PAGEPAGE22六自由度機械臂自動取書裝置制作者：孔超指導教師：朱弘峰【內容摘要】：本文分析介紹了六自由度機械臂自動取書裝置的設計，包括工作原理、各個模塊的的設計，重點分析了技術方案，在項目制作過程中遇到的難點，編程的設計。【關鍵詞】：六自由度、機械臂、編程項目背景及意義該項目來源于我們的日常生活的發現，在圖書館的日常管理中，我們發現當我們想借閱書本時，往往先通過系統查找自己想要借閱的書籍，然后去書庫按照號碼來尋找，但在尋找的過程中，有時會出現找不到書，或者廢了好大勁才找到，我們發現人工取書并不能很好的滿足圖書借閱人的日常需求，因此亟需一個圖書館自動取書裝置，來實現書籍借閱的自動化。在國內外，自動取書裝置還不夠完善，最先近的德國也只是實現了書籍的自動傳送，并沒有涉及從書架取書的自動化裝置。該裝置能完成的任務有能夠分辨不同的書籍；將指定的書籍從書架中取出以及把取出的書放在籃子里的一系列動作。工作原理六自由度機械臂自動取書裝置的工作原理是由攝像頭采集圖像信號并傳遞給單片機，由單片機對圖像信號進行處理，分辨出不同的書，然后控制機械臂上的舵機執行夾持書本的動作，最后將書放到指定位置。模塊設計六自由度機械臂自動取書裝置分為機械臂模塊和攝像頭探測模塊，由單片機連接并控制。圖1原理圖機械臂模塊：由6個舵機和一個手抓組成。負責夾持書本的執行，由單片機予以控制。單片機：負責對攝像頭信號的處理和對機械手的控制。攝像頭：負責對不同書本的信號采集，并將信號傳給單片機。圖2電氣原理圖圖3程序流程圖機構原理圖4六自由度機械臂結構原理圖如圖4所示，基座和滑臺組成一個移動副A，它們能夠沿直線相對滑動；B是一個旋轉副，在X-Y平面進行旋轉；C是一個旋轉副，在X-Z平面進行旋轉；D是一個旋轉副，在X-Z平面內進行旋轉；E是一個旋轉副，在Y-Z平面進行旋轉；F是一個旋轉副，在X-Z平面進行旋轉；G是一個旋轉副，在Y-Z平面進行旋轉。四、驅動原理1.電動滑臺1)簡介：電動滑臺是直線滑臺的一種，工業上又常稱為電動缸，線性模組等，由直線滑臺與馬達驅動的結合構成。（我們采用的事步進電機馬達驅動）通過馬達驅動實現帶動工件自動線性運動。通過多方向軸的組合，組成設備上的運動執行機構，這種機構常被稱為：工業機械手、XYZ軸機械手、坐標軸滑臺等。2)電動滑臺的主要特點可以從4個主要參數表現出來：（1）精度：不同行業的對電動滑臺精度要求不同，所以沒有具體對電動滑臺精度的規定，可以按照大型機床設備，和中小型機床來對精度進行分級。大型的機床一般精度在1米1絲上下。中小型機床設備對精度要求一般高于0.1mm。（2）速度：電動滑臺的速度一般使用時均小于理論值，因為其速度主要受到電動滑臺上的負載影響，同時如果在生產過程中只最求速度，精度也會受到影響而下降。（3）負載：負載是主要影響電動滑臺的精度和速度的主要元素之一。（4）行程：有效行程是指電動滑臺上的滑塊能滑動的有效路徑長度。越長的電動滑臺，負載帶來的負面影響就越大。3)電動滑臺采用不同傳動方式的區別：（1）齒輪傳動：1.因為是齒咬合，存在反向間隙；2.精度的一至性很難保證；3.運行速度較低；4.長時間運行機械磨損較大；5.齒間咬合振動較大，容易造成軸承磨損，旋轉軸斷裂，且噪音較大；6.維護較多。（2）同步帶傳動：同步帶式：電動滑臺的傳動方式由皮帶和直線導軌輔助完成。1.剛性差；2.容易磨損，斷裂；3.精度較低；4.推力小等。（3）絲桿傳運：滾珠螺桿式：電動滑臺的傳動方式由滾珠螺桿，和直線導軌輔助完成。1.行程較短；2.速度較慢；3.高精度絲桿貨期漫長，且全行程精度一至性難保證等。4）結構：由于不同的規格影響著電動滑臺不同的結構發展，因此不能在電動滑臺的規格上統一結構。但是從結構上可以分外部結構和內部結構。（1）電動滑臺的外部結構分為：開放式和封閉式。開放式：電動滑臺的受力部分主要集中在中下部和兩側，將其傳動部分裸露在外。封閉式：電動滑臺的受力部分主要集中在外部材料，將其傳動部分封閉起來。（2）電動滑臺與馬達的連接方式分為：間接式和直接式兩種。（3）動力源一般選擇步進電機和伺服馬達，具體根據實際需求選定。5）總結我們采用封閉式的電動滑臺，因為需要外部受力，所以我們把傳動部分封閉起來，我們采用電動滑臺和馬達進行直接連接，動力源我們采用步進電機。如圖所示(我們做了簡單的示意圖)：圖5A是步進電機；B是電動滑臺2.步進電機1）介紹步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。圖6步進電機2)基本原理（1）工作原理通常電機的轉子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。下面我們用一個四相步進電機來說明步進電機工作原理：該步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。如圖所示是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。圖7四相步進電機原理圖開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a、b、c所示：A.單四拍B.八拍C.雙四拍（2）發熱原理通常見到的各類電機，內部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會產生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應，在交變磁場中也會產生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發熱的形式表現出來，從而影響電機的效率。步進電機一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉速而變化，因而步進電機普遍存在發熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。3）主要構造步進電機也叫步進器，它利用電磁學原理，將電能轉換為機械能，人們早在20世紀20年代就開始使用這種電機。隨著嵌入式系統(例如打印機、磁盤驅動器、玩具、雨刷、震動尋呼機、機械手臂和錄像機等)的日益流行，步進電機的使用也開始暴增。不論在工業、軍事、醫療、汽車還是娛樂業中，只要需要把某件物體從一個位置移動到另一個位置，步進電機就一定能派上用場。步進電機有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸為兩類：可變磁阻步進電機和永磁步進電機。步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。圖8步進電機構造4）優勢與缺陷優點1、電機旋轉的角度正比于脈沖數；2、電機停轉的時候具有最大的轉矩（當繞組激磁時）；3、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復性；4、優秀的起停和反轉響應；5、由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；6、電機的響應僅由數字輸入脈沖確定，因而可以采用開環控制，這使得電機的結構可以比較簡單而且控制成本；7、僅僅將負載直接連接到電機的轉軸上也可以極低速的同步旋轉；8、由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉速范圍。缺陷1、如果控制不當容易產生共振；2、難以運轉到較高的轉速；3、難以獲得較大的轉矩；4、在體積重量方面沒有優勢，能源利用率低；5、超過負載時會破壞同步，高速工作時會發出振動和噪聲。5）驅動方法步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅動器，它由脈沖發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。驅動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口。6）驅動要求1、能夠提供較快的電流上升和下降速度，使電流波形盡量接近矩形。具有供截止期間釋放電流流通的回路，以降低繞組兩端的反電動勢，加快電流衰減。2、具有較高韻功率及效率。步進電機驅動器，它是把控制系統發出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移，或者說：控制系統每發一個脈沖信號，通過驅動器就使步進電機旋轉一個步距角。也就是說步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。所以控制步進脈沖信號的頻率，就可以對電機精確調速；控制步進脈沖的個數，就可以對電機精確定位。步進電機驅動器有很多，應以實際的功率要求合理的選擇驅動器。7)電機選擇步進電機有步距角（涉及到相數）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。1、步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度（三相電機）等。2、靜力矩的選擇步進電機的動態力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。3、電流的選擇靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流。3.舵機1）概述舵機也叫伺服電機，最早用于船舶上實現其轉向功能，由于可以通過程序連續控制其轉角，因而被廣泛應用智能小車以實現轉向以及機器人各類關節運動中。舵機是小車轉向的控制機構，具有體積小、力矩大、外部機械設計簡單、穩定性高等特點，無論是在硬件設計還是軟件設計，舵機設計是小車控制部分重要的組成部分。2）舵機組成一般來講，舵機主要由以下幾個部分組成，舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路等，如圖6、圖7所示。圖9舵機的組成示意圖圖10舵機組成舵機的輸入線共有三條，如圖6所示，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線，這輛根線給舵機提供最基本的能源保證，主要是電機的轉動消耗。電源有兩種規格，一是4.8V，一是6.0V，分別對應不同的轉矩標準，即輸出力矩不同，6.0V對應的要大一些，具體看應用條件；另外一根線是控制信號線，Futaba的一般為白色，JR的一般為桔黃色。另外要注意一點，SANWA的某些型號的舵機引線電源線在邊上而不是中間，需要辨認。但記住紅色為電源，黑色為地線，一般不會搞錯。圖11舵機輸出線3）舵機工作原理控制電路板接受來自信號線的控制信號，控制電機轉動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板根據所在位置決定電機轉動的方向和速度，從而達到目標停止。其工作流程為：控制信號→控制電路板→電機轉動→齒輪組減速→舵盤轉動→位置反饋電位計→控制電路板反饋。流，才可發揮舵機應有的性能。舵機的控制信號周期為20MS的脈寬調制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5-2.5MS,相對應的舵盤位置為0－180度，呈線性變化。也就是說，給他提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持一定對應角度上，無論外界轉矩怎么改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應位置上如圖7所求。舵機內部有一個基準電路，產生周期為20MS，寬度1.5MS的基準信號，有一個比出較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而生產電機的轉動信號。由此可見，舵機是一種位置伺服驅動器，轉動范圍不能超過180度，適用于那些需要不斷變化并可以保持的驅動器中，比如說機器人的關節、飛機的舵面等。圖12舵機輸出轉角與輸入脈沖的關系4)舵機選購市場上的舵機有塑料齒、金屬齒、小尺寸、標準尺寸、大尺寸，另外還有薄的標準尺寸舵機，及低重心的型號。小舵機一般稱為微型舵機，扭力都比較小，市面上2.5g，3.7g，4.4g，7g，9g等舵機指的是舵機的重量分別是多少克，體積和扭力也是逐漸增大。微型舵機內部多數都是塑料齒，9g舵機有金屬齒的型號，扭力也比塑料齒的要大些。futabaS3003，輝盛MG995是標準舵機，體積差不多，但前者是塑料齒，后者金屬齒，兩者標稱的扭力也差很多。春天sr403p，DynamixelAX-12+是機器人專用舵機，不同的是前者是國產，后者是韓國產，兩者都是金屬齒標稱扭力13kg以上，但前者只是改改樣子的模擬舵機，后者則是RS485串口通信，具有位置反饋，而且還具有速度反饋與溫度反饋功能的數字舵機，兩者在性能和價格上相差很大。除了體積，外形和扭力的不同選擇，舵機的反應速度和虛位也要考慮，一般舵機的標稱反應速度常見0.22秒/60°，0.18秒/60°，好些的舵機有0.12秒/60°等的，數值小反應就快。廠商所提供的舵機規格資料，都會包含外形尺寸(mm)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60°)、測試電壓(V)及重量(g)等基本資料。扭力的單位是kg/cm，意思是在擺臂長度1公分處，能吊起幾公斤重的物體。這就是力臂的觀念，因此擺臂長度愈長，則扭力愈小。速度的單位是sec/60°，意思是舵機轉動60°所需要的時間。電壓會直接影響舵機的性能，例如FutabaS-9001在4.8V時扭力為3.9kg/cm、速度為0.22秒/60°，在6.0V時扭力為5.2kg/cm、速度為0.18秒/60°。若無特別注明，JR的舵機都是以4.8V為測試電壓，Futaba則是以6.0V作為測試電壓。速度快、扭力大的舵機，除了價格貴，還會伴隨著高耗電的特點。因此使用高級的舵機時，務必搭配高品質、高容量的電池，能提供穩定且充裕的。現在市面上的舵機魚龍混雜，總體來說仿品不如正品，便宜的不如貴的，塑料齒的不如金屬齒的，老的不如新的，國內的不如外國的等等，大家不必過于追求極致，根據自身購買力選擇夠用的就行。五、控制原理1、步進電機的控制系統（1）系統框圖系統框圖如圖10所示,其以8751單片機為核心構成控制電路,主要部件有:鎖存器、計數/定時器8253和并行I/O接口8255.該系統以并行方式控制步進電機,用8751中的Pl口,P1.0-P112直接控制三相反應式步進電機各相驅動電路.步進電機驅動脈沖環形分配器的功能由單片機系統實現完成.通過鎖存器和8255A并行口擴展芯片,構成功能鍵盤和數碼管顯示,完成啟動、停止,顯示轉動的角度及角速度等功能.利用計數器/定時器芯片8253控制延時時間,進一步控制步進電機的轉速,并能實現步進電機的往復運動。圖13系統框圖（2）系統軟件系統軟件程序功能的主要任務是控制步進電機的啟動、按順序發出控制命令、判斷步進電機是否到達極限位置、控制步進電機的轉向和運行速度的變化等.1)用軟件實現環形分配器功能由系統實現脈沖分配器功能的方式大致有兩種:一是純軟件方法,即完全由軟件編程來實現相序的分配,直接輸出各相導通或截止的信號,其主要有寄存器移位法、制斷法和緩沖區查表法;二是軟硬件結合的方法,單片機向可編程接口芯片輸出控制信號數據,再由可編程接口芯片輸出步進電機的各相導通或截止的控制信號.該系統采用查表法,根據步進電機勵磁狀態轉換,求出所需的環形分配器的輸出狀態,并以二進制碼的形式依次存入8751單片機內部的EPROM中.然后按照地址的正向或反向順序依次取出地址的狀態字,送給P1口輸出各勵磁狀態,經放大電路驅動步進電機,從而實現環形分配器的功能.該系統采用的是57BYG-070型三相反應型三相混合型步進電機.以三相單三拍為例,其狀態表見表l.其中,“1”代表高電平,表示驅動的磁極繞組通電;“0”代表低電平,表示驅動的磁極繞組不通電.由表1可見,輸出端數據線上輸出的是地址中的狀態字,實際上也就對應著一種勵磁方式.不同的勵磁方式,地址中的狀態字亦不同.例如:將01H送到P1口,表示A相通電,其余相不通電,使步進電機表1三相步進電機環形分配器存儲狀態表前進一個步距角.可見通過改變狀態表中的內容,就可以實現不同的工作方式。2)轉速控制控制步進電機的運行速度,實際上是控制系統發出時鐘脈沖的頻率或換相的周期,即在升速過程中,使脈沖的輸出頻率逐漸增加,在減速過程中,使脈沖的輸出頻率逐漸減少.脈沖信號的頻率可用軟件延時和硬件中斷兩種方法來確定.采用軟件延時,一般是根據所需的時間常數來設計一個子程序,該程序包含一定的指令.對這些指令的執行時間需進行嚴密的計算或者精確的測試,以便確定延時時間是否符合要求.每當延時子程序結束后,可以執行下面的操作,也可用輸出指令輸出一個信號作為定時輸出.采用軟件定時,CPU一直被占用,因此CPU利用率較低.可編程的硬件定時器,直接對系統時鐘脈沖或某一固定頻率的時鐘脈沖進行計數,計數值則由編程決定.當計數到預定的脈沖數時,產生中斷信號,得到所需的延時時間或定時間隔.由于計數的初始值由編程決定,因而在不改動硬件的情況下,只需通過程序的變化即可滿足不同的定時和計數要求,使用很方便。該系統中采用8253定時器[2],該定時器為16位減法計數器,選用8253定時器0,工作方式0.在這種工作方式中,計數器在減為零時,其輸出端OUT變為高電平,向CPU發出中斷申請,CPU用外部中斷INT0接受中斷申請后,重置定時器的初值并進入中斷服務子程序,即正向運行控制程序或反向運行控制程序，向P1口送出狀態表中的某一狀態字,控制步進電機運動.每產生一次中斷,向n口送出一次控制指令,通過不斷改變定時時間即定時器的初值,控制中斷的時間,來改變狀態表中狀態字的頻率,即改變指針查表的移動頻率,從而實現變速控制.工作流程圖如圖11所示。3)正、反向控制對于三相單三拍工作方式而言,正向運動只需利用指針,把狀態表中的內容按照地址00H-02H的順序依次反復送出P1口.步進電機的各相通電順序為A-B-C-A-,反復循環就能實現步進電機的正向運動.反向運動時,送出狀態表中狀態字的順序正好與正向運動相反,即步進電機的各相通電順序為C-B-A-,實現步進電機的反向運動.在這種控制方式中,將正向運行程序模塊和反向運行程序模塊作為中斷服務程序,需要實現怎樣的運動,主程序便調用相應的服務程序,從而實現正、反向運動的控制.程序框圖如圖12、圖13所示：圖14工作流程圖圖15正向運行程序框圖圖16反向程序運行框圖4)步進電機驅動電路該系統以單片機的I/0口8255A口,作為單片機與步進電機的接口.由于A口驅動能力有限,而被控制的步進電機要求高電壓和大電流,所以在A口之后必須加一個驅動電路.圖14所示為步進電機的驅動電路.圖14中僅為一相的驅動電路,其余兩相與之相同。圖17步進電機驅動電路在圖14中,三極管T1起開關作用.當三極管截止時,無集電極電流流通,開關相當于斷開;當三極管飽和時,流過的集電極電流最大,開關相當于閉合,該開關“動作”可由加于基極的電流來控制.由T2、T3兩個三極管組成達林頓式功放電路,驅動步進電機的3個繞組,使電機繞組的靜態電流達到近2A.電路中使用光電耦合器將控制和驅動信號隔離.當控制輸入信號為低電平時,T1截止,輸出高電平,則紅外發光二極管截止,光敏三極管不導通,因此繞組中無電流流過;當輸入信號為高電平時,T1飽和導通,于是紅外發光二極管被點亮,使光敏三極管導通,向功率驅動級晶體管提供基極電流,使其導通,繞組被通以電流。2、舵機控制系統可以使用FPGA、模擬電路、單片機來產生舵機的控制信號，但FPGA成本高且電路復雜。對于脈寬調制信號的脈寬變換，常用的一種方法是采用調制信號獲取有源濾波后的直流電壓，但是需要50Hz(周期是20ms)的信號，這對運放器件的選擇有較高要求，從電路體積和功耗考慮也不易采用。5mV以上的控制電壓的變化就會引起舵機的抖動，對于機載的測控系統而言，電源和其他器件的信號噪聲都遠大于5mV，所以濾波電路的精度難以達到舵機的控制精度要求。也可以用單片機作為舵機的控制單元，使PWM信號的脈沖寬度實現微秒級的變化，從而提高舵機的轉角精度。單片機完成控制算法，再將計算結果轉化為PWM信號輸出到舵機，由于單片機系統是一個數字系統，其控制信號的變化完全依靠硬件計數，所以受外界干擾較小，整個系統工作可靠。單片機系統實現對舵機輸出轉角的控制，必須首先完成兩個任務：首先是產生基本的PWM周期信號，本設計是產生20ms的周期信號；其次是脈寬的調整，即單片機模擬PWM信號的輸出，并且調整占空比。當系統中只需要實現一個舵機的控制，采用的控制方式是改變單片機的一個定時器中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執行，一次短定時中斷和一次長定時中斷。這樣既節省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系統工作效率和控制精度都很高。具體的設計過程：例如想讓舵機轉向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時在控制口發送高電平，然后設置定時器在2ms后發生中斷，中斷發生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時間改為18ms，再過18ms進入下一次定時中斷，再將控制口改為高電平，并將定時器初值改為2ms，等待下次中斷到來，如此往復實現PWM信號輸出到舵機。用修改定時器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調整時間段的寬度便可使伺服機靈活運動。為保證軟件在定時中斷里采集其他信號，并且使發生PWM信號的程序不影響中斷程序的運行(如果這些程序所占用時間過長，有可能會發生中斷程序還未結束，下次中斷又到來的后果)，所以需要將采集信號的函數放在長定時中斷過程中執行，也就是說每經過兩次中斷執行一次這些程序，執行的周期還是20ms。軟件流程如圖15所示。圖18產生PWM信號的軟件流程如果系統中需要控制幾個舵機的準確轉動，可以用單片機和計數器進行脈沖計數產生PWM信號。脈沖計數可以利用51單片機的內部計數器來實現，但是從軟件系統的穩定性和程序結構的合理性看，宜使用外部的計數器，還可以提高CPU的工作效率。實驗后從精度上考慮，對于FUTABA系列的接收機，當采用1MHz的外部晶振時，其控制電壓幅值的變化為0.6mV，而且不會出現誤差積累，可以滿足控制舵機的要求。最后考慮數字系統的離散誤差，經估算誤差的范圍在±0.3%內，所以采用單片機和8253、8254這樣的計數器芯片的PWM信號產生電路是可靠的。圖16是硬件連接圖。圖19PWA信號的計數和輸出電路基于8253產生PWM信號的程序主要包括三方面內容：一是定義8253寄存器的地址，二是控制字的寫入，三是數據的寫入。軟件流程如圖17所示，具體代碼如下。當系統的主要工作任務就是控制多舵機的工作，并且使用的舵機工作周期均為20ms時，要求硬件產生的多路PWM波的周期也相同。使用51單片機的內部定時器產生脈沖計數，一般工作正脈沖寬度小于周期的1/8，這樣可以在1個周期內分時啟動各路PWM波的上升沿，再利用定時器中斷T0確定各路PWM波的輸出寬度，定時器中斷T1控制20ms的基準時間。第1次定時器中斷T0按20ms的1/8設置初值，并設置輸出I/O口，第1次T0定時中斷響應后，將當前輸出I/O口對應的引腳輸出置高電平，設置該路輸出正脈沖寬度，并啟動第2次定時器中斷，輸出I/O口指向下一個輸出口。第2次定時器定時時間結束后，將當前輸出引腳置低電平，設置此中斷周期為20ms的1/8減去正脈沖的時間，此路PWM信號在該周期中輸出完畢，往復輸出。在每次循環的第16次(2×8=16)中斷實行關定時中斷T0的操作，最后就可以實現8路舵機控制信號的輸出。也可以采用外部計數器進行多路舵機的控制，但是因為常見的8253、8254芯片都只有3個計數器，所以當系統需要產生多路PWM信號時，使用上述方法可以減少電路，降低成本，也可以達到較高的精度。調試時注意到由于程序中脈沖寬度的調整是靠調整定時器的初值，中斷程序也被分成了8個狀態周期，并且需要嚴格的周期循環，而且運行其他中斷程序代碼的時間需要嚴格把握。在實際應用中，采用51單片機簡單方便地實現了舵機控制需要的PWM信號。對機器人舵機控制的測試表明，舵機控制系統工作穩定，PWM占空比(0.5～2.5ms的正脈沖寬度)和舵機的轉角(-90°～90°)線性度較好。六、視覺處理原理機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是指通過機器視覺產品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。1）概述機器視覺（Machinevision）機器視覺系統的特點是提高生產的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業的危險工作環境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業生產過程中，用人工視覺檢查產品質量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產效率和生產的自動化程度。而且機器視覺易于實現信息集成，是實現計算機集成制造的基礎技術。正是由于機器視覺系統可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設計信息以及加工控制信息集成，因此，在現代自動化生產過程中，人們將機器視覺系統廣泛地用于工況監視、成品檢驗和質量控制等領域。2）基本構造一個典型的工業機器視覺系統包括：光源、鏡頭、相機（包括CCD相機和COMS相機）、圖像處理單元（或圖像捕獲卡）、圖像處理軟件、監視器、通訊/輸入輸出單元等。系統可再分為：主端電腦（HostComputer）、影像擷取卡（FrameGrabber）與影像處理器、影像攝影機、CCT鏡頭、顯微鏡頭、照明設備、Halogen光源、LED光源、高周波螢光燈源、閃光燈源、其他特殊光源、影像顯示器、LC機構及控制系統、PLC、PC-Base控制器、精密桌臺、伺服運動機臺。工作原理機器視覺檢測系統采用CCD照相機將被檢測的目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號，圖像處理系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，如面積、數量、位置、長度，再根據預設的允許度和其他條件輸出結果，包括尺寸、角度、個數、合格/不合格、有/無等，實現自動識別功能。圖20工作原理機器視覺系統的典型結構照明照明是影響機器視覺系統輸入的重要因素，它直接影響輸入數據的質量和應用效果。由于沒有通用的機器視覺照明設備，所以針對每個特定的應用實例，要選擇相應的照明裝置，以達到最佳效果。光源可分為可見光和不可見光。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。可見光的缺點是光能不能保持穩定。如何使光能在一定的程度上保持穩定，是實用化過程中急需要解決的問題。另一方面，環境光有可能影響圖像的質量，所以可采用加防護屏的方法來減少環境光的影響。照明系統按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結構光和頻閃光照明等。其中，背向照明是被測物放在光源和攝像機之間，它的優點是能獲得高對比度的圖像。前向照明是光源和攝像機位于被測物的同側，這種方式便于安裝。結構光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據它們產生的畸變，解調出被測物的三維信息。頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，攝像機拍攝要求與光源同步。鏡頭FOV（FieldOfVision）=所需分辨率*亞象素*相機尺寸/PRTM（零件測量公差比）鏡頭選擇應注意：①焦距②目標高度③影像高度④放大倍數⑤影像至目標的距離⑥中心點/節點⑦畸變相機按照不同標準可分為：標準分辨率數字相機和模擬相機等。要根據不同的實際應用場合選不同的相機和高分辨率相機：線掃描CCD和面陣CCD；單色相機和彩色相機。圖像采集卡圖像采集卡只是完整的機器視覺系統的一個部件，但是它扮演一個非常重要的角色。圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口：黑白、彩色、模擬、數字等等。比較典型的是PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以將圖像迅速地傳送到計算機存儲器進行處理。有些采集卡有內置的多路開關。例如，可以連接8個不同的攝像機，然后告訴采集卡采用那一個相機抓拍到的信息。有些采集卡有內置的數字輸入以觸發采集卡進行捕捉，當采集卡抓拍圖像時數字輸出口就觸發閘門。視覺處理器視覺處理器集采集卡與處理器于一體。以往計算機速度較慢時，采用視覺處理器加快視覺處理任務。現在由于采集卡可以快速傳輸圖像到存儲器，而且計算機也快多了，所以現在視覺處理器用的較少了。技術方案一、機械手控制原理：首先機械手控制芯片接受取書命令，芯片下達運動指令，步進電機啟動，當機械手運動到適當位置后，步進電機停止，讓后機械手舵機轉動，攝像頭開始捕捉顏色，當捕捉到要求的書上的顏色時，末端執行器開始取書動作，取出書后，機械手運動到適合的位置，將書放在固定位置。我們選用MG996R舵機作為動力源，參數如下：尺寸：40.7*19.7*42.9mm扭矩:12kgcm反應速度：0.17sec/60度（4.8V無負載）0.14sec/60度（6v無負載）工作電壓：4.8-6v齒輪形式：金屬齒輪工作死區：5us為了增加移動距離，我們將機械手放置在800mm移動滑臺上，滑臺采用57步進電機作為動力來源，參數如下：電壓：8.6v扭矩：2nm二、滑臺云步進電機用聯軸器連接步進電機驅動器采用TB6560，參數如下：工作電壓：10—35V，最好采用24V直流電源供電采用6N137高速光耦，保證高速不失步采用東芝TB6560AHQ芯片，內有低壓關斷、過熱停車及過流保護電路適合42,57步進電機細分：整步，半步，1/8步，1/6步，最大16細分。接線如圖：三、機械手硬件機械手機構原理圖：機械手外骨架采用鋁合金板材制作，減輕重量，關節處采用推力軸承與法蘭和舵機相配合的方式，舵機直接帶動手臂運動。經計算，機械手系統的可抓取范圍為直線方向上800mm，覆蓋范圍為半徑為350mm的半球形范圍，但機械手觸及不到其根部50mm范圍內。為安全，需要加裝限位保護，即當有人觸及到其工作范圍時，立即急停。急停方式可以采用光墻或者光電對射式傳感器。參考文獻：[1]工業機械手在機械制造工藝中的發展及應用.機械工業出版社,2014.04[2]康亞鵬，李小剛，左立浩.決策表在機械手路徑規劃中的應用.機械工業出版社,2013.01[3]李體仁.六自由度重載裝配機械手運動學分析及求解.機械工業出版社,2014.07目錄第一章總論 3第一節項目背