范文一：搬运机器人设计

搬运机器人

设计

班级:

姓名:

学号:

搬运机器人能够模仿人手部的部分动作，按照设定的程序、轨迹和要求，代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，实现一些人工不可能完成的工作，这不仅可以使人手避免出现可能的危险情况，保障生产安全，还能促进工作线的流水化，提高了工作效率，降低了劳动强度，改善了劳动环境，已经成为现代制造业中不可或缺的一种自动化装置。

机器人用于生产线上工件的自动搬运，下图为机器人动作本

示意图，机械手按下述顺序周而复始地工作:

根据对机器人的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如图所示:

一、搬运机械手总体结构设计

(1)该机器人采用圆柱坐标型，具有三个自由度，即手臂的伸长、缩短，手臂的上升、下降和整体旋转。

(2)该机器人采用液压驱动，其具有体积小、质量轻、结构紧凑、传动平稳、操作简单、安全、经济、易于实现过载保护且液压元件能够自行润滑等一系列优点。

(3)在控制方式选择上，由于其功能只是在两个传送带之间搬移工件，运动简单，控制要求不高，因此采用点位控制方式。

(4)此搬运机器人是在两个工作台之间搬运工件，其动作比较简单，选用电位器进行定位。

(5)此机器人应用于自动生产线上，因此，它应该能够按照控制程序自动运行,即具有自动运行模式。

二、搬运机械手机械结构设计

1、 机身设计

因为圆柱坐标式机器人把回转与升降两个自由度归属于机身，所以设计回转与升降机身，选用旋转液压缸与升降液压缸单独驱动的回转型机身，如图1所示，升降液压缸在上，旋转液压缸在下。

2、臂部设计

采用双导向杆的臂部伸缩结构。缸体直接固定在升降立柱上，活塞杆与两根导向杆连接一起组成伸缩臂，由于活塞杆与导向杆全部藏在缸体内，油管也从活塞杆内部通过，其特点是结构

紧凑，外观整洁。结构如图2所示。

3、手部腕部设计

因为工件的形状为圆柱形，所以带“V”型钳口的手爪，本次设计的搬运机器人手爪采用滑槽杠杆式结构，夹紧缸采用单作用弹簧复位式结构，杠杆端部固定安装着圆柱销，当拉杆向上拉时，圆柱销就在两个钳爪的滑槽中移动，带动钳爪绕两支点回转，夹紧工件;拉杆向下推时，使钳爪松开工件。结构如图3所示。

4、整体机械结构设计

搬运机器人整体结构如图4所示。

三、搬运机器人液压系统设计

包括夹紧液压缸液压回路设计、伸缩液压缸液压回路设计、升降液压缸液压回路设计、旋转(齿条)液压缸液压回路。液压传动具有较大的功率体积比，压力、流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维修方便。 四、搬运机械手控制系统设计

采用PLC控制，包括操作面板设计、I/O点数确定及PLC选型、PLC外部接线图设计、PLC控制程序设计。通过分析控制要求，应该设计机械手复位程序、手动运行程序和自动运行程序。

搬运机械手在暂停或者等待指令时，液压系统的液压泵一般要处于卸荷状态，因此，还要设计控制液压泵卸荷与否的程序，对液压泵进行控制。

范文二：搬运机器人设计

机器人技术大作业

设 计 题 目 搬运机器人设计

学 生 姓 名系 别 控制系

专 业 机电一体化

班 级 机电1101

授 课 教 师

目录

第一章 概述 . ....................................................... 3

1.1 搬运机器人的历史 ............................................... 3

1.2 搬运机器人的整体结构 ........................................... 5

1.3 搬运机器人的未来............................................... 9

第二章 机械设计 .................................................. 10

2.1 机械整体设计 .................................................. 10

2.2 各部件设计.................................................... 12

2.2.1 执行机构 .................................................. 12

2.2.2 驱动机构 .................................................. 15

2.2.3 控制系统 .................................................. 16

第三章 电气设计 .................................................. 16

3.1 电气控制整体设计 .............................................. 16

3.2 电气分部设计 ..................................................................................................... 17

3.2.1电机....................................................... 17 3.3 软件设计 .......................................................................................................... 19

第四章 总结 . .............................................................................................................. 25

第一章

1.1搬运机器人的历史 概述

搬运机器人 搬运机器人【transfer robot 】是可以进行自动化搬运作业的工业机器人，也被称为无人搬运车或者是AGV 。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran 和Unimate 两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人愈10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。

仓储业是AGV 最早应用的场所。1954年世界上首台AGV 在美国的South

Carolina 州的Mercury Motor Freight公司的仓库内投入运营，用于实现出入库货物的自动搬运。目前世界上约有2万台各种各样AGV 运行在2100座大大小小仓库中。海尔集团于2000年投产运行的开发区立体仓库中，9台AGV 组成了一个柔性的库内自动搬运系统，成功地完成了每天23400的出入库货物和零部件的搬运任务。

AGV 在制造业的生产线中大显身手，高效、准确、灵活地完成物料的搬运任务。并且可由多台AGV 组成柔性的物流搬运系统，搬运路线可以随着生产工艺流程的

调整而及时调整，使一条生产线上能够制造出十几种产品，大大提高了生产的柔性和企业的竞争力。1974年瑞典的Volvo Kalmar 轿车装配厂为了提高运输系统的灵活性，采用基于AGVS 为载运工具的自动轿车装配线，该装配线由多台可装载轿车车体的AGVS 组成，采用该装配线后，装配时间减少了20%，装配故障减小39%，投资回收时间减小57%，劳动力减小了5%。目前，AGV 在世界的主要汽车厂，如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车厂的制造和装配线上得到了普遍应用。近年来，作为CIMS 的基础搬运工具，AGV 的应用深入到机械加工、家电生

产、微电子制造、卷烟等多个行业，生产加工领域成为AGV 应用最广泛的领域。

在邮局、图书馆、码头和机场等场合，物品的运送存在着作业量变化大，

动态性强，作业流程经常调整，以及搬运作业过程单一等特点，AGV 的并行作业、自动化、智能化和柔性化的特性能够很好的满足上式场合的搬运要求。瑞典于1983年在大斯得哥尔摩邮局、日本于1988年在东京多摩邮局、中国在1990年于上海邮政枢纽开始使用AGV ，完成邮品的搬运工作。在荷兰鹿特丹港口，50辆称为“yard tractors”的AGV 完成集装箱从船边运送到几百码以外的仓库这一重复性工作。 对于搬运作业有清洁、安全、无排放污染等特殊要求的烟草、医药、食品、化工等行业中，AGV 的应用也受到重视。在国内的许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式AGV 完成托盘货物的搬运工作。在军事上，以AGV 的自动驾驶为基础集成其他探测和拆卸设备，可用于战场排雷和阵地侦察，英国军方正在研制的MINDER Recce 是一辆侦察车，具有地雷探测、销毁及航路验证能力的自动型侦察车。在钢铁厂，AGV 用于炉料运送，减轻了工人的劳动强度。在核电站和利用核辐射进

行保鲜储存的场所，AGV 用于物品的运送，避免了危险的辐射。在胶卷和胶片仓库，AGV 可以在黑暗的环境中，准确可靠的运送物料和半成品。

1.2搬运机器人的结构

搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator ）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球

等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand ”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。

要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其

三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator ）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand ”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。

要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图1-1所示

图1-1机器人的一般组成

对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2所示。

图1-2机器人各组成部分之间的关系

机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。

1.3搬运机器人的未来

目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、 性能方面都不能满足工业生产发展的需要。

因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。

将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高

在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出 相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。

视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。

触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。

手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。

现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

第二章

2.1机械整体设计

对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件) 的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环机械设计

范文三：智能搬运机器人设计

简易搬运机器人设计

摘 要：该设计主要是针对第十届全国机器人大赛比赛要求设计，具有手动自动的搬运固定

物体的能力。大体分为机械部分和电子质控部分，机身采用铝合金框架结构，使用三角全向轮作为底盘，制控部分由DSP2812作为主CPU与下位机进行并行通信控制系统。

关键词：铝合金；全向轮；上位机；下位机；DSP2812；并行通信。

Manual Control Robot Design of Simple Handling Robotics

Abstract:The design is directed to rules of Tenth National Robotics Competition, witch has

manual operation and automatic operation.This robot roughly decompose mechanical parts and electronics parts. Aluminum cover all robot,it is base use triangle with mecanum.Control part use DSP2812 as the main CPU and lower CPU use mega128,use parallel communication contact main and lower.

Keywords:Aluminum; Mecanum; DSP2812; Lower CPU; Main CPU; Parallel Communication

目 录

1 前言 .............................................................. 1

1.1 选题背景 ........................................................ 2

1.2 设计的研究内容与意义 ............................................ 2

2 方案的设计 ........................................................ 3

2.1 总体方案的设计 .................................................. 3

2.2 运动控制 ........................................................ 4

2.2.1 全向轮结构和特性 .............................................. 4

2.2.2 以全向轮为基础的三角底盘 ...................................... 5

2.2.3 升降机构的特性（结构简图见附录） .............................. 7

2.2.4 夹取机构特性（结构简图见附录） ................................ 7

2.3 电子功能模块的选择和特性 ........................................ 7

2.3.1 伺服器 ........................................................ 8

2.3.2 编码盘 ....................................................... 12

2.3.3 光电传感器 ................................................... 14

3 中央控制系统 ..................................................... 16

3.1 CPU的选择与软件控制 ............................................ 16

3.1.1 主CPU的选择 ................................................. 16

3.1.2 C28x系列芯片的主要性能如下 ................................... 16

3.1.3 DSP电源模块 .................................................. 18

3.2 下位机的功能简介 ............................................... 19

3.3 DSP的最小工作系统以及采样 ...................................... 19

3.3.1 DSP2812的最小工作系统原理图 .................................. 19

3.3.2 DSP对码盘的采样以及定位算法 .................................. 20

3.3.3 DSP对传感器采样 .............................................. 23

3.4 下位机的工作以及与主机通信 ....................................................................................... 25

3.4.1 升降机构 ..................................................... 25

3.4.2 抓取机构 ..................................................... 25

3.4.3 人机对话模块 ................................................. 27

3.5 DSP在线仿真的界面 .............................................. 30

3.6 AVR单片在线仿真界面 ............................................ 30

4 总结 ............................................................. 31

参考文献 ........................................................... 32 致谢 ............................................... 错误！未定义书签。

1 前言

机器人技术是一个国家的综合实力的重要体现，现在国际社会对机器人的发展越来越重视，从军用机器人到民用机器人[1-5]。机器人技术的更新日新月异。我国为发展机器人技术储备新兴力量与亚太传媒合作举行了亚太机器人比赛的国内选拔活动，该比赛需要机器人能自动识别场地路线，拾取目标搬运到指定区域，机器人必须有巧妙地机械结构设计和高性能的电子控制，对机电一体化要求很高[6]。针对这些要求机械部分我设计了能灵活移动的全向轮底盘，它可以在平面内向任何一个方位移动不需要机身转向，为了保证升降和抓取物体的稳定传动部分采用同步带传动。大部分的加工使用线切割和激光切割；电子制控部分为了实现多功能能联动和精确定位使用并行总线通信也就是一个主CPU采集传感器数据发送到并行总线上与多个丛机进行电机控制[7]。主CPU使用DSP2812芯片，它是拥有150M左右的高速运算能力和强大的采集数据功能。在程序方面为缩短研发周期大量使用模块化设计，这样不仅方便现场调试而且更新版本更加容易[8-10]。

1.1 选题背景

随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了

很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念[11-13]。

为了普及机器人知识，促进机器人技术的研究发展，世界上很多国家和地区纷纷

开展了各种类型的机器人比赛。“亚太大学生机器人大赛国内选拔活动”是中央电视台负责组织的在全国高校范围内选拔代表中国参加“亚广联亚太地区机器人大赛”的预选赛。“亚广联亚太地区机器人大赛”的前身是日本广播协会的机器人比赛，该项赛事从1988年开始，于1989年成为日本NHK每年的赛事，命名为“全日本机器人大赛”。1990年第一次邀请除日本之外的国外代表队参赛，成为一项国际性比赛，历时十年。该活动的宗旨是致力于培养各国青少年对于开发、研制高科技的兴趣与爱好，提高各参与国的科技水平，为机器人工业的发展发掘培养后备人才。本次毕业设计的题目就来自中央电视台“亚太大学生机器人大赛国内选拔活动” [14]。

由于我校的参赛经验、制作水平的不足，成绩并不理想；在第6届比赛中，我校凭借良好的技术和灵活的作战策略，制作的灵巧机器人表现出色，杀入全国32强；第9届比赛我校凭借先进、稳定的技术和灵活的策略，拿到全国16强的好成绩。由于前五届比赛为我们积累了宝贵的开发经验，今年的开发和比赛工作进行得有条不紊，我们先后研制了十余台机器人，目前已经取得了国内选拔赛的冠军，在剩下的时间里，我们将根据

机器人在国内赛场上的表现，对其进行改进，为“亚太大学生机器人大赛”的国际赛作最后的准备[15-18]。

1.2 设计的研究内容与意义

随着微电子技术的快速发展越来越多的高智能产品诞生，我们的生产时间大大减

少。大量具有特定功能的模块的产生使得电子研发周期大大缩短，领域也更加广泛。针对这次比赛设计的机器人就是将很多已经很成熟的模块进行拼装用软件将其有机的结合实现智能寻路和抓取物品。研究的主要内容就是如何对这些模块进行拼装和改进以及软件的程序编写[19]。大体可细化为以下几个方面：

1)．机器人机械结构设计：灵活的升降机构和抓取机构，在升降过程中除了有足够的力矩还要保持整个机体的稳定性使整体重心不超过允许偏离范围，抓取机构的工作部分要能很好适应不同尺寸的物体。机器人底盘在能灵活移动的前提下必须有良好的爬坡能力是其能爬上30度左右的斜坡。

2)．硬件模块的拼装：使用已有的功能模块进行组装必须使其相互兼容，这几就涉及到电源和信号的兼容，所以研发电频转换模块是该项目的一个重点

3)．控制部分：使用DSP2812对外界环境采样通过算法变成2-8位2进制数据发送给下位机进行工作。DSP2812是目前算法处理的尖端芯片，对它的使用也是一个漫长的学习和研究阶段。程序算法的开发是本项目的核心。

该项目的主要技术有广阔的发展前景，凡是需要智能定位的地方都需要这项技术，包括数控机床、自动包装机、太阳能系统等。

机器人尤其是机器人大赛的参赛机器人是需要机械和电路紧密配合的，巧妙的机

械结构会减轻控制方面的难度并带来稳定性的提升；良好的控制和多种传感器的使用使得机器人的功能能够完全发挥。机械和电路两方面任何一方做不好都会影响到比赛机器人的最终效果。以往，做机械的队员，往往因为对电和各种传感器了解不多而设计不出好的机器人；做电路的队员，往往因为对机器人的机械特性不够而发挥不了机器人的性能。因此本人深感有必要在机电机构优化设计方面做一次深刻的探讨，本人的研究工作也正是机电结构的优化设计。但是对机电结构的优化设计往往是一点一滴的改进，很难系统地、大篇幅地做出叙述。本人尽力在各种零碎的改进中整理出条理。

本人工作主要是：

1)．对比赛规则的研究与分析，从而确定比赛机器人的研发、制作目标；

2)．在机器人制作过程中，对手动与自动机器人的结构进行优化与改进；

3)．在机器人调试过程中，提出机器人坐标定位的校正方法，打滑检测的方法，

障碍区分的方法等并在机器人上实现[20]。

2 方案的设计

2.1 总体方案的设计

总的方案设计如图1所示。注意箭头方向表示信号传输方向,具体的设计的PCB见附图1，实物图见附图2, 原理图见附录。

图1 总体方案设计图

Fig.1 Overall scheme design

文字说明：本机器人采用TMSF320F2812芯片作为上位机，通过编码盘和光电开关

运算距离及准确定位，主芯片TMSF320F2812控制3个Mega32下位机。下位机1号Mega32通过控制1号伺服电机来控制底盘电机，从而控制三角底盘；下位机2号Mega32直接控制2号伺服电机，从而控制升降电机，控制齿盘，最终控制四杆机构；3号下位机Mega32通过控制舵机而控制同位带，从而控制曲柄摇杆机构，最终控制执行部分；下位机2号与3号，也通过控制手柄来控制；机器人正是通过3个Mega32的下位机分别管理底盘升降机构和曲柄机构，从而实现机器人在X、Y、Z轴三维空间的运动[21-23]。

2.2 运动控制

2.2.1 全向轮结构和特性

假设移动机器人具有刚性外壳,不变形的轮子,运动局限在平面上。则机器人在平面上的位置可以由图2表示。平面世界坐标系定义xoy ,点P 为在机器人本体上的参考点,车体坐

标系为X PY ,则机器人的位置和姿态可以由ξ= ( x , y ,θ) T 表示, 其中( x , y) 为点P 在平面世界坐标系中的位置,θ为世界坐标系下x 轴到机器人坐标系X 轴的角度, 逆时针为正. 用点P 来代表机器人,若能在平面世界坐标系下实现( x , y , θ) 三个自由度的运动,则称其为全方位移动机器人.

将轮子划分为传统轮系,包括固定方向轮( fixed wheel ) 、同心方向轮( centered orientablewheel) 和偏心方向轮(off2centered orientable wheel) ,和自由方向轮系,如Swedish 轮、球轮等. Swedish 轮也称Mecanum 轮,由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成,轮子和滚子之间的夹角为γ,通常夹角γ为45°,如下图所示，每个轮子具

图2 坐标图

Fig.2 Coordinates figure

有三个自由度, 一个是绕轮子轴心转动,第二个是绕滚子轴心转动,第三个是绕轮子和地面的接触点转动. 轮子由电机驱动,其余两个自由度自由运动. 由三个或以上的其Swedish 轮子可以构成全方位移动机器人。

图3 轮子图

Fig.3 Wheels figure

2.2.2 以全向轮为基础的三角底盘

为了使机器人能够快速的定位就需要有足够的灵活性，在使用全向轮作为动力轮的时候我们就必须考虑底盘形状的问题。底盘大体可分为三角底盘和四边形底盘它们的功能特性也有很大差别。

（1） 四边形底盘：动力轮分布在底盘的四个方向两两同轴且相互垂直，轮心到P底盘重心O的距离都等于a如下图所示，假设每个轮子能提供的反向摩擦力分别为f1、f2、f3、f4,按照力学公式推导如下

∑Fx = f1 + f3

∑Fy = f3 + f4

∑Mo = (f1 * a) + (f2 * a) + (f3 * a) + (f14 * a)

图4 底盘重心图1

Fig.4 Chassis gravity map1

1).当f1=f2；f1与f2方向相同 f2=f4=0此时机器人向f1方向运动；

2).当f2=f4；f2与f4方向相同 f1=f2=0此时机器人向f2方向运动；

3).当f1=f2=f3=f4方向一致时，此时机器人原地旋转；

4).当f1=f3=F1,f2=f4=F1，F1方向与F2相反 此时机器人向F1与F2的合力方向移动。

(2) 三角形底盘：三角形底盘为等边三角形，动力轮分布在三条垂直平分轴线上，且到重心距离相等。假设每个轮子能提供的反向摩擦力分别为f1、f2、f3,按照力学公式推导如下：

∑Fx = f1 + f2*cos30° + f3*cos30°

∑Fy = f2*sin60° + f3*sin60°

∑Mo = (f1 * a) + (f2 * a) + (f3 * a)

图5底盘重心图2

Fig.5 Chassis gravity map2

1).当f3=f2；f3与f2方向相反f1=0，此时机器人向f3与f2合力方向运动；

2).当f1=2*f2=2*f3f2与f3方向相同f1=f2=0，此时机器人向f1方向运动；

3).f1=f2=f3方向一致时，此时机器人原地旋转；

4).此时如果依照四边形底盘第4种情况分析不能得到，能产生一个朝向任意方向

的合力但无法使Mo =0这样机器人就会走出一个弧线。只有当合力方向在大约35°时Mo=0,也就是三角形底盘只能朝与水平线相差35°的斜线方向直线移动。 综上分析两种底盘都能实现平移和走莫一方向斜线均可以满足设计需求。但是两者均有利弊必须进一步分析确定设计思路

我们可以看出行走方向可以通过软件程序进行补偿但是过定位的精度影响会对整个机体造成很大影响，走后我选择三角地盘的设计思路[24]。

2.2.3 升降机构的特性（结构简图见附录）

2.2.4 夹取机构特性（结构简图见附录）

2.3 电子功能模块的选择和特性

一台智能化的机器人不仅需要一个稳定可靠的机械结构更需要高性能的电子制控。制控可分为机器人底盘的定位和识别需夹取物体的坐标两大块。底盘的定位首先需要对距离的识别和保证电机的转动距离满足定位精度不会产生失步和打滑现象，再次就是要良好的控制性能模块化管理，最后就能简化程序编写。我们选择了伺服器和编码盘两种定位功能模块[24]。

范文四：搬运机器人设计日志

搬运机器人设计日志

2012-3-15

今天老师通知我们学习机器人，准备参加机器人比赛，我们兴奋极了，但也担心会学不好，不过事在人为，相信自己一定能行的。 2012-3-16

今天我们在老师的讲解下开始接触“博思威龙机器人程序开发”软件。接触后发现软件并没有我想象的那么难，各种命令都是由不同的模块组成，比较形象直观。由执行模块、检测模块、控制模块、程序模块等四组模块组成，每个模块下又有相关的数种不同命令模块组成。

2012-3-19

今天在老师引导下我们开始学习流程图，知道了程序开始、结束执行、判断、循环等的表示，还知道了算法的概念，开始学着用流程图表示问题的解决办法，即算法。

2012-3-20

今天下午在老师的讲解和演示下，我们了解了机器人的零件，原来这些零件分了好多种颜色，黑色、灰色、白色、黄色、红色、蓝色等，还分了好多种类型，如：扁条、方条、齿轮、螺丝、轴、轴套、起子、钳子、巡线传感器、碰撞开关等，而且每种类型都有标准的单位，大的、小的、有孔的、无孔的……看着我们眼都花了，心里直犯嘀咕：这么多的零件是怎么组装的呢？便迫不及待地拿起两个齿轮摆

弄起来。经过老师的详细介绍，们了解了机器人的基础知识、零件组成，知道了齿轮组合是机器人的基础，还知道了机器人由三个部分组成：控制系统、驱动程序、软件系统。今天我们真是大开眼界、受益匪浅。

2012-3-21

今天我们开始试着设计机器人的实现方案。首先是巡线，用六个寻线器跨线行进，检测到压线则向相应方向转向，以保证能实现巡线功能；其次是抓球和放球，设计为两部分的手臂，前部负责挖球，由马达3控制，后部负责挖球前后的升降，分别由马达5和马达8控制。放球由一排轴组成挡条完成，由马达1控制；再次是机器人的运动，设计为前进和直接后退，即节约时间又降低了程序实现难度，分别由马达2和马达4控制四个车轮，一侧车轮用齿轮连接；最后是挖球、

放球的条件判断，我们设计用一侧三个巡线传感器同时检测到黑线为终止，向前为挖球，向后为放球，依次循环；还有运球的盒子我们用泡沫塑料制成，尽量降低其负重。

2012-3-23

今天我们试着组装机器人。首先是底盘，我们用一个基板为基础，添加马达、车轮、齿轮、感应器等组成；其次是手臂，手臂轮廓由方条组成，前部加入7个轴以便挖球，前部有马达+蜗杆组成使横向移动变纵向移动；手臂后部由两大一小三个齿轮完成动作；最后是各个部件的完善。

2012-3-26

今天我们开始编巡线程序，了解到直行模块还可以用启动电机的办法实现。马达2和4以及，前边感应器123，后边感应器456。通过对马达速度的多次调整顺利通过了弯道。但在中间有横线的弯道处却遇到了麻烦，在中间停止了。我们改为用碰撞开关做为终止条件，也顺利通过。

2012-3-27

初始化程序。因为规则的高度限制，需要有一个初始化的过程。在前部伸开的过程中进行了多次微调。

2012-3-28

今天工程师来校指导，对机器人进行了测试。

2012-3-30

挖球程序。放球程序。

我们设计为多次挖球，将挖球动作分解为几个环节进行反复测试，在挖球后的结束位置上进行了反复调节。

2012-4-1

主程序。我们设计了4个条件判断，自定义变量zys 来判断现在状态应该前进还是后退；碰撞开关8和碰撞开关13判断现在状态是挖球还是放球。

2012-4-2

因为规则的改变需要加高机器人，今天又对机器人进行了改装。 2012-4-4

反复测试改装后的各项参数。

范文五：搬运机器人设计论文

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六自由度搬运机器人的电控系统设计

第一章 绪论

1.1 引言

传统的工业机器人常用于搬运、喷漆、焊接和装配工作。工业现场的很多重体力劳动必将由机器代替,这一方面可以减轻工人的劳动强度,另一方面可以大大提高劳动生产率。搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种 设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人逾10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学，机械学，电器液压气压技术，自动控制技术，传感器技术，单片机技术和计算机技术等学科领域，已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。

应用搬运机器人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用搬运机械人可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都有搬运机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

可见，有效的应用搬运机械手，是发展机械工业的必然趋势机械手是提高劳动生产率,改善劳动条件,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重

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要手段,国内外都很重视它的应用和发展。搬运机器人是典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。 1.2机器人的产生与发展史

“机器人”是存在于多种语言和文字的新造词，它体现了人类长期以来的一种

一种像人一样的机器或人造人，以便能够取代人去进行各种工愿望，即创造出

作。

1920年，捷克剧作家卡雷尔?凯培克(KarelCapek)在他的幻想情节剧《罗萨姆的万能机器人》中，第一次提出来“机器人”这个名词。各国对机器人的译法，几乎都从斯洛伐克语“robota”音译为“罗伯特”，只有中国译为“机器人”。 1939年，美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。 1942年，美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。即

(1)机器人不应伤害人类;

(2)机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外;

(3)机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。

这是给机器人赋予的伦理性纲领。虽然这只是科幻小说里的创造，机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。

1954年，美国人乔治?德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人，并与1961年发表了该项机器人专利。

1959年，德沃尔与美国发明家约瑟夫?英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。 1962年，美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人Unimate在美国通

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用汽车公司(GM)投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。 从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右。2004年增长率达到创记录的20%。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。日本是目前使用机器人最多的国家，机器人数量占世界总量的60%以上，其次是美国、德国、新加坡使用机器人的数目也在飞速增长。 经过半个多世纪的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。 随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范围还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器 人的应用也越来越多，如无人侦察机(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。

1.2国内外研究概况及发展趋势:

1.21、国内现状及发展趋势

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。机器人的分类方法有多种, 按其应用可分为:工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。搬运机械人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，如图1的搬运机器人。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

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经济各领域有着广阔的发展前景。

搬运机械手是在机械化，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，搬运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，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了搬运机械手的发展，使得搬运机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。搬运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，搬运机械手

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已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用

国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点:

?搬运机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。

?机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速

由关节模块、连杆模块用重组方式构造搬运机械手整机、检测系统三位一体化:

机;国外已有模块化装配搬运机械手产品问市。

?搬运机械手的控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

?搬运机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速

度等传感器外，搬运机械手还应用了视觉、力觉等传感器，

?虚拟现实技术在搬运机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵搬运机械手。

1.21国外现状及发展趋势

现代国际工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。因此其各种生产流水线以及物流管理中更是多元化的使用着气动机械手。其中化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，搬运机器人就是为实现这些工序的自动化而产生的。搬运机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国外机械手工业、铁路工业中不仅在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用搬运机械手在流水线进行生产更是目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定

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零件的方位达到准确搬运的目的。

国外搬运机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的搬运机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。视觉功能即在搬运机械手上安装有电视照相机和光学测距仪(即距离传感器)以及微型计算机。

触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。

总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将搬运机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

1.3 机械手的组成

机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。 1.31执行机构

机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。

1.32传动系统

执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。

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1.33控制系统

机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作(动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。

机器人的分类

机器人分类方法有多种。

(1) 按机器人的控制方法的不同，可分为点位控制型(PTP)，连续轨迹控制型(CP):(a)点位控制型(Point to Point Control ):机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如机器人在进行点焊时的轨迹控制。(b)连续轨迹控制型(Continuous Path

Control ):机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。

(2) 按机器人的结构分类，可分为四类:

(a)直角坐标型:该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。

(b)圆柱坐标型:该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以q, r, z为坐标，位置函数为P = f (q, r, z) ,其中，r 是手臂径向长度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。

(c)球坐标型:具有两个转动关节和一个移动关节。以q,f, y 为坐标，位置函数为P = f (q ,f, y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但

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刚度、精度较差。

(d)关节坐标型:有垂直关节型和水平关节型(SCARA 型)机器人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。

(3) 按驱动方式分类:

按驱动方式可分为:(a)气压驱动;(b)液压驱动;(c)电气驱动。电气驱动是 20 世纪90 年代后机器人系统应用最多的驱动方式。它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。

(4) 按用途分类:

可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。

1.4课题研究的目的、意义及主要研究内容

搬运机器人是一种典型的工业机器人，在工业现场中有着广泛的应用，通过该系列教学机器人可使学生能够模拟工业现场的实际运行状况。结构紧凑，工作范围大，具有高度的灵活性，是进行运动规划和编程系统设计的理想对象。

多自由度机械手做为现代机器人的一个重要组成部分，也随着技术的发展不断更新。普通机械手只能完成单工作任务或者较简单的操作，多自由度机械手在很多的工程技术及工程实际中能更为合理的进行一些现实操作。本课题正是在此背景下，通过电控系统来控制研究六自由度搬运机械手复杂运动控制。 1、理论意义

六自由度串联机械手是由六个关节组成，机械手安装在工作台上，这种结构使机械手拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于普通的移动机器人和传统的机械手;另一方面，工作平台和机械手不但具有不同的动力学特性，同时考虑轨迹规划的不同特点，六自由度串联机械手在对固定机械手具有优势的同时，在运用上存在诸多难点，

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如逆解优化、控制方法、路径规划、解决方案的选用等。因此，六自由度串联机械手复杂运动控制的研究有十分重要的理论意义。

2、应用价值

本课题的六自由度串联机器人具有重量轻、运动速度快、空间通过能力强、完成空间范围大等特点，通过在通用控制窗口上不同轴的控制上各个关节角度来实现不同的功能以完成各种示教及工作任务，由于其采用的控制方式为软件编程实现，对于国内工业发展各种机械手运用于现代工业焊接和汽车企业等的喷漆等方面有重要意义，

因此对提高国家工业水平、实现其重要价值也具有十分重要的意义。 1.4 设计任务

本次课程设计实验对象为深圳德普施公司制造的六自由度机械手，该机械手采用电机驱动实现了伸缩、旋转、夹物等动作，共有六个自由度，我们主要对六自由度机械手的物理结构，关节安排，运动分析，驱动电路及程序控制进行研究。

第二章 机械部分设计

2.1 机械手的“坐标形式”与“自由度”

按照机械手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标形式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本次课题所设计的机器人的手臂与人体上肢类似，采用了2个回转关节和4个弯曲关节，因此采用了典型的“空间关节式”机械手。综上可知，2个回转加上4个弯曲关节，总共有6个自由度。因此为:6自由度机械手。

2.2 机械手的主要参数

1.机械手的最大抓重:由于整体结构较小，又采用小型伺服电机驱动，因此考虑抓取物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，最终得出:本设计机械手抓取最大重量为:550克。

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2.3.机械手的技术参数列表:

(一)用途:

用于自动输送流水线的上下料。

(二)设计技术参数:

1.坐标形式:空间关节式

2.最大抓重:550克;

3.最大工作半径:1029mm

4.基座高:412mm

5.上臂长(肩到肘):450mm

6.前臂长(肘到腕):166mm

7.腕到手爪中心:413mm

8.各回转范围:360度

9各旋转范围(摆动):180度

2.4 底部设计

六自由度机械手底部做成圆盘状，和臂部相连接，对臂部起支撑作用。底部只做旋转运动，结构虽然简单，但是它能带动机械手臂部做360?旋转，并且圆盘机构比较稳定，承载能力较强，适合于360?运转。

机身设计的要求:? 机身要有足够的刚度、强度和稳定性;? 运动要灵活，用于实现升级运动的导向套长度不宜过短，以避免发生卡死现象;? 驱动方式要适宜;? 结构布置要合理。

2.5 臂部设计

六自由度机械手臂部由大臂和小臂组成，具备伸缩功能，共有2个自由度，在运动时，直接承受腕部、手部和工件的载荷，但由于本机械载荷较小，在设

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计时不用过多考虑此因素，但在进行一般机械设计时，臂部载荷能力的计算非常重要。臂部是工业机器人的主要执行部件，除支承作用外，它还负责改变手部的空间位置。

臂部设计的基本要求:? 手臂应具有足够的承载能力和刚度;? 导向性要好;? 重量和转动惯量要小;?运动要平稳、定位精度要高。 2.6 腕部设计

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。六自由度机械手的腕部按自由度数目分类，为一个二自由度手腕，由一个B关节和一个R关节组成的BR手腕，这也是最为常见的二自由度手腕;按驱动方式分类，为直接驱动手腕，是将驱动元件直接装在手腕上，这样结构十分紧凑。 2.7 手部设计

手部是机械手用来抓握物品的机构，具有一定的人手功能。在设计手部时，需要充分考虑抓取物品的性质，以此来确定手部结构的样式。一般手部有以下特点:? 手部与腕部相连处可拆卸;? 手部是工业机器人的末端操作器;? 手部的通用性较差;? 手部是一个独立的部件。工业机器人的手部有机械钳爪式和吸附式之分。本次设计采用齿轮传动的机械钳爪式手部，其结构简单，造价低廉，适用于一般场合下的物品夹紧与放松。

第三章 电气部分电控系统设计

电气电控系统设计主要由计算机、KinetisK60单片机、BTN7971驱动芯片组成。在计算机上编写好程序后输出.hex文件格式源程序，将其通过RS-232串行总线载入Kinetis K60单片机，打开电源开关后由KinetisK60产生三路占空比可调的PWM信号，PWM信号输出到直流电机，控制舵机按程序规定的步骤运

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动，从而带动机械手各关节的转动，由此来使机械手完成规定的动作。由于单片机系统是一个数字最小系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。

4.1 计算机与KinetisK60通信

计算机与KinetisK60单片机之间通过串行总线RS-232来联系，它是计算机与单片机之间信息传递的枢纽，一切数据的传输必需由它完成。本实验只需将用计算机编好的程序通过RS-232串行总线烧入单片机，然后由单片机控制直流电机运行即可。

RS232接口是1970年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。单片机和RS232的电平标准是不一样的，单片机与电脑串口通信应该遵循下面的连接方式:在单片机与上位机给出的RS232口之间通过电平转换电路实现TTL电平与RS232电平之间的转换。

4.2 KinetisK60单片机简介

Kinetis是基于ARM Cortex-M4具有超强可扩展性的低功耗、混合信号微控制器。第一阶段产品由五个微控制器系列组成，包含超过两百种器件，在引脚、外设和软件上可兼容。每个系列提供了不同的性能，存储器和外设特性。通过通用外设、存储器映射和封装的一致性来实现系列内和各系列间的便捷移

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植。

Kinetis 微控制器基于飞思卡尔创新的90纳米薄膜存储器(TFS)闪存技术，具有独特的Flex存储器(可配置的内嵌EEPROM)。Kinetis微控制器系列融合了最新的低功耗革新技术，具有高性能、高精度的混合信号能力，宽广的互连性，人机接口和安全外设。飞思卡尔公司以及其他大量的ARM第三方应用商提供对Kinetis 微控制器的应用支持。如图所示:

KinetisK60单片机引脚图

BTN7971驱动芯片介绍:

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该BTN7971是一个集成的高电流半桥为电机驱动应用。它是NovalithIC ?的一部分家族包含一个p沟道高侧MOSFET和一个n沟道MOSFET的低边带集成驱动芯片在一个封装中。由于P沟道高侧开关需要一个电荷泵被消除从而减少了电磁干扰。连接到微控制器是由简单的集成驱动器IC哪些功能逻辑电平输入，诊断与电流检测，转换速率调整，死区时间生成和保护，防止过热，过压，欠压，过流和短路。该BTN7971B提供保护的高电流PWM马达驱动器的成本优化的解决方案，具有非常低的电路板空间的消耗。

产品特点

?最大的路径阻力。 30.5米Ω@ 150?C(典型值16米Ω@ 25?C) 高压侧:最大。 12.8米Ω@ 150?C(典型值7米Ω@ 25?C) 低端:最大。 17.7米Ω@ 150?C(典型值9米Ω@ 25?C)

?(典型值)的低静态电流。 7μA @ 25??

?高达25 kHz的结合活性随心所欲PWM能力

?增强的开关速度，可降低开关损耗

?开关模式电流限制可降低功耗在过流

?50 A最小电流限制水平。 / 70 A (典型值) 。 (偏低) ?状态标志诊断与电流检测功能

?过热关机锁存器的行为

?过压锁定

?欠压关闭

?驱动电路与逻辑电平输入

?可调摆率优化的EMI

电机的选型:

驱动电机采用直流电机，我们在此选用的是RS-380SH型号的电机，这是因为直流电机具有优良的速度控制性能，它输出较大的转矩，直接拖动负载运行，

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同时它又受控制信号的直接控制进行转速调节。在很多方面有优越性，具体来说，它具有以下优点:

(1)具有较大的转矩，以克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩。

(2)调速范围宽，高精度，机械特性及调节特性线性好，且运行速度平稳。

(3)具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化。

(4)电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击的影响。

(5)可以长时间地处于停转状态而不会烧毁电机，一般电机不能长时间运行于停转状态，电机长时间停转时，稳定温升不超过允许值时输出的最大堵转转矩称为连续堵转转矩，相应的电枢电流为连续堵转电流。

图3.1为该电机的结构图。图3.2是此电机的性能曲线。

图3.1 电机的结构图

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图3.2 电机的性能曲线

RS-380SH型号的直流电机的参数如下:

额定转速 6800-17000(rpm) 额定功率 4.5-15.4(W) 额定电压 4.0-24.0(V) 额定电流 0.05-0.70(A) 额定转矩 41.0-83.3(NM)

一、直流电动机的工作原理

如图1-1所示，电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械负载相连，这是便有电流从电源正极流出，经电刷A流入电枢绕组，然后经过电刷B流回电源的负极。在图1-1所示位置，在N级下面导线电流是由a到b，根据左手定则可知导线ab受力的方向向左，而cd的受力方向是向右的。当两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩大于阻转矩是，电动机逆时针旋转。当线圈转过180度时，这是导线的电流方向变为由d到c和b到a，因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的 ,这样就使得电机一直旋转下去。

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1 直流电动机的工作原理图 图1-

二、直流电动机的内部结构

直流电机由定子、转子和机座等部分构成。

图2-1 直流电机结构图

1、定子

主磁极 ——主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。

换向极 ——换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。

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机座 ——机座有两个作用，一是用来固定主磁极、换向级和端盖;另一个是作为磁路的一部分。

电刷装置 ——电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。由电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫组成

2、转子

电枢铁心 —— 电枢铁心也有两个用处，一是作为主磁路的主要部分，二是嵌放电枢绕组。

电枢绕组——电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键部件。

换向器——换向器也是直流电机的重要部件。在直流电动机中，它的作用是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流;在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。

4.2 KinetisK60单片机PWM控制电机

PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。

PWM变频电路具有以下特点:

1. 可以得到相当接近正弦波的输出电压

2. 整流电路采用二极管，可获得接近1的功率因数

3. 电路结构简单

4. 通过对输出脉冲宽度的控制可改变输出电压，加快了变频过程的动态响应现

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在通用变频器基本都再用PWM控制方式。

PWM基本原理

脉宽调制(PWM)。控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量既指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同。是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。

单片机控制电机具有简单、精度高、成本低、体积小的特点，并可根据不同的电机数量加以灵活应用。本次实验中KinetisK60单片机产生的占空比可调的PWM信号经由BTN7971驱动模块的接收通道进入信号解调电路进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差送入电机驱动集成电路，以驱动电机正反转。直到电压差为0，电机停止转动。原理图 pcb图如下图所示:

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电控系统原理图

电控系统Pcb图

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电机正反转控制

H桥驱动电路

所谓 H 桥驱动电路是为直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如下:

从图中可以看出，其形状类似于字母“H”，而作为负载的直流电机是像“桥”

H 桥驱动”。4个开关所在位置就称为“桥臂”。 一样架在上面的，所以称之为“

从电路中不难看出，假设开关A、D接通，电机为正向转动，则开关B、C接通时，直流电机将反向转动。从而实现了电机的正反向驱动。借助这4个开关还可以产生电机的另外2个工作状态:

A) 刹车 —— 将B 、D开关(或A、C)接通，则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用。

B) 惰行 —— 4个开关全部断开，则电机惯性所产生的电势将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。

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以上只是从原理上描述了H桥驱动，而实际应用中很少用开关构成桥臂，通常使用晶体管，因为控制更为方便，速度寿命都长于有接点的开关(继电器)。 细分下来，晶体管有双极性和MOS管之分，而集成电路(例如L298)只是将它们集成而已，其实质还是这两种晶体管，只是为了设计、使用方便、可靠而做成了一块电路。

双极性晶体管构成的 H 桥:

MOS管构成的 H 桥:

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