SCARA工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、SCARA工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求1.1 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）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 基本要求（1）要求設(shè)計(jì)一個(gè)微型的三自由度的SCARA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 發(fā)揮部分 自由發(fā)揮2 設(shè)計(jì)過程及論文的基本要求：2.1 設(shè)計(jì)過程的基本要求（1）

2、基本部分必須完成，發(fā)揮部分可任選；（2）符合設(shè)計(jì)要求的報(bào)告一份，其中包括總體設(shè)計(jì)框圖、電路原理圖各一份；（3）設(shè)計(jì)過程的資料保留并隨設(shè)計(jì)報(bào)告一起上交；報(bào)告的電子檔需全班統(tǒng)一存盤上交。2.2 課程設(shè)計(jì)論文的基本要求（1）參照畢業(yè)設(shè)計(jì)論文規(guī)范打印，包括附錄中的圖紙；項(xiàng)目齊全、不許涂改，不少于3000字；圖紙為A4，所有插圖不允許復(fù)印。（2）裝訂順序：封面、任務(wù)書、成績(jī)?cè)u(píng)審意見表、中文摘要、關(guān)鍵詞、目錄、正文（設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)框圖、各部分電路及相應(yīng)的詳細(xì)的功能分析和重要的參數(shù)計(jì)算、工作過程分析、元器件清單、主要器件介紹等）、小結(jié)、參考文獻(xiàn)、附錄（總體設(shè)計(jì)框圖與電路原理圖）。3 時(shí)間

3、進(jìn)度安排順序階段日期計(jì) 劃 完 成 內(nèi) 容備注1講解主要設(shè)計(jì)內(nèi)容，布置任務(wù)點(diǎn)名2搜集相關(guān)資料，檢查框圖及初步原理圖完成情況，講解及糾正錯(cuò)誤打分3檢查機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并指出錯(cuò)誤及糾正； 打分4繼續(xù)機(jī)械機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)打分5進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)打分6檢查控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)草圖打分7完善并確定控制系統(tǒng)打分8指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇打分9進(jìn)行傳感器的選擇和軟件流程設(shè)計(jì)打分10檢查任務(wù)完成情況打分- 25 -1 設(shè)計(jì)任務(wù)描述1.1 設(shè)計(jì)題目SCARA工業(yè)機(jī)器人設(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

4、、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）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SCARA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)外部傳感器的種類和數(shù)量布局。（3）要有控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路。2 設(shè)計(jì)思路2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.1.1 末端操作器的設(shè)計(jì)末端操作器是機(jī)器人手部的重要執(zhí)行部件，是機(jī)器人的關(guān)鍵部分，主要用來識(shí)別物體并抓取物體，正是因?yàn)橛辛怂拇嬖冢瑱C(jī)器人才能根據(jù)電腦發(fā)出的“命令”執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。機(jī)器人的末端操作器不僅是一個(gè)

5、執(zhí)行命令的機(jī)構(gòu)，還應(yīng)具有識(shí)別功能。機(jī)器人的末端操作器一般由方形的手掌和節(jié)狀的手指組成。機(jī)器人的末端操作器主要有夾鉗式取料手、吸附式取料手、專用操作器及轉(zhuǎn)換器、仿生多指靈巧手。夾鉗式取料手手部與人手相似, 是工業(yè)機(jī)器人廣為應(yīng)用的一種手部形式。 它一般由手指(手爪)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及連接與支承元件組成, 能通過手爪的開閉動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持。吸附式取料手適用于大平面（單面接觸無法抓?。?、易碎、微小的物體。機(jī)器人是一種通用性很強(qiáng)的自動(dòng)化設(shè)備,可根據(jù)作業(yè)要求完成各種動(dòng)作, 再配上各種專用的末端操作器后，即專用操作器及轉(zhuǎn)換器,就能完成各種動(dòng)作。仿生多指靈巧手是機(jī)器人手爪和手腕最完美的形式，仿生多指靈

6、巧手有多個(gè)手指, 每個(gè)手指有3個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié), 每一個(gè)關(guān)節(jié)的自由度都是獨(dú)立控制的。因此,幾乎人手指能完成的各種復(fù)雜動(dòng)作它都能模仿。由于夾鉗式取料手與人手相似且能通過手爪的開閉動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持，因此在設(shè)計(jì)機(jī)器人過程中選擇夾鉗式取料手。2.1.2 手腕的設(shè)計(jì)機(jī)器人的手腕是連接末端操作器和手臂的部件，它的作用是調(diào)節(jié)或改變工作的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)器人的末端操作器適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。工業(yè)機(jī)器人一般需要6個(gè)自由度才能使手部達(dá)到目標(biāo)位置并處于期望姿態(tài)。機(jī)器人手腕主要用來確定被抓物體的姿態(tài)，一般采用三自由度多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和擺動(dòng)關(guān)節(jié)組成。設(shè)計(jì)手腕時(shí)除應(yīng)滿足啟動(dòng)和傳送過程中所需的輸出力矩外

7、，還要求手腕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊輕巧、避免干涉、傳動(dòng)靈活，在多數(shù)情況下，要求將腕部結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分安排在小臂上，使外形整齊。設(shè)法使幾個(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的心軸和多層套筒上去，運(yùn)動(dòng)傳入腕部后再分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)動(dòng)作。2.1.3 手臂的設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂是急機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的重要部件，它的作用是將被抓取的工件運(yùn)送到給定的位置上。因此一般機(jī)器人的手臂有3個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過機(jī)座的立柱實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，因此它不僅承受被抓取工件的質(zhì)量，而且末端執(zhí)行器、手腕和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)

8、、工作范圍、靈活性、抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪榷贾苯佑绊憴C(jī)器人的工作性能。2.1.4 基座的設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)座可分為固定式和行走式兩種，一般的工業(yè)機(jī)器人為固定式的。固定式機(jī)器人的機(jī)座可以直接連接在地面上，也可以固定在機(jī)身上。本設(shè)計(jì)中機(jī)器人采用的是固定式。固定式機(jī)器人的本體是固定的，它只能進(jìn)行臂部可活動(dòng)范圍內(nèi)的輸送作業(yè)。所以它作為柔性制造單元內(nèi)部的搬運(yùn)設(shè)備被廣泛應(yīng)用，雖然在輸送距離上受到限制，但是，如果能自動(dòng)更換手部，它不僅能輸送工件，刀具、夾具等各種物料，而且可以裝卸工件，具有較高的柔性。2.1.5 制動(dòng)器的設(shè)計(jì)許多機(jī)器人的機(jī)械臂都需要在各關(guān)節(jié)處安裝制動(dòng)器，其作用是在機(jī)器人停止工作時(shí)， 保持機(jī)

9、械臂的位置不變，在電源發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)機(jī)械臂和它周圍的物體不發(fā)生碰撞。假如齒輪鏈、諧波齒輪機(jī)構(gòu)和滾珠絲杠等元件的質(zhì)量較高，一般其摩擦力都很小，在驅(qū)動(dòng)器停止工作的時(shí)候，它們是不能承受負(fù)載的。如果不采用某種外部固定裝置，如制動(dòng)器、夾緊器或止擋裝置等，一旦電源關(guān)閉，機(jī)器人的各個(gè)部件就會(huì)在重力的作用下滑落。因此，為機(jī)器人設(shè)計(jì)制動(dòng)裝置是十分必要的。制動(dòng)器通常是按失效抱閘方式工作的，即要松開制動(dòng)器就必須接通電源，否則，各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。它的主要目的是在電源出現(xiàn)故障時(shí)起保護(hù)作用。其缺點(diǎn)是在工作期間要不斷通電使制動(dòng)器松開。假如需要的話，也可以采用一種省電的方法，其原理是需要各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，先接通電源，松開

10、制動(dòng)器，然后接通另一電源，驅(qū)動(dòng)一個(gè)擋銷將制動(dòng)器鎖在放松狀態(tài)。2.2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇2.2.1 液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是，液壓容易達(dá)到較高的壓力，體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；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；在液壓傳動(dòng)中，力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；液壓系統(tǒng)由于采用油液作介質(zhì)，具有防銹性和自潤(rùn)滑性，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長(zhǎng)。但是，液壓驅(qū)動(dòng)方式也有不足之處，由于油液的粘度隨著溫度的變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險(xiǎn)；另外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，故造價(jià)比很高?？傊@種驅(qū)動(dòng)方式的輸出力和功率很大，經(jīng)常用于比

11、較大型機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)，而且這種驅(qū)動(dòng)方式還存在著危險(xiǎn)性，所以對(duì)于該機(jī)器人來說不適合選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式。2.2.2 氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是，壓縮空氣粘度小，很容易達(dá)到高速；它不必添加動(dòng)力設(shè)備；空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境無污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)；氣動(dòng)元件工作壓力低。但是它的不足之處是若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對(duì)的增大，而且空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要想達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難。另外，還有一個(gè)嚴(yán)重的問題是，壓縮空氣的排水問題如果處理不當(dāng)會(huì)使鋼類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。此外，排氣還會(huì)造成噪聲污染?？傊?，氣壓驅(qū)動(dòng)多用于開關(guān)控制和順序控制的機(jī)器人，且其體積較大和精確度不高等缺點(diǎn)也使

12、其不適合作為該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式。2.2.3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)經(jīng)過以上的分析可知，液壓式和氣壓式都不適合作為該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式，所以就選擇電動(dòng)式作為該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)又分為直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)。下面，分別介紹這三種電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理,將脈沖信號(hào) 轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。它的工作特點(diǎn)是給步進(jìn)脈沖電機(jī)就轉(zhuǎn)，不給步進(jìn)脈沖電機(jī)就不轉(zhuǎn)；步進(jìn)脈沖頻率高，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)得快；步進(jìn)脈沖頻率低，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)得就慢；改變各相的通電方式（叫脈沖分配）可以改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式；改變通電順序，可以控制步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)

13、。伺服電動(dòng)機(jī)：一個(gè)微型伺服馬達(dá)內(nèi)部包括了一個(gè)小型直流馬達(dá)，一組變速齒輪組，一個(gè)反饋可調(diào)電位器，及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流馬達(dá)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達(dá)的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量。伺服電機(jī)容易與CPU連接，控制性能好，響應(yīng)快，最大的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適合于中小型機(jī)器人。直流電動(dòng)機(jī)：直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和換向器。定子是固定在機(jī)身的圓桶狀部分，一般由永磁材料或能產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈制成。由于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)是開環(huán)控制，所以行進(jìn)速度一般固定，精度不高，直流電機(jī)控制的精確度雖然沒有步進(jìn)電機(jī)那樣高，但完全

14、可以滿足本題目的要求。但是直流電機(jī)控制起來簡(jiǎn)單，它只有兩根線，一根是電源線，一根是接地線。要想控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)度，只要加大加在電源線上的電壓即可，加大電壓的方法是通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)的。如果要想實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，那么就用H橋電路，通過H橋電路就可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。綜上所述，我選用方案三直流電機(jī)作為該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。2.3 傳感器的選擇2.3.1 避障功能傳感器的選擇避障可以說是各種機(jī)器人最基本的功能。因此選擇合適的測(cè)障傳感器是非常重要的。常用的避障傳感器有以下幾種:接觸式傳感器碰撞開關(guān)：碰撞開關(guān)的特點(diǎn)是電路為常開，碰到障礙物后連通，可以用來檢測(cè)機(jī)器人是否發(fā)生碰撞。碰撞開關(guān)價(jià)格便宜

15、，使用簡(jiǎn)單，使用范圍廣，對(duì)環(huán)境條件沒有什么限制。但是，它也有缺點(diǎn)即必須在發(fā)生碰撞后才能檢測(cè)到障礙，這在某些機(jī)器人比賽中是相當(dāng)失分的。并且使用時(shí)間較長(zhǎng)后容易發(fā)生機(jī)械疲勞，無法繼續(xù)正常工作。超聲波傳感器：采用超聲波傳感器，如果傳感器接收到反射的超聲波，則通知單片機(jī)前方有障礙物，反之則通知單片機(jī)可以向前行駛。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，使用超聲波傳感器探測(cè)信號(hào)時(shí)十分容易受到外界環(huán)境的影響，使單片機(jī)控制系統(tǒng)接收到許多錯(cuò)誤的信息。而且超聲波傳感器價(jià)格比較昂貴。光敏傳感器：直接根據(jù)光源的信號(hào)進(jìn)行判斷。這需要光敏傳感器能及時(shí)反饋可靠的信息，而光敏傳感器擁有很高的靈敏度，為了抗干擾還可以把光敏傳感器預(yù)先進(jìn)行特殊處理，使其只有在光

16、源正射時(shí)才能測(cè)到信號(hào)，這樣就使光敏傳感器的返回信號(hào)更加可靠，單片機(jī)一旦接到的光敏傳感器返回的信息，便能作出正確的判斷。倘若測(cè)不到信號(hào)，說明光敏傳感器被障礙物擋住，正前方不能通行,單片機(jī)控制電機(jī)繞開障礙物行駛。紅外傳感器：機(jī)器人自主避碰運(yùn)動(dòng)規(guī)劃只要求對(duì)障礙物存在或不存在進(jìn)行判斷。所以，使用紅外線傳感器就可以滿足要求。其工作原理就是發(fā)射某種射線，遇到障礙物會(huì)被反射回來，這時(shí)傳感器就認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了障礙物。傳感器由紅外線發(fā)射電路和接受電路組成。單片機(jī)通過接收紅外傳感器的信號(hào),判斷出傳感器是否檢測(cè)到障礙物,從而做出避障動(dòng)作。綜合上述并結(jié)合實(shí)際，在本次設(shè)計(jì)中避障傳感器我選擇紅外傳感器。2.3.2 光電編碼器光

17、電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來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，該機(jī)器人采用的是增量式光電編碼器。增量式光電編碼器在旋轉(zhuǎn)圓盤上設(shè)置一條環(huán)帶，將環(huán)帶沿圓周方向分割成m等分，并用不透明的條紋印刷到上面。把圓盤置于光線的照射下，透過去的光線用一個(gè)光傳感器（A）進(jìn)行判讀。因?yàn)閳A盤每轉(zhuǎn)過一定角度，光傳感器的輸出電壓A在H（high level）與L（low level）之間就會(huì)交替地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以當(dāng)把這個(gè)轉(zhuǎn)換次數(shù)用計(jì)數(shù)器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，就能夠知道旋轉(zhuǎn)過的角度。絕對(duì)式光電編碼器在輸入軸上的旋轉(zhuǎn)透明圓盤上

18、，設(shè)置條同心圓狀的環(huán)帶，對(duì)環(huán)帶上角度實(shí)施二進(jìn)制編碼，并將不透明條紋印刷到環(huán)帶上。將圓盤置于光線的照射下，當(dāng)透過圓盤的光由n個(gè)光傳感器進(jìn)行判讀時(shí)，判讀出的數(shù)據(jù)變成為nbit的二進(jìn)制碼。二進(jìn)制碼有不同的種類，但是只有葛萊碼是沒有判讀誤差的碼，所以它獲得了廣泛的應(yīng)用。編碼器的分辨率由比特?cái)?shù)（環(huán)帶數(shù)）決定，例如12bit，編碼器的分辨率，由于 ，所以可以以1/4096的分辨率，對(duì)1轉(zhuǎn)360 °進(jìn)行檢測(cè)。BCD編碼器，設(shè)定以十進(jìn)制作為基數(shù)，所以其分辨率變?yōu)椋?60/4000）°2.4 主控制器的選擇主控制器用來接收傳感器部分傳遞過來的信號(hào)，并根據(jù)事前寫入的決策系統(tǒng)（軟件程序），來決定

19、機(jī)器人對(duì)外部信號(hào)的反應(yīng)，將控制信號(hào)發(fā)給執(zhí)行器部分，就好比人的大腦。適合機(jī)器人的控制芯片有很多：?jiǎn)纹瑱C(jī)、DSP、ARM甚至我們計(jì)算機(jī)上所用的CPU，都可以。但是，在本次設(shè)計(jì)中我還是選用了我們最熟悉的，價(jià)格最便宜的單片機(jī)。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它作為馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)中的運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和控制器的集成，是系統(tǒng)中其它所有輸入輸出信息的控制和處理中心，本設(shè)計(jì)中采用的單片機(jī)是我們學(xué)過的C8051系列單片機(jī)。2.5 軟件功能的實(shí)現(xiàn)當(dāng)外界的傳感器傳送給單片機(jī)后，接下來就需要進(jìn)行軟件編程了，來對(duì)機(jī)器人的各種行為進(jìn)行控制。在本次設(shè)計(jì)中，機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用匯編語言編程，整個(gè)軟件程序主要由主程序、初始化程序、躲避障

20、礙物子程序、尋光子程序、充電子程序和轉(zhuǎn)彎子程序，還有前進(jìn)子程序等組成。主程序主要起到導(dǎo)向和決策的功能,決定什么時(shí)候該做什么，機(jī)器人的各種功能主要是通過調(diào)用具體的子程序模塊來實(shí)現(xiàn)的。2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇在自制機(jī)器人的時(shí)候，選擇一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)電路也是非常重要的。在我的設(shè)計(jì)中我選擇直流電動(dòng)機(jī)，直流電機(jī)最常用的驅(qū)動(dòng)電路是H橋電路，但是考慮如果用硬件來完成H橋電路的搭建非常麻煩，而且所占的空間也大，所以在我的設(shè)計(jì)中選擇了集成的驅(qū)動(dòng)芯片LM298，這款芯片內(nèi)部集成了H橋電路，就不用再自己搭配了。給我的設(shè)計(jì)帶來了很大的方便。3 設(shè)計(jì)方框圖環(huán)境工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)覺南北紅力覺南北紅接近覺南北紅視覺南北紅聽覺南北紅

21、滑覺南北紅接觸覺南北紅傳感器信號(hào)調(diào)理電路南北紅A/D轉(zhuǎn)換器南北紅單片機(jī)鍵盤南北紅試教盒南北紅機(jī)器人控制器南北紅機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器南北紅機(jī)器人南北紅環(huán)境工作臺(tái)圖3.1設(shè)計(jì)方框圖4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 機(jī)械部分機(jī)械部分主要由基座，手臂，末端操作器，關(guān)節(jié)等部分組成，每一部分都有若干自由度，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械結(jié)構(gòu)，任務(wù)的復(fù)雜程度決定了機(jī)械部分的復(fù)雜程度，構(gòu)造越復(fù)雜，自由度越多，機(jī)器人完成的任務(wù)越高級(jí)。機(jī)身部分（基座）：如同機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)一樣，機(jī)器人機(jī)身構(gòu)成機(jī)器人的基礎(chǔ)支撐。有的機(jī)身底部安裝有機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)；有的機(jī)身可以繞軸線回轉(zhuǎn)，構(gòu)成機(jī)器人的腰。手臂部分：分為大臂、小臂和手腕，完成各種動(dòng)作。末端操作器：

22、可以是擬人的手掌和手指，也可以是各種作業(yè)工具，如焊槍、噴漆槍等。關(guān)節(jié)：分為滑動(dòng)關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。實(shí)現(xiàn)機(jī)身、手臂各部分、末端操作器之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)。若基座具備行走機(jī)構(gòu)、則構(gòu)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。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。 機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖4.1所示圖4.1機(jī)器人結(jié)構(gòu)SCARA是SelectiveCompliance Assembly Robot Ar

23、m的縮寫,意思 是具有選擇順應(yīng)性的裝配機(jī)器人手臂,這種SCARA機(jī)器人在水平方向具有順應(yīng)性,在垂 直方向具有很大的剛性.由于各個(gè)臂都只沿水平方向旋轉(zhuǎn),故又稱為平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人或裝配機(jī)器人 SCARA機(jī)器人本體結(jié)構(gòu) 操作機(jī):由臂,關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置構(gòu)成,是機(jī)器人完成作業(yè)的實(shí)體,具有和人手臂相似的功能,可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作 驅(qū)動(dòng)單元:由驅(qū)動(dòng)器,減速器,檢測(cè)元件等組成 控制裝置:包括檢測(cè)(如傳感器)和控制(如計(jì)算機(jī))兩部分,可用來控制驅(qū)動(dòng)單元,檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)參數(shù)是否符合規(guī)定要求,并進(jìn)行反饋控制人工智能系統(tǒng):主要由兩部分組成,一部分為感覺系統(tǒng)(硬件),主要靠各類傳 感器來實(shí)現(xiàn)其感覺功能. SCA

24、RA工業(yè)機(jī)器人機(jī)械圖如圖4.2所示圖4.2 SCARA工業(yè)機(jī)器人機(jī)械圖SCARA機(jī)器人可以應(yīng)用于需要高效率的裝配、焊接、密封、搬運(yùn)和拿放等眾多應(yīng)用，具有高剛性、高精度、高速度、安裝空間小、設(shè)計(jì)自由度大的優(yōu)點(diǎn)。它比多軸定位平臺(tái)的工作循環(huán)時(shí)間短很多，大大提高了工作效率。由于組成的部件少，因此工作更加可靠，減少維護(hù)。此外還有吸頂和倒置安裝型，方便安裝于各種空間。它們具有絕對(duì)位置記憶，無需原點(diǎn)返回操作，節(jié)省了時(shí)間。您可以用它們直接組成為焊接機(jī)器人、點(diǎn)膠機(jī)器人、光學(xué)檢測(cè)機(jī)器人、拿放機(jī)器人、插件機(jī)器人等，效率極高，占地還小，基本免維護(hù)。 SCARA工業(yè)機(jī)器人示意圖如圖4.3所示圖4.3 SCARA工業(yè)機(jī)器

25、人示意圖4.2 傳動(dòng)部分 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SCARA機(jī)器人中，其主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為平移型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。從上表一中我們可以看到各種傳動(dòng)方式的對(duì)比。 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)。機(jī)器人采用的直線驅(qū)動(dòng)方式包括直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的X、Y、Z向驅(qū)動(dòng),圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動(dòng)和垂直升降驅(qū)動(dòng), 以及極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)可以直接由氣缸或液壓缸和活塞產(chǎn)生, 也可

26、以采用齒輪齒條、絲杠、螺母等傳動(dòng)元件把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。4.2.1 齒輪齒條裝置通常,齒條是固定不動(dòng)的，當(dāng)齒輪傳動(dòng)時(shí), 齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運(yùn)動(dòng), 這樣, 齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)換成為拖板的直線運(yùn)動(dòng)。齒輪齒條裝置的運(yùn)動(dòng)示意圖如圖4.4所示圖4.4齒輪齒條裝置4.2.2 普通絲杠普通絲杠驅(qū)動(dòng)是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的精密絲杠驅(qū)動(dòng)一個(gè)螺母沿絲杠軸向移動(dòng)。 由于普通絲杠的摩擦力較大, 效率低, 慣性大, 在低速時(shí)容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象, 而且精度低, 回差大, 因此在機(jī)器人上很少采用。 4.2.3 滾珠絲杠在機(jī)器人上經(jīng)常采用滾珠絲杠, 這是因?yàn)闈L珠絲杠的摩擦力很小且運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度快。由于滾珠絲杠在絲杠螺母的

27、螺旋槽里放置了許多滾珠,傳動(dòng)過程中所受的摩擦力是滾動(dòng)摩擦, 可極大地減小摩擦力,因此傳動(dòng)效率高,消除了低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的爬行現(xiàn)象。在裝配時(shí)施加一定的預(yù)緊力,可消除回差。 在此次設(shè)計(jì)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠，可以使機(jī)器人在摩擦力非常小的情況下快速運(yùn)動(dòng)，并且可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的三自由度的設(shè)計(jì)。5 硬件設(shè)計(jì)5.1 單片機(jī)模塊5.1.1 電源電路在電源電路中，SPX1117-3.3是穩(wěn)壓芯片將輸入電壓5V轉(zhuǎn)換成3.3V作為C8051F020單片機(jī)的主要供電電源。S2為輸入電源開關(guān)按鈕，在下載完數(shù)據(jù)后可用此按鍵來更新下載數(shù)據(jù)。其電路圖如圖5.1單片機(jī)電源電路所示。圖5.1 單片機(jī)電源電路5.1

28、.2 復(fù)位電路當(dāng)開發(fā)板上電時(shí)，C14經(jīng)充電后復(fù)位端電壓相當(dāng)于低電平實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位：當(dāng)斷電后通過1N4148形成放電回路。其電路圖如圖5.2單片機(jī)復(fù)位電路所示。圖5.2 單片機(jī)復(fù)位電路5.1.3 液晶顯示（LCD）接口電路單片機(jī)留有一個(gè)LCD液晶接口，相對(duì)應(yīng)的液晶為MzL05-12864，它是一款僅寫入的串行SPI接口方式的液晶，給液晶僅需5個(gè)控制口即可完成對(duì)其控制。單片機(jī)使用模擬SPI的方式對(duì)液晶進(jìn)行操作。其電路圖如圖5.3單片機(jī)液晶接口電路所示。圖5.3 單片機(jī)液晶接口電路5.1.4 晶振電路Y1為晶體振蕩器，其振蕩頻率為22.11842MHZ，為單片機(jī)提供其工作所需要的時(shí)鐘，C16、C17起

29、到幫助晶振的作用。電路圖如圖5.4單片機(jī)晶振電路所示。圖5.4 單片機(jī)晶振電路5.2 系統(tǒng)模塊5.2.1 電源電路在本次設(shè)計(jì)中我選用LM7805集成穩(wěn)壓電路，它的輸出電壓為5V，輸出電流可達(dá)1.5A。由LM7805集成穩(wěn)壓器組成的5V電壓源主要由變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成。如圖5.5穩(wěn)壓電源電路所示。圖5.5 穩(wěn)壓電源電路5.2.2 復(fù)位電路復(fù)位可分為外部復(fù)位和看門狗復(fù)位，通常復(fù)位都選擇外部復(fù)位方式，外部復(fù)位又叫硬件復(fù)位，硬件復(fù)位電路的工作原理是，系統(tǒng)正常工作時(shí)，RESET引腳通過4.7K電阻接到電源正極，所以應(yīng)為高電平，若按下復(fù)位按鈕按鈕，則REAET引腳通過100姐地位低電平

30、，源正極，芯片復(fù)位。如圖5.6復(fù)位電路圖所示。圖5.6 復(fù)位電路5.3 測(cè)光模塊5.3.1 光敏電阻傳感器光敏電阻是根據(jù)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的。它所用的材料主要有：硒、硫化鎘、硫化鋁、硫化鉍、硒化鎘、硒化鋅、砷化鎵、硅等。其中對(duì)可見光敏感的硫化鎘光敏電阻是最有代表性的一種。光敏電阻在使用時(shí)，可以加直流偏壓，也可以加交流偏壓，它的電流隨電壓呈線性變化。光敏電阻在無光照時(shí)，其暗阻值一般大于1500 k，在有光照時(shí)，其亮阻值為幾千歐，兩者相差較大。光敏電阻的主要特點(diǎn)是：靈敏度高、體積小、重量輕、電性能穩(wěn)定、可以交直流兩用，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜等。在實(shí)際使用中一般都選擇硫化鎘光敏電阻。以硫化鎘

31、（CdS）為主要成分的光敏電阻是應(yīng)用廣泛的一種光敏，它是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，即當(dāng)光照射在硫化鎘半導(dǎo)體表面上時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子增加，使其電導(dǎo)率增加。CdS通常都是制成薄膜結(jié)構(gòu)的，以便收集和吸收更多的光線。光敏電阻與其他半導(dǎo)體光電器件相比，有以下特點(diǎn)，光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬，工作電流大，所測(cè)得光電強(qiáng)度范圍寬，既可測(cè)強(qiáng)光也可測(cè)弱光，靈敏度高，無選擇極性之分。5.3.2 光敏電阻的數(shù)量和布局光敏電阻硫化鎘在黑暗環(huán)境中的阻值大約為100 k，在明亮環(huán)境中阻值為10 k，不同的硫化鉛電阻的阻值相差很大，在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中我選擇使用四個(gè)光敏電阻，并且需要盡量使四個(gè)硫化鎘光敏電阻的阻值相等或接近。由于硫化鎘光敏

32、電阻的電阻值變化較大，因此，在設(shè)計(jì)中最好多買幾個(gè)硫化鎘光敏電阻，使購買的數(shù)量多于需要使用的數(shù)量，然后對(duì)這些硫化鎘電阻進(jìn)行測(cè)量，從中選擇一對(duì)電阻值最接近的硫化鎘光敏電阻。把篩選出來的四個(gè)硫化鎘光敏電阻，分別放在機(jī)器人的前后左右的位置，當(dāng)這四個(gè)光敏電阻傳感器接收光線的強(qiáng)度近似相等時(shí)，機(jī)器人靜止，否則移動(dòng)。5.3.3 光敏電阻的測(cè)量電路機(jī)器人的測(cè)光電路如圖5.7測(cè)光電路所示。在設(shè)計(jì)中采用橋電路，通過四個(gè)方向光強(qiáng)的照射，經(jīng)過電壓比較器來比較反饋光強(qiáng)度，并比較被測(cè)光強(qiáng)。該電路的工作原理如下：兩只光敏電阻通過下拉電阻連接到電壓比較器的輸入端，兩只下拉電阻的阻值相等，因?yàn)閮芍还饷綦娮璧淖柚挡豢赡芡耆嗟龋?/p>

33、以在設(shè)計(jì)中又添加了一個(gè)滑動(dòng)變阻器。光敏電阻1是安裝在機(jī)器人的左側(cè)，光敏電阻2安裝在右側(cè)的。當(dāng)左側(cè)的光強(qiáng)大于右側(cè)的光強(qiáng)時(shí)，光敏電阻1的阻值將變小，所分的電壓也將變小，那么與它相連的固定電阻R9所分的電壓將變大，這時(shí)電壓比較器將會(huì)輸出一個(gè)低電平信號(hào)。當(dāng)右側(cè)的光強(qiáng)大于左側(cè)的光強(qiáng)時(shí)，光敏電阻2的阻值將變小，所分的電壓也將變小，那么與它相連的固定電阻R10所分的電壓將變大，這時(shí)電壓比較器將會(huì)輸出一個(gè)高電平信號(hào)。把轉(zhuǎn)化之后的數(shù)字量送入單片機(jī)進(jìn)行處理，來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。圖5.7 測(cè)光電路5.4 避障模塊5.4.1 紅外傳感器把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器。紅外式接近覺傳感器的基本工作原理：它包括

34、兩個(gè)組成部分發(fā)送器與接收器。發(fā)送器往往為紅外發(fā)光二極管，而接收器一般為光敏晶體管。發(fā)送器向某物發(fā)出一束紅外光后，該物體發(fā)射紅外光，并被接收器所接收。通過反射與接收達(dá)到判斷物體的存在的目的，經(jīng)過信號(hào)處理與解算，又可獲得其相對(duì)距離，從而確定其位置。紅外式接近傳感器的明顯優(yōu)點(diǎn)是在于它的發(fā)送器與接收器都很小，因此可以方便安裝在機(jī)器人的各個(gè)部位。且它的應(yīng)答性好，維修方便，是目前應(yīng)用較多的種接近覺傳感器。一般把它用于移動(dòng)機(jī)器人的路徑探測(cè)和躲避障礙物。紅外傳感器主要分為光電型和熱敏型。紅外傳感器由兩個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管組成。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，紅外線在遇到障礙物后被反射回來，紅外接收管收到被反射回

35、來的紅外線后，通過A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)進(jìn)行處理，并電量發(fā)光二極管LED。告訴機(jī)器人前方有障礙物，不能直線前進(jìn)了，要轉(zhuǎn)彎。5.4.2 紅外傳感器的測(cè)量電路傳感器由紅外線發(fā)射電路和檢測(cè)器組成。發(fā)射電路使用555時(shí)基電路組成的脈沖發(fā)生器，其工作頻率為38kHz，占空比為60%。其震蕩頻率為： （4.1）由式（4.1）可知當(dāng)C=lnf、f=38Hz時(shí)，（Ra+2Rb）=37.97K。選定Rb=15K，Ra通過一個(gè)可變電阻調(diào)節(jié)得到。555產(chǎn)生的脈沖波由OUT腳輸出，經(jīng)電阻加到驅(qū)動(dòng)三極管的基極上，由三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線。檢測(cè)器使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的38kHz的電視遙控接收器。由非門74HC14將信號(hào)

36、整形，可以得到穩(wěn)定的方波信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前方?jīng)]有障礙物時(shí)檢測(cè)器也發(fā)生電平變化。經(jīng)分析認(rèn)為是紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線中的一部分直接被檢測(cè)器檢測(cè)到所造成的。在紅外發(fā)光二極管和檢測(cè)器之間加裝金屬隔板后，問題得到解決。如圖5.8紅外發(fā)射電路所示。圖5.8 紅外發(fā)射電路5.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊5.5.1 LM298簡(jiǎn)介L(zhǎng)M298是雙通道直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它可以滿足機(jī)器人正反轉(zhuǎn)控制的需要。LM298是一塊單片集成電路，有兩種封裝形式，它是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，可以用來驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如繼電器、電動(dòng)閥、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。采用LM298作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，可靠性高，可以方便

37、地控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。LM298內(nèi)部包含2個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器接收標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。LM298可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)，這些特性使得LM298很適合作直流電機(jī)控制芯片。5.5.2 H橋原理簡(jiǎn)述所謂 H 橋驅(qū)動(dòng)電路是為了直流電機(jī)而設(shè)計(jì)的一種常見電路，它主要實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng)，其典型電路形式如右圖5.9H橋所示： 圖5.9 H橋（1）開關(guān) S1、S4接通，電機(jī)為正向轉(zhuǎn)動(dòng)；（2）開關(guān)S2、S3接通時(shí)，直

38、流電機(jī)將反向轉(zhuǎn)動(dòng)；（3）剎車 將B 、D開關(guān)（或A、C）接通，則電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電勢(shì)將被短路，形成阻礙運(yùn)動(dòng)的反電勢(shì)，形成“剎車”作用；（4）惰行 4個(gè)開關(guān)全部斷開，則電機(jī)慣性所產(chǎn)生的電勢(shì)將無法形成電路，從而也就不會(huì)產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的反電勢(shì)，電機(jī)將慣性轉(zhuǎn)動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間。5.5.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)由于從單片機(jī)出來的信號(hào)太小，不能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以在單片機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間添加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。如圖5.10驅(qū)動(dòng)電路所示。采用專用芯片LM298作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。LM298采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。其中，M1、M2是直流電動(dòng)機(jī)，VD4VD11是整流二極管。LM298的輸入輸出關(guān)系：使能控制端ENA接單片

39、機(jī)的端口，當(dāng)這個(gè)端口為高電平時(shí)，通過PWM信號(hào)輸入端IN1和IN2可以控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度（輸入端IN1為PWM信號(hào)，輸入端IN2為低電平，電動(dòng)機(jī)正傳；輸入端IN2為PWM信號(hào)，輸入端IN1為低電平，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)）；當(dāng)它為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電橋上的4個(gè)晶體管全部截止，使正在運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)電樞電流反向，電動(dòng)機(jī)自由停止。該驅(qū)動(dòng)電路的工作過程是，單片機(jī)的兩個(gè)PWM輸出口P1.0和P1.2分別用于控制左右兩個(gè)直流電機(jī)，分別連到LM298的IN1和IN3兩個(gè)輸入端，主要用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。P1.1和P1.3是控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的，分別連在LM298的IN2和IN4兩個(gè)輸入端。這樣，就可以實(shí)現(xiàn)LM298輸出端對(duì)

40、電機(jī)的控制了。圖5.10 驅(qū)動(dòng)電路6 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化6.1 軟件流程圖檢測(cè)工件是否檢測(cè)到工件否繼續(xù)向工件移動(dòng)工件是否位于兩指中心否夾緊工件向上移動(dòng)左移同時(shí)檢測(cè)是否有待安裝工件位置否向下移動(dòng)并安裝結(jié)束圖6.1 軟件流程圖7 工作過程分析本次課程設(shè)計(jì)的題目是SCARA工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)，我分別從機(jī)械部分，控制部分，傳感器部分加以分析，介紹。機(jī)械部分為單機(jī)器人臂，旋轉(zhuǎn)自由度由立柱部分完成，另外兩個(gè)自由度為手臂的升降和伸縮。其中手腕部分我采用柔順手腕，這樣可以避免由于末端操作器的力過大而損壞工件。手指部分我采用的是V行指，適用于抓取圓柱形工件。實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)我選伺服電機(jī)，因?yàn)槠淠軠?zhǔn)確的定位，

41、控制角度。并且是閉環(huán)結(jié)構(gòu)，精度高。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)我選齒輪鏈，將電機(jī)輸出地高速度，低轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)化為需要的低速，高轉(zhuǎn)矩。至于直線運(yùn)動(dòng)的得驅(qū)動(dòng)，我選直流電機(jī)，直流電機(jī)控制穩(wěn)定，易調(diào)速，簡(jiǎn)單，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，我選齒輪齒條式，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮和升降。關(guān)于傳感器，首先，我們需要檢測(cè)工件和待安裝工件的位置，所以我用紅外測(cè)距傳感器，通過檢測(cè)距離，來判斷工件的位置，最終找到工件。這其中在手爪實(shí)現(xiàn)抓取的時(shí)候需要通過光電開關(guān)來判斷工件是否在兩手指的中心位置，如果在，則夾緊工件，如不在，則繼續(xù)抓取。其中，紅外測(cè)距傳感器分別安在手指的底部和側(cè)面，用來檢測(cè)工件及安裝位置。光電開關(guān)和滑覺傳感器均安在手指內(nèi)表面用于

42、搬運(yùn)過程中的反饋信息。在關(guān)節(jié)處安裝力及速度傳感器，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)輸出及控制中的力反饋?？刂撇糠治疫xC8051F020單片機(jī)，用LM298驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。這里面涉及到運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的知識(shí)。我們首先需要確定，機(jī)械手在空間的坐標(biāo)，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解將其轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)坐標(biāo)，在通過動(dòng)力學(xué)正解算出各個(gè)關(guān)節(jié)需要的驅(qū)動(dòng)力，之后生成伺服指令，輸入控制器，機(jī)械手就開始工作了。8 元器件清單表8.1所用元器件表名稱型號(hào)數(shù)量備注普通電阻器13電容2光敏電阻4紅外傳感器17整流二極管1N400414發(fā)光二極管3LED單片機(jī)C8051F0201直流電機(jī)2電源15V3.3V集成穩(wěn)壓器LM78051變壓器1LM2981TLC5551

43、9 主要元器件介紹9.1 光敏電阻CdS光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。以硫化鎘（CdS）為主要成分的光敏電阻是應(yīng)用廣泛的一種光敏，它是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，即當(dāng)光照射在硫化鎘半導(dǎo)體表面上時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子增加，使其電導(dǎo)率增加。CdS通常都是制成薄膜結(jié)構(gòu)的，以便收集和吸收更多的光線。光敏電阻與其他半導(dǎo)體光電器件相比，有以下特點(diǎn)，光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬，工作電流大，所測(cè)得光電強(qiáng)度范圍寬，既可測(cè)強(qiáng)光也可測(cè)弱光，靈敏度高，無選擇極性之分。9.

44、2 紅外傳感器紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)。紅外傳感技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國(guó)防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器。紅外傳感器主要是利用被測(cè)物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測(cè)量物體的溫度，可進(jìn)行遙控。它可以不從被測(cè)物體上吸收熱量，不會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)，連續(xù)測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生消耗，反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。紅外傳感器主要分為光電型和熱敏型。光電型是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成的，其核心是光電元件，這類傳感器主要有紅外二極管、三極管等。熱敏型主要制作紅外溫度傳感器，它是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，其核心是熱敏元件。9.3 LM7805三端穩(wěn)壓集成電路LM7805。電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的lm78 ×× 系列和負(fù)電壓輸出的lm79××系