三自由度机械手运动控制下位机系统设计 31页

CAD图纸，联系本科学生毕业设计三自由度机械手运动控制下位机系统设计系部名称：机电工程学院专业班级：机械设计制造及其自动化08-2学生姓名：指导教师：职称：讲师\n黑龙江工程学院二○一二年六月TheGraduationDesignforBachelor'sDegreeThreedegreesoffreedommovementcontrolamachineundermanipulatorsystemdesignCandidate：Specialty：MechanicalDesign,ManufacturingandAutomationClass：08-2Supervisor：HeilongjiangInstituteofTechnology2012-06·Harbin\n黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要三自由度机械手能够在三维空间中完成升降、平移等基本指令，而二自由度机械手仅能在一个平面内动作，所以把三自由度机械手作为学校机器人类课程的教学中能够具有典型性。我校现在没有成型的、可以直接应用的机器人方面的教学设备，只有一些慧鱼机器人组件和未来伙伴机器人组件。本设计目的是在慧鱼组件的基础上设计出下位机控制系统，起到开发、拓展慧鱼机器人组件的功能。这样，在以后的机器人实践教学和学生的创新等活动中，可以应用自己开发的机器人运动控制系统，实现机器人单关节运动控制、多关节运动控制和示教再现等功能，并具有开放性，使学生可以自己根据任务编辑、修改程序，实现不同的工作。关键词：三自由度；机械手；机器人；单片机控制；控制程序II\n黑龙江工程学院本科生毕业设计ABSTRACTThreedegreesoffreedomin3spacemanipulatorcanbeaccomplishedinthelift,shift,andotherbasicinstruction,andtwodegreesmanipulatorcanonlyinaplanewithinaction,sothethreedegreesoffreedomasamanipulatorofhumancourseteachingschoolmachinetotypical.Ourschoolnownotmodel,canbeappliedintherobotofteachingequipment,onlysomefischerrobotkitandfuturepartnerrobotkit.Thedesignaimsatfischercomponentsdesignedonthebaseofamachinecontrolsystemunder,risetodevelopment,developfischerrobotcomponentfunction.So,inthelaterteachingandstudents'practicerobotinnovationactivities,andcanbeappliedtodeveloptheirownrobotmotioncontrolsystem,therealizationrobotsinglejointmotioncontrol,motioncontrolandthejointteachreproduce,andotherfunctions,andanopen,sothatthestudentscanedit,modifytheprogramaccordingtothemission,therealizationofdifferentwork.Keywords:Threedegreesoffreedom;Manipulator;robot；Singlechipmicrocomputercontrol；ControlprogramII\n黑龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要IABSTRACTII第1章绪论11.1概述11.2文献综述11.2.1工业机器人11.2.2工业机器人的国内外形势21.3基本内容和拟解决的问题41.3.1基本内容41.3.2拟解决的问题4第2章三自由度机械手运动控制下位机系统总体方案设计52.1三自由度机械手运动控制下位机系统的设计原理52.2三自由度机械手运动控制下位机系统的设计方案52.3三自由度机械手运动控制下位机系统的工作过程概述62.4系统的设计要求62.4.1功能要求72.4.2控制要求72.5本章小结7第3章元器件的选择83.1晶振模块83.2复位模块93.2.1上电复位电路…………………………………………………………….…..93.2.2手动复位电路……………………………………………….………………..93.2.3混合复位电路………………………….……………………………………..9 ..3.3电源供电模块10\n黑龙江工程学院本科生毕业设计3.4串口下载模块113.5电机驱动模块113.6单片机主电路模块133.7本章小结15第4章控制系统硬件设计164.1确定I/O点数164.2单片机的选择164.3单片机I/0分配表164.5本章小结17第5章控制系统的软件设计185.1流程图185.2本章小结23结论24参考文献25致谢26\n黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章绪论1.1概述本设计目的是在慧鱼组件的基础上设计出下位机控制系统，起到开发、拓展慧鱼机器人组件的功能。这样，在以后的机器人实践教学和学生的创新等活动中，可以应用自己开发的机器人运动控制系统，实现机器人单关节运动控制、多关节运动控制和示教再现等功能，并具有开放性，使学生可以自己根据任务编辑、修改程序，实现不同的工作。本文主要介绍了三自由度机械手运动控制下位机系统的硬件和软件设计，以及一些调试方法。1.2文献综述1.2.1工业机器人工业机器人的发展始于20世纪年代，1954年美国戴沃尔发表了“通用重复型机器人”的专利论文，第一次提出了“工业机器人”的概念。1958年美国联合控制公司研制出第一台数控工业机器人原型。1959年美国ＵNIMATION公司推出第一台工业机器人,美国是机器人的故乡。60年代随着传感技术和工业自动化的发展，这时是工业机器人的发展初期，机器人开始向适用化发展，并被用于电焊和喷涂作业。70年代随着计算机和人工智能的发展，机器人进入适用化时代。日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施。其机器人拥有量很快超过了美国，一举成为“机器人王国”。80年代工业机器人进入发展中期，汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人，推动了机器人产业的发展。工业机器人的应用满足了人们特性化的要求，产品的批量越来越大，品种越来越多，而且产品的一致性也大大提高，为商家占有了更多的市场份额，获得了更多的市场利润。90年代初期，工业机器人的生产与需求达到了一个技术成熟期，1990年世界上新装备工业机器人80943台，1991年装备了76443台，到1991年底世界上已有53万台工业机器人工作在各条战线上。25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计1.2.2工业机器人的国内外形势我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术。在教学机器人方面，我国各大高校分别研制了各种类型的教学机器人。主要有清华大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、上海交通大学等。哈尔滨工业大学研制的四轴直角坐标系教学机器人，如图1.1所示。图1.1哈尔滨工业大学研制的四轴直角坐标学教学机器人上海交通大学研制的教学机器人如图1.2所示其属于典型的关节式机器人，包括底部回转、大臂俯仰、小臂俯仰三个位置自由度和小臂回转、手腕俯仰、手腕回转三个姿态自由度，展示了现代工业机器人的一般特征；它能够演示现代工业机器人的典型应用；在一定程度上满足机器人理论研究的需要。图1.2上海交通大学的六自由度教学机器人国外工业机器人领域发展近几年有如下几个趋势：（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至1997年的6.5万美元。（2）25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。（7）机器人化机械开始兴起。从1994年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域．教学机器人作为机器人教学的基础，在机器人教育方面有重要的意义，因此各国都致力于教学机器人平台的开发与研制。例如德国研制了新型的教学机器人实验平台，如图1.3所示。图1.3德国新型教学机器人实验平台25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计其由一个五自由度的机械臂和一个视觉系统构成。机械臂有底部回转、大臂俯仰、小臂俯仰三个位置自由度和小臂回转、手腕回转两个姿态自由度，手腕上装有电机，以控制手爪的开合。通过摄像头采集的视觉信号作为机械臂的末端位置反馈到上位机中，在上位机中进行视觉伺服的算法，然后将各个关节的位置输出给机械手的伺服控制器，从而进行末端位置的控制，这样构成了一个具有视觉反馈功能的、简单的教学机器人实验的平台。1.3基本内容和拟解决的问题1.3.1基本内容1．基本方案的选择和确定；2．设计电气控制原理图；3．硬件电路设计；4.控制程序的编写。1.3.2拟解决的问题1．拟解决实现机械手上电自动复位功能；2．拟解决机械手在三个平面内的自由移动和到达指定坐标；3．拟解决机械手可以按照预定位置，随意修改程序以到达目的要求；4．拟解决机械手识别物体进行抓取和放到指定位置；25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计第2章三自由度机械手运动控制下位机系统总体方案设计三自由度机械手运动控制下位机系统单片机控制技术、传感器技术、位置控制技术、伺服系统等内容。要进行三自由度机械手运动控制下位机系统的设计，首先必须对控制对象进行调查，搞清楚控制对象的工作特点、工艺过程，明确控制要求以及各阶段的特点和各阶段的转换关系。2.1三自由度机械手运动控制下位机系统的设计原理本次设计中，三自由度机械手运动控制下位机系统使用了单片机控制技术、传感器技术、位置控制技术、伺服系统等技术，可以实现对物体的识别、抓取、通过多种控制方式使物体在三个自由度内自由移动。三自由度机械手运动控制下位机系统由底座、水平旋转装置、竖直旋转装置、水平移动装置、单片机控制装置、红外识别装置、电磁抓取装置等部分组成。本系统采用台式结构，配有80C52单片机、传感器、直流电机、电源、机械手等。通过传感器信号采集，单片机编程，实现对单片机各个I/O接口的开关控制、逻辑控制等功能，达到最终对电机的控制。三自由度机械手运动控制下位机系统一般由输入装置（传感器）、控制装置（单片机）、输出装置（电机）等组成。控制器采用单片机控制，它接受光电传感器、位置传感器等信号。根据要求分别控制电机，达到对机械手的控制。完成识别、抓取、移动等任务。2.2三自由度机械手运动控制下位机系统的设计方案该系统由以下几个部分组成：（1）电源供电部分：通过MXS232芯片将USB电源稳定在5V电压上，为单片机工作提供持续的电源。（2）晶振部分：25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率上。（3）复位电路：是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。（4）电机驱动部分：通过单片机控制电机驱动芯片L298，驱动直流电机实现正转、反转，及按照设计思路实现各个电机顺序工作。（5）串口下载部分：通过USB串口下载模块，实现对单片机程序的更改，将最新的运行程序下载到单片机内。（6）主控制电路：单片机单元，通过单片机将各个模块有序连接在一起，实现对电机控制，达到设计要就。2.3三自由度机械手运动控制下位机系统的工作过程概述本系统采用台式结构，配有80C52单片机、传感器、直流电机、电源、机械手等。可以通过三种方式控制机械手在三个自由度内进行运动。系统上电后，进入程序选择状态，分为三种状态：手动、定点、定位。选定一种运行状态，是机械手能够识别是否能够识别物体，抓取物体并将其移动到指定的位置，系统框图如图2.1所示。图2.1系统框图2.4系统的设计要求系统的设计要求主要包括功能要求和控制要求，进行设计之前，首先应分析控制对象的要求。25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计2.4.1功能要求三自由度机械手运动控制下位机系统能实现功能如下：1）机械手的旋转2）机械手的水平运动3）机械手的竖直运动2.4.2控制要求1）系统上电，确定运行状态（手动、定点、定位）2）执行复位操作3）检测是否有工件4）机械手移动到工件处，抓取工件5）机械手移动到指定位置6）放下工件，循环执行。2.5本章小结本章主要是三自由度机械手运动控制下位机系统的总体方案设计。在了解设计原理的基础上，根据设计要求，确定设计方案，画出三自由度机械手运动控制下位机系统的结构与框图。25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计第3章元器件的选择三自由度机械手运动控制下位机系统分为晶振模块、复位模块、电源供电模块、串口下载模块、电机驱动模块、单片机主电路模块。3.1晶振模块晶振模块作为震荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行执行速度。实物图如图3.1。图3.1晶振实物89C51单片机时钟频率范围：0——33MHz。时钟电路连接方式如：图3.2。图3.2晶振电路其中X1接单片机18引脚，X2接单片机19引脚，晶振为12MHz，两个33P电容起稳定作用。注意：(1)时钟电路振荡频率fosc=晶振频率(2)时钟电路振荡周期=1/fosc25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计(3)单片机机器周期=振荡周期*123.2复位模块复位电路产生复位信号，使单片机从固定的起始状态开始工作，完成单片机的“启机”过程。89C51单片机复位信号是高电平有效，通过9引脚输入。复位电路连接方式有三种。3.2.1上电复位电路单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机起始工作状态，如图3.3。图3.3上电复位电路3.2.2手动复位电路手动按键产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机的初始状态。通常在单片机工作出现混乱或“死机”时，使用手动复位可实现单片机“重启”，如图3.4。图3.4手动复位电路25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计3.2.3混合复位电路将上电复位电路和手动复位电路结合到一起构成，通常使用的都是这种混合复位电路。如图3.5图3.5混合复位电路本设计采用混合复位电路，当单片机上电后，电容E1充电，当手动按下开关后电容放电，因为单片机工作速度远远大于手动按键的速度，这时就会产生大于两个单片机机器周期的高电平，从而达到复位的作用。3.3电源供电模块通过USB提供5V电源，其中包括一个总开关，两个电容，一个电阻和一个电源指示灯。其中电阻起到限流作用。电容起到去耦、滤波作用，因为USB为开关电源。通过这样的设计为单片机提供稳定的5V电源，如图3.6所示。图3.6电源供电电路25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计3.4串口下载模块MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。　　第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。　　其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。　　8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。　　TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。本设计采用10uF电解电容104为RS-232提供12V电源，标准九孔式RS-232串口。如图3.7串口下载电路。图3.7串口下载电路3.5电机驱动模块25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计我们所使用的电机一般为直流电机，主要用到永磁直流电机、伺服电机及步进电机三种。直流电机的控制很简单，性能出众，直流电源也容易实现。所以本设计主要采用永磁直流电机，这种直流电机的驱动及控制需要电机驱动芯片进行驱动，常用的电机驱动芯片有L297/298，MC33886，ML4428等。本设计选用L298驱动芯片。L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其实物及引脚图如3.8所示，管脚图如图3.9所示。图3.8L298实物图图3.9管脚图L298芯片控制规则如下，当ENA/ENB口为高电平时，IN1=1、IN2=1或IN1=0、IN2=0电机停止转动；IN1=1、IN2=0，电机顺时针旋转；IN1=0、IN2=1，电机逆时针旋转；当ENA/ENB口为低电平时，IN1、IN2被锁死，电机始终停止转动，如表3.125\n黑龙江工程学院本科生毕业设计所示。表3.1L298逻辑功能表IN1IN2ENA电机状态101顺时针旋转011逆时针旋转111停止001停止XX0停止L298有两路电源分别为逻辑电源和动力电源，图3.10中5V为逻辑电源，9V为动力电源。J4接入逻辑电源，J9接入动力电源，J5与J7分别为单片机控制电机的输入端，J2与J3分别与电极的正负极相连。ENA与ENB直接接入5V逻辑电源也就是说两个电机时刻都工作在使能状态，控制电机的运行状态只有通过J5和J7与J10和J12两个接口。图3.10电机驱动模块连接图3.6单片机主电路模块单片机主电路模块，主要包括单片机和10K排阻。其电路图如图3.11。其中:VCC:供电电压GND：接地P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，没脚可吸收8TTL门电路，当P1口的电路第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部数据存储器，它被定义数据/地址的第八位在flash编程时，P0口作为原码输入口，当flash进行校验时，P0口输出原码，此时P0口外部必须拉高。25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故，在flash在编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内不上拉的8双向I/O口，P2缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上啦的缘故。P2口当用于外部程序存储或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接受输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口作为STC89C52的一些特殊功能口，管脚备选功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2/INT0(外部中断0)P3.3/INT1(外部中断1)P3.4T0(计时器0外部输入)P3.5T1(计时器1外部输入)P3.6/WR(外部数据存储器写通道)P3.7/RD(外部数据存储器读通道)REST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持REST脚两个机器周期的高电平时间。25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平哟公寓锁存地址的低位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE断以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为震荡频率的1/6。因此他可以用作外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：没到那个用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如果想禁制ALE的输出可在SFR8EH地址上置0.此时，ALE只有执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用，另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP；当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/Ea保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程区间，此引脚也用于施加12V变成电源（VPP）。XTAL1：反向震荡放大器的输入及内部始终工作电路输入。XTAL2：来自反向振荡器图3.11主电路电路图3.7本章小结本章主要是三自由度机械手运动控制下位机系统元器件的选择，根据系统设计方案，合理安排各个基本模块，配置各个模块的元器件，安排各个元器件的位置，最后将他们组装成三自由度机械手运动控制下位机系统控制芯片。25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计第4章控制系统硬件设计单片机控制系统的硬件设计，主要是根据被控制对象对单片机控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备，选择合适的单片机类型，并分配I/O点。4.1确定I/O点数三自由度机械手运动控制下位机系统根据要求输入有两个电源，一个复位，2个振，一个光电传感器信号等共有24个输入点。输出有8个电机驱动。共需要I/O点数24个。4.2单片机的选择本系统的控制系统选用单片机控制，且三自由度机械手运动控制下位机系统的控制都是开关量。所以单片机选用80C52它有两个电源接口，一个复位，32个I/O口，一个EA引脚，一个ALE引脚，一个PSEN引脚，一个XTAL1，一个XTAL2。满足本系统要求。4.3单片机I/0分配表根据所选择的单片机型号，对本系统中单片机的输入输出端子进行分配，如表4.1所示。表4.1单片机I/O分配表输入点信号说明P2.2低电平信号P22与机械手旋转复位位置相连P2.7低电平信号P23与机械手上下位置（下方向）相连P2.0低电平信号P24与机械手伸缩位置（缩方向）相连P2.1低电平信号红外传感器信号P0.0低电平信号旋转限位开关P0.1低电平信号上升限位开关P0.2低电平信号伸缩限位开关P0.3低电平信号选择定位模式P0.4低电平信号选择定点模式P0.5低电平信号选择手动模式25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计P2.3低电平信号手动模式下方向开关（左旋）P2.4低电平信号手动模式下方向开关（右旋）P2.5低电平信号手动模式下方向开关（向上）P2.6低电平信号手动模式下方向开关（向下）P0.6低电平信号手动模式下方向开关（向前）P0.7低电平信号手动模式下方向开关（向后）P1.6低电平信号手动模式下三个自由度转换开关输出点信号说明P1.0混合信号P10与电机驱动IN1相连P1.1混合信号P11与电机驱动IN2相连P1.2混合信号P12与电机驱动IN3相连P1.3混合信号P13与电机驱动IN4相连P1.4混合信号P12与电机驱动IN5相连P1.5混合信号P12与电机驱动IN6相连P3.1混合信号P30与电机驱动IN7相连P3.2混合信号P31与电机驱动IN8相连4.5本章小结本章论述的是单片机控制系统的硬件设计，根据被控制对象对单片机控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备，选择合适的单片机类型，并分配I/O点。根据控制要求，三自由度机械手运动控制下位机系统共需I/O点24个，其中17个输入，8个输出。三自由度机械手运动控制下位机系统的控制为开关量控制。本系统选择80C52单片机。25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计第5章控制系统的软件设计根据操作方式及运动状态的不同，分析各个设备的操作内容和操作顺序，可画出程序流程图。5.1流程图通过if、elseif、goto语句，实现程序循环扫描，程序选择功能。当单片机上电后，程序进入主程序，然后进入程序选择阶段，首先检测是否要执行限位操作程序，其次检测是否进行控制目的点坐标程序，最后检测是否进行手动操作程序，如果所有程序都没有选择，主程序将回到开始阶段，从新进行检测，直到选择某一种操作程序，如图5.1。（程序清单见附录）主程序操作程序选择限位操作程序否控制目的点程序否手动操作程序否图5.1主程序流程图当主程序检测到dingwei=0时程序进入限位操作程序，首先执行复位操作，复位执行后机械手释放，程序停留在检测是否有物体阶段，当有物体时，程序继续执行，先X轴旋转，然后Y轴移动，最后Z轴升降。机械手抓取物体，如图5.2。（程序清单见附录）25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计限位操作程序X、Y、Z复位操作程序机械手释放检测是否有物体X轴旋转Y轴移动Z轴升降机械手抓取物体是否图5.2限位程序流程图当主程序检测到dingdian=0时，程序进入控制目的点程序，首先执行复位操作，程序停留在检测阶段，当检测到有物体时，程序继续执行。其次机械手移动到物体所在，机械手抓取物体。最后机械手移动到目的位置并且机械手释放，如图5.3。（程序清单见附录）当主程序检测到shoudong=0时，程序进入手动操作阶段，首先Z轴升降，当移动到指定位置后手动按下确定后，执行Y轴移动，移动到指定位置后手动按下确定后，执行X轴旋转，移动到指定位置后手动按下确定后，机械手抓取物体。然后程序继续执行，将物体按照以上操作移动到指定位置后机械手释放，如图5.4（程序清单见附录）25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计否是控制目的点程序X、Y、Z复位操作程序检测是否有物体移动到物体所在位置机械手抓取物体X、Y、Z三个方向分别检测物体目的位置与所在位置的相对位置，并移动到目的位置机械手释放图5.3控制目的点程序流程图25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计手动操作程序检测是否有物体通过+X、—X键控制X轴移动距离通过+Y、—Y键控制Y轴移动距离通过+Z、—Z键控制Z轴移动距离是否机械手抓取物体机械手释放物体通过+Z、—Z键控制Z轴移动距离通过+Y、—Y键控制Y轴移动距离通过+X、—X键控制X轴移动距离图5.4手动操作程序流程图流程图25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计5.2本章小结通过对51单片机程序语言的学习，以及对典型控制程序的研究，结合系统整体设计方案及了解元器件的性能，结合系统程序流程图，编写合理程序，以达到设计要就。结论经过将近4个月的时间，终于完成了三自由度机械手运动控制下位机系统设计及制作，达到了设计目的。该设计将用在实验室建设，老师可以通过机械手运动为学生生动讲解单片机控制原理、机电一体化设备等课程，同时学生也可以通过该设计，实际模拟自己编写的程序，方便老师讲课，也有利于同学学习。该设计主要分以下几个部分：1、元器件的选择通过查阅相关论文和期刊，确定设计方案后。选择合理的元器件成为该设计能否成功的关键，通过研究典型电路及已经成功的设计的电路，选出本设计各元器件，通过对元器件性能及控制规则的了解，确定各个元器件参数，并画出电路图。利用电路图焊接实物图，在焊接过程中总是出现虚连现象，在老师的帮助下，发现主要问题在选择电烙铁功率上，解决了电路虚连问题后，得到了稳定的实物电路。25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计2、控制程序编写利用本专业学习的基本知识，再结合典型控制程序及参考文献中的程序，利用keil软件编写C语言控制程序。在程序编写过程中，对从前学过的知识有了更深的了解，尤其对while语句的用法有了新的了解。对单片机I/O接口有了更全面的掌握，掌握了这些后经过3个多星期努力，最终编写出符合设计要就的控制程序。3．程序调试调试过程中，首先是软件调试，利用keil软件自身功能，调试程序运行性能，在调试过程中更深的理解了延时函数。其次是硬件调试，通过慧鱼组件调试电机，在调试电机的过程中更深的理解了直流电机自锁的好处。最后是综合调试，通过综合调试，得到了符合设计要就的实际物体。参考文献[1]邓星钟.机电传动控制[M].武汉:华中科技大学出版社.2001.[2]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社.2002.[3]李东君.开放式教学机器人的研究开发[J].机械研究与应用.2004(4).[4]闫志超.开放式教学机器人控制系统研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文.2007.[5]朱仁龙,容静娴.教学机器人的设计与实现[J].上海师范大学学报.2004(4).[6]熊青春.四自由度教学机器人的研制[D].合肥工业大学硕士学位论文.2006.[7]郭天祥.单片机程序编写教程[CD].哈尔滨工程大学.2005.25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计[8]崔玲玲.基于单片机的搬运机器人设计[J].刊名价值工程.2011.[9]罗庚合.基于AT89C52的备料机械手控制系统设计[J].刊名现代电子技术.2011.[10]蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略[J].机器人技术.2007(7).[11]金茂青,曲忠萍.国外机器人的发展态势分析[J].机器人技术与应用.2008.2.[12]黄玉清,梁靓.机器人的差分方向控制与实现[J].信息与电子工程.2004(9).[13]万永伦,丁杰雄.一种机器人寻线控制系统[J].电子科技大学学报.2008(3).[14]王晓平.基于下位机与上位机三自由度机械手控制系统的设计[J].科技广场.2009.[15]余国卫,谭延军.基于AT89S52单片机的自动报警系统[J].微处理机.2006(10).[16]黄玉清,张江美.模糊控制在机器人中的应用[J].西南科技大学报.2004(3).[17]侯继红,李继东.Protell99SE实用技术教程[M].北京:中国电力出版社,2004.[18]赵晶.电路设计与制版Prote199高级应用[M].北京:人民邮电出版社,2006.[19]RELIABILITYREPORTFORMAX232xxEPLASTICENCAPSULATEDDEVICES[EB/OL].http://china.maxim-ic.com/pst/run.mvp?q=max232,2011.[20]CharlesM.Bergren.Anatomyofarobot[M].TheMcGraw-HillCompany,2000.致谢本论文是在刘财勇老师的悉心指导下完成的，论文从选题到写作及最后的成稿，老师都给予了精心的指导和极大的帮助。毕业设计期间，老师给予我许多帮助，同时也为我们指明了方向。在此谨向尊敬的导师致以由衷的感谢和崇高的敬意！同时也感谢学校提供给我们一次提高的机会，我在此深表感谢。最后，再次向所有帮助过我，激励过我，关心过我的人，致以最诚挚的谢意和最美好的祝福！25\n黑龙江工程学院本科生毕业设计25