【導(dǎo)讀】學(xué)，也可以進行綜合實踐教學(xué)和課程設(shè)計。更重要的是，利用這樣一個平臺可以。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，控制電機的轉(zhuǎn)動角度，以實現(xiàn)機械手的不同功能。控制電路，顯示器接口控制電路的設(shè)計方法及工作原理。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。

　　

【正文】 rmatics, Orlando, FL, USA, 2021. [16] Agawam R, Imielinski T, and Swami A. Database mining: A performance perspective[M]. IEEE Transaction on Knowledge and Data Engineering, 1993 :( 5): 914925. [17] Fogel D B. Evolutionary Computation: Toward a New Philosophy of Machine Intelligence[M], Second Edition. IEEE Press, 2021. 26 [18] Kong Yu, Dai Ming, Wu Lin. Geometric model of robotic arc welding for automatic programming[J]. China Welding, 2021 :( 5)5358 [19] Kim Jinwook, . Park, Kim Munsang. Geometric design tools for stiffness and vibration analysis of robotic mechanisms [M]. IEEE International Conference on Robotics and Automation. Piscataway, 2021 :( 6):19421947 [20] Wang K, Lien T K. The structure design and kinematics of a robot manipulator [M]. Theory Robotics and ComputerIntegrated Manufacturing, 1989 :( 8):153158 27 附錄：開題報告（數(shù)據(jù)報告） 六自由度機械手實驗教學(xué)平臺的硬件設(shè)計 1 選題依據(jù) 我國科學(xué)家對機器人的定義是： “機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。 ”。 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。但傳統(tǒng)的書本教學(xué)，在描述機器人的特性及功能實現(xiàn)時，往往顯得抽象難解，給教師授課和學(xué)生學(xué)習(xí)都帶來了很大的障礙?；诖耍菊n題提出設(shè)計一個六自由度機械手的實驗教學(xué)平臺，為學(xué)生提供相關(guān)機器人的基本動作，提供軟硬件擴展空間，在該平臺上可以進行相關(guān)課程的教學(xué)，也可以進行綜合實踐教學(xué)和課程設(shè)計，更重要的是，利用這樣一個平臺在學(xué)生對機器人的學(xué)習(xí)認(rèn)知過程中，激發(fā)學(xué)生的想象力，在實踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。 本課題設(shè)計的六自由度機械手實驗教學(xué)平臺，可以使學(xué)生了解典型機電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用開 發(fā)和集成技術(shù)，掌握機器人機械傳動部件的結(jié)構(gòu)件和特征，掌握機械手的機電系統(tǒng)組成、功能及控制原理，學(xué)習(xí)機械手的動作編程方法和程序調(diào)試方法等。該實驗平臺的軟件部分包括機械手兩套連續(xù)動作程序，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)平臺擁有一個初步、完整的認(rèn)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。同時還有 AT89S52 與相關(guān)外設(shè)的通訊協(xié)議以及檢測模塊和顯示模塊。 六自由度機械手是 高 度 成熟完備的運動控制技術(shù)與先進的設(shè)計和教學(xué)理念28 有機結(jié) 合的產(chǎn)物 ,既滿足工業(yè)現(xiàn)場要求，也是教學(xué)、科研機構(gòu)進行運動規(guī)劃和編程系統(tǒng)設(shè)計的理想對象。 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。 機器人系統(tǒng)由三大部分六個子系統(tǒng)組成。三大部分是：機械部分、傳感部分、控制部分。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)。 驅(qū)動系統(tǒng)：使機器人運動 起來需要給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置，這就是驅(qū)動系統(tǒng)，它可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動、或者三者結(jié)合。目前以電動為主，主要有直流、交流伺服系統(tǒng)、步進驅(qū)動、直接驅(qū)動、異步電機驅(qū)動等。 機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：由機身、手臂、末端操作器三部分組成。由于目前機器人必須與其周邊裝置配合使用，才能發(fā)揮其作用，所以有時也包括其周邊裝置。 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。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 環(huán)境交互系統(tǒng)：實現(xiàn)工業(yè)機器人與外 部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，主要有異步或同步通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口。 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。分派指令給定裝置和信息顯示裝置。 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序和從傳感器反饋回來的信號，控制機器人去完成規(guī)定的運動和功能。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。如果機器人具備信29 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)。 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。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(biāo)變換和插補計算，運算負(fù)荷量大，因而這種控制結(jié)構(gòu)對計算機的性能要求很高。主從控制型的控制器，由主、從兩個 CPU 來完成對機器人的控制。主 CPU 用于坐標(biāo)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。分級控制型的控制器采用多個微機分為兩級共同完成對機器人的控制。上位主控計算機接受作業(yè)指令、協(xié)調(diào)關(guān)節(jié)運動、控制運動軌跡、完 成坐標(biāo)變換和大間隔的插補值計算等工作；下位機由若干微處理器組成，分別控制各關(guān)節(jié)在上位機規(guī)劃的軌跡段內(nèi)進行小間隔插補運算和伺服控制處理。以上三種控制結(jié)構(gòu)也稱串行處理結(jié)構(gòu)。 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)接及通信功能。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。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。 圖 1 系統(tǒng)組成框圖 六自由度機械手包括底座電機，屈臂電 機，旋轉(zhuǎn)電機，以及 3 個伺服電機，分別為肘部、腕部和爪，各伺服電機規(guī)格如表 1 所示。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。 電機 05 PSC 傳感器 顯示 屏 主控 30 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 cm 176。 DC 66 x 30 x 58mm 152g HS225 MG cm 176。 DC 32 x 16 x 31mm 31g HS645MG cm 176。 DC 40 x 19 x 37mm 55g HS475 HB cm 176。 DC 39 x 20 x 16mm 40g 表 2 各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度范圍 關(guān)節(jié)號碼 關(guān)節(jié)名稱 角度范圍（度） 0 底座 10～ 170 1 屈臂 50～ 140 2 肘部 0～ 150 3 腕部 0～ 180 4 旋轉(zhuǎn) 0～ 110 5 爪 90～ 150 研究方法 單片機的選擇 設(shè)計采用 C51實驗教學(xué)板，該教學(xué)板采用了 AT89S52單片機為該板的處理器，提供了 5V 直流穩(wěn)壓功能， ISP 在系統(tǒng)編程接口， RS232 串行接口，全部引出的單片機 I/O 口以及方便用戶搭建單片機外圍電路的面包板。通過編寫在 C51 單片機平臺上運行的程序，來控制機械臂的運動。采用 4 節(jié)堿性電池串聯(lián)的 6V 電源，該電源能滿足單片機的工作需要。程序通過將 ISP 下載線連接到 PC 機或者筆記本電腦的并口，來下載到控制板上的單片機內(nèi)。下載線一端連接到 PC 機或者筆記本的并行接口上，而另一端連接到控制板上的程序下載口 ISP 上。 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。伺服電機控制方法如表 3 所示，示意圖如圖 2 所示。 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。 45176。 90176。 135176。 180176。 輸入正脈沖寬度（周期為 25ms） 伺服電機輸出位置 圖 2 伺服電機控制方法示意圖 機械手有 6 個自由度，而機器人可多達(dá) 18~23 個自由度，才能完成它們的職責(zé)。 Parallax Servo Controller，也就是 “PSC”，最多能夠控制 16 個電機。通過把兩個 PSC 控制器連接成網(wǎng)絡(luò)，那么可以只使用單片機的一個 I/O 與它們連接，即可完成 32 個電機的控制工作。 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。其波特率有兩種 ——2400bps、 38400bps?？梢钥刂?16個伺服電機。伺服電機可以同時的、不間斷的在 0到 180度之間旋轉(zhuǎn)。 PWM分辨率為 2微秒， 0到 63電機轉(zhuǎn)動速度設(shè)置。 180176。135176。90176。45176。0176。500us1000us1500us2021us2500us2500us32 PSC伺服控制板 接口設(shè)計 PSC 伺服控制板采用 6V 3A 的獨立電源適配器，該適配器符合伺服電機的額定電壓 6V 的要求，且輸出電流大，保證在機械臂有負(fù)載時的伺服電機電流供應(yīng)。機械手伺服電機 0～ 5，分別連接 PSC 伺服控制板的 CH0～ CH5。在本設(shè)計的程序中，指定了 PSC 與 C51 實驗教學(xué)板，通過 口進行通信。同時，為了方便 PSC 的供電，將 PSC 與 C51 實驗教學(xué)板之間的排線接到 3PIN 電機驅(qū)動口上，白色對應(yīng)通信線，紅色電源，黑色地。 PSC 伺服控制板連接示意圖如圖3 所示。 圖 3 PSC 伺服控制板 連接示意圖 傳感器及其接口設(shè)計 由于本設(shè)計第二套動作中，需要對抓取物體進行不同材質(zhì)識別，且受機械手機械結(jié)構(gòu)的限制，必須采用體積小、重量輕的檢測傳感器。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。即當(dāng)傳感器遇到黑色時則輸出為 1，否則輸出為 0。 紅外反射光強法的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號，原理如圖 4 所示。 420135電機VCCGNDs + ++ sGND6VCH0CH2CH4CH6CH8CH10CH14CH12CH13CH15CH11CH9CH7CH5CH3CH133 圖 4 紅外發(fā)射、接收原理圖 本設(shè)計使用的光電反射式傳感器為 5V供電，信號端連接出于單片機 I/O 口用途考慮，選用 進行連接，且連接發(fā)光二極管一個，作為檢測信號指示燈。連接示意圖見圖 5 。當(dāng)傳感器遇到黑色物體時，則 為 1， LED 熄滅，機械手將抓取物體，放置到 10 度位置處；否則 為 0， LED 點亮，機械手將抓取物體，放置到 170 度位置處。 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(dá)實業(yè)有限公司的 FYD128640402B 液晶