0 目 錄 摘要 . 1 1 概況及現(xiàn)狀分析 . 2 1.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀 . 3 1.3機器人發(fā)展趨勢 . 5 2 機械手的設(shè)計 . 5 2.1自由度及關(guān)節(jié) . 5 2.2基座及連桿 . 6 2.2.1 基座 . 6 2.2.2 大臂 . 6 2.2.3 小臂 . 7 2.3.1機器人手部設(shè)計 . 錯誤 !未定義書簽。 2.3傳動方式 . 7 3 驅(qū)動源的選擇與設(shè)計計算 . 9 3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定 . 9 3.2 各關(guān)節(jié)電機的選擇計算 . 10 3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 . 11 3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 . 11 3.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機的選擇 . 12 4 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 13 5各機械部件的設(shè)計選擇與校核 . 17 5.1 軸的設(shè)計與校核 . 17 5.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計 . 17 5.1.2 大臂軸的強度校核 . 17 5.2 軸承壽命的校核 . 20 6 控制系統(tǒng)設(shè)計 . 21 6.1 單片機最小系統(tǒng) . 22 6.1.1 8051單片機介紹 . 22 6.2.2 復位電路 . 23 6.1.3 振蕩電路 . 24 6.2 串行接口電路 . 24 6.3 傳感器 . 25 6.3.1 傳感器的選型 . 25 6.3.2 硬件電路的設(shè)計 . 26 6.4 電動機的控制 . 27 6.4.1 L298N電機驅(qū)動芯片簡介 . 27 6.4.2 硬件電路圖 . 27 結(jié) 論 . 27 參 考 文 獻 . 28 ABSTRACT. . 29 附件 . 29 1 多自由度機械手設(shè)計 摘要 ：在當今大規(guī)模制造業(yè)中 ， 企業(yè)為提高生產(chǎn)效率 ， 保障產(chǎn)品質(zhì)量 ， 普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度 ， 工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員 ， 逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術(shù)水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平 ， 目前 ， 工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛 等重復性并且勞動強度極大的工作 ， 工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本文將設(shè)計一臺四自由度的工業(yè)機器人 ， 用于給沖壓設(shè)備運送物料。首先 ，本文將設(shè)計機器人的底座、大臂、小臂和機械手的結(jié)構(gòu) ， 然后選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式 ，搭建機器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎(chǔ)上 ， 本文將設(shè)計該機器人的控制系統(tǒng) ， 包括數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設(shè)計以及控制軟件的設(shè)計 ， 重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的安全性。 關(guān)鍵詞： 機器人 ， 控制 ， 伺服 ， 制動 2 1 概況及現(xiàn)狀分析 1.1 機器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中 ， 生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中 ， 加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外 ， 還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè) ， 有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用 ， 為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎(chǔ)。 “工業(yè)機器人”（ Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取 、搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。 機器人是一種具有人體上肢的部分功能 ， 工作程序固定的自動化裝置。機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢 ， 但功能較少 ， 適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人 ， 而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。 簡而言之 ， 機器人就是用機器代替人手 ， 把工件由某個地方移向指定的工作位置 ， 或按照工作要求以操縱工件進行加工。 機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人 ， 也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的 裝置 ， 可以根據(jù)任務的需要編制程序 ， 以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外 ， 還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的 ， 稱為操作機（ Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè) ， 先是通過操作機來完成特定的作業(yè) ， 后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人 ， 主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上 ， 用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“ Mechanical Hand” ， 它是為主機服務的 ， 由主機驅(qū)動。除少 數(shù)外 ， 工作程序一般是固定的 ， 因此是專用的。 機器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型 ， 其中關(guān)節(jié)型機器人以其結(jié)構(gòu)緊湊 ， 所占空間體積小 ， 相對工作空間最大 ， 甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點 ， 成為機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式 ， 世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構(gòu)形式的機器人。 要機器人像人一樣拿取東西 ， 最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運動的驅(qū)動傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能。一 般而言 ， 機器人通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成 ， 如圖 1-1 所示。 3 執(zhí) 行 機 構(gòu)機器人控 制 系 統(tǒng)驅(qū) 動 - 傳 動 系 統(tǒng)手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 動 ）電 、 液 或 氣 驅(qū) 動 裝 置單 關(guān) 節(jié) 伺 服 控 制 器關(guān) 節(jié) 協(xié) 調(diào) 及 其 它 信 息 交 換計 算 機圖 1-1 機器人的一般組成 對于現(xiàn)代智能機器人而言 ， 還具有智能系統(tǒng) ， 主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛” ， 使它能識別物體和躲避障礙物 ， 以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的 ， 或者說并不是簡單的疊加在一起 ，從而構(gòu)成一個機器人的。要實現(xiàn)機器人所期望實現(xiàn)的功能 ， 機器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián) 、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖 1-2 所示。 位 形 檢 測控 制 系 統(tǒng) （ 二 ）驅(qū) 動傳 動裝 置執(zhí) 行機 構(gòu)工 作 對 象智 能 系 統(tǒng)控 制 系 統(tǒng) （ 一 ）圖 1-2 機器人各組成部分之間的關(guān)系 機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是機器人賴以完成工作任務的實體 ， 通常由連桿和關(guān)節(jié)組成 ， 由驅(qū)動傳動系統(tǒng)提供動力 ， 按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務。驅(qū)動傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機構(gòu)提供機器人各關(guān)節(jié)所需要的動力 ， 傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機器人 各關(guān)節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻則把機器人分為機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機 (Manipulator)， 相當于本文中的執(zhí)行機構(gòu)部分。 1.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀 機器人首先是從美國開始研制的。 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結(jié)構(gòu)特點是機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂 ， 端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu) ， 控制系統(tǒng)是示教型 4 的。 日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進兩種典型機器人后 ， 大力從事機器人的研究。 目前工業(yè)機 器人大部分還屬于第一代 ， 主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式 ，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng) ， 具有視覺、觸覺能力 ，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器 ， 把感覺到的信息進行反饋 ， 使機器人具有感覺機能。 第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系 ， 并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元 FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領(lǐng)域不斷擴大 ， 國際性學術(shù)交流活動十分活躍 ， 歐美各國和其他國家學術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議 ISIR 決定每年召開一次會議 ，討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。 目前 ， 工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面 ， 無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的 ， 主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。 在國外機械制造業(yè)中 ， 工業(yè)機器人應用較多 ， 發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料 ， 以及點焊、噴漆等作業(yè) ， 它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作 ， 但還不具備傳感反饋能力 ， 不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時 ， 就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進步 ， 針對于上述各個領(lǐng)域的機器人系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境 ， 適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（ CIM）要求機器 人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平 ， 要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而 ， 目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器 ， 一般采用專用計算機作為上層主控計算機 ， 使用專用機器人語言作為離線編程工具 ， 采用專用微處理器 ， 并將控制算法固化在 EPROM中 ， 這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的 ， 如果不進行重新設(shè)計 ， 多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng)。 美國工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展 ， 大致經(jīng)歷了以下幾個階段： （ 1） 1963-1967年為試驗定型階段。 1963-1966年 ， 萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。 1967年 ， 該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為 1900型。 （ 2） 1968-1970 年為實際應用階段。這一時期 ， 工業(yè)機器人在美國進入應用階段 ， 例如 ， 美國通用汽車公司 1968 年訂購了 68 臺工業(yè)機器人； 1969 年該公司又自行研制出 SAM 5 新工業(yè)機器人 ， 并用 21 組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如 ， 美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的 448 臺沖床都用工 業(yè)機器人傳遞工件。 （ 3） 1970 年至今一直處于推廣應用和技術(shù)發(fā)展階段。 1970-1972 年 ， 工業(yè)機器人處于技術(shù)發(fā)展階段。 1970年 4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據(jù)當時統(tǒng)計 ， 美國大約 200 臺工業(yè)機器人 ， 工作時間共達 60 萬小時以上 ， 與此同時 ， 出現(xiàn)了所謂了高級機器人 ， 例如：森德斯蘭德公司（ Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制 50臺機器人的系統(tǒng)。又如 ， 萬能自動公司制成了由 25 臺機器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。 其他國 家 ， 如日本、蘇聯(lián)、西歐 ， 大多是從 1967， 1968年開始以美國的“ Versatran”和“ Unimate”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說 ， 1967年 ， 日本豐田織機公司 引進美國的“ Versatran” ， 川崎重工公司引進“ Unimate” ， 并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機器人 ， 技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約 10年的實用化時期以后 ， 從 1980年開始進入廣泛的普及時代。 我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚 5-6年 ， 但是由于種種原因 ， 工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展比較 慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術(shù) ， 通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新 ， 工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。 1.3 機器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高 ， 機器人設(shè)計生產(chǎn)能力進一步得到加強 ， 尤其當機器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合 ， 從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài) ， 提高了生產(chǎn)效率。 就目前來看 ， 總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢： a)提高運動速度和運動精度 ， 減少重量和占用空間 ， 加速機器人功能部件的標準化和模塊化 ， 將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組 成結(jié)構(gòu)不同的機器人； b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合 ， 如開發(fā)微動機構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人 ， 以適應不同的場合； c)研制各類傳感器及檢測元器件 ， 如 ， 觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等 ， 用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃 ， 同時 ， 越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。 2 機械手的設(shè)計 該設(shè)計的目的是為了設(shè)計一 臺物料搬運機 器人 ， 利用現(xiàn)有已經(jīng)報廢的焊接機器人 ， 本文的 中結(jié)構(gòu)設(shè)計主要偏向于對原有機構(gòu)的改造和機械手的設(shè)計。 2.1 自由度及關(guān)節(jié) 6 圖 2-1 機械手 該機器人具有四個自由度 ， 即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié) ， 都為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)；還有一個用于夾持物料的機械手。 2.2 基座及連桿 2.2.1 基座 基座是整個機器人本體的支撐。為保證機器人運行的穩(wěn)定性 ， 采用兩塊“ Z”字形實心鑄鐵作支撐。 基座上面是接線盒子 ， 所有電機的驅(qū)動信號和反饋信號都從中出入。接線盒子外面 ， 有一個引入線出口和一個引出線出口。 2.2.2 大臂 大臂長度 230mm， 具體尺寸如圖 2-2所示 : 圖 2-2大臂外形 7 2.2.3 小臂 小臂長度 240mm， 具體尺寸如圖 2-3所示： 圖 2-3 小臂外形 圖 2-4夾鉗式手部的組成圖 2.3 傳動方式 由于一般的電機驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小 ， 需要通過傳動機構(gòu)來增加力矩 ， 提高帶負載能力。對機器人的傳動機構(gòu)的一般要求有： （ 1）結(jié)構(gòu)緊湊 ， 即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小 ， 重量最輕； （ 2）傳動剛度大 ， 即由驅(qū)動器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時角度變形要小 ， 這樣可以提高整機的固有頻率 ， 并大大減輕整機的低頻振動； （ 3） 回 差要小 ， 即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空 行程要小 ， 這樣可以得到較高的位置控制精度； 8 （ 4）壽命長、價格低。 本文所選用的電機都采用了電機和齒輪輪系一體化的設(shè)計 ， 結(jié)構(gòu)緊湊 ， 具有很強的帶負載能力 ， 但是不能通過電機直接驅(qū)動各個連桿的運動。為減小機構(gòu)運行過程的沖擊和振動 ，并且不降低控制精度 ， 采用了齒形帶傳動。 齒形帶傳動是同步帶的一種 ， 用來傳遞平行軸間的運動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動 ，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動。 齒形帶傳動原理如圖 2.7 所示。 齒輪帶的傳動比計算公式為 2112 zznni 齒輪帶的平均速度av為 2211 ntzntzv a 圖 2-5齒形帶傳動 2.4 制動器 制動器及其作用： 制動器是將機械運動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?， 從而使運動的機械速度降低或者停止的裝置 ， 它大致可分為機械制動器和電氣制動起兩類。 在機器人機構(gòu)中 ， 學要使用制動器的情況如下： 特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施 停電時 ， 防止運動部分下滑而破壞其他裝置。 機械制動器： 機械制動器有螺旋式自動加載制動器、盤式制動器、閘瓦式制動器和電磁制動器等幾種。 9 其中最典型的是電磁制動器。在機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺 服電動機 ， 伺服電機本身的特性決定了電磁制動器是不可缺少的部件。從原理上講 ， 這種制動器就是用彈簧力制動的盤式制動器 ， 只有勵磁電流通過線圈時制動器打開 ， 這時制動器不起制動作用 ， 而當電源斷開線圈中無勵磁電流時 ， 在彈簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。因此這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。又因為這種制動器常用于安全制動場合 ， 所以也稱為安全制動器。 電氣制動器 電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置 ， 反之 ， 他也具有將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之 ， 伺服電機是一種能量轉(zhuǎn)換裝置 ， 可將電能轉(zhuǎn)換為機械能 ， 同時 也能通過其反過程來達到制動的目的。但對于直流電機、同步電機和感應電機等各種不同類型的電機 ， 必須分別采用適當?shù)闹苿与娐贰?本文中 ， 該機器人實驗平臺未安裝機械制動器 ， 因此機器人的肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動的時候 ， 會因為重力因素而下落。另外 ， 由于各方面限制 ， 不方便在原有機構(gòu)上添加機械制動器 ， 所以只能通過軟件來實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動。 采用電氣制動器 ， 其優(yōu)點在于：在不增加驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量的同時又具有制動功能 ， 這是非常理想的情況 ， 而在機器人上安裝機械制動器會使質(zhì)量有所增加 ， 故應盡量避免。缺點在于：這種方法不如 機械制動器工作可靠 ， 斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔谩?3 驅(qū)動源的選擇與設(shè)計計算 3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定 重心 重心圖 3-1 機械手手臂重量分布圖 10 重心圖 3-2 開口盤重量分布圖 如圖 3-1所示 ， 設(shè)計機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 230mm， 質(zhì)量為 M1(3.4kg 左右 )， 重心在距離第一關(guān)節(jié)軸 128mm 處 ， L1=128mm。 (2).小臂的第二關(guān)節(jié)軸和手爪前部之間的距離為 224mm， 質(zhì)量為 M2(2kg 左右 )， 重心在距第二關(guān)節(jié)軸 80mm 處 ， L2=99+80=170mm。 如圖 3-2 所示 ， 設(shè)計機械手開口盤質(zhì)量和尺寸如下： 旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)盤中心距離為 230mm， 轉(zhuǎn)盤質(zhì)量為 15Kg。 本次設(shè)計機械手的基本設(shè)計參數(shù)如下： 負載 1kg；大臂回轉(zhuǎn)： 0 90 ， s/60 ； 小臂回轉(zhuǎn) ： 0 60 ， s/60 ； 腰部旋轉(zhuǎn)： 0 360 ，600/s；手爪夾持半徑 45mm 95mm。 3.2 各關(guān)節(jié)電機的選擇計算 當機械手手臂旋轉(zhuǎn)時 ， 當臂伸開呈一條直線時轉(zhuǎn)動慣量最大 ， 所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn)生電機的轉(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)動慣量為 14： J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （ 3-1） 其中： M1， M2， 分別為 3.4Kg， 2Kg； L1， L2， 分別為 128mm， 170mm 。 JG1= M1L12、JG2= M2L22， 故可忽略不計 ， 所以繞大臂軸的轉(zhuǎn)動慣量為： J1=M1L12+M2L22 (3-2) =3.40.132+20.172 =0.16kg.m2 同理可得小臂繞小臂 關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量： M2=7Kg， L4=80mm。 J2=M2L42 (3-3) =20.082 =0.013kg.m2 腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量加上大臂與小臂繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和。 設(shè)開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為 J3， 所以同理可得 腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量： M3=15Kg， L5=160mm。 11 20 1 3 1 3 53 . 4 5 1 5 0 . 1 6 2 3 . 8 3 4J J J J M L K g m （ 3-4） 3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 設(shè)大臂速度為1 60 / s ， 則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： TJ （ 3-5） 式中： T 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩 ， N.m。 J 轉(zhuǎn)動慣量 ， kg.m2。 角加速度 ， rad/s。 設(shè)機械手大臂從 00 到1 60 / s 所需的時間為： 0.2ts ， 由式（ 3-5）有： 101 1 1 1 0 . 1 6 0 . 8 4 .3 0 . 2T J J N mt 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩 ， 取安全系數(shù)為 2， 則減速機輸出軸所 需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： 01 2 2 0 . 8 4 1 . 6 8 .T T N m 選擇減速機： 型號： APEX-AE235 （同軸式行星減速機） 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 ， 步進電機應輸出力矩為： 011 1 . 6 8 0 . 0 2 .1 0 0 0 . 9out TT N mi (3-6) 選擇小型直流伺服電機： 型號： 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 電機尺寸： L=93mm D=46mm 3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 原理同上 ， 設(shè)小臂轉(zhuǎn)速2 60 / s ， 設(shè)角速度從 0 加到 2 所需加速時間 st 2.0 ， 則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： TJ （ 3-7） 12 式中： T 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩 ， N.m。 J 轉(zhuǎn)動慣量 ， kg.m2。 角加速度 ， rad/s2。 由式（ 3-7）有： 2022 2 0 . 5 4 8 8 1 0 . 4 7 .3 0 . 1T J J N mt 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩 ， 取安全系數(shù)為 2， 則 減速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： 0 2 22 2 1 0 . 4 7 2 0 . 9 4 .T T N m （ 3-8) 選擇減速機： 型號： APEX-AE235 （同軸式行星減速機） 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 ， 步進電機應輸出力矩為： 022 2 0 . 9 4 0 . 2 3 3 .1 0 0 0 . 9out TT N mi (3-9) 選擇小型直流伺服 電機 ： 型號 ： 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 電機尺寸 ： L=93mm D=46mm 3.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機的選擇 設(shè)旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度為3 60 / s ， 則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下 ： TJ （ 3-10） 式中 ： T 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩 ， N.m。 J 轉(zhuǎn)動慣量 ， kg.m2。 角加速度 ， rad/s。 設(shè)機械手大臂從 00 到3 60 / s 所需的時間為 ： 0.2ts 則 ： 00 0 0 0 . 0 1 3 0 . 0 7 .3 0 . 2T J J N mt 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩 ， 取安全系數(shù)為 2， 則減速機輸 13 出軸所需輸出的最小 轉(zhuǎn)矩為： 0 0 02 2 0 . 0 7 0 . 1 4 .T T N m (3-11) 選擇減速機 ： 型號 ： APEX-AE238 （ 同軸式行星減速機 ） 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 ： %90 ， 步進電機應輸出力矩為 ： 000 0 . 1 4 0 . 0 1 5 .1 0 0 0 . 9out TT N mi (3-12) 選擇小型直流伺服電機 型號 ： 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 電機尺寸 ： L=124mm D=64mm 4 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 機械手的設(shè)計 工業(yè)機器人的手又稱為末端執(zhí)行器 ， 它使機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能 ， 并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同 ， 因此工業(yè)機器人末端操作 器是多種多樣的 ， 大致可分為以下幾類： （ 1） 夾鉗式取料手 （ 2） 吸附式取料手 （ 3） 專用操作器及轉(zhuǎn)換器 （ 4） 仿生多指靈巧手 本文設(shè)計對象為 物料搬運 機器人 ， 并不需要復雜的多指人工指 ， 只需要設(shè)計能從不同角度抓取工件的鉗形指。 手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件 ， 是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。該設(shè)計采用兩個手指 ， 其外形如圖 4.1 所示 14 圖 4.1 機械手手指形狀 傳動機構(gòu)是向手指傳遞運動和動力 ， 以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)。圖 4.1 為初步設(shè)計的機械手機構(gòu)簡圖（只畫出了一半 ， 另外一半關(guān)于中心線對稱）。 圖 4.2 機械手機構(gòu)簡圖 在圖 4.2 中 ， O 為電機輸出軸 ， 曲柄 OA、連桿 AB、滑塊 B 和支架構(gòu)成曲柄滑塊機構(gòu)；滑塊 B、連桿 BC、搖桿 CE 和支架構(gòu)成滑塊搖桿機構(gòu)。通過兩個機構(gòu)串聯(lián) ， 使電機最終驅(qū)動 DE 的來回擺動 ， 從而實現(xiàn)手指的開合運動。 圖 4.2 中的黑線和藍線表示機構(gòu)運行的兩個極限位置。 為便于手指的順利合攏 ， 可以在兩個手指之間設(shè)置一個彈簧 ， 這樣還可以提供適當?shù)膴A緊力。另外 ， 在選用電機的時候 ， 要使電機的功率足以克服彈簧的收縮和張開 ， 并且提供足夠加緊物體的力。 15 圖 4.3 機械手部位 pro|e 三維圖 圖 4.4 虛擬樣機場景 下面更進一步計算出所需要的電機力矩。 16 圖 4.5 力矩變化情況 從圖 4.5 中看到 ， 起始階段須克服的彈簧力最大 ， 電機轉(zhuǎn)矩必須大于 550N mm， 這為電機的挑選提供了一定的依據(jù)。 17 5 各機械部件的設(shè)計選擇與校核 5.1 軸的設(shè)計與校核 5.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計 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)計中機構(gòu)的特點 ， 選擇傳動軸為直軸 .知條件可知 n=10r/min， 由電機傳遞到軸上的功率 = 5 0 0 . 9 = 0 . 0 4 5 wP P K 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； 屈服強度極限 ： s=360MPa； 抗拉強度極限b=650 MPa， 彎曲疲勞強度極限 1=300 MPa. 由表查得 -1b=55 MPa. 初步確定軸的直徑： 按照扭轉(zhuǎn)強度估計軸輸出端直徑 由表 查得 C=1.3 126 取 C=120 由式3 pd=n， 得 d=120 3 0.04510=19.81 取 d=19mm 軸的設(shè)計尺寸參數(shù)如下圖 5-1 所示： 圖 5-1 大臂旋轉(zhuǎn)軸 5.1.2 大臂軸的強度校核 按照扭轉(zhuǎn)強度校核： 本次設(shè)計傳動軸全長 193mm， 最小軸頸 19mm， 材料為 45 號鋼 ， 經(jīng)調(diào)質(zhì)后 使用。 軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為： 39550000 n= 0 . 2 dTTTPTW（ 5-1） 式中： T 扭轉(zhuǎn)切應力 ， MPa。 T 軸所受的扭矩 ， N.mm。 18 TW 軸的抗扭截面系數(shù) ， 3mm 。 N 軸的轉(zhuǎn)速 ； r/min。 P 軸的傳遞功率 ， Kw。 D 計算界面處軸的直徑 ， mm。 T 許用扭轉(zhuǎn)切應力 ， MPa。 由上式得： 33 09 5 5 0 0 0 0 pd = A0 . 2 nt pn（ 5-2） 查表得 T的范圍為 25 MPa 45MPa；0A的范圍為 103 126。 本次設(shè)計 T取 40 則 30 9550000 1 0 6 . 80 . 2 4 0A 取 106 則3 30 0 . 0 4 5d 1 0 6 1 7 . 5 m mn 1 0PA 本次設(shè)計最小軸徑為 19mm17.5mm， 故滿足強度要求 。 按照彎扭合成強度校核： 彎扭合成圖如圖 5-2 所示： 19 圖 5-2 彎扭合成圖 r 1 2 3122121121= ( 3 . 4 2 1 ) 1 0 6 47 1 m m.70.70y = y = 0. 6 4 7 1 4 5 4 4 . m mF A V RF B V RRFAVRFBVHRF G G G NLFF L F LF L F LFLFNLFLFNLMMM F L N 若是軸強度合格 ， 則 22c a - 1=MW （ 5.3） 式中： 20 ca 軸的計算應力 ， 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) ， 3mm 。 截面系數(shù)。 本次設(shè)計軸的材料為 45 號剛 ， 查表得： 0.6取 ， -1 60 取 軸的危險界面斷面圖如下圖 5-3 所示： 圖 5-3 軸的危險截面斷面圖 圖中 ， b=8mm， t=3.5mm， d=30mm 2233 3b t d - t 8 3 . 5 3 0 3 . 5d 3 0- = 2 3 2 3 m m3 2 2 d 3 2 2 3 0W 所以： 2222ca4 5 4 4 0 . 6 4 0 0 0 0= 1 0 . 1 52323MTW 即 c a 1= 1 0 . 1 5 6 0所以本次設(shè)計的軸強度合格。 5.2 軸承壽命的校核 本次設(shè)計由于大臂與小臂旋轉(zhuǎn)軸所設(shè)計的軸承是一樣的 ， 故選用四口相同型號尺寸的軸承 ， 選擇深溝球軸承 6186， 所以校核所受載荷最大的一個軸承合格即可。 本設(shè)計校核大臂旋轉(zhuǎn)軸上軸承的壽命 ， 該軸上的軸承只受徑向載荷 ， 軸承的預期計算壽命/ 100000hLh 。 軸承對軸的支撐力與軸承上所受到的徑向載荷是一對作用力與反作用力 ， 由 21 前邊軸的強度校核部分 ， 可以計算出軸上安裝軸承兩處的軸承所受到的徑向載荷rBF和rDF大小分別為： 70rBFN 70rDFN 查機械設(shè)計第七版 312P 頁公式（ 13 5 ）知以小時表示的軸承壽命hL為 ： 610 ()60h CL nP（ 5-5） 式中 ： n 軸承的轉(zhuǎn)速 ， r min 。 C 軸承的基本額定動載荷 ， kN。 P 載荷 ， kN。 指數(shù) ， 對于球軸承 ， 3 。 軸承的轉(zhuǎn)速 10 r minn ， 從最新軸承手冊296P頁表 3.1 3 查得代號為 6186 深溝球軸承的基本額定動載荷 40.8 k NC ， 將相關(guān)數(shù)據(jù)代入軸承壽命hL計 算公式可求得 ： 66 3 1 11 0 1 0 4 0 8 0 0( ) ( ) h 3 . 3 1 0 h6 0 6 0 1 0 7 0h CL nP hL遠大于 /hL， 軸承的壽命滿足設(shè)計要求 。 6 控制系統(tǒng)設(shè)計 機器人具有多個自由度 ， 每個自由度一般包括一個伺服機構(gòu) ， 它們必須協(xié)調(diào)起來 ， 組成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng) ， 一般要用計算機來實現(xiàn)。因此 ， 控制系統(tǒng)在本次設(shè)計中非常重要。本次設(shè)計選擇 單片機控制系統(tǒng) ， 控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖 6-1 所示： 22 單片機傳 感 器獨 立 鍵盤計 算 機電 磁 閥 機 械 手 爪驅(qū) 動 芯 片 伺 服 電 機傳 動 部 件機 械 手 臂圖 6-1 控制系統(tǒng)總體框圖 6.1 單片機最小系統(tǒng) 由于單片機體積小 ， 價格便宜且具有高穩(wěn)定性和很強的抗干擾能力 ， 因此本次設(shè)計控制芯片選擇 8051 單片機。單片機最小系統(tǒng)一般由單片機、復位電路、震蕩電路等組成 ， 由于本次設(shè)計使用 8051 單片機 ， 所以以 8051 最小系統(tǒng)為例介紹單片機最小系統(tǒng)。 8051 單片機最小系統(tǒng)硬件電路圖如圖 6-2所示。 30uF30uF12MHzSW-PB10KP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56RST/Vpd9P3.0RXT10P3.1TXD11P3.2 INT 012P3.3 INT 113P3.4 T014P3.5 T115P3.6WR16P3.7RD17XTAL218XTAL119Vss20Vcc40P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732EA/Vpp31ALE/PROG30PSEN29P2.728P2.627P2.526P2.425P2.324P2.223P2.122P2.021P1.78P1.678051805110uF+5200+5圖 6-2 51 單片機最小系統(tǒng)電路圖 6.1.1 8051單片機介紹 8051 單片機的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖 6-3 所示。 8051 單片機是把那些作為控制應用所必須的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分 ， 它由如下功能部件組成： 23 (1). 微處理器 CPU (2). 數(shù)據(jù)存儲器 RAM (3). 程序存儲 器 ROM/EPROM (4). 4 個 8 位并 行 I/O 口（ P0 口 P1 口 P2 口 P3 口） (5). 1 個串行口 (6). 2 個 16 位定時器、計數(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內(nèi)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 單片機中有一個 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) ， 也可以進行位變量的控制。 (2) 數(shù) 據(jù)存儲器 片內(nèi)為 128B， 片外最多可外擴 64KB。數(shù)據(jù)存儲器來存儲單片機運行期間的工作變量、運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等。片內(nèi)的 128B 的 RAM， 以高速 RAM 形式集成在的單片機內(nèi) ， 可 以加快單片機的運行速度 ， 而且這種結(jié)構(gòu)還可以降低單片機的功耗 。 (3) 程序存儲器 用來存儲程序 ， 為 4K 的 ROM， 最多可外擴至 64KB。 (4) 中斷系統(tǒng) 具有 5 個中斷源 ， 2 級中斷優(yōu)先權(quán)。 (5) 定時器 /計數(shù)器 片內(nèi)有 2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器 ， 具有 4 種工作方式。 (6) 串行口 1 個全雙工的的串行口 ， 具有 4 種工作方式?？捎脕磉M行串行通信 ， 擴展并行 I/O 口。 (7) P1 口、 P2 口、 P3 口、 P0 口 為 4 個并行 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 ， 用于 CPU 對片 內(nèi)各功能部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上片內(nèi)各功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器 ， 是一個具有特殊功能的 RAM 區(qū)。 圖 6-3 8051 單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu) 6.2.2 復位電路 CPU 運算器 控制器 數(shù)據(jù)存儲器 RAM P0 P2 P1 P3 串 行 口 定時器 計數(shù)器 程序存儲器 ROM/EPROM 特殊功能寄存器 SFR XTAL1 XTAL2 ALE PSEN EA RESET 8 8 8 8 24 單片機的置位和復位 ， 都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài) ， 一般來說 ， 單片機復位電路作用是把一個例如狀態(tài)機初始化到空狀態(tài) ， 而在單片機內(nèi)部 ， 復位的時候單片機是把一些寄存器以及存儲設(shè)備裝入廠商預設(shè)的一個值。 單片機復位電路原理是在單片機的復位引腳 RST上外接電阻和電容 ， 實現(xiàn)上電復位。當復 位