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毕业设计文档1控制
本科毕业设计(论文)
基于单片机的六自由度关节控制系统设计
DesignofSixDegreesofFreedomJointControlSystemBasedonSingleChipMicrocomputer
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毕业设计(论文)中文摘要
基于单片机的六自由度关节控制系统设计
摘要:
机器人是一种机械设备,它能进行编程并能在自动控制下进行某些操作和移动任务。
而机械臂作为机器人的一个重要分支,其应用也越来越普及。
如今,国内的机械臂控制系统已经成为一门热门的研究课题,因此,本文设计了一种基于单片机的六自由度关节控制系统。
本文首先本文介绍了六自由度关节控制系统中包含的硬件结构。
接着,介绍了机械臂的六自由度关节控制系统的软件实现,包括对软件进行功能分析以及程序的编写。
具体设计流程是首先利用Protel进行电路原理图的设计,接着了解如何用Matlab对六自由度关节进行数学上控制运动模型的建模仿真,之后用Proteus软件进行了电子电路与控制程序的仿真。
最后,实验证明本设计的方案可行,并对本设计的成果进行总结和反思,并指出了设计中存在的不足和今后的改进方向。
关键词:
机械臂;单片机;舵机;机器人
毕业设计(论文)外文摘要
DesignofSixDegreesofFreedomJointControlSystemBasedonSingleChipMicrocomputer
Abstract:
Therobotisakindofmechanicalequipment,itcanbeprogrammedandcanperformcertainoperationsaswellasmobiletasksunderautomaticcontrol.Themechanicalarmisanimportantbranchoftherobotanditsapplicationisbecomingmoreandmorepopular.Now,themechanicalarmcontrolsystemhasbecomeapopularresearchtopicinourcountry,therefore,thispaperdesignsasixdegreeoffreedomjointcontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputer.
Thispaperfirstintroducesthehardwarestructurecontainedinthesixdegreesoffreedomjointcontrolsystem.Besides,thispaperintroducesthesoftwarerealizationofthesixdegreesoffreedomjointcontrolsystemofthemanipulator,includingthefunctionanalysisofthesoftwareandtherealizationprocessofthesoftware.ThespecificdesignprocessisusingProteltodesigncircuitschematicsandlearninghowtouseMatlabtosimulatethemotionmodelofthesixdegreesoffreedomjoint.Afterthat,IuseProteussoftwaretocarryoutthesimulationofelectroniccircuitandcontrolprogram.Finally,experimentsshowthatthedesignoftheprogramisfeasible.Then,Isummarizeandreflectontheresultsofthisdesign.Ialsopointouttheshortcomingsinthedesignandintroduceitsfutureimprovement.
Keywords:
Mechanicalarm;Singlechip;Steeringgear;Robot
1绪论1
1.1研究背景和意义1
1.2国内外发展现状和发展趋势2
1.3本文的主要内容5
2机械关节系统的组成6
2.1坐标形式6
2.2驱动方式6
2.3控制方式7
3控制系统的硬件设计8
3.1舵机选择与驱动电路8
3.2主控制器选择9
3.3主控制器电路图11
3.4输入电路14
4控制系统的软件设计15
4.1姿态的输入与解算15
4.2舵机控制信号的产生16
4.3控制程序16
5系统的仿真19
5.1仿真电路图绘制19
5.2仿真结果20
结论23
致谢24
参考文献25
附录:
1
附录1:
1
附录2:
2
1绪论
1.1研究背景和意义
自第一台具有现代意义的机器人问世已经过去了将近几十年,在这期间,机器人技术获得了突飞猛进的发展。
这是一门综合了机械磨具设计、电力电子驱动、嵌入式编程、自动控制以及人工智能等的交叉学科。
与此同时,机器人学也因此而丰富起来,它的发展和机器人是相辅相成的。
其不但推动了机器人的发展,并且,随着工业机器人对设备要求越来越高,机器人学也越来越丰富,并不断地在增加新的内容,包括控制理论、信息传感技术以及新兴的人工智能与仿生科学等[1]。
随着工业水平的稳步提升,机器人的使用范围变得更加宽广,而其中使用较为广泛的就是六自由度关节机械臂。
机械臂的分类多种多样,根据载重能力的大小可分为大、中、小三种类型的机械臂。
大型的机械臂主要应用在工厂车间的货物搬运、装配等大重量负载的场合,如图1-1所示。
中、小型机械臂主要是用于车间内的焊接、喷漆、质量检测等不需要太大负载但是精度要求较高的场合,如图1-2所示。
并且,随着工业生产需求的不断提高,一些生产应用场合使得人们期望机器人能够完成更多复杂的任务,要求其拥有更高的运行速度和控制精度[2],因此,针对此类需求去研制开发机械臂的控制系统异常重要。
图1-1大型机械臂示意图
图1-2中、小型机械臂示意图
六自由度关节的机械臂是由六个独立的旋转关节串联形成的一种工业机器人[3],国内一般的六自由度关节主要是采用关节串联的方式组成的,虽然六自由度关节可以完成基本的动作需求,但是它的设计难度和复杂程度大大提高,并且在组装、装配的过程中费时费力。
与此同时,在运动中,各关节相互制约,关节的电子线路裸露在外,容易造成线路缠绕,轻则会影响运动效果的精度,严重的甚至会造成机械臂损坏,如果没有恰当的保护机制,还可能造成人员伤亡。
针对上述使用过程中的各类问题,设计完整可靠的机器关节就显得尤为迫切。
1.2国内外发展现状和发展趋势
1.2.1机器人发展历史
1920年,科幻小说家KarelCapek在其作品中最先使用Robota词语,“机器人”这个词开始走进人们的视线[4]。
1939年,美国Westinghouse在纽约的世博会第一次展示了家用机器人,此款机器人由电缆线控制,可以行走和发音。
但是,这只是一款演示型的概念产品,距离实用还有很远的一段距离。
1942年,著名科幻作家IsaacAsimov在他的作品中提出了“机器人三定律”,虽然这是科幻小说的设定,但是其逻辑严谨,切合实际,并且这个“机器人三定律”也成为了科学界默认的机器人准则[5]。
1948年,维纳创立了控制论,并阐明了机器中通信、控制过程的基本规律,最早提出了以计算机为核心的自动化工厂的概念[6]。
1954年,美国人德沃尔发明了首台可编程机器人,率先创造了现代意义上的机器人。
1956年,马文.明思在达特茅斯会议上提出智能机器人可以感知周围的事物,并建立可以从中找出解决问题方案的抽象模型[7],正是这个理念为后续几十年的智能机器人发展指明了方向。
1959年,通用机器人公司制造了首台工业用机器人,其创造者英格伯格也因此次发明对机器人行业做出了突出的贡献被誉为“工业机器人之父”[8]。
在六十年代,因为传感器技术的发展,机器人的功能和可操作性变得越来越强。
其通过加入视觉传感器、声呐、光电管等器件,来增加机器人的感觉器官,使得机器人能更加准确的进行定位。
1968年,美国斯坦福研究所发布了一个名为Shakey[9]的机器人,这款机器人自带视觉感受器,它可以根据操作者的指示自行寻找指定积木并进行抓起,第三代机器人的研究便自此掀开了序章。
在七十年代,随着计算机以及控制理论的完善,美国通用公司推出了通用工业机器人PUMA,表明了机器人技术在生产过程中得到实际的应用,而且PUMA机器人到现在都有人在使用。
还值得一提的是日本,虽然日本机器人行业起步晚,但是在一系列鼓励研发、鼓励使用机器人的政策带动下,其机器人行业也开始迅速崛起,逐渐的,其机器人拥有量和机器人技术都走在了世界前沿,并被誉为“机器人王国”。
首台人形双足机器人便是在日本早稻田大学研究开发成功的,其研制者加藤一郎也被称为“人形机器人的父亲”。
在八、九十年代,随着工业化进程的加速,机器人开始广泛应用于汽车、电子等行业,渐渐取代了流水线上的工人。
随着时代的进步,工业机器人的使用量和受欢迎程度达到了顶峰。
机器人的动作准确、效率高,其生产产品的效率以及质量都远胜于工人的手工操作。
之后,随着乐高、微软等推出模块化机器人组件,机器人统一化的发展方向也更加显而易见,我们甚至可以预见,工业和民用机器人将更多、更快地走入人类的生活。
1.2.2国外机器人发展现状
1989年,美国国家宇航局等提出了一个遥操作机器人控制系统结构的标准参考模型,这是最早的对智能机器人系统按照功能进行模块划分的尝试。
NASREM模型共分为三层,每一层又分为任务分解、世界建模和传感器处理三个部分[10]。
每一部分都是状态机,可以按照输入生成对应的输出,它可以接收到相同层传感器采集的数据和上一层命令的输入,输出是对下层的命令和对上层的信息反馈。
这种结构描述了一个设计系统的通用方法,并且已经有基于NASREM模型的实际系统。
以上是机械臂控制理论的建模进展,而对于机械臂实际使用的研究状况如下:
纽约州立大学开展了一个针对多机械手协同工作系统的研究项目。
2006年,GlennWheil等人研发出新型移动机械手臂,提供和验证了多种控制算法。
德国航天中心使用变刚度执行器开发的机械臂执行机构,采用模拟人类手臂的方式,可实现26个自由度的动作。
柏林科技大学研制的仿生机械臂,结合机电部件和生物模型,以人造骨和人造肌为原料,采用气动肌腱的动力方式,可以完成模拟人类肢体的动作。
2011年瑞士ABB公司发布了仿人双臂机器人概念机[11],目的是替代人们完成精巧零件的组装,因为针对的是精细加工行业,其对于机器人的动作精度、灵活度、柔顺性以及可靠度都有极大的要求。
在概念机中,此机器人每个动作机械臂为七个关节,末端为柔性抓手,实现柔性反馈,保证动作的安全,并且它的控制器还同时具备实施规划动作路径的功能。
2012年,美国Rethink公司推出新一代仿人机器人,双臂具有七个关节,由弹性驱动器驱动,并且可以根据前端的摄像头实现定位,可以实现0.5mm的定位精度,其负载重量和动作速度等各项指标都达到了人类手臂的标准。
日本安川的双臂系列机器人在负载和灵活性方面也具有较高水平,能够在自动化流水线上完成一系列操作[12]。
本田公司的仿人机器人可以完成精密定位,并且可以根据传感器反馈实时调整动作的方向和力度,完成旋开水瓶、倒水、握手、送餐等一系列动作。
美国通用公司和国家宇航局合作的Robonaut2机器人主要针对复杂环境下的危险任务设计,负载能力强,可靠性高,可以在太空甚至地外星球协助人类宇航员或者单独完成各类任务[13]。
1.2.3国内机器人发展现状
我国的工业机器人的研发始于上世纪六十年代,但是在很长一段时间内,国内众多研究机构的研发进度都只是停留在程控阶段,并且,无论是控制算法还是电机技术都没有重大突破,一直在重复低精度的工作。
后来,少数科研院所才慢慢开始进一步的研究。
在863计划[14]之前,国内甚至还没有教学用的关节机器人产品,更不必说能够应用的产品了。
但随着我国的改革开放进程,经济开始飞速发展,我国工业化程度大大的增高。
另外,国家也将机器人事业列入了发展规划项目,因此带动了机器人产业的发展。
经过了近几十年的发展,我国目前已经形成了自动化的生产线,建设了配套行业,带动了一些工业机器人公司,例如沈阳新松、哈尔滨博实、一汽涂装研发中心、上海发那科、深圳市汇川技术、广州数控设备、 安徽埃夫特等机器人产业基地。
1.2.4机器人的发展趋势
自二十世纪90年代以来,机器人技术的发展方向逐渐从制造领域向非制造领域扩展。
在当下,机器人的首要研发方向已是朝着基于非结构环境、极限环境的先进专用机器人发展[15]。
并且,这种研发也正在朝着模块化、小型化、智能化以及自动诊断、自动修复的方向发展。
机器人操作也开始迎合多种多样、有特点的操作环境,并且开始进入更广阔的制造以及非制造领域。
从机器人的发展进程来看,随着机器人技术的发展,其控制系统的控制精度变得越来越高,控制方法也越来越多功能,并且向着智能化、集成化以及系统化等方向发展[16]。
1.3本文的主要内容
针对国内机械臂控制系统目前性能参差不齐的现状,本篇文章设计了一个以STC89C52单片机为基础的六自由度关节控制系统。
本文的主要内容如下:
第一章首先论述了本文题目的背景与意义,之后追溯了机器人技术的进步过程,详细描述了国内和国外机器人的发展状况,并且分析了国内机器人行业所存在的不足,最后,展望了机器人的发展方向。
第二章对机械臂的组成进行了概述,介绍了机械臂的机械动力结构和电子控制结构,并简单分析了机械臂的运动控制模型。
第三章主要介绍了六自由度关节控制系统中的硬件结构,包括所用元器件的选用以及相应的电路连接图。
第四章介绍了机械臂关节控制系统的软件实现过程,包括利用Matlab进行数学上的控制运动模型建模去调整控制参数的理论学习,软件的功能分析以及程序的编写,详细叙述了各功能模块的程序设计思路和实现流程。
第五章首先熟悉了Proteus软件的使用,然后在其中进行仿真电路图的绘制,最后用Proteus软件进行电子电路与控制程序的仿真。
最后是针对本设计的成果与实现情况进行了总结,并指出了设计中存在的不足和今后的改进方向以及致谢。
2机械关节系统的组成
2.1坐标形式
机械臂可以按照结构的坐标表示方法分为如下几种类型:
直角坐标。
机械臂的关节在各自的运动方向上互相垂直。
虽然其操作简单,造价低廉[17],但是它不能完成较复杂的任务。
并且,在操作过程中机械臂灵活性较差,不容易控制。
圆柱坐标。
在水平放置的转台上安装机械臂,这样,机械臂可以在转台上进行上下平移[18],并且可以在水平方向进行伸缩移动,此类结构的动作运动简单而且易于控制,但是可覆盖的区域比较小。
球坐标。
此种结构与球坐标相比动作更加灵活,易于控制,并且基座小,覆盖空间广,但是关节的防护问题难以解决。
关节型。
这类机械臂的结构类似于人体的骨骼结构,通常由两个肩关节和一个肘关节进行定位,由两个或三个腕关节进行定向。
两个肩关节正交分布,其中一个进行偏航,另外一个实行俯仰。
此类结构动作比较灵活,覆盖面积广,并且各关节之间的独立性非常好,这也是当前使用最为广泛的一种机械臂结构。
SCARA型。
这类结构的机械臂是由三个旋转关节构成[19],从而能够在平面中实行定位和定向移动。
另外,此种类型的机械臂可以完成垂直平面的移动,适用于精密装配任务的工业流水线。
考虑到设计的要求,本设计采用的是关节型机械臂,而本文所述的六自由度关节机械臂主要包括腰转、肩转、肘转、腕转、腕摆以及抓取六个部分,分别由六个舵机进行驱动。
2.2驱动方式
机器人机械臂的驱动方式可以分为如下几种:
气压驱动。
其介质通常为压缩的空气[20],驱动压力由负载能量决定,通常为0.4~0.6个大气压,有些场合有可能达到1个大气压。
该驱动系统的结构简单,成本低,并且动力作用较为平稳,但缺点是功率较小,并且动力装置体积较大,定位精度不容易控制。
它主要适用于易燃、易爆的危险场合以及扬尘、震动的恶劣环境。
液压驱动。
液压驱动的优势是功率较大,动作平稳,效率高,响应速度快并且控制调节简单,基本上可以实现无级变速[21]。
但是,受密封效果的影响,可能会产生液压油的泄露,影响运动的精度与系统稳定性,因此液压驱动多用于大负载、低速场合。
电机驱动。
电机驱动是通过电机的旋转来提供动力,可以直接由电机带动旋转轴旋转,或者经过减速装置提高动力。
电机驱动相比于其他驱动方式最大的优点就是控制比较灵活,定位精度高,成本低,易于实现,并且可以方便的增加反馈机制,提高动作的精确程度,也不会存在污染泄露等问题。
同时,电机驱动也是最普及的一种机械臂驱动方式。
本设计的机械臂主要是用于教学演示以及控制算法的验证,对于负载的要求较小。
并且因为教学使用需要控制成本,更要易于维护,在综合考虑应用环境以及全面比较各驱动方式的的情况下,本设计选用了电机驱动。
2.3控制方式
机械臂的控制方式按照控制指令的流动可分为串行和并行两种方式,考虑到设计的可实行程度,同时为了使计算量简单,我们优先选择串行的方式。
串行控制还可以根据微控制器的功能和分布划分成如下三种形式:
单控制器,集中控制。
此类控制方式是由单个微控制器去完成系统所有的功能需求,包括指令的接收、解码,动作的解算以及电机驱动信号的调制。
此类控制方式对于单片机的性能和程序编写的任务分配要求较高,要达到实时控制则需要在程序优化上投入很多时间。
并且,此类系统的后期维护比较困难,不易完成系统的更新换代。
双控制器,集中控制。
若是双控制器,那么其中之一作为主控制器,进行接收指令、解码以及动作解算,另一个辅助控制器只是进行电机的驱动控制,两个控制器之间只能进行命令传递。
这种控制系统可以方便的进行程序维护,甚至可以在保持通信协议的情况下,更换某一部分控制器。
多控制器,分布控制。
此类控制结构是不设置主控制器的,而是根据功能将系统进行划分,各部分之间只进行数据和命令的传递,在后期的维护过程中可以对任意控制器进行升级维护。
此类系统的控制方式比较灵活,与此同时,其速度与可靠性都较高[22]。
综合考虑各种设计因素,因为本设计在定型之后,后期更换维修的可能性较小,因此,本设计采用单控制器集中控制的结构,在程序中对各功能进行模块化分割。
3控制系统的硬件设计
3.1舵机选择与驱动电路
舵机是多种技术的集合体,它由发动机、减速齿轮、转动轴、电位计以及控制电路等构成。
舵机可以利用反馈信息不断校正控制量,使得输出位置保持恒定。
其结构如图3-1所示。
图3-1舵机结构图
舵机的形状和大小各异,并且种类众多,其分类大致如图3-2所示。
最右侧舵机为标准多级,中间两个为微型舵机,左侧为大扭矩舵机,它们控制方式相同,都是三线制,即一根电源线,一根地线,一根信号线,如图3-3所示。
图3-2常见舵机的分类
图3-3舵机线路示意图
除了大小和重量之外,舵机还有两个重要的指标,即扭力和转速,这是由舵机内部减速齿轮的结构决定的。
在供电电压是5V的情况下,标准舵机扭力为5.5kg/cm,标准转速为0.2s/60°。
舵机的控制信号是一种简单的脉宽调制信号,可以轻松地使用控制器或者模拟电路发出这种信号。
舵机控制信号周期为20ms,脉冲宽度0.5-2.5ms[23],线性对应舵盘0-180度,信号图如图3-4所示。
图3-4舵机控制信号图
3.2主控制器选择
在本设计的功能实现过程中,不但需要进行数字信号的处理,还需要进行数字运算和逻辑控制,主控制的实现有如下几种方案可供选择:
第一种方案是使用DSP作为系统的主控制器,DSP也称数字信号处理器,能实现该系统中各模块之间的调度和运算。
DSP在一般的微控制器基础上集成了专门的乘法器电路,更适合进行大规模的高速数字运算,通常使用在音频、视频信号处理等需要大规模实时运算的地方。
但是,因为DSP可进行专门的数字运算,所以其价格也比一般为控制器要高,在对运算量和运算时间要求不是很高的情况下,一般来说,微控制器即可满足要求。
第二种方案是采用FPGA[24]作为主控制器。
FPGA的全称是现场可编程门阵列,它是由可配置逻辑块组成的数字集成电路,这些逻辑块间用可配置的资源互连,通过对其中资源连线的配置实现开发者想要的一些效果。
FPGA既可以像底层电路设计一样简单易懂,也具有嵌入式开发的灵活性,可以方便功能的修改和升级。
但是FPGA是新兴产品,开发资料较少,且各生产厂家的器件和编译器下载器无法通用,因此开发难度较大。
并且,FPGA适合各类单纯的数字逻辑控制运算电路,其最大的优势就是可以进行并行计算,虽然主频不如微控制器高,但是大规模并行计算从侧面提高了FPGA的数字处理能力。
但是,FPGA更侧重于硬件描述,其编程较为复杂。
第三种方案是采用单片机作为主控制器。
单片机的结构和通用计算机的CPU是类似的,都具有处理器、存储器等部件[25],我们可以将其视为一款低端的、可以进行底层编程扩展的通用CPU。
它们的区别只在于通用电脑的CPU位数更高,运算频率更快。
单片机编程灵活,适合进行逻辑运算。
并且根据几十年的发展,单片机的资料丰富,开发较为简单。
根据本设计的功能要求,并结合各种开发方式的特点,我选择使用单片机作为本次设计的主控制器。
一般来说,个人计算器强调的是通用性,重点在于其操作系统与交互界面。
而单片机的主要优势则是其编程灵活方便,可以随意根据开发者的需要进行修改、编程。
单片机的应用非常广泛,从工农业生产到儿童玩具制造都有单片机的身影,例如汽车发动机控制系统、医疗设备、办公机器、家用电器等。
单片机的制造和生产不仅受到设计的限制,更多的是微电子方面的制造工艺难以满足。
最初的单片机只有4位运算能力,且主频和内存都不如现在的单片机。
现在单片机经过8位、16位已经发展到了32位的时代[26],并且其运算速度在逐渐提高。
在发展过程中,单片机集成了越来越多的通用输入输出口、中断系统、定时计数器、各种通信总线、模数转换等模块。
目前,单片机种类繁多,结合本设计功能的需求,我选择了8位STC89C52单片机。
相对于性能强大的32位单片机,本设计选择的STC89C52单片机所要求的外围电路简单,易于实现制作。
常见的40脚双列直插的封装[27],使得此设计可以直接在万用板上手工完成焊接,而不用专门印制电路板。
此款单片机是单片机家族中应用较广泛的一款,经过多年发展,资料丰富,入门学习方便。
最重要的是,本设计要求实现的功能,并不需要复杂的通信接口以及中断系统等片上集成资源,而所选型号单片机片内集成的定时计数器以及通用输入输出管脚已经足够,因此我最终选择了该型号的单片机来完成设计。
STC89C52单片
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