简易自动组装机器人的设计

湖南农业大学东方科技学院湖南农业大学东方科技学院 全日制普通本科生毕业设计全日制普通本科生毕业设计 简易自动组装机器人的设计简易自动组装机器人的设计 DESIGN OF SIMPLE AUTOMATIC ASSEMBLY ROBOT 学生姓名 学生姓名 陈昱名陈昱名 学学 号 号 200741914404200741914404 年级专业及班级 年级专业及班级 20072007 级机械设计制造及其自动级机械设计制造及其自动 化化 4 4 班班 指导老师及职称 指导老师及职称 康江康江 副教授副教授 湖南 长沙 提交日期 2011 年 5 月 湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生 毕业设计诚信声明 本人郑重声明 所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下 进行研究工作所取得的成果 成果不存在知识产权争议 除文中已经注 明引用的内容外 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确 的说明并表示了谢意 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 毕业设计作者签名 年 月 日 目 录 摘 要 1 关键词 1 1 前言 2 1 1 2011 年亚太机器人大赛比赛主题与规则 2 2 机器人创意设计与方案 3 2 1 机器人一般组成 3 2 2 机器人设计原则 4 2 3 比赛策略 4 2 4 研制概要 4 3 机器人机械设计 5 3 1 轮子和底盘的选择与设计 5 3 2 升降机构的设计 7 3 3 夹取机构设计 8 4 机器人电路硬件选择 9 4 1 CPU 的选择 9 4 2 机器人主控制板结构及说明 12 4 2 1 LPC2103 电源模块 12 4 2 2 最小系统 13 4 2 3 人机交互界面 13 4 2 4 主控制板实物图 18 4 3 电机伺服控制 19 4 4 编码盘采样 24 4 5 光电传感器 25 5 主控制板程序设计 27 5 1 ARM 主程序流程图 27 5 2 PWM 的产生 29 5 2 1 软件生成 PWM 29 5 2 2 硬件生成 PWM 30 5 3 中文液晶显示 12864 程序设计 33 6 系统的调试 39 7 总 结 39 参考文献 39 致 谢 40 附录 41 1 简易自动组装机器人的设计简易自动组装机器人的设计 学 生 陈昱名 指导老师 康 江 湖南农业大学东方科技学院 长沙 410128 摘 要 随着国内外机器人竞赛热潮的兴起 大学生亲自动手制作机器人已成为参加机器 人大赛的主要方式 本人作为湖南农业大学东方科技学院 2011 年亚太大学生机器人大赛的参赛队 员 参与了机器人的设计和制作整个过程 在创新设计能力 动手能力和培养团队合作精神等方 面都得到了提高 而本次设计的简易自动组装机器人是一台自动化程度较高的机器人 这个机器 人由行走模块 主控模块和机械手臂组成 需要完成一定难度的 水灯 组装工作并将组装好的 水灯放入 小河 中 题目源于 2011 年亚太大学生机器人大赛 这对机器人的竞争力 灵活性 准确性有较高要求 机器人的控制系统采用单片机或 ARM 作底层控制模块 充分利用单片机高处 理能力 机器人的机械结构采用铝型材制作 利用铝型材轻便加工方便的优点 机器人的主程序 采用 C 语言编写 关键词 机器人 LPC2103 ATMEGA128 全向轮 组装 The design of simple automatic assembly robot Student ChenYuming Tutor KangJiang Orient Science make full use of single chip microcomputer high processing ability Robot mechanical structure was made of aluminum section that possessing the advantage in deft processing The main program robot uses is C language Key words Robot LPC2103 ATMEGA128 Assembly Omni wheel 2 1 前言 机器人涉及多学科交叉综合 人工智能 机器人技术 通信技术 传感器技术 信息及编程技术 计算机学 材料学 电子技术 传动技术 接口技术 电机拖动学 精密机械技术 自动控制理论 伺服传动技术等诸多领域的技术集成 因此难度高 技术综合性极强 能充分锻炼参与者多学科综合及设计能力和团队协作精神 2011年全国大学生机器人大赛机器人主要任务是由手动机器人将 水灯 的各个 部件运往普通区 再由自动机器人拿取水灯的各部件完成组装并放入 小河 中 点 上 烛火 完成水灯制作 先完成者胜利 比赛结束 在这种互相干扰不大 主要比拼速度及精度的竞赛中 制作的机器人越稳定 越 高速 就越有可能取得比赛的胜利 本人参与设计的简易自动组装机器人就是参加该 项比赛的机器人之一 1 1 2011 年亚太机器人大赛比赛主题与规则 Robocon2011 竞赛规则竞赛规则 每个参与比赛的代表队上场的机器人不超过三个 包括一个手动机器人和一个 或两个自动机器人 手动机器人必须完成拿起 3 敬香盆的首要任务 并放置在普 通区 在此之后 该手动机器人将带来一个基座放在组装点位置 该手动机器人将收 集普通区的三柱香 用于后面的水灯组装 图 1 比赛道具 组装完成的河灯 Fig 1 Competition Props the assembled lanterns 自动机器人将收集水灯花瓣和花 把它们摆放在准备点 机器人会自动组装一水 3 灯和一花花瓣在位于组装点族的基座上 在完成这项任务 手动机器人将三炷香放 入水灯进行装饰 自动机器人将携带完成装配的水灯放到河面上 机器人任何部分不 能接触河面 最后 只有一个自动机器人将拖放顶部烛光火焰完成了流域地表水灯漂浮蜡烛 第一队点亮蜡烛灯火焰成功就是本场比赛的冠军 这种类型被称为获奖 水灯节 比赛场地 比赛场地 图 2 比赛场地 Fig 2 Venues 2 机器人创意设计与方案 2 1 机器人一般组成 机器人一般由执行机构 驱动装置 检测装置和控制系统和复杂机械等组成 执行机构即机器人本体 其臂部一般采用空间开链连杆机构 其中的运动副 转 动副或移动副 常称为关节 关节个数通常即为机器人的自由度数 根据关节配置型 式和运动坐标形式的不同 机器人执行机构可分为直角坐标式 圆柱坐标式 极坐标 4 式和关节坐标式等类型 驱动装置是驱使执行机构运动的机构 按照控制系统发出的指令信号 借助于动 力元件使机器人进行动作 它输入的是电信号 输出的是线 角位移量 机器人使用 的驱动装置主要是电力驱动装置 如步进电机 伺服电机等 此外也有采用液压 气 动等驱动装置 检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况 根据需要反馈给控制系统 与设定信息进行比较后 对执行机构进行调整 以保证机器人的动作符合预定的要求 控制系统有两种方式 一种是集中式控制 即机器人的全部控制由一台微型计算 机完成 另一种是分散式控制 即采用多台微机来分担机器人的控制 如当采用上 下两级微机共同完成机器人的控制时 主机常用于负责系统的管理 通讯 运动学和 动力学计算 并向下级微机发送指令信息 作为下级从机 各关节分别对应一个 CPU 进行插补运算和伺服控制处理 实现给定的运动 并向主机反馈信息 2 2 本次机器人设计原则 对于此次比赛的机器人来说 主要考验的是机器人的行走路线 机器人运行的稳 定性 快速性 准确性以及可操作性 通过总结往届的经验 小组制定了如下机器人 设计原则 1 机器人必须与大赛的主题相吻合 创意独到 在遵循规则的前提下能巧妙地 合理地利用规则 2 机器人必须具有较高的速度 包括加速度 比赛中谁的速度快 谁就能在更 短的时间内完成组装搬运工作 抢得比赛的先机 因此小组制定了速战速决的战 术 3 机器人必须稳 准 指机器人运动的机动性 稳定性和组装水灯的准确性 速度只有与机动性 灵巧性和准确性结合才能相得益彰 才能在竞争激烈 赛况 瞬息万变的比赛中获得胜利 4 机器人应具有高智能 目前大部分自动机器人尚处于预编程的水平上 无法 达到高要求的定位标准 如果机器人的智能水平能够有所提高 能够正确的处理 瞬息万变的赛场信提高定位能力 那么就能更快更好的完成组装和搬运 5 机器人代表队的配合默契程度 指自动机器人 手控机器人的动态配合要好 因为比赛不是比拼单台机器人的功能 因此 小组特别强调机器人团队之间的协 5 同作战 2 3 比赛策略 在比赛一开始机器人就以最短路线运动到组装区域 并利用编码盘导引调整行动 误差保证最后准确的定位在组装区中心位置 然后机器人转向去抓取待组装的水灯部 件进行组装 完成组装后将组装好的水灯夹取放入小河中 2 4 研制概要 根据大赛主题以及规则 小组经过了多次集体开会讨论 初步确定了控制系统的 设计方案 1 手动机器人任务 将3敬香盆放置在普通区 然后将带来一个基座和蜡烛装饰 放在组装点族位置 并且该手动机器人将收集普通区的蜡烛 再次用于在水灯大会 2 自动机器人 将收集水灯花瓣和花 并把它们摆放在准备点 3 自动组装机器人 将会自动堆叠 组装 一水灯和一花瓣在位于组装点族的蜡 烛基座上 然后将组装好的水灯放入小河中 3 自动组装机器人机械设计 3 1 轮子和底盘的选择与设计 为了使机器人能够快速的定位就需要有足够的灵活性 在使用全向轮作为动力轮的 时候我们就必须考虑底盘形状的问题 底盘大体可分为三角形底盘和四边形底盘它们的 功能特性也有很大差别 1 四边形底盘 动力轮分布在底盘的四个方向两两同轴且相互垂直 轮心到 P 底 盘重心 O 的距离都等于 a 如下图所示 假设每个轮子与地面的摩擦力分别为 f1 f2 f3 f4 按照力学公式推导如下 6 图 3 四边形底盘分析 Fig 3 Chassis Of Quadrilateral Fx f1 f3 Fy f2 f4 Mo f1 a f2 a f3 a f14 a 1 当 f1 f3 f1 与 f3 方向相同 f2 f4 0 此时机器人向 X 方向运动 2 当 f2 f4 f2 与 f4 方向相同 f1 f2 0 此时机器人向 Y 方向运动 3 f1 f2 f3 f4 f1 与 f3 方向相反 f2 与 f4 方向相反时此时机器人原地旋转 4 f1 f3 F1 f2 f4 F2 F1 方向与 F2 相反 此时机器人向 F1 与 F2 的合力方 向移动 7 2 三角形底盘 三角形底盘为等边三角形 动力轮分布在三条垂直平分轴线上 且到重心距离相等如下图所示 假设每个轮子能提供的反向摩擦力分别为 f1 f2 f3 按 照力学公式推导如下 图 4 三角型底盘分析 Fig 4 Analysis Of Triangular Chassis Fy f2 cos30 f3 cos30 Fx f3 sin30 f2 sin30 f1 Mo f1 a f2 a f3 a 1 当 f3 f2 f3 和 f2 的方向如图示方向且 f1 0 时机器人向 Y 方向运动 2 当 f1 2f2 2 f3 f2 与 f3 方向如图所示 或 f3 f2 0 此时机器人向 x 方向运 动 3 f1 f2 f3 f3 方向与图示相反 f1 和 f2 方向与图示一致时 此时机器人原地旋转 4 此时如果依照四边形底盘第 4 种情况分析不能得到 能产生一个朝向任意方向的 合力 但无法使 Mo 0 这样机器人就会走出一个弧线 当合力方向在大约 35 时 8 Mo 0 也就是三角形底盘只能朝与水平线相差 35 的斜线方向直线移动 综上分析两种底盘都能实现平移和走某一方向斜线均可以满足设计需求 但是两者均 有利弊 三角地盘的优势是 设计简便 能保证 3 个轮子在同一平面内 能灵活转向 1 弊端是 只有 35 角度斜线不能朝向任意角度平移 四边形底盘的优势是 可以向任意方向平移 弊端是 由于 4 点确定一平面 2 属于过定位很难保证平面度 由于比赛要求我们需要上到一个高台 四边形底盘由于平面度问题无法做到这一 点 而且三角形底盘可以通过软件程序的补偿算法实现很好的平移效果 所以我选择 三角形底盘 3 2 升降机构的设计 升降机构可以选择丝杆 导轨 滑块 直线滑轨式和直线轴承式等机构 并且小 组也同时讨论了这几种机构的设计方案 但为了满足机器人比赛的要求 必须稳定 可靠 速度快 动作准确 方便控制等特点 在指导教师的组织下 我们小组内部进 行了多次选择和分析 1 采用直线导轨式升降 用于直线往复运动场合 拥有比直线轴承更高的额定负 载 同时可以承担一定的扭矩 可在高负载的情况下实现高精度的直线运动 2 采用直线轴承式升降 是一种以低成本生产的直线运动系统 用于无限行程与 圆柱轴配合使用 由于承载球与轴呈点接触 故使用载荷小 钢球以极小的摩擦阻力 旋转 从而能获得高精度的平稳运动 直线轴承是与淬火直线传动轴配合使用 作无 限直线运动的系统 负荷滚珠和淬火传动轴因为是点接触 容许载荷较小 但直线运 动时 摩擦阻力最小 精度高 运动快捷 3 采用同步带传输动力 同步带是以钢丝绳或玻璃纤维为强力层 外覆以聚氨酯 或氯丁橡胶的环形带 带的内周制成齿状 使其与齿形带轮啮合 同步带传动时 传 动比准确 对轴作用力小 结构紧凑 耐油 耐磨性好 抗老化性能好 对于要求同步 的传动 也可用于低速传动 同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行 带及具有相应吻合的轮所组成 它综合了带传动 链传动和齿轮传动各自的优点 转 动时 通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力 传输的同步带传动具有准确的传动比 无滑差 可获得恒定的速比 传动平稳 能吸振 噪音小 传动比范围大 传动效率 高 结构紧凑 适宜于多轴传动 不需润滑 无污染 因此可在不允许有污染和工作 9 环境较为恶劣的场所下正常工作 4 丝杆传输动力 丝杠是将回转运动转化为直线运动 或将直线运动转化为回转 运动的一种传动结构 典型的丝杠由螺杆 螺母和滚珠组成 它的功能是将旋转运动 转化成直线运动 这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展 这项发展的重要意义就是将轴 承从滚动动作变成滑动动作 由于具有很小的摩擦阻力 丝杠被广泛应用于各种工业 设备和精密仪器 综上分析几种升降机构都可以实现任务要求 进行就效率和质量优劣分析可知道 直线轴承式的优点 简单 成本低廉 弊端 需要圆形的导轨 导轨过细则 1 受力太小 过粗则较笨重 直线滑轨式的优点 精度高 可自制 弊端 价格昂贵 重量较重 2 丝杆传动的优点 简单 成本低廉 传动力大 弊端 传动缓慢 需要软件 3 算法提高精度 同步带传动的优点 精度高 有瞬时传动比质量轻 弊端 价格昂贵 需要 4 定制 由于比赛要求我们能在较短的时间内完成升降动作 升降精度要求高 且对机器 人的重量有着较高要求 所以我选择成本不高的自制的直线滑轨式和同步带传动的方 式来实现升降动作 3 3 夹取机构特性 夹取机构需要保持夹取的力度 平稳性和效率性可以选择连杆 铰链 凸轮等机 构但必须要满足比赛需要拥有夹取动作快 能锁死 重量轻 易操作等优点 下面我 对个机构进行选取分析 1 连杆机构 连杆机构构件运动形式多样 如可实现转动 摆动 移动和平面或 空间复杂运动 从而可用于实现已知运动规律和已知轨迹 此外 低副面接触的结构 使连杆机构具有以下一些优点 运动副单位面积所受压力较小 且面接触便于润滑 故磨损减小 制造方便 易获得较高的精度 两构件之间的接触是靠本身的几何封闭 来维系的 它不象凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触 平面连杆机构的缺 点是 一般情况下 只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹 且设计较为复杂 当 给定的运动要求较多或较复杂时 需要的构件数和运动副数往往较多 这样就使机构 结构复杂 工作效率降低 不仅发生自锁的可能性增加 而且机构运动规律对制造 安装误差的敏感性增加 机构中作复杂运动和作往复运动的构件所产生的惯性力难以 10 平衡 在高速时将引起较大的振动和动载荷 故连杆机构常用于速度较低的场合 2 铰链 铰链又称合页是用来连接两个固体 并允许两者之间做转动的机械装置 铰链可能由可移动的组件构成 或者由可折叠的材料构成 结构简单 3 凸轮机构一般是由凸轮 从动件和机架三个构件组成的高副机构 凸轮通常作 连续等速转动 从动件根据使用要求设计使它获得一定规律的运动 凸轮机构能实现 复杂的运动要求 通常由两部份动件组成 即凸轮与从动子 两者均固定于座架上 凸轮装置是相当多变化的 故几乎所有任意动作均可经由此一机构产生 凸轮可以定 义为一个具有曲面或曲槽之机件 利用其摆动或回转 可以使另一组件 从动子提供 预先设定的运动 从动子之路径大部限制在一个滑槽内 以获得往覆运动 在其回复 的行程中 有时依靠其本身之重量 但有些机构为获得确切的动作 常以弹簧作为回 复之力 有些则利用导槽 使其在特定的路径上运动 综上分析三种家去机构都能实现夹取 平稳性的设计需求 但是三者均有利弊 连杆机构的优点 制造方便 磨损较小 易自锁 弊端 设计复杂 精度不 1 高 工作效率不高 铰链的优点 结构简单 弊端 无法自锁 2 凸轮机构的优点 实现复杂的运动要求 紧凑 设计方便 弊端 质量过大 3 由于比赛要求我们的质量轻则不能选择凸轮机构 就平稳性和效率性来说其它两 机构都可以完成比赛任务 但就设计简洁来说连杆机构拥有更大的优势 而铰链无法 自锁的弊端 很难克服 即使使用电机的自锁来实现自锁效果也不太好 所以选择连 杆机构和舵机的组合来实现抓取 4 机器人电路硬件选择 4 1 CPU 选择 1 ATMEGA128 为基于 AVR RISC 结构的 8 位低功耗 CMOS 微处理器 产品特点 高性能 低功耗的 8 位微处理器 先进的 RISC 结构 133 条指令 大多数可以在一个时钟周期内完成 32 X 8 通用工作寄存器 外设控制寄存器 全静态工作 工作于 16 MHZ 时性能高达 16 MIPS 11 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性的程序和数据存储器 128K 字节的系统内可编程 FLASH 寿命 10 000 次写 擦除周期 具有独立锁定位 可选择的启动代码区 通过片内的启动程序实现系统内编程 真正的读 修改 写操作 4K 字节的 EEPROM 寿命 100 000 次写 擦除周期 4K 字节的内部 SRAM 多达 64K 字节的优化的外部存储器空间 可以对锁定位进行编程以实现软件加密 可以通过 SPI 实现系统内编程 JTAG 接口 与 IEEE 1149 1 标准兼容 遵循 JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试 通过 JTAG 接口实现对 FLASH EEPROM 熔丝位和锁定位的编程 外设特点 两个具有独立的预分频器和比较器功能的 8 位定时器 计数器 两个具有预分频器 比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 计数器 具有独立预分频器的实时时钟计数器 两路 8 位 PWM 6 路分辨率可编程 2 到 16 位 的 PWM 输出比较调制器 8 路 10 位 ADC 8 个单端通道 7 个差分通道 2 个具有可编程增益 1X 10X 或 200X 的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行 USART 12 可工作于主机 从机模式的 SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的 RC 振荡器 片内 片外中断源 6 种睡眠模式 空闲模式 ADC 噪声抑制模式 省电模式 掉电模式 STANDBY 模式以及扩展的 STANDBY 模式 可以通过软件进行选择的时钟频率 通过熔丝位可以选择 ATMEGA103 兼容模式 全局上拉禁止功能 I O 和封装 53 个可编程 I O 口线 64 引脚 TQFP 与 64 引脚 MLF 封装 工作电压 2 7 5 5V ATMEGA128L 4 5 5 5V ATMEGA128 速度等级 0 8 MHZ ATMEGA128L 0 16 MHZ ATMEGA128 2 ARM 系列芯片飞利浦公司的 LPC2103 是基于一个支持实时仿真的 16 32 位 ARM7 TDMI S CPU 的微控制器 并带有 32KB 嵌入的高速 FLASH 存储器 128 位 宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 位代码能够在最大时钟速率下运行 对中 断服务程序和 DSP 算法中性能要求严格的应用 这增加的性能比在 THUMB 模式下的 性能超出多达 30 对代码规模有严格控制的应用 使用 16 位 THUMB 模式将代码 规模降低超过 30 而性能的损失却很小 较小的封装和很低的功耗使 LPC2103 特 别适用于访问控制和 POS 机等小型应用中 由于内置了宽范围的串行通信接口 范 围从多个 UART SPI 和 SSP 到两条 TWI 总线 和 8KB 的片内 SRAM 多个 32 位 和 16 位定时器 1 个改良的 10 位 ADC 所有定时器上输出匹配的 PWM 特性 以 13 及具有多达 13 个边沿或电平触发的外部中断管脚的 32 条高速 GPIO 线 使这种微 控制器特别适合工业自动化控制 电力电子技术应用 智能化仪器仪表及电机 马达 伺服控制系统等 LPC2103 芯片的主要性能如下 16 32 位 ARM7 TDMI S 微控制器 超小 LQFP48 封装 2KB 4KB 8KB 的片内静态 RAM 和 8KB 16KB 32KB 的片内 FLASH 程序存储器 128 位宽度接口 加速器可实现高达 70 MHZ 工作频率 通过片内 BOOT 装载程序实现在系统 在应用编程 ISP IAP 单个 FLASH 扇区 或整片擦除时间为 100MS 256 字节编程时间为 1MS 嵌入式 ICE RT 通过片内 REALMONITOR 软件提供实时调试 10 位 A D 转换器提供 8 路模拟输入 每个通道的转换时间低至 2 44US 以及特 定的结果寄存器来最大限度地减少中断开销 2 个 32 位定时器 外部事件计数器 带 7 路捕获和 7 路比较通道 2 个 16 位定时器 外部事件计数器 带 3 路捕获和 7 路比较通道 低功耗实时时钟 RTC 具有独立的电源和特定的 32KHZ 时钟输入 多个串行接口 包括 2 个 UART 16C550 2 个高速 I2C 总线 400 KBIT S SPI 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的 SSP 向量中断控制器 VIC 可配置优先级和向量地址 多达 32 个通用 I O 口 可承受 5V 电压 多达 13 个边沿或电平触发的外部中断管脚 通过一个可编程的片内 PLL 100US 的设置时间 可实现最大为 70MHZ 的 CPU 操作频率 其具有 10MHZ 25MHZ 的输入频率 片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为 1 25MHZ 低功耗模式包括空闲模式 掉电模式和带有效 RTC 的掉电模式 可通过个别使能 禁止外围功能和外围时钟分频来优化额外功耗 通过外部中断或 RTC 将处理器从掉电模式中唤醒 综上分析两种芯片都能完成比赛要求但在运算速度 定位精确和可靠性等要求上 ATMEGA128 与 LPC2103 ARM 系列比较没有任何优势 为了在复杂的赛场上更稳 定的发挥和赛后用于教育或工业方面的改装 我选择芯片 LPC2103 4 2 机器人主控制板结构及说明 14 4 2 1 LPC2103 电源模块 LPC2103 使用的是 3 3V 电源 对电源要求很高 过大的电源噪声很容易使得程 序跑飞或者芯片烧毁 使用 LM117 3 3 稳压芯片能很好的解决这一问题如下图所示是 该电源模块的原理图 图 5 电源模块 Fig 5 Power Module 4 2 2 最小系统 如下图所示是 LPC2103 的最小工作系统原理图 图 6 最小系统 Fig 6 Minimum System 4 2 3 人机交互界面 15 如下图所示为人及交互界面的硬件设计其中包括键盘输入和 12864 液晶中文显示 模块 图 7 人机交互 Fig 7 HCI 1 液晶中文显示模块 12864 简介 液晶显示模块是128 64点阵的汉字图形型液晶显示模块 可显示汉字及图形 内 置8192个中文汉字 16X16点阵 128个字符 8X16点阵 及64X256点阵显示 RAM GDRAM 可与CPU直接接口 提供两种界面来连接微处理机 8 位并行及 串行两种连接方式 具有多种功能 光标显示 画面移位 睡眠模式等 2 液晶中文显示模块 12864 引脚说明 16 表 1 液晶显示 12864 引脚说明 Table 1 LCD 12864 Pin Description 引脚 名称 方向 说明 引脚 名称 方向 说明 1 VSS GND 15 PSB 0 数据模式数据模式 2 VDD VCC 16 NC 空空 3 V0 背光亮度调整背光亮度调整 17 RST 0 复位 低电平有效 复位 低电平有效 4 RS 0 数据指令端口数据指令端口 18 NC 空空 5 R W 0 读写命令端口读写命令端口 19 LEDA 背光源负极背光源负极 6 E SLCK 0 使能端口使能端口 20 LEDB 背光源正极背光源正极 7 14 I O 1 0 数据段口数据段口 DB0 DB7 3 液晶中文显示模块 12864 时序图 下图 8 和图 9 为液晶中文显示模块 12864 的读操作时序和写操作时序 依据这些 时序图和指令集可以对液晶中文显示模块 12864 进行读写操作 从而完成人机交互 图 8 读操作时序 Fig 8 Read Timing 17 图 9 写操作时序 Fig 9 Write Timing 4 液晶中文显示模块 12864 的指令集 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 清楚显示清楚显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 功能 清除显示屏幕 把 DDRAM 位址计数器调整为 00H 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 地址归位地址归位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 X 功能 把 DDRAM 位址计数器调整为 00H 游标回原点 该功能不影响显示 DDRAM 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 地址归位地址归位 0 0 0 0 0 0 0 1 I D S 功能 把 DDRAM 位址计数器调整为 00H 游标回原点 该功能不影响显示 DDRAM 且执行该命令后 所设置的行将显示在屏幕的第一行 显示起始行是由 Z 地址计数器 控制的 该命令自动将 A0 A5 位地址送入 Z 地址计数器 起始地址可以是 0 63 范围 内任意一行 Z 地址计数器具有循环计数功能 用于显示行扫描同步 当扫描完一行 后自动加一 18 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 游标显示游标显示 0 0 0 0 0 0 1 D C B 功能 D 1 整体显示 ON C 1 游标 ON B 1 游标位置 ON 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 游标位移游标位移 0 0 0 0 0 0 S C R L X X 功能 设定游标的移动与显示的移位控制位 这个指令并不改变 DDRAM 的内容 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 指令集设定指令集设定 0 0 0 0 1 DL X RE X X 功能 DL 1 必须设为 1 RE 1 扩充指令集动作 RE 0 基本指令集动作 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 CGRAM 0 0 0 1 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 功能 设定 CGRAM 位址到位址计数器 AC 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 CGRAM地地 0 0 1 AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 功能 设定 DDRAM 位址到位址计数器 AC 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 查忙查忙 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 功能 读取忙碌状态 BF 可以确认内部动作是否完成 同时可以读出位址计数器 AC 的值 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 写入写入RAM 1 0 AC7 AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 功能 写入资料到内部的 RAM DDRAM CGRAM TRAM GDRAM 19 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 读取读取RAM 1 1 AC7 AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 功能 从内部 RAM 读取资料 DDRAM CGRAM TRAM GDRAM 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 待命模式待命模式 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 功能 进入待命模式 执行其他命令都可终止待命模式 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 反白选择反白选择 0 0 0 0 0 0 0 1 R1 R0 功能 选择 4 行中的任一行作反白显示 并可决定反白的与否 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 睡眠模式睡眠模式 0 0 0 0 0 0 1 SL X X 功能 SL 1 脱离睡眠模式 SL 0 进入睡眠模式 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 扩从功能扩从功能 0 0 0 0 1 1 X 1RE G 0 功能 RE 1 扩充指令集动作 RE 0 基本指令集动作 G 1 绘图显示 ON G 0 绘 图显示 OFF 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 IRAM位址位址 0 0 0 1 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 功能 SR 1 AC5 AC0 为垂直卷动位址 SR 0 AC3 AC0 写 ICONRAM 位址 基本指令 RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 设定绘图设定绘图 0 0 1 AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 功能 设定 GDRAM 位址到位址计数器 AC 5 液晶中文显示模块 12864 的初始化过程 20 写指令 C0H 设置显示初始行 1 写指令 3FH 开显示 2 4 2 4 主控板硬件实物图 下图为实物图 具体的设计的原理图和 PCB 见附图 图 10 控制板实物图 Fig 10 Physical Map Panel 此电路板为 力天电子 LPC2103 学习板开发 本设计 LPC2103 开发板类似于 此电路板 本设计完稿时电路板在制作中 无实物 其硬件资源丰富包括 LPC 最 小系统 适配器电源座 复位电路 独立的按键 RS232 和串口 MAX232 小 12864 液晶接口 以及 20P JTAG 仿真调试接口等 4 3 电机伺服器控制 在这次的设计中 采用了 DCS810 全数字直流伺服驱动器采用专用运动控制 DSP 和高效 MOSFET 等先进技术 控制指令信号与步进驱动器兼容 用户不用更换控制器 就可将所用的步进驱动升级为全数字直流伺服驱动 由 DCS810 组成的小功率运动控 制系统在速度 精度 噪声和低速平稳性等方面达到甚至超越数字式交流伺服系统 而系统成本远低于交流伺服 其体积小巧 安装方便 可靠性高 调试简单 用户可 通过雷赛 PRO TUNER 调试软件 文本显示器或 STU 伺服调试器轻松实现系统参数整定 21 和保存 图 11 伺服器 Fig 11 Server 1 适用范围 适合驱动有刷 永磁直流伺服电机 空心杯永磁直流伺服电机 力矩电机 最大连续电流 10A 最大峰值电流 20A 直流电源 12 38V 功率 400 瓦以内 过载能力达 800 瓦 速度 位置的四象限控制 2 主要功能 22 输入模拟信号进行速度控制 输入 PWM 信号进行速度控制 通过 RS232 口进行速度控制 通过 RS232 口进行位置控制 输入脉冲 方向信号进行步进模式控制 外部零位信号输入 外部制动信号输入 通过 RS232 实现 PC 控制 参数调整 在线监测 实时读取驱动器内部温度 过流 过载 过压 欠压保护 温度保护 超调 失调保护 动态跟踪误差保护 3 技术参数 表2 伺服器技术参数 Table 2 Technical data server 参数 标号 参数值 单位 电源电压U12 38VDC PWM开关频率fPWM DS3810E DS3810 62 5 DS3810TE DS3810T 20 kHz 效率95 最大连续输出电流Idauer10A 最大峰值输出电流Imax20A 硬件保护电流Ip26A 电源保险30A 静态功耗 待机电流 Iel 115 12V 65 24V 45 38V mA 可控速度范围1 30000Rpm 23 输出编码器电源VCC5VDC ICC60 mA 模拟输入端输入阻抗25 K 模拟信号速度控制输入电压范围 10V V 续表 PWM控制信号标准 低电平0 0 3 高电 平3 5 V 频段100 500Hz 占空比范围1 占空比 99 占空比 50 0RPM 占空比 50 电机反转CCW PWM控制 占空比 50 电机正转CW 步进脉冲最高频率fmax800KHz 故障输出集电极开路输出 最大电压为30V 电 流5mA 有故障低电平输出 EN逻辑电平 低电平0 0 3 高电 平3 5 V DIR逻辑电平 低电平0 0 3 高电 平3 5 V 逻辑电平 低电平0 0 3 高电平 3 5 V 编码器输入 最高频率200 KHz 欠压保护10 5V 过压保护54V 通讯端口RS2329600 2400 4800 bps 24 19200 内置存储器EEPROM256 Bytes DS3810 DS3810T 小于 10 或大于 70 保护 高低温保护 DS3810E DS3810TE 小于 40 或大于 85 保护 工作温度DS3810 DS3810T 10 70 续表 DS3810E DS3810TE 40 85 DS3810 DS3810T 40 85 储存温度 DS3810E DS3810TE 55 125 4 接口定义 25 图12端口定义 Fig 12 Port Definition 5 步进控制模式 脉冲 方向模式 a 信号来源 CLK DIR b 设置模式 步进控制模式 信号源 SCS3 c 常用指令 设置最大速度 SSP 参数 设置最大跟踪误差 SER 参数 设置最大加速度 A 参数 设置步宽 STW 参数 读取步宽值 GSTW 切换到步进模式 S e 工作原理 在步进模式下 脉冲输入端每接收一个脉冲 电机将运转一个步宽 这种工作模式能同时实现位置和速度控制 由于允许设置步宽 STW 输入 频率和电机转速的比率可以根据需要设置 转速与脉冲频率之间的关系如下 26 转速 脉冲频率X步宽 STW X 60 编码器分辨率 4倍线数 位置与脉冲个数之间的关系如下 位置 圈数 脉冲个数X步宽 STW 编码器分辨率 4倍线数 f 优点 与步进电机比较 步宽可编程设定 没有因齿槽效应而引起的转矩损失 具有优异的动态特性 无震动 发热小 采用闭环控制 不会产生 丢步 现象 功率随着负载变化动态调节 效率高 步进电机无论有无负载 均按最大功 率运行 6 伺服器的运用 伺服器主要运用在电机的驱动控制上 伺服器是一种电机驱动模块 它的采样与 电机同轴的编码盘通过自身的 PID 算法能很快的对电机的状态进行控制其中包括电机 的转速与圈数 在收到电机停止信号时能很好的锁死电机使机器人能在任何时候迅速 停止运行 它集成的过流过压保护能很好的保护电机延长使用寿命 我们运用他的强 大功能对机器人的速度和行程进行理论控制 为什么是理论控制呢 因为打滑和失步 的影响会降低控制精度 4 4 编码盘采样 1 编码盘的分类 从结构类型上讲 编码盘可分为 接触式 电磁式和光电式 接触式的优点是 结构简单 体积小 输出信号不需放大 缺点是 有电刷磨损现象 使用寿命短 电 磁编码盘有寿命长 传输高等优点 但是在低速状态效果不佳 而光电式编码盘没有 磨损寿命长 精度高缺点是价格高 这次机器人的设计中所使用的编码盘为光电式编 码盘 2 编码盘的工作原理 编码盘或编码尺是一种按一定的编码形式 如二进制编码 二 十进制编码 格莱码或余三码等 将一个圆盘或直尺分成若干等分 并利用电子 光电或电磁器件 把代表被测位移量大小的各等 分上的编码转换成便于应用的其他二进制表达方式的测量装置 下面以接触式编码盘为例说明其 工作原理 27 图 15 是一个 4 位二进制编码盘 图中涂黑部分是绝缘的 码盘的外 4 圈按导电为 1 绝缘为 0 组成二进制码 通常 我们把组成编码的各圈称为码道 对应 4 个码道并排安装有 4 个电刷 电刷经电阻接到电源正极 编码盘的最里一圈是公用的 与 4 个码道上的导电部分连在一起 而 与绝缘部分断开 该圈接到电源的负极 地 编码盘的转轴与被测对象连在一起 如机床丝杠 编 码盘的电刷则装在一个不随被测对象一起运动的部件 如机床本体 上 当被测对象带动编码盘一 起转动时 根据与电刷串联的电阻上有无电流流过 可用相应的二进制代码表示 如图 15 b 所示 若编码盘沿顺时针方向转动 就可依次得到 0000 0001 0100 1111 的二进制输出 图13编码盘工作原理 Fig 13 Encoding Disk Works 2 编码盘的运用 编码盘随着自身的转动发出一个频率变化的脉冲信号 该信号的频率可以表现此 时机体的运动速度 脉冲个数可以变现所走过的距离 这样我们使用 CPU 采样这些 脉冲信号就能对运动状态有一个很好的了解 从而更好的控制机器人的运动与动作 4 5 光电传感器 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器 它首先把被测量的变化转换 成光信号的变化 然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号 光电传感器一般 由光源 光学通路和光电元件三部分组成 1 光电传感器工作原理 不同所制成的光学测控系统是多种多样的 按光电元件 光学测控系统 输出量性 质可分二类 即模拟式光电传感器和开关式光电传感器 模拟式光电传感器是将被测量 28 转换成连续变化的光电流 它与被测量间呈单值关系 模拟式光电传感器按被测量 检 测目标物体 方法可分为透射 吸收 式 漫反射式 遮光式 光束阻档 三大类 所谓透射 式是指被测物体放在光路中 恒光源发出的光能量穿过被测物 部份被吸收后 透射光 投射到光电元件上 所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上 再从被测物体 表面反射后投射到光电元件上 所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其 中一部份 使投射刭光电元件上的光通量改变 改变的程度与被测物体在光路位置有关 图14光电传感器 Fig 14 Photoelectric Sensor 1 光电传感器的分类 漫反射式 它是一种集发射器和接收器于一体的传感器 当有被检测物体经过 时 物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器 于是光电开关就产生 了开关信号 当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时 漫反射式的光电开关是首 选的检测模式 镜反射式 它亦集发射器与接收器于一体 光电开关发射器发出的光线经过反 射镜反射回接收器 当被检测物体经过且完全阻断光线时 光电开关就产生了检测开 关信号 对射式 它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器 发射 器发出的光线直接进入接收器 当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时 光电开关就产生了开关信号 当检测物体为不透明时 对射式光电开关是最可靠的检 测装置 槽式 它通常采用标准的 U 字型结构 其发射器和接收器分别位于 U 型槽的两 边 并形成一光轴 当被检测物体经过 U 型槽且阻断光轴时 光电开关就产生了开关 量信号 槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体 并且它能分辨透明与半透明物 体 使用安全可靠 光纤式 它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线 可以对距离远的被检测物 体进行检测 通常光纤传感器分为对射式和漫反射式 29 它们的工作光线示意图如图 17 所示 图 15 光电开关工作光线示意图 Fig 15 Schematic Diagram Of Optical Switching Of Light 5 主控制板程序设计 在本系统中 ARM 7 的控制程序用 IAR Embedded Workbench 编写的 5 1 ARM 主程序流程图 在本系统中 ARM 7 的主要工作是 1 人机交互界面 键盘输入和 12864 液晶显示来设定比赛相关参数灵活选择赛 时程序 2 输出三路 PWM 信号 通过伺服器控制电机的运动状态 3 编码盘信号采样 全场定位 4 光电传感器采样 作为启停信号 30 5 输出 PWM 信号 控制舵机实现机械手臂的运动 图 16 主流程图 Fig 16 Main Flow 图 17 方案一流程图 Fig 17 Flow Chart For One 31 图 18 方案二流程图 Fig 18 Flow Chart For Two 5 2 PWM 的产生 5 2 1 软件生成 PWM 软件 PWM 产生是通过软件给一个或几个 I O 口赋值为高电平然后延迟一定时间 后转换为低电平以此循环 延迟时间决定该脉冲信号的频率 这样做的好处就是程序 设计简单 对于初学者来说简单明了 这样我们使用的循环能根据开发者要求立刻跳 出 能方便快捷的对脉冲个数进行控制 如果要改变占空比则改变两个延迟的时间 具 体操作如下 如下程序 GPIO 017 口发送了 100 个频率为 1K 的脉冲 include inc config h 系统初始化 void Sys Init void 使用 GPIO 功能 将所有引脚链接到 GPIO PINSEL0 0X00000000 32 PINSEL1 0X00000000 IO0DIR 1 17 设定 GPIO 引脚方向 IO0SET 1 0 i IO0CLR 1 17 低电平打开 GPIO17 Delay 5000 IO0SET 1 0 dly for i 0 i 5000 i void PLL Init void 设置系统各部分时钟 PLLCON 1 34 if Fcclk 4 Fpclk 1 VPBDIV 0 endif if