平面关节型机械手整体结构和控制系统设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 摘 要 随着世界经济和技术的发展，人类活动领域的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。本论文在综述近年来机器人技术研究和发展状况的基础上，结合物料抓取机械手的设计，对机器人技术进行了分析，提出了平面关节型机械手的整体结构和控制系统设计方案。 平面关节型机械手是当今应用最广泛的机械手类型之一，既可用于实际生产，又可以用于教学实验和科学研究。用于实际生产，它能够满足装配作业内容改变频繁的要求；用于教学实验，它能够使人直观地了解机器人 的结构组成、动作原理等。 本次设计目的就是采用机电一体化设计思想，充分考虑机、电、软、硬件各自特点进行互补优化，对机械手整体结构、传动系统、驱动装置和控制系统进行分析和设计。 本次设计要求是一种效率高，结构合理能完成指定任务的机器人产品。这项成果不仅经济实用，同时具有广泛的实际意义和应用前景。 本次设计主要采用机械结构和电气控制来完成自动抓料的目的。要实现的理想加工过程是：人对主机输入一个控制信号，可以通过单片机对电机、电磁铁进行电气控制，从而使机器手能够按照类似人手的工作过程来完成抓料和转动。 虽然机械手 在现今应用的很广泛，但 还有非常大的发展空间。正如本次设计的平面关节型机械手也一定会得到广泛的应用。 关键词： 机械手；关节型；机械结构；电气控制 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 as as to of In an of is on of in of of it be as as be be it be it of of by of a of is is at a to to on to to s of it as to 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 目 录 摘要 引言 1 3 体方案选择 3 械手任务要求 3 械 手结构设计上的方式选择 3 动系统设计方案的选择 4 降机构方案的选择 5 腕及夹持部分方案的选择 5 2主要元件的选择 6 机的选择 6 磁铁的选择 8 步带的选择 8 械手手部驱动力计算 11 轴轴承的校核 11 3工作过程 13 14 制系统方案设计 14 件平台选择 14 件系统 15 器人控制系统的研制 15 算机控制系统的组成 15 制系统的结构分析 15 制系统的总体结构 16 进电机驱动控制 系统 17 片机的介绍 17 片机各部分的职能及特点 18 031 介绍 20 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 155 的结构和功能介绍 24 031和 8155的接口与操作 26 结论 28 参考文献 29 致谢 30 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 引 言 工业 机器人，又称机械手，在现代化工业生产中正发挥着越来越重要的作用，它被广泛应用到流水生产线上，代替人类从事焊接、喷涂、搬运等许多较繁重的劳动，这不仅大大提高了生产效率，同时也极大地提高了产品的加工精度和产品质量，可以说工业机器人的应用对工业的发展起到了巨大的推动作用 1。 工业机器人自 6O 年代初问世以来，经过 40 多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝人部分是第一代机器人，即程序控制机器人，这代机器人基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接 、喷漆和上下料。第二代机器人具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机器人通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在，第三代机器人正在第一、第二代机器人的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机器人。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能。 机器人作为典型的机电一体化装置，它综合运 用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机器人产品。机器人产品的实用化，既解决了许多单靠人力难以解决的实际问题，又促进了工业自动化的进程。目前，由于机器人的研制和开发涉及多方面的技术，系统结构复杂，开发和研制的成本普遍较高，在某种程度上限制了该项技术的广泛应用，因此，研制经济型、实用化、高可靠性机器人系统具有广泛的社会现实意义和经济价值。 本文结合物料抓取 机械手的研制过程中出现的问题，综述近几年机器人技术研究和发展的状况，在充分发挥机、电、软、硬件各自特点和优势互补的基础上，对物料抓取机械手整体机械结构、传动系统、驱动装置和控制系统进行了分析和设计，提出了一套经济型设计方案。采用直角坐标和关节坐标相结合的框架式机械结构形式，这种方式能够提高系统的稳定性和操作灵活性。传动装置的作用是将驱动元件的动力传递给机器人机械手相应的执行机构，以实现各种必要的运动，传动方式上采用结构紧凑、传动比大的蜗轮蜗杆传动和将旋转运动转换为直线运动的螺旋传动。机械手驱动系统的设计往往买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 受到作业环境条件的限制，同时也要考虑价格因素的影响以及能够达到的技术水平。由于步进电机能够直接接收数字量，响应速度快而且工作可靠并无累积误差，常用作数字控制系统驱动机构的动力元件。因此，在驱动装置中采用由步进电机构成的开环控制方式，这种方式既能满足控制精度的要求，又能达到经济性、实用化目的，在此基础上，对步进电机的功率计算及选型问题进行了分析。 控制部分是整个物料抓取机械手系统设计关键和核心，它在结构和功能上的划分和实现直接关系到机器人系统的可靠性、实用性，也影响和制约机械手系统的研制成本和开发周期。本次设 计主要采用以单片机为主的控制系统。硬件是整个控制系统以及极限位置功能赖以存在的物质基础，软件则是计算机控制系统的神经中枢，软件设计的目的是以最优的方式将各部分功能有机的结合起来，使系统具有较高的运行效率和较强的可靠性。 步进电机的启停频率远远小于其最高运行频率，为了提高工作效率，需要步进电机高速运行并快速启停时，必须考虑它的升，降速控制问题。电机的升降速控制可以归结为以某种合理的力方式控制发送到步进电机驱动器的脉冲频率，这可由硬件实现，也可由软件方法来实现。本文提出了一种算法简单、易于实现、理论意义明确的步 进电机变速控制策略 :定时器常量修改变速控制方案。该方法能使步进电机加速度与其力矩频率曲线较好地拟合，从而提高变速效率。而且它的计算量比线性加速度变速和基于指数规律加速度的变速控制小得多。通过实验证明了该方法的有效性 3。 最后，对论文主要研究内容和取得的技术成果进行了总结，提出了存在的问题和不足，同时对机器人技术的发展和应用进行了展望。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 1 方案选择 体方案选择 机器人是典型的机电一体化装置，必须采用系统的观点，立足全局，对机器人各功能模块进行合理划分，优化系统配置，综合分析机、电、软、硬 件各自特点，实现功能互补。首先根据设计要求从理论上分析工作状况，然后提出设计思路，包括传动方式、控制方式等，在综合分析的基础上，整体规划机械手的整体结构形式、驱动装置、传动系统、控制功能，并对其他控制功能模块进行系统的分析，从而选定最优方案。 总体上，本次设计主要采用机械结构设计来完成指定的动作，而用电气设计来控制这些动作。 械手任务要求 为提高劳动生产率，加快产品的生产速度。要求机械手将待加工的物料从存放位置刚好送到指定的位置处。即机械手手部完成下降旋转抓取并夹持物料旋转上升松开并放置 物料的工作过程。 械手结构设计上的方案选择 机械结构是物料抓取机械手最终的执行机构，是机器人赖以实现各种运动的实体，机械结构的布局、类型、传动方式以及驱动系统的设计直接关系着机器人的工作性能人也存在移动关节不易防护的问题，它们多用于一些特殊的作业环境。 机器人的主要特点是结构轻便，响应快，最适用于在垂直方向完成零件的装配作业。关节型机器人操作臂的优点是结构紧凑。 机器人的机械结构按坐标形式主要有直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标型、 角坐标型机器人操作臂的优点是结构简 单、刚度高，三个关节的运动相互独立，其间没有祸合，不影响末端手爪的姿态，不产生奇异状态，运动和控制都比较简单 ;缺点是占地面积大，动作范围小，操作灵活性差。球坐标机器人和圆柱坐标机器人占地面积小，工作空间较大，在空间中的定位也比较直观，但是它们的移动关节不容易防护，极坐标型机器，占地面积小，动作灵活，在作业空间内手臂的干涉最小，工作空间大 ;缺点是进行控制时计算量比较大，确定末端执行部件的位姿不直观。综上所买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 述，关节型机器人虽然运动学分析比较复杂，控制难度大，但与其它型式机器人相比操作灵活性强，因而它的应用日益广 泛。 针对该物料抓取机械手，为了使它具有一定的操作灵活性和较好的使用性能，在结构设计上采用圆柱坐标型。整个机器人系统设计为四个自由度，将运动分解为两部分 :移动部分和操作部分。移动部分占两个自由度，包括上下移动机构和平面转动机构，这两个自由度相互垂直，其间无祸合，可以有效地简化运算和控制。操作部分有两个自由度，为了适应工作的需要，包括水平面转动机构和竖直平面夹持结构，这两个自由度也相互垂直，其间无耦合，可以有效地简化运算和控制。机构简图如图 1 1所示： 图 1构简图 动系统设计方案的 选择 传动装置的作用主要是将驱动元件的动力传递给机器人相应的执行部件，以实现各种预定的运动。目前常用的传动方式有 :皮带轮传动、链条传动、齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动、行星齿轮传动、谐波减速传动以及螺旋传动等。谐波齿轮传动具有体积小、结构紧凑、效率高、能获得大的传动比等优点，但存在扭转刚度较低且传动比不能太小的缺点。行星齿轮传动具有结构紧凑、效率高的优点适用于中等减速比传动，但存在齿轮间隙，难以实现正反转过程中精确位置要求，因此限制了它的广泛应用。蜗轮蜗杆机构常用于要求有大的传动比且传动过程中要求机构自锁的场合 ，这种方式安全性能高，但同样存在齿侧间隙，而且效率较低。皮带轮传动可以实现过载保护，可是存在弹性滑买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 动，和链传动一样使用一段时间后易松弛，传动运转过程中还产生动载荷，因此，二者常用于传动精度要求不高的场合。滚珠丝杠传动具有传动效率高、摩擦阻力小、运转平稳且能够有效消除传动间隙，无传动“爬行”现象和不自锁等优点，但是价格较高。因此滚珠丝杠螺母被广泛应用于要求较高的数控传动系统中。另外，在数控传动系统中，同步齿形带传动由于其具有稳定的工作性能也得到了广泛的应用。 降机构方案的选择 由于机械手精度要求不是 很高，在满足性能的基础上考虑到经济性要求，所以，上下移动机构选用螺旋传动，由丝杠螺母螺旋副来实现。这样将旋转运动转换为机械手的直线移动。此时应充分考虑自锁问题，选择执行机构抓住重物时上升，空手时下降，从而可保证导向套长度合乎要求时能尽量短。另外，采用电机带动蜗杆的结构，蜗杆为主动件，正向运行时不会发生自锁，只是效率相对来说有所降低。在设计的过程中，应减少悬置部分总的质量。 腕及夹持部分方安的选择 本次设计采用电机直接带动轴旋转，从而实现手爪能够旋转、定位，并能准确的夹取物件。夹持部分采用直线推拉式 电磁铁带动拉杆，实现手爪对物件的夹紧与松放。过程为通电夹紧断电放松。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 2 主要元件的选择 机的选择 机器人驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制，同时还要考虑价格因素的影响以及所能达到的技术水平。目前机器人的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电气驱动三种形式。液压驱动系统能够提供较大的驱动压力和功率，具有结构简单、性能稳定等特点，液压伺服驱动系统响应速度快，可达到较高的定位精度和刚度，但油路系统复杂，工作性能受环境影响较大，移动性能差，且易造成泄漏现象，常用于要求提供较大驱动力矩、对移 动性能要求差的特大功率机器人系统中。气动系统具有结构简单、动作迅速，可在恶劣的环境中工作，但气动系统起动不平稳，同时也存在噪声问题，只适用于精度要求不高的点位系统中。电气驱动系统具有精度高、控制准确、响应迅速等优点。综合考虑各种驱动式的优缺点，选用电气驱动方式。 电气驱动方式包括普通电机、直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机以及力矩电机等驱动方式。伺服电机转子惯量小、动态特性好，由伺服电动机所构成的机器人驱动系统具有运行精度高、调速范围广、速度运行平滑、具有高可靠性并易于控制等优点，交直流伺服电动机己成为机 器人驱动系统的主流，。直流伺服电动机的电刷易磨损形成电火花，限制了其应用范围。近年来随着交流调速技术的迅速发展，交流电机的驱动系统得到了广泛的应用，但是交流伺服电机必须采用闭环控制方式，这种复杂的控制系统造成控制成本大大提高。随着集成电路技术的发展，伺服系统的价格在大幅度降低，可靠性也得到了提高。 步进电动机是一种可以直接将数字脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件，具有控制简单、响应速度快、工作可靠、无累计误差等优点。它能够直接接受数字信号，无需中间转换，直接输出的位移量与输入数字脉冲量相对应，能实现直接的 数字控制。步进电机以开环方式工作，可省去伺服电机驱动装置中位置检测与反馈部分以及 A/D, D/而简化了系统结构，使控制成本大大降低。另外，步进电机的抗干扰能力强、无累计定位误差，可重复反转而不损坏，并且步进电机的位置和速度控制简单，具有一定精度，使用与维护都很方便。传统观念认为步进电机的控制性能差、难以实现机器人的空间轨迹控制，因而步进电机很少用于机器人的轨迹控制。考虑到步进电机的输出不是连续量，为了达到某些系统较高的定位精度要求，可以对步进电机驱动系统进行细分买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 控制，也可以采用闭环控制方式获得更高 的驱动性能。由于步进电机驱动具有较好的经济性，随着电机制造技术的提高，尤其是步进电机驱动技术的革命性变化，步进电机也己经被广泛应用于数控机床、复印机、打印机以及机器人关节臂的驱动上。平面关节型机器人多采用步进电机直接驱动方式，不但可以节省机械传动装置，而且可以有效的消除机械减速所带来的误差和效率的降低，提高运行的速度和定位精度。开环控制由于不存在噪声干扰问题，工作安全可靠，系统简单，价格低廉，特别是电子、计算机技术的迅速发展和提高，步进电机开环控制精度几乎能达到闭环控制的控制精度。考虑到控制的方便性、可靠性 以及系统整体上的经济性，对移动系统和控制手爪转动的电机均采用步进电机构成的开环驱动控制方式。开环控制可以大大简化系统结构，减轻计算机的运算负担，并且可以降低成本和提高可靠性。控制手抓开合的电机则选用一般的交流电机即可。 在步进电机的选型上，考虑到步进电机品种规格较多，仔细分析它们的特点，来恰到好处的选择。 步进电机按结构和工作原理可分为反应式、永磁式以及混合式等几种。 反应式步进电机 :又称可变磁阻型 (多为单极性励磁，结构简单，精度容易保证，步距角小，启动和运 行频率较高，但励磁电流较大，电机内部阻尼小，低频时容易产生振荡，断电后无定位转矩。 永磁式步进电机 (步距角大，启动频率较低，但控制功率较小，效率高，造价便宜，内部阻尼大，不易振荡，断电后有定位转矩。与 比转矩大，但转子惯性也较大。 混合式步进电机 (是永磁式和反应式相结合的一种形式。兼有磁阻式步距角小、响应频率高和永磁式励磁功率小、效率高的优点。但是结构复杂，需要正反脉冲供电，成本较高。 根据几种常用电机的性能、特点分 析，对该机械手的控制移动部分升降和控制手爪微量旋转的驱动由于其要求既具有较高的控制性能，又具有定位转矩，所以均选用混合式步进电机。而控制移动部分旋转的电机则选用反应式步进电机。另外，步进电机选型时还需要考虑实际工作需要，在初期确定减速比 (电机转速 /负载转速 )之后，通常考虑以下几方面的问题 : 1、选择步进电机的步距角 b，要求 b i 中 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 2、选择步进电机的转矩 初步选择步进电机时，可按下式选择步进电机的最大转矩 mT l ) (括负载的阻尼转矩和加速转矩。 3、 步进电机运行频率 f=60n/ b=60 b (式中 : 4、步进电机的矩频特性 一般步进电机转矩随运行频率升高而迅速下降，经过改进的步进电机可以在一个很宽的范围内保持转矩在一个很小的幅度内 变化。但是必须保证在实际运行工况下，选用的电机可以给出足够转矩。 本次设计选用磁阻式步进电动机 ,步矩角为 。大臂部分的电机并配有型号匹配的变速器 ,足够满足对电机转速的要求。另外，在带转动方面，采用传动比为 1： 2的齿轮传动，使之满足小臂对电机转矩的要求。对整体机构对转动惯量的要求做一下大概估计，并按能量守恒定律，减去传递部分可能的损失。得出所选用的电机足以满足机构所需的要求。 磁铁的选择 推 拉式电磁铁主要由外壳、定铁芯、动铁芯和线圈四部分组成。线圈通电后，动铁芯产生轴向直线运动，起到推、拉外接 负载装置的功能。由于采用高导磁的材料和带有锥形配合的磁路结构，因此产品虽然体积小、重量轻，但与常规的小型电磁铁相比，其行程和吸引力都较大。 如图所示： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 图 2力与 行程 曲线 图 2反应时间与 行程曲线 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 本次选用的电磁铁的型号为 径 34作行程 0力可达到 70N，所以足可以满足机构对拉力的需求。 步带的选择 图 2步带传动简图 1)、 由于本次传递的功率不是很 大，并由电机的功率和转速，初选带型为 。所以节矩 据带型 小齿轮转速 查机械零件设计手册得小齿轮最小齿数 26,此处取 20. 2)、 小带轮节圆直径 )、 大带轮齿数 2*20=40 4)、 大带轮节圆直径 0)、 初定轴间距 00)、 带长及其齿数 (+02214a) d =2*800+2 ( 800*4 ) )、 带宽 bs=买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 查阅机械设计手册得 .5,0,1 所以算得带宽 以应选带宽代号为 301的 以选定的同步带为 01 械手手部驱动力计算 图 2手部驱动力计算简图 P=) (由式 (知：当取较小 角时，可获得较大的握力，而且手指开闭角较小。 经计算需要 p=以设计的方案足以满足要求 7。 轴轴承的较核 轴承布置形式如图 2 5所示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 图 2承布置形式 轴承型号为 30000 型 1.）计算轴承所受径向力 由力矩平衡条件 20 40） /100=8N 由 得 20 30） /100=6N 2.）计算派生轴向力 由于选择 30000型轴承，由表得 S= 则 6= 8= 3.） 计算当量动载荷 据轴承型号可知 e= P1=116=9N P2=22 取 ,比较两当量动载荷知， 按 由表知，球轴承应取 =10/3，则轴承的寿命为 06/60n（ ） =109h 所以经计算轴承所受的径向力 R,派生轴向力 S，此外 轴承所受的外摩擦力 轴向力都非常小，故符合机器手的结构及寿命要求。 所以，轴承满足要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 3 工作过程 查机器手的初始状态，使控制机器手的所有电机都处于失电状态，电磁铁也处于失电状态，丝杠处于最高位置，手爪也处于放松的状态。 始工作。磁阻式步进电机启动，带动中间的主轴开始旋转。同时主轴带动大臂开始旋转。 程序中给定延时的数值。当大臂旋转到指定位置，延时结束，给控制主机一个信号，将磁阻式步进电机制动，主轴停止旋转。 电机开始启动，带动直齿齿轮开始旋转，通过同步带传递放大后的转距，带动小臂开始旋转。同样通过计算步长，在程序中给定延时的数值。当大臂旋转到指定位置，延时结束，给控制主机一个信号，将磁阻式步进电机制动，同步带停止工作。 降机构上的电机开始工作，带动蜗杆开始旋转，这样就形成了蜗杆主动，蜗轮从动的传动机构。蜗轮带动丝杠，把旋转运动转化成直线运动，由于丝杠与箱体采用导向键连接，所以丝杠只做上下直线运动，不做旋转运动。 6同时，控制手腕的旋转电机也开始工作，带动与之相连的主轴开始旋转。其控制过 程同样是通过计算步长，在程序中给定延时的数值。当手爪旋转到指定位置，延时结束，给控制主机一个信号，将步进电机制动，主轴停止旋转。这样就完成了工件的定位。 7电磁铁带动拉杆做直线运动，工作时，电磁铁向下做直线运动。由于手爪采用的是连杆杠杆式的结构，所以此时夹紧工件。 8这样就完成了夹取工件的全部过程。 9然后在电磁铁保持通电的状态下，手腕电机和升降机构的电机反转，把工件提起。 10大臂电机，小臂电机此时也反转工作，把工件夹取到指定位置。当手爪把工件放下后，电磁铁失电，受爪再次提起。 如上所述，就完成机 械手的一次工作循环。可根据具体工作要求来设定循环的具体次数。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 4 控制系统的组成 制系统方案设计 计算机系统是整个机器人控制系统核心部分，结构和功能的划分以及设计的合理性直接影响着整个机器人系统功能的实现，计算机控制系统应具有较强的可靠性、较高的运行速度以及较好的性能价格比，在满足工作性能要求基础上体现出较好的经济性要求。 件平台选择 在主控计算机的选用上存在两种解决方案，即采用单片机并自行设计开发各种功能模块构成主控计算机系统和基于工业控制计算机系统 (如 并开发必要的专用功能模块接口板 (或者利用现成的专用功能模块接口板 )。机器人控制部分的主控计算机选用 能差别主要体现在以下几个方面 : 1、一般情况下，机器人关节间的运动存在级间耦联现象，在关节位置和速度的控制上必须满足适时性控制要求，因此存在大量的数据运算和处理过程，在编程上，体现为大量的浮点运算和程序上占用大量的内存空间。单片机由于可寻址的存储容量范围有限，可能存在不能达到性能要求和编程复杂、开发工作量大等缺点，而 在数据运算和处理方面具有明显优 势，且开发工作量较小。 2、机器人控制系统不仅要求具有高可靠性的硬件支持，而且要求在软件上能实现各种控制功能。单片机可直接利用的现成软件资源较少，而 列计算机目前还部具有丰富的支持软件，使程序设计的方便灵活性与软件的移植灵活性有限，但基于 列计算机进行程序开发可以避免重复性工作，并且具有完备的编程语言和开发环境。 3、采用单片机进行一个完整的控制系统开发，虽然目标系统成本较低，但试制阶段的费用并不低廉，更为重要的是在开发硬件系统时工作量大、开发周期长，而且硬件的可靠性和抗干扰性能难以达到较高要求。相信随着计算机技术的不断进步， 时价格在大幅度也会降低，采用 控机进行机器人控制系统的研制和开发，就可以有效地缩短开发周期并能降低成本。 在机器人控制方式上，目前主要有集中式控制、主从式控制和分级控制三种方式。对于多关节机器人，每个关节对应一个处理器，将机器人控制中计算量最大的 动力学方买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 程按关节进行分解，作为各个子算法分布在各关节处理器上同时进行计算，然后输出到主控制器中，这种采用模块化结构、主从方式组成分布式多处理系统，是多关节机器人控制系统发展的方向，目前应用最为广泛的是两级或两级以上计算机构成的分布式控制方式。集中式系统是最典型、结构最简单的控制系统，它将所有的信息输入、处理、控制均集中在一台计算机上，因而对该计算机的性能要求较高，而分布式系统则降低了对计算机性能的要求，且系统可扩充性能好，易于维护，但故障率比集中式控制方式高得多。随着计算机技术的迅速发展和存储技术的日新月异 ，许多微型机在速度和性能上己经接近甚至超过小型机，并且在价格上大幅度降低，可靠性增强，使用和维护更加方便。同时，随着各种技术支持软件的丰富，使编程方便易行、软件的可移植性高，因而直接采用高性能价格比的微型计算机进行经济型机器人的集中式控制己成为可能。在微型机领域， 能、价格特别是软件技术支持方面都有很多优点，使它在工业控制系统中得到广泛的应用。 件系统 硬件系统是控制功能赖以实现的物质基础，软件则是计算机系统协调各部件完成控制功能的神经中枢。软件功能的划分与结构上的实现在计 算机控制系统中具有极其重要的作用。软件设计的目标是依据需要完成整体功能以最优的方式把软件各部分内容有机组织起来，使整个系统具有较高的运行效率、可靠性、灵活性和操作实用性。 器人控制系统的研制 机器人计算机控制部分是整个机器人系统设计的关键和核心，它决定了控制性能的优劣，它在结构和功能上的合理划分与巧妙实现对提高机器人系统的整体可靠性、实用性具有重要的意义，同时也是降低制造成本、缩短开发周期的有效途径。尽管采用工控机作为机器人的控制系统已成为可能，但在稳定性和技术操作的难易程度方面都还有很大的不足，有 待假以时日进行更深入的研究。为此，本章在分析了当前机器人广泛采用的控制器结构及之后，提出了采用单片机的控制方法。 4. 3 计算机控制系统的组成 制系统的结构分析 机器人的控制方式有集中控制、主从式控制和分布式控制。当前应用最多、最为买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 广泛的是两级或两级以上的计算机构成的分布式控制方式，传统的分级式或主从式控制方式的采用主要是为了解决计算机的处理速度、处理能力与价格之间的矛盾问题。 机器人产生的年代落后于计算机十几年，早期的机器人控制系统的发展受到了计算机技术的制约。由于机器人的控制需要大量的数学 运算处理，而且当时存储器技术相当落后，因此计算机的处理速度便显得极为重要。如果采用小型乃至大型机进行数据处理和控制，其成本也是在当时难以接受的。为了满足经济性与处理速度的要求，工程上多采用低档微机或单片机接多个 控制系统进行功能划分，采用分层或分级控制方式来增强处理能力。 近十几年来，计算机技术得到了迅猛发展，尤其是微型机的发展和存储器技术的提高更是日新月异。今天的许多微型机在速度、性能上己经接近甚至超过了早期的中小型机，而且价格却大幅度降低，使用和维护更加方便，可靠性更高。同时现 在针对微型机开发的丰富的支持软件使得程序设计更加方便灵活，软件的可移植性高。微型机的总线结构使得计算机的扩展非常容易。因此，现在许多机器人系统都采用微型计算机作为主机或人机接口单元，进行集中控制或分级控制。 制系统的总体结构 物料抓取机械手根据作业的特点，主要实现程序控制。由于单片机机在结构、价格，特别是其软件标准等方面具有很多优点，使得它在工业控制中的应用相当广泛。所以限于成本方面的考虑，本次设计的机械手采用单片机作为控制系统的核心。 该机械手共有四个驱动电机，分别是移动机构的上、小臂和大臂的 转动步进电机，和物料抓取部分的腕部转动 (位置微调 )步进电机。此外，还有一个控制手爪开合的电磁铁。 机器人控制系统在控制运动的方式上主要有程序控制方式、按照外界状态控制方式和适应控制方式三种，程序控制方式是机器人在进行作业之前工作条件和任务就完全确定，机器人按照设定的指令完成操作运动，当前绝大多数工业机器人都是这种控制方式。 按照外界状态控制方式能够根据给定的任务目标实现对机器人的控制，不需要事先给定运动程序，而是根据外界环境瞬时状态实现控制，这种运动控制方式具有一定的自治能力 ;适应控制系统结构参数能随外界工 作条件的变化而自动变化，具有较高的自治能力。该机械手运动控制系统采用广泛使用的程序控制运动方式，达到简化结构和节省成本的目的。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 4. 4 步进电机驱动控制系统 步进电机由于具有快速启停、精确步进以及能直接接收数字量等特点，并且它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，因此，在各种位置控制场合得到广泛应用。但是步进电机驱动性能的优劣依赖于驱动电路的控制方式，因此选用合适的步进电机驱动方式对提高系统性能具有重要的意义。 目前，常用的步进电机开环控制有全软件控制、软硬件结合控制和全硬件控制三种方式。典型的全软件 控制结构如图 4以采用并行打印驱动接口，通过控制三个端口 :一个八位数据输出端口，一个四位控制输出端口和一个五位状态信号输入端口。 图 4该机器人的移动部分和执行部分的步进电机全部采用软件实现。这种方式无需外加硬件资源，成本低廉，可以通过软件灵活的改变电机运行模式和加减速控制算法，但软件的负担以及系统设计难度较大，为满足处理速度和实时性要求，必须采用性能优越的处理器。全硬件控制方式适于控制控制高速实时高频工作系统中，这种方式硬件投入大，成本高，结构不灵活，性能单一，在实际控制中很少应用。目前在满足使用性能要求的条件下，普遍采用软硬件相结合的控制方式，将步进电机相序的分配由硬件完成，通过软件控制步进电机的转速、位置以及旋转方向，这种控制方式既具有控制灵活、操作方便的优点，又能达到经济性目的。本机械手各关节的驱动力源主要采用步进电机驱动。 片机的介绍 单片机主要有这样几个部份构成： 行运算、控制）、 据存储）、 序存储）、输入 /输出设备（例如：串行口、并行输出口等）。在个人计算机上这些部份被分成若干块芯片， 安装一个称之为主板的印刷线路板上。而在单片机中，这些部份，全部被做到一块集成电路芯片中了，所以就称为单片（单芯片）机，而且有一些单片机中除了上述部份外，还集成了其它部份如 A/D， D/ 片机各部分的职能和特点 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 单片机 8051的 运算器和控制器组成。 一、 运算器 运算器以完成二进制的算术 /逻辑运算部件 加上暂存器 加器存器 B、程序状态标志寄存器 加器 是 进行算术、逻辑运算时，累 加器 往在运算前暂存一个操作数（如被加数），而运算后又保存其结果（如代数和）。寄存器 志寄存器 来存放运算结果的一些特征，如有无进位、借位等。其每位的具体含意如下所示。 Y O V 关心的是以下四位。 1、 进位标志 ）。它表示了运算是否有进位（或借位）。如果操作结果在最高位有进位（加法）或者借位（减法），则该位为 1，否则为 0。 2、 辅助进位标志 称半进位标志，它反映了两个八位数 运算低四位是否有半进位，即低四位相加（或减）有否进位（或借位），如有则 状态，否则为 0。 3、 溢出标志位 51 反映带符号数的运算结果是否有溢出，有溢出时，此位为 1，否则为 0。 4、 奇偶标志 P。反映累加器 果 （如