机器人技术基础课程论文

单片机在机器人控制系统中的应用

学院：机械电气工程学院

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单片机在机器人控制系统中的应用

摘要：本文主要以机器人控制系统为切入点，介绍了中心控制器的种类及单片机的基本知识，又引出单片机与智能机器人的关系，并简单介绍了基于单片机控制的智能机器人，并说明了单片机与主要电路模版之间的连接，又以智能避障机器人和图书馆自动存取机器人为例，进行说明。

关键词：控制系统 中心控制器 单片机 机器人 视觉模块 步伐校正模块

0前言

在这个学期我们学习了机器人技术基础这门课程，了解到了很多先进的技术，我对机器人的控制系统产生了很大的兴趣。同时，在这个学期，我们学习了单片机这门课程，在学习过程中，了解到单片机在机器人控制领域中应用很广泛，因此，我想更加深入的研究学习。

从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有50多年了,在这短短的几年里,伴随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步,机器人的发展已经历了3代:(1)可编程的示教再现型机器人;(2)基于传感器控制具有一定自主能力的机器人;(3)智能机器人[1].作为机器人的核心部分,机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一.它从一定程度上影响着机器人的发展[2].而在机器人发展的过程中，机器人的控制系统是极其重要的。

1.机器人的控制系统

1.1控制系统

对于一个典型的机器人控制系统，主要组成部分有中心控制器、驱动电路、执行机构、信号处理电路、传感器、输入输出等。对于机器人来说，中心控制器就像人的大脑一样，不仅要通过外围电路控制执行机构完成相关动作，还要根据传感器的输入信息判断机器人的工作状态，有着极其重要的功能。

1.2中心控制器的种类

中心控制器可以大致包括5种。单片机，嵌入式工业控制模块，DSP（数字信号处理器），专用运动控制卡，基于PC的运动控制卡。单片机作为中心控制器时，其结构简单，经济性好，常用于一些简单结构机器人的控制。

2.单片机概述

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备[3]。

3. 单片机与智能机器人

单片机机器人传感器执行机构单片机以其功能强、体积小、可靠性高、价格便宜的特点,广泛应用于智能仪器仪表、电子玩具、家用电器和智能机器人中。

机器人自二十世纪60年代问世以来历经50多年的潜心研究,有了飞跃的发展。早期的机器人不具备感觉装置,只是依靠人们给予的程序,重复进行各种操作,故也称它们为机械手;第二代机器人具有简单的传感器反馈信息,能对自身的实际位置、方向、速度等进行侧量,从而由这些反馈信息在事先编好的程序指导下对操作过程进行调整,以达到预先设计的目标;第三代机器人是能感知外界环境与对象,并具有对复杂信息进行准确处理,对自身行为做出自主决策能力的智能机器人。它能识别景物,有触觉、视觉、力觉、听觉和味觉;能实现搜索、追踪、辩色识图等多种仿生动作;具有专家知识、语音功能和自学能力。

因此,智能机器人已经应用于科学探索、工业制造、农业生产、军事行动、医疗卫生以及生活服务等各行各业,我们用机器人去完成那些危险性高的、环境恶劣有害健康的、繁重的或精确的、总之人们难以胜任的工作[6]。人们对机器人的可靠性以及人性化智能化的要求在逐渐的提升，而对于机器人自动控制技术的核心则是单片机技术。

3.1基于单片机控制的智能机器人

在智能机器人的系统结构中，其中由两个单片机组成，分别是MCU1以及MCU2，前者是控制单片机的整个系统，而后者则是控制液晶屏的工作，在两个单片机之间主要是利用I/O进行通讯连接，以此来促进各个部位功能的整体协调工作。

3.2 单片机与主要电路模版之间的连接

3.2.1视觉模块

对于机器人的视觉模块来说，就是所谓的导航系统，在机器人进行工作时，其中主要是利用传感器来检测机器人所在位置，并且对位置信号进行调整，将其放大后进行A/D转换，将其输入到单片机，单片机对输入的信号进行过滤以及计算，之后输出计算之后的调频信号，以此来通过频率对电机转速进行控制，使机器人进行移动二主要是在系统中装有相应的传感器，并且经过单片机的自我判断来控制前方的障碍物，进行相应的调整，并且以此来模拟人类的行为。

3.2.2步伐校正模块

机器人的移动主要是由两个电机进行动力支持，因此在进行移动的过程中一定要保证两个电机的转速相同，否则将会导致机器人步伐混乱。在机器人系统中主要是由光藕来完成，光藕主要是安装在机器人腿部挡片中，机器人在进行行动时，若是单片机接收信号状态不一致，那么说明移动步伐正常，若是信号状态相同，那么则是说明机器人步伐混乱。那么单片机将会发出相应的控制命令，对机器人进行校正，以此来进行机器人的正常移动[4]。

4.应用实例

智能避障机器人的硬件设计包括了上位机接口模块、电源管理模块、红外探测模块、超声波检测模块、传感器舵机驱动模块，电机驱动模块、以及电机舵机驱动模块等电路组成。其中，红外探测模块由红外发射电路和红外接收电路组成;传感器舵机驱动模块主要驱动舵机带动红外传感器和超声波传感器一起转动;电机驱动模块主要通过单片机发来的PWM波改变直流电动机的转速，以此来控制机器人行进的速度;电机舵机驱动模块可以通过调整舵机的角度来达到改变机器人行进方向的目的[5]。

目前，找书难，上架难，移架难等问题是图书馆管理面临的主要问题"主要的解决途径是图书馆自动存取技术，就目前的发展水平来看，图书馆自动存取技术中“移动机器人+机械手”的组合系统成本低，灵活性好。其控制系统中，Arduino是一个开源的单片机电子设计平台，其作为集成开发环境的最大特点就是简单易用。Arduino 控制板根据检测到的红外信号，输出具有制定控制策略的PWM信号，调节直流电机的转速和电机的旋转方向，最终实现控制小车的运动轨迹。

取货部分设计采用闭环系统控制，闭环部分采用光电编码盘，连续发光的光电管不停地通过格栅，所以光电管接收端就能接收到和格栅通过频率相同的光信号，通过光敏三极管的转化转为变化的电信号，从而测出取货小车移动的速度与距离[7]。

5.总结

人工智能是解决机器人规划的重要技术,机器人知识库使机器人有可能完成感知与动作相结合的高智能操作。[6]人类社会需要机器人,机器人作为我们的未来伙伴,将给人类带来新的技术革命、高科技成果和更加文明进步的社会。

觉得时间太匆匆，学到的东西不够多，机器人课程已经结束了，觉得老师把我们引入了一个新奇的领域，还意犹未尽，却已说再见了。

这门课程让我对机器人有了简单的了解，不管以后是否从事这方面的工作，毕竟，它会影响我们未来的生活，觉得老师讲课也很好。

但是，对于老师让我们上课讲PPT的问题，这样虽然能让我们学到不少东西，但我觉得其实不好，其实一组也就大概两个人在忙活。还有，我希望老师在课堂上能更多地让我们参与进来。上课时我们回答问题和发言的机会比较少。

最后，我觉得我在这门课上学到很多知识，开阔了思维，拓宽了自己的眼界，非常感谢老师！

参考文献

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[2]范永,谭民. 机器人控制器的现状及展望[J]. 机器人,1999,01:76-81.

[3]张毅刚，彭喜元，彭宇编著. 单片机原理及应用[M]北京：高等教育出版社，2010.5

[4]吕国策. 对单片机的控制系统在智能机器人中的应用研究[J]. 电子制作,2015,04:56.

[5]王立鹏.基于AT89S51单片机的智能避障机器人设计[J].电子技术与软件工程,2014,23:259.

[6]李维谦,吴耀彬. 单片机在智能机器人中的应用[J]. 福建电脑,2002,09:50-51.

[7]王滨,韩丹,李思远,夏建邦,关心同,殷彤,白家振,王立新,郑元松. 基于单片机控制的图书馆机器人的开发[J]. 机械工程师,2015,02:141-143.

[8]周浩,沙志豪,王陈晨,张洪,蒲秋梅. 基于单片机智能取物机器人的设计[J]. 计算机光盘软件与应用,2015,02:279+281.

[9]陈海洋,李东京.基于单片机的智能循迹避障机器人小车设计[J].科技风,2014,20:99.

[10]申江江,齐银鹏,陈方超,陈毓,梁浩.基于单片机的多功能智能小车机器人[J].电子设计工程,2014,23:111-113.

 

第二篇：工业机器人 论文

平顶山工业职业技术学院

工业机器人设计(论文)

班级： 机电

基于DSP运动控制器的5R工业机器人系统设计 

摘要

以所设计的开放式5R关节型工业机器人为研究对象，分析了该机器人的结构设计。该机器人采用基于工控PC及DSP运动控制器的分布式控制结构，具有开放性强、运算速度快等特点，对其工作原理进行了详细的说明。机器人的控制软件采用基于Windows平台下的VC++实现，具有良好的人机交互功能，对各组成模块的作用进行了说明。所设计的开放式5R工业机器人系统，具有较好的实用性。

关键词：开放式；关节型；工业机器人；控制软件;5R;DSP;运动控制器；控制软件

第一章5R工业机器人操作机结构设计

关节型工业机器人由2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个或3个腕关节进行定向，其中一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰，这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线。这种构型的机器人动作灵活、工作空间大，在作业空间内手臂的干涉最小，结构紧凑，占地面积小，关节上相对运动部位容易密封防尘，但运动学复杂、运动学反解困难，控制时计算量大。在工业用应用是一种通用型机器人¨。

1．1 5R工业机器人操作机结构

所设计的5R关节型机器人具有5个自由度，结构简图如图1所示。5个自由度分别是：肩部旋转关节J1、大臂旋转关节J2、小臂旋转关节J3、手腕仰俯运动关节J4和在旋转运动关节J5。总体设计思想为：选用伺服电机(带制动器)驱动，通过同步带、轮系等机械机构进行间接传动。腕关节上设计有装配手爪用法兰，通过不断地更换手爪来实现不同的作业任务。

1．2 5R工业机器人参数

表1为设计的5R工业机器人参数。

2 5R工业机器人开放式控制系统

机器人控制技术对其性能的优良起着重大的作用。随着机器人控制技术的发展，针对结构封闭的机器人控制器的缺陷，开发“具有开发性结构的模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器发展的趋势]。为提高稳定性、可靠性和抗干扰性，采用“工业PC+DSP运动控制器”的结构来实现机器人的控制：伺服系统中伺服级计算机采用以信号处理器(DSP)为核心的多轴运动控制器，借助DS高速信号处理能力与运算能力，可同时控制多轴运动，实现复杂的控制算法并获得优良的伺服性能。

2．1基于DSP的运动控制器MCT8000F8简介

深圳摩信科技公司MCT8000F8运动控制器是基于网络技术的开放式结构高性能DSP8轴运动控制器，包括主控制板、接口板以及控制软件等，具有开放式、高速、高精度、网际在线控制、多轴同步控制、可重构性、高集成度、高可靠性和安全性等特点，是新一代开放式结构高性能可编程运动控制器。图2为DSP多轴运动控制器硬件原理图。图中增量编码器的A0(／A0)、B0(／B0)、c0(／CO)信号作为位置反馈，运动控制器通过四倍频、加减计数器得到实际的位置，实际位置信息存在位置寄存器中，计算机可以通过控制寄存器进行读取。运动控制卡的目标位置由计算机通过机器人运动轨迹规划求得，通过内部计算得到位置误差值，再经过加减速控制和数字滤波后，送到D／A转换(DAC)、运算放大器、脉宽调制器(PWM)硬件处理电路，转化后输出伺服电机的控制信号或PWM信号。各个关节可以完成独立伺服控制，能够实现线性插补控制、二轴圆弧插补控制。

2．2机器人控制系统结构及工作原理

基于PC的Windows操作系统，因其友好的人机界面和广泛的用户基础，而成为基于PC控制器的首选。采用PC作为机器人控制器的主机系统的优点是：①成本低；②具有开放性；③完备的软件开发环境和丰富的软件资源；④良好的通讯功能。机器人控制结构上采用了上、下两级计算机系统完成对机器人的控制：上主控计算机负责整个系统管理，下级则实现对各个关节的插补运算和伺服控制。这里通过采用一台工业PC+DSP运动控制卡的结构来实现机器人控制。实验结果证明了采用1．2 5R的计算结构可以充分利用DSP运算的高速性，满足机器人控制的实时需求，实现较高的运动控制性能。机器人伺服系统框图如图3所示。伺服系统由基于DSP的运动控制器、伺服驱动器、伺服电动机及光电编码器组成。伺服系统包含三个反馈子系统：位置环、速度环、电流环，其工作原理如下：执行元件为交流伺服电动机，伺服驱动器为速度、电流闭环的功率驱动元件，光电编码器担负着检测伺服电机速度和位置的任务。伺服级计算机的主要功能是接受控制级发出的各种运动控制命令，根据位置给定信号及光电编码器的位置反馈信号，分时完成各关节的误差计算、控制算法及D／A转换、将速度给定信号加至伺服组件的控制端子，完成对各关节的位置伺服控制。管理级计算机采用586工控机(或便携笔记本)，主要完成离线编程、仿真、与控制级通讯、作业管理等功能；控制级计算机采用586工控机，主要完成用户程序编辑、用户程序解释，向下位机运动控制器发机器人运动指令、实时监控、输入输出控制(如打印)等。示教盒通过控制级计算机可以获得机器人伺服系统中的数据(脉冲、转角)，并用于控制级计算机控制软件中实现对机器人的示教及控制。

3 5R工业机器人运动控制软件设计

5R工业机器人控制软件采用C++Builder编程，最终软件运行在Windows环境下。C++Builder对在Windows平台下开发应用程序时所涉及到的图形用户界面(GUI)编程具有很强的支持能力，提供了可视化的开发环境，可以方便调用硬件厂商提供的底层函数，直接对硬件进行操作，而且生成目标代码效率高。所设计的控制软件为分级式模块化结构。管理级主模块具有离线编程、图形仿真、资料查询及故障诊断等功能，其结构如图4所示。

(1)离线编程模块利用计算机图形学的成果，建立机器人及其工作环境的模型，利用规划算法，通过对图形和对象的操作，编制各种运动控制，在离线情况下生成工作程序。(2)图形仿真模块可预先模拟结果，便于检查及优化。(3)资料查询模块可以查阅当日工作及近期工作记录、相关资料(生产数量、班次等)，并可以打印输出存档。(4)故障诊断模块可以实时故障诊断，以代码式显示出故障类型，并为技术人员排除故障提供帮助信息。控制级主模块软件结构如图5所示。

(1)复位模块使得机器人停机时或动作异常时，通过特定的操作或自动的方式，使机器人回到作业原点。机器人在作业原点，机构的各运动副所受力矩最小，确定了机器人待机的安全位姿。(2)系统提供两种示教方法。第一种示教方法即“下位机+示教盒”的示教方法：示教盒和下位机操作界面上的手动操作开关分别对应着装配机器人的各种动作和功能。通过高、中、低速、点动等速度档次的选择，对机器人进行大致的定位和精确的位置微调。并存储期望的运动轨迹上机器人的位置、姿态参数。第二种方法即离线仿真的示教方法。这种示教方法是在计算机上建立起机器人作业环境的模型，再在这个模型的基础上生成示教数据的一种人工智能的示教方法。进行示教时使用计算机图示的方法分析机器人与作业模型位置关系，也可以通过特定指令指定器人的运动位置…。

4结束语

所开发的开放式工业机器人系统具有以下特点：(1)采用分布式二级控制结构，运动控制由基于DSP的运动控制器M'CT8000F8完成，增加了系统的开放性，以及运行处理的快速性及可靠性。(2)考虑到具有良好的通用性，可以作为通用机器人使用，具有较好的产业化、商品化前景。(3)计算机辅助软件采用基Windows平台的c++编程，通过调用底层函数可以对硬件进行直接操作，可视化环境可提供良好的人机交互操作界面。通过本机器人系统的研究开发，可极大地满足工业现场对机器人的开放性要求，进一步提高我国工矿企业自动化水平。同时，也作为机器人技术训练平台，加强工程人员能力锻炼。 

 5[参考文献]

[1]马香峰，等．工业机器人的操作机设计[M]．北京：冶金工 业出版社，1996．

[2]吴振彪．工业机器人[M]．武汉：华中理工大学出版社， 2006．

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[4]王天然，曲道奎．工业机器人控制系统的开放体系结构

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[5]深圳摩信科技有限公司．MCT8000系列控制器使用手册

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