平面三关节机械手控制系统的设计与实现

摘要

随着信息技术的飞速发展，自动化已经成为21世纪制造业发展的重要趋势。机器人是先进制造领域不可缺少的自动化设备，其应用状况是一个国家工业自动化水平的重要标志。模拟工业机器人来开发教学机器人系统是一个机器人研究很需要重视的领域，它作为机器人技术、计算机技术和机电一体化技术教育的教学工具，对人才培养和高新技术的推广应用有很重要的意义。 本文研究的是典型机器人系统一平面三关节机械手。首先，对机械手系统的组成、结构和控制方式进行分析。在此基础上，通过建立机械手的运动学模型对其典型运动学问题进行了研究，为后续控制问题的展开提供了参考依据。其次，重点研究了机器人控制系统的实现模式，制定了控制系统总体方案。详细阐述了下位机控制系统硬件和软件设计过程。下位机系统硬件以单片机和LM629运动控制芯片为核心，包括单片机最小系统电路，手臂、手腕关节位置控制电路和限位信号检测电路等单元。充分利用单片机的丰富资源和LM629内部集成的数字式运动控制器的功能，简化了控制系统硬件结构，保证了控制精度，易于实现机械手关节位置控制的要求。系统软件采用模块化的设计思想，分为初始化、主程序和子程序三个模块，实现了对机械手各关节的实时控制。最后，对本文的工作做了总结，指出了工作的成果及意义，并对今后的进一步工作进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1机械手技术概述

1.2机械手的历史、现状

1.3机械手的发展趋势

1.4课题来源及研究意义

1.5主要完成的工作

第二章机械手系统概述

2.1机械手系统组成

2.2机械手本体结构设计

2.3控制系统结构分析

2.3.1控制结构

2.3.2机械手的控制系统结构

2.4本章小结

第三章三关节机械手运动学分析

3.1手部的位姿

3.2齐次坐标系的建立

3.3机器人正运动学分析

3.4机器人逆运动学分析

3.4.1求解大臂关节变量θ1

3.4.2求解小臂关节变量θ2

3.4.3求解手腕关节变量d3

3.5本章小结

第四章下位机控制系统硬件设计

4.1下位机控制系统方案设计

4.1.1位置检测的方法

4.1.2位置控制系统的组成和原理

4.2单片机最小系统设计

4.2.1单片机选型和Cygnal单片机介绍

4.2.2可编程数字I/O引脚分配

4.2.3基于C8051F023的单片机最小系统

4.3手臂运动控制

4.3.1运动控制芯片LM629介绍

4.3.2基于LM629的手臂运动控制设计

4.4手腕升降控制

4.5限位信号输入

4.6串口通信

4.6.1串口通讯标准

4.6.2接口应用

4.7本章小结

第五章下位机控制系统软件分析与设计

5.1设计思想

5.2初始化模块

5.2.1单片机初始化

5.2.2 LM 629初始化

5.3主程序模块

5.4子程序模块

5.4.1定时器中断程序

5.4.2外部中断程序

5.4.3串口通讯程序

5.5控制算法

5.5.1 PID控制算法

5.5.2控制系统程序实现

5.5.3 PID参数编程和选取

5.6本章小结

第六章总结

参考文献

致谢

作者简介