三自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計含開題及CAD圖

三自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計含開題及CAD圖,自由度,機械手,控制系統(tǒng),設(shè)計,開題,cad 設(shè)計（論文）開題報告 姓 名 學(xué)號 專 業(yè) 題 目 三自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 一、研究背景、概況及意義 研究背景：機械手是能夠模仿人手和手臂的功能，按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可以部分或全部代替人力，從事一些單調(diào)、繁重的重復(fù)性勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境中操作得以保護人身安全，當(dāng)前正廣泛用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手主要由手部和運動機構(gòu)組成。根據(jù)運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)布局方式的不同，機械手可分為直角坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式等種類，而一臺機械手所具有的獨立運動機構(gòu)(抓取動作機構(gòu)除外)的數(shù)量稱為機械手的自由度。理論上講，為了抓取空間中任意位置和方位的物體至少需有6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2一3個自由度。根據(jù)驅(qū)動方式的不同，機械手可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手等。本課題進行的是三自由度機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計。 研究概況：早在上個世紀(jì)40年代，美國在原子能實驗中，率先采用機械手搬運放射性材料，工作人員在安全室操縱機械手完成各種動作和實驗，其控制系統(tǒng)采用遙控操作方式。遙控操作方式是一種最簡單的機械手控制形式，機械手(執(zhí)行機)通過機械或電動等仿形機構(gòu)，跟蹤操作人員的手臂(操作機)動作。其突出特點是機械手工作過程中需要人的參與，能夠充分發(fā)揮人的視覺、聽覺等器官的傳感與檢測能力，以及人腦的思維、判斷與決策能力。但因為其對人的依賴，自動化程度不高。 50年代后，機械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門，用于在高溫、污染嚴(yán)重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機床的輔助裝置，在自動機床、自動生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。在這些機械手系統(tǒng)中，普遍采用了繼電邏輯控制或計算機邏輯控制，機械手按照事先編制好的控制邏輯，自動完成順序動作。 　　臺灣的天行自動化機械股份有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)機械手臂及周邊自動化設(shè)備，集產(chǎn)品設(shè)計、制造、銷售、服務(wù)為一體的企業(yè)，其產(chǎn)品為世界知名的領(lǐng)導(dǎo)品牌之一，銷售范圍遍布全國及世界各地。 日本有信(y-ushin)精機株式會社主要生產(chǎn)以機械手為中心的各種機械設(shè)備、儀器等。主要產(chǎn)品采用了低阻力導(dǎo)軌機構(gòu)，機械手臂采用更輕，硬度更高的材質(zhì)，從而實現(xiàn)了高速的機械動作。 歐美的機械手發(fā)展比較成熟，位于奧地利的Wittmann集團是全球最大的自動化設(shè) 備供應(yīng)商之一，產(chǎn)品有全伺服機械手 W711、單軸伺服機械手W710等，其中W710型機械手的橫軸采用伺服馬達(dá)，確保運動自由靈活，W7n型機械手是三軸主軸配備高速伺服馬達(dá)的機械手，可實現(xiàn)圖形化的操作界面。 我國的機械手研究開發(fā)工作始于上世紀(jì)70年代初，到現(xiàn)在經(jīng)歷了30多年的歷程，前10年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開始列入國家有關(guān)計劃，經(jīng)過幾年的攻關(guān)，完成了工業(yè)機器人的成套技術(shù)(包括機械手、控制系統(tǒng)、驅(qū)動轉(zhuǎn)動測試系統(tǒng)的設(shè)計、制造、應(yīng)用和小批量生產(chǎn)的工藝技術(shù)等)的開發(fā)，進入90年代后半期，我國實現(xiàn)了機器人的商品化，為產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。 研究意義：本課題涉及到機械技術(shù)、電子技術(shù)、單片機技術(shù)等多個學(xué)科。通過本課題的工作，我們不僅得到了實現(xiàn)三自由度機械手的單片機控制的實踐機會，而且對于多學(xué)科交叉、滲透與交流有積極的促進作用。 二、研究主要內(nèi)容 以MCS-51單片機，步進電動機等為核心器件。由MCS-51單片機配制外圍電路組成三自由度機械手控制系統(tǒng)，對步進電機與單片機進行隔離供電，用軟件生成拍脈沖并對脈沖電流進行放大以便驅(qū)動步進電機，通過控制步進電機轉(zhuǎn)動達(dá)到控制機械手在三個自由度X、Y、Z軸上的移動，移動的坐標(biāo)范圍為0~900mm。采用鍵盤輸入末端執(zhí)行器的絕對坐標(biāo)和電機的轉(zhuǎn)動速度，用四位LED或LCD顯示電機轉(zhuǎn)速，通過改變定時時間來改變步進電機旋轉(zhuǎn)的速度，轉(zhuǎn)速分為6檔。同時電路中還包含有復(fù)位、刪除等若干個功能鍵，以便在緊急環(huán)境下對系統(tǒng)進行控制?？刂栖浖蓞R編語言編制，由主程序與各個子程序構(gòu)成。 三、研究步驟、方法及措施 研究步驟：先閱讀任務(wù)書，熟悉所研究的課題，完成開題報告，之后利用所學(xué)知識進行電路初步設(shè)計，再根據(jù)所要求的參數(shù)選擇控制電路中所用器件的型號，隨后繪制 控制電路原理圖和印刷電路板圖（PCB），而后編寫控制程序源代碼，最后整理資料，書寫畢業(yè)設(shè)計說明書。 研究方法及措施：拿到設(shè)計題目后，先查閱有關(guān)機械手單片機控制系統(tǒng)的資料（通過借閱圖書管書籍以及查閱電子期刊與電子圖書獲得），了解它的工作原理與結(jié)構(gòu)來確定使用何種控制電路。我們設(shè)計中要求對步進電機供電與單片機隔離供電，因此要設(shè)計隔離供電裝置。同時我們還需要查閱相關(guān)的資料來了解各種接口技術(shù)、各種芯片以及鍵盤與顯示的使用原理。然后理順?biāo)悸罚诶蠋煹闹笇?dǎo)下完成電路的初步設(shè)計，之后根據(jù)所要求的參數(shù)及所查取的資料選擇所用器件的型號，完成器件選型。然后學(xué)習(xí)并利用PROTEL軟件繪制電路原理圖和印刷電路版圖（PCB）的。接下來根據(jù)控制電路圖以及機械手工作方式來編制程序，完成程序源代碼的編寫。編制完后進行調(diào)試來檢查程序是否正確，如不正確，須檢查控制電路和程序是否出錯并修改。最后階段是編寫設(shè)計說明書，綜合闡述硬件與軟件的設(shè)計思想、工作原理等。編寫完畢后，整理思路，準(zhǔn)備答辯。 四、研究進度計劃 （1）2月25日～3月8日，閱讀任務(wù)書、明確任務(wù)，準(zhǔn)備相關(guān)資料，了解相關(guān)知識，完成開題報告的填寫； （2）4月1日～4月22日，完成電路初步設(shè)計和器件選型； （3）4月22日～5月2日，完成電路原理圖繪制（PROTEL）； （4）5月2日～5月15日，完成印刷電路板圖（PCB）的繪制（PROTEL）； （5）5月15日～5月30日，完成程序源代碼的編寫； （6）6月1日～6月13日，其它完善工作，及編寫說明書，準(zhǔn)備答辯。 五、參考文獻 [1] 胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2004. [2] 張洪潤.易濤.單片機應(yīng)用技術(shù)教程[M]，2003. [3] 何希才等.電動機控制電路應(yīng)用實例[M].中國電力出版社，2005. [4] 王益全.電動機原理與實用技術(shù)[M].科學(xué)出版社，2005. [5] 肖玲妮.Protel99SE印刷電路板設(shè)計教程[M].清華大學(xué)出版社，2003. [6] 趙偉軍. Protel99SE教程[M].人民郵電出版社，2004. [7] 李華嵩，王偉.Protel99SE電路原理圖與PCB設(shè)計108例[M]. 中國青年出版社，2006. [8] 趙廣林.Protel99SE電路設(shè)計與制板[M]. 電子工業(yè)出版社，2005. [9] Saeed B.Niku.Introduction to Robotics[M]. 電子工業(yè)出版社,2004. [10] Richard C. Dorf，Robert H. Bishop.Modern Control Systems[M].科學(xué)出版社,2002. 學(xué)生簽名：　　　　　 　 年　　月　　日 指導(dǎo)教師意見（對本課題的深度、廣度及工作量的意見及開題是否通過）： 通過 □ 完善后通過 □ 未通過 □ 　　　　　　　　　　　　　　　指導(dǎo)教師簽名：　　　　　 　 年　　月　　日 注：開題報告用A4紙打印裝訂在畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書后，學(xué)生可根據(jù)開題報告的長度加頁。 開題是否通過請指導(dǎo)教師在□內(nèi)打“√”。 三自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 文獻綜述 摘要：機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。木文列取出了國內(nèi)外先進的機械手，并加以比較，最后得出結(jié)論是開發(fā)設(shè)計和研究機械手具有最廣泛的實際意義和應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：機械手；實際生產(chǎn)；教學(xué)研究 1前言 機械手是能夠模仿人手和手臂的某些動作功能，按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可以部分或全部代替人力，從事一些單調(diào)、繁重的重復(fù)性勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，，能在有害環(huán)境下操作得以保護人身安全，應(yīng)而當(dāng)前正廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支，是近幾十年才發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。它的特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域中有著廣闊的發(fā)展前景。 2研究背景 早在上個世紀(jì)40年代，美國在原子能實驗中，率先采用機械手搬運放射性材料，工作人員在安全室操縱機械手完成各種動作和實驗，其控制系統(tǒng)采用遙控操作方式。遙控操作方式是一種最簡單的機械手控制形式，機械手通過機械或電動等仿形機構(gòu)，跟蹤操作人員的手臂(操作機)動作。其突出特點是機械手工作過程中需要人的參與，能夠充分發(fā)揮人的視覺、聽覺等器官的傳感與檢測能力，以及人腦的思維、判斷與決策能力。但因為其對人的依賴，自動化程度不高。 50年代后，機械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門，用于在高溫、污染嚴(yán)重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機床的輔助裝置，在自動機床、自動生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。在這些機械手系統(tǒng)中，普遍采用了繼電邏輯控制或計算機邏輯控制，機械手按照事先編制好的控制邏輯，自動完成順序動作。 移動機械手的研究始于60年代末期，斯坦福研究院（SRI）的Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移動機器人。其目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。70年代末，隨著計算機的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動機器人研究又出現(xiàn)了新高潮。特別是在80年代中期，設(shè)計和制造機器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司開始研制移動機器人平臺，這些移動機器人主要作為大學(xué)及研究機構(gòu)的移動機器人實驗平臺，從而促進另外移動機器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動機器人控制技術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)標(biāo)志，開展了移動機器人更高層次的研究。 目前研究的移動機器人都是帶有智能的機器人：機器人本身能認(rèn)識工作環(huán)境、工作對象及其狀態(tài)，它能根據(jù)人給予的指令和“自身”認(rèn)識外界來獨立決定工作方法，利用操作機構(gòu)和移動機構(gòu)完成任務(wù)，并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。 這些具有智能的機器人，有的能夠模擬人類用兩條腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移動；有的具有視覺和觸覺功能，能夠進行獨立操作、自動裝配和產(chǎn)品檢驗；有的具有自主控制和決策能力，不僅能夠應(yīng)用各種反饋傳感器，而且還能夠應(yīng)用人工智能中的各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)。 3機械手現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 美國在2003年發(fā)射的火星探測車“勇氣”號2004年1月3日在火星安全著陸，并完成了90個火星日的科研工作?！坝職狻碧栠@輛先進的探測車向世人展示了美國在機器人技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。 簡單來說，“勇氣”號探測車就是一個具有手臂的移動機器人。他的大腦是一臺高速計算機，車體靠自身具有的六個輪子在火星地面運動，視覺系統(tǒng)采用一對全景照相機來拍攝火星表面和天空的全景視圖，也用于形成著陸點附近的地形圖、搜索感興趣的巖石和土壤，來完成尋找火星遠(yuǎn)古時期存在液態(tài)水的證據(jù)的工作；另外分別于車體前端和后端安裝兩組相同的避危攝影機，由一組立體影象的黑白攝影機所構(gòu)成的，所拍攝的影象除了用于障礙物偵測之外還用于探險車的路徑規(guī)劃上。 日本TMSUK公司開發(fā)的搶險救生機器人“T-52援龍”屬于雙臂式油壓驅(qū)動機器人，通過履帶移動，雙臂有22個自由度，可在事故現(xiàn)場完成數(shù)倍于人力的工作以及救援人員無法接近的危險區(qū)救援等。配備9臺有效像素68萬的CCD相機，可向遠(yuǎn)程操作裝置傳送圖象。而日本有信(y-ushin)精機株式會社生產(chǎn)的以機械手為中心的各種機械設(shè)備、儀器等主要產(chǎn)品采用了低阻力導(dǎo)軌機構(gòu)，機械手臂采用更輕，硬度更高的材質(zhì)，從而實現(xiàn)了高速的機械動作。 歐美的機械手發(fā)展比較成熟，位于奧地利的Wittmann集團是全球最大的自動化設(shè)備供應(yīng)商之一，產(chǎn)品有全伺服機械手 W711、單軸伺服機械手W710等，其中W710型機械手的橫軸采用伺服馬達(dá)，確保運動自由靈活，W7n型機械手是三軸主軸配備高速伺服馬達(dá)的機械手，可實現(xiàn)圖形化的操作界面。 我國對移動機械手的研究雖然起步較晚，但也取得了一定的成果。我國的機械手研究開發(fā)工作始于上世紀(jì)70年代初，到現(xiàn)在經(jīng)歷了30多年的歷程，前10年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開始列入國家有關(guān)計劃，經(jīng)過幾年的攻關(guān)，完成了工業(yè)機器人的成套技術(shù)(包括機械手、控制系統(tǒng)、驅(qū)動轉(zhuǎn)動測試系統(tǒng)的設(shè)計、制造、應(yīng)用和小批量生產(chǎn)的工藝技術(shù)等)的開發(fā)，進入90年代后半期，我國實現(xiàn)了機器人的商品化，為產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。 4研究目的及意義： 從以上信息可以看出，發(fā)達(dá)國家都對機械手有很深的研究。這樣的機械手既可以用于實際生產(chǎn)，又可以用于教學(xué)實驗和科學(xué)研究。用于實際生產(chǎn)，它能夠滿足一些裝配作業(yè)內(nèi)容改變頻繁的要求；用于教學(xué)實驗，它能夠使人直觀地了解機器人結(jié)構(gòu)組成、動作原理等。所以開發(fā)設(shè)計和研究機械手具有廣泛的實際意義和應(yīng)用前景。本課題涉及到機械技術(shù)、電子技術(shù)、單片機技術(shù)等多個學(xué)科。通過本課題的工作，對于多學(xué)科交叉、滲透與交流有積極的促進作用。 5心得體會 機械手是機器人領(lǐng)域一個重要的研究課題。在這次有關(guān)機械手檢索的過程中，我感覺我們身邊的信息其實是非常多的，而如何獲取我們所需要的信息才是最重要的。本設(shè)計中的三自由度機械手具有末端執(zhí)行器，并且固定在移動平臺上構(gòu)成的，它具有工作空間較大和移動速度可控制等優(yōu)點，并具有移動和操作功能。近年來，隨著“勇氣號”探測器成功登陸火星并完成了一系列的考察工作，對更先進移動機械手的研究和開發(fā)再一次引起了人們的注意。目前，國內(nèi)外都在競相開展有關(guān)移動機械手的基礎(chǔ)理論、基本技術(shù)以及應(yīng)用方面的研究工作。所以我國應(yīng)尋求機會借鑒國外在機械手研究領(lǐng)域的先進技術(shù)，以加快我國在機械手領(lǐng)域的發(fā)展速度，并且開發(fā)和制造工業(yè)機械手對我國的工業(yè)建設(shè)是非常有幫助的。 6參考文獻 [1] 胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2004. [2] 張洪潤.易濤.單片機應(yīng)用技術(shù)教程[M]，2003. [3] 何希才等.電動機控制電路應(yīng)用實例[M].中國電力出版社，2005. [4] 王益全.電動機原理與實用技術(shù)[M].科學(xué)出版社，2005. [5] 肖玲妮.Protel99SE印刷電路板設(shè)計教程[M].清華大學(xué)出版社，2003. [6] 趙偉軍. Protel99SE教程[M].人民郵電出版社，2004. [7] 李華嵩，王偉.Protel99SE電路原理圖與PCB設(shè)計108例[M]. 中國青年出版社，2006. [8] 趙廣林.Protel99SE電路設(shè)計與制板[M]. 電子工業(yè)出版社，2005. [9] Saeed B.Niku.Introduction to Robotics[M]. 電子工業(yè)出版社,2004. [10] Richard C. Dorf，Robert H. Bishop.Modern Control Systems[M].科學(xué)出版社,2002.