教學(xué)機(jī)器人機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)答辯

本文的主要內(nèi)容一、背景簡(jiǎn)介二、教學(xué)機(jī)器人機(jī)械手臂的方案設(shè)計(jì)三、機(jī)械手臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)四、機(jī)械手臂控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)五、控制系統(tǒng)功能驗(yàn)證主要內(nèi)容救援型機(jī)器人能夠替代人類(lèi)及時(shí)親臨一線(xiàn)，去執(zhí)行人類(lèi)不可能完成的危險(xiǎn)任務(wù);救援機(jī)器人的機(jī)械手臂的性能直接決定了救援行動(dòng)完成的質(zhì)量;我國(guó)已經(jīng)基本掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)以及機(jī)器人軟件和編程等關(guān)鍵技術(shù)。形成了一批像中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化有限公司、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北航等具有較強(qiáng)機(jī)器人科研實(shí)力的公司和院校。在救援機(jī)器人的研究上面起步晚，大多數(shù)研究還是停留在某個(gè)單項(xiàng)研究階段;背景簡(jiǎn)介教學(xué)機(jī)器人簡(jiǎn)介救援車(chē)六自由度機(jī)械臂無(wú)線(xiàn)攝像頭光控照明電路傳感器和無(wú)線(xiàn)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路單片機(jī)履帶升降臺(tái)偵查車(chē)操作臺(tái)六自由度機(jī)械臂無(wú)線(xiàn)攝像頭光控照明電路傳感器和無(wú)線(xiàn)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路單片機(jī)履帶升降臺(tái)教學(xué)機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)自由度示意圖如下:教學(xué)機(jī)器人機(jī)械手臂的方案設(shè)計(jì)機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)方案教學(xué)機(jī)器人機(jī)械臂動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制總框圖：機(jī)械手臂硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)控制臂部分的控制框圖

機(jī)械手臂硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)模擬機(jī)械手部分作為主動(dòng)控制實(shí)施部分，是操作者根據(jù)監(jiān)控畫(huà)面進(jìn)行實(shí)時(shí)指揮機(jī)械手動(dòng)作的部分。教學(xué)機(jī)器人控制臂部分展示C8051單片機(jī)（從控制系統(tǒng)）NRF905無(wú)線(xiàn)接受模塊底座舵機(jī)（舵機(jī)0）手臂舵機(jī)1（舵機(jī)1）手臂舵機(jī)2（舵機(jī)2）手臂舵機(jī)3（舵機(jī)3）手臂舵機(jī)4（舵機(jī)4）手臂舵機(jī)5（舵機(jī)5）六自由度機(jī)械手控制部分控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖控制系統(tǒng)器件選型教學(xué)機(jī)器人機(jī)械手臂硬件控制系統(tǒng)組成80C51單片機(jī)的選擇及功能本作品機(jī)械手臂控制系統(tǒng)采用了STC15F2K61S2、C8051F020單片機(jī)。

主控制部分的C8051F020單片機(jī)帶有8路AD轉(zhuǎn)換通道，處理速度快，能準(zhǔn)確地讀取模擬機(jī)械手上六個(gè)線(xiàn)性電阻輸出地模擬量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再經(jīng)無(wú)線(xiàn)模塊將數(shù)據(jù)傳送給接收機(jī)，使機(jī)械手做出相應(yīng)動(dòng)作。從控制部分STC15F2K61S2單片機(jī)，處理速度較快，能準(zhǔn)確讀取溫度、濕度、煤氣等傳感器輸出地模擬量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再經(jīng)無(wú)線(xiàn)模塊將數(shù)據(jù)傳送給接收機(jī)，使其數(shù)據(jù)顯示在液晶12864上。從控制系統(tǒng)硬件選型舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖舵機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口舵機(jī)工作原理框圖脈沖信號(hào)寬度與舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制關(guān)系無(wú)線(xiàn)模塊nRF905通訊模塊選擇：nRF905nRF905芯片功能簡(jiǎn)介教學(xué)機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)該機(jī)械手控制系統(tǒng)中主要的編程包括對(duì)控制臂位置信息的獲取，無(wú)線(xiàn)發(fā)射接收模塊的運(yùn)作控制，舵機(jī)動(dòng)作的控制這幾個(gè)方面。該機(jī)器人手臂自由度為6個(gè)因而的關(guān)節(jié)數(shù)也比較多，其數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線(xiàn)性模型。我們的目標(biāo)只是開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠進(jìn)行教學(xué)演示、功能簡(jiǎn)單的機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)，所以采取簡(jiǎn)化的控制方法是很合適的。考慮到該項(xiàng)目組綜合功能比較復(fù)雜，對(duì)程序的可讀性和可移植性要求較高，所以在軟件開(kāi)發(fā)上選用了C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。主控制部分程序流程ADC采樣子程序NRF905的發(fā)送程序流程從控制單片機(jī)主控制程序各路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)程序流程N(yùn)RF905的接受子程序機(jī)械手臂部分硬件平臺(tái)的安裝正確的靜止或保持位置程序燒制及從控制部分單片機(jī)安裝⑴將機(jī)械手和電子控制模塊安裝完畢后，將控制程序編譯完成燒入單片機(jī)的芯片內(nèi)，開(kāi)始控制機(jī)械手動(dòng)作的功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作。⑵運(yùn)行《電機(jī)測(cè)試》程序，將得到的電機(jī)運(yùn)行.hex文件燒入到芯片中，確認(rèn)所有連線(xiàn)正確后，觀(guān)察機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)情況。⑶運(yùn)行《夾取物體》程序，將得到的hand.hex文件燒入到芯片中運(yùn)行程序，可以看到機(jī)械手的動(dòng)作是將物體從左邊夾取到右邊。用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的。⑷運(yùn)行從控制中的各自的程序，并將后綴為.hex文件燒入到從控制部分的單片機(jī)芯片中，為下一步控制系統(tǒng)控制功能調(diào)試做準(zhǔn)備。機(jī)械手控制系統(tǒng)功能驗(yàn)證操作者控制模擬機(jī)械手抓取物體動(dòng)作教學(xué)機(jī)械手成功的完成模擬機(jī)械手抓取物體的動(dòng)作教學(xué)機(jī)械手也能按照操作者的動(dòng)作成功地抓取物體機(jī)械手臂功能參數(shù)總結(jié)與展望總結(jié)⑴通過(guò)模擬機(jī)械手來(lái)控制機(jī)械手的動(dòng)作，這種控制方式適用更廣泛，也能更好的完成較復(fù)雜的動(dòng)作。⑵機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，謹(jǐn)遵了模塊化、輕盈化的理念，使其在控制性能上更好。⑶采用了面向教學(xué)的設(shè)計(jì)理念，其開(kāi)發(fā)應(yīng)用的語(yǔ)言和軟件環(huán)境是教學(xué)對(duì)象較為熟悉的單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境，讓學(xué)生更樂(lè)于接受。該機(jī)械手可以有效地應(yīng)用于控制系統(tǒng)教學(xué)、計(jì)算機(jī)教學(xué)、自動(dòng)檢測(cè)教學(xué)、機(jī)器人教學(xué)等學(xué)科的教學(xué)中，實(shí)用性較寬泛。同時(shí)還可以根據(jù)具體的需要對(duì)相應(yīng)的部件安裝傳感器，讓其具有所需要的其它功能。展望⑴所用的傳感器比較單一，可以通過(guò)增加其它的更智能化的傳感器來(lái)擴(kuò)展機(jī)器人的功能，讓該教學(xué)機(jī)器人真正實(shí)現(xiàn)智能化。⑵本文的控制核心采