机器人优秀课程设计.doc

沈 阳 工 程 学 院

课 程 设 计

设计题目： 三自由度微型直角坐标工业机器人模型设计

系 别 自控系 班级 测本081
学生姓名 步勇捷 学号 310110
指导老师 祝尚臻 职称 讲师
起止日期： 1 月 2 日起——至 年 1 月13 日止

沈阳工程学院

课程设计任务书

课程设计题目：三自由度直角坐标工业机器人设计

系 别 自动控制工程系 班 级
学生姓名 　　 学 号
指导老师 职 称 讲师
课程设计进行地点： F430
任 务 下 达 时 间： 12月31日
起止日期： 年 1 月2日起——至 年 1 月13日止

教研室主任 年 月 日同意

三自由度直角坐标工业机器人设计
1 设计关键内容及要求
1.1 设计目标：
1了解工业机器人技术基础知识和单片机、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设计中。 
3经过学习，掌握工业机器人驱动机构、控制技术，并使机器人能独立实施一定任务。
1.2 基础要求
1要求设计一个微型三自由度直角坐标工业机器人；
2要求设计机器人机械机构（示意图），传动机构、控制系统、及必需内外部传感器种类和数量布局。
3要有控制系统硬件设计电路。
1.3 发挥部分
自由发挥
2 设计过程及论文基础要求：
2.1 设计过程基础要求
（1）基础部分必需完成，发挥部分可任选；
（2）符合设计要求汇报一份，其中包含总体设计框图、电路原理图各一份；
（3）设计过程资料保留并随设计汇报一起上交；汇报电子档需全班统一存盘上交。
2.2 课程设计论文基础要求
（1）参考毕业设计论文规范打印，包含附录中图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，全部插图不许可复印。
（2）装订次序：封面、任务书、成绩评审意见表、汉字摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思绪、设计框图、各部分电路及对应具体功效分析和关键参数计算、工作过程分析、元器件清单、关键器件介绍）、小结、参考文件、附录（总体设计框图和电路原理图）。
3 时间进度安排
次序
阶段日期
计 划 完 成 内 容
备注
1
.1.2
讲解关键设计内容，部署任务
打分
2
.1.3
检验框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误
打分
3
.1.4
检验机械结构设计并指犯错误及纠正；
打分
4
.1.5
继续机械机构和传动机构设计
打分
5
.1.6
进行控制系统设计
打分
6
.1.9
检验控制系统原理图设计草图
打分
7
.1.10
完善并确定控制系统
打分
8
.1.11
指导学生进行驱动机构选择
打分
9
.1.12
进行传感器选择和软件步骤设计
打分
10
.1.13
检验任务完成情况并答辩
打分

-12-30
沈 阳 工 程 学 院
工业机器人 课程设计成绩评定表

系（部）： 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
能独立查阅文件,搜集资料；能制订课程设计方案和日程安排。
0.1
5
4
3
2

工作能力
态度
工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作，
0.2
5
4
3
2

工作量
按期圆满完成要求设计任务，工作量饱满，难度适宜。
0.2
5
4
3
2

说明书质量
说明书立论正确，叙述充足，结论严谨合理，文字通顺，技术用语正确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.5
5
4
3
2

指导老师评审成绩
（加权分累计乘以12）
分
加权分累计

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
文件
查阅文件有一定广泛性；有综合归纳资料能力
0.2
5
4
3
2

工作量
工作量饱满，难度适中。
0.5
5
4
3
2

说明书质量
说明书立论正确，叙述充足，结论严谨合理，文字通顺，技术用语正确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.3
5
4
3
2

评阅老师评审成绩
（加权分累计乘以8）
分
加权分累计

评 阅 教 师 签 名：
年 月 日
课 程 设 计 总 评 成 绩
分

中 文 摘 要
直角坐标机器人含有空间上相互垂直两根或三根直线移动轴，经过直角坐标方向3个独立自由度确定其手部空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备空间因数较低，实现相同动作空间要求时，机体本身体积较大。
大型直角坐标机器人也称桁架机器人或龙门式机器人是能够实现自动控制、可反复编程、多自由度、运动自由度建成空间直角关系、多用途操作机。其工作行为方法关键是经过完成沿着X、Y、Z轴上线性运动。多年来伴随工业机器人不停发展，工业机器人不停在工业领域得到广泛应用，尤其是结构简单直角坐标机器人，此次设计我关键是对三自由度直角坐标机器人进行设计，完成一个大约设计，在设计中我采取了多种光电传感器，还采取了C8051F系列单片机作为此次设计主控芯片,多种算法实现就是使用这款芯片实现。伴随直角坐标机器人应用越来越广泛，直角坐标机器人设计工作日益显得关键。成功设计一台直角坐标机器人包含到很多方面工作，包含机械结构、动力驱动、伺服控制等等。

关键词：三自由度 直角坐标 机器人 单片机 硬件 软件

目 录
中 文 摘 要 V
目 录 VI
1设计任务描述 1
2 设计思绪 2
2.1系统总体结构设计 2
2.2系统各步骤设计 2
3 设计方框图 3
4 直角坐标机器人硬件设计 4
4.1单片机最小系统电路设计 错误！未定义书签。
4.2单片机稳压电源设计 错误！未定义书签。
4.3直流电机驱动设计 错误！未定义书签。
4.4步进电机驱动设计 6
4.5机械结构部分 7
4.6传感器选择 8
5直角坐标机器人控制设计 10
5.1 示教再现功效 10
5.2运动控制功效 10
6 关键元器件介绍 11
7 小结 12
8 致谢 13
9.参考文件 14
附录 15

1设计任务描述
1.1 设计题目：三自由度直角坐标工业机器人设计
1.2 设计要求
1.2.1 设计目标：
1）了解工业机器人技术基础知识和单片机、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设计中。 
3）经过学习，掌握工业机器人驱动机构、控制技术，并使机器人能独立实施一定任务。
1.2.2 基础要求：
1）要求设计一个微型三自由度直角坐标工业机器人；
2）要求设计机器人机械机构（示意图），传动机构、控制系统、及必需内外部传感器种类和数量布局。
3）要有控制系统硬件设计电路。
1.2.3发挥部分：
自由发挥

2 设计思绪
2.1系统总体结构设计
此次设计题目是三自由度直角坐标机器人，直角坐标机器人含有空间上相互垂直两根或三根直线移动轴，经过直角坐标方向3个独立自由度确定其手部空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备空间因数较低，实现相同动作空间要求时，机体本身体积较大。
2.2系统各步骤设计
直角坐标机器人，它由水平轴(X轴，Y轴)，垂直轴Z轴及驱动电机组成。
另外一个完整机器人系统还需要控制系统和手抓，下面分别给予介绍:
直线运动轴
也叫直线运动单元，它就是一个独立运动轴，关键由支撑载体铝型材或钢型材和被安装在型材内部直线导轨、运动滑块和作为带动滑块做高速运动同时带组成。
运动轴驱动系统
直角坐标机器人传动关键是经过驱动电机转动带动同时带运动，同时带带动直线导轨上滑块运动。当驱动轴最高转速低于60Or/min时通常选择步进电机，不然选择交流伺服电机。
直角坐标机器人控制系统
机器人要在一定时间内完成特定任务，在完成抓取，加速运动，高速运动，减速运动，释放工件等同时，还要和相关设备经过通讯或I/O口实现部分时序上协调同时。另外在涂胶应用上，各个运动轴要完成直线和圆弧插补运动。所以其数控系统要按具体应用要求来选定其控制轴数、I/O口数量和软件功效。通常选择数控系统，PLC，工控机加运动控制卡和带轴卡功效及I/O口驱动电机来做控制系统。
直角坐标机器人末端操作器—手爪系统
依据其具体应用情况，其手爪系统可能是气动吸盘、气动夹取手爪、电动夹取手爪、电磁吸收手爪、焊枪、胶枪、专用工具和检测仪器等。在很多场所能够一次抓取多个工件。

3 设计方框图

靠近觉传感器
转速传感器

传感器信号调理电路

A/D转换器

计算机
人
机
交
互
系
统
机器人控制器
PID控制算法
距离控制算法
电动马达

图3—1主程序方框图

4 直角坐标机器人硬件设计
4.1单片机最小系统电路设计
最小系统是指确保系统能正常工作最基础电路和软件部分，单片机最小系统电路包含外部晶振电路、电源电路和复位电路，图4-3所表示。

（a） 外部晶振电路 (b) 电源电路

（c）外部复位电路
图4.1 单片机最小系统电路

时钟基础脉冲是CPU工作基础。C8051F020单片机系统时钟信号，由时钟振荡电路或专用时序脉冲信号提供。C8051F020在内部集成了完整振荡电路，XTAL1和XTAL2分别为振荡器输出和输入，XTAL1和XTAL2引脚可接入一个石英或陶瓷振荡器，图4-1（a）所表示。图中电阻R2是为了避免对外接晶体振荡器过驱动，电容C可提升振荡器稳定性。
为单片机提供电源是单片机正常工作最基础操作，电源经过电容和单片机并联相连，是为了避免出现耦合，对单片机造成损伤。
外部复位电路是经过外部引脚提供了使用外部电路强制MCU进入复位状态手段。在引脚上加上一个低电平有效信号将造成进入复位状态。最好能提供一个外部上拉或对引脚去耦以预防噪声引发复位，图4-1（c）所表示。在低有效信号撤出后，MCU将保持在复位状态最少12个时钟周期。从外部复位状态推出后，PINRSF标志（RSTSRC.O）被置位。
4.2单片机稳压电源电路设计
为了给单片机提供稳定3.3伏电源，我设计了直流稳压电路，其关键有变压器，整流电路，滤波电路，三端稳压器件组成，能确保给单片机提供稳定直流电源。集成稳压器含有输出电流大，输出电压高，体积小，可靠性高等优点，在电子电路中应用广泛。 分类： 外部结构：三端、多端。输出电压可调、输出电压固定，输出正电压、输出负电压。三端固定输出集成稳压器关键用于固定输出标准电压值稳压电源中。即使经过外接电路元件，也可组成多个形式可调稳压电源，但稳压性能指标有所降低。集成三端可调稳压器性能指标优良。本设计关键用到LM7805其优点关键有，7805 系列为 3 端正稳压电路,TO-220 封装，能提供多个固定输出电压，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。即使是固定稳压电路，但使用外接元件，可取得不一样电压和电流。其电路图以下：

图

4.2直流稳压电源电路

该电路将市电380伏经过变压器转化为220伏电压，再经过桥式电路进行整流，将交流转化为直流，其中电容C1为滤波作用，滤除纹波干扰，C2作用为预防自激振荡，C3作用为减小高频干扰。1117和LM7805作用基础相同，将5伏电压将为3.3伏。

4.3直流电机驱动电路设计
此次设计我用直流电机模拟风机来进行散热，其驱动用三极管。输出或输入为直流电能旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能相互转换电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。当P口为高电平时电机转动，低电平时，电机停止。电路图连接以下：

图4.3直流电机驱动电路图
4.4步进电机驱动电路设计
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移开环控制元件。在非超载情况下，电机转速、停止位置只取决于脉冲信号频率和脉冲数，而不受负载改变影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线关系存在，加上步进电机只有周期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很简单。其电路图以下：

图4.4步进电机驱动电路
本步进电机为四相电机。经过控制P1.0，P1.1，P1.2，P1.3高低电平，来控制电机正反装。其中二极管有保护作用，因为电机通电时电流逐步增大，而电机断电时电流也是正逐步减小，假如逐步减小电流不能立即流走，将对其它器件造成损坏。故接二极管保护单片机免受损坏。

4.5机械机构设计
工业机器人机械结构系统由基座、手臂、末端操作器三大件组成。每一大件全部有若干自由度，组成一个多自由度机械结构。
若基座含有行走机构、则组成行走机器人；若基座不含有行走及腰转机构，则组成单机器人臂（Single Robot Arm）。手臂通常由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直接装在手腕上一个关键部件，它能够是二手指或多手指手抓，也能够是喷漆枪、焊具等作业工具。
工业机器人坐标形式多个多样，按坐标形式来分话有：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型。
在此次设计中我们要设计机器人为三坐标直角坐标机器人，这种机器人由三个线性关节组成，这三个关节用来确定末端操作器位置，通常还带有附加旋转关节，用来确定末端操作器姿态。这种机器人在想x、y、z轴上运动时独立，运动方程可独立处理，且方程式是线性，所以，很轻易经过计算机控制实现；它能够两端支撑，对于给定结构长度，刚性最大；它精度和位置分辨率不随工作场所而改变，轻易达成高精度。下图4-5为其工作，空间示意图。

图4-5
从上图能够看到此机器人含有三个自由度，其参考坐标系为x、y、z。自由度是指机器人所含有独立坐标轴运动数目，理论上自由度越多机器人越灵活，那么它躲避障碍物和改善动力性能就会得到提升。
4.5.1 传动机构设计
传动机构是指向各轴传输运动和动力，以实现轴间相对移动，在三自由度直角坐标机器人中，其关键传动机构为平移型传动机构。从上表一中我们能够看到多种传动方法对比。
机械传动机构，能够将动力所提供运动方法、方向或速度加以改变，被大家有目标地加以利用。中国古代传动机构类型很多，应用很广，除了上面介绍以外，像地动仪、鼓风机等等，全部是机械传动机构产物。中国古代传动机构，关键有齿轮传动、绳带传动和链传动。
4.5.2 驱动方法选择
要使机器人运动起来，需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统。驱动系统能够是液压驱动、气动驱动、电动驱动，或把它们结合起来应用综合系统；能够是直接驱动或是经过同时带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。此次设计经综合比较，用是电力驱动。
分类：
根据电机工作原理不一样分为步进电机、直流伺服电机、无刷电机等。
根据控制水平高低来分分为开环控制系统和闭环控制系统。
适用范围：
适合于中等负载，尤其适合于动作复杂、运动轨迹严格各类机器人。
考虑到体积和精度，在比较了以上三种驱动方法后，我最终选择了电力驱动，因为电力驱动体积小，而且轻易组成闭环控制系统，故控制精度高，方便，但在算法上可能稍微复杂部分，但这全部能够克服，故实现起来时选择电力驱动愈加好部分。

4.6传感器模块
传感器是整个机器人得以正确循迹关键部件，只有经过传感器采集了外界信息后才能对机器人身处环境进行识别，才能使机器人依据轨迹运动。传感器种类繁多，有测距传感器、视觉传感器、接触觉等等不一样类型传感器，此次设计利用传感器关键是用来检测路线、检测障碍物和测距。
4.6.1物体检测及运动控制
对于机器人所要搬运物体检测，在本设计中用是红外传感器，红外光发送接收选择型号为ST168 对管当小车在白色地面行驶时装在车下红外发射管发射红外线信号经白色反射后被接收管接收一旦接收管接收到信号,那么光敏三极管将导通比较器输出为低电平;当机器人监测到物体时,红外线信号被黑色吸收后光敏三极管截止,比较器输出高电平,从而实现了经过红外线检测信号功效将检测到信号送到单片机I/O口;当I/O口检测到信号为高电平时,表明红外光被地上物体吸收了,表明此处存在物体。
否
自动监测程序
是否检测到物体
向左
是
向右
夹走
探测物体
判定处理程序

图4-6 黑线检测步骤图

其电路原理图为图4-6-1所表示。

图4-6-1 检测原理图

5直角坐标机器人控制设计
5.1 示教再现功效
示教再现功效是指控制系统能够经过坐示教盒或手把手进行示教，将动作次序、运动速度、位置等信息用一定方法预先教给工业机器人，由工业机器人记忆装置将所教操作过程自动地统计在存放器中，当需要再现操作时，重放存放器中存放内容即可。如需要更改操作内容时，只需要重新示教一遍即可。
5.2运动控制功效
运动控制功效是指对工业机器人末端操作器位置、速度、加速度等项目标控制。
在此次设计中我采取示教再现控制方法来对此机器人进行控制，其主控芯片为我们熟悉C8051F020单片机。使用此款单片机再配合部分外围电路集成就可实现对各个电动机控制，再加上部分在软件上编写配合好光电编码器，就能够实现PID算法，并组成一个简单闭环系统。

图5-1人机交互模块

5-2主控芯片

6 关键元器件介绍
C8051F020系列单片机是高集成度混合信号系统级MCU芯片，片内集成了一个多通道ADC、两个电压比较器、五个通用十六位定时器、UART、SPI总线接口、内部振荡器、64个通用数字I/O引脚、64KBFLASH程序寄存器和和8051兼容高速微控制器内核。
C8051F020关键特点以下：
1、模拟外设
( 1 )逐次迫近型ADC
●12位分辨率或8位分辨率；
●可编程转换速率，最大为100kps；
●可多达32个外部输入，每个引脚全部能够被配置为ADC输入。
( 2 )两个模拟比较器
●16个可编程回差电压值；
●可用于产生中止或复位。
( 3 )VDD监视器和降压检测器
2、片内JTAG调试
●片内调试电路提供提供全速、非侵入式在系统调试；
●支持断点、单步、观察点、堆栈监视器，支持观察/修改存放器和寄存器。
3、高速8051微控制器内核
●流水线指令结构；
●70%指令实施时间为1个或2个系统时钟周期；
●速度可达25MIPS；
●扩展中止处理系统。
4、存放器
●256B内部数据RAM；
●1024B XRAM；
●64KB可在系统编程FLASH存放器。
5、数字外设
●8个8位端口I/O，全部口线均耐压5V电压；
●可同时使用硬件SPI及UART串口；
●5个通用16位计数器/定时器；
●专用看门狗定时器。
6、时钟源
●内部可编程振荡器：2-16MHz；
●外部振荡器：晶体、RC、C或外部时钟。
7、封装
●100脚TQFP

7 小结
经过此次工业机器人课程设计,让我对机器人工作原理及设计方法有了愈加好掌握和了解。和次同时，经过此次课程设计也让我充足地认识到了我在学习这门课程中存在不足之处。经过这次课程设计让我学到了很多平时课上学不到东西，让我知道了哪些方面是自己微弱步骤，自己需要在哪些方面下部分功夫。更关键是能过这次试验我熟练地掌握了程序调试，知道假如一个程序运进时候出现了问题应该怎样找到错误并更正，也知道了该怎样去利用图书馆和网络上资源，这对我们以后课程设计和学习是有很大帮助。
这两周工业机器人设计，从茫然毫无头绪到开始大致研究到部件选择，我对工业机器人学习有了更深一步了解，并在在设计过程中，有了了自己想法，增加了学习爱好。即使设计时间很紧迫，但在设计过程中我们还是学到不少东西，因为有些知识我们学不多，这么我们在查找这些资料过程中就学到了更多东西。我认为课程设计对我们有更大帮助，能够把平时所学应用到实际当中，而且愈加重视这些元器件在实际应用中应该注意到事项，为以后工作和学习打下基础。
很庆幸能有这么一次课设机会，让我学尝试了理论和实际结合，让我学到了很多知识，让我认识到了自己不足，知道光是掌握了理论知识并不代表什么，必需还要和实际结合才能愈加好了解这些知道，使之掌握得更牢靠。在以后学习生涯中我会不停完善自己，用更多知识来丰富和充实自己，为自己以后人生道路打下坚实基础！

8 致谢
短暂课程设计就要结束了，经过我们小组全体组员担心而充实努力，我们最终顺利完成了设计任务，收获了成功喜悦。回顾这一周设计过程，我们从开始毫无头绪，逐步进入状态，到以后理论上实现，一起处理一个个难题，突破一重重阻碍，当硬件接线图出来时候，我们全部欢呼了起来，从未有过成就感充满了每个人心。我想这就是课程设计魅力所在吧。任务越是难以完成，过程越是复杂艰苦，成功那一刻喜悦和成就感就越大，和那一刻相比，之前全部努力全部是值得。“天下无难事，只怕有心人”经过这次课程设计，我对这句古语有了更深了解。
在理论实现过程中，我碰到了很多困难，用所学知识达不到想要结果，经过多种方法搜集资料，寻求同学们帮助，大家一起探讨、研究，最终成功完成了此次设计。达成能够实现所要求功效目标。
这次机器人设计关键是理论和实际相结合，不单单只是书上传感器及机器人介绍。经过这次设计使我对传感器和机器人学习更深入，加深了对理论学习了解，同时能够较自如应用知识来设计方案。也使我明白将理论和实际联络起来关键性。同时，经过学习，也锻炼了和组员交流，沟通，相互学习，得到最好设计结果。我相信，经过这次设计，我会愈加努力，愈加主动地学习专业知识，争取自己在此方面能创出更优异成绩。
很感谢对我们耐心指导。不管我们问多少问题，她们全部耐心地为我们一一解答，不厌其烦给我们讲解，假如没有老师帮助和激励，我们是不可能顺利完成这次课程设计。我们发自内心感谢老师，是您在我们碰到问题时给了指导，谢谢您老师！

9.参考文件
[1]谢存喜.机器人技术及其应用.第一版.北京.机械工业出版社.
[2]刘广瑞. 机器人创新制作.第一版.西安.西北工业大学出版社.
[3]方建军.智能机器人.第一版.北京.化学工业出版社.
[4]罗均等.特种机器人.第一版.北京.化学工业出版社.
[5]王志良.竞赛机器人制作技术.第一版.北京.机械工业出版社.

附录