机电一体化课程设计-三自由度机械手设计.doc

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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。

目录

摘要 I

Abstract II

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

6.1.18051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

6.4.1L298N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 I

Chapter1Introduction 1

1.1Significanceofproposedtopics 1

1.2Developmentofdomesticandforeign 1

Chapter2Determinationandcomparativeanalysisoftheprogram 3

2.1Comparisonofroboticmechanicalsystemsandchoice 4

2.2Robotdrivesystemcomparisonandselection 6

Chapter3Thedrivingsourceoftheselectionanddesigncalculations 9

3.1MainTechnicalParameters 9

3.2Theselectionandcalculationofthejointmotor 10

3.2.1Choiceofarmrotatingmotor 11

3.2.2Choiceofarmrotatingmotor 12

3.2.3Thechoiceofrotatingelectricalwaist 13

Chapter4Handstructuredesign 15

4.1Thestructureofthehandclamp 15

4.1.1Theshapeofthefingersandclassification 15

4.1.2Issuestoconsiderwhendesigning 15

4.2Thedesignofthehandclampcylinder 16

4.2.1Designandcalculationofthespring 16

4.2.2Checkingforthestabilityofcompressionspring 17

4.2.3Fatiguestrengthandstressintensityofchecking. 17

4.2.4Calculationofdrivingforceofthehand 18

4.2.5Thediameterofthecylinderdesigncalculation 19

4.2.6Designofcylinderwallthickness 21

4.2.7Calculationofgraspinggrippingrange 21

Chapter5OfthemechanicalcomponentsofthedesignchoicesandVerification 23

5.1DesignandVerificationofShaft 23

5.1.1Designoftheaxisofrotationofarm 23

5.1.2Armstrengthcheckofshafts 24

5.2Thekeytocheckthestrengthofselection 27

5.3Checkofbearinglife 30

5.4Selectionandconecouplingpincheck 31

5.4.1Couplingchoice. 31

5.4.2Checkingthecouplingpincone 32

Chapter6ControlSystemDesign 33

6.1MinimumSystemmicrocontroller 33

6.1.1Introduction8051 34

6.2.2ResetCircuit 36

6.1.3OscillationCircuit 36

6.2Serialinterfacecircuit 37

6.3Sensor 38

6.3.1SensorSelection 38

6.3.2Pointdetectingcircuit 39

6.4.1L298Nmotordrivechipprofile 40

6.4.1L298Nmotordrivechipprofile 40

6.4.2HardwareCircuit 41

Conclusions 42

Thanks 43

References 44

第1章绪论

1.1题目提出的意义

本次设计的目的是为了解决本科教学中理论与实践操作融合性不强等问题，使学生在学习理论知识的基础上能得到较好的实际操作，通过不同程序的输入使学生真实的观察到机械手的运动轨迹与运动方式，进一步强化大学生学习与就业能力。

1.2国内外发展现状

机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工作的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。

从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人工物力加以研究和应用。

尤其在高温、高压、粉压、噪音以及带有放射性的污染的场合，应用得更为广泛。

在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视[1]。

1.国外发展现状

专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。

机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。

由于机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。

机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。

目前国外对发展这一技术很重视。

几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。

目前国外的发展趋势是[2]：

（1）研制有更多自由度的机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。

（2）研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。

（3）研制维修维护方便的机械手。

（4）研制能自动编制和自动改变程序的机械手。

（5）研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。

这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。

根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。

用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。

用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。

这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。

（6）机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。

（7）研制具有柔性系统的机械手

2．国内发展状况

目前，在国内广泛应用的再现式机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。

如果把这种再现式机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。

现在研究的机械手正在朝着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度[3,4]。

虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大力支持相关的设计及产品的开发。

在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交流与合作[5]。

现在国内具有越来越强的自主研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位[6]。

第2章方案的确定与比较分析

本毕业设计的机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，其结构形式方案一般有一下几种[7,8]：

表2-1机械手结构选型表

结构形式方案

特点

优缺点

结构简图

直角坐标型

操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置

结构刚度较好，控制