基于单片机的六自由度机械手的系统设计

doi:10.16576/j.cnki.1007-4414.2016.02.046

基于单片机的六自由度机械手的系统设计

邬　栋1,2

(1.湖北工业大学,湖北武汉　430000;2.大同市特种设备监督检验所,山西大同　037010)

∗

摘　要:针对如何提高机械手的自动化与智能化程度,特别是自主识别、判定目标并做出响应的问题,提出了基于TK和单片机选型三个方面叙述了设计中控制系统的总体设计方案,并给出了软件的设计思路和流程图。经过调试,不仅完成了目标识别的任务,识别时间在500ms以内;而且完成了机械手抓取固定位置货物的功能与货物分装的功能。关键词:机械手;目标识别;TK-A6六自由度机械手;LD1501-MG数字舵机

中图分类号:TP241　　　　　　文献标志码:A　　　　　　文章编号:1007-4414(2016)02-0135-04

-A6六自由度机械手和LD1501-MG数字舵机的工业机械手控制系统的设计。硬件方面从控制系统组成,控制方案

SystemDesignofSixDegreesFreedomManipulatorBasedonSingleChipMicrocomputer

(1.HubeiUniversityofTechnology,WuhanHubei　430000,China;

2.DatongSpecialEquipmentSupervisionandInspection,DatongShanxi　037010,China)

Abstract:Aimingathowtoenhancethedegreeofmechanizationandintelligence,especiallyinpatternrecognizing,identifytargetsandfinallyresponsetothem.thecontrolsystemdesignofindustrialrobotbasedonTK-A6sixdegreesoffreedomma-nipulatorandLD1501-MGdigitalservos.Hardwarefromtheoveralldesignscheduleofthreeaspectsofcontrolsystemcompo-presented.Afterdebugging,notonlythetargetrecognitiontaskiscompleted,whoserecognitiontimeiswithin500ms,butal-sothefunctionofgrabbingafixedpositionandthefunctionofthegoodspackingarecompleted.Keywords:machinearm;targetrecognition;6-DOFmachinearm;LD1501-MGdigitalsteer

WU　Dong1,2

sition,controlschemeandMCUselectionisdiscussed,andthesoftwaredesignconceptandflowchartsofthissystemare

0　引　言

随着科技的发展与人类社会的进步,机器人在我们的生活中层出不穷,大到工业机器人,小到孩子们的玩具[1-2]。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置,它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置[3-4]。机械手可以看作广义的机器人,自出现以来电子、轻工和原子能等部门[5-6]。如何提高机械手的自动化与智能化程度,特别是自主识别、判定目标并做出响应,一直都是学术界和各个研究机构的研究热点和难点,具有很高的理论和商用价值[7-8]。

本设计结合企业“货运分装机械手”的实际工程就被广泛地应用于各行各业,例如:机械制造、冶金、

1　机械手控制系统设计

1.1　系统组成

本设计中基于单片机的机械手控制系统由系统硬件和系统软件两大部分组成,系统硬件与系统软件配合工作,共同完成控制系统的控制任务。其中,系统硬件包括:电源模块、调试模块、主控制器、执行器与传感器共5大部分,它们各执其责一起组成了硬件系统,系统硬件框图如图1所示。

标识别等相关内容。

项目,对货运分装机械手进行了机电一体化设计。根据冗余度机械手的设计理念选择型号为TK-A6的六自由度机械手,根据实际使用环境选择LD1501-MG数字舵机。硬件电路方面,从控制系统组成、控制方案和单片机选型三个方面叙述了本设计中控制系统的总体设计方案。软件方面分别阐述了系统初始化、单片机控制舵机、摄像头图像采集、图像特征提取、目

图1　系统框图

1.2　控制方案设计

系统控制方案通过系统软件编程实现,首先由传

∗收稿日期:2016-02-24

作者简介:邬　栋(1979-),男,山西大同人,在职研究生,研究方向:特种设备无损检测。

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设计与制造　　　　　　　　　　　　　　　　　　感器即摄像头采集图像,将图像传送给单片机;再由单片机进行图像特征提取并运行人工神经网络算法进行图像识别。流程图如图2所示。

2016年第2期(第29卷,总第142期)·机械研究与应用·微控制器为144管脚飞思卡尔K60单片机,其具有PORTA-PORTE共5组,119个I/O口,可分别复用为PWM、PIT、SPI、UART、USB、I2C、DMA等多种功能。

在本设计中,舵机需要用PWM控制,因此将S1-S6接到D4-D7和A8、A9上;屏幕、指示灯、键盘、拨码开关都用到I/O功能,接到普通I/O口上即可;摄像头则用到了DMA模块,K60的PORTC端口可作为DMA传输通道,因此将Y0-Y7接在C0-C7上。

由于稳压是本设计的基础,所以必须首先测试稳2.4　调　试

图2　系统控制方案

2　硬件电路设计

整个控制系统的硬件部分应包括:电源电路、单片机最小系统、传感器反馈系统(在本设计中使用摄像头作为传感器)[9-10]开关、调试模块(屏幕、键盘、播码2.1　、系统供电设计指示灯、串口)。

在本设计中采用型号为SCH2AH的输出电流较大的V两种电压12V电池进行供电,分别为单片机。、然而系统需要调试模块、传感器和舵机3.3V和5供电,所以必须设计稳压电路。

稳压电路采用稳压芯片进行设计,本设计选用开关稳压芯片。本系统中选用3片LM2596-5为6路舵机供电,每两路舵机使用一片LM2596-5。系统各个模块间应分开供电,以免回流造成模块间互扰;还应注意稳压芯片最高输入电压,以免输入过高将稳压2芯片烧毁.2　系统调试模块设计

。

为方便调试,必须为系统设计调试模块,这是每一个电子系统都必须设计的模块。本设计的调试模块包括:屏幕、指示灯、键盘、拨码开关、串口共5大部。其中,屏幕用来显示UI界面和一些调试时必要的参数,和键盘配合使用,完成人机交互;指示灯则用来指示程序运行状态,在调试运行状态异常的程序时十分有效;用拨码开关设定程序的运行模式;在调试时,一些数据始终处于动态变化中,若在屏幕上显示很难记录,因此要通过串口发送到串口调试助手上进2行记录.3　单片机最小系统管脚分配。·136·压输出是否正常,首先接数字电源箱,电压设定为稳定的12V,最大电流设定为200mA,以防止因电路错误导致的电路损坏。若电源箱的电压没有被拉低,继续测稳压输出,若输出电压正确则可以正常使用;若电压被拉低,电流达到200mA,则说明有短路或存在

钽电容反接,需要重新检查电路。

接下来测试其他模块,其他模块均与单片机管脚相连,若管脚分配正确则理论上可以正常使用,这部分电路可以通过简单的程序进行测试。

从调试可得出本设计的硬件电路原理具有电源利用率高,干扰小,调试手段丰富,信号完整性好,散3　热好等优点,可使机械手的性能得到更好的发挥。

3.1　系统软件设计

系统软件流程

软件部分包括5个模块:系统初始化、单片机控制舵机、摄像头图像采集、图像特征提取、目标识别。软件设计流程图如图3所示。

图3　系统软件流程图

3.2　系统初始化

在本系统中,屏幕、键盘、拨码开关、LED、串口、舵机、摄像头都需要初始化,其中屏幕与单片机之间

·机械研究与应用·2016年第2期(第29卷,总第142期)　　　　　　　　　　　　　　　　　　设计与制造

采用SPI接口连接,但由于单片机SPI模块引脚被摄像头占用,所以采用I/O口进行模拟;键盘、拨码开关、LED都需要用单片机的I/O功能进行控制,初始化时需要设置端口方向与初始值:方向设置为输入,初始值设置为高电平即1;舵机控制则需要用单片机的PWM功能,初始化时需要设置频率与占空比,本5%对应0~180°;串口初始化时波特率设置为115200;摄像头采用图像需要用到单片机的DMA功能,所以初始化时需要设置DMA端口。此外,初始化过程中还需要伴随屏幕显示程序运行进程,以便于设计中舵机控制频率为50Hz,占空比为2.5%~12.

只要触发DMA中断,摄像头就会将数据通过DMA通道直接传输至单片机。

摄像头采集图像时所要注意的另一个问题是阈值的设置,OV7725的阈值通过寄存器来设置,一般3.5　实验验证

情况下设置为0x38~0x41之间。

为检验算法在单片机上的运行效果,设计了如下验证性实验:分别让摄像头采集立方体、球体和随机物体的图像,单片机运行图像识别程序,将结果显示到屏幕上,若识别到立方体显示“机”,若识别到球体显示“械”,若识别到随机物体显示“手”,图5为采集3随时观察程序运行进程.3　单片机控制舵机。

PWM单片机控制舵机原理很简单,即一定占空比的的LD1501波会使舵机转动至一定角度-MG舵机占空比为2.5%,本设计中所采用~12.5%对应角度为0°~180°。但是在编写控制代码时需要注意如下事项:制[11](1)。

将两个PWM通道级联,以获取更精准的控

SWITCH(2)本系统中有6以解决代码冗余的问题-CASE语句,单独编写一个舵机控制函数路舵机,编写控制代码时采用,解,分为放平(3)如软件需求分析中所示。

、抬起、抓取、转到右边和转到左边,将机械手动作分、转到中间(4),以便于系统主函数调用主控制器与执行器之间的速度匹配。

到一定角度需要一定的时间,必须设计好延时函数,舵机转,以保证每一个动作都能完整地完成[12](5)考虑到在舵机做动作时产生的延时。

示实时性比较差,因此为本设计设计了一个特殊的延,图像显

时函数。

经过调试,该机械手可以抓取固定位置的物体,抓取效果图如图4所示。

图4　抓取效果图

3.4　摄像头图像采集

摄像头图像采集需要用到单片机的DMA模块,在初始化中已经设置了摄像头所使用的DMA通道,

到立方体、球体和随机物体时的识别结果,证明识别效果可以达到预期目标。通过在IAR中单步运行程序ms,,并观察相关寄存器可得知识别时间大概为经调试,完成了机械手抓取固物体与货物分装的

500功能。

图5　图像采集的识别结果

4　结　论

本文结合企业“货运分装机械手”的实际工程项目,对货运分装机械手进行了机电一体化设计。提出了基于TK-A6六自由度机械手和LD1501-MG数字舵机的工业机械手控制系统的设计K60。单片机采用原理具有电源利用率高单片机作为本系统的主控制器,干扰小,调试手段丰富,设计的硬件电路,信号完整性好,散热好等优点,可以使机械手的性能得到更好的发挥。软件方面分别阐述了系统初始化、单片机控制舵机、摄像头图像采集、图像特征提取、目标识别等相关内容。经过调试,不仅完成了目标识别的任务,识别时间在500ms以内,识别效果很好的达到了预期目标;而且完成了机械手抓取固定位置货物的功能与货物分装的功能。该系统体现了单片机在工业生产方面的控制能力,展现了单片机在工业控制系统

(下转第140页)

·137·

设计与制造　　　　　　　　　　　　　　　　　　为592Hz。

通过对振动夹具优化改进前后的仿真结果对比可以看出,机载设备振动夹具初始设计结构重83kg,改进后减轻了约15%;改进后夹具的1阶固有频率为591.5Hz,比原夹提高了2倍以上,且改进后前6阶固有频率均有所提高;改进后夹具的重心由165改进后的夹具作为试验用夹具,进行投产。

mm降至125mm,提高了测试系统的稳定性。因此

2016年第2期(第29卷,总第142期)·机械研究与应用·接工艺、振动测试控制,以及仿真分析中的简化方式等方面的误差,通常是允许10%以内的误差。因此认为优化后的夹具符合设计要求,并已实际应用于机载设备的振动、冲击、加速度和可靠性试验等。

表2　振动夹具优化改进后的固有频率

1阶592

2阶612

3阶663

4阶686

5阶767

/Hz

6阶775

5.3　试验验证

图8　夹具测试曲线图

采用优化方案的振动夹具进行制造,利用正弦扫5g,5~1000Hz,测夹具的1阶固有频率。用在振动台台面控制的测试方式,在夹具特征位置布置传感器,观测响应曲线,得出固有频率。图7为夹具测试示意图,图8为测试结果曲线图。

频法对夹具进行测试。测试方法为正弦对数扫频:1.

6　结　论

通过有限元仿真分析方法,可显著优化机载设备夹具的固有频率、质量、重心等设计参数,使满足设计要求。振动试验证明仿真分析结果与试验结果误差不超过10%,工程上可以接受。该优化方法经济实用、简便有效,可应用于各种设备夹具的优化设计。参考文献:

[1]　李奇志.环境振动试验若干技术研究[D].南京:南京航空航天

大学,2013.-44.

图6　振动夹具改进后的　　　图7　夹具测试示意图

1阶模态振型

[2]　贲少愚.振动试验夹具设计[J].电子机械工程,2001,92(4):41[3]　KleeBJ,klimbDV,TustinW.振动与冲击试验夹具设计[M].北

京:强度与环境编辑组出版社,1979.州理工大学,2009.

[4]　成晓伟.离心泵转子部件临界转速的分析与计算[D].兰州:兰

　　从图8可以看出,机载设备夹具的1阶固有频率为552Hz,仿真分析结果的误差为7%。由于夹具焊

(上接第137页)

■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■中的综合应用,为开展机械手的控制实验、机电一体化和电气自动化专业学生的综合实验实训又建立了一个新平台。参考文献:

[1]　LiuXing-rui,GaoGuo-hong.TemperatureMonitoringSystem

BasedonAT89C51[J].AdvancesinComputerScience,IntelligentSystemandEnvironment,2011(104):601-605.技大学,2014.

[5]　李　艳.基于AT89C51的多点温度巡测及控制系统[J].仪表技

术与传感器,2009(4):44-45.大学出版社,2006.

[6]　张俊谟.单片机中级教程原理与应用[M].北京:北京航空航天[7]　张毅刚.单片机原理与应用设计[M].北京:电子工业出版社,[8]　吕俊亚.一种基于单片机的温度控制系统设计与实现[J].计算

机仿真,2012,29(7):230-233.航天大学出版社,2006.2012,10(9):3-5Edition,2008.

[9]　楼然苗,李光飞.51系列单片机设计实例[M].北京:北京航空[10]　郭洪武.浅析机械手的应用与发展趋势[J].中国西部科技,[11]　RichardC.Dorf.ModernControlSystem[M].PearsonInternational[12]　郭　蕾.电解铜机械手设计及运动学仿真分析[D].重庆:重庆

理工大学,2013.2008.

[2]　杨振声.工业机械手控制系统硬件设计[D].陕西:西安电子科[3]　ZhangZhi-yong,GuoTie-liang.DesignofWaterBathTemperature

ControlSystemBasedonDS18B20[J].AdvancedMaterialsRe-search,2012(462):753-756.

[4]　于水娟,李振璧.全自动孵化控制系统的设计与实现[J].计算

机测量与控制,2012,20(11):2952-2954.

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