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1、一AcademicPapersl 盔殴躅函单片机一O p e n G L 在气动搬运机械手监控系统的应用T h eA p p l i c a t i o no fM C Ua n dO p e n G Li nR e m o t es y s t e mo fP n e u m a t i cM a n i p u l a t o r石剑锋陈旭东(南通职业大学机械工程系，南通2 2 6 0 0 7)摘要：针对小型气动搬运机械手控制与远程监控系统问题，采用A T 8 9 S 5 1 单片机为核心设计下位机控制与通信系统，采用V C+及O p e n G L 图形软件设计上位控制系统，实现了控制要
2、求。介绍了控制系统组成，阐述了控制系统设计方法。实践表明，上位机界面友好、简捷，数据传输准确、可靠，远程控制安全、稳定。关键字：机械手单片机O p e n G L远程控制A b s t r a c t：B a s e do nr e m o t ec o n t r o lo fp n e u m a t i cm a n i p u l a t o r t h er e m o t ee o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fm a n i p u l a t o ri sa c h i e v e db yu s i
3、n gA T 8 9 S 51 V C+a n dO p e n G L A n dt h es y s t e mi l l u s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d I nt h i sp a p e r，t h ee l e m e n t so fc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e d，t h ed e s i g nm e t h o do fc o n t r o ls y s t e mi se x p o u n
4、 d e d T h ef a c ti m p r o v et h a tt h ec o m p u t e ri n t e r f a c ei sf r i e n d l ya n dn e a t，t h ed a t ai st r a n s m i t t e dc o r r e c t l ya n dr e l i a b l y，a n dt h er e m o t ec o n t r o li ss a f e l ya n ds t a b l y K e yw o r d s：m a n i p u l a t o rM C UO p e n G Lr
5、e m o t ec o n t r o l0 引言搬运机械手作为常见的自动化单元已广泛应用于各种行业的生产过程中。工业中大量的生产活动，存在着很多不便于人类操纵的环节特别是在工作环境较危险的情况下如果使用具有远程控制与监控功能的机械手则可以增加系统的安全性大大的节约损耗提高效率。l 系统组成1 1系统机械组成本机械手的功能主要是完成水平物品的搬运。搬运机械手主要由手臂旋转气缸、手臂伸缩气缸、手抓升降气缸、手抓气缸等共4 个气缸和机械支架及相关辅助机构组成。机械手示意图见图1 机械手的运动包括机械手的左传右转、机械手臂的伸出收缩、机械手抓的上升，下降、机械手指的抓紧松开等8 个动作。由于采用自
6、动控制系统，所有的位置开关均采用霍尔器件来进行控制。动作示意见图2。机械手一共完成伸出、下来抓取物品并回到原位旋转然作者简介：石剑锋硕士。研究方向为机电控制。图1 搬运机械手组成示意图开始停止升降气缸手抓气缸伸缩气缸旋转气缸支架图2 搬运机械手运动过程示意图2 91 机电一体化7 5万方数据囡瞄圈豳lAcademicPapers一后伸出下降放下物品再上升回来反转回到原位等1 2 个动作。这样设计动作可以从机械上减小机械手的体积并能极大增加机械手的活动区域。1 2 机械手的气动控制系统气动控制速度比较快同时比较干净。本搬运机械手主要用于比较精密零件的控制，故考虑采用气动控制。气动控制原理见图3。
7、气动工作原理如下：首先，电磁铁Y l 得电，机械手臂伸出；等伸到位即S Q l 有信号后，电磁铁Y 3 得电，机械手指下降；到位后电磁铁Y 5 得电，手指抓紧并保持一段时间；时间到后，电磁铁Y 4 得电，手指上升；到位后，Y 2 得电，手臂缩到原点后Y 7得电，手臂旋转；机械手伸出下降到位后电磁铁Y 6 得电，机械手指松开并保持一段时间后手指上升缩回：最后电磁铁Y 8 得电手臂旋转回到原点。上述所有电磁铁得电过程均不保持其状态在进行下一个状态的时候前面的状态就复位。2 单片机控制系统设计本系统控制C P U 采用A T 8 9 S 5 1 芯片设计主要考虑外界围3 搬运机械手气动控制系统干扰、
8、I，0 口分配以及如何实现电平匹配等问题。本系统输入、输出均采用光电耦合器件、电阻及继电器等来进行隔离通过多层次隔离使C P U 形成一个全浮空的控制系统。根据上面分析系统输入输出接口一共有1 9 个，且A T 8 9 S 5 l 所带的内容R O M 已能满足需求不需外部R O M 扩7 6 机电一体化f2,3 6 91图4 输入电路万方数据一AcademicPapersi 爵吸囝豳展故C P U 系统I 0 口已能满足控制要求无需进行I，0 扩展。2 1 输入电路设计输入采用T L P 5 2 1 光电耦合来进行隔离外部接口电路与单片机内部电路这样可以非常方便地将外部输入噪音等干扰留在外部
9、电路中：同时由于系统电源采用的是D C 2 4 V 所有输入开关信号和传感器输出信号电压均是2 4 V 采用光电耦合器件可以非常方便地将2 4 V 的输入信号转换成单片机能够识别的5 V 的T I L 电平。具体结构见图4。2 2 输出电路设计系统的决策信号由A T 8 9 C 5 1 单片机发出其信号是5 V 电平：而其执行机构为控制气路的电磁阀电磁阀的驱动电压为2 4 V 驱动电流也比较大；此外还要考虑电磁阀执行是突然断电U IL P I o=#P 1 2 P I IP P l I i-v r-P 1 5j 二P 1 P 1 6 7拄蹁盘舄儿讪P-i V 避上R E S E T盐面W RB
10、 l对电路产生的冲击：综合上述原因需要设计输出驱动电路。同输入电路一样为了隔离电磁阀产生的干扰可以采用光电耦合器件：同时为了减小电磁阍突然断电产生干扰，与电磁阀并联1 个二极管：为了能增加驱动电流采用9 0 1 3 三极管来放大电流。输出电路结构见图5。2 3 通信电路设计采用M A X 2 3 2 进行串E l 所需电平转换具体电路见图6。2 4电源设计从上述可知本模块需要D C 2 4 V 与D C 5 V 两种电源，故系统供电采用2 4 V 开关电源供电而单片机所需电源经过7 8 0 5稳压即可满足3 上位机监控软件设计图5 输出驱动电路围6 串口通信电路本系统相对大型控制系统而言控制对
11、象与元件数量比较少若采用P L C 上位机常见组态软件价格比较昂贵：考虑到S G I 公司研制的O p e n G L 是一个很好的开放图形库可以在W i n d o w s 各个版本的操作系统上运行基于O p e n G L 可以开发出高性能的交互式仿真软件。本文就是在应用O p e n G L 的功能基础上在v C+的编译环境中结合串口控件M S C o m m，实现本系统监控。围9 搬运机械手监控效果图2 9 机电一体化7 7万方数据岛臣圈舀IA c a d e mc P a p e r s _-_ _-_ _ _ _-_-_-_3 1串口通信设置串1 3 是仿真软件与外界进行数据交换的
12、通道在V C+等高级语言编程中一般应用微软公司提供的M S C o m m 控件来实现对串口的控制。M S C o m m 控件提供了许多非常有用的函数来对串口进行初始化和各种参数的设置，其实现步骤如下：。首先在所建的工程中加人微软串1 3 的控件M S C o m m 并对串口进行初始化。设置串1 3 数、波特率、一次传送的字节等参数。清除串口中残存的数据。控件M S C o m m 见图7。然后，对串口接受的数据进行处理。这是因为串口一般传送的都是字符串而我们要控制的参数基本上是浮点型的参数：另外还有串口一次传送过来的数据中包含了几个参数的数值需要对其进行分段恢复。串1 3 处理程序的界面
13、见图8。3 2 机械手在O p e n G L 系统中实现在O p e n G L 中实现几何图形的绘制首先必须要将O p e n G L 图形库加到编译环境中然后通过O p e n G L 语法来进行具体几何图形的绘制。具体步骤如下：(1)新建一个M F C 工程，然后将O p e n G L 3 2 1 i b、g l u 3 2 1 i b和g l a u x 1 i b 3 个O p e n G L 库添加到新建的工程中去。(2)设置像素格式：s t a t i cP I X E L F O R M A T D E S C R I f r r O Rp f d=P F D-1 Y P
14、E R G B A，2 4，0，0，0，0，0，0，l。(3)设置窗口和视点。在系统中添加消息W S-S I Z E，编辑函数O n S i z e()这样可以使景物随着窗口大小的变化而改变。(4)绘制机械手的基本几何体，如底座、机械手臂、手抓、工作台和典型零件。(5)装配机械手臂。在装配过程中，注意各个运动关节的中心轴以便于将来机械手仿真运动时确定运动的模型。(6)将装配好的机械手模型、工作台和典型零件在视图窗口中按照一定位置画出来图9 是搬运机械手的最终效果图。4 结束语本文采用5 l 单片机结合0 D e n G L 做成的搬运机械手控制与监控系统不但能很好满足生产需要实现了机械手的远程
15、控制与监控而且降低了控制系统的成本提高了产品竞争力。参考文献 1 于海峰，权继宽计算机一P L C 在机械手远程控制系统中的应用 J 微计算机信息，2 0 0 7(3)：7 4 7 6 2 黄海松基于单片机的物料搬运机械手的控制系统研究 J 机电丁程技术2 0 0 7(3 6)：2 1 2 3 3 谢亚，：竺开芳基于眦的五鼬度气动搬运机械手研制 J 一s i z e o f f P I X E。L F O R M，A T D E S C R I P T O R),。二黧嚣2 枷0 0 7(譬巍于嘲P F D D R A W _ T 0 一州N D O WI P F D s U P P o R
16、T _ o P E N c L一机械工师赫)：j 5 啪(上接第7 4 页)在工作过程中，待加工玻璃置于转台四臂的真空吸盘上。直角玻璃(含直角边)用专用定位档块进行定位，吸盘吸紧玻璃后再进行送料：异型玻璃(不含直角边)送料前必须用吸盘吸紧玻璃进行轮廓扫描来完成整个定位过程；送料时，转台的四臂吸盘机构在气缸作用下处于抬升状态，加工时气缸收缩，转台四臂下降：从送料开始至加工结束，吸盘始终吸紧玻璃；多柔性转台四臂的升降、进给送料(平移和旋转)以及加工动作必须协调一致3 结束语产品概念设计过程建模是为了将产品设计过程中最前端的、最有创造性价值、又最不确定的设计过程加以模型化、规律化从而为产品设计者提供
17、一套产品概念设计过程的计算机软件支持工具并最终为实现产品全生命周期的C A D C A M 一体化集成打下坚实的基础。多柔性转台系统在玻璃深加工领域具有一定的通用性和多柔性，可完成玻璃钻孔和磨边工序有利于提高生产效率、降低生产成本7 8 机电一体化IH 叼0 1本文从用户需要和完成工艺动作这一过程总功能要求出发，对多柔性转台系统进行了功能分解，完成了多柔性转台的原理方案的设计这对之后的详细设计过程具有重要的指导意义。经实践验证，该方案是可行的，满足了用户需求，并填补了市场空白。参考文献 1 邹光明胡于进，肖文生，等基于功能基的产品概念设计模型研究 J 中国机械T 程，2 0 0 4，1 5(3
18、)：2 0 6 2 0 9 2 邹慧君，廖武，郭为忠机电一体化系统概念设计的基本原理 J 机械设计与研究1 9 9 9(3)：1 4-1 7 3 王新春邵光华，王玉敏我国平板玻璃深加工机电设备出E l 市场分析与策划 J 建筑玻璃与工业玻璃2 0 0 5(1)：6 一1 9 4 付小卫，唐厚君基于P C I 型运动控制卡的W i n d o w s 数控系统设计 J 工业控制计算，2 0 0 5(8)：6 9 7 0 5 邓家噙，韩晓建，曾硝，等产品概念设计理论、方法与技术f M l 北京：机械工业出版社，2 0 0 2 6 邹慧君现代机械设备设计手册 M 北京：机械丁业出版社，1 9 9 6
19、 万方数据单片机-OpenGL在气动搬运机械手监控系统的应用单片机-OpenGL在气动搬运机械手监控系统的应用作者：石剑锋，陈旭东作者单位：南通职业大学机械工程系,南通,226007刊名：机电一体化英文刊名：MECHATRONICS年，卷(期)：2009，(1)引用次数：0次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.于海峰.权继宽 计算机-PLC在机械手远程控制系统中的应用期刊论文-微计算机信息 2007(03)2.黄海松 基于单片机的物料搬运机械手的控制系统研究期刊论文-机电工程技术 2007(36)3.谢亚青.储开芳 基于PLC的五自由度气动搬运机械手研制期刊论文-液压与气动 2007(11)
20、4.石剑锋.谢少荣.胡涛 基于OpenGL的机器人装配仿真期刊论文-机械工程师 2004(11)相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 黄海松.HUANG Hai-Song 基于单片机的物料搬运机械手的控制系统研究-机电工程技术2007,36(11)在分析了机械手应用现状的基础上,介绍了一种基于单片机的物料搬运机械手,并详细介绍了它的软、硬件结构.该机械手既经济又实用,而且由于单片机编程的灵活性,使该机械手的系统控制方案修改起来很方便.2.学位论文 李亮 机械手对目标物体的抓取 2009 机械手是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器
21、与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机械手产品。手爪的应用环境干差万别，抓取可靠、环境适应性好、控制简单、自适应性强、自主能力高是衡量机器人手爪设计水平的重要标志。性能优良的机器人手爪可以实现可靠、快速和精确地抓取。研究和开发一个性能优良的机器人手爪是一项艰巨的任务，包括技术实现和理论研究两个方面。近年来机器人技术得到大力的发展，手爪的研究也步入了一个良好的发展时期，机器人手爪正由简单发展到复杂，由笨拙发展到灵巧，其中的仿人灵巧手已经发展到可以与人手媲美。机械手对目标物体抓取的稳定性研究是一个值
22、得长期探讨的课题。本论文在综述近年来机械手技术研究和发展状况的基础上设计了一种用于实验目的可以对目标物体进行稳定抓取的小型化、轻量化机械手系统。本文先从整体上对机械手设计的特点和局部结构相关元件的选择进行研究，设计了一种5自由度机械手，然后对机械手手臂建立运动学方程，并且在此基础上用MATLAB软件对其仿真，验证方程推导得正确性，接下来按照稳定抓取的要求选择了适用于本系统的传感器，并设计了信号调理电路，然后设计了以单片机为控制单元，通过电机驱动模块来控步进电机转向以及转速来实现手爪变速开合的系统硬件结构并在此基础上设计软件流程包括主程序，数据处理程序以及PWM调速等程序流程图，并进行程序编写。
23、通过对机械手系统提供的总体设计方案，为下一步详细设计的深入奠定了理论基础。3.期刊论文 董毅.何勇 基于PC机和单片机的多机械手远程控制系统-电气自动化2004,26(6)用单片机作机械手控制系统,采用PC机为上位机,利用专用无线数据传输模块和串行通信,实现了多机械手的远程控制.该系统具有扩展性强,功能灵活,操作方便,性能稳定,成本低廉等特点.4.学位论文 万志强 注塑机机械手控制系统设计 2007 单旋臂式注塑机取模机械手是我校开发的一种抓取注塑工件的机械手，该机械手占用空间小，稳定性好、效率高，是注塑行业抓取注塑工件不可缺少的自动化设备，该机械手以气动方式驱动，简单可靠，操作、维修方便。有
24、较好的市场应用前景。本文主要围绕单旋臂式注塑机取模机械手的控制系统展开论述，采用直接控制结构，完成了硬件电路设计，包括输入输出通道、液晶接口、键盘及键盘接口、串口下载等设计和底层代码编写，包括菜单、机械手动作位置监督、故障报警、故障原因提示、动作示教和实现等相关功能。整个控制系统结构简洁、各模块功能明确。本文首先介绍了当前注塑机取模机械手的现状和存在的问题，分析了不同类型的注塑机取模机械手采用的不同硬件结构，针对目前开发的单悬臂式注塑机取模机械手提出了相应的解决方案。在此基础上，本文采取了直接控制结构，针对不同功能，采用模块化的电路设计，各部分功能明确。同时，考虑到注塑机取模机械手恶劣的工作环
25、境，在硬件上加入了抗干扰设计，有效提高系统的抗干扰能力。在软件方面，不但满足了机械手的动作要求，而且提供了友好的操作界面，按照工作人员的习惯操作方式，设计并编写了菜单。在软件上也加入了抗干扰设计，弥补硬件抗干扰的不足。整个控制系统调试完成，基本完成机械手的各功能要求。5.期刊论文 耶晓东.YE Xiao-dong 基于单片机的简易机械手的设计-微计算机信息2009,25(14)本设计使用单片机对一个简易机械手系统进行控制.单片机输出稳定的PWM(脉冲调制波)同舵机的脉冲进行比对来控制舵机的运动.用户可以根据需要设定舵机的转动幅度,通过舵机的转动带动机械手臂的运动以及手指的张合,实现三自由度机械
26、手达到拿取转移物体的目的.经过实验和调试信号输出稳定,PWM占空比(0.32.5ms的正脉冲宽度)和舵机的转角(-9090)线性度较好.实现了机械手自动手动两种方式运动.6.学位论文 刘少东 基于气压式触觉传感器的机械手智能抓取研究 2006 机械手智能抓取是机器人学领域的一个前沿性研究课题。目前机械手存在着抓取工件单一，不适合抓取不同尺寸、不同形状和材料的工件及柔性较差的缺陷。解决这一问题的办法是发展高技术含量的具有触觉机能的智能型机械手，以满足机器人多工种作业功能的要求。智能机械手能在较大范围内适应被抓工件尺寸、形状和材料的变化，且能主动调整被抓物体在空间的位姿，其应用前景十分广阔。触觉传
27、感器是实现机械手智能抓取的关键部件。本文首先综述了当前现有的机械手智能抓取的研究现状，在此基础上，提出了一种结构简单、价廉、安全、柔软的气压式触觉传感器的方案。然后介绍了气压式触觉传感器的工作原理，结构设计，并制作了触觉传感器的实物模型，建立了试验装置并对其性能进行了测试。进一步将该触觉传感器安装在普通机械手前端，制作了带触觉传感器的智能机械手。通过设计相关的气动系统、控制电路和软件编程，搭建了机械手智能抓取的试验系统。最后通过对不同尺寸的工件进行抓取试验，实现了这种带有气压式触觉传感器的机械手智能抓取，验证了其方案的可行性和适用性。7.期刊论文 孙兵.SUN Bing 基于单片机的机械手声控
28、系统设计-机械工程与自动化2007,(6)通过对热处理加工中气动机械手装置结构与功能的分析,提出了一种基于单片机的机械手语音控制方案,介绍了语音控制的工作原理,并详细论述了语音控制系统的硬件和软件设计方法.8.学位论文 王艳艳 注塑机机械手控制器的设计与实现 2008 当前,中国塑料加工行业发展迅猛,注塑成型设备的自动化程度越来越高。注塑机机械手是现代塑料产品制造业中的主要加工设备之一,是成型塑料制品的设备。近年来注塑机机械手控制器的快速发展为实现塑料制品的先进生产奠定了重要基础。本论文设计了一种可预编程操作的机械手控制器。手持式编程控制器(手控盒)采用AVR单片机为嵌入式实时操作系统的处理器
29、,完成人机交互接口的功能,包括液晶显示、触摸屏控制、通信传送数据等功能。采用触摸屏比传统的键盘操作更生动、更简单。下位机采用DSP和可编程逻辑器件,通过硬件的扩展和软件编程来完成机械手的动作控制。整个系统采用模块化设计方法把复杂的控制系统划分成相对独立的模块,如工艺编程、串口通信、手动测试、自动运行等,并分别对这些模块进行编程来实现机械手的功能。在仿真实验的基础上,对试验样机进行的各个功能模块的测试表明：整套设计方案实现了各个模块的功能,满足了实际系统的实时性和可靠性要求。此外,由于系统设计比较灵活,只要在软件方面作些变化就能适应单轴伺服、三轴伺服以及五轴伺服等多种机械手的控制。9.期刊论文 沈雪松.高长水 基于PIC16F877单片机的示教机械手控制系统的设计-工业控制计算机2005,18(8)主要讲述的是示教机械手控制系统在PIC单片机中的实现问题.并从机械部分的工作原理,硬件接口的设计以及软件部分的编写三个方面分别进行了详细的论述.10.期刊论文 蔡军.黎兰萍.王蓓 基于单片机的机械手控制系统研究-科技信息2009,(33)介绍了取模机械手的各种动作,并针对机械手的各种动作及工作过程,以单片机为控制系统的核心,给出了系统的硬件、软件设计以及抗干扰设计.本文链接：http:/