单片机控制的球坐标机器人设计毕业论文.doc
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1、 单片机控制的球坐标机器人设计毕业论文目录前言11机器人概述22手部的设计和计算42.1 有关此机器人能实现的功能的构想42.2机器人机械结构初步构想42.3机器人控制系统初步构想42.4所用器材、器件的初步拟订53 机器人设计与计算63.1 手部设计63.2 手腕设计83.3 手臂设计93.3 机身设计93.5 电机选择94 控制系统的设计124.1电路原理图的绘制124.2 PCB图绘制124.3 程序设计124.3.1机器人使用说明124.3.2端子分配表134.3.3各输入输出与状态缓存分配情况164.3.4参考程序195有关机器人设计的两个探讨455.1处理器的选择455.1无线实时
2、控制的探讨研究45设计总结47致谢48参考文献4947 / 49前 言机器人设计是我们学完技术基础课与有关专业课后的一次专业课程容的综合设计。所学通过设计,把所学课程(机构分析与综合、机械原理、机械设计、液压与气动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、单片机原理与应用,自动机械设计等)中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用,使这些知识得到巩固和发展,并使理论知识和生产密切地结合起来。目前,国民经济高速发展,工业机械手满足了社会生产的需要,在某种程度上也实现了生产自动化。它在工业生产中的应用也极为广泛。工业机械手操作动作准确,因此可以稳定和提高产品质量,同时也可避免人为的操作错误。此外,机械
3、手能持久、耐劳,可以把人从繁重单调的劳动中解放出来,并能扩大和延伸人的功能。工业机械手的通用性、灵活性好,能较好地适应产品品种的不断变化,以满足柔性生产的需要。本次设计着重点在控制系统的设计。在机械结构的设计上我大胆采用了直线导轨,大导程滚珠丝杠等结构。在控制系统设计上,我力求控制系统的简单、完整、合理、人性化设计。采用了74LS148八三路优先编码器连接键盘和单片机。独立编写了具有速度设置、手动运行、给定量精确运行、自动运行四大功能的控制程序。 1. 机器人概述工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作
4、业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以与非产业
5、界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势: 1工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从1991年的103万美元降至1997年的65万美元。 2机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。 3工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可
6、维修性。 4机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模与决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 6当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机
7、器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 7机器人化机械开始兴起。从1994年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。 我国的工业机器人从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业
8、机器人技术与其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国已安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模化设计,积极推进产业化进程。 我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为
9、突出的是水下机器人,6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种;在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列。2. 总体设计2.1有关此机器人能实现的功能的构想:1 实现老师的要求。2 能够实现现场调试,控制,近程无线控制。
10、运动可以实现给定量的精确运动。在电脑上能利用机器人上的摄像头进行无线近程实时监控。2.2 机器人机械结构初步构想: 可实现: 手臂俯仰 手臂回转 手腕伸缩 手腕回转机器人采用电机驱动,初步估计要用到4个不同型号的电机, 手臂俯仰电机,带谐波减速 手臂回转电机,带谐波减速 手腕伸缩电机,与滚珠丝杠直连 手腕回转电机,带谐波减速2.3 机器人控制系统初步构想:控制系统采用单片机与电脑控制机器人控制系统可分为现场工作控制系统和近程监视控制系统。本设计只详细设计现场工作控制系统.对于近程监视控制系统只做研究性探讨.现场工作控制系统是利用机器人的操作面板实现对机器人的初始化,调试,运作等功能。近程监视控
11、制系统由两部分组成:(1)电脑无线近程监控系统。 电脑无线近程监控系统可实现对机器人的实时监控,从电脑的视频窗口可以看到机器人的实时动作。用鼠标或者键盘输入参数可使机器人实现预定动作一套,实时动作,以与精确实现给定参数运动。(2)近程无线控制器。 近程无线控制器实质是现场工作控制系统的无线化。主要是可以方便的进行操作。2.4 所用器材,器件的初步拟订:单片机 至少两片 型号:89C51驱动,功放电路元件若干电脑 一台无线收发器件 一对摄像头 一台其他 必需的电子元件等。3. 机器人设计与计算3.1 手部设计手部(亦称抓取机构)结构是根据特定的工件要求而设计的。常用的手部按其握持原理可以分为夹持
12、和吸附两大类。吸附类中,有气吸式和磁吸式;夹持类中,主要有夹钳式。夹持类手部按其手指夹持工件时的运动方式,可分为回转型和手指平移型两种。本设计采用夹钳式的手部。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的,它对抓取各种各样的工具具有很大的适应性,可以抓取轴、盘、套类零件。一般情况下,多采用两个手指,少数采用三指或多指。驱动装置为传动机构提供动力,驱动源有液压、气动和电动等几种形式。平移型手指的开闭合靠手指的平行移动,适于夹持平板、方料。在夹持直径不同的圆棒时,不会引起中心位置的偏移。但这种手指结构比较复杂、体积大,要求加工精度高。本设计初选方案为平行型手指,如图:该手部可以更换手指,其驱
13、动采用电机驱动滚珠丝杠,然后驱动齿轮齿条,最终驱动两手指做平行相对移动.由于驱动的中间传动环节较多,机构复杂,加上平行型的手指本来体积就比较大,使得整个手部比较笨重,而且电机控制手部夹紧时,夹紧力不容易控制。最后放弃该方案。回转型手指的开闭合靠手指根部(以枢轴支点为中心)的回转运动来完成。枢轴支点为一个的,称为单支点回转型;为两个的,称为双支点回转型。这种手指结构简单,形式小巧,但夹持不同工件会产生夹持定位偏差。本设计根据导师的要求和手指应该简单小巧,容易控制的要求,最终确定手部方案为双支点回转型手指,液压驱动。如图:有关手部驱动的讨论:手部驱动有气动、液动、电动和机械四种形式气动速度快,结构
14、简单,成本低。采用点位控制或机械挡块定位时,有较高的重复定位精度。液压式手部臂力较大,且可用电液伺服机构,可实现连续控制。使工业机械手的用途和通用性更广。电动式用于小型。机械式只用于动作简单的场合。本设计夹紧采用液压夹紧,但个人认为采用气动会使得动力机构更简单,成本也会降低。夹紧力计算:安全系数,取2.0:工作情况系数: 其中 取手臂长为500mm,根据手臂回转90 可知 取 : 方位系数 因为手腕具有回转功能,故夹紧方式为:手指水平放置夹垂直放置的工件。 取4液压缸直径的选择:(1) 根据手部形状:b=30mm, b=44mm,=360(2)取=0.85(3)确定液压缸的直径D选取压力油工作
15、压力 p=20105PaD=4 F实际/P0.5 =44096/(20105)0.5=51mm根据液压缸径系列826-66,选取D=50mm, d=26mm3.2手腕设计:本设计手腕起到连接手部和手臂的作用。手腕上装有手部回转步进电机。步进电机,步距角1.8带谐波减速器,减速比为100。通过对步进电机的控制可以实现对手部回转角度的精确控制,可以让手部在行程围的实现任意角度的回转。本设计中步进电机的控制系统允许输入最小为单位为1的数值。当然还可以是更小的数值。只要在控制系统的设计上做一些改动就能实现。理论上最小回转角度应该是1.8/100=0.018。手腕座在两平行的直线导轨的滑块上。手腕的直线
16、运动是靠手臂上滚珠丝杠螺母的螺母推动实现的。由于直线导轨和滑块之间是滚动摩擦,摩擦力远比滑动摩擦小的多。所以该结构比用直线光轴导柱要好。而且直线导轨安装方便。本设计采用MSB15E型直线导轨,如图:3.3手臂设计设计要求手臂能实现俯仰运动。并且要支撑手部和腕部。手臂上装有两平行直线导轨。两导轨的滑块用连接板,螺栓连在一起。连接板上用螺栓将手腕和手部固定。手臂后端有步进电机,驱动丝杠螺母,螺母推动连接板使手部直线运动。手臂的俯仰也是用步进电机,通过谐波减速带动的。步进电机固定在机身上。3.4机身设计:机身要实现回转功能,考虑到整个机身重量会很大,为了保持机身的稳定性,其回转支承采用止推轴承和深沟
17、球轴承的组合来提高稳定性。这种组合可以在底座尺寸较小的情况下得到较好的稳定性。底座设计:底座固定在地面,上面装有机身回转电机,提供对机身的支承和回转的驱动。具体形状见图纸。3.5 电机的选择:考虑到要尽量使控制系统设计简单,这里使用同一型号的步进电机,这样会使得控制电路简单,编程也容易。这里要说明为什么选择减速比为100,而滚珠丝杠导程为16mm且不用减速器。设计要求最大的回转角速度=90/s,最大的直线速度为250mm/s,两数值比为1:2.777为使控制简单,各电机采用相同的频率这就要求在这频率下角速度和直线速应该大致满足两个最大值之间的比例关系。假设脉冲频率为f则角速度=f1.8/100
18、v=f1.816/360二者之比为1:4.444由此可以看出二者相差不是很大。应选择合理。电机的选择:步进电动机又称脉冲电动机,是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。其转速具有三个特点:转速(或线速度)与脉冲频率成正比;在负载能力允许的围,不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化;速度可调,能够快速起动、制动和反转。同时,步进电动机还具有定位精度高、同步运行特性好的特点,广泛应用于数控机床、绘图机、卫星天线、自动记录仪与数模转换器等设备上。百格拉三相混合式步进电机,具备上述步进电动机的一切特点,一般用于数控开环系统中作执行元件或驱动元件。由于各电机型号相同,因此以
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