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1、学号：学号：20060180天津商业大学毕业设计（论文）六自由度机械手实验教学平台的硬件设计六自由度机械手实验教学平台的硬件设计6 DOF Manipulator of Experimental Teaching Platform for Hardware Design学学 院：信息工程院：信息工程教教 学学 系：自动化系：自动化专业班级：自动化专业班级：自动化 06-01学生姓名：孔令邦学生姓名：孔令邦指导教师：指导教师： 郝丽萍郝丽萍 高级实验高级实验师师2010 年年 6 月月 3 日日目录目录内容摘要 Abstract .1 导言11.1 课题研究的目的和意义.11.2 研究内容及主要
2、工作.32 六自由度机械手实验教学平台的总体方案42.1 机械手平台设计方案42.2 实验教学平台功能分析63 六自由度机械手实验教学平台的系统组成73.1 主控制器选择73.2 伺服控制器 PSC 及电机的选择.83.3 显示终端选择113.4 传感器及电源的选择134 六自由度机械手实验教学平台的电路设计.144.1 主控制器接口设计144.2 PSC 伺服控制板接口设计184.3 显示终端接口电路.184.4 传感器及其接口设计204.5 电源的设计.225 总结与展望.23参考文献.25附录：开题报告（数据报告）.26附录 Protel 电路图.35致谢.36I内容摘要：本课题提出设计
3、一个六自由度机械手的实验教学平台，为学生提供相关机器人的基本动作，提供软硬件扩展空间，在该平台上可以进行相关课程的教学，也可以进行综合实践教学和课程设计。更重要的是，利用这样一个平台可以使学生在对机器人的学习认知过程中，激发想象力，在实践中培养创新精神和创新能力。本设计采用主从控制方式，以 AT89S52 为主控制器，PSC 伺服控制器为从控制器，控制电机的转动角度，以实现机械手的不同功能。论文中主要介绍了系统的组成模块及各个模块的功能实现方法，同时详细介绍了 AT89S52 内部结构及资源分配，给出了系统电源电路、信号检测电路、PSC接口控制电路，显示器接口控制电路的设计方法及工作原理。论文
4、中在给出机械手运动解析表的基础上，说明了机械手基本动作和取动作的控制方法和实现方法。关键词：关键词：六自由度机械手；实验教学平台；AT89S52 单片机；PSC 伺服控制器IIAbstract：The issue presented to design a six degree of freedom manipulator experimental teaching platform for students to provide the robots basic action, and provide expansion space for hardware and software, in
5、 which the platform can be related to the teaching, but also to undertake a comprehensive practice teaching and curriculum design . More importantly, the use of such a platform will enable students to learn the robots cognitive process, stimulate imagination and creative spirit in practice and innov
6、ation. This design uses a master-slave control mode to the main controller AT89S52, PSC servo controller from the controller to control the motor rotation angle to achieve different functions of the manipulator. Paper introduces a system composed of modules and each module function implementation me
7、thod, described in detail AT89S52 while the internal structure and resource allocation, given the system power supply circuitry, signal detection circuits, PSC interface control circuit, the display interface control circuit method and it works. Paper in the given robot motion based on the analysis
8、table shows the basic mechanical hand movements and take action to control and implementation methods.Keywords: 6 DOF manipulator experimental teaching platform AT89S52 SCM PSC servo controlle11 导言导言1.1 课题研究的目的和意义机器人技术是一门综合性的技术，它综合了机械与精密仪器、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感与信息处理以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是典型的机电一体化技术1。经济的发展
9、要求各行各业提高自动化程度，推动着机器人技术的发展，出现了各种各样的机器人产品。机器人技术是当今先进的制造技术。机器人的研究与应用水平，反映了一个国家经济实力和科发展水平。各国对机器人的定义不尽相同，我国把机器人定义为：一种能自动检测、可重复编程、多功能多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业2。国际机器人联合会(IFR)在 1990 年对工业机器人下的定义是：“在工业领域应用的一种自动的、可重复编程的（至少具有 3 个可重复编程轴） 、具有多种用途的机器，这种机器可以固定在地面上或可以进行移动”。美国机器人工业协会(U.S.RIA)的机器人定义是：工业机器人是用来进行搬
10、运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。机器人一般都具有三个共同点：第一，是一种机械装置，可搬运材料、零件、工具，或者完成多种操作和动作功能；第二，可以再编程，具有多种多样程序流程；第三，有一个自动控制系统，可以在无人参与下，自动完成操作作业和动作功能3。自 20 世纪 60 年代世界第一台工业机器人在美国诞生，机器人的发展一般分为三个阶段，第一阶段可编程的示教再现型机器人，第二阶段基于传感器控制具有一定自主能力的机器人，第三阶段智能机器人。工业机器人作为典型的机电一体化产品，被各行各业广泛采用。世界工业机器人保有量将不断增加。我国的机器人
11、研究开发工作从 70 年代初开始，到现在已有 20 多年的历史，2特别是经过“七五”攻关， “八五”应用工程开发， “863”高技术计划实施，已从最初缓慢开发的自发状态逐渐发展到国家重视，有计划地开发、研制和推广应用。可分为三个阶段：一是起步阶段；二是快速发展阶段；三是机器人走向应用阶段。起步阶段从 1971 年到 1985 年，研究以二、三自由度机械手为主，采用顺控方式。研制的产品均为实验室样机，一般只限于实验室研究，多数未投入实际应用。快速发展阶段从 1986 年到 1992 年。电力电子、微电子、伺服驱动，特别是计算机的发展为机器人研究提供了条件。研究的主要内容侧重于机器人基础技术，机器
12、人系统产品开发、中间设备、应用工程及特种机器人开发。机器人研究开发体系初步形成，国际合作交流逐步加强，建立数家生产机器人的合资企业。自 1993 年，我国机器人走向应用阶段，随着汽车、家电、摩托车、工程机械的快速发展，对机器人提出了更高的要求。机器人产品开发和批量生产已十分必要。国外机器人厂商纷纷进入中国市场，合资企业及维修中心陆续建立，应用系统工程的研究成为主流，竞争进一步加剧，不少研究与开发企业涉足该领域。目前我国人事机器人及相关技术的研制生产单位上百家，其中主要研制单位有 10 家，有众多的合资和维修服务中心。应用领域主要是汽车工业、工程机械、摩托车、电机、发动机、家电、卫生陶瓷等。机器
13、人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定动作或作业任务的装置。控制器是机器人的核心部分，它的智能化发展也必将标志着智能机器人的发展。国外机器人生产厂家各有自己的控制器，专用性强，互不兼容。同时由于受当时的硬件水平和芯片制造核技术所限，机器人控制器普遍采用分级控制。这也是因 CPU 速度低，做出的无奈选择。PUMA 和 ADEPT 的上位机采用M6800，各关节的伺服运动控制采用 8 位单片机。它们的编程语言为 VAL-II。这是一种高级语言，具有较强的运算功能，能进行矩阵变换和路径实时修正，并有监控、与外部通信和控制周边装置的专用语句。Intelledexj 机器人控制系统采用 Int
14、el 8086+8087，每关节有 2 片 8080 作伺服控制。它所用的编程语言为类BASIC 的 ROBOT BASIC，具有坐标变换、直线圆弧插补和速度设定等功能。美国 GRACO 机器人公司的 OM500 机器人控制器采用 3 片 8086 和 2 片 8085。我国研制的机器人控制器的硬件体系大多采用 Intel MULTIBUS 结构。原3上海工业大学与航空工业部第 633 研究所于 1985 年合作研制的上海 II 号机器人控制器用 Intel 86/310 以 16 位 8086 为主 CPU，8087 为协处理器。下位采用2 片 8085 单片机，控制各关节的运动和负责 I/
15、O 信息的处理。MULTIBUS 总线使上、下位机能共享存贮区和相互通信。控制软件的操作系统平台自然地采用iRMX86。机器人语言与日本 PT-600 机器人放言兼容。沈阳自动化所开发的ARCS 控制系统是在国家 863 基金重点支持下，在解剖 PUMA-760 机器人控制器的基础上研制而成的。它以 Intel MULTIBUS OEM 计算机为控制器硬件平台，软件平台也采用 iRMX 操作系统。它的 SVAL 机器人编程语言与 VAL 兼容。南开大学也研制成功 NKRC 机器人实验控制系统。1.2 研究内容及主要工作机器人学是一门多学科的科学，它横跨计算机科学、控制论、机械工程、仿生学和人工
16、智能等多种学科，几乎涵盖了自动化专业的大部分课程。传统的书本教学，在描述机器人的特性及功能实现时，往往显得抽象难解，给教师授课和学生学习都带来了很大的障碍。基于此，本课题提出设计一个六自由度机械手的实验教学平台，为学生提供相关机器人的基本动作，提供软硬件扩展空间，在该平台上可以进行相关课程的教学，也可以进行综合实践教学和课程设计，更重要的是，利用这样一个平台在对机器人的学习认知过程中，激发想象力，在实践中培养创新精神和创新能力。我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。 ”。本课题设计的六自由度机械手实验教学平台，可以了解典型机电一体化系统的应用开发和集成技术，掌握机器人机械传动部件的结构件和特征，掌握机械手的机电系统组成、功能及控制原理，学习机械手的动作编程方法和程序调试方法等。本论文主要进行对教学平台硬件部分的设计，包括对硬件的选择以及电路的设计，各模块之间的连接。教学平台个硬件的选择主要包括
