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1、成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （多自由度机械手的控制系统）成都工业学院成教院毕 业 设 计（论 文）论文题目： 多自由度机械手的控制系统设计教 学 点： 重庆科创职业学院指导老师： 张建平 职 称： 讲师 学生姓名： 任龙 学 号:2011547497专 业： 机电一体化工程成都工业学院成教院制二一三年十二月二十五日12成都工业学院成教院毕业设计（论文）任务书题目： 多自由度机械手的设计任务与要求：此处要填写时间： 2013年 11月 28 日 至 2014 年 4 月 17 日 共 20 周教 学 点： 重庆科创职业学院学生姓名： 任龙 学 号： 547497专业： 机电一
2、体化工程指导单位或教研室： 重庆科创职业学院指导教师： 张建平 职 称：讲师成都工业学院成教院制毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字2013.11.28-2013.12.20查找资料，选题2013.12.22-2014.1.31完成论文的初稿2014.2.1-2014.3.15完成论文二稿的写作2014.3.16-2014.4.5完成论文的终稿及格式修改2014.4.6-2014.4.20定稿，打印论文，做好评阅的准备2014.4.21-2014.4.25论文评阅教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 毕 业 设 计（论 文）教 学 点：重庆科创职业
3、学院学生姓名： 任龙 学 号：2011547497专 业：机电一体化工程成都工业学院成教院制二一四年四月十日成都工业学院成教院毕业设计(论文)成绩考核表题 目： 多自由度机械手的控制系统设计教 学 点： 重庆科创职业学院学生姓名： 任龙 学号：547497专业： 机电一体化工程指导教师：张建平 职称： 讲师 所在单位： 指导教师意见： 签字： 年 月 日 评审意见： 评阅人： 年 月 日 答辩意见：答辩小组组长签名： 年 月 日毕业设计（论文）成绩1设计说明书（论文报告） 分总分：（等级： ）2答辩 分3平时成绩 分学校意见：年 月 日1 学生毕业设计（论文）正本存教学点。2 本表一式两份，一
4、份存入学生档案，一份学校存档。3 此表须用钢笔填写。目 录摘要11 概况及现状分析21.2 机器人的历史、现状31.3机器人发展趋势52 机械手的设计52.1自由度及关节62.2基座及连杆62.2.1 基座62.2.2 大臂62.2.3 小臂72.3.1机器人手部设计72.3传动方式83 驱动源的选择与设计计算113.1 主要技术参数的确定113.2 各关节电机的选择计算123.2.1 大臂旋转电机的选择123.2.2 小臂旋转电机的选择133.2.3 腰部旋转电机的选择144 手部结构设计155各机械部件的设计选择与校核185.1 轴的设计与校核185.1.1 大臂旋转轴的设计185.1.2
5、 大臂轴的强度校核185.2 轴承寿命的校核216 控制系统设计236.1 单片机最小系统236.1.1 8051单片机介绍246.2.2 复位电路256.1.3 振荡电路256.2 串行接口电路256.3 传感器266.3.1 传感器的选型266.3.2 硬件电路的设计276.4 电动机的控制276.4.1 L298N电机驱动芯片简介286.4.2 硬件电路图28结 论29参 考 文 献29ABSTRACT.31附件32多自由度机械手设计摘要：在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。
6、工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性。关键词：机器人，控制，伺服，制动1 概况及现状分析1
7、.1机器人概述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的
8、部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原
9、子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人
10、。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。图1-1 机器人的一般组成对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现
11、机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。 图1-2 机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的
12、执行机构部分。1.2 机器人的历史、现状 机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。 第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell
