【正文】 象力，在實踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。六個子系統(tǒng)是：驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、機器人 環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。 人機交互系統(tǒng)：使操作人員參與機器人控制、與機器人進行聯(lián)系的裝置，如計算機終端、指令控制臺信息顯示板、危險信號報警器等。主 CPU 用于坐標變換、軌跡生成，人機交互以及系統(tǒng)自診斷等；從 CPU 用于機器人各關(guān)節(jié)的動作控制。由于連線、機械結(jié)構(gòu)等方面原因，機械手各自由度旋轉(zhuǎn)角度有所限制，各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度范圍如表 2 所示。cm 176。 表 3 伺服電機控制方法 輸入正脈沖寬度（周期為 25ms） 伺服電機輸出位置 500μs 1000μs 1500μs 2021μs 2500μs 0176。 PSC采用串行口與單片機之間傳送數(shù)據(jù)，串口電平是在 0~5V直流之間，即TTL電平。45176。本設(shè)計采用光電反射式傳感器，它體積小，便于布置安裝，輸出是數(shù)字量，便于單片機處理。 圖 5 傳感器連接示意圖 顯示終端選擇 本次設(shè)計采用成都市飛宇達實業(yè)有限公司的 FYD128640402B 液晶顯。 PSC 伺服控制板連接示意圖如圖3 所示。135176。 Parallax Servo Controller，也就是 “PSC”，最多能夠控制 16 個電機。 伺服控制器即 PSC設(shè)計 伺服電機一般由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計 5k，直流電機、控 制31 電路板等；工作原理：控制信號 → 控制電路板 → 電極轉(zhuǎn)動 → 齒輪組減速 → 舵盤轉(zhuǎn)動 → 位置反饋電位計 → 控制電路板反饋。cm 176。實驗教學(xué)平臺控制系統(tǒng)由主控制器、伺服電機控制器 PSC、顯示屏、紅外傳感器及 6 個伺服電機等部分組成，其組成框圖如圖 1 所示。集中控制型的控制器由一臺計算機實現(xiàn)機器人系統(tǒng)的全部控制功能，其特點單機控制、結(jié)構(gòu)簡單、價格經(jīng)濟，但由于控制過程中要進行坐標變換和插補計算，運算負荷量大，因而這種控制結(jié)構(gòu)對計算機的性能要求很高。現(xiàn)光電碼盤、接近開關(guān)、限位開關(guān)、視覺、力覺等傳感器。 機器人系統(tǒng)由三大部分六個子系統(tǒng)組成。 機器人學(xué)是一門多學(xué)科的科學(xué)，它橫跨計算機科學(xué)、控制論、機械工程、仿生學(xué)和人工智能等多種學(xué)科，幾乎 涵蓋了自動化專業(yè)的大部分課程。我們從老師的引導(dǎo)中懂得了 “推敲 ”之意，由衷敬佩老師考慮問題的全面周到。今后如果時間允許，可以在此方面進行深入分析測試。其中加入兩個滑動變阻器，由于需要 5V 和 6V 三種電源， 而 電源整體輸出為 6V，故加入一 個滑動變阻器，用來分壓，進而得到需要電源電壓 [15]。故本設(shè)計采用 78L06 三端集成穩(wěn)壓電源。RK2 為顏色識別的調(diào)節(jié)器， 通過調(diào)節(jié)變阻器 RK2 的阻值， 改變比較器 3 端的電位高低， 可以調(diào)節(jié)對物體顏色識別的靈敏度。 傳感器整體結(jié)構(gòu)圖如圖 10 所示。 表 7 顯示終端接口 顯示終端顯示器連接圖如圖 9 所示。 18 本設(shè)計中，采用單片機 — 口，與顯示模塊連接； 口與 PSC 伺服器相連接， 從而實現(xiàn)主控制器 與 PSC 進行通信，通過 PSC 控制 6 個伺服電機； 口與傳感器連接，接收傳感器的信號，從而控制機器運動。 掉電標志位：掉電標志位（ POF）位于特殊寄存器 PCON 的第四位（ ） 。 XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。這個 ALE 使能標志位 （地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位） 的17 設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 DISRTO 默認狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。 P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P1 口： P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p1 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。 8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52 。 4 六自由度機械手實驗教學(xué)平臺的電路設(shè)計 主控制器 接口 設(shè)計 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。適用于光電接近開關(guān)、光電自動控制、物體識別等方面。 12 表 4 顯示終端技術(shù)規(guī)格 規(guī)格 參數(shù) 工作電壓 VDD ~+5V(內(nèi)置升壓電路，無需負壓 ) 顯示分辨率 12864 點 驅(qū)動方式 1/32DUTY， 1/5BIAS 顯示方式 STN、半透、正顯 視覺方向 6 點 背光方式 側(cè)部高亮白色 LED，功耗僅為普通的 LED 的 1/5—1/10 字庫 8192 個 1616 點陣漢字， 支持 GBK（簡體）、 BIG5（繁體） 通訊方式 串口、并口可選 頻率 2MHZ 時鐘頻率 工作溫度 0～ 55℃ 存儲溫度 20℃ 60℃ 其他 內(nèi)置 DCDC 轉(zhuǎn)換電路，無需外加負壓。 顯示終端選擇 隨著技術(shù)的進步和社會的發(fā)展， LCD 顯示面板正在融入我們的生活，讓我們的生活變 得多姿多彩，在很多方面都已經(jīng)應(yīng)用到，如 移動電話、 MP車載電視和導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)碼相機等。 最多能夠控制 16 個電機。伺服電機控制方法如表 3 所示 。 表 1 HITEC 伺服電機規(guī)格表 型 號 輸出扭力 動作速度 額定電壓 尺 寸 重 量 HS805 BB 176。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。因此，本設(shè)計采用主從控制方式，以 AT89S52 為主控制器， PSC 伺服控制器為從控制器。如果機器人具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)，否則為開環(huán)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)光電碼盤、接近開關(guān)、限位開關(guān)、視覺、力覺等傳感器 。 分別為 ：驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、檢測 系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、 主 控制系統(tǒng)。特別強調(diào)的是，此實驗教學(xué)平臺還提供了一套由 6 個單步組成并在線可調(diào)的自定義動作，此套動作不僅可以提高同學(xué)的學(xué)習(xí)熱情，還可以使同學(xué)們的創(chuàng)造力得到充分發(fā)揮。 教學(xué)平臺電路設(shè)計主要包括 5 個部分，主控制器單片機的接口 設(shè)計、 PSC 伺服控制器與伺服電機的設(shè)計、顯示終端的接口電路設(shè)計、4 傳感器的接口設(shè)計以及自主設(shè)計電源的 設(shè)計。 研究內(nèi)容及主要工作 機器人學(xué)是一門多學(xué)科的科學(xué)，它橫跨計算機科學(xué)、控制論、機械工程、 仿生學(xué)和人工智能等多種學(xué)科，幾乎涵蓋了自動化專業(yè)的大部分課程。下位采用 2 片 8085單片機，控制各關(guān)節(jié)的運動和負責(zé) I/O 信息的處理。 PUMA 和 ADEPT 的上位機采用 M6800，各關(guān)節(jié)的伺服運動控制采用 8 位單片機。國外機器人廠商紛紛進入中國市場，合資企業(yè)及 維修中心陸續(xù)建立，應(yīng)用系統(tǒng)工程的研究成為主流，競爭進一步加劇，不少研究與開發(fā)企業(yè)涉足該領(lǐng)域。起步階段從 1971 年到 1985 年，研究以二、三自由度機械手為主，采用順控方式。 國際機器人聯(lián)合會 (IFR)在 1990 年對工業(yè)機器人下的定義是： “在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的一種自動的、可重復(fù)編程的（至少具有 3 個可重復(fù)編程軸）、具有多種用途的機器，這種機器可以固定在地面上或可以進行移動 ”。論 文中在給出機械手運動解析表的基礎(chǔ)上，說明了機械手基本動作和取動作的控制方法和實現(xiàn)方法。 論文中主要介紹了系統(tǒng)的組成模塊及各個模塊的功能實現(xiàn)方法，同時詳細介紹了AT89S52 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及資源分配，給出了系統(tǒng)電源電路、信號檢測電路、 PSC 接口控制電路，顯示器接口控制電路的設(shè)計方法及工作原理。 各國對機器人的定義不盡相同，我國把機器人定義為：一種能自動檢測、可重復(fù)編程、多功能多自由度的操作機，能搬運材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè) [2]。可分為三個階段：一是起步階段；二是快速發(fā)展階段；三是機器人走向應(yīng)用階段。機器人產(chǎn)品開發(fā)和批量生產(chǎn)已十分必要。這也是因 CPU 速度低，做出的無奈選擇。原上海工業(yè)大學(xué)與航空工業(yè)部第 633 研究所于 1985 年合作研制的上海 II 號機器人控3 制器用 Intel 86/310 以 16 位 8086 為主 CPU， 8087 為協(xié)處理器。南開大學(xué)也研制成功 NKRC 機器人實驗控制系統(tǒng)。 教學(xué)平臺個硬件的選擇主要包括 6 個部分， 單片機的選擇、 PSC 伺服控制器的選擇、伺服電機的選擇、顯示終端的選擇、傳感器的選擇以及自主設(shè)計電源的選擇。平臺有兩套連續(xù)動作，一套為基本動作，展示機械手在各個自由度的極限轉(zhuǎn)運角 度，此套動作旨在讓同學(xué)們對實驗教學(xué)平臺擁有一修初步、完整的認識；另一套為搬運動作，此套動作以實用性強、充分體現(xiàn) 6 自由度機械手靈活優(yōu)勢為目的， 當(dāng)教學(xué) 平臺 檢測到物體 信號后，機械手開始動作對 小球進行抓取，且可以辨別出包有黑色 和 不是黑色 的球，最終將 黑色小球放在指定位置 。 圖 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 電 機 0 至 5 PSC 伺服 控制器 傳感器 顯示 屏 主 控 制器 主控制器 系統(tǒng)管理模塊 顯示單元 128 64LCD 顯示模塊 機械手動作單元 機械手電機 0～ 5 PSC 機械手動作模塊 信號處理模塊 信號處理單元 檢測傳感器 6 實驗教學(xué)平臺功能分析 六自由度機械手硬件 由 5 個子系統(tǒng)組成。 檢測 系統(tǒng) 由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，可獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。機器人智能集中于控制器，由計算機實現(xiàn)控制算法，收集和處理各路信號，發(fā)出控制指令。 從系統(tǒng)集成的觀點出發(fā)，控制器設(shè)計要考慮到機器人與其他設(shè)備的聯(lián)接及通7 信功能。本設(shè)計采用的 AT89S52 單片機，是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 各伺服電機規(guī)格如表 1 所示。 齒輪組減速 ， 舵盤轉(zhuǎn)動 通過 位置反饋電位計 反饋給 PSC 控制板。 Parallax Servo Controller，也就是 “PSC”， 視差伺服控制器。 11 圖 5 PSC伺服控制器 如圖 5所示， PSC的 各引腳 中 ， 引腳 7—22對 應(yīng) CH0—CH15，為電機 控制 接口，可接 16個伺服電機；引腳 1為通信端，與主控器連接 ，用于接收命令字和控制字，引腳 23與 24為電源接口。 FYD128640402B終端技術(shù)規(guī)格如表 4 所示。當(dāng)紅外線發(fā)光管通電發(fā)光時，光通過被照射物反射到硅光敏 三極管窗口上，使硅光敏三極管導(dǎo)通，從而有一定大的電流輸出，以此檢測物體的有無 [9]。 該穩(wěn)壓器 具有穩(wěn)壓濾波和保護作用。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為15 止。程序校驗時，需要外部上拉電阻。對 P2 端口寫 “1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸 入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能無效。否則，ALE 將被微弱拉高。 XTAL1： 振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 中斷寄存器：各中斷允許位在 IE 寄存器中，六個中斷源的兩個優(yōu)先級也可在 IE 中設(shè)置。 FLASH 存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。 顯示終端接口 如表 7 所示。 紅外傳感器所發(fā)出的信號與電位器所發(fā)出信號比較，比較器的 電平 范圍為 0—4V，可進行較大范圍的調(diào)節(jié)。 LED 燈作為檢測是否有黑色小球的顯示燈，當(dāng) LED 點亮?xí)r，表示該物體為白色，將不抓取。當(dāng)用于替代傳統(tǒng)的齊納二極管 電阻組的時候，其輸出阻抗得到有效的改善 ,其偏置電流大大減少?？偠灾?，就是穩(wěn)壓濾波和保護作用。 機械手的控制方法有很多， 如 比例 積分 微分控制 (PID)、計算力矩控制(CTM)、魯棒控制 (RCM)、自適應(yīng)控制 (ACM)是幾種比較典型 常見 的控制方法，由于時間問題，并沒有在此方面進行深入的研究。 在硬件選擇的過 程中，經(jīng)過 多 次修改，查詢大量書籍，網(wǎng)絡(luò)資料等，老師對我們的選擇也是每次都提出意見，為我們從各個角度進行分析。 ”。 2 研究內(nèi)容和研究方法 研究內(nèi)容 六自由度教學(xué)機器人包括：底部回轉(zhuǎn)，大臂俯仰，小臂俯仰，小臂回轉(zhuǎn)，手腕俯仰五個自由度和手爪抓取的動作，每個動作都用一個直流伺服電機加以驅(qū)動，共機器人需要六個電機來實現(xiàn)其運動控制。 傳感系統(tǒng)：由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，可獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。 機器人控制器一般采用以下三種 類型的控制結(jié)構(gòu)：集中控制、主從控制和分級控制。因此，本設(shè)計采用主從控制方式，以 AT89S52 為主控制器， PSC 伺服控制器為從控制器。 DC 32 x 16 x 31mm