SCARA工業(yè)機器人設(shè)計

1、SCARA工業(yè)機器人設(shè)計1 設(shè)計主要內(nèi)容及要求1.1 設(shè)計目的：（1）了解工業(yè)機器人技術(shù)的基本知識以及單片機、機械設(shè)計、傳感器等相關(guān)技術(shù)；（2）初步掌握工業(yè)機器人的運動學(xué)原理、傳動機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，并應(yīng)用于工業(yè)機器人的設(shè)計中；（3）掌握工業(yè)機器人的驅(qū)動機構(gòu)、控制技術(shù)，并使機器人能獨立執(zhí)行一定的任務(wù)。1.2 基本要求（1）要求設(shè)計一個微型的三自由度的SCARA工業(yè)機器人；（2）要求設(shè)計機器人的機械機構(gòu)（示意圖），傳動機構(gòu)、控制系統(tǒng)、及必需的內(nèi)外部傳感器的種類和數(shù)量布局。（3）要有控制系統(tǒng)硬件設(shè)計電路。1.3 發(fā)揮部分 自由發(fā)揮2 設(shè)計過程及論文的基本要求：2.1 設(shè)計過程的基本要求（1）

2、基本部分必須完成，發(fā)揮部分可任選；（2）符合設(shè)計要求的報告一份，其中包括總體設(shè)計框圖、電路原理圖各一份；（3）設(shè)計過程的資料保留并隨設(shè)計報告一起上交；報告的電子檔需全班統(tǒng)一存盤上交。2.2 課程設(shè)計論文的基本要求（1）參照畢業(yè)設(shè)計論文規(guī)范打印，包括附錄中的圖紙；項目齊全、不許涂改，不少于3000字；圖紙為A4，所有插圖不允許復(fù)印。（2）裝訂順序：封面、任務(wù)書、成績評審意見表、中文摘要、關(guān)鍵詞、目錄、正文（設(shè)計題目、設(shè)計任務(wù)、設(shè)計思路、設(shè)計框圖、各部分電路及相應(yīng)的詳細的功能分析和重要的參數(shù)計算、工作過程分析、元器件清單、主要器件介紹等）、小結(jié)、參考文獻、附錄（總體設(shè)計框圖與電路原理圖）。3 時間

3、進度安排順序階段日期計 劃 完 成 內(nèi) 容備注1講解主要設(shè)計內(nèi)容，布置任務(wù)點名2搜集相關(guān)資料，檢查框圖及初步原理圖完成情況，講解及糾正錯誤打分3檢查機械結(jié)構(gòu)設(shè)計并指出錯誤及糾正； 打分4繼續(xù)機械機構(gòu)和傳動機構(gòu)設(shè)計打分5進行控制系統(tǒng)設(shè)計打分6檢查控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計草圖打分7完善并確定控制系統(tǒng)打分8指導(dǎo)學(xué)生進行驅(qū)動機構(gòu)的選擇打分9進行傳感器的選擇和軟件流程設(shè)計打分10檢查任務(wù)完成情況打分- 25 -1 設(shè)計任務(wù)描述1.1 設(shè)計題目SCARA工業(yè)機器人設(shè)計1.2 設(shè)計要求1.2.1 設(shè)計目的（1）了解工業(yè)機器人技術(shù)的基本知識以及單片機、機械設(shè)計、傳感器等相關(guān)技術(shù)；（2）初步掌握工業(yè)機器人的運動學(xué)原理

4、、傳動機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，并應(yīng)用于工業(yè)機器人的設(shè)計中；（3）掌握工業(yè)機器人的驅(qū)動機構(gòu)、控制技術(shù)，并使機器人能獨立執(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SCARA工業(yè)機器人；（2）要求設(shè)計機器人的機械機構(gòu)（示意圖），傳動機構(gòu)、控制系統(tǒng)、及必需的內(nèi)外部傳感器的種類和數(shù)量布局。（3）要有控制系統(tǒng)硬件設(shè)計電路。2 設(shè)計思路2.1 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計2.1.1 末端操作器的設(shè)計末端操作器是機器人手部的重要執(zhí)行部件，是機器人的關(guān)鍵部分，主要用來識別物體并抓取物體，正是因為有了它的存在，機器人才能根據(jù)電腦發(fā)出的“命令”執(zhí)行相應(yīng)的動作。機器人的末端操作器不僅是一個

5、執(zhí)行命令的機構(gòu)，還應(yīng)具有識別功能。機器人的末端操作器一般由方形的手掌和節(jié)狀的手指組成。機器人的末端操作器主要有夾鉗式取料手、吸附式取料手、專用操作器及轉(zhuǎn)換器、仿生多指靈巧手。夾鉗式取料手手部與人手相似, 是工業(yè)機器人廣為應(yīng)用的一種手部形式。 它一般由手指(手爪)和驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)及連接與支承元件組成, 能通過手爪的開閉動作實現(xiàn)對物體的夾持。吸附式取料手適用于大平面（單面接觸無法抓?。⒁姿?、微小的物體。機器人是一種通用性很強的自動化設(shè)備,可根據(jù)作業(yè)要求完成各種動作, 再配上各種專用的末端操作器后，即專用操作器及轉(zhuǎn)換器,就能完成各種動作。仿生多指靈巧手是機器人手爪和手腕最完美的形式，仿生多指靈

6、巧手有多個手指, 每個手指有3個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié), 每一個關(guān)節(jié)的自由度都是獨立控制的。因此,幾乎人手指能完成的各種復(fù)雜動作它都能模仿。由于夾鉗式取料手與人手相似且能通過手爪的開閉動作實現(xiàn)對物體的夾持，因此在設(shè)計機器人過程中選擇夾鉗式取料手。2.1.2 手腕的設(shè)計機器人的手腕是連接末端操作器和手臂的部件，它的作用是調(diào)節(jié)或改變工作的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機器人的末端操作器適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。工業(yè)機器人一般需要6個自由度才能使手部達到目標(biāo)位置并處于期望姿態(tài)。機器人手腕主要用來確定被抓物體的姿態(tài)，一般采用三自由度多關(guān)節(jié)機構(gòu)由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和擺動關(guān)節(jié)組成。設(shè)計手腕時除應(yīng)滿足啟動和傳送過程中所需的輸出力矩外

7、，還要求手腕結(jié)構(gòu)簡單、緊湊輕巧、避免干涉、傳動靈活，在多數(shù)情況下，要求將腕部結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分安排在小臂上，使外形整齊。設(shè)法使幾個電動機的運動傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的心軸和多層套筒上去，運動傳入腕部后再分別實現(xiàn)各個動作。2.1.3 手臂的設(shè)計機器人的手臂是急機器人執(zhí)行機構(gòu)中的重要部件，它的作用是將被抓取的工件運送到給定的位置上。因此一般機器人的手臂有3個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降（或俯仰）運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過機座的立柱實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動通常由驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，因此它不僅承受被抓取工件的質(zhì)量，而且末端執(zhí)行器、手腕和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)

8、、工作范圍、靈活性、抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪榷贾苯佑绊憴C器人的工作性能。2.1.4 基座的設(shè)計機器人的機座可分為固定式和行走式兩種，一般的工業(yè)機器人為固定式的。固定式機器人的機座可以直接連接在地面上，也可以固定在機身上。本設(shè)計中機器人采用的是固定式。固定式機器人的本體是固定的，它只能進行臂部可活動范圍內(nèi)的輸送作業(yè)。所以它作為柔性制造單元內(nèi)部的搬運設(shè)備被廣泛應(yīng)用，雖然在輸送距離上受到限制，但是，如果能自動更換手部，它不僅能輸送工件，刀具、夾具等各種物料，而且可以裝卸工件，具有較高的柔性。2.1.5 制動器的設(shè)計許多機器人的機械臂都需要在各關(guān)節(jié)處安裝制動器，其作用是在機器人停止工作時， 保持機

9、械臂的位置不變，在電源發(fā)生故障時，保護機械臂和它周圍的物體不發(fā)生碰撞。假如齒輪鏈、諧波齒輪機構(gòu)和滾珠絲杠等元件的質(zhì)量較高，一般其摩擦力都很小，在驅(qū)動器停止工作的時候，它們是不能承受負(fù)載的。如果不采用某種外部固定裝置，如制動器、夾緊器或止擋裝置等，一旦電源關(guān)閉，機器人的各個部件就會在重力的作用下滑落。因此，為機器人設(shè)計制動裝置是十分必要的。制動器通常是按失效抱閘方式工作的，即要松開制動器就必須接通電源，否則，各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對運動。它的主要目的是在電源出現(xiàn)故障時起保護作用。其缺點是在工作期間要不斷通電使制動器松開。假如需要的話，也可以采用一種省電的方法，其原理是需要各關(guān)節(jié)運動時，先接通電源，松開

10、制動器，然后接通另一電源，驅(qū)動一個擋銷將制動器鎖在放松狀態(tài)。2.2 驅(qū)動方式的選擇2.2.1 液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動的特點是，液壓容易達到較高的壓力，體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；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；在液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制；液壓系統(tǒng)由于采用油液作介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性，可以提高機械效率，使用壽命長。但是，液壓驅(qū)動方式也有不足之處，由于油液的粘度隨著溫度的變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險；另外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，故造價比很高?？傊@種驅(qū)動方式的輸出力和功率很大，經(jīng)常用于比

11、較大型機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動，而且這種驅(qū)動方式還存在著危險性，所以對于該機器人來說不適合選擇液壓驅(qū)動方式。2.2.2 氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動的特點是，壓縮空氣粘度小，很容易達到高速；它不必添加動力設(shè)備；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)；氣動元件工作壓力低。但是它的不足之處是若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對的增大，而且空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要想達到準(zhǔn)確的位置控制很困難。另外，還有一個嚴(yán)重的問題是，壓縮空氣的排水問題如果處理不當(dāng)會使鋼類零件生銹，導(dǎo)致機器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染?？傊瑲鈮候?qū)動多用于開關(guān)控制和順序控制的機器人，且其體積較大和精確度不高等缺點也使

12、其不適合作為該機器人的驅(qū)動方式。2.2.3 電動機驅(qū)動經(jīng)過以上的分析可知，液壓式和氣壓式都不適合作為該機器人的驅(qū)動方式，所以就選擇電動式作為該機器人的驅(qū)動方式。電動機驅(qū)動又分為直流電動機、步進電動機和伺服電動機。下面，分別介紹這三種電動機。步進電動機：步進電機是利用電磁鐵原理,將脈沖信號 轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機械移動一小段距離。它的工作特點是給步進脈沖電機就轉(zhuǎn)，不給步進脈沖電機就不轉(zhuǎn)；步進脈沖頻率高，步進電機轉(zhuǎn)得快；步進脈沖頻率低，步進電機轉(zhuǎn)得就慢；改變各相的通電方式（叫脈沖分配）可以改變步進電機的運行方式；改變通電順序，可以控制步進電機的正、反轉(zhuǎn)

13、。伺服電動機：一個微型伺服馬達內(nèi)部包括了一個小型直流馬達，一組變速齒輪組，一個反饋可調(diào)電位器，及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動的直流馬達提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量。伺服電機容易與CPU連接，控制性能好，響應(yīng)快，最大的優(yōu)點是可以實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適合于中小型機器人。直流電動機：直流電機由定子、轉(zhuǎn)子和換向器。定子是固定在機身的圓桶狀部分，一般由永磁材料或能產(chǎn)生磁場的線圈制成。由于直流電機驅(qū)動是開環(huán)控制，所以行進速度一般固定，精度不高，直流電機控制的精確度雖然沒有步進電機那樣高，但完全

14、可以滿足本題目的要求。但是直流電機控制起來簡單，它只有兩根線，一根是電源線，一根是接地線。要想控制直流電機的轉(zhuǎn)度，只要加大加在電源線上的電壓即可，加大電壓的方法是通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來實現(xiàn)的。如果要想實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，那么就用H橋電路，通過H橋電路就可以實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)。綜上所述，我選用方案三直流電機作為該機器人的驅(qū)動電機。2.3 傳感器的選擇2.3.1 避障功能傳感器的選擇避障可以說是各種機器人最基本的功能。因此選擇合適的測障傳感器是非常重要的。常用的避障傳感器有以下幾種:接觸式傳感器碰撞開關(guān)：碰撞開關(guān)的特點是電路為常開，碰到障礙物后連通，可以用來檢測機器人是否發(fā)生碰撞。碰撞開關(guān)價格便宜

15、，使用簡單，使用范圍廣，對環(huán)境條件沒有什么限制。但是，它也有缺點即必須在發(fā)生碰撞后才能檢測到障礙，這在某些機器人比賽中是相當(dāng)失分的。并且使用時間較長后容易發(fā)生機械疲勞，無法繼續(xù)正常工作。超聲波傳感器：采用超聲波傳感器，如果傳感器接收到反射的超聲波，則通知單片機前方有障礙物，反之則通知單片機可以向前行駛。經(jīng)實驗，使用超聲波傳感器探測信號時十分容易受到外界環(huán)境的影響，使單片機控制系統(tǒng)接收到許多錯誤的信息。而且超聲波傳感器價格比較昂貴。光敏傳感器：直接根據(jù)光源的信號進行判斷。這需要光敏傳感器能及時反饋可靠的信息，而光敏傳感器擁有很高的靈敏度，為了抗干擾還可以把光敏傳感器預(yù)先進行特殊處理，使其只有在光

16、源正射時才能測到信號，這樣就使光敏傳感器的返回信號更加可靠，單片機一旦接到的光敏傳感器返回的信息，便能作出正確的判斷。倘若測不到信號，說明光敏傳感器被障礙物擋住，正前方不能通行,單片機控制電機繞開障礙物行駛。紅外傳感器：機器人自主避碰運動規(guī)劃只要求對障礙物存在或不存在進行判斷。所以，使用紅外線傳感器就可以滿足要求。其工作原理就是發(fā)射某種射線，遇到障礙物會被反射回來，這時傳感器就認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了障礙物。傳感器由紅外線發(fā)射電路和接受電路組成。單片機通過接收紅外傳感器的信號,判斷出傳感器是否檢測到障礙物,從而做出避障動作。綜合上述并結(jié)合實際，在本次設(shè)計中避障傳感器我選擇紅外傳感器。2.3.2 光電編碼器光

17、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，該機器人采用的是增量式光電編碼器。增量式光電編碼器在旋轉(zhuǎn)圓盤上設(shè)置一條環(huán)帶，將環(huán)帶沿圓周方向分割成m等分，并用不透明的條紋印刷到上面。把圓盤置于光線的照射下，透過去的光線用一個光傳感器（A）進行判讀。因為圓盤每轉(zhuǎn)過一定角度，光傳感器的輸出電壓A在H（high level）與L（low level）之間就會交替地進行轉(zhuǎn)換，所以當(dāng)把這個轉(zhuǎn)換次數(shù)用計數(shù)器進行統(tǒng)計時，就能夠知道旋轉(zhuǎn)過的角度。絕對式光電編碼器在輸入軸上的旋轉(zhuǎn)透明圓盤上

18、，設(shè)置條同心圓狀的環(huán)帶，對環(huán)帶上角度實施二進制編碼，并將不透明條紋印刷到環(huán)帶上。將圓盤置于光線的照射下，當(dāng)透過圓盤的光由n個光傳感器進行判讀時，判讀出的數(shù)據(jù)變成為nbit的二進制碼。二進制碼有不同的種類，但是只有葛萊碼是沒有判讀誤差的碼，所以它獲得了廣泛的應(yīng)用。編碼器的分辨率由比特數(shù)（環(huán)帶數(shù)）決定，例如12bit，編碼器的分辨率，由于 ，所以可以以1/4096的分辨率，對1轉(zhuǎn)360 °進行檢測。BCD編碼器，設(shè)定以十進制作為基數(shù)，所以其分辨率變?yōu)椋?60/4000）°2.4 主控制器的選擇主控制器用來接收傳感器部分傳遞過來的信號，并根據(jù)事前寫入的決策系統(tǒng)（軟件程序），來決定

19、機器人對外部信號的反應(yīng)，將控制信號發(fā)給執(zhí)行器部分，就好比人的大腦。適合機器人的控制芯片有很多：單片機、DSP、ARM甚至我們計算機上所用的CPU，都可以。但是，在本次設(shè)計中我還是選用了我們最熟悉的，價格最便宜的單片機。單片機是整個系統(tǒng)的核心，它作為馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)中的運算器、存儲器和控制器的集成，是系統(tǒng)中其它所有輸入輸出信息的控制和處理中心，本設(shè)計中采用的單片機是我們學(xué)過的C8051系列單片機。2.5 軟件功能的實現(xiàn)當(dāng)外界的傳感器傳送給單片機后，接下來就需要進行軟件編程了，來對機器人的各種行為進行控制。在本次設(shè)計中，機器人的控制系統(tǒng)采用匯編語言編程，整個軟件程序主要由主程序、初始化程序、躲避障

20、礙物子程序、尋光子程序、充電子程序和轉(zhuǎn)彎子程序，還有前進子程序等組成。主程序主要起到導(dǎo)向和決策的功能,決定什么時候該做什么，機器人的各種功能主要是通過調(diào)用具體的子程序模塊來實現(xiàn)的。2.6 電機驅(qū)動芯片的選擇在自制機器人的時候，選擇一個合適的驅(qū)動電路也是非常重要的。在我的設(shè)計中我選擇直流電動機，直流電機最常用的驅(qū)動電路是H橋電路，但是考慮如果用硬件來完成H橋電路的搭建非常麻煩，而且所占的空間也大，所以在我的設(shè)計中選擇了集成的驅(qū)動芯片LM298，這款芯片內(nèi)部集成了H橋電路，就不用再自己搭配了。給我的設(shè)計帶來了很大的方便。3 設(shè)計方框圖環(huán)境工作臺運動覺南北紅力覺南北紅接近覺南北紅視覺南北紅聽覺南北紅

21、滑覺南北紅接觸覺南北紅傳感器信號調(diào)理電路南北紅A/D轉(zhuǎn)換器南北紅單片機鍵盤南北紅試教盒南北紅機器人控制器南北紅機器人驅(qū)動器南北紅機器人南北紅環(huán)境工作臺圖3.1設(shè)計方框圖4 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1 機械部分機械部分主要由基座，手臂，末端操作器，關(guān)節(jié)等部分組成，每一部分都有若干自由度，構(gòu)成一個多自由度的機械結(jié)構(gòu)，任務(wù)的復(fù)雜程度決定了機械部分的復(fù)雜程度，構(gòu)造越復(fù)雜，自由度越多，機器人完成的任務(wù)越高級。機身部分（基座）：如同機床的床身結(jié)構(gòu)一樣，機器人機身構(gòu)成機器人的基礎(chǔ)支撐。有的機身底部安裝有機器人行走機構(gòu)；有的機身可以繞軸線回轉(zhuǎn)，構(gòu)成機器人的腰。手臂部分：分為大臂、小臂和手腕，完成各種動作。末端操作器：

22、可以是擬人的手掌和手指，也可以是各種作業(yè)工具，如焊槍、噴漆槍等。關(guān)節(jié)：分為滑動關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。實現(xiàn)機身、手臂各部分、末端操作器之間相對運動。若基座具備行走機構(gòu)、則構(gòu)成行走機器人；若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機構(gòu)，則構(gòu)成單機器人臂。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。 機器人結(jié)構(gòu)如圖4.1所示圖4.1機器人結(jié)構(gòu)SCARA是SelectiveCompliance Assembly Robot Ar

23、m的縮寫,意思 是具有選擇順應(yīng)性的裝配機器人手臂,這種SCARA機器人在水平方向具有順應(yīng)性,在垂 直方向具有很大的剛性.由于各個臂都只沿水平方向旋轉(zhuǎn),故又稱為平面關(guān)節(jié)型機器人或裝配機器人 SCARA機器人本體結(jié)構(gòu) 操作機:由臂,關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置構(gòu)成,是機器人完成作業(yè)的實體,具有和人手臂相似的功能,可在空間抓放物體或進行其它操作 驅(qū)動單元:由驅(qū)動器,減速器,檢測元件等組成 控制裝置:包括檢測(如傳感器)和控制(如計算機)兩部分,可用來控制驅(qū)動單元,檢測其運動參數(shù)是否符合規(guī)定要求,并進行反饋控制人工智能系統(tǒng):主要由兩部分組成,一部分為感覺系統(tǒng)(硬件),主要靠各類傳 感器來實現(xiàn)其感覺功能. SCA

24、RA工業(yè)機器人機械圖如圖4.2所示圖4.2 SCARA工業(yè)機器人機械圖SCARA機器人可以應(yīng)用于需要高效率的裝配、焊接、密封、搬運和拿放等眾多應(yīng)用，具有高剛性、高精度、高速度、安裝空間小、設(shè)計自由度大的優(yōu)點。它比多軸定位平臺的工作循環(huán)時間短很多，大大提高了工作效率。由于組成的部件少，因此工作更加可靠，減少維護。此外還有吸頂和倒置安裝型，方便安裝于各種空間。它們具有絕對位置記憶，無需原點返回操作，節(jié)省了時間。您可以用它們直接組成為焊接機器人、點膠機器人、光學(xué)檢測機器人、拿放機器人、插件機器人等，效率極高，占地還小，基本免維護。 SCARA工業(yè)機器人示意圖如圖4.3所示圖4.3 SCARA工業(yè)機器

25、人示意圖4.2 傳動部分 傳動機構(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SCARA機器人中，其主要傳動機構(gòu)為平移型傳動機構(gòu)。從上表一中我們可以看到各種傳動方式的對比。 機械傳動機構(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)機等等，都是機械傳動機構(gòu)的產(chǎn)物。我國古代傳動機構(gòu)，主要有齒輪傳動、繩帶傳動和鏈傳動。機器人采用的直線驅(qū)動方式包括直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的X、Y、Z向驅(qū)動,圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動和垂直升降驅(qū)動, 以及極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動。直線運動可以直接由氣缸或液壓缸和活塞產(chǎn)生, 也可

26、以采用齒輪齒條、絲杠、螺母等傳動元件把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。4.2.1 齒輪齒條裝置通常,齒條是固定不動的，當(dāng)齒輪傳動時, 齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運動, 這樣, 齒輪的旋轉(zhuǎn)運動就轉(zhuǎn)換成為拖板的直線運動。齒輪齒條裝置的運動示意圖如圖4.4所示圖4.4齒輪齒條裝置4.2.2 普通絲杠普通絲杠驅(qū)動是由一個旋轉(zhuǎn)的精密絲杠驅(qū)動一個螺母沿絲杠軸向移動。 由于普通絲杠的摩擦力較大, 效率低, 慣性大, 在低速時容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象, 而且精度低, 回差大, 因此在機器人上很少采用。 4.2.3 滾珠絲杠在機器人上經(jīng)常采用滾珠絲杠, 這是因為滾珠絲杠的摩擦力很小且運動響應(yīng)速度快。由于滾珠絲杠在絲杠螺母的

27、螺旋槽里放置了許多滾珠,傳動過程中所受的摩擦力是滾動摩擦, 可極大地減小摩擦力,因此傳動效率高,消除了低速運動時的爬行現(xiàn)象。在裝配時施加一定的預(yù)緊力,可消除回差。 在此次設(shè)計中的傳動機構(gòu)采用滾珠絲杠，可以使機器人在摩擦力非常小的情況下快速運動，并且可以實現(xiàn)多個方向的運動以實現(xiàn)機器人的三自由度的設(shè)計。5 硬件設(shè)計5.1 單片機模塊5.1.1 電源電路在電源電路中，SPX1117-3.3是穩(wěn)壓芯片將輸入電壓5V轉(zhuǎn)換成3.3V作為C8051F020單片機的主要供電電源。S2為輸入電源開關(guān)按鈕，在下載完數(shù)據(jù)后可用此按鍵來更新下載數(shù)據(jù)。其電路圖如圖5.1單片機電源電路所示。圖5.1 單片機電源電路5.1

28、.2 復(fù)位電路當(dāng)開發(fā)板上電時，C14經(jīng)充電后復(fù)位端電壓相當(dāng)于低電平實現(xiàn)上電復(fù)位：當(dāng)斷電后通過1N4148形成放電回路。其電路圖如圖5.2單片機復(fù)位電路所示。圖5.2 單片機復(fù)位電路5.1.3 液晶顯示（LCD）接口電路單片機留有一個LCD液晶接口，相對應(yīng)的液晶為MzL05-12864，它是一款僅寫入的串行SPI接口方式的液晶，給液晶僅需5個控制口即可完成對其控制。單片機使用模擬SPI的方式對液晶進行操作。其電路圖如圖5.3單片機液晶接口電路所示。圖5.3 單片機液晶接口電路5.1.4 晶振電路Y1為晶體振蕩器，其振蕩頻率為22.11842MHZ，為單片機提供其工作所需要的時鐘，C16、C17起

29、到幫助晶振的作用。電路圖如圖5.4單片機晶振電路所示。圖5.4 單片機晶振電路5.2 系統(tǒng)模塊5.2.1 電源電路在本次設(shè)計中我選用LM7805集成穩(wěn)壓電路，它的輸出電壓為5V，輸出電流可達1.5A。由LM7805集成穩(wěn)壓器組成的5V電壓源主要由變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成。如圖5.5穩(wěn)壓電源電路所示。圖5.5 穩(wěn)壓電源電路5.2.2 復(fù)位電路復(fù)位可分為外部復(fù)位和看門狗復(fù)位，通常復(fù)位都選擇外部復(fù)位方式，外部復(fù)位又叫硬件復(fù)位，硬件復(fù)位電路的工作原理是，系統(tǒng)正常工作時，RESET引腳通過4.7K電阻接到電源正極，所以應(yīng)為高電平，若按下復(fù)位按鈕按鈕，則REAET引腳通過100姐地位低電平

30、，源正極，芯片復(fù)位。如圖5.6復(fù)位電路圖所示。圖5.6 復(fù)位電路5.3 測光模塊5.3.1 光敏電阻傳感器光敏電阻是根據(jù)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的。它所用的材料主要有：硒、硫化鎘、硫化鋁、硫化鉍、硒化鎘、硒化鋅、砷化鎵、硅等。其中對可見光敏感的硫化鎘光敏電阻是最有代表性的一種。光敏電阻在使用時，可以加直流偏壓，也可以加交流偏壓，它的電流隨電壓呈線性變化。光敏電阻在無光照時，其暗阻值一般大于1500 k，在有光照時，其亮阻值為幾千歐，兩者相差較大。光敏電阻的主要特點是：靈敏度高、體積小、重量輕、電性能穩(wěn)定、可以交直流兩用，而且制造工藝簡單，價格便宜等。在實際使用中一般都選擇硫化鎘光敏電阻。以硫化鎘

31、（CdS）為主要成分的光敏電阻是應(yīng)用廣泛的一種光敏，它是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，即當(dāng)光照射在硫化鎘半導(dǎo)體表面上時，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子增加，使其電導(dǎo)率增加。CdS通常都是制成薄膜結(jié)構(gòu)的，以便收集和吸收更多的光線。光敏電阻與其他半導(dǎo)體光電器件相比，有以下特點，光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬，工作電流大，所測得光電強度范圍寬，既可測強光也可測弱光，靈敏度高，無選擇極性之分。5.3.2 光敏電阻的數(shù)量和布局光敏電阻硫化鎘在黑暗環(huán)境中的阻值大約為100 k，在明亮環(huán)境中阻值為10 k，不同的硫化鉛電阻的阻值相差很大，在機器人的設(shè)計中我選擇使用四個光敏電阻，并且需要盡量使四個硫化鎘光敏電阻的阻值相等或接近。由于硫化鎘光敏

32、電阻的電阻值變化較大，因此，在設(shè)計中最好多買幾個硫化鎘光敏電阻，使購買的數(shù)量多于需要使用的數(shù)量，然后對這些硫化鎘電阻進行測量，從中選擇一對電阻值最接近的硫化鎘光敏電阻。把篩選出來的四個硫化鎘光敏電阻，分別放在機器人的前后左右的位置，當(dāng)這四個光敏電阻傳感器接收光線的強度近似相等時，機器人靜止，否則移動。5.3.3 光敏電阻的測量電路機器人的測光電路如圖5.7測光電路所示。在設(shè)計中采用橋電路，通過四個方向光強的照射，經(jīng)過電壓比較器來比較反饋光強度，并比較被測光強。該電路的工作原理如下：兩只光敏電阻通過下拉電阻連接到電壓比較器的輸入端，兩只下拉電阻的阻值相等，因為兩只光敏電阻的阻值不可能完全相等，所

33、以在設(shè)計中又添加了一個滑動變阻器。光敏電阻1是安裝在機器人的左側(cè)，光敏電阻2安裝在右側(cè)的。當(dāng)左側(cè)的光強大于右側(cè)的光強時，光敏電阻1的阻值將變小，所分的電壓也將變小，那么與它相連的固定電阻R9所分的電壓將變大，這時電壓比較器將會輸出一個低電平信號。當(dāng)右側(cè)的光強大于左側(cè)的光強時，光敏電阻2的阻值將變小，所分的電壓也將變小，那么與它相連的固定電阻R10所分的電壓將變大，這時電壓比較器將會輸出一個高電平信號。把轉(zhuǎn)化之后的數(shù)字量送入單片機進行處理，來驅(qū)動機器人。圖5.7 測光電路5.4 避障模塊5.4.1 紅外傳感器把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器。紅外式接近覺傳感器的基本工作原理：它包括

34、兩個組成部分發(fā)送器與接收器。發(fā)送器往往為紅外發(fā)光二極管，而接收器一般為光敏晶體管。發(fā)送器向某物發(fā)出一束紅外光后，該物體發(fā)射紅外光，并被接收器所接收。通過反射與接收達到判斷物體的存在的目的，經(jīng)過信號處理與解算，又可獲得其相對距離，從而確定其位置。紅外式接近傳感器的明顯優(yōu)點是在于它的發(fā)送器與接收器都很小，因此可以方便安裝在機器人的各個部位。且它的應(yīng)答性好，維修方便，是目前應(yīng)用較多的種接近覺傳感器。一般把它用于移動機器人的路徑探測和躲避障礙物。紅外傳感器主要分為光電型和熱敏型。紅外傳感器由兩個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管組成。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，紅外線在遇到障礙物后被反射回來，紅外接收管收到被反射回

35、來的紅外線后，通過A/D轉(zhuǎn)換送入單片機進行處理，并電量發(fā)光二極管LED。告訴機器人前方有障礙物，不能直線前進了，要轉(zhuǎn)彎。5.4.2 紅外傳感器的測量電路傳感器由紅外線發(fā)射電路和檢測器組成。發(fā)射電路使用555時基電路組成的脈沖發(fā)生器，其工作頻率為38kHz，占空比為60%。其震蕩頻率為： （4.1）由式（4.1）可知當(dāng)C=lnf、f=38Hz時，（Ra+2Rb）=37.97K。選定Rb=15K，Ra通過一個可變電阻調(diào)節(jié)得到。555產(chǎn)生的脈沖波由OUT腳輸出，經(jīng)電阻加到驅(qū)動三極管的基極上，由三極管驅(qū)動紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線。檢測器使用一個標(biāo)準(zhǔn)的38kHz的電視遙控接收器。由非門74HC14將信號

36、整形，可以得到穩(wěn)定的方波信號。在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前方?jīng)]有障礙物時檢測器也發(fā)生電平變化。經(jīng)分析認(rèn)為是紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線中的一部分直接被檢測器檢測到所造成的。在紅外發(fā)光二極管和檢測器之間加裝金屬隔板后，問題得到解決。如圖5.8紅外發(fā)射電路所示。圖5.8 紅外發(fā)射電路5.5 電機驅(qū)動模塊5.5.1 LM298簡介LM298是雙通道直流電動機驅(qū)動芯片，它可以滿足機器人正反轉(zhuǎn)控制的需要。LM298是一塊單片集成電路，有兩種封裝形式，它是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，可以用來驅(qū)動2個直流電動機，也可以驅(qū)動感性負(fù)載，如繼電器、電動閥、步進電動機等。采用LM298作為電動機驅(qū)動電路，可靠性高，可以方便

37、地控制電動機的正反轉(zhuǎn)。LM298內(nèi)部包含2個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器接收標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號，可以驅(qū)動46V、2A以下的電機。LM298可驅(qū)動兩個電機，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接兩個電動機，5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)，這些特性使得LM298很適合作直流電機控制芯片。5.5.2 H橋原理簡述所謂 H 橋驅(qū)動電路是為了直流電機而設(shè)計的一種常見電路，它主要實現(xiàn)直流電機的正反向驅(qū)動，其典型電路形式如右圖5.9H橋所示： 圖5.9 H橋（1）開關(guān) S1、S4接通，電機為正向轉(zhuǎn)動；（2）開關(guān)S2、S3接通時，直

38、流電機將反向轉(zhuǎn)動；（3）剎車 將B 、D開關(guān)（或A、C）接通，則電機慣性轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電勢將被短路，形成阻礙運動的反電勢，形成“剎車”作用；（4）惰行 4個開關(guān)全部斷開，則電機慣性所產(chǎn)生的電勢將無法形成電路，從而也就不會產(chǎn)生阻礙運動的反電勢，電機將慣性轉(zhuǎn)動較長時間。5.5.3 驅(qū)動電路的設(shè)計由于從單片機出來的信號太小，不能驅(qū)動電動機正常運轉(zhuǎn)，所以在單片機與電動機之間添加一個驅(qū)動電路。如圖5.10驅(qū)動電路所示。采用專用芯片LM298作為電機驅(qū)動芯片。LM298采用由達林頓管組成的H型PWM電路。其中，M1、M2是直流電動機，VD4VD11是整流二極管。LM298的輸入輸出關(guān)系：使能控制端ENA接單片

39、機的端口，當(dāng)這個端口為高電平時，通過PWM信號輸入端IN1和IN2可以控制電動機的正反轉(zhuǎn)和速度（輸入端IN1為PWM信號，輸入端IN2為低電平，電動機正傳；輸入端IN2為PWM信號，輸入端IN1為低電平，電動機反轉(zhuǎn)）；當(dāng)它為低電平時，驅(qū)動電橋上的4個晶體管全部截止，使正在運行的電動機電樞電流反向，電動機自由停止。該驅(qū)動電路的工作過程是，單片機的兩個PWM輸出口P1.0和P1.2分別用于控制左右兩個直流電機，分別連到LM298的IN1和IN3兩個輸入端，主要用來控制電機的轉(zhuǎn)速。P1.1和P1.3是控制電機的正反轉(zhuǎn)的，分別連在LM298的IN2和IN4兩個輸入端。這樣，就可以實現(xiàn)LM298輸出端對

40、電機的控制了。圖5.10 驅(qū)動電路6 軟件設(shè)計 系統(tǒng)初始化6.1 軟件流程圖檢測工件是否檢測到工件否繼續(xù)向工件移動工件是否位于兩指中心否夾緊工件向上移動左移同時檢測是否有待安裝工件位置否向下移動并安裝結(jié)束圖6.1 軟件流程圖7 工作過程分析本次課程設(shè)計的題目是SCARA工業(yè)機器人設(shè)計，我分別從機械部分，控制部分，傳感器部分加以分析，介紹。機械部分為單機器人臂，旋轉(zhuǎn)自由度由立柱部分完成，另外兩個自由度為手臂的升降和伸縮。其中手腕部分我采用柔順手腕，這樣可以避免由于末端操作器的力過大而損壞工件。手指部分我采用的是V行指，適用于抓取圓柱形工件。實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動機構(gòu)我選伺服電機，因為其能準(zhǔn)確的定位，

41、控制角度。并且是閉環(huán)結(jié)構(gòu)，精度高。傳動機構(gòu)我選齒輪鏈，將電機輸出地高速度，低轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)化為需要的低速，高轉(zhuǎn)矩。至于直線運動的得驅(qū)動，我選直流電機，直流電機控制穩(wěn)定，易調(diào)速，簡單，傳動機構(gòu)，我選齒輪齒條式，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，實現(xiàn)手臂的伸縮和升降。關(guān)于傳感器，首先，我們需要檢測工件和待安裝工件的位置，所以我用紅外測距傳感器，通過檢測距離，來判斷工件的位置，最終找到工件。這其中在手爪實現(xiàn)抓取的時候需要通過光電開關(guān)來判斷工件是否在兩手指的中心位置，如果在，則夾緊工件，如不在，則繼續(xù)抓取。其中，紅外測距傳感器分別安在手指的底部和側(cè)面，用來檢測工件及安裝位置。光電開關(guān)和滑覺傳感器均安在手指內(nèi)表面用于

42、搬運過程中的反饋信息。在關(guān)節(jié)處安裝力及速度傳感器，用于實時檢測電機輸出及控制中的力反饋?？刂撇糠治疫xC8051F020單片機，用LM298驅(qū)動直流電機。這里面涉及到運動學(xué)及動力學(xué)的知識。我們首先需要確定，機械手在空間的坐標(biāo)，通過運動學(xué)逆解將其轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)坐標(biāo)，在通過動力學(xué)正解算出各個關(guān)節(jié)需要的驅(qū)動力，之后生成伺服指令，輸入控制器，機械手就開始工作了。8 元器件清單表8.1所用元器件表名稱型號數(shù)量備注普通電阻器13電容2光敏電阻4紅外傳感器17整流二極管1N400414發(fā)光二極管3LED單片機C8051F0201直流電機2電源15V3.3V集成穩(wěn)壓器LM78051變壓器1LM2981TLC5551

43、9 主要元器件介紹9.1 光敏電阻CdS光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。以硫化鎘（CdS）為主要成分的光敏電阻是應(yīng)用廣泛的一種光敏，它是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，即當(dāng)光照射在硫化鎘半導(dǎo)體表面上時，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子增加，使其電導(dǎo)率增加。CdS通常都是制成薄膜結(jié)構(gòu)的，以便收集和吸收更多的光線。光敏電阻與其他半導(dǎo)體光電器件相比，有以下特點，光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬，工作電流大，所測得光電強度范圍寬，既可測強光也可測弱光，靈敏度高，無選擇極性之分。9.

44、2 紅外傳感器紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)。紅外傳感技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器。紅外傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙控。它可以不從被測物體上吸收熱量，不會干擾被測對象的溫度場，連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗，反應(yīng)快等優(yōu)點。紅外傳感器主要分為光電型和熱敏型。光電型是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成的，其核心是光電元件，這類傳感器主要有紅外二極管、三極管等。熱敏型主要制作紅外溫度傳感器，它是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，其核心是熱敏元件。9.3 LM7805三端穩(wěn)壓集成電路LM7805。電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的lm78 ×× 系列和負(fù)電壓輸出的lm79××系