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1、沈 陽 工 程 學(xué) 院 課 程 設(shè) 計(jì) 設(shè)計(jì)題目：三自由度微型直角坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人模型設(shè)計(jì) 中 文 摘 要 直角坐標(biāo)機(jī)器人具有空間上相互垂直的兩根或三根直線移動(dòng)軸，通過直角坐標(biāo)方向的3個(gè)獨(dú)立自由度確定其手部的空間位置，其動(dòng)作空間為一長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高，空間軌跡易于求解；但其動(dòng)作范圍相對(duì)較小，設(shè)備的空間因數(shù)較低，實(shí)現(xiàn)相同的動(dòng)作空間要求時(shí)，機(jī)體本身的體積較大。 大型的直角坐標(biāo)機(jī)器人也稱桁架機(jī)器人或龍門式機(jī)器人是能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多自由度的、運(yùn)動(dòng)自由度建成空間直角關(guān)系的、多用途的操作機(jī)。其工作的行為方式主要是通過完成沿著X、Y、Z軸上的線性運(yùn)動(dòng)。近年

2、來隨著工業(yè)機(jī)器人的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人不斷在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，尤其是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的直角坐標(biāo)機(jī)器人，本次設(shè)計(jì)我主要是對(duì)三自由度的直角坐標(biāo)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成一個(gè)大概的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中我采用了各種光電傳感器，還采用了C8051F系列單片機(jī)作為本次設(shè)計(jì)的主控芯片,各種算法的實(shí)現(xiàn)就是使用這款芯片實(shí)現(xiàn)的。隨著直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作日益顯得重要。成功的設(shè)計(jì)一臺(tái)直角坐標(biāo)機(jī)器人涉及到很多方面的工作，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、伺服控制等等。 關(guān)鍵詞：三自由度 直角坐標(biāo) 機(jī)器人 單片機(jī) 硬件 軟件 目 錄 中 文 摘 要I 目 錄II 1設(shè)計(jì)任務(wù)描述1 2 設(shè)計(jì)思路2

3、 2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2 2.2系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)2 3 設(shè)計(jì)方框圖3 4 直角坐標(biāo)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)4 4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)4 4.2單片機(jī)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)5 4.3直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)5 4.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)6 4.5機(jī)械結(jié)構(gòu)部分7 4.6傳感器選擇8 5直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制設(shè)計(jì)10 5.1 示教再現(xiàn)功能10 5.2運(yùn)動(dòng)控制功能10 6 主要元器件介紹11 7 小結(jié)12 8 致謝13 9.參考文獻(xiàn)14 附錄15 1設(shè)計(jì)任務(wù)描述 1.1 設(shè)計(jì)題目：三自由度直角坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 1.2 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)目的： 1）了解工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的基本知識(shí)以及

4、單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器等相關(guān)技術(shù)。??? 2）初步掌握工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)并應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中。? 3）通過學(xué)習(xí)，掌握工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制技術(shù)，并使機(jī)器人能獨(dú)立執(zhí)行一定的任務(wù)。 基本要求： 1）要求設(shè)計(jì)一個(gè)微型的三自由度的直角坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人； 2）要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（示意圖），傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、及必需的內(nèi)外部傳感器的種類和數(shù)量布局。 3）要有控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路。 發(fā)揮部分： 自由發(fā)揮 2 設(shè)計(jì)思路 2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的題目是三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，直角坐標(biāo)機(jī)器人具有空間上相互垂直的兩根

5、或三根直線移動(dòng)軸，通過直角坐標(biāo)方向的3個(gè)獨(dú)立自由度確定其手部的空間位置，其動(dòng)作空間為一長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高，空間軌跡易于求解；但其動(dòng)作范圍相對(duì)較小，設(shè)備的空間因數(shù)較低，實(shí)現(xiàn)相同的動(dòng)作空間要求時(shí)，機(jī)體本身的體積較大。 2.2系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì) 直角坐標(biāo)機(jī)器人，它由水平軸(X軸，Y軸)，垂直軸Z軸及驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。 此外一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)還需要控制系統(tǒng)和手抓，下面分別予以介紹: 直線運(yùn)動(dòng)軸 也叫直線運(yùn)動(dòng)單元，它就是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)軸，主要由支撐載體的鋁型材或鋼型材和被安裝在型材內(nèi)部的直線導(dǎo)軌、運(yùn)動(dòng)滑塊以及作為帶動(dòng)滑塊做高速運(yùn)動(dòng)的同步帶組成。 運(yùn)動(dòng)軸的

6、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的傳動(dòng)主要是通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng)，同步帶帶動(dòng)直線導(dǎo)軌上的滑塊運(yùn)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸的最高轉(zhuǎn)速低于60Or/min時(shí)通常選用步進(jìn)電機(jī)，否則選用交流伺服電機(jī)。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制系統(tǒng) 機(jī)器人要在一定時(shí)間內(nèi)完成特定的任務(wù)，在完成抓取，加速運(yùn)動(dòng)，高速運(yùn)動(dòng)，減速運(yùn)動(dòng)，釋放工件等同時(shí)，還要與相關(guān)的設(shè)備通過通訊或I/O口實(shí)現(xiàn)一些時(shí)序上的協(xié)調(diào)同步。另外在涂膠應(yīng)用上，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸要完成直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應(yīng)用要求來選定其控制軸數(shù)、I/O口數(shù)量和軟件功能。通常選用數(shù)控系統(tǒng)，PLC，工控機(jī)加運(yùn)動(dòng)控制卡和帶軸卡功能及I/O口的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來做控制系統(tǒng)

7、。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的末端操作器—手爪系統(tǒng) 根據(jù)其具體應(yīng)用情況，其手爪系統(tǒng)可能是氣動(dòng)吸盤、氣動(dòng)夾取手爪、電動(dòng)夾取手爪、電磁吸取手爪、焊槍、膠槍、專用工具和檢測(cè)儀器等。在很多場(chǎng)合可以一次抓取多個(gè)工件。 3 設(shè)計(jì)方框圖 接近覺傳感器 轉(zhuǎn)速傳感器 傳感器信號(hào)調(diào)理電路 A/D轉(zhuǎn)換器 計(jì)算機(jī) 人 機(jī) 交 互 系 統(tǒng) 機(jī)器人控制器 PID控制算法 距離控制算法 電動(dòng)馬達(dá) 圖3—1主程序方框圖 4 直角坐標(biāo)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì) 4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 最小系統(tǒng)是指保證系統(tǒng)能正常工作的最基本電路和軟件部分，單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路包括外部晶振

8、電路、電源電路和復(fù)位電路，如圖4-3所示。 （a） 外部晶振電路 (b) 電源電路 （c）外部復(fù)位電路 圖4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 時(shí)鐘基本脈沖是CPU工作的基礎(chǔ)。C8051F020單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，由時(shí)鐘振蕩電路或?qū)Ｓ脮r(shí)序脈沖信號(hào)提供。C8051F020在內(nèi)部集成了完整的振蕩電路，XTAL1和XTAL2分別為振蕩器的輸出和輸入，XTAL1和XTAL2引腳可接入一個(gè)石英或陶瓷振蕩器，如圖4-1（a）所示。圖

9、中電阻R2是為了避免對(duì)外接晶體振蕩器的過驅(qū)動(dòng)，電容C可提高振蕩器的穩(wěn)定性。 為單片機(jī)提供電源是單片機(jī)正常工作的最基本操作，電源通過電容與單片機(jī)并聯(lián)相連，是為了避免出現(xiàn)耦合，對(duì)單片機(jī)造成損傷。 外部復(fù)位電路是通過外部引腳提供了使用外部電路強(qiáng)制MCU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的手段。在引腳上加上一個(gè)低電平有效信號(hào)將導(dǎo)致進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。最好能提供一個(gè)外部上拉或?qū)σ_去耦以防止噪聲引起復(fù)位，如圖4-1（c）所示。在低有效的信號(hào)撤出后，MCU將保持在復(fù)位狀態(tài)至少12個(gè)時(shí)鐘周期。從外部復(fù)位狀態(tài)推出后，PINRSF標(biāo)志（RSTSRC.O）被置位。 4.2單片機(jī)穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì) 為了給單片機(jī)提供穩(wěn)定的3.3伏

10、電源，我設(shè)計(jì)了直流穩(wěn)壓電路，其主要有變壓器，整流電路，濾波電路，三端穩(wěn)壓器件組成，能保證給單片機(jī)提供穩(wěn)定的直流電源。集成穩(wěn)壓器具有輸出電流大，輸出電壓高，體積小，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在電子電路中應(yīng)用廣泛。分類： 外部結(jié)構(gòu)：三端、多端。輸出電壓可調(diào)、輸出電壓固定，輸出正電壓、輸出負(fù)電壓。三端固定輸出集成穩(wěn)壓器主要用于固定輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓值的穩(wěn)壓電源中。雖然通過外接電路元件，也可構(gòu)成多種形式的可調(diào)穩(wěn)壓電源，但穩(wěn)壓性能指標(biāo)有所降低。集成三端可調(diào)穩(wěn)壓器性能指標(biāo)優(yōu)良。本設(shè)計(jì)主要用到LM7805其優(yōu)點(diǎn)主要有，7805 系列為 3 端正穩(wěn)壓電路,TO-220 封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。內(nèi)含過流、過

11、熱和過載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá) 1A。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。其電路圖如下： 圖 4.2直流穩(wěn)壓電源電路 該電路將市電380伏通過變壓器轉(zhuǎn)化為220伏電壓，再通過橋式電路進(jìn)行整流，將交流轉(zhuǎn)化為直流，其中電容C1為濾波作用，濾除紋波干擾，C2作用為防止自激振蕩，C3作用為減小高頻干擾。1117與LM7805作用基本相同，將5伏電壓將為3.3伏。 4.3直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)我用直流電機(jī)模擬風(fēng)機(jī)來進(jìn)行散熱，其驅(qū)動(dòng)用三極管。輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行

12、時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)P口為高電平時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，低電平時(shí)，電機(jī)停止。電路圖連接如下： 圖4.3直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖 4.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。其電路圖如下： 圖4.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 本步進(jìn)電機(jī)為四相電機(jī)。通

13、過控制P1.0，P1.1，P1.2，P1.3的高低電平，來控制電機(jī)的正反裝。其中二極管有保護(hù)作用，因?yàn)殡姍C(jī)通電時(shí)電流逐漸增大，而電機(jī)斷電時(shí)電流也是正逐漸減小，如果逐漸減小的的電流不能及時(shí)流走，將對(duì)其他器件造成損壞。故接二極管保護(hù)單片機(jī)免受損壞。 4.5機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、末端操作器三大件組成。每一大件都有若干自由度，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 若基座具備行走機(jī)構(gòu)、則構(gòu)成行走機(jī)器人；若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂（Single Robot Arm）。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件，它可以是二手指或多手

14、指的手抓，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。 工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式多種多樣，按坐標(biāo)形式來分的話有：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面關(guān)節(jié)型。 在本次設(shè)計(jì)中我們要設(shè)計(jì)的機(jī)器人為三坐標(biāo)直角坐標(biāo)機(jī)器人，這種機(jī)器人由三個(gè)線性關(guān)節(jié)組成，這三個(gè)關(guān)節(jié)用來確定末端操作器的位置，通常還帶有附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，用來確定末端操作器的姿態(tài)。這種機(jī)器人在想x、y、z軸上的運(yùn)動(dòng)時(shí)獨(dú)立的，運(yùn)動(dòng)方程可獨(dú)立處理，且方程式是線性的，因此，很容易通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)；它可以兩端支撐，對(duì)于給定的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，剛性最大；它的精度和位置分辨率不隨工作場(chǎng)合而變化，容易達(dá)到高精度。下圖4-5為其工作，空間示意圖。

15、 圖4-5 從上圖可以看到此機(jī)器人具有三個(gè)自由度，其參考坐標(biāo)系為x、y、z。自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，理論上自由度越多機(jī)器人越靈活，那么它的躲避障礙物和改善動(dòng)力性能就會(huì)得到提高。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是指向各軸傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)軸間的相對(duì)移動(dòng)，在三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人中，其主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為平移型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。從上表一中我們可以看到各種傳動(dòng)方式的對(duì)比。 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以將動(dòng)力所提供的運(yùn)動(dòng)的方式、方向或速度加以改變，被人們有目的地加以利用。我國(guó)古代傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類型很多，應(yīng)用很廣，除了上面

16、介紹的以外，像地動(dòng)儀、鼓風(fēng)機(jī)等等，都是機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的產(chǎn)物。我國(guó)古代傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要有齒輪傳動(dòng)、繩帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 要使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起來，需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置，這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以是直接驅(qū)動(dòng)或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)經(jīng)綜合比較，用的是電力驅(qū)動(dòng)。 分類： 按照電機(jī)的工作原理不同分為步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、無刷電機(jī)等。 按照控制水平的高低來分分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 適用范圍： 適合于中等負(fù)載，特別適合于動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌

17、跡嚴(yán)格的各類機(jī)器人。 考慮到體積以及精度，在比較了以上三種驅(qū)動(dòng)方式后，我最終選擇了電力驅(qū)動(dòng)，因?yàn)殡娏︱?qū)動(dòng)體積小，而且容易組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，故控制精度高，方便，但在算法上可能稍微復(fù)雜一些，但這都可以克服的，故實(shí)現(xiàn)起來時(shí)選擇電力驅(qū)動(dòng)更好一些。 4.6傳感器模塊 傳感器是整個(gè)機(jī)器人得以準(zhǔn)確循跡的核心部件，只有經(jīng)過傳感器采集了外界信息后才能對(duì)機(jī)器人身處的環(huán)境進(jìn)行識(shí)別，才能使機(jī)器人根據(jù)軌跡運(yùn)動(dòng)。傳感器的種類繁多，有測(cè)距傳感器、視覺傳感器、接觸覺等等不同類型的傳感器，本次設(shè)計(jì)運(yùn)用的傳感器主要是用來檢測(cè)路線、檢測(cè)障礙物和測(cè)距的。 物體檢測(cè)及運(yùn)動(dòng)控制 對(duì)于機(jī)器人所要搬運(yùn)物體的檢測(cè)，在本設(shè)計(jì)

18、中用的是紅外傳感器，紅外光的發(fā)送接收選用型號(hào)為ST168 的對(duì)管當(dāng)小車在白色地面行駛時(shí)裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)經(jīng)白色反射后被接收管接收一旦接收管接收到信號(hào),那么光敏三極管將導(dǎo)通比較器輸出為低電平;當(dāng)機(jī)器人監(jiān)測(cè)到物體時(shí),紅外線信號(hào)被黑色吸收后光敏三極管截止,比較器輸出高電平,從而實(shí)現(xiàn)了通過紅外線檢測(cè)信號(hào)的功能將檢測(cè)到的信號(hào)送到單片機(jī)I/O口;當(dāng)I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為高電平時(shí),表明紅外光被地上的物體吸收了,表明此處存在物體。 否 自動(dòng)監(jiān)測(cè)程序 是否檢測(cè)到物體 向左 是 向右 夾走 探測(cè)物體 判斷處理程序 圖4-6 黑線檢測(cè)

19、流程圖 其電路原理圖為圖4-6-1所示。 圖4-6-1 檢測(cè)原理圖 5直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制設(shè)計(jì) 5.1 示教再現(xiàn)功能 示教再現(xiàn)功能是指控制系統(tǒng)可以通過坐示教盒或手把手進(jìn)行示教，將動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)速度、位置等信息用一定的方法預(yù)先教給工業(yè)機(jī)器人，由工業(yè)機(jī)器人的記憶裝置將所教的操作過程自動(dòng)地記錄在存儲(chǔ)器中，當(dāng)需要再現(xiàn)操作時(shí)，重放存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的內(nèi)容即可。如需要更改操作內(nèi)容時(shí)，只需要重新示教一遍即可。 5.2運(yùn)動(dòng)控制功能 運(yùn)動(dòng)控制功能是指對(duì)工業(yè)機(jī)器人末端操作器的位置、速度、加速度等項(xiàng)目的控制。 在本次設(shè)計(jì)中我采用示教再現(xiàn)控制方式來對(duì)此機(jī)器人進(jìn)行控制，其主控芯片為我們熟悉的C8051F020

20、單片機(jī)。使用此款單片機(jī)再配合一些外圍電路的集成就可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電動(dòng)機(jī)的控制，再加上一些在軟件上的編寫配合好光電編碼器，就可以實(shí)現(xiàn)PID算法，并組成一個(gè)簡(jiǎn)單的閉環(huán)系統(tǒng)。 圖5-1人機(jī)交互模塊 5-2主控芯片 6 主要元器件介紹 C8051F020系列單片機(jī)是高集成度的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，片內(nèi)集成了一個(gè)多通道ADC、兩個(gè)電壓比較器、五個(gè)通用的十六位定時(shí)器、UART、SPI總線接口、內(nèi)部振蕩器、64個(gè)通用數(shù)字I/O引腳、64KB的FLASH程序寄存器和與8051兼容的高速微控制器內(nèi)核。 C8051F020的主要特點(diǎn)如下： 1、模擬外設(shè) ( 1 )逐次逼近型ADC ●12位分辨率或

21、8位分辨率； ●可編程轉(zhuǎn)換速率，最大為100kps； ●可多達(dá)32個(gè)外部輸入，每個(gè)引腳都可以被配置為ADC的輸入。 ( 2 )兩個(gè)模擬比較器 ●16個(gè)可編程回差電壓值； ●可用于產(chǎn)生中斷或復(fù)位。 ( 3 )VDD監(jiān)視器和降壓檢測(cè)器 2、片內(nèi)JTAG調(diào)試 ●片內(nèi)調(diào)試電路提供提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試； ●支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、觀察點(diǎn)、堆棧監(jiān)視器，支持觀察/修改存儲(chǔ)器和寄存器。 3、高速8051微控制器內(nèi)核 ●流水線指令結(jié)構(gòu)； ●70%指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期； ●速度可達(dá)25MIPS； ●擴(kuò)展的中斷處理系統(tǒng)。 4、存儲(chǔ)器 ●256B內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM；

22、●1024B XRAM； ●64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器。 5、數(shù)字外設(shè) ●8個(gè)8位的端口I/O，所有口線均耐壓5V電壓； ●可同時(shí)使用的硬件SPI及UART串口； ●5個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器； ●專用的看門狗定時(shí)器。 6、時(shí)鐘源 ●內(nèi)部可編程振蕩器：2-16MHz； ●外部振蕩器：晶體、RC、C或外部時(shí)鐘。 7、封裝 ●100腳TQFP 7 小結(jié) 通過本次的工業(yè)機(jī)器人課程設(shè)計(jì),讓我對(duì)機(jī)器人的工作原理及設(shè)計(jì)方法有了更好的掌握與理解。與次同時(shí)，通過此次的課程設(shè)計(jì)也讓我充分地認(rèn)識(shí)到了我在學(xué)習(xí)這門課程中存在的不足之處。通過這次的課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多平時(shí)課上學(xué)

23、不到的東西，讓我知道了哪些方面是自己的薄弱環(huán)節(jié)，自己需要在哪些方面下一些功夫。更重要的是能過這次的實(shí)驗(yàn)我熟練地掌握了程序的調(diào)試，知道如果一個(gè)程序運(yùn)進(jìn)的時(shí)候出現(xiàn)了問題應(yīng)該怎樣找到錯(cuò)誤并改正，也知道了該如何去利用圖書館和網(wǎng)絡(luò)上的資源，這對(duì)我們以后的課程設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)是有很大幫助的。 這兩周的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)，從茫然毫無頭緒到開始大體研究到部件選擇，我對(duì)工業(yè)機(jī)器人的學(xué)習(xí)有了更深一步的了解，并在在設(shè)計(jì)的過程中，有了了自己的想法，增加了學(xué)習(xí)的興趣。雖然設(shè)計(jì)時(shí)間很緊迫，但在設(shè)計(jì)的過程中我們還是學(xué)到不少東西的，由于有些知識(shí)我們學(xué)的不多，這樣我們?cè)诓檎疫@些資料的過程中就學(xué)到了更多東西。我覺得課程設(shè)計(jì)對(duì)我們有更大的

24、幫助，可以把平時(shí)所學(xué)應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，并且更加注重這些元器件在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該注意到的事項(xiàng)，為以后的工作和學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 很慶幸能有這樣一次課設(shè)的機(jī)會(huì)，讓我學(xué)嘗試了理論與實(shí)際的結(jié)合，讓我學(xué)到了很多知識(shí)，讓我認(rèn)識(shí)到了自己的不足，知道光是掌握了理論知識(shí)并不代表什么，必須還要與實(shí)際結(jié)合才能更好的理解這些知道，使之掌握得更牢靠。在以后的學(xué)習(xí)生涯中我會(huì)不斷的完善自己，用更多知識(shí)來豐富和充實(shí)自己，為自己以后的人生道路打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)！ 8 致謝 短短兩周的工業(yè)機(jī)器人課程設(shè)計(jì)就這樣結(jié)束了，很感謝祝老師這兩周里給我?guī)淼膸椭椭笇?dǎo)。還要感謝在這一周時(shí)間里與我共同討論和交流的同學(xué)，感謝他們的細(xì)心指導(dǎo)和他們提出的

25、疑點(diǎn)。還要感謝為我提供課設(shè)資料的學(xué)校圖書館，圖書館的大量書籍為我提供了廣闊的資源，讓我熟悉掌握了控制器、驅(qū)動(dòng)部分的工作原理，對(duì)我的幫助非常大。僅僅運(yùn)用課堂所學(xué)的知識(shí)，靠自己的力量要在兩周之內(nèi)完成設(shè)計(jì)的題目是難以想象的。所以這兩周我能夠順利地完成課設(shè)任務(wù)有很大一部分原因是大家的幫助和圖書的資源。 再次，我要感謝指導(dǎo)老師和與我同一個(gè)課設(shè)題目的同學(xué)，因?yàn)橐粋€(gè)人的思路是有限的，感謝大家的集思成就了我們的妙想。 最后感謝學(xué)校給我們提供這種獨(dú)立自主研究性學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，充分開發(fā)了我們的創(chuàng)新能力。每個(gè)學(xué)期的課程設(shè)計(jì)都讓我學(xué)會(huì)了很多，讓我對(duì)學(xué)習(xí)充滿濃厚的興趣! 9.參考文獻(xiàn) [1] 宗光華.機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐 . 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社. 2004.2 [2] 謝存禧，張鐵. 機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 2010.1 [3] 王志良.競(jìng)賽機(jī)器人制作技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2007 [4] 馬向峰等. 工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì).北京冶金工業(yè)出版社.1996 [5] 胡佑德，曾樂生，馬東升. 伺服系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì).北京理工大學(xué)出版社.1993 [6] 何蘇秦，王忠勇. 機(jī)器人操作的數(shù)學(xué)導(dǎo)論.電子工業(yè)出版社.2003 附錄