论文部分内容阅读
【摘 要】本文介绍了基于AVR系列单片机-ATmega168的控制器的设计，以及机械手整体结构的组成设计。机械系统的设计采用模块化的设计方案，即将功能分解，降低模块之间的耦合性。控制系统分为硬件控制系统和软件控制系统。硬件控制系统主要是由6路伺服电机、金属支架组件以及控制器构成。软件控制系统采用VB编写的上位机软件进行实时控制。
【关键词】ATmega168；伺服电机；自由度；模块化
一、机械系统的设计
系统的设计采用模块化的方法，模块式机械手是将一些通用部件，根据作业的要求，选择必要的功能完成预定机能的单元部件，以基座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。（1）机器人手部设计。机器人的手爪又称为末端执行器，是直接用于抓取和握紧专用工具（如喷枪、扳手、焊具等）并进行操作的部件，大致可分为夹钳式、吸附式。考虑到机器人主要抓取工件，因此采用夹钳式手爪。手爪的电机采用Micro STD伺服电机，电机尺寸：28x14x29.8mm，重量：18g，速度：0.13sec/60°，输出力矩：1.8kg·cm。（2）机器人手臂设计。手臂的由4个伺服电机组成，通过对伺服电机的控制，实现手臂在各个方向上不同位置的变化。手臂电机采用金属齿轮伺服电机，电机尺寸为：40.4×19.8×36mm，重量：48g，速度：0.22sec/60°，输出力矩：13kg·cm。（3）机器人手腕设计。为了方便对工件的夹持，手腕部的回转设计能够更好的完成对工件的夹持。手腕的电机采用Micro STD 伺服电机，电机尺寸：28x14x29.8mm，重量：18g，速度：0.13sec/60°，输出力矩：1.8kg·cm。（4）机器人底座设计。底座采用合金压铸，为整个手臂配重，从而保证其运行的必需的稳定性，底座下圆直径为220mm，上圆直径为170mm。（5）机械手相关参数。工作电压：电机4.8V～6V，控制器6V～12V，工作电流：1.2A～3A，搬运负载：200g～500g。（6）舵机的控制原理。舵机英文称servo，也称伺服机，标准舵机有三条引线，分别为电源线VCC、地线GND和控制信号线，舵机的控制信号也是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置，舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系为：其脉冲宽度在0.5ms～2.5ms变化时，舵机输出轴转角在0°～180°变化。
二、控制器的设计
控制器以ATmega168单片机为主控制器，采用双电源供电（6V～12V单片机供电，4.8V～6V伺服电机供电）。通过串口和电脑或其他单片机进行通讯。单片机电源：电路板正面设计了三个电源输入口，中间的为单片机的电源输入。伺服电机电源：两侧分别供应16路伺服电机。输入电压在4.8V～6V之间。上侧的伺服电机电源为1～16路伺服电机供电；下侧的伺服电机电源为17～32路电机供电，6自由度机械手只使用6路，故单侧电源便可满足供电需求。本设计使用1～6路便足以实现对机械手的控制。硬件连接为：ATmega128控制芯片连接到74HC595，74hc595可以实现串行到并行数据的转换，经过并行输出端Q0-Q5实现对伺服电机M0-M5的控制。
三、VB控制软件的设计
（1）端口的连接和设置。选择使用的串口，电脑将通过设置好的端口与控制器通讯。设置界面如下：可以对端口、比特率、数据位、停止位、奇偶校验、流控制进行选择设置。（2）通道的控制。设计了多路伺服电机控制器，机器手臂从上向下6个伺服电机按顺序编号为1～6。分别对应从手爪到底盘的6个伺服电机，拖动1～6的任一个数值拖动条。这个数值的变化规律就是500～2500之间。数值1500是归零的状态。最小值是500，则为0度，最大值为2500，此时为180度。精度为180/（2500-500）=0.09度。复选框选中时，数值条为有效状态，否则为禁止状态。（3）速度调节。速度调节控制着每个伺服电机的转动速度。系统默认为300为佳，数值调太大会影响机器手臂的使用寿命。
根据任务拟定了机器人的技术参数、运动形式、驱动方案、传动方案、控制系统方案等。并且按照模块化的设计方法，将机器人分为基座、手臂、手腕和手部四个模块，并且通过数次实验验证了方案的可行性。对机械手控制器进行设计。通过AVR单片机-ATmega168，实现对伺服电机的控制，进而实现关节的控制，完成了在6个自由度上产生位移量的实现。设计了控制系统的软件方案，监控软件采用图形化语言软件VB，实现了上位机对伺服电机以及金属支架组成的机械手的控制。
参 考 文 献
[1]孟庆新，王晓东.机器人技术基础[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006：22～47
[2]丹尼斯，欧文斯，张慧慧.机器人设计与控制[M].北京：科学出版社，2004：93～117
[3]霍宏伟，牛延超，黄吉莹.ATmega128单片机原理与高级应用[M].北京：中国林业出版社，2006：353～390
【关键词】ATmega168；伺服电机；自由度；模块化
一、机械系统的设计
系统的设计采用模块化的方法，模块式机械手是将一些通用部件，根据作业的要求，选择必要的功能完成预定机能的单元部件，以基座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。（1）机器人手部设计。机器人的手爪又称为末端执行器，是直接用于抓取和握紧专用工具（如喷枪、扳手、焊具等）并进行操作的部件，大致可分为夹钳式、吸附式。考虑到机器人主要抓取工件，因此采用夹钳式手爪。手爪的电机采用Micro STD伺服电机，电机尺寸：28x14x29.8mm，重量：18g，速度：0.13sec/60°，输出力矩：1.8kg·cm。（2）机器人手臂设计。手臂的由4个伺服电机组成，通过对伺服电机的控制，实现手臂在各个方向上不同位置的变化。手臂电机采用金属齿轮伺服电机，电机尺寸为：40.4×19.8×36mm，重量：48g，速度：0.22sec/60°，输出力矩：13kg·cm。（3）机器人手腕设计。为了方便对工件的夹持，手腕部的回转设计能够更好的完成对工件的夹持。手腕的电机采用Micro STD 伺服电机，电机尺寸：28x14x29.8mm，重量：18g，速度：0.13sec/60°，输出力矩：1.8kg·cm。（4）机器人底座设计。底座采用合金压铸，为整个手臂配重，从而保证其运行的必需的稳定性，底座下圆直径为220mm，上圆直径为170mm。（5）机械手相关参数。工作电压：电机4.8V～6V，控制器6V～12V，工作电流：1.2A～3A，搬运负载：200g～500g。（6）舵机的控制原理。舵机英文称servo，也称伺服机，标准舵机有三条引线，分别为电源线VCC、地线GND和控制信号线，舵机的控制信号也是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置，舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系为：其脉冲宽度在0.5ms～2.5ms变化时，舵机输出轴转角在0°～180°变化。
二、控制器的设计
控制器以ATmega168单片机为主控制器，采用双电源供电（6V～12V单片机供电，4.8V～6V伺服电机供电）。通过串口和电脑或其他单片机进行通讯。单片机电源：电路板正面设计了三个电源输入口，中间的为单片机的电源输入。伺服电机电源：两侧分别供应16路伺服电机。输入电压在4.8V～6V之间。上侧的伺服电机电源为1～16路伺服电机供电；下侧的伺服电机电源为17～32路电机供电，6自由度机械手只使用6路，故单侧电源便可满足供电需求。本设计使用1～6路便足以实现对机械手的控制。硬件连接为：ATmega128控制芯片连接到74HC595，74hc595可以实现串行到并行数据的转换，经过并行输出端Q0-Q5实现对伺服电机M0-M5的控制。
三、VB控制软件的设计
（1）端口的连接和设置。选择使用的串口，电脑将通过设置好的端口与控制器通讯。设置界面如下：可以对端口、比特率、数据位、停止位、奇偶校验、流控制进行选择设置。（2）通道的控制。设计了多路伺服电机控制器，机器手臂从上向下6个伺服电机按顺序编号为1～6。分别对应从手爪到底盘的6个伺服电机，拖动1～6的任一个数值拖动条。这个数值的变化规律就是500～2500之间。数值1500是归零的状态。最小值是500，则为0度，最大值为2500，此时为180度。精度为180/（2500-500）=0.09度。复选框选中时，数值条为有效状态，否则为禁止状态。（3）速度调节。速度调节控制着每个伺服电机的转动速度。系统默认为300为佳，数值调太大会影响机器手臂的使用寿命。
根据任务拟定了机器人的技术参数、运动形式、驱动方案、传动方案、控制系统方案等。并且按照模块化的设计方法，将机器人分为基座、手臂、手腕和手部四个模块，并且通过数次实验验证了方案的可行性。对机械手控制器进行设计。通过AVR单片机-ATmega168，实现对伺服电机的控制，进而实现关节的控制，完成了在6个自由度上产生位移量的实现。设计了控制系统的软件方案，监控软件采用图形化语言软件VB，实现了上位机对伺服电机以及金属支架组成的机械手的控制。
参 考 文 献
[1]孟庆新，王晓东.机器人技术基础[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006：22～47
[2]丹尼斯，欧文斯，张慧慧.机器人设计与控制[M].北京：科学出版社，2004：93～117
[3]霍宏伟，牛延超，黄吉莹.ATmega128单片机原理与高级应用[M].北京：中国林业出版社，2006：353～390