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基本信息
- 項目名稱：
- 基于嵌入式智能機械手
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 針對教學(xué)儀器設(shè)備市場實際需求，我們運用先進的模塊化設(shè)計，使產(chǎn)品成為換代升級容易的組裝式智能教學(xué)機械手，使其成為老師教學(xué)和學(xué)生實踐體驗的有力工具，且本產(chǎn)品使用簡便、功能豐富、可靠性高。創(chuàng)新亮點：模塊化設(shè)計、開放式結(jié)構(gòu)；學(xué)習(xí)型自動編輯程序；采用嵌入式模糊PID控制技術(shù)，位置控制快速而準(zhǔn)確。復(fù)雜技術(shù)簡單化，各電子元器件的選用和調(diào)試等復(fù)雜的技術(shù)操作部分有機整合。
- 詳細(xì)介紹：
- 設(shè)計思路：為迎合教學(xué)市場的實際需求，我們將微型智能機械手進行改造，主要體現(xiàn)為我們運用了先進的模塊化設(shè)計的方法，使其變成可支持大幅度提高的組裝式迷你智能機械教學(xué)和學(xué)生自學(xué)工具。 產(chǎn)品原型：本產(chǎn)品是以廣東工業(yè)實訓(xùn)中心大學(xué)生創(chuàng)新項目訓(xùn)練的重點項目“基于嵌入式伺服控制系統(tǒng)的智能機械手”為原型的新型智能教學(xué)自學(xué)工具。 在介紹本作品之前，先對智能機械手進行簡單的介紹 所謂的智能機械手，是指在各個關(guān)鍵部位安裝有各種傳感器和電動機的機械手臂，用戶將個人電腦中的程序錄入其芯片后可控制各電動機的運轉(zhuǎn)，并通過各傳感器的反饋信息來達(dá)到智能控制的目的。它的突出特點是能夠模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置，并能實現(xiàn)功能的大量拓展。 原型“基于嵌入式伺服控制的智能機械手”的技術(shù)說明（摘自“基于嵌入式伺服控制系統(tǒng)的智能機械手”技術(shù)報告）本項目名稱是基于嵌入式伺服控制系統(tǒng)的智能機械手，（以下簡稱機械手）具體由舵機、伺服電機、飛思卡爾半導(dǎo)體XS12微控制器、機械手構(gòu)件、鉸鏈構(gòu)件、連桿構(gòu)件、紅外傳感器、霍爾傳感器、壓力傳感器和“條形碼”識別器等組成。本系統(tǒng)以飛思卡爾公司的16位微處理器MC9S12XS128為控制核心，通過將總線頻率超頻到32M來更快更準(zhǔn)確地進行控制。并采用CodeWarrior軟件、串口調(diào)試助手及BDM作為調(diào)試工具。運用反射式紅外傳感器、霍爾傳感器、壓力傳感器進行信息采集和機械手定位，并采用PWM技術(shù)來控制舵機和伺服電機。舵機控制采用PWM信號開環(huán)控制；而伺服電機的控制，由模糊控制表來設(shè)定位置，采用PID控制來調(diào)整位置偏差量。并采用了信號擬合技術(shù)，各個部分經(jīng)過MCU的協(xié)調(diào)處理，最終使得本機械手能夠以較快的速度在指定的軌跡上實現(xiàn)各種不同的動作，在接收到執(zhí)行的命令后根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)做出最佳的動作，以期達(dá)到預(yù)設(shè)計的目的。 本項目實現(xiàn)的目標(biāo)：根據(jù)現(xiàn)場的情況和機械手的當(dāng)前狀態(tài)作出分析，經(jīng)過傳感器的信息和機械手的當(dāng)前狀態(tài)信息的擬合處理，得到一個最終的綜合信息，并通過與模糊控制表對比得到偏差信息，采用PID算法獲得各個對應(yīng)的控制信號，然后控制各個舵機和伺服電機實現(xiàn)各種相應(yīng)的動作，或者實現(xiàn)所設(shè)定的動作。同時該機械手具備多自由度的、多方位等的操作功能，以便實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用 技術(shù)改造說明：新的教學(xué)智能機械手與原智能機械手對比（注:2者都是我們團隊，團隊設(shè)計的作品）設(shè)計上的不同主要體現(xiàn)在以下幾個同方面（效果圖見圖2-2）： ① 將原電路的設(shè)計、各電子元器件的選用和調(diào)試等復(fù)雜的技術(shù)操作部分去，刨去，使產(chǎn)品的各功能部件變成相互獨立的各個功能模塊，用戶只需選好各個功能部件，經(jīng)過自主組合便成為一個實體產(chǎn)品； ② 對于更高級別的用戶，我們將提供更為零散的零件，如電路板，各電子元器件，電動機等，根據(jù)我們提供的電路圖等說明文件，由用戶親手焊接和拼裝拼接成各個功能模塊，再將各功能模塊組裝成為一個實體產(chǎn)品； ③ 用戶只需根據(jù)使用手冊上的代碼說明便可以通過PC調(diào)用產(chǎn)品內(nèi)置的各各種程序，實現(xiàn)實體產(chǎn)品的智能控制目的。另外，目前很多網(wǎng)站都有定期更新 更程序數(shù)據(jù)庫，用戶可以下載，新的程序讓產(chǎn)品有的新功能； ④ 更高級別的用戶可以自主編寫程序來讓產(chǎn)品的功能得到更高程度拓展； 總結(jié)：產(chǎn)品提供一系列趣味性的組裝學(xué)習(xí)，使人們印象中高科技的智能機械具有強烈的時代能感和豐富的趣味性相結(jié)合。同時用戶可以從中學(xué)習(xí)到智能機械的知識，達(dá)到科技啟蒙的目識的，實現(xiàn)寓教于樂的目的。 設(shè)計理念：本產(chǎn)品集“四驅(qū)車”式零件組裝、功能部件的模塊化設(shè)計于一身，由用戶組裝成一個完整產(chǎn)品，如下圖2-2： 創(chuàng)新亮點：1.復(fù)雜技術(shù)簡單化 產(chǎn)品運用零配件及模塊化設(shè)計將原電路的設(shè)計、各電子元器件的選用和調(diào)試等復(fù)雜的技術(shù)操作部分有機的整合，使產(chǎn)品的各功能部件變成相互獨立的各個功能模塊。用戶只需選好各個功能部件，經(jīng)過自主組合拼裝便成為一個實體產(chǎn)品。 2.個性化版本提供 根據(jù)用戶自身喜好，產(chǎn)品的“標(biāo)準(zhǔn)配置”提供兩種版本：全零件版和模塊板。兩種版本組裝難易程度不同，對用戶的能力要求也不同，而用戶從中獲得的娛樂感覺也不同。 全零件版 模塊版 3．“1+N”產(chǎn)品設(shè)計 為了讓用戶在體驗本產(chǎn)品時得到更大的樂趣，在“標(biāo)準(zhǔn)配置”的基礎(chǔ)上，用戶擁有“1+N”種個性化的產(chǎn)品提供模式。即“標(biāo)準(zhǔn)配置”+“選裝配置”的產(chǎn)品搭配形式。 “標(biāo)準(zhǔn)配置”的基礎(chǔ)功能設(shè)計中預(yù)留各種接口，是產(chǎn)品的一切拓展功能的基礎(chǔ)。與此同時，標(biāo)準(zhǔn)配置版本組裝完畢后已經(jīng)是一個完整的可以執(zhí)行基礎(chǔ)動作功能的智能機械產(chǎn)品。 “選裝配置”具有更高精度或更高質(zhì)量的零件，以及更多新功能的功能部件，用戶由自身喜好和個性需求可以選擇性的購買選裝配件。 研究思路： 本項目的研究思路可以概括為四個方面：機械操作模塊、控制電路模塊、傳感器和控制程序。 (一) 機械操作模塊：機器操作模塊采用舵機通過連桿提供動力的，連桿的一端與舵機鏈接，另一端與機械手的執(zhí)行部分鏈接，實現(xiàn)機器手的運作。機械手安裝的霍爾傳感器是檢測機械手的運動情況。 (二) 控制電路模塊：控制電路包括傳感器連接電路、伺服電機驅(qū)動電路、“條形碼”驅(qū)動電路、模塊控制芯片的管腳連接電路和電源管理等。 (三) 傳感器：傳感器包括：紅外傳感器、霍爾傳感器、壓力傳感器和“條形碼”識別器等。 (四) 控制程序：采用CodeWarrior軟件、串口調(diào)試助手及BDM作為調(diào)試工具,用C語言編程（見附錄2）。 項目的研究方法： (一) 機械原理分析法： 研究機械手中機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動，以及機器手的結(jié)構(gòu)、受力、質(zhì)量和運動情況，使其符合機械的運動原理。機器手是由多個的機構(gòu)組成，機構(gòu)是由兩個以上的構(gòu)件通過活動聯(lián)接以實現(xiàn)規(guī)定運動的組合體。由自由度的理論的分析得知，本機械手能夠?qū)崿F(xiàn)至少三個以上的方向運動。綜上所述：整個機械手的機構(gòu)設(shè)計的目的是使得執(zhí)行機構(gòu)完成各種不同自由度的動作或用來作有用的功。 (二) 信號處理法： 在事件變化過程中抽取特征信號，經(jīng)去干擾、分析、綜合、變換和運算等處理，從而得到反映事件變化本質(zhì)的信息的過程。 (三) PID算法控制法： 在過程控制中，PID算法是按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的PID控制器。它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象──“一階滯后＋純滯后”與“二階滯后＋純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活。 為了便于軟件的編寫、修改、調(diào)試，在程序編寫的過程中采用了層次化、模塊化、結(jié)構(gòu)化和參數(shù)化設(shè)計技術(shù)。 (1)層次化 采用層次化設(shè)計是本系統(tǒng)設(shè)計軟件的一大特點。我們把程序分為兩大層，即物理層和應(yīng)用層。這樣做的好處是為了便于程序調(diào)試和移植，同時也增加了程序的可讀性和可維護性。有了物理層后，我們就可以將在PC機上模擬的應(yīng)用層的程序無需改動地直接移植到單片機上。 (2)模塊化設(shè)計 采用模塊化設(shè)計是為了便于系統(tǒng)的移植和維護，避免代碼的重復(fù)，從而節(jié)省數(shù)據(jù)的存儲空間。 (3)結(jié)構(gòu)化編程 采用結(jié)構(gòu)化的編程方法使得程序結(jié)構(gòu)清晰、邏輯性強、便于設(shè)計修改，并符合了自頂向下的程序設(shè)計規(guī)測。 (4)參數(shù)化 為使軟件能適應(yīng)各種控制單元、硬件配置、運行環(huán)境等方面的具體要求，系統(tǒng)采用了參數(shù)化設(shè)計，注重于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和其上進行的操作，這樣有助于增強軟件的整體運行的靈活性和適應(yīng)性。 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采取了自上而下，逐步細(xì)化的設(shè)計方法。首先，按程序結(jié)構(gòu)化的設(shè)計思想設(shè)計主程序結(jié)構(gòu)，其次設(shè)計中斷服務(wù)程序，然后再按功能模塊化思想設(shè)計各個子程序，并逐步細(xì)化各功能模塊， 同時不斷完善中斷服務(wù)程序和主程序，最后完成所有軟件的設(shè)計。 為達(dá)到預(yù)定設(shè)定目的，擬將本程序設(shè)計分成以下幾個模塊組成：單片機初始化模塊，實時環(huán)境檢測模塊，舵機控制模塊，伺服電機控制模塊，中斷機械手方位采集模塊，“條形碼”識別模塊。 采取的技術(shù)路線： 本項目能夠通過傳感器對現(xiàn)場的情況和機械手的當(dāng)前狀態(tài)作出分析，經(jīng)過傳感器的信息和機械手的當(dāng)前狀態(tài)信息的擬合處理，得到一個最終的綜合信息，并通過與模糊控制表對比得到偏差信息，采用PID算法獲得各個對應(yīng)的控制信號，然后控制各個舵機和伺服電機實現(xiàn)各種相應(yīng)的動作來實現(xiàn)各種功能的。 工作流程方框圖：（詳細(xì)說明見附件1 附件1： 基于嵌入式伺服控制系統(tǒng)的智能機械手工作流程圖 圖3.1 系統(tǒng)軟件流程圖 參考文獻(xiàn) [1]邵貝貝.《單片機嵌入式的在線開發(fā)方法的應(yīng)用》（第一版），清華大學(xué)出版社出版，2004年10月. [2]譚浩強.《C語言程序與設(shè)計》（第二版），清華大學(xué)出版社出版，1999年12月. [3]陶永華.《新型PID控制及其應(yīng)用》（第二版），機械工業(yè)出版社出版，2003年7月. [4]《HCS12微控制原理及應(yīng)用》 北京航空航天大學(xué)出版社 王威等編
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作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 運用先進的模塊化設(shè)計，使產(chǎn)品成為換代升級容易的組裝式智能教學(xué)機械手，使其成為老師教學(xué)和學(xué)生實踐體驗的有力工具，且本產(chǎn)品使用簡便、功能豐富、可靠性高。創(chuàng)新亮點：模塊化設(shè)計、開放式結(jié)構(gòu)；學(xué)習(xí)型自動編輯程序；采用嵌入式模糊PID控制技術(shù)，位置控制快速而準(zhǔn)確。采用快速軌跡插補技術(shù)。
科學(xué)性、先進性
- 模塊化設(shè)計、開放式結(jié)構(gòu)；學(xué)習(xí)型自動編輯程序；采用嵌入式模糊PID控制技術(shù)，位置控制快速而準(zhǔn)確。復(fù)雜技術(shù)簡單化，各電子元器件的選用和調(diào)試等復(fù)雜的技術(shù)操作部分有機整合，使產(chǎn)品的各功能部件變成相互獨立的各個功能模塊。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 第七屆“挑戰(zhàn)杯”廣東大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽金獎
作品所處階段
- 中試階段，已做出實體模型，可做演示
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 獨家許可
作品可展示的形式
- ■圖紙 ■現(xiàn)場演示 ■圖片 ■樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 項目的技術(shù)優(yōu)勢 本機械手可用于教學(xué)，可以通過機械操作模塊、控制電路模塊、傳感器和控制程序等模塊展開教學(xué)，并可以讓學(xué)生親自操作實踐，達(dá)到理論與實踐結(jié)合的目的。而且因其簡單易學(xué)等特點，使得尤其適合作為控制領(lǐng)域的入門教學(xué)媒介。據(jù)統(tǒng)計中國的普通高校就有兩千多所，每所高校平均應(yīng)用10臺機械手計算，就有兩萬多臺，加上中國的工廠數(shù)目龐大，可以看得出本項目研究的機械手無論在高校中還是在工業(yè)上的市場前景都是很廣闊的。 市場前景： 目前，市場上的機械手主要是應(yīng)用在工業(yè)上，此類機械手需要根據(jù)不同的訂單更換模具，雖然該機械手的使用節(jié)省勞力但給操作上帶來了不方便之處也不少，而且該機械手教學(xué)上的應(yīng)用幾乎為零，而本研究項目機械手可以做到不需經(jīng)常更換模具，只需一個模具就能在不同方面應(yīng)用。同時本機械手可用于教學(xué)可以讓學(xué)生親自操作實踐，達(dá)到理論與實踐結(jié)合的目的。而且因其簡單易學(xué)等特點，使得尤其適合作為控制領(lǐng)域的入門教學(xué)媒介。
同類課題研究水平概述
- 目前，國內(nèi)市場上的機械手主要是應(yīng)用在工業(yè)上，此類機械手需要根據(jù)不同的訂單更換模具，雖然該機械手的使用節(jié)省勞力但操作上存在某些不便之處，而且該機械手缺乏在教學(xué)上的應(yīng)用功能，而本研究項目機械手可以做到不需經(jīng)常更換模具，只需一個模具就能在不同方面應(yīng)用。其功能是實現(xiàn)所設(shè)定的動作或者實現(xiàn)設(shè)定某種功能的各種相應(yīng)動態(tài)動作，即能夠根據(jù)環(huán)境而自動的選擇相應(yīng)的執(zhí)行動作，最終達(dá)到所預(yù)訂定的功能。同時該機械手具備多自由度的、多方位等的操作功能。只需通過改變程序來改變應(yīng)用場合和功能，使用方便，成本低。 本機械手可用于教學(xué)，可以通過機械操作模塊、控制電路模塊、傳感器和控制程序等模塊開展教學(xué)，并可以讓學(xué)生親自操作實踐，達(dá)到理論與實踐結(jié)合的目的。而且因其簡單易學(xué)等特點，尤其適合作為控制領(lǐng)域的入門教學(xué)工具。據(jù)統(tǒng)計中國的普通高校就有兩千多所，每所高校平均應(yīng)用10臺機械手計算，就有兩萬多臺，有數(shù)據(jù)顯示，中國高校約有16萬自動化專業(yè)的學(xué)生；再者，中國的工廠數(shù)目龐大。由此可以看出，本項目研究的機械手無論在高校中還是在工業(yè)上的市場前景都是很廣闊的。 總結(jié)分析 本項目是應(yīng)用于教學(xué)，可作為教學(xué)實踐的媒介。首先，本設(shè)計的底座、大臂、小臂和機械手的結(jié)構(gòu)；其次選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式，搭建機器人的結(jié)構(gòu)平臺?？梢酝ㄟ^機械操作模塊、控制電路模塊、傳感器和控制程序等模塊展開教學(xué)，并可以讓學(xué)生親自操作實踐，達(dá)到理論與實踐相結(jié)合的目的。因其具有簡單易學(xué)等特點，尤其適合作為控制領(lǐng)域的入門教學(xué)媒介。本設(shè)計的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊和伺服電機模塊、反饋方式和反饋元件的選擇、萬能板電路的設(shè)計以及控制軟件的設(shè)計，重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的穩(wěn)定性和靈活性，最終實現(xiàn)的功能包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機器人的各個關(guān)節(jié)的運動情況、機器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點和返回參考點。
