当前位置： >>
机械手的结构设计
电动式关节型机器人机械手的结构设计编号:湖北文理学院理工学院 本科毕业论文（设计）题目 机械机械手的结构设计 系 机械设计制造及其自动化 专业
石 杰学号学生姓名 指导教师 起讫日期丁 文 文 20 ~ 20第 1 页电动式关节型机器人机械手的结构设计摘 要本文简要介绍了电动式关节型机器人机械手的概念， 机械手硬件和软件的组 成，机械手各个部件的整体尺寸设计，气动技术的特点。本文对机械手进行总体 方案设计， 确定了机械手的坐标形式和自由度， 确定了机械手的技术参数。 同时， 设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动 时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构。设计出了 机械手的气动系统， 绘制了机械手气压系统工作原理图，大大提高了绘图效率和 图纸质量，画出了机械手的装配图图。 关键词： 工业机器人 机械手 电动 电动式关节型机器人机械手第 2 页电动式关节型机器人机械手的结构设计AbstractAt first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy information of the development briefly. What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator. This paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm. The paper institutes two control schemes of according to the work flow of the manipulator. The paper draws out the work time sequence chart and the trapezium chart.KEY WORDS: Industrial robotrobotelectricelectric-type joints robot manipulator第 3 页电动式关节型机器人机械手的结构设计目第一章录绪论 ...................................................... 5 1.1 绪言 ..................................................... 5 1.2 课题工作要求 ............................................. 7 1.3 课题基本参数的确定 ....................................... 8第二章结构的设计 ............................................... 10 2.1 手部的机构 .............................................. 10 2.1.1 手指的形状和分类 .................................. 11 2.1.2 设计时考虑的几个问题 .............................. 11 2.1.3 手部夹紧的设计 ........................................ 12 2.2 手腕结构设计 ............................................ 13 2.2.1 手腕的自由度 ...................................... 13 2.2.2 手腕的驱动力矩的计算 .............................. 13 2.3 手臂伸缩，升降的尺寸设计与校核 .......................... 18 2.3.1 手臂伸缩的尺寸设计与校核 .......................... 18 2.3.2 手臂升降的尺寸设计与校核 .......................... 19第三章控制系统设计 ............................................. 22总结 ............................................................. 43致谢 ............................................................. 44结参考文献 ....................................................... 45第 4 页电动式关节型机器人机械手的结构设计第1章 绪 论1.1 绪言 到目前为止，世界各国对“机器人机械手”还没有做出统一的明确定义。 通常所说的“机器人机械手”是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照予定的 程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运或操纵工具的自动化装置。而“机械手” 一般具有固定的手部、固定的动作程序（或简单可变程序） 、一般用于固定工位 的自动化装置。因为国内外称作“机器人机械手” 、 “机械手” 、 “操作机”的这三 种自动化和半自动化装置，在技术上有某些相通之处，所以有时不易明确区分， 就它们的技术特征来看，其大致区别如下。 “机器人机械手” （Industrail Robot） ：多数是指程序可变（编）的独立的自 动抓取、搬运工件、操纵工具的装置（国内称作机器人机械手或通用机械手） 。 “机械手” （Mechanical Hand） ： 多数是指附属于主机、 程序固定的自动抓取、 操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手） 。如自动线、自动线的上、下料， 加工中心的自动换刀的自动化装置。 “操作机” （Manipulator） ：一般是指由工人操纵的半自动搬运、抓取、操作 装置。 如锻造操作机或处理放射性材料、 火工品的装配等所使用的半自动化装置。 机器人机械手（Industral Robot ,简称 IR）是 1960 年由《美国金属市场》报 首先使用的，但这个概念是由美国 George· C· Pevol 在 1954 年申请的专利“程序 控制物料传送装置“时提出来的。在这专利中所记述的机器人机械手，以现在的 眼光来看， 就是示教再现机器人。 根据这一专利， Devol 与美国 Consolide Control Corp 合作，于 1959 年研制成功采用数字控制程序自动化装置的原型机。 随后，美国的 Unimation 公司和美国的机械铸造(AMF)公司于 1962 年分别 制造了实用的一号机，并分别取名为 Unimate 和 Ver· satran。Unimate 机器人外形 类似坦克炮塔，采用极坐标结构，而 Versatran 机器人采用圆柱坐标结构。 上述两种机器人成为机器人结构的主流， 美国通用汽车公司和福特汽车公司 在其金属冷热加工中，采用这类机器人进行压、铸、冲压等上、下料，收到了良 好的效果。 美国的机器人机械手技术的发展，大致经历了以下几个阶段： （1）
年为实验定型阶段。 年，万能自动公司制造的第 5 页电动式关节型机器人机械手的结构设计机器人机械手供用户做工艺实验。1967 年，该公司生产的机器人机械手定型为 1900 台。 （2）
年为实验应用阶段。 这一时期， 机器人机械手在美国进入应用阶段。例如美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台机器人机械手；1969 年 又自行研制出 SAM 型机器人机械手，并用 21 台组成了点焊小汽车车身的焊接 自动线。 （3） 1970 年至今一直出于技术发展和推广应用阶段。 年，机器人机械手处于技术发展阶段。1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了 第一届全国机器人机械手会议。 据当时统计，美国已采用了大约 200 台机器人机 械手，工作时间共达 60 万小时以上。与此同时，出现了所谓高级机器人，例如 森德斯兰德公司 （Sundstrand） 发明了用小型计算机控制 50 台机器人机械手的系 统。 在欧洲第一台机器人机械手是 1963 年瑞典 Kavieldt 公司发表的第一台操作 机。 日本在六十年代初期就开始研制固定程序控制的机器手，并从其他各国引 进了用于不同生产过程的机器人，并获得迅速，很快研制出日本国产华的机器人 机械手， 技术水平很快赶上了美国并超过了其它国家，目前机器人机械手在日本 已得到迅速发展并很快得到普及。 我国虽然开始研制机器人机械手仅比日本晚 5~6 年，但由于种种原因，机器 人机械手的技术发展比较慢。但目前已引起了有关方面的极大关注。除了引进、 消化、仿制外，已经具备了一定的独立设计和研制能力。在 1958 年新疆维吾尔 自治区成立 30 年大庆站展览馆展出了由新疆机械局研制的跳舞机器人《阿依古 丽》 。 在 1986 年地十六届广交会上，成都电讯工程学院研制的第三代仿人机器人 《成蓉***》 已经用汉语或英语向来宾问好，并能简要的介绍的展览产品及回答 简单问话。西北电讯工程学院研制的微机控制示教再现式机器人《西电 I 号》 ， 也于 1985 年 9 月在陕西省科技贸易大会上进行了表演。此外，清华大学自动化 系研制的具有视觉手眼系统， 北京钢铁学院研制的焊接机器人，均已达到了较高 的水平。同时，在机器人学科中的视觉、听觉、语音合成、触觉、计算控制以及 人工智能诸领域研究，也取得了一定的进展。第 6 页电动式关节型机器人机械手的结构设计近几年来的成就表明， 我国机器人技术已经迈出了可喜的一步。相信在不久 的将来，我们一定回赶上世界各国前进的步伐。 1.2 课题工作要求 为了保证机器人在抓取工件时的精确度，我们在机器人的手部***了 力觉传感器。用以对机器人的检测和监控。该检测系统运用的是闭环控制。 整个抓取动作的流程见图。启动 初始化手部下降手臂伸长夹持工件手臂缩回是否夹紧？ＮＹ手臂上升手腕回转 180 度手臂回转 180 度手爪松开回到原位图 1.1 机械手的工作程序图第 7 页电动式关节型机器人机械手的结构设计1.3 课题基本参数的确定 1、手部负重：10kg（抓取物体的形状为圆柱体.圆柱半径.高度自定.密度 7.8g/cm3.） 2、自由度数：4 个，沿 Z 轴的上下移动，绕 Z 轴转动，沿 X 轴的伸缩，绕 X 轴的转动 3、坐标型式：圆柱坐标，其圆柱坐标型式的运动简图如图所示（见图 1） 4、最大工作半径：1800mm，最小工作半径 1350mm 5、手臂最高中心位置：1012mm 或伺服电机上端最高行程：1387mm（见图 2） 最小行程：1237mmω X Zφ图 1.26、手臂运动参数： 伸缩行程（X） ：450 伸缩速度： 〈250mm/s 升降行程（Z） ：150mm 升降速度： 〈60mm/s 回转范围（φ） ：0~180 度 回转速度： 〈70/s第 8 页电动式关节型机器人机械手的结构设计7、手腕运动参数： 回转范围（ω） ：0~180 回转速度：90/s 8、手臂握力：由 N=0.5/f*G 定 这里取 f=0.1 N=0.5/f*G=50kg 即手指握力为 50kg 9、定位方式：闭环伺服定位 10、 11、 12、 重复定位精度：± 0.05mm 驱动方式：电气（伺服电机） 控制方式：采用 MGS-51 单片微机 G=10kg第 9 页电动式关节型机器人机械手的结构设计第 2 章 结构的设计2.1 手部机构 手部机构是机器人机械手直接与工件、工具等接触的部件，它能执行人手的 部分功能。目前，根据被抓取工件、工件等的形状、尺寸、重量、易碎性、表面 粗糙度的不同，在工业生产中使用着多种形式的手部机构，最常见的是钳爪式、 磁吸式和气吸式， 也有少数的特殊形式。不同形式的手部机构其夹紧力的计算各 有不同。 钳爪式手部机构是最常见的形式之一。手爪有两个、三个或多个，其中两个 的最多。抓取工件的方式有两种：外卡式和内撑式。从其机械机构特征、外观与 功用来看，有多种形式，它们分别是： （1） 拨杆杠杆式钳爪 （2） 平行连杆式钳爪 （3） 齿轮齿条移动式钳爪 （4） 重力式钳爪 （5） 自锁式钳爪 （6） 自动定心钳爪 （7） 抓取不同直径工件的钳爪 （8） 具有压力接触销的钳爪 （9） 抓勾与定位销十钳爪 （10） （11） （12） 复杂形状工件用的自动调整式钳爪 同时抓取一对工件的钳爪与内撑式三指钳爪 特殊式手指钳爪同时对钳爪的选用也非常重要，应考虑以下几个方面： 1 应具有足够的夹紧力，这样才能防止工件在移动过程中脱落，一般夹 紧力为工件重量的 2 到 3 倍。 2 应具有足够的张开角，来适应它抓取和松开工件之间较大的直径范围， 而且夹持工件中心位置变化要小（即定位误差小） 。 3 应具有足够的强度和刚度，以免承受在运动过程中产生的惯性力和震 动的影响。第 10 页电动式关节型机器人机械手的结构设计4 5 6应能保证工件的可靠定位 应适应被抓取对象的要求 尽可能具有一定的通用性夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较 多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 2.1.1手指的形状和分类 夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式 :按 手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手 指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)， 其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离 缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的 手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单， 制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指 夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。 2.1.2设计时考虑的几个问题 (一)具有足够的握力(即夹紧力) 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中 所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 (二)手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。 手指的 开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径 的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (三)保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置， 必须根据被抓取工件的形状， 选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定 心。 (四)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生 的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应第 11 页电动式关节型机器人机械手的结构设计尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手 腕的扭转力矩最小为佳。 (五)考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支 点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附 图所示。 2.1.3手部夹紧的设计 1、手部驱动力计算 本课题电动机械手的手部结构如图2-1所示：图2-1齿轮齿条式手部其工件重量G=10公斤， V形手指的角度 2? ? 120? ， b ? 120 mm ? R ? 24 mm ,摩擦系数为 f ? 0.10第 12 页电动式关节型机器人机械手的结构设计(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: 2b N p? R (2)根据手指夹持工件的方位 ，可得握力计算公式:N ? 0.5tg (? ? ? )? 0.5 ? 5 ? tg (60? ? 5? 42' ) ? 25( N )所以2b N ? 245( N ) Rp?(3)实际驱动力:p实际 ? pK1 K 2?1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取 ? ? 0.94 ，并取 K1 ? 1.5 。若被抓取工 件的最大加速度取 a ? 3g 时，则: K 2 ? 1 ? 所以 p实际 ? 245 ?1.5 ? 4 ? 1563 ( N ) 0.94a ?4 g所以夹持工件时所需夹紧的驱动力为 1563 N 。 2.2 手腕结构设计 2.2.1 手腕的自由度 手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而 它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与 机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。 由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕 x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，因此我 们选用。它的结构紧凑，但回转角度小于 360? ，并且要求严格的密封。 2.2.2 手腕的驱动力矩的计算 手腕转动时所需的驱动力矩第 13 页电动式关节型机器人机械手的结构设计手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩 必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力 矩，动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心 与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图2-2所示为手腕受力的示意图。1.工件2.手部3.手腕 图2-2手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:M驱 ? M惯 ? M偏 ? M摩 ? M封式中: M 驱 驱动手腕转动的驱动力矩( N ? cm );M 惯 - 惯性力矩( N ? cm ); M偏 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转的动片)对转 动轴线所产生的偏重力矩( N ? cm ).M 封 - 手腕回转的动片与定片、径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩( N ? cm ); 下面以图2-3所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算: 1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦第 14 页电动式关节型机器人机械手的结构设计若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为 ? ，起动过程所用的时 间为 ?t ，则:M惯 ? （J ? J 1） ( N .cm ) ?t?式中: J - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 ( N.cm.s 2 ) ;J1 - 工件对手腕转动轴线的转动惯量 ( N.cm.s 2 ) 。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 J1 为:J1 ? J c ? G1 2 e1 g式中: J c - 工件对过重心轴线的转动惯量 ( N.cm.s 2 ) :G1 - 工件的重量(N);e1 - 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm),? - 手腕转动时的角速度(弧度/s);?t - 起动过程所需的时间(s);?? — 起动过程所转过的角度(弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏M 偏 ? G1e1 + G3 e3 ( N ? cm )式中: G3 - 手腕转动件的重量(N);e 3 - 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则 G1e1 ? 0 . 3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 M 封M封 ?f ( R A d 2 ? RB d1 ) ( N ? cm ) 2式中: d1 ， d 2 - 转动轴的轴颈直径(cm);f - 摩擦系数，对于滚动轴承 f ? 0.01，对于滑动轴承 f ? 0.1 ;R A , RB - 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据 ? M（ ? 0 ,得: A F）RB l ? G3l3 ? G 2 l 2 ? G1lRB ?G1l1 ? G2 l 2 ? G3l3 l第 15 页电动式关节型机器人机械手的结构设计同理，根据 ? M B (F) ? 0 ,得:RA ? G1 (l ? l1 ) ? G2 (l ? l 2 ) ? G3 (l ? l3 ) l式中: G2 - 的重量(N)l , l1 , l 2 , l3 ,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm).4、转的动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬 装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。 驱动力矩计算 手腕回转的尺寸及其校核 1.尺寸设计 长度设计为 b ? 100 mm ,内径为 D1 =96mm,半径 R ? 48 mm ,轴径D2 ? 26mm D2 =26mm,半径 R ? 13mm ,运行角速度 ? = 90? / s ，加速度时间?t =0.1s, 则力矩：压强 P ? 0.4MPa ,pb( R 2 ? r 2 ) M? 20.4 ? 106 ? 0.1(0.0482 ? 0.0262 ) 2 ? 32.6( N .m) ?2.尺寸校核 （1）测定参与手腕转动的部件的质量 m1 ? 10kg ,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径 r ? 50 mm 的圆盘上，那么转动惯量：J? m1 r 2 210 ? 0.052 2?? 0.0125 （ kg.m 2 ）工件的质量为5 kg ,质量分布于长 l ? 100 mm 的棒料上，那么转动惯量：第 16 页电动式关节型机器人机械手的结构设计m l2 Jc ? 12 5 ? 0.12 ? 12 ? 0.0042 ( kg.m 2 )假如工件中心与转动轴线不重合，对于长 l ? 100 mm 的棒料来说，最大偏心距e1 ? 50mm，其转动惯量为:J ? J c ? m1e12? 0.0042? 5 ? 0.052 ? 0.0167(kg.m 2 )M 惯 ? ( J ? J1 )??t? (0.7) ? 26.3( N .m)90 0.1（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手 腕转动件重心 与转动轴线重合， e1 ? 0 ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线 e3 ? 50mm, 则：M 偏 ? G1e1 + G3 e3? 10 ? 10 ? 0 ? 5 ? 10 ? 0.05 ? 2.5( N .m)（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 M 摩 ，对于滚动轴承 f ? 0.01，对于d1 ， d 2 为手腕转动轴的轴颈直径，d1 ? 30mm , d 2 ? 20mm, 滑动轴承 f =0.1， R A , RB 为轴颈处的支承反力，粗略估计 RA ? 300N , RB ? 150N ,M摩 ?f ( R A d 2 ? R B d1 ) 2 0.01 (300 ? 0.02 ? 150 ? 0.03) ? 2? 0.05( N .m)第 17 页电动式关节型机器人机械手的结构设计4．回转的动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密 衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计 M 封 为 M 摩 的3倍，M封 ? 3? M摩? 3 ? 0.05? 0.15( N .m)?M驱 ? M惯 ? M偏 ? M摩 ? M封? 26.3 ? 2.5 ? 0.05 ? 0.15? 29( N .m)M驱 〈M? 设计尺寸符合使用要求，安全。2.3手臂伸缩，升降，的尺寸设计与校核 2.3.1 手臂伸缩的尺寸设计与校核 手臂伸缩的尺寸设计 手臂伸缩采用烟台气动元件厂生产的标准，参看此公司生产的各种型号 的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，尺寸系列初选内径为? 100/63。尺寸校核 1. 在校核尺寸时，只需校核内径 D1 =63mm,半径R=31.5mm的的尺寸满足使用要 求即可,设计使用压强 P ? 0.4MPa , 则驱动力：F ? P ? ?R 2? 0.4 ? 106 ? 3.14 ? 0.03152 ? 1246 (N )2．测定手腕质量为50kg,设计加速度 a ? 10(m / s) ，则惯性力：F1 ? m a第 18 页电动式关节型机器人机械手的结构设计? 50 ? 10 ? 500( N )3.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数 k ? 0.2 ,Fm ? k.F1? 0.2 ? 500 ? 100( N )?总受力 F0 ? F1 ? Fm? 500 ? 100 ? 600( N )F0 ? F所以标准CTA的尺寸符合实际使用驱动力要求。 导向装置 气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保 证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性， 在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的***形式应该根据本设计的具 体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少 运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。 导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计 中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。 平衡装置 在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓 一侧重力矩对性能的影响， 故在手臂伸缩一侧加装平衡装置， 装置内加放砝码， 砝码块的质量根据抓取物体的重量的运行参数视具体情况加以调节，务求使两 端尽量接***衡。 2.3.2 手臂升降的尺寸设计与校核 尺寸设计 运行长度设计为 l =118mm,内径为 D1 =110mm,半径R=55mm,运行速度， 加速度 时间 ?t =0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力：G0 ? p.?R 2``第 19 页电动式关节型机器人机械手的结构设计? 0.4 ? 106 ? 3.14 ? 0.0552 ? 3799 (N )尺寸校核 1．测定手腕质量为80kg,则重力：G ? mg? 80 ? 10 ? 800( N )2．设计加速度 a ? 5(m / s) ，则惯性力：G1 ? m a? 80 ? 5 ? 400( N )3.考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数 k ? 0.1 ，Gm ? k.G1? 0.1 ? 400 ? 40( N )?总受力 Gq ? G ? G1 ? Gm? 800 ? 400 ? 40 ? 1240 (N )Gq ? G0所以设计尺寸符合实际使用要求。 2.3.3 手臂的尺寸设计与校核 尺寸设计 长度设计为 b ? 120 mm ,内径为 D1 ? 210mm,半径R=105mm,轴径D2 ? 40mm 半径 R ? 20 mm ,运行角速度 ? = 90? / s ，加速度时间 ?t ? 0.5s,压强P ? 0.4MPa ,则力矩： M ?pb( R 2 ? r 2 ) 2第 20 页电动式关节型机器人机械手的结构设计0.4 ? 106 ? 0.12(0.1052 ? 0.0202 ) 2 ? 255( N .m) ?5.3.2 尺寸校核 1．测定参与手臂转动的部件的质量 m1 ? 120kg ,分析部件的质量分布情 况， 质量密度等效分布在一个半径 r ? 200 mm 的圆盘上，那么转动惯量：J? m1 r 2 2120? 0.102 ? 2? 0.6 （ kg.m 2 ）M 惯 ? J.??t90 0.5 ? 108( N .m) ? 0.6 ?考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数 k ? 0.2 ,M 摩 ? k.M 惯? 0.2 ? 108 ? 5.（ 4 N .m）总驱动力矩：M驱 ? M惯 ? M摩? 108 ? 5.4 ? 113.（ 4 N .m）M驱 〈M?设计尺寸满足使用要求。第 21 页电动式关节型机器人机械手的结构设计第3章 控制系统设计由于微型计算机具有体积小，可靠性高，灵活性强，易于配置，功能丰富 及价格便宜等特点， 采用微型计算机对工业机器人进行控制，已经成为当今机器 人控制技术研究和发展的主流。 机械手的控制系统， 原则上可分为点位控制与连续轨迹控制两大类。点位 控制只要求按规定精度从起始点到达预定点，而对移动路径不做要求。连续轨迹 不仅与运动的起点与终点有关，还必须保证运动轨迹与设计轨迹一致。因此，在 连续轨迹控制中要进行轨迹设计，并对任意运动轨迹进行补插（补间）运算。为 了机器人运动平稳，就必须保证机器人的运动速度、加速度连续，这无疑也需要 进行复杂的运算。 微型计算机对机器人的控制， 一般采用分层控制的方法。 第一层为最高层， 其任务是识别工作空间，并据此决定如何完成给定的任务；第二层是决策层，其 任务是将给定的操作分成基本的运动；第三层是策略层，其工能是将基本的运动 转化成各自由度的运动； 第四层是执行层， 它将控制机器人完成各自由度的运动。 其中第一层及第二层属于人工智能的范畴，机器人的控制主要是研究第三、第四 层。 微型计算机种类很多，一般均由以下三部分组成。 A. 中央处理器 CPU，或称微处理器 MPU。 B. 内存储器，即主记忆装置 ROM 及 RAM 。 C. 输入输出装置 I/O，或称接口装置，联系这些装置的为三条总线，即 数据总线 DB，地址总线 AB 及控制总线 CB。 不同型号的微型计算机主要是中央处理器 CPU 的内容的功能不同，因 而有不同的指令系统和汇编语言。由于外部设备之不同以及是否用于实时控制， 其 I/O 接口装置因而很大差异。RAM 和 ROM 的存储量大小直接影响计算机的 应用范围。但一般微型计算机都可以在原有存储量的基础上加以扩充。 本机器人的控制系统的组织结构如图 3-1。它由主 CPU 板、I/O 板、控制面 板、示教盒、伺服板、和稳压电源板等组成。第 22 页电动式关节型机器人机械手的结构设计8031 CPURAM ROM辅助运 算回路I/O 端 口 及 电平 转 换电路控制板串行 通讯 电路串行 中断 电路伺服板读位置电 路脉冲分配电路示教盒伺 服 控 制 电路机 器 人图 3-1 控制系统组织结构图 主 CPU 板是本控制器的核心，其上有 CPU、存储器、多级中断控制电路、 脉冲分配电路、读位置电路以及串行通讯电路等，完成系统的管理、控制运算、 伺服系统控制和仿置检测等控制功能以及与示教盒、控制板的通讯。 I/O 接口板主要负责输入输出和监测各种故障报警的输入信号。伺服板共 8 块，负责完成四个轴的位置环速度环和电流环的伺服控制。 本次控制系统设计主要设计 CPU、ROM 和 RAM 中断处理电路示教盒以及 串行通讯电路键盘显示电路这几个部分。 1.CPU 与存储器 CPU 采用 8031 微处理器地址译码器内存 RAM 和 EPROM 以及锁存器组成。 （1） 8031 的结构 1）寄存器堆 8031 中有 12 个通用寄存器，6 个专用寄存器，两个累加器和两个标志 寄存器。由于寄存器很多，故称其为堆。它们各个单元不是以序号作为地址 号，而是以其名称作为地址号。它们全是静态 RAM 实现。各寄存器的功能如下：第 23 页电动式关节型机器人机械手的结构设计堆栈指示器 SP：它是一个 8 位的专用寄存器。用以指示堆栈区的最上面的 存储单元的地址，即栈顶地址。堆栈指示器是在计算机中接受中断要求而去处 理某些外部设备提出的请求时需要用到的寄存器。系统复位后，SP 初始化为 07H，使得堆栈事实由 08H 单元开始。考虑到 08H~1FH 单元分属与工作寄存 器区 1~3， 若程序设计中要用到这些区， 则最好把 SP 值改置为 1FH 或更大值。 由于栈指针是一个 8 位的专用寄存器， 其值可由软件改变， 因此在内部 RAM 中的位置比较灵活。响应中断或子程序调用时，发生入栈操作，入栈的是 16 位 PC 值，PSW 并不自动入栈。在指令系统中有栈操作指令 PUSH（压入）和 POP（弹出） ，如有必要，中断时可用把 PSW 的内容压入堆栈，加以保护，返 回前用 POP 指令恢复。 除用软件直接改变 SP 值外，在执行 PUSH、POP、各种程序调用、中断 响应、子程序返回 RETI 等指令时，SP 值将自动增量或减量。 变址寄存器 IX 及 IY：它们能将其内容加减一个称作偏移量的数，以达到一 个新的地址。 中断向量地址寄存器 IV： 这个寄存器用以存放中断服务子程序的入口地址。 存储器刷新寄存器 R：8031 可以使用动态存储器。刷新存储器是再生时进 行计数用的。 特殊功能寄存器 SFR：8031 单片机片内的 SFR 与存储器是独立的，但它能 像访问内部 RAM 一样被访问。8031 单片机具有 21 个特殊功能寄存器，可分为 3 个 16 位寄存器和 15 个 8 位寄存器。这些寄存器分散地分布在片内 RAM 的高 128 字节地址 80H~FFH， 访问这些专用寄存器仅允许使用直接寻址的方式。 寄存 器并未占满 80H~FFH 整个地址空间， 对空闲地址的操作是无意义的。 片内的 SFR 能综合的实时反映整个单片机基本系统内部的工作状态及工作方式。因此，它是 非常重要的。对单片机应用者来说，掌握个各 SFR 的工作状态，工作方式，从 而实现对整个单片机系统的控制具有重要的意义。表 3-1 列出了个 SFR 的名称 几地址。 ·ACC ·B ·PSW 累加器 B 寄存器 程序状态字堆栈指针 0E0H 0F0H 0D0H第 24 页电动式关节型机器人机械手的结构设计SP DPTR ·P0 ·P1 ·P2 ·P3 ·IP ·IE TMOD ·TCON +·T2CON TH0堆栈指针 数据指针（包括 DPH 和 （DPL）口 0 口0 口1 口2 口3 中断优先级控制 允许中断控制 定时器/计数器方式控制 定时器/计数器控制 定时器/计数器 2 控制 定时器/计数器控制 0 （高 位字节） 定时器/计数器控制 0 （低 位字节） 定时器/计数器控制 1 （高 位字节） 定时器/计数器控制 1 （低 位字节） 定时器/计数器控制 2 （高 位字节） 定时器/计数器控制 2 （低 位字节） 定时器/计数器控制 2 自 动再装载（高位字节） 定时器/计数器控制 2 自 动再装载（低位字节） 串行控制81H 83H 和 82H 80H 90H 0A0H 0B0H 0B8H 0A8H 89H 88H 0C8H 8CHTL08AHTH18DHTL18BH+TH20CDH+TL20CCH+RLDH0CBH+RLDL ·SCON0CAH 98H第 25 页电动式关节型机器人机械手的结构设计SBUF PCON串行数据缓冲器 电源控制99H 97H数据指针 DPTR（83H，82H） ：数据指针 DPTR 是一个 16 位专用寄存器， 其高位字节寄存器用 DPH 表示，低位字节寄存器用 DPL 表示。即可以作为 16 位寄存器 DPTR 来处理， 也可以作为 2 个独立的 8 位寄存器 DPH 和 DPL 来处理 。 DPTR 主要用来保持 16 位地址，当 64KB 外部数据存储空间寻址时，可作为间 接寄存器用。 这时有两条传送指令 MOVX A， @DPTR 和 MOVX @DPTR, A。在访问程序存储器时，DPTR 可用作基址寄存器，这时采用一条基址+变址寻址 方式的指令 MOVC A， @+DPTR,常用于读取存放在程序存储器内的表格数据。2）8031 的引脚功能 8031 为 40 引脚芯片如图 3-4，按其功能可分为三个部分： a． I/O 口线：P0，P1，P2，P3 共 4 个 8 位口。 P0 （ 双 向 I/O ） 口 （ 39~32 脚 ）： P0 口 既 可 作 地 址 / 数据总线使用，又可作通用 I/O 口用。 P1（准双向 I/O）口（1~8 脚） ：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位准双 向 I/O 端口。P2（准双向 I/O）口（21~28 脚） ：在结构上，P2 口比 P1 口多了一个 输出转换控制部分。当转换开关倒向左面时，P2 口作通用的 I/O 端口用， 是一个准双向口。 P3（双功能） （10~17 脚） ：P3 口是一个多用途的端口。第 26 页电动式关节型机器人机械手的结构设计b.控制信号引脚：PSEN（片外取指控制） ，ALE（地地锁存控制） ，EA（片 外存储器选择） ，RESET（复位控制） 。 c.电源及时钟：Vcc，Vss，XTAL1，XTAL2。 其应用特性：a. I/O 口线不能都用作用户 I/O 口线。 b. I/O 口的驱动能力，P0 口可驱动 8 个 TTL 门电 路，P1、P2、P3 则只能驱动 4 个 TTL 门。 c. P3 口是双重功能口，其功能如图 3-5 所示。 P3.0:RXD(串行输入口); P3.1:TXD(串行输出口); P3.2:INT0(外部中断 0 输入线); P3.3:INT1(外部中断 1 输入线); P3.4:T0(T0 外部记数脉冲输入线); P3.5:T1(T1 外部记数脉冲输入线); P3.6:WR(外部 RAM 写选通脉冲输出线); P3.7:RD(外部 RAM 读选通脉冲输出线)。译码器采用 74LS138（8205） ，它具有以下特性：能作为 I/O 口或存储器地 址选择器，扩充简便，有输入选择端，采用了遵肖特基双极型工艺，最大延迟为 18ns， 连接与 TTL 逻辑电路兼容， 低电平输入负载电流最大为 0.25A,是标准 TTL 输入负载的 1/6。 INTEL8205 译码器可以扩充那些输入口、输出口和带有低电平有效的片选 输入存储器件的系统。当 8205 被片选时，它的八个输出端之一变“低” ，于是存 储器系统的一行被选中。对于扩大的系统，可把 8205 级联系起来，使得每一译 码器能驱动 8 个译码器 ，可任意扩充存储器。 8205 的逻辑符号、引脚排列，选通和译码真值表如下：第 27 页电动式关节型机器人机械手的结构设计引脚说明：A0~A2 为选址输入，E1~E3 为选通允许输入（既片选） ，O0~O7 为译码输出。 8205 译码真值表如下： 地址 A0 － ＋ － ＋ － ＋ － ＋ A1 － － ＋ ＋ － － ＋ ＋ A2 － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ E1 － － － － － － － － 选通允许 E2 － － － － － － － － E3 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 0 1 2 输出 3 4 5 6 7－ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋地址 A0 × A1 × A2 × E0 －选通允许 E1 － E2 － 0 1 2输出 3 4 5 6 7＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋第 28 页电动式关节型机器人机械手的结构设计× × × × × ×× × × × × ×× × × × × ×＋ － ＋ ＋ － ＋－ ＋ ＋ － ＋ ＋－ － － ＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋锁存器采用 74LS373：它的作用是把输入信号锁存起来，一直保持到选通 信号来取出信息。其工作原理：当锁存允许端为高电平时，Q 端跟随 D 端变化； 当锁存允许由高变低时，将此变化前一瞬时输入锁存，此后输入（D）不会影响 输出（Q）直至锁存允许为高电平，E 是读选通脉冲。应当注意在读期间锁存允 许不能变化。锁存允许信号通常取自译码器和 R/W 线，地址译码有时需 3 到 15 级门延迟，来防止读锁存。 数据存储器采用 6264（8K× 8） ，一共采用 3 块 6264，故 RAM 为 24K，除了 作为系统参数工作区，标志单元外，主要用作用户程序存储区，为了保存 RAM 的内容，一旦断电，保证 RAM 中的用户程序不会丢失，故采用电池利用 CE2 引脚的掉电保护装置在此也得到了应用，具体内容在后详讲，这里不再叙述。 6264 静态 RAM 的技术性能为： 一组三态输出引脚作为输入/输出公共引脚， 输入/输出与 TTL 电路兼容， A0~A12 为地址总线，I/O0~I/O7 为数据输入/输出， CE1 为片选 1，CE2 为片选 2，WE 为写选通，OE 为读选通。 6264 引脚排列如下： WE × × 高 高 低 低 CE1 高 × 低 低 低 低 CE2 × 低 高 高 高 高 OE × × 高 低 高 低 方式 未选 中 未选 中 禁止 输出 读 写 写 D0~D 7 高阻 高阻 高阻 D输 出 D输 入 D输 入第 29 页电动式关节型机器人机械手的结构设计EPROM 读存储器采用 2764（8K×8） ，一共 3 块，达到 24 字节，它的技术性 能。存取速度快，功耗低，编程简单，采用双线控制，全静态方式，采用单一+5V 电源。EPROM 一个很好的特点就是把输出元件控制（OE）和片选控制（CE） 分开，保证了其良好接口特性。对于 EPROM 的工作方式简述说明如下：1）. 读方式：EPROM 有两种控制功能，两者逻辑上部满足能够按次序在输出方面获 得数据的要求。片选（CE）是电源控制方面，用于器件的选择。输出允许（OE） 是输出控制方面，用作数据到输出引脚的选通信号，它与器件选择无关。 2）. 维持方式：在维持方式时，器件功耗从有效功耗减少到静态维持功能。 EPROM 时一个 TTL 高电平信号加到 CE 输入端而建立维持方式的。当处于维持方式时， 输出端均为高阻状态与 OE 输入无关。3）.编程方式：2764 进入编程方式时， Vpp 在 12.5V 且 OE 和 PGM 都在 TTL 低电平、被编程的 8 位数据以并行方式送 到数据输出引脚。地址和数据输入所需电平都为 TTL。 2764 的引脚图： 在 主 机 2764 （ Ⅰ ） 的 起 始 地 址 为 0000H~1FFFH； 2764 （Ⅱ） 的起始地址为 2000H~3FFFH； 2764 （Ⅲ） 的起始地址为 4000H~5FFFH； 6264 （Ⅰ） 的起始地址为 6000H~7FFFH； 6264 （Ⅱ） 的起始地址为 8000H~9FFFH； 6264 （Ⅲ） 的起始地址为 8000H~9FFFH； 在 示 教 盒 中 ， 2764 的 起 始 地 址 为 0000H~1FFFH；2.中断处理电路 本控制系统中采用 8259 中断控制器来实现系统多重中断的优先排队和中断 申请处理。8259 具有多中工作方式，可通过编程设定或变更它的工作方式。CPU 响 应中断时，8259A 能自动提供中断入口地址，而使 CPU 转问相应的中断处理程序。 中断入口地址可由用户设定，入口地址可以选定在任何存储单元。第 30 页电动式关节型机器人机械手的结构设计8259A 的引脚，功能说明如下：CS片选WR写RD CAS0~CA S2读 级联线SP/EN INT IR0~IR7从片/开启缓冲器 中断 中断请求 中断响应 地址线INTA A0（1）.数据总线缓冲器：是三态，双向 8 位缓冲器，外部引脚 D0~D7 用于和 CPU 的数据总线相连，CPU 通过数据缓冲器向 8259A 传送命令码，成从 8259A 读联状态字。 在中断响应时， 8259 通过数据总线缓冲器问 CPU 提供 CALL 指令的操作码（）和调用子程序入口地址高 8 位和低 8 位。 （ 2 ） . 中断申请寄存器（ IRR ） ：用来寄存所有从中断申请输入线 （IR0~IR7）输入的中断申请信号，当 IR0~IR7 中任何一条申请线上开为高电平 时，IRR 中相应的位置位。 （3）.优先级分辨器（PR） ：用于确定中断申请寄存器（ IRR）中个中 断申请位的优先级。IR0~IR7 的优先级可由 CPU 编程设定。 （4） .控制逻辑根据 CPU 对 8259 编程设定的工作方式产生 8259A 控制 信号，并在适当的时候对 CPU 发生中断申请信号 INT 请求 CPU 响应。INTA 是 来自 CPU 的中断响应信号。当 CPU 进入中断响应周期，送来第一个 INTA 脉冲第 31 页电动式关节型机器人机械手的结构设计时，8259 的控制逻辑一方面把 CALL 指令操作码（）经 D0~D7 送上数 据线供 CPU 读入指令寄存器。另一方面又把优先级分辨器从 IRR 中选出的具有 最高优先级的中断中请存入服务状态寄存器 （ISR） 。 以确定对应的服务程序入口 地址，CPU 在读到 CALL 指令操作码后，由于这是一条 3 字节指令,因此继续发 来两个 INTA 的脉冲信号，在第二个 INTA 脉冲到来时，控制逻辑把被响应的中 断申请所对应的服务程序入口地址的低 8 位送上数据总线，当第三个 INAT 脉冲 到来时，则提供服务的程序入口地址高 8 位，然后 CPU 执行调用指令 CALL， 转到相应的服务程序入口地址。在中断服务结束，CPU 送来的中断结束（EOL） 和特殊中断结束（SEOL）命令码时，控制逻辑服务状态寄存器中的 IS 位复位。 （3）.读、写逻辑晕高来接受 CPU 的控制信号，使来自 CPU 的初始化 命令字（ZCW）和操作命令字（OCW）存入 8259A 内部相应的寄存器中，用以 规定 8259 的工作方式，也 CPU 读取 8259A 内部状态信息，有关引脚功能如下： CS：片选线。当 CS=0 时，8259A 被选中，允许 CPU 对 8259A 进行读、 写操作。 WR： 写信号。 当 WR=0 时允许 CPU 把命令字 （ICW 和 OCW） 写入 8259。 RD：读信号 RD=0 时，允许 8259A 将中断申请寄存器（IRR） ，服务状 态寄存器（ISR） ，中断屏蔽寄存器（IMR）和中断级的 BCD 码送上数据总线供 CPU 读取。 A0：地址线。这个输入信号同 WR、RD 信号一起用来确定命令所需写 入的各种命令寄存器。或指定 CPU 要读出的状态信息寄存器。 （4）.级联缓冲器/比较器： 当 8259A 为主器件时（SP=1） ，CAS0~CAS2 为输出线，在 CPU 响应 中断时，用来表示级联代码，选出申请中断的从器件，这是被选的从器件将在下 两个接连出现的 INTA 脉冲期间，把预先编好的中断服务程序入口地址代送上数 据总线。当 8259A 为从器件时（SP=0） ，CAS0~CAS2 为输入线，接收主器件送 来的选择代码。 8259A 的操作控制和工作原理： a. A0、WR、RD、CS 的控制作用，表 3-2 表示了在控制引脚不同的电 平状态下的操作控制状态。第 32 页电动式关节型机器人机械手的结构设计表 A0、WR、RD、CS 的控制作用 A0 D4 D3 输出操作 IRR、ISR 或中 0 0 1 0 断级 BCD 码 数据总线 1 0 1 0 IMR 数据总 线 输入操作 0 0 0 1 0 0 数据总线 OCW2 寄存器 数据总线 OCW3 寄存器 数据总线 ICW1 数据总线 1 × × 1 0 0 OCW1，ICW2， ICW3 对 IRRISR 或中断级的 BCD 码的选择，决定于在此读出操作之前，CPU 写 入的操作命令 OCW3 的内容。这写命令的输入顺序由芯片的时序逻辑以适当的 时序加以排列。 8259A 的工作过程及中断应答时序：8259 按下列顺序管理外围设备的中断 申请： （1）当在 IR0~IR7 的中断申请输入端上由一个或多个输入出现高电平时， IRR 中的个对应为被置 1，表明已经由外围设备提出中断申请。 （2）8259A 在接受这些中断申请，并分辨优先级的同时，向 CPU 发出 INT 脉冲作为应答。RDWRCS00110001×100第 33 页电动式关节型机器人机械手的结构设计（3）若 CPU 处于“中断允许”的情况下，在收到 INTA 信号后应向 8259A 发出 INTA 脉冲作为应答。 （4）当 8259A 接收来自 CPU 的第一个脉冲（INTA）时，便使 ISR 的最高 优先级相应位置 1，而将 IRR 中于之对应的位置 0，并送一条 CALL 指令码 （）至数据总线。 （5）当 CPU 读到这个 CALL 指令后便发出两个 INTA 脉冲至 8259A。 （6） 这后两个 INTA 脉冲促使 8259 把一个预先编程的 16 位地址传到数据 总线上（分两次送出，先低 8 位后高位） 。这个地址就是中断服务程序的入口地 址。 （7）当执行完上述的 3 字节调用指令后，便转移至执行外设中断服务子程 序。在子程序执行期间，其相应的 ISR 位一直保持位 1，只有在子程序的末尾， 在 8259A 收到一个 EOL（中断结束）命令时，才使相应的 ISR 复位。 中断应答时序如图所示： IR INT INTA DB8259 的编程与命令控制字：8259 编程时，要设定初始化命令字 ICW 和操作 命令字 OCW。在 8259 启动之前，必须送入 2~4 个字节的 ICW1、ICW2 用来设 置中断服务程序的 16 位入口地址。ICW 的 D4 位时特征位，当 D4=1，且 A0=0 时，8259 就会识别出它时初始化命令字 ICW1，将其存入相当的寄存器，并启动 初始化时序。在初始化命令字进入 8259A 之后，8259A 就准备好接收来自 IR 输 入线的中断申请信号。但是，在 8259A 工作期间 CPU 可以通过操作命令 OCW 命令 8259A 完成不同方式的操作。 8259A 共有三种操作命令字： OCW1、 OCW2、 OCW3，这三个操作命令字是依靠 A0 和 OCW 中的 D4、D3 特征位来区别的。 OCW 命令字可在初始化后的任何时刻写入，下面分别介绍在不同的操作命令字 的控制下 8259A 的工作方式： （1） 无 OCW 的操作方式。 在完成初始化程序命令 送入后， 如果没有任何 OCW 操作命令字写入， 则 8259A 以全嵌套的操作方式响 应来自 IR 输入线的中断申请信号，中断申请的优先级被定位 IR0~IR7（IR0 的优第 34 页电动式关节型机器人机械手的结构设计先级最高） 。当中断被响应时，中断申请寄存器 IRR 中优先级最高的申请信号被 选出，并被存入服务状态寄存器，ISR 相应的 IS 位（IS0~IS7）被置位。在 CPU 有服务程序返回之前，保持置位直到 CPU 发出一个中断结束命令（EOL）为止。 （2）OCW1 的操作方式：CPU 可以通过操作命令字 OCW1 来分别屏蔽每一个 中断申请。OCW1 的格式如图：当 Mn=1 则相应的 IRn 被屏蔽OCW11M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0中断屏蔽 1= 设 置 屏 蔽 2= 清 除 屏 蔽 （3）OCW2 的操作方式：OCW2 操作命令字用于控制 8259A 的循环优先方式和 中断结束，OCW2 中的 R 位用来设定循环优先方式。当 R=0 时，8259A 以不循 环的优先方式操作。IR0~IR7 的优先权时固定的。当 R=1 时，8259A 被设定以循 环优先方式操作。 （4）OCW3 的操作方式：操作命令字 OCW3 用来设定特殊屏 蔽方式和指定将要读出的寄存器。 3．8279 键盘、显示 8279 芯片是一种通用的可编程序的键盘、显示接口器件，单个芯片就能完 成键盘输入和 LED 显示控制两种功能，键盘部分提供的扫描方式，可以和具有 64 个按键成传感器的阵列相连，能自动消除开关抖动以及 n 键同时按下的保护。 显示部分按扫描方式工作，可以显示 8 或 16 位 LED 显示块。 8279 电路工作原理如下： （1）.I/O 控制及数据缓冲器，数据缓冲器是双向 缓冲器，连接内、外总线，用于传送 CPU 和 8279 之间的命令或数据。I/O 控制 线是 CPU 对 8279 进行控制的引线。CS 是 8279 的片选信号，当 CS=0 时，8279 才被允许读出或写入信息。WR、RD 为来自 CPU 的读、写控制信号。A0 用于 区别信息特性： A0=1 时， 表示数据缓冲器输入为指令， 输出为状态字， A0=0 时， 输入、输出皆为数据。 （2）控制与定时寄存器及定时控制，控制与定时器用来寄 存键盘及显示的工作方式，以及由 CPU 编程的其它操作方式。这些寄存器一旦 接收并锁存送来的命令就通过译码产生相应的信号，从而完成相应的控制功能。第 35 页电动式关节型机器人机械手的结构设计定时控制包含基本订数键。 首级计数器是一个可编程的 N 级计数器。 N 可以 2~31 之间由软件编程，以便从外界时钟 CLK 分频得到内部所需要的 100KHZ 时钟， 然后再经过分频，为键盘扫描提供适当的逐行扫描频率和显示时间。 （3）.扫描 计数器有两种工作方式，按编程码方式工作时，计数器做二进制计数。4 位计数 状态从扫描线 SL0~SL3 输出，经外部译码器译码后，为键盘和显示器提供扫描 线；按译码器工作方式时，扫描计数器的最后二位被译码后，从 SL0~SL3 输出。 因此，SL0~SL3 提供了 4 中取 1 的扫描译码。 （4）.回复缓冲器：键盘去抖及控 制来自 RL0~RL7 的 8 根回复线的回复信号，由回复缓冲器缓冲并锁存。在键盘 工作方式中，回复线作为行列式键盘的行列输入线。在逐行扫描时，回复线用来 搜寻每一行列中闭合的键。当某一键闭合时，去抖电路被置位，延时等待 100ms 后，在检验该键是否闭合，并将该键的地址和附加的位移、控制状态一起形成键 盘数据被送入 8279 内部 FIF0（先进先出）存储器。 8279 的引脚及功能如图所示：D0~D7（数据总线） ：双向、三态总线和系统数据相连，用于 CPU 和 8279 间的数据/命令传送。 CLK（系统时钟） ：输入线，为 8279 提供内部时钟的输入端。 RESET（复位） ：输入线，当 RESET=1 时，8279 复位，其复位状态为： 16 字符显示，编码扫描键盘-双键锁定。第 36 页电动式关节型机器人机械手的结构设计CS（片选） ：输入线，当 CS=0 时 8279 被选中，允许 CPU 对其读、写， 否则被显示。 A0（数据选择） ：输入线，当 A0=1 时 CPU 写入数据为命令字，读出数 据为状态字，A0=0 时 CPU 读、写的字节均为数据。 RD、WR（读、写信号） ：输入线，低电平有效，来自 CPU 的控制信号， 控制 8279 的读、写操作。 IRQ（中断申请） ：输出线。高电平有效。 SL0~SL3（扫描线） ：输出线。用来扫描键盘和显示器，它们可以编程设 定为编码（4 中取 1）或译码输出。 RL0~RL7（回复线矩阵或传感器矩阵的列（或行）信号输出线。 SHIFT（移位信号） ：输出线，高电平有效，该输入信号是 8279 键盘数 据的次高位。 CNTL/STB（控制/选通） ：输入线，高电平有效。 OUTA0~OUTA3（A 组显示信号） ：输出线 OUTB0~OUTB3（B 组显示信号） ：输出线 这两组都是显 示信号输出线， 与多位数字显 示的扫描线 SL0~SL3 同步。 BD（显示消隐） ：输出线，低电平有效，该信号在数字切换显示或使用 消隐命令时，将显示消隐。 LED 显示及显示器接口： LED 显示器的结构与原理：LED 显示块是由发光二极管显示字端的显 示器件，在单片机应用系统中通常使用的是七段 LED，这种显示块有共阴极与 供阳极之分，共阴极 LED 显示块的发光二极管阴极共地，如图（a）当某个发光 二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮共阳极 LED 显示块的发光二极管阳 极并接如图（b）所示第 37 页电动式关节型机器人机械手的结构设计通常的七段 LED 显 示块***有八个发光二极管， 故也有人叫做八段显示块， 其 中七个发光二极管构成七笔 字形“8” ，一个发光二极管构 成小数点。七段二极管与单 8279 接口很容易，这要将 3.8 译码器中 8 位并行口与显示块 的发光二极管引脚相连即可。8 位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同 的数字或字符。 通常将控制发光二极管的 8 位字节数据为段选码。共阳极与共阴 极的段选码互为补数。LED 在静态显示下，共阴极或共阳极点连接在一起接地 或+5V。 键盘：是为了控制系统的工作状态，以及向系统中输入数据，行列式键 盘又叫做矩阵式键盘。用 I/O 口线组成行、列结构，按键设置在行、列的交点上。 行列线分别连接到按键开关的两端。当航线通过上拉电阻接+5V 时，被钳为在高 电平状态。 键盘中有无按键按下时由列线送如全扫描字、行线读入行线状态来判断 的，当有键按下时，8279 送出中断信号，请求 CPU 进行按键处理。 机器人的示教系统： 系统采用示教盒示教机器人的作业信息，通过串行通行将示教信息送到 CPU 进行处理，形成用户程序，供再现解释执行。 1． 用户程序的记述 为了尽可能使系统简化，将作业任务以规定的字符表示，通过示教盒的 按键输入到主机中。 2． 示教信息的表示和存储 机器人的作业任务是以步为单位示教的，在一步中，可能示教一种或 12 种功能， 在执行时， 执行哪一步需要根据当前步的内容和条件加以判断因此一步 中的内容属于随机文件，应以定长结构存储。第 38 页电动式关节型机器人机械手的结构设计3． 示教系统的硬件 示教盒体积很小，重量轻，时最小的微机系统，电路简单，有与主件的 硬件相似，有微机处理器 8031、内存 RAM 和 EPROM 以及存器组成 ROM 为 2764A，占有空间 8K× 8，RAM 为 6264 占有空间 8K× 8，锁存 器为 74LS373，除了有键盘扫描与显示电路之外，还有串行通讯电路，实现与主 CPU 板串行通讯，采用 RS-232C 接口电平调整芯片完成串行通行电路。RS-232 信号线提供 15m 以内单端线路的单间数据传输，最大数据传输速率为 20KB/s， 逻辑口电平必须超过 5V，不能高于 15V。逻辑 1 电平必须低于-5V，但不能低 于-15V。 目前，RS-232C 与 TTL 的电平转换最常用的芯片是 ，其作 用除了电平调整外，还实现正负逻辑电平的转换。 1488 由于 3 个与非门和 1 个反相器构成，供电电压为±15V 或±12V， 输入为 TTL 电平，输出为 RS-232C 电平。 1489 由 4 个反相器组成，输入为 RS-232C 电平，输出为 TTL 电平，电 源电压为+5V。 1489 中每一个反向器都由一个控制端，既可以作为 RS-232C 操作的控 制端，也可以把它接到电压源上，用来改变输入门限特性。器作用除了电平调整 外还实现正负逻辑电平的转换。 如果一旦停电， 主机里面的程序就会丢失， 为了避免这一结构， 故采用 6264 芯片的 CE2 引脚，进行掉电保护，通常正常工作时，须将此引脚保持高电平， 当把该引脚拉至小于或等于 0.2V 时，RAM 进入保护状态，利用 CE2 引脚进行 掉电保护的电路图如下：第 39 页电动式关节型机器人机械手的结构设计图中 U1、U2 为电压比较器，稳压管提供了一个基准电压 Vr（Vr=3.5V） 。故当 Vcc 为+5V 时，在 R4 上的分压大于 Vr，使 U2 输出高电压，这时 U4 输出 高电平，故 CE2 输出为高电平，使 6264RAM 处于工作状态，主机即可对 RAM 进行存取。 当电源掉电时，Vcc 开始下降，当满足以下条件时： R4*Vcc／（R4+R3）∥（R5+R6）≥Vr U2 输出低电平，通过 U5、U6 使 CE 输出≤0.2V，RAM 进入数据保护 状态，按图中所给参数计算，当 Vcc 降到 4.7V 时，U3 输出为低电平。若 Vcc 继续下降到小于 E 时，使 D2 截止，D1 导通，这时 E 作为备用电池使用。当单 片机系统重新加电时，Vcc 由零变到+5V，U2 的输出端会出现瞬间干扰脉冲，由 于 U3 和 U4 间电路的积分延时（约 0.7RC） ，CE 不会立即开到高电平。从而抑 制了干扰脉冲，抵挡延时结束时，电源电压已稳定在+5V，使 CE2 成为高电平， 6264 转为工作状态，单片机可对其进行读/写。 图中 U3~U6 为一块 CMOS 回旋密特与非门（CD4093） ，该芯片直接由 备用电源供电，这样才能保证掉电后使 CE2≤0.2V，并且重新上电时 CE2 不受电 源电压缺变的干扰。比较器 U1、U2 由 Vcc 供电，U1 为后备电源 E 的电压监测 电路，当备份电池耗至 3.5V 以下，发光二极管发亮，表示要更换电池，备份电 源可用 5 号电池或锂电池。 另则主机 8031 上采用了掉电保护， 用 555 与 P1.0,RST 与 Vcc 连接起来 实现。 对于 8259A 可编程中断控制器编程实例：第 40 页电动式关节型机器人机械手的结构设计设 8259A 为完全嵌套工作方式。中断入口地址间隔为 4 个字节，IR0 的 入口地址为 0260H 时，则 8259A 的初始化程序如下： CLR EA ，#00H 8031CPU 禁止中断 送 ICW1（A0=0，CS=0A0=0）MOV R0 MOV A MOVX MOV，#76H（） ，设 ICW1 命令字 @R0，A ICW1 命令字送入 8259AR0，#01H ， 送 ICW2（A0=1，CS=A0=0） 中断入口的高 8 字节地址为 02H 送 ICW2 命令字入 CPU 中断允许 8031 选择 INT0 为负跳变触发 8031 允许 INT0 中断MOV A，#02H ， MOVX @R0，A ， SETB SETB SETB EA IT0 ， ，EX0 ，8259A 中断服务程序流程图如下： 程序清单如下： ORG INTO:PUSH PUSH MOV MOVX MOV 0003H PSW ， 保护现场 A R0 ， #00H A , @R0 取 CALL 码，丢弃DPL ，A 取中断服务程序入口地 址低 8 位INC MOV MOVX MOVR0 R0 , A, #01H @R0DPH , A 取中断服务程序入口地 址高 8 位CLR JMPA @A+DPTR 转向 8259A 、IRx 中断 服务子程序第 41 页电动式关节型机器人机械手的结构设计ORG LJMP NOP · LJMP NOP ORG IR0：LCALLI0260H ， IR0IR0 中断服务子程序IR7IR0 LAB ，模拟中断返回8259A 服务子程序，延时 10ms 先计算 10ms 定时所需的定时器初值，采用定时器方式 1，即 16 位计数 器方式，计数器的始终频率为 6MHZ X=M－定时值/T T=12/晶振频率=12/6× 106 =2us=216－－（10× 10-3/2× 10-6）= 6 =5B 则 TH0 初值为 ECH TL0 初值为 78H 子程序清单： MOV MOV MOV SETB SETB SETB POP POP RETI第 42 页TMOD TH0 TL0 EA ET0 TR0 Acc PSW，#01H ，#ECH ，#78H定时器方式 1 定时器高 8 位初值 定时器低 8 位初值 开中断 定时器允许中断 启动计数器电动式关节型机器人机械手的结构设计总结本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年所学知识进行整 合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好 地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、 实践动手能力以及 专业精神和态度， 具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有 机结合。 本设计不具体问题具体分析，不顾具体工作要求，一味仿照国外原型，盲目 选择高精度、 高性能、 高价格的先进元件和设备， 从而导致很多功能根本用不着， “大材小用” ，无谓的提高了成本，造成资源浪费的老设计“套路”和老方法。 在满足系统工艺要求的前提下， 将机械手系统中相对独立的环节采用高性价比且 相对简洁的结构形式和控制系统，采用模块化设计，大量采用标准化、模块化的 通用元配件，从而使成本大为降低，具有显著的技术经济性。本机械手能够实现 与数控机床相配合，实现加工过程中上下料的自动化、无人化。而且，只要把手 爪的结构稍作改变,就可实现多种工件的自动上料。它在实际生产中的应用推广 必将提高产品的质量，并且节约能源，减轻工人的劳动强度，促进生产技术的进 步。具有很好的经济效益。 综上， 通过近三个月的毕业设计， 经过资料的收集、 方案的选择比较和论证， 到分析计算， 再到工程图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节，我对大 学四本科阶段的知识有了一个整体的深层次的理解， 同时对工程的理解更加深刻 和准确。因此，通过毕业设计实现了预期目标。第 43 页电动式关节型机器人机械手的结构设计致谢历时近三个月的毕业设计终于完成，在这这段时间里，我运用大学四年的专 业知识比较成功的完成了本次毕业设计，在毕业设计中通过方案论证，理论设计 计算，机械结构的设计，工程图的绘制，设计说明书的撰写等环节的训练，已经 使个人理论水平和实际动手能力有了一次飞跃，锻炼了个人在设计、分析，动手 实践等方面的能力，同时使所学专业知识得到一次全面的巩固和加强。 此次毕业设计能够顺利完成， 我得到了很多老师、 同学的关心、 帮助和支持， 在此本人首先向他们表示感谢。 在毕业设计过程中，我的指导老师周向阳老师给 予很多专业方面的帮助。在设计前期的准备时，张老师就非常关注我的选题，指 明选题方向， 帮助分析题目的可行性和实际中可能出现的问题以及需要注意的事 项；在进行方案选择时，为我指出所需要重点掌握的知识范围，并帮助我分析相 应知识难点的原理，使我的毕业设计能顺利进行。 同时， 我也要感谢大学四年所有教过和没有教过但给我很多帮助的老师，是 他们的教导让我能在这里学到很多的专业知识， 给我以后工作和学习打下了坚实 的基础， 是他们的谆谆教诲使我明白了更多为人处事的道理，给我今后的人生足 迹烙下更深的印迹，在此我衷心地感谢所有帮助过我的老师。此外，非常感谢许 多其他同学，他们很多想法和建议对我启发很大。在此一并致谢！ 由于时间和个人知识及能力水平有限，论文中难免会有一些纰漏或错误之 处，恳请各位老师批评指正。不胜感谢！第 44 页电动式关节型机器人机械手的结构设计 参考文献[1]费仁元 张慧慧. 机器人机械设计和分析.北京：北京工业大学出版社，1998 [2]马香峰. 机器人机构学.北京：机械工业出版社，1991 [3]加藤一郎. 机械手图册.上海：上海科学技术出版社，1979 [4]张铁 谢存禧. 机器人学.广州：华南理工大学出版社，2000 [5]宗光华 张慧慧 译. 机器人设计与控制.北京：科学出版社，2004 [6]张建民. 工业机器人.北京：北京理工大学出版社，1988 [7]周伯英. 工业机器人设计.北京：机械工业出版社，1995 [8]索罗门采夫. 工业机器人图册.北京：机械工业出版社，1993 [9]余达太. 工业机器人应用工程.北京：冶金工业出版社，1999 [10]吴芳美. 机器人控制基础.北京：中国铁道出版社，1992 [11]任大为. 机械设计手册.北京：化学工业出版社，1998 [12]徐灏. 新编机械设计师手册.北京：机械工业出版社，1995[13]黄靖远. 机械设计学.北京：机械工业出版社，1999 [14]孟宪源等. 现代机构手册（上、下册）.北京：1994第 45 页
更多搜索：
All rights reserved Powered by
文档资料库内容来自网络，如有侵犯请联系***。