機電一體化課程設計-六自由度機械手的整體設計

《機電一體化課程設計-六自由度機械手的整體設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《機電一體化課程設計-六自由度機械手的整體設計（18頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

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)以人工智能技術制定的原則綱領行動。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)代微電子技術組合而成的一種能模仿人某種技能的機械電子設備，他是在電子、機械及信息技術的基礎上發(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。 機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的

2、領域。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)和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 1.1機器人概述 機器人集中力機械工程、電子技術、計算機技術、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，是當代科學技術發(fā)展的最活躍的領域之一。現(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。 本次課程設計的內(nèi)容就是設計六自由度機器人，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、控制板等部分構成。六個步進電動機分別控制六個轉動關節(jié)，每個關節(jié)設計最大轉動角度，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，機械手的每個關節(jié)都由一個獨立的步進電動機控制，其中j1關節(jié)可以實現(xiàn)機身360度旋轉，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構簡圖如下： 機械手結構簡圖 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 機械結構設計 3.1機械手底盤設計 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，在底盤上設置一個能夠旋轉360度的回轉關節(jié)。 其結構圖如下所示： 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）底盤的旋轉角度要高；（4）底盤的轉動靈活性要好。 3.2機械手臂部設計 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節(jié)連接，小臂和大臂也用一個擺動關節(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。 其結構圖如下所示： 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，而且腕部是連接機械手的臂部和手臂的部件，它是由一個擺動關節(jié)和一個回轉關節(jié)組成，也具有兩個自由度。 其結構圖如下所示：

10、 機械手腕部圖 機械手手腕應具有的性能：（1）結構要緊湊；（2）擺動彎曲和轉動的靈活性要好；（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和一個四連桿機構實現(xiàn)的。 其結構圖如下所示： 手部結構簡圖 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 電氣結構設計 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步進電動機的設計計算及選型 由于全閉環(huán)控制系統(tǒng)結構復雜，技術難度較大，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，結構也相對復雜，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。由設計要求知，重物質(zhì)量m為300g即0.3kg。顯然，此刻關節(jié)j2承受的力矩T最大為： T=m*g*L=0.3*10*0.5=1.5N/m 即關節(jié)j2處的步進電動機能夠承受的最大轉矩必須大于或等于1.5N/m。 對于步進電動機的選擇，通?？筛鶕?jù)需要的轉矩大小(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。由上述計算結果知電機需要承受的最大轉矩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)搜尋結束位。 { Delay2cp(1); if(RXD) break; //收到結

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, //關節(jié)j1回轉到0位置，關節(jié)j6處于最大轉角處，如圖1 0, 550, 800, 540, 750, 1000,//關節(jié)j2轉角開始變小，手臂開始下降，如圖2 0, 400, 800, 840, 750, 1000,//關節(jié)j2和關節(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,//關節(jié)j6轉角變小，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,//關節(jié)j2轉角開始變大，同時為了使物體平穩(wěn)升起，關節(jié)j4轉角變小，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,//關節(jié)j1轉角變大，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,//關節(jié)j2和關節(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, //關節(jié)j1回轉到0位置，關節(jié)j6處于最大轉角處，如圖1 0, 550, 800, 540, 750, 1000,//關節(jié)j2轉角開始變小，手臂開始下降，如圖2 0, 400, 800, 840, 7

27、50, 1000,//關節(jié)j2和關節(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,//關節(jié)j6轉角變小，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,//關節(jié)j2轉角開始變大，同時為了使物體平穩(wěn)升起，關節(jié)j4轉角變小，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,//關節(jié)j1轉角變大，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,//關節(jié)j2和關節(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 設計總

31、結和感想 本次機電系統(tǒng)課程設計是采用分組合作的形式進行的。這次設計經(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，通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，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，這次課程設計終于順利完成了，此次課程設計，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] 機電一體化技術手冊編委會. 機電一體化技術手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.9 [5] 陸昆，奚大順，李之權等. 電子設計技術[M]. 北京：電子科技大學出版社，1998.10 18