基于CDS5516的智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)

摘 要：通過(guò)采用CDS5516舵機(jī)為主要部件，以ATmega128-16AC為主控制器，設(shè)計(jì)了一款智能搬運(yùn)器人。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明該機(jī)器人可完成自動(dòng)尋查物品框、自動(dòng)夾取物品、自動(dòng)搬運(yùn)物品等任務(wù)，本機(jī)器人有夾取物品的精度高，可重復(fù)性好等特點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，為智能機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了一種可行的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：CDS5516；智能機(jī)器人；機(jī)械臂

最近幾年國(guó)內(nèi)機(jī)器人開(kāi)始快速發(fā)展，很多中高職高校在進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)教學(xué)，小型的機(jī)器人、模塊化的機(jī)器人、組件式機(jī)器人是教學(xué)機(jī)器人的首選。在這些機(jī)器人產(chǎn)品中，舵機(jī)是最關(guān)鍵、使用最多的部件。并且機(jī)器人技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械加工、電子及塑料制品等工業(yè)領(lǐng)域，隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也隨之不斷擴(kuò)大。現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始擴(kuò)大到軍事、核能、采礦、冶金、石油、化學(xué)、航空、航天、船舶、建筑、紡織、制衣、醫(yī)藥、生化、食品、服務(wù)、娛樂(lè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用MATmega128-16AC作為主控制器，通過(guò)RFID無(wú)線通信模塊讀取工件信息，經(jīng)MCU處理、判別，在通過(guò)MCU的串口控制由CDS5516舵機(jī)組成的機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)夾取等功能。

1.2 CDS5500機(jī)器人舵機(jī)介紹

CDS5500屬于一種集電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、總線式通訊接口為一體的集成伺服單元，非常適合替代RC舵機(jī)，作為微型機(jī)器人的關(guān)節(jié)、輪子、履帶驅(qū)動(dòng)，也可用于其他簡(jiǎn)單位置控制場(chǎng)合。CDS5516機(jī)器人舵機(jī)采用先進(jìn)的伺服控制技術(shù)和高速微處理器，響應(yīng)速度快、到位準(zhǔn)確無(wú)抖動(dòng)。相比傳統(tǒng)RC舵機(jī)50Hz的控制頻率，CDS系列機(jī)器人舵機(jī)通過(guò)高達(dá)250Hz的控制頻率，確保位置控制的準(zhǔn)確和保持力矩的穩(wěn)定性。CDS5516機(jī)器人舵機(jī)采用周轉(zhuǎn)型高精度電位器測(cè)量位置，舵機(jī)輸出軸可連續(xù)整周旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)扭矩輸出高達(dá)16kgf.cm，其總線接口，理論多至254個(gè)機(jī)器人舵機(jī)，可以通過(guò)總線組成鏈型，通過(guò)異步串行接口統(tǒng)一控制。每個(gè)舵機(jī)可以設(shè)定不同的節(jié)點(diǎn)地址，多個(gè)舵機(jī)可以統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)也可以單個(gè)獨(dú)立控制。CDS5516的通訊指令集完全開(kāi)放，舵機(jī)通過(guò)異步串行接口與用戶的上位機(jī)通訊，用戶可對(duì)其參數(shù)設(shè)置、功能控制。通過(guò)異步串行接口發(fā)送指令，CDS5516可以設(shè)置為電機(jī)模式或位置控制模式。在電機(jī)模式下，CDS5516可以作為直流減速電機(jī)使用，速度可調(diào)；在位置控制模式下，CDS5516 擁有0-300°的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，在此范圍內(nèi)具備精確位置控制性能，速度可調(diào)，一個(gè)簡(jiǎn)單的控制指令就可以自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)比較精確的角度，所以非常適合在關(guān)節(jié)型機(jī)器人產(chǎn)品上使用，其主要特點(diǎn)是：大扭矩：16Kgf·cm；高轉(zhuǎn)速：最高0.16s/60°輸出轉(zhuǎn)速；DC 6.8V～14V 供電；0.32°位置分辨率；雙端輸出軸，適合安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)；高精度全金屬齒輪組，雙滾珠軸承；連接處O型環(huán)密封，防塵防濺水；位置伺服控制模式下轉(zhuǎn)動(dòng)范圍0-300°；在速度控制模式下可連續(xù)旋轉(zhuǎn)，調(diào)速；總線連接，理論可串聯(lián)254 個(gè)單元；高達(dá)1M通訊波特率；0.25KHz的伺服更新率；具備位置、溫度、電壓、速度反饋；通訊協(xié)議兼容Robotis Dynamixel。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

CDS55xx采用異步串行總線通訊方式，理論多至254個(gè)機(jī)器人舵機(jī)可以通過(guò)總線組成鏈型，通過(guò)UART異步串行接口統(tǒng)一控制。每個(gè)舵機(jī)可以設(shè)定不同的節(jié)點(diǎn)地址，多個(gè)舵機(jī)可以統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)也可以單個(gè)獨(dú)立控制。其通訊指令集是開(kāi)放，通過(guò)異步串行接口與用戶的上位機(jī)（控制器或PC機(jī)）通訊，可對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、功能控制。通過(guò)異步串行接口發(fā)送指令，只要符合協(xié)議的半雙工UART異步串行接口都可以和CDS5500進(jìn)行通訊。

CDS系列機(jī)器人舵機(jī)用程序代碼對(duì)UART異步串行接口進(jìn)行時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)半雙工異步串行總線通訊，通訊速度可高達(dá)1Mbps，且接口簡(jiǎn)單、協(xié)議精簡(jiǎn)。

控制器和舵機(jī)之間通信方式為串行異步方式，一幀數(shù)據(jù)分為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，共10位。其指令采用問(wèn)答方式通信，控制器發(fā)出指令包，舵機(jī)返回應(yīng)答包，具體通信格式如表一所示。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中允許有多個(gè)舵機(jī)，所以每個(gè)舵機(jī)都分配有一個(gè)ID號(hào)。控制器發(fā)出的控制指令中包含ID信息，只有匹配上ID號(hào)的舵機(jī)才能完整接收這條指令，并返回應(yīng)答信息。

其中字頭表示：連續(xù)收到兩個(gè)0XFF，表示有數(shù)據(jù)包到達(dá)。ID：每個(gè)舵機(jī)都有一個(gè)ID號(hào)，ID號(hào)的范圍0～253，轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制0X00～0XFD，其中廣播ID為254，若控制器發(fā)出的ID號(hào)為254（0XFE），則所有的舵機(jī)均接收指令，但都不返回應(yīng)答信息。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等于待發(fā)送或應(yīng)答的參數(shù)長(zhǎng)度N加上2，即“N+2”。參數(shù)是指除指令之外需要補(bǔ)充的控制信息。校驗(yàn)和是為了提高通行的質(zhì)量，其計(jì)算方法如下：Check Sum=～（ID+Length+Instruction+Parameter1+...Parameter N），若括號(hào)內(nèi)的計(jì)算和超出255，則取最低的一個(gè)字節(jié)，其中“～”表示取反。在應(yīng)答指令中加入當(dāng)前狀態(tài)，即返回的應(yīng)答包包含舵機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)ERROR，若舵機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)不正常，會(huì)通過(guò)這個(gè)字節(jié)反映出來(lái)，通過(guò)UART控制各舵機(jī)轉(zhuǎn)到適當(dāng)?shù)慕嵌龋瑨呙韫ぜㄟ^(guò)RFID讀取工件信息，根據(jù)信息選擇是否是夾取的工件，在執(zhí)行是否夾取。

本文通過(guò)CDS5516舵機(jī)搭建機(jī)械臂，通過(guò)ATmega128-16AC作為主控制器，以通過(guò)RFID無(wú)線識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件的識(shí)別，夾取及搬運(yùn)的功能，為現(xiàn)實(shí)工場(chǎng)貨物的識(shí)別搬運(yùn)提供了一種可行的辦法。