一种学习型多自由度机械臂以及其控制方法

摘要

本发明公开了一种学习型多自由度机械臂及其控制方法，该机械臂包括上臂、下臂、机械手、控制器和遥控手柄，所述上臂、下臂和机械手的关节采用七个模拟舵机作为驱动器件，所述控制器包括微处理单元、EEPROM存储单元、遥控信号接收单元和电源单元，所述EEPROM存储单元与微处理单元连接，所述遥控信号接收单元与微处理单元连接，所述七个模拟舵机与微处理单元连接，所述电源单元给EEPROM存储单元、微处理单元、遥控信号接收单元和七个模拟舵机供电，简化了操作难度无需进行复杂的编程操作；可以反复通过遥控方式低速教化机械臂完成操作任务；能采用全速方式回放整套完整动作。

说明书

技术领域

本发明属于自动化技术领域，特别涉及一种学习型多自由度机械臂的研究。

背景技术

工业机器人（机械臂）作为目前已经成为工业领域不可或缺的重要装备，推动工业自动化以及先进制造技术的发展。目前，工业机器人已广泛应用于工业生产、机械制造、航空航天等各大领域，在需要大量重复劳动以及高精度操作的领域已逐步替代了传统工人的角色。除了在工业领域的大量应用外，机械臂也逐渐进入到民用领域。已有众多型号的桌面机械臂平台进入到我们的视野。桌面机械臂平台可以完成简单的物品搬运、零件装配、实验操作等工作，当精度足够满足要求时，可以完成3D打印以及激光雕刻等操作。未来桌面型机械臂必然将会成为人们日常生活的重要助手。

发明内容

本发明的目的通过简单快捷的方式帮助桌面机械臂掌握整套复杂动作，并能实现动作的重复操作。采用该机械臂平台避免了编程控制方式对于操作者专业知识和技能的较高要求。也不需要操作者始终操纵遥控器来控制机械臂完成每一个动作。当完成对机械臂的教化之后，机械臂平台便能反复重复该动作。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种学习型多自由度机械臂，包括上臂、下臂、机械手、控制器和遥控手柄，所述上臂、下臂和机械手的关节采用七个模拟舵机作为驱动器件，所述控制器包括微处理单元、EEPROM存储单元、遥控信号接收单元和电源单元，所述EEPROM存储单元与微处理单元连接，所述遥控信号接收单元与微处理单元连接，所述七个模拟舵机与微处理单元连接，所述电源单元给EEPROM存储单元、微处理单元、遥控信号接收单元和七个模拟舵机供电。

进一步地，所述微处理单元采用MSP430F5529型号的单片机。

进一步地，所述EEPROM存储单元采用型号为AT24C256的EEPROM存储器。

一种机械臂的教化方法，用于控制权利要求2所述的学习型多自由度机械臂完成规定的动作，包括如下步骤：

(1)所述机械臂初始化，所述控制器负责接收来自遥控手柄的控制命令，并根据控制命令产生七路PWM波信号用于控制七个舵机的旋转角度，以控制机械臂完成规定动作；所述控制器采用固定周期方式对七个舵机的旋转角度进行采样，先将数据记录在单片机的随机存取存储器中；

（2）当机械臂的动作达到规定动作的要求时，所述遥控手柄发出控制指令控制单片机将存放在随机存取存储器中的数据写入到EEPROM存储单元中长期保存，执行步骤（3）；当机械臂的动作没有达到规定动作的要求时，所述遥控手柄发出初始化控制指令，所述单片机控制机械臂初始化，执行步骤（1）；

（3）当需要回放该动作时，所述遥控手柄发出回放控制指令，所述单片机再将数据从EEPROM存储单元读入随机存取存储器中并按照数据中的旋转角度信息控制机械臂以一定的速率复现整套动作，如果不需要回放该动作，则单片机控制机械臂初始化。

进一步地，步骤（3） 所述控制器根据回放速度要求设定回放速度，确保动作完成的速度和精度要求。

一种机械臂的控制方法，所述遥控手柄发出工作模式控制指令，所述控制器接收指令并执行相应的工作模式，所述机械臂的工作模式包括遥控工作模式、简单动作学习模式和复杂动作学习模式；在遥控工作模式下，通过遥控手柄无线遥控单片机控制机械臂以完成规定的动作；在简单动作学习模式下，通过机械臂的教化方法，以控制机械臂完成规定动作且可进行复现；在复杂动作学习模式下，将复杂动作分解为若干段简单动作，再依据机械臂的教化方法来完成每段简单动作，最后将各段简单动作的旋转角度信息按序存储在EEPROM存储单元中，所述控制器按序读取每段旋转角度信息以进行复杂动作的复现。

与现有技术相比，本发明的有益效果是简化了操作难度无需进行复杂的编程操作；可以反复通过遥控方式低速教化机械臂完成操作任务；能采用全速方式回放整套完整动作。

附图说明

图1是本发明中的学习型多自由度机械臂的结构图；

图2是本发明中的控制器的原理结构示意图；

图3是本发明中的控制器的实施例电路连接图；

图4是本发明中的EEPROM存储单元的实施例电路连接图；

图5是本发明中机械臂的教化方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明，以使更能理解本发明的创造点所在。

实施例1如图1所示，一种学习型多自由度机械臂，包括上臂、下臂、机械手、控制器和遥控手柄，所述上臂、下臂和机械手的关节采用七个模拟舵机作为驱动器件（此特征为现有技术，本领域人员很容易得到上臂、下臂和机械手配合关系），如图2所示，所述控制器包括微处理单元、EEPROM存储单元、遥控信号接收单元和电源单元，所述EEPROM存储单元与微处理单元连接，所述遥控信号接收单元与微处理单元连接，所述七个模拟舵机与微处理单元连接，所述电源单元给EEPROM存储单元、微处理单元、遥控信号接收单元和七个模拟舵机供电。优选地，如图3所示，所述微处理单元采用MSP430F5529型号的单片机；所述EEPROM存储单元采用型号为AT24C256的EEPROM存储器，该单片机的4个IO口（P6.0、P6.1、P6.2、P6.3）与遥控信号接收单元的相应管脚进行连接，该组端口完成遥控数据的接收任务；该单片机的七个IO口（P1.2、P1.5、P1.3、P1.4、P2.0、P2.4、P2.5）均为单片机定时器输出端，与机械臂的七个舵机数据端口相连接，提供相应的PWM波信号用于控制舵机完成旋转动作；该单片机的2个IO口（P3.0、P3.1）均为单片机I2C通信端口，分别与EEPROM存储单元（型号为AT24C256的EEPROM存储器）的数据端口（SDA）和时钟端口（SCL）相连接，实现数据的读写操作。如图4所示，型号为AT24C256的EEPROM存储器的地址端口（A1，A0）和写保护端口（WP）均接地，因此存储器的I2C地址为“00”，取消了写保护操作，分别将VCC、SCL、SDA和GND引出到接线端口P0，与单片机进行连接，为EEPROM存储器供电并实现I2C通信。

如图5所示，一种机械臂的教化方法，用于控制实施例1中的学习型多自由度机械臂完成规定的动作，包括如下步骤：

(1)所述机械臂初始化，所述控制器负责接收来自遥控手柄的控制命令，并根据控制命令产生七路PWM波信号用于控制七个舵机的旋转角度，以控制机械臂完成规定动作；所述控制器采用固定周期（100ms）方式对七个舵机的旋转角度进行采样，先将数据记录在单片机的随机存取存储器的相应的二维数组中；

（2）当机械臂的动作达到规定动作的要求时，所述遥控手柄发出控制指令控制单片机将存放在随机存取存储器的相应的二维数组中的数据写入到EEPROM存储单元中长期保存，执行步骤（3）；当机械臂的动作没有达到规定动作的要求时，所述遥控手柄发出初始化控制指令，所述单片机控制机械臂初始化，执行步骤（1）；

（3）当需要回放该动作时，所述遥控手柄发出回放控制指令，所述单片机再将数据从EEPROM存储单元读入随机存取存储器的相应的二维数组中并按照二维数组中的旋转角度信息控制机械臂以一定的速率复现整套动作，如全速（50ms），如果不需要回放该动作，则单片机控制机械臂初始化。

优选地，步骤（1） 所述遥控操作过程中，采用低速方式，以使机械臂每个动作都有充裕的时间去完成，保证了动作的精度要求。

优选地，步骤（3） 所述控制器根据回放速度要求设定回放速度，确保动作完成的速度和精度要求。

实施例2 一种机械臂的控制方法，基于上述机械臂的教化方法，所述遥控手柄发出工作模式控制指令，所述控制器接收指令并执行相应的工作模式，所述机械臂的工作模式包括遥控工作模式、简单动作学习模式和复杂动作学习模式；在遥控工作模式下，通过遥控手柄无线遥控单片机控制机械臂以完成规定的动作；在简单动作学习模式下，通过机械臂的教化方法，以控制机械臂完成规定动作且可进行复现；在复杂动作学习模式下，将复杂动作分解为若干段简单动作，再依据机械臂的教化方法来完成每段简单动作，最后将各段简单动作的旋转角度信息按序存储在EEPROM存储单元中，所述控制器按序读取每段旋转角度信息以进行复杂动作的复现。

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。