机器人手爪的单片机控制系统

系（所）智能检测与仪器研究所系(所)主任批准日期毕业(论文)任务书机械工程学院机械工程及自动化系班学生毕业设计(论文)课机器人手爪的单片机控制系统设计及仿真毕业设计(论文)工作自20XX年3月1日起至20XX年6月30日止毕业设计(论文)进行地点：本校仪器科学与技术系课题的背景、意义及培养目标机器人技术作为当前科学技术领域最前沿的技术，一直是各国重点科研攻关项目。它在航空、航天、军事、工业、农业生活中都能够得到广泛的应用，前景十分广阔。康复机器人、多自由度义肢手及的精密运动控制成为各国学者研究的热点之一。针对多自由度义肢手的运动原理和运动机制，如何提高运动控制系统的运动速度,运动精度和完成较复杂的义肢手运动是多自由度义肢手能够运用到康复机器人上的重点问题。本课题涉及到机械系统设计、测控系统的设计与搭建、电机控制、电路设计、软件编程等各个方面，是对仪器或机自专业四年基础理论和专业知识的综合检验和应用，可以达到对各方面知识和综合能力的培养。设计(论文)的原始数据与资料1、机器人技术与应用陈恳杨向东刘莉杨东超编著，清华大学出版社2、新编电机控制专用集成电路与应用谭建成编，机械工业出版社3、机器人学导论（美）JohnJ.Craig著负超等译机械工业出版社4、IndoorNavigationforMobileRobotbyUsingEnvironment-EmbeddedLocalInformationManagementDeviceandOpticalPointer5、ModellingandIdentificationofRobotswithJointandDriveFlexibilities课题的主要任务1.研究精密控制和机器人手运动的发展动向，确定设计方向或者设计目的；2.选用合适的应用平台（如PC机，单片机），电机及驱动器，传感器，设计相应的外围电路，完成多自由度义肢手运动控制系统的硬件设计；3.编写相应的控制程序，以完成义肢手控制软件设计；4完成多自由度义肢手的精密运动控制系统设计，并进行仿真或验证分析；课题的基本要求(工程设计类题应有技术经济分析要求)1.掌握有关机器人手精密控制的知识，并对课题有更深的理解。2.通过对已有的机器人手的控制方法和系统的学习掌握，并从中选出适合本课题进一步研究的系统平台，完成机器人手精密控制的硬件设计。3.对机器人手精密控制系统进行软件设计并完成主控计算机与单片机之间的通信。4.完成机器人手精密控制系统良好的人机界面，用户可以自由调节机器人手的运动。完成任务后提交的书面材料要求(图纸规格、数量，论文字数，外文翻译字数等)1.不少于1.5万字的毕业设计论文一本。2.提交不少于3000汉字的IEEE的1篇英语论文翻译。3.提交一张机械臂零号机械图纸。4.单片机控制电机精密运动的控制程序和主控计算机和单片机之间的通信程序。主要参考文献1DigitalSystemControlforThree-DegreesofFreedomMechanicalArmwithFPGAElectronics,RoboticsandAutomotiveMechanicsConference20082单片机控制实习与专题制作蔡朝洋编著，北京航空航天大学出版社3.新编电机控制专用集成电路与应用谭建成编，机械工业出版社4.现代测控技术及应用吴国庆王格芳郭阳宽编著，电子工业出版社5.自适应控制器设计及应用张云生祝晓红著，国防工业出版社6.机器人学导论（美）JohnJ.Craig著负超等译机械工业出版社指导教师接受设计(论文)任务日期（注：由指导教师填写）学生签名：大学毕业设计(论文)考核评议书院系(专业)班级指导教师对学生所完成的课题为的毕业设计(论文)进行的情况，完成的质量及评分的意见：指导教师年月日毕业设计(论文)评审意见书评审意见：评阅人职称年月日毕业设计(论文)答辩结果院系(专业)毕业设计(论文)答辩组对学生所完成的课题为的毕业设计(论文)经过答辩,其意见为并确定成绩为毕业设计(论文)答辩组负责人答辩组成员年月日摘要比尔.盖茨说：“未来机器人将如同个人计算机产业一样，即将成为我们日常生活中的一部分，家家都有机器人。”机器人将更广泛的参与人类各方面的生产活动和社会生活，越来越显示出它的重要性。机械臂作为机器人的重要执行机构，在机器人研究中占有重要意义。机械臂系统包括机械结构、硬件电路、软件设计、轨迹规划这四个部分。各个部分都是紧密相联，需要互相协调来设计的。课题主要从以下几方面开展：首先，对机械臂的空间描述和变换进行详细阐述，它是机械臂的理论基础。其次，采用标准的D-H建模方法，建立了机械臂的数学模型。对机械臂的正运动学进行了分析，采用解析法对关节角进行解耦运算，推导出了逆运动学的封闭解析解。使用基于Matlab平台下的RoboticsToolbox机器人工具箱对推导过程的正确性进行了仿真与验证。然后，运用SolidWorks建模软件，构造出一个机械臂模型，选择各个关节的步进电机。再运用Proteus对基于单片机的机械臂控制系统进行详细电路设计，运用C语言开发了相应的驱动电路程序和与上位机串行通信程序。最后，基于上述的硬件电路设计，运用Proteus和Keil联合仿真，实现了对机械手运动的控制仿真与验证。关键词：机械臂；单片机；串口通信；虚拟仿真ABSTRACTBill.Gatessaid:“robotsinthefuturewillbethesameasthepersonalcomputerindustry,willbecomepartofourdailylives,andeveryonehasarobot.”Robotswillbecomemoreextensiveparticipationofallaspectsofhumanproductionactivitiesandsociallife,hasincreasinglyshownitsimportance.Therobotarmasanimportantimplementingagency,isinanimportantsenseinroboticsresearch.Manipulatorsystemincludesthemechanicalstructure,hardwarecircuits,softwaredesign,algorithmfourparts.Allpartsarecloselyrelated,bereconciledtothedesign.Subjectscarriedoutmainlyfromthefollowingaspects:First,thespacemanipulatorandtransformisdetaileddescripted,itisthearmofthetheoreticalbasis.Second,theDHstandardmodelingmethod,amathematicalmodelofthemanipulator.Kinematicsofthemanipulatorisanalyzed,theanalyticalmethodtodecoupleoperationofthejointangle,inversekinematicsisderivedanalyticalsolution.Matlab-basedplatformoftheRoboticsToolboxrobotkitonthecorrectnessofderivationprocesswasverifiedwiththesimulation.Then,constructarobotarmmodelbyusingamodelingsoftware–SolidWorksandchoosesteppormotorsfortherobotarmThen,designthemanipulatorcontrolsystemcircuitbasedonsinglechipbyusingProteus,andwriteaprocedurestothecorrespondingdrivecircuitandaprocedurestohostcomputerserialcommunicationprocessdevelopedusingClanguage.Finally,achievecontrolofthemanipulatormotionsimulationandverificationbasedontheabovehardwarecircuitdesignbyusingProteusandKeil.KEYWORDS:Arm;SingleChipMicyoco;SerialCommunication;VirtualSimulation目录VII目录91绪论91.1研究的背景和意义91.2国内外机械手的研究现状101.2.1国外机械臂的研究现状141.2.2国内机械手研究现状161.3机械手的控制系统及其仿真技术的研究现状分析161.3.1控制系统的研究现状161.3.2仿真研究现状171.4主要研究内容192机械臂的基础知识192.1引言192.2机械手的位姿描述192.2.1位置描述202.2.2方位描述202.2.3位姿描述232.3机器人运动学242.3.1正运动学分析272.3.2逆运动学分析292.4本章小结303立体结构设计303.1引言303.2设计要求303.3详细设计303.3.1机械臂的结构设计313.3.2手腕的设计323.3.3主要零件尺寸343.4本章小结354电机选择354.1.1机械臂对电机的要求354.1.2电机类型选择364.1.3各关节力矩估算384.1.4选择结果394.2本章小结405控制系统设计405.1引言405.2控制基础理论415.3控制系统构建445.4控制系统电路设计455.4.1驱动电路图设计455.4.2串口通信电路图设计465.4.3总体电路图设计475.5控制程序设计475.6控制系统的驱动程序和通信程序设计535.7本章小结546虚拟仿真546.1概述546.2Proteus软件的优势566.3仿真思路586.4仿真实现616.5本章小结62结论与展望65参考文献66附录1翻译原文附录2英文翻译7583附录3设计书85致谢1绪论1.1研究的背景和意义机器人技术作为二十一世纪非常重要的技术，与网路技术、通信技术、基因技术、虚拟现实技术等一样，属于高新技术。它涉及的学科有材料科学、控制技术、传感器技术、计算机技术、微电子技术、通讯技术、人工智能、仿生学等等很多学科。而机器人手爪及其控制作为机器人技术中的几个核心技术之一，有着非常重要的理论和实践意义。机器人手爪既是一个主动感知工作环境信息的感知器，又是机器人末端的执行器，是一个高度集成的、具有多种感知功能和智能化的机电系统，涉及多个研究领域和交叉学科。对它的研究越来越受到工程技术人员的关注[9]。一个机械臂系统主要包括机械、硬件和软件、算法这四个部分。到具体设计需要考虑结构设计、控制系统设计、运动学分析、动力学分析、轨迹规划研究、路径规划研究、运动学动力学仿真等部分。对于一套轻便型机械臂的研发，需要把各个部分紧密联系，互相协调设计。随着时代的进步，机器臂技术的应用越来越普及，已逐渐渗透到军事、航天、医疗、日常生活及教育娱乐等各个领域。目前实际应用的绝大多数机器臂都是固定在基座上的，它们只能固定在某一位置上进行操作，因而其应用范围多限于工业生产中的重复性工作。于是实际生产生活中迫切需要一种活动空间大，能适用于各种复杂环境和任务的可移动机器人。由于移动机器人工作空间大、运动灵活等优点，对它们的研究也是越来越多，但是这种机器人很多都是实现移动的，并没有可控制的手臂，所以没有抓取物体的功能。为了让移动机器人能够完成简单的作业，在它上面安装两只轻型服务型机械臂显的尤其必要。1.2国内外机械手的研究现状机械臂的研究最早可追溯到20世纪40年代，美国Argonne＆OakRidge国家实验室开发了用于处理放射性物质的遥控机械操作手。1954年，美国的GeorgeDevol首先把远程控制器的杆结构与数控铣床的伺服轴结合起来，研制出了第一台通用机械臂。1978年,Devol的Unimation公司(现在叫StaubliUnimation)推出通用工业机器人PUMA，标志着工业机器人技术已经完全成熟。这属于第一代机器臂，这类机器臂主要是指能以“示教—再现”方式工作的工业机器人。第二代智能机器人和第一代工业机器人不一样，它具有像人那样的感觉、识别、推理、判断能力，可以根据外界条件的变化，对自己的工作做相应的调整。如果修改程序的原则由人预先给以规定，这种智能机器人便是初级智能机器人，即第二代机器人。这种智能机器臂技术也逐渐成熟，走向实用。在工业生产中，许多用于组装的机器臂，便是这类机器臂。如果智能机器人自己可以通过学习、总结经验来获得修改程序的原则，便是高级智能机器人，也就是第三代机器人。这种机器人是我们机器人学中一个理想的最高级阶段，它可以不按照人的安排，完全独立地工作，故又被称为自律机器人。目前的发展还只是相对的，在局部有这种智能的概念和含义，而真正完整意义上的这种智能机器人并不存在。但无法否定的是随着我们科学技术不断发展，智能的概念也会越来越丰富，其内涵也会越来越宽泛[9]。1.2.1国外机械臂的研究现状从20世纪40年代机械臂诞生到现在，已经有70多年了，随着时间的推移对机械臂的研究热度非但没有减弱，相反对它的研究是越来越深入。图1-1显示出机械臂应用的一些场合。比如：航天、喷漆、弧焊、医疗等都用到了机械臂。机械臂给我们生活带来方便的同时，也改变着我们的生活，以前必须用人完成的任务，现在一款机械臂便能出色地完成所有任务。图1‑1机械臂应用领域下面从工业机器人、空间机械臂、服务型机械臂等几类机械臂的情况来介绍国外机械臂的研究现状。1）工业机器人工业机器人的发展情况，国外可分为四个阶段：a.研制阶段：1951年，美国麻省理工学院(MIT)开发成功了第一代数控机床，与NC机床相关的控制技术及机械零部件的研究，为机器人的开发奠定了技术基础。b.生产定型阶段：20世纪60年代初美国ConsolidatedControl公司与Devol结合，成立了Unimation公司。1962年定型生产了Unimate工业机器人。同时美国“机床与铸造公司”(AMF)设计制造了另一种可编程的工业机器人Versation。c.推广应用阶段：1970年，第一次国际工业机器人会议在美国举行，工业机器人多种卓有成效的实用范例促进了机器人应用领域的进一步扩展。成功地把机器人应用到汽车工业、铸塑工业、机械制造业，从而大大提高了制成品的质量和一致性，形成了一定规模的机器人产业。d.产业化、实用化、商品化阶段：现在的机器人发展状况。随着大规模集成电路技术的飞跃发展，微型计算机性能的不断提高和普遍应用，机器人的控制性能大幅度地得到提高，成本不断下降。工业机器人进入了商品化和实用化阶段，形成了大规模化的机器人产业。80年代工业机器人技术得到了巨大发展，所开发的四大类型机器人产品(点焊、弧焊、喷漆、上下料)主要用于汽车工业。由于汽车工业装备更新的变化，工业机器人出现了暂时的相对饱和现象。随着以提高产品质量为目标的装配机器人及柔性装配线的开发成功，到1989年机器人产业又出现了转机，首先在日本，之后在各主要工业国家又呈发展趋势。进入90年代后，装配工业机器人及柔性装配技术进入了大发展时期，由于不同用途的要求，使不同结构、不同控制方法、不同种类的机器人相继出现，又促进了机器人的发展[9]。现在工业机器人的厂家有很多，具有代表性有，ABB、FANUC、Adept和kuka等。下面主要介绍几个著名的国外公司：（1）瑞典的ABBRobotics公司ABB公司是世界上最大的机器人制造公司。1974年，ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人-IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运。1975年，生产出第一台焊接机器人。到1980年兼并Trallfa喷漆机器人公司后，机器人产品趋于完备。至2002年，ABB公司销售的工业机器人已经突破10万台，是世界上第一个突破10万台的厂家。ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配、铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域。（2）日本安川电机公司安川电机（YaskawaElectricCo.），自1977安川电机年研制出第一台全电动工业机器人以来，已有28年的机器人研发生产的历史，旗下拥有Motoman美国、瑞典、德国以及SyneticsSolutions美国公司等子公司，至今共生产13万多台机器人产品，而最近2年生产的机器人3万多台，超过了其他的机器人制造公司。2005年4月，该公司宣布将投资4亿日元，建造一个新的机器人制造厂，于11月运行，2006年1月达到满负荷生产。届时，该公司每月工业机器人生产能力将达到2000台。其核心的工业机器人产品包括：点焊和弧焊机器人、油漆和处理机器人、LCD玻璃板传输机器人和半导体晶片传输机器人等。是将工业机器人应用到半导体生产领域的最早的厂商之一。2004年机器人销售收入为1051亿日元，占该公司营业总收入3096亿日元的34%。（3）日本FANUC公司FANUC公司的前身致力于数控设备和伺服系统的研制和生产。1972年，从日本富士通公司的计算机控制部门独立出来，成立了FANUC公司。FANUC公司包括两大主要业务，一是工业机器人，二是工厂自动化。2004年，FANUC公司的营业总收入为2648亿日元，其中工业机器人（包括注模机产品）销售收入为1367亿日元，占总收入的51.6%。 其最新开发的工业机器人产品有：R-2000iA系列多功能智能机器人。具有独特的视觉和压力传感器功能，可以将随意堆放的工件检起，并完成装配。Y4400LDiA高功率LDYAG激光机器人。拥有4.4千瓦LDYAG激光振荡器，具有更高的效率和可靠性。（4）德国KUKARoboterGmbh公司KUKARoboterGmbh公司位于德国奥格斯堡，是世界几家顶级工业机器人制造商之一，1973年研制开发了KUKA的第一台工业机器人。该公司工业机器人年产量接近1万台，至今已在全球安装了6万台工业机器人。这些机器人广泛应用在仪器、汽车、航天、食品、制药、医学、铸造、塑料等工业上。主要应用材料处理、机床装料、装配、包装、堆垛、焊接、表面修整等领域。（5）意大利COMAU公司COMAU公司从1978年开始研制和生产工业机器人，至今已有25年的历史。获得ISO9001、ISO14000以及福特公司的Q1认证。其机器人产品包括Smart系列多功能机器人和MAST系列龙门焊接机器人，广泛用于汽车制造、铸造、家具、食品、化工、航天、印刷等行业。该公司2004年营业总收入为17.16亿欧元，其中机器人产品的销售额占6%。2）空间机械手空间机械臂是一个机、电、热、控一体化的高集成度的空间机电系统。随着空间技术的飞速发展，特别是空间站、航人飞机、空间机器人等的诞生及成功应用，空间机械臂作为在轨支持、服务的一项关键性技术己经进入太空，并越来越受到人们的关注。空间机械臂有舱内和舱外两大类。舱内机械臂通常尺寸不大、运动范围有限，主要完成舱内装配、更换部件、对漂浮物体的抓取等。舱外机械臂长从几米到十几米不等，针对不同任务的需求自由度从5个到10个不等，安装载体有航天飞机、空间站、以及小型飞行器或空间机器人。它主要完成辅助对接、目标搬运、在轨建设、摄像、对卫星等空间合作或非合作目标的捕获释放等，此外还可以作为航天员出舱活动的辅助设备[9]。图1‑2“国际空间站”美国舱上的MSS图1‑3“国际空间站”俄罗斯舱上的ERA3）轻便服务型机械臂由于机械臂技术应用的普及，很多地方都能看到它的身影，与以往不同的是，现在使用机械臂的场合发生了变化，以前的机械臂多以工业机器人为主，其工作任务和用途比较单一，一旦程序编写以后就不需要人工修改。但现在机械臂要服务于很多场合的很多任务，所以开发较为智能能应用于各种环境的轻便行机械臂变的尤其重要。如图1-4，这款机械臂既能帮人倒饮料，又能通过视觉伺服进行装配工作[9]。图1‑4不同的工作任务国外的各类型机械臂虽然在各自的领域已经达到了很高的水平，基本上到达了第二代机器人所蕴涵的标准，但是比起第三代所定义的自律机器人来说，还有很大的距离，研究还需要继续下去。1.2.2国内机械手研究现状我国机器人的研究和开发可追溯到六十年代，概括而言，其发展历程可以人致分为如下三个阶段[17,18]。第一阶段（1987-1993）：以三种类型五个型号机器人的研究开发为战略目标，跟踪国外机器人高技术的发展，确定了自动化领域2000年最终战略目标，其中智能机器人包括三种类型的目标产品，即智能型装配机器人、水深300米以下的无缆自治式水下机器人及自治式移动机器人。1986年我国开展了“七五”机器人攻关，1987年“863”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。最初我国在机器人方面的研究主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，之后我国在机器人技术及应用方面取得了很大成就，主要研究成果有：哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人；北京自动化研究所1993年研制的喷涂机械臂等。图1‑5装配机器人第二阶段（1993-1997）：将机器人技术渗透、应用到国民经济各行业，直接为国民经济建设服务作为这一阶段的主要战略目标，确定了以特种机器人与工业机器人及其应用并重、以应用带动机器人目标产品开发、以应用带动关键技术和应用基础研究、以应用带动系统集成技术与关键部件突破的发展方针，努力推动科技成果转化，使机器人技术的发展成为高技术产业化的技术源头，直接为国民经济建设主战场服务。主要研究成果有：北京自动化研究所1995年完成的高压水切割机器人；国家开放实验和研究单位沈阳自动化研究所完成的有缆深潜300米机器人、无缆深潜机器人、遥控移动作业机器人等。第三阶段（1997-现在）在继续实施第二阶段战略目标的同时，提出中国机器人事业可持续发展的新的战略目标，采取多种措施，大力加强基地与队伍建设，特别是机器人的产业化发展，积极做好“十五”与计划的衔接。主要研究成果有国防科技大学研制的两足类人机器人，图1-7是北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华南理工大学研制的点焊、弧焊机器人及各种机器人装配系统、哈尔滨工程大学研制的蒸汽发生器检修机械臂[9]。图1‑6水下机器人图1‑7北航三指灵巧手国内主要机器人公司如下：1）首钢莫托曼机器人有限公司首钢莫托曼机器人有限公司由中国首钢总公司、日本株式会社安川电机和日本岩谷产业株式会社共同投资组建，三方出资比例分别为45%、43%和12%，引进日本株式会社安川电机最新UP系列机器人生产技术生产“SG-MOTOMAN”机器人，并设计制造应用于汽车、摩托车、工程机械、化工等行业的焊接、喷漆、装配、研磨、切割和搬运等领域的机器人、机器人工作站等。是目前国内最大、最先进的机器人生产基地，年生产能力为800台。2）中国新松机器自动化股份有限公司沈阳新松机器人自动化股份有限公司由中国科学院沈阳自动化所为主发起人投资组建的高技术公司。是“机器人国家工程研究中心”、“国家八六三计划智能机器人主题产业化基地”、“国家高技术研究发展计划成果产业化基地”、“国家高技术研究发展计划成果产业化基地”。该公司在国内率先通过ISO9001国际质量保证体系认证的机器人企业，并在《福布斯》2005年最新发布的"中国潜力100榜"上名列第48位。其产品包括：rh6弧焊机器人、rd120点焊机器人及水切割、激光加工、排险、浇注等特种机器人。总之，国内机械臂技术跟国外的机械臂相比还有很大的差距，还需要我们投入更多的精力、人力和财力去研究。1.3机械手的控制系统及其仿真技术的研究现状分析一个机械臂系统，可谓是一个项系统工程。它涉及的学科有材料科学、控制技术、传感器技术、计算机技术、微电子技术、通讯技术、人工智能和仿生学等等很多学科。具体到设计一个机械臂系统，需要考虑机械设计、控制系统设计、运动学分析、动力学分析、轨迹规划研究、路径规划研究、运动学动力学仿真等部分。1.3.1控制系统的研究现状对于一个机器臂控制系统，需要对多台电机进行联动控制。为了实现多台电机之间的通信和控制，必须建立一套数据通信系统来完成主计算机与各运动控制单元间的数据交换。一般控制系统有中央式和分布式的体系结构。中央式的体系结构是比较传统的运动控制方法，但这种控制体系随着工业控制系统复杂性的增加，固有的缺点也就逐渐暴露出来。比如当需要控制的节点不断增加，需要反馈的传感器信号不断增多时，如果处理信息和产生控制信号都由一个中央处理器来完成，那么对它来说是不堪重负的。一旦中央控制器出现故障，将对整个生产装置甚至整个生产系统带来严重的影响。另外由于这种体系结构线路复杂，给日常维护带来了很大的难度。所以这种体系结构已经用的很少了。随着基于现场总线的分布式控制技术的提出，一举攻破了中央式的体系结构不能解决的难题。它是将处理信息和产生控制信号的任务分配给各个控制节点的微处理器来完成，中央处理器只需要和各个控制节点上的微处理器通过现场总线连接以及完成一些机械臂运动学算法，即可完成对整个系统的控制，这样做可以极大的简化控制设备，减少了系统控制的复杂性，降低了成本，并且提高了系统的稳定性。目前在机器臂领域常用的现场总线有RS-485总线，USB总线，SERCOS总线和CAN总线等。1.3.2仿真研究现状仿真是近30年在系统科学、系统识别、控制理论、计算技术和控制工程等多种技术发展基础上发展起来的一门综合性很强的新兴技术。在计算机面世以前，仿真只是局限于用物理模型来模仿实际系统的物理仿真。随着计算机技术、计算方法的发展，人们建立数学模型的能力、计算机求解复杂模型的能力以及存储能力都得到了显著加强，系统仿真也逐步过渡到数字仿真，图形仿真，继而到虚拟现实。计算机成了系统仿真中不可或缺的工具。因此，计算机系统仿真就是，以计算机为工具，以相似原理、仿真技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。它集成了当代科学技术中的多种现代化顶尖手段，正在极大地扩大着人类的视野、时限和能力，在科学领域里产生着日益重要的作用。目前，计算机系统仿真已广泛地应用于航空航天、通信、交通、化工、军事、生物、医学等领域，其重要性已广为人知。机器人的仿真研究已经成为机器人学中一个引人瞩目的领域,而机械臂三维运动仿真是机器人仿真研究中一个很重要的组成部分。机械臂仿真有各种方式，比如可以用MATLAB，ADAMS等这些平台进行运动仿真，都能达到一定的效果。CorkePI在MATLAB平台下开发了ROBOTICS工具箱，能够通过函数实现简单的运动学仿真[9]。1.4主要研究内容设计一套机械臂需要考虑结构设计、控制系统设计、运动学分析、动力学分析、轨迹规划研究、运动学动力学仿真等部分。本文从实际情况出发，从硬件系统、运动学分析、轨迹规划和三维仿真工具开发这四大部分对机械臂系统进行了研究。每个部分又细分为各个研究点。如图1-8所示。图1‑8机械臂系统研究图本课题包括以下五章：第1章：绪论部分，首先介绍了课题的研究背景及意义；再从机器人的历史的发展和当前世界各国的机器人发展状况两个方面介绍了机器人这一充满机遇的产业；最后，讨论了一些与机器人相关的关键技术，进而从技术角度进一步介绍了机器人。第2章：介绍了机械臂的数学基础知识，运用标准D-H坐标进行建立数学模型，进行数学分析。然后对机械臂的正运动学和逆运动学进行了分析，对机械臂的运动学有了一定的基础了解。最后，使用基于MATLAB平台下的RoboticsToolbox对正运动学分析和逆运动学分析进行验证。第3章：利用SolidWorks建模，得到三维的机械臂外观模型。然后定义材料，计算机械臂的各种特征参数，对所需电机的扭矩和功率进行计算，进而对机械臂的关节电机进行选取，完成本课题的硬件部分。第4章：利用Proteus和Keil对控制系统进行电路设计，利用AT89C51控制步进电机，上位机与单片机进行通信，从而实现像电脑输入命令，通过单片机控制步进电机的要求。此外，利用Keil软件对所需程序进行编写，得到可以直接烧制在单片机中的程序。第5章：利用Proteus和Keil联合仿真，在个人电脑上进行虚拟实验，验证设计的控制系统和控制程序可以实现。最后，对机器人的前景和发展做出一些个人的看法，明确机器人研究的重要性。2机械臂的基础知识2.1引言机械手是机器人系统的机械运动部分。作为自动化工具的机械手，它具有如下特点：它的执行机构足用来保证复杂空间运动的综合刚体，而且它自身也往往需要在机械加工或装配等过程中作为统一体进行运动。因此，我们需要一种用以描述单一刚体位移、速度和加速度以及动力学问题的有效而又方便的数学方法。这种数学描述方法不是惟一的，不同的人可能采用不同的方法。我们将采用矩阵法来描述机器人机械手的运动学和动力学问题。这种数学描述是以四阶方阵变换三维空间点的齐次坐标为基础的，能够将运动、变换和映射与矩阵运算联系起来。2.2机械手的位姿描述2.2.1位置描述建立了一个坐标系，我们就能够用某个3×1位置矢量来确定该空间内任一点的位置,对于直角坐标系{A}，如图3-1所示，空间任一点p的位置可用列矢量表示，其中，，是点p在坐标系{A}中的三个坐标分量。我们称为位置矢量[9]。图2‑1位置矢量2.2.2方位描述为了研究机器人的运动与操作，往往不仅要表示空间某个点的位置，而且要表示物体的方位。物体的方位可由某个固接于此物体的坐标系描述。为了规定空间某刚体B的方位，设置一直角坐标系{B}与此刚体固接。用坐标系{B}的三个单位主矢量，，相对于参考坐标系{A}的方向余弦组成的3×3矩阵：(2-1)来表示刚体B相对于坐标系{A}的方位。称为旋转矩阵。上标A代表参考坐标系{A},下标B代表被描述的坐标系{B}。共有9个元素，但只有三个是独立的。三个列矢量都是单位矢量，且两两相互垂直，易知，旋转矩阵是正交的，并且满足条件；且。对应于轴x,y,z作转角为θ的旋转变换，其旋转矩阵分别为（2-2）2.2.3位姿描述（1）旋转变换要完全描述刚体B在空间中的位姿，通常将物体B与某一坐标系{B}相固接。{B}的坐标原点一般选在物体B的特征点上，如质心等。相对参考坐标系{A},坐标系{B}的原点位置和坐标轴的方位，分别由位置矢量和旋转矩阵描述[2]。这样，刚体B的位姿可由坐标系{B}来描述：（2-3）图2‑2旋转变换（2）平移坐标变换空间中任意点p在不同坐标系中的描述是不同的，为了阐明从一个坐标系到另一个坐标系的描述关系，需要讨论坐标变换的关系。设坐标系{B}与{A}具有相同的方位，但两坐标系的原点不重合[2]。用位置矢量描述{B}相对于{A}的位置，则物体p相对于坐标系{A}的位置矢量可由矢量相加得出，见公式（2-4）(2-4)图2‑3平移坐标变换（3）复合变换对于一般情形：坐标系{B}与{A}的原点既不重合，方位也不相同。结合前面平移和旋转的关系，可得出任一点p在两个坐标系{A}和{B}中的描述和具有如下变换关系[2]，见式（2-5）图2‑4复合变换（4）齐次坐标变换复合变换式对于点而言是非齐次的，但是可以将其表示成等价的齐次变换形式，见式2-6.（2-6）式中，4×1的列矢量表示三维空间的点,称为点的齐次坐标，将它表述为式2-7。（2-7）其中齐次坐标和是4×1的列矢量，齐次变换矩阵是4×4的方阵。实质上，该变换式与式是等价的。(5)平移齐次坐标变换空间某点由矢量ai+bj+ck描述，其中，i,j,k为轴x,y,z上的单位矢量，此点可用平移齐次变换表示为式2-8。（2-8）（6）旋转齐次坐标变换对应于轴x,y,z作转角为θ的旋转变换，分别可得：（2-9）Rot表示旋转变换。（7）复合齐次变换空间某点既有平移变换又有旋转变换时，按照变换的先后顺序可得到下式，这个变换矩阵表示对原参考坐标系进行旋转和平移操作。(2-10)2.3机器人运动学对于机械臂，可以将之看作是一系列由关节连接起来的连杆构成的，为机械手的每一连杆建立一个坐标系，并用齐次变换来描述这些坐标系间的相对位置和姿态。通常把描述一个连杆与下一个连杆间相对关系的齐次变换叫做A矩阵，一个A矩阵就是一个描述连杆坐标系间相对平移和旋转的齐次变换。如果以表示第一个连杆相对于基坐标系的位置和姿态，表示第二个连杆相对于第一个连杆的位置和姿态，以此类推，表示第i个连杆相对于第i-1个连杆的位置和姿态。那么，第i个连杆在基坐标系中的位置和姿态变换矩阵可由下列矩阵乘积给出：；若知道目标物体在第i个连杆坐标系中的位置，则物体在基坐标系中的位置可由式(3-15)表示。(2-11)为描述末端执行器在空间的位置和姿态，可以在每个关节上建立一个坐标系，利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的位置。一般采用Denavit-HartenBerg法(D-H法)建立坐标系并推导机械臂的运动方程。D-H法(四参数法)是1995年由Denavit和HartenBerg提出的一种建立相对位姿的矩阵方法。利用齐次变换描述各个连杆相对于固定参考坐标系的空间几何关系，用一个4×4的齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系，从而推导出末端执行器坐标系相对于基坐标系的等价齐次坐标变换矩阵，建立操作臂的运动方程[9]。在直角坐标系中，可以用齐次矩阵表示饶x、y、z轴的平移和沿x、y、z轴的转动。使用标准的上关节Denavit-Hartenberg法时，如图2-5。图2‑5转动关节连秆参数示意图定义连杆参数如下：表示沿轴方向轴与轴之间的距离；表示绕轴线由轴到轴所旋转的角度；表示沿轴方向轴到轴的距离；表示绕轴由轴到轴所旋转的角度。相邻两坐标系之间的关系为式：(2-12)由以上可知，机器人中每个连杆由四个参数，，，来描述。对于旋转关节，关节角是关节变量，连杆长度、连杆扭角和偏置是固定不变的。2.3.1正运动学分析正运动学的求解过程是根据已知关节变量，，，，；求末端抓持器相对于参考坐标系的位姿的过程。要对机械臂进行分析，首先要对机械臂建立坐标系，其坐标系如图，为了更能直观地表示出机械臂的构型，采用标准的上关节D-H表示法的各个关节变量并不等于零，各个关节变量分别是=0，=0，=0，=0，=。为旋转关节n的关节变量。图2-6为本文所设计的机械臂的关节尺寸图。图2‑6机械臂关节图将参考坐标系设在5R机械臂的基座上，于是可以从基座开始变换到第一关节，然后到第二关节……,最后到末端抓持器。若把每个变换定义为，那么5R机器臂的基座和手之间的总变换为：(2-13)为基座坐标系到坐标系0（关节一）之间的变换矩阵，为坐标系0到坐标系1之间的变换阵，为坐标系1到坐标系2之间的变换矩阵。为坐标系2到坐标系3之间的变换矩阵。为坐标系3到坐标系4之间的变换矩阵。为坐标系4到坐标系H之间的变换矩阵。以下运用MATLAB中的RoboticsToolbox工具箱进行正运动学仿真对于链式机械臂的运动学、动力学、以及轨迹规划分析，可以使用基于Matlab平台的机器人工具箱—RoboticsToolbox，此工具箱最新版本在2002年4月由PeterI.CorkCorke更新的。该工具箱函数可以在Matlbab7.1版本上运行。它提供给用户一些常用的函数，可以实现机械臂运动学、动力学仿真，是一款非常方便和容易上手的辅助工具[9]。下面使用工具箱中使用的函数对六自由度机械臂建模，并进行正运动学仿真，下面是具体实现函数：L1=link([pi/200100],'standard');L2=link([026000],'standard');L3=link([pi/224000],'standard');L4=link([-pi/214700],'standard');L5=link([0000],'standard');r=roBot({L1L2L3L4L5});r.name='5自由度机械臂';q=[00000];driveBot(r,q)在这里，各参数如表所示表2-1机械臂关节参数 1 0 0 100 2 0 260 0 0 3 240 0 0 4 0 0 0 5 0 77 0 0link函数中的参数从前到后分别代表D-H参数表中的α、a、θ、d、standard表示采用的是标准D-H建模方法。Robot函数作用是将机械臂各杆与关节连接起来，q表示关节变量的初始角度。DriveBot是绘制机械臂的函数。通过MATLAB的robotictools工具箱得到，如下的初始图形如图2-7、2-8所示。图2‑7正运动学结果参数图图2‑8正运动学结果模型这两个图是在初始时刻，各个关节转角都为0时的机械手臂模拟显示。正运动学分析中，我们需要输入各个关节的角度值，然后就通过这个工具箱分析出机械臂的位置状态。我们输入的关节角分别为：=1rad,rad,rad,rad,rad所得结果如图2-9和2-10所示。其中x,y,z分别表示抓持器的位置，ax,ay,az表示抓持器的姿态。图2‑9正运动学验证参数图图2‑10正运动学验证模型所得到的机械手的位置为：x=235.064、y=430.883、z=155.673、ax=0.854、ay=0.329、az=-0.4032.3.2逆运动学分析运动学正解相对比较容易，采用D-H方法建立了运动学模型，通过变换矩阵就可以求得末端在基坐标下的唯一坐标值（包括位置和姿态）。逆运动学的求解过程是根据已知的末端抓持器相对于参考坐标系的位姿，求关节变量，，，，的过程，它是机器人运动规划和轨迹控制的基础，也是运动学最重要的部分。然而运动学逆解的求解要比正解求解复杂得多，需要考虑的主要有以下几个问题：（1）可解性：求解操作臂运动学方程是一个非线性问题。己知位姿，试试图求出，，，，。通常这种方程为非线性超越方程，特别是当α不是0或士90度时，方程非常复杂，很难求解。（2）存在性：解是否存在的问题完全取决于操作臂的工作空间。简单的说，工作空间是操作臂末端执行器所能到达的范围。（3）多重解：在求解运动学方程时可能遇到的另一个问题就是多重解问题。在实际情况中，经常会出现机械臂可以有几个位形到达指定的位姿，即有几个解，而控制系统只能选择其中的一个解来处理，这里面涉及到一个选择标准问题。由于机械臂逆运动问题本身的复杂性，要建立通用算法是相当困难的，许多人为此付出巨大的努力，做了大量的工作。有关机器人运动学逆解的求解方法很多，其中主要有解析法、几何法、符号及数值方法、几何解析法等。下面采用解析法求解教学机器人的逆解[1]。具体实现函数如下：%逆运动学L1=link([pi/200100],'standard');L2=link([026000],'standard');L3=link([pi/224000],'standard');L4=link([-pi/2000],'standard');L5=link([07700],'standard');r=roBot({L1L2L3L4L5});%将机械臂各杆与关节连接起来r.name='5R机械臂';q=[0.51210];driveBot(r,q)T=fkine(r,q)q1=ikine(r,T)fkine是求机械臂的正解函数，q向量为机械臂的五个关节角变量，ikine是求逆解函数，T为正运动学算出来的位姿，如果仿真正确，计算的q1应该与q相同。运行程序得到如图2-11和2-12所示的结果。图2‑11逆运动学结果参数图图2‑12逆运动学结果模型所得的计算结果如下：T=-0.0660-0.12380.9901-90.3119-0.9949-0.0677-0.0748-123.16910.0762-0.9900-0.1187358.52230001.0000Foramanipulatorwithfewerthan6DOFamaskmatrixargumentshouldbespecifiedq1=-2.2709-18.533146.0269-2.9292-32.3001从结果看q和q1显然不相等，但是把q1的弧度制转换到【-pi,pi】之间时，两者是一样。2.4本章小结本章首先介绍了位姿的描述方法，接着又介绍了齐次坐标变换。分析五自由度机械臂的构型，利用标准D-H参数法推导出运动学模型，采用MATLAB中的RoboticsToolbox进行计算，验证正逆学分析的正确性，这样就通过运用软件解决了理解困难的。3立体结构设计3.1引言机器臂系统是一个典型的机电一体化系统。从组成原理上讲，它由机械本体结构和控制驱动系统组成。本章根据任务要求拟定机器人的基本技术参数(自由度以及构型)，运用SolidWorks构造三维模型。3.2设计要求在课题的主内容中没有给出机械臂的具体功能要求，而且没有具体的尺寸要求。因而我进行了一定的简化，细化了自己的工作要求，如下：·按照编制程序完成低速运动·完成人手可以完成的基本动作，拿起比较轻（1kg）的东西·所工作环境为无限大空间，不考虑外界对手臂空间位置的约束·具体尺寸按照人的手臂大致设计在以上的具体条件下，才能够具体的设计出机械臂的构型。3.3详细设计3.3.1机械臂的结构设计臂部设计的基本要求：（a）承载能力足：手臂是支撑手腕的部件，设计时不仅需要考虑抓取物体的重量或携带工具的重量，还要考虑运动是的动载荷及转动惯性。(b)刚度高：为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字型界面的弯曲刚度比一般圆截面的大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多。(c)导向性能好，定位精度高：为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置。同时要采用一定形式的缓冲设施。(d)重量轻，转动惯量小：为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的质量，以减少整个手臂对回转轴的转动惯量。(e)合理设计腕部和机身的连接部位：臂部的安装形式和位置不经关系到机器人的强度刚度和承载能力，而且还直接影响到机器人的外观[2]。一般的机械臂臂部分为以下几类：图3‑1机械臂分类本课题的机械臂用电机驱动，因而使用关节型的机械臂比较合适。3.3.2手腕的设计为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这就是腕部运动的三个自由度，分别称为翻转R、俯仰P、偏转Y。并不是所有的手腕都具备三个自由度，而是根据实际使用的工作性能要求来确定。手腕的设计要求：（1）结构紧凑，重量轻；（2）动作灵活，平稳，运动精度高；（3）强度、刚度高；（4）与臂部和手部的连接部位的合理连接结构，传感器和驱动装置的合理布局即安装。一般手腕分为：图3‑2手腕分类在本课题中，由于是模仿人手建模，选择的是而自由度手腕。3.3.3手的设计在本次课题设计中，将机械手简化为一个只有三个手指的手，简化了建模的复杂程度，并且为后面的控制设计进行简化。3.3.4主要零件尺寸肩关节如图3-3所示。图3‑3肩关节上臂如图3-4所示。图3‑4上臂前臂如图3-5所示。图3‑5前臂腕关节如图3-6所示。图3‑6腕关节总系统如图3-7所示。图3‑7三维效果图3.4本章小结本章对机器人手爪所要完成的工作做出一定的假设，然后根据机械手的设计知识，设计了五自由度链式关节的立体结构，通过SolidWorks建模，得到它的三维模型4电机选择4.1引言作为串联关节型机械臂，一般使用电机驱动，通过减速器减速后控制机械臂的关节。一般的工业机器人以交流伺服电机居多，教学机器臂一般采用舵机，还有一些对精度要求较高的轻便型机械臂，采用简单而且利于控制的直流有刷伺服电机，步进电机在一般的单片机控制机械臂中使用较多。本章是基于步进电机的选取。4.2电机选择4.2.1机械臂对电机的要求（1）快速性：电动机从获得指令信号到完成指令要求的工作状态的时间长短。响应指令信号的时间越短，电伺服系统的灵敏性越高，快速响应性能越好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。（2）启动转矩惯性比大：在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的启动转矩大，转动惯量小。（3）控制特性的连续性和直线性：随着控制型号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。（4）调速范围宽：能使用于1：1000~10000的调速范围。（5）体积小、质量小、轴向尺寸短：能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向加减速运行，并能在短时间内承受过载。4.2.2电机类型选择表4-1电机类型 电机类型 特点 适用范围 交流伺服电机 交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重 适用于0.5-100W的小功率控制系统 舵机 精度不够高，反应较慢 适用于教学机器人 直流有刷伺服电机 精度较高并且轻便 使用较多 步进电机（位移控制） 精度低 低端机器人对于一般的机械臂设计，最主要的是控制机械臂的运动位置，因而使用步进电机比较合适。而且在一般的机械臂中，大多应用的还是步进电机。步进电机可以分为三类，即反应式步进电机、永磁性步进电机和混合式步进电机。反应式步进电机的转子是由软磁性材料制成的，它结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但是动态性能较差；永磁性步进电机的转子是由永磁材料制成的，它的输出转矩大，动态性能好；混合式步进电机综合了反应式和永磁性步进电机的优点，它的输出转矩大，动态性能好，步距角小，但结构复杂，成本高。4.2.3各关节力矩估算各关节的动力参数要求是各关节的驱动元件和传动件选型的重要依据。由机器人动力学知识可知，完整的机器人动力学方程具有如下形式：Q=M(q)q’’+C(q,q)q’+F(q)+G(q)（3-1）式(2-1)中，q表示关节位置向量，q’表示关节速度向量，q’’表示关节加速度向量，M表示惯性张量，C表示与哥矢加速度和向心加速度有关的量，F表示与粘性摩擦和库仑摩擦有关的量(它还与关节转角位置有关)，G表示惯性负载,Q表示关节广义力向量。在设计时，机器人的动力参数计算方法主要有两类：一是静力学方法，二是动力学方法。机械臂各个关节的速度比较低，于是采用静力学方法来估算机械臂所需要的力矩。图3‑8机械臂关节图图3‑9机械臂连杆质量一、各个关节力矩为估算各关节所需力矩，假定各关节的重量集中在关节理论中心点，各连杆重量集中在连杆中间。关节一：受到关节五（包括负载）、连杆四、关节四、连杆三、关节三、连杆二、关节二、连杆一、关节一重力产生的扭矩和加速度附加扭矩T1=（0.67177+1.51885+1.09827+1.41671+1.30912+3*0.02659）*（0.26+0.24+0.07）/2*9.8=17.3382N.M由于关节和杆重都是估算，还有重心位置也是估算而得，所以存在一些误差，而且没有考虑动力学项，所以在实际设计时应该比求得的力矩大上20%的余量，后面关节同理。关节二：受到关节五（包括