电动机械手控制系统设计要点Word文件下载.docx
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（2）通过按键，实现机器手的上升、下降、左移、右移、手爪张开、闭合；
（3）可接纳上位机，远程控制机器手的上升、下降、左移、右移、手爪张开、闭合。
（4）接纳电机驱动控制方法。
1.2总体设计方案
确定机器手的任务要求，凭据任务要求开端拟定机器手的技能参数、运动形式、驱动方案、控制系统方案等。
本课题主要涉及到一下三部分内容：
第一，机器手的机器结构的设计；
第二，使机器手摆动的设计及驱动手臂运动的选择。
第三，控制系统的设计。
实施方案：
（1）机器手的机器结构设计
凭据模块化的设计要领，将机器手分为底座、大臂、中臂、前臂和手爪四个部分，共四个自由度（不包罗爪开关自由度）。
（2）机器手摆动的设计
机器手凭据手臂的行动形态，接纳多枢纽型机器手结构紧凑，定位精度较高，控制灵活范畴广，占地面积小，因此本设计接纳多枢纽型机器手。
（3）驱动手臂运动的选择
机器手接纳电动机构驱动机器手结构简朴、控制方便，驱动力较大大等特点。
（4）控制系统的设计
本毕设接纳机器手控制系统使用VB6.0编程软件体例作上位机操纵界面，人工手动操纵上位机输出控制信号通过RS232串口通信发送给ATmega64单片机，单片机吸收到信号后使用内部定时器模拟输出伺服电机的控制脉冲，从而实现自动控制和远程控制机器手的目的。
机器手由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图1-1所示。
图1-1机器手系统组成
要实现机器手所期望实现的功效，机器手的各部分之间一定还存在着相互关联、相互影响和相互制约。
它们之间的相互干系如图1-2所示。
图1-2机器手控制系统
2机器结构设计
机器结构是机器手的骨架，机器结构的优劣直接影响着机器手的功效。
2.1机器手的主体机器设计
对付机器手的主体骨架的设计，机器部分底座、大臂、中臂、前臂和手爪。
机器手摆动的设计
为实现呆板人的末端执行器在空间的位置而提供的3个自由度，可以有差别的运动组合，通常可以将其设计成如下四种形式：
表2-1机器手结构选型表
结构形式方案
特点
优缺点
结构简图
1
直角坐标型
作机的手臂具有三个移动枢纽，其枢纽轴线按直角坐标配置
结构刚度较好，控制系统的设计最为简朴，但其占空间较大，且运动轨迹单一
2
圆柱坐标型
操纵机的手臂至少有一个移动枢纽和一个回转枢纽，其枢纽轴线按圆柱坐标系配置
结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简朴，使用历程中效率不高
3
球坐标型
操纵机的手臂具有两个回转枢纽和一个移动枢纽，其轴线按极坐标系配置
结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机器手臂的刚度不敷，机器结构较为庞大
4
枢纽型
操纵机的手臂类似人的上肢枢纽行动，具有三个回转枢纽
运动轨迹庞大，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机器手臂的刚度差
凭据本次设计的要求，工件要垂直升降、旋转、水平移动。
考虑其庞大水平选择枢纽型。
机器手爪部设计
夹持式手部结构由手指（或手爪）和传力机构所组成。
其传力结构形式比力多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。
夹持式是最常见的一种方法，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:
按手指夹持工件的部位又可分为内卡式（或内涨式）和外夹式两种:
按模仿人手手指的行动，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型（或称直进型），其中以二支点回转型为根本型式。
当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就酿成了一支点回转型手指;
同理，当二支点回转型手指的手指长度酿成无穷长时，就成为移动型。
回转型手指开闭角较小，结构简朴，制造容易，应用遍及。
移动型应用较少，其结构比力庞大庞大，当移动型手指夹持直径变革的零件时不影响其轴心的位置，能适应差别直径的工件。
如图2-1所示为夹持式手部结构。
图2-1夹持试机器爪
其手指夹紧工件是由舵机中的齿轮动员另一手爪齿轮使手指开闭。
手部结构中的齿轮齿条属于传力机构。
设计时考虑的几个问题：
（一）具有足够的握力（即夹紧力）。
在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操纵历程中所产生的惯性力和振动，以包管工件不致产生松动或脱落。
（二）手指间应具有一定的开闭角。
两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。
手指的开闭角应包管工件能顺利进入或脱开，若夹持差别直径的工件，应按最大直径的工件考虑。
（三）具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机器手在运动历程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但应尽量使结构简朴紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。
综合上述考虑，由于机器爪性能要求及加工精度要求都比力高，现有的东西无法完成其制作要求，故决定通过购置得到切合该要求机器爪。
2.4质料与型材选择
机器手的制作质料多种多样，因此有多种方案可以选择。
方案一：
使用及铝合金质料
相对付通常使用的钢铁质料，铝有以下的重要特点和优点。
基于这些特点和优点，铝及其铝合金在许多领域得到遍及的应用。
（1）质量轻。
铝的密度约为
，只是钢铁的1/3。
铝合金不但用应用于飞机制造等方面，并且由于当前节约能源的需要，车辆与舟船等常用交通运输东西的轻量化越发突出，铝合金在这方面也得到越发辽阔的应用。
别的，在土木结构和修建门窗等方面，铝合金制造的结构也已经被遍及接纳。
（2）耐腐化。
铝及铝合金在大气中不会“生锈”，耐大气腐化性远优于钢铁。
这是由于铝对付空气中的氧具有较大的亲和力，因此，当铝的外貌曝露大气中时，其外貌很快就能生成一层附着力强、致密的有一定掩护下的自然氧化膜。
尽管氧化膜的厚度很薄，只有m，但这已经赋予铝及铝合金优良的耐大气腐化性。
特别是铝的阳极氧化处置惩罚，由于铝的阳极氧化膜是透明膜，既可以保持铝原有的金属质感，并且又可大幅度的提高金属铝原外貌的硬度。
耐腐化性和耐磨损性，从而大大拓宽铝及铝合金的应用范畴。
（3）铝容易形成种种合金。
铝合金可以满足多方面新的性能要求，尤其可以满足力学性能与腐化性能方面的需要。
目前已经使用的产业铝合金品种以达400多种，形成8个系列，从延展性最好的低强度純铝1XXX系列到超高强度的7XXX系合金，极限抗拉强度已经高达690MPa。
铝合金可以通过热处置惩罚进一步强化，其强度甚至可以和优质合结钢媲美。
（4）加工成型性好。
铝及铝合金的压力加工产物，如板、管、棒、型、线、箔和粉都可以生产，并且其产物都已近得到遍及的产业应用。
另外，许多铝的零部件和工艺品还可以通过铸造工艺得到。
铝合金还可以进行车、铣、镗、刨等机器加工。
（5）热传导性高。
铝的热传导性虽次于铜，其导热率相当高，约为铜的50%~60%，而单元重量的导热性则优于铜。
岂论加热照旧冷却，铝都是很好的金属介质。
为此，在食品产业、化学产业、石油产业和航空产业中，铝材是被遍及接纳的热互换器质料。
别的，铝是生产金属厨具首选质料。
（6）导电性好。
铝是两个常用的高电导率金属之一，电导体级别的铝是IACS（国际退火铜尺度）的62%，然而铝的密度只有铜的1/3，因此，单元重量的铝却是相同单元重量的铜导电性的两倍。
（7）光反射性强。
抛光的铝对付无线电波、可见光波，直至红外光波等所有电磁光波都具有极强的反射性。
抛光的铝外貌对付白光的反射率到达80%以上。
（8）无低温脆性。
铝的低温拉伸强度比力高，可以用于低温结构质料。
（9）耐克辐射性。
铝的热中子吸收截面小，仅为
Pa左右，适合与热中子可反响堆使用。
（10）打击吸收性比力好。
铝及铝合金的打击吸收性好，适于制作汽车的保险杠。
（11）非磁性，打击不产生火花。
铝及铝合金是非磁性的，且受打击时不产生火花。
这一性能在某些特殊用途时是非常可贵的特性，由此可作为电器设备的屏蔽质料，或作为易燃易爆的器材、仪表质料等。
（12）可焊接。
铝及铝合金通过惰性气体电弧焊接后的外观、耐腐化性和力学性能都比力好，可以满足焊接结构件的需要。
（13）无毒性。
铝对付生物体是无毒的。
铝的缺点：
尽管铝具有上述优点和特点，但是铝也有其自己的缺点和弱点，其中有一些缺点可能就是从优点衍生的。
其主要缺点是：
（1）铝的硬度比力低，与此同时其耐磨性也比力差。
（2）铝在凝固时体积收缩率比力大，约莫为%。
（3）铝的线膨胀系数比力高。
（4）铝的熔点比力低，铝和铝合金的使用温度不可能凌驾200摄氏度，因此起高温的使用受到限制。
（5）铝的弹性模量只有刚的1/3。
机器手使用的质料大部分是用于结构，一般应该是金属质料，并且所承载的力度和运动后不应该产生严重的变形和断裂，从力学的角度看即具有足够的强度。
因此主要质料选用种种不锈钢管和铝合金管。
这两者比力，重量轻，寿命高，因此除了特别讲求强度，刚度以及抗摩擦磨损性的机构，一般更多选用不锈钢管作为结构构件的质料。
方案二：
使用有机玻璃质料
有机玻璃的特性：
（1）高度透明性。
有机玻璃是目前最优良的高分子透明质料，透光率到达92％，比玻璃的透光度高。
称为人造小太阳的太阳灯的灯管是石英做的，这是因为石英能完全透过紫外线。
普通玻璃只能透过0.6％的紫外线，但有机玻璃却能透过73％。
（2）机器强度高。
有机玻璃的相对分子质量约莫为200万，是长链的高分子化合物，并且形身分子的链很柔软，因此，有机玻璃的强度比力高，抗拉伸和抗打击的能力比普通玻璃高7～18倍。
有一种经过加热和拉伸处置惩罚过的有机玻璃，其中的分子链段排列得非常有序次，使质料的韧性有显著提高。
用钉子钉进这种有机玻璃，纵然钉子穿透了，有机玻璃上也不产生裂纹。
这种有机玻璃被子弹击穿后同样不会破成碎片。
因此，拉伸处置惩罚的有机玻璃可用作防弹玻璃，也用作军用飞机上的座舱盖。
（3）重量轻。
有机玻璃的密度为3，同样巨细的质料，其重量只有普通玻璃的一半，金属铝（属于轻金属）的43％。
（4）易于加工。
有机玻璃不光能用车床进行切削，钻床进行钻孔，并且能用丙酮、氯仿等粘结成种种形状的器具，也能用吹塑、注射、挤出等塑料成型的要领加工成大到飞机座舱盖，小到假牙和牙托等形形色色的制品。
有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）具有质地坚固，可加热塑形。
绝热绝缘，对X线、MRI查抄无影响等优点，在海内外曾一度得到遍及应用。
其缺点是力学性能差，主要是脆性大，抗打击性能差，受到第二次意外打击时，有机玻璃易破碎。
以后有学者对有机玻璃进行了革新，在其中参加了增强纤维（短碳纤维），制成了短碳纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯。
经测试，其抗拉弹性模量（刚性）和抗打击强度比有机玻璃提高了2倍，硬度高，线膨胀系数常温时相当于有机玻璃在-400℃的数值。
耐介质试验在常温下350h，险些无明显增重、增容。
板材压模复合质料中随机走向的纤维，可阻止裂纹的扩展。
具有板材薄、重量轻、有良好的抗打击能力，不释放毒性物质.
综合上述两种方案：
（1）由于该机器手为机器模型，机器强度要求并不是很高，有机玻璃的机器强度足以满足该机器手运动强度。
（2）从制作难度考虑，有机玻璃受热容易形变，相比铝合金更容易加工制作。
（3）从本钱考虑，有机玻璃比铝合金自制许多，相同体积的铝合金比有机玻璃贵5~10倍。
聚集以上优缺点故选择方案二。
驱动系统方案的选择
一般情况下机器手驱动系统的选择凭据动力源分为液压、气压和电动三大类，凭据需要，也可以将这三种根本类型组合成复合式的驱动系统。
目前遍及接纳的驱动系统的比力如下表：
表2-2:
常用驱动系统特性
特性
输出功率和使用范畴
控制性能和宁静性
结构性能
安装和维护要求
效率和制造本钱
气压驱动
气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将过大只适用于小型，快速驱动
压缩性大，对速度、位置精确控制困难。
阻尼效果差。
低速不易控制，排气有噪音
结构体积较大，结构易于尺度化。
易实现直接驱动，密封问题不突出
安装要求不高，能在恶劣情况种事情，维护方便
效率低，（为）气源方便，结构简朴，本钱低
液压驱动
油压高，可得到较大的输出功率，适用于重型，低速驱动器
液体不可压缩，压力、流量易控制，反响灵敏，可无级调速、能实现速度、位置的精确控制，传动平稳，泄漏对情况污染
结构较气动要小，易于尺度化，易实现直接驱动，密封问题显得重要
安装要求高（防泄漏），要配置液压元设备，安装面积大，维护要求较高
效率中等为，管路结构较庞大，本钱高
交直流普通电动机
适用于抓其重量较大而速度低的中、重型呆板人的驱动输着力较大
控制性能差，惯性大，不易精确定位
对情况无影响
电动机驱动以实现尺度化，需减速装置，传动体积较大
安装维修方便
本钱低
效率为左右
步进、伺服电动机
步进电动机输着力较小、伺服电机可大一些
适用于运动控制要求严格的中、小型呆板人
控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对情况无影响
体积小，需减速装置
维修使用较庞大
本钱较高
综合考虑以上驱动系统的优缺点以及事情要求，选择伺服电动机驱动系统作为驱动方法。
2.6电机类型选择方案
在日常系统所接纳的电机，一般接纳直流电机、步进电机、舵机。
使用直流电机
直流电机事情原理：
直流电动机是使电机的绕组在直流磁场中旋转感到出交换电，经过机器整流，得到直流电。
遍及应用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表、玩具等。
直流电性能提供较鼎力大举矩，能够轻易驱动机体运动。
在极限位置安排限位开关，可控制机器手转动。
使用步进电机
步进电机的事情原理：
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变革的影响，当步进驱动器吸收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的偏向转动一个牢固的角度，称为“步距角”，它的旋转是以牢固的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达准确定位的目的；
同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加快度，从而到达调速的目的。
步进电机可牢固角度转动，不需限位开关便可控制机器手转动到指定位置。
方案三：
使用舵机
图2-2舵机图2-3舵机接线图
图2-4舵机结构图
舵机事情原理：
舵机主要是由外壳、电路板、无焦点马达、齿轮与位置检测器所组成。
其事情原理是由吸收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动偏向，再驱动无焦点马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。
舵机可在0°
~180°
精确转动，能够提供较鼎力大举矩并且拥有保持位置的功效，反响灵敏，可很好的完成机器手运动要求。
凭据设计要求，该机器手的电机需满足：
（1）电性能够提供比力大的力矩来抓取物体。
（2）电性能够做到精确角度定位，使机器爪准确移动抓取物体。
（3）电性能够在较鼎力大举矩下保持原位置能力。
综上要求，直流电机虽然能提供很鼎力大举矩，但欠好精确定位并保持原位置。
步进电性能够转动较精确角度，但不能提供鼎力大举矩和保持原来位置。
精确转动，且能够提供较鼎力大举矩并且拥有保持位置的功效。
故选择方案三。
按上述设计考虑，完成机器手结构的制作，如图2-5：
图2-5机器手结构
3机器手硬件电路设计
凭据任务要求，机器手系统电路设计可主要分为三个模块：
单片机主控模块、矩阵按键模块、串口通讯模块。
图3-1为硬件电路设计方框图。
图3-2单片机整体模块设计原理图。
图3-1硬件电路设计方框图
图3-2单片机整体模块设计原理图
单片机模块
3.1.1单片机方案选择
单片机体积小巧，内部包罗中央处置惩罚器，数据存储器，步伐存储器及输入输出设备。
对付需要灵活机动，精度要求不高，有可扩展性及步伐可擦写和简朴成熟的编程平台等要求，单片机不失为最符合的选择。
现有两种单片机AT89S51和AVR可供选择。
接纳常见的89S51作为米粉机点餐系统的控制焦点。
传统的51单片机具有代价低廉，输入输出接口多，使用简朴等特点，容易开发。
接纳AVR单片机，AVR单片机在一个芯片内将增强性能的RISC8位CPU与可下载的FLASH相结合使其成为适合于许多要求。
具有高度灵活性的嵌入式高效微控制器。
从机器手的功效实现来说，单片机主要能够多路模拟输出精确的PWM功效上，实现上位机串口通讯，S51单片机与AVR单片机相比，AVR单片机拥有内置多路的PWM输出并且AVR单片机具有更好的稳定性和步伐处置惩罚效率，实现起来也比力方便，因此接纳方案二的AVR单片机。
3单片机主控电路设计
ATmega64是基于增强的AVRRISC机构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令执行时间，ATmega64的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处置惩罚速度之间的矛盾。
主控电路的设计是以ATmega64单片机和RS232通信模块为焦点，外接矩阵按键模块和电源等硬件电路。
ATmega64单片机事情在8MHZ的频率下，接纳+5V的直流电源供电。
图3-3为单片机最小系统设计图。
图3-3ATmega64处置惩罚器
在单片机系统模块中，还包罗有外部晶振电路、复位电路。
3.1.3AVR晶振电路的设计
与传统的51单片机相比，AVR单片机内置RC振荡电路。
出厂时，未进行时钟源设置的AVR，其时钟源使用的是内部RC振荡，一般情况使用的是1M频率。
通过对熔丝位的设置，可以设置MCU的内部RC振荡频率。
例如：
4M、8M等。
不外，内置RC振荡，在一致性方面存在差别，它因生产的批次有所差别，亦与温度等因素有较大的相关性。
所以，在一些对时钟要求较高的场所，如：
精确定时，RS232通信等，这些场所，发起使用外部的晶振线路。
图3-4为外部晶振电路：
图3-4晶振电路
3.1.4AVR复位电路的设计
AVR单片机内置复位电路，并且在熔丝位里，可以控制复位时间，所以，AVR单片机可以不设外部上电复位电路，依然可以正常复位，稳定事情。
若是系统需要设置按键复位电路，那么注意，AVR单片机是低电平复位，图3-5为设计的按键复位电路：
图3-5复位电路
3.2矩阵按键模块
单片机通过动态扫描识别矩阵按键，可大大淘汰单片机IO口的使用。
使用按键时注意由於这种按键是机器式的开关，当按键被按下时，键会震动一小段时间才稳定，為了制止让8051误判為多次输入同一按键，我们必须在侦测到有按键被按下，就延迟一小段时间，使键盘跳过发抖状态以达稳定状态，再去判读所按下的键，就可以让键盘的输入稳定。
图3-6为矩阵按键电路图：
图3-6矩阵按键
图3-7矩阵键盘
3.3串口通信模块
RS-232C是由美国电子产业协会（EIA）正式宣布的，在异步串行通信中应用最遍及的尺度总线。
它划定连接电缆和机器、电气特性、信号功效及传送历程。
现在，盘算机上的串行通信端口（RS-232）是尺度配置端口，已经得到遍及应用。
图3-7为串口通信模块，
图3-7RS232串口通信
4软件系统设计
软件编程既可以用汇编语言，又可接纳C语言。
在这套系统制作中单片机编程接纳的是C语言编程。
C语言是一种编译型步伐设计语言，它分身了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功效。
C语言有功效富厚的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，并且可以直接实现对系统硬件的控制。
用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于革新和扩充，从而研制出范围更大、性能更完备的系统。
软件部分是用来配合硬件电路，指挥控制整个系统的行动，以实现设计预定功效。
此系统在运行中，其主要由两部分功效组成：
一部分是PC上位机操纵界面通过人工手动操纵鼠标点击或键盘按键信息收集控制信号，并将信号通过串口通信发送给单片机。
另一部分是单片机担当上位机信号或担当外部矩阵按键信号后对机器结构的运动的控制。
4.1上位机步伐设计
凭据设计的电路要求，图4-1为PC上位机操纵界面的步伐框图，
图4-1上位机操纵界面框图
凭据流程图的流程编写上位机操纵界面，打开VB6.0创建主窗体frmmain,创建串口通信Mscomm控件及添加按键控件。
一般用VB开发串行通信步伐有两种要领:
一是利用Windows的通信API函数;
另一种是接纳VB尺度控件Msc
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