基于單片機(jī)的工件組裝機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬選明

【摘 要】本文介紹一款基于單片機(jī)的移動型工件組裝機(jī)器人教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，論述各部分的功能及詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。整個系統(tǒng)由兩臺移動型機(jī)器人及上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成，在上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一控制下，兩臺機(jī)器人相互配合完成工件的識別、抓取、存儲、搬運(yùn)及組裝任務(wù)。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 工件組裝 機(jī)器人 MCU 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）02C-0187-03

隨著機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用普及和相關(guān)裝備制造業(yè)的發(fā)展，企業(yè)對機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用人才的需求在不斷地增加，對學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和動手能力的要求也在不斷地提高。因此，對高職院校而言，機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用人才的培養(yǎng)中不僅要培養(yǎng)學(xué)生的理論知識，更要注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力。但由于高職院校機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)專業(yè)起步較晚，專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)相對比較滯后，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備相對比較匱乏，為了克服高職院校機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)專業(yè)發(fā)展的不足，在綜合調(diào)研的基礎(chǔ)上，以智能工廠為主題，按照智能工廠的設(shè)計(jì)理念和需求，自主研發(fā)了一套完整的工件組裝機(jī)器人教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，本著低成本、綜合程度高、適合循序漸進(jìn)使用的原則設(shè)計(jì)和制作，不僅可以為學(xué)生提供一個完整的工件組裝機(jī)器人實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，而且還可以為工業(yè)機(jī)器人專業(yè)單片機(jī)控制技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用等課程提供一個教學(xué)及實(shí)驗(yàn)的平臺。

一、系統(tǒng)組成及功能

根據(jù)當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀，并針對廣西區(qū)域企業(yè)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的實(shí)際，確定了以工件組裝機(jī)器人為主體，涵蓋傳感器應(yīng)用技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、氣動控制技術(shù)等綜合一體的設(shè)計(jì)方案。整個系統(tǒng)由四部分組成，分別是：1#機(jī)器人、2#機(jī)器人、上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)及附屬場地，如圖1所示。

上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)在本系統(tǒng)中起監(jiān)督調(diào)度作用，主要的任務(wù)有：（1）給機(jī)器人下發(fā)任務(wù)（包括要抓取的工件、交通燈信號、啟動指令、裝配任務(wù)等）。（2）接收和存儲信息。（3）在監(jiān)控界面上顯示機(jī)器人上傳的信息列表，包括機(jī)器人位置坐標(biāo)，抓取工件數(shù)量、車載工件等信息。

1#、2#機(jī)器人是整個實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)所有功能需求的最基本要素。兩臺機(jī)器人在接收到上位監(jiān)控軟件下發(fā)的任務(wù)后，根據(jù)任務(wù)控制行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動到指定的位置、抓取相應(yīng)的工件、搬運(yùn)、組裝完成任務(wù)，在整個過程中，包含了傳感器的基本應(yīng)用、單片機(jī)的編程測試、氣動元件的控制、RFID信息采集、基于ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信，等等。每臺機(jī)器人可以獨(dú)立控制實(shí)現(xiàn)一些基本實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的驗(yàn)證，也可以兩臺同時組網(wǎng)運(yùn)行，完成一些復(fù)雜實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的驗(yàn)證。工件搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的主要任務(wù)，主要由循跡傳感器的設(shè)計(jì)、行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、工件識別、抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、工件存儲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、通信接口的設(shè)計(jì)等幾部分組成。

場地是整個工件組裝機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的基本配置，根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)需求再結(jié)合實(shí)驗(yàn)室場地大小，擇以綠色表面的木工板作為整個機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的工作場地，大小長8米，寬6米的長方形結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)線是3厘米寬的白色電工膠布，外圍擋板高10厘米，整個場地劃分為四個功能區(qū)：出發(fā)區(qū)、倉庫區(qū)、交通燈區(qū)、組裝區(qū)。

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。行走機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的主要運(yùn)動部件，常見的行走機(jī)構(gòu)有輪式結(jié)構(gòu)和履帶式結(jié)構(gòu)兩種，本設(shè)計(jì)采用三輪式結(jié)構(gòu)，即由兩個主動輪和一個從動輪構(gòu)成，兩個主動輪采用直流減速電機(jī)驅(qū)動，從動輪用萬向輪。

（二）上位抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。上位抓取機(jī)構(gòu)是本機(jī)器人的設(shè)計(jì)核心，采用X、Y、Z三軸移動方式完成工件的識別、抓取、運(yùn)輸及裝配，整個上位機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)軌和齒輪齒條的組合結(jié)構(gòu)完成X、Y、Z三軸軸向的引導(dǎo)，電機(jī)的運(yùn)動通過導(dǎo)軌或齒輪齒條轉(zhuǎn)換成上位機(jī)構(gòu)在X、Y、Z某個軸向的位移，其中水平左右移動（X軸）用數(shù)字舵機(jī)完成，機(jī)械手伸縮（Y軸）和垂直升降（Z軸）用直線推桿電機(jī)完成；機(jī)械手的開閉用氣動手指完成，除此之外，為了提高搬運(yùn)效率，上位機(jī)構(gòu)專門設(shè)計(jì)了圓盤式工件存儲裝置，該裝置是在一個圓形的金屬盤上等分固定4個高為50 mm、直徑80 mm的PVC塑料管來做存儲區(qū)，對這四個存儲區(qū)分別編號為1、2、3、4，整個工件存儲盤與機(jī)器人上位平臺之間通過一個平面軸承連接，用一個數(shù)字舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，需要存儲工件時，控制舵機(jī)將指定編號的存儲區(qū)旋轉(zhuǎn)至機(jī)械手正下方，松開機(jī)械手，依靠重力，工件即可落入存儲區(qū)，同時為了便于將存儲區(qū)中的工件抓取，特在機(jī)械手的正下方安裝了一個筆形氣缸，并在每個存儲區(qū)正下方開孔，需要抓取工件時，給筆形氣缸通氣，筆形氣缸頂起工件后，機(jī)械手即可輕松抓取工件。

（三）傳感器選擇及設(shè)計(jì)。傳感器是機(jī)器人的感知系統(tǒng)，相當(dāng)于人的眼睛、鼻子、嘴巴等，本機(jī)器人用到的傳感器主要有以下幾種：

1.循跡傳感器。循跡傳感器相當(dāng)于機(jī)器人的眼睛，設(shè)計(jì)的好壞直接影響到機(jī)器人能否可靠地行走，本機(jī)器人循跡傳感器是根據(jù)同一光源照射在不同顏色的介質(zhì)上反射光強(qiáng)不同的特性而設(shè)計(jì)的，利用光敏電阻通過檢測光線強(qiáng)弱就可以知道當(dāng)前位置在綠色地板還是白色線條上，光敏電阻將光線強(qiáng)弱轉(zhuǎn)變成電阻的變化，借助串聯(lián)分壓電路，就可以將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，數(shù)值較小，還需要進(jìn)一步放大處理后才能送給單片機(jī)處理，分壓電路輸出的電壓信號首先經(jīng)過由LM324構(gòu)成的同相比例放大電路進(jìn)行放大，然后送入電壓比較器的反相輸入端，與同相輸入端的基準(zhǔn)電壓作比較，通過調(diào)節(jié)同相比例放大電路的放大倍數(shù)，使得傳感器在綠、白兩種不同地面上時，比較器的輸出狀態(tài)不同，當(dāng)傳感器處在綠色地面上時，比較器輸出高電平，在白色線條時輸出為低電平，最后通過反相器輸出送到主控制板。以上是一路傳感器的信號處理電路，每個機(jī)器人設(shè)計(jì)了16路同樣的傳感器，共同組合來確定機(jī)器人的姿態(tài)，每個傳感器輸出端還配有一個發(fā)光LED，通過發(fā)光管的亮滅就可以指示當(dāng)前傳感器是在白條還是地板上。

2.上位機(jī)構(gòu)位置定位傳感器。上位機(jī)構(gòu)上下左右位置定位傳感器，選用了開關(guān)型霍爾傳感器作為位置檢測傳感器，在運(yùn)動部件上固定一磁鋼，而在相對固定的部件上固定一霍爾傳感器，當(dāng)舉升機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動到目標(biāo)位置時，磁鋼與對應(yīng)的霍爾傳感器重合，霍爾傳感器輸出“0”，否則輸出“1”，CPU在檢測到0時，給運(yùn)動機(jī)構(gòu)發(fā)出停止信息。

3.工件識別傳感器。工件信息是存儲在工件上的RFID卡中，所以還需要RFID卡讀寫傳感器，RFID卡讀寫傳感器選用了ZKR6806M型讀寫模塊，該模塊通過RS-232串口與主控制板通信，RFID卡閱讀器采用搖臂的方式固定安裝在機(jī)器人正前方，當(dāng)需要讀取RFID信息時，控制搖臂電機(jī)動作，把RFID閱讀器旋轉(zhuǎn)到正前方進(jìn)行正面讀取，讀取完成后或不需要讀取RFID信息時，通過控制搖臂電機(jī)，將RFID讀寫器收起，以致不影響其他機(jī)構(gòu)的正常工作。

（四）主控制板的設(shè)計(jì)。主控板除CPU外，還有一些接口電路，比如循跡傳感器及信號調(diào)理模塊接口電路、電機(jī)驅(qū)動板接口電路、通信接口電路、氣動裝置驅(qū)動接口電路，其組成如圖3所示。

循跡傳感器共有16個光電傳感器輸出端口，為了節(jié)省CPU端口，采用了分時復(fù)用的方式，將16個傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)分2次送入CPU，利用2片74LS245做數(shù)據(jù)緩沖器，高8位傳感器數(shù)據(jù)輸出端接第一片74LS245（用1#芯片表示）的數(shù)據(jù)輸入端，低8位接第二片74LS245（用2#芯片表示），兩片74LS245的輸出端依次兩兩接在一起并依次接在 P2.7—P2.0口，1#芯片的使能端（9號引腳）與CPU的P4.4引腳相連，二號芯片的使能端與P4.4之間通過一個具有反相功能的施密特觸發(fā)器（74HC14）相連，這樣就可以通過P4.4來控制兩片74LS245，分時將16位傳感器數(shù)據(jù)送入P2.0口。

電機(jī)驅(qū)動電路包括了行走電機(jī)驅(qū)動、升降、伸縮電機(jī)驅(qū)動以及舵機(jī)的驅(qū)動，行走電機(jī)是2個減速直流電機(jī)，減速直流電機(jī)驅(qū)動采用PWM技術(shù)進(jìn)行控制，直接采用STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)置的2路PWM信號發(fā)生器，經(jīng)光耦隔離后送入直流電機(jī)專用驅(qū)動控制器IR2210，除調(diào)速外，方向控制分別用兩個端口控制兩個繼電器來實(shí)現(xiàn)方向的切換，每個繼電器控制一個電機(jī)的轉(zhuǎn)向，常閉觸點(diǎn)接電機(jī)正轉(zhuǎn)，常開觸點(diǎn)接反轉(zhuǎn)，如需反轉(zhuǎn)，只需將對應(yīng)電機(jī)的方向控制端口置低電平，繼電器得電，常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，電機(jī)反轉(zhuǎn)；除行走減速電機(jī)外，工件抓取機(jī)構(gòu)中上下舉升電機(jī)和機(jī)械手伸縮電機(jī)是2個直線推桿電機(jī)，每個電機(jī)用2個繼電器控制，需要4個端口，在這里分配P0.0、P1.7作為控制上下舉升電機(jī)的上升與下降，P0.1、P0.2控制伸縮電機(jī)的前進(jìn)與后退；三個舵機(jī)是數(shù)字舵機(jī)，采用串行總線的形式級聯(lián)在串口2上。

（五）串口通信電路。為了讓機(jī)器人能夠上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)、機(jī)器人與機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)通信，每臺機(jī)器人選用了ZKM101B無線數(shù)據(jù)傳輸模塊作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃K是無線轉(zhuǎn)RS232接口；另外每個機(jī)器人選用了ZKR6806M型嵌入式超高頻讀寫模塊作為RFID信息讀取裝置，該模塊也是基于RS232的串行接口，再加之?dāng)?shù)字舵機(jī)也是基于串口控制的設(shè)備，這樣一來，每臺機(jī)器人就有三樣設(shè)備基于串口通信，理論上需要三個串口才能保證正常通信，而控制板電路中選擇的單片機(jī)STC12C5A60S2只有2個串口，但經(jīng)過詳細(xì)的過程分析，發(fā)現(xiàn)每個機(jī)器人盡管有三種不同類型的串口設(shè)備，但是這三種設(shè)備不一定同時工作，尤其是ZKR6806模塊和數(shù)字舵機(jī)，這兩個設(shè)備在工作時間上完全不沖突，ZKR6806M工作時，舵機(jī)不需要工作，舵機(jī)工作時，ZKR6806M模塊就不需要工作，這樣一來發(fā)現(xiàn)這兩個設(shè)備完全可以共用一個串口，而且不需要特殊的處理，直接將舵機(jī)的數(shù)據(jù)線經(jīng)MAX232轉(zhuǎn)換成RS232電平后與ZKR6806M模塊的數(shù)據(jù)線并接在一起即可，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這種方法切實(shí)可行，無數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)干擾現(xiàn)象。ZKM101B無線數(shù)據(jù)模塊由于要隨時收發(fā)數(shù)據(jù)，其獨(dú)占串口1。

三、軟件設(shè)計(jì)

（一）下位單片機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)。機(jī)器人控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，用C語言在KEIL軟件下完成編寫和調(diào)試，分為三大模塊：（1）機(jī)器人行走程序模塊；（2）機(jī)器人工件識別抓取模塊；（3）通信模塊。機(jī)器人上電后，進(jìn)入初始化狀態(tài)，機(jī)器人所有運(yùn)動部件全部動作，操作者在確認(rèn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)沒有問題的狀態(tài)下，按下啟動按鈕，機(jī)器人進(jìn)入命令監(jiān)聽狀態(tài)，接收上位機(jī)下發(fā)的指令，當(dāng)接收到啟動指令后，機(jī)器人開始巡線運(yùn)行，到達(dá)貨架位置，識別抓取工件然后按照交通燈狀態(tài)從綠燈所在位置的十字路口通過，到達(dá)裝配區(qū)完成裝配任務(wù)。

（二）通信子程序。本系統(tǒng)涉及的通信實(shí)際上包括兩部分：一部分是機(jī)器人與機(jī)器人、機(jī)器人與上位機(jī)之間的基于zigbee模塊的數(shù)據(jù)通信；另一部分是機(jī)器人通過串口控制舵機(jī)或通過RFID讀寫器讀取工件信息。對于機(jī)器人而言，第一部分的通信是基于單片機(jī)串口1而完成的通信，第二部分是基于單片機(jī)的串口2而完成的通信。

機(jī)器人與機(jī)器人、機(jī)器人與上位機(jī)之間的通信項(xiàng)目中，機(jī)器人與機(jī)器人之間、上位機(jī)與機(jī)器人之間的通信協(xié)議基于Modbus協(xié)議制定，每幀命令包含有地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)碼和校驗(yàn)碼四個部分，如表1所示。

幀結(jié)構(gòu)里，每個數(shù)據(jù)的含義如下：

地址位（ADDR）——通信對方的代號，通信網(wǎng)絡(luò)中每個設(shè)備必須有而且是唯一的地址，不能重復(fù)，本項(xiàng)目中，上位機(jī)地址定義為0xf0， 1號機(jī)器人地址為001，2號機(jī)器人地址為0x02。

功能號——相關(guān)命令代碼，不同的功能代碼表示要完成不同的任務(wù)，比如03表示下發(fā)抓取工件命令、04下發(fā)裝配臺安裝任務(wù)，05下發(fā)啟動命令，06機(jī)器人實(shí)時位置信息上傳，07機(jī)器人抓取工件后，工件信息上傳，08機(jī)器人裝配臺安放工件位置信息上傳，09交通燈控制器向機(jī)器人下發(fā)紅綠燈命令。

數(shù)據(jù)數(shù)量——數(shù)據(jù)單元的長度，對于不同的功能其數(shù)據(jù)長度不一致，為確保通信可靠，在傳輸前將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個數(shù)統(tǒng)計(jì)出來，便于接收方接收和校驗(yàn)。

數(shù)據(jù)—命令代碼，功能代碼不同，命令代碼也不同。

校驗(yàn)——采用CRC校驗(yàn)方式。

數(shù)據(jù)通信采用二次回傳確認(rèn)方式，當(dāng)一端發(fā)送數(shù)據(jù)，另一端接收到數(shù)據(jù)后按照CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)無誤后，再將確認(rèn)后的數(shù)據(jù)回送給發(fā)送端，當(dāng)發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)后超過一定時間沒有接收到回傳信息或接收到下位回傳錯誤代碼，發(fā)送端需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

（三）上位監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。上位監(jiān)控軟件采用VB6.0軟件編寫，VB6.0是較為常用的面向用戶的圖形界面程序設(shè)計(jì)軟件之一，整個軟件采用多窗體的形式來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，每個窗體都有自己的界面和程序代碼，整個上位機(jī)主要包括以下幾部分：（1）主界面設(shè)計(jì)，主要包括任務(wù)下發(fā)，機(jī)器人位置實(shí)時顯示，短信息提示等。（2）參數(shù)設(shè)置，包括通信端口設(shè)置和通信各方地址設(shè)置。（3）數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)追溯。

主界面的設(shè)計(jì)是整個上位機(jī)設(shè)計(jì)的核心，主界面由任務(wù)下發(fā)區(qū)、機(jī)器人位置實(shí)時顯示區(qū)及菜單欄組成。如圖5所示。左側(cè)是任務(wù)下發(fā)區(qū)，分別用按鈕、單選按鈕、復(fù)選按鈕、Shape控件和CommandButton控件設(shè)計(jì)，上位機(jī)與下位機(jī)之間通信通過串口實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫之間通過Data控件連接，數(shù)據(jù)庫采用ACCESS，在控件中通過設(shè)置數(shù)據(jù)庫的位置。

四、總結(jié)

本文討論了一種基于單片機(jī)的工件組裝機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，對系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)方案做了詳細(xì)的敘述說明，并通過方案的比較和論證，選擇了一套切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案，并完成樣機(jī)的制作和測試，通過長時間的系統(tǒng)測試，整個實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)性能相對比較穩(wěn)定，可以應(yīng)用到職業(yè)院校機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)專業(yè)相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)中，對改善職業(yè)院校機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)條件有很大的幫助。

（責(zé)編 王 一）