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逢 甲 大 學
自動控制工程學系專題製作
專 題 論 文
簡易型機械輔助手掌部分
之機構設計及抓取之研究
Research on Mechanism Design and
Grasping Behavior for Simplified Robot Hand
指導教授: 黃榮興 博士
學生:劉宗欣
中華民國九十六年九月七日
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摘要
本論文嘗試以四個齒輪,一個小型伺服馬達,做出簡易型輔助手掌,以電腦
透過 RS232 連結到印刷電路控制板,再以視窗程式控制馬達完成抓取動作。
本論文所採用的馬達是益眾科技公司研發的小型伺服馬達,配合其控制板最多可以一次控制 24 個馬達。 控制板主要的控制 IC 是使用 AT89C51 配合 8051 的程式,93C66 記憶體電路儲存動作的資料,若更換 IC,則程式中的位址處理也要隨之修正,其餘的控制方法都一樣。
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致謝
本專題論文能夠完成,首先必須要感謝的人當然是指導教授黃榮興博士
,研究過程中時常接受教授的指導和鞭策,尤其是教授的許多創意構想時常給我
思考方向,感謝老師的指導與建議,讓本論文得以補足不足之處。
其次,要謝謝實驗室的學長,在遇到問題時,能適時給予協助,督促。也要謝謝
柯昭全同學借我的器材,讓我在尋找零件方面節省很多時間。
最後,還要感謝父母給我的各種幫助,讓我可以專心求學,衣食無虞,是我的心
靈支柱。
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目錄 摘要……………………………………………………………………………………I 致謝…………………………………………………………………………………...II 目錄…………………………………………………………………………………..III 第一章 緒論…………………………………………………………………………..1 1.1 研究背景與動機……………………………………………………………..1 第二章 簡易型機械輔助手掌之機構設計..................................................................2 2.1 系統之機構設計.............................................................................................2 2.2 各項零件……………………………………………………………………..3 第三章 馬達之控制及製作……………………………………………......................6 3.1 伺服馬達說明………………………………………………………………..6 3.2 範例程式……………………………………………………………………..6 3.3 程式說明……………………………………………………………………..7 第四章 控制介面之設計與製作………………………..…………………………..8 4.1 元件配置說明……………………………………………………………..8 4.2 93C66記憶體電路與儲存動作之相關…………………………………..10 4.3 控制步驟及指令…………………………………………………………..10 4.4 輸入電路…………………………………………………………………..12 4.4.1 排針輸入…………………………………………………………..12 4.4.2 乾接點輸入………………………………………………………..12 4.5 硬體安裝……………………………………………………………….......13 4.6 使用說明…………………………………………………………………...14 第五章 結論及未來展望…………………………………………………………..16 參考文獻……………………………………………………………………………..17
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圖目錄 圖 2.1 組合圖……………………………………………………..........……………..2 圖 2.2 成品圖……………………………………………………....................………2 圖 2.3使用的粘著劑…………………………………………………........………..…3 圖 2.4 使用的螺絲和螺帽……………………………………………….......……….3 圖 2.5 使用的齒輪……………………………………………………..................…..4 圖 2.6使用瓶蓋…………………………………………………………..…..………..4 圖 2.7 前枝與瓶蓋黏合後………………………………………………………...….4 圖 2.8 後端圖…………………………………………………..................…………..5 圖 2.9 線材與介面卡…………………………………………………........…………5 圖 3.1 使用馬達……………………………………………………………………...6 圖 3.2 方波圖…………………………………………………………………………6 圖 4.1 控制介面版…………………………………………………………………...8 圖 4.2 記憶體、電源及介面電路………………………………………………….9 圖 4.3 8051 基本電路…………………………………………………………....13
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表目錄 表 4.1 93C66 的接腳定義……………………………………………………………10 表 4.2 93C66 的控制指令及步驟………………………………………………….11
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第一章 緒論
1.1 研究背景與動機
在科技日新月異的現在化社會當中,機器人是大家都覺得很專業的產物,機器手臂的應用更是與現代生活息息相關,不論是拆除恐怖份子的爆裂物,抑或是無塵室中的精密操作,還有太空機器人的遠端操控及無人偵察機,通通都少不了。 半身仿生機器人當中的機器手臂大致設計完成,現在要設計一個抓取的手掌,以便達成我們想要的一些動作。
配合機器手臂的抓取動作,研究了一個簡易型機械輔助手掌,利用操控電腦硬體設備達成手掌操作,未來可望有全關節的進化版,或者更高階的設計。
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第二章 簡易型機械輔助手掌之機構設計
2.1 系統之機構設計
圖 2.1 組合圖
傳動示意圖:以一個伺服馬達為動力帶動前肢 A,再加上另外一個齒輪反向後,
帶動前肢 B,可以形成夾取的動作。
圖 2.2 成品圖
這是組合了齒輪、前肢、把手、伺服馬達、螺絲和外殼的組合成品。
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2.2 各項零件
本人在印表機零件中找到很適合的齒輪零件,再配合在學校附近的五金行
尋找到的螺絲和螺帽完成固定的動作,所帶動的前肢齒輪是尋找過很久,換了又換,
最後採用光泉果汁的瓶蓋,因為它的輪齒是所有瓶蓋中最明顯,而且好帶動的。
圖 2.3 使用的粘著劑
此混合黏著劑用來黏著瓶蓋與前端物,藍色為基本劑,紅色為硬化劑。在家樂
福各個分店都可以買到。基本劑先均勻塗上欲接合處,再將硬化劑攪拌其中,兩樣
接著劑會開始硬化然後變成固體,就完成接合了。
圖 2.4 使用的螺絲和螺帽
一般的螺絲和螺帽,先穿過瓶蓋再固定底盤用然後鎖上螺帽,可以在各處的
五金行買到,五金行裡面有各種大小粗細的螺絲,挑選自己覺得的大小即可。
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圖 2.5 使用的齒輪
在已經壞掉的印表機中取出,比電子街賣的塑膠轉輪輪齒刻痕明顯很多,也比
機械金屬齒輪輕上許多,傳動馬達和瓶蓋用。
圖 2.6 使用瓶蓋
其實本次製作是代換了相當多的瓶蓋,不論是大小,以及接觸的輪齒,還是這款最好用,是光泉的柳橙汁瓶蓋,帶動前枝用。
圖 2.7 前枝與瓶蓋黏合後
使用混合黏著劑用來黏著瓶蓋與前端物,基本劑與硬化劑。在家樂福各個
分店都可以買到。基本劑先均勻塗上欲接合處,再將硬化劑攪拌其中,兩樣接著劑
會開始硬化然後變成固體,就完成接合了,把前枝和瓶蓋黏合。
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圖 2.8 後端圖
此圖是成品的後視圖,手把的部份是以寶特瓶組成,作法是把一般飲料的保特
瓶洗乾淨以後再把前端截除以反方向插入,然後再以膠帶、膠水、雲彩紙包覆固
定在方盒子上面,方盒子是以厚紙板組合而成。
圖 2.9 線材與介面卡
這是伺服馬達所使用的介面卡和接頭的近照,介面卡本身可以支援 24個小伺
服馬達,又稱 24 軸伺服馬達控制器。 上面有使用 8051 晶片以及 93C66 記憶體電
路。
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第三章 馬達之控制及製作
3.1 伺服馬達說明
圖 3.1 使用馬達(參考益眾科技說明書)
1.腳位說明: 伺服馬達的 3 隻控制腳分別為,電源負端、電源正端、訊號輸入, 電源正、負端輸入 4.8~6V,訊號端輸入控制訊號。 2.控制方法: 伺服馬達是一寬度為 2.5ms 左右的方波,方波由 HI 及 LOW 組成,透過方波 HI的寬度來指定轉的位置,伺服馬達依種類的不同,控制的脈波寬度也會有些微的
差別,以下以 GWS S06/STD 作為範例,經過測試,S06HI 的寬度界於 0.5ms~2.3ms如圖(1)所示。 (v) 5 0 0.5 2.3 (ms) (v) 5 0 2.3 (ms)
圖 3.2 方波圖
3.2 範例程式:(參考益眾科技說明書)
1: MOV TMOD,#21H 2: MOV A,#9
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3: MOV B,R6 4: MUL AB 5: CPL A 6: MOV TL0,A 7: MOV A,B 8: INC A 9: INC A 10: CPL A 11: MOV TH0,A 12: SETB P2.0 13: SETB TR0 14 JNB TF0,$ 15: CLR P2.0 16: CLR TF0 17: CLR TR0
3.3 程式說明:
此程式會將伺服馬達分為 180 格,存放於 R6 暫存器,透過程
式以計數器 0 構成方波,輸出至 P2.0 驅動伺服馬達。
1.TIMER0 工作於模式 1。(16 位元上數計數器)
2~4.將 R6 乘以 9,結果置於 B、A。(1 格 9X1.08u)
5~11.將 A 反向後結果置於 TL0、將 B 加 2 反向後結果置於 TH0。
(B 加 2 等於加 512 次計數,即為前 5ms 固定為 HI 的區域,
因為是上數所以將 AB 反向,表示 65536-BA)
12.設定為 HI。
13.開始計數。
14~17.判斷是否計數完畢,計數完則設定為 LOW 並清除 TF0
及 TL0。
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第四章 控制介面之設計與製作
4.1 元件配置說明
圖 4.1 控制介面版(參考益眾科技說明書)
1.J1:皇冠座,可接輸出為 DC9~13.5V 的變壓器電源。
2.LED1:電源指示燈(綠)。
3.SW1:電源開關。
4.J2:外接電源輸入,可外接變壓器與 J1 並聯以提高輸入電流,兩變壓器的規格
必須相同。
5.8051S 電源電路。
6.J4:第 1-8 組馬達輸出,S 為訊號,+為 VCC,-為 GND。
7.J5:第 9-16 組馬達輸出,S 為訊號,+為 VCC,-為 GND。
8.J6:第 17-24 組馬達輸出,S 為訊號,+為 VCC,-為 GND。
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9.P1:RS232 串列埠 9 Pin 公接頭。
10.P2:乾接點輸入的端子台。
11.J3:輸入用的排針。
12.U2:ICHIN232,用來轉換 TTL 與 RS-232 的電位。
13.U7:4 個 PC817,光隔離器。
14.U3、U4:IC93C66,串列式 EEPROM。
15.SW2:89C51 重置按鈕。
16.U5:IC89C51,本控制器的主控元件。
17.U6、U8:IC74373,擴充用栓鎖閘。
4.2 電路說明 93C66 記憶體電路、儲存動作的資料
圖 4.2 記憶體、電源及介面電路(參考益眾科技說明書)
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93C66 記憶體電路、儲存動作的資料
使用兩個 93C66 做並聯,以控制 CS 致能腳來選擇工作 IC。IC93C66 為
一串列通訊介面的記憶體,可規劃為 512X8Bit 或 256X16Bit,同型 IC 還
有 93C46(128X8Bit OR 64X16Bit)、93C56(256X8Bit OR128X16Bit)、
93C86(2048X8Bit OR 1024X16Bit),若更換 IC,則程式中的位址處理也
要隨之修正,其餘的控制方法則都一樣。
表 4.1 93C66 的接腳定義
腳位 名稱 方向 功 能 描
述 動 作
1 CS 輸入 EEPROM 晶
片選擇信號
1=致能,93C66 可工作 0=禁能,93C66 可省電
2 SK 輸入 位元同步 時脈信號
每輸入一個脈波可以將 DI 或DO 的資料由高位元向低位元移位一 bit,最高週期
可達 1us。
3 DI 輸入 串列資料位元輸入
串列輸入命令、位址及資料
4 DO 輸出 串列資料位元輸出
串列輸出資料及 Busy 位元
5 GND 電源 電源接地 0V
6 ORG 輸入 串列 16/8 位 元資料選擇
接地=8 位元串列資料傳輸 浮接=16 位元串列資料傳輸
7 NC 無 空腳 空腳
8 VCC 電源 電源正端 +5V
關於 93C66 的詳細使用說明請參閱宏友圖書的
「8051 實作與燒錄器製作」(書號:H0003)。
4.3 控制步驟及指令
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(1) CS=1,選擇晶片開始工作。
(2) 由 DI 輸入串列位元,每輸入一個 bit,必須配合從 SK 腳輸入一時脈信號,
在正緣觸發時會將此位元送入 EEPROM 內。
(3) 先由 DI 輸入開始位元(SB:Start Bit)=1 和兩位的操作碼(OP:Operation Code)
決定控制的動作,再輸入位址及資料。
(4) 由 ORG 腳決定為 word(ORG 浮接)或 byte(ORG 接地)資料存取。
表 4.2 93C66 的控制指令及步驟
SB OP Byte 存取 Word 存取 動作
指令 位址 資料 位址 資料 說明
READ 1 10 A8~0 D7~0 A7~0 讀取指定位址的資
料,由 DO 輸出
ERASE 1 11 A8~0 A7~0 清除指定位 址的內容=1
EWEN 1 00 11X
XXXX
11 XXXX
致能抹除 /寫入動作
WRITE 1 01 A8~0 D7~0 A7~0 D15~0將 DI 腳的資料寫 入到指定的位址
EWDS 1 00 00X
XXXX
00 XXXX
禁能抹除 /寫入動作
WRAL 1 00 01X
XXXXD7~0
01 XXXX
D15~0寫入指定資料填 滿到全部的位址
ERAL 1 00 10X
XXXX
10 XXXX
清除全部位 址的內容=1
(5) 致能寫入(EWEN)後,才可進行寫入(WRITE、WRAL)或清除(ERAL)動作。
寫入完畢後,最好立即禁能抹除/寫入動作(EWDS),以免受干擾。
(6) 再寫入或清除動作時,若檢查 DO=0 表示忙碌中,若 DO=1 表示已經輸入完
畢,可再輸入下一筆資料。
(7) 如果是讀取動作時,在輸入位址後,從 SK 腳每輸入一個正緣觸發的時脈訊
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號,會由 DO 腳輸出 1bit 的串列訊號。
(8) 最後令 CS=0 使晶片停止動作。
8051S 電源電路
使用 8051S,VIN 端電源輸入為 6-40V,VOS 端輸出電壓為 5V,輸出電流最高
3A。
HIN232CP 介面電路
RS232 位準(+12V、-12V)及 TTL 位準(+5V、0V)之間的轉換,使用 HIN232CP
轉換位準。
4.4 輸入電路
4.4.1 排針輸入
J3 的排針,GND 為接地,VCC 為+5V,I1~I8 為輸入(VCC 為 Hi、
GND 為 Low,可外接電路), I1~I8 空接時為 Hi,對內部電路沒有
隔離保護的作用,由於 P2 的輸入透過光耦合器與 J3 的 I1~I4 輸入腳
相連,所以 I1~I4 個別只能選擇由 J3 或 P2 作輸入,選擇一端後另一
端必須保持空接,I1~I4 依然為獨立的輸入,彼此間可選擇 J3 或 P2
不同的輸入端。
4.4.2 乾接點輸入
P2 的 5PIN 端子台,GND 為接地,I1~I4 為輸入,P2 的 I1~I4 透過光耦合器與 J3
的 I1~I4 輸入腳相連,輸入時 P2 的 I1~I4 任 1 腳位與 GND 短路則造成光耦合器
(PC817)的光二極體導通,光電晶體感應到光二極體所發出的光之後便導通,
使得 J3 的 I1~I4 相對應的腳位為 Low,反之 P2 的 I1~I4 任一腳位與 GND 開路
則光二極體不導通,相對應的光電晶體也不導通,此時 J3 的 I1~I4 相對應的腳位
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為 Hi,由於此方式是透過光耦合器(PC817)作間接輸入,所以可達到保護內部
電路的功用。由於 P2 的輸入透過光耦合器與 J3 的 I1~I4 輸入腳相連,所以 I1~I4
個別只能選擇由 J3 或 P2 作輸入,選擇一端後另一端必須保持空接。I1~I4 依然
為獨立的輸入,彼此間可選擇 J3 或 P2 不同的輸入端。
圖 4.3 8051 基本電路(參考益眾科技說明書)
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4.5 硬體安裝
1. 將 DC 13.5V 整流器接到整流器座上,將 RS-232 線一端接到電腦上。
2. 將 POWER SW1 切到 ON,LED1 燈號亮起。
3. 將使用到的馬達接到電路的馬達輸出端,腳位分別為訊號(S)、正電壓(+)、
接地(-)。
4. 當完成以上的程序後,則本產品已正確安裝。
4.6 使用
1.開啟伺服器馬達電源。
2.執行「伺服器馬達控制介面.exe」。
1.COM 設定:預設值 COM1。 2.鮑率:預設值 9600。 3.角度: 紫色指標移動角度顯示角度值。 (1)代表馬達第一組,總共有 24 組 4.速度:可更改速度,速度值由 1~6。 5.馬達數:設定要控制的馬達數目,最高 24 個馬達。 6.時間:動作時間,數值由 1~250,單位為指令週期(大約為 36mS)。 7.連線:按下連線,馬達控制交由 8051,依照記憶體中的動作資料動作。 8.離線:關閉本程式介面。
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9.
(1). 動作數:目前的設定最多可紀錄 40 筆動作,目前已有 0 筆。
(2). 索引:代表索引 1-8 對應到 8051 的 P2.0-P2.7,紅色代表 High,
藍色代表 Low。
(3). 加入:將目前設定的動作加入至動作表格。
(4). 插入:將選擇的動作往下移,並將設定的動作加入。
(5). 刪除單筆:刪除選擇的動作。
(6). 刪除此欄:刪除目前顯示索引的所有動作。
(7). 刪除全部:刪除全部資料。
(8). 輸出:按下輸出,將所有的動作資料下載至記憶體。
10. 動作表格:對照索引下的動作資料。
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第五章 結論及未來展望
由於經驗不足及才疏學淺,以致專題實體外貌及質感並不是非常好,本
人是從日常生活所看到的物品經過思考所組合而成,希望學弟妹若要改良
可以由其他材質,或良好的美工技術執行精緻化。並注意電子零件請勿讓
陽光直射,以避免損壞。
簡易型輔助手掌目前只是基本型能傳達構想,但是能執行的任務很有
限,需要的手掌是希望每一個手指頭關節都能精密控制,如此便可以完成相
當多細微的動作,對研究及所需完成的任務大大提升實用性。
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參考文獻
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焦與測深之設計, 中華民國九十六年五月。
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[8]24 軸伺服馬達控制器說明書,益眾科技,2006