六自由度機(jī)械臂自動取書裝置論文

1、六自由度機(jī)械臂自動取書裝置制作者：孔超 指導(dǎo)教師：朱弘峰【內(nèi)容摘要】：本文分析介紹了六自由度機(jī)械臂自動取書裝置的設(shè)計(jì)，包括工作原理、各個模塊的的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析了技術(shù)方案，在項(xiàng)目制作過程中遇到的難點(diǎn)，編程的設(shè)計(jì)。 【關(guān)鍵詞】：六自由度、機(jī)械臂、編程 1. 項(xiàng)目背景及意義該項(xiàng)目來源于我們的日常生活的發(fā)現(xiàn)，在圖書館的日常管理中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)我們想借閱書本時，往往先通過系統(tǒng)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(xiàn)找不到書，或者廢了好大勁才找到，我們發(fā)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)書籍借閱的自動化。在國內(nèi)外，自動

2、取書裝置還不夠完善，最先近的德國也只是實(shí)現(xiàn)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(wù)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。2. 工作原理 六自由度機(jī)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(jī)，由單片機(jī)對圖像信號進(jìn)行處理，分辨出不同的書，然后控制機(jī)械臂上的舵機(jī)執(zhí)行夾持書本的動作，最后將書放到指定位置。3. 模塊設(shè)計(jì)六自由度機(jī)械臂自動取書裝置分為機(jī)械臂模塊和攝像頭探測模塊，由單片機(jī)連接并控制。圖1 原理圖機(jī)械臂模塊：由6個舵機(jī)和一個手抓組成。負(fù)責(zé)夾持書本的執(zhí)行，由單片機(jī)予以控制。單片機(jī)：負(fù)責(zé)對攝像頭信號的

3、處理和對機(jī)械手的控制。攝像頭：負(fù)責(zé)對不同書本的信號采集，并將信號傳給單片機(jī)。圖2 電氣原理圖圖3 程序流程圖4. 機(jī)構(gòu)原理圖4 六自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)副，在X-Y平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；C是一個旋轉(zhuǎn)副，在X-Z平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；D是一個旋轉(zhuǎn)副，在X-Z平面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；E是一個旋轉(zhuǎn)副，在Y-Z平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；F是一個旋轉(zhuǎn)副，在X-Z平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；G是一個旋轉(zhuǎn)副，在Y-Z平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。四、驅(qū)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(yè)上又常稱為電動缸，線性模組等，由直線滑臺與馬達(dá)驅(qū)動的結(jié)合構(gòu)成。（我們采用的事步進(jìn)電機(jī)馬達(dá)驅(qū)

4、動）通過馬達(dá)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)帶動工件自動線性運(yùn)動。通過多方向軸的組合，組成設(shè)備上的運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)常被稱為：工業(yè)機(jī)械手、XYZ軸機(jī)械手、坐標(biāo)軸滑臺等。 2) 電動滑臺的主要特點(diǎn)可以從4個主要參數(shù)表現(xiàn)出來：（1）精度：不同行業(yè)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(guī)定，可以按照大型機(jī)床設(shè)備，和中小型機(jī)床來對精度進(jìn)行分級。大型的機(jī)床一般精度在1米1絲上下。中小型機(jī)床設(shè)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?yàn)槠渌俣戎饕艿诫妱踊_上的負(fù)載影響，同時如果在生產(chǎn)過程中只最求速度，精度也會受到影響而下降。（3）負(fù)載：負(fù)載是主要影響電動滑臺的精度和

5、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(fù)載帶來的負(fù)面影響就越大。 3)電動滑臺采用不同傳動方式的區(qū)別：（1）齒輪傳動：1.因?yàn)槭驱X咬合，存在反向間隙；2.精度的一至性很難保證；3.運(yùn)行速度較低；4. 長時間運(yùn)行機(jī)械磨損較大；5.齒間咬合振動較大，容易造成軸承磨損，旋轉(zhuǎn)軸斷裂，且噪音較大；6.維護(hù)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(dǎo)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(yùn)：滾珠螺桿式：電動滑臺的傳動方式由滾珠螺桿，和直線導(dǎo)軌輔助完成。1.行程較短；2.速度較慢

6、；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(jié)構(gòu)：由于不同的規(guī)格影響著電動滑臺不同的結(jié)構(gòu)發(fā)展，因此不能在電動滑臺的規(guī)格上統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。但是從結(jié)構(gòu)上可以分外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。（1）電動滑臺的外部結(jié)構(gòu)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(cè)，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(dá)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(jìn)電機(jī)和伺服馬達(dá)，具體根據(jù)實(shí)際需求選定。 5）總結(jié)我們采用封閉式的電動滑臺，因?yàn)樾枰獠渴芰?，所以我們把傳動部分封閉起來，我們采用電動滑臺和馬達(dá)進(jìn)行直接

7、連接，動力源我們采用步進(jìn)電機(jī)。如圖所示(我們做了簡單的示意圖)：圖5 A是步進(jìn)電機(jī)；B是電動滑臺2.步進(jìn)電機(jī) 1）介紹 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，

8、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(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機(jī)分時供電的，多相時序控制器。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 圖6步進(jìn)電機(jī) 2)基本原理 （1）工作原理 通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流

9、過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。 下面我們用一個四相步進(jìn)電機(jī)來說明步進(jìn)電機(jī)工作原理： 該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動。如圖所示是該四相反應(yīng)式 步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。

10、 圖7 四相步進(jìn)電機(jī)原理圖開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對 齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。 當(dāng)開關(guān)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。四相步進(jìn)電機(jī)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

11、的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)熱原理通常見到的各類電機(jī)，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)的直流或正弦波，還會產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場中也會產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，從而影響電機(jī)的效率。步進(jìn)電機(jī)一般追求定位精度

12、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(zhuǎn)速而變化，因而步進(jìn)電機(jī)普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機(jī)嚴(yán)重。 3）主要構(gòu)造 步進(jìn)電機(jī)也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，人們早在20世紀(jì)20年代就開始使用這種電機(jī)。隨著嵌入式系統(tǒng)(例如打印機(jī)、磁盤驅(qū)動器、玩具、雨刷、震動尋呼機(jī)、機(jī)械手臂和錄像機(jī)等)的日益流行，步進(jìn)電機(jī)的使用也開始暴增。不論在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、汽車還是娛樂業(yè)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(jìn)電機(jī)就一定能派上用場。步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)和永磁步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)

13、電機(jī)是由一組纏繞在電機(jī)固定部件-定子齒槽上的線圈驅(qū)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(jī)中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。 圖8 步進(jìn)電機(jī)構(gòu)造 4）優(yōu)勢與缺陷 優(yōu)點(diǎn)1、電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；2、電機(jī)停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當(dāng)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(yùn)動的重復(fù)性；4、優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；5、由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命；6、電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且控制成本；7、僅僅將負(fù)載直接連接到

14、電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)；8、由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。缺陷1、如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振；2、難以運(yùn)轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速；3、難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩；4、在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低；5、超過負(fù)載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。 5）驅(qū)動方法 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護(hù)單元等組成。驅(qū)動單元與步進(jìn)電動機(jī)直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動機(jī)微機(jī)控制器的功率接口。 6）驅(qū)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

15、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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個步距角。也就是說步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。所以控制步進(jìn)脈沖信號的頻率，就可以對電機(jī)精確調(diào)速；控制步進(jìn)脈沖的個數(shù)，就可以對電機(jī)精確定位。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器有很多，應(yīng)以實(shí)際的功率要求合理的選擇驅(qū)動器。 7)電機(jī)選擇 步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。 一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。1、步距角的選擇電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）

16、換算到電機(jī)軸上，每個當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。2、靜力矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（

17、幾何尺寸）。3、電流的選擇靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流。 3.舵機(jī) 1）概述 舵機(jī)也叫伺服電機(jī)，最早用于船舶上實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)向功能，由于可以通過程序連續(xù)控制其轉(zhuǎn)角，因而被廣泛應(yīng)用智能小車以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向以及機(jī)器人各類關(guān)節(jié)運(yùn)動中。舵機(jī)是小車轉(zhuǎn)向的控制機(jī)構(gòu)，具有體積小、力矩大、外部機(jī)械設(shè)計(jì)簡單、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，無論是在硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)，舵機(jī)設(shè)計(jì)是小車控制部分重要的組成部分。 2）舵機(jī)組成 一般來講，舵機(jī)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(jì)、直流電機(jī)、控制電路等，如圖6、圖7所示。 圖9 舵機(jī)的組成示意圖 圖10 舵機(jī)組成舵

18、機(jī)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(jī)提供最基本的能源保證，主要是電機(jī)的轉(zhuǎn)動消耗。電源有兩種規(guī)格，一是4.8V，一是6.0V，分別對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)，即輸出力矩不同，6.0V對應(yīng)的要大一些，具體看應(yīng)用條件；另外一根線是控制信號線，F(xiàn)utaba的一般為白色，JR的一般為桔黃色。另外要注意一點(diǎn)，SANWA的某些型號的舵機(jī)引線電源線在邊上而不是中間，需要辨認(rèn)。但記住紅色為電源，黑色為地線，一般不會搞錯。 圖11 舵機(jī)輸出線 3）舵機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反

19、饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時，帶動位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個電壓信號到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。其工作流程為：控制信號控制電路板電機(jī)轉(zhuǎn)動齒輪組減速舵盤轉(zhuǎn)動位置反饋電位計(jì)控制電路板反饋。流，才可發(fā)揮舵機(jī)應(yīng)有的性能。 舵機(jī)的控制信號周期為20MS的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5-2.5MS,相對應(yīng)的舵盤位置為0180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(yīng)角度上，無論外界轉(zhuǎn)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(yīng)位置上如圖7所求。舵機(jī)內(nèi)部有一

20、個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20MS，寬度1.5MS的基準(zhǔn)信號，有一個比出較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號相比較，判斷出方向和大小，從而生產(chǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號。由此可見，舵機(jī)是一種位置伺服驅(qū)動器，轉(zhuǎn)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(qū)動器中，比如說機(jī)器人的關(guān)節(jié)、飛機(jī)的舵面等。圖12 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖的關(guān)系 4)舵機(jī)選購 市場上的舵機(jī)有塑料齒、金屬齒、小尺寸、標(biāo)準(zhǔn)尺寸、大尺寸，另外還有薄的標(biāo)準(zhǔn)尺寸舵機(jī)，及低重心的型號。小舵機(jī)一般稱為微型舵機(jī)，扭力都比較小，市面上2.5g，3.7g，4.4g，7g，9g等舵機(jī)指的是舵機(jī)的重量分別是多少克，體積和扭力也是逐漸增大。微型舵機(jī)內(nèi)部多數(shù)都是塑

21、料齒，9g舵機(jī)有金屬齒的型號，扭力也比塑料齒的要大些。futaba S3003，輝盛 MG995是標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)，體積差不多，但前者是塑料齒，后者金屬齒，兩者標(biāo)稱的扭力也差很多。春天sr403p，Dynamixel AX-12+是機(jī)器人專用舵機(jī)，不同的是前者是國產(chǎn)，后者是韓國產(chǎn)，兩者都是金屬齒標(biāo)稱扭力13kg以上，但前者只是改改樣子的模擬舵機(jī)，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(shù)字舵機(jī)，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(jī)的反應(yīng)速度和虛位也要考慮，一般舵機(jī)的標(biāo)稱反應(yīng)速度常見0.22 秒/60，0.18 秒/60，好些的舵機(jī)有0.1

22、2 秒/60等的，數(shù)值小反應(yīng)就快。廠商所提供的舵機(jī)規(guī)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(jī)轉(zhuǎn)動 60所需要的時間。 電壓會直接影響舵機(jī)的性能，例如 Futaba S-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(jī)都是以 4.8V 為

23、測試電壓，F(xiàn)utaba則是以 6.0V 作為測試電壓。速度快、扭力大的舵機(jī)，除了價格貴，還會伴隨著高耗電的特點(diǎn)。因此使用高級的舵機(jī)時，務(wù)必搭配高品質(zhì)、高容量的電池，能提供穩(wěn)定且充裕的?，F(xiàn)在市面上的舵機(jī)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(nèi)的不如外國的等等，大家不必過于追求極致，根據(jù)自身購買力選擇夠用的就行。五、控制原理1、步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)（1）系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)框圖如圖10所示,其以8751單片機(jī)為核心構(gòu)成控制電路,主要部件有:鎖存器、計(jì)數(shù)/定時器8253和并行I/O接口8255.該系統(tǒng)以并行方式控制步進(jìn)電機(jī),用8751中的Pl口,P1.0-P1

24、12直接控制三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)各 相驅(qū)動電路.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動脈沖環(huán)形分配器的功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完成.通過鎖存器和8255A并行口擴(kuò)展芯片,構(gòu)成功能鍵盤和數(shù)碼管顯示,完成啟動、停止,顯示轉(zhuǎn)動的角度及角速度等功能.利用計(jì)數(shù)器/定時器芯片8253控制延時時間,進(jìn)一步控 制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,并能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的往復(fù)運(yùn)動。圖13 系統(tǒng)框圖（2）系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件程序功能的主要任務(wù)是控制步進(jìn)電機(jī)的啟動、按順序發(fā)出控制命令、判斷步進(jìn)電機(jī)是否到達(dá)極限位置、控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和運(yùn)行速度的變化等. 1)用軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器功能 由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)相序的分配

25、,直接輸出各相導(dǎo)通或截止的信號,其主要有寄存器移位法、制斷法和緩沖區(qū)查表法;二是軟硬件結(jié)合的方法,單片機(jī)向可編程接口芯片輸出控制信號數(shù)據(jù),再由可編程接口芯片輸出步進(jìn)電機(jī)的各相導(dǎo)通或截止的控制信號.該系統(tǒng)采用查表法,根據(jù)步進(jìn)電機(jī)勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換,求出所需的環(huán)形分配器的輸出狀態(tài),并以二進(jìn)制碼的形式依次存入8751單片機(jī)內(nèi)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(tài)字,送給P1口輸出各勵磁狀態(tài),經(jīng)放大電路驅(qū)動步進(jìn)電機(jī),從而實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器的功能.該系統(tǒng)采用的是57BYG-070型三相反應(yīng)型三相混合型步進(jìn)電機(jī).以三相單三拍為例,其狀態(tài)表見表l.其中,“1”代表高電平,表示驅(qū)動的磁極繞組通

26、電;“0”代表低電平,表示驅(qū)動的磁極繞組不通電.由表1可見,輸出端數(shù)據(jù)線上輸出的是地址中的狀態(tài)字,實(shí)際上也就對應(yīng)著一種勵磁方式.不同的勵磁方式,地址中的狀態(tài)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(jìn)電機(jī) 表1 三相步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器存儲狀態(tài)表前進(jìn)一個步距角.可見通過改變狀態(tài)表中的內(nèi)容,就可以實(shí)現(xiàn)不同的工作方式。 2)轉(zhuǎn)速控制 控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度,實(shí)際上是控制系統(tǒng)發(fā)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(jù)所需的時間常

27、數(shù)來設(shè)計(jì)一個子程序,該程序包含一定的指令.對這些指令的執(zhí)行時間需進(jìn)行嚴(yán)密的計(jì)算或者精確的測試,以便確定延時時間是否符合要求.每當(dāng)延時子程序結(jié)束后,可以執(zhí)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(tǒng)時鐘脈沖或某一固定頻率的時鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)值則由編程決定.當(dāng)計(jì)數(shù)到預(yù)定的脈沖數(shù)時,產(chǎn)生中斷信號,得到所需的延時時間或定時間隔.由于計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)要求,使用很方便。該系統(tǒng)中采用8253定時器2,該定時器為16位減法計(jì)數(shù)器,選用8

28、253定時器0,工作方式0.在這種工作方式中,計(jì)數(shù)器在減為零時,其輸出端OUT變?yōu)楦唠娖?向CPU發(fā)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(jìn)入中斷服務(wù)子程序,即正向運(yùn)行控制程序或反向運(yùn)行控制程序，向P1口送出狀態(tài)表中的某一狀態(tài)字,控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動.每產(chǎn)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(tài)表中狀態(tài)字的頻率,即改變指針查表的移動頻率,從而實(shí)現(xiàn)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(yùn)動只需利用指針,把狀態(tài)表中的內(nèi)容按照地址00H-02H的順序依次反復(fù)送出P1口.

29、步進(jìn)電機(jī)的各相通電順序?yàn)锳-B-C-A-,反復(fù)循環(huán)就能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正向運(yùn)動.反向運(yùn)動時,送出狀態(tài)表中狀態(tài)字的順序正好與正向運(yùn)動相反,即步進(jìn)電機(jī)的各相通電順序?yàn)镃-B-A-,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的反向運(yùn)動.在這種控制方式中,將正向運(yùn)行程序模塊和反向運(yùn)行程序模塊作為中斷服務(wù)程序,需要實(shí)現(xiàn)怎樣的運(yùn)動,主程序便調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)程序,從而實(shí)現(xiàn)正、反向運(yùn)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(yùn)行程序框圖 圖16 反向程序運(yùn)行框圖 4)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 該系統(tǒng)以單片機(jī)的I/0口8255A口,作為單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口.由于A口 驅(qū)動能力有限,而被控制的步進(jìn)電機(jī)要求高電壓和大電流,

30、所以在A口之后必須加一個驅(qū)動電路.圖14所示為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路.圖14中僅為一相的驅(qū)動電路,其余兩相與之相同。 圖17 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 在圖14中,三極管T1起開關(guān)作用.當(dāng)三極管截止時,無集電極電流流通,開關(guān)相當(dāng)于斷開;當(dāng)三極管飽和時,流過的集電極電流最大,開關(guān)相當(dāng)于閉合,該開關(guān)“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(dá)林頓式功放電路,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的3個繞組,使電機(jī)繞組的靜態(tài)電流達(dá)到近2A.電路中使用 光電耦合器將控制和驅(qū)動信號隔離.當(dāng)控制輸入信號為低電平時,T1截止,輸出高電平,則紅外發(fā)光二極管截止,光敏三極管不導(dǎo)通,因此 繞組中無電流流過;當(dāng)輸入信號為高電平時,T1

31、飽和導(dǎo)通,于是紅外發(fā)光二極管被點(diǎn)亮,使光敏三極管導(dǎo)通,向功率驅(qū)動級晶體管提供 基極電流,使其導(dǎo)通,繞組被通以電流。 2、舵機(jī)控制系統(tǒng)可以使用FPGA、模擬電路、單片機(jī)來產(chǎn)生舵機(jī)的控制信號，但FPGA成本高且電路復(fù)雜。對于脈寬調(diào)制信號的脈寬變換，常用的一種方法是采用調(diào)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(yùn)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(jī)的抖動，對于機(jī)載的測控系統(tǒng)而言，電源和其他器件的信號噪聲都遠(yuǎn)大于5mV，所以濾波電路的精度難以達(dá)到舵機(jī)的控制精度要求。 也可以用單片機(jī)作為舵機(jī)的控制單元，使PW

32、M信號的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為 PWM信號輸出到舵機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個系統(tǒng)工作可靠。 單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號，本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生20ms的周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM信號的輸出，并且調(diào)整占空比。當(dāng)系統(tǒng)中只需要實(shí)現(xiàn)一個舵機(jī)的控制，采用的控制方式是改變單片機(jī)的一個定時器中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執(zhí)行，一次短定時中斷和一次長定時中斷。這樣既節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系

33、統(tǒng)工作效率和控制精度都很高。 具體的設(shè)計(jì)過程： 例如想讓舵機(jī)轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負(fù)脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時在控制口發(fā)送高電平，然后設(shè)置定時器在2ms后發(fā)生中斷，中斷發(fā)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(jìn)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(fù)實(shí)現(xiàn)PWM信號輸出到舵機(jī)。用修改定時器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調(diào)整時間段的寬度便可使伺服機(jī)靈活運(yùn)動。 為保證軟件在定時中斷里采集其他信號，并且使發(fā)生PWM信號的程序不影響中斷程序的運(yùn)行(如果這些程序所占用時間過長，

34、有可能會發(fā)生中斷程序還未結(jié)束，下次中斷又到來的后果)，所以需要將采集信號的函數(shù)放在長定時中斷過程中執(zhí)行，也就是說每經(jīng)過兩次中斷執(zhí)行一次這些程序，執(zhí)行的周期還是20ms。軟件流程如圖15所示。圖18 產(chǎn)生PWM信號的軟件流程如果系統(tǒng)中需要控制幾個舵機(jī)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動，可以用單片機(jī)和計(jì)數(shù)器進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)產(chǎn)生PWM信號。 脈沖計(jì)數(shù)可以利用51單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，但是從軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和程序結(jié)構(gòu)的合理性看，宜使用外部的計(jì)數(shù)器，還可以提高CPU的工作效率。實(shí)驗(yàn)后從精度上考慮，對于FUTABA系列的接收機(jī)，當(dāng)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(xiàn)誤差積累，可以滿足控制舵機(jī)的

35、要求。最后考慮數(shù)字系統(tǒng)的離散誤差，經(jīng)估算誤差的范圍在0.3%內(nèi)，所以采用單片機(jī)和8253、8254這樣的計(jì)數(shù)器芯片的PWM信號產(chǎn)生電路是可靠的。圖16是硬件連接圖。圖19 PWA信號的計(jì)數(shù)和輸出電路基于8253產(chǎn)生PWM信號的程序主要包括三方面內(nèi)容：一是定義8253寄存器的地址，二是控制字的寫入，三是數(shù)據(jù)的寫入。軟件流程如圖17所示，具體代碼如下。 當(dāng)系統(tǒng)的主要工作任務(wù)就是控制多舵機(jī)的工作，并且使用的舵機(jī)工作周期均為20ms時，要求硬件產(chǎn)生的多路PWM波的周期也相同。使用51單片機(jī)的內(nèi)部定時器產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)，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(nèi)分時啟動各路PWM波的上升沿，再

36、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(zhǔn)時間。 第1次定時器中斷T0按20ms的 1/8設(shè)置初值，并設(shè)置輸出I/O口，第1次T0定時中斷響應(yīng)后，將當(dāng)前輸出I/O口對應(yīng)的引腳輸出置高電平，設(shè)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(jié)束后，將當(dāng)前輸出引腳置低電平，設(shè)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(fù)輸出。在每次循環(huán)的第16次(28=16)中斷實(shí)行關(guān)定時中斷T0的操作，最后就可以實(shí)現(xiàn)8路舵機(jī)控制信號的輸出。也可以采用外部計(jì)數(shù)器進(jìn)行多路舵機(jī)的控制，但是因?yàn)?/p>

37、常見的8253、8254芯片都只有3個計(jì)數(shù)器，所以當(dāng)系統(tǒng)需要產(chǎn)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(dá)到較高的精度。調(diào)試時注意到由于程序中脈沖寬度的調(diào)整是靠調(diào)整定時器的初值，中斷程序也被分成了8個狀態(tài)周期，并且需要嚴(yán)格的周期循環(huán)，而且運(yùn)行其他中斷程序代碼的時間需要嚴(yán)格把握。 在實(shí)際應(yīng)用中，采用51單片機(jī)簡單方便地實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)控制需要的PWM信號。對機(jī)器人舵機(jī)控制的測試表明，舵機(jī)控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，PWM占空比 (0.52.5ms 的正脈沖寬度)和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角(-9090)線性度較好。 六、視覺處理原理機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品

38、（即圖像攝取裝置，分 CMOS 和CCD 兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。1）概述機(jī)器視覺（Machine vision）機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。而且機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集

39、成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。正是由于機(jī)器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，人們將機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。2）基本構(gòu)造 一個典型的工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)包括：光源、鏡頭、 相機(jī)（包括CCD 相機(jī)和COMS相機(jī)）、圖像處理單元（或圖像捕獲卡）、圖像處理軟件、監(jiān)視器、 通訊 / 輸入輸出單元等。 系統(tǒng)可再分為：主端電腦（Host Computer）、影像擷取卡（Frame Grabber）與影像處理器、影像攝影機(jī)、CCT鏡頭、顯微鏡頭、照明設(shè)備、Halogen光源、LED光源、高周波螢光燈源、閃光燈源

40、、其他特殊光源、影像顯示器、LC機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、PLC、PC-Base控制器、精密桌臺、伺服運(yùn)動機(jī)臺。 工作原理 機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)采用CCD照相機(jī)將被檢測 的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號，圖像處理系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，如面積、數(shù)量、位置、長度，再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，包括尺寸、角度、個數(shù)、合格 / 不合格、有 / 無等，實(shí)現(xiàn)自動識別功能。 圖20工作原理機(jī)器視覺系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)照明照明是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。由于沒有通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，所以針對每個特定的應(yīng)用實(shí)例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)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(diǎn)是光能不能保持穩(wěn)定。如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是實(shí)用化過程中急需要解決的問題。另一方面，環(huán)境光有可能影響圖像的質(zhì)量，所以可采用加防護(hù)屏的方法來減少環(huán)境光的影響。照明系統(tǒng)按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)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(jī)之間，它的優(yōu)點(diǎn)是能獲得高對比度的圖像。前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測物的同側(cè)，這種方式便于安裝。