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1、scara工业机器人设计1设计主要内容及要求l.i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）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scara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
2、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，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、主要器件介绍等）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。3时间进
3、度安排顺序阶段口期计划完成内容备注1讲解主要设计内容，布置任务点名2搜集相关资料，检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误打分3检查机械结构设计并指出错误及纠正；打分4继续机械机构和传动机构设计打分5进行控制系统设计打分6检查控制系统原理图设计草图打分7完善并确定控制系统打分8指导学生进行驱动机构的选择打分9进行传感器的选择和软件流程设计打分10检查任务完成情况打分1设计任务描述1.1 设计题目scara工业机器人设计1.2 设计要求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
4、系统，并应用于工 业机器人的设计中；（3）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）要求设计一个微型的三自由度的scara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。2设计思路2.1 机械结构的设计2.1.1 末端操作器的设计末端操作器是机器人手部的重要执行部件，是机器人的关键部分，主要用来识别物体 并抓取物体，正是因为有了它的存在，机器人才能根据电脑发出的“命令”执行相应的动 作。机器人的末端操作器不仅是一个执行命令的机构，还应具有识别功能
5、。机器人的末端 操作器一般由方形的手掌和节状的手指组成。机器人的末端操作器主要有夹钳式取料手、 吸附式取料手、专用操作器及转换器、仿生多指灵巧手。夹钳式取料手手部与人手相似，是工业机器人广为应用的一种手部形式。它一般由 手指（手爪）和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成，能通过手爪的开闭动作实现对 物体的夹持。吸附式取料手适用于大平面（单面接触无法抓取）、易碎、微小的物体。机 器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求完成各种动作，再配上各种专用的 末端操作器后，即专用操作器及转换器,就能完成各种动作。仿生多指灵巧手是机器人手 爪和手腕最完美的形式，仿生多指灵巧手有多个手指，每个手指有
6、3个回转关节，每一个 关节的自由度都是独立控制的。因此,几乎人手指能完成的各种复杂动作它都能模仿。由于夹钳式取料手与人手相似且能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持，因此在设 计机器人过程中选择夹钳式取料手。2.1.2 手腕的设计机器人的手腕是连接末端操作器和手臂的部件，它的作用是调节或改变工作的方位， 因而它具有独立的自由度，以使机器人的末端操作器适应复杂的动作要求。工业机器人一 般需要6个自由度才能使手部达到目标位置并处于期望姿态。机器人手腕主要用来确定被 抓物体的姿态，一般采用三自由度多关节机构由旋转关节和摆动关节组成。设计手腕时除应满足启动和传送过程中所需的输出力矩外，还要求手腕结构简单
7、、紧 凑轻巧、避免干涉、传动灵活，在多数情况下，要求将腕部结构的驱动部分安排在小臂上, 使外形整齐。设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去，运动传入 腕部后再分别实现各个动作。2.1.3 手臂的设计机器人的手臂是急机器人执行机构中的重要部件，它的作用是将被抓取的工件运送到 给定的位置上。因此一般机器人的手臂有3个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降（或 俯仰）运动。手臂的回转和升降运动是通过机座的立柱实现的，立柱的横向移动即为手臂 的横移。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此它不仅承受被抓取工件 的质量，而且末端执行器、手腕和手臂自身的重量。手臂的结构、工作
8、范围、灵活性、抓 重大小（即臂力）和定位精度都直接影响机器人的工作性能。2.1.4 基座的设计机器人的机座可分为固定式和行走式两种，一般的工业机器人为固定式的。固定式机 器人的机座可以直接连接在地面上，也可以固定在机身上。本设计中机器人采用的是固定式。固定式机器人的本体是固定的，它只能进行臂部可 活动范围内的输送作业。所以它作为柔性制造单元内部的搬运设备被广泛应用，虽然在输 送距离上受到限制，但是，如果能自动更换手部，它不仅能输送工件，刀具、夹具等各种 物料，而且可以装卸工件，具有较高的柔性。2.1.5 制动器的设计许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器，其作用是在机器人停止工作时， 保
9、持机械臂的位置不变，在电源发生故障时，保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。假 如齿轮链、谐波齿轮机构和滚珠丝杠等元件的质量较高，一般其摩擦力都很小，在驱动器 停止工作的时候，它们是不能承受负载的。如果不采用某种外部固定装置，如制动器、夹 紧器或止挡装置等，一旦电源关闭，机器人的各个部件就会在重力的作用下滑落。因此， 为机器人设计制动装置是十分必要的。制动器通常是按失效抱闸方式工作的，即要松开制 动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相对运动。它的主要目的是在电源出现故障 时起保护作用。其缺点是在工作期间要不断通电使制动器松开。假如需要的话，也可以采 用一种省电的方法，其原理是需要各关节运动时
10、，先接通电源，松开制动器，然后接通另 一电源，驱动一个挡销将制动器锁在放松状态。2. 2驱动方式的选择2.1. 1液压驱动液压驱动的特点是，液压容易达到较高的压力，体积较小，可以获得较大的推力或转 矩；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；在液压传动 中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；液压系统由于采用油液作介质，具有防锈性 和自润滑性，可以提高机械效率，使用寿命长。但是，液压驱动方式也有不足之处，由于 油液的粘度随着温度的变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险；另外 液体的泄露难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价比很高。总之这种驱动方式
11、的输出力和功率很大，经常用于比较大型机器人关节的驱动，而且 这种驱动方式还存在着危险性，所以对于该机器人来说不适合选择液压驱动方式。2.2. 2气压驱动气压驱动的特点是，压缩空气粘度小，很容易达到高速；它不必添加动力设备；空气 介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；气动元件工作压力低。但是它的 不足之处是若要获得较大的力，其结构就要相对的增大，而且空气压缩性大，工作平稳性 差，速度控制困难，要想达到准确的位置控制很困难。另外，还有一个严重的问题是，压 缩空气的排水问题如果处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外，排气还会造 成噪声污染。总之，气压驱动多用于开关控制和顺序控制的
12、机器人，且其体积较大和精确度不高等 缺点也使其不适合作为该机器人的驱动方式。2.3. 3电动机驱动经过以上的分析可知，液压式和气压式都不适合作为该机器人的驱动方式，所以就选 择电动式作为该机器人的驱动方式。电动机驱动乂分为直流电动机、步进电动机和伺服电 动机。下面，分别介绍这三种电动机。步进电动机：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电 机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。它的工作特点是给 步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进 脉冲频率低，步进电机转得就慢；改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电
13、机 的运行方式；改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转。伺服电动机：一个微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达，一组变速齿轮组，一 个反馈可调电位器，及一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带 动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出 扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量。伺服电机容易与cpu连接，控制性能好，响 应快，最大的优点是可以实现速度和位置的精确控制，适合于中小型机器人。直流电动机：直流电机由定子、转子和换向器。定子是固定在机身的圆桶状部分，一 般由永磁材料或能产生磁场的线圈制成。由于直流电机驱动是开环控制，所以行进速度一
14、般固定，精度不高，直流电机控制的精确度虽然没有步进电机那样高，但完全可以满足本 题目的要求。但是直流电机控制起来简单，它只有两根线，一根是电源线，一根是接地线。 要想控制直流电机的转度，只要加大加在电源线上的电压即可，加大电压的方法是通过调 节脉冲的占空比来实现的。如果要想实现电机的正反转，那么就用h桥电路，通过h桥电 路就可以实现直流电机的正反转。综上所述，我选用方案三直流电机作为该机器人的驱动电机。2. 3传感器的选择2. 3.1避障功能传感器的选择避障可以说是各种机器人最基本的功能。因此选择合适的测障传感器是非常重要的。常用的避障传感器有以下几种：接触式传感器一碰撞开关：碰撞开关的特点是
15、电路为常开，碰到障碍物后连通，可以 用来检测机器人是否发生碰撞。碰撞开关价格便宜，使用简单，使用范围广，对环境条件 没有什么限制。但是，它也有缺点即必须在发生碰撞后才能检测到障碍，这在某些机器人 比赛中是相当失分的。并且使用时间较长后容易发生机械疲劳，无法继续正常工作。超声波传感器：采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机 前方有障碍物，反之则通知单片机可以向前行驶。经实验，使用超声波传感器探测信号时 十分容易受到外界环境的影响，使单片机控制系统接收到许多错误的信息。而且超声波传 感器价格比较昂贵。光敏传感器：直接根据光源的信号进行判断。这需要光敏传感器能及时反馈可靠的信
16、息，而光敏传感器拥有很高的灵敏度，为了抗干扰还可以把光敏传感器预先进行特殊处理, 使其只有在光源正射时才能测到信号，这样就使光敏传感器的返回信号更加可靠，单片机 一旦接到的光敏传感器返回的信息，便能作出正确的判断。倘若测不到信号，说明光敏传 感器被障碍物挡住，正前方不能通行,单片机控制电机绕开障碍物行驶。红外传感器：机器人自主避碰运动规划只要求对障碍物存在或不存在进行判断。所以， 使用红外线传感器就可以满足要求。其工作原理就是发射某种射线，遇到障碍物会被反射 回来，这时传感器就认为发现了障碍物。传感器由红外线发射电路和接受电路组成。单片 机通过接收红外传感器的信号,判断出传感器是否检测到障碍物
17、,从而做出避障动作。综合上述并结合实际，在本次设计中避障传感器我选择红外传感器。2. 3. 2光电编码器光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的 电机转子的位置信息的。根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编 码器与增量式光电编码器，该机器人采用的是增量式光电编码器。增量式光电编码器在旋转圆盘上设置一条环带，将环带沿圆周方向分割成m等分，并 用不透明的条纹印刷到上面。把圆盘置于光线的照射下，透过去的光线用一个光传感器(a) 进行判读。因为圆盘每转过一定角度，光传感器的输出电压a在h (liighlevel)与l (low level)之间就会交替
18、地进行转换，所以当把这个转换次数用计数器进行统计时，就能够知 道旋转过的角度。绝对式光电编码器在输入轴上的旋转透明圆盘上，设置条同心圆状的环带，对环带上 角度实施二进制编码，并将不透明条纹印刷到环带上。将圆盘置于光线的照射下，当透过 圆盘的光由n个光传感器进行判读时，判读出的数据变成为nbit的二进制码。二进制码有 不同的种类，但是只有葛莱码是没有判读误差的码，所以它获得了广泛的应用。编码器的 分辨率由比特数(环带数)决定，例如12bit,编码器的分辨率，由于2t2 =4096,所以可 以以1/4096的分辨率，对1转360。进行检测。bcd编码器，设定以十进制作为基数，所 以其分辨率变为(3
19、60/4000) 2.4主控制器的选择主控制器用来接收传感器部分传递过来的信号，并根据事前写入的决策系统(软件程 序)，来决定机器人对外部信号的反应，将控制信号发给执行器部分，就好比人的大脑。适合机器人的控制芯片有很多：单片机、dsp、arm甚至我们计算机上所用的cpu, 都可以。但是，在本次设计中我还是选用了我们最熟悉的，价格最便宜的单片机。单片机是整个系统的核心，它作为冯诺依曼体系结构中的运算器、存储器和控制器的 集成，是系统中其它所有输入输出信息的控制和处理中心，本设计中采用的单片机是我们 学过的c8051系列单片机。2. 5软件功能的实现当外界的传感器传送给单片机后，接下来就需要进行软
20、件编程了，来对机器人的各种 行为进行控制。在本次设计中，机器人的控制系统采用汇编语言编程，整个软件程序主要 由主程序、初始化程序、躲避障碍物子程序、寻光子程序、充电子程序和转弯子程序，还 有前进子程序等组成。主程序主要起到导向和决策的功能，决定什么时候该做什么，机器 人的各种功能主要是通过调用具体的子程序模块来实现的。2. 6电机驱动芯片的选择在自制机器人的时候，选择一个合适的驱动电路也是非常重要的。在我的设计中我选 择直流电动机，直流电机最常用的驱动电路是h桥电路，但是考虑如果用硬件来完成h桥 电路的搭建非常麻烦，而且所占的空间也大，所以在我的设计中选择了集成的驱动芯片 lm298,这款芯片
21、内部集成了 h桥电路，就不用再自己搭配了。给我的设计带来了很大的 方便。-12 -3设计方框单片机键盘机器人环境工作台图3.1设计方框图4机械结构设计4.1机械部分机械部分主要由基座，手臂，末端操作器，关节等部分组成，每一部分都有若干自由 度，构成一个多自由度的机械结构，任务的复杂程度决定了机械部分的复杂程度，构造越 复杂，自由度越多，机器人完成的任务越高级。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
22、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、末端操作器之间相对运动。 若基座具备行走机构、则构成行走机器人；若基座不具备行走及腰转机构，则构成单 机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要 部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。工业机器人的坐标形式多种多样，按坐标形式来分的话有：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。机器人结构如图4.1所示图4机器人结构scara是selectivecompliance assembly robot aim的缩写，意思 是具有选择
23、顺应性 的装配机器人手臂，这种scara机器人在水平方向具有顺应性，在垂 直方向具有很大的刚 性.由于各个臂都只沿水平方向旋转,故乂称为平面关节型机器人或装配机器人scara机器人本体结构操作机：由臂，关节和末端执行装置构成，是机器人完成作业的实体，具有和人手臂相 似的功能,可在空间抓放物体或进行其它操作驱动单元：由驱动器,减速器,检测元件等组成控制装置:包括检测（如传感器）和控制（如计算机）两部分,可用来控制驱动单元，检测 其运动参数是否符合规定要求,并进行反馈控制人工智能系统：主要由两部分组成，一部分为感觉系统（硬件），主要靠各类传 感器来 实现其感觉功能.scara工业机器人机械图如图4
24、.2所示图4.2 scara工业机器人机械图scara机器人可以应用于需要高效率的装配、焊接、密封、搬运和拿放等众多应用, 具有高刚性、高精度、高速度、安装空间小、设计自由度大的优点。它比多轴定位平台的 工作循环时间短很多，大大提高了工作效率。由于组成的部件少，因此工作更加可靠，减 少维护。此外还有吸顶和倒置安装型，方便安装于各种空间。它们具有绝对位置记忆，无 需原点返回操作，节省了时间。您可以用它们直接组成为焊接机器人、点胶机器人、光学 检测机器人、拿放机器人、插件机器人等，效率极高，占地还小，基本免维护。scara工业机器人示意图如图4.3所示图4.3 scara工业机器人示意图4. 2传
25、动部分传动机构是指向各轴传递运动和动力，以实现轴间的相对移动，在scara机器人中, 其主要传动机构为平移型传动机构。从上表一中我们可以看到各种传动方式的对比。机械传动机构，可以将动力所提供的运动的方式、方向或速度加以改变，被人们 有目的地加以利用。我国古代传动机构类型很多，应用很广，除了上面介绍的以外， 像地动仪、鼓风机等等，都是机械传动机构的产物。我国古代传动机构，主要有齿轮 传动、绳带传动和链传动。机器人采用的直线驱动方式包括直角坐标结构的x、y、z向驱动，圆柱坐标结构的径 向驱动和垂直升降驱动，以及极坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或液 压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条
26、、丝杠、螺母等传动元件把旋转运动转换成直线运 动。4. 2.1齿轮齿条装置通常，齿条是固定不动的，当齿轮传动时，齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动, 这样，齿轮的旋转运动就转换成为拖板的直线运动。齿轮齿条装置的运动示意图如图4,4所示4. 2. 2普通丝杠普通丝杠驱动是由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴向移动。由于普通丝 杠的摩擦力较大，效率低，惯性大，在低速时容易产生爬行现象，而且精度低，回差大, 因此在机器人上很少采用。4. 2. 3滚珠丝杠在机器人上经常采用滚珠丝杠，这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。 由于滚珠丝杠在丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠,传动过程中所受的摩擦
27、力是滚动摩 擦，可极大地减小摩擦力，因此传动效率高，消除了低速运动时的爬行现象。在装配时施加 一定的预紧力，可消除回差。在此次设计中的传动机构采用滚珠丝杠，可以使机器人在摩擦力非常小的情况下快速 运动，并且可以实现多个方向的运动以实现机器人的三自由度的设计。5硬件设计5.1 单片机模块5.1.1 电源电路在电源电路中，spx1117-3.3是稳压芯片将输入电压5v转换成3.3v作为c8051f020 单片机的主要供电电源。s2为输入电源开关按钮，在下载完数据后可用此按键来更新下载 数据。其电路图如图5.1单片机电源电路所示。vcc3.3v tvcc4图5单片机电源电路d13r125.1.4晶振
28、电路当开发板上电时，c14经充电后复位端电压相当于低电平实现上电复位：当断电后通 过1n4148形成放电回路。其电路图如图5.2单片机复位电路所示。reset图5.2单片机更位电路5.1.3液晶显示(lcd)接口电路单片机留有一个lcd液晶接口，相对应的液晶为mzl05-12864,它是一款仅写入的 串行spi接口方式的液晶，给液晶仅需5个控制口即可完成对其控制。单片机使用模拟spi 的方式对液晶进行操作。其电路图如图5.3单片机液色接口?路所示。cs3 p2.2 ires p2.3ao p2.4sck p2.5,sdip2.6：vcc p3.367con；图5.3单片机液晶接口电路y1为晶体
29、振荡器，其振荡频率为22.h842mhz,为单片机提供其工作所需要的时钟, c16、c17起到帮助晶振的作用。电路图如图5.4单片机晶振电路所示。ktal1ktal2y122.11842mhz|口（-c16c17-ii卜一30pf30pf图5.4单片机晶振电路5. 2系统模块5. 2.1电源电路在本次设计中我选用lm7805集成稳压电路，它的输出电压为5v,输出电流可达l5a。 由lm7805集成稳压器组成的5v电压源主要由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路 组成。如图5.5稳压电源电路所示。-14-5. 2. 2复位电路复位可分为外部复位和看门狗复位，通常复位都选择外部复位方式，外部复位乂
31、随电压呈线性变化。光敏电阻在无光照时，其喑阻值一般大于1500 k2,在有光照时，其 亮阻值为几千欧，两者相差较大。光敏电阻的主要特点是：灵敏度高、体积小、重量轻、 电性能稳定、可以交直流两用，而且制造工艺简单，价格便宜等。在实际使用中一般都选 择硫化镉光敏电阻。以硫化镉（cds）为主要成分的光敏电阻是应用广泛的一种光敏，它是利用半导体的 光电效应，即当光照射在硫化镉半导体表面上时，半导体内的载流子增加，使其电导率增 加。cds通常都是制成薄膜结构的，以便收集和吸收更多的光线。光敏电阻与其他半导体 光电器件相比，有以下特点，光谱响应范围相当宽，工作电流大，所测得光电强度范围宽, 既可测强光也可
32、测弱光，灵敏度高，无选择极性之分。5. 3. 2光敏电阻的数和布局光敏电阻硫化镉在黑暗环境中的阻值大约为100kh,在明亮环境中阻值为10kq,不 同的硫化铅电阻的阻值相差很大，在机器人的设计中我选择使用四个光敏电阻，并且需要 尽量使四个硫化镉光敏电阻的阻值相等或接近。由于硫化镉光敏电阻的电阻值变化较大，因此，在设计中最好多买几个硫化镉光敏电 阻，使购买的数量多于需要使用的数量，然后对这些硫化镉电阻进行测量，从中选择一对 电阻值最接近的硫化镉光敏电阻。把筛选出来的四个硫化镉光敏电阻，分别放在机器人的前后左右的位置，当这四个光 敏电阻传感器接收光线的强度近似相等时，机器人静止，否则移动。6. 3
33、. 3光敏电阻的测电路机器人的测光电路如图5.7测光电路所示。在设计中采用桥电路，通过四个方向光强 的照射，经过电压比较器来比较反馈光强度，并比较被测光强。该电路的工作原理如下：两只光敏电阻通过下拉电阻连接到电压比较器的输入端，两 只下拉电阻的阻值相等，因为两只光敏电阻的阻值不可能完全相等，所以在设计中乂添加 了一个滑动变阻器。光敏电阻1是安装在机器人的左侧，光敏电阻2安装在右侧的。当左 侧的光强大于右侧的光强时，光敏电阻1的阻值将变小，所分的电压也将变小，那么与它 相连的固定电阻r9所分的电压将变大，这时电压比较器将会输出一个低电平信号。当右 侧的光强大于左侧的光强时，光敏电阻2的阻值将变小
34、，所分的电压也将变小，那么与它 相连的固定电阻r10所分的电压将变大，这时电压比较器将会输出一个高电平信号。把转 化之后的数字量送入单片机进行处理，来驱动机器人。5. 4避障模块5.4.1红外传感器把红外辐射转换成电量变化的装置，称为红外传感器。红外式接近觉传感器的基本工 作原理：它包括两个组成部分一一发送器与接收器。发送器往往为红外发光二极管，而接 收器一般为光敏晶体管。发送器向某物发出一束红外光后，该物体发射红外光，并被接收 器所接收。通过反射与接收达到判断物体的存在的目的，经过信号处理与解算，乂可获得 其相对距离，从而确定其位置。红外式接近传感器的明显优点是在于它的发送器与接收器 都很小
35、，因此可以方便安装在机器人的各个部位。且它的应答性好，维修方便，是目前应 用较多的一种接近觉传感器。一般把它用于移动机器人的路径探测和躲避障碍物。红外传感器主要分为光电型和热敏型。红外传感器由两个红外发射管和一个红外接收 管组成。红外发射管发出红外线，红外线在遇到障碍物后被反射回来，红外接收管收到被 反射回来的红外线后，通过a，d转换送入单片机进行处理，并电量发光二极管led。告诉 机器人前方有障碍物，不能直线前进了，要转弯。-17 -传感器由红外线发射电路和检测器组成。发射电路使用555时基电路组成的脉冲发生 器，其工作频率为38khz,占空比为60%。其震荡频率为：(4.1)1.44(/?
36、l + 2/?2)*cl由式（4.1）可知当 c=lnf、仁38hz 时，（ra+2rb） =37.97ko 选定 rb=15k, ra 通过 一个可变电阻调节得到。555产生的脉冲波由out脚输出，经电阻加到驱动三极管的基极 上，由三极管驱动红外发光二极管发射红外线。检测器使用一个标准的38khz的电视遥控 接收器。由非门74hc14将信号整形，可以得到稳定的方波信号。在实验中发现，当前方 没有障碍物时检测器也发生电平变化。经分析认为是红外发光二极管发出的红外线中的一 部分直接被检测器检测到所造成的。在红外发光二极管和检测器之间加装金属隔板后，问5. 5电机驱动模块5. 5.1 lm298
37、简介lm298是双通道直流电动机驱动芯片，它可以满足机器人正反转控制的需要。lm298 是一块单片集成电路，有两种封装形式，它是双h桥高电压大电流功率集成电路，可以用 来驱动2个直流电动机，也可以驱动感性负载，如继电器、电动阀、步进电动机等。采用 lm298作为电动机驱动电路，可靠性高，可以方便地控制电动机的正反转。lm298内部 包含2个h桥的高电压大电流双全桥式驱动器接收标准逻辑电平信号，可以驱动46v、2a 以下的电机。lm298可驱动两个电机，out1、0ut2和out3、out4之间分别接两个电 动机，5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ena、enb接控制使能端,
38、 控制电机的停转，这些特性使得lm298很适合作直流电机控制芯片。5. 5. 2 h桥原理简述所谓h桥驱动电路是为了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，其典型电路形式如右图5.9h桥所示：vcc1图5.9 h桥（1）开关si、s4接通，电机为正向转动；（2）开关s2、s3接通时，直流电机将反向转动；（3）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；（4）惰行一一 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。-23 -5. 5.
39、3驱动电路的设计由于从单片机出来的信号太小，不能驱动电动机正常运转，所以在单片机与电动机之 间添加一个驱动电路。如图5.10驱动电路所示。采用专用芯片lm298作为电机驱动芯片。lm298采用由达林顿管组成的h型pw电 路。其中，ml、m2是直流电动机，vd4vd11是整流二极管。lm298的输入输出关系: 使能控制端ena接单片机的端口，当这个端口为高电平时，通过pwm信号输入端in1 和in2可以控制电动机的正反转和速度（输入端in1为pwm信号，输入端in2为低电平, 电动机正传；输入端in2为pwm信号，输入端in1为低电平，电动机反转）：当它为低 电平时，驱动电桥上的4个晶体管全部截
40、止，使正在运行的电动机电枢电流反向，电动机 自由停止。该驱动电路的工作过程是，单片机的两个pwm输出口 p1.0和p1.2分别用于控制左 右两个宜流电机，分别连到lm298的in1和in3两个输入端，主要用来控制电机的转速。 p1.1和pl3是控制电机的正反转的，分别连在lm298的in2和in4两个输入端。这样， 就可以实现lm298输出端对电机的控制了。6.1软件流程6软件设计cl图6软件流程图7工作过程分析本次课程设计的题目是scara工业机器人设计，我分别从机械部分，控制部分，传 感器部分加以分析，介绍。机械部分为单机器人臂，旋转自由度由立柱部分完成，另外两 个自由度为手臂的升降和伸缩
41、。其中手腕部分我采用柔顺手腕，这样可以避免由于末端操 作器的力过大而损坏工件。手指部分我采用的是v行指，适用于抓取圆柱形工件。实现旋 转运动的驱动机构我选伺服电机，因为其能准确的定位，控制角度。并且是闭环结构，精 度高。传动机构我选齿轮链，将电机输出地高速度，低转矩，转化为需要的低速，高转矩。 至于直线运动的得驱动，我选直流电机，直流电机控制稳定，易调速，简单，传动机构， 我选齿轮齿条式，将旋转运动转化为直线运动，实现手臂的伸缩和升降。关于传感器，首先，我们需要检测工件和待安装工件的位置，所以我用红外测距传感 器，通过检测距离，来判断工件的位置，最终找到工件。这其中在手爪实现抓取的时候需 要通
42、过光电开关来判断工件是否在两手指的中心位置，如果在，则夹紧工件，如不在，则 继续抓取。其中，红外测距传感器分别安在手指的底部和侧面，用来检测工件及安装位置。 光电开关和滑觉传感器均安在手指内表面用于搬运过程中的反馈信息。在关节处安装力及 速度传感器，用于实时检测电机输出及控制中的力反馈。控制部分我选c8051f020单片机，用lm298驱动直流电机。这里面涉及到运动学及 动力学的知识。我们首先需要确定，机械手在空间的坐标，通过运动学逆解将其转化为关 节坐标，在通过动力学正解算出各个关节需要的驱动力，之后生成伺服指令，输入控制器, 机械手就开始工作了。8元器件清单表8所用元器件表名称型号数量备注
43、普通电阻器13电容2光敏电阻4红外传感器17整流二极管1n400414发光二极管3led单片机c8051f0201直流电机2电源15v3.3v集成稳压器lm78051变压器1lm2981tlc55519主要元器件介绍9.1光敏电阻cds光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电 阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的 控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。以硫化镉（cds）为主要成分的光敏电阻是应用广泛的一种光敏，它是利用半导体的 光电效应，即当光照射在硫化镉半导体表面上时，半导体内的载流子增加，使其电导率增 加。cd
44、s通常都是制成薄膜结构的，以便收集和吸收更多的光线。光敏电阻与其他半导体 光电器件相比，有以下特点，光谱响应范围相当宽，工作电流大，所测得光电强度范围宽, 既可测强光也可测弱光，灵敏度高，无选择极性之分。9. 2红外传感器红外传感系统是用红外线为介质的测量系统。红外传感技术已经在现代科技、国防和 工农业等领域获得了广泛的应用把红外辐射转换成电量变化的装置，称为红外传感器。红外传感器主要是利用被测物 体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥控。它可以不从被测物体上吸收 热量，不会干扰被测对象的温度场，连续测量不会产生消耗，反应快等优点。红外传感器主要分为光电型和热敏型。光电型是利用红外辐射的光电效应制成的，其 核心是光电元件，这类传感器主要有红外二极管、三极管等。热敏型主要制作红外温度传 感器，它是利用红外辐射的热效应制成的，其核心是热敏元件。9. 3 lm7805三端稳压集成电路lm7805。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 lni78 xx系列和负电压输出的lm79xx系列。顾名思义，三端ic是指这种稳压用的集成电 路，只有三条引脚输出，分
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