CN109719723A - 一种基于wifi控制的机械手智能车系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人领域，公开了一种基于wifi控制的机械手智能车系统及控制方法，单片机模块通过WiFi无线路由模块与PC上位机模块连接，接收PC上位机发送的指令信号，并将指令信号传送至电机驱动模块与舵机模块；wifi无线路由器模块连接单片机模块；PC上位机模块通过WiFi无线路由模块与单片机模块，向单片机模块发送指令；电机驱动模块接收单片机模块发送的指令，控制双驱小车；舵机模块接收单片机模块发送的指令，分别控制机械手臂的手、轴、肩。本发明实现了智能小车的前进、后退、左转弯、右转弯、等待等运动，以及在小车的运动中协调控制机械手臂进行升起、降落、夹取、释放、正转、反转等操作。

Description

一种基于wifi控制的机械手智能车系统及控制方法

技术领域

本发明属于机器人，尤其涉及一种基于wifi控制的机械手智能车系统及控制方法。

背景技术

随着经济水平与科学技术的迅速发展，我国正在经历着由全手工操作到机械控制操作的变革。工业机械手的设计与控制应用对工业自动化的发展是必不可少的，它不但加速了企业的现代化变革，而且大大提高了工业生产的效率，在工业生产中无论是机床生产还是生产流水线都要用机械手完成工件的取放、安装甚至更加复杂、更加精密的零部件加工。机械手是在工业机械化、生产自动化过程中发展起来的一种新型装置。它在现代生产过程中，被广泛的运用于生产流水线中，同时它也是一门新兴技术。目前机械手的灵活程度远不及人的双手，但是他具有超强的工作和劳动能力，不易疲劳，效率极高，因此，机械手在越来越广的工业领域得到使用。根据工作性质的不同，将设计好的机械手安装在智能小车上就构成了一个智能工业机器人，它能把工人从繁重的体力劳动中解放出来，该善作业条件，提高工作效率。同时加上现在得到广泛应用的wifi技术，将把这种智能机器人的应用领域进一步扩大到如井下煤炭开采、矿山开采、道路桥梁工程施工、有害物质生产与储存、易燃易爆物质生产、高温金属冶炼等高温、高压、对人身体危害大的行业，实现了人工的智能化管理，避免了对人身的直接危害。机器人在提高劳动生产率，改善劳动者的工作条件和工作环境，预防生产过程中事故发生，改善产品质量以及发展新的工业产业等方面已产生了较大的经济效益。我国工业机器人已经有了初步的发展，形成了具有一定实力的生产能力，正在向特种机器人和高级机器人发展，用以代替工人从事繁重、肮脏和危险的工作，相信在不久的将来具有各种特殊本领的智能机器人在本发明的经济和社会中将发挥越来越重要的作用。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有技术中，不能实现智能小车的前进、后退、左转弯、右转弯、等待等运动，以及在小车的运动中协调控制机械手臂进行升起、降落、夹取、释放、正转、反转等操作。对小车与机械手臂不同状态的控制性能差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于wifi控制的机械手智能车系统及控制方法。

本发明是这样实现的，一种基于wifi控制的机械手智能车系统包括；

单片机模块：通过WiFi无线路由模块与PC上位机模块连接，接收PC上位机发送的指令信号，并将指令信号传送至电机驱动模块与舵机模块；

wifi无线路由器模块：连接单片机模块与PC上位机模块；

PC上位机模块：通过WiFi无线路由模块与单片机模块，向单片机模块发送指令；

电机驱动模块：接收单片机模块发送的指令，控制双驱小车；

舵机模块：接收单片机模块发送的指令，分别控制机械手臂的手、轴、肩。

相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、线电压控制PWM。

进一步，所述单片机模块包括：

单片机，单片机包括：电源电路、时钟电路、复位电路；

电源电路：给单片机选择外接5V直流电源；

时钟电路：时钟电路为单片机工作提供时钟脉冲。

进一步，所述电机驱动模块电路包括：

包含4通道逻辑驱动电路；含有二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号。

进一步，所述舵机模块包括：

外壳、减速齿轮组、直流电机、可滑动电位器、控制电路；

直流电机、电机控制器和减速齿轮组集成并封装在一个带有外部齿轮的外壳里，内部安装可滑动电位器，用来检测输出轴已转过的角度，电机控制器根据可滑动电位器的输出信息控制和保持输出转轴的角，；

还包括一条电源线VCC、一条地线GND、一条控制线，控制线接收外部特定频率的控制脉冲，并驱动电机转动；齿轮组在将电机的速度成倍数缩小的同时，将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出到转轴；可滑动电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度并将角度值反馈到电路检测板；电路检测板检测并根据电位器判断舵机是否达到相应转动角度，然后控制舵机转轴转动到目标角度或保持在目标角度。

进一步，所述wifi无线路由器模块包括：

OpenWrt固件；

ser2net.ipk文件的DB120-B1接入网关；

DB120-B1主芯片；

交换芯片为BCM5325；

无线芯片；

FLASH

DDR；

2个USB接口；

WIFi无线硬开关；

WPS一键加密。

本发明的另一目的在于提供一种基于wifi控制的机械手智能车控制方法包括：

步骤一：利用WiFi无线路由器连接单片机与PC上位机，并利用Keil及Proteus对单片机进行初始化；

步骤二：用户利用PC上位机通过WiFi无线路由器向单片机发出指令，

步骤三：单片机接收无线路由器传送的指令，进入串口中断并关掉串口中断；并将指令转换为PWM信号传送至直流减速电机以及舵机处；

步骤四：直流减速电机及舵机根据接收到的PWM信号分别控制双驱小车及机械手臂活动。

进一步，所述步骤一中，PWMWM信号调制方法包括：

相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、线电压控制PWM。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

Keil提供了包括C编译器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案；其特有的虚拟仿真技术实现了在没有单片机实际硬件的条件下，利用PC以虚拟仿真方式实现单片机系统的软、硬件同步仿真调试，使单片机应用系统设计变得简单容易，极大地提高了设计效率和设计水平；OpenWrt的文件系统提供了一个完全可写的包管理；可自主选择、配置供应商提供的应用程序的，并允许自定义，以适应任何应用程序通过使用包；Ser2net.ipk把PC发给路由器的数据原封不动的转成TTL数据，并把数据发送到路由器的串口输出端，实现了PC与单片机的通信；PWM对噪声抵抗能力的增强使得从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离；在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式；因此，可以通过控制占空比的大小来间接控制控制电动机的转速；AT89S52单片机将指令信号处理后产生相应的脉冲信号并传给电机驱动模块与舵机模块，不同的脉冲信号控制电机与舵机进行不同的动作反应，从而实现对小车与机械手臂不同状态的控制，以此实现不同的控制要求；实现智能小车的前进、后退、左转弯、右转弯、等待等运动，以及在小车的运动中协调控制机械手臂进行升起、降落、夹取、释放、正转、反转等操作；在机器人的手腕、肘、肩的主关节处共安装三个舵机，用于手臂及手的灵活运动。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于wifi控制的机械手智能车系统结构图；

图2是本发明实施例提供的基于wifi控制的机械手智能车控制方法流程图；

图3是本发明实施例提供的基于wifi控制的机械手智能车控制方法原理图；

图4是本发明实施例提供的电机控制流程图；

图5是本发明实施例提供的串口中断流程图；

图6是本发明实施例提供的单片机最小系统电路图；

图7是本发明实施例提供的单片机时钟电路图；

图8是本发明实施例提供的直流电机电路模型图；

图9是本发明实施例提供的电机驱动模块连接图；

图10是本发明实施例提供的舵机连接图；

图11是本发明实施例提供的舵机外接线图；

图12是本发明实施例提供的舵机内部原理图；

图中：1、单片机模块；2、wifi无线路由器模块；3、PC上位机模块；4、电机驱动模块；5、舵机模块；6、机械手臂；7、双驱小车。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术中，不能实现智能小车的前进、后退、左转弯、右转弯、等待等运动，以及在小车的运动中协调控制机械手臂进行升起、降落、夹取、释放、正转、反转等操作。对小车与机械手臂不同状态的控制性能差。

为解决现有技术存在的问题，下面结合技术方案对本发明的应用原理作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于wifi控制的机械手智能车系统包括：单片机模块1、wifi无线路由器模块2、PC上位机模块3、电机驱动模块4、舵机模块5、机械手臂6、双驱小车7；

单片机模块1：通过WiFi无线路由模块2与PC上位机模块3连接，接收PC上位机3发送的指令信号，并将指令信号传送至电机驱动模块4与舵机模块5；

wifi无线路由器模块2：连接单片机模块1与PC上位机模块3；

PC上位机模块3：通过WiFi无线路由模块2与单片机模块1，向单片机模块1发送指令；

电机驱动模块4：接收单片机模块1发送的指令，控制双驱小车6；

舵机模块5：包括3个舵机，接收单片机模块1发送的指令，分别控制机械手臂7的手、轴、肩。

如图2-图3所示，本发明实施例提供的基于wifi控制的机械手智能车控制方法包括：

S101：利用WiFi无线路由器连接单片机与PC上位机，并利用Keil及Proteus对单片机进行初始化；

S102：用户利用PC上位机通过WiFi无线路由器向单片机发出指令，

S103：单片机接收无线路由器传送的指令，进入串口中断并关掉串口中断；并将指令转换为PWM信号传送至直流减速电机以及舵机处；

S104：直流减速电机及舵机根据接收到的PWM信号分别控制双驱小车及机械手臂活动。

步骤S101中，本发明实施例提供的Keil及Proteus包括：

Keil：是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，Keil提供了包括C编译器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(uVision)将这些部分组合在一起；运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统；

Proteus：以其特有的虚拟仿真技术实现了在没有单片机实际硬件的条件下，利用PC以虚拟仿真方式实现单片机系统的软、硬件同步仿真调试，使单片机应用系统设计变得简单容易；Proteus软件涵盖了PIC、AVR、MCS8051、68HC11、ARM等微处理器模型，以及多种常用电子元器件，包括74系列、CMOS 4000系列集成电路、A/D和D/A转换器、键盘、LCD显示器、LED显示器，还提供示波器、逻辑分析仪、通信终端、电压/电流表、I2C/SPI终端等各种可以直接用于仿真的虚拟仪表，极大地提高了设计效率和设计水平。

如图4所示，步骤S103中，本发明实施例提供的PWM信号包括：

PWM为脉宽调制，包括相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、线电压控制PWM等；在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率“打开”和“关闭”电源，并且根据不同需要改变一个周期内“打开”和“关闭”电源时间的长短，从而产生占空比不同的周期性方波，即所谓的“PWM”波；PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换；让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小；噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响；

PWM对噪声抵抗能力的增强使得从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离；在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式；因此，可以通过控制占空比的大小来间接控制控制电动机的转速；

假设直流减速电机始终接通电源时，电机的最大转速为Vmax，空比D＝t1/T，则直流减速电机的平均速度Va＝Vmax*D，由公式可知，当本发明改变占空比D时，就可以得到不同的电机平均速度Va,从而实现直流电机的调速；严格来说，平均速度Va与占空比D并非线性关系，但是在实际的应用中，本发明可以将其看成是近似的线性关系。

如图5所示，步骤S103中，本发明实施例提供的串口中断包括：

单片机与路由器的通信是通过单片机的串口实现的，串口中断设置为最高中断优先级，上电后单片机始终检测串口是否有数据，当路由器发送过来一帧数据后便进入串口中断并关掉串口中断，避免数据信号重复引起中断；然后根据自定义的数据通信协议，将命令数据分类存放在不同的二维数组中，以便在主函数中调用。

如图6-图7所示，本发明实施例提供的单片机模块1包括：

选用低功耗、高性能CMOS8位微控制器的AT89S52单片机，单片机最小系统包括：电源电路、时钟电路、复位电路；

电源电路：AT89S52单片机的工作电压范围：4.0V—5.5V，因此通常给单片机选择外接5V直流电源。连接方式为VCC(40脚)：接电源+5V端VSS(20脚)：接电源地端；

时钟电路：时钟电路就是振荡电路，为单片机工作提供时钟脉冲，决定单片机的运行速度；AT89S52单片机时钟频率范围：0-33MHz。

如图8-图9所示，本发明实施例提供的电机驱动模块4电路设计包括：

选用L298直流减速电机，内部包含4通道逻辑驱动电路；是一种二相和四相电机的专用驱动器，其内部含有二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机；

电机内部有两个磁极N、S，两个磁极间装有一个可以转动的金属圆柱体，金属圆柱体的表面上固定有数匝线圈abcd；当线圈中有电流流过时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转；根据左手定则可知，当流过线圈中电流方向改变时，线圈的转动方向也将随之改变，因此通过改变流过线圈电流的方向就可以改变电机的转动方向。

如图10-图12所示，本发明实施例提供的舵机模块5包括：

机械手臂与机械手的运动都由相应舵机提供动力并控制完成，在机器人的手腕、肘、肩的主关节处共安装三个舵机，用于手臂及手的灵活运动；

舵机模块5的主体结构：外壳、减速齿轮组、电机、可滑动电位器、控制电路；

舵机模块5将直流电机、电机控制器和减速器等集成在一起，并封装在一个带有外部齿轮的外壳里的小伺服系统，利用特定的输入信号产生精确的角度旋转；舵机内部安装了一个类似角度传感器的可滑动电位器，用来检测输出轴已转过的角度，电机控制器根据可滑动电位器的输出信息能比较精确的控制和保持输出转轴的角度，实现闭环控制；

舵机模块5包括3条外接线，一条电源线VCC、一条地线GND、一条控制线，控制线接收外部特定频率的控制脉冲，并驱动电机转动；齿轮组在将电机的速度成倍数缩小的同时，将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出到转轴；可滑动电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度并将角度值反馈到电路检测板；电路检测板检测并根据电位器判断舵机是否达到相应转动角度，然后控制舵机转轴转动到目标角度或保持在目标角度。

本发明实施例提供的wifi无线路由器模块2包括：

选用安装有OpenWrt固件及ser2net.ipk文件的DB120-B1接入网关，DB120-B1主芯片为最新的BCM6358(芯片速度300MHZ)，交换芯片为BCM5325，无线芯片为BCM4318，FLASH容量为16MB，内存容量为32MB的DDR，2个USB接口、WIFi无线硬开关、WPS一键加密；采用了安全高效的Linux系统；支持未来的ADSL2+标准，能最大程度地保证用户的投资不过时；支持无线设备多级无线互联，能极大地扩展了无线覆盖范围；支持QoS、IPTV、IGMP、VPN等高端功能；支持无线路由和有线路由功能；

下面结合具体部件对本发明作进一步描述。

本发明实施例提供的OpenWrt固件包括：

OpenWrt的文件系统提供了一个完全可写的包管理；可自主选择、配置供应商提供的应用程序的，并允许自定义，以适应任何应用程序通过使用包；

其安装方法包括：

准备网线一根，连接DB120-B1网口与PC网口，查看DB120-B1路由器后面标签上的用户名与密码，备用；

(1)按RST键，打开路由器电源，继续长按住RST键不放，直到路由器上的Internet指示灯变红为止；

(2)打开网上邻居设置本地连接为自动获取IP地址；

(3)打开IE浏览器，输入http://192.168.1.1/,出现升级固件页面；

(4)点击浏览，选择已下载好的系统固件，然后点击更新，等待几分钟；

(5)升级完成后，重启路由器，若可以重新登录http://192.168.1.1/则更新成功，否则重新回到第一步。

本发明实施例提供的ser2net.ipk文件包括：

Ser2net.ipk是一个程序包，它的功能是把PC发给路由器的数据原封不动的转成TTL数据，并把数据发送到路由器的串口输出端，即实现了PC与单片机的通信；其安装步骤如下：

(1)安装winscp、putty；

(2)运行winscp上传Ser2net.ipk文件，打开putty登陆路由器；

(3)执行cd/,ls命令，然后opkg install ser2net固件包名称；

(4)在exit0的上一行添加一条ser2net，设置为开机启动项，然后重启路由器，完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于wifi控制的机械手智能车系统，其特征在于，所述基于wifi控制的机械手智能车系统包括；

单片机模块：通过WiFi无线路由模块与PC上位机模块连接，接收PC上位机发送的指令信号，并将指令信号传送至电机驱动模块与舵机模块；

wifi无线路由器模块：连接单片机模块与PC上位机模块；

PC上位机模块：通过WiFi无线路由模块与单片机模块，向单片机模块发送指令；

电机驱动模块：接收单片机模块发送的指令，控制双驱小车；

舵机模块：接收单片机模块发送的指令，分别控制机械手臂的手、轴、肩。

2.如权利要求1所述的基于wifi控制的机械手智能车系统，其特征在于，所述单片机模块包括：

单片机，单片机包括：电源电路、时钟电路、复位电路；

电源电路：给单片机选择外接5V直流电源；

时钟电路：时钟电路为单片机工作提供时钟脉冲。

3.如权利要求1所述的基于wifi控制的机械手智能车系统，其特征在于，所述电机驱动模块电路包括：

包含4通道逻辑驱动电路；含有二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号。

4.如权利要求1所述的基于wifi控制的机械手智能车系统，其特征在于，所述舵机模块包括：

外壳、减速齿轮组、直流电机、可滑动电位器、控制电路；

直流电机、电机控制器和减速齿轮组集成并封装在一个带有外部齿轮的外壳里，内部安装可滑动电位器，用来检测输出轴已转过的角度，电机控制器根据可滑动电位器的输出信息控制和保持输出转轴的角，；

还包括一条电源线VCC、一条地线GND、一条控制线，控制线接收外部特定频率的控制脉冲，并驱动电机转动；齿轮组在将电机的速度成倍数缩小的同时，将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出到转轴；可滑动电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度并将角度值反馈到电路检测板；电路检测板检测并根据电位器判断舵机是否达到相应转动角度，然后控制舵机转轴转动到目标角度或保持在目标角度。

5.如权利要求1所述的基于wifi控制的机械手智能车系统，其特征在于，所述wifi无线路由器模块包括：

OpenWrt固件；

ser2net.ipk文件的DB120-B1接入网关；

DB120-B1主芯片；

交换芯片为BCM5325；

无线芯片；，

FLASH

DDR；

2个USB接口；

WIFi无线硬开关；

WPS一键加密。

6.一种如权利要求1所述基于wifi控制的机械手智能车系统的基于wifi控制的机械手智能车控制方法，其特征在于，所述基于wifi控制的机械手智能车控制方法包括：

步骤一：利用WiFi无线路由器连接单片机与PC上位机，并利用Keil及Proteus对单片机进行初始化；

步骤二：用户利用PC上位机通过WiFi无线路由器向单片机发出指令，

步骤三：单片机接收无线路由器传送的指令，进入串口中断并关掉串口中断；并将指令转换为PWM信号传送至直流减速电机以及舵机处；

步骤四：直流减速电机及舵机根据接收到的PWM信号分别控制双驱小车及机械手臂活动。

7.如权利要求6所述基于wifi控制的机械手智能车控制方法，其特征在于，所述步骤一中，PWMWM信号调制方法包括：

相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、线电压控制PWM。