三自由度微型直角坐标工业机器人模型设计论文.docx

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三自由度微型直角坐标工业机器人模型设计论文

沈阳工程学院

课程设计

设计题目：

三自由度微型直角坐标工业机器人模型设计

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时间进度安排

顺序

阶段日期

计划完成内容

备注

1

2012.1.2

讲解主要设计内容，布置任务

打分

2

2012.1.3

检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误

打分

3

2012.1.4

检查机械结构设计并指出错误及纠正；

打分

4

2012.1.5

继续机械机构和传动机构设计

打分

5

2012.1.6

进行控制系统设计

打分

6

2012.1.9

检查控制系统原理图设计草图

打分

7

2012.1.10

完善并确定控制系统

打分

8

2012.1.11

指导学生进行驱动机构的选择

打分

9

2012.1.12

进行传感器的选择和软件流程设计

打分

10

2012.1.13

检查任务完成情况并答辩

打分

2011-12-30

本文所设计的题目是三自由度微型直角坐标工业机器人，主要介绍了一个基本的三自由度直角坐标机器人的详细制作过程。

该机器人可由人工操控抓取物体，并且可以记忆示教盒发出的指令而进行自动控制。

由于该机器人只是微型模型，因此该机器人并无太大的实际用途，然而它的相关机器人技术广泛运用于世界上自动化生产。

机器人技术是集机械学、力学、电子学、生物学、控制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的综合性很强的新技术，发展机器人技术的意义在于：

（1）提高生产效率降低人的劳动强度；

（2）机器人做人不愿意做或做不好的事；（3）机器人做人做不了的事情。

本文分为六个部分，详细讲述了包括三自由度直角坐标机器人的机械结构、传动机构、伺服级驱动电机及其驱动控制电路、传感器系统、示教盒的设计过程。

在本文的这几个部分中，读者将会看到机器人从无到有的设计过程。

关键词：

三自由度、直角坐标，C8051F020单片机，无线，伺服电机

目录

中文摘要IV

1三自由度直角坐标工业机器人设计任务描述1

1.1设计主要内容及要求1

2设计思路2

3工作流程图3

4三自由度直角坐标工业机器人4

4.1机械结构的设计4

4.2传动机构的设计5

4.3驱动控制电路及软件的设计7

4.4传感器系统设计8

4.5机器人控制器的设计10

4.6示教盒的设计11

5程序流程图12

6主要元器件介绍13

6.1C8051单片机13

6.2舵机S301013

6.3比较器LM39314

6.4光电增量式旋转编码器YZ30D-4S-2NA-20014

6.5无线发送模块PTR200015

总结16

致谢17

参考文献18

附录119

1三自由度直角坐标工业机器人设计任务描述

1.1设计主要内容及要求

1.1.1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。

1.1.2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。

1.1.3发挥部分

自由发挥

2设计思路

我的设计思路是首先将要设计的机器人分作几个模块，然后分别进行设计。

再设计这几个模块的时候，我以以下几个原则作为三自由度直角坐标机器人的设计：

1.认真分析工作任务；

2.合理选择方案；

3.协调机器人与人工操作，使综合效益最好。

经过一番深思熟虑，我将机器人的设计分作以下几个模块：

（1）机器人的机械结构设计

机器人机械结构主要要考虑到三自由度和直角坐标的两个概念，从这两个概念作为出发点为机器人的各项功能作出规划。

（2）机器人的传动装置设计

传动装置在机器人中机器重要，它将驱动与机器人的机械臂和末端操作器联接起来，它的设计主要考虑它需要的运动空间的大小、传动精度和速度。

（3）机器人的驱动及其驱动电路设计

这部分首先要选择好的驱动电机，这个“好”字主要包括驱动电机的负载能力，工作速度以及工作精度。

在确定电机之后在根据电机的控制要求设计驱动电路。

（4）机器人的控制电路及软件设计

这部分主要选择合适的控制器，并且优化控制算法。

（5）传感器系统的设计

这部分相当重要，只有这部分设计好了之后，返回了机器人内外部的各种信息之后，机器人才能做出正确决断。

（6）机器人的无线人工示教盒设计

这部分的设计比较简单，但是要求具有无线发送的功能。

3工作流程图

图3.1三自由度直角坐标工业机器人工作流程图

4三自由度直角坐标工业机器人

从体系结构来看，机器人由三大部分构成，分别是：

1、机械部分：

用于实现各种动作；

2、传感部分：

用于感知内部和外部的信息；

3、控制部分：

控制机器人完成各种动作。

在本文中的设计中，机械部分包括了机械臂、传动机构、末端操作器、底座。

而在传感部分分为外部传感器和内部传感器，外部传感器测量外部信息，使用了红外避障传感器和CCD视觉传感器；内部传感器检测机器人自身的动作和状态，使用了碰撞开关、超声波传感器、光电编码器、压电传感器等。

控制部分分为示教盒部分和机器人控制部分，分别使用了C8051系列的F310和F020两个型号的单片机作为核心控制器。

4.1机械结构的设计

首先从课题要求出发，设计出直角坐标机器人，从我所学的工业机器人知识来看，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x、y、z轴上的运动是独立的,运动方程可独立处理,且方程是线性的,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。

但是,它的操作范围小,手臂收缩的同时又向相反的方向伸出,即妨碍工作,且占地面积大,运动速度低,密封性不好。

图4.1直角坐标机器人

要设计三自由度的机器人，必须要知道自由度的概念——自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目,不应包括手爪（末端操作器）的开合自由度。

自由度的计算式是：

（1）

其中n为活动构件数，PL为低副数，PH为高副数。

图4.1中的机器人就是有3个活动构件和3个低副组成，由公式

（1）可得自由度为3。

因此我就使用图4.1结构。

末端操作器的设计需要根据使用目的进行选择，在本次课程设计中，具有抓取小部件的功能，因此末端操作器使用斜楔杠杆式手爪，如图4.2所示，这种手爪容易更改方向，抓取力较小，但是都符合本文中抓取任务的各项条件。

另外，这种手爪的力度与该手爪的斜楔的位置相关，因此易于力度的控制，以适应于多种工作环境。

图4.2斜楔杠杆式手部

为了能够增加工作范围和操控性，我设计了活动的底盘（如图4.3所示），这个底盘由四个轮子支撑，并且配备了直流电动机以驱动机器人行走，这个驱动机构将在本文后续详细讲解。

图4.3四轮机器人底座

4.2传动机构的设计

对于本文中的机器人，它的驱动机构是伺服直流电机（本文后续会提到），这种直流电机在角度上有很高的精度，而角度与它的转动的线速度又成线性的关系，因此我采用了齿轮齿条传动机构，如图4.4所示。

图4.4齿轮传动机构

当伺服电机驱动齿轮转过一定角度之后，齿条也会移动相应的距离，这段距离的计算公式为：

（2）

公式

（2）中的S为齿条移动距离，angle即为伺服电机转过的角度，而d为齿轮的直径。

当齿轮直径确定之后，S与angle之间便成线性关系。

公式

（2）说明了这种传动机构理论上的精确性和简单性，但是在实际应用中，这种传动有不可避免的回差。

在这里无论是机械臂的移动，还是手爪的开合都使用了齿轮齿条结构。

之所以这样选择，主要是鉴于该结构易于制造和控制。

对于机械臂的驱动，使用了三个伺服电机分别控制X轴，Y轴，Z轴的位移。

而对于斜楔杠杆式手部只使用了一个伺服电机，通过控制手爪上斜楔的位移来使手爪开合。

对于底盘轮的设计，我们使用了齿轮链结构，如图4.5所示。

图4.5齿轮链结构

齿轮链是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。

它不但可以传递运动角位移和角速度,而且可以传递力和力矩。

现以具有两个齿轮的齿轮链为例,说明其传动转换关系。

其中一个齿轮装在输入轴上,另一个齿轮装在输出轴上。

使用齿轮链机构应注意两个问题。

一是齿轮链的引入会改变系统的等效转动惯量,从而使驱动电机的响应时间减小,这样伺服系统就更加容易控制。

输出轴转动惯量转换到驱动电机上,等效转动惯量的下降与输入输出齿轮齿数的平方成正比。

二是在引入齿轮链的同时,由于齿轮间隙误差,将会导致机器人手臂的定位误差增加;而且,假如不采取一些补救措施,齿隙误差还会引起伺服系统的不稳定性。

4.3驱动控制电路及软件的设计

在本次设计中，我选用Futaba3010型号的伺服电机，该伺服电机的介绍可以参考本文后面的元器件介绍。

该驱动电机只有三个接线端子，分别是电源、地、PWM控制线。

因此需要有一个稳定的电源和PWM调制模块。

5.0V稳压源的设计如图4.6所示

图4.65.0V稳压电路

图4.6中的J1插孔为7V电压输入端，其中1接电池正极，而2接电池负极。

图中所标+5V即为稳压源输出端。

在这个电路中有一个很重要的元件——5V稳压片LM7805

对于PWM调制电路则使用C8051F020单片机的PCA模块产生。

详情请看本章下一节。

除了伺服电机的控制以外，机器人的前进也使用了直流电机，这个直流电机亦是PWM调制方式，但是需要另加一个驱动片LM298进行驱动，其驱动电路如图4.7所示。

图4.7直流电机驱动电路

图4.7中的JP7和JP8分别控制机器人的左方轮和右方轮的前进和后退。

LM298的真正作用是输出与PWM波形占空比程一定关系的直流电流，以此驱动直流电机的转动方向和速度。

4.4传感器系统设计

在本节中，将把传感器系统的设计分为外部传感器系统设计和内部传感器设计两个部分来进行讲解。

（1）外部传感器系统设计

本文中涉及到的外部传感器一共有两种：

一种是红外避障传感器；另一种是CCD（电荷耦合器件）视觉传感器。

红外传感器按水平面安装在底盘的四周，如图4.8所示

图4.8底盘俯视图

当人工控制或自动控制行走时，很有可能撞上其他物体而使机器人受损，在加上这四个避障传感器之后，机器人可以自己避开障碍物或者在撞上障碍物的时候自动停止。

图4.8中使用最少的传感器检测机器人前后左右四个方向的障碍物，如此既经济又实惠，当然避障传感器越多能检测的范围更大，但是费用也随之增加。

CCD视觉传感器用于探测要抓取物体的信息，根据这些信息控制手爪具体行动线路和手爪张开的大小。

因此CCD视觉传感器应当装在手爪上，并且不会不影响手爪工作，也不会让手爪影响传感器工作。

（2）内部传感器系统设计

内部传感器对机器人自身状态进行检测，在本文的设计中有碰撞开关，超声波传感器，光电编码器，压电传感器。

常闭碰撞开关作为机械臂的移动的限制，每个机械臂安装两个，分别安装在机械臂的位置上限和下限上，如图4.9所示。

图4.9碰撞开关的安装

如图4.9所示，当机械臂作左平移运动，当碰到常闭碰撞开关时，开关断开，由如图4.10电路检测，当开关闭合时，A点电压为“0”，当开关断开时，A点电压为“1”。

图4.10碰撞开关电路图

超声波传感器测量传感器移动的位移，以便于掌握移动的精度。

它应当和碰撞开关装在一个位置，并且朝机械臂的固定参考点处发射超声波。

压电传感器的作用是检测手爪的握力，以便于机器人控制力度。

压电传感器应该装在手爪的指头上，这个位置应当能与物体受力点充分接触，以准确的反馈回去握力信息。

光电编码器的作用主要是测量机器人的前进速度，通过齿轮链结构与底盘的直流电机齿轮相连，光电编码器的输出波形的频率与电机转速线性正比例相关，由此计算出车速，通过PID速度控制器控制机器人的移动速度。

4.5机器人控制器的设计

我在本文中选择了C8051F020单片机作为机器人的核心控制器。

在这里单片机的主要作用是启动PCA0模块产生相应的PWM方波，并且根据传感器部分返回的信号控制电机的运作状态。

首先，单片机的运作需要一个3.3V的稳压源，这个3.3V的稳压源是以图4.6的5.5V电源为基础的，如图4.11所示

图4.113.3V的稳压源

图4.11中的“3”端即为5.5V电压输入端，而VDD0即是3.3V电压输出端。

当电源接通之后，图中的指示灯会发光。

图中的三端元件即是3.3V稳压片1117。

再有了稳压源之后，单片机可以正常工作了，只要编辑程序就可以调用单片机内部的PCA0模块就可以输出可变占空比的PWM调制方波。

单片机的电路如图4.12所示

图4.12单片机系统

图4.12中包括了外部晶振系统、复位电路。

对于单片机的软件（程序）设计请参考第五章的机器人程序流程图，在这里只做简要介绍。

4.6示教盒的设计

由于示教盒的功能只是发送相应指令，并无其他特别功能，因此，从减少功耗和控制盒的小巧型出发，我选择C8051F310作为核心控制器。

C8051F310控制器只需要使用单片机的UART0串行接口与PTR2000无线通信模块相连，就可以与机器人上的PTR2000无线通信模块进行无线通信。

5程序流程图

6主要元器件介绍

6.1C8051单片机

C8051F020/1/2/3器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚（C8051F020/2）。

下面列出了一些主要特性；

高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）

全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）

真正12位（C8051F020/1）10位100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关

真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关

两个12位DAC，具有可编程数据更新方式

64K字节可在系统编程的FLASH存储器

4352（4096+256）字节的片内RAM

可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口

硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口

5个通用的16位定时器

具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列

片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器

具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020/1/2/3是真正能独立工作的片上系统。

所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。

FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。

片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。

该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。

在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

每个MCU都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-3.6V的电压工作。

端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。

6.2舵机S3010

S3010技术规格

整体介绍：

主用途通用伺服器

特征：

低成本，高扭矩

其他MATAL轴承，引线长300mm，HORND

寸法：

（L×W×H）40.0×20×38.1[mm]

重量：

41[g]

输出扭矩：

6.0V时6.5+1.3[Kg.cm]

动作速度6.0V时0.16+0.02[Sec/60度]

动作方向：

CWpulse窄（1520→920[us]）

CCWpulse宽（1520→2120[us]）

动作角度：

CW60+10[度]

CCW60+10[度]

左右差MAX10[度]

deadBand：

6+3us（除去自动检查夹具）

使用电压范围：

4.0~6.0[V]

使用温度范围：

-10~+45[℃]

保存温度范围：

-20~+60[℃]

6.3比较器LM393

工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：

2～36V，双电源:

±1～±18V；

消耗电流小，Icc=0.8mA；

输入失调电压小，VIO=±2mV；

共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V；

输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；

输出可以用开路集电极连接“或”门；

采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8脚塑料封装（SOP8）

图6.1LM393各引脚以及内部原理图

6.4光电增量式旋转编码器YZ30D-4S-2NA-200

输出方式：

NPN集电极开路

电源电压：

5~24VDC（P-P5%以下）

脉冲数：

200

输出相：

A，B，Z三相

输出相位差：

A，B相之间的相位差相T/4-T/8（T为一个周期）

负载电流：

30mA以下，管压降：

0.4VDC以下

最高响应频率：

180KHZ

图6.2输出时序图6.3编码器各线功能

6.5无线发送模块PTR2000

PTR2000工作频率为国际通用的数传频段433MHz；采用FSK调制，扩展能力强，特别适合工业控制场合；使用DDS+PLL频率合成技术，频率稳定性好；低工作电压（2.7V），功耗小，接收待机状态仅为8pA；具有两个频道，特别适合需要多信道工作的特殊场合；工作速率最高可达20Kbit/s（也可在较低速率下工作如9600bit/s）‘可直接接CPU串口如8051．也可以接计算机RS232接口，软件编程方便；由于采用低发射功率（+10dBm），高接收灵敏度（-105dBm）的设计，使用无需申请许可证；标准ＤＩＰ引脚间距．更适合嵌入式设备。

PTR2000可用于遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、图6.4PTR2000引脚图

小区传呼、工业数据采集、无线标签、身份识别、非接触ＲＦ智能卡、小型无线数据终端、生物信号采集、水文气象监测、机器人控制等应用场合。

PTR2000的软件编程方法如下所述：

（１）发送：

①通信速率最高为20kbit/s，也可在其他速率如4800bit/s、9600bit/s下工作，无需设置PTR2000的工作速率｝③发送数据之前需将模块置于发射模式，TXEN=1；③至少5ms后（接收到发射的转换时间），可以发送任意长度数据；④发送结束后将模块置于接收状态，TXEN=0；⑤发射到接收的转换时间5ms。

（２）接收：

①将PTR2000置于接收状态，TXEN=1；②接收到的数据可直接送到单片机串口或经电平转换后送到计算机。

总结

我们大学里最后一次课程设计就是这次的工业机器人课程设计了，在为期两个星期的设计过程中，我们都非常努力地做好自己的课设，期望在新年里有一个充满活力和希望的开始。

课设的成果都是用自己辛勤的汗水浇灌出来的，虽然很累，但是却硕果累累。

当同学们一起讨论，一起研究这次课程设计时，我们都感到了同学们深深的留恋。

因此做好这次课程设计对我们来说意义非凡。

在课程设计刚开始的头两周里，我们的祝老师依然像平常的课程设计一样，给予我们最充分的指导，正因为有了这些指导给了我们方向，我们才能有乘风破浪，披荆斩棘的勇气，才能不迷失于广阔无垠的知识海洋之中。

在接下来的几天里，我在学校的图书馆里翻阅了各种各样的资料，最终找到了机器人设计的方案，我首先想到了最简单的三自由度直角坐标系机器人的结构，我们在工业机器人的课上曾经接触到，无非是由三个线性关节组成，这种线性的滑动关节非常简单，因此非常易于设计和控制，这就是我为何要选择这种机器人的缘故。

由于我们学习过许多机器人相关的各种课程，例如工业机器人、机器人、自动控制原理等许多非常有用的课程，因此在设计机械结构和控制算法上有着非常厚实的基础知识。

驱动器我选择精度非常高的伺服电机，传动机构为齿轮传动，末端操作器使用夹钳式手部，使用我们所熟悉的51单片机进行控制。

如此一来，机器人的大致方案就制作出来了。

除此之外，我不断地吸收了其他同学的方案中的各种优点，最后使得我的机器人课程设计圆满完成。

虽然历经各种困难，我依然感到十分欣慰，在着大学中最后的课程设计中，我将大学里所学到的所有知识全部用上，这也彻底检验了我大学的学习成果，我将永远牢记这次珍贵的课程设计。

致谢

对于在课程设计中帮助过我的老师们与同学们，我在这里致以最真诚的感谢，没有他们，我根本不能有现在这个成果，最多也是勉强完成任务。

在这些帮助过我的人中，我要特别的感谢我的恩师祝尚臻祝老师，是他在这整整两周里给予我最大的关怀与鼓励，帮助我渡过一个又一个的难关，激励着我不断挑战我自身的巅峰与极限。

在祝老师面前，只能这最终的成果来报答这位老师的辛勤教导。

同学们的友好的帮助就像是沙漠中的无可替代的希望之洲，像冬季天空中温暖的太阳，这让我感受到无比的力量，前所未有的干劲。

然后后，我还要感谢父母在背后的支撑，他们的环绕在耳边的祝福与叮嘱是我的力量的源泉所在。

最后我想整个沈阳工程学院的学生都必须要感谢的就是沈阳工程学院的各级领导和党，是他们给而我们提供了良好的学习生活环境，让我们这些祖国的花朵尽情地生长和绽放。

参考文献

[1]贾伯年.传感器技术.南京：

东南大学出版社，2007

[2]丁镇生.传感器及传感器技术应用.北京：

电子工业出版社，1998.8

[3]陈尔绍.传感器实用装置制作集锦．北京：

人民邮电出版社，1999.10

[4]鲍可进.C8051F单片机原理及应用.北京.中国电力出版社，2006.1

[5]高国富，罗均，谢少荣，李小鸥.智