六自由度机械臂自动取书装置论文

1、六自由度机械臂自动取书装置制作者：孔超 指导教师：朱弘峰【内容摘要】：本文分析介绍了六自由度机械臂自动取书装置的设计，包括工作原理、各个模块的的设计，重点分析了技术方案，在项目制作过程中遇到的难点，编程的设计。 【关键词】：六自由度、机械臂、编程 1. 项目背景及意义该项目来源于我们的日常生活的发现，在图书馆的日常管理中，我们发现当我们想借阅书本时，往往先通过系统查找自己想要借阅的书籍，然后去书库按照号码来寻找，但在寻找的过程中，有时会出现找不到书，或者废了好大劲才找到，我们发现人工取书并不能很好的满足图书借阅人的日常需求，因此亟需一个图书馆自动取书装置，来实现书籍借阅的自动化。在国内外，自动

2、取书装置还不够完善，最先近的德国也只是实现了书籍的自动传送，并没有涉及从书架取书的自动化装置。该装置能完成的任务有能够分辨不同的书籍；将指定的书籍从书架中取出以及把取出的书放在篮子里的一系列动作。2. 工作原理 六自由度机械臂自动取书装置的工作原理是由摄像头采集图像信号并传递给单片机，由单片机对图像信号进行处理，分辨出不同的书，然后控制机械臂上的舵机执行夹持书本的动作，最后将书放到指定位置。3. 模块设计六自由度机械臂自动取书装置分为机械臂模块和摄像头探测模块，由单片机连接并控制。图1 原理图机械臂模块：由6个舵机和一个手抓组成。负责夹持书本的执行，由单片机予以控制。单片机：负责对摄像头信号的

3、处理和对机械手的控制。摄像头：负责对不同书本的信号采集，并将信号传给单片机。图2 电气原理图图3 程序流程图4. 机构原理图4 六自由度机械臂结构原理图如图4所示，基座和滑台组成一个移动副A，它们能够沿直线相对滑动；B是一个旋转副，在X-Y平面进行旋转；C是一个旋转副，在X-Z平面进行旋转；D是一个旋转副，在X-Z平面内进行旋转；E是一个旋转副，在Y-Z平面进行旋转；F是一个旋转副，在X-Z平面进行旋转；G是一个旋转副，在Y-Z平面进行旋转。四、驱动原理1.电动滑台1)简介：电动滑台是直线滑台的一种，工业上又常称为电动缸，线性模组等，由直线滑台与马达驱动的结合构成。（我们采用的事步进电机马达驱

4、动）通过马达驱动实现带动工件自动线性运动。通过多方向轴的组合，组成设备上的运动执行机构，这种机构常被称为：工业机械手、XYZ轴机械手、坐标轴滑台等。 2) 电动滑台的主要特点可以从4个主要参数表现出来：（1）精度：不同行业的对电动滑台精度要求不同，所以没有具体对电动滑台精度的规定，可以按照大型机床设备，和中小型机床来对精度进行分级。大型的机床一般精度在1米1丝上下。中小型机床设备对精度要求一般高于0.1mm。（2）速度：电动滑台的速度一般使用时均小于理论值，因为其速度主要受到电动滑台上的负载影响，同时如果在生产过程中只最求速度，精度也会受到影响而下降。（3）负载：负载是主要影响电动滑台的精度和

5、速度的主要元素之一。（4）行程：有效行程是指电动滑台上的滑块能滑动的有效路径长度。越长的电动滑台，负载带来的负面影响就越大。 3)电动滑台采用不同传动方式的区别：（1）齿轮传动：1.因为是齿咬合，存在反向间隙；2.精度的一至性很难保证；3.运行速度较低；4. 长时间运行机械磨损较大；5.齿间咬合振动较大，容易造成轴承磨损，旋转轴断裂，且噪音较大；6.维护较多。（2）同步带传动：同步带式：电动滑台的传动方式由皮带 和直线导轨辅助完成。1.刚性差；2.容易磨损，断裂；3.精度较低；4.推力小等。（3）丝杆传运：滚珠螺杆式：电动滑台的传动方式由滚珠螺杆，和直线导轨辅助完成。1.行程较短；2.速度较慢

6、；3.高精度丝杆货期漫长，且全行程精度一至性难保证等。 4）结构：由于不同的规格影响着电动滑台不同的结构发展，因此不能在电动滑台的规格上统一结构。但是从结构上可以分外部结构和内部结构。（1）电动滑台的外部结构分为：开放式和封闭式。开放式：电动滑台的受力部分主要集中在中下部和两侧，将其传动部分裸露在外。封闭式：电动滑台的受力部分主要集中在外部材料，将其传动部分封闭起来。（2）电动滑台与马达的连接方式分为：间接式和直接式两种。（3）动力源一般选择步进电机和伺服马达，具体根据实际需求选定。 5）总结我们采用封闭式的电动滑台，因为需要外部受力，所以我们把传动部分封闭起来，我们采用电动滑台和马达进行直接

7、连接，动力源我们采用步进电机。如图所示(我们做了简单的示意图)：图5 A是步进电机；B是电动滑台2.步进电机 1）介绍 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，

8、将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 图6步进电机 2)基本原理 （1）工作原理 通常电机的转子为永磁体，当电流流

9、过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。 下面我们用一个四相步进电机来说明步进电机工作原理： 该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。如图所示是该四相反应式 步进电机工作原理示意图。

10、 图7 四相步进电机原理图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对 齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍

11、的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示： A.单四拍 B.八拍 C.双四拍 （2）发热原理通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度

12、和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。 3）主要构造 步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变磁阻步进电机和永磁步进电机。步进

13、电机是由一组缠绕在电机固定部件-定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。 图8 步进电机构造 4）优势与缺陷 优点1、电机旋转的角度正比于脉冲数；2、电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；3、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；4、优秀的起停和反转响应；5、由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；6、电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；7、仅仅将负载直接连接到

14、电机的转轴上也可以极低速的同步旋转；8、由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。缺陷1、如果控制不当容易产生共振；2、难以运转到较高的转速；3、难以获得较大的转矩；4、在体积重量方面没有优势，能源利用率低；5、超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。 5）驱动方法 步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口。 6）驱动要求1、能够提供较快的电流上升和下降速度，使电流波形尽量接近矩形。具有供截止期间释放电流流通的回路，以

15、降低绕组两端的反电动势，加快电流衰减。2、具有较高韵功率及效率。步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。也就是说步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以控制步进脉冲信号的频率，就可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，就可以对电机精确定位。步进电机驱动器有很多，应以实际的功率要求合理的选择驱动器。 7)电机选择 步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。 一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）

16、换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（

17、几何尺寸）。3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流。 3.舵机 1）概述 舵机也叫伺服电机，最早用于船舶上实现其转向功能，由于可以通过程序连续控制其转角，因而被广泛应用智能小车以实现转向以及机器人各类关节运动中。舵机是小车转向的控制机构，具有体积小、力矩大、外部机械设计简单、稳定性高等特点，无论是在硬件设计还是软件设计，舵机设计是小车控制部分重要的组成部分。 2）舵机组成 一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路等，如图6、图7所示。 图9 舵机的组成示意图 图10 舵机组成舵

18、机的输入线共有三条，如图6所示，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。另外要注意一点，SANWA的某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。 图11 舵机输出线 3）舵机工作原理 控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反

19、馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。其工作流程为：控制信号控制电路板电机转动齿轮组减速舵盘转动位置反馈电位计控制电路板反馈。流，才可发挥舵机应有的性能。 舵机的控制信号周期为20MS的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5-2.5MS,相对应的舵盘位置为0180度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，无论外界转矩怎么改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上如图7所求。舵机内部有一

20、个基准电路，产生周期为20MS，宽度1.5MS的基准信号，有一个比出较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而生产电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要不断变化并可以保持的驱动器中，比如说机器人的关节、飞机的舵面等。图12 舵机输出转角与输入脉冲的关系 4)舵机选购 市场上的舵机有塑料齿、金属齿、小尺寸、标准尺寸、大尺寸，另外还有薄的标准尺寸舵机，及低重心的型号。小舵机一般称为微型舵机，扭力都比较小，市面上2.5g，3.7g，4.4g，7g，9g等舵机指的是舵机的重量分别是多少克，体积和扭力也是逐渐增大。微型舵机内部多数都是塑

21、料齿，9g舵机有金属齿的型号，扭力也比塑料齿的要大些。futaba S3003，辉盛 MG995是标准舵机，体积差不多，但前者是塑料齿，后者金属齿，两者标称的扭力也差很多。春天sr403p，Dynamixel AX-12+是机器人专用舵机，不同的是前者是国产，后者是韩国产，两者都是金属齿标称扭力13kg以上，但前者只是改改样子的模拟舵机，后者则是RS485串口通信，具有位置反馈，而且还具有速度反馈与温度反馈功能的数字舵机，两者在性能和价格上相差很大。除了体积，外形和扭力的不同选择，舵机的反应速度和虚位也要考虑，一般舵机的标称反应速度常见0.22 秒/60°，0.18 秒/60

22、6;，好些的舵机有0.12 秒/60°等的，数值小反应就快。厂商所提供的舵机规格资料，都会包含外形尺寸(mm)、扭力(kg/cm)、速度(秒/60°)、测试电压(V)及重量(g)等基本资料。扭力的单位是 kg/cm，意思是在摆臂长度 1 公分处，能吊起几公斤重的物体。这就是力臂的观念，因此摆臂长度愈长，则扭力愈小。速度的单位是 sec/60°，意思是舵机转动 60°所需要的时间。 电压会直接影响舵机的性能，例如 Futaba S-9001 在 4.8V 时扭力为 3.9kg/cm、速度为 0.22 秒/60°，在 6.0V 时扭力为 5.2kg

23、/cm、速度为 0.18 秒/60° 。若无特别注明，JR 的舵机都是以 4.8V 为测试电压，Futaba则是以 6.0V 作为测试电压。速度快、扭力大的舵机，除了价格贵，还会伴随著高耗电的特点。因此使用高级的舵机时，务必搭配高品质、高容量的电池，能提供稳定且充裕的。现在市面上的舵机鱼龙混杂，总体来说仿品不如正品，便宜的不如贵的，塑料齿的不如金属齿的，老的不如新的，国内的不如外国的等等，大家不必过于追求极致，根据自身购买力选择够用的就行。五、控制原理1、步进电机的控制系统（1）系统框图 系统框图如图10所示,其以8751单片机为核心构成控制电路,主要部件有:锁存器、计数/定时器82

24、53和并行I/O接口8255.该系统以并行方式控制步进电机,用8751中的Pl口,P1.0-P112直接控制三相反应式步进电机各 相驱动电路.步进电机驱动脉冲环形分配器的功能由单片机系统实现完成.通过锁存器和8255A并行口扩展芯片,构成功能键盘和数码管显示,完成启动、停止,显示转动的角度及角速度等功能.利用计数器/定时器芯片8253控制延时时间,进一步控 制步进电机的转速,并能实现步进电机的往复运动。图13 系统框图（2）系统软件 系统软件程序功能的主要任务是控制步进电机的启动、按顺序发出控制命令、判断步进电机是否到达极限位置、控制步进电机的转向和运行速度的变化等. 1)用软件实现环形分配器

25、功能 由系统实现脉冲分配器功能的方式大致有两种:一是纯软件方法,即完全由软件编程来实现相序的分配,直接输出各相导通或截止的信号,其主要有寄存器移位法、制断法和缓冲区查表法;二是软硬件结合的方法,单片机向可编程接口芯片输出控制信号数据,再由可编程接口芯片输出步进电机的各相导通或截止的控制信号.该系统采用查表法,根据步进电机励磁状态转换,求出所需的环形分配器的输出状态,并以二进制码的形式依次存入8751单片机内部的EPROM中.然后按照地址的正向或反向顺序依次取出地址的状态字,送给P1口输出各励磁状态,经放大电路驱动步进电机,从而实现环形分配器的功能.该系统采用的是57BYG-070型三相反应型三

26、相混合型步进电机.以三相单三拍为例,其状态表见表l.其中,“1”代表高电平,表示驱动的磁极绕组通电;“0”代表低电平,表示驱动的磁极绕组不通电.由表1可见,输出端数据线上输出的是地址中的状态字,实际上也就对应着一种励磁方式.不同的励磁方式,地址中的状态字亦不同.例如:将01H送到P1口,表示A相通电,其余相不通电,使步进电机 表1 三相步进电机环形分配器存储状态表前进一个步距角.可见通过改变状态表中的内容,就可以实现不同的工作方式。 2)转速控制 控制步进电机的运行速度,实际上是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期,即在升速过程中,使脉冲的输出频率逐渐增加,在减速过程中,使脉冲的输出频率逐渐

27、减少.脉冲信号的频率可用软件延时和硬件中断两种方法来确定. 采用软件延时,一般是根据所需的时间常数来设计一个子程序,该程序包含一定的指令.对这些指令的执行时间需进行严密的计算或者精确的测试,以便确定延时时间是否符合要求.每当延时子程序结束后,可以执行下面的操作,也可用输出指令输出一个信号作为定时输出.采用软件定时,CPU一直被占用,因此CPU利用率较低. 可编程的硬件定时器,直接对系统时钟脉冲或某一固定频率的时钟脉冲进行计数,计数值则由编程决定.当计数到预定的脉冲数时,产生中断信号,得到所需的延时时间或定时间隔.由于计数的初始值由编程决定,因而在不改动硬件的情况下,只需通过程序的变化即可满足不

28、同的定时和计数要求,使用很方便。该系统中采用8253定时器2,该定时器为16位减法计数器,选用8253定时器0,工作方式0.在这种工作方式中,计数器在减为零时,其输出端OUT变为高电平,向CPU发出中断申请,CPU用外部中断INT0接受中断申请后,重置定时器的初值并进入中断服务子程序,即正向运行控制程序或反向运行控制程序，向P1口送出状态表中的某一状态字,控制步进电机运动.每产生一次中断,向n口送出一次控制指令,通过不断改变定时时间即定时器的初值,控制中断的时间,来改变状态表中状态字的频率,即改变指针查表的移动频率,从而实现变速控制.工作流程图如图11所示。3)正、反向控制 对于三相单三拍工作

29、方式而言,正向运动只需利用指针,把状态表中的内容按照地址00H-02H的顺序依次反复送出P1口.步进电机的各相通电顺序为A-B-C-A-,反复循环就能实现步进电机的正向运动.反向运动时,送出状态表中状态字的顺序正好与正向运动相反,即步进电机的各相通电顺序为C-B-A-,实现步进电机的反向运动.在这种控制方式中,将正向运行程序模块和反向运行程序模块作为中断服务程序,需要实现怎样的运动,主程序便调用相应的服务程序,从而实现正、反向运动的控制.程序框图如图12、图13所示： 图14 工作流程图 图15 正向运行程序框图 图16 反向程序运行框图 4)步进电机驱动电路 该系统以单片机的I/0口8255

30、A口,作为单片机与步进电机的接口.由于A口 驱动能力有限,而被控制的步进电机要求高电压和大电流,所以在A口之后必须加一个驱动电路.图14所示为步进电机的驱动电路.图14中仅为一相的驱动电路,其余两相与之相同。 图17 步进电机驱动电路 在图14中,三极管T1起开关作用.当三极管截止时,无集电极电流流通,开关相当于断开;当三极管饱和时,流过的集电极电流最大,开关相当于闭合,该开关“动作”可由加于基极的电流来控制.由T2、T3两个三极管组成达林顿式功放电路,驱动步进电机的3个绕组,使电机绕组的静态电流达到近2A.电路中使用 光电耦合器将控制和驱动信号隔离.当控制输入信号为低电平时,T1截止,输出高

31、电平,则红外发光二极管截止,光敏三极管不导通,因此 绕组中无电流流过;当输入信号为高电平时,T1饱和导通,于是红外发光二极管被点亮,使光敏三极管导通,向功率驱动级晶体管提供 基极电流,使其导通,绕组被通以电流。 2、舵机控制系统可以使用FPGA、模拟电路、单片机来产生舵机的控制信号，但FPGA成本高且电路复杂。对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz(周期是20ms)的信号，这对运放器件的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用。5mV以上的控制电压的变化就会引起舵机的抖动，对于机载的测控系统而言，电源和其他器件的信号噪声都远大于

32、5mV，所以滤波电路的精度难以达到舵机的控制精度要求。 也可以用单片机作为舵机的控制单元，使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为 PWM信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。 单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。当系统中只需要实现一个舵机的控制，采用的控制方式是改变单片机的一个定时器中断的初值，将20ms

33、分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断。这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销，控制系统工作效率和控制精度都很高。 具体的设计过程： 例如想让舵机转向左极限的角度，它的正脉冲为2ms，则负脉冲为20ms-2ms=18ms，所以开始时在控制口发送高电平，然后设置定时器在2ms后发生中断，中断发生后，在中断程序里将控制口改为低电平，并将中断时间改为18ms，再过18ms进入下一次定时中断，再将控制口改为高电平，并将定时器初值改为2ms，等待下次中断到来，如此往复实现PWM信号输出到舵机。用修改定时器中断初值的方法巧妙形成了脉冲信号，调整时间段的宽度便可使伺服机灵活运动。 为保证软件在定时

34、中断里采集其他信号，并且使发生PWM信号的程序不影响中断程序的运行(如果这些程序所占用时间过长，有可能会发生中断程序还未结束，下次中断又到来的后果)，所以需要将采集信号的函数放在长定时中断过程中执行，也就是说每经过两次中断执行一次这些程序，执行的周期还是20ms。软件流程如图15所示。图18 产生PWM信号的软件流程如果系统中需要控制几个舵机的准确转动，可以用单片机和计数器进行脉冲计数产生PWM信号。 脉冲计数可以利用51单片机的内部计数器来实现，但是从软件系统的稳定性和程序结构的合理性看，宜使用外部的计数器，还可以提高CPU的工作效率。实验后从精度上考虑，对于FUTABA系列的接收机，当采用

35、1MHz的外部晶振时，其控制电压幅值的变化为0.6mV，而且不会出现误差积累，可以满足控制舵机的要求。最后考虑数字系统的离散误差，经估算误差的范围在±0.3%内，所以采用单片机和8253、8254这样的计数器芯片的PWM信号产生电路是可靠的。图16是硬件连接图。图19 PWA信号的计数和输出电路基于8253产生PWM信号的程序主要包括三方面内容：一是定义8253寄存器的地址，二是控制字的写入，三是数据的写入。软件流程如图17所示，具体代码如下。 当系统的主要工作任务就是控制多舵机的工作，并且使用的舵机工作周期均为20ms时，要求硬件产生的多路PWM波的周期也相同。使用51单片机的内部

36、定时器产生脉冲计数，一般工作正脉冲宽度小于周期的1/8，这样可以在1个周期内分时启动各路PWM波的上升沿，再利用定时器中断T0确定各路PWM波的输出宽度，定时器中断T1控制20ms的基准时间。 第1次定时器中断T0按20ms的 1/8设置初值，并设置输出I/O口，第1次T0定时中断响应后，将当前输出I/O口对应的引脚输出置高电平，设置该路输出正脉冲宽度，并启动第2次定时器中断，输出I/O口指向下一个输出口。第2次定时器定时时间结束后，将当前输出引脚置低电平，设置此中断周期为20ms的1/8减去正脉冲的时间，此路 PWM信号在该周期中输出完毕，往复输出。在每次循环的第16次(2×8=1

37、6)中断实行关定时中断T0的操作，最后就可以实现8路舵机控制信号的输出。也可以采用外部计数器进行多路舵机的控制，但是因为常见的8253、8254芯片都只有3个计数器，所以当系统需要产生多路PWM信号时，使用上述方法可以减少 电路，降低成本，也可以达到较高的精度。调试时注意到由于程序中脉冲宽度的调整是靠调整定时器的初值，中断程序也被分成了8个状态周期，并且需要严格的周期循环，而且运行其他中断程序代码的时间需要严格把握。 在实际应用中，采用51单片机简单方便地实现了舵机控制需要的PWM信号。对机器人舵机控制的测试表明，舵机控制系统工作稳定，PWM占空比 (0.52.5ms 的正脉冲宽度)和舵机的转

38、角(-90°90°)线性度较好。 六、视觉处理原理机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分 CMOS 和CCD 两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。1）概述机器视觉（Machine vision）机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量工业生产过程中

39、，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。正是由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们将机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。2）基本构造 一个典型的工业机器视觉系统包括：光源、镜头、 相机（包括CCD 相机和COMS相机）、图像处理单元（或图像捕获卡）、图像处理软件、监视器、 通讯 / 输入输出单元等。 系统可再分为：主端电脑（Host Computer）、影像撷取卡

40、（Frame Grabber）与影像处理器、影像摄影机、CCT镜头、显微镜头、照明设备、Halogen光源、LED光源、高周波萤光灯源、闪光灯源、其他特殊光源、影像显示器、LC机构及控制系统、PLC、PC-Base控制器、精密桌台、伺服运动机台。 工作原理 机器视觉检测系统采用CCD照相机将被检测 的目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、数量、位置、长度，再根据预设的允许度和其他条件输出结果，包括尺寸、角度、个数、合格 / 不合格、有 / 无等，实现自动识别功能。 图20工作原

41、理机器视觉系统的典型结构照明照明是影响机器视觉系统输入的重要因素，它直接影响输入数据的质量和应用效果。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的应用实例，要选择相应的照明装置，以达到最佳效果。光源可分为可见光和不可见光。常用的几种可见光源是白帜灯、日光灯、水银灯和钠光灯。可见光的缺点是光能不能保持稳定。如何使光能在一定的程度上保持稳定，是实用化过程中急需要解决的问题。另一方面，环境光有可能影响图像的质量，所以可采用加防护屏的方法来减少环境光的影响。照明系统按其照射方法可分为：背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。其中，背向照明是被测物放在光源和摄像机之间，它的优点是能获得高对比度的图像。前向照明是光源和摄像机位于被测物的同侧，这种