爬树机器人机构毕业设计.doc

爬树机器人机构设计 专业: 班级: 姓名: 日期: 摘要 机器人是二十一世纪最性的光机电一体化技术系统。工业机器人在现代化工业国家正在得到越来越广泛的应用,各种工业机器人的商品样机不断进入市场,在这种情况下,模拟工业机器人来开发各种各样的机器人是一个很需要重视的领域,它作为机器人技术、计算机技术和机电一体化技术教育的教学工具,对人才培养和高新技术的推广应用有着重要的意义。 本文在总结国内外爬树机器人现状的基础上,对爬树机器人进行了机构设计和理论分析。 本文对爬树机器人进行了两鸾方案设计,通过方案对比分析,采用曲柄滑块结构,实现爬树过程。该爬树机器人机构设计采用曲柄滑块机构、凸轮机构等实现机器人的爬树过程;选择了步进电机作为驱动电机;确定了曲柄、连杆构件的尺寸,描述了活动卡爪和槽型凸轮的工作原理,并对爬树机器人进行了动画演示;根据曲柄滑块的工作原理对爬树机器人进行运动分析和仿真;分析了爬树机器人的控制系统,并介绍了各个控制部分工作原理和特点, 绘制了爬树机器人的控制系统流程图。该爬树机器人采用计算机控制装置, 运用分级式控制方式,由机、上位单片机和下位单片机构成三级控制系 统。设计了控制系统的硬件电路图及软件流程图。 关键词:爬树机器人;曲柄滑块机构;单片机 课题的来源、目的和意义 本次课题来源于老师学期的大作业;目的在于通过本次作业让我们更加深刻的认识到机器人对现代生活与制造业的重要意义以及巩固课堂知识;通过此次作业拓宽了我们的知识面,和对机器人的认识! 爬树机器人的设计方案 总体机构方案 在本小节,对机构坐标型式和机构方式做了介绍并进行了选择 1.坐标型式 关节型机器人依结构复杂程度分为直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人和开链连杆式关节型机器人。 1)直角坐标型机器人直角坐标型机器人是最简单的关节型机器人, 其通过互相垂直的轴线位移来改变手部的空间位置。手部在空间三个相互垂 直的方向X、V、Z上作直线运动,运动是独立的,如图2.1a所示。它易于实现高定位精度,控制简单,运动直观性强,空间轨迹易于求解,但操作灵活性差,运动的速度较低,操作范围较小。 2)圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人在水平转台上装有立柱,水 平臂可沿立柱上下运动并可在水平方向伸缩,如图2.1b所示。其结构简单,便于几何计算,工作范围较大,运动速度较?,但随着水平臂沿着水平方向伸长,其线位移分辨精度越来越低。 3)球坐标型机器人 球坐标型机器人的工作臂不仅可绕垂直轴旋转, 还可绕水平轴作俯仰运动,且能沿着手臂轴线作伸缩运动,如图2.1c所示。 其操作灵活,结构紧凑,并能扩大机器人的工作空间,但旋转关节反映在末端执行器上的线位移分辨率是一个变量。 4)开链连杆式关节型机器人可以模拟人的上臂,由多个关节联接的机座、大臂、小臂和手腕等构成,大小臂即可在垂直于机座的平面内运动,也可实现绕垂直轴的转动,如图2.1d所示。其全部关节皆为转动型关节,结构紧凑,操作灵活性最好,运动速度较高,操作范围大,所占空间体积小,相对对的工作空间最大,还能绕过基座周围的一些障碍,是机器人中使用最多的—种结构形式,但精度受手臂位姿的影响,实现高精度运动较困难。 图1关节型机器人坐标型式 a )直角坐标型机器人 b)圆柱坐标型机器人 c)球坐标型机器人 d)关节型机器人 此爬树机器人要求结构简单,动作灵活,实现高定位精度,运动直观性强,空间轨迹易于求解,且运动的速度较低,操作范围较小,因而选用直角坐标型机器人。 2.机构方式 极坐标式:两坐标正交,互不影响,运动学分析简单,控制容易。 对于驱动传动的电机可以安装在基座上,对于驱动直线运动的电机也可以安装在基座上,这样总重量大部分就可以由基座来承担,手臂重量轻,使得结构紧凑。 .3驱动形式的选择 由于本课题所研究的爬树机器人驱动负载小,要求结构简单、定位精度高,所以选用了电气驱动方式。其特点是易于控制,运动精度?,响应快,使用方便,驱动力较大,信号监测、传递、处理方便,成本低廉,驱动效率高,不污染环境,可以采用多种灵活的控制方案。 4.驱动电机的选择 根据本系统的工作特点,我选用了步进电机。其性能优越性如下: 步进电机将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。 这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性