原创《基于单片机的工件组装机器人的设计和实现》
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【摘 要】本文介绍一款基于单片机的移动型工件组装机器人教学实训系统的设计与实现,论述各部分的功能及详细的设计方案.整个系统由两台移动型机器人及上位监控计算机组成,在上位监控计算机的统一控制下,两台机器人相互配合完成工件的识别、抓取、存储、搬运及组装任务.
【关键词】单片机工件组装机器人MCU实训系统
【中图分类号】G【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2018）02C-0187-03
随着机器人技术的应用普及和相关装备制造业的发展,企业对机器人技术应用人才的需求在不断地增加,对学生的专业素质和动手能力的要求也在不断地提高.因此,对高职院校而言,机器人技术应用人才的培养中不仅要培养学生的理论知识,更要注重培养学生的实践动手能力.但由于高职院校机器人应用技术专业起步较晚,专业实验室建设相对比较滞后,实验实训设备相对比较匮乏,为了克服高职院校机器人应用技术专业发展的不足,在综合调研的基础上,以智能工厂为主题,按照智能工厂的设计理念和需求,自主研发了一套完整的工件组装机器人教学实训系统,本着低成本、综合程度高、适合循序渐进使用的原则设计和制作,不仅可以为学生提供一个完整的工件组装机器人实训项目,而且还可以为工业机器人专业单片机控制技术、传感器与检测技术、物联网技术及应用等课程提供一个教学及实验的平台.
一、系统组成及功能
根据当前工业机器人技术应用专业实践教学的现状,并针对广西区域企业工业机器人应用的实际,确定了以工件组装机器人为主体,涵盖传感器应用技术、物联网技术、气动控制技术等综合一体的设计方案.整个系统由四部分组成,分别是：1#机器人、2#机器人、上位监控计算机及附属场地,如图1所示.
上位监控计算机在本系统中起监督调度作用,主要的任务有：（1）给机器人下发任务（包括要抓取的工件、交通灯信号、启动指令、装配任务等）.（2）接收和存储信息.（3）在监控界面上显示机器人上传的信息列表,包括机器人位置坐标,抓取工件数量、车载工件等信息.
1#、2#机器人是整个实训系统的核心,是实现所有功能需求的最基本要素.两台机器人在接收到上位监控软件下发的任务后,根据任务控制行走机构运动到指定的位置、抓取相应的工件、搬运、组装完成任务,在整个过程中,包含了传感器的基本应用、单片机的编程测试、气动元件的控制、RFID信息采集、基于ZIGBEE网络的数据通信,等等.每台机器人可以独立控制实现一些基本实验实训的验证,也可以两台同时组网运行,完成一些复杂实训项目的验证.工件搬运机器人的设计是本系统的主要任务,主要由循迹传感器的设计、行走机构的设计、工件识别、抓取机构的设计、工件存储机构的设计、通信接口的设计等几部分组成.
场地是整个工件组装机器人实训系统的基本配置,根据实验实训需求再结合实验室场地大小,择以绿色表面的木工板作为整个机器人实训系统的工作场地,大小长8米,宽6米的长方形结构,引导线是3厘米宽的白色电工胶布,挡板高10厘米,整个场地划分为四个功能区：出发区、仓库区、交通灯区、组装区.
二、硬件设计
（一）行走机构设计.行走机构是机器人的主要运动部件,常见的行走机构有轮式结构和履带式结构两种,本设计采用三轮式结构,即由两个主动轮和一个从动轮构成,两个主动轮采用直流减速电机驱动,从动轮用万向轮.
（二）上位抓取机构设计.上位抓取机构是本机器人的设计核心,采用X、Y、Z三轴移动方式完成工件的识别、抓取、运输及装配,整个上位机构主要由导轨和齿轮齿条的组合结构完成X、Y、Z三轴轴向的引导,电机的运动通过导轨或齿轮齿条转换成上位机构在X、Y、Z某个轴向的位移,其中水平左右移动（X轴）用数字舵机完成,机械手伸缩（Y轴）和垂直升降（Z轴）用直线推杆电机完成；机械手的开闭用气动手指完成,除此之外,为了提高搬运效率,上位机构专门设计了圆盘式工件存储装置,该装置是在一个圆形的金属盘上等分固定4个高为50mm、直径80mm的PVC塑料管来做存储区,对这四个存储区分别编号为1、2、3、4,整个工件存储盘与机器人上位平台之间通过一个平面轴承连接,用一个数字舵机旋转,需要存储工件时,控制舵机将指定编号的存储区旋转至机械手正下方,松开机械手,依靠重力,工件即可落入存储区,同时为了便于将存储区中的工件抓取,特在机械手的正下方安装了一个笔形气缸,并在每个存储区正下方开孔,需要抓取工件时,给笔形气缸通气,笔形气缸顶起工件后,机械手即可轻松抓取工件.
（三）传感器选择及设计.传感器是机器人的感知系统,相当于人的眼睛、鼻子、嘴巴等,本机器人用到的传感器主要有以下几种：
1．循迹传感器.循迹传感器相当于机器人的眼睛,设计的好坏直接影响到机器人能否可靠地行走,本机器人循迹传感器是根据同一光源照射在不同颜色的介质上反射光强不同的特性而设计的,利用光敏电阻通过检测光线强弱就可以知道当前位置在绿色地板还是白色线条上,光敏电阻将光线强弱转变成电阻的变化,借助串联分压电路,就可以将电阻的变化转换为电压的变化,数值较小,还需要进一步放大处理后才能送给单片机处理,分压电路输出的电压信号首先经过由LM324构成的同相比例放大电路进行放大,然后送入电压比较器的反相输入端,与同相输入端的基准电压作比较,通过调节同相比例放大电路的放大倍数,使得传感器在绿、白两种不同地面上时,比较器的输出状态不同,当传感器处在绿色地面上时,比较器输出高电平,在白色线条时输出为低电平,最后通过反相器输出送到主控制板.以上是一路传感器的信号处理电路,每个机器人设计了16路同样的传感器,共同组合来确定机器人的姿态,每个传感器输出端还配有一个发光LED,通过发光管的亮灭就可以指示当前传感器是在白条还是地板上.
图2循迹传感器信号调理电路原理框图
2．上位机构位置定位传感器.上位机构上下左右位置定位传感器,选用了开关型霍尔传感器作为位置检测传感器,在运动部件上固定一磁钢,而在相对固定的部件上固定一霍尔传感器,当举升机构上下运动到目标位置时,磁钢与对应的霍尔传感器重合,霍尔传感器输出“0”,否则输出“1”,CPU在检测到0时,给运动机构发出停止信息.
3．工件识别传感器.工件信息是存储在工件上的RFID卡中,所以还需要RFID卡读写传感器,RFID卡读写传感器选用了ZKR6806M型读写模块,该模块通过RS-232串口与主控制板通信,RFID卡阅读器采用摇臂的方式固定安装在机器人正前方,当需要读取RFID信息时,控制摇臂电机动作,把RFID阅读器旋转到正前方进行正面读取,读取完成后或不需要读取RFID信息时,通过控制摇臂电机,将RFID读写器收起,以致不影响其他机构的正常工作.
（四）主控制板的设计.主控板除CPU外,还有一些接口电路,比如循迹传感器及信号调理模块接口电路、电机驱动板接口电路、通信接口电路、气动装置驱动接口电路,其组成如图3所示.
图3主控板组成图
循迹传感器共有16个光电传感器输出端口,为了节省CPU端口,采用了分时复用的方式,将16个传感器状态数据分2次送入CPU,利用2片74LS245做数据缓冲器,高8位传感器数据输出端接第一片74LS245（用1#芯片表示）的数据输入端,低8位接第二片74LS245（用2#芯片表示）,两片74LS245的输出端依次两两接在一起并依次接在P2.7—P2.0口,1#芯片的使能端（9号引脚）与CPU的P4.4引脚相连,二号芯片的使能端与P4.4之间通过一个具有反相功能的施密特触发器（74HC14）相连,这样就可以通过P4.4来控制两片74LS245,分时将16位传感器数据送入P2.0口.
电机驱动电路包括了行走电机驱动、升降、伸缩电机驱动以及舵机的驱动,行走电机是2个减速直流电机,减速直流电机驱动采用PWM技术进行控制,直接采用STC12C5A60S2单片机内置的2路PWM信号发生器,经光耦隔离后送入直流电机专用驱动控制器IR2210,除调速外,方向控制分别用两个端口控制两个继电器来实现方向的切换,每个继电器控制一个电机的转向,常闭触点接电机正转,常开触点接反转,如需反转,只需将对应电机的方向控制端口置低电平,继电器得电,常开触点闭合,常闭触点断开,电机反转；除行走减速电机外,工件抓取机构中上下举升电机和机械手伸缩电机是2个直线推杆电机,每个电机用2个继电器控制,需要4个端口,在这里分配P0.0、P1.7作为控制上下举升电机的上升与下降,P0.1、P0.2控制伸缩电机的前进与后退；三个舵机是数字舵机,采用串行总线的形式级联在串口2上.
（五）串口通信电路.为了让机器人能够上位监控计算机、机器人与机器人之间的数据通信,每台机器人选用了ZKM101B无线数据传输模块作为数据传输的通道,模块是无线转RS232接口；另外每个机器人选用了ZKR6806M型嵌入式超高频读写模块作为RFID信息读取装置,该模块也是基于RS232的串行接口,再加之数字舵机也是基于串口控制的设备,这样一来,每台机器人就有三样设备基于串口通信,理论上需要三个串口才能保证正常通信,而控制板电路中选择的单片机STC12C5A60S2只有2个串口,但经过详细的过程分析,发现每个机器人尽管有三种不同类型的串口设备,但是这三种设备不一定同时工作,尤其是ZKR6806模块和数字舵机,这两个设备在工作时间上完全不冲突,ZKR6806M工作时,舵机不需要工作,舵机工作时,ZKR6806M模块就不需要工作,这样一来发现这两个设备完全可以共用一个串口,而且不需要特殊的处理,直接将舵机的数据线经MAX232转换成RS232电平后与ZKR6806M模块的数据线并接在一起即可,经过大量的实验,发现这种方法切实可行,无数据丢失和数据干扰现象.ZKM101B无线数据模块由于要随时收发数据,其独占串口1.
图4串行通信接口电路
三、软件设计
（一）下位单片机控制软件设计.机器人控制软件采用模块化设计思想,用C语言在KEIL软件下完成编写和调试,分为三大模块：（1）机器人行走程序模块；（2）机器人工件识别抓取模块；（3）通信模块.机器人上电后,进入初始化状态,机器人所有运动部件全部动作,操作者在确认运动机构没有问题的状态下,按下启动按钮,机器人进入命令监听状态,接收上位机下发的指令,当接收到启动指令后,机器人开始巡线运行,到达货架位置,识别抓取工件然后按照交通灯状态从绿灯所在位置的十字路口通过,到达装配区完成装配任务.
（二）通信子程序.本系统涉及的通信实际上包括两部分：一部分是机器人与机器人、机器人与上位机之间的基于zigbee模块的数据通信；另一部分是机器人通过串口控制舵机或通过RFID读写器读取工件信息.对于机器人而言,第一部分的通信是基于单片机串口1而完成的通信,第二部分是基于单片机的串口2而完成的通信.
机器人与机器人、机器人与上位机之间的通信项目中,机器人与机器人之间、上位机与机器人之间的通信协议基于Modbus协议制定,每帧命令包含有地址码、功能码、数据码和校验码四个部分,如表1所示.
表1帧结构
地址位功能位数据数量数据1…数据nCRC低CRC高
帧结构里,每个数据的含义如下：
地址位（ADDR）——通信对方的代号,通信网络中每个设备必须有而且是唯一的地址,不能重复,本项目中,上位机地址定义为0xf0,1号机器人地址为001,2号机器人地址为0x02.
功能号——相关命令代码,不同的功能代码表示要完成不同的任务,比如03表示下发抓取工件命令、04下发装配台安装任务,05下发启动命令,06机器人实时位置信息上传,07机器人抓取工件后,工件信息上传,08机器人装配台安放工件位置信息上传,09交通灯控制器向机器人下发红绿灯命令.
数据数量——数据单元的长度,对于不同的功能其数据长度不一致,为确保通信可靠,在传输前将需要传输的数据个数统计出来,便于接收方接收和校验.
数据—命令代码,功能代码不同,命令代码也不同.
校验——采用CRC校验方式.
数据通信采用二次回传确认方式,当一端发送数据,另一端接收到数据后按照CRC校验,校验无误后,再将确认后的数据回送给发送端,当发送端发送数据后超过一定时间没有接收到回传信息或接收到下位回传错误代码,发送端需要重新发送数据.
（三）上位监控软件设计.上位监控软件采用VB6.0软件编写,VB6.0是较为常用的面向用户的图形界面程序设计软件之一,整个软件采用多窗体的形式来设计实现,每个窗体都有自己的界面和程序代码,整个上位机主要包括以下几部分：（1）主界面设计,主要包括任务下发,机器人位置实时显示,短信息提示等.（2）参数设置,包括通信端口设置和通信各方地址设置.（3）数据存储和数据追溯.
主界面的设计是整个上位机设计的核心,主界面由任务下发区、机器人位置实时显示区及菜单栏组成.如图5所示.左侧是任务下发区,分别用按钮、单选按钮、复选按钮、Shape控件和CommandButton控件设计,上位机与下位机之间通信通过串口实现,数据与数据库之间通过Data控件连接,数据库采用ACCESS,在控件中通过设置数据库的位置.
图5上位机主界面设计
四、总结
本文讨论了一种基于单片机的工件组装机器人实验系统的设计及实现,对系统的整体实现方案做了详细的叙述说明,并通过方案的比较和论证,选择了一套切实可行的设计方案,并完成样机的制作和测试,通过长时间的系统测试,整个实践教学系统性能相对比较稳定,可以应用到职业院校机器人应用技术专业相关课程的实践教学中,对改善职业院校机器人应用技术专业实践教学条件有很大的帮助.
（责编王一）
基于单片机论文参考资料：
结束语:本文论述了适合单片机和工件和机器人论文写作的大学硕士及关于基于单片机本科毕业论文，相关基于单片机开题报告范文和学术职称论文参考文献。
