六自由度機(jī)械手課程設(shè)計(jì)

1、六自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)課程名稱：機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院：機(jī)械學(xué)院專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化姓名：學(xué)號(hào)：年級(jí)：任課教師：2012年12月20日第一章前言錯(cuò)誤！未定義書簽。1.1 機(jī)器人技術(shù)概述錯(cuò)誤！未定義書簽。1.2 國(guó)外機(jī)器人技術(shù)發(fā)展情況錯(cuò)誤！未定義書簽。1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)4.第二章總體設(shè)計(jì)5.2.1 整體分析5.2.2 各部分分析5.2.2.1 機(jī)械部分5.2.2.2 電氣部分6.第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7.3.1 底部設(shè)計(jì)7.3.2 臂部設(shè)計(jì)8.3.3 腕部設(shè)計(jì)8.3.4 手部設(shè)計(jì)8.第四章電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9.4.1 計(jì)算機(jī)與AT89S52通信9.4.2 AT89S52控制舵機(jī)1.0第五章程序分析12六自由度

2、機(jī)械手設(shè)計(jì)第一章前言1.1 機(jī)器人技術(shù)概述機(jī)器人技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)電一體化技術(shù)的最高成果，涉及諸多學(xué)科，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最為活躍的領(lǐng)域之一。作為應(yīng)用最為廣泛的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)物，機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用非常普遍。近年來，由于勞動(dòng)力成本上升等因素，我國(guó)許多企業(yè)已經(jīng)開始將部分生產(chǎn)交給工業(yè)機(jī)器人處理，特別是在條件較為惡劣的環(huán)境，工業(yè)機(jī)器人發(fā)揮了穩(wěn)定、高效、適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。機(jī)器人技術(shù)是二十世紀(jì)的一項(xiàng)重要明，它的問世和應(yīng)用在減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率，把人從危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下勞動(dòng)替換出來等方面顯示出極大的優(yōu)越性；并且在宇宙、海洋開發(fā)及軍事技術(shù)上具有重要的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)各類相關(guān)學(xué)科的發(fā)展也有很大的促進(jìn)作用。1.2 國(guó)

3、外機(jī)器人技術(shù)發(fā)展情況國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：1 .工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操做和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降。2 .機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化，由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)，國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問世。3 .工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。4 .機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了

4、視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。5 .虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。6 .當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控、遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入使用化階段。1.3設(shè)計(jì)任務(wù)本次課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象為深圳德普施公司制造的六自由度機(jī)械手，該機(jī)械手采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了伸縮、旋轉(zhuǎn)、夾物等動(dòng)作，共有六個(gè)自

5、由度，我們主要對(duì)六自由度機(jī)械手的物理結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)安排，運(yùn)動(dòng)分析，驅(qū)動(dòng)電路及程序控制進(jìn)行研究。第二章總體設(shè)計(jì)2.1 整體分析六自由度機(jī)械手由舵機(jī)、鋁合金支架、單片機(jī)、控制板等部分組成，六個(gè)舵機(jī)分別控制六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度，以此來控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)范圍，機(jī)械手應(yīng)有裝夾功能，因此設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械式手鉗機(jī)構(gòu)；機(jī)械手采用AT89S52微控制器控制舵機(jī)的工作，具與80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。用PC機(jī)編寫好程序后，燒入控制器中，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)、伸縮、裝夾等功能。六自由度機(jī)械手實(shí)物圖如下：手部2.2 各部分分析六自由度機(jī)械手分為兩個(gè)部分：機(jī)械部分和電氣部分。機(jī)械部分主要是機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，關(guān)

6、節(jié)安排，材料選擇等；而電氣部分主要是機(jī)械手的控制選擇，運(yùn)動(dòng)分析，程序指令，電路布置。電氣部分控制機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)規(guī)定的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。2.2.1 機(jī)械部分機(jī)械部分由機(jī)身、臂部、腕部和手部四個(gè)部分組成，共有6個(gè)自由度，每個(gè)關(guān)節(jié)都由一個(gè)獨(dú)立的舵機(jī)控制，其中J1能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)身360的旋轉(zhuǎn)，臂部J2和J3用來控制機(jī)械手在空間的位置，腕部的J4、J5用來控制手部的的姿態(tài)，而J6則用來控制機(jī)械手手部的開合。各個(gè)關(guān)節(jié)中，J1和J5為360。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其余都為受限關(guān)節(jié)，只能在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。六自由度機(jī)械手的關(guān)節(jié)布置簡(jiǎn)圖如下，該機(jī)械手臂有6個(gè)關(guān)節(jié)，每一個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制都是用舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，只有一個(gè)自由度。2.2.2電氣部分六

7、自由度機(jī)械手電氣部分由控制器模塊，舵機(jī)，用行總線，驅(qū)動(dòng)模塊和通訊模塊組成。首先用keil軟件編輯程序，調(diào)試正確無誤后輸出.hex格式文件，再用下載好的progisp下載軟件將.hex格式文件燒到控制器上，然后運(yùn)行程序，控制器產(chǎn)生的控制信號(hào)傳輸?shù)蕉鏅C(jī)控制芯片，由P8X32A-M44分析信號(hào)后，發(fā)出6個(gè)舵機(jī)控制信號(hào)，通過YE08芯片將其電壓放大，傳輸進(jìn)舵機(jī)控制口，舵機(jī)帶動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手按照預(yù)定的動(dòng)作運(yùn)動(dòng)。第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)是六自由度機(jī)械手的本體，其設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循靈活、簡(jiǎn)潔的原則。三維模型簡(jiǎn)圖如下：3.1 底部設(shè)計(jì)六自由度機(jī)械手底部做成圓盤狀，和臂部相連接，對(duì)臂部起支撐作用。底部只做旋

8、轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但是它能帶動(dòng)機(jī)械手臂部做360。旋轉(zhuǎn)，并且圓盤機(jī)構(gòu)比較穩(wěn)定，承載能力較強(qiáng)，適合于360。運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)身設(shè)計(jì)的要求：機(jī)身要有足夠的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性；運(yùn)動(dòng)要靈活，用于實(shí)現(xiàn)升級(jí)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向套長(zhǎng)度不宜過短，以避免發(fā)生卡死現(xiàn)象；驅(qū)動(dòng)方式要適宜；結(jié)7構(gòu)布置要合理。3.2 臂部設(shè)計(jì)六自由度機(jī)械手臂部由大臂和小臂組成，具備伸縮功能，共有2個(gè)自由度，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，直接承受腕部、手部和工件的載荷，但由于本機(jī)械載荷較小，在設(shè)計(jì)時(shí)不用過多考慮此因素，但在進(jìn)行一般機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，臂部載荷能力的計(jì)算非常重要。臂部是工業(yè)機(jī)器人的主要執(zhí)行部件，除支承作用外，它還負(fù)責(zé)改變手部的空間位置。臂部設(shè)計(jì)的基本要求：手臂應(yīng)具有

9、足夠的承載能力和剛度；導(dǎo)向性要好；重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要??；運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高。3.3 腕部設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。六自由度機(jī)械手的腕部按自由度數(shù)目分類，為一個(gè)二自由度手腕，由一個(gè)B關(guān)節(jié)和一個(gè)R關(guān)節(jié)組成的BR手腕，這也是最為常見的二自由度手腕；按驅(qū)動(dòng)方式分類，為直接驅(qū)動(dòng)手腕，是將驅(qū)動(dòng)元件直接裝在手腕上，這樣結(jié)構(gòu)十分緊湊。3.4 手部設(shè)計(jì)手部是機(jī)械手用來抓握物品的機(jī)構(gòu)，具有一定的人手功能。在設(shè)計(jì)手部時(shí)，需要充分考慮抓取物品的性質(zhì)，以此來確定手部結(jié)構(gòu)的樣式。一般手部有以下特點(diǎn)：手部與腕部相連處可拆卸；手部是工業(yè)機(jī)器人的末端操作器；手部的通用性較差；手部是一個(gè)獨(dú)

10、立的部件。工業(yè)機(jī)器人的手部有機(jī)械鉗爪式和吸附式之分。本次設(shè)計(jì)采用齒輪傳動(dòng)的機(jī)械鉗爪式手部，具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，適用于一般場(chǎng)合下的物品夾緊與放松。第四章電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電氣部分主要由計(jì)算機(jī)、AT89S52空制器、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。在計(jì)算機(jī)上編寫好程序后輸出.hex文件格式源程序，將其通過RS-232串行總線載入AT89S52單片機(jī)，打開電源開關(guān)后由AT69S52產(chǎn)生六路占空比可調(diào)的PW時(shí)號(hào),PWM1號(hào)輸出到舵機(jī)，控制舵機(jī)按程序規(guī)定的步驟運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，由此來使機(jī)械手完成規(guī)定的動(dòng)作。由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號(hào)的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠

11、。RS-232AT89s52六自由度機(jī)械手關(guān)節(jié)4.1 計(jì)算機(jī)與AT89S52S信計(jì)算機(jī)與AT89S5之間通過串行總線RS-23怵聯(lián)系，它是計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間信息傳遞的樞紐，一切數(shù)據(jù)的傳輸必需由它完成。本實(shí)驗(yàn)只需將用計(jì)算機(jī)編好的程序通過RS-232串行總線燒入單片機(jī)，然后由單片機(jī)控制舵機(jī)運(yùn)行即可。AT89S52JATMEL所生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，它與80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，因此在嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。RS232接口是197/由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通

12、訊的標(biāo)準(zhǔn)。單片機(jī)和RS23和電平標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的，單片機(jī)與電腦串口通信應(yīng)該遵循下面的連接方式：在單片機(jī)與上位機(jī)給出的RS232q之間通過電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS23或平之間的轉(zhuǎn)換。(T2)P1.0L140VCC(T2EX)P1JE230FC.0(ADO)PU2E3犯1PC.1(ADHjP1.3C437PC2(AD2.P14E5前TlPC3(AD3iiW5l.P1,5E635PC4i：AD4i(MSO)PIjOC734JPC5iAD5i(SCK)P17C833PCeiAECirstEe32FC7(AD7i但孫國(guó)0匚1031EAlWPTXDjP3J匚1130al&PHQQ12201P5EN(

13、TNm戶*3匚132SP27(A15(TD)PM匚1427P2C(A14)(1卻P3,5匚1523JP：5iA13；(WR)P3,flL25P24A12)麗jP3r7匚1724Z|P23iA1rKTAL2匚IB23P2.2(A1D)XTAL1匚id22TlP2.1(A3iGhnr2D21nF2.D|A3)AT89S5叩腳圖4.2 AT89S52控制舵機(jī)單片機(jī)控制舵機(jī)具有簡(jiǎn)單、精度高、成本低、體積小的特點(diǎn)，并可根據(jù)不同的舵機(jī)數(shù)量加以靈活應(yīng)用。本次實(shí)驗(yàn)中AT89S5/生的占空比可調(diào)的PW時(shí)號(hào)經(jīng)由驅(qū)動(dòng)模塊的接收通道進(jìn)入信號(hào)解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，獲得一個(gè)直流偏置電壓。該直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得

14、電壓差送入電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。直到電壓差為0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)主要由外殼、減速齒輪組、電機(jī)、電位器、控制電路組成。減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其終端、輸出端帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測(cè)該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較。產(chǎn)生糾正脈沖并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0,從而達(dá)到舵機(jī)精確定位的目的。本次實(shí)驗(yàn)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用的是parallax公司生產(chǎn)的16路舵機(jī)控制模塊，具包括16路舵機(jī)控制線接口、單片機(jī)通信接口、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電源接口、開關(guān)、復(fù)位鍵、控制芯片等部分組成。10AT89S5

15、2空制模塊與舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊11第五章程序分析六自由度機(jī)械手控制程序如下，改變codearmdata數(shù)組中的數(shù)據(jù)即可調(diào)整各轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。程序主函數(shù)只有最后很小的一部分，主程序通過調(diào)用各個(gè)子函數(shù)完成程序的運(yùn)行。這樣做可有效的較少主程序的大小，提高程序的運(yùn)行速度。首先運(yùn)行子函數(shù)uart_Init(),它主要負(fù)責(zé)單片機(jī)用口中斷驅(qū)動(dòng)程序、發(fā)送和接收中斷信號(hào)、初始化用行口和UART波特率函數(shù)。下一個(gè)子程序robotmove()主要用于舵機(jī)的轉(zhuǎn)角控制。數(shù)組armdata中的數(shù)據(jù)為占空比數(shù)，子程序robotmove()通過讀取其中的數(shù)據(jù)改變脈沖寬度而控制舵機(jī)。子程序delay_nms()為各個(gè)舵機(jī)動(dòng)作延遲時(shí)

16、間控制。#include#include#defineucharunsignedchar#defineRXDP12#defineTXDP12#defineWRDYN44/寫延時(shí)#defineRDDYN43/讀延時(shí)/延時(shí)程序*voidDelay2cp(unsignedchari)while(-i);/往用口寫一個(gè)字節(jié)voidWByte(ucharin)uchari=8;TXD=(bit)0;/Delay2cp(183);while(i-)TXD=(bit)(in&0x01);/Delay2cp(176);in=in1;剛好兩個(gè)指令周期發(fā)送啟始位/發(fā)送8位數(shù)據(jù)位先傳低位12/發(fā)送校驗(yàn)位(無)TXD

17、=(bit)1;/Delay2cp(190);)/從串口讀一個(gè)字節(jié)ucharRByte(void)(ucharOut=0;uchari=8;發(fā)送結(jié)束位/發(fā)送8位數(shù)據(jù)位uchartemp=RDDYN;while(RXD);Delay2cp(187);Delay2cp(94);while(i-)(Out=1;if(RXD)Out|=0x80;Delay2cp(179);)while(-temp)(Delay2cp(1);if(RXD)break;/此處注意，等過起始位先收低位/(96-26)/2/,循環(huán)共占用26個(gè)指令周期在指定的時(shí)間內(nèi)搜尋結(jié)束位。收到結(jié)束位便退出)returnOut;)intmo

18、tormove(charchannel,charramp,intposition)(unsignedchari;ucharcmd8=!SC;cmd3=channel;cmd4=ramp;cmd5=position;cmd6=position8;cmd7=0x0D;for(i=0;i8;i+)(WByte(cmdi);)13/BseBcptelbwwrstwrstRgrpprintcodearmdata=750,800,800,540,750,650,550,800,800,540,750,650,550,800,700,540,750,550,550,800,700,540,750,550,9

19、00,800,700,540,750,550,900,800,600,540,750,1200,900,800,600,540,750,1200,900,800,600,:540,750,1200,750,800,900,540,750,1200,750,8010,9010,540,750,1200,750,800,900,540,750,550,450,800,900,540,750,550,450,800,900,540,750,650,450,800,900,540,750,650,750,800,800,540,750,650,0xffintcodedelay=20,20,15,20,

20、30,10,10,10,30,20,10,30,10,10,10;introbotmove(inti,int*movedata)ucharj;while(*movedata!=0xff)for(j=0;ji;j+=6)motormove(0x00,15,*movedata+);delay_nms(delayj/6);motormove(0x01,15,*movedata+);delay_nms(delayj/6);motormove(0x02,15,*movedata+);delay_nms(delayj/6);motormove(0x03,12,*movedata+);delay_nms(dela