爬桿機器人的研制

1、爬桿機器人的研制1、緒論1.1機器人系統(tǒng)概論1.1.1 機器人發(fā)展?fàn)顩r 隨著現(xiàn)代工業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是進(jìn)入二十世紀(jì)以來微電子技術(shù)的飛速發(fā)展使得機器人技術(shù)也有了長足的發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)中，軍工中越來越廣泛的使用機器人來替代人的工作，這樣不但提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率而且機器人把人從一些比較惡劣的工作環(huán)境中解脫出來，改善了人們的工作環(huán)境。在航天工業(yè)中機器人更是發(fā)揮著不可替代的作用，給人類探索宇宙做出了巨大貢獻(xiàn)。機器人的使用水平是一個國家工業(yè)化發(fā)展的水平的一個標(biāo)志。在我國實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)線的企業(yè)還很少，但是機器人自動化生產(chǎn)線在西方一些國家早已經(jīng)普及，所以生產(chǎn)效率大大提高從而經(jīng)濟(jì)得到了迅猛發(fā)展。 工業(yè)機器人操

2、作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：探索新的高強度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比，同時機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。二機器人控制技術(shù)：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。三多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。四機器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系

3、統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。五機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機器人半自主和自主技術(shù)，多機器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。1.1.2機器人的發(fā)展趨勢國內(nèi)外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： 1機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的103萬美元降至97年的65萬美元

4、。   2機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。   3機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。   4機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)

5、境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。   5虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。   6當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。   7機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際

6、研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。 我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有

7、差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。    我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控

8、制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。1.2課題任務(wù)1.2.1課題背景和研究意義隨著機器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事法方面的迅速發(fā)展，機器人學(xué)的發(fā)展條件已日趨成熟，他現(xiàn)在已深入到世界和各個國家的各個領(lǐng)域，并在將來的發(fā)展中有廣闊的發(fā)展前景，成為機電計算機之后

9、的又一國家支柱產(chǎn)業(yè)。我國的機器人發(fā)展起步比較晚，近幾年來發(fā)展也很快，較發(fā)達(dá)國家相比還有一定差距 本課題是屬于機器人研制方面的題目。本課題應(yīng)用的知識較多，既有機構(gòu)設(shè)計、計算機繪圖、有限元分析，又有單片機匯編語言編程等多方面知識。機器人現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域，在現(xiàn)代生活中，高空作業(yè)不斷增加，如高樓清洗、油漆、噴涂料、救護(hù)、大橋纜繩的檢查和維護(hù)、電力系統(tǒng)架設(shè)電纜、瓷瓶清潔等等。這些給高空作業(yè)的工作人員帶來了很大的不安因素。爬竿機器人能夠按照人們預(yù)設(shè)的動作、代替人完成各種高空作業(yè)，改善了工人的工作條件。該型號機器人使用氣缸作為動力元件,具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠等優(yōu)點。該裝置能夠按照

10、人們預(yù)設(shè)的動作，代替人完成各種高空作業(yè)。因而研制成該機器人，能應(yīng)用于實際生產(chǎn)當(dāng)中，有具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。通過對這一課題的涉及，能夠進(jìn)一步了解機器人的設(shè)計、氣動元件的控制等方面的知識。1.2.2本文完成的主要工作本題目的設(shè)計工作內(nèi)容為：研制一臺能自動爬桿的機器人。要求對其機構(gòu)設(shè)計和動力進(jìn)行計算機構(gòu)設(shè)計、機構(gòu)運動。機器人的設(shè)計部分包括：學(xué)、動力計算等。具體內(nèi)容為： 1、機器人的總體方案設(shè)計；2、機器人夾持機構(gòu)及其控制系統(tǒng)的設(shè)計，折合A1的手工繪圖2張；3、機器人爬升機構(gòu)設(shè)計；4、進(jìn)行單片機控制系統(tǒng)設(shè)計；5、完成全部系統(tǒng)的安裝調(diào)試工作該機器人的設(shè)計規(guī)格為： 1、可搬運重量：最大20Kg； 2、桿直徑

11、范圍10cm30cm； 3、爬行速度大約為4m/min； 4、動力部件為氣缸，爬升氣缸行程大于30cm；2、系統(tǒng)總體方案設(shè)計2、1機械部分方案設(shè)計 機器人采用氣缸作為動力元件，包括兩個夾緊氣缸和兩個爬升氣缸。機器人主要有夾緊機構(gòu)和爬升機構(gòu)組成，其中夾緊機構(gòu)包括上加緊機構(gòu)和下夾緊機構(gòu)，這兩個機構(gòu)由爬升氣缸相連。兩個夾緊機構(gòu)起保持器的作用，爬升氣缸起推進(jìn)器的作用，為了增加系統(tǒng)的剛性，爬升氣缸采用自身代導(dǎo)桿的PGU20X250型氣缸。系統(tǒng)運動框圖如圖2.1所示：爬升氣缸充氣伸長上加緊機構(gòu)氣缸松開下加緊機構(gòu)氣缸充氣抱緊圓桿上加緊機構(gòu)氣缸充氣抱緊圓桿上加緊機構(gòu)氣缸松開爬升氣缸收縮圖2.1 機器人運動框圖

12、2.2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計 控制系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89S52單片機為核心控制單元，通過單片機驅(qū)動電磁閥來完成機器人的各種動作。并通過無線數(shù)據(jù)傳輸對機器人的起停進(jìn)行遙控。為了提高設(shè)計效率，我們采用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊來實現(xiàn)對機器人的遙控功能。2.2.1 AT89S52單片機簡介AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT

13、89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 管腳圖如圖5.2所示：圖2.2 AT89S52管腳圖VCC : 電源GN

14、D: 地P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1 口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL

15、）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號第二功能P1.0 T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用）P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用）P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用）P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高

16、，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR）時，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3 口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入

17、使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。RST: 復(fù)位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2 個機器周期高電平將使單片機復(fù)位?？撮T狗計時完成后，RST 腳輸出96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，AL

18、E 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE 僅在執(zhí)行MOVX 或MOVC指令時有效。否則，ALE 將被微弱拉高。這個ALE 使能標(biāo)志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。PSEN:外部程序存儲器選通信號（PSEN）是外部程序存儲器選通信號。當(dāng)AT89S52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN將不被激活。EA/VP

19、P:訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H 到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)該接VCC。在flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。2.2.2 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊功能介紹 線數(shù)據(jù)傳輸廣泛地運用在車輛監(jiān)控、遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標(biāo)簽、身份識別、非接觸RF智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號采集、水文氣象監(jiān)控、機器人控制、無線232數(shù)據(jù)通信、無線485/422數(shù)

20、據(jù)通信、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像傳輸?shù)阮I(lǐng)域。圖2.3 數(shù)據(jù)發(fā)射模塊的電路圖圖2.4 數(shù)據(jù)接收模塊的電路圖SP發(fā)射模塊主要技術(shù)指標(biāo)：1。通訊方式：調(diào)幅AM2。工作頻率：315MHZ/433MHZ3。頻率穩(wěn)定度：±75KHZ4。發(fā)射功率：500MW5。靜態(tài)電流：0.1UA6。發(fā)射電流：350MA7。工作電壓：DC 312VSP接收模塊主要技術(shù)指標(biāo)：1。通訊方式：調(diào)幅AM2。工作頻率：315MHZ/433MHZ3。頻率穩(wěn)定度：±200KHZ4。接收靈敏度：106DBM5。靜態(tài)電流：5MA6。工作電流：5MA7。工作電壓：DC 5V 8。輸出方式：TTL電平SP接收模塊的工作電壓為5伏，

21、靜態(tài)電流4毫安，它為超再生接收電路，接收靈敏度為105dbm，接收天線最好為2530厘米的導(dǎo)線，最好能豎立起來。接收模塊本身不帶解碼集成電路，因此接收電路僅是一種組件，只有應(yīng)用在具體電路中進(jìn)行二次開發(fā)才能發(fā)揮應(yīng)有的作用，這種設(shè)計有很多優(yōu)點，它可以和各種解碼電路或者單片機配合，設(shè)計電路靈活方便。單片機對接收模塊的干擾單片機模擬2262時一般都很正常，然而單片機模擬2272解碼時通常會發(fā)現(xiàn)遙控距離縮短很多，這是因為單片機的時鐘頻率的倍頻都會對接收模塊產(chǎn)生干擾，51系列單片機工作的時候，會產(chǎn)生比較強的電磁輻射，頻率范圍在9MHZ-900MHZ，因此它會影響任何此頻率內(nèi)的無線接收設(shè)備的靈敏度，解決的方

22、法是盡量降低CPU 晶體的頻率。測試表明：在1M晶體的輻射強度，只有12M晶體時的1/3，因此，如果把晶體頻率選擇在500K以下，可以有效降低CPU的輻射干擾。另外一個比較好的方法是：將接收模塊通過一個3芯屏蔽電纜（地，+5V，DATA，屏蔽線的地線懸空）將模塊引出到離開單片機2米以外，則不管51CPU使用那個頻率的晶體，這種干擾就會基本消除。對于PIC單片機，則沒有上述輻射干擾?？梢匀我馐褂?。還可以改用頻點較高的接收頻率，如433MHz就可增加遙控距離，或者需要采用一些抗干擾措施來減小干擾。比如單片機和遙控接收電路分別用兩個5伏電源供電，將DF接收板單獨用一個78L05供電，單片機的時鐘區(qū)遠(yuǎn)

23、離DF接收模塊，降低單片機的工作頻率，中間加入屏蔽等。接收模塊和51系列單片機接口時最好做一個隔離電路，能較好地遏制單片機對接收模塊的電磁干擾。 接收模塊和單片機的接口如圖2.5所示圖2.5接收模塊和單片機的接口SP接收模塊工作時一般輸出的是高電平脈沖，不是直流電平，所以不能用萬用表測試，調(diào)試時可用一個發(fā)光二極管串接一個3K的電阻來監(jiān)測SP模塊的輸出狀態(tài)。SP無線數(shù)據(jù)模塊和PT2262/PT2272等專用編解碼芯片使用時，連接很簡單只要直接連接即可，傳輸距離比較理想，一般能達(dá)到800米以上，圖2.6由收發(fā)模塊組成的遙控組件2.2.3 程序流程圖系統(tǒng)上電以后首先進(jìn)行自身狀態(tài)的初始化，初始化后等待

24、爬升命令，接到爬升命令后開始爬升，在爬升過程中，系統(tǒng)通過光電對射管自動檢測是否已經(jīng)爬到頂端，到達(dá)頂端以后將自動停止。如果在爬升過程中接收到下降或暫停命令，系統(tǒng)將自動轉(zhuǎn)換到所要求的工作狀態(tài)。圖2.7控制系統(tǒng)流程圖爬升子程序 下降子程序圖2.8子程序流程圖3、夾緊機構(gòu)設(shè)計3.1 結(jié)構(gòu)組成夾緊機構(gòu)主要由六部分組成，側(cè)桿、前頂稈、后頂桿、后桿、加強塊、氣缸。如圖3.1所示： 圖3.1夾緊機構(gòu)圖其中，各桿材料均為Q235A,氣缸采用普通單出桿氣缸。3.2前頂稈尺寸設(shè)計圖3.2前頂桿尺寸圖為了使夾持器更好的工作，將其設(shè)計為弓形。根據(jù)設(shè)計要求，桿的直徑范圍為100-300mm ,所以前頂稈的寬度尺寸必須大于

25、300mm.取:前頂稈寬度：L=330mm拱高：H=100/2=50 mm彎折角度： =25厚度： 10 mm 前頂稈與側(cè)桿采用螺栓固定，選用M14的六角頭螺栓GB/T5782-2000 兩個。 3.3 后頂桿尺寸設(shè)計圖3.3后頂桿尺寸圖后頂桿與前頂稈外觀尺寸完全相同，連接方式也相同。后頂桿直接和加緊氣缸相連接。連接方式采用螺紋直接連接。所以在后頂桿上設(shè)有M8的螺紋孔外觀尺寸為： 前頂稈寬度：L=330mm拱高：H=100/2=50 mm彎折角度：=25 厚度：10 mm3.4側(cè)桿尺寸設(shè)計圖3.4側(cè)桿尺寸圖側(cè)桿分外左側(cè)桿和右側(cè)桿兩部分，兩部分尺寸完全相同。側(cè)桿是夾持機構(gòu)中的主要支撐元件。側(cè)桿上

26、開有滑槽，根據(jù)設(shè)計要求，桿的直徑范圍為100-300mm 所以滑槽的長度： L=210 mm夾持機構(gòu)的最大行程：Lmax=L+2H=210+2x50=310>300,符合設(shè)計要求。因為后頂桿的滑動速度很低，為了簡化設(shè)計，直接采用M14的六角頭螺栓GB/T5782-2000來代替劃塊。故:滑槽的寬度：L=15mm 綜合考慮安裝等因素，確定側(cè)桿尺寸：Lc=326mm3.5后桿尺寸設(shè)計圖3.5后桿尺寸設(shè)計后桿在機構(gòu)中的作用比較重要，一方面它爬升氣缸和夾持機構(gòu)的連接件，另一方面他是加緊氣缸的支撐件。故在設(shè)計是應(yīng)根據(jù)兩個氣缸的外形尺寸來設(shè)計。后桿和加緊氣缸的連接采用氣缸上的螺紋直接連接，在其上打M

27、20的螺紋通孔。后桿和爬升氣缸的連接采用螺栓連接，在其上適當(dāng)位置打8個M4的螺紋通孔。選取螺栓型號為GB/T6170-20003.6加強塊寸設(shè)計圖3.6加強塊尺寸設(shè)計為了更好的的實現(xiàn)加緊功能，增大摩擦力，在后頂桿中部設(shè)置一加強塊，上面嵌以膠皮，這樣便增大了受力面積，同時橡膠也增大了摩擦系數(shù)。可以使系統(tǒng)的工作更加可靠。加強塊和后頂桿采用螺栓連接。具體尺寸如圖3.6所示。3.7 氣缸的選擇3.7.1夾緊氣缸選擇夾緊氣缸選擇型號為MAL20x160，其具體參數(shù)為：活塞直徑：Ø20mm最大行程：160 mm壓力范圍：0.1-0.7MP受力計算：根據(jù)設(shè)計要求，機器人最大負(fù)重可達(dá)20Kg,機器人

28、自重約為25Kg建立上部夾緊機構(gòu)的力學(xué)模型：（圖3.7）符號說明：f：摩擦力Fn:氣缸提供的推力Fn:圓桿的支反力Mg:機構(gòu)自身重力F機構(gòu)負(fù)重本計算采用簡化算法，其中將機器人的重力作用點移到圖示位置.圖3.7 受力分析圖在垂直方向建立平衡方程; (3-1)所以： (3-2)單側(cè)所受摩擦力 (3-3) 又： 查表得摩擦系數(shù) u=0.5 (3-4)對氣缸進(jìn)行受力分析：其中， (3-5)圖3.8氣缸受力分析建立平衡方程：其中S=0.02x0.02=0.0004為大氣壓強1.01xPa所以： 0.602Mpa<0.7Mpa (3-6)符合設(shè)計要求，型號選擇正確。3.7.2爬升氣缸選擇爬升氣缸選用

29、PGU20x250該氣缸自身帶導(dǎo)桿，增強了機構(gòu)的穩(wěn)定性。為了防止系統(tǒng)因氣缸偏置而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，所以采用兩個氣缸雙側(cè)布置。氣缸主要參數(shù)如下：活塞直徑：Ø20mm 最大行程：250 mm壓力范圍：0.1-0.7MP計算當(dāng)氣缸達(dá)到極限壓力時（P=0.7MPa）所產(chǎn)生的最大提升力: (3-7)設(shè)計要求為450N,符合設(shè)計要求。3.8螺栓連接強度計算前頂桿和側(cè)桿的連接采用緊螺栓連接，前頂桿受到的壓力所以，螺栓連接所需要的摩擦為： (3-8)查得結(jié)合面的摩擦系數(shù),設(shè)所需預(yù)緊力為則有： (3-9)預(yù)選螺栓型號為六角頭螺栓M5x40，GB/T5782-2000<= (3-10)螺栓選擇符合要求

30、。4、控制部分設(shè)計4.1單片機驅(qū)動部分控制系統(tǒng)采用單片機控制電磁閥的方式來實現(xiàn)，采用三極管作為功率放大元件原理圖4-1所示：圖4.1單片機驅(qū)動電磁閥原理圖上圖畫出了一路輸出的情況，由圖可知：電磁閥由三極管驅(qū)動，當(dāng)單片機的輸出口輸出高電平時電磁閥導(dǎo)通，氣缸充入氣體伸長，當(dāng)單片機輸出低電平時電磁閥閉合，氣缸收縮，這樣我們通過單片機控制氣缸的收縮就實現(xiàn)了爬升的動作。4.2顯示部分 本系統(tǒng)的顯示部分全部由數(shù)碼管實現(xiàn)，顯示的內(nèi)容包括：1、 機器人爬升高度實時顯示2、 機器人爬升速率實時顯示3、 爬升參數(shù)設(shè)定顯示4.2.1顯示部分總體設(shè)計八段LED顯示器由8個發(fā)光二極管組成?；?個長條形的發(fā)光管排列成“

31、日”字形，另一個圓點形的發(fā)光管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，它能顯示各種數(shù)字及部分英文字母。LED顯示器有兩種不同的形式：一種是8個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED顯示器；另一種是8個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED顯示器。共陰和共陽結(jié)構(gòu)的LED顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。當(dāng)二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示的各種字符。8個筆劃段hgfedcba對應(yīng)于一個字節(jié)（8位）的D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用8位二進(jìn)制碼就可以表示欲顯示字符的字形代碼。例如，對于共陰LED顯示器，當(dāng)公共陰極接地（為零電平），而陽極h

32、gfedcba各段為0111011時，顯示器顯示"P"字符，即對于共陰極LED顯示器，“P”字符的字形碼是73H。如果是共陽LED顯示器，公共陽極接高電平，顯示“P”字符的字形代碼應(yīng)為10001100（8CH）。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示器顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機中CPU的開銷小?？梢蕴峁﹩为氭i存的I/O接口電路很多，所以在這里用的是靜態(tài)顯示。 圖

33、4.2 164驅(qū)動數(shù)碼管原理圖MCS-51單片機串行口方式0為移位寄存器方式，外接4片74LS164作為6位LED顯示器的靜態(tài)顯示接口，把89S52的RXD作為數(shù)據(jù)輸出線，TXD作為移位時鐘脈沖。74LS164為TTL單向8位移位寄存器，可實現(xiàn)串行輸入，并行輸出。其中A、B（第1、2腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，2個引腳按邏輯與運算規(guī)律輸入信號，共一個輸入信號時可并接。T（第8腳）為時鐘輸入端，可連接到串行口的TXD端。每一個時鐘信號的上升沿加到T端時，移位寄存器移一位，8個時鐘脈沖過后，8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74LS164中。R（第9腳）為復(fù)位端，當(dāng)R=0時，移位寄存器各位復(fù)0，只有當(dāng)R=1時，時鐘脈

34、沖才起作用。Q1Q8（第3-6和10-13引腳）并行輸出端分別接LED顯示器的hg···a各段對應(yīng)的引腳上。在給出了8個脈沖后，最先進(jìn)入74LS164的第一個數(shù)據(jù)到達(dá)了最高位，然后再來一個脈沖會有什么發(fā)生呢？再來一個脈沖，第一個脈沖就會從最高位移出，搞清了這一點，下面讓我們來看電路，6片7LS164首尾相串，而時鐘端則接在一起，這樣，當(dāng)輸入8個脈沖時，從單片機RXD端輸出的數(shù)據(jù)就進(jìn)入到了第一片74LS164中了，而當(dāng)?shù)诙€8個脈沖到來后，這個數(shù)據(jù)就進(jìn)入了第二片74LS164，而新的數(shù)據(jù)則進(jìn)入了第一片74LS164，這樣，當(dāng)?shù)诹鶄€8個脈沖完成后，首次送出的數(shù)據(jù)被送到

35、了最左面的164中，其他數(shù)據(jù)依次出現(xiàn)在第一、二、三、四、五片74LS164中。以下是子程序：DISPLAY: RRXD EQU P1.6 TTXD EQU P1.7 MOV R0,#30H ;開始在30單元 MOV DPTR,#TABDISII: MOV A,R0 ;DISPP: MOVC A,A+DPTR MOV R3,#08H OUT0: RRC A MOV RRXD,C CLR TTXD SETB TTXD INC R0 CJNE R0,#35H,DISII ;結(jié)束在34單元 RETTAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,67HDB77H,

36、7CH,39H,5EH,79H,71H DB0BFH,086H,0DBH,0CFH,0E6H,0EDH,0FDH,087H0FFH,0D7HDB 0F7H,0FCH,0B9H,0DEH,0F9H,0F1H4.3傳感器部分系統(tǒng)傳感器共分為兩部分，一是需要檢測氣缸動作是否已經(jīng)到達(dá)了極限位置，二是需要檢測機器人是否已經(jīng)爬到了桿的終點，如果到了終點卻沒有收到停止命令，機器人應(yīng)能夠自動停止爬升，以保證安全。綜合考慮各種傳感器，我分別采用霍爾元件傳感器和光電對射管作為檢測元件，下面分別對這兩種傳感器作一下簡要介紹。4.3.1霍爾元件傳感器霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力、

37、壓差、轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。雖然它的轉(zhuǎn)換率較低，溫度影響大，要求轉(zhuǎn)換精度較高時必須進(jìn)行溫度補償，但霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，堅固，頻率響應(yīng)寬（從直流到微波），動態(tài)范圍（輸出電動勢的變化）大，無觸點，使用壽命長，可靠性高，易于微型化和集成電路化，因此在測量技術(shù)、自動化技術(shù)和信息處理等方面得到廣泛的應(yīng)用。一、工作原理與特性（一）霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。假設(shè)薄片為N型半導(dǎo)體，磁感應(yīng)強度為B的磁場方向垂直于薄片，如圖5-6所示，在薄片左右兩端通以電流I (稱為控制電流)，那么半導(dǎo)體中的載流子

38、(電子)將沿著與電流I的相反方向運動。由于外磁場B的作用，使電子受到磁場力FL(洛侖茲力)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子有所積累而帶負(fù)電，前端面則因缺少電子而帶正電，在前后端面間形成電場。該電場產(chǎn)生的電場力FE阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)FE與FL相等時，電子積累達(dá)到動態(tài)平衡。這時，在半導(dǎo)體前后兩端面之間(即垂直于電流和磁場的方向)建立電場，稱為霍爾電場EH，相應(yīng)的電勢就稱為霍爾電勢UH。電子都以均一的速度v按圖示方向運動，那么在B的作用下所受的力FLevB，其中e為電子電荷量，e1.602×10-19C。同時，電場EH作用于電子的力FH-eEH，式中的負(fù)號表示力的方向與電場方向相反

39、。設(shè)薄片長、寬、厚分別為l、b、d，則FH-eUH/b。當(dāng)電子積累達(dá)到動態(tài)平衡時FLFH0，即vBUH/b。而電流密度j=-nev，n為N型半導(dǎo)體中的電子濃度，即單位體積中的電子數(shù)，負(fù)號表示電子運動速度的方向與電流方向相反。所以I=jbd=-nevbd，即v=-I/(nebd) 。將v代入上述力平衡式，則得 (4-1)式中 RH&#0;&#0;霍爾系數(shù)，RH-1/ne（m3·C-1），由載流材料物理性質(zhì)所決定. 具有上述霍爾效應(yīng)的元件稱為霍爾元件。霍爾式傳感器就是由霍爾元件所組成。金屬材料中自由電子濃度n很高，因此RH很小，使輸出UH極小，不宜作霍爾元件。如果是P型半

40、導(dǎo)體，載流子是空穴，若空穴濃度為p，同理可得UHIB/ped。因RH（其中為材料電阻率；為載流子遷移率，=v/E，即單位電場強度作用下載流子的平均速度），一般電子遷移率大于空穴遷移率，因此霍爾元件多用N型半導(dǎo)體材料?；魻栐奖。磀越?。?，kH就越大，所以通?；魻栐驾^薄。薄膜霍爾元件厚度只有1m左右。(二) 霍爾接近傳感器和接近開關(guān)在霍爾器件背后偏置一塊永久磁體，并將它們和相應(yīng)的處理電路裝在一個殼體內(nèi)，做成一個探頭，將霍爾器件的輸入引線和處理電路的輸出引線用電纜連接起來構(gòu)成如下圖所示的接近開關(guān)。圖4.3接近開關(guān)原理圖圖4.4霍爾線性接近傳感器 圖4.5霍爾接近開關(guān)霍爾線性接近傳感器主要用

41、于黑色金屬的自控計數(shù)，黑色金屬的厚度檢測、距離檢測、齒輪數(shù)齒、轉(zhuǎn)速檢測、測速調(diào)速、缺口傳感、張力檢測、棉條均勻檢測、電磁量檢測、角度檢測等。霍爾接近開關(guān)主要用于各種自動控制裝置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自動計數(shù)、各種計數(shù)、各種流程的自動銜接、液位控制、轉(zhuǎn)速檢測等等.4.3.2光電傳感器光敏傳感器是應(yīng)用半導(dǎo)體材料的內(nèi)光電效應(yīng)。它分兩類，其一是光電導(dǎo)效應(yīng)：在光作用下，電子吸收光子能量，使半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率顯著改變。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻；其二是光生伏特效應(yīng)：在光作用下，使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生一定方向的電動勢?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管和光敏三極管等。1、 光敏電阻光敏電

42、阻是由一些半導(dǎo)體材料（如CdS、ZnS、PbS等）制成的電阻器件，它是應(yīng)用半導(dǎo)體材料的的內(nèi)光電效應(yīng)。當(dāng)無光照射時，光敏電阻（暗電阻）值很大，電路中暗電流很??；當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照射時，它的電阻（亮電阻）急劇減少，電路中光電流迅速增大。2、電池光電池是一種能直接將光照度轉(zhuǎn)換為電動勢的半導(dǎo)體器件。按半導(dǎo)體材料的不同，有多種類型，如硅光電池、硒光電池、砷化鎵光電池等，其中作為能量轉(zhuǎn)換使用最廣的是硅光電池3光敏二極管光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，其敏感元件是一個具有光敏特性的PN結(jié)，如下圖所示。它封裝在一個金屬管殼內(nèi)，管殼頂部裝有透光玻璃，入射光透過玻璃直接照射在管芯的PN結(jié)上。電路中

43、PN結(jié)一般處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻大，反向電流（又稱暗電流）很小，處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)光照在PN結(jié)上，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對時，使少數(shù)載流子（電子）的濃度增加，因此通過PN結(jié)的光電流也增加。通過外電路的光電流強度隨入射光照度變化，光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。圖4.6光敏二極管符號圖4.7光敏二極管接法光電傳感器的構(gòu)成：光電傳感器在一般有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器，接收器和檢測電路圖4.8光電傳感器構(gòu)成4、光電開關(guān)工作方式：（1）槽開光電開關(guān)：    把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)的是槽形光電

44、。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關(guān)便動作。輸出一個開關(guān)控制信號，切斷或接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關(guān)的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。（2）對射式光電開關(guān)：若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關(guān)就稱為以射分離式光電開光，簡稱對射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號。（3）反光板反射式光電開關(guān)：把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置內(nèi)，在它的前方裝一

45、塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式（或反射鏡反射式）光電開關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到；一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。（4）擴散反射式光電開關(guān)它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是收不到的；當(dāng)檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關(guān)控制信號。4.3.3控制器面板及功能設(shè)計圖4.9遙控器面板示意圖控制器面板包括4位數(shù)碼管顯示和3個功能健。下面分別介紹：設(shè)置：能夠設(shè)置機器人爬升的速度和爬升的高度。當(dāng)按下設(shè)置健時，

46、數(shù)碼管閃爍， 顯示SETS字樣，表示現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了速度設(shè)置模塊，此時，如果在兩秒內(nèi)再次按下設(shè)置鍵數(shù)碼管將顯示SETH字樣，表示已經(jīng)進(jìn)入高度設(shè)置模塊。在設(shè)置時可按+，或-鍵進(jìn)行設(shè)置。在設(shè)置時，如果數(shù)值超過了最高限制數(shù)碼管將提示ERRO并自動回到默認(rèn)值。遙控器面板設(shè)置3個功能鍵，包括：上升、下降、暫停。上升：此健為上升功能控制鍵，按下此健時，機器人將按照預(yù)先設(shè)定值向上爬升， 定高度，或接收到暫停、下降指令。下降：此鍵為下降功能控制鍵，按下此健時，機器人將按照預(yù)先設(shè)定值向下爬升， 定高度，或接收到暫停、上升指令。暫停：此鍵為暫停功能健，按下此健時，機器人將停止所有動作，進(jìn)入暫停狀態(tài)。以上功能控制鍵在

47、使用時可連續(xù)使用，無需考慮機器人所處的工作狀態(tài)，機器人在接受到相應(yīng)指令后將按照預(yù)定指令自動完成工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。5、結(jié)論通過三個月的設(shè)計和實驗制作，我完成了爬桿機器人的機械結(jié)構(gòu)部分和控制系統(tǒng)設(shè)計。主要包括：1、系統(tǒng)總體方案設(shè)計2、機器人機械部分三維造型3、二維平面圖繪制4、控制系統(tǒng)方案設(shè)計5、控制系統(tǒng)程序編制另外，在設(shè)計制作中，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計加工使我將所學(xué)的專業(yè)知識再次鞏固，同時對SolidWorks三維繪圖軟件有了深入的認(rèn)識。在設(shè)計過程中我學(xué)會了許多實際中應(yīng)該注意的細(xì)節(jié)問題。數(shù)字電路的開發(fā)使我進(jìn)一步了解了AT89S52單片機，并且深刻體會到從理論到實踐還有許多東西要學(xué)?？傊?，通過這次畢業(yè)設(shè)計使

48、我受益匪淺，學(xué)到了許多課本上學(xué)不到的知識，為我以后踏入社會打下了良好的基礎(chǔ)。附件源程序： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH LJMP T0SERVE ORG 0100HMAIN: MOV SP,#60H MOV TMOD,#01H SETB EA SETB ET0 SETB IT0 SETB EX0 CLR P1.0 CLR P1.1 CLR P1.2 CLR P1.3 LCALL DEL500MS LCALL CL0IDLE1: CLR TR0 MOV 20H,#00H MOV 21H,#01H MOV 22H,#00H M

49、OV 23H,#00H MOV 24H,#00H MOV 25H,#0B4H MOV 28H,#00H MOV 26H,#64H MOV 27H,#00H MOV TL0,#028H MOV TH0,#56HIDLE: MOV PCON,#01HSTAR:STAR1: CLR 27H.1 JB 27H.0,LMOP2 LCALL CL0 AJMP IDLE1LMOP2: SETB TR0 JB 28H.0,LMOP INC 28H SETB P2.5 LMOP: JB P2.1,TMP1 AJMP TMP2TMP1: LJMP LMOP3TMP2: LCALL DEL10MS JB P2.1,TMP1 JNB P2.1,$ LCALL DEL10MS JNB P2.1,$ INC 21HMODEL: MOV A,21H CJNE A,#07H,LMOP4 MOV 21H,#01H MOV A,24HCJNE A,#00H,LTOPMOV A,22HJNB 22H.0,LTOPSETB TR0MOV 24H,#0FFHLMOP4: MOV A,21H ; CJNE A,#01H,LMOP5 LCA