【文章內容簡介】 高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （ 4） 機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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 （ 5） 虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 （ 6） 當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走 出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的 “ 索杰納 ” 機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 （ 7） 機器人化機械開始興起。從 1994 年美國開發(fā)出 “ 虛擬軸機床 ” 以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的 領域 ．教學機器人作為機器人教學的基礎，在機器人教育方面有重要的意義，因此各國都致力于教學機器人平臺的開發(fā)與研制。例如德國研制了新型的教學機器人實驗平臺，如圖 所示。 其由一個五自由度的機械臂和一個視覺系統(tǒng)構成。機械臂有底部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰三個位置 自由度和小臂回轉、手腕回轉兩個姿態(tài)自由度，手腕上裝有電機，以控制手爪的開合。通過攝像頭采集的視覺信號作為機械臂的末端位置反饋到上位機中，在上位機中進行視覺伺服的算法，然后將各個關節(jié)的位置輸出給機械手的伺服控制器，從而進行末端位置的控制，這樣構成了一個具有視覺反饋功能的、圖 德國新型教學機器人實驗平臺 黑龍江工程 學院本科生畢業(yè)設計 4 簡單的教學機器人實驗的平臺。 基本內容和擬解決的問題 基本內容 1．基本方案的選擇和確定； 2．設計電氣控制原理圖； 3．硬件電路設計； 4. 控制程序的編寫。 擬解決的問題 1．擬解決實現(xiàn)機械手上電自動復位功能； 2．擬解決機械手在三個平面內的自由移動和到達指定坐標； 3．擬解決機械手可以按照預定位置，隨意修改程序以到達目的要求； 4．擬解決機械手識別物體進行抓取和放到指定位置； 黑龍江工程 學院本科生畢業(yè)設計 5 第 2 章 三自由度機械手運動控制下位機 系統(tǒng) 總體方案設計 三自由度機械手運動控制下位機系統(tǒng) 單片機控制技術、傳感器技術、位置控制技術、伺服系統(tǒng)等內容。 要進行 三自由度機械手運動控制下位機系統(tǒng)的設計，首先必須對控制對象進行調查，搞清楚控制對象的工作特點、工藝過程，明確控制要求以及各階段的特點和各階段 的轉換關系。 三自由度機械手運動控制下位機系統(tǒng)的設計原理 本次設計中，三自由度機械手運動控制下位機系統(tǒng)使用了單片機控制技術、傳感器技術、位置控制技術、伺服系統(tǒng)等技術，可以實現(xiàn)對物體的識別、抓取、通過多種控制方式使物體在三個自由度內自由移動。三自由度機械手運動控制下位機系統(tǒng)由底座、水平旋轉裝置、豎直旋轉裝置、水平移動裝置、單片機控制裝置、紅外識別裝置、電磁抓取裝置等部分組成。 本系統(tǒng)采用臺式結構，配有 80C52 單片機、傳感器、直流電機、電源、機械手等。通過 傳感器信號采集，單片機編程，實現(xiàn) 對單片機各個 I/O 接口的開關控制、邏輯控制等功能，達到最終對電機的控制。 三自由度機械手運動控制下位機系統(tǒng)一般由輸入裝置（傳感器）、控制裝置（單片機）、輸出裝置（電機）等組成?？刂破鞑捎脝纹瑱C控制，它接受光電傳感器、位置傳感器等信號。根據(jù)要求分別控制電機，達到對機械手的控制。完成識別、抓取、移動等任務。 三自由度機械手運動控制下位機系統(tǒng)的設計方案 該系統(tǒng)由以下幾個部分組成： （ 1） 電源供電部分：通過 MXS232 芯片將 USB 電源穩(wěn)定在 5V電壓上，為單片機工作提供持續(xù)的電源。 （ 2） 晶振部分： 單片 機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結合單片機內部電路產生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立黑龍江工程 學院本科生畢業(yè)設計 6 在單片機晶振提供的時鐘頻率上。 （ 3） 復位電路：是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，一般來說，單片機復位電路作用是把一個例如狀態(tài)機初始化到空狀態(tài)，而在單片機內部，復位的時候單片機是把一些寄存器以及存儲設備裝入廠商預設的一個值。 （ 4） 電機驅動部分：通過單片機控制電機驅動芯片 L298，驅動直流電機實現(xiàn)正轉、反轉，及 按照設計思路實現(xiàn)各個電機順序工作。 （ 5） 串口下載部分：通過 USB 串口下載模塊，實現(xiàn)對單片機程序的更改，將最新的運行程序下載到單片機內。 （ 6） 主控制電路：單片機單元，通過單片機將各個模塊有序連接在一起，實現(xiàn)對電機控制，達到設計要就。 三自由度機械手運動控制下位機系統(tǒng)的工作過程概述 本系統(tǒng)采用臺式結構，配有 80C52 單片機、傳感器、直流電機、電源、機械手等?？梢酝ㄟ^三種方式控制機械手在三個自由度內進行運動。 系統(tǒng)上電后，進入程序選擇狀態(tài)，分為三種狀態(tài)：手動、定點、定位。選定一種運行狀態(tài)，是機械手能夠 識別是否能夠識別物體，抓取物體并將其移動到指定的位置，系統(tǒng)框圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)的設計要求 系統(tǒng)的設計要求主要包括功能要求和控制要求，進行設計之前，首先應分析控制對象的要求。 黑龍江工程 學院本科生畢業(yè)設計 7 功能要求 三自由度機械手運動控制下位機系統(tǒng)能實現(xiàn)功能如下： 1）機械手的旋轉 2）機械手的水平運動 3）機械手的豎直運動 控制要求 1）系統(tǒng)上電，確定運行狀態(tài)（手動、定點、定位） 2）執(zhí)行復位操作 3）檢測是否有工件 4）機械手移動到工件處，抓取工件 5）機械手移動到指定位置 6）放下工件，循環(huán)執(zhí)行。 本章小結 本章主要是 三自由度機械手運動控制下位機系統(tǒng) 的總體方案設計。在了解設計原理的基礎上，根據(jù)設計要求，確定設計方案，畫出 三自由度機械手運動控制下位機系統(tǒng) 的結構與框圖。 黑龍江工程 學院本科生畢業(yè)設計 8 第 3章 元器件的選擇 三自由度機械手運動控制下位機系統(tǒng)分為晶振模塊、復位模塊、電源供電模塊、串口下載模塊、電機驅動模塊、單片機主電路模塊。 晶振模塊 晶振模塊作為震蕩電路，向單片機提供一個正弦 波信號作為基準，決定單片機的執(zhí)行 執(zhí)行速度。實物圖如圖 。 圖 晶振實物 89C51 單片機時鐘頻率范圍 ： 0——33MHz。 時鐘電路連接方式如：圖 。 圖 晶振電路 其中 X1 接單片機 18 引腳， X2 接單片機 19 引腳，晶振為 12MHz，兩個 33P 電容起穩(wěn)定作用。 注意： (1)時鐘電路振蕩頻率 fosc=晶振頻率 (2)時鐘電路振蕩周期 =1/fosc 黑龍江工程 學院本科生畢業(yè)設計 9 (3)單片機機器周期 =振蕩周期 *12 復位模塊 復位電路產生復位信號，使單片機從固定 的起始狀態(tài)開始工作，完成單片機的“啟機”過程。 89C51 單片機復位信號是高電平有效，通過 9 引腳輸入。 復位電路連接方式有三種。 上電復位電路 單片機接通電源時產生復位信號，完成單片機啟動，確定單片機起始工作狀態(tài)，如圖 。 圖 上電復位電路 手動復位電路 手動按鍵產生復位信號，完成單片機啟動，確定單片機的初始狀態(tài)。通常在單片機工作出現(xiàn)混亂或“死機”時，使用手動復位可實現(xiàn)單片機“重啟”，如圖 。 圖 手動復位電路 黑龍江工程 學院本科生畢業(yè)設計 10 混合復位電路 將上電復位電路和手動復位 電路結合到一起構成，通常使用的都是這種混合復位電路。如圖 圖 本設計采用混合復位電路，當單片機上電后，電容 E1 充電，當手動按下開關后電容放電，因為單片機工作速度遠遠大于手動按鍵的速度，這時就會產生大于兩個單片機機器周期的高電平，從而達到復位的作用。 電源供電模塊 通過 USB 提供 5V電源，其中包括一個總開關，兩個電容，一個電阻和一個電源指示燈。其中電阻起到限流作用。電容起到去耦、濾波作用，因為 USB 為開關電源。通過這樣的設計為單片機提供穩(wěn)定的 5V電源，如圖 所示。 圖 黑龍江工程 學院本科生畢業(yè)設計 11 串口下載模塊 MAX232 芯片是美信（ MAXIM）公司專 為 RS232 標準串口設計的單電源電平轉換芯片，使用 +5v 單電源供電。 第一部分是電荷泵電路。由 6 腳和 4 只電容構成。功能是產生 +12v 和 12v 兩個電源，提供給 RS232 串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉換通道。由 1 1 1 14 腳構成兩個