机器人课程设计

沈阳工程学院

课程设计

设计题目：三自由度微型直角坐标工业机器人模型设计

系别自控系班级测本081

学生姓名步勇捷学号 2008310110

指导教师祝尚臻职称讲师

起止日期：2012年 1 月 2 日起——至 2012 年 1 月13 日止

- I -

沈阳工程学院

课程设计任务书

课程设计题目：三自由度直角坐标工业机器人设计

系别自动控制工程系班级

学生姓名学号

指导教师职称讲师

课程设计进行地点： F430

任务下达时间： 2011年 12月31日

起止日期：2012 年 1 月2日起——至 2012 年 1 月13日止教研室主任年月日批准

- II -

三自由度直角坐标工业机器人设计

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。3通过学习，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直角坐标工业机器人；

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）、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 2012.1.

2 讲解主要设计内容，布置任务打分

2 2012.1.

3 检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误打分

3 2012.1.

4 检查机械结构设计并指出错误及纠正；打分

4 2012.1.

5 继续机械机构和传动机构设计打分

5 2012.1.

6 进行控制系统设计打分

6 2012.1.9 检查控制系统原理图设计草图打分

7 2012.1.10 完善并确定控制系统打分

8 2012.1.11 指导学生进行驱动机构的选择打分

9 2012.1.12 进行传感器的选择和软件流程设计打分

10 2012.1.13 检查任务完成情况并答辩打分

- III -

2011-12-30

沈阳工程学院

工业机器人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。

0.1 5 4 3 2

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，

0.2 5 4 3 2

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。

0.2 5 4 3 2

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。

0.5 5 4 3 2

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0.2 5 4 3 2 工作

量

工作量饱满，难度适中。0.5 5 4 3 2

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。

0.3 5 4 3 2 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

- IV -

课程设计总评成绩分

中文摘要

直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。

大型的直角坐标机器人也称桁架机器人或龙门式机器人是能够实现自动控制的、可重复编程的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系的、多用途的操作机。其工作的行为方式主要是通过完成沿着X、Y、Z轴上的线性运动。近年来随着工业机器人的不断发展，工业机器人不断在工业领域得到广泛的应用，尤其是结构简单的直角坐标机器人，本次设计我主要是对三自由度的直角坐标机器人进行设计，完成一个大概的设计，在设计中我采用了各种光电传感器，还采用了C8051F系列单片机作为本次设计的主控芯片,各种算法的实现就是使用这款芯片实现的。随着直角坐标机器人的应用越来越广泛，直角坐标机器人的设计工作日益显得重要。成功的设计一台直角坐标机器人涉及到很多方面的工作，包括机械结构、动力驱动、伺服控制等等。

关键词：三自由度直角坐标机器人单片机硬件软件

- V -

目录

中文摘要.................................................................................................................................................... V 目录 ................................................................................................................................................................ VI 1设计任务描述.. (1)

2 设计思路 (2)

2.1系统总体结构的设计 (2)

2.2系统各环节设计 (2)

3 设计方框图 (3)

4 直角坐标机器人的硬件设计 (4)

4.1单片机最小系统电路设计.......................................................................... 错误！未定义书签。

4.2单片机稳压电源设计................................................................................... 错误！未定义书签。

4.3直流电机驱动设计 ..................................................................................... 错误！未定义书签。

4.4步进电机驱动设计 (6)

4.5机械结构部分 (7)

4.6传感器选择 (8)

5直角坐标机器人的控制设计 (10)

5.1 示教再现功能 (10)

5.2运动控制功能 (10)

6 主要元器件介绍 (11)

7 小结 (12)

8 致谢 (13)

9.参考文献 (14)

附录 (15)

- VI -

1设计任务描述

1.1设计题目：三自由度直角坐标工业机器人设计

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）通过学习，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直角坐标工业机器人；

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。

1.2.3发挥部分：

自由发挥

- 1 -

2 设计思路

2.1系统总体结构的设计

本次设计的题目是三自由度直角坐标机器人，直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。

2.2系统各环节设计

直角坐标机器人，它由水平轴(X轴，Y轴)，垂直轴Z轴及驱动电机组成。

此外一个完整的机器人系统还需要控制系统和手抓，下面分别予以介绍:

直线运动轴

也叫直线运动单元，它就是一个独立的运动轴，主要由支撑载体的铝型材或钢型材和被安装在型材内部的直线导轨、运动滑块以及作为带动滑块做高速运动的同步带组成。

运动轴的驱动系统

直角坐标机器人的传动主要是通过驱动电机的转动带动同步带运动，同步带带动直线导轨上的滑块运动。当驱动轴的最高转速低于60Or/min时通常选用步进电机，否则选用交流伺服电机。

直角坐标机器人的控制系统

机器人要在一定时间内完成特定的任务，在完成抓取，加速运动，高速运动，减速运动，释放工件等同时，还要与相关的设备通过通讯或I/O口实现一些时序上的协调同步。另外在涂胶应用上，各个运动轴要完成直线和圆弧插补运动。因此其数控系统要按具体应用要求来选定其控制轴数、I/O口数量和软件功能。通常选用数控系统，PLC，工控机加运动控制卡和带轴卡功能及I/O口的驱动电机来做控制系统。

直角坐标机器人的末端操作器—手爪系统

根据其具体应用情况，其手爪系统可能是气动吸盘、气动夹取手爪、电动夹取手爪、电磁吸取手爪、焊枪、胶枪、专用工具和检测仪器等。在很多场合可以一次抓取多个工件。

- 2 -

- 3 -

3 设计方框图

图3—1主程序方框图

接近觉传感器

转速传感器

传感器信号调理电路

A/D 转换器

计算机

人 机 交 互 系 统

机器人控制器

PI D 控制算法 距离控制算法

电动马达

4 直角坐标机器人的硬件设计

4.1单片机最小系统电路设计

最小系统是指保证系统能正常工作的最基本电路和软件部分，单片机的最小系统电路

包括外部晶振电路、电源电路和复位电路，如图4-3

所示。

（a）外部晶振电路(b) 电源电路

（c）外部复位电路

图4.1 单片机最小系统电路

时钟基本脉冲是CPU工作的基础。C8051F020单片机的系统时钟信号，由时钟振荡电路或专用时序脉冲信号提供。C8051F020在内部集成了完整的振荡电路，XTAL1和XTAL2分别为振荡器的输出和输入，XTAL1和XTAL2引脚可接入一个石英或陶瓷振荡器，如图4-1（a）所示。图中电阻R2是为了避免对外接晶体振荡器的过驱动，电容C可提高振荡器的稳定性。

- 4 -

- 5 -

为单片机提供电源是单片机正常工作的最基本操作，电源通过电容与单片机并联相连，是为了避免出现耦合，对单片机造成损伤。

外部复位电路是通过外部RST 引脚提供了使用外部电路强制MCU 进入复位状态的手段。在RST 引脚上加上一个低电平有效信号将导致进入复位状态。最好能提供一个外部上拉或对RST 引脚去耦以防止噪声引起复位，如图4-1（c ）所示。在低有效的RST 信号撤出后，MCU 将保持在复位状态至少12个时钟周期。从外部复位状态推出后，PINRSF 标志（RSTSRC.O ）被置位。

4.2单片机稳压电源电路设计

为了给单片机提供稳定的3.3伏电源，我设计了直流稳压电路，其主要有变压器，整流电路，滤波电路，三端稳压器件组成，能保证给单片机提供稳定的直流电源。集成稳压器具有输出电流大，输出电压高，体积小，可靠性高等优点，在电子电路中应用广泛。 分类： 外部结构：三端、多端。输出电压可调、输出电压固定，输出正电压、输出负电压。三端固定输出集成稳压器主要用于固定输出标准电压值的稳压电源中。虽然通过外接电路元件，也可构成多种形式的可调稳压电源，但稳压性能指标有所降低。集成三端可调稳压器性能指标优良。本设计主要用到LM7805其优点主要有，7805 系列为 3 端正稳压电路,TO-220 封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达 1A 。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。其电路图如下：

4.2直流稳压电源电路

该电路将市电380伏通过变压器转化为220伏电压，再通过桥式电路进行整流，将交流转化为直流，其中电容C1为滤波作用，滤除纹波干扰，C2作用为防止自激振荡，C3作用为减小高频干扰。1117与LM7805作用基本相同，将5伏电压将为3.3伏。

4.3直流电机驱动电路设计

本次设计我用直流电机模拟风机来进行散热，其驱动用三极管。输出或输入为直流电

能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械

D11N4007D2

LED DC5V

R1470

C4

104

C8

10uF

A D J

1

Vout

2Vin 3

U21117-3.3V

C1220uF C9104P

E

Vin

1

G N D

2

Vout

3U1LM7805C210uF

C3

10uF

+5V VDD

220v

TRANS1

1

2

3

4

BRIDGE1

- 6 -

能转换为电能。当P 口为高电平时电机转动，低电平时，电机停止。电路图连接如下：

A -

+

M G

M O TO R S E R V O

v cc

Q 1N P N

R 110K

图4.3直流电机驱动电路图

4.4步进电机驱动电路设计

步进电机是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。这一线关系的存在，加上步进电机只有周期的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。其电路图如下：

b u jin d ian ji

M O TO R ST EPP ER

V CC

A A

B B

C C

D D

U 7C

74L804U 7D

74L804U 7F

74L804U 7A

74L804

U 27B

D 875452U 27A

D 875452U 28A D 875452U 28B D 875452 10

10

10

10

D 0

1N 4148

D 1

1N 4148

D 2

1N 4148

D 3

1N 4148

V CC

A A

B B

C C

D D

P1.0

P1.1

P1.2

P1.3

图4.4步进电机驱动电路

本步进电机为四相电机。通过控制P1.0，P1.1，P1.2，P1.3的高低电平，来控制电机的正反装。其中二极管有保护作用，因为电机通电时电流逐渐增大，而电机断电时电流也是正逐渐减小，如果逐渐减小的的电流不能及时流走，将对其他器件造成损坏。故接二极管保护单片机免受损坏。

4.5机械机构设计

工业机器人的机械结构系统由基座、手臂、末端操作器三大件组成。每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械结构。

若基座具备行走机构、则构成行走机器人；若基座不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂（Single Robot Arm）。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。

工业机器人的坐标形式多种多样，按坐标形式来分的话有：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型。

在本次设计中我们要设计的机器人为三坐标直角坐标机器人，这种机器人由三个线性关节组成，这三个关节用来确定末端操作器的位置，通常还带有附加的旋转关节，用来确定末端操作器的姿态。这种机器人在想x、y、z轴上的运动时独立的，运动方程可独立处理，且方程式是线性的，因此，很容易通过计算机控制实现；它可以两端支撑，对于给定的结构长度，刚性最大；它的精度和位置分辨率不随工作场合而变化，容易达到高精度。下图4-5为其工作，空间示意图。

图4-5

从上图可以看到此机器人具有三个自由度，其参考坐标系为x、y、z。自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，理论上自由度越多机器人越灵活，那么它的躲避障碍物和改善动力性能就会得到提高。

4.5.1 传动机构的设计

传动机构是指向各轴传递运动和动力，以实现轴间的相对移动，在三自由度直角坐标机器人中，其主要传动机构为平移型传动机构。从上表一中我们可以看到各种传动方式的对比。

机械传动机构，可以将动力所提供的运动的方式、方向或速度加以改变，被人们有目的地加以利用。我国古代传动机构类型很多，应用很广，除了上面介绍的以外，像地动仪、鼓风机等等，都是机械传动机构的产物。我国古代传动机构，主要有齿轮传动、绳带传动和链传动。

- 7 -

4.5.2 驱动方式的选择

要使机器人运动起来，需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是液压驱动、气动驱动、电动驱动，或者把它们结合起来应用的综合系统；可以是直接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。本次设计经综合比较，用的是电力驱动。

分类：

按照电机的工作原理不同分为步进电机、直流伺服电机、无刷电机等。

按照控制水平的高低来分分为开环控制系统和闭环控制系统。

适用范围：

适合于中等负载，特别适合于动作复杂、运动轨迹严格的各类机器人。

考虑到体积以及精度，在比较了以上三种驱动方式后，我最终选择了电力驱动，因为电力驱动体积小，而且容易组成闭环控制系统，故控制精度高，方便，但在算法上可能稍微复杂一些，但这都可以克服的，故实现起来时选择电力驱动更好一些。

4.6传感器模块

传感器是整个机器人得以准确循迹的核心部件，只有经过传感器采集了外界信息后才能对机器人身处的环境进行识别，才能使机器人根据轨迹运动。传感器的种类繁多，有测距传感器、视觉传感器、接触觉等等不同类型的传感器，本次设计运用的传感器主要是用来检测路线、检测障碍物和测距的。

4.6.1物体检测及运动控制

对于机器人所要搬运物体的检测，在本设计中用的是红外传感器，红外光的发送接收选用型号为ST168 的对管当小车在白色地面行驶时装在车下的红外发射管发射红外线信号经白色反射后被接收管接收一旦接收管接收到信号,那么光敏三极管将导通比较器输出为低电平;当机器人监测到物体时,红外线信号被黑色吸收后光敏三极管截止,比较器输出高电平,从而实现了通过红外线检测信号的功能将检测到的信号送到单片机I/O口;当I/O口检测到的信号为高电平时,表明红外光被地上的物体吸收了,表明此处存在物体。

- 8 -

- 9 -

图4-6 黑线检测流程图

其电路原理图为图4-6-1所示。

R4RES1

1

16

R1A

RESPACK2

1

16

R2A

RESPACK2

1

16

R3A

RESPACK2

D1LED Q1

NPN-PHOT O

AR

OPAM P

VCC

Out

图4-6-1 检测原理图

否

自动监测程序

是否检测到物体

向左 是 向右

夹走

探测物体

判断处理程序

- 10 -

5直角坐标机器人的控制设计

5.1 示教再现功能

示教再现功能是指控制系统可以通过坐示教盒或手把手进行示教，将动作顺序、运动速度、位置等信息用一定的方法预先教给工业机器人，由工业机器人的记忆装置将所教的操作过程自动地记录在存储器中，当需要再现操作时，重放存储器中存储的内容即可。如需要更改操作内容时，只需要重新示教一遍即可。

5.2运动控制功能

运动控制功能是指对工业机器人末端操作器的位置、速度、加速度等项目的控制。 在本次设计中我采用示教再现控制方式来对此机器人进行控制，其主控芯片为我们熟悉的C8051F020单片机。使用此款单片机再配合一些外围电路的集成就可实现对各个电动机的控制，再加上一些在软件上的编写配合好光电编码器，就可以实现PID 算法，并组成一个简单的闭环系统。

图5-1人机交互模块

5-2主控芯片

1

2

3

4

5

6

7

8

A

B

C

D

8

7

6

5

4

3

2

1

D

C

B

A

Title

Number Revision

Size A3Date:3-Jan-2010 Sheet of File:

D:\Protel 99se 的图工业机器人课设工业机器人课设.Ddb Drawn By TMS 1TCK 2TDI 3TDO 4RST 5CANRX 6CANTX 7AV+8AGND 9AGND 10AV+11VREF 12AGND 13AV+14VREFD 15VREF016VREF117AIN0.018AIN0.119AIN0.220AIN0.321

HVCAP 22HVREF 23

HVAIN+24HVAIN-

25

X T A L 126X T A L 227

M O N E N 28A I N 17A 15P 1729A I N 16A 14P 1630A I N 15A 13P 1531A I N 14A 12P 1432A I N 13A 11P 1333A I N 12A 10P 1234A I N 11A 9P 1135A I N 10A 8P 10

36V D D 37D G N D 38A 15m A 7P 2739A 14m A 6P 2640A 13m A 5P 2541A 12m A 4P 2442A 11m A 3P 23

43A 10m A 2P 22

44A 9m A 1P 2145A 8m A 0P 2046A D 7D 7P 3747A D 6D 6P 3648A D 5D 5P 3549A D 4D 4P 34

50

AD3/D3/P3.3

51

AD2/D2/P3.252AD1/D1/P3.153AD0/D0/P3.054WR/P0.755RD/P0.656ALE/P0.557P0.458P0.359P0.260P0.161P0.062DGND 63VDD 64AD7/D7/P7.7

65AD6/D6/P7.666AD5/D5/P7.567AD4/D4/P7.468AD3/D3/P7.369AD2/D2/P7.270AD1/D1/P7.171AD0/D0/P7.072A15m/A7/P6.773A14m/A6/P6.674A13m/A5/P6.575A 12m A 4P 64

76

A 11m A 3P 6377A 10m A 2P 62

78A 9m A 1P 6179A 8m A 0P 6080A 155781A 145682A 13P 5583A 12P 5484A 11P 5385A 10P 52

86A 9P 5187A 8P 5088D G N D 89V D D 90W R P 47

91R D P 4692A L E P 4593P 4494P 4395296P 4197P 4098D A C 1

99D A C 0100C8051F040/2/4/6

U100

C8051F020

Vin

1G N D

2

Vout

3U0

LM2940C11uF

C2

22uF

Vin 3

G N D

1

Vout

2

U2

AS1117D1DIODE C30.1uF

C410uF

C60.1uF

C710uF

R1470VDD0

C100.1uF

C131uF

VDD1C200.1uF

C231uF

V D D 2

VDD2V D D 2

VREF VREFD VREF0VREF1C400.1uF

C411uF

R13

100K

R141K C431uF

C420.1uF

RST S1

RST 12

3456789

10

J2HDR2X5

TMS TDI TDO

TCK R50

4.75K

TMS TCK TDI TDO Y1

CRYSTAL

C50

33pF

C51

33pF

XTAL2

XTAL1

X T A L 1X T A L 2P 40123

DC20

DC20

123JP200

HEADER 3

RST

CANRX CANRX CANTX CP0-CANTX

CP0+AIN0.0CP0-AIN0.1AIN0.2CP0+

AIN0.3HVCAP0VREFD HVREF VREF0

HVAIN+VREF1HVAIN-AIN0.0

M O N E N MONEN

AIN0.1P 17P1.7AIN0.2

P 16P 15AIN0.3P 14P 131

23

45

67

89

1011

1213

1415

1617

18

JP10HEADER 9X2

P 12P 11HVCAP0

P 10P1.6

HVREF P1.5P1.4

HVAIN+

P1.3HVAIN-

P1.2P1.1P1.0

P 27P 26P 25P 24P 23P 22P 21P 20P 37P 36P 35P 34P2.7

P2.6P2.5

P2.4P2.3

P2.2P2.1

P2.0P3.7

P3.6P3.5

P3.4

1

23

45

67

89

1011

1213

1415

1617

1819

2021

2223

24

JP11

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POW

POW

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24

JP12HEADER 12X2

12345678910

11

12

13

14151617181920212223

24

JP13

HEADER 12X2

P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P3.0P3.1P3.2P3.3

P6.5P6.6P6.7P7.0P7.1P7.2P7.3P7.4P7.5P7.6P7.7P6.5P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P3.0P3.1P3.2

P3.3

P6.6P6.7P7.0P7.1P7.2P7.3P7.4P7.5P7.6P7.7D A C 0D A C 1

P 41P 42P 43P 44P 45P 46P 47P 50P 51P 52P 53P 54P 55P 56P 57P 60P 61P 62P 63P 64

P 40D A C 0

D A C 1

P 41

P 42P 43P 44P 45P 46P 47

P 50P 51P 52P 53P 54P 55P 56P 57P 60P 61P 62P 63

P 64

VDD2VDD0VDD0VDD1VDD1D2DIODE

12345

6

S2

VDD0

VDD11122334455667788

9

9

1010111112121313141415151616123

CC40106+5V P0.0V P O S

8

V N E G

6

FDBK

5

GPOS

1GNEG 2

VOUT

7

VINP

3COMM

4

U10

AD603AQ

1

2JP20

HEADER 2C60104

R80

电位器

VREF

C610.01uF

VREF

GNEG G N E G

DAC0C62

104

+5V

S12NPN

S13NPN

S14NPN

S15NPN

R30200

R31200

R32200

R33200

R34200

R35200

P6.0P6.1P6.2P6.3P6.4P6.5

a b c g d

e

VCC 1234567a

b c d e g 8

dp

dp

9

DS1

AMBERCA a b c g d

e

VCC 1234567a

b c d e g 8

dp

dp

9

DS2

AMBERCA a b c g d

e

VCC 1234567a

b c d e g 8

dp

dp

9

DS3

AMBERCA a b c g d

e

VCC 1234567a

b c d e g 8

dp

dp

9

DS4

AMBERCA a b c g d

e

VCC 1234567a

b c d e g 8

dp

dp

9

DS5

AMBERCA a b c g d

e

VCC 1234567a

b c d e g 8

dp

dp

9

DS6

AMBERCA

R701K R711K R721K R731K R741K R751K R761K R771K

Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7

P7.0P7.1P7.2P7.3P7.4P7.5P7.6P7.7

S10NPN

S11NPN

R20

R210

VDD0+5V +5V S1S2S3S4

S5

S6

S7

S8

S9S10

S11

S12

S13

S14

S15

S16

P1.0

P1.1

P1.2

P1.3P1.4

P1.5

P1.6

P1.7

6 主要元器件介绍

C8051F020系列单片机是高集成度的混合信号系统级MCU芯片，片内集成了一个多通道ADC、两个电压比较器、五个通用的十六位定时器、UART、SPI总线接口、内部振荡器、64个通用数字I/O引脚、64KB的FLASH程序寄存器和与8051兼容的高速微控制器内核。

C8051F020的主要特点如下：

1、模拟外设

( 1 )逐次逼近型ADC

●12位分辨率或8位分辨率；

●可编程转换速率，最大为100kps；

●可多达32个外部输入，每个引脚都可以被配置为ADC的输入。

( 2 )两个模拟比较器

●16个可编程回差电压值；

●可用于产生中断或复位。

( 3 )VDD监视器和降压检测器

2、片内JTAG调试

●片内调试电路提供提供全速、非侵入式的在系统调试；

●支持断点、单步、观察点、堆栈监视器，支持观察/修改存储器和寄存器。

3、高速8051微控制器内核

●流水线指令结构；

●70%指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期；

●速度可达25MIPS；

●扩展的中断处理系统。

4、存储器

●256B内部数据RAM；

●1024B XRAM；

●64KB可在系统编程的FLASH存储器。

5、数字外设

●8个8位的端口I/O，所有口线均耐压5V电压；

●可同时使用的硬件SPI及UART串口；

●5个通用16位计数器/定时器；

●专用的看门狗定时器。

6、时钟源

●内部可编程振荡器：2-16MHz；

●外部振荡器：晶体、RC、C或外部时钟。

7、封装

●100脚TQFP

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7 小结

通过本次的工业机器人课程设计,让我对机器人的工作原理及设计方法有了更好的掌握与理解。与次同时，通过此次的课程设计也让我充分地认识到了我在学习这门课程中存在的不足之处。通过这次的课程设计让我学到了很多平时课上学不到的东西，让我知道了哪些方面是自己的薄弱环节，自己需要在哪些方面下一些功夫。更重要的是能过这次的实验我熟练地掌握了程序的调试，知道如果一个程序运进的时候出现了问题应该怎样找到错误并改正，也知道了该如何去利用图书馆和网络上的资源，这对我们以后的课程设计和学习是有很大帮助的。

这两周的工业机器人设计，从茫然毫无头绪到开始大体研究到部件选择，我对工业机器人的学习有了更深一步的了解，并在在设计的过程中，有了了自己的想法，增加了学习的兴趣。虽然设计时间很紧迫，但在设计的过程中我们还是学到不少东西的，由于有些知识我们学的不多，这样我们在查找这些资料的过程中就学到了更多东西。我觉得课程设计对我们有更大的帮助，可以把平时所学应用到实际当中，并且更加注重这些元器件在实际应用中应该注意到的事项，为以后的工作和学习打下基础。

很庆幸能有这样一次课设的机会，让我学尝试了理论与实际的结合，让我学到了很多知识，让我认识到了自己的不足，知道光是掌握了理论知识并不代表什么，必须还要与实际结合才能更好的理解这些知道，使之掌握得更牢靠。在以后的学习生涯中我会不断的完善自己，用更多知识来丰富和充实自己，为自己以后的人生道路打下坚实的基础！

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8 致谢

短暂的课程设计就要结束了，经过我们小组全体成员紧张而充实的努力，我们终于顺利完成了设计任务，收获了成功的喜悦。回顾这一周的设计过程，我们从开始的毫无头绪，逐渐的进入状态，到后来的理论上实现，一起解决一个个难题，突破一重重的阻碍，当硬件接线图出来的时候，我们都欢呼了起来，从未有过的成就感充满了每个人的心。我想这就是课程设计的魅力所在吧。任务越是难以完成，过程越是复杂艰难，成功那一刻的喜悦和成就感就越大，与那一刻相比，之前的所有努力都是值得的。“天下无难事，只怕有心人”经过这次课程设计，我对这句古语有了更深的理解。

在理论实现的过程中，我遇到了很多困难，用所学的知识达不到想要的结果，经过各种方式搜集资料，寻求同学们的帮助，大家一起探讨、研究，终于成功的完成了本次设计。达到能够实现所要求的功能的目的。

这次的机器人设计重点是理论与实际的相结合，不单单只是书上的传感器及机器人的介绍。通过这次设计使我对传感器和机器人的学习更进一步，加深了对理论学习的理解，同时能够较自如的应用知识来设计方案。也使我明白将理论和实际联系起来的重要性。同时，通过学习，也锻炼了和组员交流，沟通，相互学习，得到最好的设计成果。我相信，通过这次设计，我会更加努力，更加积极地学习专业知识，争取自己在此方面能创出更优秀的成绩。

非常感谢对我们的耐心指导。不管我们问多少问题，他们都耐心地为我们一一解答，不厌其烦的给我们讲解，如果没有老师的帮助与鼓励，我们是不可能顺利完成这次课程设计的。我们发自内心的感谢老师，是您在我们遇到问题时给予了指导，谢谢您老师！

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9.参考文献

[1]谢存喜.机器人技术及其应用.第一版.北京.机械工业出版社.2008年

[2]刘广瑞. 机器人创新制作.第一版.西安.西北工业大学出版社.2007年

[3]方建军.智能机器人.第一版.北京.化学工业出版社.2004年

[4]罗均等.特种机器人.第一版.北京.化学工业出版社.2006年

[5]王志良.竞赛机器人制作技术.第一版.北京.机械工业出版社.2007年

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