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一种自动装配机器人的设计与运行控制 该机器人是集成机械设计、自动控制技术、电子技术和传感器技术的综合高科技。装配机器人可按给定的引导线运动至物料存放处,完成物料的搬运后,再运动到相应的安装工位,完成产品的装配。随着工业生产技术的发展,装配机器人在工业生产领域中的应用将越来越广泛。 本文结合2013 年全国职业院校机器人应用技术大赛的任务要求,综合运用物联网、颜色识别和精确定位等技术开发了一种装配机器人,完成了机器人的机械系统、电路系统和传感系统的设计,并在此基础上设计了一种基于PD控制原理的机器人运动控制算法。该算法可使机器人准确地进行路径识别和运动控制,从而实现对工件的精确定位,完成工件的抓取、颜色识别和精度装配等一系列任务。 1 注意工件的识别 装配机器人一般需要根据工作场地上的白色引导线自主进行路径识别和姿态控制,还必须能对工件的位置进行精确定位并识别工件的颜色,从而抓取正确的工件进行精度装配。要设计出满足要求的机器人,首要任务是完成机器人的硬件系统设计,包括机器人的机械结构设计和电路控制系统设计。机械结构设计主要是完成运动机构和执行机构的三维建模、动态仿真、零件加工及装配; 电路控制系统设计主要包括机器人的主控制电路、传感器电路及电机驱动电路的设计。 1.1 维虚拟模型 一种高性能的机械结构不仅能简化控制算法设计的复杂性,还能提高机器人运行控制精度。机器人的机械结构三维模型如图1( a) 所示,图1( b) 为加工装配完成的机器人实体。机器人的机械部分主要由运动底盘、导轨提升机构、推送机构、工件抓取机构、工件存放机构和定位机构组成。所有的零件均在Solid Works2012 中进行三维建模,并进行装配仿真,确认尺寸无误后生成CNC机床加工文件进行加工。 1.2 巡线和定位控制模块设计 机器人的电路控制系统主要由主控制板电路模块、巡线控制模块、定位控制模块和电机控制模块组成,其结构如图2 所示。主控板是机器人的处理中枢,负责接收、处理各类传感器采集到的信息,并根据信息处理结果向各执行机构发送控制指令。主控制板使用新一代高速、低功耗单片机STC12C5A60S2 作为微控制器,该控制器的指令代码完全兼容传统8051,但运算速度可达传统8051单片机的12 倍,芯片提供了2 路PWM输出和8 路高速10 位Aue4d4D转换,内部集成了MAX810 专用复位电路,大大简化了外围电路的设计。在主控制板中使用了2 片74H245 芯片实现对P2 口的复用,使用P1. 0 引脚进行片选控制,实现对16 路巡线传感器数据的读取。使用单片机的P3 口和P0 口的部分引脚和高速光耦芯片扩展了8 路支持12V电平输入的传感器接口以满足信号的输入需求。 巡线控制模块主要包括安装于机器人底盘下的2 个16 路引导线检测传感器、2 个传感器信号处理板和一个传感器数据融合板。16 路引导线检测传感器可检测到场地上的白色引导线及十字交叉点,其电路非常简单,使用16 路的高亮LED发射管作为发光源,使用16 路光敏电阻接收从地面反射回来的光线,将反射光线的强弱转变成电信号传送到传感器信号处理板,对16 路引导线检测传感器采集到的地面引导线信息进行处理,对光敏电阻接收到的电压信号进行放大处理,然后将放大后的信号与标准电压比较,过滤掉环境中的干扰信号后,再将有效信号进行稳压、放大处理后送入传感器融合板。单路信号的放大和比较电路原理如图3 所示。传感器数据融合板将传送来的信号进行暂存,然后输入到主控制板的对应接口。传感器数据融合板使用了4片74HC245 芯片,分别用来存储前16 路和后16 路巡线传感器的数据,通过一个片选信号来控制将哪路信号输入到主控制板。 电机控制模块主要由行走电机驱动板、执行机构电机驱动板和电机组成。电机驱动板通过主控板发来的PWM脉宽调制信号和方向信号,驱动行走机构和执行机构的直流电机。电机驱动板电路原理如图4 所示,电机驱动板上设置了2 路MOS管电路,使用IR2110 功率驱动集成芯片。该芯片是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块,可靠性很高。IR2110 输入信号为主控制器输出的PWM脉宽信号,其输出信号直接控制75N75MOS管的通断。电机转动方向的控制是使用三极管驱动继电器来实现的,这种方式较MOS管桥式电路更可靠。 定位控制模块主要由位于X、Y、Z轴上的3 个光电检测传感器,2 个用于车轮定位的红外检测传感器,用于定位检测的2 个触碰传感器和1 个传感器数据处理板组成。光电传感器用于采集机器人执行机构的当前姿态,当执行机构运行到指定姿态时传感器将发送信号给传感器数据处理板。车轮定位传感器使用两个红外检测开关检测机器人的当前运行姿态是否在引导线上,用来辅助机器人进行90°转弯。定位检测传感器用于