六自由度机械手资料.doc

目 录第一章 绪论5第二章 总体介绍72.1 机械结构的总体介绍72.2 电气结构的总体介绍8第三章 机械机构及设计93.1 底座的设计93.2 屈臂的设计93.21 屈臂的组成和作用93.22 屈臂设计的基本要求103.23 屈臂的常用结构103.3 腕部的设计113.31 腕部的作用113.32 腕部的分类113.4 手部的设计123.41 手部的特点123.42 手部的分类12第四章 电气结构及设计144.1 主控制器的选择144.2 伺服控制器PSC及电机的选择154.21 伺服控制器的选择154.22 PSC伺服控制板接口的设计154.23 伺服电机的选择16第五章 控制程序及调试18第六章 心得体会21参考文献22第一章 绪论在工资水平较低的中国，制造业仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美的跨国公司很早就在他们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是在那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣高，应为他们要面对工人的流失率高，以及交货周期缩短带来的挑战。机械手可以确保运转周期的一致性，提高品质。另外，另外，由于机械手的控制精确，还可以提高零件的精度。机械手在工业中的应用十分广泛，如：一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。应用前景工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，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的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。第二章 总体介绍机械手由6个伺服电机组成，实现机械手六自由度运动。机械手采用主从控制方式，以AT89S52单片机作为系统控制核心，基于软件模拟串行通信程序，实现AT89S52串行通信，使其同时与显示终端、PSC伺服控制器进行串行通信，同步的、连续的、精确的控制伺服的转动，以实现精确定位、连续动作机械手采用主从控制方式，以AT89S52为主控制器，PSC伺服控制器为从控制器。实验教学平台控制系统由主控制器、伺服电机控制器PSC、FYD12864-0402B液晶显示模块、红外传感器及6个伺服电机等部分组成，其系统组成框图如图2-1所示。 图2-12.1、机械结构的总体介绍机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关系实现，在机器或机械中，任何零件都不是孤立存在，而是相互配合来完成预期的动作。机械手的机械结构系统由底座、屈臂、腕部和手部组成 。信号接受器接收到主控制器发出的信号后，机械结构各个部分之间相互配合，分工合作来做系统能够完成的6个动作，分别为分别是夹紧、旋转、俯仰（1）、左右摇摆、俯仰（2）及基座的回转。六自由度机械手的机械结构简图如图2-2所示图2-22.2、电气结构的总体介绍电气结构是机械手控制器的核心，它主要包括主控制器和从控制器。其中主控制器以AT89S52为主，从控制器以PSC伺服控制器为主。主控制器单元用来收集和处理各路信号，并根据各种信号发出相应控制指令，作为工作平台的控制系统。第三章 机械结构及设计本次设计主要用于实验平台，对载荷没太大要求，符合要求即可。机械手的机械结构包括以下部分；底座、屈臂、腕部和手部。3.1、底座的设计底座用于支承和连接若干部件的基础零件。它承受其他零部件的重量和工作载荷，又起到保证各零部件相对位置的基础作用。底座多采用铸件，其基本特点是尺寸相对于其他零件较大。其次底座的变形和振动将直接影响操作的平稳性故对刚度和抗振性提出下列要求【1】；（1）刚度和抗振行（2）热变形（3）稳定性（4）其他要求底座的三维图如图3-1所示图3-13.2、屈臂的设计3.21、臂部的组成和作用【2】六自由度机械手的臂部由大臂、小臂组成，一般具有两个自由度，即伸缩、回转、俯仰或升降。在运动时，直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷；臂部是机械手的主要执行元件，其作用是支承手部和腕部并改变手部的空间位置。3.22、臂部设计的基本要去臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取动作自由度、运动精度等因素来确定。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况，液压（气压）缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此，设计臂部时一般要注意下述要求。（1） 手臂应具有足够的承载能力和刚度。（2） 导向性要好。（3） 重量和转动惯量要小。（4） 运动要平稳、定位精度要高。3.23、臂部的常用结构（1）手臂直线运动机构机械人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，长用的有液压缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构及连杆机构等。由于液压缸体积小、重量轻，因而在机器人的手臂结构中应用比较多。（2）手臂回转运动机构实现机器人手臂回转运动的机构形式多种多样，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、活塞缸和连杆机构等。大臂的三维图如图3-2所示图3-2小臂的三维图如图3-3所示图3-33.3、腕部的设计3.31、腕部的作用工业机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。机器人一般要具有6个自由度才能使手部达到目标位置和处于期望的姿态，手腕的自由度主要用来实现所期望的姿态。3.32、腕部的分类【3】（1）按自由度数目分类 单自由度手腕 二自由度手腕 三自由度手腕（2）按驱动方式分类 直接驱动手腕 远距离传动手腕腕部的三维图如图3-4所示图3-43.4、手部的设计3.41、手部的特点【4】工业机器人的手部是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。工业机器人手部有以下一些特点。（1） 手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口。也可能有电、气、液的接头，当工业机器人作业对象不同时，可以方便地拆卸和更换手部。（2） 手部是工业机器人的末端操作器。它可以像人手哪样具有手指，也可以不具备手指。（3） 手部的通用性比较差。工业机器人的手部通常是专用的装置，一种手爪往往只能抓握一种工件或几种在形状、尺寸、质量等方面相近似的工件，只能执行一种作业。（4） 手部是一个独立的部件，假如把手腕归属于臂部，那么，工业机器人机械系统的三大件就是机身、臂部和手部。手部是决定整个工业机器人作业完成好坏、作业柔性好坏的关键部件之一。3.42、手部的分类由于手部要完成的作业任务繁多，手部的类型也多种多样。根据其用途，手部可分为手爪和工具两大类。手爪具有一定的通用性，它的主要功能是抓住工件、握持工件、释放工件。工具用于进行某种作业。根据其夹持原理，手部又可分为机械钳爪和吸附式两大类。其中吸附式手部还可以分为磁力吸附式和真空吸附式两类。吸附式手部机构的功能超出了人手的功能范围。在实际应用中，也有少数特殊形式的手部。手部的三维图如图3-5所示图3-5整个机械手的三维图如图3-6所示图3-6第四章 电气结构及设计本设计采用主从控制方式，以AT89S52为主控制器，PSC伺服控制器为从控制器。4.1、主控制器的选择设计采用了AT89S52单片机为该板的处理器，提供了ISP在系统编程接口，RS-232串行接口，全部引出的单片机I/O口以及方便用户搭建单片机外围电路的面包板。通过编写在C51单片机平台上运行的程序，来控制机械臂的运动。采用自己设计5V电源，该电源能满足单片机的工作需要。程序通过将ISP下载线连接到PC机或者笔记本电脑的并口，来下载到控制板上的单片机内。下载线一端连接到PC机或者笔记本的并行接口上，而另一端连接到控制板上的程序下载口ISP上。AT89S52单片机，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52引脚结构图如图4-1所图4-14.2、伺服控制器PSC及电机的选择4.21、伺服控制器PSC的选择PSC采用串行口与单片机之间传送数据，串口电平是在05V直流之间，即TTL电平。其波特率有两种2400bps、38400bps。可以控制16个伺服电机。伺服电机可以同时的、不间断的在0到180度之间旋转【5】。PWM分辨率为2微秒，0到63电机转动速度设置。PSC伺服控制器如4-2图所 图4-2如图4-2所示，PSC的各引脚中，引脚722对应CH0CH15，为电机控制接口，可接16个伺服电机；引脚1为通信端，与主控器连接，用于接收命令字和控制字，引脚23与24为电源接口。4.22、PSC伺服控制板接口的设计PSC伺服控制板采用6V/3A的独立电源适配器，该适配器符合伺服电机的额定电压6V的要求，且输出电流大，保证在机械臂有负载时的伺服电机电流供应【6】。机械手伺服电机05，分别连接PSC伺服控制板的CH0CH5。在本设计的程序中，指定了PSC与C51实验教学板，通过P1.0口进行通信。同时，为了方便PSC的供电，将PSC控制板上的P1.0口（图8中所示）接到C51实验教学板P1.0口上，并连接好电源线与地线。PSC伺服控制板与电机连接示意图如图4-3所示。图4-34.23、伺服电机的选择机械手本体采用美国亚Crust Crawler公司的SG6-UT型机器人的本体及与之配套的伺服电机驱动器【7】。SG6-UT型机器人如图4-4所示。图4-4SG6-UT型机器人是六自由度机械手，包括HITEC HS-645MG型底座电机，图4-4中PSC Port 0所示； HS-225 MG型旋转电机，图4-4中PSC Port 1所示；HS-805 BB型屈臂电机，图4-4中PSC Port2所示；以及3个HS-475 HB型伺服电机，分别为肘部图4-4中PSC Port3所示；腕部（图4-4中PSC Port4）和爪（图4-4中PSC Port5）电机。 各伺服电机规格如表1由于连线、机械结构等方面原因，机械手各自由度旋转角度有所限制，各关节旋转角度范围如表2所示。 伺服电机一般由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计，直流电机、控制电路板等组成。由主控制器发来控制信号到PSC控制板，通过PSC控制板控制电机转动。齿轮组减速，舵盘转动通过位置反馈电位计反馈给PSC控制板。伺服电机控制方法如表3所示。电气结构图如图附录1第五章 控制程序及调试六自由度机械轴搬去物体主要程序如下所示int motormove(char channel, char ramp, int position) unsigned char i; uchar cmd8 =!SC; cmd3 = channel; cmd4 = ramp; cmd5 = position; cmd6 = position8; cmd7 = 0x0D; for(i=0; i8; i+) WByte(cmdi); / Bse Bcpt elbw wrst wrstR grppr int code armdata = 750, 800, 800, 540, 750, 1250, 450, 800, 800, 540, 750, 1250, 450, 800, 600, 540, 750, 1250, 450, 800, 600, 540, 750, 1250, 1000, 800, 800, 540, 750, 1250, 1000, 800, 600, 540, 750, 1250, 1000, 800, 600, 540, 750, 1250, 1000, 800, 800, 540, 750, 1250, 1000, 800, 570, 540, 750, 1250, 1000, 800, 580, 540, 750, 1250, 750, 800, 800, 540, 750, 1250, 450, 800, 800, 540, 750, 1250, 450, 800, 580, 540, 750, 1250, 450, 800, 580, 540, 750, 1250, 750, 800, 800, 540, 750, 1250,0xff;int code delay = 20,20,15,20,30,10,10,10,30,20,10,30,10,10,10;int 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