六自由度机械手资料.docx

1、六自由度机械手资料第一章绪论 5 第二章总体介绍 72. 1机械结构的总体介绍 72.2电气结构的总体介绍 8第三章机械机构及设计 93.1底座的设计 93. 2屈臂的设计 93. 21屈臂的组成和作用 93. 22屈臂设计的基本要求 103. 23屈臂的常用结构 103.3腕部的设计 113.31腕部的作用 113.32腕部的分类 113.4手部的设计 123.41手部的特点 123.42手部的分类 12第四章电气结构及设计 144.1主控制器的选择 144.2伺服控制器PSC及电机的选择 154.21伺服控制器的选择 154. 22 PSC伺服控制板接口的设计154.23伺服电机的选择 1

2、6第五章控制程序及调试 18第六章心得体会 21参考文献 22第一章绪论在工资水平较低的中国，制造业仍属于劳动力密集型，机械手的使用 已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美的跨国公司很早就在他们设在中 国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是在那些分布在工业密集的 华南 华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚 的兴趣高，应为他们要面对工人的流失率高，以及交货周期缩短带来的挑 战。机械手可以确保运转周期的一致性，提高品质。另外，另外，由于机械 手的控制精确，还可以提高零件的精度。机械手在工业中的应用十分广泛， 如：一、 以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的

3、传送 工件的装卸、刀具的更换以及机 器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、 以改善劳动条件，避免人身事故在高温 高压、低温、低压、有灰尘、噪声 臭味、有放射性或有其他 毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不 可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条 件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人 进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、 可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由 于应用 机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一

4、个侧面。因此，在 自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和 更准确的控制生产的节扌白，便于有节奏的进行工作生产。应用前景工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机 械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种 预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了 人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力， 在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在 现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和 生产已成为高技术邻域内，迅速发

5、殿起来的一门新兴的技术，它更加促进 了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结 合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳 动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机 械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。第二章总体介绍机械手由6个伺服电机组成，实现机械手六自由度运动。机械手采用 主从控制方式，以AT89S52单片机作为系统控制核心，基于软件模拟串 行通信程序，实现AT89S52串行通信，使其同时与显示终端、PSC伺服 控制器进行串行通信，同步的 连续的、精确的控制伺服的转动，以实现精 确定位 连续动作机械手采用主从

6、控制方式，以AT89S52为主控制器，PSC伺服控制器 为从控制器。实验教学平台控制系统由主控制器、伺服电机控制器 PSC、FYD12864-0402B液晶显示模块、红外传感器及6个伺服电机等部分 组成，其系统组成框图如图2-1所示。图2-12. 1、机械结构的总体介绍机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及 各个零部件之间的相对位置关系实现，在机器或机械中，任何零件都不是 孤立存在，而是相互配合来完成预期的动作。机械手的机械结构系统由底座 屈臂、腕部和手部组成。信号 接受器接收到主控制器发出的信号后，机械 结构各个部分之间相互配合，分工合作来做系统能够完成的6个动作，分 别为分别是夹紧

7、旋转、俯仰（1）、左右摇摆 俯仰（2）及基座的回转。六自由度机械手的机械结构简图如图2-2所示图2-22.2、电气结构的总体介绍 电气结构是机械手控制器的核心，它主要包括主 控制器和从控制器。其中主控制器以AT89S52为主，从控制器以PSC伺 服控制器为主。主控制器单元用来收集和处理各路信号，并根据各种信号 发出相应控制指令，作为工作平台的控制系统。第三章机械结构及设计本次设计主要用于实验平台，对载荷没太大要求，符合要求即可。机 械手的 机械结构包括以下部分；底座、屈臂、腕部和手部。3.1s底座的设计底座用于支承和连接若干部件的基础零件。它承受其他零 部件的重量和工作载荷，又起到保证各零部件

8、相对位置的基础作用。底座多 采用铸件，其基本特点是尺寸相对于其他零件较大。其次底座的变形和振 动将直接影响操作的平稳性故对刚度和抗振性提出下列要求；(1)刚度和抗振行(2)热变形(3)稳定性(4)其他要求底座的三维图如图3-1所示图3-13.2、屈臂的设计3.21、臂部的组成和作用六自由度机械手的臂部由大臂、小臂组成，一般具有两个自由度，即伸 缩、回转 俯仰或升降。在运动时，直接承受腕部 手部和工件的静 动载 荷；臂部是机械手的主要执行元件，其作用是支承手部和腕部并改变手部的 空间位置。3.22、臂部设计的基本要去臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式 抓取动作自由度 运动精 度等 因素来确定

9、。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况，液压(气压) 缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此，设计臂 部时一般要注意下述要求。(1、手臂应具有足够的承载能力和Clil 4(2、导向性要好。(3、重量和转动惯量要小。(4运动要平稳、定位精度要高。3. 23.臂部的常用结构(1)手臂直线运动机构机械人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动 的机 构形式比较多，长用的有液压缸、齿轮齿条机构 丝杠螺母机构及连杆 机构等。由于液压缸体积小 重量轻，因而在机器人的手臂结构中应用比较 多。(2)手臂回转运动机构实现机器人手臂回转运动的机构形式多种多 样，常用的有叶片式回转

10、缸 齿轮传动机构 链轮传动机构、活塞缸和连 杆机构等。大臂的三维图如图3-2所示图3-33. 3、腕部的设计3.31、腕部的作用工业机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手 部的作用。机器人一般要具有6个自由度才能使手部达到目标位置和处于 期望的姿态，手腕的自由度主要用来实现所期望的姿态。3. 32.腕部的分类 (1)按自由度数目分类1单自由度手腕2二自由度手腕3三自由度手腕(2)按驱动方式分类1直接驱动手腕2远距离传动手腕 腕部的三维图如图3-4所示图3-43.4、手部的设计3.4k手部的特点工业机器人的手部是装在工业机器人手腕上直接抓握工 件或执行作业的部件。工业机器人手部有以下一些特

11、点。(D 手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口。也可能有电 气 液的接头，当工业机器人作业对象不同时，可以方便地拆卸和更 换手部。(2)手部是工业机器人的末端操作器。它可以像人手哪样具有手指，也 可以不具备手指。(3)手部的通用性比较差。工业机器人的手部通常是专用的装置，一种 手爪往往只能抓握一种工件或几种在形状 尺寸、质量等方面相近似 的工件，只能执行一种作业。(4) 手部是一个独立的部件，假如把手腕归属于臂部，那么，工业机器 人机械系统的三大件就是机身、臂部和手部。手部是决定整个工业 机器人作业完成好坏 作业柔性好坏的关键部件之一。3.42、手部的分类由于手部要完成的作业任务繁多，

12、手部的类型也多种多样。根据其用 途，手部可分为手爪和工具两大类。手爪具有一定的通用性，它的主要功 能是抓住工件握持工件、释放工件。工具用于进行某种作业。根据其夹持原理，手部又可分为机械钳爪和吸附式两大类。其中吸附式了人手的功能范围。在实际应用中，也有少数特殊形式的手部手部的三维图如图3-5所示图3-5整个机械手的三维图如图3-6第四章电气结构及设计本设计采用主从控制方式，以AT89S52为主控制器，PSC伺服控制器 为从控制器。4.仁主控制器的选择设计采用了 AT89S52单片机为该板的处理器，提供了 ISP在系统编程 接口，RS-232串行接口，全部引出的单片机I/O 口以及方便用户搭建单片

13、 机外围电路的面包板。通过编写在C51单片机平台上运行的程序，来控制 机械臂的运动。采用自己设计5V电源，该电源能满足单片机的工作需要。 程序通过将ISP下载线连接到PC机或者笔记本电脑的并口，来下载到控 制板上的单片机内。下载线一端连接到PC机或者笔记本的并行接口上，而 另一端连接到控制板上的程序下载口 ISP oAT89S52单片机，是一种低功耗、高性能CM0S8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术 制造，与 工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存 储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8

14、位 CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、有效的解决方案。AT89S52引脚结构图如图4-1所3P20P21P22P23P24P25P26P27VSSVCCRXDTXDXLE/P图4T4.2、伺服控制器PSC及电机的选择4. 21、伺服控制器PSC的选择PSC采用串行口与单片机之间传送数据，串口电平是在05V直流之 间，即TTL电平。其波特率有两种2400bps、38400bpso可以控制16 个伺服电机。伺服电机可以同时的、不间断的在0到180度之间旋转3。 PWM分辨率为2微秒，0到63电机转动速度设置。PSC伺服控制器如4-2图所图42如

15、图4-2所示，PSC的各引脚中，引脚722对应CHOCH15,为电 机控制接口，可接16个伺服电机；引脚1为通信端，与主控器连接，用 于接收命令 字和控制字，引脚23与24为电源接口。4. 22、PSC伺服控制板接口的设计PSC伺服控制板采用6V/3A的独立电源适配器，该适配器符合伺服电机 的额定电压6V的要求，且输出电流大，保证在机械臂有负载时的伺服电机 电流供应6 o机械手伺服电机05,分别连接PSC伺服控制板的CH0 CH5O在本设 计的程序中，指定了 PSC与C51实验教学板，通过P1.0 口进 行通信。同时，为了方便PSC的供电，将PSC控制板上的P1.0 口（图8 中所示）接到C5

16、1实验教学板P1.0 口上，并连接好电源线与地线。PSC 伺服控制板与电机连接示意图如图4-3所示。咗一r 4-r I厂巧(Mil 卜 L. ；H9 CH7| IJj CHI6V6 丄4. 23x伺服电机的选择机械手本体采用美国亚Crust Crawler公司的SG6-UT型机器人的本体 及与之 配套的伺服电机驱动器“。SG6-UT型机器人如图4-4所示。图4 -SG6-UT型机器人是六自由度机械手，包括HITEC HS-645MG型底座电 机，图4-4中PSC Port 0所示；HS-225 MG型旋转电机，图4-4中PSC Port 1所示；HS-805 BB型屈臂电机，图4-4中PSC

17、Port2所示；以及3 个HS-475 HB型伺服 电机，分别为肘部图4-4中PSC Port3所示；腕部（图4-4中PSC Port4）和爪（图4-4中PSC Port5）电机。各伺服电机规格如表由于连线、机械结构等方面原因，机械手各自由度旋转角度有所限制， 各关节旋转角度范围如表2所示。伺服电机一般由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计，直流电机、控制电 路板等组成。由主控制器发来控制信号到PSC控制板，通过PSC控制板控 制电机转动。齿轮组减速，舵盘转动通过位置反馈电位计反馈给PSC控制 板。伺服电机控制方法如表3所示。电气结构图如图附录1第五章控制程序及调试六自由度机械轴搬去物体主要程序如

18、下所示i nt motormove (char channel, char ramp, int pos i tion)uns i gned char i; uchar cmd8 =!SC;cmd3二 channeI;cmd4=ramp;cmd5二 position;cmd6=pos it i on8;cmd 刀=OxOD;for (i=0; i8; i+)WByte (cmdi);grppr/ Bse Bcpt eIbw wrst wrstRi ntcode armdata 二 750,800, 800, 540, 750,1250,450,800, 800, 540, 750,1250, 4

19、50, 800, 600, 540,750,1250, 450, 800, 600,540, 750, 1250, 1000,800,800,540, 750, 1250, 1000, 800,600, 540, 750,1250,1000, 800, 600, 540, 750, 1250,1000, 800, 800,540,750, 1250,750, 1250, 1000, 800, 570, 540,1000, 800, 580, 540, 750, 1250,750, 800,800,540,750,1250,450, 800,800,540,750,1250,450, 800,5

20、80,540,750,1250,450, 800,580,540,750,1250,750, 800,800,540,750,1250, Oxffint code delay二 20, 20, 15, 20, 30, 10, 10, 10, 30, 20, 10, 30, 10, 10, 10;int robotmove (int i. int* movedata)uchar j;while (*movedata!=Oxff) for(j=0; ji; j+二6)motormove(0x00, 15, *movedata+);de Iay_nms (de layj/6);motormove(0

21、x0h 15, *movedata+);de Iay_nms (de layj/6);motormove(0x02, 15, *movedata+);de Iay_nms (de layj/6);motormove(0x03, 12, *movedata+);de Iay_nms (de I ayj/6);motormove (0x04, 15, *movedata+);de Iay_nms (de layj/6);motormove(0x05, 15, *movedata+);de Iay_nms (de layj/6);de I ay_nms (2000) ; /让所有动作执行完 int

22、main(void)uart_lnit ();robotmove(90, armdata);de I ay_nms (100);参考文献工大学出版社2012年.5重印2工业机器第二版第章第三1人-H-3工业机器第二版第章第四1弐2012.64工业机器2012.6第二版第章第五5杨炳儒知识工程与知识发现M.韩建海主 华中科技大学出版编、 社韩建海主 华中科技大学出版厶白 44-韩建海主 华中科技大学出版北京：冶金工业出版社，20006 曲海波少自由度串联机器人构型综合与奇异分析D.北京:北京交 通大学机械与电子控制工程学院，2007 孙汉旭，贾庆轩，张秋豪基于三分支机器人关节空间轨迹规划的研 究J 北京邮电大学学报,2006(2):81-85.