畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）三自由度微型直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

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1、三自由度微型直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì) 1 設(shè)計(jì)任務(wù)書描述 1.1 設(shè)計(jì)題目 三自由度微型直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì) 1.2 設(shè)計(jì)要求 1.2.1 設(shè)計(jì)目的 1了解工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的基本知識(shí)以及單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器等相關(guān)技術(shù)。 2初步掌握工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)并應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中。 3通過(guò)學(xué)習(xí)掌握工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制技術(shù)，并使機(jī)器人能獨(dú)立執(zhí)行一定的任務(wù)。 1.2.2 基本要求 1要求設(shè)計(jì)一個(gè)微型的三自由度的直角坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人； 2要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（示意圖），傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、及必需的內(nèi)外部傳感器的種

2、類和數(shù)量布局。 3要有控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路。 1.3對(duì)設(shè)計(jì)論文撰寫內(nèi)容、格式、字?jǐn)?shù)的要求 （1） 課程設(shè)計(jì)論文是體現(xiàn)和總結(jié)課程設(shè)計(jì)成果的載體，一般不應(yīng)少于3000字。 （2） 學(xué)生應(yīng)撰寫的內(nèi)容為：中文摘要和關(guān)鍵詞、目錄、正文、參考文獻(xiàn)等。課程設(shè)計(jì)論文的結(jié)構(gòu)及各部分內(nèi)容要求可參照《沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范》執(zhí)行。應(yīng)做到文理通順，內(nèi)容正確完整，書寫工整，裝訂整齊。 （3） 論文要求打印，打印時(shí)按《沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范》的要求進(jìn)行打印。 （4） 課程設(shè)計(jì)論文裝訂順序?yàn)椋悍饷妗⑷蝿?wù)書、成績(jī)?cè)u(píng)審意見表、中文摘要和關(guān)鍵詞、目錄、正文、參考文獻(xiàn)。

3、 2 設(shè)計(jì)思路 本次設(shè)計(jì)的題目是三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，直角坐標(biāo)機(jī)器人具有空間上相互垂直的兩根或三根直線移動(dòng)軸，通過(guò)直角坐標(biāo)方向的3個(gè)獨(dú)立自由度確定其手部的空間位置，其動(dòng)作空間為一長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高，空間軌跡易于求解；但其動(dòng)作范圍相對(duì)較小，設(shè)備的空間因數(shù)較低，實(shí)現(xiàn)相同的動(dòng)作空間要求時(shí)，機(jī)體本身的體積較大。 首先，介紹了研究背景、要求和設(shè)計(jì)構(gòu)思。闡述了控制系統(tǒng)的資源配置、資源需求與分配和核心處理器的寄存器，單片機(jī)寄存器資源。相比于其它類型的單片機(jī)，51單片機(jī)的功能更加強(qiáng)大，功能引腳較多，能夠很好地滿足智能車控制系統(tǒng)的需要。 其次，設(shè)計(jì)了三

4、自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件電路，包括各個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)方案以及相關(guān)電路。采用的方案以51單片機(jī)為核心，包括總體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，各部件需要的供電電源設(shè)計(jì)，傳感器電路設(shè)計(jì)，速度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)等。 然后，進(jìn)行了軟件和算法的設(shè)計(jì)。根據(jù)傳感器采集的道路信息，經(jīng)處理分析之后，控制轉(zhuǎn)角和速度。并通過(guò)記憶算法，最后實(shí)現(xiàn)直角坐標(biāo)機(jī)器人快速的完成任務(wù)要求。 最后，闡述了機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整，主要是調(diào)節(jié)其重心、前輪、后輪、舵機(jī)，使機(jī)器人在高速行走時(shí)，更加穩(wěn)定。 3 設(shè)計(jì)方框圖 接近覺傳感器 轉(zhuǎn)速傳感器

5、 傳感器信號(hào)調(diào)理電路 A/D轉(zhuǎn)換器 計(jì)算機(jī) 人 機(jī) 交 互 系 統(tǒng) 機(jī)器人控制器 PID控制算法 距離控制算法 電動(dòng)馬達(dá) 4 各部分電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 直角坐標(biāo)機(jī)器人，它由水平軸(X軸，Y軸)，垂直軸Z軸及驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。 此外一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)還需要控制系統(tǒng)和手抓，下面分別予以介紹: 直線運(yùn)動(dòng)軸 也叫直線運(yùn)動(dòng)單元，它就是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)軸，主要由支撐載體的鋁型材或鋼型材和被安裝在型材內(nèi)部的直線導(dǎo)軌、運(yùn)動(dòng)滑塊以及作為帶動(dòng)滑塊做高速運(yùn)動(dòng)的同步帶組成。 運(yùn)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的傳動(dòng)主要是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)同步帶

6、運(yùn)動(dòng)，同步帶帶動(dòng)直線導(dǎo)軌上的滑塊運(yùn)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸的最高轉(zhuǎn)速低于60Or/min時(shí)通常選用步進(jìn)電機(jī)，否則選用交流伺服電機(jī)。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制系統(tǒng) 機(jī)器人要在一定時(shí)間內(nèi)完成特定的任務(wù)，在完成抓取，加速運(yùn)動(dòng)，高速運(yùn)動(dòng)，減速運(yùn)動(dòng)，釋放工件等同時(shí)，還要與相關(guān)的設(shè)備通過(guò)通訊或I/O口實(shí)現(xiàn)一些時(shí)序上的協(xié)調(diào)同步。另外在涂膠應(yīng)用上，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸要完成直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應(yīng)用要求來(lái)選定其控制軸數(shù)、I/O口數(shù)量和軟件功能。通常選用數(shù)控系統(tǒng)，PLC，工控機(jī)加運(yùn)動(dòng)控制卡和帶軸卡功能及I/O口的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)做控制系統(tǒng)。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的末端操作器—手爪系統(tǒng) 根據(jù)其具體應(yīng)用情況，其手爪系統(tǒng)可能是

7、氣動(dòng)吸盤、氣動(dòng)夾取手爪、電動(dòng)夾取手爪、電磁吸取手爪、焊槍、膠槍、專用工具和檢測(cè)儀器等。在很多場(chǎng)合可以一次抓取多個(gè)工件。 4.1 直角坐標(biāo)機(jī)器人的特點(diǎn) 針對(duì)各種不同的應(yīng)用，實(shí)際上可以方便快速組合成不同維數(shù)，各種行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標(biāo)機(jī)器人。從簡(jiǎn)單的二維機(jī)器人到復(fù)雜的五維機(jī)器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例。從電機(jī)到汽車等各行各業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，更是各式各樣的多臺(tái)直角坐標(biāo)機(jī)器人和其它設(shè)備嚴(yán)格同步協(xié)調(diào)工作?？梢哉f(shuō)直角坐標(biāo)機(jī)器人幾乎能勝任所有的工業(yè)自動(dòng)化任務(wù)。下面是其主要特點(diǎn): （1）任意組合成各種樣式:每根直線運(yùn)動(dòng)軸最長(zhǎng)是6m，其帶載

8、能力從10kg到20Okg。在實(shí)際應(yīng)用中已有近百種結(jié)構(gòu)的直角坐標(biāo)機(jī)器人，這些結(jié)構(gòu)也可以任意組合成新的結(jié)構(gòu)等; （2） 超大行程:因?yàn)閱胃堥T式直線運(yùn)動(dòng)單元的長(zhǎng)度是6m，還可以多根方便地級(jí)連成超大行程，所以其工作空間幾乎沒有限制，小到手機(jī)點(diǎn)膠機(jī)，大到18m長(zhǎng)行程的切割機(jī)，sm長(zhǎng)行程鉆銑床，6m‘6m”3m的檢測(cè)機(jī)器人等。超大行程時(shí)要采用直線導(dǎo)軌和齒條傳動(dòng)方式; （3）負(fù)載能力強(qiáng):單根直線運(yùn)動(dòng)單元的負(fù)載通常小于20Okg。但當(dāng)采用雙滑塊或多滑塊剛性聯(lián)結(jié)時(shí)負(fù)載能力可以增加5到10倍。當(dāng)把兩根或四根直線運(yùn)動(dòng)單元并排接起來(lái)使用時(shí)，其負(fù)載可以增加2到4倍。當(dāng)采用多根多滑塊結(jié)構(gòu)時(shí)其負(fù)載能力可增加到數(shù)噸;

9、 (4)高動(dòng)態(tài)特性:輕負(fù)載時(shí)其最大運(yùn)行速度可達(dá)到sm/s，加速度可達(dá)到4m/s’。使其具有很高的動(dòng)態(tài)特性，工作效率非常高，通常在幾秒內(nèi)完成一個(gè)工作節(jié)拍; (5)高精度:按傳動(dòng)方式及配置在整個(gè)行程內(nèi)其重復(fù)定位精度可達(dá)到0.05mm到0.olmm; (6)擴(kuò)展能力強(qiáng):可以方便改變結(jié)構(gòu)或通過(guò)編程來(lái)適合新的應(yīng)用; (7)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì):對(duì)比關(guān)節(jié)機(jī)器人，直角坐標(biāo)機(jī)器人不僅外觀直觀且構(gòu)造成本低，編程簡(jiǎn)單類同數(shù)控銑床，易培訓(xùn)員工和維修，使其具有非常好的經(jīng)濟(jì)性; (8)勝任復(fù)雜任務(wù):采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復(fù)雜的噴涂，噴丸，檢測(cè)，加工等任務(wù); (9)壽命長(zhǎng):直角坐標(biāo)機(jī)器人的

10、維護(hù)通常就是周期性加注潤(rùn)滑油，壽命一般是10年以上，維護(hù)好了可達(dá)20年; (10)應(yīng)用面寬:可以方便地裝配多種形式和尺寸的手爪，可以勝任許多常見的工作，如焊接、切割，搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測(cè)、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼和噴涂等任務(wù)。 4.2 直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用 因末端操作工具的不同，直角坐標(biāo)機(jī)器人可以非常方便的用作各種自動(dòng)化設(shè)備，完成如焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測(cè)、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標(biāo)跟隨、排爆等一系列工作。特別適用于多品種，便批量的柔性化作業(yè)，對(duì)于穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速

11、更新?lián)Q代期著十分重要的作用。 4.3直角坐標(biāo)機(jī)器人的分類 1，按用途分：焊接機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、涂膠（點(diǎn)膠）機(jī)器人、檢測(cè)（監(jiān)測(cè)）機(jī)器人、分揀（分類）機(jī)器人、裝配機(jī)器人、 排爆機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、特種機(jī)器人等。 2，按結(jié)構(gòu)形式分：壁掛（懸臂）機(jī)器人、龍門機(jī)器人、倒掛機(jī)器人等 3，按自由度分：兩坐標(biāo)機(jī)器人、三坐標(biāo)機(jī)器人、四坐標(biāo)機(jī)器人、五坐標(biāo)機(jī)器人、六坐標(biāo)機(jī)器人。 4.4 直角坐標(biāo)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì) 4.4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、末端操作器三大件組成。每一大件都有若干自由度，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 若基座具備行走機(jī)構(gòu)、則構(gòu)

12、成行走機(jī)器人；若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂（Single Robot Arm）。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。 工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式多種多樣，按坐標(biāo)形式來(lái)分的話有：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面關(guān)節(jié)型。 在本次設(shè)計(jì)中我們要設(shè)計(jì)的機(jī)器人為三坐標(biāo)直角坐標(biāo)機(jī)器人，這種機(jī)器人由三個(gè)線性關(guān)節(jié)組成，這三個(gè)關(guān)節(jié)用來(lái)確定末端操作器的位置，通常還帶有附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，用來(lái)確定末端操作器的姿態(tài)。這種機(jī)器人在想x、y、z軸上的運(yùn)動(dòng)時(shí)獨(dú)立的，運(yùn)動(dòng)方程可獨(dú)立處理，且

13、方程式是線性的，因此，很容易通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)；它可以兩端支撐，對(duì)于給定的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，剛性最大；它的精度和位置分辨率不隨工作場(chǎng)合而變化，容易達(dá)到高精度。下圖4-1為其工作，空間示意圖。 圖4-1三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人空間示意圖 從上圖可以看到此機(jī)器人具有三個(gè)自由度，其參考坐標(biāo)系為x、y、z。自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，理論上自由度越多機(jī)器人越靈活，那么它的躲避障礙物和改善動(dòng)力性能就會(huì)得到提高。 4.4.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是指向各軸傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)軸間的相對(duì)移動(dòng)，在三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人中，其主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為平移型

14、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。從下表一中我們可以看到各種傳動(dòng)方式的對(duì)比。 表4-1 工業(yè)機(jī)器人常用傳動(dòng)方式的比較 工業(yè)機(jī)器人常用傳動(dòng)方式的比較 傳動(dòng)方式 特點(diǎn) 運(yùn)動(dòng)方式 距離 應(yīng)用部件 圓柱齒輪 用于手臂第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸提供大扭矩 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 近 臀部 錐齒輪 轉(zhuǎn)動(dòng)軸反向垂直相交 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 近 臀部、腕部 渦輪蝸桿 大傳動(dòng)比，重量大，有發(fā)熱問題 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 近 臀部、腕部 行星傳動(dòng) 大傳動(dòng)比，價(jià)格高，重量大 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 近 臀部、腕部 諧波傳動(dòng) 很大的傳動(dòng)比，尺寸小，重量輕 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 近 臀部、腕部 鏈傳動(dòng) 無(wú)間隙，重量大 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)移 遠(yuǎn) 移動(dòng)部分、腕部 同步齒形帶

15、有間隙和振動(dòng)，重量輕 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)移 遠(yuǎn) 腕部、手抓 鋼絲傳動(dòng) 遠(yuǎn)距離傳動(dòng)力性能很好 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 遠(yuǎn) 腕部、手抓 齒輪齒條 精度高，價(jià)格低 轉(zhuǎn)移、移轉(zhuǎn) 遠(yuǎn) 腕部、手抓、臀部 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以將動(dòng)力所提供的運(yùn)動(dòng)的方式、方向或速度加以改變，被人們有目的地加以利用。我國(guó)古代傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類型很多，應(yīng)用很廣，除了上面介紹的以外，像地動(dòng)儀、鼓風(fēng)機(jī)等等，都是機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的產(chǎn)物。我國(guó)古代傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要有齒輪傳動(dòng)、繩帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)。 齒輪傳動(dòng) 齒輪只用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)度要求不高。至于生產(chǎn)上所采用的齒輪，要傳遞較大的動(dòng)力，受力一般較大，強(qiáng)度要求較高。古代在利用畜力、水力和風(fēng)力進(jìn)行提水、糧食加工

16、等工作時(shí)，都要應(yīng)用此類齒輪。例如在翻車上，須應(yīng)用一級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以改變運(yùn)動(dòng)的方位和傳遞，適應(yīng)翻車的工作要求。其工作示意圖如下圖4-2。 齒輪傳動(dòng)式由兩個(gè)或兩個(gè)以上的齒輪組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它不但可以傳遞運(yùn)動(dòng)角位移和角速度，而且還可以傳遞力和力矩。 圖4-2齒輪傳動(dòng) 鏈傳動(dòng) 鏈，在我國(guó)古代出現(xiàn)很早，商代的馬具上已有青銅鏈條，其他青銅器和玉器上也有用鏈條作為裝飾的。西安出土的秦代銅車馬上，有十分精美的金屬鏈條。但這都不能算是鏈傳動(dòng)。作為動(dòng)力傳動(dòng)的鏈條，出現(xiàn)在東漢時(shí)期。東漢時(shí)畢嵐率先發(fā)明翻車，用以引水。根據(jù)其工作原理和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，可以看作是一種鏈傳動(dòng)。翻車的上、下鏈輪

17、，一主動(dòng)，一從動(dòng)，繞在輪上的翻板就是傳動(dòng)鏈，這個(gè)傳動(dòng)鏈兼做提水的工作件，因此，翻車是鏈傳動(dòng)的一種特例。到了宋代，蘇頌制造的水運(yùn)儀象臺(tái)上，出現(xiàn)了一種“天梯”，實(shí)際上是一種鐵鏈條，下橫軸通過(guò)“天梯”帶動(dòng)上橫軸，從而形成了真正的鏈傳動(dòng)。 繩帶傳動(dòng) 這是一種利用摩擦力的傳動(dòng)方式。在西漢時(shí)，四川出產(chǎn)井鹽，在鑿井、提水時(shí)，都是用牛帶動(dòng)大繩輪，收卷繞過(guò)滑輪上的繩索，來(lái)提升鑿井工具、鹵水等。西漢時(shí)出現(xiàn)的手搖紡車，是一種典型的繩帶傳動(dòng)。在西漢時(shí)期的畫像石上，有幾幅手搖紡車圖，可以清楚地看到：大繩輪主動(dòng)，通過(guò)繩索帶動(dòng)紗錠，用手搖大繩輪旋轉(zhuǎn)一周，紗錠旋轉(zhuǎn)幾十周，效率很高。以后出現(xiàn)的三錠、五錠的紡車，效率就更高了。

18、元代的水運(yùn)大紡車，也是用繩帶傳動(dòng)的。東漢時(shí)，冶金手工業(yè)有一項(xiàng)重要發(fā)明“水排”，用于鼓風(fēng)。這種繩帶傳動(dòng)的工作原理是：水力推動(dòng)臥式水輪旋轉(zhuǎn)，水輪軸上裝有大繩輪，通過(guò)繩帶帶動(dòng)小繩輪，小繩輪軸上端曲柄隨之旋轉(zhuǎn)，通過(guò)連桿推動(dòng)鼓風(fēng)器鼓風(fēng)。這種水排鼓風(fēng)效力很高，可以抵得上幾百匹馬鼓風(fēng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著東漢時(shí)發(fā)達(dá)的機(jī)械已經(jīng)在我國(guó)出現(xiàn)了，因而意義十分重大。 在經(jīng)過(guò)了以上論證后，我決定采用齒輪鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 在設(shè)計(jì)這個(gè)齒輪鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的時(shí)候我主要考慮到兩個(gè)問題：一是齒輪鏈的引入會(huì)改變系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間減少，這樣伺服系統(tǒng)就更加容易控制。輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換到驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的下降與輸

19、入輸出齒輪齒數(shù)的平方成正比。二是在引入齒輪鏈的同時(shí)，由于齒輪間隙誤差，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人手臂的定位誤差增加；而且，假如不采取一些補(bǔ)救措施，齒隙誤差還會(huì)引起伺服系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 4.4.3 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 要使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起來(lái)，需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置，這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，或者把它們結(jié)合起來(lái)應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以是直接驅(qū)動(dòng)或者是通過(guò)同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。 下面我各自介紹這三種驅(qū)動(dòng)方式： ( 1 )液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)是由高精度的缸體和活塞一起完成的?；钊透左w采用滑動(dòng)配合，壓力油從液壓缸的一端進(jìn)入，

20、把活塞推向液壓缸的另一端，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)部活塞兩端的液體壓力和進(jìn)入液壓缸的油量即可控制活塞的運(yùn)動(dòng)。 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： A、 液壓容易達(dá)到較高的單位面積壓力，體積小，可獲得較大的推理或轉(zhuǎn)矩。 B、 液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度。 C、 液壓傳動(dòng)中力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 D、 液壓系統(tǒng)采用油液做介質(zhì)，具有防銹性和自潤(rùn)滑性能，壽命長(zhǎng)。 但是液壓驅(qū)動(dòng)也有其不足之處： A、 液壓的粘度隨溫度變化而變化，這將影響工作性能。高溫度容易引起爆炸、燃燒等危險(xiǎn)。 B、 液體的泄露難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故

21、造價(jià)較高。 C、 需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否則會(huì)引起故障。 ( 2 )氣壓驅(qū)動(dòng) 與液壓驅(qū)動(dòng)相比，氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是： A、 壓縮空氣粘度小，容易達(dá)到高速（1m/s）。 B、 利用工廠集中的空氣壓縮機(jī)站供氣，不必添加動(dòng)力設(shè)備。 C、 空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)。 D、 氣動(dòng)元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。 氣壓驅(qū)動(dòng)的不足之處是： A、 壓縮空氣常用壓力為0.4~0.6MPa，若要獲得較大的壓力，其結(jié)構(gòu)就要相對(duì)增大。 B、 空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制和困難。 C、 壓縮空氣

22、的除水問題是一個(gè)很重要的問題，處理不當(dāng)會(huì)使剛類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。此外，排氣還會(huì)造成噪聲污染。 ( 3 )電力驅(qū)動(dòng) 分類： 按照電機(jī)的工作原理不同分為步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、無(wú)刷電機(jī)等。 按照控制水平的高低來(lái)分分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 適用范圍：適合于中等負(fù)載，特別適合于動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的各類機(jī)器人。 考慮到體積以及精度，在比較了以上三種驅(qū)動(dòng)方式后，我最終選擇了電力驅(qū)動(dòng)，因?yàn)殡娏︱?qū)動(dòng)體積小，而且容易組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，故控制精度高，方便，但在算法上可能稍微復(fù)雜一些，但這都可以克服的，故實(shí)現(xiàn)起來(lái)時(shí)選擇電力驅(qū)動(dòng)更好一些。 4.4.4 內(nèi)部傳感器的選擇 電機(jī)

23、控制系統(tǒng)中的位置檢測(cè)通常有：微電機(jī)解算元件，光電元件，磁敏元件，電磁感應(yīng)元件等。這些位置檢測(cè)傳感器或者與電機(jī)的非負(fù)載端同軸連接，或者直接安裝在電機(jī)的特定的部位。其中光電元件的測(cè)量精度較高，能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置，從而間接的反映出與電機(jī)連接的機(jī)械負(fù)載的準(zhǔn)確的機(jī)械位置，從而達(dá)到精確控制電機(jī)位置的目的。 ( 1 )光電編碼器的介紹： 光電編碼器是通過(guò)讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來(lái)表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對(duì)式光電編碼器與增量式光電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。 A、絕對(duì)式光電編碼器 　

24、絕對(duì)式光電編碼器如圖4-4所示，它是通過(guò)讀取編碼盤上的二進(jìn)制的編碼信息來(lái)表示絕對(duì)位置信息的。 　 編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。圖十一是二進(jìn)制的編碼盤，圖中空白部分是透光的，用“0”來(lái)表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”來(lái)表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個(gè)碼道表示二進(jìn)制數(shù)的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。如果編碼盤有4個(gè)碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進(jìn)制的23、22、21和20，4位二進(jìn)制可形成16個(gè)二進(jìn)制數(shù)，因此就將圓盤劃分16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)，如0000、0001、…、1111。 按照碼盤上形成的碼道配置相應(yīng)的光電傳感器，包括光源、透鏡

25、、碼盤、光敏二極管和驅(qū)動(dòng)電子線路。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，扇區(qū)中透光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“0”，遮光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平“1”，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。 B、增量式光電編碼器 　 增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號(hào)，然后根據(jù)位置變化的方向用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行加/減計(jì)數(shù)，以此達(dá)到位置檢測(cè)的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。 　 增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此

26、錯(cuò)開90o相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤透過(guò)來(lái)的信號(hào)。工作時(shí)，鑒向盤不動(dòng)，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤，通過(guò)主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差90o的近似正弦信號(hào)，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。為了獲得絕對(duì)位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測(cè)電機(jī)的位置和速度。 ( 2 )光電編碼器的測(cè)量方法： 　 光電碼器在電機(jī)控制中可以用來(lái)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)位置和機(jī)械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)和機(jī)械位置的變化速度與變化方向。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應(yīng)用方法做一下介紹。

27、 　 可以利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體的測(cè)速方法有M法、T法和M/T法3種。 　 M法又稱之為測(cè)頻法，其測(cè)速原理是在規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間Tc內(nèi)，對(duì)光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)的測(cè)速方法，例如光電編碼器是N線的，則每旋轉(zhuǎn)一周可以有4N個(gè)脈沖，因?yàn)閮陕访}沖的上升沿與下降沿正好使編碼器信號(hào)4倍頻?，F(xiàn)在假設(shè)檢測(cè)時(shí)間是Tc，計(jì)數(shù)器的記錄的脈沖數(shù)是M1，則電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速為 　 在實(shí)際的測(cè)量中，時(shí)間Tc內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個(gè)脈沖的誤差。如果要求測(cè)量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說(shuō)是小于百分之一，那么M1就應(yīng)該大于50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測(cè)脈

28、沖數(shù)M1以減小誤差，可以增大檢測(cè)時(shí)間Tc單考慮到實(shí)際的應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測(cè)量速度用于反饋控制，一般應(yīng)在0.01秒以下。由此可見，減小測(cè)量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。 　 M法測(cè)速適用于測(cè)量高轉(zhuǎn)速，因?yàn)閷?duì)于給定的光電編碼器線數(shù)N機(jī)測(cè)量時(shí)間Tc條件下，轉(zhuǎn)速越高，計(jì)數(shù)脈沖M1越大，誤差也就越小。 　 T法也稱之為測(cè)周法，該測(cè)速方法是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法。例如時(shí)鐘頻率為fclk,計(jì)數(shù)器記錄的脈沖數(shù)為M2，光電編碼器是N線的，每線輸出4N個(gè)脈沖，那么電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速為 　 為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)，因此T法測(cè)速適用于低速運(yùn)行的場(chǎng)合。

29、但轉(zhuǎn)速太低，一個(gè)編碼器輸出脈沖的時(shí)間太長(zhǎng)，時(shí)鐘脈沖數(shù)會(huì)超過(guò)計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值而產(chǎn)生溢出;另外，時(shí)間太長(zhǎng)也會(huì)影響控制的快速性。與M法測(cè)速一樣，選用線數(shù)較多的光電編碼器可以提高對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的快速性與精度。 　 M/T法測(cè)速是將M法和T法兩種方法結(jié)合在一起使用，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1和M2進(jìn)行計(jì)數(shù)，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為 　　 實(shí)際工作時(shí)，在固定的Tc時(shí)間內(nèi)對(duì)光電編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，在第一個(gè)光電編碼器上升沿定時(shí)器開始定時(shí)，同時(shí)開始記錄光電編碼器和時(shí)鐘脈沖數(shù)，定時(shí)器定時(shí)Tc時(shí)間到，對(duì)光電編碼器的脈沖停止計(jì)數(shù)，而在下一個(gè)光電編碼器的上升沿到來(lái)時(shí)刻，時(shí)鐘脈沖才停止

30、記錄。采用M/T法既具有M法測(cè)速的高速優(yōu)點(diǎn)，又具有T法測(cè)速的低速的優(yōu)點(diǎn)，能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍，測(cè)量的精度也較高，在電機(jī)的控制中有著十分廣泛的應(yīng)用。 通過(guò)以上這種光電式的測(cè)速傳感器，我們就可以達(dá)到控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和控制機(jī)器人的位移的目的，例如假如我要讓機(jī)器人快速地完成某個(gè)搬運(yùn)的任務(wù)，這個(gè)時(shí)候我就可以調(diào)用PID算法來(lái)使機(jī)器人快速地達(dá)到某個(gè)速度，從而完成這個(gè)動(dòng)作，又例如我要讓機(jī)器人移動(dòng)某段距離，這個(gè)時(shí)候我就可以通過(guò)對(duì)脈沖個(gè)數(shù)的累加來(lái)完成對(duì)距離的控制，由于這種光電式編碼器的精度很高，故可以達(dá)到高精度的距離控制。 5 直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制模塊設(shè)計(jì) 5.1 示教再現(xiàn)功能 示教再現(xiàn)功能

31、是指控制系統(tǒng)可以通過(guò)坐示教盒或手把手進(jìn)行示教，將動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)速度、位置等信息用一定的方法預(yù)先教給工業(yè)機(jī)器人，由工業(yè)機(jī)器人的記憶裝置將所教的操作過(guò)程自動(dòng)地記錄在存儲(chǔ)器中，當(dāng)需要再現(xiàn)操作時(shí)，重放存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的內(nèi)容即可。如需要更改操作內(nèi)容時(shí)，只需要重新示教一遍即可。 5.2 運(yùn)動(dòng)控制功能 運(yùn)動(dòng)控制功能是指對(duì)工業(yè)機(jī)器人末端操作器的位置、速度、加速度等項(xiàng)目的控制。 在本次設(shè)計(jì)中我采用示教再現(xiàn)控制方式來(lái)對(duì)此機(jī)器人進(jìn)行控制，其主控芯片為我們熟悉的C8051F020單片機(jī)。使用此款單片機(jī)再配合一些外圍電路的集成就可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電動(dòng)機(jī)的控制，再加上一些在軟件上的編寫配合好光電編碼器，就可以實(shí)現(xiàn)PI

32、D算法，并組成一個(gè)簡(jiǎn)單的閉環(huán)系統(tǒng)。 6 主要元器件介紹 C8051F020系列單片機(jī)是高集成度的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，片內(nèi)集成了一個(gè)多通道ADC、兩個(gè)電壓比較器、五個(gè)通用的十六位定時(shí)器、UART、SPI總線接口、內(nèi)部振蕩器、64個(gè)通用數(shù)字I/O引腳、64KB的FLASH程序寄存器和與8051兼容的高速微控制器內(nèi)核。 C8051F020的主要特點(diǎn)如下： 1、模擬外設(shè) ( 1 )逐次逼近型ADC ●12位分辨率或8位分辨率； ●可編程轉(zhuǎn)換速率，最大為100kps； ●可多達(dá)32個(gè)外

33、部輸入，每個(gè)引腳都可以被配置為ADC的輸入。 ( 2 )兩個(gè)模擬比較器 ●16個(gè)可編程回差電壓值； ●可用于產(chǎn)生中斷或復(fù)位。 ( 3 )VDD監(jiān)視器和降壓檢測(cè)器 2、片內(nèi)JTAG調(diào)試 ●片內(nèi)調(diào)試電路提供提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試； ●支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、觀察點(diǎn)、堆棧監(jiān)視器，支持觀察/修改存儲(chǔ)器和寄存器。 3、高速8051微控制器內(nèi)核 ●流水線指令結(jié)構(gòu)； ●70%指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期； ●速度可達(dá)25MIPS； ●擴(kuò)展的中斷處理系統(tǒng)。 4、存儲(chǔ)器 ●256B內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM； ●1024B XRAM； ●64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器。

34、5、數(shù)字外設(shè) ●8個(gè)8位的端口I/O，所有口線均耐壓5V電壓； ●可同時(shí)使用的硬件SPI及UART串口； ●5個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器； ●專用的看門狗定時(shí)器。 6、時(shí)鐘源 ●內(nèi)部可編程振蕩器：2-16MHz； ●外部振蕩器：晶體、RC、C或外部時(shí)鐘。 7、封裝 ●100腳TQFP 小結(jié) 本次機(jī)器人課程設(shè)計(jì)我的題目為三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，我最開始的思路是通過(guò)傳感器檢測(cè)火源，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)到達(dá)著火點(diǎn)，將火撲滅后即可結(jié)束。這樣也能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，我在查閱資料的過(guò)程中，又加入了語(yǔ)音啟動(dòng)等部分。 這兩周的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)，從茫然毫無(wú)頭緒到開始大體研究到部件選擇，我對(duì)工業(yè)

35、機(jī)器人的學(xué)習(xí)有了更深一步的了解，并在在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，有了了自己的想法，增加了學(xué)習(xí)的興趣。 雖然設(shè)計(jì)時(shí)間很緊迫，但在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們還是學(xué)到不少東西的，由于有些知識(shí)我們學(xué)的不多，這樣我們?cè)诓檎疫@些資料的過(guò)程中就學(xué)到了更多東西。我覺得課程設(shè)計(jì)對(duì)我們有更大的幫助，可以把平時(shí)所學(xué)應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，并且更加注重這些元器件在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該注意到的事項(xiàng)，為以后的工作和學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 通過(guò)祝老師的耐心指導(dǎo)，同學(xué)的幫助和在圖書館查找資料，借閱大量圖書，和自主學(xué)習(xí)，我順利完成了此次設(shè)計(jì)，并增加了以后對(duì)工業(yè)機(jī)器人學(xué)習(xí)的信心。

36、 致謝 兩周的工業(yè)機(jī)器人課程設(shè)計(jì)順利結(jié)束了，首先要感謝我的指導(dǎo)老師祝老師在此次課程設(shè)計(jì)中給予我熱情而耐心的指導(dǎo)。祝老師不僅在我的開始毫無(wú)頭緒時(shí)給了我很多提示，糾正了我許多錯(cuò)誤，還指導(dǎo)了我應(yīng)該去查找哪些方面的資料去完善這次設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)出現(xiàn)的設(shè)計(jì)漏洞。使我的設(shè)計(jì)有一個(gè)明確的主導(dǎo)思想，能夠順利而有條不紊地進(jìn)行。其次我要感謝我的同學(xué)們，無(wú)論是否和我一組的同學(xué)，都熱心的給與我很多幫助。在我設(shè)計(jì)出現(xiàn)障礙不能繼續(xù)進(jìn)行的時(shí)候，通過(guò)和他們一起討論研究，最終攻克了許多難題，并且因?yàn)榻涣魉枷胄牡?，也學(xué)到了許多新知識(shí)。最后感謝學(xué)校圖書館給我們提供了很豐富的資源，可以讓我們?nèi)ゲ檎屹Y料，開擴(kuò)了眼界，也提高

37、了我們的自學(xué)能力。 由于知識(shí)水平的局限和時(shí)間的倉(cāng)促，設(shè)計(jì)中可能會(huì)存在著一些不足,我真誠(chéng)的接受老師和同學(xué)的批評(píng)和指正.。最后再次衷心感謝祝老師的悉心指導(dǎo)和同學(xué)們的熱心幫助! 參考文獻(xiàn) [1] 宗光華.機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐 . 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社. 2004.2 [2] 謝存禧，張鐵. 機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 2010.1 [3] 王志良.競(jìng)賽機(jī)器人制作技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2007 附錄 18