设计说明书新Word文件下载.docx

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人机交互写字机械臂采用了双自由度五杆机构，具有灵活度高、可达空间大的特性，有利于老师教学的发挥。

采用多终端控制，能够使老师和学生进行交互式的教学，达到更好的学习目的。

还可以手持终端无线控制，能够使老师在教室任意位置进行终端控制，使老师教学更方便更轻松。

所以人机交互写字机械臂是适用于现代化教育领域的。

二、设计方案

2.1产品原理

通过模糊PID算法调节PWM来控制舵机带动机械双臂做轨迹运动，达到智能书写的目的。

通过研究固定两点控制双臂模型在二自由度的算法中，来确定舵机的旋转范围。

主要技术指标体现在：

采用触摸屏来控制机械臂做相应的动作，提高了对机械臂操作性；

排除硬件误差的情况下可达到角度机械臂0.05度的控制，从而达到对轨迹的精确控制。

2.2机械部分

2.2.1两自由度双曲柄五杆机构分析

2.杆机构死点位置的分析确定

图2.3

图2.4图2.5

当BC和CD两杆之间的传动角γ=0或者γ=π时，机构的的位置称为死点位置。

直接确定五杆机构的死点位置比较困难，我们先考查五杆机构的几个极限位置，进行反推和分析。

机构的几个极限位置如图所示：

当L1+L4<

L5时，

由图2.3得：

BD<

L2+L3，BD>

0<

γ<

π

由图2.4得：

由图2.5得：

即在极限位置都有三角形BCD的存在。

满足三角形基本定理。

当L1+L4>

L5时，我们同样可以推知。

极限位置三角形BCD总是存在的。

这里不证。

因此，双曲柄机构不会存在死点位置。

经过分析，我们知道，当三角形BCD，而不是其他的任意三角形存在时，总有该平面五杆机构的成立，而且不会出现死点。

这里把这一方法称为三角形法，或三角法。

当平面五杆机构不满足这一条件时，便会出现死点。

在平面四杆机构中（这里以把DE去除后形成的四杆机构为例），死点位置出现在从动件（即曲柄）与连杆在一条直线上时。

所以，我们原先的假设是基本成立的。

对于传动机构而言，机构有死点是不利的，应该采取一些措施使机构能够顺利通过死点位置。

对于连续运转的机器，可以利用从动件的惯性来通过死点位置。

如缝纫机踏板机构，蒸汽机车车轮联动机构。

机构的死点位置有时却起到一定的积极作用，而且在实际中，往往利用这一特点来实现某些特定的工作要求。

飞机起落架机构就是一例。

2.2.2五连杆铰链c轨迹的确定

首先根据三角形边角关系可知

Ａ

ＢＣ

图2.1

（1）

cos∠A=（AB2+AC2-BC2）/（2*AB*AC）

∠A=acos（cos∠A）*180°

/π

（2）

cos∠B=（AB2+BC2-AC2）/（2*AB*BC）

∠B=acos（cos∠B）*180°

（3）

cos∠C=（AC2+BC2-AB2）/（2*AC*BC）

∠C=acos（cos∠C）*180°

AC,AD,BC,BE是机械手的手臂，它们的臂长是根据我们自己买的材料而定，我们的设想是AC=BC,AD=BE,其长度我们可以通过测量得知。

而写字的坐标是C点，假设坐标为（x,y）。

同样假设D点的坐标为（x1,0）E点的坐标为（x2,0）。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｃ（x,y）

Ｘ轴

　　　　　　Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｂ

βα

０原点　　　　　　　　　　Ｄ（x1，0）　　　　　　Ｅ（x2，0）　　　　Ｙ轴

图2.2

如图2.2所示，在5边形中加上两根虚线ＣＤ和ＣＥ，５边形就被分成三个三角形，三角形ADC，三角形ＢＥＣ和三角形ＣＤＥ。

通过三角形的三边求出∠ＡＤＣ，∠CDE，∠CDE，∠CEB.这样我们就可以得知∠β=180°

-∠ＡＤＣ-∠CDE,而∠α=180°

-∠CDE-∠CEB。

再将∠β，∠α的大小传送给主机（ＡＲＭ），主机再发送指令给舵机，舵机控制机械臂移动到坐标C点的位置。

这样通过控制∠α，∠β的大小就可以精确的确定C点的坐标。

从而实现对机械臂的精确控制。

　　其中我们控制∠ＣＡＤ和∠CBE总是小于180°

，这样就可以排除角ADC和角BEC不存在的情况。

（1）.如图2.2所示，根据数学定理可知，CD=

，CE=

，在三角形CAD中AD和AC是已知的，则

。

（2）.在三角形ＣＤＥ中，ＣＤ和ＣＥ由上已知，DE=x2-x1,则cos∠CDE=

；

而角ＣEＤ为

　。

（3）.在三角形CBE中BC和BC是已知的，CE我们可以从

（1）中得知，

。

我们由上可得∠β=180°

这样就可以通过C点的坐标确定∠β，∠α；

进而反馈给主机控制机械臂的位置。

根据比赛的要求，作品尺寸不能超过1.2*1.2m，我们选择了0.6*0.9m的黑板板面，为了得到合理的书写区域，以及编程的方便，我们采用的杆长分别为了AC=BC=32.5mm,AD=BE=34.5mm,DE=4.9mm。

书写区域如图2.6所示，其中方格区域为可书写的区域。

图2.6书写机构可书写的区域

为了使该机构连接可靠，运动平稳，在连接处我们采取了平面轴承与深沟球轴承配合的连接方法，连接处如图2.7所示。

图2.7连接处结构

2.2.3机械臂横向位移的实现

写字机械臂只能实现在小范围的面积内绘图写字，因此需要一个能实现横向移动的机构使机械臂能够在整块黑板上书写。

因此我们采用了结构简单、稳定的丝杆导轨，通过对电机的转动控制来控制丝杆转动，从而使滑块随使用者意愿在在导轨上往复运动。

2.8导轨外形图

根据黑板的尺寸，我们选购了合适尺寸的导轨成品，外形尺寸如图2.8，整体尺寸如图2.9，导轨--导柱截面如图2.10，详细技术参数见表2.1、表2.2。

图2.9导轨整体效果图（L=500mm）

图2.10导轨--导柱截面

表2.1导轨参数

往复精度ReciprocatingAccuracy

0.1MM~0.5MM

温升TemperatureRise

80º

CMax

环境温度AmbientTemperatureRange

-10º

C~+40º

C

绝缘电阻InsulationResistance

100MCMin500VDC

绝缘等级InsulationClass

B

表2.2电机技术参数

型号

Model

电压

Voltage（V）

电流

Current（A）

电机转矩

Torque（Kg/cm）

最大负荷

MaxLoad（Kg）

速度Speed（MM/S）

电感

Inductance

电阻

resitance

引线数LoadWire

电机长度

MctorLongth（mm）

ST-42H47H

24

1.7A

4.2Kg/cm

12Kg

1~8MM/S

5

3.85

4

47MM

2.3控制系统

图2.8五连杆自控书写黑板系统框图

中央处理器（CPU）称为微处理器（MPU），是构成微机的核心部件，也可以说是微机的心脏。

它起到控制整个微型计算机工作的作用，产生控制信号对相应的部件进行控制，并执行相应的操作。

ＭＰＵ是该控制系统实现控制功能的核心，负责处理传感器数据，实现与触摸屏，按键，TFT舵机设备接口的通信，执行控制和控制软件，操纵舵机的PWM波，使舵机产生相应的动作。

基于上述要求，该ＭＰＵ要求具有实时性、可靠性和嵌入性等特点。

实时性要求以最快的速度处理输入数据并以最短的延时输出控制信号。

可靠性要求抗干扰能力强，要有较宽的工作温度范围和抗电磁干扰能力等。

嵌入性要求体积尽量小、重量尽量轻。

在排除硬件误差的情况下，MPU计算的坐标误差可以精确到0.001，舵机的旋转角度误差可以精确到0.05度。

我们设想在触摸屏上划线，机械臂能够画出同样的线条。

在触摸屏上划线时，MPU（微处理器）不断的扫描触点并将坐标送回处理器，MPU控制机械臂的偏转角度，在写字板上标志出相同坐标，大量的标志就集成了一个图形。

采用模糊PID算法对舵机系统进行控制。

上位机设定的预定轨迹和触摸屏检测的实际轨迹的偏差通过组合运算得到预定舵面位置同时舵回路不断的采样并反馈实时舵面位置把预定舵面位置和实时舵面位置的偏差进行模糊处理进而把偏差论域进行设定。

结果表明和经典PID相比经过模糊PID算法处理后舵机系统超调量和稳态误差减小系统的阻尼性能和稳态性能得以提高．结果显示舵机系统控制过程中采用模糊PID算法使得整个系统具有更高的稳定性和可靠性。

2.3.1硬件方案选择

主控制器的选择

采用STM32F103RBT6实现，STM32F103RBT6是STM公司以Cotex-M3为内核开发的控制芯片。

相比于传统的51或者AVR单片机，STM32F103RBT6运行稳定，精度高，运算速度快，内部资源丰富，可以使绘图和写字的速度和精度达到很高。

电机和驱动模块的选择

采用步进电机和东芝TB6560AHQ全新原装芯片，内有低压关断，过热停车和过流保护电路保证最优性能，相比于更普遍的直流电机，步进电机使通过脉冲数来控制转动的角度，比直流电机使用时间来控制电机转过的角度的精度要高得多。

相对于同类芯片，此芯片的优点是电流级逐可调、自动半流可调、采用6N137高速光耦，保证高速不失步、采用厚密齿散热器，散热性良好。

显示模块的选择

采用HX8352液晶驱动芯片，该液晶模块的分辨率可以达到400*240，显示资源相当丰富，控制方便，采用18位真彩色使得界面显示非常人性化。

2.3.2软件方案选择

方案一：

采用极坐标系描点绘图的方式，以原点为中心，用单位长度ρ和弧度θ实现描点定位，X=ρ*cos（θ），Y=ρ*sin（θ）。

该方案的特点是绘图曲线分辨率高，但给硬件的制作难度带来困难，同时降低绘图的速度，开发设计的代码量庞大。

方案二：

采用直角坐标系描点绘图的方式，以常用的X轴和Y轴定位绘图。

该方案的特点是描点绘图的速度快，硬件制作简单，软件设计的代码量较少，系统稳定，容易实现。

综合以上两个方案的优缺点和自身设计的要求，本次设计采用直角坐标系描点绘图的方式实现。

三、理论分析与计算

3.1功能理论分析

模块功能及补偿实现分析

STM32是整个系统的控制核心，通过编写程序，把所要绘制的图形和文字通过取模软件生成图形文字的数据库，储存到STM32的RAM中，通过按键输入所要绘画的内容，然后通过Ｘ轴和Ｙ轴的步进电机把文字和图像绘画出来。

由于步进电机采用脉冲方式工作，且各相需按一定规律分配脉冲，因此，在步进电机控制系