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1、1 设计任务书描述1.1 设计题目三自由度微型直角坐标机器人的设计1.2 设计要求1.2.1 设计目的1了解工业机器人技术的基本知识以及单片机、机械设计、传感器等相关技术。 2初步掌握工业机器人的运动学原理、传动机构、驱动系统及控制系统并应用于工业机器人的设计中。 3通过学习掌握工业机器人的驱动机构、控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。1.2.2 基本要求1要求设计一个微型的三自由度的直角坐标工业机器人； 2要求设计机器人的机械机构（示意图），传动机构、控制系统、及必需的内外部传感器的种类和数量布局。3要有控制系统硬件设计电路。1.3对设计论文撰写内容、格式、字数的要求（1） 课程设计论
2、文是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字。（2） 学生应撰写的内容为：中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。课程设计论文的结构及各部分内容要求可参照沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范执行。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。（3） 论文要求打印，打印时按沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范的要求进行打印。（4） 课程设计论文装订顺序为：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献。2 设计思路本次设计的题目是三自由度直角坐标机器人，直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间
3、位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。首先，介绍了研究背景、要求和设计构思。阐述了控制系统的资源配置、资源需求与分配和核心处理器的寄存器，单片机寄存器资源。相比于其它类型的单片机，51单片机的功能更加强大，功能引脚较多，能够很好地满足智能车控制系统的需要。其次，设计了三自由度直角坐标机器人控制系统的硬件电路，包括各个模块的电路设计方案以及相关电路。采用的方案以51单片机为核心，包括总体控制系统的设计，各部件需要的供电电源设计，传感器电路设计，速度检测电路的设计等。
4、然后，进行了软件和算法的设计。根据传感器采集的道路信息，经处理分析之后，控制转角和速度。并通过记忆算法，最后实现直角坐标机器人快速的完成任务要求。最后，阐述了机器人机械结构调整，主要是调节其重心、前轮、后轮、舵机，使机器人在高速行走时，更加稳定。 3 设计方框图接近觉传感器转速传感器传感器信号调理电路A/D转换器计算机人机交互系统机器人控制器PID控制算法距离控制算法电动马达4 各部分电路设计及参数计算直角坐标机器人，它由水平轴(X轴，Y轴)，垂直轴Z轴及驱动电机组成。此外一个完整的机器人系统还需要控制系统和手抓，下面分别予以介绍:直线运动轴也叫直线运动单元，它就是一个独立的运动轴，主要由支撑
5、载体的铝型材或钢型材和被安装在型材内部的直线导轨、运动滑块以及作为带动滑块做高速运动的同步带组成。运动轴的驱动系统直角坐标机器人的传动主要是通过驱动电机的转动带动同步带运动，同步带带动直线导轨上的滑块运动。当驱动轴的最高转速低于60Or/min时通常选用步进电机，否则选用交流伺服电机。直角坐标机器人的控制系统机器人要在一定时间内完成特定的任务，在完成抓取，加速运动，高速运动，减速运动，释放工件等同时，还要与相关的设备通过通讯或I/O口实现一些时序上的协调同步。另外在涂胶应用上，各个运动轴要完成直线和圆弧插补运动。因此其数控系统要按具体应用要求来选定其控制轴数、I/O口数量和软件功能。通常选用数
6、控系统，PLC，工控机加运动控制卡和带轴卡功能及I/O口的驱动电机来做控制系统。直角坐标机器人的末端操作器手爪系统根据其具体应用情况，其手爪系统可能是气动吸盘、气动夹取手爪、电动夹取手爪、电磁吸取手爪、焊枪、胶枪、专用工具和检测仪器等。在很多场合可以一次抓取多个工件。4.1 直角坐标机器人的特点针对各种不同的应用，实际上可以方便快速组合成不同维数，各种行程和不同带载能力的壁挂式、悬臂式、龙门式或倒挂式等各种形式的直角坐标机器人。从简单的二维机器人到复杂的五维机器人就有上百种结构形式的成功应用案例。从电机到汽车等各行各业的自动化生产线中，更是各式各样的多台直角坐标机器人和其它设备严格同步协调工作
7、。可以说直角坐标机器人几乎能胜任所有的工业自动化任务。下面是其主要特点:（1）任意组合成各种样式:每根直线运动轴最长是6m，其带载能力从10kg到20Okg。在实际应用中已有近百种结构的直角坐标机器人，这些结构也可以任意组合成新的结构等;（2） 超大行程:因为单根龙门式直线运动单元的长度是6m，还可以多根方便地级连成超大行程，所以其工作空间几乎没有限制，小到手机点胶机，大到18m长行程的切割机，sm长行程钻铣床，6m6m”3m的检测机器人等。超大行程时要采用直线导轨和齿条传动方式;（3）负载能力强:单根直线运动单元的负载通常小于20Okg。但当采用双滑块或多滑块刚性联结时负载能力可以增加5到1
8、0倍。当把两根或四根直线运动单元并排接起来使用时，其负载可以增加2到4倍。当采用多根多滑块结构时其负载能力可增加到数吨;(4)高动态特性:轻负载时其最大运行速度可达到sm/s，加速度可达到4m/s。使其具有很高的动态特性，工作效率非常高，通常在几秒内完成一个工作节拍;(5)高精度:按传动方式及配置在整个行程内其重复定位精度可达到0.05mm到0.olmm;(6)扩展能力强:可以方便改变结构或通过编程来适合新的应用;(7)简单经济:对比关节机器人，直角坐标机器人不仅外观直观且构造成本低，编程简单类同数控铣床，易培训员工和维修，使其具有非常好的经济性;(8)胜任复杂任务:采用带有RTCP功能的五轴
9、或五轴以上数控系统能完成非常复杂的喷涂，喷丸，检测，加工等任务;(9)寿命长:直角坐标机器人的维护通常就是周期性加注润滑油，寿命一般是10年以上，维护好了可达20年;(10)应用面宽:可以方便地装配多种形式和尺寸的手爪，可以胜任许多常见的工作，如焊接、切割，搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码和喷涂等任务。4.2 直角坐标机器人的应用因末端操作工具的不同，直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设备，完成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、（软仿型）喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。特别适用于多品种，便批量的柔
10、性化作业，对于稳定，提高产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件和产品的快速更新换代期着十分重要的作用。 4.3直角坐标机器人的分类1，按用途分：焊接机器人、码垛机器人、涂胶（点胶）机器人、检测（监测）机器人、分拣（分类）机器人、装配机器人、排爆机器人、医疗机器人、特种机器人等。2，按结构形式分：壁挂（悬臂）机器人、龙门机器人、倒挂机器人等3，按自由度分：两坐标机器人、三坐标机器人、四坐标机器人、五坐标机器人、六坐标机器人。4.4 直角坐标机器人的硬件设计4.4.1 机械结构设计工业机器人的机械结构系统由基座、手臂、末端操作器三大件组成。每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械结构。若基座
11、具备行走机构、则构成行走机器人；若基座不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂（Single Robot Arm）。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。 工业机器人的坐标形式多种多样，按坐标形式来分的话有：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型。 在本次设计中我们要设计的机器人为三坐标直角坐标机器人，这种机器人由三个线性关节组成，这三个关节用来确定末端操作器的位置，通常还带有附加的旋转关节，用来确定末端操作器的姿态。这种机器人在想x、y、z轴上的运动时独立的，运动方程可独立处理，
12、且方程式是线性的，因此，很容易通过计算机控制实现；它可以两端支撑，对于给定的结构长度，刚性最大；它的精度和位置分辨率不随工作场合而变化，容易达到高精度。下图4-1为其工作，空间示意图。图4-1三自由度直角坐标机器人空间示意图从上图可以看到此机器人具有三个自由度，其参考坐标系为x、y、z。自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，理论上自由度越多机器人越灵活，那么它的躲避障碍物和改善动力性能就会得到提高。4.4.2 传动机构的设计传动机构是指向各轴传递运动和动力，以实现轴间的相对移动，在三自由度直角坐标机器人中，其主要传动机构为平移型传动机构。从下表一中我们可以看到各种传动方式的对比。表4-
13、1 工业机器人常用传动方式的比较工业机器人常用传动方式的比较传动方式特点运动方式距离应用部件圆柱齿轮用于手臂第一转动轴提供大扭矩转转近臀部锥齿轮转动轴反向垂直相交转转近臀部、腕部涡轮蜗杆大传动比，重量大，有发热问题转转近臀部、腕部行星传动大传动比，价格高，重量大转转近臀部、腕部谐波传动很大的传动比，尺寸小，重量轻转转近臀部、腕部链传动无间隙，重量大转转、转移远移动部分、腕部同步齿形带有间隙和振动，重量轻转转、转移远腕部、手抓钢丝传动远距离传动力性能很好转转远腕部、手抓齿轮齿条精度高，价格低转移、移转远腕部、手抓、臀部机械传动机构，可以将动力所提供的运动的方式、方向或速度加以改变，被人们有目的地
14、加以利用。我国古代传动机构类型很多，应用很广，除了上面介绍的以外，像地动仪、鼓风机等等，都是机械传动机构的产物。我国古代传动机构，主要有齿轮传动、绳带传动和链传动。齿轮传动 齿轮只用来传递运动，强度要求不高。至于生产上所采用的齿轮，要传递较大的动力，受力一般较大，强度要求较高。古代在利用畜力、水力和风力进行提水、粮食加工等工作时，都要应用此类齿轮。例如在翻车上，须应用一级齿轮传动机构，以改变运动的方位和传递，适应翻车的工作要求。其工作示意图如下图4-2。 齿轮传动式由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它不但可以传递运动角位移和角速度，而且还可以传递力和力矩。图4-2齿轮传动链传动 链，在我国
15、古代出现很早，商代的马具上已有青铜链条，其他青铜器和玉器上也有用链条作为装饰的。西安出土的秦代铜车马上，有十分精美的金属链条。但这都不能算是链传动。作为动力传动的链条，出现在东汉时期。东汉时毕岚率先发明翻车，用以引水。根据其工作原理和运动关系，可以看作是一种链传动。翻车的上、下链轮，一主动，一从动，绕在轮上的翻板就是传动链，这个传动链兼做提水的工作件，因此，翻车是链传动的一种特例。到了宋代，苏颂制造的水运仪象台上，出现了一种“天梯”，实际上是一种铁链条，下横轴通过“天梯”带动上横轴，从而形成了真正的链传动。绳带传动 这是一种利用摩擦力的传动方式。在西汉时，四川出产井盐，在凿井、提水时，都是用牛带动大绳轮，收卷绕过滑轮上的绳索，来提升凿井工具、卤水等。西汉时出现的手摇纺车，是一种典型的绳带传动。在西汉时期的画像
