三角机器人控制系统设计及仿真-毕业论文

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摘 要

三角机器人是在许多行业中扮演着十分重要的角色。通常，三角机器人主要结构为机构本体和控制系统。控制系统主要由主控制部分、运动控制部分、驱动部分、通信部分、电源部分以及辅助单元组成。本文将介绍三角机器人不同的控制方法以及三角机器人如何在单片机的控制下，通过控制电机的转动，从而控制三角机器人进行送料、贴标等类似的工作。本文设计的三角机器人的控制系统操作简单，成本低，且可以根据实际需求修改程序从而适应不同的生产要求。 关键词：三角机器人；控制系统；电路图；仿真

Design and simulation of control system of Delta robot

Abstract

Delta robot is an important part of many industries.It has been proved that

delta robot is composed of the mechanism and control system which consists of the main control module, the motion control module, the driving module, the communication module, the power module and the auxiliary unit. This essay will introduce the different control methods of Delta robot and How to control the rotation of the motor controlled by the chip microcomputer, ensuring simple tasks such as pay-off and marking are completed by robots. The control system of the triangle robot designed in this paper is simple to operate, budget, and can be modified according to the actual needs to adapt to different production requirements.

Keywords: Delta robot; control system; circuit diagram; simulation

目录

1、三角机器人控制系统设计概述 ....................................................................................................................... 1

1.1、三角机器人发展与现状 ....................................................................................................................... 1

1.2、本设计的设计目的、意义及技术要求 ............................................................................................... 3 1.3、本设计应解决的主要问题 ................................................................................................................... 3 2、三角机器人控制系统设计 ............................................................................................................................... 4

2.1、三角机器人控制系统方案的确定 ....................................................................................................... 4 2.2、本设计控制系统的控制原理 ............................................................................................................... 5 2.3、三角机器人控制系统主要元件的选择 ............................................................................................... 6

2.3.1、主控制芯片的选择 .................................................................................................................. 6 2.3.2、电源芯片的选择 ...................................................................................................................... 6 2.3.3、驱动电机的选择 ...................................................................................................................... 7 2.4、三角机器人主控电路板设计 ............................................................................................................... 8 2.5、三角机器人电源管理系统电路设计 ................................................................................................... 9 2.6、三角机器人驱动系统设计 ................................................................................................................. 10 2.7、电路图编译测试 ................................................................................................................................. 11 3、电机与电路板安装 ......................................................................................................................................... 11

3.1、三角机器人结构尺寸 ......................................................................................................................... 12 3.2、电路板的安装 ..................................................................................................................................... 12 3.3、电机的安装 ......................................................................................................................................... 12 4、 三角机器人运动学分析 ............................................................................................................................... 13

4.1、三角机器人运动学描述 ..................................................................................................................... 13 4.2、空间位置描述 ..................................................................................................................................... 14 4.3、姿态描述 ............................................................................................................................................. 14 4.4、位姿描述 ............................................................................................................................................. 15 4.5、坐标系变换 ......................................................................................................................................... 15 4.6、三角机器人结构分析

......................................................................................................................... 16

4.7、位置求解 ............................................................................................................................................. 16

4.7.1、建立坐标系 ............................................................................................................................ 16 4.7.2、位置逆解与位置正解............................................................................................................. 17

5、控制程序的编写与仿真结果 ......................................................................................................................... 23

5.1、控制程序的原理 ................................................................................................................................. 23 5.2、控制程序 ............................................................................................................................................. 24 5.3、仿真结果 ............................................................................................................................................. 26 总 结 ................................................................................................................................................................... 27 参考文献 ............................................................................................................................................................... 28 谢 辞 ................................................................................................................................................................... 29 附件一 ............................................................................................................................................... 程序仿真视频 附件二 ................................................................................................................................................................... 29

1、三角机器人控制系统设计概述

1.1、三角机器人发展与现状

Clavel博士在洛桑联邦理工大学就职时，发明了一种并联机械结构，它是三自由度的运动机构。因为它的上下两个平台都是等边三角形，所以它被称为Delta机械手(图1-1)。从20世纪末开始，很多人对这种并联机械结构进行改造升级。Clavel博士对运动副做出改进，提高了其灵活性；Tsai简化了其铰链结构；Pierrot等人将Clavel博士发明的机械结构改良为6个支链的机械手，这种机械手可以高速运动。这一类由三角机构改进、根据三角机构研发出来的机械结构且具有类似的结构与相似的运动方式的机器人称为Delta机器人（Delta-like manipulator，DLM），也就是三角机器人。

图1-1 Clavel博士发明的Delta机械手

现在，Delta并联机器人主要应用于现实产业中的结构有三种：二自由度Delta并联机器人、三自由度Delta并联机器人与多自由度Delta并联机器人。其中三自由度Delta并联机器人又分为三轴驱动形式与四轴驱动形式。本次设计的三角机器人就是属于三自由度Delta并联机器人（图1-2）。三角机器人是一种高速轻载的并联机器人，可以通过视觉系统与预先的编程捕捉目标，使用三个并联的电机来精确定位所需抓取物体的空间位置，然后完成它所需要完成的工作。三角机器人具有以下特点：1、运动速度与响应速度快，动力性能好；2、体积小，重量轻，成本低；3、刚度大，负载能力强，结构稳定；运动速度与响应速度快，动力性能好；4、运动耦合弱，力的控制容易以及实时控制性能好；5、定位精确，反复定位精度高。21世纪以来，全世界许多行业都对三角机器人十分重视而且三角机器人向着高速、高精度、灵活性等方向发展。

图1-2 三角机器人

早期的机器人的控制系统结构庞大，操作复杂且定位精度以及速度比较差，可靠性低，只能根据控制指令执行简单的动作。随着时代的变迁与科技的发展，计算机技术、伺服系统技术、自动控制系统技术也发展的十分迅速，机器人控制系统的性能也跟着这些技术的发展逐渐变得完善。

目前，三角机器人的控制系统发展的比较完善。控制系统已经集成为一个高性能的控制器，有着独立计算与储存的能力，还有其他许多新的功能如示教等，提高了机器人的可操作性与系统的稳定性。

在国外，由于研究开发的时间早，机器人的控制系统的研究比国内的先进许多。很多老牌机器人公司都有属于自己公司本身的专用控制器。瑞士ABB机器人公司的IRC 5C紧凑型控制器、德国KUKA机器人公司的KR C4控制器、日本FANUC机器人公司的R-30iB Mate标准型控制器与日本YASKAWA公司的DX200控制器等。在通用控制器上，国外的实力也非常强。如美国的DELTA Tau Data System公司研发的PMAC运动控制器（图1-3）是当今世界上功能性最强、灵活性最大的运动控制器，在很多场合都有应用。

图1-3 PMAC运动控制器

在国内，近年来国内运动控制技术有了比较快的发展，一些公司也研发出新型的运动控制器如沈阳新松的SIASUN-GRC系列、迈科讯的MTC系列等等。经过比较长时间的发展与不断的创新，国内与国外关于三角机器人的控制器在硬件方面的差距已经大幅度缩小，基本没什么差别，但在控制算法以及易用性等方面，还是有着一定的差距。目前，在三角机器人的模型结构日渐成熟的条件下，我国的研究重心逐渐放在的控制系统的软件开发与改进上，并且也有了一定的成果。 1.2、本设计的设计目的、意义及技术要求

本设计的目的是设计出一款三角机器人的控制系统，能根据烧录的程序，控制三角机器人进行工作，完成送料或者贴标等工作。

本设计的控制系统相对于市面上的控制系统而言相对简单，但对本人而言是一个十分大的挑战。而且本设计可以实现送料或贴标等工作；提高生产水平与生产效率，减轻人们的劳动强度且可以使工厂的成本降低。

三角机器人控制系统的技术要求是在系统稳定可靠、工作效率高、通用性强以及操作简单。且能时时关注运行状态，保证机器的运行安全。 1.3、本设计应解决的主要问题

本次设计的控制系统的功能是能使机械结构根据烧录进芯片的程序运行，进行物体的送料和贴标。

（1）三角机器人控制系统的设计方案的拟定。预先拟定设计方案，根据方案的可行性决定最终方案。

（2）三角机器人控制系统材料以及元件的选择，根据稳定、功能以及性价比选择出合适的材料与设备。

（3）完成芯片以及元件的选择，使用Altium Designer 19来画电路图，然后编译测试电路的可行性。

（4）电路板与电机的安装。 （5）进行三角机器人的运动学分析。

（6）使用Keil C 4进行程序的编写以及将图复制到proteus上并仿真测试程序的可行性。

2、三角机器人控制系统设计

2.1、三角机器人控制系统方案的确定

目前，市场上所使用的一般分为以下四种： （1）控制方式选择PLC控制（图2-1）

PLC控制是在传统的顺序控制器的基础上加上许多新的技术组成的控制装置。目的是用来代替继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建设柔性的远程控制系统。相对来说设计比较困难且成本大。

图2-1 PLC控制结构

（2）控制方式选择单片机控制（图2-2）

单片机控制是基于单片机的芯片，再加上一些外部电路和其他电子元件最后集成PCB板组合在一起的控制器。一般在简单的工业控制中应用，编程用的是C语言，跟其他控制方式来比比较简单与实惠。

图2-2 单片机控制结构

（3）控制方式选择运动控制器控制（图2-3）

运动控制器是基于PC总线，与PC主机构成主从式控制结构。运动控制器一般有自己的软件开发编程工具包，自带系统平台与编程工具，虽然可靠性高但编程难度大。

图2-3 运动控制器控制结构

（4）控制方式选择运动控制卡控制（图2-4）：

运动控制卡是基于PC总线，利用高性能微处理器和大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制。运动控制卡包含许多功能。运动控制卡有电机控制所需的各种速度、位置控制功能。而且运动控制卡让使用者按照自己本身的软件进行开发编程。

图2-4 运动控制卡控制结构

考虑到难度以及个人能力的限制，PLC控制与运动控制器控制的难度较大，编程较难，且费用较高以及后期研发不方便；运动控制卡控制虽然比较简单，但对比单片机控制来说还是较为复杂。单片机的价格经济且集成度高，控制性能好低功耗且便于生产。综合所有因素，单片机控制更加符合我目前的能力，所以最终选定为单片机控制。控制结构如图2-2所示。

2.2、本设计控制系统的控制原理

三角机器人的控制系统主要为自动控制，开启电源后，经过一小段时间的延迟，三角机器人会根据提前烧录好的程序，驱动电机，从而使三角机器人开始运动，进行送料或贴标等工作。本设计的控制系统工作的流程图如图2-5所示。

图2-5 流程图

2.3、三角机器人控制系统主要元件的选择

三角机器人控制系统所需要的主要元件：（1）主控制芯片（2）电源芯片（3）驱动电机。

2.3.1、主控制芯片的选择

主控电路芯片的选择要考虑其处理速度、模块资源、数据储存空间于程序储存空间的大小、芯片的管脚功能、功耗、成本以及个人能力等，综合所有原因，本次设计的控制系统的主控制芯片选用的是STC89C51单片机。这款单片机是一款基于8位单片机处理芯片，采用8051核。这款单片机是新一代单片机，也是一款常用的51单片机。

图2-6 STC89C51芯片

2.3.2、电源芯片的选择

三角机器人控制系统的设计的主控制板电源模块的电源芯片选用的是美国MPS公司的一款单片同步降压稳压器MP2307芯片（图2-7）。它的电流模式控制可以提供快速瞬态响应和逐周期电流限制。芯片输出电流大，且性价比高，后期PCB板的焊接也十分方便，符合本设计。

该芯片各个引脚功能如表2-1所示。

图2-7 MP2307芯片引脚图

1 BS 2 IN 3 SW 高边栅驱动驱动器输出。为高边N通道MOSFET提供驱动。 电源输入。为集成电路提供电源以及提供一个降压转换器开关。 切换电源输出。向输出提供电源的切换节点。 4 GND 接地。 5 FB 回馈输入端。输入端感应与调节输出电压。 6 COMP 补偿节点。COMP用于补偿调节控制回路。 7 EN 8 SS 启用输入。EN是一个数字输入而且它可以控制调节器的打开或关闭。 软启用控制输入。SS控制软启用控制周期。若禁用此功能则SS不连接。 表2-1

2.3.3、驱动电机的选择

常用的三角机器人驱动方式有许多，如液压驱动、气压驱动、电机驱动等。由于本设计的三角机器人平台尺寸较小，工作载荷较低，所以本设计采用电机驱动方式。

由于步进电机控制方便，可靠性高，精度也较高，适合本次设计的实际使用情况。所以本次设计选用的电机为57系列两相步进电机（图2-8），型号为2HB57-76，该电机规格如表2-2所示。同时，电机的驱动器选择为ULN2803，该驱动器为达林顿管驱动器，且性价比高，能满足本次设计的需求。

图2-8 57系列两相步进电机 型号 步距角 电机长保持转矩 额定电相电阻 相电感 转子惯电机重度 流 量 量 1.35Nm 3.0A 1.0 1.6mH 480 2HB57-76 76mm 1.0Kg 1.8 表2-2 2.4、三角机器人主控电路板设计

本设计主要是以STC89C51单片机芯片为主控制芯片，其主要功能是将烧录的程序进行处理，从而控制三个电机运转，控制机械臂的工作。三角机器人的控制系统的最小系统原理图如图2-9所示。

图2-9 最小系统原理图

时钟电路（图2-10），目的是保证单片机同步工作的实现，作用是产生单片机工作所需要的时钟信号。51单片机晶振选的是12MHz。

图2-10 时钟电路

复位电路（图2-11），复位电路有两种，在这次设计中，用的是按键复位。按键复位不仅有上电复位的功能，还可以用按键实现复位。复位电路的作用是使CPU和系统中其他功能都回复到一个给定的初始状态，然后再从这个状态开始工作。单片机复位条件：必须使NRST加上持续两个机器周期以上的高电平。

图2-11 按键复位电路

如图2-12所示，该电路有两个滤波电容，由于电路工作的波动可能有点大，所以设计这个电路，直接接电源，目的是稳定电源。

图2-12

UART串口（图2-13），用于打印数据到电脑上。

图2-13 UART串口

2.5、三角机器人电源管理系统电路设计

本设计主控制板电源模块的电路的原理图如图2-14所示。

图2-14 电源模块的电路图

该芯片的电路图是由官方推荐的应用电路。该电路作用是将电源的电压从12V转换到5V并稳压在5V，输出5V供给单片机系统及其单片机周边。 2.6、三角机器人驱动系统设计

由2.3.3可知，本次设计使用的是57系列两相步进电机。驱动系统电路图如图2-15所示。

图2-15 驱动系统图

一开始，本设计是使用3个驱动器分别驱动3个电机，使其转动到不同的角度。但经过

实验，使三个电机转动不同角度会产生随机的误差，所以本次设计将使用1个ULN2803驱动器，驱动三个电机转动到同样的角度。H1、H2、H3为三个步进电机。如图2-16所示，这是一个上拉电阻，目的是提高输出，增强I/O口的驱动能力。

图2-16 上拉电阻

2.7、电路图编译测试

画完电路图后，进行电路图的编译测试电路的可行性。如图2-17所示，电路图编译成功，编译无发现任何问题与错误。

图2-17 电路图编译结果

3、电机与电路板安装

3.1、三角机器人结构尺寸

由于要安装电路板与电机，必须清楚明白三角机器人的具体结构尺寸的数据。三角机器人具有以下几个主要的部分：主动臂、从动臂、动平台和静平台。三角机器人总体结构图如图3-1所示。三角机器人总体参数如表3-1所示。

图3-1 三角机器人总体结构图 结构参数 静平台有效半动平台有效半主动臂长度Lb 从动臂长度La 径R 径r 长度 100 45 100 350 表3-1 3.2、电路板的安装

本次电路板预计大小为60mm60mm。安装在三角机器人静平台内部，四个孔直径为2.5mm，孔位置在以静平台中心为中心，边长为57mm的正方形的四个角，使用螺丝钉为M2型号。

3.3、电机的安装

由2.3.3可知，电机选用为57系列两相步进电机，型号为2HB57-76，该电机安装尺寸如图3-2所示。

图3-2 电机安装尺寸图

由图以及电机的参数可知，该电机宽和高皆为为56.4mm，误差为1mm，长度76mm。由于使用方式以及主动臂安装的需求，电机横向安装在静平台内部，三个电机安装位置在一个边长为100mm等边三角形的三个角上。电机靠一个电机支架来固定在静平台上。电机支架三维模型图如图3-3所示，电机支架图纸如图3-4所示。

图3-3 电机支架三位模型图

图3-4 电机支架图纸

该电机支架底座是一个长60mm、宽40mm、厚度为5mm的长方体。在四个角有四个完全贯穿的沉头孔，用于与静平台连接。上面的板为一个长和宽均60mm、厚度为5mm的正方体。中间有一个直径为38.10mm、误差为-0.01mm到-0.03mm的圆形孔，方便电机与主动臂连接。在四个角有四个完全贯穿的孔，用于固定电机。各个电机安装图如图3-5所示。

图3-5 电机的安装图

4、三角机器人运动学分析

4.1、三角机器人运动学描述

三角机器人的运动学指的是正向运动学（FK-forward kinematics）和逆向运动学（IK-inverse kinematics）。正向运动学是通过已知的三角机器人的三个电机的转动角度，来求得末动平台运动的各个点的坐标，一般应用于三角机器人工作空间的分析与研究；逆向运动学则是已知机器人动平台的各个点的坐标，通过计算得出三个电机的转动角度。建立逆解的运动学模型对于研究三角机器人的位置控制是非常重要的。通过逆解，得到关节位置、速度、加速度等的变化规律，再将这个规律输入到驱动模块中，作为一个给定信号，驱动模块将这个给定信号进行转换，驱动各个关节电机按照一定的要求转动。

4.2、空间位置描述

在直角坐标系{A}中（如图4-1），能用3*1的列矢量Ap来表达空间任意一点p的位置，位置矢量的矩形表示形式为：

（4-1）

其中，px、py、pz是点p在坐标系{A}中的3个坐标分量。

图4-1 空间坐标系位置

4.3、姿态描述

除了研究空间某个点的位置，在探究机器人的操作和运动中，还需要表明物体的姿态。物体的姿态是用物体所在的坐标系来描述，需要设立一个空间直角坐标系{B}。原点由3个相互垂直的向量表示：n（法线）、o（方向）、a（接近）（图4-2）。坐标系{B}姿态可用矩阵F0表示：

nxF0noanynzoxoyozaxay az（4-2）

图4-2 参考坐标系原点中坐标系的表示

4.4、位姿描述

坐标系原点相对于与参考坐标系的位置。坐标系{B}的位姿由3个方向单位向量与1个位置向量表示：

（4-3）

式2.3中，前三列表示的是坐标系{B}的3个单位向量的方向，第四列表示坐标系中

{B}原点相对参考坐标系{A}的位置。 4.5、坐标系变换

平移坐标系的平移变换矩阵：

10T0001000dx0dy 1dz01（4-4）

dx、dy、dz是平移向量d相对与参考坐标系的3个分量。

平移后的坐标系{B}位置表示：

FTrans（dx，dy，dz）F（4-5）

旋转坐标系{B}的X轴、Y轴、Z轴旋转角度的坐标系{B}位置分表表示为：

FRot（x，）F；FRot（y，）F；FRot（z，）F（4-6）

4.6、三角机器人结构分析

三角机器人有两个平台，三条运动臂。其中每条臂由一个主动臂和从动臂组成，从

动臂呈平行四边形状，由球关节与杆件连接组成。自由度计算采用经典的Kutzbach Grubler公式：

F（6ng1）fii1g

（4-7）

其中：F--机构的自由度 g--机构中运动副的总数 n--机构的构件总数

fi1gi --所有运动副的自由度之和

在分析三角机器人的机构简图（图4-3）之后可知，本次设计的三角机器人的构件的总

数有11个，总运动副数为15，其中有12个球面副，每个有3个自由度；有3个移动副，每个有1个自由度；由于连杆可绕自身的轴旋转，所以存在6个冗余自由度。由式4-7

（11-15-1）31231-63。由此何止三角机器人是一个3自由度的可得： F6机器人，工作空间内的运动沿X轴、Y轴、Z轴三个方向。

图4-3 三角机器人的机构简图

4.7、位置求解 4.7.1、建立坐标系

为方便求解空间的位置关系，将每组平行四边形闭环上下两边取中点，连成一条虚

拟的连杆。简化后再研究机构简图（图4-4）。

图4-4 简化后的机构简图

B1B2B3为静平台，P1P2P3为动平台，建立静坐标系OXYZ在静平台上，原点O为静平台的几何中心；建立动坐标系OXYZ在动平台上，原点O为动平台的几何中心。Z轴与Z轴垂直于各自的平台，OX轴与OX轴分别垂直与B1B3和P1P3。由3.1可知该机构的各个尺寸。

4.7.2、位置逆解与位置正解

在本次设计中，将通过位置逆解，得出关节变量。本次设计中，由3.1可得知：R=100mm，r=45mm，La=350mm,Lb=100mm。在接下来的计算中，已知量将会带入具体的数值进行计算。

如图4-5所示，坐标系与静平台之间的空间几何关系如图4-5所示。OBi与X轴的角度为i，则点Bi在坐标系OXYZ中的位置矢量为：

BioiRcosi100cos4i3100sin，Rsin，i1，2，3iii600（4-8）

图4-5 静平台坐标系

同理，动平台的坐标系中，Pi在坐标系OXYZ中的位置矢量为：

Pioircosi45cos4i345sin，rsin，i1，2，3 iii600（4-9）

由式4-8式和4-9可得点Ei在静坐标系中OXYZ的位置矢量为：

（RLbsini）cosi（100100sini）cosi4i3，（RLsin)sin（100100sin)sin，i1，2，3 biiiii6-Lcos-100cosbii（4-10）

Pio设OO是坐标系OXYZ的原点O相对坐标系OXYZ的位置矢量，且

T则点O在坐标系OXYZ的位置矢量为OoxOOxyz，

T则点Pi在yz，

坐标系OXYZ中的位置矢量为：

PioPio由此可得：

PiEiEioixrcosix45cos4i345siny，Oorsiny，i1，2，3 iii6zz（4-11）

（RLbsinir）cosix（55100sini）cosix4i3，-Oo（RLsin-r)siny（55100sin)siny，i1，2，3biiiii6-Lbcosiz-100cosiz

（4-12）

又因为PiEiLa350，可得：

55100sinicosix255100sinisiniy2100cosiz2122500（4-13）

可知静平台为等边三角形，所以可知1、2、3的值并带入式4-13中，可得方程组：

2312(55100sin1)x(55Lbsin1)y100sin1z1225002222312(55100sin2)x55100sin2y100sin2z1225002222x2(55100sin3)y100sin3z1225002

（4-14）

整理式4-14，可简化得出一个关于i的一元二次方程：

i1，KitiUitiVi0，2，3（4-15）

2其中：

1titani

2LaLbx2y2z2RrRr3xy109475x2y2z2553xyK12z2z

Lb100222U122R-r3xy21103xy

LaLbx2y2z2RrRr3xy109475x2y2z2553xyV12z2z

Lb100222LaLbx2y2z2RrRr3xy109475x2y2z2553xyK22z2z

Lb100222U222Rr3xy21103xy

LaLbx2y2z2RrRr3xy109475x2y2z2553xyV22z2z

Lb100222LaLbx2y2z2Rr2yRr109475x2y2z2110yK3zz

2Lb200222

U32Rry110y

LaLbx2y2z2Rr2yRr109475x2y2z2110yV3zz

2Lb200222由于Ki、Ui、Vi为已知量，所以式4-15可解得：

UiUi4KiVi2Ki2tii1，，2，3（4-16）

通过关于解的位姿示意图，可得知i为正值才有意义，即ti得角度解为合理解，所以式4-16变为：

tiUiUi4KiVi2Ki2i1，，2，3（4-17）

主动臂张角为：

tii2arctan，i1，2，3(4-18)

后续将程序所需要的坐标（x，y，z）带入其中，所得出的i为电机所需要转动的角度。

运动学正解也同理。 基于上式4-14可得：

A1x2B1y2C1z2122500222A2xB2yC2z122500（4-19） x2By2Cz212250033其中：

A1355100sin1 2155100sin1 2B1C1100cos1

A2355100sin2 2155100sin2 2B2C2100cos2

A31 B355100sin3 C3100cos3

根据式4-29可得：

A1xB13yC13zD1（4-20） A2xB23yC23zD2（4-21）

其中：

B13B1B3 B23B2B3 C13C1C3 C23C2C3

D1D12122222A1B1C1B3C3 2122222A2B2C2B3C3 2由式4-20、式4-21可得：

xE1zF1（4-22）

yE2zF2（4-23）

其中：

E1B13C23B23C13

A2B13A1B23B13D2B23D1

A2B13A1B23A2C13A1C23

A2B13A1B23A2D1A1D2

A2B13A1B23F1E2F2将式4-22、式4-23代入式4-19的第三条等式中可得：

az2bzc0（4-24）

其中：

aE1E21

b2E1F12E2B32E2F22C3

222cF1B3F2C3122500

22由于a、b、c为已知量，所以式4-23可解得：

bb24ac（4-25） z2a由于动平台在静平台下方，所以式4-25变为：

bb24ac（4-26） z2a由此可得坐标x，y，z。

以上的运动学理论基础为后续的运动控制打好计算基础，方便后续程序的编写。

5、控制程序的编写与仿真结果

5.1、控制程序的原理

本次设计的控制系统主要设计一个送料或贴标的三角机器人的控制系统。本次设计的控制程序内容是当通电后，经过一小段时间的延时，主芯片驱动电机，在两点之间做往复运动。该程序主要流程如图5-1所示。

图5-1 流程图

5.2、控制程序

在具体的仿真中，本人是先选角度然后通过运动学正解得出坐标位置。

1157,点1(0，0，247.0700)，2113,点2(0，0，278.5370)。

#include //52单片机头文件

#include //标准输入输出头文件

#define uchar unsigned char//无符号字符型变量宏定义 #define uint unsigned int //无符号整形变量宏定义

uchar Motor_1Z[4] = {0x01,0x02,0x04,0x08};//步进电机正转相序 uchar Motor_1F[4] = {0x08,0x04,0x02,0x01};//步进电机反转相序

void Delay_ms(uint x)//延时 {

uint i; while(x--)

for(i=0;i<125;i++);

}

void main()//主函数 {

uint i = 0,j = 0,a = 0,b = 0,c = 0;

//先转到157度的点1

for(a = 0;a<5;a++) {

for(i = 0;i<15;i++) {

for(j=0;j<4;j++) {

P0=Motor_1Z[j];

Delay_ms(10); } } }

Delay_ms(500);//延时

while(1) {

//转到113度的点2

for(b = 0;b<2;b++) {

for(i = 0;i<15;i++) {

for(j=0;j<4;j++) {

P0=Motor_1F[j];

Delay_ms(10); } } }

Delay_ms(500);//延时

//回到157度的点1

for(c = 0;c<2;c++) {

for(i = 0;i<15;i++) {

for(j=0;j<4;j++) {

P0=Motor_1Z[j];

Delay_ms(10); } } }

Delay_ms(500);//延时 } }

5.3、仿真结果

大致的仿真结果如下面三张图所示，具体仿真过程请看附录一。

图5-2 先运行到点1

图5-3 再运行到点2

图5-4 再运行回点1

总 结

本文通过对三角机器人国内外的研究现状以及发展过程和趋势的研究，以及对三角机器人的控制系统的研究，最后选择了单片机控制。后续跟着对三角机器人的结构选择对应的电机以及合适的芯片，绘制出三角机器人控制系统的电路原理图。然后进行三角机器人运动学的计算，得出合适的坐标以及电机运动的角度，再根据数据编写程序，进行仿真调试，最终得出符合设计的仿真结果。本设计的三角机器人的控制系统能满足设计要求。

在本次设计中，遇到的最大的困难就是对机械控制的原理的不了解，在开始本次设计时，对于三角机器人的控制方式进行了较长时间的学习研究，才弄明白原理。随后选择了个人认为比较简单而且是唯一一个本人学习过一点基础的控制方式，单片机控制。随着设计的进行，绘制电路图成为了设计的一大难点：不熟悉电路、不会使用相应的软件如Altium Designer等。在经过长时间的翻阅文献以及跟着课本学习，最终攻克了这一个难关。当原理图和仿真图画完后，由于对C语言并不是太了解，又开始对关于STM32芯片的编程进行学习。由于对芯片和相关仿真软件的不了解，在学习的过程中，发现了一个十分严重的问题：STM32的芯片是32位芯片，Altium Designer软件仿真需要正版，

但正版需要十几万；Proteus软件旧版无法对32位芯片仿真，而Proteus软件新版的32位芯片仿真有BUG，软件无法控制硬件。通过与老师的沟通以及根据老师的意见，立刻将芯片改为51系列的芯片。还好芯片改变，原理图并不需要太大的改变，只需要将电源模块的一个降压器删除和将USRAT口改为UART口。随后通过编程的学习，仿真的调试，最终得出了想要的结果，完成了本次设计。

通过本次的毕业设计，我才明白我平时上课所学的知识是远远不够的。除了机械结构的学习，还应该主动学习控制部分，因为控制系统也是机械行业当中十分重要的一部分。在这次设计中，从一个开始完全没有思路，到后来一步一步攻克难关，这个过程虽然十分艰辛，但结果是令人愉快的。这次毕设让我收获了许多，对我未来的帮助十分巨大。

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谢 辞

不知不觉，我在大学里面已经度过了四年的时间，也即将要结束我的大学生活，走向社会。我十分感谢我在大学之中遇到的同学们和老师们，他们给予了我许多陪伴与否帮助。首先，我要特别感谢我的导师李兵老师，他不仅仅是我的毕业设计的导师，也是我机械设计原理的老师。不管是在课程上还是毕业设计上，都对我帮助很大。李兵老师渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维为我的毕业设计提供了很好的思路和引导。而且李兵老师态度严谨，对于学术方面精益求精，指出我设计中的错误并耐心的指导我纠正错误。其次，我还要感谢我身边的同学们以及其他老师们，他们在学习和生活等方面都给予了我十分大的帮助。最后，我还要感谢我的家人，一直无条件的支持我，并且给了我十分舒适的学习环境与生活。