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機(jī)械手的給定工作區(qū)內(nèi)的一種 6 自由度并聯(lián)關(guān)鍵點(diǎn)三維設(shè)計(jì)方法
摘要：本文提出了在給定工作區(qū)內(nèi)一種6自由度的新三維設(shè)計(jì)新方法 。許多關(guān)鍵特性已經(jīng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和拉格朗日乘數(shù)法。此外，在整個(gè)機(jī)械手的直接幾何關(guān)系中導(dǎo)出了參數(shù)。提出了設(shè)計(jì)方法，關(guān)于這些關(guān)鍵點(diǎn)特性具有很高的效率和準(zhǔn)確性。此外，避免了復(fù)雜機(jī)械手的工作空間和無(wú)量綱化推導(dǎo)分析從而可能讓這種方法的廣泛應(yīng)用。
? 2014年愛(ài)思唯爾有限公司。版權(quán)所有
1 .導(dǎo)言
對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的關(guān)注主要是發(fā)現(xiàn)他們有更好的承載能力，更好的剛度，和比串聯(lián)機(jī)器人更好的精度[1-4]。因此并聯(lián)機(jī)器人的研究已成為一個(gè)熱門的國(guó)際機(jī)器人研究領(lǐng)域?[5-9]。并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程是機(jī)械產(chǎn)品中最具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。設(shè)計(jì)機(jī)器人[10-12]的配置，機(jī)械臂的幾何參數(shù)應(yīng)由三維設(shè)計(jì)決定。引用?[13，14]?中提出的參數(shù)設(shè)計(jì)方法分別用于6 自由度歌賦型機(jī)器人和3自由度并聯(lián)機(jī)器人。
一般來(lái)說(shuō)，最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是讓機(jī)器人在給定工作區(qū)工作。到目前為止，有主要有兩種方法，根據(jù)給定的工作區(qū)的并聯(lián)機(jī)器人的幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。第一次使用多點(diǎn)來(lái)描述給定工作區(qū)，然后檢查機(jī)械手的每個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求是否符合參數(shù)[15-17]，與另一個(gè)邊界的機(jī)械手之間建立參數(shù)和工作區(qū)中的函數(shù)，然后確保給定工作區(qū)是機(jī)械手的工作空間邊界內(nèi)[18-22]?；谖覀?cè)谶@項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，本文試圖探索給定的工作區(qū)6自由度并聯(lián)機(jī)器人新的三維設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法是快速的，它的結(jié)果是準(zhǔn)確的。
在我們以前的工作中，這種新型的6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)中用到了?3-3'-PSS?配置。
與傳統(tǒng)?6-SPS?并聯(lián)機(jī)器人相比這?3-3'-PSS?并聯(lián)的機(jī)械臂性能允許更高的各向同性的、更大的旋轉(zhuǎn)范圍移動(dòng)平臺(tái)，減少了身體慣性。
若要開(kāi)始設(shè)計(jì)，應(yīng)清楚的描述所需的工作區(qū)。因?yàn)椴荒芤詧D形方式表示?6 維工作區(qū)，以人類可讀的方式，沒(méi)有一般的方法來(lái)分析確定的?6-D?工作區(qū)的邊界6 自由度并聯(lián)機(jī)器人，大多數(shù)文獻(xiàn)?[23-27]?將?6-D?區(qū)劃分為工作區(qū)的位置和方位工作空間。工作區(qū)的位置是指機(jī)械手的移動(dòng)平臺(tái)可以達(dá)到一定的取向的空間。它可以容易地描述。方位工作空間是移動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)在某一時(shí)刻的所有方向的集合。然而，由于旋轉(zhuǎn)角度的復(fù)雜性，方位工作空間很難確定和代表。考慮到我們并聯(lián)機(jī)械手的對(duì)稱性，簡(jiǎn)明描述?6-D?區(qū)找到了種的三維設(shè)計(jì)。
本文的結(jié)構(gòu)如下。第二節(jié)介紹了建模的設(shè)計(jì)問(wèn)題及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。第3節(jié)介紹如何找到關(guān)鍵點(diǎn)特征。第4節(jié)中，討論了設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用。最后，第5節(jié)中總結(jié)發(fā)言。
2．模型的設(shè)計(jì)問(wèn)題和力學(xué)分析
新的PSS '3-3并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由一個(gè)移動(dòng)的平臺(tái)，一個(gè)固定基座，
和六個(gè)具有相同的幾何結(jié)構(gòu)支撐臂組成。四肢編號(hào)從1到6的每個(gè)肢體由一個(gè)棱柱形接頭，一個(gè)球形接頭和聯(lián)合空間綜合信息網(wǎng)絡(luò)球系列連接到固定基地到所述移動(dòng)平臺(tái)。一個(gè)線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的棱柱沿著固定軌道各肢的關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)Bi和關(guān)節(jié)Ai之間是長(zhǎng)為L(zhǎng)i的剛性連桿（I =1，...，6）
1，2，和3被設(shè)置成位于一水平面的PB它們的軸線四肢的三個(gè)線性致動(dòng)器，且當(dāng)這些軸不交于一點(diǎn)時(shí)它們的軸之間的夾角為120°。這些軸與操縱器的對(duì)稱軸之間的距離是相同的，在這里我們使用一個(gè)參數(shù)來(lái)表示該距離。其他三個(gè)線性執(zhí)行器四肢4,5，和6被設(shè)置成垂直的軸線。關(guān)節(jié)的移動(dòng)平臺(tái)A1?A6分布在中心對(duì)稱的半徑為a的一個(gè)圓上。這種操縱器的中心在平面PB的交叉點(diǎn)和操縱器的對(duì)稱軸上，在其上連接有固定笛卡爾參考幀-O {X，Y，Z}。固定框架y軸和z軸都在平面PB上，并且與操縱器的對(duì)稱軸的X軸重合。移動(dòng)框架O'{X'，Y'，Z'}連接移動(dòng)平臺(tái)O點(diǎn)“，這是指向位于圓心上的A1?A6。關(guān)于機(jī)械手是軸對(duì)稱的事實(shí)，移動(dòng)臺(tái)處于初始位置時(shí)讓點(diǎn)O'與點(diǎn)O重合，從而操縱器的工作空間相對(duì)于固定框ò也是軸對(duì)稱。
設(shè)計(jì)的操縱器的幾何參數(shù)前，所需的工作空間應(yīng)明確說(shuō)明。從前面的討論中可以看出，簡(jiǎn)明地描述所需6-D的工作區(qū)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。在這個(gè)研究中，對(duì)移動(dòng)臺(tái)的方向的說(shuō)明，僅指示向量（顯示在圖2中），而不是繞其對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)而言。事實(shí)上，這是許多機(jī)床有著的同樣的情況。在此基礎(chǔ)上，我們使用一組特殊的歐拉角來(lái)表示的移動(dòng)平臺(tái)的方向。移動(dòng)平臺(tái)的首先由一個(gè)角度φ固定x軸，然后由角度θ固定z軸，最后由角φ固定x軸（圖2）。我們可以把旋轉(zhuǎn)矩陣簡(jiǎn)單的寫成這種情況：
3.在給定的工作空間機(jī)器人的關(guān)鍵特征
在這項(xiàng)研究中，通過(guò)大量的計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)在qi最大范圍內(nèi)，盡管給定的工作區(qū)和操縱器的尺寸在改變，αBi和αAi總是發(fā)生在一定位置。這一特點(diǎn)對(duì)尺寸設(shè)計(jì)非常有幫助，所以我們稱這些位置為關(guān)鍵點(diǎn)。本節(jié)將證明理論上使用拉格朗日乘子的方法，建立關(guān)鍵點(diǎn)。
為了推廣，我們做了三維設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)量通過(guò)讓他們每個(gè)人用鋼筋混凝土進(jìn)行劃分。因此，工作空間汽缸的無(wú)量綱半徑為1，并且其無(wú)量綱高度為2H。其中，H= HC / Rc。因此，基于該無(wú)量綱工作空間的尺寸設(shè)計(jì)的結(jié)果不能被直接當(dāng)作操縱器的幾何參數(shù)，除非由RC乘以它們所有（應(yīng)當(dāng)注意的是，在此過(guò)程中角度不影響）。由于機(jī)械手的配置兩肢體的人群有不同的關(guān)鍵特征。因此，兩肢組的特性，應(yīng)分別研究。
4.基礎(chǔ)的三維設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵點(diǎn)及其應(yīng)用
在上一節(jié)找到對(duì)應(yīng)的工作空間內(nèi)操縱的一些重要關(guān)鍵點(diǎn)的特征。其要點(diǎn)是極端位置，這將導(dǎo)致在給定的工作空間中操縱器的最壞運(yùn)動(dòng)學(xué)條件。如果操縱器可在關(guān)鍵點(diǎn)達(dá)到所需的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，那么這個(gè)運(yùn)動(dòng)性能將在給定的工作空間中保證每個(gè)點(diǎn)。這些特性可以被用于確定所述操縱器的幾何參數(shù)，從而在三維設(shè)計(jì)將具有非常高的效率和準(zhǔn)確性。對(duì)于這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法的主要步驟如下：
1.描述所需的工作空間。研究了操縱器的工作任務(wù)，并計(jì)算出所需要的空間和方向。然后選擇與可以只達(dá)到要求的給定的工作空間有一定指向靈巧指數(shù)缸。如果所需的工作空間是復(fù)雜的，它可以被描述為多個(gè)同軸圓柱體具有不同指向靈巧指數(shù)與圖4所示。在這種狀態(tài)下，下面的設(shè)計(jì)步驟2-5，對(duì)于每個(gè)氣缸都應(yīng)進(jìn)行，其結(jié)果應(yīng)結(jié)合作為最終的解決方案。
2.給定的工作空間量綱。對(duì)于每個(gè)氣缸，讓其半徑和高度由它自己的半徑進(jìn)行劃分。
3.明確額外的設(shè)計(jì)要求和使用表1中找到所有需要的關(guān)鍵點(diǎn)。如果關(guān)節(jié)角的范圍沒(méi)有限制，可以與工作區(qū)保證的關(guān)鍵點(diǎn)或相應(yīng)的直接關(guān)系建立所述幾何參數(shù)的約束關(guān)系。（參考表1）。如果接頭角度是有要求限制的，應(yīng)與最大αBi和最大αAi的關(guān)鍵點(diǎn)或相應(yīng)的直接關(guān)系建立所述幾何參數(shù)的約束關(guān)系。（參考表 1）
4.確定的幾何參數(shù)。找到能滿足前面建立的步驟中的約束關(guān)系的適當(dāng)?shù)膮?shù)。這些約束關(guān)系，a和Li有許多可能的解決方案可以找到。一般最小的a和Li將導(dǎo)致操作者的最小量應(yīng)被選擇。應(yīng)當(dāng)注意的是，只有一個(gè)肢需要被確定給每個(gè)組，因?yàn)椴僮髡呤菍?duì)稱。在一些情況下，a和Li可能有具有因工作任務(wù)的額外的限制，并且步驟可用于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束關(guān)系。
5.獲得的a和Li應(yīng)應(yīng)乘以圓柱的半徑得到維數(shù)。然后他們可以作為機(jī)器人的幾何參數(shù)。
6.確定其余的幾何參數(shù)。
如果有多于一缸用于工作區(qū)說(shuō)明，在第?5?步中得到的結(jié)果應(yīng)該作為一個(gè)相結(jié)合
解決方案。那就是，選擇的最大值和李之間所有氣缸的結(jié)果作為最后的解決辦法。因此，聯(lián)合解決方案：
能滿足各種約束關(guān)系的每個(gè)氣缸。在那之后，αBi?和?αAi?的范圍應(yīng)當(dāng)重新計(jì)算與最終解決方案的關(guān)鍵點(diǎn)船帆齊和最低氣或?（請(qǐng)參閱表?1）?的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以確定李和練習(xí)場(chǎng)。應(yīng)當(dāng)指出：所有氣瓶必須檢查在此過(guò)程中，其結(jié)果應(yīng)作為最后的結(jié)果相結(jié)合。
在這里，我們的項(xiàng)目用來(lái)證明該設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用。我們所需的工作區(qū)可以用描述
筒?（缸?1）?與半徑為?600?毫米，高度為?800?毫米和?0 °?時(shí)，指向靈巧和氣缸（缸?2）?與半徑
200?毫米、?高度為?400?毫米和?30 °?的指點(diǎn)靈巧。各關(guān)節(jié)角度被限制為小于?45 °。此外，參數(shù)
需求大于?350?毫米將在移動(dòng)平臺(tái)放置對(duì)象的尺寸和接頭的尺寸。為缸?1，與最大值?αBi?和最大值?αAi?的關(guān)鍵點(diǎn)，可以獲得參數(shù)的最小的解作為L(zhǎng)i=1050?毫米?（i?=?1 2、 3）?和Li?=?850?毫米?（i?=?4,5,6）?而不是參與。油缸2，最小的解的參數(shù)可以作為發(fā)現(xiàn)?a=?350?毫米，Li=?1050?毫米?（i?=?1 2、 3）?和Li=?1000?毫米（i=?4,5,6）?與要點(diǎn)船帆?αBi?和最大值?αAi。結(jié)合這兩項(xiàng)結(jié)果，可以得到該機(jī)械手的最終解，作為?a=?350?毫米，Li=?1050?毫米?（i=
1 2、 3）?和Li=?1000?毫米?（ia=?4,5,6）。最后，為每個(gè)氣缸帶有計(jì)算的?αBi、αAi?和駕駛中風(fēng)最后的范圍相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，然后結(jié)合。設(shè)計(jì)結(jié)果如表?2?所示。和與該機(jī)械手的原型
這些設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)如圖?5?所示。
為了驗(yàn)證這些設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性，設(shè)計(jì)的機(jī)械手性能在給定工作區(qū)中有
已檢查。我們采取了一系列圓筒截面和離散他們成均勻離散點(diǎn)。每個(gè)這些離散點(diǎn)的取向也進(jìn)行離散化處理。
然后聯(lián)合角度的值記錄在移動(dòng)平臺(tái)達(dá)到每個(gè)位置和方向。
為清楚起見(jiàn)，都會(huì)選擇一些典型的數(shù)據(jù)并繪制在這部分中。當(dāng)設(shè)計(jì)的機(jī)械手工作缸?2?頂塊、?分布的?αBi?和?αAi組?1?所示圖?6?和?7分別。圖?8?和圖?9?顯示了同樣的情況，αBi?和?αAi?2?組。可以觀察到所有關(guān)節(jié)角度都小于45 °，并只是接近?45 °?腿各關(guān)節(jié)角度的最大值出現(xiàn)在的關(guān)鍵點(diǎn)。所有這些結(jié)果都是一致的。
本文分析研究并滿足要求
5.結(jié)論
本文對(duì)此提出了新的三維設(shè)計(jì)方法，為我們的新?' 3-3'-PSS?并聯(lián)機(jī)構(gòu)根據(jù)給定提出了工作區(qū)。這種方法基于幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，避免了機(jī)械手的復(fù)雜分析自己?6-D?區(qū)實(shí)際上并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的描述人類可讀的方式。關(guān)鍵點(diǎn)建立簡(jiǎn)單的關(guān)系機(jī)械臂的幾何參數(shù)與工作區(qū)的要求。在此基礎(chǔ)，提出的設(shè)計(jì)方法已
非常高的效率和準(zhǔn)確性。
很多關(guān)鍵點(diǎn)特征已發(fā)現(xiàn)并在表?1?中列出。
要點(diǎn)是極端的立場(chǎng),將導(dǎo)致最嚴(yán)重的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)條件給定的工作區(qū)。運(yùn)動(dòng)學(xué)性能可以保證在整個(gè)工作區(qū),讓機(jī)械手實(shí)現(xiàn)性能的關(guān)鍵點(diǎn)。此外,一些直接運(yùn)動(dòng)學(xué)和幾何參數(shù)之間的關(guān)系已經(jīng)建立的空間設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)明地描述6 d工作區(qū),使設(shè)計(jì)要求很明顯,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了對(duì)稱描述給定的工作區(qū)。這個(gè)描述很容易理解和接近機(jī)械手的操作條件。因此,這種方法可以很容易地用在許多不同的情況。關(guān)鍵點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致極端的立場(chǎng)。
機(jī)械手在給定工作區(qū)中的最差運(yùn)動(dòng)學(xué)條件。運(yùn)動(dòng)學(xué)性能可以保證內(nèi)
給定工作區(qū)，讓整個(gè)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)性能的關(guān)鍵點(diǎn)。此外，一些直接的關(guān)系
之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)和幾何參數(shù)已經(jīng)被為三維設(shè)計(jì)建造。
簡(jiǎn)要描述?6-D?區(qū)和清楚的設(shè)計(jì)要求，對(duì)稱的描述找到了給定工作區(qū)。此描述是機(jī)械手的非常容易理解和接近工況。其結(jié)果是，這種方法可輕松用于許多不同的情況。這種方法推導(dǎo)了特定類型的并行機(jī)制，但找到關(guān)鍵點(diǎn)的想法可能會(huì)用于其它并聯(lián)機(jī)構(gòu)的類型。核心問(wèn)題是找到其職位訂明的工作區(qū)中是獨(dú)立的關(guān)鍵點(diǎn)。
隨著規(guī)模的訂明的工作區(qū)和機(jī)制。這通常需要訂明的工作區(qū)的形狀和機(jī)制的工作區(qū)有一些相似的特征如本例中的軸向?qū)ΨQ。在此研究中，任何其他軸對(duì)稱的形狀可以用于描述形狀的除了氣缸的給定工作區(qū)。重寫的約束方程拉格朗日方法，以及這些形狀的關(guān)鍵點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)與本文類似的程序?？赡芎茈y找到關(guān)鍵點(diǎn)，但三維設(shè)計(jì)的并行機(jī)制會(huì)變得非常方便一旦它做了。如果機(jī)制是不對(duì)稱的,那么它應(yīng)當(dāng)指出的關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)分別為每個(gè)肢體找到。
提出的設(shè)計(jì)方法基于運(yùn)動(dòng)學(xué)。其實(shí)，關(guān)節(jié)角?αBi?和?αAi，本文主要研究有直接
雅可比矩陣，然后動(dòng)態(tài)的關(guān)系?；谶@項(xiàng)工作，在不久的將來(lái)，將研究基于動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)方法。
確認(rèn)
這項(xiàng)工作部分支持主要國(guó)家基本研究中國(guó)的發(fā)展計(jì)劃?（973?計(jì)劃）
（第?2013CB035501?號(hào)），和國(guó)家自然科學(xué)基金?（批準(zhǔn)號(hào)：?51335007）。
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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
學(xué)院 ：機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級(jí)：
學(xué)生情況
指導(dǎo)教師情況
題目類型
姓 名
學(xué) 號(hào)
姓 名
職 稱
單 位
理論研究 □
科研開(kāi)發(fā) □
機(jī)電工程學(xué)院
工程設(shè)計(jì) √
論文 □
題目
電動(dòng)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真
主要
內(nèi)容
以及
目標(biāo)
(畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)完成的主要內(nèi)容，設(shè)計(jì)任務(wù)達(dá)到的目標(biāo))
主要內(nèi)容:
（1）完成調(diào)研報(bào)告和開(kāi)題報(bào)告；
（2）完成電動(dòng)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（3）建立該機(jī)械手的三維虛擬模型并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真；
（4）中英文摘要各200字，設(shè)計(jì)說(shuō)明書不少于15000字；
（5）外文資料翻譯不少于5000字。
目標(biāo):
（1）完成電動(dòng)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中包括裝配圖及關(guān)鍵的零件圖；
（2）對(duì)機(jī)械手進(jìn)行三維建模、虛擬裝配與仿真。
成果
形式
（畢業(yè)設(shè)計(jì)完成具體工作量；成果形式；驗(yàn)收方式）
（1）3張A0圖紙，包括裝配圖、零件圖；
（2）調(diào)研報(bào)告、開(kāi)題報(bào)告以及設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書；
（3）機(jī)械手的三維虛擬模型以及運(yùn)動(dòng)仿真的錄像。
基本
要求
（對(duì)完成設(shè)計(jì)任務(wù)方面的具體要求：設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)、數(shù)據(jù)及來(lái)源、調(diào)試所用儀器設(shè)備）
設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：
手部負(fù)重： 10kg（抓取物體的形狀為圓柱體.圓柱半徑.高度自定.密度7.8g/cm3.）
運(yùn)動(dòng)軸數(shù)：
數(shù)據(jù)來(lái)源：
北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所、上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司
實(shí)習(xí)
調(diào)研
要求
（對(duì)部分有實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)的專業(yè)，提出實(shí)習(xí)或調(diào)研的具體要求，包括調(diào)研提綱、實(shí)習(xí)時(shí)間、地點(diǎn)和具體內(nèi)容要求）
（1）了解國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢(shì)；
（2）了解工業(yè)機(jī)器人的各個(gè)組成部分；
（3）掌握電動(dòng)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及其工作原理；
（4）分析現(xiàn)有各種類型工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)，如運(yùn)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式、控制方式等；
（5）總結(jié)出本設(shè)計(jì)課題的基本實(shí)現(xiàn)方法及結(jié)構(gòu)，分析其技術(shù)關(guān)鍵及難點(diǎn)；
（6）做出本設(shè)計(jì)課題的設(shè)計(jì)安排，如技術(shù)線路、研究方法、設(shè)計(jì)工具、時(shí)間安排等。
主要
參考
文獻(xiàn)
（指導(dǎo)教師提供有關(guān)參考資料、工具書、期刊論文等）
（1）費(fèi)仁元 張慧慧. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998
（2）馬香峰. 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991
（3）加藤一郎. 機(jī)械手圖冊(cè).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979
（4）張鐵 謝存禧. 機(jī)器人學(xué).廣州：華南理工大學(xué)出版社，2000
（5）宗光華 張慧慧 譯. 機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制.北京：科學(xué)出版社，2004
（6）張建民. 工業(yè)機(jī)器人.北京：北京理工大學(xué)出版社，1988
（7）周伯英. 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995
（8）索羅門采夫. 工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993
（9）余達(dá)太. 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程.北京：冶金工業(yè)出版社，1999
（10）吳芳美. 機(jī)器人控制基礎(chǔ).北京：中國(guó)鐵道出版社，1992
（11）任大為. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998
（12）徐灝. 新編機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995
（13）黃靖遠(yuǎn). 機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999
（14）孟憲源等. 現(xiàn)代機(jī)構(gòu)手冊(cè)（上、下冊(cè)）.北京：1994
主要
儀器
設(shè)備
（根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目情況需要填寫）
（1）機(jī)電工程學(xué)院機(jī)器人機(jī)研究室的FUNC（發(fā)那科）機(jī)器人；
（2）機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室廣茂達(dá)機(jī)器人模型以及慧魚(yú)機(jī)器人創(chuàng)意組合模型；
（3）計(jì)算機(jī)一臺(tái)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)始日期
2009-2-23
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）完成日期
2009-6-19
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度計(jì)劃（起止時(shí)間、工作內(nèi)容）
（指導(dǎo)教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的進(jìn)度計(jì)劃提出要求,至少詳細(xì)到前期、中期和答辯階段）
前期（到第4周止）：
對(duì)題目進(jìn)行調(diào)研，確定設(shè)計(jì)方案，完成調(diào)研報(bào)告和開(kāi)題報(bào)告；
中期（到10周止）：
完成工作量的60％～70％，即完成電動(dòng)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括3張A0圖紙的裝配圖、零件圖；
后期（到16周止）：
完成所有工作量，包括對(duì)建立機(jī)械手的三維虛擬模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的機(jī)械手模型進(jìn)行調(diào)試，完成設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書，準(zhǔn)備答辨提綱等。
指導(dǎo)教師（簽字）： 2009年2月 23日
督導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日
系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見(jiàn)：
組長(zhǎng)（簽字）： 年 月 日
電動(dòng)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真
摘 要
本文簡(jiǎn)要介紹了電動(dòng)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手的概念，機(jī)械手硬件和軟件的組成，機(jī)械手各個(gè)部件的整體尺寸設(shè)計(jì)，氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)。本文對(duì)機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，計(jì)算出了手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩。設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)出了機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)，繪制了機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量，畫出了機(jī)械手的裝配圖圖。
關(guān)鍵詞： 工業(yè)機(jī)器人 機(jī)械手 電動(dòng) 電動(dòng)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)械手
Abstract
At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy information of the development briefly. What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator. This paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm. The paper institutes two control schemes of according to the work flow of the manipulator. The paper draws out the work time sequence chart and the trapezium chart.
KEY WORDS: Industrial robot robot electric
electric-type joints robot manipulator
第1章 緒 論
1.1緒言
到目前為止，世界各國(guó)對(duì)“機(jī)器人機(jī)械手”還沒(méi)有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說(shuō)的“機(jī)器人機(jī)械手”是一種能模擬人的手、臂的部分動(dòng)作，按照予定的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)或操縱工具的自動(dòng)化裝置。而“機(jī)械手”一般具有固定的手部、固定的動(dòng)作程序（或簡(jiǎn)單可變程序）、一般用于固定工位的自動(dòng)化裝置。因?yàn)閲?guó)內(nèi)外稱作“機(jī)器人機(jī)械手”、“機(jī)械手”、“操作機(jī)”的這三種自動(dòng)化和半自動(dòng)化裝置，在技術(shù)上有某些相通之處，所以有時(shí)不易明確區(qū)分，就它們的技術(shù)特征來(lái)看，其大致區(qū)別如下。
“機(jī)器人機(jī)械手”（Industrail Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操縱工具的裝置（國(guó)內(nèi)稱作機(jī)器人機(jī)械手或通用機(jī)械手）。
“機(jī)械手”（Mechanical Hand）：多數(shù)是指附屬于主機(jī)、程序固定的自動(dòng)抓取、操作裝置（國(guó)內(nèi)一般稱作機(jī)械手或?qū)Ｓ脵C(jī)械手）。如自動(dòng)線、自動(dòng)線的上、下料，加工中心的自動(dòng)換刀的自動(dòng)化裝置。
“操作機(jī)”（Manipulator）：一般是指由工人操縱的半自動(dòng)搬運(yùn)、抓取、操作裝置。如鍛造操作機(jī)或處理放射性材料、火工品的裝配等所使用的半自動(dòng)化裝置。
機(jī)器人機(jī)械手（Industral Robot ,簡(jiǎn)稱IR）是1960年由《美國(guó)金屬市場(chǎng)》報(bào)首先使用的，但這個(gè)概念是由美國(guó)George·C·Pevol在1954年申請(qǐng)的專利“程序控制物料傳送裝置“時(shí)提出來(lái)的。在這專利中所記述的機(jī)器人機(jī)械手，以現(xiàn)在的眼光來(lái)看，就是示教再現(xiàn)機(jī)器人。根據(jù)這一專利，Devol與美國(guó)Consolide Control Corp合作，于1959年研制成功采用數(shù)字控制程序自動(dòng)化裝置的原型機(jī)。
隨后，美國(guó)的Unimation公司和美國(guó)的機(jī)械鑄造(AMF)公司于1962年分別制造了實(shí)用的一號(hào)機(jī)，并分別取名為Unimate和Ver·satran。Unimate機(jī)器人外形類似坦克炮塔，采用極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，而Versatran機(jī)器人采用圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。
上述兩種機(jī)器人成為機(jī)器人結(jié)構(gòu)的主流，美國(guó)通用汽車公司和福特汽車公司在其金屬冷熱加工中，采用這類機(jī)器人進(jìn)行壓、鑄、沖壓等上、下料，收到了良好的效果。
美國(guó)的機(jī)器人機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：
（1） 1963~1967年為實(shí)驗(yàn)定型階段。1963~1967年，萬(wàn)能自動(dòng)公司制造的機(jī)器人機(jī)械手供用戶做工藝實(shí)驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的機(jī)器人機(jī)械手定型為1900臺(tái)。
（2） 1968~1970年為實(shí)驗(yàn)應(yīng)用階段。這一時(shí)期，機(jī)器人機(jī)械手在美國(guó)進(jìn)入應(yīng)用階段。例如美國(guó)通用汽車公司1968年訂購(gòu)了68臺(tái)機(jī)器人機(jī)械手；1969年又自行研制出SAM型機(jī)器人機(jī)械手，并用21臺(tái)組成了點(diǎn)焊小汽車車身的焊接自動(dòng)線。
（3） 1970年至今一直出于技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用階段。1970~1972年，機(jī)器人機(jī)械手處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國(guó)在伊利斯工學(xué)院研究所召開(kāi)了第一屆全國(guó)機(jī)器人機(jī)械手會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)已采用了大約200臺(tái)機(jī)器人機(jī)械手，工作時(shí)間共達(dá)60萬(wàn)小時(shí)以上。與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂高級(jí)機(jī)器人，例如森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺(tái)機(jī)器人機(jī)械手的系統(tǒng)。
在歐洲第一臺(tái)機(jī)器人機(jī)械手是1963年瑞典Kavieldt公司發(fā)表的第一臺(tái)操作機(jī)。
日本在六十年代初期就開(kāi)始研制固定程序控制的機(jī)器手，并從其他各國(guó)引進(jìn)了用于不同生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)器人，并獲得迅速，很快研制出日本國(guó)產(chǎn)華的機(jī)器人機(jī)械手，技術(shù)水平很快趕上了美國(guó)并超過(guò)了其它國(guó)家，目前機(jī)器人機(jī)械手在日本已得到迅速發(fā)展并很快得到普及。
我國(guó)雖然開(kāi)始研制機(jī)器人機(jī)械手僅比日本晚5~6年，但由于種種原因，機(jī)器人機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展比較慢。但目前已引起了有關(guān)方面的極大關(guān)注。除了引進(jìn)、消化、仿制外，已經(jīng)具備了一定的獨(dú)立設(shè)計(jì)和研制能力。在1958年維吾爾自治區(qū)成立30年大慶站展覽館展出了由機(jī)械局研制的跳舞機(jī)器人《阿依古麗》。在1986年地十六屆廣交會(huì)上，成都電訊工程學(xué)院研制的第三代仿人機(jī)器人《成蓉小姐》已經(jīng)用漢語(yǔ)或英語(yǔ)向來(lái)賓問(wèn)好，并能簡(jiǎn)要的介紹的展覽產(chǎn)品及回答簡(jiǎn)單問(wèn)話。西北電訊工程學(xué)院研制的微機(jī)控制示教再現(xiàn)式機(jī)器人《西電I號(hào)》，也于1985年9月在陜西省科技貿(mào)易大會(huì)上進(jìn)行了表演。此外，清華大學(xué)自動(dòng)化系研制的具有視覺(jué)手眼系統(tǒng)，北京鋼鐵學(xué)院研制的焊接機(jī)器人，均已達(dá)到了較高的水平。同時(shí)，在機(jī)器人學(xué)科中的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、語(yǔ)音合成、觸覺(jué)、計(jì)算控制以及人工智能諸領(lǐng)域研究，也取得了一定的進(jìn)展。
近幾年來(lái)的成就表明，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)邁出了可喜的一步。相信在不久的將來(lái)，我們一定回趕上世界各國(guó)前進(jìn)的步伐?！ ?
1.2課題工作要求
啟動(dòng)
初始化
手臂伸長(zhǎng)
手部下降
手臂縮回
夾持工件
是否夾緊？
Ｎ
Ｙ
手臂上升
手腕回轉(zhuǎn)180度
手臂回轉(zhuǎn)180度
回到原位
手爪松開(kāi)
為了保證機(jī)器人在抓取工件時(shí)的精確度，我們?cè)跈C(jī)器人的手部安裝了力覺(jué)傳感器。用以對(duì)機(jī)器人的檢測(cè)和監(jiān)控。該檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用的是閉環(huán)控制。整個(gè)抓取動(dòng)作的流程見(jiàn)圖。
圖1.1機(jī)械手的工作程序圖
1.3課題基本參數(shù)的確定
1、手部負(fù)重：10kg（抓取物體的形狀為圓柱體.圓柱半徑.高度自定.密度7.8g/cm3.）
2、自由度數(shù)：4個(gè)，沿Z軸的上下移動(dòng)，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，沿X 軸的伸縮，繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)
3、 坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)，其圓柱坐標(biāo)型式的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖所示（見(jiàn)圖1）
4、 最大工作半徑：1800mm，最小工作半徑1350mm
5、 手臂最高中心位置：1012mm
或伺服電機(jī)上端最高行程：1387mm（見(jiàn)圖2）
最小行程：1237mm
ω φ
X
Z
圖1.2
6、 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：
伸縮行程（X）：450
伸縮速度：〈250mm/s
升降行程（Z）：150mm
升降速度：〈60mm/s
回轉(zhuǎn)范圍（φ）：0~180度
回轉(zhuǎn)速度：〈70/s
7、 手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)：
回轉(zhuǎn)范圍（ω）：0~180
回轉(zhuǎn)速度：90/s
8、 手臂握力：由N=0.5/f*G定
這里取f=0.1 G=10kg
N=0.5/f*G=50kg
即手指握力為50kg
9、 定位方式：閉環(huán)伺服定位
10、 重復(fù)定位精度：±0.05mm
11、 驅(qū)動(dòng)方式：電氣（伺服電機(jī)）
12、 控制方式：采用MGS-51單片微機(jī)
第2章 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.1手部機(jī)構(gòu)
手部機(jī)構(gòu)是機(jī)器人機(jī)械手直接與工件、工具等接觸的部件，它能執(zhí)行人手的部分功能。目前，根據(jù)被抓取工件、工件等的形狀、尺寸、重量、易碎性、表面粗糙度的不同，在工業(yè)生產(chǎn)中使用著多種形式的手部機(jī)構(gòu)，最常見(jiàn)的是鉗爪式、磁吸式和氣吸式，也有少數(shù)的特殊形式。不同形式的手部機(jī)構(gòu)其夾緊力的計(jì)算各有不同。
鉗爪式手部機(jī)構(gòu)是最常見(jiàn)的形式之一。手爪有兩個(gè)、三個(gè)或多個(gè)，其中兩個(gè)的最多。抓取工件的方式有兩種：外卡式和內(nèi)撐式。從其機(jī)械機(jī)構(gòu)特征、外觀與功用來(lái)看，有多種形式，它們分別是：
（1） 撥桿杠桿式鉗爪
（2） 平行連桿式鉗爪
（3） 齒輪齒條移動(dòng)式鉗爪
（4） 重力式鉗爪
（5） 自鎖式鉗爪
（6） 自動(dòng)定心鉗爪
（7） 抓取不同直徑工件的鉗爪
（8） 具有壓力接觸銷的鉗爪
（9） 抓勾與定位銷十鉗爪
（10） 復(fù)雜形狀工件用的自動(dòng)調(diào)整式鉗爪
（11） 同時(shí)抓取一對(duì)工件的鉗爪與內(nèi)撐式三指鉗爪
（12） 特殊式手指鉗爪
同時(shí)對(duì)鉗爪的選用也非常重要，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：
1 應(yīng)具有足夠的夾緊力，這樣才能防止工件在移動(dòng)過(guò)程中脫落，一般夾緊力為工件重量的2到3倍。
2 應(yīng)具有足夠的張開(kāi)角，來(lái)適應(yīng)它抓取和松開(kāi)工件之間較大的直徑范圍，而且?jiàn)A持工件中心位置變化要?。炊ㄎ徽`差小）。
3 應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以免承受在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力和震動(dòng)的影響。
4 應(yīng)能保證工件的可靠定位
5 應(yīng)適應(yīng)被抓取對(duì)象的要求
6 盡可能具有一定的通用性
夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。
2.1.1手指的形狀和分類
夾持式是最常見(jiàn)的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。
2.1.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題
(一)具有足夠的握力(即夾緊力)
在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。
(二)手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角
兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開(kāi)閉幅度的要求。
(三)保證工件準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動(dòng)定心。
(四)具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。
(五)考慮被抓取對(duì)象的要求
根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)， 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。
2.1.3手部夾緊的設(shè)計(jì)
1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
本課題電動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：
圖2-1齒輪齒條式手部
其工件重量G=10公斤，
V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為
(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為:
(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式:
所以
(3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:
1、因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時(shí)，則:
所以
所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊的驅(qū)動(dòng)力為。
2.2 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2.1 手腕的自由度
手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，因此我們選用。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴(yán)格的密封。
2.2.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算
手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩
手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖2-2所示為手腕受力的示意圖。
1.工件2.手部3.手腕
圖2-2手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài)
手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算:
式中: - 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩();
- 慣性力矩();
- 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)的動(dòng)片)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩().
- 手腕回轉(zhuǎn)的動(dòng)片與定片、徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力
矩();
下面以圖2-3所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算:
1、手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M悅
若手腕起動(dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為，起動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間為，則:
式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;
- 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:
式中: - 工件對(duì)過(guò)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:
- 工件的重量(N);
- 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm),
- 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s);
- 起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間(s);
— 起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度(弧度)。
2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏
+ ()
式中: - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N);
- 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm)
當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則.
3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩
()
式中: ，- 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm);
- 摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承;
,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，
根據(jù),得:
同理，根據(jù)(F),得:
式中:- 的重量(N)
,— 如圖4-1所示的長(zhǎng)度尺寸(cm).
4、轉(zhuǎn)的動(dòng)片與徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。
驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算
手腕回轉(zhuǎn)的尺寸及其校核
1.尺寸設(shè)計(jì)
長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為,內(nèi)徑為=96mm,半徑,軸徑=26mm,半徑,運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間=0.1s, 壓強(qiáng),
則力矩：
2.尺寸校核
（1）測(cè)定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，
質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
（）
工件的質(zhì)量為5,質(zhì)量分布于長(zhǎng)的棒料上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，對(duì)于長(zhǎng)的棒料來(lái)說(shuō)，最大偏心距
，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:
（2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重心
與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合，，夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線,則：
+
（3）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承=0.1， ，為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計(jì),,
4．回轉(zhuǎn)的動(dòng)片與徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計(jì)為的3倍，
3
設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全。
2.3手臂伸縮，升降，的尺寸設(shè)計(jì)與校核
2.3.1 手臂伸縮的尺寸設(shè)計(jì)與校核
手臂伸縮的尺寸設(shè)計(jì)
手臂伸縮采用煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，參看此公司生產(chǎn)的各種型號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63。
尺寸校核
1. 在校核尺寸時(shí)，只需校核內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng),
則驅(qū)動(dòng)力：
2．測(cè)定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計(jì)加速度，則慣性力：
3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù),
總受力
所以標(biāo)準(zhǔn)CTA的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。
導(dǎo)向裝置
氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來(lái)確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量。
導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì)中才用單導(dǎo)向桿來(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。
平衡裝置
在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對(duì)性能的影響，故在手臂伸縮一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。
2.3.2 手臂升降的尺寸設(shè)計(jì)與校核
尺寸設(shè)計(jì)
運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為=118mm,內(nèi)徑為=110mm,半徑R=55mm,運(yùn)行速度，加速度時(shí)間=0.1s,壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動(dòng)力：
尺寸校核
1．測(cè)定手腕質(zhì)量為80kg,則重力：
2．設(shè)計(jì)加速度，則慣性力：
3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)，
總受力
所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。
2.3.3 手臂的尺寸設(shè)計(jì)與校核
尺寸設(shè)計(jì)
長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為,內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間0.5s,壓強(qiáng),
則力矩：
5.3.2 尺寸校核
1．測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，
質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
（）
考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù),
總驅(qū)動(dòng)力矩：
設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。
第3章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
由于微型計(jì)算機(jī)具有體積小，可靠性高，靈活性強(qiáng)，易于配置，功能豐富及價(jià)格便宜等特點(diǎn)，采用微型計(jì)算機(jī)對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制，已經(jīng)成為當(dāng)今機(jī)器人控制技術(shù)研究和發(fā)展的主流。
機(jī)械手的控制系統(tǒng)，原則上可分為點(diǎn)位控制與連續(xù)軌跡控制兩大類。點(diǎn)位控制只要求按規(guī)定精度從起始點(diǎn)到達(dá)預(yù)定點(diǎn)，而對(duì)移動(dòng)路徑不做要求。連續(xù)軌跡不僅與運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)與終點(diǎn)有關(guān)，還必須保證運(yùn)動(dòng)軌跡與設(shè)計(jì)軌跡一致。因此，在連續(xù)軌跡控制中要進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)，并對(duì)任意運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行補(bǔ)插（補(bǔ)間）運(yùn)算。為了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，就必須保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度、加速度連續(xù)，這無(wú)疑也需要進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算。
微型計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器人的控制，一般采用分層控制的方法。第一層為最高層，其任務(wù)是識(shí)別工作空間，并據(jù)此決定如何完成給定的任務(wù)；第二層是決策層，其任務(wù)是將給定的操作分成基本的運(yùn)動(dòng)；第三層是策略層，其工能是將基本的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成各自由度的運(yùn)動(dòng)；第四層是執(zhí)行層，它將控制機(jī)器人完成各自由度的運(yùn)動(dòng)。其中第一層及第二層屬于人工智能的范疇，機(jī)器人的控制主要是研究第三、第四層。
微型計(jì)算機(jī)種類很多，一般均由以下三部分組成。
A. 中央處理器CPU，或稱微處理器MPU。
B. 內(nèi)存儲(chǔ)器，即主記憶裝置ROM及RAM 。
C. 輸入輸出裝置I/O，或稱接口裝置，聯(lián)系這些裝置的為三條總線，即數(shù)據(jù)總線DB，地址總線AB及控制總線CB。
不同型號(hào)的微型計(jì)算機(jī)主要是中央處理器CPU的內(nèi)容的功能不同，因而有不同的指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言。由于外部設(shè)備之不同以及是否用于實(shí)時(shí)控制，其I/O接口裝置因而很大差異。RAM和ROM 的存儲(chǔ)量大小直接影響計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍。但一般微型計(jì)算機(jī)都可以在原有存儲(chǔ)量的基礎(chǔ)上加以擴(kuò)充。
本機(jī)器人的控制系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)如圖3-1。它由主CPU板、I/O板、控制面板、示教盒、伺服板、和穩(wěn)壓電源板等組成。
I/O端口
及
電平轉(zhuǎn)換電路
輔助運(yùn)算回路
RAM
ROM
8031
CPU
控制板
伺服板
機(jī)器人
伺服控制電路
讀位置電路
串行中斷電路
串行
通訊
電路
示教盒
脈沖分配電路
圖3-1控制系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖
主CPU板是本控制器的核心，其上有CPU、存儲(chǔ)器、多級(jí)中斷控制電路、脈沖分配電路、讀位置電路以及串行通訊電路等，完成系統(tǒng)的管理、控制運(yùn)算、伺服系統(tǒng)控制和仿置檢測(cè)等控制功能以及與示教盒、控制板的通訊。
I/O接口板主要負(fù)責(zé)輸入輸出和監(jiān)測(cè)各種故障報(bào)警的輸入信號(hào)。伺服板共8塊，負(fù)責(zé)完成四個(gè)軸的位置環(huán)速度環(huán)和電流環(huán)的伺服控制。
本次控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)CPU、ROM和RAM中斷處理電路示教盒以及串行通訊電路鍵盤顯示電路這幾個(gè)部分。
1.CPU與存儲(chǔ)器
CPU采用8031微處理器地址譯碼器內(nèi)存RAM和EPROM以及鎖存器組成。
（1） 8031的結(jié)構(gòu)
1）寄存器堆
8031中有12個(gè)通用寄存器，6個(gè)專用寄存器，兩個(gè)累加器和兩個(gè)標(biāo)志寄存器。由于寄存器很多，故稱其為堆。它們各個(gè)單元不是以序號(hào)作為地址號(hào)，而是以其名稱作為地址號(hào)。它們?nèi)庆o態(tài)RAM實(shí)現(xiàn)。
各寄存器的功能如下：
堆棧指示器 SP：它是一個(gè)8位的專用寄存器。用以指示堆棧區(qū)的最上面的存儲(chǔ)單元的地址，即棧頂?shù)刂?。堆棧指示器是在?jì)算機(jī)中接受中斷要求而去處理某些外部設(shè)備提出的請(qǐng)求時(shí)需要用到的寄存器。系統(tǒng)復(fù)位后，SP初始化為07H，使得堆棧事實(shí)由08H單元開(kāi)始。考慮到08H~1FH單元分屬與工作寄存器區(qū)1~3，若程序設(shè)計(jì)中要用到這些區(qū)，則最好把SP值改置為1FH或更大值。
由于棧指針是一個(gè)8位的專用寄存器，其值可由軟件改變，因此在內(nèi)部RAM中的位置比較靈活。響應(yīng)中斷或子程序調(diào)用時(shí)，發(fā)生入棧操作，入棧的是16位PC值，PSW并不自動(dòng)入棧。在指令系統(tǒng)中有棧操作指令PUSH（壓入）和POP（彈出），如有必要，中斷時(shí)可用把PSW的內(nèi)容壓入堆棧，加以保護(hù)，返回前用POP指令恢復(fù)。
除用軟件直接改變SP值外，在執(zhí)行PUSH、POP、各種程序調(diào)用、中斷響應(yīng)、子程序返回RETI等指令時(shí)，SP值將自動(dòng)增量或減量。
變址寄存器IX及IY：它們能將其內(nèi)容加減一個(gè)稱作偏移量的數(shù)，以達(dá)到一個(gè)新的地址。
中斷向量地址寄存器IV：這個(gè)寄存器用以存放中斷服務(wù)子程序的入口地址。
存儲(chǔ)器刷新寄存器R：8031可以使用動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器。刷新存儲(chǔ)器是再生時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)用的。
特殊功能寄存器SFR：8031單片機(jī)片內(nèi)的SFR與存儲(chǔ)器是獨(dú)立的，但它能像訪問(wèn)內(nèi)部RAM一樣被訪問(wèn)。8031單片機(jī)具有21個(gè)特殊功能寄存器，可分為3個(gè)16位寄存器和15個(gè)8位寄存器。這些寄存器分散地分布在片內(nèi)RAM的高128字節(jié)地址80H~FFH，訪問(wèn)這些專用寄存器僅允許使用直接尋址的方式。寄存器并未占滿80H~FFH整個(gè)地址空間，對(duì)空閑地址的操作是無(wú)意義的。片內(nèi)的SFR能綜合的實(shí)時(shí)反映整個(gè)單片機(jī)基本系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài)及工作方式。因此，它是非常重要的。對(duì)單片機(jī)應(yīng)用者來(lái)說(shuō)，掌握個(gè)各SFR的工作狀態(tài)，工作方式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的控制具有重要的意義。表3-1列出了個(gè)SFR的名稱幾地址。
·ACC
累加器
0E0H
·B
B寄存器
0F0H
·PSW
程序狀態(tài)字堆棧指針
0D0H
SP
堆棧指針
81H
DPTR
數(shù)據(jù)指針（包括DPH和（DPL）口0
83H和82H
·P0
口0
80H
·P1
口1
90H
·P2
口2
0A0H
·P3
口3
0B0H
·IP
中斷優(yōu)先級(jí)控制
0B8H
·IE
允許中斷控制
0A8H
TMOD
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控制
89H
·TCON
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制
88H
+·T2CON
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2控制
0C8H
TH0
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制0（高位字節(jié)）
8CH
TL0
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制0（低位字節(jié)）
8AH
TH1
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制1（高位字節(jié)）
8DH
TL1
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制1（低位字節(jié)）
8BH
+TH2
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制2（高位字節(jié)）
0CDH
+TL2
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制2（低位字節(jié)）
0CCH
+RLDH
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制2自動(dòng)再裝載（高位字節(jié)）
0CBH
+RLDL
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制2自動(dòng)再裝載（低位字節(jié)）
0CAH
·SCON
串行控制
98H
SBUF
串行數(shù)據(jù)緩沖器
99H
PCON
電源控制
97H
數(shù)據(jù)指針DPTR（83H，82H）：數(shù)據(jù)指針DPTR是一個(gè)16位專用寄存器，其高位字節(jié)寄存器用DPH表示，低位字節(jié)寄存器用DPL表示。即可以作為16位寄存器DPTR來(lái)處理，也可以作為2個(gè)獨(dú)立的8位寄存器DPH和DPL來(lái)處理 。DPTR主要用來(lái)保持16位地址，當(dāng)64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間尋址時(shí)，可作為間接寄存器用。這時(shí)有兩條傳送指令MOVX A，@DPTR和MOVX @DPTR, A。在訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器時(shí)，DPTR可用作基址寄存器，這時(shí)采用一條基址+變址尋址方式的指令MOVC A，@+DPTR,常用于讀取存放在程序存儲(chǔ)器內(nèi)的表格數(shù)據(jù)。
2）8031的引腳功能
8031為40引腳芯片如圖3-4，按其功能可分為三個(gè)部分：
a． I/O口線：P0，P1，P2，P3共4個(gè)8位口。
P0（雙向I/O）口（39~32腳）：P0口既可作地址/ 數(shù)據(jù)總線使用，又可作通用I/O口用。
P1（準(zhǔn)雙向I/O）口（1~8腳）：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。
P2（準(zhǔn)雙向I/O）口（21~28腳）：在結(jié)構(gòu)上，P2口比P1口多了一個(gè)輸出轉(zhuǎn)換控制部分。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)倒向左面時(shí)，P2口作通用的I/O端口用，是一個(gè)準(zhǔn)雙向口。
P3（雙功能）（10~17腳）：P3口是一個(gè)多用途的端口。
b.控制信號(hào)引腳：PSEN（片外取指控制），ALE（地地鎖存控制），EA（片外存儲(chǔ)器選擇），RESET（復(fù)位控制）。
c.電源及時(shí)鐘：Vcc，Vss，XTAL1，XTAL2。
其應(yīng)用特性：a. I/O口線不能都用作用戶I/O口線。
b. I/O口的驅(qū)動(dòng)能力，P0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門電
路，P1、P2、P3則只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門。
c. P3口是雙重功能口，其功能如圖3-5所示。
P3.0:RXD(串行輸入口);
P3.1:TXD(串行輸出口);
P3.2:INT0(外部中斷0輸入線);
P3.3:INT1(外部中斷1輸入線);
P3.4:T0(T0外部記數(shù)脈沖輸入線);
P3.5:T1(T1外部記數(shù)脈沖輸入線);
P3.6:WR(外部RAM寫選通脈沖輸出線);
P3.7:RD(外部RAM讀選通脈沖輸出線)。
譯碼器采用74LS138（8205），它具有以下特性：能作為I/O口或存儲(chǔ)器地址選擇器，擴(kuò)充簡(jiǎn)便，有輸入選擇端，采用了遵肖特基雙極型工藝，最大延遲為18ns，連接與TTL邏輯電路兼容，低電平輸入負(fù)載電流最大為0.25A,是標(biāo)準(zhǔn)TTL輸入負(fù)載的1/6。
INTEL8205譯碼器可以擴(kuò)充那些輸入口、輸出口和帶有低電平有效的片選輸入存儲(chǔ)器件的系統(tǒng)。當(dāng)8205被片選時(shí)，它的八個(gè)輸出端之一變“低”，于是存儲(chǔ)器系統(tǒng)的一行被選中。對(duì)于擴(kuò)大的系統(tǒng)，可把8205級(jí)聯(lián)系起來(lái)，使得每一譯碼器能驅(qū)動(dòng)8個(gè)譯碼器 ，可任意擴(kuò)充存儲(chǔ)器。
8205的邏輯符號(hào)、引腳排列，選通和譯碼真值表如下：
引腳說(shuō)明：A0~A2為選址輸入，E1~E3為選通允許輸入（既片選），O0~O7為譯碼輸出。
8205譯碼真值表如下：
地址
選通允許
輸出
A0
A1
A2
E1
E2
E3
0 1 2 3 4 5 6 7
－
－
－
－
－
＋
－ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
＋
－
－
－
－
＋
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＋
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－
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－
＋
＋
－
－
＋
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋
＋
＋
＋
－
－
＋
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
地址
選通允許
輸出
A0
A1
A2
E0
E1
E2
0 1 2 3 4 5 6 7
×
×
×
－
－
－
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
×
×
×
＋
－
－
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
×
×
×
－
＋
－
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
×
×
×
＋
＋
－
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
×
×
×
＋
－
＋
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
×
×
×
－
＋
＋
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
×
×
×
＋
＋
＋
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
鎖存器采用74LS373：它的作用是把輸入信號(hào)鎖存起來(lái)，一直保持到選通信號(hào)來(lái)取出信息。其工作原理：當(dāng)鎖存允許端為高電平時(shí)，Q端跟隨D端變化；當(dāng)鎖存允許由高變低時(shí)，將此變化前一瞬時(shí)輸入鎖存，此后輸入（D）不會(huì)影響輸出（Q）直至鎖存允許為高電平，E是讀選通脈沖。應(yīng)當(dāng)注意在讀期間鎖存允許不能變化。鎖存允許信號(hào)通常取自譯碼器和R/W線，地址譯碼有時(shí)需3到15級(jí)門延遲，來(lái)防止讀鎖存。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用6264（8K×8），一共采用3塊6264，故RAM為24K，除了作為系統(tǒng)參數(shù)工作區(qū)，標(biāo)志單元外，主要用作用戶程序存儲(chǔ)區(qū)，為了保存RAM的內(nèi)容，一旦斷電，保證RAM中的用戶程序不會(huì)丟失，故采用電池利用CE2引腳的掉電保護(hù)裝置在此也得到了應(yīng)用，具體內(nèi)容在后詳講，這里不再敘述。
6264靜態(tài)RAM的技術(shù)性能為：一組三態(tài)輸出引腳作為輸入/輸出公共引腳，輸入/輸出與TTL電路兼容，A0~A12為地址總線，I/O0~I/O7為數(shù)據(jù)輸入/輸出，CE1為片選1，CE2為片選2，WE為寫選通，OE為讀選通。
WE
CE1
CE2
OE
方式
D0~D7
×
高
×
×
未選中
高阻
×
×
低
×
未選中
高阻
高
低
高
高
禁止輸出
高阻
高
低
高
低
讀
D輸出
低
低
高
高
寫
D輸入
低
低
高
低
寫
D輸入
6264引腳排列如下：
EPROM讀存儲(chǔ)器采用2764（8K×8），一共3塊，達(dá)到24字節(jié)，它的技術(shù)性能。存取速度快，功耗低，編程簡(jiǎn)單，采用雙線控制，全靜態(tài)方式，采用單一+5V電源。EPROM一個(gè)很好的特點(diǎn)就是把輸出元件控制（OE）和片選控制（CE）分開(kāi)，保證了其良好接口特性。對(duì)于EPROM的工作方式簡(jiǎn)述說(shuō)明如下：1）.讀方式：EPROM有兩種控制功能，兩者邏輯上部滿足能夠按次序在輸出方面獲得數(shù)據(jù)的要求。片選（CE）是電源控制方面，用于器件的選擇。輸出允許（OE）是輸出控制方面，用作數(shù)據(jù)到輸出引腳的選通信號(hào)，它與器件選擇無(wú)關(guān)。2）.維持方式：在維持方式時(shí)，器件功耗從有效功耗減少到靜態(tài)維持功能。EPROM時(shí)一個(gè)TTL高電平信號(hào)加到CE輸入端而建立維持方式的。當(dāng)處于維持方式時(shí)，輸出端均為高阻狀態(tài)與OE輸入無(wú)關(guān)。3）.編程方式：2764進(jìn)入編程方式時(shí)，Vpp在12.5V且OE和PGM都在TTL低電平、被編程的8位數(shù)據(jù)以并行方式送到數(shù)據(jù)輸出引腳。地址和數(shù)據(jù)輸入所需電平都為TTL。
2764的引腳圖：
在主機(jī)2764（Ⅰ）的起始地址為0000H~1FFFH；
2764（Ⅱ）的起始地址為2000H~3FFFH；
2764（Ⅲ）的起始地址為4000H~5FFFH；
6264（Ⅰ）的起始地址為6000H~7FFFH；
6264（Ⅱ）的起始地址為8000H~9FFFH；
6264（Ⅲ）的起始地址為8000H~9FFFH；在示教盒中，2764的起始地址為0000H~1FFFH；
2.中斷處理電路
本控制系統(tǒng)中采用8259中斷控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多重中斷的優(yōu)先排隊(duì)和中斷申請(qǐng)?zhí)幚怼?259具有多中工作方式，可通過(guò)編程設(shè)定或變更它的工作方式。CPU響應(yīng)中斷時(shí)，8259A能自動(dòng)提供中斷入口地址，而使CPU轉(zhuǎn)問(wèn)相應(yīng)的中斷處理程序。中斷入口地址可由用戶設(shè)定，入口地址可以選定在任何存儲(chǔ)單元。
8259A的引腳，功能說(shuō)明如下：
CS
片選
WR
寫
RD
讀
CAS0~CAS2
級(jí)聯(lián)線
SP/EN
從片/開(kāi)啟緩沖器
INT
中斷
IR0~IR7
中斷請(qǐng)求
INTA
中斷響應(yīng)
A0
地址線
（1）.數(shù)據(jù)總線緩沖器：是三態(tài)，雙向8位緩沖器，外部引腳D0~D7用于和CPU的數(shù)據(jù)總線相連，CPU通過(guò)數(shù)據(jù)緩沖器向8259A傳送命令碼，成從8259A讀聯(lián)狀態(tài)字。在中斷響應(yīng)時(shí)，8259通過(guò)數(shù)據(jù)總線緩沖器問(wèn)CPU提供CALL指令的操作碼（11001101）和調(diào)用子程序入口地址高8位和低8位。
（2）.中斷申請(qǐng)寄存器（IRR）：用來(lái)寄存所有從中斷申請(qǐng)輸入線（IR0~IR7）輸入的中斷申請(qǐng)信號(hào)，當(dāng)IR0~IR7中任何一條申請(qǐng)線上開(kāi)為高電平時(shí)，IRR中相應(yīng)的位置位。
（3）.優(yōu)先級(jí)分辨器（PR）：用于確定中斷申請(qǐng)寄存器（IRR）中個(gè)中斷申請(qǐng)位的優(yōu)先級(jí)。IR0~IR7的優(yōu)先級(jí)可由CPU編程設(shè)定。
（4）.控制邏輯根據(jù)CPU對(duì)8259編程設(shè)定的工作方式產(chǎn)生8259A控制信號(hào)，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)PU發(fā)生中斷申請(qǐng)信號(hào)INT請(qǐng)求CPU響應(yīng)。INTA是來(lái)自CPU的中斷響應(yīng)信號(hào)。當(dāng)CPU進(jìn)入中斷響應(yīng)周期，送來(lái)第一個(gè)INTA脈沖時(shí)，8259的控制邏輯一方面把CALL指令操作碼（11001101）經(jīng)D0~D7送上數(shù)據(jù)線供CPU讀入指令寄存器。另一方面又把優(yōu)先級(jí)分辨器從IRR中選出的具有最高優(yōu)先級(jí)的中斷中請(qǐng)存入服務(wù)狀態(tài)寄存器（ISR）。以確定對(duì)應(yīng)的服務(wù)程序入口地址，CPU在讀到CALL指令操作碼后，由于這是一條3字節(jié)指令,因此繼續(xù)發(fā)來(lái)兩個(gè)INTA的脈沖信號(hào)，在第二個(gè)INTA脈沖到來(lái)時(shí)，控制邏輯把被響應(yīng)的中斷申請(qǐng)所對(duì)應(yīng)的服務(wù)程序入口地址的低8位送上數(shù)據(jù)總線，當(dāng)?shù)谌齻€(gè)INAT脈沖到來(lái)時(shí)，則提供服務(wù)的程序入口地址高8位，然后CPU執(zhí)行調(diào)用指令CALL，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)程序入口地址。在中斷服務(wù)結(jié)束，CPU送來(lái)的中斷結(jié)束（EOL）和特殊中斷結(jié)束（SEOL）命令碼時(shí)，控制邏輯服務(wù)狀態(tài)寄存器中的IS位復(fù)位。
（3）.讀、寫邏輯暈高來(lái)接受CPU的控制信號(hào)，使來(lái)自CPU的初始化命令字（ZCW）和操作命令字（OCW）存入8259A內(nèi)部相應(yīng)的寄存器中，用以規(guī)定8259的工作方式，也CPU讀取8259A內(nèi)部狀態(tài)信息，有關(guān)引腳功能如下：
CS：片選線。當(dāng)CS=0時(shí)，8259A被選中，允許CPU對(duì)8259A進(jìn)行讀、寫操作。
WR：寫信號(hào)。當(dāng)WR=0時(shí)允許CPU把命令字（ICW和OCW）寫入8259。
RD：讀信號(hào)RD=0時(shí)，允許8259A將中斷申請(qǐng)寄存器（IRR），服務(wù)狀態(tài)寄存器（ISR），中斷屏蔽寄存器（IMR）和中斷級(jí)的BCD碼送上數(shù)據(jù)總線供CPU讀取。
A0：地址線。這個(gè)輸入信號(hào)同WR、RD信號(hào)一起用來(lái)確定命令所需寫入的各種命令寄存器?；蛑付–PU要讀出的狀態(tài)信息寄存器。
（4）.級(jí)聯(lián)緩沖器/比較器：
當(dāng)8259A為主器件時(shí)（SP=1），CAS0~CAS2為輸出線，在CPU響應(yīng)中斷時(shí)，用來(lái)表示級(jí)聯(lián)代碼，選出申請(qǐng)中斷的從器件，這是被選的從器件將在下兩個(gè)接連出現(xiàn)的INTA脈沖期間，把預(yù)先編好的中斷服務(wù)程序入口地址代送上數(shù)據(jù)總線。當(dāng)8259A為從器件時(shí)（SP=0），CAS0~CAS2為輸入線，接收主器件送來(lái)的選擇代碼。
8259A的操作控制和工作原理：
a. A0、WR、RD、CS的控制作用，表3-2表示了在控制引腳不同的電平狀態(tài)下的操作控制狀態(tài)。
表 A0、WR、RD、CS的控制作用
A0
D4
D3
RD
WR
CS
輸出操作
0
0
1
0
IRR、ISR或中斷級(jí) BCD碼
數(shù)據(jù)總線
1
0
1
0
IMR 數(shù)據(jù)總線
輸入操作
0
0
0
1
0
0
數(shù)據(jù)總線
OCW2寄存器
0
0
1
1
0
0
數(shù)據(jù)總線
OCW3寄存器
0
1
×
1
0
0
數(shù)據(jù)總線
ICW1
1
×
×
1
0
0
數(shù)據(jù)總線
OCW1，ICW2，ICW3
對(duì)IRRISR或中斷級(jí)的BCD碼的選擇，決定于在此讀出操作之前，CPU寫入的操作命令OCW3的內(nèi)容。這寫命令的輸入順序由芯片的時(shí)序邏輯以適當(dāng)?shù)臅r(shí)序加以排列。
8259A的工作過(guò)程及中斷應(yīng)答時(shí)序：8259按下列順序管理外圍設(shè)備的中斷申請(qǐng)：（1）當(dāng)在IR0~IR7的中斷申請(qǐng)輸入端上由一個(gè)或多個(gè)輸入出現(xiàn)高電平時(shí)，IRR中的個(gè)對(duì)應(yīng)為被置1，表明已經(jīng)由外圍設(shè)備提出中斷申請(qǐng)。
（2）8259A在接受這些中斷申請(qǐng)，并分辨優(yōu)先級(jí)的同時(shí)，向CPU發(fā)出INT脈沖作為應(yīng)答。
（3）若CPU處于“中斷允許”的情況下，在收到INTA信號(hào)后應(yīng)向8259A發(fā)出INTA脈沖作為應(yīng)答。
（4）當(dāng)8259A接收來(lái)自CPU的第一個(gè)脈沖（INTA）時(shí)，便使ISR的最高優(yōu)先級(jí)相應(yīng)位置1，而將IRR中于之對(duì)應(yīng)的位置0，并送一條CALL指令碼（11001101）至數(shù)據(jù)總線。
（5）當(dāng)CPU讀到這個(gè)CALL指令后便發(fā)出兩個(gè)INTA脈沖至8259A。
（6）這后兩個(gè)INTA脈沖促使8259把一個(gè)預(yù)先編程的16位地址傳到數(shù)據(jù)總線上（分兩次送出，先低8位后高位）。這個(gè)地址就是中斷服務(wù)程序的入口地址。
（7）當(dāng)執(zhí)行完上述的3字節(jié)調(diào)用指令后，便轉(zhuǎn)移至執(zhí)行外設(shè)中斷服務(wù)子程序。在子程序執(zhí)行期間，其相應(yīng)的ISR位一直保持位1，只有在子程序的末尾，在8259A收到一個(gè)EOL（中斷結(jié)束）命令時(shí)，才使相應(yīng)的ISR復(fù)位。
中斷應(yīng)答時(shí)序如圖所示：
IR
INT
INTA
DB
8259的編程與命令控制字：8259編程時(shí)，要設(shè)定初始化命令字ICW和操作命令字OCW。在8259啟動(dòng)之前，必須送入2~4個(gè)字節(jié)的ICW1、ICW2用來(lái)設(shè)置中斷服務(wù)程序的16位入口地址。ICW的D4位時(shí)特征位，當(dāng)D4=1，且A0=0時(shí)，8259就會(huì)識(shí)別出它時(shí)初始化命令字ICW1，將其存入相當(dāng)?shù)募拇嫫?，并啟?dòng)初始化時(shí)序。在初始化命令字進(jìn)入8259A之后，8259A就準(zhǔn)備好接收來(lái)自IR輸入線的中斷申請(qǐng)信號(hào)。但是，在8259A工作期間CPU可以通過(guò)操作命令OCW命令8259A完成不同方式的操作。8259A共有三種操作命令字：OCW1、OCW2、OCW3，這三個(gè)操作命令字是依靠A0和OCW中的D4、D3特征位來(lái)區(qū)別的。OCW命令字可在初始化后的任何時(shí)刻寫入，下面分別介紹在不同的操作命令字的控制下8259A的工作方式：（1）無(wú)OCW的操作方式。在完成初始化程序命令送入后，如果沒(méi)有任何OCW操作命令字寫入，則8259A以全嵌套的操作方式響應(yīng)來(lái)自IR輸入線的中斷申請(qǐng)信號(hào)，中斷申請(qǐng)的優(yōu)先級(jí)被定位IR0~IR7（IR0的優(yōu)先級(jí)最高）。當(dāng)中斷被響應(yīng)時(shí)，中斷申請(qǐng)寄存器IRR中優(yōu)先級(jí)最高的申請(qǐng)信號(hào)被選出，并被存入服務(wù)狀態(tài)寄存器，ISR相應(yīng)的IS位（IS0~IS7）被置位。在CPU有服務(wù)程序返回之前，保持置位直到CPU發(fā)出一個(gè)中斷結(jié)束命令（EOL）為止。（2）OCW1的操作方式：CPU可以通過(guò)操作命令字OCW1來(lái)分別屏蔽每一個(gè)中斷申請(qǐng)。OCW1的格式如圖：當(dāng)Mn=1則相應(yīng)的IRn被屏蔽
1 M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0
OCW1
中斷屏蔽
1=設(shè)置屏蔽
2=清除屏蔽
（3）OCW2的操作方式：OCW2操作命令字用于控制8259A的循環(huán)優(yōu)先方式和中斷結(jié)束，OCW2中的R位用來(lái)設(shè)定循環(huán)優(yōu)先方式。當(dāng)R=0時(shí)，8259A以不循環(huán)的優(yōu)先方式操作。IR0~IR7的優(yōu)先權(quán)時(shí)固定的。當(dāng)R=1時(shí)，8259A被設(shè)定以循環(huán)優(yōu)先方式操作。（4）OCW3的操作方式：操作命令字OCW3用來(lái)設(shè)定特殊屏蔽方式和指定將要讀出的寄存器。
3．8279鍵盤、顯示
8279芯片是一種通用