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-三自由度机械手设计.pdf
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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。
I
目 录
摘 要..................................................................................................................... I
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
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。
1
(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
]
。
2
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