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用于汽車零件組裝的工業(yè)雙臂機(jī)器人的開發(fā) 摘要 一般的工業(yè)機(jī)器人由于只有單只手臂在工作運用中有一定的局限性。盡管某些特殊工業(yè)機(jī)器人有雙臂，但它們是單獨工作的。也就是說，每只手臂在控制下按照其基準(zhǔn)彈道工作，對工作中的合作性不多以考慮，因此，它們在只能完成簡單的合作工作。近來，一些日本汽車生產(chǎn)商對雙臂機(jī)器人的使用產(chǎn)生了濃厚的興趣，因為它們能組裝汽車零件，而這需要機(jī)器人擁有雙臂，并且通過位置控制和力控制下能協(xié)調(diào)合作。我們正致力于開發(fā)能組裝汽車零件的雙臂機(jī)器人，其手臂的自由度達(dá)6DOF，整體自由度達(dá)3DOF，手臂負(fù)荷達(dá)10kg，可觸范圍達(dá)1.5m。此參數(shù)是為實現(xiàn)WIA有限公司和機(jī)器人谷有限公司的汽車組裝而設(shè)計的，并且融合了設(shè)計概念。 關(guān)鍵詞 ：雙臂機(jī)器人 組裝 實時操作系統(tǒng) 運動控制器 1.簡介 自面世以來，工業(yè)機(jī)器人在各工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。機(jī)器人的應(yīng)用在汽車行業(yè)更為顯著，如果汽車行業(yè)和生產(chǎn)商沒有機(jī)器人，那后果是無法想象的。但是，目前在很多領(lǐng)域仍沒有工業(yè)機(jī)器人能代替人完成需要雙臂操作的工作。一般的工業(yè)機(jī)器人由于只有單只手臂在工作運用中有一定的局限性。盡管某些特殊工業(yè)機(jī)器人有雙臂，但它們是單獨工作的。也就是說，每只手臂在控制下按照其基準(zhǔn)彈道工作，對工作中的合作性不多以考慮，因此，它們在只能完成簡單的合作工作。近來，一些日本汽車生產(chǎn)商對雙臂機(jī)器人的使用產(chǎn)生了濃厚的興趣，因為它們能組裝汽車零件，而這需要機(jī)器人擁有雙臂，并且通過位置控制和力控制下能協(xié)調(diào)合作[5]。 我們正致力于開發(fā)能組裝汽車零件的雙臂機(jī)器人，其手臂的自由度達(dá)6DOF，整體自由度達(dá)3DOF，手臂負(fù)荷達(dá)10kg，可觸范圍達(dá)1.5m。此參數(shù)是為實現(xiàn)WIA有限公司和機(jī)器人谷有限公司的汽車組裝而設(shè)計的，并且融合了設(shè)計原理。 就一般工業(yè)機(jī)器人而言，用一個示教箱足以指導(dǎo)機(jī)器人定位操作，因為利用位置基準(zhǔn)一個控制器只控制一只手臂。對于雙臂機(jī)器人，由于雙臂需合作完成零件組裝，控制器必須考慮兩只手臂以及組裝零件產(chǎn)生的相互作用力，光用定位指導(dǎo)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?？梢岳秒x線編程技術(shù)，但是我們需要更敏感的指示方法，因此采用了主從式技術(shù)。我們采用兩個商業(yè)主設(shè)備，每個設(shè)備都能達(dá)到6DOF的定位輸入和6DOF的力量輸出。因此，控制器需及時在0.05-0.01s內(nèi)為從機(jī)器人和主機(jī)器人分別提供15DOF和12DOF反向/正向動力。這也正是為什么我們采用基于電腦的控制器的原因。我們將采用運動工程有限公司和實時擴(kuò)展軟件產(chǎn)品有限公司的windows XP專業(yè)版奔騰處理器，引用控制器的原理和結(jié)構(gòu)。 2、雙臂機(jī)器人的工件定義 我們對汽車公司利用雙臂機(jī)器人系統(tǒng)實現(xiàn)械零件組裝的自動化非常感興趣。而齒輪傳動和等速萬向接頭的組裝過程是我們的研究目標(biāo)。毫無疑問，這兩個過程均需要雙臂合作才能完成，也就是所謂的“合作性工作”，所以，單臂機(jī)器人無法應(yīng)用于這些過程。這也是大多數(shù)汽車公司在這些過程中未實現(xiàn)自動化的原因之一。 在此，對于這兩個過程我們不會詳述，僅展示一些圖片。圖1顯示的是裝配輸送線，它由很多齒輪和軸組成。圖2顯示的是等速萬向接頭生產(chǎn)線，它由兩個萬向接頭和軸組成。在WIA有限公司，這些都是政府資助的。很多不包含著兩個過程的汽車零件的生產(chǎn)線已經(jīng)實現(xiàn)了自動化。雙臂機(jī)器人是為實現(xiàn)這兩個生產(chǎn)過程自動化而設(shè)計的。 雙臂機(jī)器人的高度需達(dá)1.5m以承受10kgf，克服轉(zhuǎn)矩10N.m，使轉(zhuǎn)動速度達(dá)150deg/s，這就要求可重復(fù)性達(dá)0.1mm。表1列舉了雙臂機(jī)器人要完成目標(biāo)程序的參數(shù)要求。 圖1 圖2 表1 3、機(jī)器人設(shè)計 雙臂機(jī)器人多種多樣，有不同的運動結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)人形機(jī)器人的軀干自由度達(dá)3DOF，手臂自由度達(dá)6DOF。本課題研究的雙臂機(jī)器人與大多數(shù)人形機(jī)器人在運動結(jié)構(gòu)上有所不同，雖然它們的自由度相同。圖3顯示了它們之間的區(qū)別。大多數(shù)人形機(jī)器人和人有類似的運動結(jié)構(gòu)，但是我們所研究的雙臂機(jī)器人的運動結(jié)構(gòu)不同，它的雙臂的運動結(jié)構(gòu)和美洲獅的及其相像。我們期望它的動作和人類也不一樣。 人形機(jī)器人 本研究設(shè)計的機(jī)器人 圖3 我們設(shè)計的雙臂機(jī)器人要運用于傳送組裝線和等速萬向接頭組裝線，這要求手臂的末端功能器能360度不停旋轉(zhuǎn)。如果雙臂機(jī)器人的運動結(jié)構(gòu)如圖3左邊所示，那么每只手臂需有一個額外的旋轉(zhuǎn)夾。這樣，將會降低其負(fù)荷或者需要更強(qiáng)勁的馬達(dá)系統(tǒng)。因此，選擇了圖3右邊所示的運動結(jié)構(gòu)，最后一個接頭能使末端功能器實現(xiàn)螺旋運動，是組裝線360度旋轉(zhuǎn)。另外，這個運動結(jié)構(gòu)還要一個優(yōu)點，那就是所謂的“解耦”，反向運動在閉合形式方案下也得以簡單表達(dá)。這都是我們選擇這種運動結(jié)構(gòu)的原因。 圖4 圖5 雙臂機(jī)器人設(shè)計工具 圖4顯示的是機(jī)器人右臂的簡單草圖以及符合表1所示參數(shù)的設(shè)計。為實現(xiàn)工作分析，預(yù)備了運動解決方案，并開發(fā)了目光鑒定儀和簡單的雙臂分析工具，以便在制造過程中能夠進(jìn)行運動評估和檢查控制計算等。圖5顯示的是雙臂機(jī)器人的設(shè)計工具。 4、控制器設(shè)計 圖6顯示的是控制器的總體構(gòu)造，它由中心主機(jī)，可是控制器，遙控控制器和機(jī)器人控制器組成。所有這些控制器均基于電腦系統(tǒng)，并且每個控制器都通過CAN總線相互連接，控制器間可以實時交流信息。離線編程，視覺系統(tǒng)和遙控控制器不在本研究范圍內(nèi)，在此只介紹機(jī)器人控制器。 圖6 控制器構(gòu)造 一般的機(jī)器人控制器在機(jī)器人開發(fā)系統(tǒng)中非常實用，它對機(jī)器人運動參數(shù)和控制參數(shù)都起到借鑒作用。相對簡單的機(jī)器人而言，大多數(shù)普通機(jī)器人的控制器是可以利用的。但是要開發(fā)特殊的機(jī)器人，這些控制器則不可用，因為它們沒有所謂的“開放式體系結(jié)構(gòu)”。用戶不能存取運動方程式的源編碼，所以特殊機(jī)器人不能用普通機(jī)器人的控制器。目前市場上還沒有轉(zhuǎn)為雙臂機(jī)器人設(shè)計的商業(yè)機(jī)器人控制器，因此，必須先開發(fā)雙臂機(jī)器人的專用機(jī)器人控制器。 開發(fā)雙臂機(jī)器人的專用機(jī)器人控制器有兩種方法：開發(fā)特殊的控制器板或使用商業(yè)運動板。本研究選用了運動工程有限公司的帶有ZMP網(wǎng)絡(luò)同步并基于電腦的機(jī)器人控制器，此外工業(yè)電腦也正在開發(fā)中。另外還選用了實時控制器。ZMP網(wǎng)絡(luò)同步的運動板是普通的運動板，它采用的是集成計算技術(shù)，當(dāng)多根軸同時工作時，其控制頻率就降低了。它一次可控制4根48khz的軸，32根2khz的軸。它有明顯的特征那就是將用數(shù)位傳輸運用于馬達(dá)驅(qū)動器上，另外運動工程支持實時操作系統(tǒng)、RTX、RTLinux的軟件驅(qū)動。普通運動板沒用支持實時操作系統(tǒng)的驅(qū)動，所以不能用來組成基于電腦的機(jī)器人控制器。 RTX是windows XP的一種實時擴(kuò)展，它的中斷等待時間很短（<10us）。RTLinux是最好的實時操作系統(tǒng)之一，但是對普通用戶而言在Linux系統(tǒng)中很難開發(fā)軟件，因此沒有選擇RTLinux系統(tǒng)。大多數(shù)電腦用戶使用windows XP，并且已經(jīng)開發(fā)出了很多軟件開發(fā)包?？紤]到市場情況，windows XP 是最好的操作系統(tǒng)，但是，windows XP不支持實時計算也不是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)，所以，選擇了RTX。RTX在windows XP的基礎(chǔ)上增加了實時計算功能。圖7顯示了RTX的功能[4]。 圖7 RTX和windows 產(chǎn)品有限公司說RTX在單個CUP系統(tǒng)下中斷等待時間克達(dá)10us，但是我們的實驗結(jié)果和他們說的有所出入，因此選擇了雙核奔騰處理器。如果CPU大于兩核或是兩個CPU，那么RTX能不受windowsXP的影響而充分利用單核或者單個CPU。所以，即使電腦由于藍(lán)屏關(guān)機(jī)RTX也能在測試時保證中斷等待時間不少于2us。 用有獨自控制運算法則和軸插值的運動板組裝基于電腦的機(jī)器人控制器，主從控制器的同步性至關(guān)重要。RTX要有自己的計時器，運動板也使用單獨的計時器，所以選擇了ZMP網(wǎng)絡(luò)同步簡單機(jī)械霧化油槍[3]。 ZMP運動控制器能夠以特定頻率中斷主機(jī)，且頻率是控制器樣品頻率的幾倍。該主從式中斷被稱為同步中斷。對于需要使控制器和樣品所需的計算數(shù)據(jù)同步的系統(tǒng)，ZMP固件都有一個主程序標(biāo)志。這個標(biāo)志用于顯示主機(jī)軟件正在工作，并將所需的數(shù)據(jù)傳輸給ZMP，它是在主機(jī)工作后數(shù)據(jù)傳輸前由同步器同步開啟的。當(dāng)所有程序完成后未進(jìn)入休眠和等待下一個同步前主程序標(biāo)志會被主機(jī)清除。ZMP軟件能在每個周期開始工作前檢查主程序標(biāo)志，如果主程序標(biāo)志在開始工作時是一個靜止的點，那么軟件便會在控制對象內(nèi)設(shè)置一個狀態(tài)位以表示主機(jī)未及時完成工作任務(wù)。圖9顯示了電腦主機(jī)和運動板（ZMP）在是如何同步使用的[3]。 5、總結(jié) 雙臂機(jī)器人應(yīng)用于汽車零件足證過程，它的控制器采用了工業(yè)電腦、ZMP運動板、微軟windows XP和RTX技術(shù)。介紹了雙臂機(jī)器人設(shè)計理念和運動結(jié)構(gòu)，主機(jī)和ZMP運動板實現(xiàn)同步的方法以及RTX達(dá)到最短中斷等待時間的方法。 圖9運動板和主機(jī)的同步性 謝辭 感謝MOCIE和慶尚南道政府對本研究的大力支持。 參考文獻(xiàn) 1] Mark W. Spong, M. Vidyasagar, Robot dynamics and control. John wiley & Sons, 1989 [2] John J. Craig, Introduction to Robotics, Addison Wesley, 1989 [3] http://support.motioneng.com/Software-MPI/Top ics/sync_interrupt.htm [4] RTX Datasheet, Ardence (www.ardence.com) [5] www.yaskawa.com 2011 IEEE/RSJ國際會議 智能機(jī)器人系統(tǒng) 2011年9月25-30日，舊金山，CA，USA 手腕和前臂可旋轉(zhuǎn)的DLR手臂系統(tǒng): 機(jī)械設(shè)計，形狀分析及實驗驗證 Werner Friedl, Hannes H6ppner, Florian Petit and Gerd Hirzinger 德國航空航天中心（DLR），海燕，德國機(jī)器人與機(jī)電一體化研究所 郵箱：Werner.Friedl.Hannes.Hoeppner.Florian.Petit}@dlr.de 摘要 DLR手臂系統(tǒng)是基于變剛度的概念，這個進(jìn)來提出的概念大大地提高現(xiàn)代影響的魯棒性和能源效率機(jī)器人。本文還引入了工作在雙向拮抗變剛度（BAVS）合資的概念，就是拮抗關(guān)節(jié)的延伸。這三種機(jī)械的設(shè)置利用不同的彈簧和凸輪盤組合，對實現(xiàn)預(yù)期的轉(zhuǎn)矩剛度特性進(jìn)行了分析。雙BAVS的接入可以作為DLR手臂系統(tǒng)中手腕和前臂旋轉(zhuǎn)的聯(lián)合解決方案。此外，在實驗部分對偏轉(zhuǎn)扭矩余的校準(zhǔn)和驅(qū)動進(jìn)行了驗證。 I. 簡介 近來的研究的發(fā)展引導(dǎo)了可變抗撓性關(guān)節(jié)機(jī)器人技術(shù)。據(jù)報道DLR已經(jīng)開發(fā)出了生物機(jī)動可變剛度機(jī)器人手臂稱手臂系統(tǒng)（HASy）。機(jī)械手含有26個自由度，其中19 自由度安裝在手部，另外7個自由度整合在前上臂上的所有電子設(shè)備。在幾個變剛度制動器（VSA）調(diào)整位置和剛度的同時，不同研究者要進(jìn)行相應(yīng)的分析。使用變剛度制動器擁有幾個好處，例如內(nèi)在的依從性使在關(guān)節(jié)處來存儲機(jī)械能提供了可能，類似于人類。彈性元素的低通濾波特性對魯棒性原因息息相關(guān)。此外，能量存儲性質(zhì)可以適用于高度動態(tài)的動作，比如扔球或在散步。在機(jī)器人安全背景下，被動遵守也進(jìn)行了討論。 雖然VSA的想法類似于提到的所有的聯(lián)合原型，但是較大變化的機(jī)械執(zhí)行性和對不同VS接頭評價是正在進(jìn)行研究的議題。也因此多個不同的VS關(guān)節(jié)已經(jīng)應(yīng)用在的DLR手臂系統(tǒng)。對于19自由度拮抗原則，也類似人類的手的彈性肌腱。該手臂關(guān)節(jié)1-4，即肘和肩關(guān)節(jié)，實施浮動彈簧接頭（FSJ）。一個叫做雙向拮抗變量剛度（BAVS）原則的概念已被同時用于前臂和腕關(guān)節(jié)。本文的目的是引進(jìn)雙向拮抗變量 剛度關(guān)節(jié)在HASy。 本文以以下方法敘述，我們首先評估雙向拮抗變量剛度的要求和托架設(shè)計，BAYS與上文中提到的DLR手臂系統(tǒng)YSA原則相比。接下來，我們分析預(yù)期轉(zhuǎn)矩剛度凸輪盤機(jī)構(gòu)的結(jié)果，它主要影響VS性能的聯(lián)合。我們將集中在不同凸輪盤的組合和線性彈簧，線性彈簧由機(jī)械前臂和兩個腕關(guān)節(jié)設(shè)計主導(dǎo)。最后，我們將與第一次測量雙向拮抗變量剛度關(guān)節(jié)剛度的結(jié)果比較，，并顯示自動適應(yīng)性的結(jié)果。 圖1.DLR手臂系統(tǒng) II.BAVS聯(lián)合 DLR手臂系統(tǒng)包含多種不同聯(lián)合類型。BAVS聯(lián)合的原則是用于執(zhí)行的手腕和前臂關(guān)節(jié)的執(zhí)行。這種選擇所提出的要求如下。 A.要求：由于腕關(guān)節(jié)和前臂旋轉(zhuǎn)接頭的位置，與其他HASy關(guān)節(jié)比較，要求是不同的： l 手腕：為了實現(xiàn)與人類的大小相同的不能放在重合位置的手腕腕關(guān)節(jié)執(zhí)行器關(guān)節(jié)軸，只能放置在前臂靠近肘部。因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要被轉(zhuǎn)移到手腕的前臂，類似于在手指肌腱實現(xiàn)權(quán)力交接關(guān)節(jié)。 l 手腕：此外，機(jī)械動力的傳輸必須盡量徹底，以實現(xiàn)致動器直接耦合到手腕。手指的運動能一定程度耦合到手腕上，這是很重要的。因而靈活的肌腱不能使用。 l 前臂：前臂旋轉(zhuǎn)接頭的主要挑戰(zhàn)是由電纜提供的電源，水冷管，以及通信總線電纜傳輸?shù)角氨鄣膫鬏?，同時允許旋轉(zhuǎn)范圍1800? l 另外，電源的前臂和兩個腕關(guān)節(jié)的尺寸比進(jìn)行優(yōu)化，因為在有限的空間中含有前臂的42個致動器。 l 與肩部和肘部關(guān)節(jié)相比，手腕和前臂只需要較小的慣性和重量來支持要求較低 的扭矩能力。 其他VSA接頭則必須完成更多的要求，以滿足低摩擦和低轉(zhuǎn)動慣量的機(jī)械設(shè)計，以實現(xiàn)高的動態(tài)能力。 BAVS聯(lián)合概念使用更加適合這些要求。以下將闡述這種選擇各種的細(xì)節(jié)。 B. BAVS原則： 圖2.使用肌腱的對抗性和BEVS傳動原理 設(shè)計細(xì)節(jié)之前，已經(jīng)給出主要性能的BAVS原則。在圖2中，標(biāo)準(zhǔn)的拮抗原理和BAVS原則的進(jìn)行了比較。剛度和位置的改變的方式是相同的：共同運作彈簧引起了剛度的變化，同時同步運動電機(jī)用來在結(jié)合處產(chǎn)生扭矩。而本質(zhì)的區(qū)別是，兩個電機(jī)的BAVS聯(lián)合具有推拉聯(lián)合的功效。因此，關(guān)節(jié)的最大轉(zhuǎn)矩等于兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的總和。 （1） 其中，1和T2是由兩個電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩。失速扭矩Tstall的是一臺電機(jī)的最大扭矩。這種BAVS原則上使用電動機(jī)的支持方式稱為幫助模式?？傛溌穭偠萲等于的剛度K1（T1）和k1（T2）每個馬達(dá)的彈簧單元的總和。 （2） 圖4顯示了BAVS聯(lián)合設(shè)置一個彈簧和兩個對稱凸輪盤，以及兩個特征模式。在圖4 b）該接頭是在幫助模式下，這兩個凸輪盤在相同的方向上提供了一個扭矩。在正常模式下，與所提供的凸輪盤的相對轉(zhuǎn)矩如圖 4C）所示。 圖3. 圖4 FSJ（如一個大的馬達(dá)的小型電動機(jī)的位置和關(guān)節(jié)的剛度改變）和拮抗原則相比，雙向?qū)α?dǎo)致高功率尺寸比，因為它主要所需的前臂和兩個腕關(guān)節(jié)。 C.機(jī)構(gòu)的建立 對高剛度手腕的要求，為了避免手腕運動的無故損壞，不采用肌腱基于VSA機(jī)制。相反，諧波傳動齒輪三部分的設(shè)置控制同步電機(jī)彈性元件和驅(qū)動側(cè)的接頭，見圖3。 聯(lián)合運作以下列方式進(jìn)行，參照圖3。波發(fā)生器連接到電機(jī)。正齒輪和柔性花鍵鏈接以輸出。所有圓形花鍵都連接到非線性彈性元件。移動兩個在相同的方向上的馬達(dá)使鏈接（正輪）的位置的變化。如果移動相反方向的無連桿運動的電機(jī)，柔性花鍵會被連桿互相阻擋。在圓形花鍵施加的扭矩，可以使非線性彈性元件張緊。通過阻斷電機(jī)，任何外部的運動鏈接將加載彈簧元件。因此，一個自然的扭力 - 角度關(guān)系與非線性增加轉(zhuǎn)矩是可以實現(xiàn)的。 剛度的非線性元件是通過非線性凸輪盤制動一個或多個線性彈簧。凸輪盤的形狀也可以影響扭矩剛度曲線的聯(lián)合。 在幫助模式下，轉(zhuǎn)矩—剛度曲線的影響的變化分析。 III.BAVS形狀分析 第II-C提供建議的機(jī)械安裝主要有兩種設(shè)計參數(shù)。首先，線性彈簧的數(shù)量（一個或兩個）和第二凸輪盤的形狀（對稱或不對稱）。在以下三種不同的設(shè)置進(jìn)行了分析。 最簡單的設(shè)置是只使用一個線性彈簧的單個彈簧解決方案，如圖5a）所示。雙彈簧解決方案使用了兩個而不是僅一個彈簧，但在相同的設(shè)置有兩個凸輪盤，見圖5 B）。第三個分析的設(shè)置，和包含兩個彈簧和四個凸輪盤，如圖所示。5 c）圖5 所有的接頭都要滿足最大扭矩為8 Nm，相當(dāng)于兩個失速轉(zhuǎn)矩馬達(dá)（Tmax = 2· Tstall = 8Nm），偏轉(zhuǎn)角為15°。線性彈簧的剛度采用22.1 kN / m。 A. 單彈簧方案 最簡單的可能的解決方案是一個彈簧和兩個對稱的凸輪盤（參見圖5）的組合，并需要最少的建造空間。由兩個對稱的凸輪盤的聯(lián)合施加的扭矩可由下列公式算出 （3） ￠關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)角，是凸輪盤的預(yù)緊角，c是回彈力，r是凸輪盤上杠桿比邊緣到凸輪盤中心的距離，,和，是凸輪盤和彈簧偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)角和它們的衍生物之間的關(guān)系的數(shù)學(xué)函數(shù)描述。關(guān)節(jié)的剛度是扭矩相對于偏轉(zhuǎn)的導(dǎo)數(shù)。 1）對稱凸輪盤：對于對稱的外形設(shè)計剛度，圍繞零偏轉(zhuǎn)￠= 0°為低電平時，當(dāng)凸輪輥半徑限制了凸輪盤的形狀。這是因為以保證正確的凸輪滾子的滾動，曲率凸輪盤的凸輪半徑小于滾筒。因此，對于一個對稱的凸輪盤形狀的約束是必要的，以避免間斷。 圖6 一個彈簧解決方案也有缺點，預(yù)拉伸的關(guān)節(jié)的扭矩變化范圍是有限的，因為只有兩個凸輪盤幾乎完全偏轉(zhuǎn)，才可以產(chǎn)生最大的彈簧力。在正常的拮抗模式下，最好的結(jié)果只有約四分之一的最大扭矩，圖6頂部說明了這一點，其中的扭矩剛度關(guān)系為單個彈簧對稱的外形設(shè)計的解決方案做出了描繪。圖中的虛線示出了預(yù)拉伸為a =50％，它使約四分之一可達(dá)到的最大扭矩。此外，該圖表可作如下解釋：在曲線之間的步長大小等于10％預(yù)緊遞增。此外，其中一個電動機(jī)的Tstall曲線已用粗體打印在圖中，因為這條曲線相當(dāng)于正常和幫助對抗模式之間的邊界。最低的曲線相當(dāng)于非預(yù)緊機(jī)制（）。最高的曲線對應(yīng)為=90％的預(yù)拉伸。 此結(jié)果也可以通過轉(zhuǎn)矩剛度曲線的最大的剛度變化得到驗證。在此，用指數(shù)特性 （4） e和d都是正常數(shù)，如果對稱凸輪光盤設(shè)計假定（和），（3）式就可轉(zhuǎn)變?yōu)? （5）解決這個微分方程，將引入凸輪盤形狀與.所以一個彈簧和兩個對稱凸輪盤的結(jié)合，以實現(xiàn)所需的特性的不足。 2）非對稱輪盤：另一種可能的單彈簧的解決方案是兩個不對稱的凸輪盤結(jié)合，非對稱的圓盤意味著并不取決于，見圖5。為了實現(xiàn)一個使用分段函數(shù)的非對稱形狀的設(shè)計，從中心的偏移如下所述。不對稱圓盤形凸輪盤的一個例子是 （6） 其中RI和R2是不同的半徑。圖6的底部，描繪了一個分段的非對稱外形設(shè)計的扭矩剛度。最大50％的預(yù)張力的扭矩比最大對稱形狀扭矩幾乎大25%。 B.雙彈簧方案 由于一個彈簧解決方案的局限性，使用兩個彈簧與兩個不對稱的凸輪相結(jié)合將之代替。然而，如圖5所示的設(shè)置需要多一點的空間。 關(guān)節(jié)扭矩以下列公式計算 （7） 與不對稱的外形設(shè)計和支撐的單彈簧解決方案相比，可以產(chǎn)生兩倍的轉(zhuǎn)矩（幾乎是一半），相當(dāng)于 50％的預(yù)拉伸。因為這兩個凸輪盤設(shè)計了完全偏轉(zhuǎn)的彈簧，彈簧的最大彈簧力總是可以被充分利用。對于單個彈簧的解決方案，在50％的預(yù)拉伸彈簧只能使最大撓度的一半偏轉(zhuǎn)。因此，這一機(jī)構(gòu)的力矩剛性的帶寬增加。 C.兩個彈簧和四個凸輪盤的方案 最后一個分析的設(shè)置包含四個形狀不對稱的凸輪盤和有兩個彈簧的結(jié)合，見圖5。不對稱的凸輪盤允許一個非零的剛度，即使在零偏轉(zhuǎn)。單獨的凸輪盤安裝在兩個圓形諧波驅(qū)動齒輪的花鍵上。每個凸輪盤之間傳輸一個彈簧力。所要求的轉(zhuǎn)矩曲線，必須分為四個相同的鏡像曲線。通過凸輪盤上兩個彈簧的預(yù)張緊，產(chǎn)生了一定的扭矩。 圖7 圖8示出所得的指數(shù)扭矩剛性的關(guān)系，通過以下方式獲得（4）和（5）。這種方法給出了的扭矩剛度外形設(shè)計最大的靈活性。 圖8 與圖6中的非對稱的圓形形狀相比，如果預(yù)張緊凸輪盤，剛度減小更快。扭矩剛度特性也由任務(wù)而定。因此在這一點上，不能給一個通用的答案。 IV.設(shè)計 A. 前臂旋轉(zhuǎn)設(shè)計 達(dá)到一個最佳的封裝密度的效果，前臂旋轉(zhuǎn)使用了錐齒輪系統(tǒng)，而不是使用一個直齒圓柱齒輪系統(tǒng)（圖9）。出于同樣的原因，彈簧被放置與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸平行。裝有冷卻水且用于控制電機(jī)的手的和完整的前臂的電纜，通過一個內(nèi)孔的錐齒輪，與旋轉(zhuǎn)軸線平行。三個電位器是用來測量兩個凸輪盤的位置和連桿 圖9。 B.手腕設(shè)計 對于手腕的輸出，為了使相應(yīng)的電機(jī)盡可能放置在靠近的基站點的前臂的地方，可引導(dǎo)的正機(jī)架的取代了斜輪。此外，該線性彈簧放置在垂直于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸。這就使前臂內(nèi)部有一個緊湊的設(shè)計。圖10示出了橫截面的在手腕BAVS驅(qū)動。 V.測量和實驗 A.扭矩剛度形狀校準(zhǔn) 基于VS聯(lián)合的高精密的扭矩，需要扭矩?fù)隙惹€的非線性的精確的校準(zhǔn)。我們測量了手腕和前臂BAVS的轉(zhuǎn)矩偏轉(zhuǎn)曲線，使用一個安裝了額外的杠桿臂的測力計，來對平動旋轉(zhuǎn)的前臂進(jìn)行測量。對于手腕扭矩?fù)隙惹€的測量，測力計是直接連接到驅(qū)動手腕。 手腕上的制動，是由一個對稱的圓凸輪盤的形狀來實現(xiàn)的。理想曲線和所獲得的測量值示于圖11中。只要連接桿的剛度和測力計安裝有瑕疵，又會有微小的偏差。 圖10 圖11. 前臂旋轉(zhuǎn)扭矩 - 位移曲線示于圖12中。 再次使用對稱的圓，最大扭矩的減少是清晰可見的。與在圖11中的手腕上測量相比，由于制造公差較大的滯后需要追蹤，將來的聯(lián)合方案將會減少這一點。 圖12 B.全自動剛度適應(yīng)、 如果接頭處于對立的模式，最大的關(guān)節(jié)力矩是電機(jī)停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的一半。對于某些應(yīng)用中，通過使用幫助模式達(dá)到更高的扭矩是必要的。在圖12中，關(guān)于正常與幫助模式的切換，已經(jīng)給出了算法。采用的方法是減少的凸輪盤的預(yù)張力，當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩太高。 該方法可以實現(xiàn)實時模式的改變。關(guān)節(jié)內(nèi)的阻尼是必要的。對于預(yù)拉伸的最大轉(zhuǎn)矩的計算方法，如果超出，則預(yù)張力會降低測量扭矩與最大扭矩的線性差。實驗在安裝了杠桿臂的旋轉(zhuǎn)前臂進(jìn)行。外部扭矩手動生成。在圖13中是無剛度自動適應(yīng)下力矩和剛度的繪制。如果達(dá)到第一電機(jī)的停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)將被復(fù)原。在圖14激活了剛度自動適應(yīng)。如果凸輪盤扭矩達(dá)到2.4 Nm，第二個凸輪盤預(yù)緊就會減少。 C.冗余驅(qū)動一個電機(jī)故障 沒有進(jìn)一步分析的BAYS聯(lián)合的性質(zhì)是電機(jī)的冗余，它增加了系統(tǒng)的魯棒性。 電機(jī)的對稱設(shè)置，實現(xiàn)了獨立的運動及以疊加的方式生成的剛性的接縫?？紤]只有一臺電機(jī)的運作的情況下，由于第二電動機(jī)的故障，關(guān)節(jié)的剛度不能被改變，但仍然可以設(shè)置關(guān)節(jié)位置。雙向的方法可以驅(qū)動有故障的電機(jī)復(fù)原。這是一個很大的優(yōu)勢，對于自主工作機(jī)器人來說，因為一臺電機(jī)的故障不會停止機(jī)器人的基本功能。 圖13 余下的最大可達(dá)的鏈路轉(zhuǎn)矩依賴于運行的電動機(jī)的停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩減去失效電機(jī)驅(qū)動齒輪所需的轉(zhuǎn)矩。通過轉(zhuǎn)矩的計算計算補償?shù)碾姍C(jī)的位置。圖15示出了BAYS聯(lián)合在位置控制與電機(jī)閉合的關(guān)系的曲線圖。前面供給的計算出的位置可以使凸輪盤的偏轉(zhuǎn)完成反向驅(qū)動動作。 （8） （9） 反向驅(qū)動扭矩隨著鏈路速度增加而增加。反向驅(qū)動將會記錄在額外的測試，同時測量齒輪的效率。 圖14 圖15 VI.結(jié)論與今后的工作 本文提出了，實現(xiàn)使用的諧波傳動機(jī)制雙向拮抗關(guān)節(jié)DLR手臂系統(tǒng)。具有不同的彈簧和凸輪盤的設(shè)置的三個主要的設(shè)計概念已被評估，并優(yōu)化在一定轉(zhuǎn)矩能力和剛度的范圍內(nèi)，尤其是在幫助模式。還展示了手腕和前臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)DLR的手臂系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計。，以及上文關(guān)于連接測量的校準(zhǔn)和兩個實驗。首先，自動僵硬適應(yīng)方案的實施提供最大扭矩。 其次，對電機(jī)有障礙的情況下進(jìn)行了評估。在今后的工作中，非對稱形狀的設(shè)計的增加帶寬的剛度扭矩曲線將會實施和評估。此外，如果鏈接轉(zhuǎn)矩由兩個馬達(dá)的共享，也對系統(tǒng)的能量消耗在不同的狀態(tài)下記性評估。此次結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的DLR手臂系統(tǒng)任務(wù)的執(zhí)行，還提供了扭矩剛度外形設(shè)計有價值的研究成果。 VII致謝 這部分工作由歐洲委員會第六框架計劃資助，作為STIFF項目之一，編號231576，也作為VIACTORS項目的之一，編號231554。 現(xiàn)場可編程陣列的三自由度的數(shù)字控制系統(tǒng)機(jī)械手 摘要 這項工作是以展示設(shè)計過程和執(zhí)行三自由度機(jī)械手為目的的，被由超高速集成電路硬件描述語言的數(shù)字系統(tǒng)控制，以及被現(xiàn)場可編程陣列執(zhí)行。用于控制的數(shù)字系統(tǒng)是通過互相連接的電路和功能塊設(shè)計的。 現(xiàn)場可編程陣列終端被用來控制三個步進(jìn)電機(jī)序列，這種方式實現(xiàn)了三自由度機(jī)械手的運動，在控制系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)中的接口階段是被基于晶體管的電力電子電路所開發(fā)的。這個設(shè)計是一個試圖說明設(shè)計階段以及主要關(guān)于機(jī)械手運動的數(shù)字控制系統(tǒng)的理論模型。對于這種情況，機(jī)械手設(shè)計并不依賴一個特定的情況，這是一個免費的軌跡，與此同時用戶能通過現(xiàn)場可編程陣列的界面決定機(jī)械手的運動。機(jī)械手通常沒有能力去移動大部件，既不能升大重力物體，也不能成為一個簡單的結(jié)構(gòu)模型和被每個人訪問除非能用可循環(huán)材料建造它，它被做成這種形式只是處于教育的目的。 1.介紹 對現(xiàn)代人來說，根本不可能去構(gòu)思他們的生活如果沒有數(shù)字電子的存在，因為電子應(yīng)用出現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪械臄?shù)量是巨大的，數(shù)字電子的應(yīng)用是非常多和非常普遍的。 【1】傳感器，微芯片和致動器被普遍用于現(xiàn)在生產(chǎn)中。甚至傳統(tǒng)的機(jī)械工程領(lǐng)域的汽車工業(yè)也用微芯片在現(xiàn)代交通工具和機(jī)械結(jié)構(gòu) 【2】機(jī)電一體化和有關(guān)的各種學(xué)問去接近設(shè)計工程發(fā)展的解決方案，提供一個重要的方向來跟隨教學(xué)和研究。因此,對成功的工程師來說這樣一個多學(xué)科學(xué)位的教學(xué)已經(jīng)成為必要。 【3】世界上的大學(xué)用在機(jī)電一體化和機(jī)電工程方面介紹新學(xué)位來回報的方式出現(xiàn)。因為在相同的方式,它也通常發(fā)生在數(shù)字電子技術(shù)和電子產(chǎn)品，在很多應(yīng)用里我們能找到電子設(shè)備涉及機(jī)械設(shè)備，其中的一個應(yīng)用就是機(jī)械結(jié)構(gòu)控制。 【4】在控制和施工條件下，教育和演示目的一個機(jī)械手,和大的工業(yè)機(jī)械手有相同的結(jié)構(gòu)的，因此，理解用于控制他們的技術(shù)的設(shè)計是非常重要的。每一個數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計開始于一組規(guī)格和完成模式開發(fā)的特性，此外它它用布爾運算功能所表示的邏輯圖結(jié)束，同時它被編程到現(xiàn)場可編程陣。 【5】實際上,邏輯設(shè)計師的任務(wù)是簡化使用描述性語言的電路。雖然多樣化的描述性語言存在，非常高速的集成硬件描述語言是最受歡迎的和使用時間最長的。硬件描述語言的描述性語言的目的是開展在可編程序邏輯方面的電路領(lǐng)悟，這技術(shù)是已知的像設(shè)計合成。 被提出的數(shù)字系統(tǒng)來控制機(jī)械臂是由自上而下的分層設(shè)計技術(shù)。使用這種技術(shù),設(shè)計師有從容分開設(shè)計階段,確定幾個抽象水平，能夠治療系統(tǒng)黑盒來開發(fā)他們用并行方式。這個項目被分為三個主要部分來講:機(jī)械部分的手臂,電力電子接口電路和FPGA階段。非常重要的說,擬議中的數(shù)字系統(tǒng)的用來控制步進(jìn)電機(jī)是不會考慮一個特定的軌跡。在這個項目中,數(shù)字系統(tǒng),如同樣的方式,機(jī)械設(shè)計,不依賴任何運動軌跡。這是一個被推薦的FPGA接口所以運動軌跡是由用戶決定。圖1顯示了這個項目是主要部分劃分: 圖1設(shè)計過程階段 2.發(fā)展 2.1機(jī)械階段 機(jī)械階段重點建設(shè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，為此，各種各樣的元素被實用，如鋁鏈接、齒輪、滑輪、帶輪、步進(jìn)電機(jī)、軸、參考線以及一些公共設(shè)施的元素在停止實用的的電子設(shè)備中都有包含。這個階段的項目很有趣,因為在齒輪、帶輪、滑輪中的機(jī)械聯(lián)合體，他們自己的生產(chǎn),所有機(jī)械設(shè)備被放置在一個精確的方式來獲得想要的運動。圖2顯示了機(jī)械作臂是如何建立。 圖2三自由度的機(jī)械臂結(jié)構(gòu) 圖2顯示了臂是如何被建立去完成三自由度的運動:在圖像的劣質(zhì)部分，第一馬達(dá)是被鑒別的,允許整體的運動基于手臂的位置;在左邊圖像的優(yōu)越部分的馬達(dá)有助于開展二自由的運動,相當(dāng)于第一個鏈接的運動，以其各自的機(jī)械連接,允許想要運動離開;最后,圖2也顯示了步進(jìn)電機(jī),是定位于攜帶出了運動的第三和最后的自由度，適當(dāng)?shù)募尤脒@個運動反映了機(jī)制的第二環(huán)節(jié)。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)是建立在一個自由的方式,對于這個項目沒有必要采取合成過程來確定結(jié)構(gòu)尺寸,比如鏈接的長度，基于一個特定的精密點軌跡。結(jié)構(gòu)尺寸是任意選擇的和機(jī)械臂結(jié)構(gòu)不是考慮一個特定的運動軌跡而建立。圖2沒顯示了機(jī)械臂的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于目前情況下,執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以是一個螯,伊瑪目,一個支承面,一個電磁鐵,一支鉛筆,它實際上可以是任何東西,機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用戶的決定。 2.2電子階段 電子的階段主要是使用的電力電子接口連接FPGA和步進(jìn)電機(jī)安裝在機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。這個FPGA包含一個非常廣泛的邏輯包為了應(yīng)用現(xiàn)狀，但它的終端不能直接與步進(jìn)電機(jī)相連接，因為步進(jìn)電機(jī)電流的需求比支持現(xiàn)場可編程門陣列的要大得多。為了解決這個問題,有必要實現(xiàn)”接口電路”,它可以解釋FPGA輸出和采取相應(yīng)的行動使發(fā)動機(jī)給必要的和足夠的力量,同時FPGA是受保護(hù)的。為此,光學(xué)絕緣體被用來在FPGA輸出和步進(jìn)電機(jī)的輸入間消除身體接觸。圖三顯示了電路的應(yīng)用原理圖：電力電子接口電路顯示在圖3是只有一個步進(jìn)電機(jī)相,它是必須實現(xiàn)12次同樣的電力電子接口電路，因為每一個步進(jìn)電機(jī)有四相和這個項目使用三個步進(jìn)電機(jī)相來運動。有時FPGA輸出有一個非常低電壓水平,這就是為什么另一個電子電路選擇界面在FPGA和光絕緣子之間放一個緩沖區(qū),但對于目前的項目它不是必需的。光絕緣子輸出與相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相具有相同的狀態(tài)（激活或禁用），但它是孤立于FPGA和有一個電壓水平稍高于它的輸入。光絕緣體輸出不能提供步進(jìn)電動機(jī)所需求的電流，這就是為什么電力階段是適當(dāng)?shù)?。高輸出增益的達(dá)林頓晶體管配置,被用在功率階段。最后,接口電路也有相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相線可用的連接器:步進(jìn)電動機(jī)常見的終端連接到供給電壓(Vcc)，相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相連接達(dá)林頓晶體管集電極。圖4顯示了完整的接口電子電路的實作界面及其到FPGA的連接: 圖4連接到FPGA電力電子接口電路 有許多不同的方式來實現(xiàn)功率電子接口電路,因為有大量的電力電子設(shè)備可以使用，這只是一個標(biāo)準(zhǔn)的電力電子接口電路和用戶可以決定使用哪些電子設(shè)備來實現(xiàn)它。 2.3現(xiàn)場可編程門陣列階段 FPGA階段包括在被VHDL描述的數(shù)字系統(tǒng),它能夠控制機(jī)械手臂的運動。本設(shè)計提供了激活感覺和運動資格的選擇：用戶選擇想激活的電動機(jī)，它移動的意義和希望最后它可以激活運動的開始。可以使用的可編程邏輯作為一種個性化的邏輯設(shè)計,也就是說,設(shè)計思考關(guān)于自己的硬件。第一個器件是編程的通過面具,他們被電腦制造商開發(fā)的,在60年代初可編程序邏輯到達(dá)可融化的程度，從那時，這種技術(shù)對大小用戶的使用都很普遍。用一種更簡單的方法來描述數(shù)字系統(tǒng)為控制機(jī)械臂運動多樣化，它們使用的功能塊允許執(zhí)行必要的功能。數(shù)字系統(tǒng)被以下功能模塊建造借助分層設(shè)計基金會:時間坐標(biāo),步進(jìn)電機(jī)有限狀態(tài)機(jī)和控制有限狀態(tài)機(jī)。 圖5數(shù)字系統(tǒng)功能塊 圖5顯示了數(shù)字系統(tǒng)功能塊并給出一個關(guān)于的互聯(lián)互通他們的主意，包括用戶選項用于選擇一些機(jī)械臂運動。時間坐標(biāo)功能塊是像一個振蕩器,它確實沒有從用戶收到任何價值或命令，但它發(fā)送一個預(yù)先確定的和持續(xù)期脈沖控制有限狀態(tài)機(jī),對于這種情況,周期是1 ms;在時間坐標(biāo)生成的相對低頻脈沖功能塊用于處理相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相來通過電力電子接口電路，同時,它允許解釋目前步進(jìn)電機(jī)階段狀態(tài)，來影響運動序列有變化的時候；具體來說,時間坐標(biāo)功能塊設(shè)計可以像一個常數(shù)模塊計數(shù)器,由用戶決定的計時模塊，這種方式,時基脈沖周期可以有很多價值,但是所給的不改變；這是必要的時間坐標(biāo)脈沖對電力電子接口電路設(shè)備有一個好操作。步進(jìn)電機(jī)有限狀態(tài)機(jī)接收來自使用步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向感(連續(xù)波或反時針方向)和步驟類型(退或全部步驟)值,同時用戶選擇步進(jìn)電機(jī)運動開始的資格信號。顯而易見,用戶激活相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)將感覺信號,這一步類型的信號和選擇想要移動的步進(jìn)電機(jī)，所以機(jī)械臂結(jié)構(gòu)可以采取很多不同的運動軌跡。這是為什么機(jī)械手臂運動確實不依賴于一個特定的運動軌跡,因為用戶可以決定,實際上決定了,機(jī)械臂運動軌跡。步進(jìn)電動機(jī)有限狀態(tài)機(jī)發(fā)送來控制有限狀態(tài)機(jī)的相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相階段與從用戶選取的運動特征;步進(jìn)電機(jī)有限狀態(tài)機(jī)包含適當(dāng)?shù)牟竭M(jìn)電動機(jī)相序為了生成兩個感覺運動,也包括一半和完整的步驟運動。 圖6步進(jìn)電機(jī)有限狀態(tài)機(jī) 圖6顯示了步進(jìn)電機(jī)有限狀態(tài)機(jī)的國家和它的特征。資格信號,轉(zhuǎn)換信號和步進(jìn)式信號是輸入信號和它們的值從用戶直接定義的。步進(jìn)電機(jī)的階段可以分化為兩種不同的方式:第一個只有一個極化階段,第二個有兩個極化階段?？傊?步進(jìn)電機(jī)有限狀態(tài)機(jī)認(rèn)為四個狀態(tài)只有一個極化階段和另外四個個狀態(tài)的兩個極化階段,這樣一般和完整的步驟運動都能生成。沒有任何國家有三個或四極化階段,因為它不是一個為了興趣的步進(jìn)電機(jī)運動。圖6也顯示了可能的運動序列:連續(xù)波和完整的步驟,連續(xù)波和半步驟,反時針方向和完整的步驟,最后,反時針方向和半步驟。步進(jìn)電機(jī)的有限狀態(tài)機(jī)在圖6提供了一個參考狀態(tài),有限狀態(tài)機(jī)決定當(dāng)復(fù)位信號(RST)被激活。復(fù)位和fpga時鐘信號是最高層次的信號因為復(fù)位信號重啟所有數(shù)字系統(tǒng)和時鐘信號，使這個設(shè)計成為一個同步數(shù)字系統(tǒng)確定數(shù)字系統(tǒng)操作速度,但另一個高的層次結(jié)構(gòu)信號是資格信號,有資格的信號用戶允許或者阻礙選擇的步進(jìn)電機(jī)運動,這樣,當(dāng)資格信號是禁用的步進(jìn)電機(jī)不動。轉(zhuǎn)變感覺和步進(jìn)式信號不會有一個高的層次,但他們是很重要的,因為他們決定運動特性。對于目前項目有必要考慮半步驟的運動,因為它是更精確的運動相比完整步驟的運動,這種方式,提出的控制數(shù)字系統(tǒng)提供了兩種精度水平的步進(jìn)電機(jī)運動,因此,可能得到更好的機(jī)械臂定位?？刂朴邢逘顟B(tài)機(jī)接收時間坐標(biāo)脈沖,相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相狀態(tài)依據(jù)從用戶和步進(jìn)電機(jī)的選擇信號選定的運動特性;時間坐標(biāo)脈沖步進(jìn)電機(jī)相階段來自內(nèi)部功能塊,但步進(jìn)電機(jī)選擇信號來自用戶;控制有限狀態(tài)機(jī)詮釋步進(jìn)電機(jī)相狀態(tài)依賴于從步進(jìn)電機(jī)有限狀態(tài)機(jī)選擇的步進(jìn)電機(jī)運動特性,用戶選擇步進(jìn)電機(jī)希望移動和控制有限狀態(tài)機(jī)指定相狀態(tài)到對應(yīng)的步進(jìn)電動機(jī)。這個過程是按以下方式進(jìn)行:控制有限狀態(tài)機(jī)接收步進(jìn)電機(jī)相狀態(tài)擁fpga時鐘速度,這就是說,每一個fpga時鐘脈沖控制有限狀態(tài)機(jī)更新對應(yīng)的步進(jìn)電動機(jī)階段狀態(tài)和運動資格信息,這樣,任何運動序列幾乎立即改變產(chǎn)生的相關(guān)的行動，F(xiàn)PGA輸出狀態(tài)也幾乎立即反映這種變化的影響;時間坐標(biāo)功能塊的工作作為一個常數(shù)模塊計數(shù)器和發(fā)送控制有限狀態(tài)機(jī)的一個由設(shè)計師決定的常數(shù)周期脈沖。 控制有限狀態(tài)機(jī)發(fā)送給FPGA輸出相應(yīng)的步進(jìn)電動機(jī)相階段來選擇步進(jìn)電動機(jī), 但不是在fpga時鐘速度,它發(fā)送那個的價值在時間坐標(biāo)脈沖速度。所有數(shù)字系統(tǒng)提出功能塊是和fpga時鐘完全同步的，但有必要減少它的頻率并用一個適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)行相應(yīng)的步進(jìn)電動機(jī)相狀態(tài)。 1. 結(jié)果 結(jié)果的每一個階段在那個設(shè)計里被劃分成以下部分: 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)被建立在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b電機(jī),在每一個三自由度生成一個自由運動; 一個基于功率晶體管的接口電路設(shè)計, 連接FPGA與步進(jìn)電機(jī); 最后,一個數(shù)字系統(tǒng)被設(shè)計生成必要的和適當(dāng)?shù)男盘杹砜刂茩C(jī)械手臂運動。如前所述,無論是機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和控制步進(jìn)電機(jī)運動的數(shù)字系統(tǒng)并不是考慮一個特定的運動軌跡, 但它是提出一個FPGA接口采取關(guān)于轉(zhuǎn)換意義相應(yīng)的價值, 步進(jìn)式和從用戶選擇的步進(jìn)電機(jī)。在接下來的四個圖片,可以看到控制數(shù)字系統(tǒng)仿真程序的結(jié)果。這是重要的說,照片顯示所有可能的運動的類型,連續(xù)波和完整步驟,反時針方向和完整步驟,連續(xù)波和半步驟,CCW和半步驟,最后, 一個額外的“堅持”的狀態(tài),但只有一個步進(jìn)電機(jī)。仿真結(jié)果,數(shù)字7,8,9和10展示只會是選擇步進(jìn)電機(jī)的運動選項。為了獲得一個正確的模擬他們定義一些控制信號。 這些信號是一種標(biāo)志,可以給關(guān)于步進(jìn)電機(jī)運動條件的一些信息:信號（RST）有能力重啟完整數(shù)字系統(tǒng), 在模擬的開始它被激活, 過很短的時間,然后它使其余的仿真市區(qū)能力; 時鐘信號(時鐘)正是FPGA時鐘信號, 它有一個標(biāo)準(zhǔn)的50mhz的頻率；使感覺信號(C)選擇連續(xù)波或反時針方向改變感覺, 如果它是禁用的，默認(rèn)轉(zhuǎn)換感覺是連續(xù)波轉(zhuǎn)換感覺, 如果轉(zhuǎn)換感覺信號被激活然后步進(jìn)電機(jī)運動是在反時針方向轉(zhuǎn)換感覺; 步式信號(F)選擇步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)式, 它被激活時將選擇一個完整步驟序列，當(dāng)它被禁用了默認(rèn)類型是半步序列; 啟動類型運動信號(STM)只是一個控制信號,表明準(zhǔn)確即時當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的運動特性改變時; 步信號(S)只是一個控制信號,提示號碼必要的步驟來完成這個步驟類型選擇序列; 信息傳輸信號(S)是一個標(biāo)志信號表明信息在正確的方式轉(zhuǎn)移, 當(dāng)它被禁用時,信息轉(zhuǎn)移是正確的; 準(zhǔn)備好信號是一個旗語，這是激活顯示選定的運動的完成, 而且它也被激活當(dāng)選擇的步進(jìn)電機(jī)是在“堅持”狀態(tài); 最后,這個階段信號(φ)是一個信號總線,代表選擇的步進(jìn)電機(jī)相狀態(tài)。一個關(guān)于模擬過程的重要解釋已經(jīng)有結(jié)果，可以看到步進(jìn)電機(jī)序列是做在一個比FPGA標(biāo)準(zhǔn)頻率較低的頻率的改變。圖7顯示了模擬的第一部分,可以看到它完成半步和連續(xù)波序列, 和一些半連續(xù)波序列。圖8顯示第二部分的仿真。我們可以看到半步和連續(xù)波序列的結(jié)束退的武器序列,和的完整步驟連續(xù)波序列的開始。圖9顯示了模擬的第三部分, 我們可以看到完整步驟和連續(xù)波序列的結(jié)束,和完整步驟反時針方向序列的開始。圖10顯示了最后一部分的仿真, 它可以看到全部步驟和反時針方向序列的結(jié)束,和保持狀態(tài)。 4總結(jié) 機(jī)電一體化使用其他工程分支的知識，但是它有它的技術(shù)問題, 應(yīng)用程序和作為獨立的工程的特定的設(shè)計。這個項目需要應(yīng)用先前獲得的知識和技能,如:數(shù)字邏輯設(shè)計(有限狀態(tài)機(jī));硬件描述語言(VHDL); 分層設(shè)計技術(shù)在于實現(xiàn)使用FRGA。 電子電路設(shè)計(接口和驅(qū)動電路); 最后,發(fā)動機(jī)和致動器(步進(jìn)電機(jī))。選擇一個FPGA設(shè)計的主要的理由是提供工具來實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的快速原型，這是必不可少的在當(dāng)前的電子行業(yè)，反應(yīng)當(dāng)前的行業(yè)慣例; 和使用VHDL硬件描述語言來描述數(shù)字系統(tǒng)。 合成和實際硬件作為一個替代設(shè)計平臺來實現(xiàn)[3]。這個項目的用戶界面可以是一個電腦鍵盤,計算機(jī)或電子電路, 但對于這種情況，選定的用戶界面是FPGA自己的控制, 按鈕和開關(guān)。這個用戶界面不是最好的一個,但它是非常實用和多功能的。最大的并發(fā)癥出現(xiàn)在機(jī)械階段,因為機(jī)械傳動和聯(lián)合結(jié)構(gòu)是自己生產(chǎn)的, 有必要驗證那個元素的位置是否合適來生成一個自由運動。這個機(jī)械手臂提議是用可回收材料建造的。這個項目需要一個非常常見的工業(yè)應(yīng)用:控制機(jī)械結(jié)構(gòu)運動, 但在同時,它允許用FPGA做簡單化系統(tǒng)來控制復(fù)雜的機(jī)制。三自由度機(jī)械臂的被提出不能移動大部件,也不能提重物, 它可以被可回收的材料建立,如在這種情況下, 所以這個項目的主要目的是說明了數(shù)字設(shè)計流程和被專注于FPGA階段。 References *[1] R. de Jes?us Romero Troncoso, Electr?onica Digital y L?ogica Programable. Lascur?ain de Retana No. 5 C.P. 36000: Universidad de Guanajuato, 1st ed., 2007. [2] V. Giurgiutiu, J. Lyons, D. Rocheleau, and W. Liu, “Mechatronics/microcontroller education for mechanical engineering students at the university of south carolina,” Mechatronics, vol. 15, pp. 1025–1036, 2005. [3] K. C. Aw, S. Q. Xie, and E. Haemmerle, “A fpga-based rapid prototyping approach for teaching of mechatronics engineering,” Mechatronics, vol. 17, pp. 457–461, Octo- ber 2007. *[4] R. Isermann, “Mechatronics design approach,” in The mechatronics handbook (R. H. Bishop, ed.), CRC Press, 2002. *[5] National Semiconductor, Programmable Logic Design Guide, May 1986. *[6] National Semiconductor, Programmable Logic Devices Databook and Design Guide, 1990.