六自由度机器人报告书

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1、六自由度机械手设计课程名称： 机电系统设计 学 院： 机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化姓 名： 学 号： 年 级： 任课教师： 2013年 1 月 5 日目 录第一章 绪论.31.1 工业机械手的介绍31.2 工业机械手应用前景. 3第二章 六自由度机械手系统简介52.1、机械手系统简介.52.2、机械手系统的组成及其控制过程.52.3 六自由度机械手总体方案框图设计.6第三章 机器手的机械系统.73.1、机械系统结构简图.73.2、关节布置和结构特点.9第四章 机械手的控制系统.104.1 控制系统.104.1.1 控制系统的基本组成框图104.1.2 晶振电路 114.1.3

2、AT89S52单片机124.2 驱动系统134.2.1 L298N芯片134.3 控制系统整体接线图.16第五章 总结.17第六章 程序.18参考文献 24 第一章 绪论1.1 工业机械手的介绍随着现代科技和现代工业的发展，工业的自动化程度越来越高。工业的自动化中机械手发挥了相当大的作用，小到机床的自动换刀机械手，大到整个的全自动无人值守工厂，无一不能看到机械手的身影。机械手在工业中的应用可以确保运转周期的连贯，提高品质。另外，由于机械手的控制精确，还可以提高零件的精度。机械手在工业中的应用十分广泛，如： 1、以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换

3、以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 2、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自

4、动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 1.2 工业机械手应用前景 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促

5、进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用第二章 六自由度机械手系统简介2.1、机械手系统简介机械手是一种具有高度的能动性和高度灵活性的自动化机器，是一种复杂的机电一体化设备。本实验采用AT89S52单片机直接控制，但单片机的输出电流太小，不能直接与步进电机相连，需要增加驱动电路，通过驱动电路形成控制系统，通过控制电机的转动角度，以实现机械手的不同功能。该机器手采用串联式开链结构，机器手各连杆由旋

6、转关节关节串联连接，各关节轴线相互平行或垂直。关节的作用是使相互联接的两个连杆产生相对运动。机器手各关节采用步进电机驱动，并通过软件编程和单片机实现对机器人的控制，使机器手能够在工作空间内任意位置精确定位。2.2、机械手系统的组成及其控制过程实验机械手由6个步进电机组成，实现机械手六自由度运动。以AT89S52单片机作为系统控制核心，基于软件模拟串行通信程序，实现AT89S52串行通信，使其与电机驱动系统进行串行通信，同步的、连续的、精确的控制步进电机的转动，以实现精确定位、连续动作。该机械手主要由三大部分组成：（1）执行系统：底座、铝质手臂、末端夹取装置等组成。（2）驱动系统：光电耦合器，功

7、率放大器，脉冲发生器等组成。（3）控制系统：AT89S52单片机，晶振电路等组成。机械手系统具体的操作过程：在计算机上编号程序，利用keil软件编译生成hex文件，通过转串口下载线将计算机USB端口与机械人的控制主单元AT89S52单片机的下载端口连接，使用转串口烧程序软件将编好的程序下载烧录到单片机中，AT89S52单片机产生PWM脉冲控制驱动系统，通过驱动系统在各个端口产生PWM信号，利用占空比的不同驱动六个关节的电机到指定的位置，实现机械手到不同位置，不同姿态的控制。2.3 六自由度机械手总体方案框图设计 根据系统要求画出基于AT89S52单片机控制的总体方案框图如图2-1所示：图2-1

8、第三章 机器手的机械系统3.1、机械系统结构简图该机器手的机械部分主要由三大部分构成：机座、手臂（包括手腕）、手部（末端操作器）。如图3-1所示：图3-1三维机械结构简图（1）、机座：机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。该实验中所用机器手机座用于实现回转运动，有一个自由度，如图3-2所示。图3-2（2）、手部：即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，

9、制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔) 和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。该实验中的手爪为外夹钳爪式手部的夹取方式的平行连杆式钳爪。如图3-3所示。图3-3（3）、手臂：手臂是支承被抓

10、物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。该实验中机器手有上臂和前臂实现两个俯仰运动两自由度如图3-4所示。图3-43.2、关节布置和结构特点关节布置如图3-5所示。图3-5该机械手的关节都是转动副，只有一个自由度。前三个关节为机械手臂的定位关节，决定了机械手腕在空间的位置和作业范围；手腕两个关节为机械手臂的定向机

11、构，决定了机械手腕在空间的方向和姿态；机械手臂关节用于控制机械手抓握工件。第四章 机械手的控制系统4.1 控制系统机器人控制器系统是用来收集和处理各路信号，并根据各种信号发出相应控制指令，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。4.1.1 控制系统的基本组成框图基于AT89S52单片机的控制步进电机的控制框图如图4-1所示。图4-11、其系统实物组成图如图4-2、图4-3所示：图4-2图4-32、控制系统硬件结构组成如图4-4所示：图4-4串行接口，用于连接到计算机下载程序；ISP接口；电源接口；三位开关

12、；绿色LED电源指示灯；AT89C52单片机；“Reset”复位按钮；面包板；专用电机控制接口插座，用来连接到电机控制器上从而控制电机的运动；4.1.2 晶振电路 晶振是晶体振荡器的简称。它是一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡，通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1 和XTAL2 分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。 晶振模块自带振荡器、提供低阻方波输出，并且能够在一定条件下保证运行。最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器（硅振荡器）

13、。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高，多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。 图4-5为晶振电路。图4-54.1.3 AT89S52单片机AT89S52单片机，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52引脚结构图如图4-5所示：图4-64.2 驱动系统驱动系统的作用是控制步进电机的旋转角度和运转速度，以此来实现对占空比的控制，达到对怠速的控制。其中包括光电耦合器，功率放大器，脉冲发生器等。4.2.1 L298N芯片L298N芯片内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收