622 护理机器人行走及手臂系统的设计
摘 要
随着老龄化的加剧和医患护理费用的增加，对能为患者与行动不便的老人等提供 简单护理的机器人的需求也变得更加急切，本课题设计的护理机器人的整个过程中， 综合应用所学知识，不断获取和完善相关的专业知识，达到知识的增加与能力的提高 的目的。
本文介绍了国内外护理机器人技术的发展现状及前景，按课题需要进行护理机器 人手臂和底盘行走系统的结构设计，手臂为三自由度手臂，用电机带动扇形齿轮的啮 合实现手抓的放松与夹紧，底盘行走则采用双电机带动，实现差动行驶。进行部件、 电机选型并对手臂齿轮的传递强度进行计算，最后从硬件和软件两个方面设计了单片 机在机械手控制中的应用。设计了单片机的控制电路，绘制了程序流程图。
关键词：护理机器人，机器人手臂，行走系统，单片机
ABSTRACT
With the increased of aging and the cost of doctor-patient care .The demand for simple care robot for patients of the elderly has become more urgent, Throughout the process of the design of the subject of care robot, need an integrated application of knowledge, access and improve the relevant expertise to achieve the purpose of increasing knowledge and capabilities.
This article introduces the development status and prospects of the nursing robotics domestic and international , design the care robot arm and chassis walking system according to the requirement, the degree of freedom for arm is three, use the motor drive the fan gear stretch and clamp, the chassis have two-motor drives to achieve the differential driving. And finish the selection of the parts and the motors.As well as the checking of the transmission intensity of arm gears.At the last design application of the microcontroller in the robot in both hardware and software .Design of the MCU control circuit, draw the program flowchart.
Key words: care robot, robot manipulator,move system, SCM
目 录
1 绪论 (1)
1.1 护理机器人概述 (1)
1.2 课题背景及其意义 (1)
1.3 国内外研究现状 (1)
1.4 本课题的设计要求 (4)
2 护理机器人手臂部分的设计 (5)
2.1手臂的结构设计 (5)
2.2 电机的选择 (6)
2.3大臂处齿轮的计算 (7)
2.4大臂处同步带的计算 (10)
2.5本章小结 (14)
3 护理机器人底盘系统的设计 (15)
3.1 底盘结构的设计 (15)
3.2 底盘处电机的选择 (15)
3.3 机器人底盘行走运动的简略分析 (16)
4 控制系统设计 (17)
4.1 引言 (17)
4.2 电机介绍 (17)
4.4 硬件设计 (26)
4.5 软件设计 (29)
4.6 本章小结 (33)
5 结论 (34)
参考文献 (35)
致谢 (36)
1 绪论
1.1 护理机器人概述
此护理机器人，主要服务对象为行动不便，或者重病在床的患者。通过单片机植 入预定工作程序使机器人移动、抓取物件为患者拿放所需物件，实现对患者比较简单 的如帮助患者喝水、送药、进食等简单护理。本文主要做的是行走和手臂系统的设 计，行走和手臂系统是护理机器人的重要组成部分。机器人手臂为三自由度，可实现 大臂、小臂和手抓在同一平面内的运动。行走系统为两轮差动系统，可实现任意角度 的转动。
1.2 课题背景及其意义
随着老龄化的加剧和医患护理费用的增加，对能为患者与行动不便的老人等提供简 单护理的机器人的需求也变得更加急切，本课题的目的就是为了满足这一社会需求， 设计一种为行动不便的患者提供简单护理的机器人，在为人们提供利的同时，降低有 长期重症患者家庭的护理费用。
护理机器人具有巨大的发展前景,首先是因为社会老龄人口的急剧增加，导致了社 会市场对护理机器人需求的增加，据统计我国现阶段花甲年龄之上的老人近十分之 一，并有可能在2015年突破2亿人这会是中国发展所急需解决的问题，其中挑战性不言 而喻。此外，在世界各国范围内我国残疾人口比例属于偏多的国家。可以预计，在不 远的将来，随着社会生活成本的提高老年人和残疾人的护理也将会困扰着社会，必然 成为社会及其家庭的沉重负担，因此如果能提供一大批护提供诸如取物、喂饭、搀扶 等多种多样服务功能理机器人，必将对帮助照顾老年人和残疾人的日常生活，提高他 们的生活水准，同时减少整个社会对护理消费行业的巨大投入与消耗，并且可以适当 解决护理行业的发展压力。
不久的未来,服务机器人必将大量涌入人们的日常生活之中，成为一道风景。不久 的未来,服务机器人必将大量涌入人们的日常生活，护理机器人是服务机器人的重要组 成部分，其专业性与实用性必将使它渐进深入人们的生活，极大的为人们提供方便。 1.3 国内外研究现状
根据WTEC评估结果，美国在机器人如下领域保持领先地位：机器人室外导航、机 器人体系结构（控制、机构和计算的集成）、以及部分服务和个人机器人领域。日本 和韩国在机器人移动技术、人形机器人和部分服务和个人机器人（包括娱乐）领域处 于领先位置。欧洲在结构化环境的移动技术，包括城市交通领域保持领先。欧洲还在 助老和家庭服务机器人领域资助了重大计划。澳大利亚在定位和导航的理论和应用方
面具有优势。随着机械及相关行业技术的发展，适合家庭护理服务的机器人在各国的 发展已经进入了飞速发展的阶段，这些机器人主要是治疗与保健类机器人。恩格耳伯 格认为服务型的机器人将是以后最具有应用潜力的机器人，也因此这位机器人之父成 立了TRC公司。这反应了当前机器人行业工作者的认识。目前，清洁机器人，导盲机器 人，外科助手机器人，汽车加油机器人，助残机器人及家务机器人等服务机器人已经 发展了一段时间，需求也正在增加。
目前，基于移动机器人的机械手，是目前最先进的康复机械手，其安装在移动机 器人、自主或半自主小车上，在加大机械手活动范围的同时，提高了抓取准度，适于 更多的患者。S.Tachi等人在MIT日本实验室研发出了一种移动式的康复机器人 MELDOG [9] ，作为“导盲狗”以帮助盲人完成操作和搬运物体的事情；法国Evry大学研 制的移动式康复机器人ARPH [2] ，使用者可从工作站进行远程控制，使移动机器人实现 定位和抓取操作。
护理机械的发展中，著名的“护理助手”比较是TRC在1985开始发展并在1990销售 的第一个机器人产品。目前在世界40多个医院中有。只要你按下一个按钮，发送“护 士助理”就能完成病房的医疗器械和设备的转移，送饭，运送毒品的案件，报告和信 件发送，运输实验样品和结果，在住院分送邮件和包裹。它大大降低了医院的开支提 高了工作效率。并且它可以打开门，进入电梯，紧急时会给别人让路。十九世纪八十 年代日本开发的一款名为MYISUPUN的护理机器人，它可以根据病人的命令用两个机 械手轻轻抱住病人，病人从床上到汽车，送病人检查?它也可以推轮椅的病人户外活动 或为病人洗澡。东京都三鹰市SEKOMUS研究所最近开发机器人名为MYISUPUN，帮 助有障碍的人进行饮食。在护理人员短缺，没有足够的时间服务残疾人进食的医院很 受欢迎。这主要是由于交通意外事故受伤后，颈部一偶活动的人用。不久前，日本专 门的护理人员的发展设计“护理人员”护理机器人。因为在女性居多的护理人员中， 力气太小，帮助病人有时将非常困难。有了这一套“护士助手”甚至比较弱的女护士 可以成为“大力士”。人工神经网络的护理助理有很多传感器，分别与一个人的手 臂，大腿，小腿和臀部肌肉。通过这些传感器的人体肌肉收缩的信息很快就过去了， 护理服务，连接计算机的计算机发送一个信号“激活”护理服务，增强人体肌肉力 量。这种气压驱动的机器人，穿上它会很安全。日本芝浦工业研究所技术部系统工程 教授T.komeda和他的研究小组开发了一个帮助残疾人士的日常生活移动机器人系统。 通过局域网络系统，该系统可以由多人同时用。在监视器屏幕上输入指令可以将高达3 公斤食品顺利拿到残疾人面前，操作简单。
护理机器人系统逐步发展，当前世界上已经有日常生活上的极其柔软系统。这一 系统可在重残人处于卧床状态、身体不能自由活动的情况下通过没置在床边的护理装 置（机器人部件），对重残人进行饮食照料包括从贮藏柜中拿物品等服务。长期卧床 而意识健全的重残人可在病房、家庭中使用这种机器人在相应机构的配合下可实现的
护理项目有体位变换、躯体移动、饮食料理、信息传递、紧急逃离等。从长远的角度 看，许多规划人员认为随着老年人的数量和家庭护理的费用增加，用于个人护理的机 器人需求量肯定会飞速增长。护理机器人的研究是康复工程的重要组成部分。康复就 是要使残疾人与健全人同样平等地参与各种社会活动，成为人类社会中普通的一员， 实现自身价值，为社会做出贡献。在这些帮助中需要工程技术及其产品——技术辅助 器具等实物给以支持如轮椅假肢、矫形器等。辅助器具在残疾人康复的各个环节上都 起着不可缺少、无法替代的作用。1991年MIT设计完成了第一台上肢康复训练机器人 系统MIT-MANUS如图1-1所示。
图1-1机器人介绍
在国内，护理机械手经过50多年的发展，从总的情况来看我国生产的护理机器器 械除部分科技含量较大的产品外，大多只具备国外90年代末的水平，跟国外还有一定 的差距。我国学术界和企业界在863计划和国家自然科学基金等项目的支持下，先后针 对各项机器人技术进行攻关，并取得大量研究成果。但值得注意的是，上述研究成果 大都停留在理论研究层面，并没有将研究成果在产品技术上体现出来。从成果应用上 看，我国的服务机器人主要以吸尘器机器人和教育平台为主，但现在已能够生产医用 降温毯，智能输液泵，多功能医疗护理床等。“智能药丸”已开始临床实验,小型隔离 病房设备研制在预防非贝中发挥了重要作用。
台湾国立大学成功设计了一种应用于平面上肘关节屈/伸运动的康复机器人,利用 模糊控制器，完成了准确的位置与力控制。对一定数量的正常人、偏瘫患者，进行圆 形轨迹运动的临床试验中,在运动方向，给予适当的阻力由刚性参数、测得的肱二头 肌、肱三头肌肌电信号，分别对运动控制能力，运动协调性进行量化评估。随后,清华 大学研制了二连杆机构的复合康复装置。患者可握住机构末端手柄,由装置带动上肢， 在一定面积的水平面上，完成上肢平面复合运动 ,也可固定在手臂外侧，完成肩部3个 自由度的训练 。该装置具有被动训练及辅助主动训练和约束阻抗训练三个模式。研究 人员通过比较康复训练期间画出圆，直线的轨迹及运动学相关数据，进行对比定性的 给出患者的恢复情况。
清华大学曾研制一款移动式护理机器人 ，以高位截瘫作为护理对象 ，主要用在 医院病房 内或患者家中。( 1 ) 通过引入环境信息数据库和采用工作站作业的方式， 减少整个系统实施上的技术难度 ( 2 )将环境设备的控制引入系统， 扩大系统的功 能， 增强用户的环境控制能力( 3 )通过采用最新的多媒体技术和 Windows NT操作系 统来增加系统的人一 机交互能力和系统的集成度。使机器人能在无人看护的情况下独 立承担 4 ～8小时的患者护理工作。 在此期间它可替患者完成取药、送水、翻书、从 录音机 中取放磁带，从计算机中取放磁盘(考虑国外用户需求) 、操纵室内家用电器 等任务 。
护理器械总的发展趋势是体积小、功能强自动化程度高使用方便、为患者考虑得 越来越周到。随着医疗卫生体制改革的深化，医疗市场竞争的加剧，如果没有合适而 又有效护理器械，就何有可能会在激烈竞争的医疗市场中处于被动，甚至导致纠纷以 及失去病人，甚至造成医疗过失或事故，重视护理器械的配置与更新问题，不仅是为 了减轻护理人员的劳动强度与负担，也是提高医疗质量和对满足病人需要的要求。它 也有助于加快我国护理学科的发展，促进我国护理器械的研制水平的提高。
1.4 本课题的设计要求
本课题将要完成的主要任务如下:
(1) 利用三维设计软件，根据初始设计数据对其建模，进行结构设计。
(2)利用三维模型，检查模型中是否存在干涉问题，得到满足设计要求的手臂及行 走系统
(3)对护理机器人的手臂及行走系统等部件的结构设计进行计算与校核。
(4)对控制系统的设计上设计出整体电气控制方案，本机器人拟采用单片机进行控 制，选取单片机型号，根据机械手的工作流程编制出单片机程序流程图。
2护理机器人手臂部分的设计
2.1 手臂的结构设计
本设计主要任务是完成手臂系统的结构方面设计，确定手臂的座标形式、自由 度、驱动机构等。手臂系统是家庭护理机器人的重要组成部分，根据机器人的功能要 求，需要三轴联动，主要完成取物、随机动作等功能。护理机器人手臂有三个自由 度：肩关节、肘关节、腕关节，每个自由度的旋转使护理机器人的大臂、小臂及手抓 能够在一个平面内运动，并能使手抓抓起0.5Kg的托盘；大臂长度为200mm,小臂长度 150mm，手抓长度100mm。在设计中，采用扇形齿轮传动机构，以便于减少手臂运动 之间的摩擦阻力，使手臂运动尽可能平衡，减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别是 防止机构运动中卡死（自锁）。
图2-1手臂的结构设计
本文设计的手臂传动机构中，电机输出轴与同步带相连，将转矩传到齿轮轴上。 齿轮轴上通过齿轮和扇形齿轮相连输出转矩以控制下一关节的运动。其中，下爪固 定，通过双螺母机械锁死固定，上抓通过电机带动扇形齿轮转动，与下抓夹紧盘子。
图2-2手抓的结构设计
2.2 电机的选择
2.2.1 手抓处电机的选择
本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角 g D = 0 60 ，夹取重量为0.5Kg 。常用的机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两 大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本 设计机械手采用夹持式手指, 设计下爪固定，通过双螺母机械锁死固定，上抓通过电机 带动扇形齿轮实现转动，与下手抓夹紧盘子。
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点 进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化 的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。
设腕关节总重为2Kg ，重力为G=19.6N 。重心心距旋转中心的距离约为30mm 。在 重力的作用下对肘关节产生的转矩为则对上爪所产生的力矩
mm
N mm N M × = × ′ = 588 30 6 . 19 1 （2-1）
一级减速器的减速比为4，则所需电机的最小转矩为
mm N mm N mm N M M × = × = × = 147 4 588 4 1 min （2-2） 表2-1电机CMK233PAP手册 型号 相
数 相电 流 步距
角 保持转 矩 转动惯 量 重量 驱动器 重量 励磁方 式 A 度 N.m Kg.cm Kg Kg
MK233PA P 2 1.5 1.8 0.18 9*10~7 0.11 0.05
微步驱
动 选日本山社公司生产的微型步进电机为CMK233PAP ，其提供转矩为180N*mm 满足使 用要求。
2.2.2 大臂处电机的选择
设小臂以上总重为5Kg ，重力为G=49N ，所产生的力矩约为830N.mm 。采用一级减 速器，减速比为4。则所需电机的最小转矩为
mm N mm N mm N M M × = × = × = 5 . 212 4
830 4 1 min 表2-2 微型步进电机SS1703E08A 型号 步距
角 接线 额定 电压 额定 电流 接线 电阻 感应
系
数 保持转 矩 电机 长度 旋转惯 量
质量 SS1703
E08A 1.8° 单极 1.65 V 0.75 A 2.2 W 5.5 0.24N.m 47mm 2 . 68 cm g 310g
选日本山社公司生产的微型步进电机SS1703E08A ，其提供转矩240N.mm 满足使用要 求。
2.2.3 小臂处电机的选择
大臂处电机已满足要求，为简化设计任务，降低设计难度，大臂小臂的结构具有 相似性，所以小臂处也选日本山社公司生产的微型步进电机SS1703E08A ，其提供转矩 240N.mm 满足使用要求。
2.3 大臂处齿轮的计算
2.3.1 齿轮结构设计
选小齿轮的材料为40Cr ，调质处理，硬度为280HBS ，大齿轮材料为45钢，调质处 理，硬度为240HBS 。小齿轮齿数为 12 1 = z ，扇形大齿轮完整齿数为28。齿宽为8mm， 模数为1mm。精度选为7级。
2.3.2 齿轮强度设计
按齿面接触强度设计
按下式试算，即
t d 1 ≥2.32
[ ] 3 2
1 · ÷ ÷ ? ? ? ? è ? + ′ H E d t Z u u T K σ φ （2-3)
（1）确定公式内的各计算数值
①试选Kt＝1.3
②计算小齿轮传递的转矩。
图2-3转矩计算
取 l =125mm>122.6mm
mm N l × = = = 75 . 93 125 * 75 . 0 *
mg T 1 ③选取尺宽系数φd＝1
④查得材料的弹性影响系数Z E ＝189.8Mpa
⑤按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 600 1 lim = H s MPa；大齿轮的接触疲劳 强度极限 550 2 lim = H s MPa。
⑥ 由下式计算应力循环次数
60n1jLh 1 = N ＝60′970′1′（2′8′365′10）＝3.4′ 9 10 (2-4)
9
9
2 10 488 . 1 285
. 2 10 40 . 3 ′ = ′ = N ⑦查得接触疲劳寿命系数: 1 HN K ＝0.92； 2 HN K ＝1.0
⑧计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1％，安全系数S＝1，得
1 ] [ H s ＝ 1 HN K *
1 lim H s =0.92×600MPa＝552MPa （2-5）
2 ] [ H s ＝ 2 HN K *
2 lim H s =1.0×550MPa＝550MPa （2-6）
（2）计算
算小齿轮分度圆直径d1，代入 ] [ H s 中较小的值于式（3-1）
1 d ≥ [ ] 3
2 1 1 · 32 . 2 ÷ ÷ ?
? ? ? è ? + ′ H E d t Z u u T K σ φ = 3 2
550 8 . 189 285 . 2 1 285 . 2 · 1 75 . 93 3 . 1 32 . 2 ÷ ?
? ? è ? + ′ ′ =19.3mm 由于齿轮接触强度只与直径有关所以强度满足要求。
计算齿宽与齿高之比
h=2.25m=2.25×1mm=2.25mm
b/h=8/2.25=3.56
计算载荷系数。
取 v K =1.1；
直齿轮 a a F H K K = =1
由表10-2查得使用系数KA=1.1
查得7级精度小齿轮相对支撑非对称布置时
b H K =1.32 由b/h=3.56， b H K =1.32
查表10—13查得 b F K =1.24
故载荷系数
K=K A K V K H αK H β=1.1×1.1×1×1.32=1.597
（2-7） 按齿根弯曲强度设计
由式
m≥ [ ] 3 2 1 2 · cos 2 F Sa Fa d Y Y z K σ φ β D （2-8）
（1）确定公式内的计算数值
①由图10-20c查得小齿轮得弯曲疲劳强度极限 1 FE s =500Mpa；大齿轮得弯曲疲劳极限 强度 2 FE s =380MPa
②由10-18查得弯曲寿命系数 1 FN K =0.86
2 FN K =0.89
③计算弯曲疲劳许用应力
取安全系数S=1.4 见表10-12得
1 1 ] [ FE s =（ 1 1 FE FN K s ′ ）/S= 4
. 1 500 86 . 0 ′ =307.14Mpa （2-9） 2 2 ] [ FE s = （ 2 2 FE FN K s ′ ）/S= 4
. 1 380 89 . 0 ′ =241.57Mpa （2-10）
④计算载荷系数 K=K A K V K F αK F β=1.25×1.1×1×1.24=1.705
（2-11）
⑤查取应力校正系数
由表10－5查得 1 Sa Y =1.49； 2 Sa Y =1.645
⑥查取齿形系数
由表10－5查得 14 . 3 1 = Fa Y 2 Fa Y =2.58 ⑦计算大、小齿轮的并 [ ] F
Sa Fa Y Y σ 加以比较 [ ] 1
1 1 F Sa Fa Y Y σ = 14 . 307 49 . 1 14 . 3 ′ =0.01523 （2-12） [ ] 2
2 2 F Sa Fa Y Y σ = 57 . 241 58 . 2 645 . 1 ′ =0.01756 （2-13）
大齿轮的数值大。
(2)设计计算
m≥ 3 01756 . 0 · 14
* 14 * 1 75 . 93 * 705 . 1 * 2 =0.306 所以齿轮弯曲强度也远远满足要求。
计算中心距
a=( 1 d + 2 d )/2=20mm。 （2-14）
2.4 大臂处同步带的计算
同步带也叫同步齿形带，其内侧的工作面侧成齿形，带与带轮间不会产生相对滑 动，传动比恒定。本文设计初始数据为：传递功率 043 . 0 = p kw ；主、从动轮的转速比 为2。
在同步带的规格选择上面，选用梯形齿同步带进行传动。其主要结构和特点入图 2-4所示。
图2-4 梯形齿同步带外形简图
（1）确定同步带传动的设计功率 d
P d A P K P = （2-15）
式中：K---载荷修正系数，根据原动机工作类型和每日运转时间等因素查表8-7 （机械设计第八版.濮良贵主编），载荷变动微小，每天工作小时<10h，取
K=1.2
p1 P ---工作机上的电机功率 p1 P = 43w
则
KW
P
K P A d 047 . 0 043
. 0 2 . 1 = ′ = = （2） 确定带的型号和节距
根据 KW P d 06 . 0
= 和 min / 20r n = 选择带型，根据同步带选型图初步选得XXL 型的 梯形同步带基本符合设计要求。
对应节距 b P =3.715mm （见《机械制造》1989年第12期 表1）
（3） 选择小带轮齿数和节圆直径
在确定小带轮齿数 1 z 时应注意使 1min z z 3 ，查表得在 min / 20r n = 的情况下XXL型同
步带的最小齿数 12 min = z ，且在带速v 和安装尺寸允许时， 1 z 尽可能使用较大值。于是
拟定 20
1 = z 。 查得小带轮节圆直径 mm d 10 = 。此时同步带的速度v 应满足：
max 1 1 1000 60 v n d v ￡ ′ =
p （2-16） 查得XXL 型带的极限带速 m a x v
为 s m v / 50
~ 40 max = 代入上式得： max 1
1 1 .
2 / 1000 60 21 . 20 20 1000 60 v s m n d v ￡ = ′ ′ ′ = ′ = p p 说明小带轮节圆直径初步满足要求。
（4）确定大带轮齿数 2 z 和节圆直径 2
d 大带轮齿数由传动比i 确定，本设计中i =2，所以大带轮齿数 40 2 1 2 = = z z ；大带 轮节圆直径 mm d d 20
2 1 2 = = 。 （5）中心距 0 a 、带的节线长度 op L 、带的齿数 b z 的确定
由式
12012 0.7()2()
d d a d d +￡￡+ （2-17） 得 60 15 0 ￡ ￡ a 。初选为28mm 。
由式
2 21 012 0 () 2() 24 op d d L a d d a p - ?+++ （2-18）
得
mm L p 5 . 123
0 = 由计算结果 p L 取标准值为 mm L
p 127 = ，对应的XXL 型同步带的齿数为40齿。 实际中心距a 应该可调整，以便获得适当的张紧力。为：
0 2 p op L L a a - ?+ (2-19)
代入 p L 和 op L 得：
mm mm L L a a p p 30 2 5 . 123 127 29 2 0 0 ? - + = - +
= 取实际的中心距为30mm 。
（6） 计算基准额定功率 0
p 基准额定功率为：
2 0 () 1000 a T mv v p - = （2-20）
式中 0 p 为所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，单位为kw ；
a T 是带宽为 0 s
b 时的许用工作拉力，单位为N，如表所示；查机械设计手册得
N T a = m 带宽为 0 s b 时的单位长度的质量，单位为 / kg m ，如表所示；
v 是同步带的线速度，单位为 / m s 。
在计算基准额定功率 0 p 前，首先要对同步带的线速度v 进行计算。
由公式：
s m s m n d v / 05 . 1 / 1000 60 20 10 14 . 3 1000 60 1 1 = ′ ′ ′ = ′ =
p （2-21）
将数据代入公式3-6得：
KW KW v mv T P a 072 . 0 1000 1 . 2 ) 05 . 1 01 . 0 31 ( 1000 ) ( 2 2 0 = ′ ′ - = - = 满足功率传递的要求。
（6）确定同步带设计功率为 b P 时所需带宽
实际所需同步带宽度 s b 为：
1/1.14 0 0 () d s s z P b b K P 3 （2-22）
式中 0 s b 为选定型号的基准带宽，如表所示；
z k 是小带轮啮合齿数系数，如表所示。
表2-3 小带轮啮合齿数系数
因为前面已求出 116 m z => ，所以小带轮啮合齿数系数为1，代入公式3-8得：
mm P K P b b z d s s 6 . 4 ) 072 . 0 047 . 0( 4 . 6 ) ( 14 . 1 14 . 1 0
0 = ′ = 3 查表得最接近的标准带宽 mm b s 8 . 4
= （7）结果整理
1) 带：选用XXL型同步带 mm 715 . 3 b = P mm 127 p = L 40 b = Z mm b s 8 . 4
= 2）带轮： 1 z =20 mm d 10 1 = 2 z =40
mm d 20 2 = 3）传动中心距a ：精确计算， mm
30 a = 2.5 本章小结
本章对机器人手臂进行了结构设计，并对大臂处传动机构进行了校核，由于小臂 处部件选择同大臂处，而小臂处转矩小、惯量低。所以在大臂处各传动部件满足传动 要求和强度要求时，小臂处同步带和齿轮可不必再作校核。
3 护理机器人底盘系统的设计
3.1 底盘结构的设计
机器人行走方式有移动式、步行式两大类，步行式机器人可分为多足行走和两足 行走等形式。例如：八足的蜘蛛机器人、还有六足、四足机器人、两足行走的仿人机 器人、脚底有吸盘的爬壁机器人。移动式机器人分为：车轮式和履带式，履带式机器 人适用于地面环境较差的如军用无人驾驶坦克、森林砍伐机器人，它们可以在凸凹不 平的地面上行走自如；车轮式机器人只适用于地面预先平整好的区域内的才能正常运 转，可用于车间的货物搬运、医院、餐厅服务等。
根据护理机器人功能要求，本设计底盘采用车轮式两轮差动行走，当两个驱动电 机同速驱动齿轮转动时，机器人直线行走；当驱动右轮的1号电机减速时，机器人向右 转动；当驱动左轮的2号电机减速时，机器人向左转动。底盘结构如图3-1所示
图3-1底盘电机结构设计
3.2 底盘处电机的选择
在底盘的电机选择中，为简化底盘同时保持其控制性，选择空心杯直流电机作为 驱动电机。空心杯电机属于直流、永磁、伺服微特电机。空心杯电动机具有突出的节 能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，作为高效率的能量转换装置，代表 了电动机的发展方向。空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的 是无铁芯转子。空心杯电机具有十分突出的节能、控制和拖动特性。
设电机总重50Kg ，地面摩擦因数为0.12，所以机器人在行走时所受摩擦阻力f 为
N 60 10 * 50 * 12 . 0 mg f = = = m (3-1)
即电机所需牵引力为F ￡60N 。
机器人运动功能所需最大速度设计为2m/s。则机器人所需牵引功率p为
1000
V F P · = =120W (3-2) 据此选择选择145W 空心杯直流电机即可满足使用要求。
3.3 机器人底盘行走运动的简略分析
机器人行走小车的移动系统机械结构由小车车体、两驱动轮和一随动轮组成，其 运动模型如图3-2所示：
图3-2机器人行走系统运动模型
在固定参考系的二维空间中运动中，机器人的位姿状态表示中，用x，y表示机器 人两驱动轮轴线中点，在二维空间坐标系中的坐标，J 表示机器人小车前进的方向， 与二维空间坐标系Fw的X轴正方向的夹角；v1，V2分别表示机器人驱动轮1和驱动轮2运 动时轮心线速度，V机器人运动的线速度，w 表示机器人车轮运动的角速度，L表示机 器人小车到两驱动轮之间的距离。假设车轮行走时与地面接触为纯滚动（忽略轮子与 地面间的变形）。要想得到机器人小车在运动时的当前位姿状态，只要控制好机器人 主动轮l和主动轮2运动的线速度就可以。这样就实现了当驱动右轮的1号电机时，机器 人向左转动；当驱动左轮的2号电机时，机器人向右转动的功能。
4 控制系统设计
4.1 引言 单片机在仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理 及过程控制等领域中应用广泛，使用单片机来控制护理机器人的运动既方便又实 用。容易实现护理机器人的各项要求与功能。
4.2 电机介绍 本文用到直流电机和步进电机两种电机，分别控制手臂的运动和底盘行走的控 制。步进电机控制手臂具有较高精度的特性，直流电机控制底盘则有启动、调速性 能优越，过载能力强，控制简单易行。
4.2.1 步进电机的介绍与控制 护理机器人的手臂摆动运动都是控制步进电机的转动来实现，通过控制步进电 机的启、停和正、反转以及加减速等来实现来回运动以及速度的快慢控制。步进电 动机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Step motor 或Stepping motor 、pulse motor 、stepper servo 、stepper 等。根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一 定角度（或长度），若不改变励磁状态则保持一定位置而静止。步进电动机广泛应用 在仪器仪表、机床等设备中，对旋转角度和转速高精度控制，特别在计算机外围，软 驱、打印机、绘图机等的一些装置中，步进电动机都是其传动核心。
4.2.2 步进电机工作原理 （1）基本原理
步进电动机包括转子、定子和定子绕组。定子绕组每相的磁极上有极齿，转子与 定子一样有若干个齿。当给某相定子绕组通电时，相应的两个磁极就产生磁场，与转 子形成磁路。当定子的小齿与转子的小齿没有对齐时，在磁场的作用下转子将转动一 定的角度，使转子与定子的极齿相齐。当按一定的规律给三相步进电动机的U、V、W这 3个绕组供电，电机就能以需要的规律转动，如图4-1所示。
图4-1三相步进电机驱动规律
脉
冲
发
生
器 脉冲分配器
U相驱动器 V相驱动器
W相驱动器 U相绕组 V 相绕组 W 相绕组
工业机器人设计(大四机器人课设作业)(DOC)
“工业机器人”设计大作业 作品题目：货物装卸机器人 专业：机械设计制造及其自动化 姓名：班级：学号： 姓名：班级：学号： 姓名：班级：学号： 指导教师：陈明
1 前言 货物装卸作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。货物装卸机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件货物装卸工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的货物装卸机器人愈10 万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛货物装卸、集装箱等的自动货物装卸。部分发达国家已制定出人工货物装卸的最大限度，超过限度的必须由货物装卸机器人来完成。装卸货物装卸是物流的功能要素之一，在物流系统中发生的频率很高 2 设计方案论证 本课题通过对货物装卸机器人工作对象及工作场所的分析研究，深入了解其工作是 如何进行，各部分零部件应该如何运行以及如何紧密配合，先确定其总体结构再对主要 零部件进行设计计算确定其尺寸大小以及确定电机型号。 2.1 基本思想 （1）设计要考虑要求和工作环境的限制。 （2）考虑到货物装卸货物时所需要精确度不是很高，为了简化结构，境地成本，采用 角铁焊接结构。 （3）为了满足设计要求，须设计三个独立的电机驱动系统，各部分之间通过计算 机控制、协调工作。 （4）本次设计只是该题目的机械部分，而对应控制部件的考虑较少。 3 仓库货物装卸机器人的设计计算 3.1 货物装载伸缩装置的设计 3.1.1 确定传动方案 我们所学的传动方式有以下几种：带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动和钢 丝绳传动等，一般地说，啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动；蜗轮传动工作的发热 情况较为严重，因而传动的功率不宜过大；摩擦轮传动由于必须有足够的压紧力，故而 在传递同一圆周力时，其压轴力比齿轮传动的大几倍，因而不宜用于大功率传动。带传
类人机器人手臂控制系统设计
第4期(总第131期) 2005年8月机械工程与自动化 M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G & AU TOM A T I ON N o 14 A ug 1 文章编号:167226413(2005)0420058204 类人机器人手臂控制系统设计 陈志喜,魏世民,廖启征 (北京邮电大学自动化学院,北京 100876) 摘要:介绍了专用电机控制芯片TM S 320L F 2407在类人机器人手臂控制系统中的应用,实现了对多个电机的控制,最后给出了控制系统硬件设计方案及控制系统控制策略与软件规划。关键词:机器人手臂;控制系统;TM S 320L F 2407芯片;伺服电机中图分类号:T P 24112 文献标识码:A 收稿日期:2005203201 作者简介:陈志喜(19772),男,江西萍乡人,在读硕士研究生,研究方向:机器人仿真及计算机控制。 0 引言 研制具有人类外观特征,可以模拟人类行走与基本操作功能的类人型机器人一直是人类机器人研究的梦想之一。类人型机器人研究是一门综合性很强的学科,代表着一个国家的高科技发展水平。 近年来,各国的众多研究机构都大力投入拟人机器人的研究,使类人机器人技术发展迅速,类人机器人不仅需要双足能直立行走,而且还需要具备完成与人类相似的复杂的上肢动作的能力,机器人手臂是类人机器人的一个关键部位,要实现机器人手臂运动的灵活性和功能性,这就需要设计多自由度的机器人手臂及其控制系统。 本文介绍的控制系统是基于TM S 320L F 2407的基础上实现的,TM S 320L F 2407具有低成本、低功耗、高性能的处理能力,而且电机的数字化控制应用非常方便。将尺寸小、重量轻、速度快、性能高、功耗低、能进行多电机控制的TM S 320L F 2407运动控制芯片应用于控制系统不失为一种良好的控制策略。1 拟人机器人手臂机构的介绍 人类的手臂由肩关节、上臂、肘关节、下臂、腕关节和手等各部分组成,同样,类人机器人手臂也是由这几部分组成。 我们初步规划的机器人所需要完成的功能动作分为抬举、伸展、敬礼、握手、鼓掌及一些简单的舞蹈动作。基于最简单设计原则,在保证机器人手臂能完成所规划的动作的前提下,手臂的关节数量尽量减少到最少程度,我们所设计的整个机器人手臂都由旋转 关节连接而成,每个旋转关节有1个自由度,故整个手臂一共有6个自由度。图1为机器人手臂机构示意图,图中肩关节3个自由度,肘关节1个自由度,腕关节2个自由度,这样两条手臂共12个自由度。手臂的上臂长240mm ,下臂长240mm ,手长170mm 。 图1 机器人手臂机构示意图 2 机器人手臂控制系统硬件设计2.1 TM S 320L F 2407芯片概述 TM S 320L F 240x 系列是TM S 320C 2000家族中 最新的、功能强大的D SP 芯片,其中L F 2407是最具有革命性的产品,是当今世界上集成度较高、性能较强的运动控制芯片,特别适于电动机的高性能控制。它与现存24xD SP 控制器芯片代码兼容的同时,240x 芯片具有处理性能更好(30M IPS )、外设集成度更高、程序存储器更大、A D 转换速度更快等优点,是电机数
行走机器人组装与制作实验报告
青岛理工大学（临沂） 开放性实验报告 项目名称：行走机器人组装与制作 院（系）：机电工程系 专业： 学号: 学生姓名: 指导教师: 日期:2014.12.1- 2014.12.15
一、实训目的 足球由两个半球和底座组成，每个半球内装有一只亮膜小喇叭，底座内装有电路板，电路使用经典的2822双声道功放集成电路，带有电源开关、电源LED指示灯、双声道音量电位器、还有接外接电源用的空心插座。底座下面设有可以装4节7号电池的电池槽，或利用USB供电。套件产品附有双声道音频输入线，线上有3.5mm的双声道插头，可以摆放在床头、书桌、电脑桌等地放，音源可以使用MP3、电脑输出等。这块音箱不但造型精致，而且外观精巧大方、携带方便，能实现USB（+5v）供电，也可以通过电池供电。其高品质功放芯片和双声道电位器直接支持小音箱能高音质双声道播放。这款音箱实用性强、制作过程简单、操作工具要求不高，适合广大电子初学者。通过本次制作也可以了解PCB制作原理，进一步提高操作者本身电子焊接技术。加上产品本身能实现的巨大的功能，对于初学者有深远意义。 二、实习器材 (1) 电烙铁 (2) 螺丝刀、镊子等必备工具 (3) 锡丝：由于锡的熔点低，焊接时，焊锡能迅速散步在金属表面焊接牢固，焊点光亮美观 (4) 两节5号电池 (5) 收音机实验套件
三、实习内容 一、迷你功放音箱产品功能及特点 该迷你音箱可以作为MP3或笔记本及台式机的功放。如果从电脑取电，可以从USB，也可以直接从主机中引出12V，现在有些电脑电源带有供液晶显示器用的12V电源接口，更是方便。如果从USB取电，要注意占用一个独立的USB口，不 要和其他USB设备共用。TDA2822M采用5V供电时的工作电流只有200mA～300mA，只要主板质量合格，不会有什么问题。 本套件制作容易，是提高初学者学习电子技术兴趣的良好套材。 在拿到本套件后，请对照材料清单清点一遍，并用万用表粗略的（因出厂已测量过）测量一下各元件的参数，先检查元件有没有出错，对照装配图安装元件，有没有虚假错焊，只要元件安装无误，一般情况下是能够成功的。 四、个人总结 通过这次迷你足球小音箱的制作，让我深深地爱上了电子DIY 制作。也通过焊接PCB电路让我提高了自己的焊接水平，自己制作出的成品也得到老师的赞扬，这一切都深深鼓舞着我，再接再厉，努力学好自己的专业。 在小音箱的制作过程中，我积极查阅相关资料，期间认识和熟悉了D2822功放芯片，和K503双声道电位器。遇到问题的时候，通
物料搬运机器人手的系统设计
天津大学 毕业设计 中文题目：物料搬运机器人手部系统的设计 英文题目：Material handling system design robot Hand department 学生姓名 系别机电 专业班级 2 指导教 成绩评定 2010年6月
目录 1 引言 (1) 1.1 机器人概述 (1) 1.2 机器人的研究历史及现状 (1) 1.3 机器人的发展趋势 (2) 2 手部的设计与计算 (3) 2.1 手部的设计 (3) 2.2 驱动方式 (3) 2.3 手部夹紧力的计算 (5) 2.4 弹簧的计算[6] (5) 2.5 手部电机选择原则【7】........................... 错误！未定义书签。 2.5.1 一般执行电机的选择原则...................... 错误！未定义书签。 2.5.2 电机的选用.................................. 错误！未定义书签。 2.6 手部电机参数计算.............................. 错误！未定义书签。 2.7 电机转速与夹紧力速度几何关系的确定............ 错误！未定义书签。 3 手臂的设计与计算............................... 错误！未定义书签。 3.1 手臂结构设计.................................. 错误！未定义书签。 3.2 手部质量计算.................................. 错误！未定义书签。 3.2.1 爪子的质量计算.............................. 错误！未定义书签。 3.2.2 手部外壳质量计算............................ 错误！未定义书签。 3.2.3 手部主轴的质量计算.......................... 错误！未定义书签。 3.2.4 其它部件的质量估算.......................... 错误！未定义书签。 3.3 手臂计算及电机选择............................ 错误！未定义书签。 4 结论.......................................... 错误！未定义书签。【参考文献】................................... 错误！未定义书签。致谢............................................ 错误！未定义书签。附录1：英文文献 .................................. 错误！未定义书签。附录2：英文文献翻译 .............................. 错误！未定义书签。
工业机器人课程设计
河南机电高等专科学校《机器人应用技术》课程作品 设计说明书 作品名称：多功能机械手 专业：机电一体化技术 班级：机电124班 扣号： 姓名：流星 2014 年 10 月 1 日
目录 一课题概述 (2) 1、选题背景 (2) 2、发展现状和趋势 (3) 3、研究调研 (4) 二机械手组成及工作过程 (6) 1、整体结构分析 (6) 2、所需器材 (6) 3、底座部分 (8) 4、躯干部分 (9) 5、上臂部分 (10) 6、手爪部分 (11) 7、机械手系统的总调试 (12) 三软件部分 (13) 1、机械手软件编制流程图 (13) 2、机械手运行控制程序图 (14) 四设计体会 (15) 一课题概述 1、选题背景 随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一
步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。 在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，利用限位开关来保护电机和控制机械手位置的准停。 这个课题可以充分的体现机电一体化的由程序自动控制机械结构的运动，对自己以前的所学的课程也是一种巩固。另一方面这个机械手可以实现一定的搬运功能具有很强的实用性能。 2、发展现状和趋势
工业机器人课程设计说明书
工业机器人课程设计基于Matlab的工业机器人运动学和雅克比运动分析 班级： 学号 姓名：
目录 摘要 ..................................................................................................................................................... - 2 - PUMA560机器人简介 ...................................................................................................................... - 3 - 一、PUMA560机器人的正解 .......................................................................................................... - 4 - 1.1、确定D-H 坐标系 .................................................................................................................... - 4 - 1.2、确定各连杆D-H 参数和关节变量 ........................................................................................ - 4 - 1.3、求出两杆间的位姿矩阵 ......................................................................................................... - 4 - 1.4、求末杆的位姿矩阵 ................................................................................................................. - 5 - 1.5、M A TLAB 编程求解 .................................................................................................................. - 6 - 1.6、验证 ......................................................................................................................................... - 6 - 二、PUMA560机器人的逆解 .......................................................................................................... - 7 - 2.1、求1θ ........................................................................................................................................ - 7 - 2.2、求3θ ........................................................................................................................................ - 7 - 2.3、求2θ ........................................................................................................................................ - 8 - 2.4、求4θ ........................................................................................................................................ - 9 - 2.5、求5θ ........................................................................................................................................ - 9 - 2.6、求 6 θ ...................................................................................................................................... - 10 - 2.7、解的多重性 ........................................................................................................................... - 10 - 2.8、M A TLAB 编程求解 ................................................................................................................ - 10 - 2.9、对于机器人解的分析 ........................................................................................................... - 10 - 三、机器人的雅克比矩阵 ............................................................................................................... - 11 - 3.1、定义 ....................................................................................................................................... - 11 - 3.2、雅可比矩阵的求法 ............................................................................................................... - 11 - 3.3、微分变换法求机器人的雅可比矩阵 ................................................................................... - 12 - 3.4、矢量积法求机器人的雅克比矩阵 ....................................................................................... - 13 - 3.5、M A TLAB 编程求解 ................................................................................................................ - 14 - 附录 ................................................................................................................................................... - 15 - 1、M ATLAB 程序 ........................................................................................................................... - 15 - 2、三维图 ...................................................................................................................................... - 24 -
机器人手臂控制系统研究与实现
机器人手臂控制系统研究与实现 发表时间：2016-11-25T14:41:26.370Z 来源：《低碳地产》2016年10月第20期作者：赖伟贤 [导读] 机器人手臂是机器人设计的一个重要部分，其控制系统则是整个机器人的核心部分之一，对机器人的平稳运行起着至关重要的作用。本文介绍了机器人手臂的结构、硬件系统，提出采用PLC控制，并对控制系统及程序算法进行了设计研究，最终实现了基于PLC的机器人手臂的位置控制。 肇庆市技师学院广东肇庆 526060 【摘要】机器人手臂是机器人设计的一个重要部分，其控制系统则是整个机器人的核心部分之一，对机器人的平稳运行起着至关重要的作用。本文介绍了机器人手臂的结构、硬件系统，提出采用PLC控制，并对控制系统及程序算法进行了设计研究，最终实现了基于PLC的机器人手臂的位置控制。 【关键词】机器；手臂；控制系统；设计；分析 引言 机器人技术综合了多学科的发展成果，代表着一个国家的高科技发展水平，在人类生活应用领域的不断扩大引起了越来越多的关注。近年来，各国的众多研究所都大力投入机器人的研究，使得机器人技术发展迅速。而机器人手臂是机器人的一个重要部位，要实现机器人手臂运动的灵活性和功能性，就需要设计多自由度的机器人手臂控制系统。为此，本文就基于PLC的机器人手臂位置控制算法进行研究，仅供参考。 1 机器人手臂的结构 机器人手臂是工业机器人的微缩模型，它使用了PLC、传感器、位置控制、电机驱动等技术，具有零组件的自动输送、取拿和移送功能，是一个三轴多位置的机械装置。 图1为机器人手臂实物图，它由底座、限位开关、旋转编码器、垂直升降臂、水平伸缩臂、旋转腰部和末端的机械手爪构成。除末端执行器外共有三个自由度。传动装置采用电气传动:升降臂作垂直升降运动，水平臂作水平伸缩运动，腰部作水平旋转运动，机械手爪做松开或夹紧动作。 除此之外，在承载底座的铝板之下还有电气接线面板，包括电源、电气驱动板、信号转接板、保护电平转换板、步进电机驱动器、空气开关等。 机器人手臂各轴的动作范围如下: (1)升降臂:上下运动行程为70mm； (2)水平臂:水平运动行程为100mm； (3)腰部旋转:水平旋转180°。 机械手爪的张、合和腰部旋转的运行由直流电机驱动；机器人手臂的垂直手臂和水平手臂由步进电机控制。本系统应用的是型号为DL-022M-I的步进电机驱动器驱动两相式步进电机。 输入信号板的功能是将设备上旋转编码器和限位开关的信号转换为统一电平的驱动信号，方便设备与控制器之间信号的传递，该信号板使用的是高电平驱动方式；输出信号板的功能是将控制器输出的信号转换为统一电平的驱动信号，也是为方便控制器与被驱动设备之间信号的传递，该信号板使用的也是高电平驱动方式。 2 机器人手臂的硬件系统 2.1 机器人手臂系统控制平台 机器人手臂控制系统采用的ControlLogix系统模块有处理器模块、I/O模块、电源模块、EtherNet及DeviceNet通信模块。
(完整版)基于单片机控制的双足行走机器人的设计
基于单片机控制的双足行走机器人设计 摘要：21世纪机器人发展日新月异，从传统的履带式机器人到如今的双足行走机器人，机器人的应用范围越来越广。本系统以单片机（STC89c52）为系统的中央控制器，以单片机（STC12c5410ad）为舵机控制模块。将中央控制器与舵机控制器，舵机，各类传感设备及受控部件等有机结合，构成整个双足行走机器人，达到行走、做动作的目的。单片机中央控制器与舵机控制器以串口通信方式实现。系统的硬件设计中，对主要硬件舵机控制器和STC89C52单片机及其外围电路进行了详细的讲述。硬件包括舵机控制器，STC12C5410AD 单片机，按键，各种传感器和数据采集与处理单元。软件包括单片机初始化、主程序、信号采集中断程序、通过串口通讯的接收和发送程序。论文的最后部分以双足行走机器人为基础，结合传感器，外围控制设备组成控制系统，并给出了此系统应用领域的一些探讨和研究。 关键词：单片机；舵机控制； STC12C5410AD
Bipedal robot design based on MCU Abstract：In the 21st century robot development changes with each passing day, from the traditional crawler robot to now bipedal robot, the robot's application scope is more and more widely.This system by single chip microcomputer (STC89c52) as the central controller in the system, STC12c5410ad MCU as the steering gear control module. The central controller and the servo controller, Steering gear, all kinds of sensing and control components such as organic combination, make up the whole bipedal robot, the purpose of to walk, do the action.Single chip microcomputer central controller and the servo controller to realize serial communication way.System hardware design, the main hardware servo controller and STC89C52 single-chip microcomputer and peripheral circuit in detail. Hardware including servo controller, STC12C5410AD micro controller, buttons, all kinds of sensor and data acquisition and processing unit. Software includes MCU initialization, the main program, and interrupts program signal collection, through a serial port communication to send and receive procedures. The last part of the paper on the basis of bipedal robot, combined with the sensor, the peripheral control device of control system, this system is also given some discussions and research in the field of application. Keywords：MCU; Servo Control; STC12C5410AD
机器人手臂机构设计课题汇总
机器人机械手机构设计 1、搬运机器人手臂机构设计 毕业论文任务书 工作原理及工艺过程： 机械人手臂机构是模仿人的手臂设计的，这种机器人有肩、肘、腕三个关节自由度，有大臂、小臂两根连杆以及一个机械手组成。臂杆部分是开式连杆系，臂杆主要用于对物体的抓取、搬运、放置工作。 任务： （1）根据工艺动作顺序和协调要求给出拟定总体结构方案 （2）进行大臂机构、小臂机构以及机械手机构设计 （3）给出主要零件图以及总体装配图 （4）编写设计说明书 (5) 机械手三维建模工作仿真动画
2、堆垛机器人机械手臂机构设计 工作原理及工艺过程： 机械人手臂机构是模仿人的手臂设计的，这种机器人有肩、肘、腕三个关节自由度，有大臂、小臂两根连杆以及一个机械手组成。臂杆部分是开式连杆系，臂杆主要用于对物体的抓取、搬运、放置工作。 任务： （1）根据工艺动作顺序和协调要求给出拟定总体结构方案 （2）进行大臂机构、小臂机构以及机械手机构设计 （3）给出主要零件图以及总体装配图 （4）编写设计说明书 (5) 机械手三维建模工作仿真动画 3、喷涂机器人手臂机构设计
工作原理及工艺过程： 喷涂机器人又叫喷漆机器人，是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成。多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2～3个自由度，可灵活运动。 任务： （1）根据工艺动作顺序和协调要求给出拟定总体结构方案 （2）进行大臂机构、小臂机构以及机械手机构设计 （3）给出主要零件图以及总体装配图 （4）编写设计说明书 (5) 机械手三维建模工作仿真动画 4、装配机器人手臂机构设计 工作原理及工艺过程： 机械手由机座、机械臂、手爪、PLC 可编程控制器及气源等部分组成。可以完成水平臂的摆动和伸缩、垂直臂的伸缩、手爪的旋转和抓取物料等动作, 准确地把物料送到指定位置。 任务： （1）根据工艺动作顺序和协调要求给出拟定总体结构方案 （2）进行大臂机构、小臂机构以及机械手机构设计 （3）给出主要零件图以及总体装配图 （4）编写设计说明书 (5) 机械手工作仿真动画
机器人课程设计报告范例
机器人课程设计报告范例
**学校 机器人课程设计名称 院系电子信息工程系 班级10电气3 姓名谢士强 学号107301336 指导教师宋佳
目录 第一章绪论 (2) 1.1课程设计任务背景 (2) 1.2课程设计的要求 (2) 第二章硬件设计 (3) 2.1 结构设计 (3) 2.2电机驱动 (4) 2.3 传感器 (5) 2.3.1光强传感器 (5) 2.3.2光强传感器原理 (6) 2.4硬件搭建 (7) 第三章软件设计 (8) 3.1 步态设计 (8) 3.1.1步态分析： (8) 3.1.2程序逻辑图： (9) 3.2 用NorthStar设计的程序 (10) 第四章总结 (12) 第五章参考文献 (13)
第一章绪论 1.1课程设计任务背景 机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成．这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统现在机器人普遍用于工业自动化领域，如汽车制造，医疗领域，如远程协助机器人，微纳米机器人，军事领域，如单兵机器人，拆弹机器人，小型侦查机器人（也属于无人机吧），美国大狗这样的多用途负重机器人，科研勘探领域，如水下勘探机器人，地震废墟等的用于搜查的机器人，煤矿利用的机器人。如今机器人发展的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要能想到的，就可以去创造实现；纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明 1.2课程设计的要求 设计一个机器人系统，该机器人可以是轮式、足式、车型、人型，也可 以是仿其他生物的，但该机器人应具备的基本功能为：能够灵活行进，能感知光源、转向光源并跟踪光源；另外还应具备一项其他功能，该功能可自选（如亮灯、按钮启动、红外接近停止等）。 具体要求如下： 1、根据功能要求进行机械构型设计，并用实训套件搭建实物。 2、基于实训套件选定满足功能要求的传感器； 3、设计追光策略及运动步态； 4、用NorthStar设计完整的机器人追光程序；
机器人控制原理_百度文库概要
第二章机器人系统简介 2.1 机器人的运动机构(执行机构 机器人的运动机构是机器人实现对象操作及移动自身功能的载体,可以大体 分为操作手(包括臂和手和移动机构两类。对机器人的操作手而言,它应该象人的手臂那样,能把(抓持装工具的手依次伸到预定的操作位置,并保持相应的姿态,完成给定的操作;或者能够以一定速度,沿预定空间曲线移动并保持手的姿态,并在运动过程中完成预定的操作。移动机构应能将机器人移动到任意位置,并保持预定方位姿势。为此,它应能实现前进、后退、各方向的转弯等基本移动功能。在结构上它可以象人、兽、昆虫,具有二足、四足或六足的步行机构, 也可以象车或坦克那样采用轮或履带结构 2.1.1 机器人的臂结构 机器人的臂通常采用关节——连杆链形结构,它由连杆和连杆间的关节组 成。关节,又称运动副,是两个构件组成相对运动的联接。在关节的约束下,两连杆间只能有简单的相对运动。机器人中常用的关节主要有两类: (1 滑动关节 (Prismatic joint: 与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直 线位移运动,移动的距离是滑动关节的主要变量,滑动轴一般和杆的轴线重合或平行。 (2转动关节 (Revolute joint: 与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对 旋转运动,其转动角度是关节的主要变量,转动轴的方向通常与轴线重合或垂直。 杆件和关节的构成方法大致可分为两种:(1 杆件和手臂串联连接,开链机 械手 (2 杆件和手臂串联连接,闭链机械手。
以操作对象为理想刚体为例,物体的位置和姿态各需要 3 个独立变量来描 述。我们将确定物体在坐标系中位姿的独立坐标数目称为自由度(DOF (degree of freedom 。而机器人的自由度是由有关节数和每个关节所具有的自由度数决定的(每个关节可以有一个或多个自由度,通常为 1 个。机器人的自由度是独立的单独运动的数目,是表示机器人运动灵活性的尺度。(由驱动器能产生主动动作的自由度称为主动自由度,不能产生驱动力的自由度称为被动自由度。通常开链机构仅使用主动自由度机器人自由度的构成,取决于它应能保证完成与目标作业相适应的动作。分析可知,为使机器人能任意操纵物体的位姿,至少须 6DOF ,通常用三个自由度确定手的空间位置(手臂,三个自由度确定手的姿态 (手。比较而言,人的臂有七个自由度,手有二十个自由度,其中肩 3DOF ,肘 2 DOF ,碗 2DOF 。这种比 6 还多的自由度称为冗余自由度。人的臂由于有这样的冗余性,在固定手的位置和姿态的情况下,肘的位置不唯一。因此人的手臂能灵活回避障碍物。对机器人而言,冗余自由度的设置易于增强运动的灵活性,但由于存在多解,需要在约束条件下寻优,计算量和控制的难度相对增大。 典型的机器人臂结构有以下几种: (1直角坐标型 (Cartesian/rectanglar/gantry (3P 由三个线性滑动关节组成。 三个关节的滑动方向分别和直角坐标轴 x,y,z 平行。 工作空间是个立方体 (2圆柱坐标型 (cylindrical(R2P 由一个转动关节和两个滑动关节组成。 两个滑动关节分别对应于圆柱坐标的径向和垂直方向位置,一个旋 转关节对应关于圆柱轴线的转角。
双足机器人设计
小型双足步行机器人的结构及其控制电路设计 两足步行是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。两足步行系统具有非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，既能在平地上行走，也能在非结构性的复杂地面上行走，对环境有很好的适应性。与其它足式机器人相比，双足机器人具有支撑面积小，支撑面的形状随时间变化较大，质心的相对位置高的特点。是其中最复杂，控制难度最大的动态系统。但由于双足机器人比其它足式机器人具有更高的灵活性，因此具有自身独特的优势，更适合在人类的生活或工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对这些环境进行大规模改造。例如代替危险作业环境中(如核电站内)的工作人员，在不平整地面上搬运货物等等。此外将来社会环境的变化使得双足机器人在护理老人、康复医学以及一般家务处理等方面也有很大的潜力。 双足步行机器人自由度的确定 两足步行机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足步行机器人最基本的和首要的工作[1]。它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，因此自由度的配置必须合理:首先分析一下步行机器人的运动过程(前向)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。从机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髓关节与踝关节必须各自配置有一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动;要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的;机器人要达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节上的转体自由度。另外膝关节处配置一个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，使上下台阶成为可能，还能实现不同的步态。这样最终决定髋关节配置3个自由度，包括转体(roll)、俯仰(pitch)和偏转(yaw)自由度，膝关节配置一个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转两个自由度。这样，每条腿配置6个自由度，两条腿共12个自由度。髋关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面(前进方向)内的直线行走功能；髋关节的转体自由度可实现机器人的转弯功能；髋关节和踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。 机器人的转体(roll)、俯仰(pitch)和偏转(yaw)定义如图1所示[2]。
生产线装配机器人手臂设计说明
摘要 状配是产品生产的后续工序, 在制造业中占有重要地位, 在人力、物力、财力消耗中占有很大比例，所以为了节约装配时间，实现装配的自动化，装配机器人应运而生。本文介绍了装配机器人的设计过程，其中绪论中介绍了设计的背景和意义，还有简要的设计要求，然后根据设计要求先进行机器人的总体设计，接着针对每个部分进行了具体的结构设计，最后为该机器人设计了一套单片机控制系统。所设计的机器人为关节型机器人，自由度为六个；应用步进电机来驱动每个关节的运动；在减速器设计中应用了结构紧凑的谐波齿轮减速；在传动过程应用了同步带传动；机器人的控制系统为基于单片机STC89C52的控制步进电机的控制系统。 关键词：工业机器人；谐波齿轮减速；单片机控制；生产线
Abstract Assembly is a follow-up production processes in the manufacturing sector, which plays an important role in the manufacturing. It takes a large proportion in the consumption of human, material and financial, so in order to save assembly time, to achieve the automation of the assembly, the assembly robot came into being. This article describes the design process of the assembly robot. There are the background and significance of the design in the introduction, which followed by a brief design requirements. And then it is described the overall design of the robot according to the requirements, and then the concrete structure design. Finally, a microcomputer control system for the robot is designed. The robot is articulated robot of 6 degrees of freedom. Stepper motor is applied in driving the movement of each joint. The harmonic gear is applied in the compact design. Timing belt is used in the transmission process. The control system which mainly controls the stepper motors is based on microcontroller STC89C52 Keywords: Industrial robots; harmonic gear; microcomputer control;