毕业设计（论文）三自由度微型直角坐标机器人的设计

1、1 设计任务书描述1.1 设计题目三自由度微型直角坐标机器人的设计1.2 设计要求1.2.1 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、控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。1.2.2 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。1.3对设计论文撰写内容、格式、字数的要求（1） 课程设计论

2、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。2 设计思路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

3、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。首先，介绍了研究背景、要求和设计构思。阐述了控制系统的资源配置、资源需求与分配和核心处理器的寄存器，单片机寄存器资源。相比于其它类型的单片机，51单片机的功能更加强大，功能引脚较多，能够很好地满足智能车控制系统的需要。其次，设计了三自由度直角坐标机器人控制系统的硬件电路，包括各个模块的电路设计方案以及相关电路。采用的方案以51单片机为核心，包括总体控制系统的设计，各部件需要的供电电源设计，传感器电路设计，速度检测电路的设计等。

4、然后，进行了软件和算法的设计。根据传感器采集的道路信息，经处理分析之后，控制转角和速度。并通过记忆算法，最后实现直角坐标机器人快速的完成任务要求。最后，阐述了机器人机械结构调整，主要是调节其重心、前轮、后轮、舵机，使机器人在高速行走时，更加稳定。 3 设计方框图接近觉传感器转速传感器传感器信号调理电路a/d转换器计算机人机交互系统机器人控制器pid控制算法距离控制算法电动马达4 各部分电路设计及参数计算直角坐标机器人，它由水平轴(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

5、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

6、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。4.1 直角坐标机器人的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

7、。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，6m6m”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1

8、0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。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

9、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。4.2 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

10、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，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 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

11、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、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，

12、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。图4-1三自由度直角坐标机器人空间示意图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。从下表一中我们可以看到各种传动方式的对比。表4-

13、1 工业机器人常用传动方式的比较工业机器人常用传动方式的比较传动方式特点运动方式距离应用部件圆柱齿轮用于手臂第一转动轴提供大扭矩转转近臀部锥齿轮转动轴反向垂直相交转转近臀部、腕部涡轮蜗杆大传动比，重量大，有发热问题转转近臀部、腕部行星传动大传动比，价格高，重量大转转近臀部、腕部谐波传动很大的传动比，尺寸小，重量轻转转近臀部、腕部链传动无间隙，重量大转转、转移远移动部分、腕部同步齿形带有间隙和振动，重量轻转转、转移远腕部、手抓钢丝传动远距离传动力性能很好转转远腕部、手抓齿轮齿条精度高，价格低转移、移转远腕部、手抓、臀部机械传动机构，可以将动力所提供的运动的方式、方向或速度加以改变，被人们有目的地

14、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，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矩。图4-2齿轮传动链传动 链，在我国

15、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方式。在西汉时，四川出产井盐，在凿井、提水时，都是用牛

16、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，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，

17、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。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

18、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

19、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、 利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备。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

20、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

21、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

22、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

23、数，如0000、0001、1111。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

24、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

25、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

26、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数的光电编码器。 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

27、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，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

28、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。5 直角坐标机器人的控制模块设计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

29、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。6 主要

30、元器件介绍c8051f020系列单片机是高集成度的混合信号系统级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adc12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；64kb可在系统编程的flas