基本信息
- 项目名称：
- 基于嵌入式智能机械手
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 针对教学仪器设备市场实际需求，我们运用先进的模块化设计，使产品成为换代升级容易的组装式智能教学机械手，使其成为老师教学和学生实践体验的有力工具，且本产品使用简便、功能丰富、可靠性高。创新亮点：模块化设计、开放式结构；学习型自动编辑程序；采用嵌入式模糊PID控制技术，位置控制快速而准确。复杂技术简单化，各电子元器件的选用和调试等复杂的技术操作部分有机整合。
- 详细介绍：
- 设计思路：为迎合教学市场的实际需求，我们将微型智能机械手进行改造，主要体现为我们运用了先进的模块化设计的方法，使其变成可支持大幅度提高的组装式迷你智能机械教学和学生自学工具。 产品原型：本产品是以广东工业实训中心大学生创新项目训练的重点项目“基于嵌入式伺服控制系统的智能机械手”为原型的新型智能教学自学工具。 在介绍本作品之前，先对智能机械手进行简单的介绍 所谓的智能机械手，是指在各个关键部位安装有各种传感器和电动机的机械手臂，用户将个人电脑中的程序录入其芯片后可控制各电动机的运转，并通过各传感器的反馈信息来达到智能控制的目的。它的突出特点是能够模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置，并能实现功能的大量拓展。 原型“基于嵌入式伺服控制的智能机械手”的技术说明（摘自“基于嵌入式伺服控制系统的智能机械手”技术报告）本项目名称是基于嵌入式伺服控制系统的智能机械手，（以下简称机械手）具体由舵机、伺服电机、飞思卡尔半导体XS12微控制器、机械手构件、铰链构件、连杆构件、红外传感器、霍尔传感器、压力传感器和“条形码”识别器等组成。本系统以飞思卡尔公司的16位微处理器MC9S12XS128为控制核心，通过将总线频率超频到32M来更快更准确地进行控制。并采用CodeWarrior软件、串口调试助手及BDM作为调试工具。运用反射式红外传感器、霍尔传感器、压力传感器进行信息采集和机械手定位，并采用PWM技术来控制舵机和伺服电机。舵机控制采用PWM信号开环控制；而伺服电机的控制，由模糊控制表来设定位置，采用PID控制来调整位置偏差量。并采用了信号拟合技术，各个部分经过MCU的协调处理，最终使得本机械手能够以较快的速度在指定的轨迹上实现各种不同的动作，在接收到执行的命令后根据当前状态做出最佳的动作，以期达到预设计的目的。 本项目实现的目标：根据现场的情况和机械手的当前状态作出分析，经过传感器的信息和机械手的当前状态信息的拟合处理，得到一个最终的综合信息，并通过与模糊控制表对比得到偏差信息，采用PID算法获得各个对应的控制信号，然后控制各个舵机和伺服电机实现各种相应的动作，或者实现所设定的动作。同时该机械手具备多自由度的、多方位等的操作功能，以便实现更广泛的应用 技术改造说明：新的教学智能机械手与原智能机械手对比（注:2者都是我们团队，团队设计的作品）设计上的不同主要体现在以下几个同方面（效果图见图2-2）： ① 将原电路的设计、各电子元器件的选用和调试等复杂的技术操作部分去，刨去，使产品的各功能部件变成相互独立的各个功能模块，用户只需选好各个功能部件，经过自主组合便成为一个实体产品； ② 对于更高级别的用户，我们将提供更为零散的零件，如电路板，各电子元器件，电动机等，根据我们提供的电路图等说明文件，由用户亲手焊接和拼装拼接成各个功能模块，再将各功能模块组装成为一个实体产品； ③ 用户只需根据使用手册上的代码说明便可以通过PC调用产品内置的各各种程序，实现实体产品的智能控制目的。另外，目前很多网站都有定期更新 更程序数据库，用户可以下载，新的程序让产品有的新功能； ④ 更高级别的用户可以自主编写程序来让产品的功能得到更高程度拓展； 总结：产品提供一系列趣味性的组装学习，使人们印象中高科技的智能机械具有强烈的时代能感和丰富的趣味性相结合。同时用户可以从中学习到智能机械的知识，达到科技启蒙的目识的，实现寓教于乐的目的。 设计理念：本产品集“四驱车”式零件组装、功能部件的模块化设计于一身，由用户组装成一个完整产品，如下图2-2： 创新亮点：1.复杂技术简单化 产品运用零配件及模块化设计将原电路的设计、各电子元器件的选用和调试等复杂的技术操作部分有机的整合，使产品的各功能部件变成相互独立的各个功能模块。用户只需选好各个功能部件，经过自主组合拼装便成为一个实体产品。 2.个性化版本提供 根据用户自身喜好，产品的“标准配置”提供两种版本：全零件版和模块板。两种版本组装难易程度不同，对用户的能力要求也不同，而用户从中获得的娱乐感觉也不同。 全零件版 模块版 3．“1+N”产品设计 为了让用户在体验本产品时得到更大的乐趣，在“标准配置”的基础上，用户拥有“1+N”种个性化的产品提供模式。即“标准配置”+“选装配置”的产品搭配形式。 “标准配置”的基础功能设计中预留各种接口，是产品的一切拓展功能的基础。与此同时，标准配置版本组装完毕后已经是一个完整的可以执行基础动作功能的智能机械产品。 “选装配置”具有更高精度或更高质量的零件，以及更多新功能的功能部件，用户由自身喜好和个性需求可以选择性的购买选装配件。 研究思路： 本项目的研究思路可以概括为四个方面：机械操作模块、控制电路模块、传感器和控制程序。 (一) 机械操作模块：机器操作模块采用舵机通过连杆提供动力的，连杆的一端与舵机链接，另一端与机械手的执行部分链接，实现机器手的运作。机械手安装的霍尔传感器是检测机械手的运动情况。 (二) 控制电路模块：控制电路包括传感器连接电路、伺服电机驱动电路、“条形码”驱动电路、模块控制芯片的管脚连接电路和电源管理等。 (三) 传感器：传感器包括：红外传感器、霍尔传感器、压力传感器和“条形码”识别器等。 (四) 控制程序：采用CodeWarrior软件、串口调试助手及BDM作为调试工具,用C语言编程（见附录2）。 项目的研究方法： (一) 机械原理分析法： 研究机械手中机构的结构和运动，以及机器手的结构、受力、质量和运动情况，使其符合机械的运动原理。机器手是由多个的机构组成，机构是由两个以上的构件通过活动联接以实现规定运动的组合体。由自由度的理论的分析得知，本机械手能够实现至少三个以上的方向运动。综上所述：整个机械手的机构设计的目的是使得执行机构完成各种不同自由度的动作或用来作有用的功。 (二) 信号处理法： 在事件变化过程中抽取特征信号，经去干扰、分析、综合、变换和运算等处理，从而得到反映事件变化本质的信息的过程。 (三) PID算法控制法： 在过程控制中，PID算法是按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。 为了便于软件的编写、修改、调试，在程序编写的过程中采用了层次化、模块化、结构化和参数化设计技术。 (1)层次化 采用层次化设计是本系统设计软件的一大特点。我们把程序分为两大层，即物理层和应用层。这样做的好处是为了便于程序调试和移植，同时也增加了程序的可读性和可维护性。有了物理层后，我们就可以将在PC机上模拟的应用层的程序无需改动地直接移植到单片机上。 (2)模块化设计 采用模块化设计是为了便于系统的移植和维护，避免代码的重复，从而节省数据的存储空间。 (3)结构化编程 采用结构化的编程方法使得程序结构清晰、逻辑性强、便于设计修改，并符合了自顶向下的程序设计规测。 (4)参数化 为使软件能适应各种控制单元、硬件配置、运行环境等方面的具体要求，系统采用了参数化设计，注重于数据结构和其上进行的操作，这样有助于增强软件的整体运行的灵活性和适应性。 本系统的软件设计采取了自上而下，逐步细化的设计方法。首先，按程序结构化的设计思想设计主程序结构，其次设计中断服务程序，然后再按功能模块化思想设计各个子程序，并逐步细化各功能模块， 同时不断完善中断服务程序和主程序，最后完成所有软件的设计。 为达到预定设定目的，拟将本程序设计分成以下几个模块组成：单片机初始化模块，实时环境检测模块，舵机控制模块，伺服电机控制模块，中断机械手方位采集模块，“条形码”识别模块。 采取的技术路线： 本项目能够通过传感器对现场的情况和机械手的当前状态作出分析，经过传感器的信息和机械手的当前状态信息的拟合处理，得到一个最终的综合信息，并通过与模糊控制表对比得到偏差信息，采用PID算法获得各个对应的控制信号，然后控制各个舵机和伺服电机实现各种相应的动作来实现各种功能的。 工作流程方框图：（详细说明见附件1 附件1： 基于嵌入式伺服控制系统的智能机械手工作流程图 图3.1 系统软件流程图 参考文献 [1]邵贝贝.《单片机嵌入式的在线开发方法的应用》（第一版），清华大学出版社出版，2004年10月. [2]谭浩强.《C语言程序与设计》（第二版），清华大学出版社出版，1999年12月. [3]陶永华.《新型PID控制及其应用》（第二版），机械工业出版社出版，2003年7月. [4]《HCS12微控制原理及应用》 北京航空航天大学出版社 王威等编
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 运用先进的模块化设计，使产品成为换代升级容易的组装式智能教学机械手，使其成为老师教学和学生实践体验的有力工具，且本产品使用简便、功能丰富、可靠性高。创新亮点：模块化设计、开放式结构；学习型自动编辑程序；采用嵌入式模糊PID控制技术，位置控制快速而准确。采用快速轨迹插补技术。
科学性、先进性
- 模块化设计、开放式结构；学习型自动编辑程序；采用嵌入式模糊PID控制技术，位置控制快速而准确。复杂技术简单化，各电子元器件的选用和调试等复杂的技术操作部分有机整合，使产品的各功能部件变成相互独立的各个功能模块。
获奖情况及鉴定结果
- 第七届“挑战杯”广东大学生创业计划竞赛金奖
作品所处阶段
- 中试阶段，已做出实体模型，可做演示
技术转让方式
- 独家许可
作品可展示的形式
- ■图纸 ■现场演示 ■图片 ■样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 项目的技术优势 本机械手可用于教学，可以通过机械操作模块、控制电路模块、传感器和控制程序等模块展开教学，并可以让学生亲自操作实践，达到理论与实践结合的目的。而且因其简单易学等特点，使得尤其适合作为控制领域的入门教学媒介。据统计中国的普通高校就有两千多所，每所高校平均应用10台机械手计算，就有两万多台，加上中国的工厂数目庞大，可以看得出本项目研究的机械手无论在高校中还是在工业上的市场前景都是很广阔的。 市场前景： 目前，市场上的机械手主要是应用在工业上，此类机械手需要根据不同的订单更换模具，虽然该机械手的使用节省劳力但给操作上带来了不方便之处也不少，而且该机械手教学上的应用几乎为零，而本研究项目机械手可以做到不需经常更换模具，只需一个模具就能在不同方面应用。同时本机械手可用于教学可以让学生亲自操作实践，达到理论与实践结合的目的。而且因其简单易学等特点，使得尤其适合作为控制领域的入门教学媒介。
同类课题研究水平概述
- 目前，国内市场上的机械手主要是应用在工业上，此类机械手需要根据不同的订单更换模具，虽然该机械手的使用节省劳力但操作上存在某些不便之处，而且该机械手缺乏在教学上的应用功能，而本研究项目机械手可以做到不需经常更换模具，只需一个模具就能在不同方面应用。其功能是实现所设定的动作或者实现设定某种功能的各种相应动态动作，即能够根据环境而自动的选择相应的执行动作，最终达到所预订定的功能。同时该机械手具备多自由度的、多方位等的操作功能。只需通过改变程序来改变应用场合和功能，使用方便，成本低。 本机械手可用于教学，可以通过机械操作模块、控制电路模块、传感器和控制程序等模块开展教学，并可以让学生亲自操作实践，达到理论与实践结合的目的。而且因其简单易学等特点，尤其适合作为控制领域的入门教学工具。据统计中国的普通高校就有两千多所，每所高校平均应用10台机械手计算，就有两万多台，有数据显示，中国高校约有16万自动化专业的学生；再者，中国的工厂数目庞大。由此可以看出，本项目研究的机械手无论在高校中还是在工业上的市场前景都是很广阔的。 总结分析 本项目是应用于教学，可作为教学实践的媒介。首先，本设计的底座、大臂、小臂和机械手的结构；其次选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台。可以通过机械操作模块、控制电路模块、传感器和控制程序等模块展开教学，并可以让学生亲自操作实践，达到理论与实践相结合的目的。因其具有简单易学等特点，尤其适合作为控制领域的入门教学媒介。本设计的控制系统，包括数据采集模块和伺服电机模块、反馈方式和反馈元件的选择、万能板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的稳定性和灵活性，最终实现的功能包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和返回参考点。
