1、课 程 设 计设计题目： SCARA工业机器人设计 系 别 班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 起止日期： 年 月 日起至 年 月 日止课程设计任务书课程设计题目： SCARA工业机器人设计 系 别 班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 课程设计进行地点： 任 务 下 达 时 间： 年 月 日起止日期： 年 月 日起至 年 月 日止 教研室主任 年 月 日批准SCARA工业机器人设计1 设计主要内容及要求1.1 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、驱动系统及控制系统，并应用于工业机器人的设计中；（
2、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
3、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 时间进度安排顺序阶段日期计 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
4、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 工业机器人技术 课程设计成绩评定表系（部）： 班级： 学生姓名： 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确
5、，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分中 文 摘 要随着人类认知领
6、域的不断扩展和研究层次的不断深入，人类的作业环境也开始向着更为复杂的空间发展，例如核辐射场所、深海、太空、有毒环境或高温高压等。这些环境的作业条件远远超出了人类所能够承受的极限，因此人们就开始寻找可以代替人来完成作业的物体，最终人们发明了机器人这种拟人化的机器。机器人是一种智能型的机器，它能够代替人类的部分工作，从处理个别问题的速度和可靠性来看，它在一定程度上已经超过了人。在国际上关于机器人的定义有好几种，但是这几种不同的定义都有一个共同的属性即：象人或人的一部分，并模仿人的动作；且具有智能或感觉与识别能力；是人制造的机器或机械电子装置。在研究机器人和制造机器人的领域必须要知道机器人学的三定律
7、：第一，机器人不得伤害人或由于故障而使人遭受不幸；也不得见人受到伤害而袖手旁观 。第二，机器人应执行人们所下达的指令，除非这些指令与第一定律相矛盾；第三，机器人应能保护自己的生存，只要这种防护行为不与第一或第二定律相矛盾。所以无论在任何时候，我们都要遵守这三定律。本次课程设计的题目是SCARA工业机器人设计，SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm ）是一种水平关节型机器人，特别适合于在垂直方向进行装配作业。本次设计通过四个部分来实现机器人的基本功能。分别是机械结构、驱动部分、传感器部分以及机器人控制部分的设计。其中，在机器人控制部分我选择C8
8、051F020单片机对机器人的行动进行控制的。驱动部分，我选择的是直流电动机，因为直流电机控制方便，只用一个简单的H桥电路就能实现电动机的正反转。传感器部分，避障传感器我选择的是红外传感器，趋光传感器我选择的是光敏电阻。机器人的行走机构我选择的是四轮式行走机构。该机器人不仅是一种水平关节型机器人。总之，我设计的机器人的整体结构包括两个驱动轮，两个转动轮，四个红外传感器，两个光敏电阻，单片机。红外传感器分别位于机体的前、后、左、右，两个光敏电阻分别位于机体前部的左右两侧。四个红外传感器，两个光敏电阻的测量电路分别与单片机连接，四个红外传感器用于检测障碍物，光敏电阻用于检测光强，单片机通过根据红外
9、传感器，光敏电阻输入的信号来控制电机，进而控制驱动足。关键词 工业机器人，水平关节型，SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm ），目录中 文 摘 要V1 设计任务描述- 1 -1.1 设计题目- 1 -1.2 设计要求- 1 -1.2.1 设计目的- 1 -1.2.2 基本要求- 1 -2 设计思路- 2 -2.1 机械结构的设计- 2 -2.1.1 末端操作器的设计- 2 -2.1.2 手腕的设计- 2 -2.1.3 手臂的设计- 2 -2.1.4 基座的设计- 3 -2.1.5 制动器的设计- 3 -2.2 驱动方式的选择- 3 -2.2
10、.1 液压驱动- 3 -2.2.2 气压驱动- 3 -2.2.3 电动机驱动- 4 -2.3 传感器的选择- 4 -2.3.1 避障功能传感器的选择- 4 -2.3.2 光电编码器- 5 -2.4 主控制器的选择- 5 -2.5 软件功能的实现- 6 -2.6 电机驱动芯片的选择- 6 -3 设计方框图- 7 -4 机械结构设计- 8 -4.1 机械部分- 8 -4.2 传动部分- 10 -4.2.1 齿轮齿条装置- 10 -4.2.2 普通丝杠- 10 -4.2.3 滚珠丝杠- 10 -5 硬件设计- 11 -5.1 单片机模块- 11 -5.1.1 电源电路- 11 -5.1.2 复位电路
11、- 12 -5.1.3 液晶显示（LCD）接口电路- 12 -5.1.4 晶振电路- 13 -5.2 系统模块- 13 -5.2.1 电源电路- 13 -5.2.2 复位电路- 14 -5.3 测光模块- 14 -5.3.1 光敏电阻传感器- 14 -5.3.2 光敏电阻的数量和布局- 15 -5.3.3 光敏电阻的测量电路- 15 -5.4 避障模块- 16 -5.4.1 红外传感器- 16 -5.4.2 红外传感器的测量电路- 17 -图5.8 红外发射电路- 17 -5.5 电机驱动模块- 18 -5.5.1 LM298简介- 18 -5.5.2 H桥原理简述- 18 -5.5.3 驱动
12、电路的设计- 19 -6 软件设计- 20 -6.1 软件流程图- 20 -7 工作过程分析- 21 -8 元器件清单- 22 -9 主要元器件介绍- 23 -9.1 光敏电阻CdS- 23 -9.2 红外传感器- 23 -9.3 LM7805- 23 -9.4 C8051F020- 23 -9.5 LM298- 24 -9.6 TLC555- 24 -小 结- 25 -致 谢- 26 -参考文献- 27 -附录1 电路图- 1 -VIISCARA工业机器人设计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
13、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。1.2.2 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
14、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。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。
15、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
16、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、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
17、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
18、各关节处安装制动器，其作用是在机器人停止工作时， 保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
19、种省电的方法，其原理是需要各关节运动时，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2.2.1 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
20、价比很高。总之这种驱动方式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
21、制和顺序控制的机器人，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。2.2.3 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。电动机驱动又分为直流电动机、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
22、电机的运行方式；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，所以行进速度一般固定，精度
23、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:接触式传感器碰撞开关：碰撞开关的特点是电路为常开，碰到障碍物
24、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息，而光敏传感器拥有很高的灵敏度，为
25、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,从而做出避障动作。综合上述并结合实际，在本次设
26、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（high level）与L（low level）之间就会交替地进行转换，所以当把这个转换次数用计数器进行统计时，就能够知道
27、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 ，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（360/4000）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
28、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。
