題-1_100_100.jpg)
基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于嵌入式智能機(jī)械手
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 針對(duì)教學(xué)儀器設(shè)備市場(chǎng)實(shí)際需求，我們運(yùn)用先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品成為換代升級(jí)容易的組裝式智能教學(xué)機(jī)械手，使其成為老師教學(xué)和學(xué)生實(shí)踐體驗(yàn)的有力工具，且本產(chǎn)品使用簡(jiǎn)便、功能豐富、可靠性高。創(chuàng)新亮點(diǎn)：模塊化設(shè)計(jì)、開放式結(jié)構(gòu)；學(xué)習(xí)型自動(dòng)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(jiǎn)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(jī)整合。
- 詳細(xì)介紹：
- 設(shè)計(jì)思路：為迎合教學(xué)市場(chǎng)的實(shí)際需求，我們將微型智能機(jī)械手進(jìn)行改造，主要體現(xiàn)為我們運(yùn)用了先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)的方法，使其變成可支持大幅度提高的組裝式迷你智能機(jī)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(shí)訓(xùn)中心大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目訓(xùn)練的重點(diǎn)項(xiàng)目“基于嵌入式伺服控制系統(tǒng)的智能機(jī)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(duì)智能機(jī)械手進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹 所謂的智能機(jī)械手，是指在各個(gè)關(guān)鍵部位安裝有各種傳感器和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械手臂，用戶將個(gè)人電腦中的程序錄入其芯片后可控制各電動(dòng)機(jī)的運(yùn)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(diǎn)是能夠模仿人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置，并能實(shí)現(xiàn)功能的大量拓展。 原型“基于嵌入式伺服控制的智能機(jī)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(jī)械手”技術(shù)報(bào)告）本項(xiàng)目名稱是基于嵌入式伺服控制系統(tǒng)的智能機(jī)械手，（以下簡(jiǎn)稱機(jī)械手）具體由舵機(jī)、伺服電機(jī)、飛思卡爾半導(dǎo)體XS12微控制器、機(jī)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(shí)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(jìn)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(yùn)用反射式紅外傳感器、霍爾傳感器、壓力傳感器進(jìn)行信息采集和機(jī)械手定位，并采用PWM技術(shù)來控制舵機(jī)和伺服電機(jī)。舵機(jī)控制采用PWM信號(hào)開環(huán)控制；而伺服電機(jī)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(hào)擬合技術(shù)，各個(gè)部分經(jīng)過MCU的協(xié)調(diào)處理，最終使得本機(jī)械手能夠以較快的速度在指定的軌跡上實(shí)現(xiàn)各種不同的動(dòng)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(dòng)作，以期達(dá)到預(yù)設(shè)計(jì)的目的。 本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況和機(jī)械手的當(dāng)前狀態(tài)作出分析，經(jīng)過傳感器的信息和機(jī)械手的當(dāng)前狀態(tài)信息的擬合處理，得到一個(gè)最終的綜合信息，并通過與模糊控制表對(duì)比得到偏差信息，采用PID算法獲得各個(gè)對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，然后控制各個(gè)舵機(jī)和伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)各種相應(yīng)的動(dòng)作，或者實(shí)現(xiàn)所設(shè)定的動(dòng)作。同時(shí)該機(jī)械手具備多自由度的、多方位等的操作功能，以便實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用 技術(shù)改造說明：新的教學(xué)智能機(jī)械手與原智能機(jī)械手對(duì)比（注:2者都是我們團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的作品）設(shè)計(jì)上的不同主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)同方面（效果圖見圖2-2）： ① 將原電路的設(shè)計(jì)、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(dú)立的各個(gè)功能模塊，用戶只需選好各個(gè)功能部件，經(jīng)過自主組合便成為一個(gè)實(shí)體產(chǎn)品； ② 對(duì)于更高級(jí)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(dòng)機(jī)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(gè)功能模塊，再將各功能模塊組裝成為一個(gè)實(shí)體產(chǎn)品； ③ 用戶只需根據(jù)使用手冊(cè)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(kù)，用戶可以下載，新的程序讓產(chǎn)品有的新功能； ④ 更高級(jí)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(jī)械具有強(qiáng)烈的時(shí)代能感和豐富的趣味性相結(jié)合。同時(shí)用戶可以從中學(xué)習(xí)到智能機(jī)械的知識(shí)，達(dá)到科技啟蒙的目識(shí)的，實(shí)現(xiàn)寓教于樂的目的。 設(shè)計(jì)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(jì)于一身，由用戶組裝成一個(gè)完整產(chǎn)品，如下圖2-2： 創(chuàng)新亮點(diǎn)：1.復(fù)雜技術(shù)簡(jiǎn)單化 產(chǎn)品運(yùn)用零配件及模塊化設(shè)計(jì)將原電路的設(shè)計(jì)、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(jī)的整合，使產(chǎn)品的各功能部件變成相互獨(dú)立的各個(gè)功能模塊。用戶只需選好各個(gè)功能部件，經(jīng)過自主組合拼裝便成為一個(gè)實(shí)體產(chǎn)品。 2.個(gè)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(duì)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(jì) 為了讓用戶在體驗(yàn)本產(chǎn)品時(shí)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(gè)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(jì)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(shí)，標(biāo)準(zhǔn)配置版本組裝完畢后已經(jīng)是一個(gè)完整的可以執(zhí)行基礎(chǔ)動(dòng)作功能的智能機(jī)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(gè)性需求可以選擇性的購(gòu)買選裝配件。 研究思路： 本項(xiàng)目的研究思路可以概括為四個(gè)方面：機(jī)械操作模塊、控制電路模塊、傳感器和控制程序。 (一) 機(jī)械操作模塊：機(jī)器操作模塊采用舵機(jī)通過連桿提供動(dòng)力的，連桿的一端與舵機(jī)鏈接，另一端與機(jī)械手的執(zhí)行部分鏈接，實(shí)現(xiàn)機(jī)器手的運(yùn)作。機(jī)械手安裝的霍爾傳感器是檢測(cè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路、“條形碼”驅(qū)動(dòng)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(shí)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(xiàng)目的研究方法： (一) 機(jī)械原理分析法： 研究機(jī)械手中機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，以及機(jī)器手的結(jié)構(gòu)、受力、質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)情況，使其符合機(jī)械的運(yùn)動(dòng)原理。機(jī)器手是由多個(gè)的機(jī)構(gòu)組成，機(jī)構(gòu)是由兩個(gè)以上的構(gòu)件通過活動(dòng)聯(lián)接以實(shí)現(xiàn)規(guī)定運(yùn)動(dòng)的組合體。由自由度的理論的分析得知，本機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)至少三個(gè)以上的方向運(yùn)動(dòng)。綜上所述：整個(gè)機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種不同自由度的動(dòng)作或用來作有用的功。 (二) 信號(hào)處理法： 在事件變化過程中抽取特征信號(hào)，經(jīng)去干擾、分析、綜合、變換和運(yùn)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(jìn)行控制的PID控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過程控制的典型對(duì)象──“一階滯后＋純滯后”與“二階滯后＋純滯后”的控制對(duì)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(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)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(jì)技術(shù)。 (1)層次化 采用層次化設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的一大特點(diǎn)。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(shí)也增加了程序的可讀性和可維護(hù)性。有了物理層后，我們就可以將在PC機(jī)上模擬的應(yīng)用層的程序無需改動(dòng)地直接移植到單片機(jī)上。 (2)模塊化設(shè)計(jì) 采用模塊化設(shè)計(jì)是為了便于系統(tǒng)的移植和維護(hù)，避免代碼的重復(fù)，從而節(jié)省數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(qiáng)、便于設(shè)計(jì)修改，并符合了自頂向下的程序設(shè)計(jì)規(guī)測(cè)。 (4)參數(shù)化 為使軟件能適應(yīng)各種控制單元、硬件配置、運(yùn)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(jì)，注重于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和其上進(jìn)行的操作，這樣有助于增強(qiáng)軟件的整體運(yùn)行的靈活性和適應(yīng)性。 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采取了自上而下，逐步細(xì)化的設(shè)計(jì)方法。首先，按程序結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)主程序結(jié)構(gòu)，其次設(shè)計(jì)中斷服務(wù)程序，然后再按功能模塊化思想設(shè)計(jì)各個(gè)子程序，并逐步細(xì)化各功能模塊， 同時(shí)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(jì)。 為達(dá)到預(yù)定設(shè)定目的，擬將本程序設(shè)計(jì)分成以下幾個(gè)模塊組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)初始化模塊，實(shí)時(shí)環(huán)境檢測(cè)模塊，舵機(jī)控制模塊，伺服電機(jī)控制模塊，中斷機(jī)械手方位采集模塊，“條形碼”識(shí)別模塊。 采取的技術(shù)路線： 本項(xiàng)目能夠通過傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況和機(jī)械手的當(dāng)前狀態(tài)作出分析，經(jīng)過傳感器的信息和機(jī)械手的當(dāng)前狀態(tài)信息的擬合處理，得到一個(gè)最終的綜合信息，并通過與模糊控制表對(duì)比得到偏差信息，采用PID算法獲得各個(gè)對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，然后控制各個(gè)舵機(jī)和伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)各種相應(yīng)的動(dòng)作來實(shí)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(jī)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(jī)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(qiáng).《C語言程序與設(shè)計(jì)》（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(jī)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
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 運(yùn)用先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品成為換代升級(jí)容易的組裝式智能教學(xué)機(jī)械手，使其成為老師教學(xué)和學(xué)生實(shí)踐體驗(yàn)的有力工具，且本產(chǎn)品使用簡(jiǎn)便、功能豐富、可靠性高。創(chuàng)新亮點(diǎn)：模塊化設(shè)計(jì)、開放式結(jié)構(gòu)；學(xué)習(xí)型自動(dòng)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(bǔ)技術(shù)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 模塊化設(shè)計(jì)、開放式結(jié)構(gòu)；學(xué)習(xí)型自動(dòng)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(jiǎn)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(jī)整合，使產(chǎn)品的各功能部件變成相互獨(dú)立的各個(gè)功能模塊。
獲獎(jiǎng)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(jì)劃競(jìng)賽金獎(jiǎng)
作品所處階段
- 中試階段，已做出實(shí)體模型，可做演示
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 獨(dú)家許可
作品可展示的形式
- ■圖紙 ■現(xiàn)場(chǎng)演示 ■圖片 ■樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 項(xiàng)目的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 本機(jī)械手可用于教學(xué)，可以通過機(jī)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(shí)踐，達(dá)到理論與實(shí)踐結(jié)合的目的。而且因其簡(jiǎn)單易學(xué)等特點(diǎn)，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(jì)中國(guó)的普通高校就有兩千多所，每所高校平均應(yīng)用10臺(tái)機(jī)械手計(jì)算，就有兩萬多臺(tái)，加上中國(guó)的工廠數(shù)目龐大，可以看得出本項(xiàng)目研究的機(jī)械手無論在高校中還是在工業(yè)上的市場(chǎng)前景都是很廣闊的。 市場(chǎng)前景： 目前，市場(chǎng)上的機(jī)械手主要是應(yīng)用在工業(yè)上，此類機(jī)械手需要根據(jù)不同的訂單更換模具，雖然該機(jī)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(jī)械手教學(xué)上的應(yīng)用幾乎為零，而本研究項(xiàng)目機(jī)械手可以做到不需經(jīng)常更換模具，只需一個(gè)模具就能在不同方面應(yīng)用。同時(shí)本機(jī)械手可用于教學(xué)可以讓學(xué)生親自操作實(shí)踐，達(dá)到理論與實(shí)踐結(jié)合的目的。而且因其簡(jiǎn)單易學(xué)等特點(diǎn)，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(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的機(jī)械手主要是應(yīng)用在工業(yè)上，此類機(jī)械手需要根據(jù)不同的訂單更換模具，雖然該機(jī)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(jī)械手缺乏在教學(xué)上的應(yīng)用功能，而本研究項(xiàng)目機(jī)械手可以做到不需經(jīng)常更換模具，只需一個(gè)模具就能在不同方面應(yīng)用。其功能是實(shí)現(xiàn)所設(shè)定的動(dòng)作或者實(shí)現(xiàn)設(shè)定某種功能的各種相應(yīng)動(dòng)態(tài)動(dòng)作，即能夠根據(jù)環(huán)境而自動(dòng)的選擇相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作，最終達(dá)到所預(yù)訂定的功能。同時(shí)該機(jī)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(chǎng)合和功能，使用方便，成本低。 本機(jī)械手可用于教學(xué)，可以通過機(jī)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(shí)踐，達(dá)到理論與實(shí)踐結(jié)合的目的。而且因其簡(jiǎn)單易學(xué)等特點(diǎn)，尤其適合作為控制領(lǐng)域的入門教學(xué)工具。據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)的普通高校就有兩千多所，每所高校平均應(yīng)用10臺(tái)機(jī)械手計(jì)算，就有兩萬多臺(tái)，有數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)高校約有16萬自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生；再者，中國(guó)的工廠數(shù)目龐大。由此可以看出，本項(xiàng)目研究的機(jī)械手無論在高校中還是在工業(yè)上的市場(chǎng)前景都是很廣闊的。 總結(jié)分析 本項(xiàng)目是應(yīng)用于教學(xué)，可作為教學(xué)實(shí)踐的媒介。首先，本設(shè)計(jì)的底座、大臂、小臂和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)；其次選擇合適的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺(tái)。可以通過機(jī)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(shí)踐，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的。因其具有簡(jiǎn)單易學(xué)等特點(diǎn)，尤其適合作為控制領(lǐng)域的入門教學(xué)媒介。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊和伺服電機(jī)模塊、反饋方式和反饋元件的選擇、萬能板電路的設(shè)計(jì)以及控制軟件的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)加強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)器人運(yùn)行過程的穩(wěn)定性和靈活性，最終實(shí)現(xiàn)的功能包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動(dòng)問題、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況、機(jī)器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點(diǎn)和返回參考點(diǎn)。
