（机器人）4自由度关节型机器人简介

四自由度关节型机器人设计简介摘 要本设计内容为四自由度关节型机器人，主要 对关节型机器人的操作臂 进行系统的设计，机器人的末端操作器即手指是可替换夹具，操作臂有四个自由度，可实现在工作空间范围内的物体的转移，手爪一次可载荷 0.5kg.操作臂的动力源为舵机，总 共有 5 个舵机，它 们分别控制腰部旋 转，大臂、小臂、手腕的摆动，以及手爪张合，本文设计的四自由度关 节型机器人可用于小工作空 间内完成对小质量物体的转移工作，同时也可以做为教学机器人。关键词：四自由度 ；操作臂；舵机AbstractThis design is the 4-DOF joint robot, mainly designs on the operate arm system.The ender operator of the robot is usually called paw is a exchangeable clamp. the operator has degrees of freedom. which can transform objects in workspace. the paw is able to weigh 0.5kg loads each time. It is servo that is the power of operating arm. There are five servo which are used respectively to control waist rolling、big arm、small arm、hand swing and paw opening and closing, the robot can be well applied to transfer the object with light in limited working space. Meanwhile its also used as teaching robot.Key words: 4-DOF ；operate arm；servo 一概述：1 机器人定义机器人是近年来快速发展的高新技术密集的机电一体化产品，通常只按照人们预定的程序重复一些人们看似简单的动作，设计人员往往只重视机器人的功能。随着科技的发展，各国都致力于研制具有完全自由能力、拟人化的智能机器人。机器人具有一下特征：1）：一种机械电子装置。2）：动作具有类似于人或者其他生物体的功能。3）：可通过编程执行多种工作，有一定的通用性和灵活性。4）：有一定程度的智能，能够自主地完成一些操作。2.四自由度机器人的主要设计参数结构型式：垂直关节型。 自由度： 4手爪张合：握紧/放松。手腕弯曲：-90-90 度小臂摆动：0-120 度大臂摆动：0-120 度腰部旋转：-150150 度工作空间高度：450mm工作空间半径：300mm最大载荷： 0.5kg二：四自由度关节型机器人的总体设计1.驱动方式设计机器人关节的驱动方式有液压式、气动式和电动式。因为多自由度关节型机器人的特点是:1).动作较灵活、工作空间大.2).关节驱动容易密封防尘.3).工作条件要求低,可在水下等环境中工作.4).运动难以想象和控制,计算量较大.5).适合于电动机驱动,不适合用液压驱动.故:选用电机驱动.因为异步电机,直流电动机的输出较大,但控制性能较差.惯性大,不易精确定位,使用于速度低,特重大的机器人.步进电动机,伺服电动机,容易与 CPU 连接,控制性能好,响应好,可精确定位,使用于运动轨迹要求严格的机器人.综上所述以及设计需要,选用伺服电动机-舵机.2.四自由度关节型机器人的结构简图:3.机器人正运动学方程的 D-H 参数表:# d a0 00 00其中 角表示绕 z 轴的旋转角度,d 表示在 Z 轴上的两条相邻的公垂线间的距离,a 表示每一条公垂线的长度,角 表示两个相邻的 Z 轴之间的角度,通常,只有 和 d 是关节变量,对于四自由度关节型机器人. 为关节变量.三.操作臂各部件的设计1. 手爪的设计手部按其握持原理分为夹持类和吸附类.因设计要求握持规则的圆柱或立方体,且体积较大,故选用夹持类之夹钳式,有两个手指,为满足变化的工件的不同外形要求,将手指设计为可替换型,手爪具体结构在设计图中已表达清楚.2. 腰及手臂的设计腰、大臂、小臂主要根据工作空间高度及工作空间半径确定,一般大臂要略长于小臂.关节处的旋转依靠相配合的两个花键分别固定在两个相对运动的部件上,具体尺寸和结构在设计图中表达. 四.控制部分设计机器人操作臂是三维开环链式机构,具有多个自由度,需要对每个关节变量设定植,因为选用的动力源为伺服电机,容易与 CPU 连接,故选用单片机,MCS-51 系列的 8051.因 8051 的 P0.0-P0.7 为分时复用的端口,可传输数据信号也可传输地址信号,需选用地址锁存器 74LS373,为控制电机的正反转时间以保证关节变量的要求,用定时器 8053 控制电机驱动芯片的使能端,电机驱动芯片选用L293D.在大臂 小臂和手爪部件上分别安装红外感应器,当大臂、小臂和手爪任何和部位与周围环境发生碰撞时,红外感应器向 CPU 发出中断请求,使系统停止运行,同时有手动开关,在特殊情况下,人为向 CPU 发出中断请求.五参考文献1.濮良贵、纪名刚 机械设计。 北京：高等教育出版社 20012.赵妙霞。 机械精度设计与质量控制。兰州：兰州大学出版社 20043.谢存禧、张铁 机器人技术及其应用 北京：机械工业出版社 2005.74.殷际英、何广平。关节型机器人。北京：化学工业出版社 20035.徐灏。 机械设计手册。北京：机械工业出版社，20016.崔光照主编，单片机原理与接口技术 北京：北京邮电大学出版社 20017.付家才。单片机控制工程实践技术。化学工业出版社，2005.68.卢艳军、李雪飞、尹寿远。单片微型计算机控制系统设计。人民邮电出版社，2004.39.哈尔滨工业大学理论力学研究室。理论力学，北京：高等教育出版社，200210.A. Takanishi ,T .Takeya,H. Karaki. And I .kato. “A control Method for Dynamic Biped Walking Under Unknown External Fo