SCARA工业机器人设计Word格式文档下载.docx

1、4继续机械机构和传动机构设计5进行控制系统设计6检查控制系统原理图设计草图7完善并确定控制系统8指导学生进行驱动机构的选择9进行传感器的选择和软件流程设计10检查任务完成情况1 设计任务描述1.1 设计题目1.2 设计要求1.2.1 设计目的 （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； 1.2.2 基本要求（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。- 1 -2 设计思路2.1 机械结构的设计2.1.1 末端操作器的设计末端操作器是机器人手部的重要执行部件，是机器人的关键部分，主要用

2、来识别物 体并抓取物体，正是因为有了它的存在，机器人才能根据电脑发出的“命令”执行相应 的动作。机器人的末端操作器不仅是一个执行命令的机构，还应具有识别功能。机器人 的末端操作器一般由方形的手掌和节状的手指组成。机器人的末端操作器主要有夹钳式 取料手、吸附式取料手、专用操作器及转换器、仿生多指灵巧手。夹钳式取料手手部与人手相似, 是工业机器人广为应用的一种手部形式。 它一般由 手指（手爪）和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成, 能通过手爪的开闭动作实现 对物体的夹持。吸附式取料手适用于大平面（单面接触无法抓取）、易碎、微小的物体。 机器人是一种通用性很强的自动化设备,可根据作业要求完成各种

3、动作, 再配上各种专用 的末端操作器后，即专用操作器及转换器,就能完成各种动作。仿生多指灵巧手是机器人 手爪和手腕最完美的形式，仿生多指灵巧手有多个手指, 每个手指有 3 个回转关节, 每 一个关节的自由度都是独立控制的。因此,几乎人手指能完成的各种复杂动作它都能模仿。由于夹钳式取料手与人手相似且能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持，因此在 设计机器人过程中选择夹钳式取料手。2.1.2 手腕的设计机器人的手腕是连接末端操作器和手臂的部件，它的作用是调节或改变工作的方位， 因而它具有独立的自由度，以使机器人的末端操作器适应复杂的动作要求。工业机器人 一般需要 6 个自由度才能使手部达到目标位置并

4、处于期望姿态。机器人手腕主要用来确 定被抓物体的姿态，一般采用三自由度多关节机构由旋转关节和摆动关节组成。设计手腕时除应满足启动和传送过程中所需的输出力矩外，还要求手腕结构简单、 紧凑轻巧、避免干涉、传动灵活，在多数情况下，要求将腕部结构的驱动部分安排在小 臂上，使外形整齐。设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去， 运动传入腕部后再分别实现各个动作。2.1.3 手臂的设计机器人的手臂是急机器人执行机构中的重要部件，它的作用是将被抓取的工件运送 到给定的位置上。因此一般机器人的手臂有 3 个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升 降（或俯仰）运动。手臂的回转和升降运动是通过机座的立

5、柱实现的，立柱的横向移动 即为手臂的横移。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此它不仅承受被抓取工 件的质量，而且末端执行器、手腕和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性、 抓重大小（即臂力）和定位精度都直接影响机器人的工作性能。- 2 -2.1.4 基座的设计机器人的机座可分为固定式和行走式两种，一般的工业机器人为固定式的。固定式 机器人的机座可以直接连接在地面上，也可以固定在机身上。本设计中机器人采用的是固定式。固定式机器人的本体是固定的，它只能进行臂部 可活动范围内的输送作业。所以它作为柔性制造单元内部的搬运设备被广泛应用，虽然 在输送距离上受到限制，但是，如果能自

6、动更换手部，它不仅能输送工件，刀具、夹具 等各种物料，而且可以装卸工件，具有较高的柔性。2.1.5 制动器的设计许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器，其作用是在机器人停止工作时， 保持机械臂的位置不变，在电源发生故障时，保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。 假如齿轮链、谐波齿轮机构和滚珠丝杠等元件的质量较高，一般其摩擦力都很小，在驱 动器停止工作的时候，它们是不能承受负载的。如果不采用某种外部固定装置，如制动 器、夹紧器或止挡装置等，一旦电源关闭，机器人的各个部件就会在重力的作用下滑落。 因此，为机器人设计制动装置是十分必要的。制动器通常是按失效抱闸方式工作的，即 要松开制动器就必须接

7、通电源，否则，各关节不能产生相对运动。它的主要目的是在电 源出现故障时起保护作用。其缺点是在工作期间要不断通电使制动器松开。假如需要的 话，也可以采用一种省电的方法，其原理是需要各关节运动时，先接通电源，松开制动 器，然后接通另一电源，驱动一个挡销将制动器锁在放松状态。2.2 驱动方式的选择2.2.1 液压驱动液压驱动的特点是，液压容易达到较高的压力，体积较小，可以获得较大的推力或 转矩；液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度；在液压 传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；液压系统由于采用油液作介质，具有 防锈性和自润滑性，可以提高机械效率，使用寿命长。但是，液压

8、驱动方式也有不足之 处，由于油液的粘度随着温度的变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等 危险；另外液体的泄露难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价比很高。总之这种驱动方式的输出力和功率很大，经常用于比较大型机器人关节的驱动，而 且这种驱动方式还存在着危险性，所以对于该机器人来说不适合选择液压驱动方式。 2.2.2 气压驱动气压驱动的特点是，压缩空气粘度小，很容易达到高速；它不必添加动力设备；空 气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；气动元件工作压力低。但是 它的不足之处是若要获得较大的力，其结构就要相对的增大，而且空气压缩性大，工作 平稳性差，速度控制困难，要

9、想达到准确的位置控制很困难。另外，还有一个严重的问 题是，压缩空气的排水问题如果处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外， 排气还会造成噪声污染。- 3 -总之，气压驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人，且其体积较大和精确度不高 等缺点也使其不适合作为该机器人的驱动方式。2.2.3 电动机驱动经过以上的分析可知，液压式和气压式都不适合作为该机器人的驱动方式，所以就 选择电动式作为该机器人的驱动方式。电动机驱动又分为直流电动机、步进电动机和伺 服电动机。下面，分别介绍这三种电动机。步进电动机：步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电 机。每来一个电脉冲，电机转动一个角

10、度，带动机械移动一小段距离。它的工作特点是 给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；步进脉冲频率高，步进电机转得快； 步进脉冲频率低，步进电机转得就慢；改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步 进电机的运行方式；改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转。伺服电动机：一个微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达，一组变速齿轮组， 一个反馈可调电位器，及一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力， 带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的 输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量。伺服电机容易与 CPU 连接，控制性能 好，响应快，最大的优点是

11、可以实现速度和位置的精确控制，适合于中小型机器人。直流电动机：直流电机由定子、转子和换向器。定子是固定在机身的圆桶状部分， 一般由永磁材料或能产生磁场的线圈制成。由于直流电机驱动是开环控制，所以行进速 度一般固定，精度不高，直流电机控制的精确度虽然没有步进电机那样高，但完全可以 满足本题目的要求。但是直流电机控制起来简单，它只有两根线，一根是电源线，一根 是接地线。要想控制直流电机的转度，只要加大加在电源线上的电压即可，加大电压的 方法是通过调节脉冲的占空比来实现的。如果要想实现电机的正反转，那么就用 H 桥电 路，通过 H 桥电路就可以实现直流电机的正反转。综上所述，我选用方案三直流电机作为

12、该机器人的驱动电机。2.3 传感器的选择2.3.1 避障功能传感器的选择避障可以说是各种机器人最基本的功能。因此选择合适的测障传感器是非常重要的。常用的避障传感器有以下几种:接触式传感器碰撞开关：碰撞开关的特点是电路为常开，碰到障碍物后连通，可 以用来检测机器人是否发生碰撞。碰撞开关价格便宜，使用简单，使用范围广，对环境 条件没有什么限制。但是，它也有缺点即必须在发生碰撞后才能检测到障碍，这在某些 机器人比赛中是相当失分的。并且使用时间较长后容易发生机械疲劳，无法继续正常工 作。超声波传感器：采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片- 4 - 12机前方有障碍物，反之则通知单

13、片机可以向前行驶。经实验，使用超声波传感器探测信 号时十分容易受到外界环境的影响，使单片机控制系统接收到许多错误的信息。而且超 声波传感器价格比较昂贵。光敏传感器：直接根据光源的信号进行判断。这需要光敏传感器能及时反馈可靠的 信息，而光敏传感器拥有很高的灵敏度，为了抗干扰还可以把光敏传感器预先进行特殊 处理，使其只有在光源正射时才能测到信号，这样就使光敏传感器的返回信号更加可靠， 单片机一旦接到的光敏传感器返回的信息，便能作出正确的判断。倘若测不到信号，说 明光敏传感器被障碍物挡住，正前方不能通行,单片机控制电机绕开障碍物行驶。红外传感器：机器人自主避碰运动规划只要求对障碍物存在或不存在进行判

14、断。所 以，使用红外线传感器就可以满足要求。其工作原理就是发射某种射线，遇到障碍物会 被反射回来，这时传感器就认为发现了障碍物。传感器由红外线发射电路和接受电路组 成。单片机通过接收红外传感器的信号,判断出传感器是否检测到障碍物,从而做出避障 动作。综合上述并结合实际，在本次设计中避障传感器我选择红外传感器。2.3.2 光电编码器光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的 电机转子的位置信息的。根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电 编码器与增量式光电编码器，该机器人采用的是增量式光电编码器。增量式光电编码器在旋转圆盘上设置一条环带，将环带沿圆周方

15、向分割成 m 等分， 并用不透明的条纹印刷到上面。把圆盘置于光线的照射下，透过去的光线用一个光传感 器（A）进行判读。因为圆盘每转过一定角度，光传感器的输出电压 A 在 H（high level） 与 L（low level）之间就会交替地进行转换，所以当把这个转换次数用计数器进行统计时， 就能够知道旋转过的角度。绝对式光电编码器在输入轴上的旋转透明圆盘上，设置条同心圆状的环带，对环带 上角度实施二进制编码，并将不透明条纹印刷到环带上。将圆盘置于光线的照射下，当 透过圆盘的光由 n 个光传感器进行判读时，判读出的数据变成为 nbit 的二进制码。二进 制码有不同的种类，但是只有葛莱码是没有判读

16、误差的码，所以它获得了广泛的应用。 编码器的分辨率由比特数（环带数）决定，例如 12bit，编码器的分辨2率， 由4096于 ，所以可以以 1/4096 的分辨率，对 1 转 360 进行检测。BCD 编码器，设定以十进制作 为基数，所以其分辨率变为（360/4000）2.4 主控制器的选择主控制器用来接收传感器部分传递过来的信号，并根据事前写入的决策系统（软件 程序），来决定机器人对外部信号的反应，将控制信号发给执行器部分，就好比人的大脑。适合机器人的控制芯片有很多：单片机、DSP、ARM 甚至我们计算机上所用的CPU，都可以。但是，在本次设计中我还是选用了我们最熟悉的，价格最便宜的单片机。

17、 单片机是整个系统的核心，它作为冯诺依曼体系结构中的运算器、存储器和控制器- 5 -的集成，是系统中其它所有输入输出信息的控制和处理中心，本设计中采用的单片机是 我们学过的 C8051 系列单片机。2.5 软件功能的实现当外界的传感器传送给单片机后，接下来就需要进行软件编程了，来对机器人的各 种行为进行控制。在本次设计中，机器人的控制系统采用汇编语言编程，整个软件程序 主要由主程序、初始化程序、躲避障碍物子程序、寻光子程序、充电子程序和转弯子程 序，还有前进子程序等组成。主程序主要起到导向和决策的功能,决定什么时候该做什么， 机器人的各种功能主要是通过调用具体的子程序模块来实现的。2.6 电机

18、驱动芯片的选择在自制机器人的时候，选择一个合适的驱动电路也是非常重要的。在我的设计中我 选择直流电动机，直流电机最常用的驱动电路是 H 桥电路，但是考虑如果用硬件来完成 H 桥电路的搭建非常麻烦，而且所占的空间也大，所以在我的设计中选择了集成的驱动芯 片 LM298，这款芯片内部集成了 H 桥电路，就不用再自己搭配了。给我的设计带来了很 大的方便。- 6 -环境工作台单片机视觉滑觉接近觉接触觉力觉听觉A/D 转换器传感器信号调理电路机器人控制器机器人键盘机器人驱动器运动觉试教盒3 设计方框图南北红南北红- 7 -图 3.1 设计方框图4 机械结构设计4.1 机械部分机械部分主要由基座，手臂，末

19、端操作器，关节等部分组成，每一部分都有若干自 由度，构成一个多自由度的机械结构，任务的复杂程度决定了机械部分的复杂程度，构 造越复杂，自由度越多，机器人完成的任务越高级。机身部分（基座）：如同机床的床身结构一样，机器人机身构成机器人的基础支撑。 有的机身底部安装有机器人行走机构；有的机身可以绕轴线回转，构成机器人的腰。手臂部分：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。末端操作器：可以是拟人的手掌和手指，也可以是各种作业工具，如焊枪、喷漆枪 等。关节：分为滑动关节和转动关节。实现机身、手臂各部分、末端操作器之间相对运 动。若基座具备行走机构、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

20、器人臂。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。机器人结构如图 4.1 所示- 8 -图 4.1 机器人结构SCARA 是 SelectiveCompliance Assembly Robot Arm 的缩写,意思 是具有选择顺应性 的装配机器人手臂,这种 SCARA 机器人在水平方向具有顺应性,在垂 直方向具有很大的刚 性.由于各个臂都只沿水平方向旋转,故又称为平面关节型机器人或装配机

21、器人SCARA 机器人本体结构操作机:由臂,关节和末端执行装置构成,是机器人完成作业的实体,具有和人手臂相 似的功能,可在空间抓放物体或进行其它操作驱动单元:由驱动器,减速器,检测元件等组成控制装置:包括检测（如传感器）和控制（如计算机）两部分,可用来控制驱动单元,检测 其运动参数是否符合规定要求,并进行反馈控制人工智能系统:主要由两部分组成,一部分为感觉系统（硬件）,主要靠各类传 感器来 实现其感觉功能.SCARA 工业机器人机械图如图 4.2 所示图 4.2 SCARA 工业机器人机械图SCARA 机器人可以应用于需要高效率的装配、焊接、密封、搬运和拿放等众多应用， 具有高刚性、高精度、高

22、速度、安装空间小、设计自由度大的优点。它比多轴定位平台 的工作循环时间短很多，大大提高了工作效率。由于组成的部件少，因此工作更加可靠， 减少维护。此外还有吸顶和倒置安装型，方便安装于各种空间。它们具有绝对位置记忆， 无需原点返回操作，节省了时间。您可以用它们直接组成为焊接机器人、点胶机器人、 光学检测机器人、拿放机器人、插件机器人等，效率极高，占地还小，基本免维护。SCARA 工业机器人示意图如图 4.3 所示- 9 -图 4.3 SCARA 工业机器人示意图4.2 传动部分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 SCARA 机器人中， 其主要传动机构为平移型传动机构。从上

23、表一中我们可以看到各种传动方式的对比。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 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 。机器人采用的直线驱动方式包括直角坐标结构的 X、Y、Z 向驱动,圆柱坐标结构的径

24、 向驱动和垂直升降驱动, 以及极坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或 液压缸和活塞产生, 也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动元件把旋转运动转换成直 线运动。4.2.1 齿轮齿条装置通常,齿条是固定不动的，当齿轮传动时, 齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动, 这样, 齿轮的旋转运动就转换成为拖板的直线运动。齿轮齿条装置的运动示意图如图 4.4 所示图 4.4 齿轮齿条装置4.2.2 普通丝杠普通丝杠驱动是由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴向移动。 由于普通丝 杠的摩擦力较大, 效率低, 惯性大, 在低速时容易产生爬行现象, 而且精度低, 回差大, 因此在机器人上很少采用。4.

25、2.3 滚珠丝杠在机器人上经常采用滚珠丝杠, 这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。 由于滚珠丝杠在丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠,传动过程中所受的摩擦力是滚动摩 擦, 可极大地减小摩擦力,因此传动效率高,消除了低速运动时的爬行现象。在装配时施- 10 -GNDVinVout 加一定的预紧力,可消除回差。 在此次设计中的传动机构采用滚珠丝杠，可以使机器人在摩擦力非常小的情况下快 速运动，并且可以实现多个方向的运动以实现机器人的三自由度的设计。5 硬件设计5.1 单片机模块5.1.1 电源电路在电源电路中，SPX1117-3.3 是稳压芯片将输入电压 5V 转换成 3.3V 作为 C8

26、051F020 单片机的主要供电电源。S2 为输入电源开关按钮，在下载完数据后可用此按键来更新下 载数据。其电路图如图 5.1 单片机电源电路所示。3.3VVCC +5VS2SW SPSTD121N5819SPX1117-3.3 J2CON2C100.1uFC1110uFC12C13D13LED图 5.1 单片机电源电路R121K- 11 -5.1.2 复位电路当开发板上电时，C14 经充电后复位端电压相当于低电平实现上电复位：当断电后通 过 1N4148 形成放电回路。其电路图如图 5.2 单片机复位电路所示。VCCD141N4148R1310KRESETC14104C15S1SW-PB图

27、5.2 单片机复位电路5.1.3 液晶显示（LCD）接口电路单片机留有一个 LCD 液晶接口，相对应的液晶为 MzL05-12864，它是一款仅写入的 串行 SPI 接口方式的液晶，给液晶仅需 5 个控制口即可完成对其控制。单片机使用模拟 SPI 的方式对液晶进行操作。其电路图如图 5.3 单片机液晶接口电路所示。- 12 -CON7J1CS3 P2.2RES P2.3A0 P2.4SCK P2.5SDI P2.6VCC P3.3图 5.3 单片机液晶接口电路5.1.4 晶振电路Y1 为晶体振荡器，其振荡频率为 22.11842MHZ，为单片机提供其工作所需要的时钟， C16、C17 起到帮助晶振的作用。电路图如图 5.4 单片机晶振电路所示。XTAL1 XTAL2 C1630pFY122.11842MHZC17图 5.4 单片机晶振电路5.2 系统模块5.2.1 电源电路在本次设计中我选用 LM7805 集成稳压电路，它的输出电压为 5V，输出电流可达 1.5A。由 LM7805 集成稳压器组成的 5V 电压源主要由变压器、整流电路、滤波电路、稳 压电路组成。如图 5.5 稳压电源电路所示。- 13 -220VT17.5V D1LM7805VOLTREGTRANS1BRIDGE1C1100uF图 5.5 稳