智能搬运机器人的设计

智能搬运机器人的设计摘要机器人是可以协助或取代人类所从事的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。智能化、微型化是机器人的未来发展方向，本论文提出了一种基于单片机和多种传感器的智能搬运机器人的详细设计方案。该方案以履带式机械手为机器人的机械构件，以AT89S52为系统检测和控制的核心，实现对机器人的智能控制。关键词履带；机器人；舵机；夹持器；开关电源；传感器1课题提出与研究意义在现代化的社会，生产过程中的机械化、智能化、自动化已成为突出的主题。现代生产中，存在着各种各样的恶劣环境，如放射性、高温、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是工业生产自动化实践与现代控制理论相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。本课题拟开发物料搬运机械手，采用ATMEL公司生产的51系列单片机，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有杯士轴承、舵机万能座、机械抓手等；电气方面由交伺服电机、传感器、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。2硬件设计总体框图控制单元：可以使用单片机、FPGA来产生作为系统的主控单元，但FPGA成本高且电路复杂，因此本系统最终选用51系列单片机的AT89S52，其成本低，工作系统简单，满足我所做功能的资源要求。且AT89S52采用的是FLASH作为存储器，支持ISP下载模式，只需事先预留ISP下载接口可直接在作品上进行程序下载。我所设计的控制系统事先将所有引脚预留，方便功能的扩展及调试。因为该系统主要用于控制，因此工作频率选用12MHz。直流电机：本系统直流电机控制芯片采用L298N，L2898N是双H桥式驱动器，内含的功率输出器件设计制作在一块石英基片上，由于制作工艺的同一性，因而具有分立元件组合电路不可比拟的性能参数一致性，工作稳定。舵机控制电路：舵机的转动的角度是通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来实现的，标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20ms（50Hz），理论上脉宽分布应在1ms到2ms之间，但是，事实上脉宽可由0.5ms到2.5ms之间，脉宽和舵机的转角0°～180°相对应。单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比当系统中只需要实现一个舵机的控制，采用的控制方式是改变单片机的一个定时器中断的计数次数，将20ms分n两次中断执行，i次短定时中断和n-i次长定时中断这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销，控制系统工作效率和控制精度都很高。人体检测电路：本系统采用人体识别技术，以BIS0001为主芯片。BIS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成报警用人体热释电传感器、被动式的热释电红外开关等。BIS0001是由电压比较器、运算放大器、延迟时间定时器、状态控制器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。红外检测方案：本系统设计采用红外主要来检测目标的距离是否达到要求及检测齿轮的转数，因此选择LM339作为主芯片，LM339电压比较器芯片内部装有四个独立的电压比较器。LM339vcc电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；输出端电位可灵活方便地选用。目标识别电路：系统对目标识别采用红外调制信号，这样可以进行远距离寻找目标。本方案主要采用PT2262-IR和PT2272，PT2262-IR内部集成了编码电路和高频振荡电路，不需外加载波电路即可实现ASK调，PT2272的输入信号先进过红外一体化接收头的处理，直接读取基带信号，实现解码。机械手臂设计：本机械手设计方案由4个舵机驱动，选用的舵机属于数码舵机，与模拟舵机相比，两者最大的不同是数码舵机的微处理器，在控制舵机的动作上，比模拟舵机快6倍，即数码舵机可以提供更高的精度和更好的固定力。另外，该类舵机由无核心马达、合金钢减速齿轮、铜输出轴等组成，它可以依据接收到的脉冲指令，转动至指定点的位置，它是各个运动关节的动力来源。主要使用的舵机型号有MG995、SG5010，再配合相应的机械部件组合而成。载体方案选择：系统采用RP5履带式机器人底盘，其主要特点有：扭力大，载重7.5KG转弯自如；噪音小；履带长期传动不会脱轨！3软件设计本设计软件部分主要根据实际的应用，实际当中系统主要应用于自动控制，因此软件采用状态机的方式进行编程。关于状态机的一个极度确切的描述是它是一个有向图形，由一组节点和一组相应的转移函数组成。状态机通过响应一系列事件而“运行”。每个事件都在属于“当前”节点的转移函数的控制范围内，其中函数的范围是节点的一个子集。函数返回“下一个”（也许是同一个）节点。这些节点中至少有一个必须是终态。当到达终态，状态机停止。主要的状态转换图如下：参考文献[1]郑笑红.工业机器人技术及应用[M].北京:煤炭工业出版社,2004.[2]GordonMcComb,MykePredkp.机器人设计与实现[M]北京:科学出版社,2008.