爬杆机器人的研制.docx

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爬杆机器人的研制

1、绪论

1.1机器人系统概论

1.1.1机器人发展状况

随着现代工业的蓬勃发展，特别是进入二十世纪以来微电子技术的飞速发展使得机器人技术也有了长足的发展。

在工业生产中，军工中越来越广泛的使用机器人来替代人的工作，这样不但提高了工业生产的效率而且机器人把人从一些比较恶劣的工作环境中解脱出来，改善了人们的工作环境。

在航天工业中机器人更是发挥着不可替代的作用，给人类探索宇宙做出了巨大贡献。

机器人的使用水平是一个国家工业化发展的水平的一个标志。

在我国实现全自动化生产线的企业还很少，但是机器人自动化生产线在西方一些国家早已经普及，所以生产效率大大提高从而经济得到了迅猛发展。

工业机器人操作机结构的优化设计技术：

探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。

二机器人控制技术：

重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。

机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。

编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。

三多传感系统：

为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。

其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。

另一问题就是传感系统的实用化。

四机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。

五机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。

多智能体（multi-agent）调控制技术：

这是目前机器人研究的一个崭新领域。

主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。

1.1.2机器人的发展趋势

国内外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：

1．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91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。

  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．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及决策控制；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94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，我国的工业机器人技术及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之中。

1.2课题任务

1.2.1课题背景和研究意义

随着机器人在工业、农业、军事法方面的迅速发展，机器人学的发展条件已日趋成熟，他现在已深入到世界和各个国家的各个领域，并在将来的发展中有广阔的发展前景，成为机电计算机之后的又一国家支柱产业。

我国的机器人发展起步比较晚，近几年来发展也很快，较发达国家相比还有一定差距

本课题是属于机器人研制方面的题目。

本课题应用的知识较多，既有机构设计、计算机绘图、有限元分析，又有单片机汇编语言编程等多方面知识。

机器人现已广泛应用于生产、生活的各个领域，在现代生活中，高空作业不断增加，如高楼清洗、油漆、喷涂料、救护、大桥缆绳的检查和维护、电力系统架设电缆、瓷瓶清洁等等。

这些给高空作业的工作人员带来了很大的不安因素。

爬竿机器人能够按照人们预设的动作、代替人完成各种高空作业，改善了工人的工作条件。

该型号机器人使用气缸作为动力元件,具有结构简单、成本低廉、工作可靠等优点。

该装置能够按照人们预设的动作，代替人完成各种高空作业。

因而研制成该机器人，能应用于实际生产当中，有具有一定的经济效益。

通过对这一课题的涉及，能够进一步了解机器人的设计、气动元件的控制等方面的知识。

1.2.2本文完成的主要工作

本题目的设计工作内容为：

研制一台能自动爬杆的机器人。

要求对其机构设计和动力进行计算机构设计、机构运动。

机器人的设计部分包括：

学、动力计算等。

具体内容为：

1、机器人的总体方案设计；

2、机器人夹持机构及其控制系统的设计，折合A1的手工绘图2张；

3、机器人爬升机构设计；

4、进行单片机控制系统设计；

5、完成全部系统的安装调试工作

该机器人的设计规格为：

1、可搬运重量：

最大20Kg；

2、杆直径范围10cm—30cm；

3、爬行速度大约为4m/min；

4、动力部件为气缸，爬升气缸行程大于30cm；

2、系统总体方案设计

2、1机械部分方案设计

机器人采用气缸作为动力元件，包括两个夹紧气缸和两个爬升气缸。

机器人主要有夹紧机构和爬升机构组成，其中夹紧机构包括上加紧机构和下夹紧机构，这两个机构由爬升气缸相连。

两个夹紧机构起保持器的作用，爬升气缸起推进器的作用，为了增加系统的刚性，爬升气缸采用自身代导杆的PGU20X250型气缸。

系统运动框图如图2.1所示：

图2.1机器人运动框图

2.2控制系统方案设计

控制系统采用ATMEL公司的AT89S52单片机为核心控制单元，通过单片机驱动电磁阀来完成机器人的各种动作。

并通过无线数据传输对机器人的起停进行遥控。

为了提高设计效率，我们采用无线数据传输模块来实现对机器人的遥控功能。

2.2.1AT89S52单片机简介

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

管脚图如图5.2所示：

图2.2AT89S52管脚图

VCC:

电源

GND:

地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5MOSI（在系统编程用）

P1.6MISO（在系统编程用）

P1.7SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

RST:

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

PSEN:

外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

EA/VPP:

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。

在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

XTAL1:

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

2.2.2无线数据收发模块功能介绍

线数据传输广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域。

图2.3数据发射模块的电路图

图2.4数据接收模块的电路图

SP发射模块主要技术指标：

1。

通讯方式：

调幅AM

2。

工作频率：

315MHZ/433MHZ

3。

频率稳定度：

±75KHZ

4。

发射功率：

≤500MW

5。

静态电流：

≤0.1UA

6。

发射电流：

3～50MA

7。

工作电压：

DC3～12V

SP接收模块主要技术指标：

1。

通讯方式：

调幅AM

2。

工作频率：

315MHZ/433MHZ

3。

频率稳定度：

±200KHZ

4。

接收灵敏度：

－106DBM

5。

静态电流：

≤5MA

6。

工作电流：

≤5MA

7。

工作电压：

DC5V

8。

输出方式：

TTL电平

SP接收模块的工作电压为5伏，静态电流4毫安，它为超再生接收电路，接收灵敏度为－105dbm，接收天线最好为25～30厘米的导线，最好能竖立起来。

接收模块本身不带解码集成电路，因此接收电路仅是一种组件，只有应用在具体电路中进行二次开发才能发挥应有的作用，这种设计有很多优点，它可以和各种解码电路或者单片机配合，设计电路灵活方便。

单片机对接收模块的干扰

单片机模拟2262时一般都很正常，然而单片机模拟2272解码时通常会发现遥控距离缩短很多，这是因为单片机的时钟频率的倍频都会对接收模块产生干扰，

51系列单片机工作的时候，会产生比较强的电磁辐射，频率范围在9MHZ-900MHZ，因此它会影响任何此频率内的无线接收设备的灵敏度，解决的方法是尽量降低CPU晶体的频率。

测试表明：

在1M晶体的辐射强度，只有12M晶体时的1/3，因此，如果把晶体频率选择在500K以下，可以有效降低CPU的辐射干扰。

另外一个比较好的方法是：

将接收模块通过一个3芯屏蔽电缆（地，+5V，DATA，屏蔽线的地线悬空）将模块引出到离开单片机2米以外，则不管51CPU使用那个频率的晶体，这种干扰就会基本消除。

对于PIC单片机，则没有上述辐射干扰。

可以任意使用。

还可以改用频点较高的接收频率，如433MHz就可增加遥控距离，或者需要采用一些抗干扰措施来减小干扰。

比如单片机和遥控接收电路分别用两个5伏电源供电，将DF接收板单独用一个78L05供电，单片机的时钟区远离DF接收模块，降低单片机的工作频率，中间加入屏蔽等。

接收模块和51系列单片机接口时最好做一个隔离电路，能较好地遏制单片机对接收模块的电磁干扰。

接收模块和单片机的接口如图2.5所示

图2.5接收模块和单片机的接口

SP接收模块工作时一般输出的是高电平脉冲，不是直流电平，所以不能用万用表测试，调试时可用一个发光二极管串接一个3K的电阻来监测SP模块的输出状态。

SP无线数据模块和PT2262/PT2272等专用编解码芯片使用时，连接很简单只要直接连接即可，传输距离比较理想，一般能达到800米以上，

图2.6由收发模块组成的遥控组件

2.2.3程序流程图

系统上电以后首先进行自身状态的初始化，初始化后等待爬升命令，接到爬升命令后开始爬升，在爬升过程中，系统通过光电对射管自动检测是否已经爬到顶端，到达顶端以后将自动停止。

如果在爬升过程中接收到下降或暂停命令，系统将自动转换到所要求的工作状态。

图2.7控制系统流程图

爬升子程序下降子程序

图2.8子程序流程图

3、夹紧机构设计

3.1结构组成

夹紧机构主要由六部分组成，侧杆、前顶秆、后顶杆、后杆、加强块、气缸。

如图3.1所示：

图3.1夹紧机构图

其中，各杆材料均为Q235A,气缸采用普通单出杆气缸。

3.2前顶秆尺寸设计

图3.2前顶杆尺寸图

为了使夹持器更好的工作，将其设计为弓形。

根据设计要求，杆的直径范围为100-300mm,所以前顶秆的宽度尺寸必须大于300mm.取:

前顶秆宽度：

L=330mm

拱高：

H=100/2=50mm

弯折角度：

α=25

厚度：

10mm

前顶秆与侧杆采用螺栓固定，选用M14的六角头螺栓GB/T5782-2000两个。

3.3后顶杆尺寸设计

图3.3后顶杆尺寸图

后顶杆与前顶秆外观尺寸完全相同，连接方式也相同。

后顶杆直接和加紧气缸相连接。

连接方式采用螺纹直接连接。

所以在后顶杆上设有M8的螺纹孔

外观尺寸为：

前顶秆宽度：

L=330mm

拱高：

H=100/2=50mm

弯折角度：

α=25

厚度：

10mm

3.4侧杆尺寸设计

图3.4侧杆尺寸图

侧杆分外左侧杆和右侧杆两部分，两部分尺寸完全相同。

侧杆是夹持机构中的主要支撑元件。

侧杆上开有滑槽，根据设计要求，杆的直径范围为100-300mm所以

滑槽的长度：

L=210mm

夹持机构的最大行程：

Lmax=L+2H=210+2x50=310>300,符合设计要求。

因为后顶杆的滑动速度很低，为了简化设计，直接采用M14的六角头螺栓GB/T5782-2000来代替划块。

故:

滑槽的宽度：

L’=15mm

综合考虑安装等因素，确定侧杆尺寸：

Lc=326mm

3.5后杆尺寸设计

图3.5后杆尺寸设计

后杆在机构中的作用比较重要，一方面它爬升气缸和夹持机构的连接件，另一方面他是加紧气缸的支撑件。

故在设计是应根据两个气缸的外形尺寸来设计。

后杆和加紧气缸的连接采用气缸上的螺纹直接连接，在其上打M20的螺纹通孔。

后杆和爬升气缸的连接采用螺栓连接，在其上适当位置打8个M4的螺纹通孔。

选取螺栓型号为GB/T6170-2000

3.6加强块寸设计

图3.6加强块尺寸设计

为了更好的的实现加紧功能，增大摩擦力，在后顶杆中部设置一加强块，上面嵌以胶皮，这样便增大了受力面积，同时橡胶也增大了摩擦系数。

可以使系统的工作更加可靠。

加强块和后顶杆采用螺栓连接。

具体尺寸如图3.6所示。

3.7气缸的选择

3.7.1夹紧气缸选择

夹紧气缸选择型号为MAL20x160，其具体参数为：

活塞直径：

Ø20mm

最大行程：

160mm

压力范围：

0.1-0.7MP

受力计算：

根据设计要求，机器人最大负重可达20Kg,机器人自重约为25Kg

建立上部夹紧机构的力学模型：

（图3.7）

符号说明：

f：

摩擦力

Fn:

气缸提供的推力

Fn’:

圆杆的支反力

Mg:

机构自身重力

F’机构负重

本计算采用简化算法，

其中将机器人的重力作用

点移到图示位置.

图3.7受力分析图

在垂直方向建立平衡方程;

（3-1）

所以：

（3-2）

单侧所受摩擦力

（3-3）

又：

查表得摩擦系数u=0.5

（3-4）

对气缸进行受力分析：

其中，

（3-5）

图3.8气缸受力分析

建立平衡方程：

其中S=0.02x0.02=0.0004

为大气压强1.01x

Pa

所以：

0.602Mpa<0.7Mpa（3-6）

符合设计要求，型号选择正确。

3.7.2爬升气缸选择

爬升气缸选用PGU20x250该气缸自身带导杆，增强了机构的稳定性。

为了防止系统因气缸偏置而产生扭转应力，所以采用两个气缸双侧布置。

气缸主要参数如下：

活塞直径：

Ø20mm

最大行程：

250mm

压力范围：

0.1-0.7MP

计算当气缸达到极限压力时（P=0.7MPa）所产生的最大提升力:

（3-7）

设计要求为450N,符合设计要求。

3.8螺栓连接强度计算

前顶杆和侧杆的连接采用紧螺栓连接，前顶杆受到的压力

所以，螺栓连接所需要的摩擦为：

（3-8）

查得结合面的摩擦系数

设所需预紧力为

则有：

（3-9）

预选螺栓型号为六角头螺栓M5x40，GB/T5782-2000

<[

]=

（3-10）

螺栓选择符合要求。

4、控制部分设计

4.1单片机驱动部分

控制系统采用单片机控制电磁阀的方式来实现，采用三极管作为功率放大元件原理图4-1所示：

图4.1单片机驱动电磁阀原理图

上图画出了一路输出的情况，由图可知：

电磁阀由三极管驱动，当单片机的输出口输出高电平时电磁阀导通，气缸充入气体伸长，当单片机输出低电平时电磁阀闭合，气缸收缩，这样我们通过单片机控制气缸的收缩就实现了爬升的动作。

4.2显示部分

本系统的显示部分全部由数码管实现，显示的内容包括：

1、机器人爬升高度实时显示

2、机器人爬升速率实时显示

3、爬升参数设定显示

4.2.1显示部分总体设计

八段LED显示器由8个发光二极管组成。

基中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部分英文字母。

LED显示器有两种不同的形式：

一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。

共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。

当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。

8个笔划段hgfedcba对应于一个字节（8位）的D7D6D5D4D3D2D1D0,于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。

例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极hgfedcba各段为0111011时，显示器显示"P"字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。

如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。

在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：

静态显示和动态扫描显示。

所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。

这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电