【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （ 4） 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要 ，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 （ 5） 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。 （ 6） 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走 出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的 “ 索杰納 ” 機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 （ 7） 機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從 1994 年美國(guó)開(kāi)發(fā)出 “ 虛擬軸機(jī)床 ” 以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的 領(lǐng)域 ．教學(xué)機(jī)器人作為機(jī)器人教學(xué)的基礎(chǔ)，在機(jī)器人教育方面有重要的意義，因此各國(guó)都致力于教學(xué)機(jī)器人平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與研制。例如德國(guó)研制了新型的教學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖 所示。 其由一個(gè)五自由度的機(jī)械臂和一個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成。機(jī)械臂有底部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰三個(gè)位置 自由度和小臂回轉(zhuǎn)、手腕回轉(zhuǎn)兩個(gè)姿態(tài)自由度，手腕上裝有電機(jī)，以控制手爪的開(kāi)合。通過(guò)攝像頭采集的視覺(jué)信號(hào)作為機(jī)械臂的末端位置反饋到上位機(jī)中，在上位機(jī)中進(jìn)行視覺(jué)伺服的算法，然后將各個(gè)關(guān)節(jié)的位置輸出給機(jī)械手的伺服控制器，從而進(jìn)行末端位置的控制，這樣構(gòu)成了一個(gè)具有視覺(jué)反饋功能的、圖 德國(guó)新型教學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 黑龍江工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 簡(jiǎn)單的教學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)。 基本內(nèi)容和擬解決的問(wèn)題 基本內(nèi)容 1．基本方案的選擇和確定； 2．設(shè)計(jì)電氣控制原理圖； 3．硬件電路設(shè)計(jì)； 4. 控制程序的編寫。 擬解決的問(wèn)題 1．?dāng)M解決實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上電自動(dòng)復(fù)位功能； 2．?dāng)M解決機(jī)械手在三個(gè)平面內(nèi)的自由移動(dòng)和到達(dá)指定坐標(biāo)； 3．?dāng)M解決機(jī)械手可以按照預(yù)定位置，隨意修改程序以到達(dá)目的要求； 4．?dāng)M解決機(jī)械手識(shí)別物體進(jìn)行抓取和放到指定位置； 黑龍江工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制下位機(jī) 系統(tǒng) 總體方案設(shè)計(jì) 三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制下位機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、位置控制技術(shù)、伺服系統(tǒng)等內(nèi)容。 要進(jìn)行 三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先必須對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行調(diào)查，搞清楚控制對(duì)象的工作特點(diǎn)、工藝過(guò)程，明確控制要求以及各階段的特點(diǎn)和各階段 的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 本次設(shè)計(jì)中，三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制下位機(jī)系統(tǒng)使用了單片機(jī)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、位置控制技術(shù)、伺服系統(tǒng)等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的識(shí)別、抓取、通過(guò)多種控制方式使物體在三個(gè)自由度內(nèi)自由移動(dòng)。三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制下位機(jī)系統(tǒng)由底座、水平旋轉(zhuǎn)裝置、豎直旋轉(zhuǎn)裝置、水平移動(dòng)裝置、單片機(jī)控制裝置、紅外識(shí)別裝置、電磁抓取裝置等部分組成。 本系統(tǒng)采用臺(tái)式結(jié)構(gòu)，配有 80C52 單片機(jī)、傳感器、直流電機(jī)、電源、機(jī)械手等。通過(guò) 傳感器信號(hào)采集，單片機(jī)編程，實(shí)現(xiàn) 對(duì)單片機(jī)各個(gè) I/O 接口的開(kāi)關(guān)控制、邏輯控制等功能，達(dá)到最終對(duì)電機(jī)的控制。 三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制下位機(jī)系統(tǒng)一般由輸入裝置（傳感器）、控制裝置（單片機(jī)）、輸出裝置（電機(jī)）等組成?？刂破鞑捎脝纹瑱C(jī)控制，它接受光電傳感器、位置傳感器等信號(hào)。根據(jù)要求分別控制電機(jī)，達(dá)到對(duì)機(jī)械手的控制。完成識(shí)別、抓取、移動(dòng)等任務(wù)。 三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 該系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成： （ 1） 電源供電部分：通過(guò) MXS232 芯片將 USB 電源穩(wěn)定在 5V電壓上，為單片機(jī)工作提供持續(xù)的電源。 （ 2） 晶振部分： 單片 機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立黑龍江工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率上。 （ 3） 復(fù)位電路：是為了把電路初始化到一個(gè)確定的狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)復(fù)位電路作用是把一個(gè)例如狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時(shí)候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲(chǔ)設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個(gè)值。 （ 4） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分：通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，及 按照設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)各個(gè)電機(jī)順序工作。 （ 5） 串口下載部分：通過(guò) USB 串口下載模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)程序的更改，將最新的運(yùn)行程序下載到單片機(jī)內(nèi)。 （ 6） 主控制電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)單元，通過(guò)單片機(jī)將各個(gè)模塊有序連接在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制，達(dá)到設(shè)計(jì)要就。 三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制下位機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程概述 本系統(tǒng)采用臺(tái)式結(jié)構(gòu)，配有 80C52 單片機(jī)、傳感器、直流電機(jī)、電源、機(jī)械手等?？梢酝ㄟ^(guò)三種方式控制機(jī)械手在三個(gè)自由度內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 系統(tǒng)上電后，進(jìn)入程序選擇狀態(tài)，分為三種狀態(tài)：手動(dòng)、定點(diǎn)、定位。選定一種運(yùn)行狀態(tài)，是機(jī)械手能夠 識(shí)別是否能夠識(shí)別物體，抓取物體并將其移動(dòng)到指定的位置，系統(tǒng)框圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求主要包括功能要求和控制要求，進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)分析控制對(duì)象的要求。 黑龍江工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 功能要求 三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制下位機(jī)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)功能如下： 1）機(jī)械手的旋轉(zhuǎn) 2）機(jī)械手的水平運(yùn)動(dòng) 3）機(jī)械手的豎直運(yùn)動(dòng) 控制要求 1）系統(tǒng)上電，確定運(yùn)行狀態(tài)（手動(dòng)、定點(diǎn)、定位） 2）執(zhí)行復(fù)位操作 3）檢測(cè)是否有工件 4）機(jī)械手移動(dòng)到工件處，抓取工件 5）機(jī)械手移動(dòng)到指定位置 6）放下工件，循環(huán)執(zhí)行。 本章小結(jié) 本章主要是 三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制下位機(jī)系統(tǒng) 的總體方案設(shè)計(jì)。在了解設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定設(shè)計(jì)方案，畫出 三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制下位機(jī)系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)與框圖。 黑龍江工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 第 3章 元器件的選擇 三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制下位機(jī)系統(tǒng)分為晶振模塊、復(fù)位模塊、電源供電模塊、串口下載模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)主電路模塊。 晶振模塊 晶振模塊作為震蕩電路，向單片機(jī)提供一個(gè)正弦 波信號(hào)作為基準(zhǔn)，決定單片機(jī)的執(zhí)行 執(zhí)行速度。實(shí)物圖如圖 。 圖 晶振實(shí)物 89C51 單片機(jī)時(shí)鐘頻率范圍 ： 0——33MHz。 時(shí)鐘電路連接方式如：圖 。 圖 晶振電路 其中 X1 接單片機(jī) 18 引腳， X2 接單片機(jī) 19 引腳，晶振為 12MHz，兩個(gè) 33P 電容起穩(wěn)定作用。 注意： (1)時(shí)鐘電路振蕩頻率 fosc=晶振頻率 (2)時(shí)鐘電路振蕩周期 =1/fosc 黑龍江工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 (3)單片機(jī)機(jī)器周期 =振蕩周期 *12 復(fù)位模塊 復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使單片機(jī)從固定 的起始狀態(tài)開(kāi)始工作，完成單片機(jī)的“啟機(jī)”過(guò)程。 89C51 單片機(jī)復(fù)位信號(hào)是高電平有效，通過(guò) 9 引腳輸入。 復(fù)位電路連接方式有三種。 上電復(fù)位電路 單片機(jī)接通電源時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，完成單片機(jī)啟動(dòng)，確定單片機(jī)起始工作狀態(tài)，如圖 。 圖 上電復(fù)位電路 手動(dòng)復(fù)位電路 手動(dòng)按鍵產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，完成單片機(jī)啟動(dòng)，確定單片機(jī)的初始狀態(tài)。通常在單片機(jī)工作出現(xiàn)混亂或“死機(jī)”時(shí)，使用手動(dòng)復(fù)位可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)“重啟”，如圖 。 圖 手動(dòng)復(fù)位電路 黑龍江工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 混合復(fù)位電路 將上電復(fù)位電路和手動(dòng)復(fù)位 電路結(jié)合到一起構(gòu)成，通常使用的都是這種混合復(fù)位電路。如圖 圖 本設(shè)計(jì)采用混合復(fù)位電路，當(dāng)單片機(jī)上電后，電容 E1 充電，當(dāng)手動(dòng)按下開(kāi)關(guān)后電容放電，因?yàn)閱纹瑱C(jī)工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于手動(dòng)按鍵的速度，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大于兩個(gè)單片機(jī)機(jī)器周期的高電平，從而達(dá)到復(fù)位的作用。 電源供電模塊 通過(guò) USB 提供 5V電源，其中包括一個(gè)總開(kāi)關(guān)，兩個(gè)電容，一個(gè)電阻和一個(gè)電源指示燈。其中電阻起到限流作用。電容起到去耦、濾波作用，因?yàn)?USB 為開(kāi)關(guān)電源。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)為單片機(jī)提供穩(wěn)定的 5V電源，如圖 所示。 圖 黑龍江工程 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 串口下載模塊 MAX232 芯片是美信（ MAXIM）公司專 為 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用 +5v 單電源供電。 第一部分是電荷泵電路。由 6 腳和 4 只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生 +12v 和 12v 兩個(gè)電源，提供給 RS232 串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 1 1 1 14 腳構(gòu)成兩個(gè)