[鍵入文字]實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名付振宇，余洋學(xué)號(hào)112360357專業(yè)控制理論與控制工程時(shí)間成績(jī)實(shí)驗(yàn)名稱直線機(jī)械手實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能探索與使用說(shuō)明實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過(guò)直線機(jī)械手實(shí)現(xiàn)以下功能：實(shí)現(xiàn)機(jī)械手定點(diǎn)運(yùn)行；實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的點(diǎn)到點(diǎn)的平滑運(yùn)行；應(yīng)用機(jī)械手做任意半徑的圓；應(yīng)用機(jī)械手做任意半徑的橢圓；要求：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在確保儀器正常運(yùn)行的情況下，平穩(wěn)且快速完成規(guī)定動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笞鳛榇髮W(xué)生及高年級(jí)學(xué)生課程教學(xué)平臺(tái)，我們立足用其實(shí)踐最多的項(xiàng)目，以學(xué)到更多、更為實(shí)用的技術(shù)和知識(shí)。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，逐步的了解直線機(jī)械手的工作原理及其實(shí)現(xiàn)方法。讓學(xué)生熟悉其編譯環(huán)境和相應(yīng)的功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)練結(jié)合，充分發(fā)揮學(xué)生的發(fā)掘潛能，配合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)及儀器說(shuō)明書(shū)，讓學(xué)生掌握獨(dú)立開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的能力。本次實(shí)驗(yàn)由學(xué)生獨(dú)立編程，老師作為顧問(wèn)的形式完成，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和獨(dú)立應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力。直線機(jī)械手為教學(xué)應(yīng)用儀器，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的同時(shí)應(yīng)了解其工作原理及其運(yùn)行方式，發(fā)現(xiàn)其不足之處和優(yōu)越的地方，在不足之處應(yīng)做思考，尋找解決和改進(jìn)的辦法，為后續(xù)的開(kāi)發(fā)做好經(jīng)驗(yàn)積累和知識(shí)鋪墊。實(shí)驗(yàn)設(shè)備直線機(jī)械手實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。設(shè)備功能介紹CAN通訊：本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用CAN總線的方式建立起PC機(jī)與機(jī)械手控制機(jī)構(gòu)的通信。CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。用戶可使用上下位機(jī)提供的通訊接口，以及硬件電子系統(tǒng)平臺(tái)，研究基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)。DSP芯片：本平臺(tái)電子控制系統(tǒng)，采用了一片TMS320LF2407，該芯片具有豐富的通訊接口和功能模塊。控制板擴(kuò)展了CAN通訊接口，RS232通訊接口，AD功能和交叉編碼脈沖的功能。E2PROM/SPI：本平臺(tái)主控板上擴(kuò)展了一片E2PROM。用戶可研究以SPI的通訊方式對(duì)E2PROM的讀寫(xiě)，以及某些變量的讀寫(xiě)。光柵尺：每個(gè)軸采用了一個(gè)光柵尺記錄位移。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應(yīng)用于機(jī)床與現(xiàn)在加工中心以及測(cè)量?jī)x器等方面，具有響應(yīng)速度快，精度高的特點(diǎn)。可用于高精度位置伺服的控制算法研究。步進(jìn)電機(jī)：每個(gè)軸的位置驅(qū)動(dòng)采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，及步進(jìn)電機(jī)低速震動(dòng)特性的研究具有重要意義。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)升降速算法的研究。設(shè)備可研究領(lǐng)域在本產(chǎn)品平臺(tái)上，相關(guān)專業(yè)的老師和學(xué)生可以就機(jī)械手控制、控制技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能、電機(jī)學(xué)、分布式控制技術(shù)、傳感器、3維建模等相關(guān)的學(xué)科進(jìn)行綜合的課題開(kāi)發(fā)，綜合起來(lái)，主要可以進(jìn)行的研究課題描述如下：機(jī)械手控制方面的課題：機(jī)械手控制學(xué)方面的研究。機(jī)械手仿真建模方面的研究。電機(jī)學(xué)方面的課題。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究。步進(jìn)電機(jī)升降速特性的研究。步進(jìn)電機(jī)升降速曲線的設(shè)計(jì)。電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)的研究。位置閉環(huán)以及速度閉環(huán)算法的設(shè)計(jì)。通信控制系統(tǒng)的相關(guān)課題。基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的研究。傳感器方面的課題光柵尺相關(guān)課題的研究。直線機(jī)械手實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)介紹由于三個(gè)軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)相同，下面的介紹會(huì)以一個(gè)軸為介紹對(duì)象加以說(shuō)明。單軸采用三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用高精度的滾珠絲桿配合2根直線導(dǎo)軌作為傳動(dòng)部分，利用高精度的光刪尺來(lái)精確定位。此結(jié)構(gòu)采用2根直線導(dǎo)軌是為了使整個(gè)單軸的剛性足夠好，才能在組合成三軸的時(shí)候整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)轉(zhuǎn)能夠平穩(wěn)，不會(huì)造成抖動(dòng)、剛性不夠等問(wèn)題的產(chǎn)生。直線機(jī)械手試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)特點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)：采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)軸的機(jī)械設(shè)計(jì)和電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是獨(dú)立和通用的，每個(gè)軸均可以獨(dú)立適用，三個(gè)軸的區(qū)別僅在于配置的ID不同，且ID可根據(jù)用戶的需求任意修改。工業(yè)級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：工業(yè)主板、工業(yè)產(chǎn)品架構(gòu)、工業(yè)產(chǎn)品工藝。穩(wěn)定性、可靠性好：采用工業(yè)級(jí)別的電氣元件，工業(yè)級(jí)別的分布式控制系統(tǒng)，工業(yè)級(jí)的分布式控制系統(tǒng)。上位機(jī)控制系統(tǒng)在通用PC機(jī)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)控制軟件，控制機(jī)械手做出各種動(dòng)作。上位機(jī)是分布式控制系統(tǒng)的核心，控制著整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。主控制器的核心處理器采用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407，它是一種專門針對(duì)控制領(lǐng)域而開(kāi)發(fā)的高性能16位定點(diǎn)DSP芯片。其主要特點(diǎn)為：采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，供電電壓僅3.3V，降低了控制器功耗；兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，分別包括兩個(gè)16位通用定時(shí)器、8個(gè)16位脈沖調(diào)制（PWM）通道、3個(gè)捕獲單元、1個(gè)正交編碼脈沖單元（QEP），正交編碼脈沖單元可對(duì)光電編碼器輸出的相位相差的A、B兩路脈沖信號(hào)進(jìn)行鑒相和四倍頻；16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）；串行外設(shè)接口模塊（SPI）；串行通訊接口模塊（SCI）；CAN控制器模塊；40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用I/O。除DSP之外，運(yùn)動(dòng)控制卡還包括：復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電壓監(jiān)測(cè)電路、JTAG接口電路、RS-232總線驅(qū)動(dòng)電路、CAN總線驅(qū)動(dòng)電路、編碼器脈沖整形電路、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器E2PROM、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器SRAM。下面分別介紹各單元及其在運(yùn)動(dòng)控制卡中的作用。復(fù)位電路和時(shí)鐘電路，系統(tǒng)上電后必須將DSP的RS引腳拉為低電平對(duì)DSP的寄存器和I/O端口進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位電路采用RC延時(shí)電路并聯(lián)輕觸開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位；時(shí)鐘電路采用20MRS-232電平轉(zhuǎn)換電路，運(yùn)動(dòng)控制卡和工控計(jì)算機(jī)之間采用RS-232總線通訊方式，但由于DSP無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)RS-232總線，因而需要總線驅(qū)動(dòng)電路，這里采用符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)芯片MAX232。CAN電平轉(zhuǎn)換電路，運(yùn)動(dòng)控制卡和工控計(jì)算機(jī)之間采用CAN總線通訊方式，但由于DSP無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)CAN總線，因而需要總線驅(qū)動(dòng)電路，這里采用符合CAN標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)芯片A82C250。編碼器脈沖濾波整形電路，由于編碼器反饋的脈沖可能收到一些外部干擾，而出現(xiàn)一定程度的變形和產(chǎn)生尖脈沖，造成DSP脈沖計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，因而需要濾波整形電路。JTAG接口電路和SRAM，DSP芯片通過(guò)JTAG接口電路和仿真器連接，同時(shí)為了方便在線仿真調(diào)試需要擴(kuò)展外部RAM，調(diào)試時(shí)通過(guò)JTAG口將程序下載到外部RAM中執(zhí)行，調(diào)試通過(guò)后再將程序燒寫(xiě)到DSP的內(nèi)部FLASH中。這里RAM采用64K靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。電壓檢測(cè)電路和E2PROM，系統(tǒng)掉電時(shí)，電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到系統(tǒng)電壓低于一個(gè)設(shè)定的域值時(shí)，就會(huì)給DSP一個(gè)信號(hào)，DSP立刻將一些需要保存的數(shù)據(jù)保存到外部擴(kuò)展的E2PROM中，下次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)可以從E2PROM中讀取數(shù)據(jù)，也可以將一些運(yùn)動(dòng)控制的參數(shù)比如PID參數(shù)，保存在E2PROM中，編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上電自動(dòng)加載這些參數(shù)。E2PROM采用SPI接口的8K×8bit存儲(chǔ)器。MT-RMEP軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)MT-RMEP軟件系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制動(dòng)態(tài)庫(kù)與應(yīng)用程序兩部分構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)控制動(dòng)態(tài)庫(kù)主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器與應(yīng)用程序的交互包括：發(fā)送驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)至驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)信息的反饋等。應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)各軸運(yùn)動(dòng)控制、各軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控、以及根據(jù)給定的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。MT-RMEP軟件系統(tǒng)Demo使用軟件運(yùn)行環(huán)境與安裝MT-RMEP軟件為免安裝軟件，可在WindowsXP環(huán)境下直接運(yùn)行。若系統(tǒng)未安裝MicrosoftOffice則需預(yù)裝此軟件，同時(shí)需預(yù)裝USBCAN的驅(qū)動(dòng)。MT-RMEP軟件系統(tǒng)接口函數(shù)1.函數(shù)原型：boolInit(intm_nSelectDevice,intBaud);函數(shù)名：Init功能描述：初始化CAN設(shè)備參數(shù)：m_nSelectDevice：CAN設(shè)備號(hào)Baud：通信波特率2.函數(shù)原型：boolOpenCom(intm_Com,intm_Baud);函數(shù)名：OpenCom功能描述：打開(kāi)串口參數(shù)：m_Com：串口設(shè)備號(hào)m_Baud：通信波特率3.函數(shù)原型：voidResponseRecvEvent(PRECEPROC,LONG);函數(shù)名：ResponseRecvEvent功能描述：設(shè)置接收函數(shù)參數(shù)：PRECEPROC：接收函數(shù)指針LONG：函數(shù)所屬類指針4.函數(shù)原型：voidBreak(charJointID);函數(shù)名：Break功能描述：緊急制動(dòng)參數(shù)：JointID：模塊ID號(hào)5.函數(shù)原型：voidCloseEnable(charJointID);函數(shù)名：CloseEnable功能描述：關(guān)閉使能參數(shù)：JointID：模塊ID號(hào)6.函數(shù)原型：voidClear(charJointID);函數(shù)名：Clear功能描述：清零參數(shù)：JointID：模塊ID號(hào)7.函數(shù)原型：voidDrivePerception(charJointID,UInt8nModeSelect,UInt8nPidSelect,Float32vel,floatacc,Float32pos,boolbHaveLimit,floatL,floatC,floatP);函數(shù)名：DrivePerception功能描述：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)新增參數(shù)：L：每mm發(fā)送的脈沖數(shù)C：電機(jī)軸轉(zhuǎn)一圈的位移mmP：細(xì)分步數(shù) 8.函數(shù)原型：voidZeroControlPerception(charJointID,UInt8mode,Float32vel,floatC,floatP);函數(shù)名：ZeroControlPerception功能描述：步進(jìn)電機(jī)標(biāo)定零點(diǎn)新增參數(shù)C:電機(jī)軸轉(zhuǎn)一圈的位移mmP:細(xì)分步數(shù)實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)思路：通過(guò)調(diào)用其原有的功能函數(shù)，在相應(yīng)的位置加入我們自己的運(yùn)行程序，從而實(shí)現(xiàn)我們要求的運(yùn)行功能。方法：在項(xiàng)目MYDEMO中，通過(guò)在類MYDEMODLG.cpp中的相應(yīng)位置調(diào)用其CAN.h中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)我們需要的功能。在MYDEMO的原有程序中，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)行，沒(méi)有弧線的示例程序，所以在實(shí)驗(yàn)3）4）中，要在調(diào)用類函數(shù)的相應(yīng)位置加入我們自己的程序，以實(shí)現(xiàn)我們所需要的功能。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及調(diào)試：（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行分析，理出完成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路。在MYDEMO的視圖界面：如圖：插入BUTTON控件“控制”，雙擊控制按鈕，得到其回調(diào)函數(shù)voidCMyDemoDlg::OnBnClickedButtonDrive()函數(shù)m_Can.DrivePerception(01,VEL,DEFAULT,v,1,m_fPos,false,200,5,10000);m_Can.DrivePerception(02,VEL,DEFAULT,k,1,m_fPos,false,200,5,10000);所實(shí)現(xiàn)的功能是控制X、Y軸運(yùn)動(dòng)，速度分別為v、k。所以只要我們能夠控制v與k的值，就可以實(shí)現(xiàn)我們所需要的控制功能。雙擊控件得到回調(diào)函數(shù)以后，調(diào)用相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的弧線運(yùn)行。（2）列出設(shè)計(jì)所需的特殊環(huán)節(jié)…在函數(shù)的頭上插入#include"math.h"，以便調(diào)用正弦函數(shù)與余弦函數(shù)，實(shí)現(xiàn)畫(huà)圓的功能。在“控制”的回調(diào)函數(shù)中寫(xiě)相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制功能：voidCMyDemoDlg::OnBnClickedButtonDrive(){ CStringstr; GetDlgItemText(IDC_EDIT_POS,str); floatm_fPos; m_fPos=atof(str); chars[256]; for(intt=0;t<=130;t=t+1)/*實(shí)現(xiàn)循環(huán)，以不斷的變換來(lái)畫(huà)圓，即由小直線拼成，但是由于機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)有加速過(guò)程，所以其速度變化圖線也是一個(gè)曲線，這樣在畫(huà)出的圖形看基本上是圓形*/ { floatv=-10*sin(t*1.0/20); floatk=10*cos(t*1.0/20); sprintf(s,"%.2f",v); SetDlgItemText(IDC_EDIT_VEL,s); m_Can.DrivePerception(01,VEL,DEFAULT,v,1,m_fPos,false,200,5,10000); m_Can.DrivePerception(02,VEL,DEFAULT,k,1,m_fPos,false,200,5,10000); Sleep(100); } m_Can.CloseEnable(01); m_Can.CloseEnable(02);上面的函數(shù)中floatv=-10*sin(t*1.0/20); floatk=10*cos(t*1.0/20);實(shí)現(xiàn)了所要的要求畫(huà)圓的要求。半徑為10；當(dāng)將v與k的幅值改變時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了橢圓的畫(huà)圖。到此，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。（3）畫(huà)出設(shè)計(jì)流程圖。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)不斷比較，得到相對(duì)最優(yōu)解分析問(wèn)題出現(xiàn)的原因，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正調(diào)試程序，發(fā)現(xiàn)并分析問(wèn)題寫(xiě)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)在程序中包含所需要的頭文件設(shè)置回調(diào)函數(shù)構(gòu)造C++的視圖界面記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)不斷比較，得到相對(duì)最優(yōu)解分析問(wèn)題出現(xiàn)的原因，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正調(diào)試程序，發(fā)現(xiàn)并分析問(wèn)題寫(xiě)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)在程序中包含所需要的頭文件設(shè)置回調(diào)函數(shù)構(gòu)造C++的視圖界面（4）調(diào)試程序程序調(diào)試過(guò)程中會(huì)發(fā)生通訊中斷的現(xiàn)象，這是要檢查硬件線路是否連接好。如圖：確保CAN通訊的正常。程序正常運(yùn)行時(shí)如圖：?jiǎn)螕艨刂瓢粹o，機(jī)械臂將會(huì)畫(huà)出規(guī)定半徑的圓與橢圓。調(diào)試過(guò)程中所遇到的問(wèn)題及解決思路和方法。在程序的調(diào)試中出現(xiàn)機(jī)械臂死機(jī)的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)是由正弦函數(shù)的角頻率引起的，如果角頻率設(shè)置的太低，則會(huì)明顯看出原是由直線拼接而成，但是如果角頻率設(shè)置的過(guò)