工业机器人 三自由度直角坐标工业机器人设计

1、沈 阳 工 程 学 院课 程 设 计 设计题目:三自由度直角坐标工业机器人设计系 别 自控系 班级 测控本 071学生姓名 杨薇 学号 04 指导教师 祝尚臻 职称 讲师起止日期: 2010 年 12月 27日起 至 2011年 1月 7日沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目:三自由度直角坐标工业机器人设计系 别 自动控制工程系 班级 测控本 071 学生姓名 杨薇学 号 2007309104指导教师 祝尚臻 职称 讲师课程设计进行地点: F430任 务 下 达 时 间: 2010 年 12月 27日起止日期:2010 年 12 月 27日起至 2011 年 1 月 7日止 教 研 室 主

2、任 年 月 日批准火灾预警机器人的设计课程设计成绩评定表 系(部:自控系 班级:测控本 071 学生姓名:杨薇 - II -中 文 摘 要角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴,通过直角坐标方向的 3个独立自由度确定其手部的空间位置, 其动作空间为一长方体。 直角坐标机器人结构简单, 定位精度高,空间轨迹易于求解;但其动作范围相对较小,设备的空间因数较低,实现相 同的动作空间要求时,机体本身的体积较大。大型的直角坐标机器人也称桁架机器人或龙门式机器人是能够实现自动控制的、 可重复编程的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系的、多用途的操作机。其 工作的行为方式主要是通过完成沿着

3、 X 、 Y 、 Z 轴上的线性运动。近年来随着工业机器 人的不断发展, 工业机器人不断在工业领域得到广泛的应用, 尤其是结构简单的直角 坐标机器人, 本次设计我主要是对三自由度的直角坐标机器人进行设计, 完成一个大 概的设计,在设计中我采用了各种光电传感器,还采用了 C8051F 系列单片机作为本 次设计的主控芯片 , 各种算法的实现就是使用这款芯片实现的。随着直角坐标机器人 的应用越来越广泛, 直角坐标机器人的设计工作日益显得重要。 成功的设计一台直角 坐标机器人涉及到很多方面的工作,包括机械结构、动力驱动、伺服控制等等。关键词 三自由度 直角坐标 机器人- I -I目 录中 文 摘 要

4、. . I 目 录 . I I 1三自由度直角坐标工业机器人设计 . 1 1.1设计目的及基本要求 . . 1 1.1.1设计目的 . 1 1.1.2基本要求 . 1 1.2对设计论文撰写内容、格式、字数的要求 . 11.3时间进度安排 . 12 设计思路 . 2 2.1系统总体结构的设计 . . 22.2系统各环节设计 . 23 设计方框图 . 34 直角坐标机器人的硬件设计 . . 4 4.1直角坐标机器人的结构特点 . 4 4.2直角坐标机器人的应用 . 5 4.3 直角坐标机器人的分类 . 5 4.4三自由度直角坐标机器人的硬件设计 . 5 4.4.1 机械结构设计 . . 5 4.4

5、.2 传动机构的设计 . 6 4.4.3 驱动方式的选择 . 84.4.4 内部传感器的选择 . . 95直角坐标机器人的控制设计 . . 12 5.1 示教再现功能 . 125.2运动控制功能 . 126 主要元器件介绍 . 137 小结 . 148 致谢 . 159. 参考文献 . 16 附录 . . 1- II -1三自由度直角坐标工业机器人设计1.1设计目的及基本要求1.1.1设计目的1了解工业机器人技术的基本知识以及单片机、机械设计、传感器等相关技术。2初步掌握工业机器人的运动学原理、传动机构、驱动系统及控制系统并应用于工业机 器人的设计中。3通过学习掌握工业机器人的驱动机构、 控制

6、技术, 并使机器人能独立执行一定的任务。 1.1.2基本要求1要求设计一个微型的三自由度的直角坐标工业机器人;2要求设计机器人的机械机构(示意图 ,传动机构、控制系统、及必需的内外部传感器 的种类和数量布局。3要有控制系统硬件设计电路。1.2对设计论文撰写内容、格式、字数的要求(1 课程设计论文是体现和总结课程设计成果的载体,一般不应少于 3000字。(2 学生应撰写的内容为:中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。课程设计 论文的结构及各部分内容要求可参照沈阳工程学院毕业设计(论文撰写规范执行。 应做到文理通顺,内容正确完整,书写工整,装订整齐。(3 论文要求打印,打印时按沈阳工程学院毕业

7、设计(论文撰写规范的要求进 行打印。(4 课程设计论文装订顺序为:封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、 目录、正文、参考文献。1.3时间进度安排 2010-12-27- 1 -12 设计思路2.1系统总体结构的设计本次设计的题目是三自由度直角坐标机器人,直角坐标机器人具有空间上相互垂直的 两根或三根直线移动轴,通过直角坐标方向的 3个独立自由度确定其手部的空间位置,其 动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单,定位精度高,空间轨迹易于求解;但其 动作范围相对较小,设备的空间因数较低,实现相同的动作空间要求时,机体本身的体积 较大。2.2系统各环节设计直角坐标机器人,它由水平轴 (

8、X轴, Y 轴 ,垂直轴 Z 轴及驱动电机组成。此外一个完整的机器人系统还需要控制系统和手抓,下面分别予以介绍 :直线运动轴也叫直线运动单元,它就是一个独立的运动轴,主要由支撑载体的铝型材或钢型材 和被安装在型材内部的直线导轨、运动滑块以及作为带动滑块做高速运动的同步带组成。运动轴的驱动系统直角坐标机器人的传动主要是通过驱动电机的转动带动同步带运动,同步带带动直 线导轨上的滑块运动。当驱动轴的最高转速低于 60Or/min时通常选用步进电机,否则选 用交流伺服电机。直角坐标机器人的控制系统机器人要在一定时间内完成特定的任务,在完成抓取,加速运动,高速运动,减速 运动, 释放工件等同时, 还要与

9、相关的设备通过通讯或 I/O口实现一些时序上的协调同步。 另外在涂胶应用上,各个运动轴要完成直线和圆弧插补运动。因此其数控系统要按具体应 用要求来选定其控制轴数、 I/O口数量和软件功能。通常选用数控系统, PLC ,工控机加运 动控制卡和带轴卡功能及 I/O口的驱动电机来做控制系统。直角坐标机器人的末端操作器手爪系统根据其具体应用情况,其手爪系统可能是气动吸盘、气动夹取手爪、电动夹取手爪、 电磁吸取手爪、 焊枪、 胶枪、 专用工具和检测仪器等。 在很多场合可以一次抓取多个工件。- 2 -3 设计方框图 图 3 1主程序方框图 - 3 -34 直角坐标机器人的硬件设计4.1直角坐标机器人的结构

10、特点针对各种不同的应用,实际上可以方便快速组合成不同维数,各种行程和不同带载能 力的壁挂式、悬臂式、龙门式或倒挂式等各种形式的直角坐标机器人。从简单的二维机器 人到复杂的五维机器人就有上百种结构形式的成功应用案例。从电机到汽车等各行各业的 自动化生产线中,更是各式各样的多台直角坐标机器人和其它设备严格同步协调工作。可 以说直角坐标机器人几乎能胜任所有的工业自动化任务。下面是其主要特点 :1. 任意组合成各种样式 :每根直线运动轴最长是 6m ,其带载能力从 10kg 到 20Okg 。 在实际应用中已有近百种结构的直角坐标机器人, 这些结构也可以任意组合成新 的结构等 ;2. 超大行程 :因为

11、单根龙门式直线运动单元的长度是 6m , 还可以多根方便地级连成超 大行程,所以其工作空间几乎没有限制,小到手机点胶机,大到 18m 长行程的切 割机, sm 长行程钻铣床, 6m 6m ” 3m 的检测机器人等。超大行程时要采用直线 导轨和齿条传动方式 ;3. 负载能力强 :单根直线运动单元的负载通常小于 20Okg 。但当采用双滑块或多滑块 刚性联结时负载能力可以增加 5到 10倍。当把两根或四根直线运动单元并排接 起来使用时,其负载可以增加 2到 4倍。当采用多根多滑块结构时其负载能力可 增加到数吨 ;4. 高动态特性 :轻负载时其最大运行速度可达到 sm/s,加速度可达到 4m/s 。

12、使其具 有很高的动态特性,工作效率非常高,通常在几秒内完成一个工作节拍 ;5. 高精度 :按传动方式及配置在整个行程内其重复定位精度可达到 0.05mm 到 0.olmm;6. 扩展能力强 :可以方便改变结构或通过编程来适合新的应用 ;7. 简单经济 :对比关节机器人,直角坐标机器人不仅外观直观且构造成本低,编程简 单类同数控铣床,易培训员工和维修,使其具有非常好的经济性 ;8. 胜任复杂任务 :采用带有 RTCP 功能的五轴或五轴以上数控系统能完成非常复杂的 喷涂,喷丸,检测,加工等任务 ;9. 寿命长 :直角坐标机器人的维护通常就是周期性加注润滑油,寿命一般是 10年以 上,维护好了可达

13、20年 ;10. 应用面宽 :可以方便地装配多种形式和尺寸的手爪,可以胜任许多常见的工作,如 焊接、切割,搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴 标、喷码、打码和喷涂等任务。- 4 -4.2直角坐标机器人的应用因末端操作工具的不同,直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设备,完 成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、 打码、 (软仿型喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。特别适用于多品种,便批量的柔 性化作业,对于稳定,提高产品质量,提高劳动生产率,改善劳动条件和产品的快速更新 换代期着十分重要的作用。4.3 直角坐标机器人的分类1,

14、按用途分:焊接机器人、码垛机器人、涂胶(点胶机器人、检测(监测机器人、 分拣(分类机器人、装配机器人、排爆机器人、医疗机器人、特种机器人等。2,按结构形式分:壁挂(悬臂机器人、龙门机器人、倒挂机器人等3,按自由度分:两坐标机器人、三坐标机器人、四坐标机器人、五坐标机器人、六坐标 机器人。4.4三自由度直角坐标机器人的硬件设计4.4.1 机械结构设计工业机器人的机械结构系统由基座、手臂、末端操作器三大件组成。每一大件都有若 干自由度,构成一个多自由度的机械结构。若基座具备行走机构、则构成行走机器人;若基座不具备行走及腰转机构,则构成单 机器人臂(Single Robot Arm 。手臂一般由上臂

15、、下臂和手腕组成。末端操作器是直接装 在手腕上的一个重要部件,它可以是二手指或多手指的手抓,也可以是喷漆枪、焊具等作 业工具。工业机器人的坐标形式多种多样,按坐标形式来分的话有:直角坐标型、圆柱坐标型、 球坐标型、关节坐标型和平面关节型。在本次设计中我们要设计的机器人为三坐标直角坐标机器人,这种机器人由三个线性 关节组成,这三个关节用来确定末端操作器的位置,通常还带有附加的旋转关节,用来确 定末端操作器的姿态。这种机器人在想 x 、 y 、 z 轴上的运动时独立的,运动方程可独立处 理,且方程式是线性的,因此,很容易通过计算机控制实现;它可以两端支撑,对于给定 的结构长度,刚性最大;它的精度和

16、位置分辨率不随工作场合而变化,容易达到高精度。 下图 4-1为其工作,空间示意图。- 5 -5图 4-1从上图可以看到此机器人具有三个自由度,其参考坐标系为 x 、 y 、 z 。自由度是指机器 人所具有的独立坐标轴运动的数目,理论上自由度越多机器人越灵活,那么它的躲避障碍 物和改善动力性能就会得到提高。4.4.2 传动机构的设计表 4-1 工业机器人常用传动方式的比较 传动机构是指向各轴传递运动和动力,以实现轴间的相对移动,在三自由度直角坐标 机器人中,其主要传动机构为平移型传动机构。从上表一中我们可以看到各种传动方式的 对比。机械传动机构,可以将动力所提供的运动的方式、方向或速度加以改变,

17、被人们 有目的地加以利用。我国古代传动机构类型很多,应用很广,除了上面介绍的以外,- 6 -像地动仪、鼓风机等等,都是机械传动机构的产物。我国古代传动机构,主要有齿轮 传动、绳带传动和链传动。齿轮传动 齿轮只用来传递运动,强度要求不高。至于生产上所采用的齿轮,要 传递较大的动力,受力一般较大,强度要求较高。古代在利用畜力、水力和风力进行 提水、粮食加工等工作时,都要应用此类齿轮。例如在翻车上,须应用一级齿轮传动 机构,以改变运动的方位和传递,适应翻车的工作要求。其工作示意图如下图 4-2。 齿轮传动式由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它不但可以传递运动角位 移和角速度,而且还可以传递力和力

18、矩。图 4-2链传动 链,在我国古代出现很早,商代的马具上已有青铜链条,其他青铜器和 玉器上也有用链条作为装饰的。西安出土的秦代铜车马上,有十分精美的金属链条。 但这都不能算是链传动。作为动力传动的链条,出现在东汉时期。东汉时毕岚率先发 明翻车, 用以引水。 根据其工作原理和运动关系, 可以看作是一种链传动。 翻车的上、 下链轮,一主动,一从动,绕在轮上的翻板就是传动链,这个传动链兼做提水的工作 件,因此,翻车是链传动的一种特例。到了宋代,苏颂制造的水运仪象台上,出现了 一种“天梯”,实际上是一种铁链条,下横轴通过“天梯”带动上横轴,从而形成了 真正的链传动。绳带传动 这是一种利用摩擦力的传动

19、方式。在西汉时,四川出产井盐,在凿井、 提水时,都是用牛带动大绳轮,收卷绕过滑轮上的绳索,来提升凿井工具、卤水等。 西汉时出现的手摇纺车,是一种典型的绳带传动。在西汉时期的画像石上,有几幅手 摇纺车图,可以清楚地看到:大绳轮主动,通过绳索带动纱锭,用手摇大绳轮旋转一 周,纱锭旋转几十周,效率很高。以后出现的三锭、五锭的纺车,效率就更高了。元 代的水运大纺车, 也是用绳带传动的。 东汉时, 冶金手工业有一项重要发明“水排”, 用于鼓风。这种绳带传动的工作原理是:水力推动卧式水轮旋转,水轮轴上装有大绳 轮,通过绳带带动小绳轮,小绳轮轴上端曲柄随之旋转,通过连杆推动鼓风器鼓风。 这种水排鼓风效力很高

20、,可以抵得上几百匹马鼓风。它的出现,标志着东汉时发达的 机械已经在我国出现了,因而意义十分重大。在经过了以上论证后,我决定采用齿轮链传动机构。现在我以图 4-3为例来说明齿轮链传动的转换关系。 - 7 -7 图 4-3在设计这个齿轮链传动机构的时候我主要考虑到两个问题:一是齿轮链的引入会改变 系统的等效转动惯量,从而使驱动电机的响应时间减少,这样伺服系统就更加容易控制。 输出轴转动惯量转换到驱动电机上,等效转动惯量的下降与输入输出齿轮齿数的平方成正 比。 二是在引入齿轮链的同时, 由于齿轮间隙误差, 将会导致机器人手臂的定位误差增加; 而且,假如不采取一些补救措施,齿隙误差还会引起伺服系统的不

21、稳定性。4.4.3 驱动方式的选择要使机器人运动起来,需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置,这就是驱动系 统。驱动系统可以是液压驱动、气动驱动、电动驱动,或者把它们结合起来应用的综合系 统;可以是直接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接 驱动。下面我各自介绍这三种驱动方式:( 1 液压驱动液压驱动是由高精度的缸体和活塞一起完成的。活塞和缸体采用滑动配合,压力油从 液压缸的一端进入,把活塞推向液压缸的另一端,调节液压缸内部活塞两端的液体压力和 进入液压缸的油量即可控制活塞的运动。机器人的驱动系统采用液压驱动,有以下几个优点:A 、液压容易达到较高的单位面积压力,体

22、积小,可获得较大的推理或转矩。B 、液压系统介质的可压缩性小,工作平稳可靠,并可得到较高的位置精度。C 、液压传动中力、速度和方向比较容易实现自动控制。D 、液压系统采用油液做介质,具有防锈性和自润滑性能,寿命长。但是液压驱动也有其不足之处:A 、 液压的粘度随温度变化而变化,这将影响工作性能。高温度容易引起爆炸、燃烧等 危险。B 、 液体的泄露难于克服,要求液压元件有较高的精度和质量,故造价较高。C 、 需要相应的供油系统, 尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置, 否则会引起故障。 ( 2 气压驱动与液压驱动相比,气压驱动的特点是:A 、压缩空气粘度小,容易达到高速(1m/s 。B 、利用工

23、厂集中的空气压缩机站供气,不必添加动力设备。- 8 -C 、空气介质对环境无污染,使用安全,可直接应用于高温作业。D 、气动元件工作压力低,故制造要求也比液压元件低。气压驱动的不足之处是:A 、压缩空气常用压力为 0.40.6MPa,若要获得较大的压力,其结构就要相对增大。B 、空气压缩性大,工作平稳性差,速度控制困难,要达到准确的位置控制和困难。C 、 压缩空气的除水问题是一个很重要的问题,处理不当会使刚类零件生锈,导致机 器人失灵。此外,排气还会造成噪声污染。( 3 电力驱动分类:按照电机的工作原理不同分为步进电机、直流伺服电机、无刷电机等。按照控制水平的高低来分分为开环控制系统和闭环控制

24、系统。适用范围:适合于中等负载,特别适合于动作复杂、运动轨迹严格的各类机器人。考虑到体积以及精度,在比较了以上三种驱动方式后,我最终选择了电力驱动,因为电力 驱动体积小,而且容易组成闭环控制系统,故控制精度高,方便,但在算法上可能稍微复 杂一些,但这都可以克服的,故实现起来时选择电力驱动更好一些。4.4.4 内部传感器的选择电机控制系统中的位置检测通常有:微电机解算元件,光电元件,磁敏元件,电磁感 应元件等。这些位置检测传感器或者与电机的非负载端同轴连接,或者直接安装在电机的 特定的部位。其中光电元件的测量精度较高,能够准确的反应电机的转子的机械位置,从 而间接的反映出与电机连接的机械负载的准

25、确的机械位置,从而达到精确控制电机位置的 目的。( 1 光电编码器的介绍:光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的 电机转子的位置信息的。根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编 码器与增量式光电编码器,下面我就这两种光电编码器的结构与工作原理做介绍。A 、绝对式光电编码器绝对式光电编码器如图 4-4所示,它是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示 绝对位置信息的。编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。图十一是二进制的编码盘,图中空白部分 是透光的,用“0”来表示 ; 涂黑的部分是不透光的,用“1”来表示。通常将组成编码的 圈称为码道, 每个码

26、道表示二进制数的一位, 其中最外侧的是最低位, 最里侧的是最高位。 如果编码盘有 4个码道,则由里向外的码道分别表示为二进制的 23、 22、 21和 20, 4位 二进制可形成 16个二进制数,因此就将圆盘划分 16个扇区,每个扇区对应一个 4位二进 制数,如 0000、 0001、 1111。- 9 -9图 4-4按照码盘上形成的码道配置相应的光电传感器,包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱 动电子线路。当码盘转到一定的角度时,扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通,输出 低电平“0”,遮光的码道对应的光敏二极管不导通,输出高电平“1”,这样形成与编码 方式一致的高、低电平输出,从而获得扇区

27、的位置脚。B 、增量式光电编码器增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号,然后根据位置变化的 方向用计数器对脉冲进行加 /减计数,以此达到位置检测的目的。它是由光源、透镜、主 光栅码盘、鉴向盘、光敏元件和电子线路组成。增量式光电编码器的工作原理是是由旋转轴转动带动在径向有均匀窄缝的主光栅码盘 旋转,在主光栅码盘的上面有与其平行的鉴向盘,在鉴向盘上有两条彼此错开 90o 相位的 窄缝,并分别有光敏二极管接收主光栅码盘透过来的信号。工作时,鉴向盘不动,主光栅 码盘随转子旋转,光源经透镜平行射向主光栅码盘,通过主光栅码盘和鉴向盘后由光敏二 极管接收相位差 90o 的近似正弦信号,再由逻

28、辑电路形成转向信号和计数脉冲信号。为了 获得绝对位置角,在增量式光电编码器有零位脉冲,即主光栅每旋转一周,输出一个零位 脉冲,使位置角清零。利用增量式光电编码器可以检测电机的位置和速度。( 2 光电编码器的测量方法:光电码器在电机控制中可以用来测量电机转子的磁场位置和机械位置以及转子的磁场 和机械位置的变化速度与变化方向。下面就我就光电编码器在这几方面的应用方法做一下 介绍。可以利用定时器 /计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。具体的测 速方法有 M 法、 T 法和 M/T法 3种。M法又称之为测频法,其测速原理是在规定的检测时间 Tc 内,对光电编码器输出的脉 冲信号计数的测

29、速方法,例如光电编码器是 N 线的,则每旋转一周可以有 4N 个脉冲,因 为两路脉冲的上升沿与下降沿正好使编码器信号 4倍频。 现在假设检测时间是 Tc , 计数器 的记录的脉冲数是 M1,则电机的每分钟的转速为在实际的测量中,时间 Tc 内的脉冲个数不一定正好是整数,而且存在最大半个脉冲的 误差。如果要求测量的误差小于规定的范围,比如说是小于百分之一,那么 M1就应该大 于 50。 在一定的转速下要增大检测脉冲数 M1以减小误差, 可以增大检测时间 Tc 单考虑到 实际的应用检测时间很短,例如伺服系统中的测量速度用于反馈控制,一般应在 0.01秒 以下。由此可见,减小测量误差的方法是采用高线

30、数的光电编码器。 - 10 -M法测速适用于测量高转速, 因为对于给定的光电编码器线数 N 机测量时间 Tc 条件下, 转速越高,计数脉冲 M1越大,误差也就越小。T法也称之为测周法,该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数的方 法。例如时钟频率为 fclk, 计数器记录的脉冲数为 M2,光电编码器是 N 线的,每线输出 4N 个脉冲,那么电机的每分钟的转速为为了减小误差,希望尽可能记录较多的脉冲数,因此 T 法测速适用于低速运行的场合。 但转速太低,一个编码器输出脉冲的时间太长,时钟脉冲数会超过计数器最大计数值而产 生溢出 ; 另外,时间太长也会影响控制的快速性。与 M 法测速一样

31、,选用线数较多的光电 编码器可以提高对电机转速测量的快速性与精度。M/T法测速是将 M 法和 T 法两种方法结合在一起使用, 在一定的时间范围内, 同时对光 电编码器输出的脉冲个数 M1和 M2进行计数,则电机每分钟的转速为实际工作时,在固定的 Tc 时间内对光电编码器的脉冲计数,在第一个光电编码器上升 沿定时器开始定时,同时开始记录光电编码器和时钟脉冲数,定时器定时 Tc 时间到,对 光电编码器的脉冲停止计数,而在下一个光电编码器的上升沿到来时刻,时钟脉冲才停止 记录。采用 M/T法既具有 M 法测速的高速优点,又具有 T 法测速的低速的优点,能够覆盖 较广的转速范围,测量的精度也较高,在电

32、机的控制中有着十分广泛的应用。通过以上这种光电式的测速传感器,我们就可以达到控制机器人的运动速度和控制机 器人的位移的目的,例如假如我要让机器人快速地完成某个搬运的任务,这个时候我就可 以调用 PID 算法来使机器人快速地达到某个速度,从而完成这个动作,又例如我要让机器 人移动某段距离,这个时候我就可以通过对脉冲个数的累加来完成对距离的控制,由于这 种光电式编码器的精度很高,故可以达到高精度的距离控制。 - 11 -11 5直角坐标机器人的控制设计5.1 示教再现功能示教再现功能是指控制系统可以通过坐示教盒或手把手进行示教,将动作顺序、运动 速度、位置等信息用一定的方法预先教给工业机器人,由工

33、业机器人的记忆装置将所 教的操作过程自动地记录在存储器中,当需要再现操作时,重放存储器中存储的内容 即可。如需要更改操作内容时,只需要重新示教一遍即可。5.2运动控制功能运动控制功能是指对工业机器人末端操作器的位置、速度、加速度等项目的控制。 在本次设计中我采用示教再现控制方式来对此机器人进行控制,其主控芯片为我们熟 悉的 C8051F020单片机。 使用此款单片机再配合一些外围电路的集成就可实现对各个电动 机的控制,再加上一些在软件上的编写配合好光电编码器,就可以实现 PID 算法,并组成 一个简单的闭环系统。图 5-1人机交互模块6 主要元器件介绍C8051F020系列单片机是高集成度的混

34、合信号系统级 MCU 芯片,片内集成了一个多通道 ADC 、两个电压比较器、五个通用的十六位定时器、 UART 、 SPI 总线接口、内部振荡器、 64个通用数字 I/O引脚、 64KB 的 FLASH 程序寄存器和与 8051兼容的高速微控制器内核。 C8051F020的主要特点如下:1、模拟外设( 1 逐次逼近型 ADC 12位分辨率或 8位分辨率;可编程转换速率,最大为 100kps ;可多达 32个外部输入,每个引脚都可以被配置为 ADC 的输入。( 2 两个模拟比较器 16个可编程回差电压值;可用于产生中断或复位。( 3 VDD监视器和降压检测器2、片内 JTAG 调试片内调试电路提供提供全速、非侵入式的在系统调试;支持断点、单步、观察点、堆栈监视器,支持观察 /修改存储器和寄存器。3、高速 8051微控制器内核流水线指令结构; 70%指令的执行时间为 1个或 2个系统时钟周期;速度可达 25MIPS ;扩展的中断处理系统。4、存储器 256B 内部数据 RAM ; 1024B XRAM; 64