机器人设计2016来

1、一种高精度办公机器人机械系统设计专业：机械电子专业学号：20110310060409学生：来指导教师：摘要本文为一种高精度办公机器人机械系统设计所做的研究。本高精度办公机器人机械系统设计内容为：机械部分设计，控制电路部分及电路的程序设计。设计这个机械系统：首先确定机器人的写字部分的并联五杆机械臂尺寸；其次确定机器人的机械驱动，以方便初步选择机器人的控制电路类型；再其次确定机器人的各部分尺寸以确定机器人的造型；最后根据以上选择的和确定的造型设计单片机控制电路，并印制成 PCB；最后是机器人的控制程序的设计。本研究课题的重点内容是解决机器人的控制、造型的设计和精度的提高问题。办公机器人的工作原理是

2、：PC 端接收到到的客户签名数据后进行预处理，然后通过 USB-TTL 传送给单片机控制系统；单片机控制系统接收到数据后进行，数据经程序的处理控制机器人各部分的动作。本办公机器人写字机构为并联五杆机构，机器人写字移动通过丝杆滑台实现，压抬笔通过设计的电磁笔实现。为了办公机器人的写字机构拥有更好的动态特性，少的误差积累，更紧凑的外形和负载能力更强选用并联五杆机构，步进电机驱动；为了使精准的控制步进电机，采用的是专业的驱动器，通过驱动器的细分很好的保证了步进电机动作的稳定可靠和精度。本研究课题全程的设计运用了现有的理论和前辈的实践经验指导完成，所以设计严谨结果可靠。对并联五杆机构的研究，对单片机对

3、步进电机的控制及 pc 和单片机的联合控制的研究，对并联五杆机器人的实践经验的完善，促进微小机器人的发展成熟具有长远而非凡的意义。：微小并联机器人；五杆机构；串行通信；步进电机；单片机Design of a mechanical system for high preciABSTRACToffice robotThis pr is a research on the design of mechanical system of high precirobot system.The mechanical system design of this high precirobot system i

4、s as follows: mechanical part design,control circuit design and circuit design. The mechanical system design:determine the robots office partof the five bar parallel manipulator size; secondly, determining the robots mechanical drive part and to facilie the preliminary selection of robot control cir

5、cuit types; then determine the robot the size of each partto determine the robots sh design of the single chip; finally, according to above the selected components and determine the sh puter control circuit, and predo PCB; finally, the robot controlprogram design. The focus of this research is to im

6、prove the control, ming and accuracy of robot.The working principle of robot office PC receiver to collect customer signature data pretreatment,followed by usb-ttl transmitted to the SCM control system; SCM control system receives data storage, dataprosing procedures control action of each part of t

7、he robot. The office robot writing mechanism for five barparallel mechanism robot Office Mobile through the screw rod, slide, and prere to lift the pencil through the independent design of the electromagnetic pen. For robot Office of writing mechanism has better dynamiccharacteristics, less error ac

8、cumulation, more compact sh and load ability stronger we selected five bar parallel mechanism, stepper motor driver, in order to enable precise control of stepper motor, we adopt is profes al driver, by subdividing drive good ensures the stepper motor movement stable reliable and accuracy.The whole

9、design of this research use the existing theory and the practice experience of the prede sors,so the design is strict and reliable. Of the five bar parallel mechanism research of single chipputerto stnto the study of the jocontrol of the motor control and PC and microcontroller, the perfection of th

10、epractice experience of five bar parallel robot, promote the development of micro robot mature with long and extraordinary significance.Keywords: micro robot; five bar linkage; serial communication; step SCM; Android robotmotor;目录摘要IABSTRACTII绪论1引言1并联机构的概述1高精度办公机器人的概述2课题主要研究内容2第一章1.11.21.31.41.4.1课题

11、意义2课题主要研究内容2本课题工作任务31.4.21.4.3第二章2.1办公机器人并联五杆机构的选择4引言4办公机器人并联五杆形式的确定4办公机器人并联五杆的尺寸的确定42.22.3的选择7第三章3.1办公机器人写字机构驱动引言7选择73.2移位机构的3.3驱动步进电机的选择10步进电机电机驱动器的选择103.33.4电磁铁的.123.5驱动电源的选择13办公机器人的造型设计14引言14办公机器人的并联五杆机构的设计14第四章4.14.24.3办公机器人移构的设计15办公机器人的抬压笔机构的设计164.44.4办公机器人的整体外形设计17工程经济分析17办公机器人微机电路设计18引言184.5

12、第五章5.15.2机器人单片机控制电路的的选择185.3办公机器人微机电路及 PCB 设计20单片机控制程序设计21办公机器人组装调试24总结255.4第六章第七章参考文献26附录 A：外文翻译原文27附录 B：外文翻译译文31致谢34第一章绪论1.1引言从古至今发明家们一直在科学的道孜孜不倦的探索着，渴望可以寻求到代替人类劳动方式把人们从繁杂的工作中解放，所以中国就有了像织布机这里简易的机械发明来减轻人们工作的们一直难有，简化工作的方式。但是由于经济、社会制度、科学技术基础的限制人的作为。直到工业化社会的开始后，人们的这种渴望越来越强烈了。科学技术的迅速发展也给了人们创造发明的基础，能够代替

13、人类工作的机器人因此应运而生。机器人是一种可以代替人们执行一些循环规律动作的高度自动化的机械设备。机器人序幕的开始是1959年第一台工业机器人诞生开始的。而机器人踏上了迅速发展的到路则是1961第一台实用型工业机器出现。机器人发展的种类越来越多涉及医疗卫生、工业、服务业、等方面【1】。而课题研究的是应用于服务业的办公机器人一种高精度的办公机器人，的机器人是一种采用的是并联五杆的程签字问题。控制的微小写字机器人，目的是为了解决远1.2并联机构的概述的制造业的研究热门之一并联机器人。具有刚度、精度、速度、及加速度等方面的优势，是传统的串联机器人无法比拟的。至今随着对并联机器人研究的深入已经有多款并

14、联机器人被研制开发出来了，应用的领域也非常的广泛有医疗卫生、机床、和定位装置等等。、机器人、并 1947 年出现的轮胎测试六足机构是最早的并联机器人【2】。这种六足轮胎测试机构1954 年开始正式使用，2000 才正式退役。此后随着研究的深入，其他科学家又提出了 3支链六度的运动，并寄希望应用在飞行模拟器。但是真正制造出的却是由的一个工程师，他在 1964 年提出了八面体六腿机构专利。并在之后的一段时间里制作出来了。之后又有其他的科学家提出了其他著名的设计，但是由于控制技术的限制使并联机构的研究发展仍然比较缓慢。直到工业电脑的出现这个局面才有了巨大的，拥有强大功能的工业电脑出现后使对于这种结构

15、复杂、度多的机构有了理想的控制解决办法。因此并联机构的发展应用得到有力的促进。之后，被赞为“机床结构的”的并联六足机床出现在 1994 年芝加哥机床展览上。由此并联机构也受到了广泛的关注并进入了发展的热潮。随着时间的推移并联机构研究的深入，采用并联机构的机械业越来越多，和传统的串联机构的机械的对比也越来越明显，其中并联机构的优势也越来越突出【34】。和传统的串联机构对比，理论的优势为以下几点：机构的工作占地和机构的尺寸比较小。整个机构的质量比和支承负载的能力大，机构的刚度也高。3. 工作的过误差不会积累，因此运动精度的很高。4. 零件的标注化程度较高，在设计方面可以很容易的实现模块化的设计。5

16、. 机构的移动的质量可以很轻，所以可以很轻松的实现高速度和高的加速度的运动且机构的动态特性也高。尽管并联机构拥有如此多和出色的方面，但是在设计时还是有些限制的：1.并联机构的灵活性相较于串联机构会存在灵活性较差现倾斜的角度较低；，运动的极易出2.在不合理的设计时工作的空间的容易出现以及奇异位形的隐患。所以在选用并联机构的设计时不能以为盲目的追求并联机构的优势而忽视了它的缺点，但是为了使用这个机构的优点应该充分的做好机构的优化一避免出现以上问题。事物有优势就有缺陷不能因有缺陷而避之不及，优势因充分的利用缺陷应该尽力去弥补弱化。由于并联机器人有串联机器人所不能比拟的优势，并联机器人的还是人们追求的

17、方向，已经成为许多国家的重点研究方向。如今在国际上有着重要的学术组织和机器人杂志都推出了并联机器人的研究专栏，国际学者也积极的召开国际的研讨会，它正在变为一个研究浪潮【3-7】。1.3 高精度办公机器人的概述一种高精度办公机器人机械系统设计的实质是一种横跨多的签名机器人。他的作用就是通过现代频繁使用的安卓连接 PC 机和单片机解决由于距离的限制不能亲自写字而又需要的笔迹。拥有了这个机器人无论你身在何处他都能很容易的写的字原滋原味的传送到你需要传送的地方，并在该地方留下你原滋原味的字仿佛是你传送到哪里写下的。总而言之这种高精度办公机器人机械系统该的设计目的在代替人们完成签字的任务，解决生活中的实

18、际问题。本高精度办工机器人的组成：笔迹单片机控制电路；写字的机构。的安卓客户端签字；PC 端的数据处理；负责笔迹的安卓客户端的编写使用的 java来完成的，模仿的客户聊天界面进行 UI 的设计设置有写在请求按钮、签字发送按钮。它的主要工作是的的签字笔迹，然后转为链表的送给 PC 端的上位机。PC 端的数据处理是通过VisualC+6.0 来完成整个作是对安卓客户端签字的编写，的操作UI 简洁人性化。PC 端的数据处理主要工发送来的客户写下的字进行接收以及处理把它们变为下位机单片机控制电路可使用的数据。单片机的控制电路和 PC 端的数据处理之间使用串口进行通信，通过 USB-TTL 接口把上位机

19、的数据传输到下位机的单片机。单片机控制电路从 PC 端接收到数据后进行，然后进行进一步的处理，把数据变为可以控制五杆机构的两个步进电机、一个丝杆步进电机的脉冲和控制电磁铁通断电的继电器通断电的信号。最后一组成部分写字机构是由平面铰链五杆机构、丝杆步进电机滑台、圆柱导轨副等组成，并由两相四线的步进电机进行驱动。这种高精度办工机器人因为它实际工作环境的限制，要求机器人的精度应该有足够的高并且尺寸应该尽量的微小化。所以整个机器人的设计要向着微型化、高度的集成化和机电控制系统的微型化进行。怎么才能让写字机构变得更小且要保证写字的精度，怎么样使控制电路的尺寸变为更小且不影响它的功能，怎么使写字的精度更高

20、等是本研究课题的主要内容。1.4课题主要研究内容1.4.1课题意义本研究的课题是为一种高精度办工机器人设计解决控制、机器人的造型、精度的提高等问题。通过本研究课题，能在理论上更深入的研究并联机器人的相关控制，设计出一个使用办公环境的精度的签字机器人。通过对前辈的经验的阅读和理论的理解探究，结合实际的动手制作实验能进一步的探究理解并联机构和单片机控制的相关知识。同时的对课题的研究也能为以后的相关的课题的研究留下一些经验和教训，促进和本课题相关的研究的进步加速这方面的研究。1.4.2课题主要研究内容本次课题研究对象为高精度办公机器人，其中主要存在是机器人的精度不高、受干扰大及整个机器人的尺寸过大不

21、能适应实际办公环境等。所以本研究解决主要解决的问题是控制问题、机器人的造型、精度的提高等问题。工作原理图如图1-1所示。机器人的数据、信息的处理、控制脉冲的输出和写字机构对数据的正确执行组成了机器人的四大关键部分，只有这四大部分的完整才能人机器人正常的工作。所以从上面的工作原理图可知设计的机器人是具备了签名、数据的预处理、单片机控制系统的数据处理和写字的并联机构，是具备了完整的四大关键部分，所以理论是可以正常工作的。并且PC 端能够与安卓客户端的机器人还会配备一个头进行写字的过程的直接使在的签字进行对比观察，在电脑端就能实时观察机器人的工作情况省去了来回检查的麻烦。解决控制、机器人的造型、精度

22、的提高问题是本研究课题的主要工作。解决控制问题主要是对机器人的各驱动元件的选择、单片机控制电路的设计及控制电路的驱动程序的编写；机器人的造型主要是为了合理的设计机器人的造型使其的尺寸更加紧凑更美观更适应办公的环境，减少工作过的受干扰并且减少制造的成本；精度的提高主要是因为在机器人工作的过由于步进电机的运行速度非常的低所以非常的明显影响机器人在写字的过程的机构运动的精度和压笔的力度所以必须在步进电机的控制和写字的机构做必要的优化处理。的控制系统。从图 1-2 是高精度机器人工作原理图可以知道这个系统为开环第二章 办公机器人并联五杆机构的选择2.1引言本章的内容为设计机器人的写字机构，写字机构的运

23、动轨迹需要能覆盖整个写字的矩形以便在矩形内完成各种图形的绘制。并且写字机构还必须有一定的规律便于求出轨迹方程。机构要具有反解容易的特点使减小轨迹的求解难度。结合并联机构符合本设计机器人的设计要求的特点，所以本机器人选择为并联五杆机构作为写字机构。但是五杆机构有多种形式，所以本章的重点是确定五杆机构并确定各杆的尺寸。2.2办公机器人并联五杆形式的确定在并联五杆机构中由于机构的联接有铰链和滑块联接，并联五杆机构除了传统的铰链五杆机构还有以下四种结构形式（图 2-1）。但是这四种机构结构复杂，在小型的办公机器人中不可能有如此大的空间，且驱动也会成为一个难题。这四种结构对于的办公机器人是不实用的，所以

24、采用传统的铰链联接的五杆机构。则第三章 办公机器人写字机构驱动的选择3.1引言本办公机器人设计的目的主要为或者签字人不方便的情况下代为签字者实时签字。签字者通过客户端的控制界面手写出需要发送的文字或者图形，发送到 PC 端的进行预处理后通过串行通信即可在办公机器人的单片机的处理和控制下完成在纸张上的原笔迹的代为书写。写字机构要完成这一系列的动作需要各件包括了电磁铁、步进电机、滑台步进电机、驱动器等组成。的完美配合，这些部3.2 移位机构的选择办公机器人完成一个签名需要一个机构驱动笔的左右移动，这个机构要能让整个能平稳的移动和在机器人工作时锁定位置的作用，所以丝杆副是一个非常合适的选择常用的丝杆

25、擦的类型可以分为：滑动丝杆、滚动丝杆和静压丝杆。为了选择一个适合本机构的丝杆需要了解各丝杆的优缺点，并选择其中一种。滑动丝杆结构比较简单因而易于制造成本也较低，被广泛的应用于各种机床。同时滑动丝杆的牙型一般分为三角形和梯形，由于梯形的牙型比三角形的牙型具有更高的精度、更高的传动性能、更高的效率并且加工业方便等优点，滑动丝杆多采用梯形牙。滚动丝杆的传动是以滚珠为滚动的介质的螺旋滚动的传动。滚珠丝杆按它的滚珠的类型可以把滚珠丝杆分类为滚珠丝杆及滚柱丝杆两类。同时两者比较，滚珠丝杠制造更加的不易，但是它的更具有传动效率高、精度高且摩擦力小的优点。而相较于其他类的丝杆滚珠丝杆有以下特点【11】：传动效

26、率高传动的传动效率高达 90%98%，24 倍于传统的滑动丝杠传动系统，所以是小扭矩大推力的传动方式。运动的精度高在工作中的温度上升非常小，通过预紧还能消除轴向间隙或对丝杠进行预先的拉伸来补偿受热伸长，所以采用此种丝杠副的机构可以等到较高的重复定位的精度和定位精度。运动过程平稳采用此种传动的丝杆在运动中受的摩擦为点接触的滑动摩擦阻力，所以丝杆在动作过摩擦阻力更小、启动抖动、更加灵敏且低速时无爬行现象，因此可以用于精密仪器或对移动的精度要求高的机构环境。耐用性更高在滚珠丝杠的加工滚珠接触处均要进行硬化（HRC5863）处理，并进行精密磨削。因为工作循环过程纯属滚动摩擦，相较其他丝杆磨损更小，因此

27、丝杆副的使用具有更高的精度保持性。可靠性更高较高并其它的机械传动比较，故障率更低。在维修保养方面也更简单，一般只要做润滑和防尘处理。加工工艺复杂由于滚珠丝杆副的丝杆和滑台间以滚珠作为媒介限制了丝杆副的尺寸和增加了加工的流程。因而丝杆副的加工难度会随着尺寸的减小而增加，性能也随之下降。（3）静压丝杆的螺纹截面形状和标注的梯形螺纹截面形状一样。但是截面的等级更高是为同种类型的 1.5 到 2 倍关系，从而拥有非常好的油封和非常高的承载能力。静压丝杆的优点很多，然而需要一整套的系统，工作的调整也非常麻烦，制造工艺复杂成本高，所以采用静压丝杆的机构体积会比较大，不适合小型机械。对于要设计的办公机器人，

28、要求机构在满足功能要求的前提下尺寸尽量紧凑，制造成本尽可能低。结合上述的三种丝杆副，最终选择标准的梯形牙的滑动丝杆副。经过在市场的挑选选择了尺寸较小的且带了步进电机的步进电机丝杆滑台副。如图 3-1 丝杆滑台步进电机和图 3-2 它的尺寸参数图丝杆的详细信息：电机类型：2 相 4 线制额定电压：小于 12V，4-9V 较合适(电压越高力越大,发热也越大)电电流： 800MA/PHASE阻：15+-10%ohm/PHASE丝杆长度：90mm滑块行程：80mm电机直径：15mm丝杆直径：3mm丝杆螺距：0.5mm(一步移动 0.025mm,如需更小可以采用细分驱动)步距 角：18/step驱动方式

29、：双极驱动 整体尺寸：15*105mm直线街的速度最大每秒 25mm图 3-1 丝杆滑台步进电机这个丝杆副的是小型 DIY 雕刻机使用的，在这里刚好的机构有些类似。由于丝杆和步进电机的转子是一体的减少了使用联轴器和固定丝杆的麻烦，同时也减小了滑构的总体尺寸。使用这个步进电机丝杆副滑台紧凑和实用的功能可以满足的办公机器人的紧凑要求和写字移位的功能，丝杆的导程是 mm 定位的精度高。且这个丝杆的步进电机是两相四线的驱动非常的简单。为了定制一个合适本机器人的移构还必须选择光轴进行配合丝杆的平滑的移动承载物。由于的机器人的机构比较小型重量也相应的小，所以选择小直径的光轴并配套滚珠直线轴承以使丝杆步进电

30、机滑台的步进电机的负载减轻。选择的直接 4mm长度 10cm 光轴及 LM4*8*12 型直线滚珠轴承如下图 3-3、3-4。图 3-4 LM4*8*12 直线轴承图 3-3 光轴图 3-2 丝杆滑台步进电机尺寸参数3.3 驱动步进电机的选择由于完成写字的动作需要两个步进电机作为五杆机构运动动力。各个电机的工作转速低需要很好的转动角度的控制和定位控制，为了满足办公机器人整体结构造型紧凑的条件还必须要电机的控制简单。步进电机是以脉冲驱动电机的转动，转速只与脉冲频率有关系，转动的角度只与脉冲的数量有关系。所以在直流电机和步进电机之间角度和转动速度都容易选择的步进电机。但是步进电机的种类也是多样的

31、找合适的一种。在机械行业常用的步进电机按其构造分一般有以下几种类型【12】：选择转动须对比寻(1) 反应式(Variable Reluctance，VR)：电的转子是由软性磁铁制作的，定子上还有绕组。电机的整体结构并不复杂，制作的成本比较低且步距角较小，最小步距角可以达到 1.2 度。但是这种步进电机的缺陷很明显：动态性能差、工作的效率低、工作时发热也大，所以工作的可靠性不能保证。(2) 永磁式(Permanent Magnet,PM)：永磁式步进电机顾名思义电机的转子是由永磁性的材料制造，定子的极数和转子的极数数量相等。它有很独特的优点：动态性能好、输出力矩也大。但是缺点也非常的明显：精度极

32、差，步距角大最小的为 7.5 度或者只有 15 度。(3) 混合式(Hybrid Step的结合体。由于转子里有,HS 或 BY):它是 VR 类步进电机和 PM 类步进电机的良性性磁铁，因而产生等量规模转矩要求的励磁电流骤减。他的励磁绕组只需单一电源供电，而 VR 步进电机则要求提供高低压电源。同时，它还拥有步距角小、效率高、承担超过过本身承载能力强、控制速度角度的精度高、启动和运行时频率较高、不转时有定位转矩等优点。它代表了步进电机的发展，现在已经在数控机床、计算机设备等领域得到广泛的应用。考虑到机器人的实际设计的情况，综合比较上面三种步进电机，最终选择混合式步进电机作为本机器人的驱动力。

33、工作环境要求的尺寸不能大，要有一定的便携性。所以须采用尽量小尺寸的步进电机。 经过在市场上的多方比较各大小步进电机的各项参数和考虑控制的复杂程度， 最终选择了 20BYG4006A4 两相四线步进电机【10】如图 35。步进电机的各项参数如 10 下。3.3 步进电机电机驱动器的选择步进电机选择后为了解决步进电机的精准的控制和解决低速运动的噪声振动等问题！需要选择个具有细分且驱动能力好的配套步进电机驱动器。经过网上搜索适配 20 混合步进电机的驱动器，经过筛选后最后选择了型号为 M420B 的多功能专业步进电机驱动器（图 3-6）。接线的方式如图 3-7，各项参数和使用方法如图 3-8、图 3

34、-9。图 3-5 20BYG4006A4 型步进电机型号20BYG4006A4基本步矩角（）额定电流（A） 静力矩（N.cm）定位力矩(N.cm)1.80.62.60.5表 1-13.5 驱动电源的选择驱动电源的选择需要确定电压和电路参数以进行选择。从上述的选择的硬件来看驱动器驱动电源范围为 1840V 一般是 24V 的电源合适，同时电磁铁的电压也为 24V,所以电源的电压定为 24V。电流方面至少应保证三个电机和一个电磁铁的的正常工作，最小需求电流为 0.8+0.6*2+.428=2.428A 则约为 2.5A。所以选择牌为牌，型号为 S-75-24 的开关电源，实际和接线示意图见图 2-

35、9 和图 2-10，该电源有关技术参数如下图 3-14：型号DS1349电压电流行程DC24V（5.1W） 0.428A10mm第四章办公机器人的造型设计4.1引言前面的章节已经完成了办公机器人的写字机构的选择设计和机器人的驱动零的，现在我要按选择的的尺寸进行机器人的总体造型的设计。在造型设计的过主要的目标是设计合理的机构使在机器人进行复写签字者的字是有更高的还原度，机器人的机构的消除和机械之间的摩擦对写字的影响减小甚至。4.2 办公机器人的并联五杆机构的设计在第二章的机器人的并联五杆机构的设计中挑选好了并联五杆机构的类型并且确定了并联五杆机构的杆杆的尺寸。但是前面确定只是各铰链间的距离，不等

36、于确定杆的长度和外形。 要确定杆的外形还需考虑杆件运动的和杆的刚度问题，因为并联机构很大的缺陷就是灵活性差和机构容易出现角度倾斜。在设计时还要考虑机器人的夹笔问题，综合以上问题设计的并联五杆机构 proe【13】组件图如下图 4-1。此五杆机构为两度的的并联五杆机构，使用 r1 杆和r4 杆作为驱动力来源。为了解决杆间的接触面积过大造成摩擦阻力过大给驱动电机造成过大的负载压力， r1 杆和 r2杆、r3 和 r4 采用图示的铰链联接。在这个铰链联接中两根杆的连接为直径为 2mm 的螺柱（如图 4-2）。采用次螺柱使 r2 和螺柱为细微过盈配合以减小步进电机的造成的杆的振动，影响写字的精度。螺柱

37、和 r1 的联接为螺纹联接，通过螺纹的联接使 r1 杆和 r2杆的联接更为稳固保证两杆的接触面为平行，致使整个机构不会出现倾斜的现象，同时使动力的传输效率提高。并联五杆机构的 r2 和 r3 杆设计成有钝角结构图 4-3。在 r2 杆和 r3 杆的连接中为了使五杆机构不会产生倾斜同时增加机构的刚度把两杆的连接处变为互为错齿结合。如果把他们设计成直接平直杆，则会减小机构的运动空间从而造成互相 不能完成复杂字形的运动要求。与 r2 杆稍有不同的是r3 杆多了一部分夹笔部分。面的五杆机构的选择中确定了写字的区域并却确定了机构的写字的矩形区域的中心位置为写字机构笔的起始点。在实际中并联五杆机构的起始点

38、为五个顶点中的三个点组成的等边三角形的一个红色点如图 4-4。图 4-2 铰链联接螺柱图 4-1 并联五五杆机构组装4.3 办公机器人移机器人在写字的过构的设计每写个字需要移动一定的距离以准备下个字的书写。这个动作的完成需要移构的执行。这个移构需要能平稳的移动写字机构并在写字是提供自锁定位的功能。由于在的设计中整个并联五杆机构包括驱构的两个步进电机在内的写字机构重量并不大，所以在设计时滑构时可以考虑制作成小型的承载能力不大的。前面的机器人的选择中根据这些要求已经选择了微型的步进电机丝杆滑台作为设计的材料。按照选择的材料设计移动构如图 4-5移构是由的丝杆步进电机和 4mm 直径 10cm 长的

39、光轴及配套的直线轴承组成的，丝杆和步进电为一体省去了联轴器的和丝杆支座的使用减小了设计的难度。光轴通过两块亚克力板固定和亚克力板固定的丝杆步进电机滑台组成导轨移动。在这个中丝杆步进电机为出厂已经组装好的精度很高，移动平稳不容易出现因丝杆和步进电机的轴线不在一条直线上而出现。滚珠直线轴承和光轴配套安装使移动是的摩擦阻力减小，移动精度也提高。两根光轴和一根丝杆的设计是移构的刚度增加，各因驱构的步进电机的振动而晃动程度大大降低，同时丝杆受写字机构悬挂的重量负载减小。所以此移 构的设计能很好的提高办公机器人的稳定性和一定的程度生提高机器人的写字的精度。图 4-5 移构图 4-4 起始点图图 4-3 r

40、3 杆造型图图4.4 办公机器人的抬压笔机构的设计办公机器人在书写时，书写的开始和结束切换需要压抬机构来完成。压抬机构需要在机器人开始写字时及时压下写字笔并在写字过提供足够的按压力来维持写字笔与纸的接触，在写字结束后及时抬起笔以准备机构移动到下一个位置完成下一个字的书写。所以想设计了一个电磁笔来作为这个压抬笔机构，利用推拉式电磁铁的原理就能很容易的设计出满足这个功能需求的电磁笔。电磁铁的原理是通电的的线圈磁化外伸的铁心，让铁芯向向磁力线多的线圈移动并与线圈内的另个带有配合锥面的铁心相互吸引，最终两个铁心吸合在一起达到定位推拉定位作用。电磁铁的的两个铁芯加工成配对的锥面能很好的解决电磁铁动铁芯线

41、圈短电磁铁受小改善电磁铁的曲线，锥面的配合还能加大铁芯吸合在一起是的力并起到了限位的作用。电磁铁的构造和曲线如图 4-6、4-7。图 4-8 电磁笔根据以上的电磁铁的工作原理，设计出来一个自动笔类似的电磁笔。它是通过把把铁芯套在笔芯上放进笔套里，另一个和这个有配套锥面的铁芯固定在笔套里，笔套的外面绕上线圈，线圈和铁芯上上的金属E 扣间加上弹簧。这样笔芯就相当于图 4-6 里电磁铁的导杆，笔套就相当于园铁管起铁芯的导向作用，弹簧就像自动笔的谈话一样作为抬笔的动力，为了防止铁芯跳出笔套还需要加个铁芯限位的。这样一个有抬压笔功能的电磁笔就设计完成了，当通电时笔芯就压出使笔和纸按一定的压力接触，当断电

42、时笔就抬起和纸分离。电磁笔的抬压笔的动作非常的迅速，完全满足机器人要求的快速性的要求，但是缺点是动作过快力大容易直接的把纸穿孔并对机器人造成冲击，所以需要外加缓存垫圈和做其他的缓图 4-9 总体造型图 4-6 电磁铁构造图图 4-7 电磁铁曲线解措施。这样设计的抬压机构就能很好的保证机器人写字时的压笔力度，并在写字时压笔对其他机构的运动影响大大减小，保证了机器人客户签名的还原度。电磁笔的造型图 4-8。4.4 办公机器人的整体外形设计设计完以上的关键部分的机构后可以确定机器人的总体尺寸了。办公机器人的总体尺寸主要虑电磁笔的长度和电磁笔的行程及后面控制造型为下图 4-9。4.5 工程经济分析的尺

43、寸。由此设计的办公机器人的整个课题所用的物品如下整体来说整个课题的研究费用相对于实际的批量生产是偏贵的，但是潜在的经济价值非常大。物品名数量单价20BYG4006A4 步进电机15 步进电机 M420B 步进电机驱动器 A4988 步进电机驱动模块12-DC24 电磁铁光轴加轴承套装电子元器件套装 PCB 打样亚克力板加工其他加工总价2901402110112.419023511001401601200997.4 元第五章办公机器人微机电路设计5.1引言本课题研究的办公机器人客户签名后，经 PC 端进行预处理，然后通过串口通讯把数据传送到机器人本地进行写字动作。数据电磁铁和步进电机驱动并联五杆

44、机构来共同来完成的。因此办公机器人的微机控制电路的设计实质是步进电机与电磁铁的控制的 PCB的设计。步进电机的的控制一般使用单片机控制比较容易【12】，单片机能通过 USB-TTL 与PC 实时进行串行通讯，传输的速度快且电路的设计的也相对简单，单片机方面也是大学课程的内容之一。所以选择单片机进行机器人的控制电路的设计。这里的机器人的控制中，由于数据已经经过了 PC 端的处理转变为一个个关键字发送到下位机，所以单片机的控制程序主要以条件判断语句为主。5.2机器人单片机控制电路的的选择本章节中的单片机控制电路选择 51 单片机是合适的，因为 51 单片机的是对于是大学必修课程，所以使用起来会是非

45、常的容易。目前单片机种类繁多，常用 51 系列单片机有 philip、ATMEL、EL 和 STC，由于个品牌的 51 单片机都是基于同样的构造，所以除了些附加功能的区别基本没区别。目前学习单片机的开发板使用最多的是国内STC 生产的 51 单片机，价格相对与其他国外的品牌便宜，最重要的是资料齐全。综合以上，选择号称全球最大的 8051 单片机设计公司宏晶公司生产的 STC12C5A60S2 作为机器人单片机控制电路的主控件。作为主控件的 12C5A60S2 系列单片机是机器周期为 1T 的 40 管脚的单时钟单片机。它是具有低功耗，超强的的能力且运算速度高达到了传统 8051 速度的 8-1

46、2 倍的新一代 51 单片机。在程序的编写上 STC12C5A60S2 完全兼容传统 8051 的指令代码，所以课程所学的汇编能轻松的用于此单片机的程序编写。此外 STC12C5A60S2 单片机还有拥有复位电路、8 路高速 10 位 A/D 转换、2 路和针对电机的控制强功能。STC12C5A60S2 实物图 5-1、管脚图 5-2 和构造图 5-3 如下。图 5-1STC12C5A60S2图 5-2 12C5A60S2 管脚图STC12C5A60S2 的的集成 1280 字节数据和再带 1K 的程序，明显在客户的签名为繁体或者笔画多的字时单片机的自带的内存是不够的，必须外接扩容电路进行内存

47、的扩展。查阅资料后选择单片机系统扩展RAM 最常用的 62 系列的HM62256。HM 公司设计制造的，拥有 32K 的 RAM。实物图如图 5-4，引脚图如图 5-5。它是由在单片机和扩容的连接中，考虑在单片机使用中数据总线和单片机的P0 口对应相接。由于 P0 引脚为地址/数据分时复用，所以还要锁存器 373 来对数据进行锁存操作以解决P0 口的使用问题。这里单片机 P0 口，其输出允许端选择SN74AL373 锁存器。通过锁存器的输连接5.3办公机器人微机电路及 PCB 设计本研究课题的研究的办公机器人主要是到客户签名后，PC 端的进行处理后变的判断变为各为一系列的关键字符后经串口通讯发

48、送到单片机控制系统。单片机进行端口的信号脉冲，从而控制步进电机和继电器的动作。单片机和锁存器及扩容据了 P0-P0.7、P2.0-P2.7、读写连接占图 5-10总图图 5-11 单片机控制电路 PCB 图5.4 单片机控制程序设计图 5-12 单片机控制电路 PCB 实物图本课题中 PC 和单片机的数据传输是使用串口通讯，数据经 PC 端处理后转变为关键字符，关键字符被单片机系统接收后进行判断对比后相步进电机发出脉冲控制步进电机的转速和转角，丝杆的正转和反转使写字机构左右移动，继电器的通断电使电磁笔的抬压笔动作。单片机控制程序的流程图如下图 5-12。为了实现以上关键的动作，使用 51 单片

49、机的汇编语言中的判断和调用指令。把一个个动作控制程序写成子程序的形式，当符合要求时就调用子程序进行相关的动作，完成后返回或者执行后面的程序。以下是个关键动作程序。1.电磁笔的动作：当数据等于-127 时，P1.0 口置 1 继电器通电接通外部电磁笔电路，笔下压；当数据等于 127 时，P1.0 口清零继电器失电电磁笔回弹抬笔。MOVXA,DPTR #0FFH,；;A= -127 执行往下，否则跳回SOL_OFF;置 1 继电器通电接通外部电磁笔电路CJNE SETBA,ONEP1.0ONE: CJNEA, #7FH,SG;数据为 127 继电器断电，继续下面否则跳转步进电机程序;继电器通电，笔

50、芯下移CLRP1.0图 5-12 程序流程图2丝杆步进电机的动作：当数据等于 7E 时，置位 P3.2 和 P3.3 步进电机正转移动到下一写字位置；当数据等于 7D 是置位 P3.4 口并清零 P3.3 口步进电机反转回到写字的初始为等待下一下任务。SG: CJNE A,SETB P3.2SETB P3.3；丝杆步进电机程序#7EH,SG2ACALLYD;移动到下一个写字位置SG2: CJNE；丝杆步进电机程序A,#7DH, dainjiSETB P3.2CLRP3.3 ACALLYD;丝杆反转3驱动五杆机构步进电机的动作：在写字的过是步进电机 1 动作还是 2 动作是通过判断 PC 端传送

51、到下位机的数据的指针地址为奇偶来决定的。当数据的指针地址数为奇数是时步进电机 2 动，为偶数是则步进电机 1 转。电机的转动的方向是通过数据的首位决定，为 0 时步进电机反向转动，否转。而单片机控制步进电机是通过脉冲发送到驱动器以驱动步进电机。所以控制步进电机的转动首先要使驱动器的使能 ENA 置位为 1，然后通过 I/O 口分别控制 DIR 的高低电平控制步进电机的正反转，PUL 口的脉冲数和频率控制步进电机的转角和转速。部分电机示例程序下。dianji:MOV ANL JNZdianji1:A,A,dianji2R2 #01H; A=R2，判断A 中数的奇偶;为偶，步进电机 1，否则步进电

52、机 2；电机 1 的驱动;重新获取数据;数据为零，跳出；反之重新获取下一个;判断数据的符号位;若数据的首位为 0，则顺时针,否则逆时针MOVXA, JZXGDPTRANLA,#80HJNZ dianji1_CWdianji2: MOVXA, JZXG；电机 2 的驱动;重新获取数据;数据为零，跳出，重新获取下一个;数据符号位的判断DPTRANLA,#80HJNZ dianji2_CW;数据的首位为 0，反转,否转第六章办公机器人组装调试办公机器人的组装，主要是机械部分的各组装起来，步进电机和驱动器接好线，驱动器和单片机控制电路连接起来(图 6-1)。然后使用 USB-TTL器连接电脑，通过电脑

53、单片机汇编程序到单片机系统图 6-2。进入电脑的设备管理，设置如下图 6-3.然后进入 PC 端的签名，点击绘画完成，点击发送。之后 PC 端的软通过串口把关键字传输到单片机，单片机控制写字机构写字。写字面板如下图 6-4，写字效果图 6-5。.图 6-2端口设置图图 6-1总装图图 6-3 程序图图 6-4 写字面板图图 6-5 写字效果图第七章总结本研究课题一种高精度的办公机器人机械系统的设计集机械设计造型设计、微机控制电路设计和微机编程为一体的综合性设计。课题涉及的知识涵盖了整个大学生涯所学内容。这样一个课题无论对于哪一个学生来说这都是一个很大的，一个对大学知识活学活用能力的一个考验。但

54、是既然选择了远方就必须风雨无阻，必须的面对去尝试。所谓成功机会在小也是机会，不敢尝试连成功的机会都没有。所以经过和老师的沟通和初步对课题的认识，制订了一个大致的执行计划。首先必须认识整个设计的内容，把设计的内容分为了机械的设计、材料的选择和控制的设计三大部分，这样就有一个前进的方向。然后是进行相关的的收集整理，按分类进行阅读消化，构思一个大概的设计方案。最后就是实物的设计制作了，边做边实验既保证了进度也增加可靠性。按照这样的想法课题的研究应该会比较容易些，但是事实总是比收集和阅读可以比较容易的实现，但方案却却不能很好的解决，因为复杂。资料的方案会在实践中很快的出其中的致命缺陷，所以方案一改再改

55、，必须实验与设计方案同时的进行。这样的事情也出现在机器人并联五杆机构的设计中。机器人的五杆机构的设计在理论的设计是合适的，能达到需要的效果但是实际却大不一样。工厂的加工的误差的浮动，和加工时间的需求多，各的加工地点分散都造成了大量的时间占用，造成进度的停滞。幸运的是是网络发达的时代，网络为提供了大量的资料这大大的便利了。在网上发现了一些相关的资料这也减小了的工作量，然能有据可依。最后在的努力下，还是如约的完成了这个研究课题的设计。但是这个设计却并未达到理想的效果，很大的原因还是的五杆机构的制作不合格，误差比较大，或者还有其他欠缺考虑的地方。所以这个机构还要进行进一步的完善，优化写字系统的造型设

56、计。机械的控制和上位机的数据处理算法也是一个数据处理算法和精度高的机械控制能提高签名的还原度。另外的影响，有一个好的的机械系统是一个开环的机械系统的偏差难以得到纠正，这也在一定的程度上影响签名的精度。参考文献【1】Stewart D, APlatform with six Degree of Freedom, Proc. Institution of mechanicalEngineers,Vol.18,Pt.1,1965;371-386.【2】Bhaskar Dasgupta etc,The Stewart Platform Manipulator: a review, Mechanism

57、and Machine Theory 35(2000)15-40.【3】【4】【5】，魏立新，. 并联机器人的理论研究现状J. 自动化博览,2002,05.，微型机械的现状和发展，机械工程学报J. 1994，30（2）：2-8Perju D， Mechanisms With Variable Link Length， Proc. of the7th World Congress on the TMM, 1987,(9):107-110【6】【7】【8】【9】【10】,.等. 微操作机器人系统的研究开发J. 中国机械工程，1999，10(9).等. 可控机构的研究现状及发展展望J. 机械设计与研

58、究.2000.等. CNC雕刻机平面并联机构的运动学设计J. 华侨大学学报，2002，23(3).一类易于微小化的闭链机器人的机构综合与运动分析J. 仪器仪表学报,1999,(4).周:10.3969/j.i.1009-9492.2004.09.034.Shrinivas S etc， Synthesis of a five-bar mechanism with variable topology for motion bet【11】nextreme蒋新松.itons(SYNFBVTM)，Mechanism and Machine Theory，2001,36:1147-1156机器人及机器人

59、学中的控制问题J. 机器人,1990,10（5）：1【12】【13】，等. Pro/ENGINEER Widfire 5.0 中文版实用M.杨迎新，：中国电力社，2012.【14】 Paolo D etc,A mobile microrobot actuated by a new electromagnetic wobble microbile , IEEE/ASME Tran.On Mechatronics.1998,3(1):9-16【15】, 等. 基于DSP的数控雕刻机控制系统的设计与实现J. 组合机床与自动化加工技术，2002,10. 步进电机控制系统J. 自动化与仪器仪表，2003

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