三自由度微型直角坐标工业机器人模型设计.doc

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1、三自由度直角坐标工业机器人设计1 设计主要内容及要求1.1 设计目的：1了解工业机器人技术的基本知识以及单片机、机械设计、传感器等相关技术。 2初步掌握工业机器人的运动学原理、传动机构、驱动系统及控制系统并应用于工业机器人的设计中。 3通过学习，掌握工业机器人的驱动机构、控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。1.2 基本要求1要求设计一个微型的三自由度的直角坐标工业机器人； 2要求设计机器人的机械机构（示意图），传动机构、控制系统、及必需的内外部传感器的种类和数量布局。 3要有控制系统硬件设计电路。1.3 发挥部分 自由发挥2 设计过程及论文的基本要求：2.1 设计过程的基本要求（1）基本

2、部分必须完成，发挥部分可任选；（2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；（3）设计过程的资料保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。2.2 课程设计论文的基本要求（1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。（2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。3 时间进度安

3、排顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注12012.1.2讲解主要设计内容，布置任务打分22012.1.3检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误打分32012.1.4检查机械结构设计并指出错误及纠正； 打分42012.1.5继续机械机构和传动机构设计打分52012.1.6进行控制系统设计打分62012.1.9检查控制系统原理图设计草图打分72012.1.10完善并确定控制系统打分82012.1.11指导学生进行驱动机构的选择打分92012.1.12进行传感器的选择和软件流程设计打分102012.1.13检查任务完成情况并答辩打分2011-12-30中 文 摘 要直角坐标机器人具有空间上相

4、互垂直的两根或三根直线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。大型的直角坐标机器人也称桁架机器人或龙门式机器人是能够实现自动控制的、可重复编程的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系的、多用途的操作机。其工作的行为方式主要是通过完成沿着X、Y、Z轴上的线性运动。近年来随着工业机器人的不断发展，工业机器人不断在工业领域得到广泛的应用，尤其是结构简单的直角坐标机器人，本次设计我主要是对三自由度的直角坐标机器人进行

5、设计，完成一个大概的设计，在设计中我采用了各种光电传感器，还采用了C8051F系列单片机作为本次设计的主控芯片,各种算法的实现就是使用这款芯片实现的。随着直角坐标机器人的应用越来越广泛，直角坐标机器人的设计工作日益显得重要。成功的设计一台直角坐标机器人涉及到很多方面的工作，包括机械结构、动力驱动、伺服控制等等。关键词：三自由度 直角坐标 机器人 单片机 硬件 软件 目 录中 文 摘 要V目 录VI1设计任务描述12 设计思路22.1系统总体结构的设计22.2系统各环节设计23 设计方框图34 直角坐标机器人的硬件设计44.1单片机最小系统电路设计错误！未定义书签。4.2单片机稳压电源设计错误！

6、未定义书签。4.3直流电机驱动设计 错误！未定义书签。4.4步进电机驱动设计64.5机械结构部分74.6传感器选择85直角坐标机器人的控制设计105.1 示教再现功能105.2运动控制功能106 主要元器件介绍117 小结128 致谢139.参考文献14附录15- 1 -1设计任务描述1.1 设计题目：三自由度直角坐标工业机器人设计1.2 设计要求1.2.1 设计目的：1）了解工业机器人技术的基本知识以及单片机、机械设计、传感器等相关技术。 2）初步掌握工业机器人的运动学原理、传动机构、驱动系统及控制系统并应用于工业机器人的设计中。 3）通过学习，掌握工业机器人的驱动机构、控制技术，并使机器人

7、能独立执行一定的任务。1.2.2 基本要求： 1）要求设计一个微型的三自由度的直角坐标工业机器人； 2）要求设计机器人的机械机构（示意图），传动机构、控制系统、及必需的内外部传感器的种类和数量布局。 3）要有控制系统硬件设计电路。1.2.3发挥部分： 自由发挥 2 设计思路2.1系统总体结构的设计本次设计的题目是三自由度直角坐标机器人，直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身

8、的体积较大。2.2系统各环节设计 直角坐标机器人，它由水平轴(X轴，Y轴)，垂直轴Z轴及驱动电机组成。 此外一个完整的机器人系统还需要控制系统和手抓，下面分别予以介绍:直线运动轴 也叫直线运动单元，它就是一个独立的运动轴，主要由支撑载体的铝型材或钢型材和被安装在型材内部的直线导轨、运动滑块以及作为带动滑块做高速运动的同步带组成。运动轴的驱动系统 直角坐标机器人的传动主要是通过驱动电机的转动带动同步带运动，同步带带动直线导轨上的滑块运动。当驱动轴的最高转速低于60Or/min时通常选用步进电机，否则选用交流伺服电机。直角坐标机器人的控制系统 机器人要在一定时间内完成特定的任务，在完成抓取，加速运

9、动，高速运动，减速运动，释放工件等同时，还要与相关的设备通过通讯或I/O口实现一些时序上的协调同步。另外在涂胶应用上，各个运动轴要完成直线和圆弧插补运动。因此其数控系统要按具体应用要求来选定其控制轴数、I/O口数量和软件功能。通常选用数控系统，PLC，工控机加运动控制卡和带轴卡功能及I/O口的驱动电机来做控制系统。直角坐标机器人的末端操作器手爪系统 根据其具体应用情况，其手爪系统可能是气动吸盘、气动夹取手爪、电动夹取手爪、电磁吸取手爪、焊枪、胶枪、专用工具和检测仪器等。在很多场合可以一次抓取多个工件。3 设计方框图接近觉传感器转速传感器传感器信号调理电路A/D转换器计算机人机交互系统机器人控制

10、器PID控制算法距离控制算法电动马达图31主程序方框图4 直角坐标机器人的硬件设计4.1单片机最小系统电路设计最小系统是指保证系统能正常工作的最基本电路和软件部分，单片机的最小系统电路包括外部晶振电路、电源电路和复位电路，如图4-3所示。 （a） 外部晶振电路 (b) 电源电路 （c）外部复位电路 图4.1 单片机最小系统电路时钟基本脉冲是CPU工作的基础。C8051F020单片机的系统时钟信号，由时钟振荡电路或专用时序脉冲信号提供。C8051F020在内部集成了完整的振荡电路，XTAL1和XTAL2分别为振荡器的输出和输入，XTAL1和XTAL2引脚可接入一个石英或陶瓷振荡器，如图4-1（a

11、）所示。图中电阻R2是为了避免对外接晶体振荡器的过驱动，电容C可提高振荡器的稳定性。为单片机提供电源是单片机正常工作的最基本操作，电源通过电容与单片机并联相连，是为了避免出现耦合，对单片机造成损伤。外部复位电路是通过外部引脚提供了使用外部电路强制MCU进入复位状态的手段。在引脚上加上一个低电平有效信号将导致进入复位状态。最好能提供一个外部上拉或对引脚去耦以防止噪声引起复位，如图4-1（c）所示。在低有效的信号撤出后，MCU将保持在复位状态至少12个时钟周期。从外部复位状态推出后，PINRSF标志（RSTSRC.O）被置位。4.2单片机稳压电源电路设计 为了给单片机提供稳定的3.3伏电源，我设计

12、了直流稳压电路，其主要有变压器，整流电路，滤波电路，三端稳压器件组成，能保证给单片机提供稳定的直流电源。集成稳压器具有输出电流大，输出电压高，体积小，可靠性高等优点，在电子电路中应用广泛。 分类： 外部结构：三端、多端。输出电压可调、输出电压固定，输出正电压、输出负电压。三端固定输出集成稳压器主要用于固定输出标准电压值的稳压电源中。虽然通过外接电路元件，也可构成多种形式的可调稳压电源，但稳压性能指标有所降低。集成三端可调稳压器性能指标优良。本设计主要用到LM7805其优点主要有，7805 系列为 3 端正稳压电路,TO-220 封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保

13、护电路。带散热片时，输出电流可达 1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。其电路图如下：图4.2直流稳压电源电路 该电路将市电380伏通过变压器转化为220伏电压，再通过桥式电路进行整流，将交流转化为直流，其中电容C1为滤波作用，滤除纹波干扰，C2作用为防止自激振荡，C3作用为减小高频干扰。1117与LM7805作用基本相同，将5伏电压将为3.3伏。4.3直流电机驱动电路设计 本次设计我用直流电机模拟风机来进行散热，其驱动用三极管。输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能

14、；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。当P口为高电平时电机转动，低电平时，电机停止。电路图连接如下：图4.3直流电机驱动电路图4.4步进电机驱动电路设计步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线关系的存在，加上步进电机只有周期的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。其电路图如下：图4.4步进电机驱动电路本步进电机为四相电机。通过控制P1.0，P1.1，P1.2，P1.3的高低电平

15、，来控制电机的正反装。其中二极管有保护作用，因为电机通电时电流逐渐增大，而电机断电时电流也是正逐渐减小，如果逐渐减小的的电流不能及时流走，将对其他器件造成损坏。故接二极管保护单片机免受损坏。4.5机械机构设计工业机器人的机械结构系统由基座、手臂、末端操作器三大件组成。每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械结构。若基座具备行走机构、则构成行走机器人；若基座不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂（Single Robot Arm）。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。 工业机器人的坐标形式多

16、种多样，按坐标形式来分的话有：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型。 在本次设计中我们要设计的机器人为三坐标直角坐标机器人，这种机器人由三个线性关节组成，这三个关节用来确定末端操作器的位置，通常还带有附加的旋转关节，用来确定末端操作器的姿态。这种机器人在想x、y、z轴上的运动时独立的，运动方程可独立处理，且方程式是线性的，因此，很容易通过计算机控制实现；它可以两端支撑，对于给定的结构长度，刚性最大；它的精度和位置分辨率不随工作场合而变化，容易达到高精度。下图4-5为其工作，空间示意图。 图4-5从上图可以看到此机器人具有三个自由度，其参考坐标系为x、y、z。自由度是指机器人

17、所具有的独立坐标轴运动的数目，理论上自由度越多机器人越灵活，那么它的躲避障碍物和改善动力性能就会得到提高。4.5.1 传动机构的设计 传动机构是指向各轴传递运动和动力，以实现轴间的相对移动，在三自由度直角坐标机器人中，其主要传动机构为平移型传动机构。从上表一中我们可以看到各种传动方式的对比。 机械传动机构，可以将动力所提供的运动的方式、方向或速度加以改变，被人们有目的地加以利用。我国古代传动机构类型很多，应用很广，除了上面介绍的以外，像地动仪、鼓风机等等，都是机械传动机构的产物。我国古代传动机构，主要有齿轮传动、绳带传动和链传动。4.5.2 驱动方式的选择要使机器人运动起来，需给各个关节即每个

18、运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是液压驱动、气动驱动、电动驱动，或者把它们结合起来应用的综合系统；可以是直接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。本次设计经综合比较，用的是电力驱动。分类：按照电机的工作原理不同分为步进电机、直流伺服电机、无刷电机等。按照控制水平的高低来分分为开环控制系统和闭环控制系统。适用范围：适合于中等负载，特别适合于动作复杂、运动轨迹严格的各类机器人。考虑到体积以及精度，在比较了以上三种驱动方式后，我最终选择了电力驱动，因为电力驱动体积小，而且容易组成闭环控制系统，故控制精度高，方便，但在算法上可能稍微复杂一些，但这都可

19、以克服的，故实现起来时选择电力驱动更好一些。4.6传感器模块 传感器是整个机器人得以准确循迹的核心部件，只有经过传感器采集了外界信息后才能对机器人身处的环境进行识别，才能使机器人根据轨迹运动。传感器的种类繁多，有测距传感器、视觉传感器、接触觉等等不同类型的传感器，本次设计运用的传感器主要是用来检测路线、检测障碍物和测距的。4.6.1物体检测及运动控制 对于机器人所要搬运物体的检测，在本设计中用的是红外传感器，红外光的发送接收选用型号为ST168 的对管当小车在白色地面行驶时装在车下的红外发射管发射红外线信号经白色反射后被接收管接收一旦接收管接收到信号,那么光敏三极管将导通比较器输出为低电平;当

20、机器人监测到物体时,红外线信号被黑色吸收后光敏三极管截止,比较器输出高电平,从而实现了通过红外线检测信号的功能将检测到的信号送到单片机I/O口;当I/O口检测到的信号为高电平时,表明红外光被地上的物体吸收了,表明此处存在物体。否自动监测程序是否检测到物体向左是向右夹走探测物体判断处理程序 图4-6 黑线检测流程图其电路原理图为图4-6-1所示。图4-6-1 检测原理图5直角坐标机器人的控制设计5.1 示教再现功能示教再现功能是指控制系统可以通过坐示教盒或手把手进行示教，将动作顺序、运动速度、位置等信息用一定的方法预先教给工业机器人，由工业机器人的记忆装置将所教的操作过程自动地记录在存储器中，当

21、需要再现操作时，重放存储器中存储的内容即可。如需要更改操作内容时，只需要重新示教一遍即可。5.2运动控制功能运动控制功能是指对工业机器人末端操作器的位置、速度、加速度等项目的控制。在本次设计中我采用示教再现控制方式来对此机器人进行控制，其主控芯片为我们熟悉的C8051F020单片机。使用此款单片机再配合一些外围电路的集成就可实现对各个电动机的控制，再加上一些在软件上的编写配合好光电编码器，就可以实现PID算法，并组成一个简单的闭环系统。图5-1人机交互模块5-2主控芯片6 主要元器件介绍C8051F020系列单片机是高集成度的混合信号系统级MCU芯片，片内集成了一个多通道ADC、两个电压比较器

22、、五个通用的十六位定时器、UART、SPI总线接口、内部振荡器、64个通用数字I/O引脚、64KB的FLASH程序寄存器和与8051兼容的高速微控制器内核。C8051F020的主要特点如下：1、模拟外设( 1 )逐次逼近型ADC12位分辨率或8位分辨率；可编程转换速率，最大为100kps；可多达32个外部输入，每个引脚都可以被配置为ADC的输入。( 2 )两个模拟比较器16个可编程回差电压值；可用于产生中断或复位。( 3 )VDD监视器和降压检测器2、片内JTAG调试片内调试电路提供提供全速、非侵入式的在系统调试；支持断点、单步、观察点、堆栈监视器，支持观察/修改存储器和寄存器。3、高速805

23、1微控制器内核流水线指令结构；70%指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期；速度可达25MIPS；扩展的中断处理系统。4、存储器256B内部数据RAM；1024B XRAM；64KB可在系统编程的FLASH存储器。5、数字外设8个8位的端口I/O，所有口线均耐压5V电压；可同时使用的硬件SPI及UART串口；5个通用16位计数器/定时器；专用的看门狗定时器。6、时钟源内部可编程振荡器：2-16MHz；外部振荡器：晶体、RC、C或外部时钟。7、封装100脚TQFP7 小结通过本次的工业机器人课程设计,让我对机器人的工作原理及设计方法有了更好的掌握与理解。与次同时，通过此次的课程设计也让我充分地认

24、识到了我在学习这门课程中存在的不足之处。通过这次的课程设计让我学到了很多平时课上学不到的东西，让我知道了哪些方面是自己的薄弱环节，自己需要在哪些方面下一些功夫。更重要的是能过这次的实验我熟练地掌握了程序的调试，知道如果一个程序运进的时候出现了问题应该怎样找到错误并改正，也知道了该如何去利用图书馆和网络上的资源，这对我们以后的课程设计和学习是有很大帮助的。这两周的工业机器人设计，从茫然毫无头绪到开始大体研究到部件选择，我对工业机器人的学习有了更深一步的了解，并在在设计的过程中，有了了自己的想法，增加了学习的兴趣。虽然设计时间很紧迫，但在设计的过程中我们还是学到不少东西的，由于有些知识我们学的不多

25、，这样我们在查找这些资料的过程中就学到了更多东西。我觉得课程设计对我们有更大的帮助，可以把平时所学应用到实际当中，并且更加注重这些元器件在实际应用中应该注意到的事项，为以后的工作和学习打下基础。很庆幸能有这样一次课设的机会，让我学尝试了理论与实际的结合，让我学到了很多知识，让我认识到了自己的不足，知道光是掌握了理论知识并不代表什么，必须还要与实际结合才能更好的理解这些知道，使之掌握得更牢靠。在以后的学习生涯中我会不断的完善自己，用更多知识来丰富和充实自己，为自己以后的人生道路打下坚实的基础！8 致谢短暂的课程设计就要结束了，经过我们小组全体成员紧张而充实的努力，我们终于顺利完成了设计任务，收获

26、了成功的喜悦。回顾这一周的设计过程，我们从开始的毫无头绪，逐渐的进入状态，到后来的理论上实现，一起解决一个个难题，突破一重重的阻碍，当硬件接线图出来的时候，我们都欢呼了起来，从未有过的成就感充满了每个人的心。我想这就是课程设计的魅力所在吧。任务越是难以完成，过程越是复杂艰难，成功那一刻的喜悦和成就感就越大，与那一刻相比，之前的所有努力都是值得的。“天下无难事，只怕有心人”经过这次课程设计，我对这句古语有了更深的理解。在理论实现的过程中，我遇到了很多困难，用所学的知识达不到想要的结果，经过各种方式搜集资料，寻求同学们的帮助，大家一起探讨、研究，终于成功的完成了本次设计。达到能够实现所要求的功能的

27、目的。这次的机器人设计重点是理论与实际的相结合，不单单只是书上的传感器及机器人的介绍。通过这次设计使我对传感器和机器人的学习更进一步，加深了对理论学习的理解，同时能够较自如的应用知识来设计方案。也使我明白将理论和实际联系起来的重要性。同时，通过学习，也锻炼了和组员交流，沟通，相互学习，得到最好的设计成果。我相信，通过这次设计，我会更加努力，更加积极地学习专业知识，争取自己在此方面能创出更优秀的成绩。非常感谢对我们的耐心指导。不管我们问多少问题，他们都耐心地为我们一一解答，不厌其烦的给我们讲解，如果没有老师的帮助与鼓励，我们是不可能顺利完成这次课程设计的。我们发自内心的感谢老师，是您在我们遇到问题时给予了指导，谢谢您老师！ 9.参考文献1谢存喜.机器人技术及其应用.第一版.北京.机械工业出版社.2008年2刘广瑞. 机器人创新制作.第一版.西安.西北工业大学出版社.2007年3方建军.智能机器人.第一版.北京.化学工业出版社.2004年4罗均等.特种机器人.第一版.北京.化学工业出版社.2006年5王志良.竞赛机器人制作技术.第一版.北京.机械工业出版社.2007年附录