毕业设计说明书机器人手臂的开发与使用.docx

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毕业设计说明书机器人手臂的开发与使用

毕业设计说明书

设计题目：

机器人手臂的开发与使用

摘要

本设计以市场上某款6自由度机械手为对象，对其安装连接、几何结构、电路控制、上位机软件进行了详细介绍。

并根据上位机指令控制机械手原理，制定了手工编写指令的标准。

最终在此标准的基础上，设计开发了由自动编程软件输出程序、仿真软件检验程序、机械手执行程序的体系，从而达到机械手离线编程的目的。

关键词

机械手；安装连接；几何结构；电路控制；自动编程；仿真

Abstract

Thedesignbasesonasectionof6-DOFmanipulatorinthemarketfortheobject,andconductsamoredetailedintroductionaboutInstallationandconnection，manipulatorgeometry,circuittheory,hostcomputersoftware.Thedesigndevelopsastandardabouthand-writteninstructions,basedonprinciplesofhostcomputersoftware.Ultimatelybasedonthisstandard,thedesignachievestheirgoalsofoff-lineprogrammingbytheautomaticprogrammingsoftwareoutputinstruction,emulationsoftwaretesting,manipulatorimplementation.

Keywords

Manipulator；Installationandconnections；Geometricstructure；Thecircuitstructure；Hostcomputersoftware；Automaticprogramming；Simulation

1.引言

本设计是在原有机械手臂配置的基础上，为其更深一步的开发与使用而进行的作业，也是为满足机械手臂使用者，机械手臂维护者的需要而进行编制。

本设计的内容将涉及包括：

机械结构、电路控制、visualbasic编程、三维仿真等内容，最终达到不改变硬件、软件条件下，通过制定规范标准，完成离线编程功能开发的目的。

2.机械手简介

机械手出现在20世纪中期，以其运动的重复性及准确性得到极大的发展，已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的主要标准。

通常机械手臂有机械系统，控制系统组成。

其控制方式种类较多，早期以机械部件实现，近几十年微机技术成为控制的主要形式[1]。

2.1机械手在国民生产生活中的意义

工业生产：

机械手的出现加快了机械工业进入自动化，省人化，高效化的领域。

随着工业发展的进行，在国民生产劳动密集性行业中，劳动量与劳动价值比例需要进行改革。

减少成本是现代企业增加竞争力的有力手段，以日本为例，在第二次世界大战后，日本劳动力对于经济的高速发展出现严重不足的困难。

为此，日本在1967年从美国引入机器人及其技术，并在其后短短十几年的时间中机械人在各个领域中广泛被使用。

机械人的特性使生产成本大为降低，成功的令日本物美价廉的产品以绝对优势进入美国市场，迫使美、英、法等国不得不采取措施，奋起直追[2]。

居民生活：

逼真的人形机器人为居民生活提供帮助[3]。

随着第一款人造假肢的问世，机械肢便被赋予崭新的意义。

据调查目前，国际社会公认的全球残疾人比例约为全球总人口的10%，平均每十个人就有一个人是残疾人，机械肢可以协助部分残疾人恢复自理能力[4]。

医疗器械的机器人化也在不断的加深。

手术简单化，创口小型化可以大大提高手术成功率与术后恢复能力。

小型化的医用机器人正不断的被研发出来进入医院，协助进行各种不同的医疗救助[5]。

2.2实物机械手简介

本设计以市场上某款机械手为对象进行几何机构分析，控制电路分析，并通过编程功能达到复杂动作功能。

本设计采用设备：

1、6自由度铝合金机械手（实物如图1所示）

2、32路控制系统

图1　6自由度铝合金机械手

此机械手是有六个伺服电机的机器手臂。

人类的手臂，除了肩、肘、腕三个关节外，还有手指的关节，此机械手模拟仿真了除手指外其它关节。

使用了6个舵机可以实现手的简单动作，例如抓取鸡蛋。

产品配置：

1、机械手臂1台

2、机械手臂控制器1台

3、串口线1条

4、电池盒1个

5、光盘1张

3.机械手连接指南

在机械手运动之前必须将机械手臂与控制器进行正确连接，并将控制器进行合适设置，最后通过上位机软件输出控制信号进行控制。

3.1接线连接

1、在安装前必须准备好以下工具：

图2　工具

2、控制器接口介绍：

图3　控制器接口

备注：

波特率设置

图4　波特率1

控制器出厂设置波特率默认值为：

115200（即两个针冒都插上）。

此控制器，只能设置4种波特率，插上针冒表示“1”，没插针帽表示“0”。

四种波特率设置见下图5种设置图解：

图5　波特率2

3、连接伺服电机电源

图6　伺服电机电源

因为伺服电机工作电流比较大，我们使用直流稳压电源给六个伺服电机供电。

把准备好的导线按照图中的接线孔和直流稳压电源进行连接。

注意电源的正负极性。

（备注：

在电源接线过程中需要用到一字螺丝刀）

4、连接伺服电机

图7　伺服电机连接

控制器一共有32路电机驱动，我们使用第1-6路。

控制器上有三排插针用来连接伺服电机。

每个插针的用途在图中已经标出。

每路伺服电机接线有三路组成，分别为电源线（中间红色）、地线（黑丝或棕色）信号线（白色或棕色）。

按次序将六路伺服电机连接到控制器上。

5、连接控制器电源

控制器上共有三路电源输入口，中间为单片机电源输入口，需将配件中的电池盒正确的连接到此电源输入口上。

6、将控制器和电脑串口进行连接

使用配件中的串口线，按照正确的接口方法，将控制器串口和电脑串口连接。

3.2软件调试

1、打开电脑上位软件

图12　上位机软件界面

在光盘“上位机软件”文件夹中双击“6servorobotarmcontroller.exe”文件，就在电脑中显示上位机界面，如图12所示

图13　通道选择

选中1-6通道的复选框，使数值条处于有效状态

2、机械手实现运动的操作流程

（1）、先将直流稳压电源旋钮调到最小，打开直流稳压电源开关，由小到大，将电压调到6V，电流调到2A或更大。

（2）、将准备好的6节AA电池正确的装入电池盒。

（也可使用直流稳压器代替）

（3）、点击上位机软件左上角的“连接”按钮。

（4）、点击软件中的“复位”按钮，然后再点击左下角的“运行”按钮，机器手臂便可运动了。

3、上电前最后检查：

伺服电机电源接线、六路伺服电机接线、单片机电源接线。

注意：

无法动作现象处理

（1）、查看单片机电源是否有接反的情况

（2）、查看伺服电机接线方向是否正确

（3）、查看控制器板上波特率跳线是否正确

（4）、查看上位机软件的COM口设置。

COM1是通用端口，对多数台式机来说，选“COM1”口便会和电脑成功连接。

如果COM1口不成功的话，可选用COM2口。

（5）、如果以上原因都被排除，机器手臂还是无法远动，可检查伺服电机电源电流，如电量不足，可适当调整稳压电源输出。

4.机械手几何部件

机械手几何结构组成：

爪、臂、底座

4.1爪

手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，按其工作原理课分为两类：

夹持类和吸附类。

本设计机械手为平移型外夹式手部，其手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成[6]。

图16　爪

平移型外夹式手部，夹持力计算[7]

图17　夹持力

*AB为直接夹取产品部分，故接触点由实际装夹时测量为准。

（5mm≤d≤35mm）

*通过查询手部舵机参数，得舵机输出力矩为1.8KG*cm

*由实际测量得α=75度，BC=19.8mm，c=31mm，b=0mm；故e=BCsinα=19.13mm

由公式

；得夹持力计算公式：

4.2臂

4.3底座

机械手底座是承受机械手主体及所夹物件重量、定位机械手臂的部件。

通常情况下机械手底座分两类：

1.不可移动型，机械手臂被固定在底座上不可移动，机动性较低。

2.可移动型，机械臂被安装在可移动的底座上，机动性较高[10]。

5.机械手电控部件

电控部件为机械手数据处理中心

5.1电控实物解析图：

图19　电控实物解析图

a.WIFI扩展接口：

Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。

通过加载WIFI设备可以实现无线控制，摆脱串口控制[11]。

b.232串口：

串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。

大多数计算机包含两个基于RS232的串口。

串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。

同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据[12]。

c.单片机：

atmega168单片机是基于AVR增强型RISC结构的低功耗8为CMOS微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，atmega168的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓解系统在功耗和处理器速度之间的矛盾[13]。

d.串口波特率跳线：

电子通信领域，波特率即调制速率，指的是信号被调制以后在单位时间内的波特数，即单位时间内载波参数变化的次数。

它是对信号传输速率的一种度量，通常以“波特每秒”（Bps）为单位[14]。

e.单片机ISP下载口：

ISP口提供了在线编辑的可能，非ISP单片机在下载程序或烧写程序时，需要将单片机从电路板上取下，并通过专业烧入器将程序烧入单片机。

ISP功能支持直接在线编程调试，免去装取单片机[15]。

f.控制板电源接口：

控制板电源主要供电对象分两类：

一、提供单片机电源，单片机采用了稳压技术支持输入的电压范围6V~12V。

二、提供舵机电源，机器手臂共采用了6组舵机，其输入电压在4.8V~6V之间。

（低于最低电压时容易出现机械手臂颤抖现象。

）

g.舵机接口：

本机器手臂用到6组接口，每组接口分为：

地线、电源线、信号线。

5.2电路原理图

此电路主功能由以下几部分构成：

1、电源模块；

2、JSP下载模块；

3、串口模块；

4、MCU模块；

5、舵机信号输出模块

各部分详细功能如下：

5.2.1电源模块

此机械手电源分为两类：

1.单片机电源，2.舵机供电电源

1、单片机等控制元件电源（6V-12V）[17]：

电源模块主要有元件：

78M05，电容组成

78M05主要功能：

主要参与稳压电路，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。

内含过流、过热和过载保护电路。

带散热片时，输出电流可达1A。

其功能框图如图22。

注：

（1）、输出电压为5V。

输入电压，即使是纹波电压的低值点，都必须高于所输出电压1V以上。

（2）、当稳压器远离电源滤波器时，要求用C3。

（3）、C5可改善稳定性和瞬态响应。

2、舵机供电电源（4.8V-6V）

此控制系统提供32路控制功能，分两个电源供电1-16路、17-32路。

标准的微型舵机有三条控制线，分别为：

电源、地及控制。

电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能量，电压通常介于4V-6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为舵机马达会产生噪声），甚至小舵机在重负荷时也会拉低放