并聯(lián)機器人的設計說明書大學畢設論文

北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文PAGEPAGE4北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文摘要機器人尤其是并聯(lián)機器人的設計是機器人領域復雜而困難的課題。本論文建立了并聯(lián)機器人的物理模型，詳盡探討了機器人的工作空間，給出了可達工作空間的計算方法，并通過對工作空間的位置分析和運動分析，得出了最佳的連桿長度和機構的運動空間的關系。并聯(lián)機器人由于結(jié)構的限制不容易實現(xiàn)靈活工作空間，針對這一特性，文中提出了并聯(lián)機器人的靈活度和靈活空間等性能指標的概念。最后本文系統(tǒng)的論述了步進電動機的選用和硬件電路的設計，并給出了步進電動機的控制程序。空間模型是實現(xiàn)機器人機構計算機輔助設計的有效途徑，因此本論文的研究對設計者設計并聯(lián)機器人機構和開發(fā)這些并聯(lián)機器人機構的計算機輔助設計軟件有著重要的科學意義和明顯的應用價值。關鍵詞：物理模型硬件電路并聯(lián)機器人AbstractThedesignofmanipulators,especiallytheparallelmanipulators,isoneofthechallengingproblemsintheroboticfield.Inthisthesis,thephysicalmodelsofthesolutionspaceforsomeparallelmanipulatorsareplanarparallelmanipulators.Thethesisstudiestheworkspacesoftheparallelmanipulatorsindetail.Thenumericalmethodsforcalculatingtheworkspacesarepresentedthroughtheworkspaceandthelocationanalysisandmotionanalysis.Theconceptsofagilityandtheagileworkspaceforparallelmanipulatorsareproposedanddefined.Thephysicalmodelsofthesolutionspaceproposeausefulapproachforthecomputer-aideddesignofroboticmechanisms,theresultsandthetechniquesobtainedbythisthesisareveryusefulforthedesignoftheparallelroboticmechanismsandthedevelopmentofCADsoftware.Keywords:PhysicalModelHardwarecircuitParallelmanipulator目錄TOC\o摘要 IAbstract II目錄 1第1章緒論 31.1概述 31.2并聯(lián)機器人的特點、發(fā)展過程、現(xiàn)狀 41.3并聯(lián)機器人綜合的研究現(xiàn)狀 71.4論文選題的意義 8第2章并聯(lián)機器人機構及性能分析 92.1機器人系統(tǒng)自由度的分析 92.2機器人機構性能分析 102.2.1機器人機構描述 102.2.2位置分析 102.2.3性能評價指標 112.3尺寸設計 132.3.1最佳極位夾角的確定 142.3.2最佳連桿長度的確定 152.3.3其他參數(shù)的確定及尺寸設計結(jié)果 152.3.4并聯(lián)機構活動空間及連桿尺寸的確定 162.4并聯(lián)機構運動學仿真概述 162.5小結(jié) 17第3章步進電動機的選擇及一級減速齒輪副的選擇 183.1步進電機的特點 183.2步進電機的工作原理 183.3步進電機的控制 193.5一級減速齒輪副的選擇 203.6小結(jié) 21第4章機器人控制系統(tǒng)的設計 214.1單片機概述 214.1.1單片機的發(fā)展情況 214.1.2單片機的結(jié)構 224.1.3單片機的應用 224.2芯片的選取原則和片腳結(jié)構 224.2.1.單片機的優(yōu)點 224.2.2.MCS-51系列單片機8031 234.2.3.地址鎖存器 234.2.4.三八譯碼器 244.2.5.程序存儲器 244.2.6數(shù)據(jù)存儲器 254.2.7.并行I/O口 254.3鍵盤顯示電路 264.4硬件電路設計 274.4.1本設計硬件電路簡介 2各芯片的地址計算 284.4.2本設計硬件電路圖 284.5步進電機的控制程序 284.5.1.功能說明 284.5.2.控制程序 284.6小結(jié) 30第5章并聯(lián)機構的運動學仿真 315.1有關內(nèi)容介紹 315.1.1OpenGL介紹 315.1.2計算機輔助設計簡介 335.1.3編程軟件C++Builder簡介 345.2仿真程序的設計流程及實現(xiàn) 345.2.1需求分析 345.2.2總體設計過程及思想 345.2.3每一模塊的功能及實現(xiàn) 355.3動態(tài)仿真動畫的實現(xiàn) 375.3.1OPenGL的工作場景設置 375.3.2并聯(lián)機構三維模型的建立 395.3.3模型的渲染 395.3.4實時動態(tài)仿真的實現(xiàn) 405.4仿真實現(xiàn) 405.5本章小結(jié) 40結(jié)論 41致謝 42參考文獻 43附錄 44第1章緒論1.1概述人類的歷史就是不斷認識世界和改造世界的歷史，是生產(chǎn)力發(fā)展的歷史。在生產(chǎn)力發(fā)展過程中，生產(chǎn)工具的發(fā)展起了重要的作用。從瓦持發(fā)明蒸汽機以后、開始了產(chǎn)業(yè)革命，由于蒸汽機把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榫薮蟮臋C械能，從而代替了人力。從機械的角度看，蒸汽機是應用了一個滑塊曲柄機構，將往復運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，僅僅這一種變化的運動模式．就給生產(chǎn)力以巨大的推動。很早以來，人類就幻想能有一種擬人的機械，能實現(xiàn)如人的手、腳一樣的靈活自由的運動，能代替人從事各種非固定變化的復雜的勞動。早在15世紀霍美羅斯著的《伊利亞》一書中，就出現(xiàn)了“機器人”。后失16世紀的《黃金少女》、18世紀的《青銅巨人塔羅斯》都描寫了機器人。在中國，三國時期的諸葛亮就發(fā)明了“木牛流馬”，已能行走爬山，用來運送糧草支援戰(zhàn)爭。這種能在崎嶇山路上行走、能適應復雜環(huán)境的機械，決非常規(guī)的只能執(zhí)行一種固定的運動校式的機械所能勝任的，而是今天所說的步行機器人。l920年捷克作家查培克所著的《萬能機器人》一書中一個強壯的機器人名隊Robot，幫人干了許多體力勞動?，F(xiàn)在Robot一詞的英文含義就是“機器人”。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展這種夢想最終成為了現(xiàn)實。目前廣泛使用的工業(yè)機器人的主體大都是一個似人手臂的機電系統(tǒng)，這類機器人屬于串聯(lián)機器人的范疇。如果要移動一個很重的箱子，人們習慣用兩個手臂同時工作，這種幾個運動鏈并行工作的概念應用到機器人上就產(chǎn)生了另一類機器人—并聯(lián)機器人。并聯(lián)機器人的拓撲結(jié)構中包含了一個或幾個閉環(huán)，它由有一個或幾個閉環(huán)組成的關節(jié)點坐標相互關聯(lián)的機器人。與傳統(tǒng)的串聯(lián)機器人相比，并聯(lián)機器人的主要特點為:(1)驅(qū)動裝置可以安放在或接近機架的位置;(2)機器人的運動部分重量輕、速度高、動態(tài)性能好;(3)沒有累積誤差，其精度較高;(4)并聯(lián)機器人往往采用對稱結(jié)構，其各向同性好;(5)并聯(lián)機器人的工作空間較小;(6)運動學反解簡單，正解復雜;1.2并聯(lián)機器人的特點、發(fā)展過程、現(xiàn)狀并聯(lián)機器人與串聯(lián)機器人相比具有一些獨特的性能，如剛度高、承載能力高、速度高、驅(qū)動電機在機架上而使活動構件的質(zhì)量輕，它早已引起了國際上長期的關注，并給予了大量的研究。由于沒有關節(jié)誤差的累積，并聯(lián)機器人往往被認為是高精度的機器人，因此并聯(lián)機器人一般在高精度高剛度的領域應用。歐洲同步加速器輻射研究所研制的一臺并聯(lián)機器人，它能夠在邊長4分米的立方體工作空間內(nèi)以lmm的精度放置500kg的載荷。在一些需要高精度、高剛度或者高速度而無須很大工作空間的應用領域，并聯(lián)機器人機構越來越受到人們的青睞。飛行模擬器:把并聯(lián)機器人機構應用為飛行模擬器，是并聯(lián)機器人較早的應用。在并聯(lián)機器人領域，"Stewart-Gough平臺機構”幾乎就是“飛行模擬器”的代名詞。國際上有很多公司研制并聯(lián)機構的飛行模擬器，如Frasca國際公司研制的MBBB0105型綜合飛行訓練裝置，就是采用并聯(lián)機構作為運動實現(xiàn)主體。德國跨國公司Daimler-Benz公司制造的Daimler-Benz超大型6-6六自由度Stewart型多媒體全真動態(tài)駕駛模擬器，在多媒體全真駕駛模擬器方面主導了世界領先水平的潮流。圖1-1著名的Stewart平臺機構圖1-2基于Stewart平臺的飛行模擬器圖1-3多媒體全真動態(tài)駕駛模擬器虛擬軸數(shù)控并聯(lián)機床:虛擬軸六自由度數(shù)控機床是并聯(lián)機器人在制造業(yè)中的一個重要應用。與傳統(tǒng)的數(shù)控機床相比，并聯(lián)式加工中心結(jié)構簡單，傳動鏈短，剛度大，質(zhì)量輕，切削效率高，成本低，特別是很容易實現(xiàn)六軸聯(lián)動，因而能加工復雜的三維曲面。Giddlings&Lewis公司在1994年美國芝加哥IMTS'94博覽會上推出的VARIAX虛擬軸機床，引起廣泛的關注，被稱為“21世紀的機床”，它在國內(nèi)外已經(jīng)成為研究熱點。德國Mikromat公司的6X型并聯(lián)機床是德國Fraunhofer機床和成形技術研究所為模具高速加工而開發(fā)的，該機床工作臺尺寸為630x630mm,X,Y,Z行程均為630mm，兩個轉(zhuǎn)動自由度范圍為300，主軸最高速度為lOm/s2。瑞士技術院機床與制造技術院和機器人院聯(lián)手研制出了名為工WF的Hexaglide虛擬軸機床。國內(nèi)外還有很多公司和院校在研究虛擬軸數(shù)控機床，如日本的本田公司基于銑削加工線的六條腿機床，Hexel公司、英國的Geodetic公司、意大利的COMAU機床公司和瑞典的NEOS機器人公司以及國內(nèi)的清華大學、天津大學、哈爾賓工業(yè)大學和沈陽自動化所、東北大學等等。虛擬軸數(shù)控機床的可能應用前景還有:以螞蟻啃骨頭方式對大型構件進行加土或最后精整，靈活布置進行測量或裝配和對實體模型進行數(shù)據(jù)采集或精修等等。微動機器人:在精密機械領域，如精密加工、醫(yī)學和微電子機械等等，對多自由度精微運動的要求越來越多，這促使了機器人另一個新的應用領域—微動機器人的發(fā)展。微型組織、微型機械、微電子和微型光學領域促進了微系統(tǒng)、集成光學元件的發(fā)展，這些微小的高科技產(chǎn)品要求機器人能夠以很高的精度(如典型的0.1fore)來操作并且裝配微小元件。同時這些微動機器人機構必須是高精度機構，不僅要無摩擦和無滯后作用，而且需要結(jié)構緊湊、重量輕、剛度好。1962年，Ellis就建議采用并聯(lián)而不是串聯(lián)的壓電陶瓷驅(qū)動微動機器人，之后，為了適應不同的應用領域，如生物工程學和微外科等，許多并聯(lián)結(jié)構的微動機器人樣機相繼誕生。Stoughton介紹了由兩個并聯(lián)結(jié)構組成的微型機器人，每個并聯(lián)機構由6個壓電式元件組成;Hudgens和Tesar提出了一種并聯(lián)的Stewart平臺微型機器人;Lee采用一個移動和兩個轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構來作為微動機器人的機構;哈爾濱工業(yè)大學用六自由度的并聯(lián)機構研制成了壓電陶瓷驅(qū)動六自由度并聯(lián)微動機器人;燕山大學研制了并聯(lián)式六自由度誤差補償器;北航提出了一種由一個平面3-RRR和一個空間并聯(lián)3-RPS機構串聯(lián)而成的微動操作的機器人和Delta型微動機器人。瑞士EPFL研制了并聯(lián)六自由度微動機器人，該微動機器人由2自由度或多自由度的球面微電機通過壓電式微傳送器驅(qū)動，用于在集成光纖底片上定位一單模光纖。圖1-4燕山大學高峰教授研制的臥式并聯(lián)機床（在機構構型上具有我國自主的知識產(chǎn)權，清華、天大及哈工大的機床都是采用國外已有的構型）六維力和力矩傳感器:由于智能化機器人的“觸覺”和“力覺”可以借助于力傳感器來實現(xiàn)，因此自七十年代以來，機器人關節(jié)(主要是腕關節(jié))用的六維力與力矩傳感器成為國內(nèi)外學者研究的熱點。在六維力傳感器研究中，力敏感元件的結(jié)構設計是力傳感器的關鍵核心問題，因為力敏感元件的結(jié)構決定力傳感器的性能優(yōu)劣。國內(nèi)外有許多學者把并聯(lián)機構的思想引用到六維力傳感器的力敏感元件結(jié)構設計上來，如Kerr,Nguyen和Ferraresi以及國內(nèi)北大的陳濱、華中理工大學熊有倫[ts,t6]分別研究了Stewart平臺結(jié)構六維力傳感器的設計。燕山大學首次提出用彈性鉸鏈來替代球面副，使Stewart平臺機構可設計成小尺寸，從而可使Stewart平臺機構適用于機器人手腕和手指上的六維力傳感器該設計思想實現(xiàn)了力傳感器力敏感元件的一體化，即力敏感元件是非組裝結(jié)構，從而提高了力傳感器的靈敏度和精度。步行器的腿:在實際應用中，很多場合并不是需要實現(xiàn)六個自由度剛體的運動，如爬壁機器人的步行執(zhí)行機構，僅僅需要兩個或三個自由度。由于少自由度的并聯(lián)機器人機構高剛度和動態(tài)性能好等特性，可以被用做步行器或爬壁機器人的腿。如日本Hirose&Yoneda實驗室于1979年研制的PV-II四足步行器，就是采用平面兩自由度五桿機構作為腿的執(zhí)行機構，之后在八十年代該實驗室研制的T工TAN系列四足步行器也都采用了并聯(lián)機構作為步行機構。該實驗室在1990-1994年研制的NINJA-I,N工NJA-II系列爬壁機器人是采用的具有三個自由度的3-RPS并聯(lián)機構作為移動實現(xiàn)機構。另外并聯(lián)機器人在要求力控制或者需要高速度運動的地方也得到了應用?？傊?，并聯(lián)機器人是在那些需要結(jié)構剛度好、高動態(tài)性能、高精度或者需要電機靠近機架的場合有廣闊應用前景。1.3并聯(lián)機器人綜合的研究現(xiàn)狀并聯(lián)機構的型綜合問題在機構分析中是一個基本問題。河北工業(yè)大學的高峰教授通過研究機構的數(shù)綜合，即研究在滿足一定要求的機構自由度前提下，機構將由多少個運動副和多少個構件來組成。在數(shù)綜合的基礎上，可以獲得在給定機構自由度的條件下，機構的構件數(shù)、運動副數(shù)以及具有不同運動副數(shù)的構件數(shù)目的關系，但是當已知數(shù)綜合時，他們能夠組成多少種機構的運動鏈，而這些運動鏈又能通過選擇不同的原動件和機架而得到多少種機構，這就是機構的型綜合。國內(nèi)的黃真教授也比較詳細的研究了這一問題。他從機構學的角度出發(fā)，通過研究機構的自由度、虛約束、公共約束，將并聯(lián)機構的各個分支的運動副看作是單自由度的基本副，總結(jié)了各種并聯(lián)空間機構。目前并聯(lián)機構國內(nèi)外研究比較多的是三自由度和六自由度，如平面三自由度，球面三自由度，3RPS機構，3TPS&1RT機構，DELTA機構，6SPS機構，6RTS機構等等，其中尤其是三自由度并聯(lián)機構是很有前景的一類，不僅可以直接作為機器人本體機構應用，如作為微動機器人機構的空間3-RPS并聯(lián)機器人機構和平面三自由度并聯(lián)機器人機構回;作為靈巧眼的球面三自由度并聯(lián)機器人機構網(wǎng)，以及做簡單拿一放運動的工業(yè)應用的DELTA并聯(lián)機器人機構;也可以作為部件應用，如作為機器人的關節(jié);也有把若干三自由度并聯(lián)機構串聯(lián)起來應用的，如把空間3-RPS。圖1-5燕山大學黃真教授研制的我國第一臺并聯(lián)機器人圖1-6天津大學黃田教授研制的并聯(lián)機床1.4論文選題的意義機器人的出現(xiàn)引起了很多學科和技術的變革，特別是對于設計和控制領域的影響是難以估量的。六自由度并聯(lián)機床基本上是基于Stewart平臺或者其變形結(jié)構開發(fā)的。六自由度并聯(lián)機構最早應用于機床并引起大家的廣泛關注。所以六自由度并聯(lián)機床較多，但大多精度不高，所研制的樣機大多屬于早期的探索樣機，近幾年基于六自由度并聯(lián)機構作為并聯(lián)機床的結(jié)構的樣機比較少。五自由度的并聯(lián)機器人機構最適合作為并聯(lián)機床的結(jié)構，但五自由度的并聯(lián)機構較少，當前基于五自由度并聯(lián)機床不是很多，已開發(fā)出來的樣機主要有：燕山大學的五軸機床，河北工業(yè)大學的五軸機床和Metrom公司的P—800型五桿并聯(lián)機床，其余的五自由度五軸并聯(lián)機床多為串并聯(lián)機構。四自由度的并聯(lián)機器人機構也比較少，用其作為并聯(lián)機床的結(jié)構也就比較少。只有沈陽自動化所研制的樣機結(jié)構是采用的四自由度的并聯(lián)機構。近幾年人們又開始探索用平面二、三自由度并聯(lián)機構作為并聯(lián)機床的結(jié)構，平面并聯(lián)機構的被動鉸鏈通常是轉(zhuǎn)動副，其制造技術相對比較成熟，且易達到較高精度，因此基于平面二、三自由度并聯(lián)機構的并聯(lián)機床是當前研究的熱點之一。所以選擇二自由度并聯(lián)平面機床作為我們此次設計的題目。本論文研究并聯(lián)機器人的機構設計問題。通過系統(tǒng)的學習，了解機器人發(fā)展的現(xiàn)狀，明白了串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人各自的優(yōu)缺點。在設計的過程中遇到問題并及時的解決問題，從而對并聯(lián)機器人的機構分析、硬件電路的分析有了初步的了解，為以后的研究生學習打下了基礎。第2章并聯(lián)機器人機構及性能分析2.1機器人系統(tǒng)自由度的分析圖2-1二自由度平面并聯(lián)平動機器人由圖知機構為四桿機構，則連桿與機架始終保持平行，在原動件（滑塊）的驅(qū)動下，連桿和連架桿運動，則連桿的運動形式為沿水平方向的運動或沿垂直方向的運動或為這兩項運動的復合運動，所以此機構為兩自由度并聯(lián)機構。2.2機器人機構性能分析2.2.1機器人機構描述如圖1所示為該機器人的概念設計，圖2為其結(jié)構簡圖和尺寸參數(shù)。在圖2中，機構的運動平臺2通過兩個相同的支鏈與固定平臺1相連，每一個支鏈由一個移動副(支鏈1和2中分別為滑塊3和7)和一個平行四邊形機構(支鏈2由構件3、4、5、2構成，支鏈2由構件6、7、8、2構成)組成一個副，連桿與滑塊3和7及運動平臺通過轉(zhuǎn)動副連接，由平行四邊形機構的性質(zhì)可知，運動平臺總是平行于固定平臺，其運動為一剛體在平面內(nèi)的平動，這是該機器人區(qū)別于原有平面并聯(lián)或串聯(lián)機器人的一個重要特點。圖2-2機器人結(jié)構簡圖和尺寸參數(shù)2.2.2位置分析如2所示，建立固定坐標系與固定平臺固接，原點位于固定平臺幾何中心。建立運動坐標系與運動平臺固接，原點位于運動平臺幾何中心。連桿長為，動平臺長為。滑動副3和7的位移和作為機構的輸入，設末端點位移作為機構輸出。則在固定坐標系下，和點的坐標為：，，由約束方程有：(1)(2)考慮到該機構的奇異形位及其如圖所示的裝配方式，由式(3)和(4)可得位置反解為：（3）(4)由式(3)和式(4)可得位置正解為：(5)(6)式(5)和(6)兩邊對時間取導數(shù)，則有該機器人的關節(jié)空間速度向操作空間速度的映射關系為：(7)式中，為操作空間速度矢量，為關節(jié)空間速度矢量，為速度雅可比矩陣，其表達式為：(8)式中(9)由文獻[12]可知，在靜態(tài)平衡狀態(tài)下，操作力向關節(jié)力的映射關系，即力雅可比矩陣為速度雅可比矩陣的轉(zhuǎn)置，即(10)如采用對該機器人運動學方程取微分的方法，來建立驅(qū)動關節(jié)空間誤差對操作空間誤差的映射矩陣，則驅(qū)動關節(jié)與運動平臺的誤差傳遞矩陣即為該機器人的速度雅可比矩陣，即(11)由文獻[12]可知，操作空間的力和變形之間的映射矩陣，即機器人末端的柔度矩陣為：(12)式中為驅(qū)動關節(jié)的剛度矩陣的逆矩陣，如設整個驅(qū)動的系統(tǒng)(包括傳動減速機構)的剛度系數(shù)(i=1,2)，則有：(13)將式(13)代入式(12)，則有(14)建立好上述的各種映射關系，接下來就可以利用這些映射矩陣，得到評價機器人各項性能的評價指標。2.2.3性能評價指標靈巧度以雅可比矩陣的條件數(shù)作為機器人靈巧度的衡量指標已經(jīng)被公認，其定義為：(13)式中和為速度雅可比矩陣的最大與最小奇異值。其全域性能評價指標為：(14)式中為該機器人的工作空間。如希望工作空間內(nèi)靈巧性最好，則應有最小。力可操作度如操作力矢量為一單位圓，則力雅可比矩陣將末端單位圓映射為一個橢圓，關節(jié)力橢圓的大小、形狀基本上反映了關節(jié)力矢量的特征。在這里定義力可操作度作為評價驅(qū)動力大小的性能指標，其反應了關節(jié)力橢圓與負載力單位圓的面積之比，其定義為：(15)式中和力雅可比矩陣的兩個奇異值。其全域性能評價指標為：(16)如希望在給定的工作空間內(nèi)對特定的負載驅(qū)動力最小，則應有最小。綜合誤差敏感度如輸入誤差為一單位圓，則誤差傳遞矩陣將輸入的單位圓映射為一個橢圓，誤差橢圓的大小、形狀基本上反映了終端誤差的特征。在這里采用綜合誤差敏感度作為評價終端誤差大小的評價指標，其反映了輸出誤差橢圓與輸入誤差單位圓面積之比，其定義為：(17)其全域性能評價指標為：(18)如希望在可測驅(qū)動關節(jié)變量時，運動平臺誤差最小，則應有最小。速度可操作度如機器人關節(jié)速度矢量為一單位圓，則速度雅可比矩陣將輸入的關節(jié)速度映射為一個橢圓，操作空間速度橢圓的大小、形狀基本上反映了操作空間速度矢量的特征。在這里采用速度雅可比矩陣的可操作度作為操作空間速度大小的評價指標，其反映了操作空間速度橢圓與關節(jié)空間速度單位圓面積之比，其定義為：(19)其全域性能評價指標為：(20)如希望在給定驅(qū)動器的驅(qū)動速度時，運動平臺速度最大，則應有最大。綜合變形敏感度如操作空間力矢量為一單位圓，則末端柔度矩陣將其映射為一個橢圓，末端變形橢圓的大小、形狀基本上反應了末端變形的特征。在這里定義綜合變形敏感度作為評價末端變形大小的性能評價指標，其表征末端變形橢圓與操作空間力矢量單位圓面積之比，其定義為：(21)其全域性能評價指標為：(22)如希望在給定工作空間內(nèi)，對特定外力負載，末端變形最小，則應有最小。機器人占用面積與所需工作空間面積比設所需工作空間為一單位正方形，即。圖3中畫出了滿足情況時并聯(lián)機器人的兩個極限位置，各參數(shù)如圖中所示，其中為該情況下滑塊行程，為所需工作空間上界到固定平臺的距離，和分別為在兩個極限位置圖2-3滿足情況的極限位置時連桿與坐標軸方向的夾角。由圖3可得，(23)(24)在這里如設，我們將該機器人在極限位置時連桿與坐標軸方向的夾角稱為該機器人的極位夾角()。在圖3所示情況下，由以上分析可得，滑塊行程，因此，當運動平臺沿軸方向移動時，滑塊的行程也是，是一比一的關系，即，從運動學的角度出發(fā)，希望運動輸入誤差對輸出誤差呈縮小的效果，即。這時該機器人在工作空間下的行程為：(25)式中(26)這樣，可以得到機器人機構占用面積，(27)定義機器人占用面積與所需工作空間面積比作為該機器人基于工作空間優(yōu)化設計的性能評價指標，其定義為：(28)如希望在給定的工作空間下，機器人機構所占面積最小，則應有最小。工作空間如機器人在工作空間中不存在奇異，采用雅可比代數(shù)法，只需機器人的雅可比矩陣的行列式的值不為零，這也是最一般的、最通用的方法，即(29)可見，只需極為夾角不等于零，在該機器人的工作空間內(nèi)就不會出現(xiàn)奇異形位。綜合性能評價指標上述的性能評價指標都是從某一方面來討論機器人機構性能的優(yōu)劣，而機器人機構的設計不是為了執(zhí)行特定的任務而是為了滿足普遍的性能指標，這就要求設計者從多方面著手，兼顧多種性能要求，綜合出綜合性能最優(yōu)的機器人機構。在這里，構造一種新的綜合性能評價指標，即(30)如希望在工作空間全域內(nèi)，該機器人機構的綜合性能最優(yōu)，則應有最小。2.3尺寸設計該平面并聯(lián)機器人待定的參數(shù)為極位夾角，連桿長度，運動平臺尺寸，機器人末端參考點點坐標及關節(jié)變量和的變化范圍。其中取決于實際零件的尺寸和安裝尺寸，且在文中所選擇的裝配方式下，工作空間隨的增大而減小，所以應根據(jù)實際設計需要取盡可能小的值，在理論上，這里可以設其值為零。2.3.1最佳極位夾角的確定由式(23)~(26)可見，只要已知極為夾角，就可以確定機構中其它的幾何參數(shù)和主動關節(jié)變量的變化范圍，且各項性能評價指標的大小也與有著密切的關系，可見極位夾角是該機器人機構一個極為重要的參數(shù)，它對該機器人機構的性能有著極為重要的影響。由該機器人的奇異性分析可見，在時，該機器人將處于奇異形位，再由圖4可見在接近于附近，該機器人的靈巧度很差；由圖5可見在接近于附近，該機器人的面積將會變得很大，所以的取值，應遠離這兩個區(qū)域。圖6是取步長為，范圍內(nèi)繪制的綜合性能指標與極位夾角的關系曲線，由圖6可見在區(qū)域，該機器人的綜合性能指標取值最小，在圖6中如箭頭所指示，標出了該區(qū)域內(nèi)的坐標值，可見在時，該機器人的綜合性能評價指標最小，這時該機器人綜合性能最優(yōu)，這是本文的一個重要結(jié)論。圖2-4全域靈巧度評價指標隨極為夾角的變化情況圖2-5機器人所占面積與所需工作空間面積比隨極為夾角的變化情況圖2-6綜合性能評價指標隨極為夾角的變化情況2.3.2最佳連桿長度的確定極位夾角確定后，聯(lián)立式(23)和式(24)可得，在時，連桿長度，這是在極位夾角最優(yōu)，且滿足所需工作空間條件下的連桿長度值，但這是不是使綜合性能評價指標最小的連桿長度呢？取步長為，在范圍內(nèi)，繪制綜合性能指標和連桿長度的關系曲線如圖7所示，可見隨的增長，逐漸增大，所以滿足所需工作空間條件下的連桿長度即為最優(yōu)的連桿長度。圖2-7綜合性能評價指標隨連桿長度的變化情況2.3.3其他參數(shù)的確定及尺寸設計結(jié)果極位夾角和連桿長度確定后，由式(23)~(26)及結(jié)合該機器人的位置正、反解式(3)~(6)即可確定該機器人的其它參數(shù)。由式(14)、(16)、(18)、(20)、(22)、(28)和(30)可確定在最優(yōu)尺度下該機器人的各項性能評價指標的值。尺寸設計結(jié)果如表1所示。表2-1尺寸設計結(jié)果參數(shù)名稱參數(shù)值評價指標評價指標值所需工作空間極位夾角連桿長度主動關節(jié)變量變化范圍末端位移2.3.4并聯(lián)機構活動空間及連桿尺寸的確定由上述分析最終確定各項尺寸和參數(shù)如下：表2-2本設計結(jié)果參數(shù)名稱參數(shù)值評價指標評價指標值所需工作空間100*100極位夾角連桿長度l=230主動關節(jié)變量變化范圍末端位移2.4并聯(lián)機構運動學仿真概述仿真是一種虛擬現(xiàn)實技術，有的仿真系統(tǒng)能增加對硬件支持要求較高的技術的流通，比如數(shù)控機床操作，有利于大家交流學習，還能避免操作失誤而造成的事故；有的仿真系統(tǒng)能在完成一定定性，定量的分析后，使某些非線性參數(shù)的變化或者空間感較強的圖形比較直觀的呈現(xiàn)在人們面前，從而使設計明朗化，減少了一些錯誤的不可預見性；還有的仿真系統(tǒng)能在設計后期、產(chǎn)品成型初期對產(chǎn)品的工作性能進行較驗，從而避免因設計不合理、達不到工作要求而直接生產(chǎn)所帶來的經(jīng)濟損失。這里針對前敘的二自由度并聯(lián)機構，基于C語言平臺構建其平面模型，通過友好的人機界面，進行參數(shù)化設計?？梢暂^驗是否滿足設計要求，比如在設置的幾何尺寸參數(shù)下能否滿足工作空間要求；可以進行軌跡規(guī)劃；可較驗機構的奇異性；模擬機器人的實時控制等等。因為此機構是一種平面機構，其仿真也就是主要觀察其在平面內(nèi)的運動，C語言圖形函數(shù)正好可以處理這種問題，而且C語言功能強大，編程靈活，編程耗用內(nèi)存少，生成的可執(zhí)行文件也比較小，還可直接運行于Windows和Dos系統(tǒng)上，因此這里選用此種平臺，如果想實現(xiàn)良好的可視化環(huán)境，可選用VisualC++可視化編程語言和OpenGL圖形技術。2.4.1Solidworks三維實體設計及實現(xiàn)流程應用該軟件是基于以上位置分析和空間分析的基礎上進行的。首先由上述的位置分析和運動分析得出工作空間、極位夾角和連桿的關系定出了工作空間的大小、極位夾角的大小和連桿的長度，然后再通過具體的機構運算等定出各機構的尺寸，又由機械設計手冊查的各標準件的裝配尺寸，從而最終應用Solidworks軟件進行裝配，從而生成三維實體圖。具體的裝配圖見附錄。2.5小結(jié)考慮到機器人機構的奇異形位和裝配方式，對一種二自由度平面并聯(lián)平動機器人機構的位置正、反解進行分析，得到其封閉解析解。在位置分析的基礎上，得到了該機器人機構的速度和力雅可比矩、誤差傳遞和末端柔度矩陣，利用這些映射矩陣，進而得到評價機器人機構各項特性的性能評價指標。為了使機器人機構滿足普遍的性能要求，利用前面得到的各項性能評價指標，構造出一個新的綜合性能評價指標，該指標綜合考慮了機構的靈巧度、力、誤差和速度傳遞性能、末端變形及機構的占用面積.提出了該機器人機構極位夾角的概念，通過分析發(fā)現(xiàn)該角度是該機器人機構一個極為重要的幾何參數(shù)。利用文中提出的綜合性能評價指標，期望該機器人綜合性能最優(yōu)，得到了極為夾角的最優(yōu)值。進而得到該機器人機構的最優(yōu)尺寸設計結(jié)果。該設計方法也可用于其它并聯(lián)機器人機構的設計第3章步進電動機的選擇及一級減速齒輪副的選擇3.1步進電機的特點步進電機是工業(yè)過程控制及儀表控制主要控制元件之一。步進電機有幾個顯著特點：1.步進電機可以直接接受數(shù)字信號，而不再需要進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換；2.步進電機具有快速啟、停能力,可以在一剎那間實現(xiàn)啟動或停止；3.步進電機精度高，步距角可由每步90°降低到0.36°；4.步進電機由于精度高及不用傳感器，故定位準確。3.2步進電機的工作原理三相反應式步進電機定子上均勻分布有6個磁極，相鄰兩個磁極之間的夾角60°，線圈繞過相對的兩個磁極構成一相（A—A′,B—B′以及C—C′）。此外各磁極上還有5個均勻分布的矩形小齒。電機轉(zhuǎn)子上沒有繞組，它上面有40個矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩個小齒之間的夾角為9°。當某相繞組通電時，相應的兩個磁極就分別形成N—S極，產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。這時如果定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊，從而使步進電機向前＂走＂一步。3.3步進電機的控制根據(jù)步進電機的工作原理，先按順序給步進電機的繞組施加有序的脈沖電流即可控制步進電機的轉(zhuǎn)動，從而進行數(shù)字到角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動的方向則與脈沖的順序有關。對于三相反應式步進電機來說，電流脈沖的施加有3種方式：(1)單相三拍方式，(2)雙相三拍方式(3)三相六拍方式。即：正轉(zhuǎn)A→AB→B→BC→C→CA→A。反轉(zhuǎn)A→AC→C→CB→B→BA→A。單相三拍方式的每一拍步距角為3°，三相六拍的步距角則為1.5°。因此在三相六拍方式下，步進電機的運行要平穩(wěn)柔和一些，但在同樣的運行角度與速度下，三相六拍驅(qū)動，脈沖的頻率需要提高一倍，對驅(qū)動開關管的開關特性要求較高。3.4步進電動機及減速齒輪的選擇：步距角a式中m——步進電動機的相數(shù)z——步進電動機轉(zhuǎn)子齒數(shù)k——與通電方式有關的系數(shù)（當通電方式為單拍時k=1；當通電方式為雙拍時k=2）步進電動機包括永磁式電動機和功率式電動機，由于功率式電動機有點明顯，故本設計采用功率式電動機。根據(jù)機床加工精度選取軸的脈沖當量為0.01mm。3、計算齒輪減速比齒輪減速比公式：i=φP/360δ式中φ——步距角P——絲杠螺距（mm）δ——脈沖當量（mm/脈沖）4、有課程設計參考資料表7-3不步進電動機技術指標查得電動機各項參數(shù)：序號型號步距角最大凈轉(zhuǎn)矩最高空載啟動頻率相數(shù)（N*cm）（setp/s）1055BF0031.5/37018003外形尺寸外徑長度軸徑重量（mm）（mm）（mm）（N）557268.3由上表可取步距角a=3；又由絲杠的螺距是P=2mm，則由齒輪減速比公式：i=φP/360δ得：i=3×2/360×0.01≈1.5又由上表可得相數(shù)m=3，k取兩拍即k=2，則由公式得：z=360/mak=360/3×3×2=20故步進電動機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z1=20傳動比的公式：i=Z2/Z1即：Z2=i×Z1=1.5×20=303.5一級減速齒輪副的選擇由電機軸和絲杠的軸徑綜合考慮取兩減速齒輪的模數(shù)m=1，并采用直齒圓柱齒輪，分度圓直徑d=1\*Arabic1=mz1=20d2=mz2=30齒頂高ha=ha*m=1×1=1齒根高hf=（ha*+c*）m=（1+0.25）×1=1.25由機械原理及設計基礎表4-2得：頂隙：c=c*m=0.25×1齒頂圓直徑：da1=d1+2ha=20+2=22da2=d2+2ha=30+2=32齒根圓直徑：df1=d1-2hf=20-2.5=17.5da2=d2-2hf=30-2.5=27.53.6小結(jié)對于步進電動機的選用原則，主要有下列幾點：（1）、在選擇步進電動機時，首先要確定步進電動機的類型。數(shù)控機床上大多采用功率式步進電動機，反應式步進電動機（如110BF、130BF、150BF）其價格低于永磁式反應電動機，但性能上不如永磁式電動機。（2）、根據(jù)機床的加工精度要求，選擇進給軸的脈沖當量，如0.01mm或0.005mm。（3）、根據(jù)所選步進電動機的步距角、絲杠的螺距以及所要求的脈沖當量來計算減速齒輪的降速比。采用減速齒輪可比較容易的配置出所要求的脈沖當量、減小工作臺以及絲杠折算到電動機軸上的慣量，同時增大工作臺的推力。但采用減速齒輪會帶來額外的傳動誤差，使機床的快速移動速度降低，并且其自身又引入附加的轉(zhuǎn)動慣量。第4章機器人控制系統(tǒng)的設計4.1單片機概述隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展,單片機已經(jīng)發(fā)展成為一個品種多樣、功能豐富的開發(fā)工具。它主要應用于工業(yè)控制領域和各種儀器設備。4.1.1單片機的發(fā)展情況當國內(nèi)從80年代起開始了單片機的熱潮,二十多年過去了,單片機從研究所走出來,成為日常生活中的一個不可缺少的部件。硬件方面日趨多樣化,4位、8位、16位、32位等型號共同并存,在不同的領域存在,如家電、玩具、工業(yè)設備、儀器、通訊等。軟件方面發(fā)展主要為匯編語言、C語言、嵌入式操作系統(tǒng)。速度、穩(wěn)定性特別要求的場合較多采用匯編語言和C語言。單片機作為微型計算機的一個重要分支,應用面很廣,發(fā)展很快。自單片機誕生至今,已發(fā)展為上百種系列的近千個機種。目前,單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。4.1.2單片機的結(jié)構單片機的基本組成,是由中央處理器(CPU)、只讀存貯器(ROM)、讀寫存貯器(RAM)、輸入/輸出口(I/O)等等組成。此外,里面還有一個時鐘電路,使單片機在進行運算和控制時,都能有節(jié)奏地進行。另外,還有“中斷系統(tǒng)”,當單片機控制對象的參數(shù)到達某項需要加以干預的狀態(tài)時,就可傳達給CPU使CPU采取適當?shù)膽洞胧?。按結(jié)構形式分,單片機有兩種基本的結(jié)構形式:普林斯頓結(jié)構和哈佛結(jié)構。普林斯頓結(jié)構,也稱馮·諾伊曼結(jié)構,是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構。程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置,因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同,如英特爾公司(Intel)的8086和MCS-51就采用了此結(jié)構。而哈佛結(jié)構是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構。中央處理器(CPU)首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內(nèi)容,解碼后得到數(shù)據(jù)地址,然后到相應的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù),進行下一步操作(通常是執(zhí)行)。程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開,可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度,目前較多的單片機采用改進的哈佛結(jié)構,如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是1位寬度,而數(shù)據(jù)是8位寬度。4.1.3單片機的應用單片機的品種繁多,按應用范圍分為通用型和專用型。專用型是針對某種特定產(chǎn)品而設計的,例如用于洗衣機的單片機。通用型單片機有總線型和非總線型或者8位和16位之分,總線型設有并行地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線的引腳,便于擴展外圍器件。非總線型沒有有總線引腳,芯片體積小,要擴展可通過I/O口,因此非線型更適合中小系統(tǒng)。4.2芯片的選取原則和片腳結(jié)構4.2.1.單片機的優(yōu)點單片機具有集成度高，功能強，通用性好的優(yōu)點，特別是具有體積小，重量輕，能耗低，價格便宜，而且可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點。它很容易使機電一體化產(chǎn)品智能化，小型化，過程控制自動化，再不顯著增加產(chǎn)品的體積，能耗及成本的情況下，大大增加其功能，提高其性能。4.2.2.MCS-51系列單片機8031MCS-51系列單片機采用雙列直插封裝（DIP）方式。共40只引腳。如圖4-1所示。因為受芯片引腳數(shù)量的限制，有很多引腳具有雙功能。(1)、主電源引腳VCC：芯片工作電源端，接＋5V。Vss：電源接地端。(2)、時鐘振蕩電路引腳XTAL1：內(nèi)部晶體振蕩電路的反相器輸入端。XTAL2：內(nèi)部晶體振蕩電路的反相器輸出端。(3)、控制信號引腳RST——RST為復位信號輸入端。外部接復位電路。ALE——ALE為地址鎖存允許信號。在不訪問外部存儲器時，ALE以時鐘振蕩頻率的1／6的固定頻率輸出，用示波器觀察ALE引腳上的脈沖信號是判斷單片機芯片是否正常工作的一種簡便方法。—外部程序存儲器ROM的讀選通信號。到外部ROM取指令時，自動向外發(fā)送負脈沖信號。——為訪問程序存儲器的控制信號。由RD和WR信號作為擴展數(shù)據(jù)存儲和I/O的讀選通，寫選通信號。(4)、并行I／Ｏ端口引腳P0口（P0.0～P0.7）；P1口（P1.0～P1.7）；P2口（P2.0～P2.7）；P3口（P3.0～P3.7）。8031內(nèi)部無程序存儲器，需要外接EPROM作為外部程序存儲器，本設計采用兩片2764擴展16K的程序存儲器。（見本部分5）8031還必須有復位和時鐘電路。4.2.3.地址鎖存器8031受芯片引腳數(shù)量的限制，P0口兼用數(shù)據(jù)線和低八位地址線。為了將它們分離出來，需要在單片機外部增加地址鎖存器，從而構成與一般CPU相類似的片外三總線，地址鎖存器一般采用74LS373，所以本設計也采用此芯片。如圖4-2所示。74LS373是一種帶有三態(tài)門的8D鎖存器，對其引腳說明如下：D7～D0：八位數(shù)據(jù)輸入線。Q7～Q0：八位數(shù)據(jù)輸出線。G：數(shù)據(jù)輸入鎖存選通信號，高電平有效。當該信號為高電平時，外部數(shù)據(jù)選通到內(nèi)部鎖存器，負跳變時，數(shù)據(jù)鎖存到鎖存器中。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，低電平有效。當該信號為低電平時，三態(tài)門打開，鎖存器中的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)輸出線。當該信號為高電平時，輸出線為高阻態(tài)。4.2.4.三八譯碼器常用的存儲器地址的分配方法有兩種，線選法和譯碼法。根據(jù)8031引腳數(shù)目和兩種方法的優(yōu)缺點，本設計采用譯碼法。此方法是最常用的存儲器地址分配的方法，能有效的利用存儲器空間，適合于大容量多芯片的存儲擴展。本設計中譯碼器芯片采用74LS138，有三個數(shù)據(jù)輸入端，經(jīng)譯碼產(chǎn)生八種狀態(tài)。如圖4-3所示。引腳功能如下：、、E3：使能端，、低電平有效，E3高電平有效A、B、C：譯碼器的輸入端～：譯碼器的輸出端，可用作片選信號4.2.5.程序存儲器2764是EPROM的典型芯片之一，也是27系列產(chǎn)品之一，型號名稱“27”后面的數(shù)字表示其位存儲容量。EPROM是用電信號編程，用紫外線擦除的只讀存儲器芯片。在芯片外殼上的中間位置有一個圓形窗口，通過這個窗口照射紫外線，就可擦除原有的信息。采用雙列直插封裝方式，共28只引腳，功能如下：A0～A12：地址線引腳，用來進行單元的選擇；D0～D7：數(shù)據(jù)線引腳；CE：片選輸入線，低電平有效；OE：輸出允許控制端，低電平有效；PGM：編程時，加編程脈沖的輸入端，低電平有效；Vpp：編程時，編程電壓（+12V或25V）的輸入端；Vcc：+5V，芯片的工作電壓；GND：數(shù)字地；NC：無用端。2764一般有五種工作方式，為讀出，編程，編程校驗，未選中和編程禁止，由CE、OE、PGM的狀態(tài)組合來確定。4.2.6數(shù)據(jù)存儲器8031內(nèi)部有128字節(jié)的RAM作為數(shù)據(jù)存儲器，不能滿足控制系統(tǒng)的要求，本設計采用6264擴展8KB的數(shù)據(jù)存儲器。6264時單片機系統(tǒng)中常用的靜態(tài)RAM芯片之一，它采用CMOS工藝，用單一+5V電源供電,典型存儲時間為200ns，采用雙列直插封裝方式，共28只引腳，功能如下：A0～A12：地址輸入線；D0～D7：雙線三態(tài)數(shù)據(jù)線；CE：片選信號輸入線，低電平有效，并且CS當為高電平時，才選中該片；OE：讀選通信號輸入線，低電平有效；WE：寫允許信號輸入線，低電平有效；Vcc：+5V，工作電源；GND：地線；靜態(tài)RAM存儲器有讀出、寫入、維持三種工作方式。4.2.7.并行I/O口MCS-51的I/O口是MCS-51單片機與外界設備交換信息的橋梁。8031的I/O口不能滿足輸入輸出的需要，故需擴展接口電路。MCS-51單片機是Intel公司的產(chǎn)品，而Intel公司常用的外圍配套可編程I/O接口芯片有8255A和8155H。本設計采用兩片8155H來擴展六個并行I/O口。8155H采用雙列直插封裝方式，共40只引腳，功能如下：AD7～AD0：地址、數(shù)據(jù)復用線，用于分時傳送地址、數(shù)據(jù)信息。I/O總線：PA7～PA0,PB7～PB0為通用I/O線，分別用于傳送A口、B口上的外設數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向由8155H的命令決定。PC5~PC0位數(shù)據(jù)控制線，在通用I/O方式下，用作傳送I/O數(shù)據(jù)，在選通I/O方式下，用作傳送命令、狀態(tài)信息。RESET:復位輸入線；CE和IO/M：片選輸入線；IO/M為I/O端口或RAM存儲器選通輸入線；若IO/M為0，則CPU選中8155H的RAM存儲器工作；否則選中8155H的片內(nèi)某一存儲器。RD：讀出命令輸入線，低電平有效；WR：寫出命令輸入線，低電平有效；ALE：為允許地址輸入線。高電平有效。若ALE=1，則8155H允許AD7~AD0上的地址鎖存到“地址鎖存器”；否則，8155H的地址鎖存器處于封鎖狀態(tài)。8155H的ALE常和8031的ALE端相連。TIMERIN和TIMEROUT分別為計數(shù)器輸入和輸出線；Vcc：+5V電源輸入線；Vss：接地；8155H的工作方式有存儲器方式和I/O方式。4.3鍵盤顯示電路大多數(shù)的MCS-51應用系統(tǒng)，都要配置輸入外設和輸出外設。常用的輸入設備有：鍵盤，BCD碼撥盤等；常用的輸出設備有：LED顯示器,LCD顯示器,打印機等。本設計采用的輸入設備為鍵盤，輸出設備為LED顯示器。LED顯示器是由若干個發(fā)光二極管組成的，成本低，配置靈活，與單片機接口方便，在單片機系統(tǒng)的應用非常普遍。有共陰極和共陽極兩種，此次設計采用共陰極顯示器。7段發(fā)光二極管，再加上一個小數(shù)點位，共計8段。因此提供給LED顯示器段碼正好是一個字節(jié)，所以它控制簡單。由N個LED顯示塊可拼成N位的LED顯示器。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。本設計中是6位的LED顯示器，顯示方式為動態(tài)顯示。動態(tài)顯示時通常將所有位的段碼線相應的并聯(lián)在一起，由一個8位I/O口控制，本設計采用8031的P1口控制。而各位的共陽極（或共陰極）分別由相應的I/O口線控制，形成各位的分時選通。而動態(tài)顯示的實質(zhì)是以犧牲CPU時間來換取器件的減少。鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)傳送命令等功能，是人工干預單片機的主要手段。常用的鍵盤接口分為獨立式鍵盤和行列式鍵盤接口設計中采用的是4×6的行列結(jié)構，構成24鍵的鍵盤。與獨立式鍵盤相比，可節(jié)省很多的I/O線。行列式鍵盤又叫矩陣式鍵盤。按鍵設置在行列的交點上。行列線分別連接到按鍵開關的兩端，行線通過上拉電阻接+5V上，保證在按鍵斷開時，各I/O口有確定的高電平。當有按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線的電平?jīng)Q定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電平如果為高，則行線電平為高。這一點是識別行列式鍵盤是否按下的關鍵所在。用掃描法識別具體按鍵的方法為：先把某一列置低電平，其余各列置為高電平，檢查各行線電平的變化，如果某行線電平為低電平，則可確定此行此列交叉點處的按鍵被按下。鍵盤的工作方式有三種，即編程掃描，定時掃描，和中斷掃描。為進一步提高單片機的工作方式，可采用中斷掃描方式。所以我們可把鍵盤所作的工作分為三個層次：（1）：監(jiān)視鍵盤的輸入，體現(xiàn)在鍵盤的工作方式上就是中斷掃描的工作方式。（2）：用掃描法確定具體按鍵的鍵號。（3）：實現(xiàn)按鍵的功能，執(zhí)行鍵處理程序。4.4硬件電路設計4.4.1本設計硬件電路簡介CPU是采用8031芯片；擴展程序存儲器2764兩片；擴展數(shù)據(jù)存儲器6264一片；擴展可編程接口芯片兩片；鍵盤電路、顯示電路；地址鎖存器、譯碼器各一片；光電隔離電路、功率放大電路；越程報警電路、急停電路、復位電路。CPU和存儲器CPU采用8031芯片，由于片內(nèi)無程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器也只有128字節(jié)，因此，擴展外部程序存儲器2764兩片（16KB），數(shù)據(jù)存儲器6264（8KB）一片。8031芯片的P0和P2用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù)，P2口傳送高八位地址，P0口傳送低八位地址和數(shù)據(jù)，故要采用74LS373地址鎖存器，鎖存低八位地址。2764和6264芯片都是13根地址線。A0～A7低八位接74LS373芯片的輸出，A8～A12接8031芯片的P2.0～P2.4。系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片片選信號CE分別接74LS138譯碼器的Y0和Y1，一同復位后程序從0000H開始執(zhí)行。6264芯片片選信號CE接74LS138譯碼器的Y2。8031芯片的控制信號PSEN接2764的OE引腳，讀寫控制信號WR和RD分別接6264芯片的WE和OE，以實現(xiàn)外部存儲器的讀寫。由于8031內(nèi)部沒有ROM故始終要選外部存儲器，故其EA必須接地。I/O接口電路由于8031只有P1和P3口部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出的要求，因而系統(tǒng)必須擴展輸入輸出接口電路。本系統(tǒng)擴展了兩片8155可編程接口芯片。8155（1）和8155（2）的片選信號CE分別接74LS138譯碼器的Y3和Y4。74LS138譯碼器有三個輸入A、B、C分別接P2.5，P2.6，P2.7,輸出Y0～Y7八個輸出，低電平有效。74LS138號有三個使能端，其中兩個G2A和G2B為低電平使能，另一個G1位高電平使能。只有當使能端均處于有效電平時，輸出才能產(chǎn)生，否則輸出處于高電平無效狀態(tài)。I/O接口芯片與外設的連結(jié)8031芯片的P1口作為顯示器的片選信號，是輸出。8155（2）的PC0～PC5作為顯示器位選信號。8155（2）PC0～PC5和PB0～PB3是鍵盤掃描輸入。8155（1）的PA0～PA5和PB0～PB4接控制面板上的選擇開關，設有編輯、空運行、自動、手動Ⅰ、手動Ⅱ、回零、啟動、暫停、單段、連續(xù)、急停選擇方式。8155（2）PA0～PA2和PA5～PA7輸出的指令脈沖通過光電隔離電路和功率放大電路直接驅(qū)動步進電機Ⅰ和步進電機Ⅱ。PB7～PB4為電機Ⅰ和電機Ⅱ的正負方向的點動。8155（1）和8155（2）的I/O口引腳接8031芯片的P2.0，因為使用8155的I/O口，故P2.0為高電平。8031還有復位和時鐘電路。各芯片的地址計算U42764的地址分配為：0000H～1FFFH；U52764的地址分配為：2000H～3FFFH；U66264的地址分配為：4000H～5FFFH；U78255（1）的命令/狀態(tài)寄存器和三個并行口地址分別為：7FF8H，7FF9H，7FFAH，7FFBH。U88255（2）的命令/狀態(tài)寄存器和三個并行口地址分別為：9FF8H，9FF9H，9FFAH，9FFBH。。4.4.2本設計硬件電路圖詳見附錄圖紙4.5步進電機的控制程序4.5.1.功能說明（1）送電時，步進電機停止。（2）按PB7時，步進電機正轉(zhuǎn)；按PB6時，步進電機逆轉(zhuǎn)。（3）按PB1時，步進電機停止運轉(zhuǎn)。4.5.2.控制程序ORG00HSTOP:ORLP2,#0FFH；步進電機停止LOOP:JNBPB7,FOR2；是否按PB7,是則正轉(zhuǎn)JNBPB6,REV2；是否按PB6，是則逆轉(zhuǎn)JNBPB1,STOP1；是否按PB1，是則停止JMPLOOPFOR:MOVR0,#00H；正轉(zhuǎn)至TABLE取碼指針初值FOR1:MOVA,R0；至TABLE取值MOVDPTR,#TABLEMOVCA,@A+DPTRJZFOR；是否取到結(jié)束碼（00H）？CPLA；將ACC反向MOVP2，A；輸出至P2，正轉(zhuǎn)JNBPB1,STOP1；是否按PB1，是則停止運轉(zhuǎn)JNBPB6,REV2；是否按PB6,是則逆轉(zhuǎn)CALLDELAY；步進電機轉(zhuǎn)速INCR0；取下一個碼JMPFOR1REV:MOVR0,#05H；逆轉(zhuǎn)至TABLE取碼指針初值REV1:MOVDPTR,#TABLE；至TABLE取碼MOVCA,@A+DPTRJZREV；是否取到結(jié)束碼（00H）？CPLA；將ACC反向MOVP2,A；輸出至P2，逆轉(zhuǎn)JNBPB1,STOP1；是否按PB1，是則停止運轉(zhuǎn)JNBPB7,FOR2；是否按PB7，是則正轉(zhuǎn)CALLDELAY；步進電機轉(zhuǎn)速INCR0；取下一個碼JMPREV1STOP1:CALLDELAY；按PB1消除抖動JNBPB1,$；PB1放開否CALLDELAY；放開消除抖動JMPSTOPFOR2:CALLDELAY；按PB7消除抖動JNBPB7,$；PB7放開否CALLDELAY；放開消除抖動JMPFORREV2:CALLDELAY；按PB6消除抖動JNBPA2,$；PB6放開否CALLDELAY；放開消除抖動JMPREVDELAY:MOVR1,#40；步進電機轉(zhuǎn)速20毫秒D1:MOVR2,#248；DJNZR2,$DJNZR1,D1RETTABLE:DB01H,03H,02H,06H,04H,05H；正轉(zhuǎn)DB00H；正轉(zhuǎn)結(jié)束碼DB01H,05H,04H,06H,02H,03H；逆轉(zhuǎn)DB00H；逆轉(zhuǎn)結(jié)束碼END4.6小結(jié)由于控制要求和功能不同，控制系統(tǒng)的設計方法和步驟也充在著差異。應視情況而定。本設計以單片機技術為基礎，自主選取CPU芯片，進行ROM、RAM、I/O接口擴展；簡易鍵盤，LED顯示和執(zhí)行元件等的接口設計。并借助CAD軟件繪制簡易控制系統(tǒng)的硬件電路圖。從控制的角度出發(fā)，系統(tǒng)應滿足具有較完善的中斷系統(tǒng)，足夠的存儲容量，完備的輸入和輸出通道和適時時鐘等要求。除以上幾點應滿足要求外，從系統(tǒng)控制對象而言，還應考慮幾個特性要求：字長，速度，指令。對于一般的工業(yè)控制設備和機電產(chǎn)品通常采用八位機就可以。第5章并聯(lián)機構的運動學仿真5.1有關內(nèi)容介紹5.1.1OpenGL介紹OpenGL[11]是一個三維的計算機圖形與模型庫，即開放性圖形庫(OpenGraPhicLibr