双轴机械臂调试:步进电机42HS348E,BH32角度传感器,MCU:STC8H1K28
■ 前言
这款双轴机械臂是应用于实验室中进行自动样品转换的执行机构。为了能够在一定范围内将试剂瓶(试管) 完成自动搬运,需要完成对样品的抓取,提升和放下、水平移动(二维) 等功能。使用带有肘关节、肩关节以及上下移动关节的机械平台可以完成这项设计。
在基于STC8H1K28双轴机械臂驱动模块 给出了对肩关节、肘关节上的步进电机、角度传感器读取和控制模块的设计。本文下面就是利用该模块对机械臂进行运动控制。
▲ 双轴机械臂的外观
01联线配线
1.步进电机和角度传感器接口
(1) 步进电机引线
引出4PIN的接口,分别定义为:
PIN | 符号 | 功能 | 颜色 |
---|---|---|---|
PIN1(MARK) | PU+,DR+,MF+ | 三个控制端口的公共电源线 | 红,蓝,棕 |
PIN2 | PU- | 脉冲输入 | 黄 |
PIN3 | DIR- | 方向输入 | 黑 |
PIN4 | MF- | 势能输入 | 绿 |
上述定义的四线插头可以接入基于STC8H1K28双轴机械臂驱动模块中的PANGx(角度传感器端口)。
(2) BH38角度传感器接口
引出4PIN接口,定义为:
PIN | 符号 | 功能 | 颜色 |
---|---|---|---|
PIN1(MARK) | +5V | 工作电源 | 棕:BROWN |
PIN2 | 0V | 电源地 | 蓝:BLUE |
PIN3 | A+ | 485总线A+ | 黑:BLACK |
PIN4 | B- | 485总线B- | 白 |
另外两个引线置零(RED),编程(黄)不再接入端口。
(3) 通道分配
在基于STC8H1K28双轴机械臂驱动模块1具有两个通道的步进电机控制和角度传感器。将通道1(步进电机控制、角度传感器读取)分配给肩关节;将通道2(步进电机控制,角度传感器读取)分配给肘关节。
2.连接控制模块
按照上述的通道方案,将肘关节、肩关节的部件电机驱动端口、角度传感器端口分别进入实验电路板的相应的端口。具体参见上面的“通道分配”中的示意图。
▲ 控制模块与关节步进电机和角度传感器相连
3.WiFi调试
▲ 连接有WiFI调试下载器的系统
4.步进电机工作电源
在 STC8K28步进电机ULC2003触发器 测试两个步进电机需要供电电压大于15V,这里使用电源24V开关电源进行供电。
▲ 供电电源:24V,+5V
电源同时提供+5V,+24V 电压。供电电流最大4.6A。
使用ADJ电位器可以同时提高和降低输出的+5V, +24V电压。
02初步运动控制2
直接利用在基于STC8H1K28双轴机械臂驱动模块中的串口命令,通过WiFi调试界面发送指令控制双轴机械臂运动。
1.控制肘关节运动
通过串口命令step2实现肘关节的运动:
step2 2000
step2 -2000
▲ 肘关节运动
2.控制肩关节运动
step1 1000
step1 -1000
▲ 肩关节运动
通过上面肩关节和肘关节运动情况来看,证明了以下两方面的事实:
- 42HS48EIS的闭环步进电机。这款步进电机在带动负载运动过程中,不会丢步,并对位置(步数)进行闭环跟踪控制。那么42HS48EIS的闭环控制特性究竟是什么?这需要进一步通过它的数据手册来了解。
- 在肩关节和肘关节中,存在着较大的振荡情况。这主要是运动手臂本身转动惯量所引起的。那么在后面的控制指令中如何进一步来消除这种过冲,需要在算法上来实现运动阻尼。
▲ 肩关节运动对应的角度变化数值
▲ 肘关节运动对应角度变化
3.肩关节与肘关节角度极限
通过将肩关节和肘关节的电机使能取消,手动将肩关节和肘关节旋转的极限位置。使用串口命令angle,可以获得在各个极限位置下角度的数值。
肘关节顺时针旋转,角度变化为:14526 --> 1122
▲ 肘关节的角度变化范围
肩关节顺时针旋转,角度变化为:3810 -->10800
▲ 肩关节角度范围
#!/usr/local/bin/python # -*- coding: gbk -*- #============================================================ # TEST2.PY -- by Dr. ZhuoQing 2020-08-09 # # Note: #============================================================ from headm import * from tsmodule.tsstm32 import * angle = [] for i in range(100): stm32cmd("CLEAR") stm32cmd("step2 320") time.sleep(1) stm32cmd('showa2 1') val = stm32memo(1) angle.append(val) plt.plot(angle) plt.xlabel("Sample") plt.ylabel("Angle") plt.grid(True) plt.tight_layout() plt.show() #------------------------------------------------------------ # END OF FILE : TEST2.PY #============================================================
▲ 肘关节运动与角度之间的关系
★ 在调试过程中,肘关节电机输出与机械部分滑脱了,现在已经无法带动大臂旋转。
※ 结论
将基于STC8H1K28双轴机械臂驱动模块与双轴机械臂组装,进行了初步的调试。需要进行如下的改动:
- 对于控制序号结合速度和位置来消除运动中的振荡;
- 在肩关节在调试过程中输出与大臂之间滑脱。需要在机械结构上能够进一步避免这种情况的产生。
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