多自由度机械手及其控制系统设计

成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计）（凸轮机构的设计与实践）.2机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。一、按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。二、按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。三、按控制方式分1、点位控制2、连续轨迹控制2国内外发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:1、工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)。2、机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。3、工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。4、机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。5、虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。6、当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。7、机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;但总的来看，我国的工业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，自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。成都工业学院成教院毕业论文（设计）（多自由度机械手及其控制系统设计）3工业机器人的总体设计一、设计要求综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。原始数据：自动线上有Ａ，Ｂ两条输送带之间距离为1.5m，需设计工业机器人将一零件从A带送到B带。零件尺寸：内孔￠100，壁厚10，高100。零件材料：45钢。二、总体方案拟定在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。图3.1机器人外形图三、机械手主要技术性能参数机械手的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下：1、抓取重量抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。2、抓取工件的极限尺寸抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。3、坐标形式和自由度说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。4、运动行程范围指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。5、运动速度是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200～400mm/s；回转速度最大为180º/s，一般为50º/s。6、定位精度和重复定位精度定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。7、编程方式和存储容量本设计中的三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表3.1。表3.1相关参数表机械手类型三自由度圆柱坐标型抓取重量2.69Kg自由度3个(1个回转2个移动)机座长120mm,回转运动,回转角180度,步进电机驱动单片机控制腰部机构长680mm,伸缩运动,升降范围450mm,步进电机驱动单片机控制手臂机构长826mm,伸缩运动,伸缩范围50mm,液压缸驱动行程开关控制末端执行器液压缸驱动行程开关控制成都工业学院成教院毕业论文（设计）（多自由度机械手及其控制系统设计）4机械手的机械系统设计4.1机械手的运动系统分析一、机械手的运动概述机械手的运动，可从机械手的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。如图4.1所示，为机械手机构的简图。图4.1机构简图1、工业机器人的运动自由度所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。2、机器人的工作空间和机械结构类型（1）工作空间工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数，工作空间图如图4.2。图4.2工作空间图（2）机械结构类型圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统（代号RPP），工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。二、机械手的运动过程分析机械手的运动过程中各动作如图4.3和表4.1。图4.3动作图表4.1机械手的运动过程中各动作机器人开机,处于A位工步一手臂上升工步二,工步七,工步十三旋转至B位工步三手臂伸出工步四,工步十手臂下降工步五,工步十一加紧工件工步六手臂收缩工步八,工步十四旋转至C位工步九放松工件工步十二实现运动过程中的各工步是由机械手的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机械手对工件的定位夹紧的准确性，这是本次设计成败之关键所在。4.2机械手的执行机构设计一、末端执行机构设计机械手的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。1、设计时要注意的问题：a.末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。b.末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。c.应能保证工件在末端执行机构内准确定位。d.结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。e.根据应用条件考虑通用性。2、总体结构设计采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图4.4。内撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，即当液压缸1工作时，推动推杆2向下运动，使两钳爪3向外撑开，从而带动弹性爪4夹紧工件。该种夹持器多用于内孔薄壁零件的夹持。图4.4末端执行器3、液压油缸的选择和夹紧力的校验a．初选油缸型号考虑到所要夹持的是很小的薄壁零件，最大工作载荷很小，故初选液压缸型号为Y-HG1-C40/22×25LF2HL1Q，它的主要技术参数如表4.2。表4.2冶金设备标准液压油技术规格缸径/mm活塞杆直径/mm油口直径速度比通经/mm连接螺纹1.46240222810M18x1.5b．夹紧力校验1）零件的计算2）紧力的计算：所以取N=100（N）由《机械制造装备》式4-60可知驱动力的计算公式为：P=2bNtgα/(cη)α为斜面倾角，α=35o，η为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，查《机械零件手册》表2-2η=0.85−0.92这里取0.85,b=77.5mm,c=29mm。取p=500(N)。按《液压传动与气压传动》公式4-15，D为汽缸的内径(m)，P为工作压力（Pa）,由以上计算可知液压缸能产生的推力F=565N大于夹紧工件所需的推力P=500N。所以该液压缸能够满足要求。4、弹性爪的强度校验弹性爪的结构形式如图4.5：图4.5弹性爪结构图工件与弹簧片间的力：由上节可知F=100N。则弹簧爪截面上的剪应力为[τ]=30MPa，故弹性爪满足强度要求。二、手臂机构的设计1、手臂的设计要求a．手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求。b．根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。c．尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。d．要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动，结构简单，装拆方便，还设计有两根导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。它的结构如下图。图4.6手臂结构图选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。2、伸缩液压油缸的选择选液压缸型号为Y-HG1-C50/28×100LJ1HL1Q，它的主要技术参数如表4.4。表4.4冶金设备标准液压油技术规格缸径/mm活塞杆直径/mm油口直径速度比通经/mm联接螺纹1.46250283610M18x1.53、活塞杆的强度校核末端执行器的重量为：10.389Kg。工件重量为：2.64Kg。由静力平衡方ΣMB=0R1·LAB－Q·LBC=0ΣMA=0R2·LAB－Q·LAC=0求得支反力为：R1=524.88NR2=673.16N以A点为坐标原点，得剪力图和弯矩图由[]表得活塞杆[τ]=140MPa,[σ]=240MPa.则在B处横截面上的剪应力为：安全。在B处的弯应力为：安全。三、腰部和基座设计1、结构设计1——支座，2——步进电机，3——谐波齿轮，4——转动机座5——支承工字梁，6——滚珠丝杠，7——导向柱，8——联轴器图4.7腰部和基座结构图1——支座，2——电机，3——轴承，4——带传动，5——壳体6——位置传感器，7——柔轮，8——波发生器，9——刚轮图4.8环形轴承的机器人机座2、步进电机的选取机械手的旋转和上下移动采用了步进电机驱动，下面就给出各种驱动方式的比较，以作为选取步进电机作为驱动方式的依据。表4.5各种驱动方式比较比较内容驱动方式机械传动电机驱动气压传动液压传动异步电机,直流电机步进或伺服电机输出力矩输出力矩较大输出力可较大输出力矩较小气体压力小,输出力矩笑,如需输出力矩较大,结构尺寸过大液体压力高,可以获得较大的输出力控制性能速度可高,速度和加速度均由机构控制,定位精度高,可与主机严格同步控制性能较差,惯性大,步易精确定位控制性能好,可精确定位,但控制系统复杂可高速,气体压缩性大,阻力效果差,冲击较严重,精确定位较困难,低速步易控制油液压缩性小,压力流量均容易控制,可无级调速,反应灵敏,可实现连续轨迹控制反应范围适用于自由度少的专用机械手,高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有,特别时重型机械手多用由上表可知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，下面就对步进电机的型号进行选取。初选电机为BF反应式步进电机，型号为：90BF001。它的有关技术参数如下表：表4.6技术参数电机型号相数步距角/(度)电压/V最大劲转矩/N·m(Kgf·cm)最高空载启动频率/HZ运行频率/HZ转子转动惯量10-5Kg·m290BF00140.9803.922000800017.64A、传动系统等效转动惯量计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。1）电机转子转动惯量的折算JD。由《机电综合设计指导》表2-18查出JD=1.764㎏•cm22）联轴器转动惯量的折算JL式中：为圆柱质量（Kg），D为圆柱体直径（cm）,L为圆柱体长度。cM对于钢材，材料密度为7.8×10−3Kg⋅cm3),把数据代入上式得：3）滚珠丝杠转动惯量的折算JS查《机电综合设计指导》表4-2P119，得出1m长的滚珠丝杠的转动惯量为0.94㎏cm2，丝杠长度L＝420mm，所以滚珠丝杠转动惯量：JS=0.94×0.42=0.39㎏•cm2；4）手臂转动惯量的折算JG工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按下式进JG行计算：见《机电综合设计指导》公式（2-6）P8。式中，LO为丝杠导程（cm）；M为工作台质量（kg）。所以：5）系统等效转动惯量计算JΣB、验算矩频特性步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩，从《机电综合设计指导》表2-21中查得。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为：见《机电综合设计指导》公式（2-29）P32mqjmaxM=λM查《机电综合设计指导》表2-12P35得λ＝0.707。所以，步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算：见《机电综合设计指导》公式（2-30）式中：为空载启动力矩（N•cm）；为空载启动时运动部件由静止升速到最大Kq快进速度，折算到电机轴上的加速力矩（N•cm）；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（N•cm）；有关的各项力矩值计算如下：1)加速力矩见《机电综合设计指导》公式（2-32）和（2-33）P32。式中：为传动系统等效转动惯量；ε为电机最大角加速度；为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速；t为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，为运动部件最大快进速度；为初选步进电机的步距角；为脉冲当量。2）空载摩擦力矩见《机电综合设计指导》公式（2-34）P35式中：G为运动部件的总重量；f′为导轨摩擦系数；i齿轮传动降速比；η为传动系数总效率，取η＝0.8；为滚珠丝杠的基本导程。3）附加摩擦力矩见《机电综合设计指导》公式（2-35）P35式中：为滚珠丝杠预紧力；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取＝0.96。所以，步进电机所需空载启动力矩：初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即见《机电综合设计指导》公式（2-31）P32从上式可知电机初步满足要求。C、启动矩频特性校核步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。查看《机电综合设计指导》图2-21P36，从90BF001矩特性图中，可查得：纵向：空载启动力矩对应的允许启动频率。查《机电综合设计指导》表2-11P34，步进电机150BF002启动频率，所以所选电机不会丢步。D、运行矩频特性校核步进电机的最高快进运行频率可按下式计算：见《机电综合设计指导》公式（2-36）P36式中：为运动部件最大快进速度。算得。快进力矩的计算公式：见《机电综合设计指导》公式（2-37）P37式中：为附加摩擦力矩，为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。算得：查看《机电综合设计指导》图2-22P36，从90BF001运行矩频特性图中，可知：快进力矩对应的允许快进频率；所以,所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。综上所述，所选用的步进电机90BF001符合要求，可以使用。3、轴承的选取a、环形轴承3作为机座的支承原件，是为机器人研制的专用轴承，具有宽度小、直径大、精度高、刚度大、承载能力高（可承受径向力、轴向力和倾覆力矩）、装置方便等特点价格高。b、丝杠下部装有圆锥滚子轴承，型号为30204，它的有关参数如下：表4.7参数表轴承代号基本额定极限转速r/min动载荷Ca/KN静载荷Coa/KN脂润滑油润滑3020428.230.58000100004.3机械手的机械传动装置的选择一、滚珠丝杠的选择估算：等效载荷Fm=1000N,丝杆有效行程420mm,等效转速nm=1500r/min,要求使用寿命Lh=15000h左右，工作温度低于100℃，可靠度95%，精度为3级精度。A、计算载荷查<机电液设计手册>上册，表15-21得B、选择滚珠丝杆副的型号主要尺寸为：按Ca=19559N，查《机电一体化设计基础》表2-9，选用汉江机床厂C1型滚珠丝杠，系列代号为FYC1-4008-2.5。，滚珠直径d0=3.969mm滚道半径偏心距丝杠内径螺旋导程角螺杆不长，无需验算稳定性。C、刚度验算按最不利情况考虑，即在螺距(导程)内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为：式中磨擦系数f=0.025,当量磨擦角剪切弹性模量G=8.33×104N/mm2，所以：其中，危险截面d1=35.76，E=2.06每米螺杆长度上的螺矩的弹性变形：因为滚球丝杆精度要求为3级精度，由表15-8查得，所以其刚度满足要求。D、计算效率二、谐波齿轮的选择谐波齿轮的特点，与一般齿轮传动相比，有如下特点：1、传动比大：一级谐波齿轮减速比可以在50～500之间，在只传递运动的装置中可达1000。采用多级或复波式传动时，传动比可以更大。2、这种传动同时啮合的齿数多，可达总齿数的30%～40%。故承载能力大。3、运动误差小，无冲击，齿的磨损小，传动精度高，传动平稳。4、效率高（减速传动下，一般可达0.7～0.9），结构简单，零件少，重量轻。在承载能力和传动比相同的条件下，比一般齿轮减速器的体积和重量约减少1/2～1/3。5、缺点是起动力矩大，柔轮易疲劳损坏，故柔轮的材料和热处理条件要求高。传动比小于35时不能采用谐波传动。由于谐波减速传动装置明显的优点，已广泛用于机器人和其它机电一体化机械设备中。本设计中的谐波齿轮采用带杯形柔轮的谐波传动组合件。它是由三个基本构件构成的，带凸缘的环形刚轮，杯形的柔轮和柔性轴承、椭圆盘构成的波发生器。型号XB1-80-100-2-3/3机型号100，既柔轮的公称内径为80mm减速比100三大件订货精度等级，最大空回小于3分（角）/最大传动误差小于3分（角）。成都工业学院成教院毕业论文（设计）（多自由度机械手及其控制系统设计）5机械人的计算机控制系统概述5.1机械人控制系统的特点及对控制功能的基本要求工业机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统，一般要用计算机来实现。因此，机器人控制系统也是一个计算机控制系统。控制系统的功能是控制机器人操作机的运动和操作以满足作业的要求。在作业中机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器按点位或轨迹运动，并保持设定的姿态。在运动中或在规定的某点位执行作业规定的操作。对工业机器人的控制功能大致有如下的基本要求和特点。一、实现对位姿、速度、加速度等的控制功能在机器人的各类作业中，运动和控制方式主要有两种。1.点位控制方式（PTP控制）这种控制方式考虑到末端执行器在运动过程中只在某些规定的点上进行操作，因此只要求末端执行器在目标点处保证准确的位姿以满足作业质量要求。而对达到目标点的运动轨迹（包括移动的路径和运动的姿态）则不作任何规定，这种控制方式易于实现，但不易达到较高的定位精度，适用于上下料、搬运、点焊和在电路板上安插元件等只要求在目标点保持末端执行器准确的位姿的作业中。2.连续轨迹控制方式（CP控制）这种控制方式要求末端执行器严格按规定的轨迹和速度在一定精度要求内运动，以完成作业要求，这种必须保证机器人各关节连续、同步地实现相应的运动。这种连续轨迹运动，可看成是若干密集轨迹曲线。若设定的点足够密，就能用点位控制的方法实现所需精度的连续轨迹运动。3.存储和示教功能要使机器人具有完成预定作业的功能，须先将要完成的作业示教给机器人，这个操作过程称为示教，将示教内容记录下来，称为存储。使工业机器人按照存储的示教内容进行动作，称为再现。所以工业机器人的动作是通过示教—存储—再现的过程实现的。4.对外部环境的检测和感觉功能。5.2计算机控制系统的设计方案控制系统采用二级计算机控制方式，选用IBM-PC，80C51系列CPU。第一级机担负管理，示教编程，控制再现，轨迹正逆运算，机器人语言的编辑和编译，通过串行通讯方式传送给二级机做位置给定。第二级机负责位置伺服控制软件的计算，位置检测等工作，根据插补算出的各关节位置增量做位置给定。一级机与示教盒通讯采用串行RS-232接口，既接收示教盒信息，完成示教动作，又向示教盒发送信息，显示示教情况。还可以连接软驱，CRT终端。二级机接口电路将计算机输出数字量转换成相应的模拟量，驱动伺服控制系统，选用速度单元，伺服电机及光电编码盘等伺服调速系统。5.1机器人控制系统框图5.3硬件电路的组成图5.1是采用MCS-51系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：1.主从CPU都采用8031芯片；2.主从CPU各扩展程序存储器27256一片，扩展数据存储器62256一片；3.主CPU扩展可编程串行通信接口芯片8251A一片；可编程多功能接口芯片8155一片；电平转换芯片MAX232一片；4.从CPU扩展可编程多功能接口芯片8155六片；D/A转换器DAC0832六片；运算放大器μA741六片；PWM功率放大器六片；光电编码器六片；5.地址锁存器、译码器各两片；6.键盘电路，显示电路；7.光电编码电路，功率放大电路；8.报警电路，暂停、急停电路，复位电路；5.4电路接口说明1.主计算机(1)CPU采用8031芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有128字节，因此，扩展外部程序存储器27256一片(16K)，数据存储器62256一片(16K)。8031的I/O口也不能满足输入输出口的要求，本系统也扩展了一片8155可编程接口芯片。(2)采用74LS138三八译码器的输出作为片选信号。27256，62256，8251A，8155的片选信号分别接到译码器的Y0～Y4。MCS-51系列单片机，64K字节外部RAM是由16根地址线(A0～A15)决定的，它由P0口提供低8位，P2口提供高8位。要想扩大RAM空间，可用增加地址线的办法来解决。这里，利用P1口增加地址线。74LS138的输入A、B、C口分别接8031的P1.0、P1.1、P2.7。(3)由于27256和62256芯片都是32KB，需要15根地址线。其A0～A7低8位接74LS373芯片的输出端线，A8～A14接8031芯片的P2.0～P2.6，74LS373地址锁存器在选通号ALE为高电平时直接传送8031P0口低8位地址，当ALE在高电平变低电平的下降沿时，低8位地址被锁存，此时，P0口可用来向片外传送读写数据。(4)主机8031要和示教盒通信，因此扩展一片8251A增加一个串行RS-232C接口。8251A的数据线与8031的P0口相接。WR、RD对应相连。8251的CS接74LS138的Y3，C/D接74LS373的1Q，。RXRDY和TXRDY经或非门接到8031的INT0，当8251A准备好接收或发送数据时都能向8031申请中断。时钟部分，8251A的CLK接到8031的ALE；TXC和RXC接在一起，由ALE经过一个分频电路后提供时钟。TTL电平与RS-232C电平的转换通过专门的电平转换芯片MAX232。由于不用调制解调器，DSR和CTS接地。(5)8155的PA0～PA7、PB4～PB7作为显示器位选信号，显示器的段选信号由8031的P1.2～P1.7和P3.4、P3.5发出，两边都接上反相驱动器74LS06。通过软件译码静态显示，12个显示器，每4个分别显示X、Y、Z轴的坐标。8155的PB.0～PB.3是键盘扫描输入，采用行列式结构，12×3键。行线经限流电阻接+5V电源，按键跨接在行线和列线上。(6)8155的PC0～PC4接控制面板上的按钮开关，设有启动、暂停、急停、示教等操作方式。2.从计算机(1)CPU采用8031芯片，扩展外部程序存储器27256一片(16K)，数据存储器62256一片(16K)。从CPU8031要控制6个关节位置的伺服量，8031的I/O口不能满足输入输出口的要求，本系统扩展了6片8155可编程接口芯片。每一个芯片负责其相应伺服系统的输入输出量。(2)采用74LS138三八译码器的输出作为片选信号。27256，62256，六片8155的片选信号分别接到译码器的Y0～Y7。74LS138的输入A、B、C口分别接8031的P1.0、P1.1、P2.7。(3)由于27256和62256芯片都是32KB，用74LS373芯片的输出端线1Q～8Q及P2口的P2.0～P2.6输出地址作为27256、62256的15根地址线，寻址空间各为32K字节。(4)用8155的I/O输入输出口来控制伺服电机，在计算机系统求出控制量之后，把这个控制数据送出到D/A转换器DAC0832去，把数字量转换成模拟电压，再去控制PWM功率放大器工作。(5)DAC0832的输入数据线～接到8155的PA口，DAC0832内部有输入0DI7DI寄存器，所以可以这样直接相连而不必另加锁存器。输入寄存器允许信号ILE固定置于高电平。片选信号CS和传送控制信号XFER一起接到8155的高位地址，5PC写信号WR1和WR2一起接到8031的WR端。(6)D/A转换器DAC0832和运算放大器μA741组成一个完整的D/A转换电路，它可以把数字转换成模拟电压信号。按照常规的用法，DAC0832以电流开关方式进行D/A转换的。其转换结果以电流形式在、端输出，而、再接一个运算放大器1I2I1I2IμA741的两个输入端，同时运算放大器的输出再接反馈电阻端；这样由一个运fbR算放大器把DAC0832的输出、的信号转换成电压信号输出。其输出的电压去控1I2I制PWM功率放大器，就可以使伺服电机以不同的速度实现正转和反转。(7)光电编码盘是一种可以直接把角度转换成二进制数码的元件，可以产生9位数据。它的分辨率是0.7º。当光电编码盘随伺服电机的旋转处于不同位置时，它送出的数据不同；每一个数据和一个角度对应。光电编码盘输出的数据的最高位从8155的输入，而低八位则从PB端口输入。读取光电编码盘的数据时，单片机只0PC需读取I/O口和PB的内容。成都工业学院成教院毕业论文（设计）（多自由度机械手及其控制系统设计）6工业机器人运行时应采取的安全措施有些国家已经颁布了关于机器人的安全法规和相应的规程,国际标准化协会也有业机器人安全规范(IS