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1、武汉科技大学本科毕业设计Delta并联机器人毕业论文摘 要Delta并联机器人是一类全新的机器人,它具有刚度大、承载能力强、精度高、自重负荷比小、动力性能好等一系列优点,与目前广泛应用的串联机器人在应用上构成互补关系,因而扩大了机器人的应用领域。Delta并联机器人是最典型的空间三自由度移动的并联机构,Delta机构整体结构简单、紧凑,驱动部分均布于固定平台,这些特点使它具有良好的运动学和动力学特性,实验条件下末端控制加速度可高达5.0g(重力加速度)。大量的实践证明,Delta机构是迄今为止设计最成功的并联机构之一。目前,Delta并联机器人己经广泛应用于化妆品、食品和药品的包装和电子产品的
2、装配。步进电机是将电脉冲信号转为角位移或线位移的开环控制元件。以步进电机作为Delta机器人的动力，其既简单廉价，又可靠稳定。它有瞬间启动，急速停止，精度高等特点。在运动学反解模型的基础上，利用VS2008开发了基于Windows平台的三自由度Delta机器人上位机控制端，实现了空间坐标的反解及数据的串口收发。并设计制造了Delta机器人，设计采用二相混合式步进电机作为机器人的动力来源。使用S3C6410作为控制系统的核心，实现下位机串口数据的收发、对机械运动的控制及步进电机的驱动。关键词：Delta机器人； 位置反解； 步进电机； S3C6410Abstract Parallel robot
3、 is a new kind of robots, It has a serial advantages over serial robots in terms of high stiffness, larger payload, high precision, load/wight ratio and good dynamic capability, it has complementary relationship with serial robots which is widely used in application, as a result, enlarge the whole a
4、pplication field. The Delta parallel robot is the most typical three translation Dof parallel structure, the whole structure is simple and compact, the driving part are evenly distributed to base platform, this characteristics lead to good kinematic and dynamic identity, under experiment, the accele
5、ration can reach to 5.0 times of g(acceleration of gravity).A number of experiments proved that, the Delta robot is one of the most successful robots since today. At present, the Delta robot is widely used in the packing of cosmetic, food and medicine as well as assembly of electronic products.The s
6、tepping motor is a open-loop control components that could be to transform the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement. The stepping motor is the power of Delta robot which is both simple and cheap, reliable and stable. It has instant start, rapid stop, and high accu
7、racy.On the basis of inverse kinematics model, develops the computer control system based on Windows using VC2008, The inverse solution space coordinates and Serial data transceiver. Design and manufacture of Delta robot, Using the two-phase hybrid stepping motor, using S3C6410 as the control core,
8、The lower computer serial port to send and receive data and Control of the mechanical motion.Key word: Delta robot; Inverse solution of position; Stepping motor; S3C6410目 录绪论31 系统开发相关工具介绍31.1 OK6410开发板介绍31.2 RVDS开发工具介绍31.3 交叉编译环境的搭建31.4 OK6410裸机程序的烧写32 Delta机器人详细设计32.1 硬件结构分析32.1.1 Delta机器人机械结构32.1.
9、2 步进电机介绍32.1.3 步进电机驱动器32.1.4 硬件电路连接32.2 三自由度Delta机器人位置分析32.2.1 Delta机器人机构简介32.2.2 位置反解分析32.2.3 位置反解数值算例33 控制系统实现33.1 控制系统控制流程33.2 S3C6410初始化33.3 中断控制的实现33.3.1 保存现场33.3.2 处理中断33.3.3 恢复现场33.4 时钟初始化33.4.1 锁相环配置33.4.2 分频器的配置33.5 串口控制33.5.1 时钟单元选择33.5.2 配置波特率发生器34.5.3 串口中断控制33.6 定时器设置33.7 步进电机控制33.8 上位机控
10、制程序33.8.1 上位机串口模块33.8.2 位置反解计算模块34 系统测试3总结3参考文献3致谢3IV绪论引言自从1961年美国Unimation公司推出第一台工业机器人以来，机器人得到了十分迅速的发展。如今机器人已经广泛应用于工业生产中，如喷气、焊接、搬运、装配等工作，在汽车工业、电子工业、核工业、服务业和医疗卫生等许多方面都有应用。现在所说的机器人多指串联机器人。1965年，英国高级工程师Stewart首先提出了一种6自由度的并联机构作为飞行模拟器用于训练飞行员4，如图 1.1示。到1978年，澳大利亚的Hunt教授指出这种机构更接近于人体的结构，可以将此平台作为机器人机构。80年代中
11、期，国际上研究并联机器人的学者还寥寥无几，出的成果也不多，到80年代末期特别是90年代以来，并联机器人才被广为关注，并成为新的热点，许多大型会议都设有专题进行讨论。1985年，Clavel提出了一种成为Delta的三维移动机构，如图 1.2示。Delta机器人是最经典的空间三自由度移动的并联机构，大多数空间三自由度并联机构都是从Delta机构衍生的。Delta机器人是一种具有3个平动自由度的高速并联机器人，也是目前商业应用最成功的并联机器人之一。 图1.1 Stewart平台 图 1.2 Delta机器人并联机器人研究发展的现状目前，国内外对于并联机器人的研究主要集中于机构学、运动学、动力学和
12、控制策略等几个领域。其中机构学和运动分析主要研究并联机器人的运动学、奇异形位、工作空间和灵巧度分析等方面，这些研究是实现并联机器人控制和应用的基础。动力学和控制策略的研究主要是对并联机器人进行动力学分析和建模，研究各种可能的控制算法，对并联机器人实时控制，以达到预期的控制效果11。下面分别对并联机器人的运动学、动力学、机构性能等方面的主要研究成果和趋势进行阐述：1.运动学研究内容包括位置正反解、速度和加速度分析两部分。位置正解是给定并联机器人各输入关节的位置参数，求解末端执行器的位姿参数；反解就是给定并联机器人末端执行器的位姿参数，求解各输入关节的位置参数。其中，解决位置正解问题主要方法有数值
13、法和解析法两种。2.并联机器人的动力学研究包括惯性力计算、受力分析、驱动力矩分析、主负约束反力分析、动力学模型建立、计算机动态仿真、动态参数辨识等，其中建立动力学模型是实现并联机器人控制的基础。研究动力学特性的方法通常有以下：拉格朗日(L眼range)法、牛顿一欧拉(Newton一Euler)法、凯恩(Kane)法、高斯(Gauss)法等。Lagrange方法建立动力学方程是以系统动能和势能建立的，它推导复杂、计算量大，但用矩阵形式表示的动力学模型既能用于动力学控制，又能用于系统动力学模拟，而且能清楚的表示出各构件间的祸合特性，有利于对系统的祸合特性做深入研究，因此Lagrange方程得到广泛
14、的应用。本文研究的目的与意义 由于并联机器人采用闭环机构,和串联机器人的开链式机构相比,具有如下特点：1并联机器人其末端件上平台同时由6(或3)根驱动杆支撑，与串联的悬臂梁相比，其承载能力高、刚度大，而且结构稳定；由于刚度大，在相同的自重或体积下，并联式较串联式有较高的承载能力。2串联式末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，因此误差大而精度低，并联式没有那样的积累和放大关系，各杆件误差形成平均值，误差小而精度高。3串联机器人的驱动电机及传动系统大都放在运动的大小臂上，增加了系统的运动惯性，恶化了系统的动力性能；而并联机器人很容易将电机置于基座上，减少了运动负荷，极大地提高了系统的动力性能。
15、4在位置求解上，串联机构正解容易，反解十分困难，而与之相反的是，并联机构正解困难而反解却容易得到。由于机器人的在线实时计算是要计算反解，这就对串联式造成了困难，而并联式很容易实现。5相对于串联机器人，同样的机构尺寸，并联机器人的工作空间较小，主要是受输入空间、平台和基座的形状和大小、平台和基座及其杆件在空间的相互干涉、奇异位置等约束造成。6由于并联机构动力学特性具有高度非线性、强祸合的特点，使得其控制较为复杂。通过以上分析可知，并联机器人与串联机器人在应用上形成了一种互补的关系，各自都有其特殊的应用领域，可以说并联机器人的出现扩大了机器人的应用范围。随着微电子和计算机技术的发展，并联机器人得到
16、了越来越广泛的应用。工业上，并取机器人可以用在汽车总装线上安装轮胎，汽车发动机，还可以用作飞船对接器，潜艇救援中的对接器，飞行模拟器、空间飞行器对接机构及其地面试验设备，天文望远镜跟踪元位系统等，其中Delta机器人被广泛应用于食品与药品的包装与机械自动生产线上。对于困难的地下工程，如上方挖掘，也可以利用并联机构。并联机器人的一个重要应用就是被称为“21世纪的机床”的虚拟轴机床。并联机床的中心结构简单，传动链极短，刚度大，质量轻，切削效率高，成本低，很容易实现6轴联动，因而可以加工非常复杂的三维曲面。1994年美国芝加哥IMTS博览会上GIDDINGS&LEWIS公司推出了新开发的并联式VAR
17、JAX“虚拟轴机床”，引起广泛关注。并联机器人的另一个重要的应用方面是作为微动机构或微型机构。这种机构充分发挥了并联机构工作空间不犬、精度和分辨率高的特点，在三维空间内微小移动在220m之间。如在眼科手术、微细外科手术中的细胞操作、心脏冠状动脉移植等中都得到了很好的应用。系统初步介绍 本次设计主要包含五大部分： 1.Delta机器人机械部分，Delta机器人以42步进电机作为动力，使用1:27行星减速器，可以获得更大的力矩以及更高的精度。机器人主体由摇臂、连杆、基座平台、移动平台及支架组成。 2.步进电机驱动部分，由于Delta机器人的特性，需要步进电机低速运行，需要对步进电机进行细分控制。因
18、此，对步进电机驱动器有较高要求。本次设计采用细分型高性能步进电机驱动芯片HST3525芯片作为步进电机驱动。获得更好的性能。 3.电源部分，本次设计为充分发挥步进电机的性能，主电源采用24V 10A高频开关电源。步进电机驱动控制信号电压为5V，固选用5V开源电源为驱动器提供驱动电压。 4.电压转换部分，S3C6410 的GPIO口输出高电平为3.3V，为了能驱动HST3525芯片。需要用电压转换部分将3.3V转换为5V电压。 5.本次设计采用ARM11 SANSUNG S3C6410作为控制芯片，实现坐标解算和电机控制。S3C6410 是一个 16/32 位 RISC 微处理器，旨在提供一个具
19、有成本效益、功耗低，性能高的应用处理器解决方案。S3C6410 采用了64/32 位内部总线架构。该 64/32 位内部总线结构由 AXI、AHB 和 APB 总线组成。它还包括许多强大的硬件加速器，像视频处理，音频处理，二维图形，显示操作和缩放。 用户输入坐标命令传递给解算函数，解算函数(x,y,z）-(,)，经解算函数反解后将所需运转步数传递到串口，串口将命令更新保存在机器状态中。每2ms机械运动控制程序运行一次，判断还需运转步数及方向，传递给电机驱动，步进电机旋转相应角度，机械臂移动到对应坐标点。本文的主要工作 本文首先对Delta机器人的背景、现状、目的和意义进行了描述，对Delta机
20、器人的控制流程进行了分析讲解，然后对本控制系统的各个组成部分及功能模块进行了详细的分析，有Delta机器人机械部分、步进电机驱动部分、电压转换部分、ARM11 SANSUNG S3C6410芯片。在此基础上，论文详尽的描述了本控制系统的S3C6410控制部分。包括S3C6410芯片初始化、时钟初始化、UART中断、按键中断、定时器的使用、空间坐标反解等。1 系统开发相关工具介绍1.1 OK6410开发板介绍 随着微电子技术的快速发展，ARM处理器经历了包括ARM7、ARM9在内的多个发展历程，而ARM11的成熟应用必将为嵌入式的发展带来新的活力，使更高端的产品应用成为可能。与ARM9的5级流水
21、线相比，ARM11拥有一条具有独立的load-store和算术流水的8级流水线，在同样工艺下，ARM11处理器的性能与ARM9相比大约提高了40%。ARM11执行ARMv6架构的指令，ARMv6指令包含了针对媒体处理的单指令流多数据流（SIMD）扩展，采用特殊的设计，以改善视频处理性能。为了能够进行快速浮点运算，ARM11增加了向量浮点单元。所有这些结构上的提高，都是ARM9处理器不可比拟的1。S3C6410是由三星公司推出的一款低功耗、高性价比的RSIC处理器，它基于ARM11内核（ARM1176JZF-S)，可广泛应用于移动电话和通用处理等领域；S3C6410为2.5G和3G通信服务提供了
22、优化的硬件性能，内置强大的硬件加速器：包括运动视频处理、音频处理、2D加速、显示处理和缩放等；集成了一个MFC(Multi-Format video Codec)支持MPEG4/H.263/H.264编解码和VC1的解码，能够提供实时的视频会议以及NRSC和PAL制式的TV输出；除此之外，该处理器内置一个采用最先进技术的3D加速器，支持OpenGL ES 1.1/ 2.0和D3DM API，能实现4M triangles/s的3D加速；同时，S3C6410包含了优化的外部存储器接口，该接口能满足在高端通信服务中的数据带宽要求。由于以上突出的性能表现，著名的苹果公司手机IPHONE就是基于S3C
23、6410处理器。OK6410开发板基于三星公司最新的ARM11处理器S3C6410，拥有强大的内部资源和视频处理能力，可稳定运行在667MHz主频以上，支持Mobile DDR多种NAND Flash。OK6410开发板上集成了多种高端接口，如复合视频信号、摄像头、USB、SD卡、液晶屏、以太网，并配备温度传感器和红外接收头等。这些接口可作为应用参考帮助用户实现高端产品级设计。OK6410开发板采用核心板+底板结构，核心板尺寸规格为5CM6CM，底板尺寸为10.5CM14CM，核心板与底板之间采用4组高质量进口连接器（镍金工艺，接触好、抗氧化），共计320个引脚（804），方便客户进行二次开发
24、，进行各种形式的扩展应用。OK6410的软件系统目前支持WinCE 6.0、LINUX2.6.28、Android2.1以及uC/OS-II，提供标准板级支持包（BSP）并开放源码，其中包含了所有接口的驱动程序，客户可以直接加载使用。另外，该板可连接飞凌公司与之相配套使用的串口扩展板、WIFI模块、摄像头模块等。1.2 RVDS开发工具介绍RealView Development Suite（RVDS）是 ARM 公司继 SDT 与 ADS1.2 之后主推的新一代开发工具。RVDS 集成的 RVCT 是业内公认的能够支持所有 ARM 处理器，并提供最好的执行性能的编译器；RVD 是 ARM 系
25、统调试方案的核心部分，支持含嵌入式操作系统的单核和多核处理器软件开发，可以同时提供相关联的系统级模型 构建功能和应用级软件开发功能，为不同用户提供最为合适的调试功效。目前全球基于 ARM 处理器的 40 亿个产品设备中，大部分的软件开发是基于 RealView开发工具。安全、可靠和高性能地设计产品的最好选择就是购买 ARM RealView 开发工具。Rvds2.2 集成了 Codewarrior for rvds 开发环境。Codewarrior for rvds 提供基于 Windows 使用的工程管理工具。它的使用使源码文件的管理和编译工程变得非常方便。 但 CodeWarrior ID
26、E 在 UNIX 下不能使用 RealView 编译工具（RVCT）。优化的标准 C/ C+ 编译器链接器汇编器映像转换工具ARM 目标文件管理C 语言库RogueWave C+ 标准模版库RealView 编辑工具为了给 ARM 架构提供最优异的支持， ARM 公司经过十六年的研究推出了 ARMRealView 编译工具。他们包含了能够将 C 或 C+ 编译成 32 位 ARM 指令集、16 位 Thumb指令集和 Thumb-2 指令集所必需的软件部件。RVDS 编译工具为 ARM 架构提供了最优异的支持， 它在代码的速度和大小上有了许多重要改进。使用 RVDS 中的编译工具能为嵌入式 L
27、inux 和 Symbian 系统提供最优化的应用程序。RVDS 为那些一直在寻求互用 ARM 与 GNU 工具链,并且基于 ARM 架构的兼容 Application Binary Interface (ABI)的客户提供空前灵活的支持,使开源工具与商业工具的使用贯穿整个软件开发团队。1.3 交叉编译环境的搭建1.安装Ubuntu 12.04操作系统。Ubuntu 是一个以桌面应用为主的 Linux 操作系统，官网下载Ubuntu 12.04进行安装。嵌入式交叉编译，经常需要 root 用户的权限，ubuntu12.04 默认是不允许 root 登录的，在登录窗口只能看到普通用户和访客登录。
28、以普通身份登陆 Ubuntu 后我们需要做一些修改，用于支持 root 用户登陆。2.安装交叉编译器。将 arm-linux-gcc-4.3.2.tgz 文件拷贝到 Ubuntu 的/forlinx 目录下，该文件可自行上网下载，也可以在OK6410开发板用户基础资料光盘的“实用工具”文件夹中找到。在 Ubuntu 中新建一个终端，输入下面的命令安装交叉编译器： （进入/forlinx 目录） （创建目录，若目录已存，跳过即可） （编译器解压到 /usr/local/arm）把交叉编译器路径添加到系统环境变量中， 以后可以直接在终端窗口中输入arm-linx-gcc 命令来编译程序。在终端中执
29、行:gedit /etc/profile添加以下四行到该文件中：export PATH=/usr/local/arm/4.3.2/bin:$PATHexport TOOLCHAIN=/usr/local/arm/4.3.2export TB_CC_PREFIX=arm-linuxexport PKG_CONFIG_PREFIX=$TOOLCHAIN/arm-none-linux-gnueabi保存，退出。重新启动系统，在终端里面执行 arm-linux-gcc 回车，结果如图2.1所示：图 1.1 Ubuntu终端说明交叉编译器已经成功安装到了系统里面，可以使用该编译器来编译 Uboot 代码
30、和内核代码了。1.4 OK6410裸机程序的烧写1.烧写裸机程序前，我们需要做好开发板数据线以及电源线的连接。 1)开发板电源线。 2)USB转串口线：一端连接电脑USB口，一端连接开发板。 3)USB device线：一端连接电脑USB口，一端连接开发板。（dnw下载程序使用，需先安装dnw驱动。） 2.烧写原理：用UBOOT命令nand烧写程序到开发板。 1)通过SD_Writer.exe将mmc.bin烧写到SD 卡中，将开发板设置到SD卡启动，具体设置如表1.1所示。表 1.1 SD卡启动拨码表引脚号Pin8Pin7Pin6Pin5Pin4Pin3Pin2Pin1引脚定义SELNAND
31、OM4OM3OM2OM1GPN15GPN14GPN13SD卡启动11111000 注：上表中。1表示拨码需要调到On；0表示拨码需要调到Off。在拨动开关时，务必把开关拨到底。如果没有拨到底，会导致烧写失败。 SD_Writer.exe的程序界面如图 1.2所示。图 1.2 SD_Writer 2) 将SD卡安装到开发板中并启动，快速敲空格键让开发板停留在uboot的启动画面，如图1.3所示：图 1.3 uboot3) 输入dnw 50008000 下载你要烧写的程序，如图1.4所示：图 1.4 dnw下载然后从dnw的usbport-Transmit-Transmit发送你要生成的led.b
32、in文件。4) 输入 nand erase 0 100000 擦除nandflash前1Mb空间，如图1.5所示。图 1.5 擦除nand flash5) 输入 nand write.uboot 50008000 0 100000 将内存地址50008000中的1Mb数据写到nandflash的0100000空间中，如图1.6所示。(即前1Mb中，uboot中输入的数据默认16进制)图 1.6 烧写nand flash6) 将开发板设置到nandflash启动,如表1.2。并启动开发板，你就可以看到程序在开发板上运行了。（由于OK6410采用的是每页4KB的nandflash，而CPU默认支持
33、最大2KB每页的nandflash，种方法可以兼容大的bin文件。）表 1.2 nand flash启动拨码表引脚号Pin8Pin7Pin6Pin5Pin4Pin3Pin2Pin1引脚定义SELNANDOM4OM3OM2OM1GPN15GPN14GPN13SD卡启动10011000注：上表中。1表示拨码需要调到On；0表示拨码需要调到Off。 在拨动开关时，务必把开关拨到底。如果没有拨到底，发生接触不良，会导致启动失败。2 Delta机器人详细设计2.1 硬件结构分析2.1.1 Delta机器人机械结构Delta机器人基平台、摇臂及动平台由250x250x10mm亚克力透明板切割而来。图纸如下
34、： 图2.1基平台图纸 图2.2 动平台图纸 图2.3 摇臂图纸Delta机器人的关节用关节轴承代替球头铰链。关节轴承图纸如图 2.4。 图2.4 关节轴承2.1.2 步进电机介绍步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进电机接收到一个脉冲信号，它就按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”）它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。步进电机内部的线圈组数，区分步进电机的相数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.
35、36/0.72。考虑到大小与驱动功率的限制，本次设计选用42BYGH403二相步进电机，其具体参数如表2.1：表 2.1 步进电机参数电机型号步距角()机身长(mm)电压(V)电流(A)电阻()电感(mH)静力矩(kg.cm)转动惯量(g.cm2)重量(Kg)42BYGH4031.8402.41.651.52.73.5540.25上表数据中，因42BYGH403为二相步进电机，固步距角为1.8，即每一个脉冲电机转动1.8。静力矩也叫保持转矩，是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。 由于步进电机的输出力矩随速度的增
36、大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一。选择的步进电机静力矩为3.5kg.cm。在没有驱动脉冲输入时能更好的稳定机械臂。二相四线步进电机的接线如图2.5所示：图 2.5 接线图2.1.3 步进电机驱动器本次设计步进电机需要低速运行，自制带有细分功能的驱动器较为复杂，固选用二相混合式步进电机高细分2A驱动器HST3525。HST3525是采用专利技术研发的细分型高性能步进电机驱动器,适合驱动任何中小型2.0A相电流以下两相或四相混合式步进电机。每秒两万次的斩波频率，可以消除驱动器中的斩波噪声。为满足在脉冲频率不高的情况下实现低速高细分、高速时用
37、低细分的需求，上位机先检测驱动器输出的整步信号FSTEP，如整步信号有效，则上位机输出新的细分数(MS2、MS1、MS0)，待下一个整步出现后，驱动器就以新的细分数工作。动态改细分时，细分选择开关SW4、SW5、SW6必须置于OFF状态。上位机初始化后，应在输出脉冲前，设置细分数(MS2、MS1、MS0)。如MS2、MS1、MS0为全OFF状态，则驱动器不工作，直到MS2、MS1、MS0脱离全OFF状态。HST3525驱动器的参数：供电电压AC12-36V或DC12-24V驱动电流0.3-2.0A细分精度1-128细分可选 光隔离信号输入电机噪声优化功能可驱动任何2.0A相电流以下两相、四相混
38、合式步进电机20KHz斩波频率驱动器电气规格：表 2.2 驱动器电气规格表说明单位最小值典型值最大值输出电流A0.31.22.0控制信号输入电流mA71016步进脉冲频率KHz0.1-100输入电源电压VDC122436脉冲低电平时间s5-驱动器微步细分设定：表 2.3 驱动器微步细分设定表步数/转MicroSW4SW5SW62001ONONON4002OFFONON8004ONOFFON16008OFFOFFON320016ONONOFF640032OFFONOFF1280064ONOFFOFF驱动器工作电流设定：表 2.4 驱动器工作电流设定表输出峰值电流SW1SW2SW30.3AONON
39、ON0.4AOFFONON0.5AONOFFON0.6AOFFOFFON1.0AONONOFF1.2AOFFONOFF1.5AONOFFOFF2.0AOFFOFFOFF驱动器接口信号描述：表2.5 驱动器接口信号表名称功能PUL脉冲信号：上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步DIR方向信号：用于改变电机的转向，TTL电平驱动VCC光耦驱动电源EN使能信号：禁止或允许驱动器工作，低电平禁止A+电机A相A-电机A相B+电机B相B-电机B相AC1接入AC12-36或DC12-24V之间的任意值AC2接入AC12-36或DC12-24V之间的任意值2.1.4 硬件电路连接2.1.4.1 驱动器与S3
40、C6410接线S3C6410包含了187个多功能输入/输出端口管脚，这些管脚被分为（ProtA）GPA-（ProtQ）GPQ17个端口。端口的管脚均可以设置成输入或输出本次设计选用端口GPC端口，GPC包括管脚GPC0GPC7选用GPC0GPC5作为控制信号。步进电机选型为两相四线型42BYGH403 其额定电流为1.65A因此需要驱动器，驱动器HST3525实现其输入接口为脉冲信号和转向信号，使能端悬空。用S3C2440驱动三台42BYGH403步进电机的物理连接图如图2.6所示：47 图 2.6 系统接线其中S3C6410的I/O 输出高电平为 33V为了能够驱动HST3525，需用33V
41、转5V转换电路，其实现如图2.7所示当GPC0的输出是0的时候输出会被拉成5V左右当GPC0的输出时33V时由于三极管导通此时输出被拉低成0，因此在给出GPC的输出时还要注意将电平进行反转。 图 2.7 3.3V转5V电路图 3.1.4.2 USER IO接口USER IO口为OK6410开发板的扩展口。（用到的IO口）GND -GNDSPIMOSIO3 GPC2SPICS0 -GPC3SPICLK0-GPC1SPIMISCO0-GPC0SPICS1-GPC7SPIMISO1-GPC4SPIMOSI1-GPC6图 2.8 USER IO SPICLK1-GPC52.1.4.3 UART串口电路
42、本次设计使用UART 接口实现RS-232通信的硬件电路。S3C6410 的UART 接口为 LVTTL 电平，逻辑“1”是高电平 23.3V，逻辑“0”是低电平 00.8V。而 R-S232 接口的电平范围是-15+15V，采用负逻辑，即逻辑“1”为-3-15V，逻辑“0”为+3+15V。要使二者之间进行正常通信，就必须要通过一个电平转换电路将 TTL 高电平表示的“1”转换成 RS-232 的负电压信号，把 TTL 低电平表示的“0”转换成 RS-232 的正电压信号。在本设计中采用常见的电平转换芯片 MAX202来实现电平转换，UART0 的电平转换电路如图 2.9 所示。TXD0、RX
43、D0分别连接S3C6410的GPA1、GPA0。RTSN0与CTSN0为自动流量控制，本次设计没有用到自动流量控制，在UNCON0寄存器中禁止自动流量控制。 图 2.9 UART串口电路3.1.4.4 按键电路接有10K的上拉电阻，按下按键I/O口为低电平，GPNDAT寄存器数据为0。电路如图 2.10所示。图 2.10 按键电路2.2 三自由度Delta机器人位置分析2.2.1 Delta机器人机构简介 Delta机器人由静平台（上平台）、动平台（下平台）、3根主动杆、3个平行四边形从动支链组成（结构如图2.11）。基座平台的三边通过三条相同的运动链分别连接到运动平台的三条边上。每条运动链中
44、有一个由四个球铰与杆件组成的平行四边形闭环，此闭环再与一个带转动关节的驱动臂相串联，驱动臂的一端固定在静平台上，在电动机的驱动下作一定角度的反复摆动。这三条运动链决定了运动平台的运动特性。运动平台不能绕任何轴线旋转，但可以在直角坐标空间沿x,y,z三个方向平移运动，即具有三个自由度12。分析该机构,容易知道该机构具有局部冗余自由度,即球铰之间的连杆可以绕自身轴转动，计算自由度时将四个球铰中的两个按虎克铰考虑，以便消除局部自由度的影响。 图 2.11 Delta机器人机构图计算空间机构自由度 Kutzbach-Grubler 公式可知：式中：n为机构杆件数；g为运动副个数；为所有运动副自由度之和。得出2.2.2 位置反解分析求解位置反解即给定运动平台的中心点在基座坐标系中的坐标，求解基座平台的三个控制电机的旋转角度，也就是三个驱动臂对基座平台的张角。运动学逆问题的求解是机器人控制的关键，因为只有使各关节变量按反解中求得的值运动，才能使末端操作器达到所要求的位姿。为了方便求解三自由度平台的空间位置关系，研究平台的运动规律，需要将机构稍加改造。考虑到运动平台只有平动而无转动，相对静平台姿态固定，机构中所有平行四边形框架始终为平面四边形，不会扭曲为空间四边形。在此条件下，平行四边形左右两边的运动与上下两边中点的连线的运动完全相同。因此，在运