《機器人技術(shù)》實驗指導(dǎo)書

1、機器人技術(shù)實驗指導(dǎo)書機器人技術(shù)實驗指導(dǎo)書ft適用專業(yè):機械電子工程課程代碼：150106379學(xué)時:_4一編寫單位:機械工程學(xué)院編寫人:楊強審核人:審批人:實驗一 CDS5516舵機實驗、實驗?zāi)康暮腿蝿?wù)1 .掌握CDS5516舵機的工作原理；2 .掌握CDS5516舵機的總線通訊協(xié)議；3 . 了解掌握 CDS5516舵機的編程調(diào)試環(huán)境 Robot Servo Terminal;4 .掌握CDS5516舵機ID號、波特率以及查找模式的設(shè)置方法。5 .完成舵機位置變化（150-700）,速度變化（230-330）時的位置、目標位置時間變化曲線，以及 位置、速度時間變化曲線。實驗儀器、設(shè)備及材料1

2、.多功能調(diào)試器（含 USB AB線）一套;2 .舵機（任意ID號）一個、舵機線兩條;3 . 12V電源一個；4 . PC機一臺。三、實驗原理CDS5516數(shù)字舵機是 隼越之星”的主要執(zhí)行器，它易用，可靠，并且適用于各種構(gòu)型。CDS系列機器人舵機屬于一種集電機、伺服驅(qū)動、總線式通訊接口為一體的集成伺服單元，主要用于微型機器 人的關(guān)節(jié)、輪子、履帶驅(qū)動，也可用于其他簡單位置控制場合。CDS5516的實物如圖1.1所示。圖1.1 CDS5516數(shù)字舵機實物圖1. .總線通訊的特點CDS5516采用半雙工串行異步總線通訊，控制器可以通過一個UART接口，控制多達 255254個白C CDS5516。這是

3、什么意思呢？我們借用現(xiàn)實中的一個例子來解釋。某學(xué)校接到上級要來視察工作的通知，校長為了給領(lǐng)導(dǎo)留個好印象，決定舉行一個隆重的歡迎儀 式。他讓宣傳部編排了一些歡迎動作，這些歡迎動作需要10個方陣的學(xué)生共同表演，并且需要步伐協(xié) 調(diào)，每個方陣由一個老師帶領(lǐng)，所有的方陣由宣傳部長指揮。帶隊老師和部長都發(fā)一個對講機，校長機器人技術(shù)實驗指導(dǎo)書在如下幾個要求。(1)部長的對講機調(diào)在講話模式，帶隊老師的對講機調(diào)在接聽模式。(2)部長統(tǒng)一發(fā)布方陣的動作指令，比如A方陣下蹲、B方陣搖手、C方陣站立等。每個帶隊老師都能聽到這些命令，A方陣帶隊老師只關(guān)心與 A方陣有關(guān)的命令，不理會和B方陣有關(guān)的命令， 否則動作就亂套了

4、。同樣，其他方陣的老師也只關(guān)心自己方陣的命令，除了要求所有方陣都執(zhí)行的指 令之外。(3)命令只能由部長發(fā)布，任何帶隊老師不能給其他帶隊老師發(fā)布動作命令。(4)帶隊老師不能隨便將對講機調(diào)為講話模式，向部長咨詢事情，否則大家都調(diào)為講話模式，就唧唧喳喳地成了一鍋粥了。只有在部長要求回答的時候才能回答，回答完畢后立刻將對講機調(diào)回接聽 模式。某個風和日麗的日子，領(lǐng)導(dǎo)終于來了。部長按照劇本對方陣老師下命令：所有方陣聽指令，我先發(fā)布各個方陣的動作，各個方陣記住自己的動作之后先不執(zhí)行，等我說執(zhí)行，所有方陣一起執(zhí)行?，F(xiàn) 在開始，A方陣向前走 5步，B方陣搖手，C方陣放氣球 ，現(xiàn)在所有方陣執(zhí)行動作?！睔g迎儀式動作

5、整齊，配合默契，步伐協(xié)調(diào)，獲得了領(lǐng)導(dǎo)的大加贊賞?？偩€是指能為多個功能部件服務(wù)的一組信息傳輸線，它是計算機中系統(tǒng)與系統(tǒng)之間，或者各部件 之間進行信息傳送的公共通路。它由一定的物理線路和接口、數(shù)據(jù)協(xié)議規(guī)范所構(gòu)成。(1)部長和各個帶隊老師的對講機就是這樣的物理線路，它讓指揮者和執(zhí)行者之間的通信成了 可能。校長發(fā)布的幾個規(guī)定就是總線協(xié)議，這個協(xié)議讓總線不會出現(xiàn)沖突、紊亂，讓通信能夠正常完 成。CDS5516的半雙工串行異步總線的物理線路是舵機線、UART接口等。(2)部長發(fā)布命令，其他帶隊老師只能接受命令，不能發(fā)布命令，因此我們可以稱部長為主機，其他的帶隊老師是從機，這個總線上只能有一個主機，否則多人

6、發(fā)布命令會導(dǎo)致帶隊老師(從機)不 知道聽誰的命令好。從機可以有很多，現(xiàn)在有 10個方陣，如果歡迎儀式的劇本復(fù)雜點，可能需要 255254個方陣也不一定。在 CDS5516的總線上， 創(chuàng)意之星”控制器就是主機，發(fā)布 CDS5516需要 執(zhí)行的命令，比如ID為1的舵機轉(zhuǎn)50°,其他舵機不動。CDS5516就是從機，這個總線可以串聯(lián)很多 CDS5516,如圖1.1所示。(3)這個總線是半雙工總線，部長在說的時候，帶隊老師只能聽，帶隊老師要說話必須將接收 機調(diào)為講話模式，部長需要調(diào)成收聽模式，帶隊老師說完之后需要立刻切換為收聽模式，否則會影響 部長發(fā)布命令。創(chuàng)意之星”控制器作為主機，發(fā)布 C

7、DS5516的動作指令，舵機在控制器要求應(yīng)答時才發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后立刻將自己的接口狀態(tài)調(diào)整為接收狀態(tài)。(4)每個方陣都有自己的代號，這就是從機的ID (地址)，主機發(fā)布的命令所有從機都可以接收到，但從機只響應(yīng)和自己ID匹配的命令。CDS5516都有自己的ID號，出廠默認都是1,可以使用 Robot Servo Terminal軟件進行修改，具體操作請查閱 Robot Servo Terminal使用說明。(5)部長可以讓帶隊老師逐個執(zhí)行動作，比如讓A方陣先轉(zhuǎn)向，再讓 B方陣蹲下，也可以讓所有的方陣記住他們要執(zhí)行的動作，然后同時執(zhí)行，這樣效果會比較整齊。創(chuàng)意之星”控制器也可以讓CDS551

8、6工作在上述兩種模式，這是由總線協(xié)議規(guī)定的，可以給 1號CDS5516下達轉(zhuǎn)50°的命令，給-1 -2號舵機下達轉(zhuǎn) 30 °的命令，然后下達一個命令讓所有總線上的CDS5516同時開始執(zhí)行剛才發(fā)布的命令，詳細協(xié)議可以查閱CDS5516數(shù)據(jù)手冊。通過上述的例子應(yīng)該已經(jīng)了解了CDS5516的半雙工異步串行總線的意思及其特點。那么總線式的機器人舵機和 R/C舵機相比有什么優(yōu)點呢？我們再用上述例子來說明。R/C舵機不是總線式的，只能直接連到控制器上，并且占用一個專有端口。這就要求部長必須長10張嘴，拿著10個對講機才能給10個方陣下命令。我們?nèi)绻刂?0個R/C舵機，則您設(shè)計的控

9、制器必須具備20個R/C舵機接口。但總線式舵機不一樣，只有一個CDS5516接口，理論上就能控制255254個CDS5516。為什么說是理論上呢？ CDS5516是需要消耗電能的，在工作的時候最高可能有2000mA的電流需求，如果在這個總線上接入 255254個舵機的話，同時工作起來，總線上的電流將達到500A的可怕程度。實際上，我們也不可能搭建一個具有255254個舵機的構(gòu)型。2. CDS5516的使用CDS5516采用半雙工串行異步總線進行控制，每個舵機都有自己單獨的ID號，在機器人構(gòu)型搭建時需要對ID號進行配置，以免機器人的某些關(guān)節(jié)的ID號重疊。出廠的CDS5516默認ID為1,在 隼越

10、之星”包裝盒里有 CDS5516 ID編號的不干膠，設(shè)好ID后請將不干膠粘貼到舵機后蓋上，避免遺忘。CDS5516有專用的調(diào)試環(huán)境 Robot Servo Terminal,在這個環(huán)境下，可以設(shè)置舵機ID、波特率、工作模式、速度限制、角度限制、電壓限制等。CDS5516采用總線式通訊，可以串聯(lián)使用。使用R/C舵機時我們一直很苦惱，如果我們設(shè)計的構(gòu)型有20個舵機，我們需要把 20根線都接到控制器，整個機器人會被長短不一、顏色各異的線所包圍 纏繞。CDS5516讓我們擺脫了這種窘境， 我們可以將 六足爬蟲”每條腿上的3個CDS5516串聯(lián)在一起， 再連到控制器上。我們也可以將機械手的6個關(guān)節(jié)串聯(lián)成

11、一串，最后用一根線接到控制器上，整個走線非常簡單、清晰，可靠性也高很多。需要注意的是：每個 CDS5516需要使用不同ID;每串CDS5516的數(shù)量不能太多，最好是 6個以 下。正常工作下單個 CDS5516的電流可能達到 500mA1A,堵轉(zhuǎn)電流可達到 2.5A ,單組6個CDS5516 的工作電流可能達到 38A。這樣的電流會讓舵機線發(fā)熱， 并產(chǎn)生比較大的電壓降， 最后一個CDS5516 可能因為沿途舵機線的分壓而導(dǎo)致工作電壓過低，CDS5516在電壓過低時會出現(xiàn)復(fù)位、數(shù)據(jù)通訊不正常等狀況。3. CDS5516的自我保護CDS5516還有其他的功能，諸如角度限制、扭矩限制等。在您搭建機器人

12、過程中，這些功能很是 重要，某些時候您需要根據(jù)構(gòu)型進行重新配置。在使用傳統(tǒng)R/C舵機時，我們經(jīng)常遇見舵機長時間卡死，導(dǎo)致過熱燒毀的現(xiàn)象，這是舵機自我保 護功能不完善的一種表現(xiàn)。在實際使用過程中，每一個舵機的使用條件都是不一樣的，有些舵機的使 用環(huán)境非常良好，有些則是工作條件惡劣。比如機械手根部關(guān)節(jié)，負載遠遠高于機械手爪。熱、過壓、 指令錯誤等就會發(fā)出報警信息，甚至直接卸載以保護舵機。如表 1-1所示，機器人技術(shù)實驗指導(dǎo)書表1-1 CDS5516保護狀態(tài)說明表名稱詳細說明0-指令錯誤收到一個未定義的指令或 ACTION前未收到REG WRITE指令過載位置模式運行時負載大于最大輸出扭矩校驗和錯指

13、令校驗和錯誤指令超范圍指令超過指定范圍過熱溫度超過指定范圍角度超范圍角度超過設(shè)定范圍過壓欠壓電壓超過指定范圍CDS5516定義了 7種錯誤、危險的工作狀態(tài)，您可定義CDS5516對這7種工作狀態(tài)的應(yīng)對措施，比如報警、指示燈閃亮、卸載等。注意：上文提到的 卸載”這個概念，我們可以將其理解為切斷扭矩輸出"。CDS5516卸載進入保護模式，意思是 CDS5516由于出現(xiàn)錯誤工作狀態(tài)，進入保護模式，切斷舵機的扭矩輸出，舵機處于沒 有力量的狀態(tài)。卸載這個概念在接下去的章節(jié)里還會重復(fù)出現(xiàn)。我們可以對以上的保護措施進行參數(shù)調(diào)節(jié)，以達到適合使用條件又能保護CDS5516的目的。主要有以下4個方面。(

14、1)角度限制。CDS5516在舵機模式下，有效角度控制范圍是。300°,對應(yīng)控制量為。1023。在某些運用場合，我們可能需要限制舵機的轉(zhuǎn)角，比如舵機轉(zhuǎn)過200。之后可能出現(xiàn)卡死，就需要將角度限制設(shè)置為0682控制量682對應(yīng)角度200。)，當我們的控制指令在 0682之間，舵機能夠按照給 定的指令運動；指令如果超過682,舵機將保持到682位置，不會往更高角度運轉(zhuǎn)。(2)電壓限制。我們可以設(shè)置 CDS5516的工作電壓范圍，由于硬件設(shè)計的限制，CDS5516的工作電壓是 6.5V10.5V,低于6.5 V CDS5516將不能正常工作，高于 10.5V會燒毀CDS5516。設(shè)定 好電

15、壓限制之后，當CDS5516上的加載電壓高于或低于此范圍舵機將會置位于錯誤標志位，軟件的 電壓超范圍”指示燈會點亮。(3)溫度限制。CDS5516能夠檢測自身工作溫度，溫度過高可能會燒毀舵機。我們可以設(shè)置正 常工作溫度范圍，當 CDS5516檢測到溫度過高后，舵機將會強制卸載停止工作。(4)轉(zhuǎn)矩限制。 轉(zhuǎn)矩限制”限制了 CDS5516的最大工作電流，起到限制 CDS5516的最大輸出扭 矩的作用。在機器人手掌關(guān)節(jié)或需要長時間堵轉(zhuǎn)的場合常常用到這個功能，默認為最大值1023,即為最大扭矩輸出。通過限制扭矩大小，可以讓機械手爪能夠抓起草莓，而又不會將草莓捏碎。4. CDS5516的調(diào)試設(shè)置軟件CD

16、S5516的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置、 保護參數(shù)調(diào)節(jié)、性能測試等都可以通過 Robot Servo Terminal軟件(如 圖1.2所示)來實現(xiàn)。蒯器人疑蒯圖 1.2 Robot Servo Terminal 調(diào)試界面圖四、實驗步驟1 .安裝 Robot Servo Terminal 2110.330_Setup.exe 軟件；122 .使用USB線連接多功能調(diào)試器和PC機，使用舵機線連接 LUBY控制器和舵機，并使用V電源為舵機供電（如圖 1.3所示）；圖1.3舵機和多功能調(diào)試器連接圖3 .打開 Robot Servo Terminal軟件，軟件界面如圖 1.4所示;1笆 ErrwQOWW 口VrUf

17、sr lfr«r 1,FQJITiR就岬2卻All“ik K£p- * *ci&diSedl URjLTldiO dEVKflSScat'a ir lIe oxEt«.lu= Hoeu t SLIDBSuC刊理A配卻 詡試案統(tǒng)7<rfletfrCtmuii In-rIrirvr laErEt:Dw Lc'ii±! nl>IDOQOC'COpflH皿 r«Eb 11 CiK0'D，也（胤U£dbPm.5LZMe kr MbLHTL27sMPjSSKi： QVstagr; 6.0 V-5

18、12-IQg 3I Qg 3注皿;00圖 1.4 Robot Servo Terminal 軟件界面圖4 .右鍵單擊 計算機”，依次選擇 屬性” 一設(shè)備管理器”一端口（COM和LPT） ”，確定多功能調(diào)試器所在端口如圖1.5所示;式4F），工庠如 生看W 哥助物:，I 節(jié)曰不上 二：篙 D«M-PC而 1“ DVD/CD ROM 函DF AT A,/A-API 擰*1 音林受暴 一運隹量立JS* T?首口 (COM % LPT)PG-駐用AL COM引'7 PChSt KIAL (COM41- ' 7 US0 £«rid Port (COMS)圖1

19、.5串口端號圖5 .回到Robot Servo Terminal軟件界面，在 "Com俞入框內(nèi)填入上一步獲取的多功能調(diào)試器端口號，在“Baud欄中選擇1000000 （舵機通信波特率），單擊“Open按鈕，可以看到連接狀態(tài)由綠色變?yōu)榧t色，表示連接成功（如圖 1.6所示）-7 -E15 -鐘罩A鴕赳 調(diào)試黑統(tǒng)圖1.6連接成功示意圖6 .單擊“Search鈕，軟件會搜尋連接在舵機總線上的舵機并顯示在表格中，如圖 1.7所示（圖中找到一個ID號為1的舵機，實際實驗可能出現(xiàn)其他ID號）;-二二一atK. L ' z 觸空人聯(lián)犯圖1.7搜索舵機ID號示意圖7 .單擊“Stop亭止搜索舵

20、機，在 "Servo Operation欄中填寫舵機ID號，選擇舵機模式（此處選擇"Servo Mode）:左右拖動“PoS骨動條，可以看到舵機會隨著轉(zhuǎn)動。8 .觀察實驗板上的運行結(jié)果，如圖1.8所示。如不符合預(yù)期設(shè)計要求，則重復(fù)修改及下載程序，直到符合要求為止。(a)(b)圖1.8實驗板上運行結(jié)果五、實驗報告要求嚴格按照西華大學(xué)規(guī)定的理工科實驗報告格式、要求完成本次實驗報告。六、實驗注意事項實驗中不允許觸摸各種設(shè)備、器件、接頭、電纜，不允許動各種開關(guān)。否則，自行負責、處理由 此造成的傷、亡事故，并賠償由此造成的設(shè)備損壞的經(jīng)濟損失。七、思考題簡述總線型舵機的工作原理，說明在

21、級聯(lián)應(yīng)用中如何識別指定的舵機。機器人技術(shù)實驗指導(dǎo)書實驗二水平關(guān)節(jié)機器手實驗和、實驗?zāi)康暮腿蝿?wù)1 . 了解水平關(guān)節(jié)機械手的基本機構(gòu)；2 .學(xué)會機械系統(tǒng)自由度分析；3 .學(xué)會使用舵機驅(qū)動機械手的方法，學(xué)會分析舵機轉(zhuǎn)動角度和機械手運動之間的關(guān)系；4 .進一步熟悉對舵機控制的方法。二、實驗儀器、設(shè)備及材料1 . CDS5516數(shù)字舵機三個；2 .水平關(guān)節(jié)機械手結(jié)構(gòu)件一套；3 . LUBY控制器一套；4 . PC機一臺；5 .游標卡尺、量角器；6 .導(dǎo)線若干。三、實驗原理關(guān)節(jié)機器手，是當今工業(yè)領(lǐng)域中最常見的工業(yè)機器人的形態(tài)之一。適合用于諸多工業(yè)領(lǐng)域的機械 自動化作業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域有裝貨、卸貨、噴漆、表面處理

22、等。在工業(yè)生產(chǎn)中使用關(guān)節(jié)機械手能夠完成自 動化的工作，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約人力成本，但缺點是開發(fā)控制系統(tǒng)需要很長的周期，前期需要投入 資金較多。水平多關(guān)節(jié)型機械手具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝空間小、定位準確、效率高、剛性好等優(yōu)點。水 平關(guān)節(jié)機械手的動力由伺服電機提供，動作速度快，可實現(xiàn)高精度控制，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。機械手控制系統(tǒng)是通過對驅(qū)動機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作，同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機或DSP等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)實驗所要求的功能。本實驗搭建了一個包含多個自由度的機械手系統(tǒng)，通過控制水平 方向的兩個舵機實現(xiàn)機械手控制。

23、水平關(guān)節(jié)機械手實物如圖 2.1所示，二維示意圖如圖 2.2所示。在水平方向具有兩個自由度的機器手，活動范圍更大，通過控制舵機旋轉(zhuǎn)來完成機械手的移動。建立數(shù)學(xué)模型如下：設(shè)桿長分別為li和I2,設(shè)桿li與圖示水平正方向的夾角為 。（逆時針旋轉(zhuǎn)為正），桿 12和桿li的夾 角為P ,以桿件的固定點為原點建立坐標系，則桿件末端P點的坐標可表示為：Px =1cos：12 cos(-： '''，)Py 二11 sin :12sin(-： ''-1)(2-1)-11 -由方程（2-1）可知，P點的工作空間在以l1 +12為半徑的圓中。對于給定的 P點位置，需要代入方程

24、圖2.1水平關(guān)節(jié)機械手實物模型(2-1),反解出對應(yīng)的舵機轉(zhuǎn)角和P ,即可。圖2.2水平關(guān)節(jié)機械手示意圖四、實驗步驟1 .完成機械手相關(guān)零部件組裝，搭建水平關(guān)機機械手模型。2 .編寫程序，控制下方機械臂舵機以合適的速度先順時針轉(zhuǎn)動30。，并測量實際轉(zhuǎn)動角度進行比較；然后上方機械臂舵機順時針轉(zhuǎn)動45。關(guān)鍵程序：機械臂由初始位置運動到原料盤上UP_CDS_SetAngle (1,30, 512); 使 1 號電機以 0.5 r/s (即 30 r/min )的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動 30° UP_CDS_SetAngle (2, 45, 800); 使 2 號電機以 0.8r/s (即 48 r/mi

25、n)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動 45° 3.設(shè)計從A點到B點，B點到C點，C點到D點，D點到A點的路徑，編寫程序控制兩個舵機 4.觀察機械手的運行結(jié)果，如不符合預(yù)期設(shè)計要求，則重復(fù)修改及下載程序，直到符合要求為止。示例程序分析：1. #include "UPLibUP_System.h"2. int main ( void )3. 4. /*初始化系統(tǒng)*/5. UP_System_Init();6. /* 進入 While (1)循環(huán) */7. while 11)8. 9. UP_CDS_SetMode (1, CDS_SEVMODE ); 設(shè)置1號舵機模式為舵機模式10. UP

26、_CDS_SetMode (2, CDS_SEVMODE ); 設(shè)置2號舵機模式為舵機模式11. /*初始化舵機角度，水平機械手移動到A點*/12. UP_CDS_SetAngle (1,30, 512); 使 1 號舵機以 0.5 r/s 的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動 30 度13. UP_CDS_SetAngle (2,45, 800); 使 2 號舵機以 0.8r/s 的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動 45度14. UP_delay_ms (1000); 延時1s,等待機械臂穩(wěn)定15. UP_CDS_SetAngle (1,150, 512);水平機械手移動到B點16. UP_CDS_SetAngle (2, 230, 800

27、);17. UP_delay_ms (1000);18. UP_CDS_SetAngle (1,280, 512);水平機械手移動到C點19. UP_CDS_SetAngle (2, 322, 800);20. UP_delay_ms (1000);21. 22. 代碼分析如下：(1) UP_System.h為UP庫函數(shù)系統(tǒng)，包含該庫可使編程過程簡潔高效。(2)進入主函數(shù)后首先進行系統(tǒng)的初始化，以使系統(tǒng)正常工作。這里我們調(diào)用了 UP_CDS_SetMode這個函數(shù)，我們在Keil環(huán)境下右擊該函數(shù)名，在出現(xiàn)的選項中選擇"go to definition of即可定位到定義該函數(shù)的程序段

28、：!/* + * *«* *國數(shù)名稱：UP CDS SetMode用的Bit： UP_Uart3_SendCV5Fratue(u& id, uB len, uB and, u8* pData); 富用本函數(shù)的函數(shù):無一 -輸入?yún)?shù)說明；kA設(shè)班機的工口 . node是指設(shè)量航機工作模式.可以設(shè)置 5CDS_5 三KCDS _MOThDD E 境三 f斯出，數(shù)說明：無一圖數(shù)運©魯.無其它說明:無事# 4r * * * 事 聿事卡*審 ，*!*：* 荃 /void UP_CDS_Set«ode(uB id, u8 mode)(3)初始化后，我們進入了程序的主要部分一一While(1)循環(huán)。其中我們主要調(diào)用了 UP_CDS_SetAngle函數(shù)，用上述方法我們可以了解它的功能：I /* % * 率*#* *圖數(shù)名券：UP_CDS_5et