育培训的要求及本课题的提出第章总体设计方案.总体设计的思路.总体方案的确定坐标形式的选择驱动系统的类型选择各部位传动机构的确定外形尺寸和运动范围的确定控制系统的确定第章结构设计及计算.手部夹持器的结构设计概述手部的结构和手指形状的确定手部驱动力的计算和电机的选择.腕部结构设计概述腕部结构设计.臂部及机身底座的设计计算概述结构设计计算第章控制系统设计.控制系统方案的确定控制方案的确定驱动方式的确定控制系统类型的确定步进电机控制方式的确定直流电机控制方式的确定键盘及显示方式的确定.演示系统的组成.驱动电路的研制恒流源型步进电机驱动电路的研制双极型直流力矩电机的驱动电路的研制光电码盘的选择和辩向电路的研制，直流电机的闭环控制系统的研制。以单片机为核心的机器人控制系统的研制第章技术经济分析第章教学机器人演示系统演示实验的设计.实验教学机器人演示系统的组成及结构.实验二教学机器人控制系统的演示实验结论专题部分旋转电机的分类及其总结致谢参考文献第章绪论.机器人概述机器人的诞生和发展年克作家卡雷尔.卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人。剧情是这样的罗萨姆公司把机器人作为人类生产的工业产品推向市场，让它去充当劳动力，以呆板的方式从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司使机器人具有了感情，在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。该剧预告了机器人的发展对人类社会的影响。在剧本中，卡佩克把捷克语农奴写成了机器人。这也是人类社会首次使用“机器人”这概念。自动化技术的发展，特别是计算机的诞生，推动了现代机器人的发展年代是机器人的萌芽期，其概念是“个空间机构组成的机械臂，个可重复编程动作的机器”。年美国戴沃尔发表了“通用重复型机器人”的专利论文，首次提出“工业机器人”的概念年美国联合控制公司研制出第台数控工业机器人原型年美国公司推出第台工业机器人。年代随着传感技术和工业自动化的发展，工业机器人进入成长期，机器人开始向实用化发展，并被用于焊接和喷涂作业中。年代随着计算机和人工智能的发展，机器人进入实用化时代。日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了系列鼓励使用机器人的措施，其机器人拥有量很快超过了美国，举成为“机器人王国”。年代，机器人发展成为具有各种移动机构通过传感器控制的机器。工业机器人进入普及时代，开始在汽车电子等行业得到大量使用，推动了机器人产业的发展。为满足人们个性化的要求，工业机器人的生产趋于小批量多品种。年代初期，工业机器人的生产与需求进入了高潮期年世界上新装备机器人台，年新装备台。年底世界上已有万台工业机器人工作在各条战线上。随后由于受到日本等国经济危机的影响，机器人产业也度跌入低谷。近两年随着世界经济的复苏，机器人产业又出现了片生机。年代还出现了具有感知决策动作能力的智能机器人，产生了智能机器或机器人化机器。随着信息技术的发展，机器人的概念和应用领域也在不断扩大。年出现了仿人机器人及其他仿生机器人，机器人的运动能力和智能水平进步的提高，并以智能体的形式出现，应用领域进步的扩大。国内发展状况我国的工业机器人从年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术控制系统硬件和软件设计技术运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆弧焊点焊装配搬运等机器人其中有多台套喷漆机器人在二十余家企业的近条自动喷漆生产线站上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有定的距离，如可靠性低于国外产品机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“客户，次重新设计”，品种规格多批量小零部件通用化程度低供货周期长成本也不低，而且质量可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化通用化模化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人双臂协调控制机器人爬壁机器人管道机器人等机种在机器人视觉力觉触觉声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术遥控加局部自主系统遥控机器人智能装配机器人机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品。国外机器人发展趋势国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势．工业机器人性能不断提高高速度高精度高可靠性便于操作和维修，而单机价格不断下降，平均单机价格从年的．万美元降至年的．万美元。．机械结构向模块化可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机减速机检测系统三位体化由关节模块连杆模块用重组方式构造机器人整机国外已有模块化装配机器人产品问市。．工业机器人控制系统向基于机的开放型控制器方向发展，便于标准化网络化器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构大大提高了系统的可靠性易操作性和可维修性。．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置速度加速度等传感器外，装配焊接机器人还应用了视觉力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉声觉力觉触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。．当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。．机器人化机械开始兴起。从年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之，纷纷探索开拓其实际应用的领域。.机器人产业对教育培训的要求及本课题的提出采用机器人会给我们带来很大的方便，机器人和其他自动化装置最主要的区别在于机器人的功能和任务很容易修改或改变，仅需要改变软件就可以了，同时机器人比般自动化装备更复杂，需要更多的软件和硬件知识，故旦大量采用机器人就需要专门的培训使用机器人的具有较高水平和技术人员，这无疑对教育和培训提出新的要求，大多数机器人专家都反复的强调需要制定培训计划以为新的工作岗位准备合格的劳动力。谈到培训，还有个协调的问题，工业和教育团体应减少培训与需求的协调失误，在校学生也应了解市场情况，在教师的协助下开设和调整自己的课程，使所学的专业和技能在毕业的时候满足社会的需求。对机器人，人们的头个问题就是机器人是否会造成失业应该说大量采用机器人会使部分人丧失工作，然而这新的产业所创造的新的就业机会比其消灭的职业更多，新的职业需要新的技能，就再需要教育和培训，再次证明，机器人对社会的冲击就是再培训的课题。大量采用机器人不回带来失业，在机器人的研究制造和应用上有七种职业，即研究开发设计制造应用市场服务维修和教育，而潜在的部门是机器人制造部门，教育机构和机器人相关部门。现在国外机器人制造厂家不仅自己开设机器人课程也向学校提供资助，为学校提供机器人教学系统，据资料显示，美国有很多大学开设了机器人课程。早我国，许多大学也开设了机器人方面的课程如上海交大，华中科技大学等，也有很多研究开发机器人的研究机构，但资金问题是困饶机器人发展的障碍，在教学中也面临相同的问题。但教学课程上，只是纸上谈兵，没有点直观的印象，关键是设备问题，研制个价格低廉性能优越结构简单能给学生以深刻印象的实验用的教学演示系统，在这前提和背景下，提出本课题，它能达到以下目标.成本低，必要时可以降低精度要求，因为是实验演示装置。.机械结构简单，便于学生掌握机器人结构上的特点。.整体尺寸不宜过大，以摆放实验台为准。.与结构相匹配，为降低成本，采用开环闭环控制相结合.各部分结构最好方便拆卸，以便维修保养。第章总体设计方案在确定机器人总体设计方案前，必须对机器人设计基本步骤及其基本原则，使设计的方案更合理.总体设计的思路设计机器人大体上可分为两个阶段系统分析阶段根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务。分析机器人所在系统的工作环境。根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度信息的存储量计算机功能动作精度的要求所能抓取的重量容许的运动范围以及对温度震动等环境的适应性。二技术设计阶段根据系统的要求的自由度和允许的空间空做范围，选择机器人的坐标形式拟订机器人的运动路线和空间作业图。确定驱动系统的类型。拟订控制系统的控制原理图。选择个部件的具体集体够，进行机器人总装图的设计。绘制机器人的零件图，并确定尺寸。下面结合本演示系统的基本要求和设计的基本原则确定本系统的方案。.总体方案的确定提到总体方案的确定，让我们重复下本课题的要求它是个教学用的演示系统。我们希望它不太大，可以安置在实验台沙锅内给学生讲解，即小型化轻型化。经费有限，要求成本低。在满足前几点的要求下，尽可能的要造型美观。坐标形式的选择有要求可知这是个演示的系统，即机器人的几个基本的动作的演示，了解机器人的基本结构控制方式等，加深对工业机器人及其适用的工作环境的了解，综合考虑选用圆柱型坐标，此坐标的运动特点是各动作直观性强，占用空间小，相对工作范围大，也常用，而关节型极坐标型机器人的运动直观性差，而直角坐标型占地面积大工作范围小，灵活性差。驱动系统的类型选择因为现有的实验设备中电机控制的优点，基本设想采用电机驱动，使用步进电机和伺服电机驱动。整体结构布局的确定在确定整体结构时，考虑到课题的基本要求，觉得采用模块式结构，各部位自成体系，组装方便，根据思想有图的个构想，臂部回转电机通过减速机构驱动回转，从而带动手臂回转，又臂部电机带动丝杠驱动缩运动，固定载上实现腕部的升降，为控制腕不粉回转的位置传感器，实现手爪的旋转，如图所示综合考虑此设计，可以认为该结构具有线条简洁明快，能使初学者较快的得其要领，理解工作原理，很适合于机器人教学的需要。各部位传动机构的确定我们从底座开始，分别的考虑。首先是臂部的回转，因为臂部的回转带动的部件多惯性大，所以转速不能太高，考虑到用步进电机，要用减速机构，如选用齿轮传动，体积较大，不适合教学的要求，综合考虑采用蜗轮蜗杆传动比较合理，首先能实现较大的传动比其次体积小，便于安装，其也有传动效率底的缺点，工作过程中有相当部分的能量要转化成热，在工业生产中要装有散热的装置，由于本系统是为教学演示的，不需要长时间的工作，所以温升不大，不必安装散热装置。臂部伸缩采用步进电机驱动丝杠螺母传动机构产生直线运动，由螺母带动臂部和腕部机构伸缩是，采用普通丝杠传动主要考虑到价格腕部升降也采用丝杠传动，用步进电机驱动。腕部回转要求重量轻机构紧凑，故采用直流电机直接驱动，但要求转速低，故采用长时间工作在堵转状态下的直流力矩伺服电机，位置检测采用光电码盘。手部回转也采用同样的电机驱动，其中各个部分实现连接简单，方便拆卸。外形尺寸和运动范围的确定考虑到本系统的小型化的要求，可将外形尺寸及各部分的运动范围确定如下外形尺寸范围内臂部回转臂部伸缩腕部升降腕部回转手爪回转手指开合抓重.运动速度控制精度的确定因为本系统是教学演示用的，为节约资金，对速度和精度要求较低。控制系统的确定本系统采用单片机