三關(guān)節(jié)機(jī)械臂設(shè)計(jì)

1、三關(guān)節(jié)機(jī)械臂及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著科技的不斷進(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) ARM微處理器（ S3C2440 芯片）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 上實(shí)現(xiàn)的，控制

2、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) 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PWM脈寬調(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 joint mechanical arm and its co

3、ntrol system designAbstractAs technology advances, mechanical arm especially humanoid type of mechanical arm is developing fast. This paper presents a humanoid type of mechanical arm.Its main characteristics is multiple ,simple, intuitive man-machine interactive way.Touch screen control and machine

4、version are introduced covering for complex operation ,such as joystick control. Mechanical arm is control by daily gestures which makes it much easier to use a mechanical arm.In order to control the mechanical arm stabily, this design uses the dual control systemunder coordinated assignments: one c

5、ontrol system uses embedded systemARM microprocessor (S3C2440 chip) - realizing the basic mechanical arm movement control encapsulation, including localization algorithm and motion control, etc.;Upper control system is on the PC platform, using vc + + 6.0 for software, realizing machine vision calcu

6、lation, and will transmit results through serial communication, to lower level system -the ARM microprocessor, leading to mechanical arm movementsThe whole design process contains rock-bottom drive hardware design: steering gear selection and control; Mechanical structure design structure design, lo

7、ad checking; Control system circuit design; Superior position software: steering gear - PWM pulse width modulation, point positioning algorithm, trajectory control algorithm, machine vision algorithms; And finally make physical for demonstration realizing writing with pen loaded.Key words: Touch scr

8、een； Machine version； embedded systems目錄摘要. .Abstract . .第 1 章 緒論 . . 11.1題目提出的意義 . . 11.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 . . 1第 2 章方案的確定與比較分析 .42.1機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的比較與選擇 . . 52.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較與選擇 .7第 3 章電機(jī)的選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算 .103.1主要技術(shù)參數(shù)的確定 . . 103.2各關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇計(jì)算 . . 103.2.1大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 113.2.2小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 123.2.3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 .154.1軸的設(shè)計(jì)與校

9、核 . . 154.1.1大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)154.1.2大臂軸的強(qiáng)度校核154.2鍵的選擇與強(qiáng)度的校核 . . 184.3軸承壽命的校核 . . 204.4聯(lián)軸器的選擇與圓錐銷的校核 . . 214.4.1聯(lián)軸器的選擇 . 214.4.2聯(lián)軸器圓錐銷的校核 22第 5 章控制系統(tǒng)介紹與選擇.235.1單片機(jī)最小系統(tǒng)235.1.1 8051單片機(jī)介紹 245.1.2復(fù)位電路255.1.3振蕩電路265.2串行接口電路 . . 275.3傳感器 . . 275.3.1傳感器的選型275.3.2硬件電路的設(shè)計(jì)295.4電動(dòng)機(jī)的控制 . . 295.4.1 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)介 305.4.2硬

10、件電路圖30結(jié)語32參考文獻(xiàn) . .33致謝 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)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于 20 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： .

11、 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】 。 . 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)式機(jī)械臂所望塵莫及的。 . 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。其中北京航空航天大學(xué)大學(xué)在機(jī)械臂及機(jī)械手的

12、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，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

13、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)械手涉及的內(nèi)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)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

14、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

15、) 研制具有柔性系統(tǒng)的機(jī)械手國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r：目前，在國(guó)內(nèi)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)的工作內(nèi)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)內(nèi)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)內(nèi)每年都

16、將舉行機(jī)器人大賽， 以增加研發(fā)單位的交流與合作【 7】。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)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)形式方特點(diǎn)案操作機(jī)的手臂具有三個(gè)直角坐標(biāo)型移動(dòng)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按直角坐標(biāo)配置操作機(jī)的手臂至少有一圓柱坐標(biāo)型個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按圓柱坐標(biāo)系配置優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖結(jié)構(gòu)剛度較好，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為簡(jiǎn)單，但其占空間較大，且運(yùn)動(dòng)軌跡單一，使用過程中效率較低

17、結(jié)構(gòu)剛度較好，運(yùn)動(dòng)所需功率較小，控制難度較小，但運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)單，使用過程中效率不高結(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)的手運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，結(jié)構(gòu)臂類似人的最為緊湊，但控制系關(guān)節(jié)型上肢關(guān)節(jié)動(dòng)統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度大，機(jī)作，具有三個(gè)械手臂的剛度差回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)操作機(jī)的手結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制臂具有兩個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定難球坐標(biāo)型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和度，且機(jī)械手臂的剛一個(gè)移動(dòng)關(guān)度不足，機(jī)械結(jié)構(gòu)較節(jié)，其軸線按為復(fù)雜極坐標(biāo)系配置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 、Y 、Z 三個(gè)方向的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。結(jié)

18、構(gòu)簡(jiǎn)圖見表 2-1。其工作范圍可以使一個(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、Y、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)范圍較小，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)作范圍較大等優(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。它的工作范圍可分為：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在平面內(nèi)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；(

19、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）和在水平面內(nèi)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 、 三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見表 2-1。球坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍包括：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

20、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，能在垂直面內(nèi)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)，工作范圍和人手的動(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。所以工效高。另外由于上下擺動(dòng)，它的相對(duì)體積小，動(dòng)作范圍大。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)

21、，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)械手工作空間范圍大，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，

22、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，壓力范圍為 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) 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

23、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)：(1) 輸出功率不大，壓力范圍為 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)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），

24、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

25、服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可很方便地在較寬范圍內(nèi)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，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

26、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)速范圍寬，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)速范圍寬、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，

27、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)

28、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：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 M 2(7kg 左右 )，重心在距第二關(guān)節(jié)軸 280mm 處， L 2=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)：0180°，；小臂回轉(zhuǎn)：0180°，/ s；腰部旋轉(zhuǎn)：0360，60 / s60600/s。3.2

29、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：J =J+M L2+J+M L2（3-1）G11G22112其中： M 1，M 2，分別為 6Kg，7Kg；L1，L 2，分別為 220mm，680mm。JG12、1 1M LJG2 M 2 L22 ，故可忽略不計(jì)，所以繞大臂軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：22(3-2)J1= M 1L1+M 2L2=6×0.22+7× 0.682=3.53kg.m2同理可得小臂繞小臂關(guān)節(jié)

30、軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：M2=7Kg，L4=280mm。2(3-3)J2=M 2L4=7× 0.282=0.5488kg.m2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：J0=j 1=3.53kg.m2（3-4）3.2.1大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇設(shè)大臂速度為160 / s ，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下：TJ（ 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/s。設(shè)機(jī)械手大臂從00 到160 / s 所需的時(shí)間為：t0.2s ，由式（ 3-5）有：T1=J1 ×W1

31、=J× W1-W0/ t=3.53 × /3 ×0.2=18.5N · 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2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：T01=2T=2×18.5=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：T0136.2(3-6)Tout 10.402N .mi100 0.9選擇小型直流伺服電機(jī)：型號(hào)： MAXON-EC118896額定轉(zhuǎn)矩： 0.7N.m

32、額定電壓： 24V額定電流： 1.5A額定轉(zhuǎn)速： 1000rpm最高轉(zhuǎn)速： 1200rpm額定功率： 40w電機(jī)尺寸： L=93mmD=46mm3.2.2小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇原理同上，設(shè)小臂轉(zhuǎn)速260 / s ，設(shè)角速度從 0 加到2 所需加速時(shí)間t0.2s ，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 J2J 2200.548810.47N.mt30.1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

33、 10.47 20.94N .m（3-8)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： 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：T0220.94(3-9)Tout 21000.233N .mi0.9選擇小型直流伺服電機(jī)：型號(hào)： MAXON-EC118896額定轉(zhuǎn)矩： 0.7N.m額定電壓： 24V額定電流： 1.5A額定轉(zhuǎn)速： 1000rpm最高轉(zhuǎn)速： 1200rpm額定功率： 40w電機(jī)尺寸： L=93mmD=46mm3.2.3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：

34、T J（3-10）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/s。設(shè)機(jī)械手大臂從00 到360 / s 所需的時(shí)間為：t0.2s 則：T0 =J0× w=J0×（ w-w0 ）=3.53 ×/ （3×0.2 ）=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2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：T00=2T0=2× 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

35、.m減速比： i3=100設(shè)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：T0041.4(3-12)Tout 00.46 N .mi100 0.9選擇小型直流伺服電機(jī)型號(hào)： MAXON-EC137489額定轉(zhuǎn)矩： 0.9N.m額定電壓： 24V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=124mmD=64mm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

36、=10r/min ，由 電 機(jī) 傳 遞到 軸上 的 功 率PP=500.9=0.045Kw電選擇軸的材料為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: s=360MPa;抗拉強(qiáng)度極限b=650 MPa,彎曲疲勞強(qiáng)度極限1=300 MPa.由表查得 -1b=55 MPa.初步確定軸的直徑：按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估計(jì)軸輸出端直徑由表查得 C=1.3126 取 C=120由式 d=3 p ,得 d=120 3 0.045 =19.81 取 d=19mmn10：圖 4-1大臂旋轉(zhuǎn)軸4.1.2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

37、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：T9550000 PnT（4-1）T =0.2d3WT式中：T 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， MPa。T軸所受的扭矩， N.mm。WT 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， MPa。由上式得：d 39550000p =A 0 3 p（ 4-2）0.2 t nn查表得 T的范圍為 25MPa45MPa； A0 的范圍為 103 126。本次設(shè)計(jì)T取40則A039550000106.80.2 40取 106則 d A03 P106 3 0.04517.5m

38、mn10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：圖 4-2彎扭合成圖Fr =G 1G2G 3(7 6 1)10140NL1 F271mmFFAV .LFR.L2FFBV .LFR.L1FR .L2FFAV70NLFR .L1FFBV70NLM 1y=M 2y=0M HFR.L1140719940N.mm若是軸強(qiáng)度合格，則M 22ca =（4.3）W-1式中：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：

39、取 0.6 ，-1取60圖 4-3軸的危險(xiǎn)截面斷面圖圖中， b=8mm，t=3.5mm，d=30mm3bt d-t232W8 3.5 30 3.5d-= 3022323mm3322d3230所以：M 229940 22T0.6 40000ca =W11.182323即c a= 1 1. 1 8 16 0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/T1096bhl10870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

40、均勻分布，普通平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件：2T103P （ 4-4）Pkld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 lLb ，這里 L 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62 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100120MPa 和 5060MPa 。鍵的材料為45 號(hào)鋼，大臂與鉆轉(zhuǎn)軸的材料分別為HT 150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

41、載荷，故P為5060MPa ，取其平均值，P =55MPa 。此處鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩T=40 N m ，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=4 mm ，鍵的工作長(zhǎng)度l 70 10mm 60mm ，軸的直徑 d =30 mm 。將這些數(shù)據(jù)代入公式（ 4.4）得：2T103Pkld24 030146030MPa11. 11M PaP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bhl10860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：2T103P Pkld式中：T傳遞的轉(zhuǎn)矩，N m 。K 鍵與