毕业设计说明书机器人手臂的开发与使用.docx

1、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AbstractThe design bases on a section of 6-DOF manipulator in the market for the o

2、bject, and conducts a more detailed introduction about Installation and connection，manipulator geometry, circuit theory, host computer software. The design develops a standard about hand-written instructions, based on principles of host computer software.Ultimately based on this standard, the design

3、 achieves their goals of off-line programming by the automatic programming software output instruction, emulation software testing, manipulator implementation. Key wordsManipulator； Installation and connections； Geometric structure； The circuit structure； Host computer software； Automatic programmin

4、g； Simulation1. 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、visual basic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

5、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，

6、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16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

7、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

8、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

9、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“6 servo robot arm controller.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

10、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，

11、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。（5mmd35mm）*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=75度，BC=19.8mm，c=31mm，b=0mm；故e=BCsin=19.13mm由公式；得夹持力计算公式：

12、 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

13、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

14、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6V12V。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4.8V6V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

15、；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