多自由度机械手臂控制系统设计.doc

摘 要随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈，人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定输送带为主的传统搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性、降低生产成本，减少环境污染，提高产品的质量及经济效益是企业生产所必须面临的重大问题。本机械手臂系统包括机械，硬件，软件者三个部分，采用舵机驱动器驱动舵机，各部分都是紧密相联，需要相互协调来设计的。关 键 词 机械手臂 舵机 舵机控制器 Abstract Along with science and technology is developing rapidly, and the degree of automation demand is higher and higher, market competition is intense, labor costs rise, previous manual operation handling and fixed conveyor belt traditionally dominated the handling way, not only take up the space is also not easy, add more variable line structure need human supervision operation, the more increase production cost, the original production outfit feeder cant satisfy the current high automation needs. Reduce labor intensity, ensure production of reliability, safety and reduce the production cost, reduce the pollution of the environment and improve the quality of products and economic benefit is the enterprise production to be faced with major issues. The mechanical arm system including machinery, hardware, software, the three parts adopt servo actuator steering gear, all parts are closely linked, need to coordinate each other to design.Keywords Mechanical arm Steering gear Steering gear controller摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 目的和意义21.3 系统设计思想3第2章 多自由度机械手臂硬件设计42.1 机械臂的要求42.2 机械手臂的选型42.3 机械手臂硬件选择52.3.1 舵机的选择62.3.2电源的选择62.3.3 机械手臂材料选择82.3.4主控芯片及舵机控制器的选择9第3章 需求分析103.1 嘉平采购商城网站规划103.2 嘉平采购商城的需求分析103.2.1 数据流图103.2.2 数据字典103.3 本章小结12第4章 总体设计134.1 系统模块总体设计134.1.1 数据分析134.2 数据库的详细设计134.2.1 数据库的E-R图的设计134.3.2数据表的设计134.3 本章小结13第5章 详细设计145.1 系统运行平台设置145.2 用户注册与登录网站设计与实现145.2.1 用户登录的设计与实现145.2.2 用户注册的设计与实现145.3 购物车和查看订单的设计与实现145.3.1 购物车的设计与实现145.3.2 查看订单的设计与实现155.4 后台订单管理和后台留言管理的设计与实现155.4.1 后台订单管理的设计与实现155.4.2 后台留言管理的设计与实现155.5 本章小结15第6章 软件测试166.1 测试的基本概念166.2 测试的任务和目的166.2.1 测试的任务166.2.2 测试的目的166.3 系统整体测试步骤166.4 本系统测试166.4.1 用户登录注册模块测试166.4.2 购物车模块测试166.4.3 搜索商品模块测试176.5 本章小结17结 论18致 谢19参考文献20附录121附录222第1章 绪论1.1 课题背景机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一，人类对于机器人的研究由来已久。上世纪70年代之后，计算机技术、控制技术、传感技术和人工智能技术迅速发展，机器人技术也随之进入高速发展阶段，成为综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人技术的研究在经历了第一代示教再现型机器人和第二代感知型机器人两个阶段之后进入第三代智能机器人的发展阶段。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产率。机械手越来越广泛地得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。此外，医疗机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一,其发展前景非常看好。近年来,医疗机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注, 研究工作蓬勃兴起。二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划已召开过的多届医疗外科机器人研讨会己经立项,开展基于遥控操作的外科研究,用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一在发达国家已经出现医疗，外科手术机器人市场化产品，并在临床上开展了大量病例研究。而目前我国的机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低。机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产及医疗水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 1.2 目的和意义工业机械手是近代自动控制领域出现的一项新技术，并以成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正为人所认识，其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照工艺生产的要求，遵循一定的程序，时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地改变工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的正视，并投入了大量人力物力加以研究和应用。尤其在高温，高压，粉尘，噪声以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国。近几年也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。机械手一般分三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以任务的需要编制程序，已完成各项规定操作。它的特点是出具备机械的物理性能外，还具备通用机械。记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作，称为操作的，称为操作即。它源于原子，军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范围。第三类是专用机械手，主要是属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称“Mechanical Hand”它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。本项目设计的机械手模拟装配可归为第一类，即通用机械手自动化的音乐。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用到机械手。1.3 系统设计思想 机械手主要有执行机构和控制系统组成。1.执行机构主要是机械手臂的硬件部分，包括夹持器，前臂，后臂和底座四个部分构成。夹持器通过一个舵机控制张合角度从而对物体进行抓取。前臂和后臂的摆动能改变夹持器的高度，进而对不同高度的物体进行抓取。底座是由一个360度旋转舵机进行控制，能够达到对以底座为中心，臂长方位内的全方位物体的抓取。2. 控制系统 它是由舵机控制器组成。通过舵机控制器，可以控制机械手臂六个关节上的六个舵机的旋转角度，从而到达需要抓取物体的方位。第2章 多自由度机械手臂硬件设计2.1 机械臂的要求1.承载能力足:手臂是支承手腕的部件，设计时不仅要考虑抓取物体的重量或携带工具的重量，还要考虑运动时的动载荷及转动惯性。 2.刚度高： 为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多。 3.重量轻、转动惯量小：为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少整个手臂对回转轴的转动惯量。 4.合理设计与腕部和机身的连接部位：臂部的安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响到机器人的外观。2.2 机械手臂的选型方案：机械手臂如下图； 机械手臂结构图 16关节 a前臂 b后臂 c底座 分析：因为设计必须满足机构的运动要求，重量轻、刚性好、易制造；优选一些简单、合理、紧凑、实用的结构型式；工艺性要好，成本要低，安全可靠性好，外观造型要美观大方；尽可能采用标准件，以提高互换性，降低成本；尽可能采用模块式结构，以提高通用性；还要便于装配调整和维修。如图，整个结构为空间关节型的，具有六个自由度，均为转动关节，其中底座转动关节实现机器人本体除基座以外的机构的转动；5关节带动大臂、小臂、手腕、夹持器进行俯仰转动，以满足机器人工作空间上高度的要求；大臂、小臂以及手腕均可在允许的范围内运动；2关节可以实现俯仰以及摆动，可以方便的改变手爪的位姿。机器人大臂和小臂的结构一致，都要根据机器人的运动形式、抓取重量等各个因素来确定，一般要求手臂的弯曲和扭转刚度要好，重量要轻。我采用PVC版做成夹心管。这样即保证有较高的刚度，也使得手臂的重量很轻，减少电机的负载。同时，PVC板易于剪裁，便于制作。 优点：其结构简单，制造容易，便于装配和维修，尤其是在保证较高刚度的同时能保证其重量轻，减少电机负载且通过合理的设计应能达到所需要求。2.3 机械手臂硬件选择2.3.1 舵机的选择机械手的手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承各关节和末端夹持器，并使它们能在空间运动。关节的摆动是由舵机的转动来实现的。该机械手臂采用辉盛mg995舵机和奥泰 AS-S360舵机，舵机参数如下：辉盛mg9951.尺寸：40.7*19.7*42.9mm2.重量 ：55g3.反应转速：无负载速度0.17秒/60度(4.8V)；0.13秒/60度(6.0V)4.工作电压；3.0V-7.2V5.工作扭矩：13KG/cm奥泰 AS-S360舵机1. 扭矩: 3.5Kg-cm2.电压范围：4.8V7.2V3.平均速度：60 rpm4.运动角度：360度5.尺寸: 39.5mmx20.0mmx35.6mm2.3.2电源的选择该机械手臂采用4个辉盛mg995舵机和2个奥泰 AS-S360舵机。每个舵机正常工作电压3.0V-7.2V，最大负载电流可达到2.5A，所以采用5V，12A交流转直流电源，这样可以保证机械手臂在满负载工作时，电源输出需要的电压及电流。电源参数如下：该电源优点：低价格、高可靠105输出电容器全球适用AC输入电压效率高、工作温度低软启动电流、有效降低AC输入冲击有短路保护、过载保护体积小、重量轻100%满负荷烧机测试内装EMI滤波器、纹波极小该电源外形尺寸如下图所示2.3.3 机械手臂材料选择手臂材料的选择首先考虑的是材料本身的强度，其次是考虑材料本身制作的难易程度。合金材料强度硬，但剪裁困难，不易于剪裁。其他材料易于剪裁但强度不够。综上所诉，并查阅资料，该机械手臂的机身材料采用PVC板，结构上采用双层夹空，这样既达到了强度要求，又便于剪裁，易于操作。VC板尺寸15*20CM 1.5MM厚该机械手臂夹持器，前臂，后臂的比例为1:1:2。该机械手的运动参数为：基本结构参数：腰部回转半径：240mm前臂，后臂长：60mm,120mm各个关节转动范围：关节1：0180关节2：0360关节3：0180关节4：0180关节5：0180关节6：0360 2.3.4主控芯片及舵机控制器的选择主控芯片采用的是高性能、低功耗的 8 位AVR ATMEGA8 微处理器，它具有指令执行时间为单个时钟周期，速度快，控制精度高、I/O口驱动能力更强等优点，优于AT51、STC51系列单片机；舵机控制器参数如下：1.控制部分端子供电范围：+5V+7V2.控制部分DC插头供电范围：直流5V电源3.伺服电机端子供电范围：46V4.控制通道：6路5.通讯输入：RS232通讯第3章 舵机控制原理及应用3.1 嘉平采购商城网站规划例如例如例如例如。3.2 嘉平采购商城的需求分析例如例如例如例如例。3.2.1 数据流图例如例如例如例如例。3.2.2 数据字典续表3-1注意同一个表在两页显示时要用续表说明。1. 数据流定义：数据流编号：D101数据流名称：用户信息数据流来源：用户数据流去向：P1-01数据流组成：I01-01+I01-02+I01-03+I01-04+I01-05+I01-06+I01-07+ I01-08+ I01-09单。3.3 本章小结例如例如。第4章 总体设计4.1 系统模块总体设计4.1.1 数据分析4.2 数据库的详细设计4.2.1 数据库的E-R图的设计4.3.2数据表的设计4.3 本章小结第5章 详细设计5.1 系统运行平台设置5.2 用户注册与登录网站设计与实现5.2.1 用户登录的设计与实现1. 用户登录程序流程描述例如，如图5-3所示。图5-3用户登录程序流程图2. 实现过程： 例