(shù)、邏輯控制、圖像技術(shù)及具有專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的VME運(yùn)動(dòng)控制器，高速高精度，性能可靠穩(wěn)定。
工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人一般是指在工廠車間的環(huán)境中，配合自動(dòng)化生產(chǎn)需要，代替人來(lái)完成零件或材料的加工、裝配、搬運(yùn)等操作的一種工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人定義為:“一種可重復(fù)編程的、自動(dòng)定位控制、多自由度、多功能的操作機(jī)。能搬運(yùn)零件、材料或操持工具，用以完成各種作業(yè)?！?
操作機(jī)被定義為:“具有與人的手臂有相似的動(dòng)作功能，可以在空間抓放物體或者進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置?！?
一個(gè)典型的機(jī)器人系統(tǒng)由通訊接口、本體、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。一般多自由度的串聯(lián)機(jī)器人具有4～6個(gè)的自由度，其中2～3個(gè)自由度用來(lái)決定末端執(zhí)行器在空間的位置，其余的2～3個(gè)自由度用來(lái)決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。
1.3 主要研究?jī)?nèi)容
通過(guò)查閱了大量的文獻(xiàn)資料，并且系統(tǒng)學(xué)習(xí)了機(jī)器人的技術(shù)知識(shí)，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)外的機(jī)器人，主要是對(duì)六自由度機(jī)器人的現(xiàn)狀有了比較詳細(xì)了解。在這個(gè)基礎(chǔ)上，結(jié)合了作者本人設(shè)想，和設(shè)計(jì)工作中需要解決的問(wèn)題，主要進(jìn)行以下幾項(xiàng)工作:
(1) 調(diào)研收集分析有關(guān)六自由度機(jī)器人的資料，總結(jié)其機(jī)構(gòu)與工作特點(diǎn)；
(2) 找到合適六自由度機(jī)器人的機(jī)構(gòu)方案；
(3) 模塊式六自由度機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
(4) 六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真；
(5) 利用動(dòng)力學(xué)分析軟件proteus對(duì)六自由度機(jī)器人模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，對(duì)在設(shè)計(jì)中使用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行探索和嘗試。
2運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
2.1 概述
多自由度機(jī)器人其實(shí)是具有多個(gè)關(guān)節(jié)空間機(jī)構(gòu)，為了描述在空間中末端執(zhí)行器的姿態(tài)和位置，可以建立一個(gè)坐標(biāo)系在每個(gè)關(guān)節(jié)上，利用坐標(biāo)系之間的關(guān)系去描述末端執(zhí)行器的位姿。
建立坐標(biāo)系的方法有很多種，常用的有D一H法(四參數(shù)法)和矩陣變換法及五參數(shù)法等。
D一H法(四參數(shù)法)是由Denavit和Hartenberg1955年提出的一種建立相對(duì)的位姿的矩陣方法。它用齊次變換來(lái)描述各個(gè)連桿相對(duì)于固定的參考系空間幾何關(guān)系，用一個(gè)4x4齊次變換矩陣來(lái)描述相臨兩連桿的空間關(guān)系，從而推導(dǎo)出了“基坐標(biāo)系”相對(duì)于“末端執(zhí)行器坐標(biāo)系”的等價(jià)齊次坐標(biāo)變換矩陣，它把一個(gè)矢量從一個(gè)坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)換到另一個(gè)坐標(biāo)系中，每一個(gè)矩陣可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)作用：平移和旋轉(zhuǎn)。建立操作臂運(yùn)動(dòng)方程。本文中用的D一H法來(lái)建立坐標(biāo)系并且推導(dǎo)該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程。
2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
2.2.1 空間機(jī)構(gòu)位置的描述
1.點(diǎn)的位置描述
空間任一點(diǎn)P的位置在直角坐標(biāo)系｛A｝中可用（3ⅹ1）的位置矢量Ap來(lái)表示如圖2-1為:
圖2-1 點(diǎn)的位置描述
點(diǎn)P的三個(gè)位置坐標(biāo)分量分別是Px、Py、Pz?。
2.點(diǎn)的齊次坐標(biāo)
上述坐標(biāo)用（4ⅹ1）列陣表示，被稱為三維空間點(diǎn)P的齊次坐標(biāo)，比如:
齊次坐標(biāo)是并不唯一的，當(dāng)列陣每一項(xiàng)分別去乘以一個(gè)非零因子ω都表示P點(diǎn)。
3.坐標(biāo)軸方向的描述
在直角坐標(biāo)系中，x,y,z軸的單位向量可用 、 、 表示，則用齊次坐標(biāo)描述x、y、z軸的方向：
規(guī)定：以列陣
且a2+b2+c2=1表示某矢量的方向。如列中的第四個(gè)元素不為零，則表示空間某點(diǎn)的位置。
如圖2-2中矢量 的方向可表示為：
其中a=cosα，b=cosβ，c=cosγ。
圖2-2 坐標(biāo)軸方向的描述
v點(diǎn)坐標(biāo)為：
4.動(dòng)坐標(biāo)系位姿的描述
用位姿矩陣對(duì)坐標(biāo)系各軸方向和動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)位置進(jìn)行描述，例如原始的直角坐標(biāo)系可以描述為：
如描述一個(gè)任意的坐標(biāo)系R，則利用其三個(gè)坐標(biāo)軸x R 、y R 、z R在原始的坐標(biāo)系中表示矢量齊次列陣與列陣[0 0 0 1]T組成。
5.剛體位姿的描述
機(jī)器人的每一個(gè)連桿都可以看做一個(gè)剛體。當(dāng)給定剛體上某一點(diǎn)位置與該剛體在空中的姿態(tài)，于是剛體在空間上的位姿便是唯一確定的了，可用唯一一個(gè)位姿矩陣來(lái)描述。如圖2-3剛體o’x’y’z’是固連于剛體上的一個(gè)坐標(biāo)系，稱為動(dòng)坐標(biāo)系。
剛體Q在固定坐標(biāo)系OXYZ中位置的齊次坐標(biāo)形式為：
圖2-3 剛體的位置和姿態(tài)描述
、 、 分別為x’,y’,z’坐標(biāo)軸的單位向量：
剛體的位姿表示為齊次矩陣：
6.手部位姿的描述
如圖2-4機(jī)器人手的位姿可用固連于手的坐標(biāo)系{B}的位姿表示
圖2-4 機(jī)器人手部的位置和姿態(tài)描述
（1）原點(diǎn)：手部中心點(diǎn)為原點(diǎn)OB
（2）接近矢量：關(guān)節(jié)軸方向的單位向量
（3）姿態(tài)矢量：手指連線方向的矢量
（4）法相矢量：
即法向矢量同時(shí)垂直于姿態(tài)矢量和接近矢量。手部位置矢量為從固定參考坐標(biāo)系OXYZ原點(diǎn)指向手部坐標(biāo)系{B}原點(diǎn)矢量P，手部的位姿矩陣為：
7.目標(biāo)物位姿的描述
任何一種物體在空間中的位置和姿態(tài)都可以用齊次矩陣表示。圖2-5楔塊Q的情況可用6個(gè)點(diǎn)來(lái)描述：
使Q ①繞z軸旋轉(zhuǎn)90°：Rot（z，90°）
②再繞y軸旋轉(zhuǎn)90°：Rot（y，90°）
③再沿x軸方向平移4：Trans（4，0，0）
楔塊變?yōu)閳D（b）狀態(tài)。
圖2-5 目標(biāo)物的位置和姿態(tài)描述
2.2.2 空間機(jī)構(gòu)中兩任意坐標(biāo)系的變換關(guān)系
剛體的旋轉(zhuǎn)、平移運(yùn)動(dòng)均可由齊次變換矩陣來(lái)表示，剛體變換后的位姿由其原始描述矩陣乘以齊次變換矩陣而得到。
1.平移的齊次變換
如圖2-6，A點(diǎn)（x，y，z）平移至A’（x’，y’，z’）
即：
記為：
其中 稱為平移算子。
圖2-6 點(diǎn)的平移變換
2. 旋轉(zhuǎn)的齊次變換
如圖2-7，A點(diǎn)繞z軸旋轉(zhuǎn) 角后移至A’，即
圖2-7 點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)變換
推導(dǎo)：設(shè)A點(diǎn)在xoy平面上投影的長(zhǎng)度為r，與x軸夾角為α。
則
即 z坐標(biāo)未變，故z’=z寫(xiě)成矩陣形式為
記為
同理：
圖2-8中 為任意過(guò)原點(diǎn)的單位矢量，其在三個(gè)坐標(biāo)軸上分量為kx，ky，kz，且 。若A點(diǎn)繞 旋轉(zhuǎn)θ角，則可以證明，其旋轉(zhuǎn)齊次變換矩陣為
Rot（k,θ）
圖2-8 點(diǎn)的一般旋轉(zhuǎn)變換
2.2.3 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程
齊次變換矩陣Ai表示可連桿i坐標(biāo)系相對(duì)于連桿坐標(biāo)系i-1位姿變換矩陣。例如A1表示連桿1相對(duì)連桿0（基座），A2矩陣表示連桿1坐標(biāo)系相對(duì)于連桿1坐標(biāo)系的位姿變換。連桿2相對(duì)固定坐標(biāo)系的位姿可用A2 和A1 的乘積表示T2=A1A2
依此類推, 對(duì)于六連桿機(jī)器人，于是有下列矩陣：T6=A1A2A3A4A5A6，上述等式稱為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。Ｔ６表示手部坐標(biāo)相對(duì)于固定參考系的位姿。
或前三列表示手部的姿態(tài)；
或第四列表示手部中心點(diǎn)的位置。
2.3 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
2.3.1 機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)
機(jī)構(gòu)模型如圖2-9、圖2-10所示：
圖2-9 機(jī)構(gòu)模型
圖2-10 機(jī)構(gòu)模型
根據(jù)模型尺寸，姿態(tài)連桿長(zhǎng)度分別為49、50、123。位置的初始值為：
設(shè)兩個(gè)移動(dòng)裝置的傳動(dòng)比為；所有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為。各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)角位。
2.3.2 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程
前三個(gè)關(guān)節(jié)確定了末端的主要位置。以初始狀態(tài)的小臂方向?yàn)檩S正方向；大臂伸長(zhǎng)方向?yàn)檩S正方向，建立空間坐標(biāo)系。
則初始狀態(tài)位置方程為：
位姿方程為：
第四關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)齊次變換矩陣為：
第四關(guān)節(jié)的移動(dòng)變換矩陣為：
第五關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)齊次變換矩陣中設(shè)為旋轉(zhuǎn)的環(huán)繞單位矢量，、、分別為、、軸的三個(gè)分量。則：，，。
所以：
第六關(guān)節(jié)的移動(dòng)矩陣：
3 模塊式六自由度機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 總體控制方案設(shè)計(jì)
如前所述，該機(jī)器人可用于制造車間的物流系統(tǒng)中工件的裝夾、搬運(yùn)和日常生活中的看護(hù)、持物等。要求工作范圍大，動(dòng)作靈活，被夾持物應(yīng)具有多種多樣姿態(tài)，自由度為6個(gè)，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。則本設(shè)計(jì)方案如圖3-1所示：
圖3-1 總體方案
3.2 步進(jìn)電機(jī)選取及控制設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)是一種進(jìn)行精確的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)電執(zhí)行元件，它可廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械中的數(shù)字控制，為使系統(tǒng)的通用性、可維護(hù)性、可靠性以及性價(jià)比最優(yōu)，根據(jù)控制系統(tǒng)功能的要求及步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境，確定了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件與軟件的功能劃分，從而實(shí)現(xiàn)了基于8051 單片機(jī)的四相步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。
3.2.1 步進(jìn)電機(jī)原理及控制技術(shù)
步進(jìn)電機(jī)是種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成了直線或角位移的執(zhí)行元件，它是不能直接接到交直流電源上的，而必須使用專業(yè)的設(shè)備——步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)：控制器可以發(fā)出從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖頻率脈沖信號(hào)，它為環(huán)形分配器來(lái)提供脈沖序列，環(huán)形分配器的功能主要是把來(lái)自控制環(huán)節(jié)的脈沖按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過(guò)功率放大器放大加到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源各項(xiàng)輸入端，用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，環(huán)形的分配器主要有兩大類：一類用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器的要求功能，通常稱為軟環(huán)形分配器。另一類則是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要是對(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的目的，步進(jìn)電機(jī)基本控制包括速度控制和轉(zhuǎn)向控制兩個(gè)方面。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，步進(jìn)電機(jī)分為三相六拍、三相單三拍和三相雙三拍3種，其基本原理如下：
（1）換相順序的控制
通電換相這一過(guò)程被稱為脈沖分配。例如，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在單三拍工作方式下，其各相通電的順序?yàn)?A→B→C→A，通電控制脈沖必須嚴(yán)格的按照這一順序，分別控制 A、B、C 相的通斷。三相六拍的通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CA→A，三相雙三拍通電順序?yàn)?AB→BC→CA→AB。
（2）步進(jìn)電機(jī)的換向控制
如果給定的工作方式正序換相通電，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。若步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁方式為三相六拍，也就是 A→AB→B→BC→C→CA→A。如果是按反序通電換相，則A→AC→C→CB→B→BA→A，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式的情況類似。
（3）步進(jìn)電機(jī)的速度控制
如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送一個(gè)控制脈沖，它就會(huì)轉(zhuǎn)一步，再發(fā)送一個(gè)脈沖，它就會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)得越快。調(diào)整送給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖頻率，就能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。
（4）步進(jìn)電機(jī)的起?？刂?
由于步進(jìn)電機(jī)的電氣特性，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)有步進(jìn)感。為了使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，減小振動(dòng)，則可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖上升沿和下降沿采用細(xì)分梯形波，可以減小步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角，跳過(guò)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。則在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，為防止因慣性而使電機(jī)軸來(lái)產(chǎn)生順滑，則需要采用合適的鎖定波形，來(lái)產(chǎn)生鎖定磁力矩和鎖定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，促使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由的轉(zhuǎn)動(dòng)。
（5）步進(jìn)電機(jī)的加減速控制
通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，如果信號(hào)變化的太快，步進(jìn)電機(jī)則由于慣性而跟不上電信號(hào)變化，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)與失步現(xiàn)象。所有的步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，必須具有加速過(guò)程，在停止時(shí)波形時(shí)有減速過(guò)程。理想加速曲線一般是指數(shù)曲線，步進(jìn)電機(jī)的整個(gè)降速過(guò)程的頻率變化規(guī)律是整個(gè)加速過(guò)程的頻率變化規(guī)律逆過(guò)程。選定的曲線符合步進(jìn)電機(jī)的升降過(guò)程的運(yùn)行規(guī)律，并且能充分利用步進(jìn)電機(jī)快速響應(yīng)性好，有效轉(zhuǎn)矩，縮短了升降速的時(shí)間，并且可防止過(guò)沖和失步現(xiàn)象。在一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)之中，要根據(jù)負(fù)載情況來(lái)選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能夠響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率被稱為“啟動(dòng)頻率”，于此類似的“停止頻率”則是指系統(tǒng)控制信號(hào)的突然關(guān)斷，步進(jìn)電機(jī)不能沖過(guò)目標(biāo)位置最高步進(jìn)頻率。電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、停止頻率和啟動(dòng)頻率都要與負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng)，擁有了這些數(shù)據(jù)，才能有效對(duì)電機(jī)進(jìn)行加減速的控制。加速過(guò)程有突然的施加脈沖啟動(dòng)頻率。步進(jìn)電機(jī)最高啟動(dòng)頻率（突跳頻率）一般為 0.1KHz 到 3~4KHz之間，而最高運(yùn)行頻率則可達(dá)到 N*102KHz，如果超過(guò)最高啟動(dòng)頻率直接啟動(dòng)，則會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。
3.2.2 步進(jìn)電機(jī)的換向控制
步進(jìn)電機(jī)在換向時(shí)，一定要在電機(jī)降到突跳頻率范圍之內(nèi)或降速停止再換向，以免產(chǎn)生較大沖擊而損壞電機(jī)。換向的信號(hào)一定要在前一個(gè)方向最后一個(gè)脈沖結(jié)束后，下一個(gè)方向第一個(gè)脈沖前發(fā)出。對(duì)于脈沖設(shè)計(jì)主要的要求其有一定的脈沖序列、脈沖寬度的均勻度與高低電平方式。在某一高速下正、反向切換實(shí)質(zhì)包含降速、換向、加速這3 個(gè)過(guò)程。
3.2.3 典型的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)
如圖3-2所示
圖3-2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制框圖
3.2.3 硬件設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)電路原理如圖3-3所示
圖3-3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)電路原理圖
AT89C51將控制脈沖從P1口的P1.4～P1.7輸出，經(jīng)74LS14反相后進(jìn)入9014，經(jīng)9014放大后控制光電開(kāi)關(guān)，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號(hào)進(jìn)行電壓和電流放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組。使步進(jìn)電機(jī)隨著不同的脈沖信號(hào)分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動(dòng)作。圖中L1為步進(jìn)電機(jī)的一相繞組。AT89C2051選用頻率22MHz的晶振，選用較高晶振的目的是為了在方式2下盡量減小AT89C2051對(duì)上位機(jī)脈沖信號(hào)周期的影響。
圖4-3中的RL1～RL4為繞組內(nèi)阻，50Ω電阻是一外接電阻，起限流作用，也是一個(gè)改善回路時(shí)間常數(shù)的元件。D1～D4為續(xù)流二極管，使電機(jī)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)通過(guò)續(xù)流二極管(D1～D4)而衰減掉，從而保護(hù)了功率管TIP122不受損壞。
在50Ω外接電阻上并聯(lián)一個(gè)200μF電容，可以改善注入步進(jìn)電機(jī)繞組的電流脈沖前沿，提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200Ω電阻可減小回路的放電時(shí)間常數(shù)，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時(shí)間變小，也起到提高高頻工作性能的作用。
3.2.3 步進(jìn)電機(jī)的選取
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用57BYGH803B系列下的57BYGH803B四相5線步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的功能主要分為三部分，第一部分由三個(gè)電機(jī)控制，包括從基座開(kāi)始的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和兩個(gè)移動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器人的位置控制。第二部分由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副構(gòu)成，負(fù)責(zé)控制機(jī)械手的姿態(tài)。第三部分負(fù)責(zé)控制末端機(jī)械手夾持裝置。
圖3-2 步進(jìn)電機(jī)
電機(jī)參數(shù)如下：
步距角：Step Angle 1.8deg
環(huán)境溫度：Ambient Temperature -10~+55℃
絕緣等級(jí)：Insulation Class B
圖3-3 步進(jìn)電機(jī)接線圖
圖3-4 步進(jìn)電機(jī)尺寸圖
3.3 ULN2003驅(qū)動(dòng)器
ULN2003是美國(guó)Texas Instruments公司與Sprague公司開(kāi)發(fā)高壓的大電流達(dá)林頓晶體管陣列的電路。它的組成是由7對(duì)NPN達(dá)林頓管，它的高電壓輸出特性與陰極箝位二極管可以轉(zhuǎn)換感應(yīng)的負(fù)載。單個(gè)達(dá)林頓對(duì)集電極電流是500mA。達(dá)林頓管的并聯(lián)可以承受更大電流。此電路主要應(yīng)用于字錘驅(qū)動(dòng)器，燈驅(qū)動(dòng)器，繼電器驅(qū)動(dòng)器，線路驅(qū)動(dòng)器，邏輯緩沖器和顯示驅(qū)動(dòng)器（LED氣體放電）。具有帶負(fù)載能力強(qiáng)、溫度范圍寬、工作電壓高、電流增益高等特點(diǎn),適于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其各項(xiàng)的參數(shù)如下所示：
圖3-5 ULN2003驅(qū)動(dòng)器
圖3-6 ULN2003驅(qū)動(dòng)器邏輯框圖
引出段序號(hào)
符號(hào)
功能
引出端序號(hào)
符號(hào)
同意功能
1
1B
輸入
9
COM
公共端
2
2B
輸入
10
7C
輸出
3
3B
輸入
11
6C
輸出
4
4B
輸入
12
5C
輸出
5
5B
輸入
13
4C
輸出
6
6B
輸入
14
3C
輸出
7
7B
輸入
15
2C
輸出
8
E
發(fā)射極
16
1C
輸出
表3-1 引出端功能符號(hào)
極限參數(shù)
參數(shù)
符號(hào)
參數(shù)范圍
單位
集電極和發(fā)射極之間的電壓
VCE
50
V
輸入電壓
VI
30
A
集電極電流峰值
IO
500
mA
總的發(fā)射端電流
IOK
500
mA
功率消耗
Pd
950Tamb=25
mV
工作溫度
TOPr
-20+85
oC
儲(chǔ)存溫度
Tstg
-65+150
0C
表3-2 ULN2003驅(qū)動(dòng)器極限參數(shù)
3.4 單片機(jī)的概述
單片機(jī)（single-chip microcomputer）是把微型計(jì)算機(jī)主要部分集成在一塊芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)的芯片上集成了中央處理單元CPU，只讀存儲(chǔ)器ROM,定時(shí)/計(jì)數(shù)器，并行和穿行輸入/輸出接口等。由于單片機(jī)的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)傳送距離，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)配置，大大提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度，同時(shí)它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制要求，所以單片機(jī)在工業(yè)控制及設(shè)備控制中得到可廣泛的應(yīng)用。
目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。下面是單片機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)。
CMOS化? CMOS電路的特點(diǎn)是低功耗、高密度、低速度、低價(jià)格。采用雙極型半導(dǎo)體工藝的TTL電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工藝。
低功耗化? 單片機(jī)的功耗已從Ma級(jí)，甚至1uA以下；使用電壓在3~6V之間，完全適應(yīng)電池工作。低功耗化的效應(yīng)不僅是功耗低，而且?guī)?lái)了產(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。
低電壓化? 幾乎所有的單片機(jī)都有WAIT、STOP等省電運(yùn)行方式。允許使用的電壓范圍越來(lái)越寬，一般在3~6V范圍內(nèi)工作。低電壓供電的單片機(jī)電源下限已可達(dá)1～2V。目前0.8V供電的單片機(jī)已經(jīng)問(wèn)世。
低噪聲與高可靠性? 為提高單片機(jī)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。
大容量化? 以往單片機(jī)內(nèi)的ROM為1KB～4KB，RAM為64～128B。但在需要復(fù)雜控制的場(chǎng)合，該存儲(chǔ)容量是不夠的，必須進(jìn)行外接擴(kuò)充。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要求，運(yùn)用新的工藝，使片內(nèi)存儲(chǔ)器大容量化。目前，單片機(jī)內(nèi)ROM最大可達(dá)64KB，RAM最大為2KB。
高性能化? 主要是指進(jìn)一步改進(jìn)CPU的性能，加快指令運(yùn)算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運(yùn)行速度。
小容量、低價(jià)格化? 與上述相反，以4位、8位機(jī)為中心的小容量、低價(jià)格化也是發(fā)展動(dòng)向之一。這類單片機(jī)的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產(chǎn)品。
外圍電路內(nèi)裝化? 這也是單片機(jī)發(fā)展的主要方向。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種外圍功能器件集成在片內(nèi)。除了一般必須具有的CPU、ROM、RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等以外，片內(nèi)集成的部件還有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時(shí)器、液晶顯示驅(qū)動(dòng)器、彩色電視機(jī)和錄像機(jī)用的鎖相電路等。
串行擴(kuò)展技術(shù)? 在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，通用型單片機(jī)通過(guò)三總線結(jié)構(gòu)擴(kuò)展外圍器件成為單片機(jī)應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。隨著低價(jià)位OTP（One Time Program）及各種類型片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的發(fā)展，加之外圍接口不斷進(jìn)入片內(nèi)，推動(dòng)了單片機(jī)“單片”應(yīng)用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。特別是I C、SPI等串行總線的引入，可以使單片機(jī)的引腳設(shè)計(jì)得更少，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化及規(guī)范化。
3.5 89C51系列控制單片機(jī)設(shè)計(jì)與選擇
選擇ATMEL公司的AT89C2051單片機(jī)
1. AT89C2051性能及特點(diǎn)
AT89C2051（以下簡(jiǎn)稱 2051）是一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制器芯片，片內(nèi)帶2KB的快閃可編程及可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM）。它與MCS－51指令系統(tǒng)兼容，片內(nèi)FPEROM允許對(duì)程序存儲(chǔ)器在線重新編程，也可用常規(guī)的EPROM編程器編程。ATMEL的205l將具有多種功能的8位CPU與FPEROM結(jié)合在同一芯片上，為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了高度靈活且價(jià)格適宜的方案。
2051還增加了在零頻下工作的靜態(tài)邏輯方式及兩種軟件可選的省電模式。其中，在閑置模式下，CPU停止工作，但RAM、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)仍然在工作。在掉電模式下，只保存RAM的內(nèi)容，振蕩器停振，關(guān)閉芯片的所有其他功能，直到下一次硬件復(fù)位為止。
2. AT89C2051主要性能
（1）與MCS－5l產(chǎn)品兼容。
（2）2KB的在線可重復(fù)編程快閃存儲(chǔ)器，壽命可達(dá)1000次寫(xiě)／擦除周期。
（3）寬工作電壓范圍：2.7V～6V。
（4）全靜態(tài)工作方式：0Hz～24MHz。
（5）兩級(jí)程序存儲(chǔ)器加密。
（6）128×8位SRAM。
（7）15條可編程I／O線。
（8）2個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器。
（9）5個(gè)中斷源。
（10）可編程串行通道。
（11）可直接驅(qū)動(dòng)LED。
（12）有片內(nèi)精密模擬比較器，具備低功耗的閑置與掉電模式。
3. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳
2051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，引腳分布如圖2-4所示。引腳功能說(shuō)明如下：
Vic —— 供電電源。
GND —— 電路地。
P1口 —— 為雙向8位I／O端口。P1.2～P1.7引腳有內(nèi)部上拉電阻，P1.0和P1.1需要外部上拉電阻。P1.0和P1.l還作為模擬比較的正輸入端和負(fù)輸入端，與片內(nèi)精密模擬比較器相連。P1口輸出緩沖器能吸收20mA灌入電流并可直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。當(dāng)向端口P1寫(xiě)入電平“1”時(shí)，可作為輸入引腳。因?yàn)镻1.2～P1.7有內(nèi)部上拉的作用，此時(shí)若有外電路作為輸入，引腳會(huì)向外灌電流（IIL）。P1口在快閃編程與校驗(yàn)功能中還承擔(dān)數(shù)據(jù)代碼接收任務(wù)。
P3口 —— P3口只有7位P3.0～P3.5和P3.7（其中P3.7引腳具有內(nèi)部上拉電路）。P3.6為內(nèi)部比較器輸出，無(wú)外部引腳。2051無(wú)RD和WR控制信號(hào)，P3.7為一般I／O線。P3口輸出緩沖器能吸收20mA灌入電流，當(dāng)向端口P3寫(xiě)入電平“1”時(shí)，可用作輸入端口。因?yàn)閮?nèi)部上拉作用當(dāng)P3口有外部低電平做輸入時(shí)，引腳向外產(chǎn)生灌電流（IIL）。P3口也提供2051的第二功能，如表2-2所示。P3在快閃編程與校驗(yàn)功能中還可接收某些控制信號(hào)。
圖2-3 AT89C2051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
圖2-4 AT89C2051封裝引腳配置圖
表2-2 P口提供的第二功能3
P3口線
第二功能
P3.0
RXD(串口輸入)
P3.1
TXD(串口輸出)
P3.2
INT0(外部中斷0)
P3.3
INT1(外部中斷1)
P3.4
T0(外部定時(shí)輸入0)
P3.5
T1(外部定時(shí)輸入1)
RST —— 復(fù)位輸入端。振蕩器工作時(shí)，該引腳上兩個(gè)機(jī)器周期的高電平可復(fù)位2051。每個(gè)機(jī)器周期為12個(gè)振蕩周期（或稱時(shí)鐘周期）。
XTAL1 —— 振蕩器反相放大器內(nèi)部工作時(shí)鐘電路輸入端。
XTAL 2 —— 振蕩器反相放大器的輸出端。
3.5.1 AT89C51簡(jiǎn)介
AT89C51單片機(jī)是一種集成電路的芯片，是采用超大規(guī)模的集成電路技術(shù)把有數(shù)據(jù)處理能力中央處理器CPU、只讀存儲(chǔ)器ROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器、多種I/O口和中斷系統(tǒng)等功能（可能還包括脈寬調(diào)制電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路、A/D轉(zhuǎn)換器等電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器）集成到一塊硅片上構(gòu)成一個(gè)小而完善微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域上有廣泛的應(yīng)用。
AT89C51是一種低功耗、高性能的片內(nèi)含有4KB快閃可編程／擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory) 8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并且與80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的FPEROM允許在線編程或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對(duì)程序存儲(chǔ)器重復(fù)編程。AT89C51（以下簡(jiǎn)稱 89C51）將具有多種功能的8位 CPU與FPEROM結(jié)合在一個(gè)芯片上，為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了非常靈活而又價(jià)格適宜的方案，其性能價(jià)格比較高。
1.89C51性能及特點(diǎn)
89C51的主要性能包括：
（1）與MCS－51微控制器產(chǎn)品系列兼容。
（2）片內(nèi)有4KB可在線重復(fù)編程的快閃擦寫(xiě)存儲(chǔ)器（Flash Memory）。
（3）存儲(chǔ)器可循環(huán)寫(xiě)入／擦除1000次。
（4）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間為10年。
（5）寬工作電壓范圍：Vic可為2.7V～6V。
（6）全靜態(tài)工作：可從0Hz至16MHz。
（7）程序存儲(chǔ)器具有3級(jí)加密保護(hù)。
（8）128×8位內(nèi)部RAM。
（9）32條可編程I／O線。
（10）兩個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器。
（11）中斷結(jié)構(gòu)具有5個(gè)中斷源和2個(gè)優(yōu)先級(jí)。
（12）可編程全雙工串行通道。
（13）空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲(chǔ)內(nèi)容。
2 .片內(nèi)快閃存儲(chǔ)器 （Flash Memory）
表2-1幾種典型EEPROM芯片主要性能
號(hào)型
2816
2816A
1287
2817A
2864A
取數(shù)時(shí)間/ms
250
200/250
250
200/250
250
擦/寫(xiě)電壓/V
21
5
21
5
5
字節(jié)擦除時(shí)間/ms
10
9~15
10
10
10
寫(xiě)入時(shí)間/ms
10
9~15
10
10
10
由于EEPROM具有在線改寫(xiě)，并在掉電后仍能保存數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，可為用戶的特殊應(yīng)用提供便利。但是，擦除和寫(xiě)入對(duì)于要求數(shù)據(jù)高速吞吐的應(yīng)用還顯得時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這是EEPROM芯片的主要缺陷。表2-1列出了幾種典型EEPROM芯片的主要性能數(shù)據(jù)。
3. AT89C51硬件結(jié)構(gòu)及引腳
圖2-1 AT89C51內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
AT89C51的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。除程序存儲(chǔ)器由FPEROM取代了80C5l的EPROM外，其余部分完全相同。
AT89C51的引腳與80C51的引腳也是完全兼容的，其引腳配置如圖2-2所示。各引腳對(duì)應(yīng)的功能簡(jiǎn)要介紹如下：
圖2-2 AT89C51的引腳
Voss —— 接地。
Vic —— 電源端，接＋５Ｖ。
P0.0～0.7 —— P0口是開(kāi)漏雙向口可以寫(xiě)為1使其狀態(tài)為懸浮用作高阻輸入，P0也可以在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)作地址的低字節(jié)，在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)作數(shù)據(jù)總線，此時(shí)通過(guò)內(nèi)部強(qiáng)上拉輸出1。P0口每位可以能驅(qū)動(dòng)８?jìng)€(gè)ＬＳ型ＴＴＬ負(fù)載。
P1.0～1.7 —— P1口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O口，向P1口寫(xiě)入1時(shí)P1口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時(shí)被外部拉低的P1口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流。P１口每位可以能驅(qū)動(dòng)４個(gè)ＬＳ型ＴＴＬ負(fù)載。
P2.0～2.7 —— P2口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O口，向P2口寫(xiě)入1時(shí)P2口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時(shí)，被外部拉低的P2口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)時(shí)分別作為地址高位字節(jié)和16位地址，此時(shí)通過(guò)內(nèi)部強(qiáng)上拉傳送1。當(dāng)使用8位尋址方式訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P２口每位可以能驅(qū)動(dòng)４個(gè)ＬＳ型ＴＴＬ負(fù)載。
P3.0～3.7 —— P3口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O口，向P3口寫(xiě)入1時(shí)P3口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時(shí)被外部拉低的P3口，會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流。P３口每位可以能驅(qū)動(dòng)４個(gè)ＬＳ型ＴＴＬ負(fù)載。P3 口還具有以下特殊功能：
Red(p3.0) —— 串行輸入口
Tad(P3.1) —— 串行輸出口
INT0(P3.2) —— 外部中斷0
INT1(P3.3) —— 外部中斷
T0(P3.4) —— 定時(shí)器0 外部輸入
T1(P3.5) —— 定時(shí)器1 外部輸入
WR(P3.6) —— 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)
RD(P3.7) —— 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)
RST —— 復(fù)位。當(dāng)晶振在運(yùn)行中只要復(fù)位管腳出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期高電平，即可復(fù)位內(nèi)部。有擴(kuò)散電阻連接到Voss，僅需要外接一個(gè)電容到Vic即可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。
ALE —— 地址鎖存使能。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，輸出脈沖鎖存地址的低字節(jié)，在正常情況下，ALE 輸出信號(hào)恒定為1/6 振蕩頻率并可用作外部時(shí)鐘或定時(shí)。
PSEN —— 程序存儲(chǔ)使能。當(dāng)執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器代碼時(shí)，PSEN每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，PSEN無(wú)效。訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)，PSEN無(wú)效。
EA/App. —— 外部尋址使能/編程電壓。在訪問(wèn)整個(gè)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)EA必須外部置低，如果EA為高時(shí)將執(zhí)行內(nèi)部程序，除非程序計(jì)數(shù)器包含大于片內(nèi)FLASH的地址。該引腳在對(duì)FLASH編程時(shí)，接5V/12V編程電壓(App)，如果保密位1已編程，EA在復(fù)位時(shí)由內(nèi)部鎖存。
XTAL1 —— 反相振蕩放大器輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路輸入。
XTAL2 —— 反相振蕩放大器輸出。
3.5.2 AT89C51最小系統(tǒng)
單片機(jī)是最小系統(tǒng),或者稱為最小的應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少元件組成的單片機(jī)能夠工作的系統(tǒng).?對(duì)于51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō),最小的系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:電源、單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。如圖3-8所示：
1、 單片機(jī)：89C51單片機(jī)一片。
2、 電源：5V直流電源1個(gè)。
3、 晶振電路：包括12MHz晶振1只、30pF瓷片電容2只。
4、復(fù)位電路：10uF電解電容1只，4k7電阻1只。
圖3-8 電路圖
（注：上圖中/EA（31引腳）也可直接連接電源VCC，2k電阻可去除）
3.5.3 AT89C51系統(tǒng)設(shè)計(jì)
對(duì)于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要控制對(duì)象是ULN2003與四相步進(jìn)電機(jī)。采用的是手動(dòng)按鍵控制。其中的6個(gè)步進(jìn)電機(jī)與6個(gè)控制器，分別需要12個(gè)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的控制。但是由于51點(diǎn)評(píng)及管腳限制，所以按鍵應(yīng)采用分狀態(tài)設(shè)計(jì)。如圖3-10所示：
圖3-9 時(shí)鐘電路
圖3-10 分狀態(tài)設(shè)計(jì)圖
圖3-11 復(fù)位電路
圖3-12 驅(qū)動(dòng)器控制電路
4 模塊式六自由度機(jī)器人控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)
4.1 仿真軟件概述
4.1.1 protues簡(jiǎn)介
Protues軟件是英國(guó)的Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不只具有其它EDA工具軟件仿真功能，并且能仿真單片機(jī)及外圍器件。Proteus是世界上著名EDA工具(仿真軟件)，從代碼調(diào)試、原理圖布圖到單片機(jī)和外圍電路的協(xié)同仿真，一鍵切換到了PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品完整設(shè)計(jì)。在編譯的方面，它也支持Keil、MATLAB和IAR等多種編譯。
4.1.2 Keil C51簡(jiǎn)介
keil uvision2 C51軟件是目前功能最強(qiáng)大單片機(jī)的c語(yǔ)言集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。Keil C51是美國(guó)的Keil Software公司出品51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在結(jié)構(gòu)性、功能上、可維護(hù)性、可讀性上有明顯優(yōu)勢(shì)，。Keil C51軟件能提供豐富的庫(kù)函數(shù)與功能強(qiáng)大集成開(kāi)發(fā)調(diào)試的工具，全Windows界面。
4.2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.2.1 仿真系統(tǒng)組成
基于protues的單片機(jī)仿真系統(tǒng)主要由兩部分組成：程序、硬件系統(tǒng)。程序部分默認(rèn)讀取格式為ASM。但本設(shè)計(jì)采用C環(huán)境下的51單片機(jī)編程控制。所以在Keil C51中生成*.HEX文件。將HEX結(jié)果文件燒錄仿真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)仿真控制。
4.2.2 仿真系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)程序分為三部分。
第一部分第一各個(gè)需要的頭文件和宏。四個(gè)數(shù)組分別代表了51單片機(jī)控制四相步進(jìn)電機(jī)需要的四種不同的正反轉(zhuǎn)時(shí)序。
第二部分為定義延時(shí)函數(shù)，程序代碼如下：
第三部分是主函數(shù)，程序代碼如下：
主函數(shù)在大循環(huán)while中不斷判斷按鍵狀態(tài)，如果滿足相應(yīng)的狀態(tài)則進(jìn)入電機(jī)運(yùn)行程序。并且不斷循環(huán)，直到監(jiān)測(cè)按鍵狀態(tài)變化。
4.3 運(yùn)行調(diào)試結(jié)果
運(yùn)行調(diào)試結(jié)果如圖4-1所示，在位置狀態(tài)下控制6個(gè)按鍵分別調(diào)整位置的各個(gè)參數(shù)。當(dāng)狀態(tài)變換到姿態(tài)下時(shí)，6個(gè)按鍵中四個(gè)控制姿態(tài)。兩個(gè)控制夾持電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。
圖4-1 運(yùn)行調(diào)試結(jié)果
總 結(jié)
本文閱讀了大量的文獻(xiàn)資料，從我國(guó)六自由度機(jī)器人的研究運(yùn)用現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合已有的六自由度機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，軌跡規(guī)劃，仿真分析，控制系統(tǒng)四個(gè)方面做了比較詳細(xì)的研究。全文結(jié)論如下：
1. 分析了國(guó)內(nèi)六自由度機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和研究方向，以及我國(guó)發(fā)展六自由度機(jī)器人的必要性。
2. 根據(jù)六自由度機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，利用D-H表示法對(duì)六自由度機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上建立了六自由度機(jī)器人的變換矩陣，推導(dǎo)出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的正逆解，并根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，推出機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)范圍，給出機(jī)器人的工作空間。
3. 在protues環(huán)境下，建立了機(jī)器人仿真模型，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，對(duì)正逆解的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。并給出了機(jī)器人在空間中繪制矩形的仿真實(shí)例。
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