贵州大学本科课程设计论文 第 I 页
I 六自由度机械手设计 课程名称： 机电系统设计 学 院： 机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 姓 名： 学 号： 年 级： 任课教师：
2013年 1 月 5 日 贵州大学本科课程设计论文 第 II 页
II 目 录 第一章 绪论....................................................3 1.1 工业机械手的介绍……………………………………………………3 1.2 工业机械手应用前景………………………………………………... 3 第二章 六自由度机械手系统简介„„„„„„„„„„„„„„„„„5 2.1、机械手系统简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„.5 2.2、机械手系统的组成及其控制过程„„„„„„„„„„„„„.5 2.3 六自由度机械手总体方案框图设计„„„„„„„„„„„„.6 第三章 机器手的机械系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„.7 3.1、机械系统结构简图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„.7 3.2、关节布置和结构特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„.9 第四章 机械手的控制系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„.10 4.1 控制系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„.10 4.1.1 控制系统的基本组成框图„„„„„„„„„„„„„„10 4.1.2 晶振电路 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 4.1.3 AT89S52单片机„„„„„„„„„„„„„„„„„12 4.2 驱动系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 4.2.1 L298N芯片„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 4.3 控制系统整体接线图„„„„„„„„„„„„„„„..16 第五章 总结.................................................17 第六章 程序.................................................18 贵州大学本科课程设计论文 第 III 页
III 参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24
4 第一章 绪论 1.1 工业机械手的介绍 随着现代科技和现代工业的发展，工业的自动化程度越来越高。工业的自动化中机械手发挥了相当大的作用，小到机床的自动换刀机械手，大到整个的全自动无人值守工厂，无一不能看到机械手的身影。机械手在工业中的应用可以确保运转周期的连贯，提高品质。另外，由于机械手的控制精确，还可以提高零件的精度。机械手在工业中的应用十分广泛，如： 1、以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 2、以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，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，目前几乎都设有机械手，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。
1.2 工业机械手应用前景 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。工业机械手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。机械手作业的准确 5
性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 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，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，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。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，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用 6
第二章 六自由度机械手系统简介 2.1、机械手系统简介 机械手是一种具有高度的能动性和高度灵活性的自动化机器，是一种复杂的机电一体化设备。 本实验采用AT89S52单片机直接控制，但单片机的输出电流太小，不能直接与步进电机相连，需要增加驱动电路，通过驱动电路形成控制系统，通过控制电机的转动角度，以实现机械手的不同功能。 该机器手采用串联式开链结构，机器手各连杆由旋转关节关节串联连接，各关节轴线相互平行或垂直。关节的作用是使相互联接的两个连杆产生相对运动。机器手各关节采用步进电机驱动，并通过软件编程和单片机实现对机器人的控制，使机器手能够在工作空间内任意位置精确定位。
2.2、机械手系统的组成及其控制过程 实验机械手由6个步进电机组成，实现机械手六自由度运动。以AT89S52单片机作为系统控制核心，基于软件模拟串行通信程序，实现AT89S52串行通信，使其与电机驱动系统进行串行通信，同步的、连续的、精确的控制步进电机的转动，以实现精确定位、连续动作。 该机械手主要由三大部分组成：（1）执行系统：底座、铝质手臂、末端夹取装置等组成。（2）驱动系统：光电耦合器，功率放大器，脉冲发生器等组成。（3）控制系统：AT89S52单片机，晶振电路等组成。 机械手系统具体的操作过程：在计算机上编号程序，利用keil软件编译生成hex文件，通过转串口下载线将计算机USB端口与机械人的控制主单元AT89S52单片机的下载端口连接，使用转串口烧程序软件将编好的程序下载烧录到单片机中，AT89S52单片机产生PWM脉冲控制驱动系统，通过驱动系统在各个端口产生PWM信号，利用占空比的不同驱动六个关节的电机到指定的位置，实现机械手到不同位置，不同姿态的控制。 7
2.3 六自由度机械手总体方案框图设计 根据系统要求画出基于AT89S52单片机控制的总体方案框图如图2-1所示：
图2-1 8 第三章 机器手的机械系统
3.1、机械系统结构简图 该机器手的机械部分主要由三大部分构成：机座、手臂（包括手腕）、手部（末端操作器）。如图3-1所示：
图3-1三维机械结构简图 （1）、机座： 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 该实验中所用机器手机座用于实现回转运动，有一个自由度，如图3-2所示。
图3-2 （2）、手部： 9
即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔) 和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 该实验中的手爪为外夹钳爪式手部的夹取方式的平行连杆式钳爪。如图3-3所示。
图3-3 （3）、手臂： 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。
该实验中机器手有上臂和前臂实现两个俯仰运动两自由度如图3-4所示。 10
图3-4 3.2、关节布置和结构特点 关节布置如图3-5所示。
图3-5 该机械手的关节都是转动副，只有一个自由度。前三个关节为机械手臂的定位关节，决定了机械手腕在空间的位置和作业范围；手腕两个关节为机械手臂的定向机构，决定了机械手腕在空间的方向和姿态；机械手臂关节用于控制机械手抓握工件。 11
第四章 机械手的控制系统 4.1 控制系统 机器人控制器系统是用来收集和处理各路信号，并根据各种信号发出相应控制指令，根据指令以及传感信息控制机器人完成一定动作或作业任务的装置。控制器是机器人的核心部分，它的智能化发展也必将标志着智能机器人的发展。
4.1.1 控制系统的基本组成框图 基于AT89S52单片机的控制步进电机的控制框图如图4-1所示。
图4-1 1、其系统实物组成图如图4-2、图4-3所示：
图4-2