毕业论文-慧鱼机器人机械手的结构设计及其控制

1、 毕业设计慧鱼机器人机械手的结构设计及其控制三号楷体学生姓名： 学号：三号楷体系 部： 机械工程系 专 业： 机械电子工程 指导教师： 二零一五年五月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 慧鱼机器人机械手的机械结构及其控制系统设计 系部： 机械工程系 专业： 机械电子工程 学号： 学生： 指导教师（含职称）： 专业负责人： 1设计的主要任务及目标本课题要求学生以慧鱼教具作为辅助，搭建出具有实用意义或价值的机器人模型，基于模块化的方法设计并构建出中柱，手臂，机

2、械手的基本结构，并将机械手臂和车体合理的结合起来，完成软件及硬件设计。通过仿真和模拟演示试验验证所设计系统的合理性。2主要任务（1）主要设计内容：确定机器人的任务要求和基本数据，预先拟定机器人的技术参数、驱动方案；（2）工作要求：1）在调研及多方搜集资料及毕业设计实习基础上，明确所设计题目及内容，确定机器人的任务要求和基本数据及驱动方案，并撰写开题报告一篇。2）对ROBO接口板进行初步的芯片介绍和传感器设计；3）基于模块化的方法设计并构建出中柱，手臂，机械手的基本结构，并将机械手臂和车体合理的结合起来，完成软件及硬件设计，并完成中期答辩报告一份。4）撰写毕业设计论文一篇。 主要参考文献1朱世强

3、,王宣银.机器人技术及其应用M.浙江:浙江大学出版社,2001.2曲凌.慧鱼创意机器人设计与实践教程M.上海:上海交通大学出版社,20073郭洪红.工业机器人技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2006.4. 进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1确定课题，查阅相关资料，写开题报告2014.12.30前完成2工作机构和传动系统方案的拟定与分析2014.12.312015.3.13对ROBO接口板进行了解2015.3.12015.3.74对ROBO接口板进行初步介绍和传感设计2015.3.82015.3.165设计并构建出中柱，手臂，机械手的基本结构2015.3.172015.3.316完成中

4、期答辩报告2015.4.5前完成7将机械手臂与车体结合起来，完成硬件设计2015.4.62015.4.208分别针对机械手和车进行编程调试2015.4.212015.5.59编写设计说明书2015.5.62015.5.2010作答辩准备以及答辩审核人： 年 月 日 10。传力螺旋传动：这种螺旋传动的特性是主要以传递力为主，通过较多次数的横向转动来产生较大的轴向推力。其一般不能连续工作并且在工作中经常会被要求自锁。比如说螺旋千斤顶和螺旋压力机上的螺旋就运用的是这种螺旋传动。传导螺旋传动：这种传动一般主要是以传递运动为主的，其一般被运用在需较长时间内连续工作，工作速度较高的环境中。比如说机床的进给

5、螺旋一般会用这种螺旋传动。调整螺旋传动：这种传动一般用于调整和固定零件以及部件之间的相对位置，不常转动，工作时经常被要求自锁，并要求具有很高的精度。比如说精密仪表微调机构的螺旋一般会用这种螺旋传动。按照螺纹之间的摩擦性质，螺旋传动可以分为两种，一种是滑动螺旋传动，另一种是滚动螺旋传动。出于滑动螺旋传动机构应用广泛，价格便宜等方面考虑，本次设计采用滑动螺旋传动作为机械手臂的传动方案。经多方面对比研究，本次设计决定采用下慧鱼公司出产的慧鱼元件中的涡轮蜗杆，具体型号数据如下表所示。蜗轮参数蜗杆参数模数m=2mm，齿数z=42模数m=2mm，齿数z=42齿顶圆直径D1=90mm齿顶圆直径d1=22mm

6、齿根圆直径D2=80mm齿根圆直径d2=13.2mm分度圆直径D3=84mm分度圆直径d3=18mm3.5 慧鱼机器人的车体设计本次设计中，慧鱼车体主要被用于承载机械手臂并保持其稳定。为了使车体运行时更加稳定并适应运行时所处的环境，车体模型选择了5:3的长宽比例，在一定程度上可实现的工程车的稳定运行。一般情况下，工程小车的驱动方式有三种，分别是液压驱动、气压驱动以及电机驱动的方式，各种驱动的详细描述上文有介绍。本次设计中，小车所采用的驱动方式是电机驱动。在本次设计中，慧鱼工程车的驱动方案采用后轮双驱动，通过直流电机直接控制，搭配适当的电位器用以控制调节不同情况下的电机所需速度。慧鱼工程车的两个

7、后轮为驱动轮，连接着2个直流电动机，由电动机的旋转带动车轮转动。两个后轮所连接的电动机分别独立，各不干扰，可通过控制两个电机的速度来完成工程车的直行与转弯。工程车未安装偏转轮及偏转轮的转向系统，车体前半部分为2个自由轮，转弯时，车身以及车轮的行驶宽度几乎保持恒定，可使小车在直行或者转弯时保持可靠地稳定性。甚至可实现小车的原地回转。不用复杂操作，方便快捷。图3.2工程车的俯视图与正视图图3.2为小车的正视图以及俯视图。图3.2工程车的俯视图与正视图由于小车的精度不高，所以在满足性能的同时还要考虑下经济条件。故本次设计决定采用齿轮传动，由两个慧鱼公司的大功率电机（P=2.4w, n=500r/mi

8、n）进行驱动。3.6 慧鱼机器人的构件慧鱼模型的材料主要选用的是尼龙塑胶，这种材料具有不易磨损的特点。同时模型尺寸精确并可反复地自由拆卸结合而不会影响各零部件之间的精度。慧鱼组合模型中的零部件的种类很多，我们日常所用的以及在课程中所需要的零部件基本上都可在组合模型中找到，比如说机械零件中的凸轮、连杆、齿轮（直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、啮合齿轮等）、蜗轮蜗 杆、铰链、带、链条、螺杆、轴（直轴、曲轴等）、联轴器、弹簧、减速器、车轮等；电气零件中的灯泡、行程开关、传感器（光敏、热敏、磁敏等）、直流电机、PC接口板、红外线发射接收装置等；气动零件中的气缸、气管、气阀等。此处重点介绍机械元件以及电气元件，气

9、动元件由于本次设计不会用到故不作说明。3.6.1 慧鱼组件中的机械元件图3.3齿轮与齿轮轴齿轮以及齿轮轴：慧鱼组件中所带有的齿轮的类型较为全面，有些齿轮组合还可用作蜗轮。图3.3为齿轮以及齿轮轴。图3.3齿轮与齿轮轴图3.4六面体及楔形体六面拼接体：六面拼接体为慧鱼组件中的核心构件，也是最为特殊的构件。六面拼接体的6个面均有U形槽或凸出的小方块，二者相互配合。有时由于角度需要还需楔形体做以辅助，其角度在侧面注明。图3.4为六面体及楔形体的形状。图3.4六面体及楔形体蜗轮、蜗杆：慧鱼模型组件中的蜗轮蜗杆形式多样，除了普通的的蜗轮外，所有的外啮合齿轮也都可用作蜗轮。图3.5所示为蜗轮蜗杆的形状。图

10、3.5蜗轮蜗杆图3.5蜗轮蜗杆3.6.2 慧鱼组件中的电气元件电机、灯泡：慧鱼组件中包含的电机类型有种，一种是普通的小型电机，另一种是功率相对比较大的电机；包含的灯泡同样有两种，一种是一般的普通灯泡，另一种是光照强度比较大的聚光灯泡。小型开关：慧鱼模型组件所提供的小型开关上有3个针脚：0针脚、1针脚和2针脚。其工作原理是0针脚与1针脚以及2针脚分别组合成通路开关与断路开关。当开关按键按下去时，电路的通断会发生变化，并发出数字信号“0”或“1”，PC接口板可以通过检测数字信号来完成运动部件的各种动作控制。在慧鱼模型组件 中还有一种特殊的脉冲齿轮，其拥有4个齿，该齿轮通常和小型开关配合使用，可用于

11、精确定位运动部件的位置。光敏传感器：光敏传感器通常用于检测光源的强度，当光敏传感器接受足够强度的光线时，PC接口板上检测到的数字信号为“1”，否则检测到的数字信号为“0”。图3.6电气元件图3.6依次为小功率电机、大功率电机、灯泡、小型开关、脉冲齿轮的实物图。图3.6电气元件3.7 慧鱼机器人的机械手臂的组装截止此处，本设计以完成包含机械手，手臂，中柱在内的机械手臂的传动系统，驱动系统，机械结构等所有工作。本节将完成对机械手臂的组装。各部件的组装主要通过连杆，齿轮，蜗轮蜗杆等机构连接在一起，机械手臂部分组装后的实物图可参考图3.7图3.7机械手臂图3.7机械手臂4 硬件电路设计在本次设计中，慧

12、鱼机器人的硬件系统主要包括控制部分以及检测扫描部分。系统的主控部件是慧鱼公司所提供的ROBO接口板，可通过与计算机连接进行控制或直接将程序下载到接口板中进行控制。参测扫描部分主要是为了完成机器人的自动扫描秒。本章将对ROBO接口板以及传感元件有所介绍。4.1 硬件的控制部分本次设计的慧鱼机器人主要是由ROBO接口板进行控制的，ROBO接口板的功能是使计算机与慧鱼模型之间进行的通信，传送电脑上软件的指令。本节将详细介绍ROBO接口板。4.1.1 ROBO接口板的组成图4.1ROBO接口板ROBO接口板是慧鱼公司推荐的控制慧鱼机器人的组件，接口板上包括电源输入端口、USB接口与串口、微处理器与存储

13、器、数字量输入I1-I8插口、输出M1-M4或O1-O8插口、模拟阻抗输入AX和AY插口、模拟电压输入A1和A2插口、距离传感器输入D1和D2插口、红外线（IR）输入接口、26针插槽以及I/O扩展板用插槽等。图4.1为ROBO接口板及各接口分布情况。图4.1ROBO接口板电源输入端口电源的输入有两种形式，一种是使用慧鱼专用的9V电源适配器直接接到DC插座上；另一种是使用充电电源接到+/-插座。当使用电源适配器接DC插座时，连接充电电源的插座会自动切断。通电后，电源指示灯LED点亮。当两个绿色的LED交替闪烁时，表明接口板可以正常工作。微处理器与存储器ROBO接口板内部自带微型处理器以及储存器。

14、微型处理器为型号为M30245的16位处理器，时钟频率为16MHZ，储存器包括一个128K的RAM（内存）以及一个128K的flash（闪存）。USB接口与串口ROBO接口板与电脑的连接需通过USB接口以及串口。各接口板均拥有各自的连接电缆。USB接口兼容规范的USB1.1和以及USB2.0，拥有12MB/s的数据传输率。模拟阻抗输入AX与AYROBO接口板上的阻抗输入AX接口以及AY接口用于连接电位器、光敏电阻以及热敏电阻，拥有05.5k的测量范围，以及10位分辨率。距离传感器输入D1与D2ROBO接口板上的距离传感器的插口D1与D2的作用主要是用于连接慧鱼模型。数字量输入I1-I8ROBO

15、接口板上的数字量输入I1-I8插口可用于连接传感器，像按钮、磁性传感器、光电传感器等。其输入阻抗为10K，电压为9伏，开关的ON/OFF切换电压值为2.6V。输出M1-M4或O1-O8ROBO接口板的后面八个插孔有两种接法，一种是可接入四个9V的直流马达，控制其向前，向后，停止，等动作，运行电流为250mA，并附带短路保护；另一种是接入8个小灯泡或电磁线圈，这种接法只需接入用电器的一端，另一端接地即可。红外线输入ROBO接口板上的IR输出主要是利用红外线将接口板与遥控器连接起来，可通过遥控器上的按键进行数字输入或者激活某项功能。激活后可用ROBOPro软件来进行编程。I/O扩展板用插槽当输入域

16、输出的数量不够时，需使用ROBO接口板的I/O扩展板用插槽来连接ROBO I/O扩展板，连接后输入以及输出的数量都将得到增加。扩展板上拥有额外的四个马达输出，八个数字量输入以及一个范围为05.5K的模拟阻抗输入。扩展板既可与接口板连接使用，也可作为一个独立的接口板单独运行，但是只能运行在电脑的在线模式下。4.1.2 接口板的工作模式ROBO接口板拥有两种工作模式，一种是在线模式，一种是下载模式。在线模式是指ROBO接口板始终与电脑相连接，用显示器来作用户界面，在电脑上运行程序。下载模式是指程序可以被下载到接口板的FLASH存储器或者RAM上独立于电脑运行。FLASH存储器上可以同时存在两个不同

17、的程序，并且断电后不会遗失。当程序被下载到RAM中时，如果电源中断或启动FLASH中的程序，RAM中所存在的程序就会被删除。正常情况下，ROBO接口板上所配用的标准编程软件是ROBO PRO，但也可通过c语言进行编译。在线模式下，接口板可通过激活USB接口或串口来使用任意的高级编程语言。接口板与与电脑连接端口的选择ROBO接口板的端口选择可由电脑编程来完成，使其自动访问处于接受数据状态的接口，再分配到端口所对应的LED。若没有收到任何接口数据，则两个LED交替闪烁。红外测试ROBO接口板的红外测试功能可通过多次按动“port”键来开启，开启后，红外接受器位置处的LED灯被点亮，USB接口和串口

18、自动关闭。再次多次按动“port”键使USB接口和串口处的LED灯交替闪烁可重新回到自动选择端口的状态。FLASH存储器中程序的选择和启动ROBO接口板程序的选择可通过长按“port”键来进行，按住时，所有程序的LED灯会依次交替闪烁，放开后被点亮的LED灯的程序为所选程序。选定所需程序后，再次按动“port”键即可开启程序。故障诊断及重要信息若电源电压超过9V，那么红色故障LED就会持续点亮。此时接口板会自动切断电源，直到供电电压恢复到正常范围。4.2 传感器部分本次设计所用的E3F-DS30C4的红外光电开关为漫反射型光电开关，由发送器、接收器以及检测电路三部分构成，有效距离为30mm。其

19、主要特征为：开关的作用距离手物体表面的颜色深浅以及反射光的能力的影响；一定程度上节省开支，如果开关仅由单个元件，则可直接达到粗定位的效果；可通过背景的抑制功能来调节测量距离。5 软件系统的设计本次设计中，软件系统的设计可分为自动时的工程车的程序编制和手动时的机工程车的程序编制两部分。自动时的工程车的程序编制包括工程车启动前进的程序编制、对物体进行检测的程序编制和以及载械手返回目的地安放物体的程序编制。程序采用ROBO PRO软件进行编制。程序语言简单易懂，可读性强并可通过串口线下载到ROBO接口板上使用。本章内容包括对ROBO PRO软件的使用介绍，自动时工程车的程序编制以及手动时的程序编制。

20、5.1 ROBO Pro的使用ROBO Pro软件是会与公司提供的为ROBO接口板进行程序编制的软件，以方便控制会与组合模型。软件为用户提供了1到4级的编程功能,用户可根据自身的水平或者需要进行选择。本次设计只需用到初级编程功能即可。图5.1 图5.1 ROBO Pro主界面将ROBO接口板通过USB接口或者COM1-COM4四个串口中的一个与电脑相连。为了使ROBO Pro软件可以正常的控制接口板，需对其进行设置如图5.2所示。图5.3测试接口板与电脑连接无误后，可点击test的图标来检测电脑与接口板以及模型之间的连接情况。如图5.3所示。图5.2电脑端口的选择以及接口板类型选择图5.3测试

21、接口板图5.2电脑端口的选择以及接口板类型选择如上图所示，图中的I1-I8以及M1-M4等为接口板上所有的有效输入量与输出量，绿色的长条显示了电脑端和接口板的连接状态。若连接正常，则在界面中控制模型中相应电机的转动，模型中电机控制的相应模块也会做出相应的动作。图5.4编程模块软件最左侧为初级编程模块，编程时可直接拖动插入，图5.4所示模块功能依次为开始、结束、数字量判断、模拟量判断、延时、马达输出、输入等待，脉冲计数器以及循环计数器。图5.4编程模块5.2 自动控制程序编制本次设计的自动控制的流程包括：手动复位启动前进目标物检测机械手返回安放物体。在手动复位后，机械系统将进入全自动状态。图5.

22、5为全自动状态下的程序流程图。图5.5整体程序流程5.2.1 系统启动前进程序编制图5.5整体程序流程小车的前进控制需要控制两轮的正反转。本次设计中使用两个光敏开关分别控制小车的左右后轮，光敏开关分别接入ROBO接口板的I1、I2插孔用于控制小车左轮电机M1、右轮电机M2的正反转以及停止。本次设计中，车体的控制所采用的方法是交叉控制的方法I1导通时M6停止，I2导通时M5停止。当小车走到预设的位置时，车体两个光敏开关将都处于导通的状态，此时电机M5、M6处于停止的状态，可进行接下来的程序。图5.6小车启动前进程序流程图图5.6为小车启动前进程序的流程图。图5.6小车启动前进程序流程图5.2.2

23、 目标物检测程序编制图5.7目标检测程序流程图在车体停止2s后，程序跳入机械手的工作状态。机械手的工作流程包括：机械手升到最高点，从上至下检测物体。本次设计中，M1控制手部的开合、M2控制机械手臂的升降、M3控制机械手臂的伸缩、M4控制机械手臂的旋转、M5控制小车的左轮、M6控制小车的右轮。检测方法采用八个半周循环检测，用M4控制机械手的旋转运动，旋转范围为180，同时开启光电传感器进行物体 检测，若无则M2控制机械手向下移动40mm，然后M4反转180，光电传感器依旧出于工作状态，如此循环八个半周。若光电传感器在八个半周内的任意时刻检测到前方的目标物，M2、M4将停止工作，M3开始工作，手爪

24、前进200mm，进入目标区。然后通过M1控制手爪抓取目标。最后M3控制机械手收缩150mm，M2控制机械手臂降至最低点，程序结束。图5.7为目标检测程序的流程图。图5.7目标检测程序流程图5.2.3 返回安放程序编制图5.8放置目标物的程序流程图本次设计中，工程车设计为若扫不到目标物则会原路返回，若抓取了目标物则会将物品放到有标志杆的地方。手臂完成归位动作5s后，M5、M6自动启动，小车按设定路线到达指定位置，完成扫描卸载的程序，最终复位。图5.8为放置目标物的程序流程图。图5.8放置目标物的程序流程图5.3 手动控制程序编制手动控制时的程序编制与自动控制相比要相对简单一些，并且控制起来自由灵

25、活，可以完成自由抓取动作。对小车车体而言，仅需两个按钮即可实现双电机的同启同停、差速左转以及差速右转，本节中不作介绍。对于机械手而言，为减少按键数量，可用一个切换键来切换同两个按钮对不同电机的正反转动作。图5.9手动控制时机械手流程图图5.9为手动控制时机械手的程序流程图。图5.9手动控制时机械手流程图经过调试后，本文所设计的程序基本完成了机械手的各个动作。具体程序见附录A。6 结论与建议经过查阅大量相关资料以及部分实验后，本人对慧鱼以及机器人的一些方面有了更深的了解，并很好的完成了本次设计。在一个学期的学习与试验中，包括系统的整体设计、机械的各个传动环节设计、硬件的选择、软件的调试等等，我学

26、到了很多，总结如下：在设计一个机器人的时候，首先需要做的是了解机器人的基本任务要求，然后在根据要求拟定机器人初始的技术参数、驱动方案以及传动方案等；在设计一个机器人的时候，可将机器人分为一个个模块，然后再对各个模块部分进行设计调试。比如说本次设计的慧鱼机器人被分为了手部、手臂、中柱以及车体四部分；由于所学的知识，对于有些不了解的东西，可通过查阅相关资料进行学习设计，比如说本文的ROBO接口板；本次设计的难点包括初始时对慧鱼机器人完全没有概念、选择传动电机时计算方法的使用、选择硬件时没有概念方法、绘制程序流程图时没有思路（需不断地尝试）以及最后的学习软件时由于软件为外文导致的学习困难等。克服这些

27、困难必须要有耐心，不可急躁。对于本文所设计的慧鱼机器人，其主要运用于教学辅助的功能，可清晰的将机器人的各个机构的细节展现出来。在长达一个学期的毕业设计中，我对大学四年所学的知识认识的有了更深的理解，并在过程中感受到了收获的喜悦。但由于时间以及经验的关系，本次设计可能在硬件或者软件等方面还有各种不足，以后还需更加完善。参考文献刘晓虎.浅析机械制造业现状和发展趋势J.机电信息，2010，(12)：146-146.黄先琪，张丽霞.高职院校机电类专业创新教育探索J.实验科学与技术，2009，(6)：119-121.魏俊华.水轮机叶片修复机器人本体设计、运动仿真及控制的研究D.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2002.韩蕾.基于PLC控制的教学型慧鱼机器人系统研究D.保定：华北电力大学，2007.慧鱼创意组合模型，携手北京中教仪，服务于中国创新教育慧鱼创意组合模型创新教育的理想学具J.电化教育研究，2006，（3）：62-62.张录初.浅谈国内机电一体化的现状和发展J.赤子，2012，(12)：167-167.林义忠，欧爽翔.六自由度焊接机器人本体结构设计及动力学仿真J.机械设计与制造，2014.黄贤新.工业机器人机械手设计J.装备制造技术，2012，(3)：220-221.朱伟，韩服善.光电传感器在