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

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。

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。

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

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

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

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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)

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

(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

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

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)

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。

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。

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。

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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