工业机器人模型设计.doc
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1、三自由度微型圆柱坐标工业机器人模型设计沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目: 三自由度微型圆柱坐标工业机器人模型设计 系 别 自控系 班级 学生姓名 学号 02 指导教师 职称 讲师 课程设计进行地点: F430 任 务 下 达 时 间: 2011 年 12月31日起止日期:2012年 1 月2日起至 2012 年 1 月13日止教研室主任 年 月 日批准三自由度圆柱坐标工业机器人设计1 设计主要内容及要求1.1 设计目的:1了解工业机器人技术的基本知识以及单片机、机械设计、传感器等相关技术。 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。 3通过
2、学习,掌握工业机器人的驱动机构、控制技术,并使机器人能独立执行一定的任务。1.2 基本要求1要求设计一个微型的三自由度的圆柱坐标工业机器人; 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。 3要有控制系统硬件设计电路。1.3 发挥部分 自由发挥2 设计过程及论文的基本要求:2.1 设计过程的基本要求(1)基本部分必须完成,发挥部分可任选;(2)符合设计要求的报告一份,其中包括总体设计框图、电路原理图各一份;(3)设计过程的资料保留并随设计报告一起上交;报告的电子档需全班统一存盘上交。2.2 课程设计论文的基本要求(1)参照毕业设计论文规范打印,
3、包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改,不少于3000字。图纸为A4,所有插图不允许复印。(2)装订顺序:封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文(设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍)、小结、参考文献、附录(总体设计框图与电路原理图)。3 时间进度安排顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注12012.1.2讲解主要设计内容,布置任务打分22012.1.3检查框图及初步原理图完成情况,讲解及纠正错误打分32012.1.4检查机械结构设计并指出错误及纠正; 打分42012.1.5继续机械机
4、构和传动机构设计打分5 2012.1.6进行控制系统设计打分62012.1.9检查控制系统原理图设计草图打分72012.1.10完善并确定控制系统打分82012.1.11指导学生进行驱动机构的选择打分92012.1.12进行传感器的选择和软件流程设计打分102012.1.13检查任务完成情况并答辩打分2011-12-30沈 阳 工 程 学 院 工业机器人技术 课程设计成绩评定表系(部): 自控系 班级: 学生姓名: 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料;能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真,遵守纪律
5、,出勤情况是否良好,能够独立完成设计工作, 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务,工作量饱满,难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确,论述充分,结论严谨合理,文字通顺,技术用语准确,符号统一,编号齐全,图表完备,书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩(加权分合计乘以12) 分加权分合计指 导 教 师 签 名: 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性;有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满,难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确,论述充分,结论严谨合理,文字通顺,技术用语准确,
6、符号统一,编号齐全,图表完备,书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩(加权分合计乘以8)分加权分合计评 阅 教 师 签 名: 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分中文摘要工业机器人技术是近年来新技术发展的重要领域之一,是以微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的一种综合性的高新技术。这一技术在工业、农业、国防、医疗卫生、办公自动化及生活服务等众多领域有着越来越多的应用。工业机器人在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进制造业的柔性化、增强企业和国家的竞争力等诸方面具有举足轻重的地位。我们此次课设的题目是三自由度微型圆柱坐标工业机器人模型设计。圆柱坐标机器人由
7、两个滑动关节和一个旋转关节来确定部件的位置,再附加一个旋转关节来确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转一个角,工作范围可以扩大,且计算简单;但是,它的手臂可以到达的空间受到限制, 不能到达近立柱或近地面的空间; 直线驱动部分难以密封、防尘; 后臂工作时, 手臂后端会碰到工作范围内的其它物体。 由于此次设计的为微型工业机器人因此驱动方式采用电气驱动并结合一些传感器和控制系统,控制系统采用了 C8051F 系列单片机作为本 次设计的主控芯片,各种算法的实现就是使用这款芯片实现的,最终使机器人可以实现物体的搬运等功能。工业机器人是机器人的一种,它由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,
8、它对稳定和提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。关键词 微型 工业机器人 圆柱坐标 三自由度目录中文摘要IV1 设计任务描述11.1设计题目:仿生机器龟设计11.2 设计要求11.2.1 设计目的11.2.2 基本要求11.2.3 发挥部分12、设计思路23、硬件设计方框图34、主要硬件电路设计44.1机械部分的设计44.2 驱动方式的选择54.3 传感器的选择64.3.1位置传感器64.3.2避障和接触觉传感器74.4控制系统74.5 传动机构75、软件控制流程图96、各部分原理图分析106.1 红外测距部分106.2电源部分106.3避障和接触觉部
9、分117、工作过程分析128、元器件清单139、主要元器件介绍149.1 C8051单片机149.2驱动芯片MC3388614小 结15致 谢16参考文献17- 18 -1 设计任务描述1.1设计题目:三自由度微型圆柱坐标工业机器人模型设计1.2 设计要求1要求设计一个微型的三自由度的圆柱坐标工业机器人; 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。 3要有控制系统硬件设计电路。1.2.1 设计目的1了解工业机器人技术的基本知识以及单片机、机械设计、传感器等相关技术。 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
10、机器人的设计中。 3通过学习,掌握工业机器人的驱动机构、控制技术,并使机器人能独立执行一定的任务。1.2.2 基本要求1.2.3 发挥部分自由发挥 2、设计思路本次机器人课设,我的题目是三自由度微型圆柱坐标工业机器人模型设计,即利用所学的机器人知识以及其他知识的综合设计一个具有搬运等功能的圆柱坐标机器人模型,使它能够在单片机的控制下寻得物体并放到指定的位置,把所学的机器人知识与其他知识能够综合起来,运用到实践中去。课程设计的要求是三自由度微型圆柱坐标工业机器人模型设计,主要是对工业机器人的机械机构(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的设计。我利用所学的机器人知识
11、结合其他的知识在完成老师的要求下还进行了适当的发挥。我的设计思路大体分为以下几部分1) 查找资料以获得相关的工业机器人的知识,对其有一个初步的理解,查找实现相关的功能所需要的知识与一些芯片和传感器的用法,确定大体的思路。2) 机械结构的设计,工业机器人的机械结构系统由基座、手臂、末端操作器三大件组成。在此次设计中采用固定基座,以及夹钳式取料手作为末端操作器。3) 驱动方式的选择,驱动方式总共分为三种:气动,电动,液动。此次设计中采用了电动的驱动方式,即用多个伺服电机实现机器人的手臂、手腕等的运动,由于伺服电机采用的是闭环系统再结合PID算法便可以实现机器人的精确定位和运动。4) 传感器的选择,
12、在此次工业机器人设计中我采用红外传感器作为所搬运的物体的位置确定,在机器人的操作末端安置四个光电传感器以实现对物体的寻找以及定位,除此之外还采用微动开关作为机器人的安全措施,在机器人的水平以及垂直方向各安置一个微动开关以防止机器人运动超限而损坏部件5) 控制方式的选择其硬件部分主要通过单片机来实现,将采集到的各种电压信号经过I/O口或A/D转换接口来实现,然后通过软件编程来实现工业机器人的各种控制6) 传动机构的设计,传动机构是向手指传递运动和动力,以实现夹紧和松开动作的机构,在此次设计中我采用回转型传动机构,用斜楔、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆等机构组成复合式杠杆传动机构,用以改变传动比和运动
13、方向等。7) 原理图的绘制,将三自由度微型圆柱坐标工业机器人的各种功能所需要的电路图绘制出来,对整体进行改正与设计,分析。 通过一周的努力与学习我最终比较圆满的结束了机器人课设,我设计的仿生龟在满足老师要求的基础上还进行了适当的发挥。3、硬件设计方框图根据设计的任务和要求,进行整体设计的构思。其设计图如下:传动机构传感器信号处理电路微动开关位置传感器机械部分单片机驱动装置 P I D 算 法控制系统图 3-1 设计方框图4、主要硬件电路设计4.1机械部分的设计工业机器人的机械部分一般有以下几部分构成: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
14、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、末端操作器之间的相对运动。在此次设计中机器人的基座采用固定基座式,末端操作器采用夹钳式取料手。机器人的机械机构简图如下: 图4-1运动简图此次设计的工业机器人的自由度为三自由度机器人,从上图可以看出机器人具有水平、垂直、旋转三个自由度。所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目,它是表示机器人动作灵活程度的参数。 本设计的工业机器人具有
15、四转动副和移动副两种运动副,具有手臂伸降,旋转,前后 往复三自由度。所采用的机械结构类型 圆柱坐标型为本设计所采用方案,这种运动形式是通过一个转动,两个移动,共三个自由度组成的运动系统(代号 RPP),工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较,在相同 的工作条件下,机体占体积小,而运动范围大。工业机器人的工作范围图如下: 图4-2工作范围图4.2 驱动方式的选择机器人常用的驱动方式有三种:液压驱动,气压驱动,电气驱动,三种驱动方式的特点如下:液压驱动是由高精度的缸体和活塞一起完成的。活塞和缸体采用滑动配合, 压力油从液压缸的一端进入, 把活塞推向液压缸的另一端, 调节液压缸内部活塞两端的液体压
16、力和进入液压缸的油量即可控制活塞的运动。机器人的驱动系统采用液压驱动, 有以下几个优点: (1) 液压容易达到较高的单位面积压力(常用油压为2.56.3 MPa), 体积较小, 可以获得较大的推力或转矩。(2) 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。 (3) 液压传动中, 力、 速度和方向比较容易实现自动控制。 (4) 液压系统采用油液作介质,具有防锈性和自润滑性能, 可以提高机械效率, 使用寿命长。 液压传动系统的不足之处是: (1) 油液的粘度随温度变化而变化, 这将影响工作性能。 高温容易引起燃烧、 爆炸等危险。 (2) 液体的泄漏难于克服, 要求液压元件有
17、较高的精度和质量, 故造价较高。 (3) 需要相应的供油系统, 尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置, 否则会引起故障。 与液压驱动相比, 气压驱动的特点是: (1) 压缩空气粘度小, 容易达到高速(1 ms)。 (2) 利用工厂集中的空气压缩机站供气, 不必添加动力设备。 (3) 空气介质对环境无污染, 使用安全, 可直接应用于高温作业。 (4) 气动元件工作压力低, 故制造要求也比液压元件低。 机器人常用的电机分为三种:普通的直流电机、步进电机、伺服电机输出或输入为直流电能的旋转电机,称为直流电机,它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能
18、;作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。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,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线关系的存在,加上步进电机只有周期的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。伺服电动机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行器件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。在此次课设中采
19、用了六个伺服电机来控制工业机器人的手指开合,手腕,手臂的运动,并用剩下的三个伺服电机来控制机器人水平、垂直方向上的运动以及旋转运动。舵机的控制并不像想象的那么简单。微型伺服马达有着如下的优点:大扭力、控制简单、装配灵活、相对经济,但它亦有着先天的不足:首先它是一个精细的机械部件,超出它承受范围的外力会导致其损坏,其次它内藏电子控制线路,不正确的电子连接也会对它造成损毁,因此在使用它时必须注意以下几点:1不要用手去掰2预先进行标定3注意脉冲的精度舵机的控制可以通过给它输入一个脉冲信号来实现。输入一个周期性的正向脉冲信号,这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms2ms之间,而低电平时间应在5ms
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