多自由機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、成都工業(yè)學(xué)院成教院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）論文題目： 多自由度機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)教 學(xué) 點(diǎn)： 重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院指導(dǎo)老師： 張建平 職 稱： 講師 學(xué)生姓名： 任龍 學(xué) 號(hào):2011547497專 業(yè)： 機(jī)電一體化工程成都工業(yè)學(xué)院成教院制二一三年十二月二十五日成都工業(yè)學(xué)院成教院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)題目： 多自由度機(jī)械手的設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：此處要填寫(xiě)時(shí)間： 2013年 11月 28 日 至 2014 年 4 月 17 日 共 20 周教 學(xué) 點(diǎn)： 重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院學(xué)生姓名： 任龍 學(xué) 號(hào)： 547497專業(yè)： 機(jī)電一體化工程指導(dǎo)單位或教研室： 重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院指導(dǎo)教師： 張建平 職 稱：講師成都

2、工業(yè)學(xué)院成教院制畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)度計(jì)劃表日 期工 作 內(nèi) 容執(zhí) 行 情 況指導(dǎo)教師簽 字查找資料，選題完成論文的初稿完成論文二稿的寫(xiě)作完成論文的終稿及格式修改定稿，打印論文，做好評(píng)閱的準(zhǔn)備論文評(píng)閱教師對(duì)進(jìn)度計(jì)劃實(shí)施情況總評(píng) 簽名 年 月 日 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）教 學(xué) 點(diǎn)：重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院學(xué)生姓名： 任龍 學(xué) 號(hào)：2011547497專 業(yè)：機(jī)電一體化工程成都工業(yè)學(xué)院成教院制二一四年四月十日成都工業(yè)學(xué)院成教院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)成績(jī)考核表題 目： 多自由度機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)教 學(xué) 點(diǎn)： 重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院學(xué)生姓名： 任龍 學(xué)號(hào)：547497專業(yè)： 機(jī)電一體化工程指導(dǎo)教師：張建平 職稱： 講師

3、 所在單位： 指導(dǎo)教師意見(jiàn)： 簽字： 年 月 日 評(píng)審意見(jiàn)： 評(píng)閱人： 年 月 日 答辯意見(jiàn)：答辯小組組長(zhǎng)簽名： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)1設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文報(bào)告） 分總分：（等級(jí)： ）2答辯 分3平時(shí)成績(jī) 分學(xué)校意見(jiàn)：年 月 日1 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）正本存教學(xué)點(diǎn)。2 本表一式兩份，一份存入學(xué)生檔案，一份學(xué)校存檔。3 此表須用鋼筆填寫(xiě)。目 錄摘要11 概況及現(xiàn)狀分析21.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀31.3機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)52 機(jī)械手的設(shè)計(jì)52.1自由度及關(guān)節(jié)62.2基座及連桿62.2.1 基座62.2.2 大臂62.2.3 小臂7機(jī)器人手部設(shè)計(jì)72.3傳動(dòng)方式83 驅(qū)動(dòng)源的選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算113

4、.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定113.2 各關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇計(jì)算123.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇123.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇133.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇144 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)155各機(jī)械部件的設(shè)計(jì)選擇與校核185.1 軸的設(shè)計(jì)與校核185.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)185.1.2 大臂軸的強(qiáng)度校核185.2 軸承壽命的校核216 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)236.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)236.1.1 8051單片機(jī)介紹246.2.2 復(fù)位電路256.1.3 振蕩電路256.2 串行接口電路256.3 傳感器266.3.1 傳感器的選型266.3.2 硬件電路的設(shè)計(jì)276.4 電動(dòng)機(jī)的控制276.4.1 L29

5、8N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)介286.4.2 硬件電路圖28結(jié) 論29參 考 文 獻(xiàn)29ABSTRACT.31附件32多自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)摘要：在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)四自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于給沖壓設(shè)備運(yùn)送物料。首先，本文將設(shè)計(jì)機(jī)器人的底座、大臂、小臂和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的

6、傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺(tái)；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計(jì)該機(jī)器人的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設(shè)計(jì)以及控制軟件的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)加強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程的安全性。關(guān)鍵詞：機(jī)器人，控制，伺服，制動(dòng)1 概況及現(xiàn)狀分析1.1機(jī)器人概述在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、

7、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)?！肮I(yè)機(jī)器人”（Industrial 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、操作工具的裝置（國(guó)內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。 機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。簡(jiǎn)而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。 機(jī)器人一般分為三類。第一類

8、是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國(guó)外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)

9、外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間最大，甚至能繞過(guò)基座周?chē)囊恍┱系K物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。圖1-1

10、機(jī)器人的一般組成對(duì)于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺(jué)裝置、視覺(jué)裝置和語(yǔ)言識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺(jué)裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說(shuō)并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。 圖1-2 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作

11、任務(wù)。驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)則將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀 機(jī)器人首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。 目前工

12、業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺(jué)機(jī)能。 第三代機(jī)器人（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷

13、擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。國(guó)際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議ISIR決定每年召開(kāi)一次會(huì)議，討論和研究機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問(wèn)題。 目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險(xiǎn)作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。 在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏

14、離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來(lái)越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車(chē)間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專用機(jī)器人語(yǔ)言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在

15、EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問(wèn)題的根本辦法是研究和使用具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。美國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：（1）1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年， 萬(wàn)能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900型。（2）1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時(shí)期，工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國(guó)通用汽車(chē)公司1968年訂購(gòu)了68臺(tái)工業(yè)機(jī)器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器

16、人，并用21組成電焊小汽車(chē)車(chē)身的焊接自動(dòng)線；又如，美國(guó)克萊斯勒汽車(chē)公司32條沖壓自動(dòng)線上的448臺(tái)沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件。（3）1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(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)工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)大約200臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá)60萬(wàn)小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(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)器人的系統(tǒng)。又如，萬(wàn)能自動(dòng)公司制成了由25臺(tái)機(jī)器人組成的汽車(chē)車(chē)輪生產(chǎn)自動(dòng)線。麻省理工學(xué)院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識(shí)別能力微

17、型機(jī)器人。其他國(guó)家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開(kāi)始以美國(guó)的“Versatran”和“Unimate”型機(jī)器人為藍(lán)本開(kāi)始進(jìn)行研制的。就日本來(lái)說(shuō)，1967年，日本豐田織機(jī)公司 引進(jìn)美國(guó)的“Versatran”，川崎重工公司引進(jìn)“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過(guò)引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國(guó)產(chǎn)化機(jī)器人，技術(shù)水平很快趕上美國(guó)并超過(guò)其他國(guó)家。經(jīng)過(guò)大約10年的實(shí)用化時(shí)期以后，從1980年開(kāi)始進(jìn)入廣泛的普及時(shí)代。我國(guó)雖然開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國(guó)已開(kāi)始有計(jì)劃地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)引進(jìn)、仿制、改造、

18、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。1.3機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)： a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； b)開(kāi)發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場(chǎng)合，如開(kāi)發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開(kāi)發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開(kāi)發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合； c)研制各類傳感器及檢測(cè)元

19、器件，如，觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周?chē)耐饨绛h(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái)物料搬運(yùn)機(jī)器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報(bào)廢的焊接機(jī)器人，本文的中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要偏向于對(duì)原有機(jī)構(gòu)的改造和機(jī)械手的設(shè)計(jì)。2.1自由度及關(guān)節(jié) 圖2-1 機(jī)械手該機(jī)器人具有四個(gè)自由度 ，即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；還有一個(gè)用于夾持物料的機(jī)械手。2.2基座及連桿2.2.1 基座基座是整個(gè)機(jī)器人本體的支撐。為保證機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性，采用兩塊“Z”字形

20、實(shí)心鑄鐵作支撐。基座上面是接線盒子，所有電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和反饋信號(hào)都從中出入。接線盒子外面，有一個(gè)引入線出口和一個(gè)引出線出口。2.2.2 大臂大臂長(zhǎng)度230mm，具體尺寸如圖2-2所示:圖2-2大臂外形2.2.3 小臂小臂長(zhǎng)度240mm，具體尺寸如圖2-3所示：圖2-3 小臂外形圖2-4夾鉗式手部的組成圖2.3傳動(dòng)方式由于一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一般要求有：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動(dòng)功率和傳動(dòng)比時(shí)體積最小，重量最輕；（2）傳動(dòng)剛度大，即由驅(qū)動(dòng)器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有

21、頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動(dòng)；（3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度；（4）壽命長(zhǎng)、價(jià)格低。 本文所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程的沖擊和振動(dòng)，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動(dòng)。齒形帶傳動(dòng)是同步帶的一種，用來(lái)傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動(dòng)。 齒形帶傳動(dòng)原理如圖2.7所示。齒輪帶的傳動(dòng)比計(jì)算公式為齒輪帶的平均速度為 圖2-5齒形帶傳動(dòng)2.4制動(dòng)器制動(dòng)器及其作用：制動(dòng)器是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的能量變

22、為熱能釋放，從而使運(yùn)動(dòng)的機(jī)械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(jī)械制動(dòng)器和電氣制動(dòng)起兩類。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，學(xué)要使用制動(dòng)器的情況如下： 特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施 停電時(shí)，防止運(yùn)動(dòng)部分下滑而破壞其他裝置。機(jī)械制動(dòng)器： 機(jī)械制動(dòng)器有螺旋式自動(dòng)加載制動(dòng)器、盤(pán)式制動(dòng)器、閘瓦式制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器等幾種。其中最典型的是電磁制動(dòng)器。在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常使用伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電機(jī)本身的特性決定了電磁制動(dòng)器是不可缺少的部件。從原理上講，這種制動(dòng)器就是用彈簧力制動(dòng)的盤(pán)式制動(dòng)器，只有勵(lì)磁電流通過(guò)線圈時(shí)制動(dòng)器打開(kāi)，這時(shí)制動(dòng)器不起制動(dòng)作用，而當(dāng)電源斷開(kāi)線圈中無(wú)勵(lì)磁電流時(shí)，在彈簧力的作用下處于制動(dòng)狀態(tài)的常閉

23、方式。因此這種制動(dòng)器被稱為無(wú)勵(lì)磁動(dòng)作型電磁制動(dòng)器。又因?yàn)檫@種制動(dòng)器常用于安全制動(dòng)場(chǎng)合，所以也稱為安全制動(dòng)器。電氣制動(dòng)器 電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，同時(shí)也能通過(guò)其反過(guò)程來(lái)達(dá)到制動(dòng)的目的。但對(duì)于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類型的電機(jī)，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)電路。 本文中，該機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)未安裝機(jī)械制動(dòng)器，因此機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)因?yàn)橹亓σ蛩囟侣?。另外，由于各方面限制，不方便在原有機(jī)構(gòu)上添加機(jī)械制動(dòng)器，所以只能通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動(dòng)。采用

24、電氣制動(dòng)器，其優(yōu)點(diǎn)在于：在不增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)又具有制動(dòng)功能，這是非常理想的情況，而在機(jī)器人上安裝機(jī)械制動(dòng)器會(huì)使質(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量避免。缺點(diǎn)在于：這種方法不如機(jī)械制動(dòng)器工作可靠，斷電的時(shí)候?qū)⑹ブ苿?dòng)作用。3 驅(qū)動(dòng)源的選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定 圖3-1 機(jī)械手手臂重量分布圖 圖3-2 開(kāi)口盤(pán)重量分布圖如圖3-1所示，設(shè)計(jì)機(jī)械手大臂與小臂的尺寸和重量如下： (1).大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為230mm，質(zhì)量為M1(3.4kg左右)，重心在距離第一關(guān)節(jié)軸128mm處，L1=128mm。(2).小臂的第二關(guān)節(jié)軸和手爪前部之間的距離為224mm，質(zhì)量為M2(2kg左右)

25、，重心在距第二關(guān)節(jié)軸80mm處，L2=99+80=170mm。如圖3-2所示，設(shè)計(jì)機(jī)械手開(kāi)口盤(pán)質(zhì)量和尺寸如下： 旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)盤(pán)中心距離為230mm，轉(zhuǎn)盤(pán)質(zhì)量為15Kg。 本次設(shè)計(jì)機(jī)械手的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下：負(fù)載1kg；大臂回轉(zhuǎn)：0，；小臂回轉(zhuǎn)：0，； 腰部旋轉(zhuǎn)：0，600/s；手爪夾持半徑45mm95mm。3.2 各關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇計(jì)算當(dāng)機(jī)械手手臂旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)臂伸開(kāi)呈一條直線時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)可產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。如圖3-1所示，設(shè)兩臂繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2，根據(jù)平行軸定理可得繞大臂軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為14：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （3-1）其中：M1

26、，M2，分別為3.4Kg，2Kg；L1，L2，分別為128mm，170mm。JG1M1L12、JG2M2L22，故可忽略不計(jì)，所以繞大臂軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J1=M1L12+M2L22 (3-2)=3.4×0.132+2×0.172=0.16kg.m2同理可得小臂繞小臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： M2=7Kg，L4=80mm。J2=M2L42 (3-3)=2×0.082=0.013kg.m2 腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為開(kāi)口盤(pán)繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加上大臂與小臂繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和。設(shè)開(kāi)口盤(pán)繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J3，所以同理可得腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：M3=15

27、Kg，L5=160mm。 （ 3-4）3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 設(shè)大臂速度為，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： （3-5）式中：T 旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)矩，N.m。 J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2。 角加速度，rad/s。 設(shè)機(jī)械手大臂從到所需的時(shí)間為：，由式（3-5）有：若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：選擇減速機(jī)：型號(hào)：APEX-AE235 （同軸式行星減速機(jī)） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m 減速比：i1=100諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： (3-6)選擇小型直流伺服電機(jī)： 型號(hào)：MAXON-EC118896額

28、定電壓：24V額定電流：1.5A額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：40w電機(jī)尺寸：L=93mm D=46mm 3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇原理同上，設(shè)小臂轉(zhuǎn)速，設(shè)角速度從0加到所需加速時(shí)間，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： （3-7）式中：T 旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)矩，N.m。 J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2。 角加速度，rad/s2。由式（3-7）有：若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： （3-8)選擇減速機(jī)：型號(hào)：APEX-AE235 （同軸式行星減速機(jī)） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m 減速比：i2=100諧波減速器

29、的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： (3-9)選擇小型直流伺服電機(jī)： 型號(hào)：MAXON-EC118896 額定轉(zhuǎn)矩額定電壓：24V額定電流：1.5A額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：40w電機(jī)尺寸：L=93mm D=46mm 3.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇設(shè)旋轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度為，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： （3-10）式中：T 旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)矩，N.m。 J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2。角加速度，rad/s。設(shè)機(jī)械手大臂從到所需的時(shí)間為：則：若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： (3-11)選擇減速機(jī)：

30、型號(hào)：APEX-AE238 （同軸式行星減速機(jī)） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：50N.m 減速比：i3=100設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： (3-12)選擇小型直流伺服電機(jī) 型號(hào)：MAXON-EC137489 額定轉(zhuǎn)矩額定電壓：24V額定電流：2A額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：60w電機(jī)尺寸：L=124mm D=64mm 4 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1機(jī)械手的設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它使機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量

31、、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類：（1） 夾鉗式取料手（2） 吸附式取料手（3） 專用操作器及轉(zhuǎn)換器（4） 仿生多指靈巧手本文設(shè)計(jì)對(duì)象為物料搬運(yùn)機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取工件的鉗形指。手指是直接與工件接觸的部件。手指松開(kāi)和夾緊工件，是通過(guò)手指的張開(kāi)與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如圖4.1所示 圖4.1 機(jī)械手手指形狀 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開(kāi)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開(kāi)合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖4.1為初步設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖（只畫(huà)出了一半，另外一半關(guān)

32、于中心線對(duì)稱）。 圖4.2 機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 在圖4.2中，O為電機(jī)輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構(gòu)成滑塊搖桿機(jī)構(gòu)。通過(guò)兩個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動(dòng)DE的來(lái)回?cái)[動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。 圖4.2中的黑線和藍(lán)線表示機(jī)構(gòu)運(yùn)行的兩個(gè)極限位置。 為便于手指的順利合攏，可以在兩個(gè)手指之間設(shè)置一個(gè)彈簧，這樣還可以提供適當(dāng)?shù)膴A緊力。另外，在選用電機(jī)的時(shí)候，要使電機(jī)的功率足以克服彈簧的收縮和張開(kāi)，并且提供足夠加緊物體的力。圖4.3機(jī)械手部位pro|e三維圖 圖4.4 虛擬樣機(jī)場(chǎng)景下面更進(jìn)一步計(jì)算出所需要的電機(jī)力矩。 圖4.5 力矩變化情況從圖4.5

33、中看到，起始階段須克服的彈簧力最大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩必須大于550N·mm，這為電機(jī)的挑選提供了一定的依據(jù)。 5各機(jī)械部件的設(shè)計(jì)選擇與校核5.1 軸的設(shè)計(jì)與校核5.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩和彎矩是軸的主要承受載荷，軸的常見(jiàn)形式有直軸和彎軸，而根據(jù)本次設(shè)計(jì)中機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，選擇傳動(dòng)軸為直軸.知條件可知n=10r/min，由電機(jī)傳遞到軸上的功率 選擇軸的材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后，再使用.由參考資料表查得：硬度：HBS217255；屈服強(qiáng)度極限：s=360MPa；抗拉強(qiáng)度極限b=650 MPa，彎曲疲勞強(qiáng)度極限1=300 MPa.由表查得-1b=55 MPa.初步確定軸的直徑：按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估計(jì)軸輸出

34、端直徑由表查得C=1.3126 取C=120由式，得d=120 =19.81 取d=19mm 軸的設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)如下圖5-1所示：圖5-1 大臂旋轉(zhuǎn)軸5.1.2 大臂軸的強(qiáng)度校核按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核： 本次設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸全長(zhǎng)193mm，最小軸頸19mm，材料為45號(hào)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用。 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： （5-1） 式中： 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。 T軸所受的扭矩，N.mm。 軸的抗扭截面系數(shù)，。 N軸的轉(zhuǎn)速；r/min。 P軸的傳遞功率，Kw。 D計(jì)算界面處軸的直徑，mm。許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。由上式得： （5-2）查表得的范圍為25MPa45MPa；的范圍為103126。本次設(shè)計(jì)取40 則 取106

35、則本次設(shè)計(jì)最小軸徑為19mm>17.5mm，故滿足強(qiáng)度要求。按照彎扭合成強(qiáng)度校核：彎扭合成圖如圖5-2所示： 圖5-2 彎扭合成圖若是軸強(qiáng)度合格，則 （5.3）式中： 軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa。 M軸所受的彎矩，N.mm。 T軸所受的扭矩，N.mm。 W軸的抗彎截面系數(shù)，。 截面系數(shù)。本次設(shè)計(jì)軸的材料為45號(hào)剛，查表得：，軸的危險(xiǎn)界面斷面圖如下圖5-3所示：圖5-3 軸的危險(xiǎn)截面斷面圖圖中，b=8mm，t=3.5mm，d=30mm所以：即 所以本次設(shè)計(jì)的軸強(qiáng)度合格。5.2 軸承壽命的校核 本次設(shè)計(jì)由于大臂與小臂旋轉(zhuǎn)軸所設(shè)計(jì)的軸承是一樣的，故選用四口相同型號(hào)尺寸的軸承，選擇深溝球軸承6186，

36、所以校核所受載荷最大的一個(gè)軸承合格即可。本設(shè)計(jì)校核大臂旋轉(zhuǎn)軸上軸承的壽命，該軸上的軸承只受徑向載荷，軸承的預(yù)期計(jì)算壽命。軸承對(duì)軸的支撐力與軸承上所受到的徑向載荷是一對(duì)作用力與反作用力，由前邊軸的強(qiáng)度校核部分，可以計(jì)算出軸上安裝軸承兩處的軸承所受到的徑向載荷和大小分別為：查機(jī)械設(shè)計(jì)第七版頁(yè)公式（）知以小時(shí)表示的軸承壽命為： （5-5） 式中 ：軸承的轉(zhuǎn)速，。 軸承的基本額定動(dòng)載荷，kN。 載荷，kN。指數(shù)，對(duì)于球軸承，。軸承的轉(zhuǎn)速，從最新軸承手冊(cè)頁(yè)表查得代號(hào)為6186深溝球軸承的基本額定動(dòng)載荷，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入軸承壽命計(jì)算公式可求得：遠(yuǎn)大于，軸承的壽命滿足設(shè)計(jì)要求。6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器人具有多個(gè)自

37、由度，每個(gè)自由度一般包括一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來(lái)，組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，控制系統(tǒng)在本次設(shè)計(jì)中非常重要。本次設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖6-1所示：圖6-1 控制系統(tǒng)總體框圖6.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)由于單片機(jī)體積小，價(jià)格便宜且具有高穩(wěn)定性和很強(qiáng)的抗干擾能力，因此本次設(shè)計(jì)控制芯片選擇8051單片機(jī)。單片機(jī)最小系統(tǒng)一般由單片機(jī)、復(fù)位電路、震蕩電路等組成，由于本次設(shè)計(jì)使用8051單片機(jī)，所以以8051最小系統(tǒng)為例介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)。8051單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件電路圖如圖6-2所示。圖6-2 51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖6.1.1 8

38、051單片機(jī)介紹8051單片機(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖6-3所示。8051單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必須的基本內(nèi)容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成：(1). 微處理器CPU(2). 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM(3). 程序存儲(chǔ)器ROM/EPROM(4). 4個(gè)8位并行I/O口（P0口P1口P2口P3口）(5). 1個(gè)串行口(6). 2個(gè)16位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器(7). 中斷系統(tǒng)(8). 特殊功能寄存器（SFR） 上述各功能部件是通過(guò)片內(nèi)單一總線連接而成， 如圖6-3所示。圖6-3中各功能部件的功能如下：(1) CPU微處理器 8051單片機(jī)中有一個(gè)8位的微處理器，與通用的微

39、處理器基本相同，同樣包括了運(yùn)算器和微處理器兩大部分。只是增加了面向控制的處理功能，不僅可以處理字節(jié)數(shù)據(jù)，也可以進(jìn)行位變量的控制。(2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)為128B，片外最多可外擴(kuò)64KB。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)單片機(jī)運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。片內(nèi)的128B的RAM，以高速RAM形式集成在的單片機(jī)內(nèi)，可以加快單片機(jī)的運(yùn)行速度，而且這種結(jié)構(gòu)還可以降低單片機(jī)的功耗。(3) 程序存儲(chǔ)器 用來(lái)存儲(chǔ)程序，為4K 的ROM，最多可外擴(kuò)至64KB。(4) 中斷系統(tǒng) 具有5個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。(5) 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有4種工作方式。(6)

40、串行口 1個(gè)全雙工的的串行口，具有4種工作方式?？捎脕?lái)進(jìn)行串行通信，擴(kuò)展并行I/O口。(7) P1口、P2口、P3口、P0口 為4個(gè)并行8位I/O口。(8) 特殊功能寄存器SFR 特殊功能寄存器共有21個(gè)，用于CPU對(duì)片內(nèi)各功能部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上片內(nèi)各功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的RAM區(qū)。CPU運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAMP0P2P1P3串行口定時(shí)器計(jì)數(shù)器程序存儲(chǔ)器ROM/EPROM特殊功能寄存器SFRXTAL1XTAL2ALEPSENEARESET8888圖 6-3 8051單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu)6.2.2 復(fù)位電路單片機(jī)的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一

41、個(gè)確定的狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)復(fù)位電路作用是把一個(gè)例如狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時(shí)候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲(chǔ)設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個(gè)值。單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時(shí)間必須大于單片機(jī)的兩個(gè)機(jī)器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計(jì)算出時(shí)間常數(shù)。復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。(1)上電復(fù)位：STC89系列單片及為高電平復(fù)位，通常在復(fù)位引腳RST上連接一個(gè)電容到VCC，再連接一個(gè)電阻到GND，由此形成一個(gè)RC充放電回路保證單片機(jī)在上電時(shí)RST腳上有足夠時(shí)間的高電平進(jìn)行復(fù)位，

42、隨后回歸到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這個(gè)電阻和電容的典型值為10K和10uF。(2) 按鍵復(fù)位：按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)按下時(shí)電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會(huì)保持一段時(shí)間的高電平來(lái)使單片機(jī)復(fù)位。6.1.3 振蕩電路單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整

43、頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來(lái)提供。8051使用12MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間。 6.2 串行接口電路串行接

44、口是為了讓單片機(jī)與外部設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的一種方式。串行接口具有使用線路少、成本低等優(yōu)點(diǎn)。AT89C51單片機(jī)具有一個(gè)全雙工串行通信接口，這樣可以很容易的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)之間或者多機(jī)之間的通信。因?yàn)閱纹瑱C(jī)串行口的輸出與輸入均為T(mén)TL電平。這種以TTL電平串行傳輸數(shù)據(jù)的方式，抗干擾技能差，傳輸距離短。為了提高串行通信的可靠性，增大串行通信的距離就必須采用標(biāo)準(zhǔn)串口。RS-232C是異步串行通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)串行接口，它定義了數(shù)據(jù)終設(shè)備（DTE）數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。PC機(jī)都配有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C接口，由于TTL電平和RS-232C電平互不兼容，所以兩者連接必須有電平轉(zhuǎn)換。單片機(jī)

45、信號(hào)為T(mén)TL電平（0V5V）。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)電平（邏輯1：-3V-15V；邏輯0：+3V+15V）。如果需要兩者之間的電平轉(zhuǎn)換需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片，這里選用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。MAX232是由美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換芯片，此芯片由于內(nèi)部有自升壓的電平倍增電路，可以將+5V轉(zhuǎn)換成-10V +10V，滿足RS-232C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯1和邏輯0的電平要求。設(shè)計(jì)電路如圖6-4，電平轉(zhuǎn)換芯片的R1OUT和T1IN分別與單片機(jī)的RXD和TXD管腳相連接。同時(shí)選用通用的9芯的RS-232接口，即DB9F。圖 6-4 串行接口電路圖6.3 傳感器6.3.1 傳感器的選型本次設(shè)計(jì)傳感器采用VTI

46、Technologies 公司的SCA100T系列。SCA100T是采用微電子機(jī)電技術(shù)（MEMS）制造的一款雙軸加速度傳感器，模擬輸出的電壓范圍為0-5v ，SCA100T單軸的最大輸出范圍約為±90度。在采樣頻率為8Hz及以下時(shí)，可獲得0.002度的輸出分辨率。MEMS是二十一世紀(jì)的前沿技術(shù)，采用MEMS技術(shù)可以在硅芯片上加工出完整的微型電子機(jī)械系統(tǒng)，包含了微型傳感器、微型機(jī)械機(jī)構(gòu)、以以及信號(hào)處理和控制電路、通訊接口等于一體的微型器件，把信息系統(tǒng)的微型化、多功能化、智能化和可靠性提高到新的高度。SCA100T內(nèi)部包含了一個(gè)硅敏感微電容傳感器和一個(gè)ASIC專用集成電路，ASIC電路集

47、成了EEPROM存儲(chǔ)器、信號(hào)放大器、AD轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器和SPI串行通信接口，組成了一個(gè)完整的數(shù)字模擬雙輸出的傳感器。有300和900兩種量程，主要性能如下：（1）XY雙軸高分辨率雙軸測(cè)量。（2）單電源+5V直流供電，工作電流僅3Ma。（3）模擬量輸出和11位數(shù)字量輸出。（4）AD轉(zhuǎn)換時(shí)間為150微秒。加速度傳感器可以用來(lái)測(cè)定變化或恒定的加速度。恒定加速度的一個(gè)特例就是重力加速度，當(dāng)傳感器靜止時(shí)（沒(méi)有水平或垂直方向的加速度時(shí)），重力加速度方向和傳感器靈敏軸的夾角就是傾角。雙軸加速度傳感器測(cè)量?jī)A角有兩種放置方法：水平放置和一軸垂直放置。本次設(shè)計(jì)采用水平放置，示意圖如下圖6-5所示。圖6-5 水

48、平放置方法水平放置在±90度的范圍內(nèi)有很好的分辨率，水平放置時(shí)應(yīng)用如下的公式計(jì)算傾角：其中Ax、Ay表示重力加速度輸出，、表示傾斜角度（弧度）。6.3.2 硬件電路的設(shè)計(jì)傳感器OUT-1引腳為模擬量輸出管腳，將其接在ADC0809的IN0輸入接口，同時(shí)，為了進(jìn)行傳感器自檢和內(nèi)部校正，分別將傳感器的MISO、MOSI、SCK、CSB與單片機(jī)的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4相連。MISO用于傳輸傳感器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)， MOSI與單片機(jī)的P1.2 引腳相連，用于向傳感器發(fā)送命令和進(jìn)行傳感器內(nèi)部自校正，使用軟件編程通過(guò)P1.3向SCK提供串口通訊脈沖。CSB為片選信號(hào)引

49、腳。具體硬件連接框圖如下圖6-6所示。圖6-6 傳感器與單片機(jī)連接框圖6.4 電動(dòng)機(jī)的控制 機(jī)械手的各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)的，所以電機(jī)的控制很重要，現(xiàn)今有很多種電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片，根據(jù)所控制的電機(jī)種類、電壓大小、電流大小等先關(guān)參數(shù)選擇相適應(yīng)的電機(jī)控制器，本次設(shè)計(jì)選擇L298N電機(jī)控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)。 6.4.1 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)介L(zhǎng)298N 為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片( DualFull-Bridge Driver ) ，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2 個(gè)二相或1個(gè)四相電機(jī)

50、，內(nèi)含二個(gè)H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)，且可以直接透過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的IO 端口來(lái)提供模擬時(shí)序信號(hào)，方便簡(jiǎn)單。L298N 的接腳Pin1 和Pin15 可與電流偵測(cè)用電阻連接來(lái)控制負(fù)載的電路； OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之間分別接2 個(gè)電機(jī)；input1input4 輸入控制電位來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；Enable 則控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。6.4.2 硬件電路圖本次設(shè)計(jì)L298N輸入端引腳IN1、IN2、IN3、IN4分別接單片機(jī)數(shù)據(jù)輸出端管腳PA0、PA1、PA2、PA3，Vs為電源管腳，本次設(shè)計(jì)接24V直流電源，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4為驅(qū)動(dòng)輸出管腳，分別與電機(jī)和電源相接，中間加二極管保持電壓不變，本次設(shè)計(jì)中L298N與直流伺服電機(jī)的硬件電器原理圖如下圖6-7所示： 圖6-7 L298N與電機(jī)硬件連接圖結(jié) 論兩個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)在忙碌中就快要結(jié)束了，在這兩個(gè)多月的時(shí)間里，在畢業(yè)設(shè)計(jì)之余還