毕业设计40多自由度机械手设计毕业论文

0 目 录 摘要 . 1 1 概况及现状分析 . 2 1.2 机器人的历史、现状 . 3 1.3机器人发展趋势 . 5 2 机械手的设计 . 5 2.1自由度及关节 . 5 2.2基座及连杆 . 6 2.2.1 基座 . 6 2.2.2 大臂 . 6 2.2.3 小臂 . 7 2.3.1机器人手部设计 . 错误 !未定义书签。 2.3传动方式 . 7 3 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 . 11 3.2.3 腰部旋转电机的选择 . 12 4 手部结构设计 . 13 5各机械部件的设计选择与校核 . 17 5.1 轴的设计与校核 . 17 5.1.1 大臂旋转轴的设计 . 17 5.1.2 大臂轴的强度校核 . 17 5.2 轴承寿命的校核 . 20 6 控制系统设计 . 21 6.1 单片机最小系统 . 22 6.1.1 8051单片机介绍 . 22 6.2.2 复位电路 . 23 6.1.3 振荡电路 . 24 6.2 串行接口电路 . 24 6.3 传感器 . 25 6.3.1 传感器的选型 . 25 6.3.2 硬件电路的设计 . 26 6.4 电动机的控制 . 27 6.4.1 L298N电机驱动芯片简介 . 27 6.4.2 硬件电路图 . 27 结 论 . 27 参 考 文 献 . 28 ABSTRACT. . 29 附件 . 29 1 多自由度机械手设计 摘要 ：在当今大规模制造业中 ， 企业为提高生产效率 ， 保障产品质量 ， 普遍重视生产过程的自动化程度 ， 工业机器人作为自动化生产线上的重要成员 ， 逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平 ， 目前 ， 工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛 等重复性并且劳动强度极大的工作 ， 工作方式一般采取示教再现的方式。本文将设计一台四自由度的工业机器人 ， 用于给冲压设备运送物料。首先 ，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构 ， 然后选择合适的传动方式、驱动方式 ，搭建机器人的结构平台；在此基础上 ， 本文将设计该机器人的控制系统 ， 包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计 ， 重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性。 关键词： 机器人 ， 控制 ， 伺服 ， 制动 2 1 概况及现状分析 1.1 机器人概述 在现代工业中 ， 生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中 ， 加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外 ， 还有大量的装卸、搬运、装配等作业 ， 有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用 ， 为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业机器人”（ Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取 、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能 ， 工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势 ， 但功能较少 ， 适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人 ， 而把工业机械人称为通用机器人。 简而言之 ， 机器人就是用机器代替人手 ， 把工件由某个地方移向指定的工作位置 ， 或按照工作要求以操纵工件进行加工。 机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人 ， 也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的 装置 ， 可以根据任务的需要编制程序 ， 以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外 ， 还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的 ， 称为操作机（ Manipulator）。它起源于原子、军事工业 ， 先是通过操作机来完成特定的作业 ， 后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人 ， 主要附属于自动机床或自动生产线上 ， 用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“ Mechanical Hand” ， 它是为主机服务的 ， 由主机驱动。除少 数外 ， 工作程序一般是固定的 ， 因此是专用的。 机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型 ， 其中关节型机器人以其结构紧凑 ， 所占空间体积小 ， 相对工作空间最大 ， 甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点 ， 成为机器人中使用最多的一种结构形式 ， 世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。 要机器人像人一样拿取东西 ， 最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构 执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一 般而言 ， 机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成 ， 如图 1-1 所示。 3 执 行 机 构机器人控 制 系 统驱 动 - 传 动 系 统手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 动 ）电 、 液 或 气 驱 动 装 置单 关 节 伺 服 控 制 器关 节 协 调 及 其 它 信 息 交 换计 算 机图 1-1 机器人的一般组成 对于现代智能机器人而言 ， 还具有智能系统 ， 主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛” ， 使它能识别物体和躲避障碍物 ， 以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的 ， 或者说并不是简单的叠加在一起 ，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能 ， 机器人的各部分之间必然还存在着相互关联 、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图 1-2 所示。 位 形 检 测控 制 系 统 （ 二 ）驱 动传 动装 置执 行机 构工 作 对 象智 能 系 统控 制 系 统 （ 一 ）图 1-2 机器人各组成部分之间的关系 机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体 ， 通常由连杆和关节组成 ， 由驱动传动系统提供动力 ， 按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力 ， 传动系统则将驱动力转换为满足机器人 各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机 (Manipulator)， 相当于本文中的执行机构部分。 1.2 机器人的历史、现状 机器人首先是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂 ， 端部装有电磁铁的工件抓放机构 ， 控制系统是示教型 4 的。 日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种典型机器人后 ， 大力从事机器人的研究。 目前工业机 器人大部分还属于第一代 ， 主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式 ，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统 ， 具有视觉、触觉能力 ，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器 ， 把感觉到的信息进行反馈 ， 使机器人具有感觉机能。 第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系 ， 并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大 ， 国际性学术交流活动十分活跃 ， 欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议 ISIR 决定每年召开一次会议 ，讨论和研究机器人的发展及应用问题。 目前 ， 工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面 ， 无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的 ， 主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。 在国外机械制造业中 ， 工业机器人应用较多 ， 发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料 ， 以及点焊、喷漆等作业 ， 它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作 ， 但还不具备传感反馈能力 ， 不能应付外界的变化。如发生某些偏离时 ， 就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步 ， 针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境 ， 适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（ CIM）要求机器 人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平 ， 要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而 ， 目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器 ， 一般采用专用计算机作为上层主控计算机 ， 使用专用机器人语言作为离线编程工具 ， 采用专用微处理器 ， 并将控制算法固化在 EPROM中 ， 这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的 ， 如果不进行重新设计 ， 多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。 美国工业机器人技术的发展 ， 大致经历了以下几个阶段： （ 1） 1963-1967年为试验定型阶段。 1963-1966年 ， 万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。 1967年 ， 该公司生产的工业机器人定型为 1900型。 （ 2） 1968-1970 年为实际应用阶段。这一时期 ， 工业机器人在美国进入应用阶段 ， 例如 ， 美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台工业机器人； 1969 年该公司又自行研制出 SAM 5 新工业机器人 ， 并用 21 组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如 ， 美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的 448 台冲床都用工 业机器人传递工件。 （ 3） 1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。 1970-1972 年 ， 工业机器人处于技术发展阶段。 1970年 4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计 ， 美国大约 200 台工业机器人 ， 工作时间共达 60 万小时以上 ， 与此同时 ， 出现了所谓了高级机器人 ， 例如：森德斯兰德公司（ Sundstrand）发明了用小型计算机控制 50台机器人的系统。又如 ， 万能自动公司制成了由 25 台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。 其他国 家 ， 如日本、苏联、西欧 ， 大多是从 1967， 1968年开始以美国的“ Versatran”和“ Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说 ， 1967年 ， 日本丰田织机公司 引进美国的“ Versatran” ， 川崎重工公司引进“ Unimate” ， 并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人 ， 技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约 10年的实用化时期以后 ， 从 1980年开始进入广泛的普及时代。 我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚 5-6年 ， 但是由于种种原因 ， 工业机器人技术的发展比较 慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术 ， 通过引进、仿制、改造、创新 ， 工业机器人将会获得快速的发展。 1.3 机器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高 ， 机器人设计生产能力进一步得到加强 ， 尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合 ， 从而改变目前机械制造的人工操作状态 ， 提高了生产效率。 就目前来看 ， 总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度 ， 减少重量和占用空间 ， 加速机器人功能部件的标准化和模块化 ， 将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组 成结构不同的机器人； b)开发各种新型结构用于不同类型的场合 ， 如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人 ， 以适应不同的场合； c)研制各类传感器及检测元器件 ， 如 ， 触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等 ， 用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划 ， 同时 ， 越来越多的系统采用微机进行控制。 2 机械手的设计 该设计的目的是为了设计一 台物料搬运机 器人 ， 利用现有已经报废的焊接机器人 ， 本文的 中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。 2.1 自由度及关节 6 图 2-1 机械手 该机器人具有四个自由度 ， 即腰关节、肩关节、肘关节和腕关节 ， 都为转动关节；还有一个用于夹持物料的机械手。 2.2 基座及连杆 2.2.1 基座 基座是整个机器人本体的支撑。为保证机器人运行的稳定性 ， 采用两块“ Z”字形实心铸铁作支撑。 基座上面是接线盒子 ， 所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面 ， 有一个引入线出口和一个引出线出口。 2.2.2 大臂 大臂长度 230mm， 具体尺寸如图 2-2所示 : 图 2-2大臂外形 7 2.2.3 小臂 小臂长度 240mm， 具体尺寸如图 2-3所示： 图 2-3 小臂外形 图 2-4夹钳式手部的组成图 2.3 传动方式 由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小 ， 需要通过传动机构来增加力矩 ， 提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有： （ 1）结构紧凑 ， 即具有相同的传动功率和传动比时体积最小 ， 重量最轻； （ 2）传动刚度大 ， 即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小 ， 这样可以提高整机的固有频率 ， 并大大减轻整机的低频振动； （ 3） 回 差要小 ， 即由正转到反转时空 行程要小 ， 这样可以得到较高的位置控制精度； 8 （ 4）寿命长、价格低。 本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计 ， 结构紧凑 ， 具有很强的带负载能力 ， 但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动 ，并且不降低控制精度 ， 采用了齿形带传动。 齿形带传动是同步带的一种 ， 用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动 ，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。 齿形带传动原理如图 2.7 所示。 齿轮带的传动比计算公式为 2112 zznni 齿轮带的平均速度av为 2211 ntzntzv a 图 2-5齿形带传动 2.4 制动器 制动器及其作用： 制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放 ， 从而使运动的机械速度降低或者停止的装置 ， 它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。 在机器人机构中 ， 学要使用制动器的情况如下： 特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施 停电时 ， 防止运动部分下滑而破坏其他装置。 机械制动器： 机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。 9 其中最典型的是电磁制动器。在机器人的驱动系统中常使用伺 服电动机 ， 伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲 ， 这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器 ， 只有励磁电流通过线圈时制动器打开 ， 这时制动器不起制动作用 ， 而当电源断开线圈中无励磁电流时 ， 在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。因此这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。又因为这种制动器常用于安全制动场合 ， 所以也称为安全制动器。 电气制动器 电动机是将电能转换为机械能的装置 ， 反之 ， 他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。换言之 ， 伺服电机是一种能量转换装置 ， 可将电能转换为机械能 ， 同时 也能通过其反过程来达到制动的目的。但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机 ， 必须分别采用适当的制动电路。 本文中 ， 该机器人实验平台未安装机械制动器 ， 因此机器人的肩关节和轴关节在停止转动的时候 ， 会因为重力因素而下落。另外 ， 由于各方面限制 ， 不方便在原有机构上添加机械制动器 ， 所以只能通过软件来实现肩关节和轴关节的电气制动。 采用电气制动器 ， 其优点在于：在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能 ， 这是非常理想的情况 ， 而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加 ， 故应尽量避免。缺点在于：这种方法不如 机械制动器工作可靠 ， 断电的时候将失去制动作用。 3 驱动源的选择与设计计算 3.1 主要技术参数的确定 重心 重心图 3-1 机械手手臂重量分布图 10 重心图 3-2 开口盘重量分布图 如图 3-1所示 ， 设计机械手大臂与小臂的尺寸和重量如下： (1).大臂的第一和第二关节轴之间的距离为 230mm， 质量为 M1(3.4kg 左右 )， 重心在距离第一关节轴 128mm 处 ， L1=128mm。 (2).小臂的第二关节轴和手爪前部之间的距离为 224mm， 质量为 M2(2kg 左右 )， 重心在距第二关节轴 80mm 处 ， L2=99+80=170mm。 如图 3-2 所示 ， 设计机械手开口盘质量和尺寸如下： 旋转轴与转盘中心距离为 230mm， 转盘质量为 15Kg。 本次设计机械手的基本设计参数如下： 负载 1kg；大臂回转： 0 90 ， s/60 ； 小臂回转 ： 0 60 ， s/60 ； 腰部旋转： 0 360 ，600/s；手爪夹持半径 45mm 95mm。 3.2 各关节电机的选择计算 当机械手手臂旋转时 ， 当臂伸开呈一条直线时转动惯量最大 ， 所以在旋转开始时可产生电机的转矩不足。如图 3-1 所示 ， 设两臂绕各自重心轴的转动惯量分别为 JG1、 JG2， 根据平行轴定理可得绕大臂轴的转动惯量为 14： J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （ 3-1） 其中： M1， M2， 分别为 3.4Kg， 2Kg； L1， L2， 分别为 128mm， 170mm 。 JG1= M1L12、JG2= M2L22， 故可忽略不计 ， 所以绕大臂轴的转动惯量为： J1=M1L12+M2L22 (3-2) =3.40.132+20.172 =0.16kg.m2 同理可得小臂绕小臂 关节轴的转动惯量： M2=7Kg， L4=80mm。 J2=M2L42 (3-3) =20.082 =0.013kg.m2 腰关节旋转轴的转动惯量为开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量加上大臂与小臂绕腰关节旋转轴的转动惯量之和。 设开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量为 J3， 所以同理可得 腰关节旋转转轴的转动惯量： 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 大臂旋转电机的选择 设大臂速度为1 60 / s ， 则旋转开始时的转矩可表示如下： TJ （ 3-5） 式中： T 旋转开始时转矩 ， N.m。 J 转动惯量 ， kg.m2。 角加速度 ， rad/s。 设机械手大臂从 00 到1 60 / s 所需的时间为： 0.2ts ， 由式（ 3-5）有： 101 1 1 1 0 . 1 6 0 . 8 4 .3 0 . 2T J J N mt 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩 ， 取安全系数为 2， 则减速机输出轴所 需输出的最小转矩为： 01 2 2 0 . 8 4 1 . 6 8 .T T N m 选择减速机： 型号： APEX-AE235 （同轴式行星减速机） 额定输出转矩： 40N.m 减速比： i1=100 谐波减速器的的传递效率为： %90 ， 步进电机应输出力矩为： 011 1 . 6 8 0 . 0 2 .1 0 0 0 . 9out TT N mi (3-6) 选择小型直流伺服电机： 型号： MAXON-EC118896 额定转矩： 0.7N.m 额定电压： 24V 额定电流： 1.5A 额定转速： 1000rpm 最高转速： 1200rpm 额定功率： 40w 电机尺寸： L=93mm D=46mm 3.2.2 小臂旋转电机的选择 原理同上 ， 设小臂转速2 60 / s ， 设角速度从 0 加到 2 所需加速时间 st 2.0 ， 则旋转开始时的转矩可表示如下： TJ （ 3-7） 12 式中： T 旋转开始时转矩 ， N.m。 J 转动惯量 ， 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 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩 ， 取安全系数为 2， 则 减速机输出轴所需输出的最小转矩为： 0 2 22 2 1 0 . 4 7 2 0 . 9 4 .T T N m （ 3-8) 选择减速机： 型号： APEX-AE235 （同轴式行星减速机） 额定输出转矩 ： 40N.m 减速比 ： i2=100 谐波减速器的的传递效率为： %90 ， 步进电机应输出力矩为： 022 2 0 . 9 4 0 . 2 3 3 .1 0 0 0 . 9out TT N mi (3-9) 选择小型直流伺服 电机 ： 型号 ： MAXON-EC118896 额定转矩 ： 0.7N.m 额定电压 ： 24V 额定电流 ： 1.5A 额定转速 ： 1000rpm 最高转速 ： 1200rpm 额定功率 ： 40w 电机尺寸 ： L=93mm D=46mm 3.2.3 腰部旋转电机的选择 设旋转盘旋转速度为3 60 / s ， 则旋转开始时的转矩可表示如下 ： TJ （ 3-10） 式中 ： T 旋转开始时转矩 ， N.m。 J 转动惯量 ， kg.m2。 角加速度 ， rad/s。 设机械手大臂从 00 到3 60 / s 所需的时间为 ： 0.2ts 则 ： 00 0 0 0 . 0 1 3 0 . 0 7 .3 0 . 2T J J N mt 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩 ， 取安全系数为 2， 则减速机输 13 出轴所需输出的最小 转矩为： 0 0 02 2 0 . 0 7 0 . 1 4 .T T N m (3-11) 选择减速机 ： 型号 ： APEX-AE238 （ 同轴式行星减速机 ） 额定输出转矩 ： 50N.m 减速比 ： i3=100 设谐波减速器的的传递效率为 ： %90 ， 步进电机应输出力矩为 ： 000 0 . 1 4 0 . 0 1 5 .1 0 0 0 . 9out TT N mi (3-12) 选择小型直流伺服电机 型号 ： MAXON-EC137489 额定转矩 ： 0.9N.m 额定电压 ： 24V 额定电流 ： 2A 额定转速 ： 1000rpm 最高转速： 1200rpm 额定功率 ： 60w 电机尺寸 ： L=124mm D=64mm 4 手部结构设计 4.1 机械手的设计 工业机器人的手又称为末端执行器 ， 它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能 ， 并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同 ， 因此工业机器人末端操作 器是多种多样的 ， 大致可分为以下几类： （ 1） 夹钳式取料手 （ 2） 吸附式取料手 （ 3） 专用操作器及转换器 （ 4） 仿生多指灵巧手 本文设计对象为 物料搬运 机器人 ， 并不需要复杂的多指人工指 ， 只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。 手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件 ， 是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指 ， 其外形如图 4.1 所示 14 图 4.1 机械手手指形状 传动机构是向手指传递运动和动力 ， 以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。图 4.1 为初步设计的机械手机构简图（只画出了一半 ， 另外一半关于中心线对称）。 图 4.2 机械手机构简图 在图 4.2 中 ， O 为电机输出轴 ， 曲柄 OA、连杆 AB、滑块 B 和支架构成曲柄滑块机构；滑块 B、连杆 BC、摇杆 CE 和支架构成滑块摇杆机构。通过两个机构串联 ， 使电机最终驱动 DE 的来回摆动 ， 从而实现手指的开合运动。 图 4.2 中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。 为便于手指的顺利合拢 ， 可以在两个手指之间设置一个弹簧 ， 这样还可以提供适当的夹紧力。另外 ， 在选用电机的时候 ， 要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开 ， 并且提供足够加紧物体的力。 15 图 4.3 机械手部位 pro|e 三维图 图 4.4 虚拟样机场景 下面更进一步计算出所需要的电机力矩。 16 图 4.5 力矩变化情况 从图 4.5 中看到 ， 起始阶段须克服的弹簧力最大 ， 电机转矩必须大于 550N mm， 这为电机的挑选提供了一定的依据。 17 5 各机械部件的设计选择与校核 5.1 轴的设计与校核 5.1.1 大臂旋转轴的设计 转矩和弯矩是轴的主要承受载荷 ， 轴的常见形式有直轴和弯轴 ， 而根据 本次设计中机构的特点 ， 选择传动轴为直轴 .知条件可知 n=10r/min， 由电机传递到轴上的功率 = 5 0 0 . 9 = 0 . 0 4 5 wP P K 电 选择轴的材料为 45 钢 ， 经调质后 ， 再使用 . 由参考资料表查得 ： 硬度 ： HBS217 255； 屈服强度极限 ： s=360MPa； 抗拉强度极限b=650 MPa， 弯曲疲劳强度极限 1=300 MPa. 由表查得 -1b=55 MPa. 初步确定轴的直径： 按照扭转强度估计轴输出端直径 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 轴的设计尺寸参数如下图 5-1 所示： 图 5-1 大臂旋转轴 5.1.2 大臂轴的强度校核 按照扭转强度校核： 本次设计传动轴全长 193mm， 最小轴颈 19mm， 材料为 45 号钢 ， 经调质后 使用。 轴的扭转强度条件为： 39550000 n= 0 . 2 dTTTPTW（ 5-1） 式中： T 扭转切应力 ， MPa。 T 轴所受的扭矩 ， N.mm。 18 TW 轴的抗扭截面系数 ， 3mm 。 N 轴的转速 ； r/min。 P 轴的传递功率 ， Kw。 D 计算界面处轴的直径 ， mm。 T 许用扭转切应力 ， MPa。 由上式得： 33 09 5 5 0 0 0 0 pd = A0 . 2 nt pn（ 5-2） 查表得 T的范围为 25 MPa 45MPa；0A的范围为 103 126。 本次设计 T取 40 则 30 9550000 1 0 6 . 80 . 2 4 0A 取 106 则3 30 0 . 0 4 5d 1 0 6 1 7 . 5 m mn 1 0PA 本次设计最小轴径为 19mm17.5mm， 故满足强度要求 。 按照弯扭合成强度校核： 弯扭合成图如图 5-2 所示： 19 图 5-2 弯扭合成图 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 若是轴强度合格 ， 则 22c a - 1=MW （ 5.3） 式中： 20 ca 轴的计算应力 ， MPa。 M 轴所受的弯矩 ， N.mm。 T 轴所受的扭矩 ， N.mm。 W 轴的抗弯截面系数 ， 3mm 。 截面系数。 本次设计轴的材料为 45 号刚 ， 查表得： 0.6取 ， -1 60 取 轴的危险界面断面图如下图 5-3 所示： 图 5-3 轴的危险截面断面图 图中 ， 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所以本次设计的轴强度合格。 5.2 轴承寿命的校核 本次设计由于大臂与小臂旋转轴所设计的轴承是一样的 ， 故选用四口相同型号尺寸的轴承 ， 选择深沟球轴承 6186， 所以校核所受载荷最大的一个轴承合格即可。 本设计校核大臂旋转轴上轴承的寿命 ， 该轴上的轴承只受径向载荷 ， 轴承的预期计算寿命/ 100000hLh 。 轴承对轴的支撑力与轴承上所受到的径向载荷是一对作用力与反作用力 ， 由 21 前边轴的强度校核部分 ， 可以计算出轴上安装轴承两处的轴承所受到的径向载荷rBF和rDF大小分别为： 70rBFN 70rDFN 查机械设计第七版 312P 页公式（ 13 5 ）知以小时表示的轴承寿命hL为 ： 610 ()60h CL nP（ 5-5） 式中 ： n 轴承的转速 ， r min 。 C 轴承的基本额定动载荷 ， kN。 P 载荷 ， kN。 指数 ， 对于球轴承 ， 3 。 轴承的转速 10 r minn ， 从最新轴承手册296P页表 3.1 3 查得代号为 6186 深沟球轴承的基本额定动载荷 40.8 k NC ， 将相关数据代入轴承寿命hL计 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远大于 /hL， 轴承的寿命满足设计要求 。 6 控制系统设计 机器人具有多个自由度 ， 每个自由度一般包括一个伺服机构 ， 它们必须协调起来 ， 组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统 ， 一般要用计算机来实现。因此 ， 控制系统在本次设计中非常重要。本次设计选择 单片机控制系统 ， 控制系统总体设计框图如图 6-1 所示： 22 单片机传 感 器独 立 键盘计 算 机电 磁 阀 机 械 手 爪驱 动 芯 片 伺 服 电 机传 动 部 件机 械 手 臂图 6-1 控制系统总体框图 6.1 单片机最小系统 由于单片机体积小 ， 价格便宜且具有高稳定性和很强的抗干扰能力 ， 因此本次设计控制芯片选择 8051 单片机。单片机最小系统一般由单片机、复位电路、震荡电路等组成 ， 由于本次设计使用 8051 单片机 ， 所以以 8051 最小系统为例介绍单片机最小系统。 8051 单片机最小系统硬件电路图如图 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图 6-2 51 单片机最小系统电路图 6.1.1 8051单片机介绍 8051 单片机的片内结构如图 6-3 所示。 8051 单片机是把那些作为控制应用所必须的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分 ， 它由如下功能部件组成： 23 (1). 微处理器 CPU (2). 数据存储器 RAM (3). 程序存储 器 ROM/EPROM (4). 4 个 8 位并 行 I/O 口（ P0 口 P1 口 P2 口 P3 口） (5). 1 个串行口 (6). 2 个 16 位定时器、计数器 (7). 中断系统 (8). 特殊功能寄存器 （ SFR） 上述各功能部件是通过片内单一总线连接而成 ， 如图 6-3 所示。 图 6-3 中各功能部件的功能如下： (1) CPU 微处理器 8051 单片机中有一个 8 位的微处理器 ， 与通用的微处理器基本相同 ，同样包括了运算器和微处理器两大部分。只是增加了面向控制的处理功能 ， 不仅可以处理字节数据 ， 也可以进行位变量的控制。 (2) 数 据存储器 片内为 128B， 片外最多可外扩 64KB。数据存储器来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。片内的 128B 的 RAM， 以高速 RAM 形式集成在的单片机内 ， 可 以加快单片机的运行速度 ， 而且这种结构还可以降低单片机的功耗 。 (3) 程序存储器 用来存储程序 ， 为 4K 的 ROM， 最多可外扩至 64KB。 (4) 中断系统 具有 5 个中断源 ， 2 级中断优先权。 (5) 定时器 /计数器 片内有 2 个 16 位的定时器 /计数器 ， 具有 4 种工作方式。 (6) 串行口 1 个全双工的的串行口 ， 具有 4 种工作方式。可用来进行串行通信 ， 扩展并行 I/O 口。 (7) P1 口、 P2 口、 P3 口、 P0 口 为 4 个并行 8 位 I/O 口。 (8) 特殊功能寄存器 SFR 特殊功能寄存器共有 21 个 ， 用于 CPU 对片 内各功能部件进行管理、控制、监视。实际上片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器 ， 是一个具有特殊功能的 RAM 区。 图 6-3 8051 单片机片内结构 6.2.2 复位电路 CPU 运算器 控制器 数据存储器 RAM P0 P2 P1 P3 串 行 口 定时器 计数器 程序存储器 ROM/EPROM 特殊功能寄存器 SFR XTAL1 XTAL2 ALE PSEN EA RESET 8 8 8 8 24 单片机的置位和复位 ， 都是为了把电路初始化到一个确定的状态 ， 一般来说 ， 单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态 ， 而在单片机内部 ， 复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。 单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚 RST上外接电阻和电容 ， 实现上电复位。当复 位