摘 要
本次设计实验用三自由度机械手为实验用专用机械手，主要由手爪、手臂、机身、机座等组成，具备上料、搬运等多种功能，本机械手机身采用机座式，实验对象围绕机座布置，其坐标形式为关节式，具有水平旋转、手臂竖直摆动等3个自由度；驱动方式为电机驱动，利用电机带动减速机，减速机减速后带动旋转轴实现各个回转运动。电动驱动的优点是控制精度高，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好。本次设计的机械手能对不同物体完成多种动作。采用单片机控制系统，最终实现关节的伺服控制和制动、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的在线修改程序、设置参考点和回参考点。
关键词：机械手；电机驱动；伺服。
I
目 录
摘 要 ..................................................................................................................... I Abstract ............................................................................... 错误！未定义书签。
第1章 绪论 ........................................................................................................ 1
1.1 题目提出的意义 ................................................................................... 1 1.2 国内外发展现状 ................................................................................... 1 第2章 方案的确定与比较分析 ........................................................................ 3
2.1 机械手机械系统的比较与选择 ........................................................... 4 2.2 机械手驱动系统的比较与选择 ........................................................... 6 第3章 驱动源的选择与设计计算 .................................................................... 9
3.1 主要技术参数的确定 ........................................................................... 9 3.2 各关节电机的选择计算 ..................................................................... 10
3.2.1 大臂旋转电机的选择 .............................................................. 11 3.2.2 小臂旋转电机的选择 .............................................................. 12 3.2.3 腰部旋转电机的选择 .............................................................. 13
第4章 手部结构设计 ...................................................................................... 15
4.1 夹持式手部结构 ................................................................................. 15
4.1.1 手指的形状和分类 .................................................................. 15 4.1.2 设计时考虑的几个问题 .......................................................... 15 4.2 手部夹紧气缸的设计 ......................................................................... 16
4.2.1 弹簧的设计计算 ...................................................................... 16 4.2.2 对于压缩弹簧稳定性的验算 .................................................. 17 4.2.3 疲劳强度和应力强度的验算。 .............................................. 17 4.2.4 手部驱动力计算 ...................................................................... 18 4.2.5 气缸直径的设计计算 .............................................................. 19 4.2.6 缸筒壁厚的设计 ...................................................................... 21 4.2.7 活塞杆运动行程的计算 .......................................................... 21
第5章 各机械部件的设计选择与校核 .......................................................... 23
5.1 轴的设计与校核 ................................................................................. 23
5.1.1 大臂旋转轴的设计 .................................................................. 23
5.1.2 大臂轴的强度校核 .................................................................. 24 5.2 键的选择与强度的校核 ..................................................................... 27 5.3 轴承寿命的校核 ................................................................................. 30 5.4 联轴器的选择与圆锥销的校核 ......................................................... 31
5.4.1 联轴器的选择. ......................................................................... 31 5.4.2 联轴器圆锥销的校核 .............................................................. 32
第6章 控制系统设计 ...................................................................................... 33
6.1 单片机最小系统 ................................................................................. 33
6.1.1 8051单片机介绍 ..................................................................... 34 6.2.2 复位电路 .................................................................................. 36 6.1.3 振荡电路 .................................................................................. 36 6.2 串行接口电路 ..................................................................................... 37 6.3 传感器 ................................................................................................. 38
6.3.1 传感器的选型 .......................................................................... 38 6.3.2 硬件电路的设计 ...................................................................... 39 6.4 电动机的控制 ..................................................................................... 40
6.4.1 L298N电机驱动芯片简介 ...................................................... 40 6.4.2 硬件电路图 .............................................................................. 41
结 论 .................................................................................................................... 42 致 谢 .................................................................................................................... 43 参 考 文 献 ........................................................................................................ 44
CONTENTS
Abstract ............................................................................... 错误！未定义书签。
Chapter 1 Introduction ................................................... 错误！未定义书签。
1.1 Significance of proposed topics .......................... 错误！未定义书签。 1.2 Development of domestic and foreign ................ 错误！未定义书签。
Chapter 2 Determination and comparative analysis of the program错误！未定义书签
2.1 Comparison of robotic mechanical systems and choice错误！未定义书签。 2.2 Robot drive system comparison and selection .................................... 6 Chapter 3 The driving source of the selection and design calculations ........ 9
3.1 Main Technical Parameters ............................... 错误！未定义书签。 3.2 The selection and calculation of the joint motor ............................... 10
3.2.1 Choice of arm rotating motor ................... 错误！未定义书签。 3.2.2 Choice of arm rotating motor ................... 错误！未定义书签。 3.2.3 The choice of rotating electrical waist ... 错误！未定义书签。
Chapter 4 Hand structure design ................................... 错误！未定义书签。
4.1 The structure of the hand clamp .......................... 错误！未定义书签。
4.1.1 The shape of the fingers and classification 错误！未定义书签。 4.1.2 Issues to consider when designing ......... 错误！未定义书签。 4.2 The design of the hand clamp cylinder................ 错误！未定义书签。
4.2.1 Design and calculation of the spring ........ 错误！未定义书签。
4.2.2 Checking for the stability of compression spring错误！未定义书签。 4.2.3 Fatigue strength and stress intensity of checking.错误！未定义书签。 4.2.4 Calculation of driving force of the hand... 错误！未定义书签。 4.2.5 The diameter of the cylinder design calculation ....................... 19 4.2.6 Design of cylinder wall thickness ........... 错误！未定义书签。 4.2.7 Calculation of grasping gripping range .. 错误！未定义书签。
Chapter 5 Of the mechanical components of the design choices and Verification ........................................................................ 错误！未定义书签。
5.1 Design and Verification of Shaft ....................... 错误！未定义书签。
5.1.1 Design of the axis of rotation of arm ...... 错误！未定义书签。 5.1.2 Arm strength check of shafts .................... 错误！未定义书签。 5.2 The key to check the strength of selection ........ 错误！未定义书签。 5.3 Check of bearing life ........................................... 错误！未定义书签。 5.4 Selection and cone coupling pin check ............... 错误！未定义书签。
5.4.1 Coupling choice. ....................................... 错误！未定义书签。 5.4.2 Checking the coupling pin cone ............. 错误！未定义书签。
Chapter 6 Control System Design .................................. 错误！未定义书签。
6.1 Minimum System microcontroller....................... 错误！未定义书签。
6.1.1 Introduction 8051 ................................... 错误！未定义书签。 6.2.2 Reset Circuit ........................................... 错误！未定义书签。 6.1.3 Oscillation Circuit .................................... 错误！未定义书签。 6.2 Serial interface circuit ....................................... 错误！未定义书签。 6.3 Sensor .................................................................. 错误！未定义书签。
6.3.1 Sensor Selection ....................................... 错误！未定义书签。 6.3.2 Point detecting circuit ............................... 错误！未定义书签。 6.4.1 L298N motor drive chip profile ....................................................... 40
6.4.1 L298N motor drive chip profile ............... 错误！未定义书签。 6.4.2 Hardware Circuit .................................... 错误！未定义书签。
Conclusions ....................................................................... 错误！未定义书签。 Thanks ................................................................................. 错误！未定义书签。 References ......................................................................... 错误！未定义书签。