畢業(yè)設(shè)計（論文）三自由度微型直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計

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1、三自由度微型直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計 1 設(shè)計任務(wù)書描述 1.1 設(shè)計題目 三自由度微型直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計 1.2 設(shè)計要求 1.2.1 設(shè)計目的 1了解工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的基本知識以及單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計、傳感器等相關(guān)技術(shù)。 2初步掌握工業(yè)機(jī)器人的運動學(xué)原理、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)并應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計中。 3通過學(xué)習(xí)掌握工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制技術(shù)，并使機(jī)器人能獨立執(zhí)行一定的任務(wù)。 1.2.2 基本要求 1要求設(shè)計一個微型的三自由度的直角坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人； 2要求設(shè)計機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（示意圖），傳動機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、及必需的內(nèi)外部傳感器的種

2、類和數(shù)量布局。 3要有控制系統(tǒng)硬件設(shè)計電路。 1.3對設(shè)計論文撰寫內(nèi)容、格式、字?jǐn)?shù)的要求 （1） 課程設(shè)計論文是體現(xiàn)和總結(jié)課程設(shè)計成果的載體，一般不應(yīng)少于3000字。 （2） 學(xué)生應(yīng)撰寫的內(nèi)容為：中文摘要和關(guān)鍵詞、目錄、正文、參考文獻(xiàn)等。課程設(shè)計論文的結(jié)構(gòu)及各部分內(nèi)容要求可參照《沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)范》執(zhí)行。應(yīng)做到文理通順，內(nèi)容正確完整，書寫工整，裝訂整齊。 （3） 論文要求打印，打印時按《沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)范》的要求進(jìn)行打印。 （4） 課程設(shè)計論文裝訂順序為：封面、任務(wù)書、成績評審意見表、中文摘要和關(guān)鍵詞、目錄、正文、參考文獻(xiàn)。

3、 2 設(shè)計思路 本次設(shè)計的題目是三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，直角坐標(biāo)機(jī)器人具有空間上相互垂直的兩根或三根直線移動軸，通過直角坐標(biāo)方向的3個獨立自由度確定其手部的空間位置，其動作空間為一長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，空間軌跡易于求解；但其動作范圍相對較小，設(shè)備的空間因數(shù)較低，實現(xiàn)相同的動作空間要求時，機(jī)體本身的體積較大。 首先，介紹了研究背景、要求和設(shè)計構(gòu)思。闡述了控制系統(tǒng)的資源配置、資源需求與分配和核心處理器的寄存器，單片機(jī)寄存器資源。相比于其它類型的單片機(jī)，51單片機(jī)的功能更加強(qiáng)大，功能引腳較多，能夠很好地滿足智能車控制系統(tǒng)的需要。 其次，設(shè)計了三

4、自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件電路，包括各個模塊的電路設(shè)計方案以及相關(guān)電路。采用的方案以51單片機(jī)為核心，包括總體控制系統(tǒng)的設(shè)計，各部件需要的供電電源設(shè)計，傳感器電路設(shè)計，速度檢測電路的設(shè)計等。 然后，進(jìn)行了軟件和算法的設(shè)計。根據(jù)傳感器采集的道路信息，經(jīng)處理分析之后，控制轉(zhuǎn)角和速度。并通過記憶算法，最后實現(xiàn)直角坐標(biāo)機(jī)器人快速的完成任務(wù)要求。 最后，闡述了機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整，主要是調(diào)節(jié)其重心、前輪、后輪、舵機(jī)，使機(jī)器人在高速行走時，更加穩(wěn)定。 3 設(shè)計方框圖 接近覺傳感器 轉(zhuǎn)速傳感器

5、 傳感器信號調(diào)理電路 A/D轉(zhuǎn)換器 計算機(jī) 人 機(jī) 交 互 系 統(tǒng) 機(jī)器人控制器 PID控制算法 距離控制算法 電動馬達(dá) 4 各部分電路設(shè)計及參數(shù)計算 直角坐標(biāo)機(jī)器人，它由水平軸(X軸，Y軸)，垂直軸Z軸及驅(qū)動電機(jī)組成。 此外一個完整的機(jī)器人系統(tǒng)還需要控制系統(tǒng)和手抓，下面分別予以介紹: 直線運動軸 也叫直線運動單元，它就是一個獨立的運動軸，主要由支撐載體的鋁型材或鋼型材和被安裝在型材內(nèi)部的直線導(dǎo)軌、運動滑塊以及作為帶動滑塊做高速運動的同步帶組成。 運動軸的驅(qū)動系統(tǒng) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的傳動主要是通過驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動同步帶

6、運動，同步帶帶動直線導(dǎo)軌上的滑塊運動。當(dāng)驅(qū)動軸的最高轉(zhuǎn)速低于60Or/min時通常選用步進(jìn)電機(jī)，否則選用交流伺服電機(jī)。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制系統(tǒng) 機(jī)器人要在一定時間內(nèi)完成特定的任務(wù)，在完成抓取，加速運動，高速運動，減速運動，釋放工件等同時，還要與相關(guān)的設(shè)備通過通訊或I/O口實現(xiàn)一些時序上的協(xié)調(diào)同步。另外在涂膠應(yīng)用上，各個運動軸要完成直線和圓弧插補(bǔ)運動。因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應(yīng)用要求來選定其控制軸數(shù)、I/O口數(shù)量和軟件功能。通常選用數(shù)控系統(tǒng)，PLC，工控機(jī)加運動控制卡和帶軸卡功能及I/O口的驅(qū)動電機(jī)來做控制系統(tǒng)。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的末端操作器—手爪系統(tǒng) 根據(jù)其具體應(yīng)用情況，其手爪系統(tǒng)可能是

7、氣動吸盤、氣動夾取手爪、電動夾取手爪、電磁吸取手爪、焊槍、膠槍、專用工具和檢測儀器等。在很多場合可以一次抓取多個工件。 4.1 直角坐標(biāo)機(jī)器人的特點 針對各種不同的應(yīng)用，實際上可以方便快速組合成不同維數(shù)，各種行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標(biāo)機(jī)器人。從簡單的二維機(jī)器人到復(fù)雜的五維機(jī)器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例。從電機(jī)到汽車等各行各業(yè)的自動化生產(chǎn)線中，更是各式各樣的多臺直角坐標(biāo)機(jī)器人和其它設(shè)備嚴(yán)格同步協(xié)調(diào)工作。可以說直角坐標(biāo)機(jī)器人幾乎能勝任所有的工業(yè)自動化任務(wù)。下面是其主要特點: （1）任意組合成各種樣式:每根直線運動軸最長是6m，其帶載

8、能力從10kg到20Okg。在實際應(yīng)用中已有近百種結(jié)構(gòu)的直角坐標(biāo)機(jī)器人，這些結(jié)構(gòu)也可以任意組合成新的結(jié)構(gòu)等; （2） 超大行程:因為單根龍門式直線運動單元的長度是6m，還可以多根方便地級連成超大行程，所以其工作空間幾乎沒有限制，小到手機(jī)點膠機(jī)，大到18m長行程的切割機(jī)，sm長行程鉆銑床，6m‘6m”3m的檢測機(jī)器人等。超大行程時要采用直線導(dǎo)軌和齒條傳動方式; （3）負(fù)載能力強(qiáng):單根直線運動單元的負(fù)載通常小于20Okg。但當(dāng)采用雙滑塊或多滑塊剛性聯(lián)結(jié)時負(fù)載能力可以增加5到10倍。當(dāng)把兩根或四根直線運動單元并排接起來使用時，其負(fù)載可以增加2到4倍。當(dāng)采用多根多滑塊結(jié)構(gòu)時其負(fù)載能力可增加到數(shù)噸;

9、 (4)高動態(tài)特性:輕負(fù)載時其最大運行速度可達(dá)到sm/s，加速度可達(dá)到4m/s’。使其具有很高的動態(tài)特性，工作效率非常高，通常在幾秒內(nèi)完成一個工作節(jié)拍; (5)高精度:按傳動方式及配置在整個行程內(nèi)其重復(fù)定位精度可達(dá)到0.05mm到0.olmm; (6)擴(kuò)展能力強(qiáng):可以方便改變結(jié)構(gòu)或通過編程來適合新的應(yīng)用; (7)簡單經(jīng)濟(jì):對比關(guān)節(jié)機(jī)器人，直角坐標(biāo)機(jī)器人不僅外觀直觀且構(gòu)造成本低，編程簡單類同數(shù)控銑床，易培訓(xùn)員工和維修，使其具有非常好的經(jīng)濟(jì)性; (8)勝任復(fù)雜任務(wù):采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復(fù)雜的噴涂，噴丸，檢測，加工等任務(wù); (9)壽命長:直角坐標(biāo)機(jī)器人的

10、維護(hù)通常就是周期性加注潤滑油，壽命一般是10年以上，維護(hù)好了可達(dá)20年; (10)應(yīng)用面寬:可以方便地裝配多種形式和尺寸的手爪，可以勝任許多常見的工作，如焊接、切割，搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼和噴涂等任務(wù)。 4.2 直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用 因末端操作工具的不同，直角坐標(biāo)機(jī)器人可以非常方便的用作各種自動化設(shè)備，完成如焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標(biāo)跟隨、排爆等一系列工作。特別適用于多品種，便批量的柔性化作業(yè)，對于穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速

11、更新?lián)Q代期著十分重要的作用。 4.3直角坐標(biāo)機(jī)器人的分類 1，按用途分：焊接機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、涂膠（點膠）機(jī)器人、檢測（監(jiān)測）機(jī)器人、分揀（分類）機(jī)器人、裝配機(jī)器人、 排爆機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、特種機(jī)器人等。 2，按結(jié)構(gòu)形式分：壁掛（懸臂）機(jī)器人、龍門機(jī)器人、倒掛機(jī)器人等 3，按自由度分：兩坐標(biāo)機(jī)器人、三坐標(biāo)機(jī)器人、四坐標(biāo)機(jī)器人、五坐標(biāo)機(jī)器人、六坐標(biāo)機(jī)器人。 4.4 直角坐標(biāo)機(jī)器人的硬件設(shè)計 4.4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、末端操作器三大件組成。每一大件都有若干自由度，構(gòu)成一個多自由度的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 若基座具備行走機(jī)構(gòu)、則構(gòu)

12、成行走機(jī)器人；若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂（Single Robot Arm）。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。 工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式多種多樣，按坐標(biāo)形式來分的話有：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面關(guān)節(jié)型。 在本次設(shè)計中我們要設(shè)計的機(jī)器人為三坐標(biāo)直角坐標(biāo)機(jī)器人，這種機(jī)器人由三個線性關(guān)節(jié)組成，這三個關(guān)節(jié)用來確定末端操作器的位置，通常還帶有附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，用來確定末端操作器的姿態(tài)。這種機(jī)器人在想x、y、z軸上的運動時獨立的，運動方程可獨立處理，且

13、方程式是線性的，因此，很容易通過計算機(jī)控制實現(xiàn)；它可以兩端支撐，對于給定的結(jié)構(gòu)長度，剛性最大；它的精度和位置分辨率不隨工作場合而變化，容易達(dá)到高精度。下圖4-1為其工作，空間示意圖。 圖4-1三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人空間示意圖 從上圖可以看到此機(jī)器人具有三個自由度，其參考坐標(biāo)系為x、y、z。自由度是指機(jī)器人所具有的獨立坐標(biāo)軸運動的數(shù)目，理論上自由度越多機(jī)器人越靈活，那么它的躲避障礙物和改善動力性能就會得到提高。 4.4.2 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 傳動機(jī)構(gòu)是指向各軸傳遞運動和動力，以實現(xiàn)軸間的相對移動，在三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人中，其主要傳動機(jī)構(gòu)為平移型

14、傳動機(jī)構(gòu)。從下表一中我們可以看到各種傳動方式的對比。 表4-1 工業(yè)機(jī)器人常用傳動方式的比較 工業(yè)機(jī)器人常用傳動方式的比較 傳動方式 特點 運動方式 距離 應(yīng)用部件 圓柱齒輪 用于手臂第一轉(zhuǎn)動軸提供大扭矩 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 近 臀部 錐齒輪 轉(zhuǎn)動軸反向垂直相交 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 近 臀部、腕部 渦輪蝸桿 大傳動比，重量大，有發(fā)熱問題 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 近 臀部、腕部 行星傳動 大傳動比，價格高，重量大 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 近 臀部、腕部 諧波傳動 很大的傳動比，尺寸小，重量輕 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 近 臀部、腕部 鏈傳動 無間隙，重量大 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)移 遠(yuǎn) 移動部分、腕部 同步齒形帶

15、有間隙和振動，重量輕 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)移 遠(yuǎn) 腕部、手抓 鋼絲傳動 遠(yuǎn)距離傳動力性能很好 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 遠(yuǎn) 腕部、手抓 齒輪齒條 精度高，價格低 轉(zhuǎn)移、移轉(zhuǎn) 遠(yuǎn) 腕部、手抓、臀部 機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，可以將動力所提供的運動的方式、方向或速度加以改變，被人們有目的地加以利用。我國古代傳動機(jī)構(gòu)類型很多，應(yīng)用很廣，除了上面介紹的以外，像地動儀、鼓風(fēng)機(jī)等等，都是機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的產(chǎn)物。我國古代傳動機(jī)構(gòu)，主要有齒輪傳動、繩帶傳動和鏈傳動。 齒輪傳動 齒輪只用來傳遞運動，強(qiáng)度要求不高。至于生產(chǎn)上所采用的齒輪，要傳遞較大的動力，受力一般較大，強(qiáng)度要求較高。古代在利用畜力、水力和風(fēng)力進(jìn)行提水、糧食加工

16、等工作時，都要應(yīng)用此類齒輪。例如在翻車上，須應(yīng)用一級齒輪傳動機(jī)構(gòu)，以改變運動的方位和傳遞，適應(yīng)翻車的工作要求。其工作示意圖如下圖4-2。 齒輪傳動式由兩個或兩個以上的齒輪組成的傳動機(jī)構(gòu)。它不但可以傳遞運動角位移和角速度，而且還可以傳遞力和力矩。 圖4-2齒輪傳動 鏈傳動 鏈，在我國古代出現(xiàn)很早，商代的馬具上已有青銅鏈條，其他青銅器和玉器上也有用鏈條作為裝飾的。西安出土的秦代銅車馬上，有十分精美的金屬鏈條。但這都不能算是鏈傳動。作為動力傳動的鏈條，出現(xiàn)在東漢時期。東漢時畢嵐率先發(fā)明翻車，用以引水。根據(jù)其工作原理和運動關(guān)系，可以看作是一種鏈傳動。翻車的上、下鏈輪

17、，一主動，一從動，繞在輪上的翻板就是傳動鏈，這個傳動鏈兼做提水的工作件，因此，翻車是鏈傳動的一種特例。到了宋代，蘇頌制造的水運儀象臺上，出現(xiàn)了一種“天梯”，實際上是一種鐵鏈條，下橫軸通過“天梯”帶動上橫軸，從而形成了真正的鏈傳動。 繩帶傳動 這是一種利用摩擦力的傳動方式。在西漢時，四川出產(chǎn)井鹽，在鑿井、提水時，都是用牛帶動大繩輪，收卷繞過滑輪上的繩索，來提升鑿井工具、鹵水等。西漢時出現(xiàn)的手搖紡車，是一種典型的繩帶傳動。在西漢時期的畫像石上，有幾幅手搖紡車圖，可以清楚地看到：大繩輪主動，通過繩索帶動紗錠，用手搖大繩輪旋轉(zhuǎn)一周，紗錠旋轉(zhuǎn)幾十周，效率很高。以后出現(xiàn)的三錠、五錠的紡車，效率就更高了。

18、元代的水運大紡車，也是用繩帶傳動的。東漢時，冶金手工業(yè)有一項重要發(fā)明“水排”，用于鼓風(fēng)。這種繩帶傳動的工作原理是：水力推動臥式水輪旋轉(zhuǎn)，水輪軸上裝有大繩輪，通過繩帶帶動小繩輪，小繩輪軸上端曲柄隨之旋轉(zhuǎn)，通過連桿推動鼓風(fēng)器鼓風(fēng)。這種水排鼓風(fēng)效力很高，可以抵得上幾百匹馬鼓風(fēng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著東漢時發(fā)達(dá)的機(jī)械已經(jīng)在我國出現(xiàn)了，因而意義十分重大。 在經(jīng)過了以上論證后，我決定采用齒輪鏈傳動機(jī)構(gòu)。 在設(shè)計這個齒輪鏈傳動機(jī)構(gòu)的時候我主要考慮到兩個問題：一是齒輪鏈的引入會改變系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量，從而使驅(qū)動電機(jī)的響應(yīng)時間減少，這樣伺服系統(tǒng)就更加容易控制。輸出軸轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)換到驅(qū)動電機(jī)上，等效轉(zhuǎn)動慣量的下降與輸

19、入輸出齒輪齒數(shù)的平方成正比。二是在引入齒輪鏈的同時，由于齒輪間隙誤差，將會導(dǎo)致機(jī)器人手臂的定位誤差增加；而且，假如不采取一些補(bǔ)救措施，齒隙誤差還會引起伺服系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 4.4.3 驅(qū)動方式的選擇 要使機(jī)器人運動起來，需給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置，這就是驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)可以是液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動，或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以是直接驅(qū)動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動。 下面我各自介紹這三種驅(qū)動方式： ( 1 )液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動是由高精度的缸體和活塞一起完成的。活塞和缸體采用滑動配合，壓力油從液壓缸的一端進(jìn)入，

20、把活塞推向液壓缸的另一端，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)部活塞兩端的液體壓力和進(jìn)入液壓缸的油量即可控制活塞的運動。 機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有以下幾個優(yōu)點： A、 液壓容易達(dá)到較高的單位面積壓力，體積小，可獲得較大的推理或轉(zhuǎn)矩。 B、 液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度。 C、 液壓傳動中力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制。 D、 液壓系統(tǒng)采用油液做介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，壽命長。 但是液壓驅(qū)動也有其不足之處： A、 液壓的粘度隨溫度變化而變化，這將影響工作性能。高溫度容易引起爆炸、燃燒等危險。 B、 液體的泄露難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故

21、造價較高。 C、 需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否則會引起故障。 ( 2 )氣壓驅(qū)動 與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的特點是： A、 壓縮空氣粘度小，容易達(dá)到高速（1m/s）。 B、 利用工廠集中的空氣壓縮機(jī)站供氣，不必添加動力設(shè)備。 C、 空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)。 D、 氣動元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。 氣壓驅(qū)動的不足之處是： A、 壓縮空氣常用壓力為0.4~0.6MPa，若要獲得較大的壓力，其結(jié)構(gòu)就要相對增大。 B、 空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制和困難。 C、 壓縮空氣

22、的除水問題是一個很重要的問題，處理不當(dāng)會使剛類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。 ( 3 )電力驅(qū)動 分類： 按照電機(jī)的工作原理不同分為步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、無刷電機(jī)等。 按照控制水平的高低來分分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 適用范圍：適合于中等負(fù)載，特別適合于動作復(fù)雜、運動軌跡嚴(yán)格的各類機(jī)器人。 考慮到體積以及精度，在比較了以上三種驅(qū)動方式后，我最終選擇了電力驅(qū)動，因為電力驅(qū)動體積小，而且容易組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，故控制精度高，方便，但在算法上可能稍微復(fù)雜一些，但這都可以克服的，故實現(xiàn)起來時選擇電力驅(qū)動更好一些。 4.4.4 內(nèi)部傳感器的選擇 電機(jī)

23、控制系統(tǒng)中的位置檢測通常有：微電機(jī)解算元件，光電元件，磁敏元件，電磁感應(yīng)元件等。這些位置檢測傳感器或者與電機(jī)的非負(fù)載端同軸連接，或者直接安裝在電機(jī)的特定的部位。其中光電元件的測量精度較高，能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置，從而間接的反映出與電機(jī)連接的機(jī)械負(fù)載的準(zhǔn)確的機(jī)械位置，從而達(dá)到精確控制電機(jī)位置的目的。 ( 1 )光電編碼器的介紹： 光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對式光電編碼器與增量式光電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。 A、絕對式光電編碼器 　

24、絕對式光電編碼器如圖4-4所示，它是通過讀取編碼盤上的二進(jìn)制的編碼信息來表示絕對位置信息的。 　 編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。圖十一是二進(jìn)制的編碼盤，圖中空白部分是透光的，用“0”來表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”來表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個碼道表示二進(jìn)制數(shù)的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。如果編碼盤有4個碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進(jìn)制的23、22、21和20，4位二進(jìn)制可形成16個二進(jìn)制數(shù)，因此就將圓盤劃分16個扇區(qū)，每個扇區(qū)對應(yīng)一個4位二進(jìn)制數(shù)，如0000、0001、…、1111。 按照碼盤上形成的碼道配置相應(yīng)的光電傳感器，包括光源、透鏡

25、、碼盤、光敏二極管和驅(qū)動電子線路。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到一定的角度時，扇區(qū)中透光的碼道對應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“0”，遮光的碼道對應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平“1”，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。 B、增量式光電編碼器 　 增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號，然后根據(jù)位置變化的方向用計數(shù)器對脈沖進(jìn)行加/減計數(shù)，以此達(dá)到位置檢測的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。 　 增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此

26、錯開90o相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號。工作時，鑒向盤不動，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤，通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差90o的近似正弦信號，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號和計數(shù)脈沖信號。為了獲得絕對位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測電機(jī)的位置和速度。 ( 2 )光電編碼器的測量方法： 　 光電碼器在電機(jī)控制中可以用來測量電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場位置和機(jī)械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場和機(jī)械位置的變化速度與變化方向。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應(yīng)用方法做一下介紹。

27、 　 可以利用定時器/計數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體的測速方法有M法、T法和M/T法3種。 　 M法又稱之為測頻法，其測速原理是在規(guī)定的檢測時間Tc內(nèi)，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數(shù)的測速方法，例如光電編碼器是N線的，則每旋轉(zhuǎn)一周可以有4N個脈沖，因為兩路脈沖的上升沿與下降沿正好使編碼器信號4倍頻?，F(xiàn)在假設(shè)檢測時間是Tc，計數(shù)器的記錄的脈沖數(shù)是M1，則電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速為 　 在實際的測量中，時間Tc內(nèi)的脈沖個數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個脈沖的誤差。如果要求測量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說是小于百分之一，那么M1就應(yīng)該大于50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測脈

28、沖數(shù)M1以減小誤差，可以增大檢測時間Tc單考慮到實際的應(yīng)用檢測時間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測量速度用于反饋控制，一般應(yīng)在0.01秒以下。由此可見，減小測量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。 　 M法測速適用于測量高轉(zhuǎn)速，因為對于給定的光電編碼器線數(shù)N機(jī)測量時間Tc條件下，轉(zhuǎn)速越高，計數(shù)脈沖M1越大，誤差也就越小。 　 T法也稱之為測周法，該測速方法是在一個脈沖周期內(nèi)對時鐘信號脈沖進(jìn)行計數(shù)的方法。例如時鐘頻率為fclk,計數(shù)器記錄的脈沖數(shù)為M2，光電編碼器是N線的，每線輸出4N個脈沖，那么電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速為 　 為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)，因此T法測速適用于低速運行的場合。

29、但轉(zhuǎn)速太低，一個編碼器輸出脈沖的時間太長，時鐘脈沖數(shù)會超過計數(shù)器最大計數(shù)值而產(chǎn)生溢出;另外，時間太長也會影響控制的快速性。與M法測速一樣，選用線數(shù)較多的光電編碼器可以提高對電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的快速性與精度。 　 M/T法測速是將M法和T法兩種方法結(jié)合在一起使用，在一定的時間范圍內(nèi)，同時對光電編碼器輸出的脈沖個數(shù)M1和M2進(jìn)行計數(shù)，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為 　　 實際工作時，在固定的Tc時間內(nèi)對光電編碼器的脈沖計數(shù)，在第一個光電編碼器上升沿定時器開始定時，同時開始記錄光電編碼器和時鐘脈沖數(shù)，定時器定時Tc時間到，對光電編碼器的脈沖停止計數(shù)，而在下一個光電編碼器的上升沿到來時刻，時鐘脈沖才停止

30、記錄。采用M/T法既具有M法測速的高速優(yōu)點，又具有T法測速的低速的優(yōu)點，能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍，測量的精度也較高，在電機(jī)的控制中有著十分廣泛的應(yīng)用。 通過以上這種光電式的測速傳感器，我們就可以達(dá)到控制機(jī)器人的運動速度和控制機(jī)器人的位移的目的，例如假如我要讓機(jī)器人快速地完成某個搬運的任務(wù)，這個時候我就可以調(diào)用PID算法來使機(jī)器人快速地達(dá)到某個速度，從而完成這個動作，又例如我要讓機(jī)器人移動某段距離，這個時候我就可以通過對脈沖個數(shù)的累加來完成對距離的控制，由于這種光電式編碼器的精度很高，故可以達(dá)到高精度的距離控制。 5 直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制模塊設(shè)計 5.1 示教再現(xiàn)功能 示教再現(xiàn)功能

31、是指控制系統(tǒng)可以通過坐示教盒或手把手進(jìn)行示教，將動作順序、運動速度、位置等信息用一定的方法預(yù)先教給工業(yè)機(jī)器人，由工業(yè)機(jī)器人的記憶裝置將所教的操作過程自動地記錄在存儲器中，當(dāng)需要再現(xiàn)操作時，重放存儲器中存儲的內(nèi)容即可。如需要更改操作內(nèi)容時，只需要重新示教一遍即可。 5.2 運動控制功能 運動控制功能是指對工業(yè)機(jī)器人末端操作器的位置、速度、加速度等項目的控制。 在本次設(shè)計中我采用示教再現(xiàn)控制方式來對此機(jī)器人進(jìn)行控制，其主控芯片為我們熟悉的C8051F020單片機(jī)。使用此款單片機(jī)再配合一些外圍電路的集成就可實現(xiàn)對各個電動機(jī)的控制，再加上一些在軟件上的編寫配合好光電編碼器，就可以實現(xiàn)PI

32、D算法，并組成一個簡單的閉環(huán)系統(tǒng)。 6 主要元器件介紹 C8051F020系列單片機(jī)是高集成度的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，片內(nèi)集成了一個多通道ADC、兩個電壓比較器、五個通用的十六位定時器、UART、SPI總線接口、內(nèi)部振蕩器、64個通用數(shù)字I/O引腳、64KB的FLASH程序寄存器和與8051兼容的高速微控制器內(nèi)核。 C8051F020的主要特點如下： 1、模擬外設(shè) ( 1 )逐次逼近型ADC ●12位分辨率或8位分辨率； ●可編程轉(zhuǎn)換速率，最大為100kps； ●可多達(dá)32個外

33、部輸入，每個引腳都可以被配置為ADC的輸入。 ( 2 )兩個模擬比較器 ●16個可編程回差電壓值； ●可用于產(chǎn)生中斷或復(fù)位。 ( 3 )VDD監(jiān)視器和降壓檢測器 2、片內(nèi)JTAG調(diào)試 ●片內(nèi)調(diào)試電路提供提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試； ●支持?jǐn)帱c、單步、觀察點、堆棧監(jiān)視器，支持觀察/修改存儲器和寄存器。 3、高速8051微控制器內(nèi)核 ●流水線指令結(jié)構(gòu)； ●70%指令的執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期； ●速度可達(dá)25MIPS； ●擴(kuò)展的中斷處理系統(tǒng)。 4、存儲器 ●256B內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM； ●1024B XRAM； ●64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器。

34、5、數(shù)字外設(shè) ●8個8位的端口I/O，所有口線均耐壓5V電壓； ●可同時使用的硬件SPI及UART串口； ●5個通用16位計數(shù)器/定時器； ●專用的看門狗定時器。 6、時鐘源 ●內(nèi)部可編程振蕩器：2-16MHz； ●外部振蕩器：晶體、RC、C或外部時鐘。 7、封裝 ●100腳TQFP 小結(jié) 本次機(jī)器人課程設(shè)計我的題目為三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計，我最開始的思路是通過傳感器檢測火源，用電機(jī)驅(qū)動到達(dá)著火點，將火撲滅后即可結(jié)束。這樣也能達(dá)到設(shè)計的要求，我在查閱資料的過程中，又加入了語音啟動等部分。 這兩周的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計，從茫然毫無頭緒到開始大體研究到部件選擇，我對工業(yè)

35、機(jī)器人的學(xué)習(xí)有了更深一步的了解，并在在設(shè)計的過程中，有了了自己的想法，增加了學(xué)習(xí)的興趣。 雖然設(shè)計時間很緊迫，但在設(shè)計的過程中我們還是學(xué)到不少東西的，由于有些知識我們學(xué)的不多，這樣我們在查找這些資料的過程中就學(xué)到了更多東西。我覺得課程設(shè)計對我們有更大的幫助，可以把平時所學(xué)應(yīng)用到實際當(dāng)中，并且更加注重這些元器件在實際應(yīng)用中應(yīng)該注意到的事項，為以后的工作和學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 通過祝老師的耐心指導(dǎo)，同學(xué)的幫助和在圖書館查找資料，借閱大量圖書，和自主學(xué)習(xí)，我順利完成了此次設(shè)計，并增加了以后對工業(yè)機(jī)器人學(xué)習(xí)的信心。

36、 致謝 兩周的工業(yè)機(jī)器人課程設(shè)計順利結(jié)束了，首先要感謝我的指導(dǎo)老師祝老師在此次課程設(shè)計中給予我熱情而耐心的指導(dǎo)。祝老師不僅在我的開始毫無頭緒時給了我很多提示，糾正了我許多錯誤，還指導(dǎo)了我應(yīng)該去查找哪些方面的資料去完善這次設(shè)計，彌補(bǔ)出現(xiàn)的設(shè)計漏洞。使我的設(shè)計有一個明確的主導(dǎo)思想，能夠順利而有條不紊地進(jìn)行。其次我要感謝我的同學(xué)們，無論是否和我一組的同學(xué)，都熱心的給與我很多幫助。在我設(shè)計出現(xiàn)障礙不能繼續(xù)進(jìn)行的時候，通過和他們一起討論研究，最終攻克了許多難題，并且因為交流思想心得，也學(xué)到了許多新知識。最后感謝學(xué)校圖書館給我們提供了很豐富的資源，可以讓我們?nèi)ゲ檎屹Y料，開擴(kuò)了眼界，也提高

37、了我們的自學(xué)能力。 由于知識水平的局限和時間的倉促，設(shè)計中可能會存在著一些不足,我真誠的接受老師和同學(xué)的批評和指正.。最后再次衷心感謝祝老師的悉心指導(dǎo)和同學(xué)們的熱心幫助! 參考文獻(xiàn) [1] 宗光華.機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計與實踐 . 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社. 2004.2 [2] 謝存禧，張鐵. 機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 2010.1 [3] 王志良.競賽機(jī)器人制作技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2007 附錄 18