機(jī)器人課程方案設(shè)計(jì)書

沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：三自由度微型直角坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人模型設(shè)計(jì)系 別自控系

班級(jí)

=學(xué)生姓名

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學(xué)號(hào)

=指導(dǎo)教師

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職稱講師起止日期：

2012

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月2日起——至

2012

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13日止沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)題目：三自由度直角坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)系 別 自動(dòng)控制工程系 班級(jí)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師 職稱講師課程設(shè)計(jì)進(jìn)行地點(diǎn)：F430任務(wù)下達(dá)時(shí)間：2011年12月31日起止日期：2012年1月2日起——至2012年1月13日止教研室主任 年 月 日批準(zhǔn)三自由度直角坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求1.1 設(shè)計(jì)目的：了解工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的基本知識(shí)以及單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器等相關(guān)技術(shù)。初步掌握工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)并應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中 。通過學(xué)習(xí)，掌握工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制技術(shù)，并使機(jī)器人能獨(dú)立執(zhí)行一定的任務(wù)。1.2 基本要求要求設(shè)計(jì)一個(gè)微型的三自由度的直角坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人；要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（示意圖），傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、及必需的內(nèi)外部傳感器的種類和數(shù)量布局。要有控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路。1.3 發(fā)揮部分自由發(fā)揮設(shè)計(jì)過程及論文的基本要求：2.1 設(shè)計(jì)過程的基本要求1）基本部分必須完成，發(fā)揮部分可任選；2）符合設(shè)計(jì)要求的報(bào)告一份，其中包括總體設(shè)計(jì)框圖、電路原理圖各一份；3）設(shè)計(jì)過程的資料保留并隨設(shè)計(jì)報(bào)告一起上交；報(bào)告的電子檔需全班統(tǒng)一存盤上交。2.2課程設(shè)計(jì)論文的基本要求（1）參照畢業(yè)設(shè)計(jì)論文規(guī)范打印，包括附錄中的圖紙。工程齊全、不許涂改，不少于3000字。圖紙為A4，所有插圖不允許復(fù)印。2）裝訂順序：封面、任務(wù)書、成績評(píng)審意見表、中文摘要、關(guān)鍵詞、目錄、正文（設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)框圖、各部分電路及相應(yīng)的詳細(xì)的功能分析和重要的參數(shù)計(jì)算、工作過程分析、元器件清單、主要器件介紹）、小結(jié)、參考文獻(xiàn)、附錄（總體設(shè)計(jì)框圖與電路原理圖）。時(shí)間進(jìn)度安排順序階段日期計(jì)劃完成內(nèi)容備注12012.1.2講解主要設(shè)計(jì)內(nèi)容，布置任務(wù)打分22012.1.3檢查框圖及初步原理圖完成情況，講解及糾正錯(cuò)誤打分32012.1.4檢查機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并指出錯(cuò)誤及糾正；打分42012.1.5繼續(xù)機(jī)械機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)打分52012.1.6進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)打分62012.1.9檢查控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)草圖打分72012.1.10完善并確定控制系統(tǒng)打分82012.1.11指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇打分92012.1.12進(jìn)行傳感器的選擇和軟件流程設(shè)計(jì)打分102012.1.13檢查任務(wù)完成情況并答辯打分2011-12-30沈陽工程學(xué)院工業(yè)機(jī)器人課程設(shè)計(jì)成績評(píng)定表系（部）：班級(jí)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師評(píng)審意見評(píng)價(jià)具體要求權(quán)重評(píng)分加權(quán)內(nèi)容分調(diào)研能獨(dú)立查閱文獻(xiàn),收集資料；能制定課程設(shè)計(jì)方案0.15432論證和日程安排。工作工作態(tài)度認(rèn)真，遵守紀(jì)律，出勤情況是否良好，能力0.25432能夠獨(dú)立完成設(shè)計(jì)工作，態(tài)度工作按期圓滿完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)，工作量飽滿，難0.25432量度適宜。說明說明書立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理，文書的字通順，技術(shù)用語準(zhǔn)確，符號(hào)統(tǒng)一，編號(hào)齊全，0.55432質(zhì)量圖表完備，書寫工整規(guī)范。指導(dǎo)教師評(píng)審成績分加權(quán)分合計(jì)（加權(quán)分合計(jì)乘以12）指導(dǎo)教師簽名：年月日評(píng)閱教師評(píng)審意見評(píng)價(jià)具體要求權(quán)重評(píng)分加權(quán)內(nèi)容分查閱查閱文獻(xiàn)有一定廣泛性；有綜合歸納資料的能力0.25432文獻(xiàn)工作工作量飽滿，難度適中。0.55432量說明說明書立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理，文書的字通順，技術(shù)用語準(zhǔn)確，符號(hào)統(tǒng)一，編號(hào)齊全，0.35432質(zhì)量圖表完備，書寫工整規(guī)范。評(píng)閱教師評(píng)審成績分加權(quán)分合計(jì)（加權(quán)分合計(jì)乘以8）評(píng)閱教師簽名：年月日課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績 分中文摘要直角坐標(biāo)機(jī)器人具有空間上相互垂直的兩根或三根直線移動(dòng)軸，通過直角坐標(biāo)方向的個(gè)獨(dú)立自由度確定其手部的空間位置，其動(dòng)作空間為一長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，空間軌跡易于求解；但其動(dòng)作范圍相對(duì)較小，設(shè)備的空間因數(shù)較低，實(shí)現(xiàn)相同的動(dòng)作空間要求時(shí)，機(jī)體本身的體積較大。大型的直角坐標(biāo)機(jī)器人也稱桁架機(jī)器人或龍門式機(jī)器人是能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多自由度的、運(yùn)動(dòng)自由度建成空間直角關(guān)系的、多用途的操作機(jī)。其工作的行為方式主要是通過完成沿著X、Y、Z軸上的線性運(yùn)動(dòng)。近年來隨著工業(yè)機(jī)器人的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人不斷在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，尤其是結(jié)構(gòu)簡單的直角坐標(biāo)機(jī)器人，本次設(shè)計(jì)我主要是對(duì)三自由度的直角坐標(biāo)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成一個(gè)大概的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中我采用了各種光電傳感器，還采用了 C8051F系列單片機(jī)作為本次設(shè)計(jì)的主控芯片,各種算法的實(shí)現(xiàn)就是使用這款芯片實(shí)現(xiàn)的。隨著直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作日益顯得重要。成功的設(shè)計(jì)一臺(tái)直角坐標(biāo)機(jī)器人涉及到很多方面的工作，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、伺服控制等等。關(guān)鍵詞：三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人單片機(jī)硬件軟件目錄中文摘要V目錄VI1設(shè)計(jì)任務(wù)描述12設(shè)計(jì)思路22.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 22.2系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì) 23設(shè)計(jì)方框圖34直角坐標(biāo)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)44.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤！未定義書簽。4.2單片機(jī)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)錯(cuò)誤！未定義書簽。4.3直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤！未定義書簽。4.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)64.5機(jī)械結(jié)構(gòu)部分74.6傳感器選擇85直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制設(shè)計(jì) 105.1示教再現(xiàn)功能105.2運(yùn)動(dòng)控制功能106主要元器件介紹11小結(jié)12致謝13參考文獻(xiàn)14附錄15設(shè)計(jì)任務(wù)描述1.1設(shè)計(jì)題目：三自由度直角坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)1.2設(shè)計(jì)要求1.2.1設(shè)計(jì)目的：1）了解工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的基本知識(shí)以及單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器等相關(guān)技術(shù)。2）初步掌握工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)并應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器 人 的 設(shè) 計(jì) 中 。3）通過學(xué)習(xí)，掌握工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制技術(shù)，并使機(jī)器人能獨(dú)立執(zhí)行一定的任務(wù)。1.2.2基本要求：1）要求設(shè)計(jì)一個(gè)微型的三自由度的直角坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人；）要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（示意圖），傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、及必需的內(nèi)外部傳感器的種類和數(shù)量布局。）要有控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路。1.2.3發(fā)揮部分：自由發(fā)揮設(shè)計(jì)思路2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的題目是三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，直角坐標(biāo)機(jī)器人具有空間上相互垂直的兩根或三根直線移動(dòng)軸，通過直角坐標(biāo)方向的3個(gè)獨(dú)立自由度確定其手部的空間位置，其動(dòng)作空間為一長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，空間軌跡易于求解；但其動(dòng)作范圍相對(duì)較小，設(shè)備的空間因數(shù)較低，實(shí)現(xiàn)相同的動(dòng)作空間要求時(shí)，機(jī)體本身的體積較大。2.2系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)直角坐標(biāo)機(jī)器人，它由水平軸 (X軸，Y軸)，垂直軸Z軸及驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。此外一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)還需要控制系統(tǒng)和手抓，下面分別予以介紹 :直線運(yùn)動(dòng)軸也叫直線運(yùn)動(dòng)單元，它就是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)軸，主要由支撐載體的鋁型材或鋼型材和被安裝在型材內(nèi)部的直線導(dǎo)軌、運(yùn)動(dòng)滑塊以及作為帶動(dòng)滑塊做高速運(yùn)動(dòng)的同步帶組成。運(yùn)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直角坐標(biāo)機(jī)器人的傳動(dòng)主要是通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng)，同步帶帶動(dòng)直線導(dǎo)軌上的滑塊運(yùn)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸的最高轉(zhuǎn)速低于60Or/min時(shí)通常選用步進(jìn)電機(jī)，否則選用交流伺服電機(jī)。直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制系統(tǒng)機(jī)器人要在一定時(shí)間內(nèi)完成特定的任務(wù)，在完成抓取，加速運(yùn)動(dòng)，高速運(yùn)動(dòng)，減速運(yùn)動(dòng)，釋放工件等同時(shí)，還要與相關(guān)的設(shè)備通過通訊或I/O口實(shí)現(xiàn)一些時(shí)序上的協(xié)調(diào)同步。另外在涂膠應(yīng)用上，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸要完成直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應(yīng)用要求來選定其控制軸數(shù)、I/O口數(shù)量和軟件功能。通常選用數(shù)控系統(tǒng)，PLC，工控機(jī)加運(yùn)動(dòng)控制卡和帶軸卡功能及I/O口的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來做控制系統(tǒng)。直角坐標(biāo)機(jī)器人的末端操作器—手爪系統(tǒng)根據(jù)其具體應(yīng)用情況，其手爪系統(tǒng)可能是氣動(dòng)吸盤、氣動(dòng)夾取手爪、電動(dòng)夾取手爪、電磁吸取手爪、焊槍、膠槍、專用工具和檢測儀器等。在很多場合可以一次抓取多個(gè)工件。設(shè)計(jì)方框圖轉(zhuǎn)速傳感器 接近覺傳感器傳感器信號(hào)調(diào)理電路人機(jī)交互系A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器統(tǒng)計(jì)算機(jī)機(jī)PI距D離器控控人制制控算算制法法器電動(dòng)馬達(dá)圖3—1主程序方框圖直角坐標(biāo)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)是指保證系統(tǒng)能正常工作的最基本電路和軟件部分，單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路包括外部晶振電路、電源電路和復(fù)位電路，如圖4-3所示。（a）外部晶振電路 (b)電源電路c）外部復(fù)位電路圖4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路時(shí)鐘基本脈沖是 CPU工作的基礎(chǔ)。C8051F020單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，由時(shí)鐘振蕩電路或?qū)Ｓ脮r(shí)序脈沖信號(hào)提供。C8051F020在內(nèi)部集成了完整的振蕩電路，XTAL1和XTAL2分別為振蕩器的輸出和輸入，XTAL1和XTAL2引腳可接入一個(gè)石英或陶瓷振蕩器，如圖4-1（a）所示。圖中電阻R2是為了避免對(duì)外接晶體振蕩器的過驅(qū)動(dòng)，電容C可提高振蕩器的穩(wěn)定性。為單片機(jī)提供電源是單片機(jī)正常工作的最基本操作，電源通過電容與單片機(jī)并聯(lián)相連，是為了避免出現(xiàn)耦合，對(duì)單片機(jī)造成損傷。外部復(fù)位電路是通過外部RST引腳提供了使用外部電路強(qiáng)制MCU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的手段。在RST引腳上加上一個(gè)低電平有效信號(hào)將導(dǎo)致進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。最好能提供一個(gè)外部上拉或?qū)ST引腳去耦以防止噪聲引起復(fù)位，如圖4-1（c）所示。在低有效的RST信號(hào)撤出后，MCU將保持在復(fù)位狀態(tài)至少12個(gè)時(shí)鐘周期。從外部復(fù)位狀態(tài)推出后，PINRSF標(biāo)志（RSTSRC.）O被置位。4.2單片機(jī)穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)為了給單片機(jī)提供穩(wěn)定的3.3伏電源，我設(shè)計(jì)了直流穩(wěn)壓電路，其主要有變壓器，整流電路，濾波電路，三端穩(wěn)壓器件組成，能保證給單片機(jī)提供穩(wěn)定的直流電源。集成穩(wěn)壓器具有輸出電流大，輸出電壓高，體積小，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在電子電路中應(yīng)用廣泛。分類：外部結(jié)構(gòu)：三端、多端。輸出電壓可調(diào)、輸出電壓固定，輸出正電壓、輸出負(fù)電壓。三端固定輸出集成穩(wěn)壓器主要用于固定輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓值的穩(wěn)壓電源中。雖然通過外接電路元件，也可構(gòu)成多種形式的可調(diào)穩(wěn)壓電源，但穩(wěn)壓性能指標(biāo)有所降低。集成三端可調(diào)穩(wěn)壓器性能指標(biāo)優(yōu)良。本設(shè)計(jì)主要用到LM7805其優(yōu)點(diǎn)主要有，7805系列為3端正穩(wěn)壓電路,TO-220封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。內(nèi)含過流、過熱和過載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá)1A。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。其電路圖如下：1U1U2LM78051117-3.3VR1E1VinVout+5V33JVoutVDD2220vVinDD470AN42GD1C4C8D2C9104110uFLEDDC5V104PC1C22C31N4007220uF10uF10uFTRANS1BRIDGE134.2直流穩(wěn)壓電源電路該電路將市電380伏通過變壓器轉(zhuǎn)化為220伏電壓，再通過橋式電路進(jìn)行整流，將交流轉(zhuǎn)化為直流，其中電容C1為濾波作用，濾除紋波干擾，C2作用為防止自激振蕩，C3作用為減小高頻干擾。1117與LM7805作用基本相同，將5伏電壓將為3.3伏。4.3直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)我用直流電機(jī)模擬風(fēng)機(jī)來進(jìn)行散熱，其驅(qū)動(dòng)用三極管。輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)P口為高電平時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，低電平時(shí)，電機(jī)停止。電路圖連接如下：vcc+

M GM O TO

R SE RV OA-R1Q1NPN10K圖4.3直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖4.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。其電路圖如下：VCCU7CU27BP1.0AA74L80410D0D875452VCCU7DU27Abujindianji1N4148P1.1BBMOTORSTEPPER10AA74L804D1D875452U7FU28ABB1N4148P1.2CC10DDCC74L804D2D875452U7AU28B1N4148P1.3DD1074L804D3D8754521N4148圖4.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本步進(jìn)電機(jī)為四相電機(jī)。通過控制P1.0，P1.1，P1.2，P1.3的高低電平，來控制電機(jī)的正反裝。其中二極管有保護(hù)作用，因?yàn)殡姍C(jī)通電時(shí)電流逐漸增大，而電機(jī)斷電時(shí)電流也是正逐漸減小，如果逐漸減小的的電流不能及時(shí)流走，將對(duì)其他器件造成損壞。故接二極管保護(hù)單片機(jī)免受損壞。4.5機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、末端操作器三大件組成。每一大件都有若干自由度，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械結(jié)構(gòu)。若基座具備行走機(jī)構(gòu)、則構(gòu)成行走機(jī)器人；若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂（SingleRobotArm）。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式多種多樣，按坐標(biāo)形式來分的話有：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面關(guān)節(jié)型。在本次設(shè)計(jì)中我們要設(shè)計(jì)的機(jī)器人為三坐標(biāo)直角坐標(biāo)機(jī)器人，這種機(jī)器人由三個(gè)線性關(guān)節(jié)組成，這三個(gè)關(guān)節(jié)用來確定末端操作器的位置，通常還帶有附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，用來確定末端操作器的姿態(tài)。這種機(jī)器人在想x、y、z軸上的運(yùn)動(dòng)時(shí)獨(dú)立的，運(yùn)動(dòng)方程可獨(dú)立處理，且方程式是線性的，因此，很容易通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)；它可以兩端支撐，對(duì)于給定的結(jié)構(gòu)長度，剛性最大；它的精度和位置分辨率不隨工作場合而變化，容易達(dá)到高精度。下圖4-5為其工作，空間示意圖。圖4-5從上圖可以看到此機(jī)器人具有三個(gè)自由度，其參考坐標(biāo)系為x、y、z。自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，理論上自由度越多機(jī)器人越靈活，那么它的躲避障礙物和改善動(dòng)力性能就會(huì)得到提高。4.5.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是指向各軸傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)軸間的相對(duì)移動(dòng)，在三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人中，其主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為平移型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。從上表一中我們可以看到各種傳動(dòng)方式的對(duì)比。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以將動(dòng)力所提供的運(yùn)動(dòng)的方式、方向或速度加以改變，被人們有目的地加以利用。我國古代傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類型很多，應(yīng)用很廣，除了上面介紹的以外，像地動(dòng)儀、鼓風(fēng)機(jī)等等，都是機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的產(chǎn)物。我國古代傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要有齒輪傳動(dòng)、繩帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)。4.5.2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇要使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起來，需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置，這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以是直接驅(qū)動(dòng)或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)經(jīng)綜合比較，用的是電力驅(qū)動(dòng)。分類：按照電機(jī)的工作原理不同分為步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、無刷電機(jī)等。按照控制水平的高低來分分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。適用范圍：適合于中等負(fù)載，特別適合于動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的各類機(jī)器人。考慮到體積以及精度，在比較了以上三種驅(qū)動(dòng)方式后，我最終選擇了電力驅(qū)動(dòng)，因?yàn)殡娏︱?qū)動(dòng)體積小，而且容易組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，故控制精度高，方便，但在算法上可能稍微復(fù)雜一些，但這都可以克服的，故實(shí)現(xiàn)起來時(shí)選擇電力驅(qū)動(dòng)更好一些。4.6傳感器模塊傳感器是整個(gè)機(jī)器人得以準(zhǔn)確循跡的核心部件，只有經(jīng)過傳感器采集了外界信息后才能對(duì)機(jī)器人身處的環(huán)境進(jìn)行識(shí)別，才能使機(jī)器人根據(jù)軌跡運(yùn)動(dòng)。傳感器的種類繁多，有測距傳感器、視覺傳感器、接觸覺等等不同類型的傳感器，本次設(shè)計(jì)運(yùn)用的傳感器主要是用來檢測路線、檢測障礙物和測距的。4.6.1物體檢測及運(yùn)動(dòng)控制對(duì)于機(jī)器人所要搬運(yùn)物體的檢測，在本設(shè)計(jì)中用的是紅外傳感器，紅外光的發(fā)送接收選用型號(hào)為ST168的對(duì)管當(dāng)小車在白色地面行駛時(shí)裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)經(jīng)白色反射后被接收管接收一旦接收管接收到信號(hào) ,那么光敏三極管將導(dǎo)通比較器輸出為低電平。當(dāng)機(jī)器人監(jiān)測到物體時(shí) ,紅外線信號(hào)被黑色吸收后光敏三極管截止 ,比較器輸出高電平,從而實(shí)現(xiàn)了通過紅外線檢測信號(hào)的功能將檢測到的信號(hào)送到單片機(jī)I/O口。當(dāng)I/O口檢測到的信號(hào)為高電平時(shí),表明紅外光被地上的物體吸收了,表明此處存在物體。自動(dòng)監(jiān)測程序探測物體是否檢測到物體否是判斷處理程序向左 向右夾走圖4-6 黑線檢測流程圖其電路原理圖為圖 4-6-1 所示。VCC6 61 1R1A R2A R4RESPACK2 RESPACK2 RES11 1D1 Q1LED NPN-PHOT O圖4-6-1 檢測原理圖

61R3ARESPACK2AROutOPAMP直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制設(shè)計(jì)5.1示教再現(xiàn)功能示教再現(xiàn)功能是指控制系統(tǒng)可以通過坐示教盒或手把手進(jìn)行示教，將動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)速度、位置等信息用一定的方法預(yù)先教給工業(yè)機(jī)器人，由工業(yè)機(jī)器人的記憶裝置將所教的操作過程自動(dòng)地記錄在存儲(chǔ)器中，當(dāng)需要再現(xiàn)操作時(shí)，重放存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的內(nèi)容即可。如需要更改操作內(nèi)容時(shí)，只需要重新示教一遍即可。5.2運(yùn)動(dòng)控制功能運(yùn)動(dòng)控制功能是指對(duì)工業(yè)機(jī)器人末端操作器的位置、速度、加速度等工程的控制。在本次設(shè)計(jì)中我采用示教再現(xiàn)控制方式來對(duì)此機(jī)器人進(jìn)行控制，其主控芯片為我們熟悉的C8051F020單片機(jī)。使用此款單片機(jī)再配合一些外圍電路的集成就可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電動(dòng)機(jī)的控制，再加上一些在軟件上的編寫配合好光電編碼器，就可以實(shí)現(xiàn)PID算法，并組成一個(gè)簡單的閉環(huán)系統(tǒng)。圖5-1人機(jī)交互模塊DVR20WR213MV5-2主控芯片主要元器件介紹C8051F020系列單片機(jī)是高集成度的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，片內(nèi)集成了一個(gè)多通道ADC、兩個(gè)電壓比較器、五個(gè)通用的十六位定時(shí)器、UART、SPI總線接口、內(nèi)部振蕩器、64個(gè)通用數(shù)字I/O引腳、64KB的FLASH程序寄存器和與8051兼容的高速微控制器內(nèi)核。C8051F020的主要特點(diǎn)如下：1、模擬外設(shè)(1) 逐次逼近型ADC●12位分辨率或8位分辨率；●可編程轉(zhuǎn)換速率，最大為 100kps；●可多達(dá)32個(gè)外部輸入，每個(gè)引腳都可以被配置為 ADC的輸入。(2) 兩個(gè)模擬比較器●16個(gè)可編程回差電壓值；●可用于產(chǎn)生中斷或復(fù)位。(3)VDD監(jiān)視器和降壓檢測器2、片內(nèi)JTAG調(diào)試●片內(nèi)調(diào)試電路提供提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試；●支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、觀察點(diǎn)、堆棧監(jiān)視器，支持觀察 /修改存儲(chǔ)器和寄存器。3、高速8051微控制器內(nèi)核●流水線指令結(jié)構(gòu)；●70%指令的執(zhí)行時(shí)間為 1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；●速度可達(dá)25MIPS；●擴(kuò)展的中斷處理系統(tǒng)。4、存儲(chǔ)器●256B內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM；●1024BXRAM；●64KB可在系統(tǒng)編程的 FLASH存儲(chǔ)器。5、數(shù)字外設(shè)●8個(gè)8位的端口I/O，所有口線均耐壓 5V電壓；●可同時(shí)使用的硬件 SPI及UART串口；●5個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器；●專用的看門狗定時(shí)器。6、時(shí)鐘源●內(nèi)部可編程振蕩器：2-16MHz；●外部振蕩器：晶體、RC、C或外部時(shí)鐘。7、封裝●100腳TQFP小結(jié)通過本次的工業(yè)機(jī)器人課程設(shè)計(jì),讓我對(duì)機(jī)器人的工作原理及設(shè)計(jì)方法有了更好的掌握與理解。與次同時(shí)，通過此次的課程設(shè)計(jì)也讓我充分地認(rèn)識(shí)到了我在學(xué)習(xí)這門課程中存在的不足之處。通過這次的課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多平時(shí)課上學(xué)不到的東西，讓我知道了哪些方面是自己的薄弱環(huán)節(jié)，自己需要在哪些方面下一些功夫。更重要的是能過這次的實(shí)驗(yàn)我熟練地掌握了程序的調(diào)試，知道如果一個(gè)程序運(yùn)進(jìn)的時(shí)候出現(xiàn)了問題應(yīng)該怎樣找到錯(cuò)誤并改正，也知道了該如何去利用圖書館和網(wǎng)絡(luò)上的資源，這對(duì)我們以后的課程設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)是有很大幫助的。這兩周的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)，從茫然毫無頭緒到開始大體研究到部件選擇，我對(duì)工業(yè)機(jī)器人的學(xué)習(xí)有了更深一步的了解，并在在設(shè)計(jì)的過程中，有了了自己的想法，增加了學(xué)習(xí)的興趣。雖然設(shè)計(jì)時(shí)間很緊迫，但在設(shè)計(jì)的過程中我們還是學(xué)到不少東西的，由于有些知識(shí)我們學(xué)的不多，這樣我們在查找這些資料的過程中就學(xué)到了更多東西。我覺得課程設(shè)計(jì)對(duì)我們有更大的幫助，可以把平時(shí)所學(xué)應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，并且更加注重這些元器件在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該注意到的事項(xiàng)，為以后的工作和學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。很慶幸能有這樣一次課設(shè)的機(jī)會(huì)，讓我學(xué)嘗試了理論與實(shí)際的結(jié)合，讓我學(xué)到了很多知識(shí)，讓我認(rèn)識(shí)到了自己的不足，知道光是掌握了理論知識(shí)并不代表什么，必須還要與實(shí)際結(jié)合才能更好的理解這些知道，使之掌握得更牢靠。在以后的學(xué)習(xí)生涯中我會(huì)不斷的完善自己，用更多知識(shí)來豐富和充實(shí)自己，為自己以后的人生道路打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)！8致謝短暫的課程設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，經(jīng)過我們小組全體成員緊張而充實(shí)的努力，我們終于順利完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，收獲了成功的喜悅?；仡欉@一周的設(shè)計(jì)過程，我們從開始的毫無頭緒，逐漸的進(jìn)入狀態(tài)，到后來的理論上實(shí)現(xiàn)，一起解決一個(gè)個(gè)難題，突破一重重的阻礙，當(dāng)硬件接線圖出來的時(shí)候，我們都?xì)g呼了起來，從未有過的成就感充滿了每個(gè)人的心。我想這就是課程設(shè)計(jì)的魅力所在吧。任務(wù)越是難以完成，過程越是復(fù)雜艱難，成功那一刻的喜悅和成就感就越大，與那一刻相比，之前的所有努力都是值得的?！疤煜聼o難事，只怕有心人”經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)這句古語有了更深的理解。在理論實(shí)現(xiàn)的過程中，我遇到了很多困難，用所學(xué)的知識(shí)達(dá)不到想要的結(jié)果，經(jīng)過各種方式搜集資料，尋求同學(xué)們的幫助，大家一起探討、研究，終于成功的完成了本次設(shè)計(jì)。達(dá)到能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的功能的目的。這次的機(jī)器人設(shè)計(jì)重點(diǎn)是理論與實(shí)際的相結(jié)合，不單單只是書上的傳感器及機(jī)器人的介紹。通過這次設(shè)計(jì)使我對(duì)傳感器和機(jī)器人的學(xué)習(xí)更進(jìn)一步，加深了對(duì)理論學(xué)習(xí)的理解，同時(shí)能夠較自如的應(yīng)用知識(shí)來設(shè)計(jì)方案。也使我明白將理論和實(shí)際聯(lián)系起來的重要性。同時(shí)，通過學(xué)習(xí)，也鍛煉了和組員交流，溝通，相互學(xué)習(xí)，得到最好的設(shè)計(jì)成果。我相信，通過這次設(shè)計(jì)，我會(huì)更加努力，更加積極地學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，爭取自己在此方面能創(chuàng)出更優(yōu)秀的成績。非常感謝對(duì)我們的耐心指導(dǎo)。不管我們問多少問題，他們都耐心地為我們一一解答，不厭其煩的給我們講解，如果沒有老師的幫助與鼓勵(lì)，我們