三關(guān)節(jié)機(jī)械臂設(shè)計(jì)

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1、三關(guān)節(jié)機(jī)械臂及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)械臂特別是仿人型機(jī)械臂的發(fā)展非常迅速。其在人們的日常 生活，生產(chǎn)中開始扮演著不可或缺的角色。本文呈現(xiàn)的是一種仿人型機(jī)械臂，其主要特點(diǎn) 在與多樣化，簡(jiǎn)單化，直覺化的人機(jī)交互方式。將以往復(fù)雜的主從式操作，諸如搖桿控制 等，轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的觸摸屏操作，同時(shí)輔佐以雙目機(jī)器視覺，還可以實(shí)現(xiàn)通過人的手勢(shì)來控 制機(jī)械臂動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了直覺化的控制。 為了能高效穩(wěn)定地控制機(jī)械臂，本設(shè)計(jì)使用了雙控制系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)：下位控制系統(tǒng)使 用嵌入式系統(tǒng)一ARM微處理器（S3C2440芯片）一實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的基本動(dòng)作的控制封裝，包 括定位算法以及運(yùn)動(dòng)控制等；上位控制系統(tǒng)是在 PC上

2、實(shí)現(xiàn)的，控制軟件使用VC++ 6.0編 寫，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺的相關(guān)運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果通過串口通信，傳遞給下位系統(tǒng)一ARM微 處理器，并最終轉(zhuǎn)換成機(jī)械臂的動(dòng)作。 整個(gè)設(shè)計(jì)過程包含了底層的驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)計(jì)：舵機(jī)的選型與控制；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)，負(fù)載校核；控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)；上位，下位軟件的編寫：舵機(jī)的控制方式一 PWM永 寬調(diào)制，點(diǎn)定位算法，軌跡控制算法，機(jī)器視覺算法；還編寫了 3維軟件進(jìn)行仿真：三維 的投影算法，及貼面，光照，面的排序算法；并最終制作成實(shí)物進(jìn)行演示，在末端裝上筆 之后，能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的書寫。 關(guān)鍵字：觸摸屏機(jī)器視覺嵌入式系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制 Three joi nt mecha

3、ni cal arm and its con trol system desig n Abstract As tech no logy adva nces, mecha ni cal arm especially huma noid type of mecha ni cal arm is develop ing fast. This paper prese nts a huma noid type of mecha ni cal arm.Its main characteristics is multiple ,simple, i ntuitive man-machi ne in tera

4、ctive way.Touch scree n control and machi ne version are introduced covering for complex operation ,such as joystick control. Mechanical arm is con trol by daily gestures which makes it much easier to use a mecha ni cal arm. In order to control the mechanical arm stabily, this design uses the dual

5、control system un der coord in ated assig nmen ts: one con trol system uses embedded systeiARM microprocessor (S3C2440 chip) - realizi ng the basic mecha ni cal arm moveme nt con trol encapsulation, including localization algorithm and motion control, etc.;Upper control system is on the PC platform

6、, using vc + + 6.0 for software, realizing machine vision calculation, and will tran smit results through serial commu ni catio n, to lower level system -the ARM microprocessor, leadi ng to mecha ni cal arm moveme nts The whole desig n process contains rock-bottom drive hardware desig n: steeri ng

7、gear selecti on and con trol; Mecha nica structure desig n structure desig n, I oad check ing; Con trol system circuit design; Superior position software: steering gear -- PWM pulse width modulation, point positi oning algorithm, trajectory con trol algorithm, mach ine visio n algorithms; And fin al

8、ly make physical for dem on strati on realiz ing writ ing with pen loaded. Key words: Touch screen Machine version； embedded systems 目錄 摘 要 . Abstract . 第 1 章 緒論 . 1.1 題目提出的意義 . 1 1.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 . 1 第 2 章 方案的確定與比較分析 4 2.1 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的比較與選擇 . 5 2.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較與選擇 第 3 章 電機(jī)的選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算 10

9、 3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定 . 10 3.2 各關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇計(jì)算 . 10 3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 11 3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 12 3.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 13 第 4 章 機(jī)械部件的設(shè)計(jì)與校核 15 4.1 軸的設(shè)計(jì)與校核 . 15 4.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

10、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 15 4.1.2 大臂軸的強(qiáng)度校核 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 15 4.2 鍵的選擇與強(qiáng)度的校核 . 18 4.3 軸承壽命的校核 . 20 4.4 聯(lián)軸器的選擇與圓錐銷的校核 . 21 4.4.1 聯(lián)軸器的選擇 .．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 21 4.4.2 聯(lián)軸器圓錐銷的校核 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 22 第 5 章 控制系統(tǒng)介紹與選擇 23

11、 5.1 單片機(jī)最小系統(tǒng) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 23 5.1.1 8051 單片機(jī)介紹 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 24 5.1.2 復(fù)位電路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 25 5.1.3 振蕩電路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 26 5.2 串行接口電路 . 27 5.3 傳感器 . 27 5.3.1 傳

12、感器的選型 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 27 5.3.2 硬件電路的設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 29 5.4 電動(dòng)機(jī)的控制 . 29 5.4.1 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)介 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 30 5.4.2 硬件電路圖 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 30 結(jié)語(yǔ) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

13、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32 參考文獻(xiàn) . 33 致．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 35 第 1 章 緒論 1.1 題目提出的意義 鑒于我國(guó)機(jī)械臂仿生技術(shù)以及控制方式較西方國(guó)家落后，目前自主研發(fā)的機(jī)械臂在使 用方便性以及精度上都不盡如人意。在市場(chǎng)上也很難占有一席之地。為了打破西方國(guó)家在 這一領(lǐng)域，特別是高端領(lǐng)域的壟斷，讓更多的國(guó)人開始關(guān)注自主研發(fā)的機(jī)械臂，對(duì)于仿人 形機(jī)械臂及其控制系統(tǒng)的研究還是有深遠(yuǎn)意義的。 1.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于 20

14、世紀(jì)70 年代初，大致可分為 3 個(gè)階段： 70 年代的萌芽期， 80 年代的開發(fā)期， 90 年代的實(shí)用化期。 國(guó)外機(jī)械臂的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)比較高端的地步了，各種智能機(jī)械臂，仿生機(jī)械臂 層出不窮： ① . 美國(guó)研制的利用神經(jīng)電信號(hào)控機(jī)械臂 美國(guó)研制出一種利用神經(jīng)傳輸過程中的電信號(hào)，將其作為動(dòng)作輸入，來以一種極為簡(jiǎn)單直 接的方式來控制機(jī)械臂，是人類第一次利用大腦來控制機(jī)械臂，這種方式極大的提高了人 類對(duì)于機(jī)械臂的操作性 【1】。 ② .德國(guó)FESTO公司制作的仿象鼻機(jī)械臂 該機(jī)械臂模仿象鼻運(yùn)動(dòng)原理，以三排并聯(lián)的氣動(dòng)肌腱為硬件基礎(chǔ)制作的機(jī)械臂。 能夠進(jìn)行一些復(fù)雜的動(dòng)作，這是以往的關(guān)節(jié)式

15、機(jī)械臂所望塵莫及的。 ③ . 我國(guó)機(jī)械臂發(fā)展也十分迅速，多自由度機(jī)械臂層出不窮 我國(guó)機(jī)械臂研究雖然起步較晚，但是發(fā)展速度很快，多自由度機(jī)械臂層出不窮，對(duì)于機(jī)械 臂的橫向研究做得還是不錯(cuò)的。其中航空航天大學(xué)大學(xué)在機(jī)械臂及機(jī)械手的發(fā)展中作出著 較大的貢獻(xiàn) 【2】。 機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)；其一、它能部分代替人 工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工作的傳 送和裝卸； 其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。 從而大大的改善工人的勞動(dòng)條件， 顯著的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工 業(yè)國(guó)家的重視

16、，投入大量的人工物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉壓、噪音以 及帶有放射性的污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取 得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視 【3】。 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀： 專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入了以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。機(jī)械手可 以應(yīng)用于更加多的場(chǎng)合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設(shè)計(jì)的成本。由于機(jī)械手的發(fā)展，進(jìn) 而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。機(jī)械手涉及的容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ) 知識(shí)，而且還應(yīng)用了一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無線電控制、仿生 學(xué)等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)。目前國(guó)外對(duì)發(fā)展這一技術(shù)

17、很重視。幾十年來，這 項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷的修改，品種在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域在 不斷的擴(kuò)大 【4】。 目前國(guó)外的發(fā)展趨勢(shì)是： (1) 研制有更多自由度的機(jī)械手，這樣機(jī)械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加 多的動(dòng)作。 (2) 研制帶有行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械手， 這種機(jī)械手可以從一個(gè)工作地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)工作 地點(diǎn)。 (3) 研制維修維護(hù)方便的機(jī)械手。 (4) 研制能自動(dòng)編制和自動(dòng)改變程序的機(jī)械手。 (5) 研制具有一定感觸和一定智力的智能機(jī)械手。這種機(jī)械手具有各種傳感裝置，并 配有計(jì)算機(jī)。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計(jì)算機(jī)充當(dāng)其大腦，使它進(jìn)行思考和記憶。用聽筒和 聲敏元件作為耳

18、朵能聽，用揚(yáng)聲器作為嘴能說話進(jìn)行應(yīng)答，用熱電偶和電阻應(yīng)變儀作為觸 覺和感觸。用滾輪或者雙足式機(jī)構(gòu)腳來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移位。這樣的智能機(jī)械手可以由人的特殊 語(yǔ)言對(duì)其下達(dá)命令，布置任務(wù)，使自動(dòng)化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線 【5】。 (6) 機(jī)械手的外觀達(dá)到美觀的要求，盡量用最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能完成更加多的動(dòng) 作。 (7) 研制具有柔性系統(tǒng)的機(jī)械手 國(guó)發(fā)展?fàn)顩r： 目前，在國(guó)廣泛應(yīng)用的再現(xiàn)式機(jī)械手，雖然一般也都有記憶裝置，但其程序都是預(yù)先 編好的，或由人在工作之前領(lǐng)動(dòng)一次， 而后機(jī)械手可以按領(lǐng)動(dòng)的工作容正確進(jìn)行再現(xiàn)動(dòng)作。 如果把這種再現(xiàn)式機(jī)械手稱為第二代機(jī)械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機(jī)械手就 是第

19、三代了?，F(xiàn)在研究的機(jī)械手正在朝著一種可以存儲(chǔ)大量的程序的并且可以改變并重新 寫入程序的方向發(fā)展， 而且機(jī)械手具有比原來的更多的自由度 【6】。雖然在這方面相對(duì)于發(fā) 達(dá)國(guó)家還有點(diǎn)落后，但是國(guó)現(xiàn)在也越來越感覺到機(jī)械手的重要性，國(guó)家大力支持相關(guān)的設(shè) 計(jì)及產(chǎn)品的開發(fā)。在機(jī)器人的發(fā)展以及機(jī)械手的設(shè)計(jì)上也取得了一定的成果，國(guó)每年都將 舉行機(jī)器人大賽， 以增加研發(fā)單位的交流與合作 【7】?，F(xiàn)在國(guó)具有越來越強(qiáng)的自主研發(fā)的單 位，我相信在不久的將來，我國(guó)一定能夠趕上并將且超越發(fā)達(dá)國(guó)家在機(jī)械手乃至整個(gè)機(jī)械 方面處于領(lǐng)先地位 【8】。 第2章方案的確定與比較分析 本畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)械手，要求有較高的定位精度和較高的

20、耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般 有一下幾種: 表2-1機(jī)械手結(jié)構(gòu)選型表 結(jié)構(gòu)形式方 案 特點(diǎn) 優(yōu)缺點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 操作機(jī)的手 結(jié)構(gòu)剛度較好，控制 ■I ! 臂具有三個(gè) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為簡(jiǎn) ◎ 直角坐標(biāo)型 移動(dòng)關(guān)節(jié)， 單，但其占空間較大， a I 其關(guān)節(jié)軸線 且運(yùn)動(dòng)軌跡單一，使 按直角坐標(biāo) 用過程中效率較低 配置 操作機(jī)的手 結(jié)構(gòu)剛度較好，運(yùn)動(dòng) 臂至少有一 所需功率較小，控制 圓柱坐標(biāo)型 個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié) 難度較小，但運(yùn)動(dòng)軌 和一個(gè)回轉(zhuǎn) 跡簡(jiǎn)

21、單，使用過程中 關(guān)節(jié)，其關(guān) 效率不咼 節(jié)軸線按圓 柱坐標(biāo)系配 置  結(jié)構(gòu)形式方案 特點(diǎn) 優(yōu)缺點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 關(guān)節(jié)型 操作機(jī)的手 臂類似人的 上肢關(guān)節(jié)動(dòng) 作，具有三個(gè) 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，結(jié)構(gòu) 最為緊湊，但控制系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度大，機(jī) 械手臂的剛度差 球坐標(biāo)型 操作機(jī)的手 臂具有兩個(gè) 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和 一個(gè)移動(dòng)關(guān) 節(jié)，其軸線按 極坐標(biāo)系配 置 結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一疋難 度，且機(jī)械手臂的剛 度不足，機(jī)械結(jié)構(gòu)較 為復(fù)雜 2.1 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的比較與選擇 1. 直角坐標(biāo)型機(jī)械

22、手 直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。它 的手臂可作伸縮，左右和上下移動(dòng)，按直角坐標(biāo)形式 X、丫、Z三個(gè)方向的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見表2-10 其工作圍可以使一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。如在 X、丫、Z三個(gè) 直線運(yùn)動(dòng)方向上各具有 A、B、C三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成六個(gè)自由度。但在實(shí)際上是很少 有的。缺點(diǎn)是這種機(jī)械手作業(yè)圍較小，占空比大，靈活性差。 2. 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手適用于搬運(yùn)和測(cè)量工作。 具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而動(dòng)作圍較大 等優(yōu)點(diǎn)。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由 X、Z、?三個(gè)運(yùn)動(dòng)組成。它的工作圍可分為：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)

23、動(dòng)， 一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見表 2-1. 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個(gè)基本動(dòng)作： (1) 手臂水平回轉(zhuǎn)； (2) 手臂伸縮； (3) 手臂上下； (4) 手臂回轉(zhuǎn)動(dòng)作； (5) 手爪夾緊動(dòng)作。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動(dòng)套筒、手臂裝在滑動(dòng)套筒上，手臂 可作上下直線運(yùn)動(dòng)(Z)和在水平面做圓弧狀的左右擺動(dòng)(?)。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)龐大，兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，難于其他設(shè)備協(xié)調(diào)工 作。 3 球坐標(biāo)型機(jī)械手 球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。它是由 X、B、?三個(gè)方

24、向 的運(yùn)動(dòng)組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見表 2-1。球坐標(biāo)式機(jī)械手的工作圍包括：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。 球坐標(biāo)式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)以下八個(gè)動(dòng)作： (1) 手臂上下動(dòng)作，即俯仰動(dòng)作； (2) 手臂左右動(dòng)作，即回轉(zhuǎn)動(dòng)作； (3) 手臂前后動(dòng)作，即伸縮動(dòng)作； (4) 手腕上下彎曲； (5) 手腕左右擺動(dòng)； (6) 手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； (7) 手爪夾緊動(dòng)作； (8) 機(jī)械手整體移動(dòng)。 球坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面做圓 弧狀上下俯仰運(yùn)動(dòng)，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動(dòng)，工作圍和人手的動(dòng)作類似。它的特 點(diǎn)是能自動(dòng)選擇最合理的動(dòng)作路線

25、。所以工效高。另外由于上下擺動(dòng)，它的相對(duì)體積小， 動(dòng)作圍大。其缺點(diǎn)是壁障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長(zhǎng)成正比，控制難度大。 4 關(guān)節(jié)型機(jī)械手 又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，分為垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面(水平)關(guān)節(jié)坐標(biāo)，機(jī)械手由立柱和大小 臂組成，立柱與大臂通過肩關(guān)節(jié)相連接，立柱繞 z 軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，大臂與小臂形成 肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)和俯仰，小臂作俯仰。機(jī)械手工作空間圍大，動(dòng)作靈活，避障性 好，能抓取靠近機(jī)座的物體，其缺點(diǎn)是位置精度較低，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來 越多。 本次設(shè)計(jì)的是實(shí)驗(yàn)用三自由度機(jī)械手，要求體積小，重量輕，靈活性強(qiáng)，對(duì)精度要求 不高，抓取重量較輕，上述 4 種類型機(jī)械手中

26、關(guān)節(jié)式械手結(jié)構(gòu)最為緊湊，占空比最小，適 合中小負(fù)載，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，所以本次設(shè)計(jì)選擇關(guān)節(jié)式機(jī)械手。 2.2 機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較與選擇 工業(yè)機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)可分為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三種基本類型。 1 液壓驅(qū)動(dòng) 液壓傳動(dòng)機(jī)械手有很大的驅(qū)動(dòng)能力，液壓力可達(dá) 7Mpa，液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏， 但對(duì)密封性要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)場(chǎng)工作，需配備一套液壓系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)龐大。 液壓驅(qū)動(dòng)有以下特點(diǎn)： (1) 輸出功率很大，壓力圍為 50-140N/cm2。 (2) 控制性能較強(qiáng)，利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級(jí)調(diào) 速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。 (3)

27、 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率 /質(zhì)量比大，體積 小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大。 (4) 液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑，過載保護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。 液壓驅(qū)動(dòng)需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄漏而影響運(yùn)動(dòng)精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找 出原因。 2 氣壓驅(qū)動(dòng) 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，價(jià)格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩(wěn) 定性差，氣壓一般為0.7Mpa，因而驅(qū)動(dòng)力，只有幾十牛到百牛力。 氣壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)： ⑴ 輸出功率不大，壓力圍為 48-60N/cm2，最高可達(dá)100N/cm2 (2) 可控性不強(qiáng)，氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)

28、現(xiàn) 高速高精度的連續(xù)軌跡控制。 (3) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊 湊，密封問題比液壓小。 (4) 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)，精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)械手 本體的氣動(dòng)平衡和及裝配機(jī)械手氣動(dòng)夾具。 3 電力驅(qū)動(dòng) 這種驅(qū)動(dòng)是目前在機(jī)器手中用的最多的一種。早期多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)( SM)驅(qū)動(dòng)，后 來發(fā)展了直流伺服電動(dòng)機(jī)(DC),現(xiàn)在交流伺服電動(dòng)機(jī)(AC)驅(qū)動(dòng)也開始廣泛應(yīng)用。上述 驅(qū)動(dòng)單元有的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，有的通過減速器裝置來減速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的 連

29、續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制 精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手，如 AC 伺服噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、弧焊機(jī) 械手、裝配機(jī)械手等。 電力驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)： (1) 普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大， 適用于中型或重型機(jī)械手。 (2) 直流伺服電動(dòng)機(jī)：直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可很方便 地在較寬圍實(shí)現(xiàn)平滑的無級(jí)調(diào)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適應(yīng)頻繁啟動(dòng)、反向、 制動(dòng)等工作狀況。直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式不同，

30、有永磁式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速高低 及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小，有高速、小慣量(小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有多種：無槽電樞直流 伺服電動(dòng)機(jī)，繞組鐵芯細(xì)長(zhǎng)，故轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，靈敏度更高，功率較??；印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)，可承受頻繁的起動(dòng)、 換向，切率中等。這類電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，電感小，故換向性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快， 快速性能好，低速無爬行。 )和低速、大慣量(大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式和電磁式 兩種，其中永磁式用得較多，它的低速性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速圍寬，轉(zhuǎn)子慣量大，受 負(fù)載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過載、重載能力強(qiáng)。 )之分。 (3) 交流伺服

31、電動(dòng)機(jī)：交流伺服電動(dòng)機(jī)幾乎具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，制造、維護(hù)簡(jiǎn)單，具有調(diào)速圍寬、穩(wěn)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更好等技術(shù)特點(diǎn)，可 達(dá)到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。 (4) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由電脈沖信號(hào)控制的，它可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng) 的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便、價(jià)格較 低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無漂移、無積累定 位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡(jiǎn)單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸 出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個(gè)數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡(jiǎn)便。步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由步進(jìn)控

32、制器、功率放大器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。純硬件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控 制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成，它的作用就是把脈沖串分配給步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。若采用微機(jī)技術(shù)，用軟件與硬 件相結(jié)合，則控制器不僅可在硬件上簡(jiǎn)化線路，降低成本，而且又提高可靠性。 綜上所述，由于本次設(shè)計(jì)機(jī)械手臂負(fù)載較小，對(duì)體積有一定要求，又考慮到機(jī)械手臂 的特點(diǎn)和各驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，直流伺服電機(jī)體積小，控制精度高，與傳動(dòng)系統(tǒng)配合結(jié)構(gòu) 最為緊湊，故機(jī)械手臂關(guān)節(jié)處選擇直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 第3章電機(jī)的選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定 設(shè)計(jì)機(jī)械手大臂與小臂的尺寸和重量如下：

33、1. 大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為 400mm,質(zhì)量為M1（6kg左右），重心在距 離第一關(guān)節(jié)軸220mm處，L1=220mm。 2. 小臂的第二關(guān)節(jié)軸和手爪前部之間的距離為 450mm，質(zhì)量為M2（7kg左右），重心在 距第二關(guān)節(jié)軸 280mm 處，L2=400+280=680mm。 本次設(shè)計(jì)機(jī)械手的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 負(fù)載1kg；大臂回轉(zhuǎn)：0~180°, 60 /s ;小臂回轉(zhuǎn):0~180°, 60 /s ；腰部旋轉(zhuǎn)：0~ 360， 60%。 3.2 各關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇計(jì)算 當(dāng)機(jī)械手手臂旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)臂伸開呈一條直線時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時(shí)可產(chǎn) 生電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。如

34、圖3-1所示，設(shè)兩臂繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為 JG1、JG2,根 據(jù)平行軸定理可得繞大臂軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 2 2 J1=Jg1+M 1L1 +JG2+M 2L2 （ 3-1） 其中：M1，M2,分別為 6Kg，7Kg； L1，L2，分別為 220mm，680mm。Jgw； M1L12、 Jg^. M2L22，故可忽略不計(jì)，所以繞大臂軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J1= M1L12+M2L22 （3-2） =6 X 0.22+7 X 0.682 2 2 同理可得小臂繞小臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： M2=7Kg， L4=280mm。 J2=M 2L42 （3-3） =7 X 0.282

35、 2 腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加上大臂與小臂繞腰 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和 同理可得腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： Jo=j i2 （3-4） 3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 設(shè)大臂速度為 i 60 /s，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： T J （ 3-5） 式中：T ——旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩，N.m。 J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2。 角加速度，rad/so 設(shè)機(jī)械手大臂從 0 0到i 60 /s所需的時(shí)間為： t 0.2s，由式（3-5）有： Ti=Ji X W=JX WWW △ t=3.53 Xn /3 X 0.2=18.5N ? m 若考慮

36、繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為 2,則減 速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： T01=2T=2 X 18.5=37N ? m 選擇減速機(jī)： 型號(hào)：APEX-AE235 （同軸式行星減速機(jī)） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m 減速比：i1=100 90%，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為: 36.2 諧波減速器的的傳遞效率為： (3-6) 100 0.9 T T out1 ? i 選擇小型直流伺服電機(jī)： 型號(hào)：MAXON-EC118896 額定轉(zhuǎn)矩： 額定電壓：24V 額定電流：1.5A 額定轉(zhuǎn)速：1000rpm 最高轉(zhuǎn)速：1200rpm

37、額定功率：40w 電機(jī)尺寸：L=93mm D=46mm 322 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 原理同上，設(shè)小臂轉(zhuǎn)速 2 60 /S，設(shè)角速度從0加到2所需加速時(shí)間t 0.2s , 則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： T J （ 3-7） 式中：T ——旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩，N.m。 J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2。 角加速度，rad/s2。 由式（3-7）有： T2 J2 J2 — 0 t 3 0.1 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為 2,則減 速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： T02 2T2 2 10.47 20.94N .m （3-8） 選擇減速機(jī)：

38、 型號(hào)：APEX-AE235 （同軸式行星減速機(jī)） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m 減速比：i2=100 諧波減速器的的傳遞效率為： 90%，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： Tog 20.94 0.233N.m （3-9） i 100 0.9 選擇小型直流伺服電機(jī)： 型號(hào)：MAXON-EC118896 額定轉(zhuǎn)矩： 額定電流：1.5A 額定轉(zhuǎn)速：lOOOrpm 最高轉(zhuǎn)速：1200rpm 額定功率：40w 電機(jī)尺寸：L=93mm D=46mm 3.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 設(shè)旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度為 3 60 /s，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： T J 式中：T —— 旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)

39、矩，N.m。 J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2。 角加速度，rad/so 設(shè)機(jī)械手大臂從0 0到3 60 /s所需的時(shí)間為：t 0.2s則： T0=J0X w=JX( w-w0) =3.53 Xn / (3X 0.2 ) =18.483N ? m 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為 速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： T00=2T0=2 X 18.483=36.966N ? m (3-11) 選擇減速機(jī)： 型號(hào)：APEX-AE238 (同軸式行星減速機(jī)) 額定輸出轉(zhuǎn)矩：50N.m 減速比：i3=100 設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為： T Tou

40、t0 . i 選擇小型直流伺服電機(jī) 型號(hào)：MAXON-EC137489 90%，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為: 41.4 0.46 N.m 100 0.9 (3-12) 額定轉(zhuǎn)矩： (3-10) 2，則減 額定電流： 2A 額定轉(zhuǎn)速： 1000rpm 最高轉(zhuǎn)速： 1200rpm 額定功率： 60w 電機(jī)尺寸： L=124mm D=64

41、mm 第4章機(jī)械部件的設(shè)計(jì)與校核 4.1 軸的設(shè)計(jì)與校核 4.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)矩和彎矩是軸的主要承受載荷，軸的常見形式有直軸和彎軸，而根據(jù)本次設(shè)計(jì)中機(jī)構(gòu) 的特點(diǎn),選擇傳動(dòng)軸為直軸.知條件可知n=10r/min，由電機(jī)傳遞到軸上的功率 P F電=50 0.9=0.045 Kw 選擇軸的材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后,再使用. 由參考資料表查得：硬度:HBS217?255;屈服強(qiáng)度極限：os=36OMPa;抗拉強(qiáng)度極限 ob=650 MPa彎曲疲勞強(qiáng)度極限（f1=300 MPa. 由表查得[o-1]b=55 MPa. 初步確定軸的直徑： 按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估計(jì)軸輸出端直徑 由

42、表查得C=1.3?126取C=120 由式 d=3 p，得 d=120 0w5=19.81 取 d=19mm 圖4-1 大臂旋轉(zhuǎn)軸 大臂軸的強(qiáng)度校核 按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核： 本次設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸全長(zhǎng)193mm,最小軸頸19mm,材料為45號(hào)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為: 式中: T - Wt P 9550000 n 0.2d3 (4-1) 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa T 軸所受的扭矩，N.mm。 W 軸的抗扭截面系數(shù)，mm3。 N 軸的轉(zhuǎn)速；r/min。 P――軸的傳遞功率，Kw。 D 計(jì)算界面處軸的直徑，mm。 t ――許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，

43、MPa。 由上式得： d 3 齊。* 查表得 T的圍為25 MPa?45MPa； A的圍為103?126。 (4-2) 本次設(shè)計(jì) T取40則 3 9550000 ' 0.2 40 106.8 取106 則 d A3P 106 3 0.045 Y n \ 10 17.5mm 本次設(shè)計(jì)最小軸徑為19mm>17.5mm，故滿足強(qiáng)度要求 按照彎扭合成強(qiáng)度校核： 彎扭合成圖如圖4-2所示： 式中: Fr=G G2 G3 (7 6 1) 10 140N L1 F2 71mm FFAV 丄 Fr. L2 Ffbv 丄 Fr. L1 Ffav 辛 70N F

44、fbv 70N M 1y= M 2y=0 M H Fr.L| 140 71 9940N.mm 是軸強(qiáng)度合格，則 ca ■,M2 2 W -1 ca ――軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa。 M 軸所受的彎矩，N.mm。 T 軸所受的扭矩，N.mm。 W 軸的抗彎截面系數(shù)，mm3 ――截面系數(shù)。 本次設(shè)計(jì)軸的材料為45號(hào)剛，查表得: 取0.6 , -i 取60 圖4-3軸的危險(xiǎn)截面斷面圖 圖中，b=8mm, t=3.5mm, d=30mm 2323mm3 d3 bt d-t 30 = 303 32 2d 32  2 8 3.5

45、30 3.5 所以: ca M2 W 99402 2 0.6 40000 2323 11.18 即 ca=11.18 1 60 所以本次設(shè)計(jì)的軸強(qiáng)度合格 4.2 鍵的選擇與強(qiáng)度的校核 1大臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強(qiáng)度校核 選擇普通圓頭平鍵，GB/T1096 b h l 10 8 70 平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過載，一般不會(huì)出現(xiàn) 鍵的剪斷。通常按工作面上的壓力進(jìn)行條件性的強(qiáng)度校核計(jì)算。 查得載荷在鍵的工作表面上均勻分布，普通平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件: 3 [p] (4-4) 2T 10 kld 式中: T

46、 ――傳遞的轉(zhuǎn)矩，N.m K ――鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，mm； k=0.5h,此處h為鍵的高度, mm o l 鍵的工作長(zhǎng)度，mm ；圓頭平鍵I Lb，這里L(fēng)為鍵的公稱長(zhǎng)度，mm ； b為 鍵的寬度，mm。 d 軸的直徑，mm。 [P]——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力， MPa。 從本書表6 2查得材料為鋼和鑄鐵在輕微沖擊載荷作用下的許用擠壓應(yīng)力分別為 100『20MPa和 50 何 60MPa。 鍵的材料為45號(hào)鋼，大臂與鉆轉(zhuǎn)軸的材料分別為 HT150和45號(hào)鋼。三者中最弱的材 料是鑄鐵，測(cè)試中存在輕微沖擊載荷，故[p]為5^ 60MPa，取其平均值，[p]

47、=55MPa 此處鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩 T=40N|m，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度 k=4mm，鍵的工作長(zhǎng)度 4.4）得: 70 10mm 60mm，軸的直徑d =30mm。將這些數(shù)據(jù)代入公式 3 2T 10 2 40 103 4 60 30 MPa kld 11.11MPa [ p] 故鍵的強(qiáng)度滿足要求，鍵聯(lián)接安全。 2.小臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強(qiáng)度校核 選擇使用普通圓通平鍵 ，GB/T1096尺寸 b h l 10 8 60 平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過載，一般不會(huì)出現(xiàn) 鍵的剪斷。通常按工作面上的壓力進(jìn)行條件性的強(qiáng)度校核計(jì)算 查得載荷

48、在鍵的工作表面上均勻分布，普通平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件: 3 [p] 2T 10 kld 式中: T――傳遞的轉(zhuǎn)矩，N m。 K 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，mm； k=0.5h,此處h為鍵的高度，mm l ――鍵的工作長(zhǎng)度，mm;圓頭平鍵l L b，這里L(fēng)為鍵的公稱長(zhǎng)度，mm ; b為 鍵的寬度，mm。 d 軸的直徑，mm。 [p]——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力， MPa 從本書表6 2查得材料為鋼和鑄鐵在輕微沖擊載荷作用下的許用擠壓應(yīng)力分別為 100『20MPa和 50 何 60MPa。 鍵的材料為45號(hào)鋼，大臂與旋轉(zhuǎn)軸的材料分別為 HT150和45號(hào)鋼。

49、三者中最弱的材 料是鑄鐵，測(cè)試中存在輕微沖擊載荷，故[p]為5^| 60MPa，取其平均值，[p]=55MPa 此處鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩 T=40N|m，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度 k=4mm，鍵的工作長(zhǎng)度 3 2T 10 kld l=30-10=20mm,軸的直徑d =30mm。將這些數(shù)據(jù)代入公式（5-4）得: 3 =2X 40X 10/4 X 20X 30=33.33MP<[ q| 故鍵的強(qiáng)度滿足要求，鍵聯(lián)接安全。 4.3 軸承壽命的校核 本次設(shè)計(jì)由于大臂與小臂旋轉(zhuǎn)軸所設(shè)計(jì)的軸承是一樣的，故選用四口相同型號(hào)尺寸的 軸承，選擇深溝球軸承6186,所以校核所受載荷最大的一個(gè)軸承合格

50、即可。 本設(shè)計(jì)校核大臂旋轉(zhuǎn)軸上軸承的壽命，該軸上的軸承只受徑向載荷，軸承的預(yù)期計(jì)算壽命 Lh 100000h。軸承對(duì)軸的支撐力與軸承上所受到的徑向載荷是一對(duì)作用力與反作用力， 由前邊軸的強(qiáng)度校核部分，可以計(jì)算出軸上安裝軸承兩處的軸承所受到的徑向載荷 FrB和 FrD大小分別為： FrB 70N FrD 70N 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》第七版 P312頁(yè)公式（13 5）知以小時(shí)表示的軸承壽命Lh為: 6 Lh 60（C） （4-5） 60n P 式中： n 軸承的轉(zhuǎn)速， r min。 C ――軸承的基本額定動(dòng)載荷，kN。 P ――載荷，kN。 ——指數(shù)，對(duì)于球

51、軸承， 3。 軸承的轉(zhuǎn)速n 10r：min，從《最新軸承手冊(cè)》P?96頁(yè)表3.1 3查得代號(hào)為6186深溝球 軸承的基本額定動(dòng)載荷C 40.8k N，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入軸承壽命Lh計(jì)算公式可求得： 106 C Lh -—(-) 60n P 6 106 40800 3 11 / 、 ( )3h 3.3 1011 h ( 4-6) 60 10 70 Lh遠(yuǎn)大于Lh/，軸承的壽命滿足設(shè)計(jì)要求。 4.4 聯(lián)軸器的選擇與圓錐銷的校核 4.4.1 聯(lián)軸器的選擇. 1. 大臂旋轉(zhuǎn)軸與減速機(jī)之間聯(lián)軸器選擇 選擇圓錐銷套筒式聯(lián)軸器，如圖4-4所示: d 圖4-4圓錐銷套

52、筒式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖 聯(lián)軸器具體尺寸參數(shù)如下: d1=6mm ； d2=4mm ； L=45mm ； D0 =35mm；額定轉(zhuǎn)矩 50N.M ;圓錐銷 6 35;圓錐銷 4 35 2. 旋轉(zhuǎn)盤與減速機(jī)之間聯(lián)軸器選擇 如圖（4-4）所示：具體尺寸參數(shù)如下： d1 =8mm； d2=4mm； L=50mm; D0=4Omm；額定轉(zhuǎn)矩 70N.M ;圓錐銷 8 40;圓錐銷 4 40 4.4.2 聯(lián)軸器圓錐銷的校核 由于聯(lián)軸器最小直徑圓錐銷都是 4mm,所以本次設(shè)計(jì)只校核受力最大的即可 圓錐銷主要受橫向剪切力的作用而失效，校核公式為: (4-7) 2000T d2D 式中： D

53、——圓錐銷的平均直徑， mm。 T 所傳遞的轉(zhuǎn)矩，N.m。 D 軸徑，mm。 銷的許用剪切應(yīng)力，對(duì)于 45號(hào)鋼一般取80MPa 其中，T=40N.m ； d=4.5mm； D=19mm，所以: 200T d2D 2000 40 4.52 19 66.185MPa (4-8) 所以校核合格 第5章控制系統(tǒng)介紹與選擇 機(jī)器人具有多個(gè)自由度，每個(gè)自由度一般包括一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組 成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。因此，控制系 統(tǒng)在本次設(shè)計(jì)中非常重要。本次設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖5-1 所示

54、： 圖5-1控制系統(tǒng)總體框圖 5.1 單片機(jī)最小系統(tǒng) 由于單片機(jī)體積小，價(jià)格便宜且具有高穩(wěn)定性和很強(qiáng)的抗干擾能力，因此本次設(shè)計(jì)控 制芯片選擇8051單片機(jī)。單片機(jī)最小系統(tǒng)一般由單片機(jī)、復(fù)位電路、震蕩電路等組成， 由于本次設(shè)計(jì)使用8051單片機(jī)，所以以8051最小系統(tǒng)為例介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)。8051單 片機(jī)最小系統(tǒng)硬件電路圖如圖5-2所示。 圖5-2 51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 5.1.1 8051 單片機(jī)介紹 8051單片機(jī)的片結(jié)構(gòu)如圖6-3所示。8051單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必須的基本 容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部

55、件組成： 1. 微處理器CPU 2. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM 3. 程序存儲(chǔ)器ROM/EPROM 4. 4 個(gè) 8 位并行 I/O 口( P0 口 P1 口 P2 口 P3 口) 5. 1個(gè)串行口 6. 2個(gè)16位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器 7. 中斷系統(tǒng) 8. 特殊功能寄存器(SFR) 上述各功能部件是通過片單一總線連接而成， 如圖6-3所示。 圖6-3中各功能部件的功能如下： (1) CPU微處理器8051單片機(jī)中有一個(gè)8位的微處理器，與通用的微處理器基本相 同，同樣包括了運(yùn)算器和微處理器兩大部分。只是增加了面向控制的處理功能，不僅可以 處理字節(jié)數(shù)據(jù)，也可以進(jìn)行位變量的控制。 (2)

56、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片為128B，片外最多可外擴(kuò)64KB。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)單片機(jī)運(yùn)行 期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。片的 128B的RAM，以 高速RAM形式集成在的單片機(jī)，可以加快單片機(jī)的運(yùn)行速度，而且這種結(jié)構(gòu)還可以降低 單片機(jī)的功耗。 (3) 程序存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)程序，為4K的ROM，最多可外擴(kuò)至64KB。 (4) 中斷系統(tǒng) 具有5個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 (5) 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 片有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有4種工作方式。 (6) 串行口 1個(gè)全雙工的的串行口，具有4種工作方式?？捎脕磉M(jìn)行串行通信，擴(kuò)展 并行I/O 口。 (7) P1 口、P2

57、口、P3 口、P0 口 為 4 個(gè)并行 8 位 I/O 口。 (8) 特殊功能寄存器SFR特殊功能寄存器共有21個(gè)，用于CPU對(duì)片各功能部件進(jìn) 行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上片各功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)具有特殊 功能的RAM區(qū)。 8 8 圖5-3 8051單片機(jī)片結(jié)構(gòu) 5.1.2 復(fù)位電路 單片機(jī)的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個(gè)確定的狀態(tài)，一般來說，單片機(jī) 復(fù)位電路作用是把一個(gè)例如狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)部，復(fù)位的時(shí)候單片機(jī)是 把一些寄存器以及存儲(chǔ)設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個(gè)值。 單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST 上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上

58、電復(fù)位。 當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時(shí)間必須大于單片機(jī)的兩 個(gè)機(jī)器周期。具體數(shù)值可以由 RC 電路計(jì)算出時(shí)間常數(shù)。 復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。 (1) 上電復(fù)位：STC89系列單片及為高電平復(fù)位，通常在復(fù)位引腳 RST上連接一個(gè)電 容到VCC，再連接一個(gè)電阻到 GND，由此形成一個(gè)RC充放電回路保證單片機(jī)在上電時(shí) RST 腳上有足夠時(shí)間的高電平進(jìn)行復(fù)位，隨后回歸到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這個(gè)電阻 和電容的典型值為10K和10uF。 (2) 按鍵復(fù)位： 按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個(gè)開關(guān)， 當(dāng)開關(guān)按下時(shí)電容被放電、 RST 也被拉到高電平，而且

59、由于電容的充電，會(huì)保持一段時(shí)間的高電平來使單片機(jī)復(fù)位。 5.1.3 振蕩電路 單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié) 合單片機(jī)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片 機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。 在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬分之五十。高級(jí)的精度更高。 有些晶振還可以由外加電壓在一定圍調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器( VCO) o晶振用一種能 把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。 單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)

60、鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于 各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方 法保持同步。 晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同 頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。 8051 使用 12MHz 的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機(jī)部帶有振蕩電路，所以外部 只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可，電容容量一般在 15pF至50pF之間。 5.2 串行接口電路 串行接口是為了讓單片機(jī)與外部設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的一種方式。 串行接口具有使用線路少、 成本低等優(yōu)點(diǎn)。AT89C51單片機(jī)具有一個(gè)全雙工串行

61、通信接口，這樣可以很容易的實(shí)現(xiàn)單 片機(jī)與PC機(jī)之間或者多機(jī)之間的通信。 因?yàn)閱纹瑱C(jī)串行口的輸出與輸入均為 TTL電平。這種以TTL電平串行傳輸數(shù)據(jù)的方式， 抗干擾技能差，傳輸距離短。為了提高串行通信的可靠性，增大串行通信的距離就必須采 用標(biāo)準(zhǔn)串口。RS-232C是異步串行通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)串行接口，它定義了數(shù)據(jù)終設(shè)備 （DTE）數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。PC機(jī)都配有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C接口， 由于TTL電平和RS-232C電平互不兼容，所以兩者連接必須有電平轉(zhuǎn)換。單片機(jī)信號(hào)為 TTL電平（0V?5V）。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)電平（邏輯1: -3V?-15V;邏輯0: +3V

62、?+15V）。如 果需要兩者之間的電平轉(zhuǎn)換需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片，這里選用 MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。 MAX232是由美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換芯片，此芯片由于部有自升壓的電平 倍增電路，可以將+5V轉(zhuǎn)換成-10V?+10V，滿足RS-232C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯1和邏輯0的電平 要求。 設(shè)計(jì)電路如圖5-4，電平轉(zhuǎn)換芯片的R1out和T1in分別與單片機(jī)的RXD和TXD管腳 相連接。同時(shí)選用通用的9芯的RS-232接口，即DB9F。 C2 圖5-4串行接口電路圖 5.3 傳感器 5.3.1 傳感器的選型 本次設(shè)計(jì)傳感器采用 VTI Technologies公司的SCA100T

63、系列。SCA100T是采用微電 子機(jī)電技術(shù)（MEMS）制造的一款雙軸加速度傳感器，模擬輸出的電壓圍為0-5v , SCA100T 單軸的最大輸出圍約為土 90度。在采樣頻率為8Hz及以下時(shí)，可獲得0.002度的輸出分 辨率。 MEMS是二^一世紀(jì)的前沿技術(shù)，采用MEMS技術(shù)可以在硅芯片上加工出完整的微型 電子機(jī)械系統(tǒng)，包含了微型傳感器、微型機(jī)械機(jī)構(gòu)、以以及信號(hào)處理和控制電路、通訊接 口等于一體的微型器件，把信息系統(tǒng)的微型化、多功能化、智能化和可靠性提高到新的高 度。 SCA100T部包含了一個(gè)硅敏感微電容傳感器和一個(gè) ASIC專用集成電路，ASIC電路 集成了 EEPROM存儲(chǔ)器、信號(hào)放

64、大器、AD轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器和SPI串行通信接口，組 成了一個(gè)完整的數(shù)字模擬雙輸出的傳感器。有 30°和90°兩種量程，主要性能如下： 1. XY雙軸高分辨率雙軸測(cè)量。 2. 單電源+5V直流供電，工作電流僅3Ma。 3. 模擬量輸出和11位數(shù)字量輸出。 4. AD轉(zhuǎn)換時(shí)間為150微秒。 5. 數(shù)字激活部故障自檢測(cè)。 6. 長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性高。 7. 可承受超過20000g的機(jī)械沖擊。 加速度傳感器可以用來測(cè)定變化或恒定的加速度。恒定加速度的一個(gè)特例就是重力加 速度，當(dāng)傳感器靜止時(shí)（沒有水平或垂直方向的加速度時(shí)） ，重力加速度方向和傳感器靈 敏軸的夾角就是傾角。雙軸加速度傳感

65、器測(cè)量?jī)A角有兩種放置方法：水平放置和一軸垂直 放置。本次設(shè)計(jì)采用水平放置，示意圖如下圖 5-5所示。 水平放置在土 90度的圍有很好的分辨率，水平放置時(shí)應(yīng)用如下的公式計(jì)算傾角: 其中Ax、Ay表示重力加速度輸出, arcsin( Ax / g ) y arcsin( Ay/g) y表示傾斜角度（弧度）。 5.3.2 硬件電路的設(shè)計(jì) 傳感器0UT-1引腳為模擬量輸出管腳，將其接在ADC0809的INO輸入接口，同時(shí)，為 了進(jìn)行傳感器自檢和部校正， 分別將傳感器的MISO、MOSI、SCK、CSB與單片機(jī)的P1.1、 P1.2、P1.3、P1.4相連。MISO用于傳輸傳

66、感器部模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)， MOSI與 單片機(jī)的P1.2引腳相連，用于向傳感器發(fā)送命令和進(jìn)行傳感器部自校正，使用軟件編程 通過P1.3向SCK提供串口通訊脈沖。CSB為片選信號(hào)引腳。具體硬件連接框圖如下圖5-6 所示。 SCA100T ADC0809 051 圖5-6傳感器與單片機(jī)連接框圖 5.4 電動(dòng)機(jī)的控制 機(jī)械手的各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是通過電機(jī)帶動(dòng)的，所以電機(jī)的控制很重要，現(xiàn)今有很多種 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片，根據(jù)所控制的電機(jī)種類、電壓大小、電流大小等先關(guān)參數(shù)選擇相適應(yīng) 的電機(jī)控制器，本次設(shè)計(jì)選擇 L298N電機(jī)控制器來驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)。 5.4.1 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)介 L298N 為 SGS-THOMSON Microelectronics 所 出產(chǎn)的雙全橋電 機(jī)專 用驅(qū)動(dòng)芯 片 ( DualFull-Bridge Driver ) ，部包含 4 信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū) 動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)二相或 1 個(gè)四相電機(jī)，含二個(gè) H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋 式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46V、2A