机电控制实训报告

第1部分慧鱼工业机器人机构设计与制作

1.1引言

1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。

慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。

慧鱼创意组合模型体现不同学科知识点的各种组合包，不仅可以应用于中小学各个年级学科教学、还可以用于大学不同专业以及研究生工程实验和技术创新活动，现在以清华大学、上海交通大学为代表的一批高校建立的慧鱼创新实验室就是利用慧鱼模型组合包系列建立的工程技术实验室，是创新教育的一个全新平台。通过慧鱼模型的使用，不仅可以让我们的孩子将多学科多领域的综合知识融会贯通于实践过程中，更重要的是培养了他们的创新意识和创新能力。

慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。它由各种型号和规格的零件构成，类似于积木。零件的种类很多，几乎包括了机械课程和日常生活中的所有零件，如机械零件：连杆、凸轮、齿轮（普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮等）、蜗轮、蜗杆、螺杆、铰链、带、链条、轴（直轴和曲轴）、联轴器、弹簧、减速器、齿轮箱、车轮等；电气零件：直流电机、灯泡、电磁气阀、行程开关、传感器（光敏、热敏、磁敏、触敏）、可调直流变压器、电脑接口板、PLC 接口板、红外线发射接收装置等；气动零件：储气罐、汽缸、活塞、气弯头、手动气阀、电磁气阀、气管等。

由这些零件的不同组合便可构造出各式各样的模型，这些模型主要可分为两大类：

技术组和机器人组。技术组又包括传感器技术组、气动技术组、汽车技术组、太阳能技术组、万能组合包。机器人组又包括3D 机器人、计算机器人、实验机器人、工业机器人、移动机器人和气动机器人。

在慧鱼实验过程中，通过对各类模型的认识和组装，从而可以熟悉并掌握各类机械设备和自动化装置的常用结构和工作原理。在模型的组建中，学生将运用到机械加工、气动技术、电子电路和软件编程等知识，从而加深了对这些相关课程的理解。另外通过慧鱼模型的搭建和组装也培养了学生的实际动手的能力、解决实际问题的能力和创新设计的能力。

慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。

1.2实验目的

怎样用慧鱼创意模型的构件大家我们自己的机器人呢？传感器（如：接触传感器）和动力装置（如马达）是必不可少的，然后加上许许多多的机械部件，组成所需的模型。慧鱼ROBO移动机器人组为此提供了理想的模式。本设计是以德国慧鱼创意积木所组成的仿生模拟机器人为其基本架构，透过圈形式人机介面L W i n，经由智慧型微电脑介面板去驱动机器人，使机器人细部动作很容易达到我们需求，进而取代以往由硬体描述语言所驱动架构，不但操作简易，更可使我们了解机械运作的原理。

1 认识了解及熟悉运用“慧鱼”模型中的各种硬件。

2 按照模型拼搭机器人，掌握各个部分的硬件组成原理，理解各部分之间的协调和控制。

3学会软件的应用，理解编程原理

4创新实现自己的思想，用现有零件组成自己的模型，提高创新能力。

5自己编写软件程序并调试成功，真正实现模型的可实现性。

1.3慧鱼元件

慧鱼机器人模型组合包，智能板接口，个人计算机及相关程序，实验使用手册。如图1-1

图1-1

1.4系统设计原理分析

三自由度机械手能够实现在不同的方向上抓取物体，其运动系统主要由 4

部分组成，分别为：水平运动、垂直运动、旋转运动和手爪运动。每一个运动系统的控制部分组成都是由一个直流电机、两个行程开关组成。下面以垂直运动为例介绍三自由度机械手的工作原理。垂直运动主要由三个主要部件组成：电机、限位行程开关和计数行程开关。电机为垂直运动提供动力；这里所选用的电机为直流电机，通以9V 电压，则开始旋转。通以-9V 电压，则反向旋转。限位行

程开关限制垂直运动的极限位置，也是垂直运动的起始位置；当机械手臂向上运动碰到上面的限位行程开关后，机械手臂停止运动。计数行程开关是用来计量电机的旋转圈数的，从而可以精确的计算垂直运动的距离，起到定位的作用。垂直运动具体的运动过程可分为两个阶段：定位阶段和复位阶段。定位阶段：驱动电机使手臂从初始位置开始下降，通过定位行程开关计数使手臂到达指定位置停止。复位阶段：驱动电机反转使手臂上升，直到碰到限位行程开关结束。

垂直运动的工作原理简图如图 2 所示：垂直运动以“微型计算机”为核心，“智能接口板”为中介，主要由两大部分组成，数字输出和数字输入。一方面，微型计算机发送指令，通过智能接口板输出给电机，使电机运动。另一方面，行程开关的信号经由智能接口板输入到计算机中，根据信号的结果执行相应的动作。限位行程开关和计数行程开关都是同一种行程开关。行程开关是一个触发式的开关，当触头被按下时，则电路接地，此时通过智能接口板采集到的信号为低电平，

数字信号为0；当触头悬置时，则电路断开，此时输出的数字信号为1。计算机根据接受到的信号发出不同的命令，如使电机旋转或停止。

图1-2 垂直运动原理简图

图1-3 定位行程开关计数原理图

计数行程开关的计数原理如图 3 所示。在电机轴上安装一个四齿转盘，当电机轴旋转1 周时，将连续触发行程开关 4 次。因此只需记录下行程开关的触发次数即可知道电机的转数，从而可控制手臂在垂直方向的位置。行程开关触发次数的记录可由智能接口板的“数字输入”功能完成。水平运动、旋转运动和手抓运动的工作原理与垂直运动相似，都是由电机和两个行程开关组成。

1.5软件程序

第2部分工业机器人技术及应用系统综合设计与实践

2.1引言

自第一台工业机器人诞生以来,机器人的发展已经遍及机械,电子,冶金,交通,宇航,国防等领域.近年来机器人的智能水平不断提高,并且迅速地改变着人们的生活方式.人们在不断探讨,改造,认识自然的过程中,由此发展起来的智能小车引起了众多学者的广泛关注和极大的兴趣。

智能小车，也就是轮式机器人，最适合在那些人类无法工作的环境中工作，该技术可以应用于无人驾驶机动车，无人生产线，仓库，服务机器人，航空航天等领域。作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。因此为了使智能小车工作在最佳状态，进一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。

智能小车要实现自动寻迹功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物,感知导引线相当给机器人一个视觉功能.避障控制系统是基于自动导引小车(avg—auto-guide vehicle)系统,基于它的智能小车实现自动识别路线,判断并自动避开障碍,选择正确的行进路线.使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作

该智能小车可以作为机器人的典型代表.它可以分为三大组成部分:传感器检测部分,执行部分,cpu.机器人要实现自动避障功能,还可以扩展循迹等功能,感知导引线和障碍物.可以实现小车自动识别路线,选择正确的行进路线,并检测到障碍物自动躲避.考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当.智能小车的执行部分,是由直流电机来充当的,主要控制小车的行进方向和速度.单片机驱动直流电机一般有两种方案:第一,勿需占用单片机资源,直接选择有pwm功能的单片机,这样可以实现精确调速;第二,可以由软件模拟pwm输出调制,需要占用单片机资源,难以精确调速,但单片机型号的选择余地较大.考虑到实际情况, cpu 使用AT89c52单片机,配合软件编程实现

2.2系统设计方案与论证

根据题目的要求，确定如下方案：首先设计出小车的基本模形以及传动方案，并在车上加装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。

这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。

2.2.1 模块方案比较及论证

根据设计要求，我们的自动避障小车主要由六个模块构成：车体框架、电源及稳压模块、主控模块、探测模块、电机驱动模块组成。各模块分述如图2-1。

图2-1

2.2.2 车体设计

用现有的小车改装，实验室有慧鱼拼装模块就行组装。

2.2.3 电源及稳压模块

采用蓄电池供电

蓄电池具有较强的电流驱动能力和较好的电压稳定性能，且成本低廉。可采用蓄电池经7812芯片稳压后给电机供电，再经过降压接7805芯片给单片机及其他逻辑单元供电。但蓄电池体积相对庞大，且重量过大，造成电机负载过大，不适合我们采用的小车车架（玩具电动车车架）。故我们放弃了这一方案。方案三：采用干电池组进行供电

采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他逻辑单元供电，另取六节干电池为电机及光电开关供电。这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。干电池用电池盒封装，体积和重量较小，同时玩具车底座可以安装四节干电池，正好可为单片机及其他逻辑单元供电。在稳压方面，起始时考虑使用7805芯片对6V的电池电压进行降压稳压。但考虑到这样使得7805芯片消耗大量能量，降低电池寿命；同时，由于at89c52、光电开关、小车电机对于供电电压要求并不苛刻，故我们将6V电池电压接一个二极管降压后直接给单片机及其他逻辑单元供电。而电机和光电开关的电源不做稳压处理。这样只需在小车遥控上加两个调速按钮，根据电池电量选择合适功率即可，甚至于可直接在软件里设置自动换挡。综合考虑，我们采用方案三，示意图如图2-2所示

图2-2

2.3车自动避障的原理和方案

小车车头处装有二个光电开关，一个光电开关对向左前方，一个光电开关向右前方，（如右图所示）。小车在行进过程中由光电开关向前方发射出红外线，当红外线遇到障碍物时发生漫反射，反射光被光电开关接收。小车根据二个光电开关接受信号的情况来判断前方障碍物的分布并做出相应的动作。光电开关的平均探测距离为30cm，使用光电开关进行障碍物信息采集。

使用三只E3F-DS30C4光电开关，分别探测正前方，前右侧，前左侧障碍物信息，在特殊地形（如障碍物密集地形）可将正前方的光电开关移置后方进行探测。E3F-DS30C4光电开关平均有效探测距离0~30cm可调，且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作（理论上应避免日光和强光源的直接照射）。我们小车换档调速后的最大制动距离不超过30cm，一般在10~20cm左右，因而探测距离满足我们的小车需求

图2-3

2.3.1小车循迹的原理

这里的循迹是指小车在黑色地板上循白线行走，通常采取的方法是红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。

2.3.2用反射型光电探测器RPR220

RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。

RPR220采用DIP4封装，其具有如下特点：

(1)塑料透镜可以提高灵敏度。

(2)内置可见光过滤器能减小离散光的影响。

(3)体积小，结构紧凑

(4)当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定

2.4 硬件选择及驱动模块设计

在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服。

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，伺服电机内部的转子是永久磁铁，驱动器控制的W、V、U三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

工作原理：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。

本系统为智能小车，对于智能小车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径控制定位和速度测量不是要求太高，精度也不是太高，所以我们综合考虑了一下两种方案。采用直流电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。遥控车马达/小直流电机电

机RF-500TB-ZD供电电压：直流DC3-9V，转速2400r/m是自制玩具车等模型理想选择

电机驱动框图

传感器的信号类型及电气规范。

首先我们需要先理解几个概念：信号、数字信号、模拟信号、开关信号、总线、通信协议。

信号：信号是随时间变化的物理量（光、电、文字、符号、图像、数据等），可以认为它是一种传载信息的函数。人们通过一定的手段获取信号，通过适当的信息分析和处理，才能取得所需的信息。

MultiFLEX2-PXA270控制器的功能概述

MultiFLEX2-PXA270控制器纯粹就是为智能机器人控制而存在的。它有以下特点：

(1)高运算能力、低功耗、体积小。MultiFLEX2-PXA270控制器具备520MHz，32位的高性能嵌入式处理器和Linux操作系统，运算处理能力强大，而功耗不在2W；体积小巧，可以直接放入放机器人体内。

(2)控制接口丰富。可以控制直流电机（需配合BDMC系列伺服驱动器）；可以控制各种信号的舵机；可以对机器人舵机进行调速、位置控制、力矩控制；可以同时控制多个回路的舵机/电机。

(3)数据接口丰富。控制器具有12路双向可设置通用IO接口，8路10位精度的AD接口；还有RS-422总线、RS232接口，足够满足绝大多数运用场合。感知的丰富性是机器人区别于其它机器人的重要因素之一，要让机器人具有与众不同的功能，对各种外界刺激有合理的反应，需要给它添加各种各样的传感器。温度、光照、声强、距离等传感器可以通过IO和AD接口接入，姿态、语音、视觉传感器可以通过RS-232总线、RS-232接口、USB接口接入。

MultiFLEX2-PXA270控制器的详细功能如下所示：

2.5 系统设计

本系统采用5路黑线检测装置，通过反射式红外发光二极管检测地面黑线，判断黑线位置，当只有中间的检测到黑线时小车直行，当中间和右侧临近中间的检测到时，说明小车偏离黑线向左，小车右转调整。当最右侧的检测到时，说明小车脱离黑线，小车右轮反转，左轮正转。并且记忆小车脱离黑线。直到中间的检测到黑线时才小车正常行驶。左侧检测到黑线时反之。当小车行驶时，定时器开始计时，并显示时间，当小车停止行驶时，定时器停止计时。并记忆小车行驶的时间。软件如图：

第3部分基于FANCU机器人的自动焊接系统实训

3.1引言

FANUC焊接机器人简介FANUC，是全球最多样化的FA（工厂自动化）、机器人和智能机械的制造商。自1956年成立以来，公司始终是全球计算机数控设备发展的先驱，在自动化领域贡献突出。上世纪70年代，F ANUC成为世界上最大的专业数控系统生产厂家，占据了全球70%的市场份额。2008年FANUC成为世界上最大的机器人生产厂商，在全球第一个突破20万台机器人。目前已突破25万台，市场份额稳居第一。

FANUC焊接机器人主要应用在奇瑞公司乘用车一厂和乘用车三厂的焊装车间中，是奇瑞公司最早引进的焊接机器人，也是最先用到具有附加轴的焊接机器人。其控制系统采用32位CPU控制，以提高机器人运动插补运算和坐标变换的运算速度；采用64位数字伺服驱动单元，同步控制6轴运动，运动精度大大提高，最多可控制21轴，进一步改善了机器人动态特性；支持离线编程技术，技术人员可通过离线编程软件设置参数，优化机器人运动程序；控制器内部结构相对集成化，这种集成方式具有结构简单、整机价格便宜且易维护保养等特点。

3.2FANCU机器人的自动焊接机器人的组成

（1)示教盒连接至PC，提供用户机器人操作的手持终端，示教盒主要完成键值采集和液晶屏显示控制功能。示教盒采集键值后发送至PC机．PC机根据键值做相应处理；示教盒液晶屏显示控制功能则根据主机返同信息控制液晶屏做相应的信息显示。

（2)PC与运动控制卡之间通过总线或者双端RAM通讯。运动控制悟进行闭环制(位置、转速)，完成高实时性、高时钟精度的伺服计算功能，PC机则完成人机接口功能以及其他一些低实时性要求的计算任务，如：示教盒通讯、以太网通讯轨迹规划、轨迹插补等。PC和运动控制卡间以给定位置序列作为接13：PC发送给定位置序列至运动控制卡，运动控制卡完成匹配给定位置序列的闭环伺服控制。（3)伺服放大器根据运动控制卡给定的控制量对电机进行相应伺服控制，如转速控制、力矩控制。

（4)PC机与以太网连接以实现机器人网络控制。

3.3编程程序走字操作

3.3.1“曌”字程序

3.3.2走“四边形、圆、三角形”程序（1）四边形：

（2）圆：

（3）三角形：

3.4操作FUNCU机器人编程循环命令

3.2.1走“四边形、圆、三角形”五次循环程序

致谢

在这个机电控制实训的过程中，我们首先根据设备要求，按照操作步骤，安装好机器人手臂，电缆线的连接，以及气泵的安装。其中，在整个过程中，最重要的是细心，要仔细把每个过程组装好，在操作的过程中，才可以避免错误的出现。然后我们按照实训步骤，一步步完成机电控制、操作。

在实训的过程中，不仅仅是动手，而且要考虑设备的运动结构，传动形式，尺寸结构。最后还要充分理解整个机器人手臂的运动模式。

总的来说，这次的机电控制实训，机器人手臂的操作给了我很好地锻炼。在整个实训过程中，基本上是对以前所学的专业知识的综合运用，通过这一次的控制实训，对所学的知识有了更好的理解，把所学的东西真正运用到实际中去，是对自己学习的一种肯定。这次的可以很好的提高自己的动手能力，重新认识和了解机器人的各种结构，也提高了自己的查阅书籍的能力。最后感谢老师在这个作品设计中的耐心指导。

参考文献

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