機電一體化課程設(shè)計-六自由度機械手的整體設(shè)計

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1、第一章 緒論 前言 機器人是一種自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。機器人是利用機械傳動、現(xiàn)代微電子技術(shù)組合而成的一種能模仿人某種技能的機械電子設(shè)備，他是在電子、機械及信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。當然，機器人的樣子不一定必須像人，只要能獨立完成一些人類的技能或有一定危險性的工作，就屬于機器人大家族的成員。 機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的

2、領(lǐng)域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。 1.1機器人概述 機器人集中力機械工程、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制理論及人工智能等多學科的最新研究成果，代表了機電一體化的最高成就，是當代科學技術(shù)發(fā)展的最活躍的領(lǐng)域之一?，F(xiàn)實生活中可以發(fā)現(xiàn)機器人是無處不在，在人們的生

3、活中他起著十分重要的作用，并已經(jīng)完全融入了人們的生活。例如，能夠雙足行走的仿人型機器人ASIMO，可以逼真地表達喜怒哀樂情感的機器小狗AIBO，打掃房間的吸塵器機器人，為殘疾人服務的就餐輔助機器人，應用與醫(yī)院的看護助力機器人等，都已經(jīng)成為我們生活不可分割的一部分。 1.1.1機器人的定義及特征 目前，大多數(shù)國家傾向于美國機器人工業(yè)協(xié)會（RIA）給出的定義：機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置，通過可變程序動作來執(zhí)行各種任務并具有編程能力的多功能機械手。 一般來說，機器人具有三大特征：（1）具有擬人功能；（2）具有可編程功能；（3）具有通用性。 1.1.2機器人的分類 機

4、器人的分類方法有多種。 按機器人的發(fā)展程度可分為：第一代機器人、第二代機器人、第三代機器人、第四代機器人。 按機器人的控制方式可分為：操作機器人、程序機器人、示教-再現(xiàn)機器人、數(shù)控機器人、智能機器人。 按機器人的應用領(lǐng)域可分為：產(chǎn)業(yè)用機器人、極限作業(yè)機器人、服務型機器人。 按機器人關(guān)節(jié)連接布置形式可分為：并聯(lián)機器人和串聯(lián)機器人。 本次課程設(shè)計的內(nèi)容就是設(shè)計六自由度機器人，這種機器人就屬于串聯(lián)機器人。 1.1.3機器人系統(tǒng)的組成 機器人系統(tǒng)是由機器人和作業(yè)對象及環(huán)境共同構(gòu)成的，其中包括機器人機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)四大部分。 第二章 六自由度機械手的整體設(shè)計 2

5、.1整體分析 六自由度機械手分為機械和電氣兩個部分，整體來說它是由鋁合金支架、步進電動機、單片機、控制板等部分構(gòu)成。六個步進電動機分別控制六個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)設(shè)計最大轉(zhuǎn)動角度，以此來控制機械手臂的運動范圍以及實現(xiàn)其裝夾功能。本次設(shè)計六自由度機械手是采用AT89C51控制器控制各步進電動機的工作的。 整個控制過程是這樣的：我們在計算機上，通過Keil軟件編寫、調(diào)試好六自由度機械手動作的控制程序，然后把程序燒寫到單片機里面，之后通過單片機和控制板控制六個電動機實時動作，六個步進電動機又分別控制六個運動關(guān)節(jié)，最終帶動支架動作，完成相應的工作。 機械手的整體實物構(gòu)造如下圖： 2.

6、2六自由度機械手組成部分分析 六自由度機械手由機械部分和電氣部分兩個部分組成。 2.2.1機械部分分析 六自由度機械手機械部分是由機身、臂部、腕部和手臂等四個部分組成，由于它共有6個自由度，因此也相應的添加了6個步進電動機，機械手的每個關(guān)節(jié)都由一個獨立的步進電動機控制，其中j1關(guān)節(jié)可以實現(xiàn)機身360度旋轉(zhuǎn)，臂部j2和j3用來控制機械手在空間的位置，腕部j4和j5用來控制腕部的姿態(tài)，而j6則用來控制機械手夾具的夾緊與放松。 六自由度機械手機械結(jié)構(gòu)簡圖如下： 機械手結(jié)構(gòu)簡圖 2.2.2電氣控制部分

7、分析 六自由度機械手電氣部分主要由控制板、單片機、串行總線、驅(qū)動模塊和通訊模塊組成。首先在計算機上用keil軟件編寫程序，調(diào)試正確后生成.hex文件，然后將生成的.hex文件燒寫到單片機芯片里面，把芯片插到控制板上，之后打開電源運行程序，控制器產(chǎn)生控制信號經(jīng)過信號分析處理后，輸出6個步進電動機的控制信號，該信號經(jīng)過驅(qū)動模塊將電壓放大，最后傳輸?shù)礁鱾€步進電動機，驅(qū)動各個步進電動機動作，從而帶動機械手按照預定的動作軌跡運動。 第三章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1機械手底盤設(shè)計 機械手的地盤是支撐整個機械手完成各種動作的比較重要的部件，由于機械手在工作過程中可能有的動作比較大，另外再加上提升的重物

8、，機械手的穩(wěn)定性會很難控制，考慮到要增強機械手的穩(wěn)定性，所以把地盤設(shè)計成圓盤狀的。另外，為了使機械手的工作范圍盡量大，在底盤上設(shè)置一個能夠旋轉(zhuǎn)360度的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。 其結(jié)構(gòu)圖如下所示： 機械手底盤圖 機械手底盤應具有的性能：（1）底盤應有較好的強度和剛度；（2）底盤應具有一定的穩(wěn)定性；（3）底盤的旋轉(zhuǎn)角度要高；（4）底盤的轉(zhuǎn)動靈活性要好。 3.2機械手臂部設(shè)計 六自由度機械手臂部由大臂和小臂兩部分組成，大臂和底盤用一個擺動關(guān)節(jié)連接，小臂和大臂也用一個擺動關(guān)節(jié)連接，這樣臂部就具有兩個自由度。在運動時，

9、臂部直接承受腕部、手部和重物的載荷，因此，臂部必須具有一定的承載能力。另外，臂部是機器人的主要執(zhí)行部件，除了起支撐作用玩，它還可以改變手部的空間位置。 其結(jié)構(gòu)圖如下所示： 機械手臂部圖 機械手臂部應具有的性能：（1）手臂應有足夠的剛度和承載能力；（2）運動靈活性要好；（3）慣性要小；（4）穩(wěn)定性要好，運動精度要高。 3.3機械手腕部設(shè)計 六自由度機械手的腕部就像人的手腕一樣，一般要能夠擺動和回轉(zhuǎn)，而且腕部是連接機械手的臂部和手臂的部件，它是由一個擺動關(guān)節(jié)和一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，也具有兩個自由度。 其結(jié)構(gòu)圖如下所示：

10、 機械手腕部圖 機械手手腕應具有的性能：（1）結(jié)構(gòu)要緊湊；（2）擺動彎曲和轉(zhuǎn)動的靈活性要好；（3）剛度和穩(wěn)定性要好。 3.4機械手手部設(shè)計 手部是機械手的最末斷，它是機械手用來抓取重物的一個重要部件。它對重物的夾緊和放松功能是通過一個齒輪機構(gòu)和一個四連桿機構(gòu)實現(xiàn)的。 其結(jié)構(gòu)圖如下所示： 手部結(jié)構(gòu)簡圖 機械手手部應具有的性能：（1）手部應具有一定的夾緊能力，以防止重物在運送過程中滑落；（2）手部的張合運動要靈活；（3）手部是機械手的末端操作器，應方便拆裝，使機械手的應用范圍更廣。 第四章 電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1

11、六自由度機械手的電氣控制流程 首先是在計算機上用keil軟件編寫程序，調(diào)試正確后生成.hex文件，然后將生成的.hex文件燒寫到單片機芯片里面，把芯片插到控制板上，之后打開電源運行程序，控制器產(chǎn)生控制信號經(jīng)過信號分析處理后，輸出6個步進電動機的控制信號，該信號經(jīng)過驅(qū)動模塊將電壓放大，最后傳輸?shù)礁鱾€步進電動機，驅(qū)動各個步進電動機動作，從而帶動機械手按照預定的動作軌跡運動。 其電氣控制流程圖如下： 4.2六自由度機械手的電氣控制系統(tǒng)硬件接線 其控制系統(tǒng)硬件接線圖如下： 4.3步進電動機的設(shè)計計算及選型 由于全閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，技術(shù)難度較大，成本高，而半閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)試也比開

12、環(huán)控制系統(tǒng)要難，結(jié)構(gòu)也相對復雜，因此本次實驗主要是采用開環(huán)伺服系統(tǒng)對機械手進行控制，而開環(huán)系統(tǒng)往往采用步進電動機來驅(qū)動。以下簡圖是機械手提升物體過程中力臂最長、產(chǎn)生力矩最大的一個極限位置，此時重物到機械手底座的力臂長L為500cm即0.5m。由設(shè)計要求知，重物質(zhì)量m為300g即0.3kg。顯然，此刻關(guān)節(jié)j2承受的力矩T最大為： T=m*g*L=0.3*10*0.5=1.5N/m 即關(guān)節(jié)j2處的步進電動機能夠承受的最大轉(zhuǎn)矩必須大于或等于1.5N/m。 對于步進電動機的選擇，通常可根據(jù)需要的轉(zhuǎn)矩大小(即所要帶動物體的扭力大小)，來選擇哪種型號的電機。大致說來，扭力在0.8N.m以下，

13、選擇20、28、35、39、42(電機的機身直徑或方度，單位：mm);扭力在1N.m左右的，選擇57電機較為合適。扭力在幾個N.m或更大的情況下，就要選擇86、110、130等規(guī)格的步進電機。由上述計算結(jié)果知電機需要承受的最大轉(zhuǎn)矩T=1.5N/m，顯然是在1N.m左右的，故可選擇步進電動機的型號為：57型號電機。 機械手提升物體產(chǎn)生最大力矩極限位置圖示 4.4 AT89C51微控制器的介紹 AT89C51是一種低電壓、高性能CMOS 8位微控制器，又俗稱單片機，它具有4K 系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。其芯片引腳表示如下圖所示：

14、 AT89C51引腳圖 第五章 機械手控制程序編寫及其分析 5.1程序編寫 由于本次課程設(shè)計任務規(guī)定，我們小組第二組的步進電動機驅(qū)動信號接口為P0口的第2位到第7位之間，所以我個人選擇的驅(qū)動信號接口為P0_5。 以下是機械手從左邊搬運物體到右邊的動作執(zhí)行程序： #include #include #define uchar unsigned char #define RXD P0_5 #define TXD P0_5 #define WRDYN 44 //寫延時 #define RDDYN 43 //讀延時 //延時程序

15、* void Delay2cp(unsigned char i) { while(--i); //剛好兩個指令周期。 } //往串口寫一個字節(jié) void WByte(uchar in ) { uchar i=8; TXD=(bit)0; //發(fā)送啟始位 Delay2cp(183); //發(fā)送8位數(shù)據(jù)位 while(i--) { TXD=(bit)(in &0x01); //先傳低位

16、 Delay2cp(176); in =in >>1; } //發(fā)送校驗位(無) TXD=(bit)1; //發(fā)送結(jié)束位 Delay2cp(190); } //從串口讀一個字節(jié) uchar RByte(void) { uchar Out =0; uchar i=8; uchar temp=RDDYN; //發(fā)送8位數(shù)據(jù)位 while ( RXD ); Delay2cp(187); //此處注意，等過起始位 Dela

17、y2cp(94); while(i--) { Out >>=1; if(RXD) Out |=0x80; //先收低位 Delay2cp(179); //(96-26)/2，循環(huán)共占用26個指令周期 } while(--temp) //在指定的時間內(nèi)搜尋結(jié)束位。 { Delay2cp(1); if(RXD) break; //收到結(jié)

18、束位便退出 } return Out ; } int motormove(char channel, char ramp, int position) { unsigned char i; uchar cmd[8] ="!SC"; cmd[3] = channel; cmd[4] = ramp; cmd[5] = position; cmd[6] = position>>8; cmd[7] = 0x0D; for(i=0; i<8; i++) { WByte(cmd[i]);

19、 } } // Bse Bcpt elbw wrst wrstR grppr int code armdata[] = { 0, 700, 800, 540, 750, 1000, //關(guān)節(jié)j1回轉(zhuǎn)到0位置，關(guān)節(jié)j6處于最大轉(zhuǎn)角處，如圖1 0, 550, 800, 540, 750, 1000,//關(guān)節(jié)j2轉(zhuǎn)角開始變小，手臂開始下降，如圖2 0, 400, 800, 840, 750, 1000,//關(guān)節(jié)j2和關(guān)節(jié)j4同時改變，使機械手末端操作器平直地到達拾取

20、物體的適當位置，如圖3 0, 400, 800, 840, 750, 860,//關(guān)節(jié)j6轉(zhuǎn)角變小，使末端操作器實現(xiàn)夾緊物體的動作 0, 400, 800, 840, 750, 860,//夾緊物體穩(wěn)定，如圖4 0, 550, 800, 640, 750, 860,//關(guān)節(jié)j2轉(zhuǎn)角開始變大，同時為了使物體平穩(wěn)升起，關(guān)節(jié)j4轉(zhuǎn)角變小，物體被提起，如圖5 0, 700, 800, 540, 750, 860,//物體被提升到最高位 0, 700, 800,

21、 540, 750, 860,//物體在高位達到穩(wěn)定，如圖6 1000, 700, 800, 540, 750, 860,//關(guān)節(jié)j1轉(zhuǎn)角變大，使物體從左邊高位被運送到右邊高位 1000, 700, 800, 540, 750, 860, 1000, 700, 800, 540, 750, 860,//物體在右邊高位達到穩(wěn)定，如圖7 1000, 550, 800, 640, 750, 860,//關(guān)節(jié)j2和關(guān)節(jié)j4同時變化，使物體平穩(wěn)下放，如圖8 1000, 400, 800, 840,

22、 750, 860,//物體下放到地面，如圖9 1000, 400, 800, 840, 750, 1000,//物體在地面達到穩(wěn)定，手臂松開物體，如圖10 1000, 550, 800, 640, 750, 1000,0xff};//機械手臂上升回位，如圖11 int code delay[] = { 20,20,15,20,30,10,10,10,30,20,10,30,10,10,20}; int robotmove(int i, int* movedata) { uchar j; while(*movedata!=

23、0xff) { for(j=0; j

24、); motormove(0x04,15,*movedata++); delay_nms(delay[j/6]); motormove(0x05,15,*movedata++); delay_nms(delay[j/6]); delay_nms(2000); //讓所有動作執(zhí)行完 } } } int main(void) { uart_Init(); robotmove(90,armdata); delay_nms(100); } 5.2 程序分析 分析上面的執(zhí)行程序可知，該程序總體上是由一個主函數(shù)和幾個

25、個子函數(shù)組成。程序的主函數(shù)是在程序末尾函數(shù)頭為main的那一小段，主程序通過調(diào)用各個子函數(shù)來完成程序的運行。首先main函數(shù)調(diào)用子函數(shù)uart_Init（），由這個子函數(shù)主要負責單片機串口中斷驅(qū)動程序、發(fā)送和接收中斷信號、初始化串行口和UART波特率函數(shù)。然后調(diào)用子函數(shù)robotmove(90,armdata)用來完成各個步進電動機的轉(zhuǎn)角控制。最后調(diào)用子函數(shù)delay_nms(100)用來完成各個步進電動機動作延遲時間的控制。 5.2.1 機械手運動的參數(shù)調(diào)整 改變子函數(shù)robotmove(90,armdata)中數(shù)組armdata[]的相應數(shù)組元素就可以調(diào)整各個步進電動機的轉(zhuǎn)角角度，

26、從而得到自己期望的機械手運動軌跡。以下是程序中的一段，它主要是機械手從左邊搬運物體到右邊的數(shù)據(jù)調(diào)整及其說明： // Bse Bcpt elbw wrst wrstR grppr int code armdata[] = { 0, 700, 800, 540, 750, 1000, //關(guān)節(jié)j1回轉(zhuǎn)到0位置，關(guān)節(jié)j6處于最大轉(zhuǎn)角處，如圖1 0, 550, 800, 540, 750, 1000,//關(guān)節(jié)j2轉(zhuǎn)角開始變小，手臂開始下降，如圖2 0, 400, 800, 840, 7

27、50, 1000,//關(guān)節(jié)j2和關(guān)節(jié)j4同時改變，使機械手末端操作器平直地到達拾取物體的適當位置，如圖3 0, 400, 800, 840, 750, 860,//關(guān)節(jié)j6轉(zhuǎn)角變小，使末端操作器實現(xiàn)夾緊物體的動作 0, 400, 800, 840, 750, 860,//夾緊物體穩(wěn)定，如圖4 0, 550, 800, 640, 750, 860,//關(guān)節(jié)j2轉(zhuǎn)角開始變大，同時為了使物體平穩(wěn)升起，關(guān)節(jié)j4轉(zhuǎn)角變小，物體被提起，如圖5 0, 700, 800, 540, 750,

28、 860,//物體被提升到最高位 0, 700, 800, 540, 750, 860,//物體在高位達到穩(wěn)定，如圖6 1000, 700, 800, 540, 750, 860,//關(guān)節(jié)j1轉(zhuǎn)角變大，使物體從左邊高位被運送到右邊高位 1000, 700, 800, 540, 750, 860, 1000, 700, 800, 540, 750, 860,//物體在右邊高位達到穩(wěn)定，如圖7 1000, 550, 800, 640, 750, 860,//關(guān)節(jié)j2和關(guān)節(jié)

29、j4同時變化，使物體平穩(wěn)下放，如圖8 1000, 400, 800, 840, 750, 860,//物體下放到地面，如圖9 1000, 400, 800, 840, 750, 1000,//物體在地面達到穩(wěn)定，手臂松開物體，如圖10 1000, 550, 800, 640, 750, 1000,0xff};//機械手臂上升回位，如圖11 5.2.2機械手從左邊搬運物體到右邊的運動步驟及插圖 開始啟動 圖1 手部下降 圖2 手部到達指定位置

30、 圖3 夾緊物體 圖4 開始提升重物 圖5 重物上升到最高位 圖6 運送物體到達右端高位 圖7 重物開始下放 圖8 重物下放到右端地面 圖9 手部松開重物 圖10 機械手回位，第一次運送完成 圖11 第六章 設(shè)計總

31、結(jié)和感想 本次機電系統(tǒng)課程設(shè)計是采用分組合作的形式進行的。這次設(shè)計經(jīng)歷了好幾個周的時間，剛開始那幾天，由于對機器人的實際操作能力比較欠缺，之前也不怎么接觸機械手，因此到了實驗室都不知道如何下手。后來，在老師和兩個師兄的幫助下，我們開始有了想法，為了更方便學習，后來我們向老師申請把機械手帶回宿舍進行學習和研究，老師也同意了我們的申請。在寢室里面，我們幾個同學一起合作，最終還是成功的使機械手動了起來，當時心里面也挺激動的，雖然有點累，基本上午覺我們都沒有睡，但是感覺自己這幾天的辛苦還是沒有白費，挺有成就感的。 總的來說，通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，以前在學

32、習《C語言編程》和《單片機應用》的時候，總是覺得學校安排的這些課都沒什么用，當時也只是學了一些理論知識，一點實際操作的經(jīng)歷都沒有，這次課程設(shè)計中我才發(fā)現(xiàn)，不是學習《C語言編程》和《單片機應用》沒用，是我們沒有把它們用在實際操作當中，因為光是學校理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力，才能真正學會它們的用法，才會充分地去利用這些珍貴的資源。 另外，我們在此次課程設(shè)計的過程中遇到了很多問題，可以說得是困難重重，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己真的有很多不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。后來通過查資料，分析資料及

33、請教老師和同學等途徑，在全組同學的努力和合作下，這次課程設(shè)計終于順利完成了，此次課程設(shè)計，我們學到了很多課內(nèi)學不到的東西，比如獨立思考解決問題，出現(xiàn)差錯的隨機應變，和與人合作共同提高，都受益非淺。 在此，我要再次感謝蔡老師、楊老師以及兩位師兄在我們設(shè)計過程中對我們的細心指導，沒有他們的幫助，我們不可能這么順利地完成本次課程設(shè)計，謝謝你們！ 參考文獻: [1] 韓建海.工業(yè)機器人[M]. 華中科技大學出版社，2013.1 [2]譚浩強.C程序設(shè)計教程[M]. 北京：清華大學出版社，2007.5 [3] 張毅剛. 單片機原理及應用[M]. 北京：高等教育出版社，2004.1 [4] 機電一體化技術(shù)手冊編委會. 機電一體化技術(shù)手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.9 [5] 陸昆，奚大順，李之權(quán)等. 電子設(shè)計技術(shù)[M]. 北京：電子科技大學出版社，1998.10 18