毕业设计说明书机器人手臂的开发与使用.docx
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毕业设计说明书机器人手臂的开发与使用
毕业设计说明书
设计题目:
机器人手臂的开发与使用
摘要
本设计以市场上某款6自由度机械手为对象,对其安装连接、几何结构、电路控制、上位机软件进行了详细介绍。
并根据上位机指令控制机械手原理,制定了手工编写指令的标准。
最终在此标准的基础上,设计开发了由自动编程软件输出程序、仿真软件检验程序、机械手执行程序的体系,从而达到机械手离线编程的目的。
关键词
机械手;安装连接;几何结构;电路控制;自动编程;仿真
Abstract
Thedesignbasesonasectionof6-DOFmanipulatorinthemarketfortheobject,andconductsamoredetailedintroductionaboutInstallationandconnection,manipulatorgeometry,circuittheory,hostcomputersoftware.Thedesigndevelopsastandardabouthand-writteninstructions,basedonprinciplesofhostcomputersoftware.Ultimatelybasedonthisstandard,thedesignachievestheirgoalsofoff-lineprogrammingbytheautomaticprogrammingsoftwareoutputinstruction,emulationsoftwaretesting,manipulatorimplementation.
Keywords
Manipulator;Installationandconnections;Geometricstructure;Thecircuitstructure;Hostcomputersoftware;Automaticprogramming;Simulation
1.引言
本设计是在原有机械手臂配置的基础上,为其更深一步的开发与使用而进行的作业,也是为满足机械手臂使用者,机械手臂维护者的需要而进行编制。
本设计的内容将涉及包括:
机械结构、电路控制、visualbasic编程、三维仿真等内容,最终达到不改变硬件、软件条件下,通过制定规范标准,完成离线编程功能开发的目的。
2.机械手简介
机械手出现在20世纪中期,以其运动的重复性及准确性得到极大的发展,已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的主要标准。
通常机械手臂有机械系统,控制系统组成。
其控制方式种类较多,早期以机械部件实现,近几十年微机技术成为控制的主要形式[1]。
2.1机械手在国民生产生活中的意义
工业生产:
机械手的出现加快了机械工业进入自动化,省人化,高效化的领域。
随着工业发展的进行,在国民生产劳动密集性行业中,劳动量与劳动价值比例需要进行改革。
减少成本是现代企业增加竞争力的有力手段,以日本为例,在第二次世界大战后,日本劳动力对于经济的高速发展出现严重不足的困难。
为此,日本在1967年从美国引入机器人及其技术,并在其后短短十几年的时间中机械人在各个领域中广泛被使用。
机械人的特性使生产成本大为降低,成功的令日本物美价廉的产品以绝对优势进入美国市场,迫使美、英、法等国不得不采取措施,奋起直追[2]。
居民生活:
逼真的人形机器人为居民生活提供帮助[3]。
随着第一款人造假肢的问世,机械肢便被赋予崭新的意义。
据调查目前,国际社会公认的全球残疾人比例约为全球总人口的10%,平均每十个人就有一个人是残疾人,机械肢可以协助部分残疾人恢复自理能力[4]。
医疗器械的机器人化也在不断的加深。
手术简单化,创口小型化可以大大提高手术成功率与术后恢复能力。
小型化的医用机器人正不断的被研发出来进入医院,协助进行各种不同的医疗救助[5]。
2.2实物机械手简介
本设计以市场上某款机械手为对象进行几何机构分析,控制电路分析,并通过编程功能达到复杂动作功能。
本设计采用设备:
1、6自由度铝合金机械手(实物如图1所示)
2、32路控制系统
图1 6自由度铝合金机械手
此机械手是有六个伺服电机的机器手臂。
人类的手臂,除了肩、肘、腕三个关节外,还有手指的关节,此机械手模拟仿真了除手指外其它关节。
使用了6个舵机可以实现手的简单动作,例如抓取鸡蛋。
产品配置:
1、机械手臂1台
2、机械手臂控制器1台
3、串口线1条
4、电池盒1个
5、光盘1张
3.机械手连接指南
在机械手运动之前必须将机械手臂与控制器进行正确连接,并将控制器进行合适设置,最后通过上位机软件输出控制信号进行控制。
3.1接线连接
1、在安装前必须准备好以下工具:
图2 工具
2、控制器接口介绍:
图3 控制器接口
备注:
波特率设置
图4 波特率1
控制器出厂设置波特率默认值为:
115200(即两个针冒都插上)。
此控制器,只能设置4种波特率,插上针冒表示“1”,没插针帽表示“0”。
四种波特率设置见下图5种设置图解:
图5 波特率2
3、连接伺服电机电源
图6 伺服电机电源
因为伺服电机工作电流比较大,我们使用直流稳压电源给六个伺服电机供电。
把准备好的导线按照图中的接线孔和直流稳压电源进行连接。
注意电源的正负极性。
(备注:
在电源接线过程中需要用到一字螺丝刀)
4、连接伺服电机
图7 伺服电机连接
控制器一共有32路电机驱动,我们使用第1-6路。
控制器上有三排插针用来连接伺服电机。
每个插针的用途在图中已经标出。
每路伺服电机接线有三路组成,分别为电源线(中间红色)、地线(黑丝或棕色)信号线(白色或棕色)。
按次序将六路伺服电机连接到控制器上。
5、连接控制器电源
控制器上共有三路电源输入口,中间为单片机电源输入口,需将配件中的电池盒正确的连接到此电源输入口上。
6、将控制器和电脑串口进行连接
使用配件中的串口线,按照正确的接口方法,将控制器串口和电脑串口连接。
3.2软件调试
1、打开电脑上位软件
图12 上位机软件界面
在光盘“上位机软件”文件夹中双击“6servorobotarmcontroller.exe”文件,就在电脑中显示上位机界面,如图12所示
图13 通道选择
选中1-6通道的复选框,使数值条处于有效状态
2、机械手实现运动的操作流程
(1)、先将直流稳压电源旋钮调到最小,打开直流稳压电源开关,由小到大,将电压调到6V,电流调到2A或更大。
(2)、将准备好的6节AA电池正确的装入电池盒。
(也可使用直流稳压器代替)
(3)、点击上位机软件左上角的“连接”按钮。
(4)、点击软件中的“复位”按钮,然后再点击左下角的“运行”按钮,机器手臂便可运动了。
3、上电前最后检查:
伺服电机电源接线、六路伺服电机接线、单片机电源接线。
注意:
无法动作现象处理
(1)、查看单片机电源是否有接反的情况
(2)、查看伺服电机接线方向是否正确
(3)、查看控制器板上波特率跳线是否正确
(4)、查看上位机软件的COM口设置。
COM1是通用端口,对多数台式机来说,选“COM1”口便会和电脑成功连接。
如果COM1口不成功的话,可选用COM2口。
(5)、如果以上原因都被排除,机器手臂还是无法远动,可检查伺服电机电源电流,如电量不足,可适当调整稳压电源输出。
4.机械手几何部件
机械手几何结构组成:
爪、臂、底座
4.1爪
手部(亦称抓取机构)是用来直接握持工件的部件,按其工作原理课分为两类:
夹持类和吸附类。
本设计机械手为平移型外夹式手部,其手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成[6]。
图16 爪
平移型外夹式手部,夹持力计算[7]
图17 夹持力
*AB为直接夹取产品部分,故接触点由实际装夹时测量为准。
(5mm≤d≤35mm)
*通过查询手部舵机参数,得舵机输出力矩为1.8KG*cm
*由实际测量得α=75度,BC=19.8mm,c=31mm,b=0mm;故e=BCsinα=19.13mm
由公式
;得夹持力计算公式:
4.2臂
4.3底座
机械手底座是承受机械手主体及所夹物件重量、定位机械手臂的部件。
通常情况下机械手底座分两类:
1.不可移动型,机械手臂被固定在底座上不可移动,机动性较低。
2.可移动型,机械臂被安装在可移动的底座上,机动性较高[10]。
5.机械手电控部件
电控部件为机械手数据处理中心
5.1电控实物解析图:
图19 电控实物解析图
a.WIFI扩展接口:
Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备(如PDA、手机)等终端以无线方式互相连接的技术。
通过加载WIFI设备可以实现无线控制,摆脱串口控制[11]。
b.232串口:
串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。
大多数计算机包含两个基于RS232的串口。
串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议;很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。
同时,串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据[12]。
c.单片机:
atmega168单片机是基于AVR增强型RISC结构的低功耗8为CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,atmega168的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓解系统在功耗和处理器速度之间的矛盾[13]。
d.串口波特率跳线:
电子通信领域,波特率即调制速率,指的是信号被调制以后在单位时间内的波特数,即单位时间内载波参数变化的次数。
它是对信号传输速率的一种度量,通常以“波特每秒”(Bps)为单位[14]。
e.单片机ISP下载口:
ISP口提供了在线编辑的可能,非ISP单片机在下载程序或烧写程序时,需要将单片机从电路板上取下,并通过专业烧入器将程序烧入单片机。
ISP功能支持直接在线编程调试,免去装取单片机[15]。
f.控制板电源接口:
控制板电源主要供电对象分两类:
一、提供单片机电源,单片机采用了稳压技术支持输入的电压范围6V~12V。
二、提供舵机电源,机器手臂共采用了6组舵机,其输入电压在4.8V~6V之间。
(低于最低电压时容易出现机械手臂颤抖现象。
)
g.舵机接口:
本机器手臂用到6组接口,每组接口分为:
地线、电源线、信号线。
5.2电路原理图
此电路主功能由以下几部分构成:
1、电源模块;
2、JSP下载模块;
3、串口模块;
4、MCU模块;
5、舵机信号输出模块
各部分详细功能如下:
5.2.1电源模块
此机械手电源分为两类:
1.单片机电源,2.舵机供电电源
1、单片机等控制元件电源(6V-12V)[17]:
电源模块主要有元件:
78M05,电容组成
78M05主要功能:
主要参与稳压电路,能提供多种固定的输出电压,应用范围广。
内含过流、过热和过载保护电路。
带散热片时,输出电流可达1A。
其功能框图如图22。
注:
(1)、输出电压为5V。
输入电压,即使是纹波电压的低值点,都必须高于所输出电压1V以上。
(2)、当稳压器远离电源滤波器时,要求用C3。
(3)、C5可改善稳定性和瞬态响应。
2、舵机供电电源(4.8V-6V)
此控制系统提供32路控制功能,分两个电源供电1-16路、17-32路。
标准的微型舵机有三条控制线,分别为:
电源、地及控制。
电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能量,电压通常介于4V-6V之间,该电源应尽可能与处理系统的电源隔离(因为舵机马达会产生噪声),甚至小舵机在重负荷时也会拉低放
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