【《快递分拣六轴机械臂结构及控制系统设计》13000字（论文）】

快递分拣六轴机械臂结构及控制系统设计摘要本文主要针对快递的有效分拣进行研究，提出了将六轴机械臂和单片机的有效结合，进行识别不同快递件的大小来提高快递提取的效率，此系统是由机械臂作为夹取机构，再通过单片机颜色识别芯片的作用进行识别快件的颜色，在识别进行前，我们会将快件根据大小进行分类，分别对应红，黄，绿三色，在此基础上，以六轴机械臂的运动为核心，通过其转向角度的大小，从不同方位来夹取快件，再通过识别功能放入不同的传送带上。在此过程中，需要通过很多方面进行问题的确定，通过solidworks进行三维制图和运行仿真，用Proteus进行单片机芯片的电路仿真，计算一般数据进行极值比对，分析数据的有效性，可以发现机械臂和单片机可以进行有效结合，提高效率。相较于传统的工业机械臂，用于快递分拣的机械臂具有识别功能，能准确辨认快件位置，且具有实际操作性。关键词：六轴机械臂快递分拣系统效率目录第1章引言 61.1机械臂的简介 61.2国内外机械臂发展概况 61.3本文研究的主要内容 8第2章六轴工业机械臂结构设计 92.1六轴工业机械臂杆设计要求 92.2六轴工业机械臂杆参数设计 92.3六轴工业机槭臂的建模 102.3.1基于soildworks轴工业机械臂的建模 102.3.2基于soildworks由工业机械臂的装配 122.4机械臂的设计思路 122.5本章小结 14第3章手部结构及气缸的选择与校核 153.1夹持式手部结构 153.1.1手指的夹持方式和选择 153.1.2注意事项 153.2升降缸的尺寸设计与校核和伸缩缸的选择 163.2.1气缸的分类 163.2.2升降气缸的尺寸设计与校核 173.2.3伸缩缸的选择 223.3回转气缸的尺寸设计与校核 223.4本章小结 24第4章快递分拣系统的设计 254.1自动分拣系统的概述 254.2快递分拣系统控制硬件单片机部分 254.2.1单片机的选取和要求 254.2.2识别颜色的原理 264.3复位电路 274.4晶振电路 284.5TCS3200颜色传感器与单片机的接口电路 284.6本章小结 29第5章仿真与调试 305.1机械臂的调试运行 305.2颜色识别单片机的仿真 32第6章总结与展望 346.1总结 346.2展望 34参考文献 35

第1章引言1.1机械臂的简介六轴机械臂是现代自动控制中的一门非常核心的技术,它已经逐渐成为机械学科中的重要部分。这种技术的发展过程很短,但是很迅猛。直接成为了一门新的学科——机械臂工程学。机械臂的积极促进作用已经让现代人们更加记忆深刻:其一,它不仅能大部分程度地完全代替人工错误操作,减少人工错误操作的最大危险影响系数;其二,它不仅能保证操作必须对需要正确使用的机械工具和各种机械零件进行正确焊接和加工装配。极大的程度改善了人工的基本劳动条件,十分显著得益于提高企业劳动力和生产力的效率,对益于加快我们国家机械化和现代工业化的快速推进,做出了巨大的贡献。因此,受到各先进国家科技体和工业发达国家的极度充分爱和重视,投入大量的科学技术资金人力物力技术资金积极加以开展科学技术研究和广泛推广应用。尤其在各种具有高温,高压,粉尘,噪音以及其它可能带有强烈化学放射性和其他化学物质污染的危险气体场合,应用得更为广泛。我国近些年来的高速发展，一方面带来的是经济大高速发展，同时也是实体经济发展的发展的黄金时期，国家对机械自动化的重视也是越来越强。1.2国内外机械臂发展概况机械臂的第一次问世是在美国的。1958年,美国的中国联合机械控制公司成功研制生产出了第一台工业机械手,它的整体结构设计是十分简单的,就是一个手部具有控制回转传动功能的小型工业机械手臂,手部上还具有一个可以抓取手的机构,机构上的控制传动系统也可以是非常简要的示范和教型。截至到2021年的最新数据表明,日本是工业机械手发展最高速,应用最广泛的国家。但是,目前大部分的家用机械手机绝大部分还只是属于最初始的那一部分,主要式通过微机依靠人工智能去对它进行自动控制和管理使用;它的控制驱动方式为微机开环自动控制,并且还没有完全识别和控制选择手的能力;所以我们仍然可以对它进行一些改进,改进的技术方向和工作目的主要上都是为了降低控制成本减少损耗和从而提高控制精度。第二代智能机械手臂已具备微型数控电子机和计算机智能控制运动系统,具有多种视觉,触觉综合能力,甚至具有思考和创造想象的综合能力。通过分别使用不同的视觉传感器,把不同感觉器收到的各种信息数据进行实时反馈,使得的机械手手臂具有容易感觉到的机能。第三代自动机械臂则改为能独立地自动完成各种工作处理过程和其中的各种任务。智能机械臂的产业发展道路是漫长的,现在的发展趋势仍然是用工业智能化技术代替非工业智能化,减少企业人力资源的大量浪费,提高工业机械化和工业自动化的准确型和实时反应速度,现在的工业国家经济政策的改革倾向性和发展趋势将促使其产业发展的未来前景很大,发展中的实体工业经济仍然是我国经济社会发展的一个核心组成要素,所以在国内的技术研究领域是非常具有十分主要重大意义的,"2020年全球及中国机械臂行业发展现状及前景预测分析报告"[1]一文指出,目前的智能工业机械臂的主要定义特点为"其内部操作系统全部是自动控制的,可以对重复进行编程、多工种用途,并且它可以对4个以上的传动轴部件进行重复编程自动操控。它的摆放是没有限制的。可在不同的环境条件下分别使用"。操作者的手臂又被明确定义地称为"手臂是一种帮助使用者的工具,其结构设计的技术基础由一系列相互连接或者者说是由相对平行滑动的机械构件所连接组成。通过不同的周围环境的移动适应度来选择移动自由度，用以抓取快速移动的物体。图示1-1[2]是安徽理工大学李海龙和栾振辉设计的一款六轴机械臂，一共是由10个结构组成的，图中１为电机安装孔，２为电机安装机座，３为电机轴出口，４为减速器安装孔，５为马达刹车柱，６为马达刹车主体，７为刹车柱通孔，８为齿轮箱，９为J1轴，10为底座。关节１在电机安装孔１内部配备有一个大电机，电机通过安装在减速器安装孔４内部的减速器进行初步减速之后驱动Ｊ１轴９做围绕轴线的旋转运动，这就要求控制系统控制电机与J1轴的转动，从而消除反作用力，使六轴机械臂运行平稳，实现精确定位。图1-1六轴机械臂的结构图1-1六轴机械臂的结构图1-2所示[3]下图是云南大学田野和杨军所设计绘制的六轴工业机械臂结构模型,六轴工业机械臂由六个纵向转动副连杆构成,机械臂的旋转关节的高度分布设计方式主要是通过参考国内现有成熟的六轴工业机械臂的结构图纸模型进行结构设计,第一和四部分的六个旋转关节分别是高度垂直于整个地面的旋转轴,第二、第三和第五节的旋转关节都分别为高度平行于整个地面的旋转轴,第四和第六节的旋转关节分别为与转动连杆旋转方向高度平行的旋转轴,基本和当前最前沿的制造方法是一致的。图1-2六轴机械臂的简要结构图1-2六轴机械臂的简要结构机械臂的设计一般是D-H法和建模共同作用，绍兴文理学院的马宗家，石松泉设计的六自由度机械臂的建模与MATLAB仿真充分的体现了D-H法的重要之处，图1-3[7]分别是实物图和D-H法制作的设计坐标，设计是基于机械臂的基础结构建立的十分具有代表性。图1-4实物图和D-H制图法安徽科技学院戴鸿滨本文提出了通过对各种焊接运动变位机整体运动位置规划的总体任务关系进行数学分解[10]建立一种旋转型和倾斜型式的焊接运动变向定位机可以使各个待连接焊点整体处于最佳方向焊接运动位置的总体数学运动模型。由此,可以将其扩展到电弧焊焊接机器人的实际工作应用空间,并对电弧焊接的各种路径运动进行了详细的焊接运动趋势分析,编写相对应的求解程序,对空间路径进行模拟仿真,为弧焊机器人工作协调运动规划提供了思路。由上下文的图1-4可知[11]在美国,机械臂主要传动结构部分是由动力型的前双臂自动旋转关节和前、下两臂旋转关节连接组成。关节型相互运动平衡机器人以运动手和腕及臂部各两个具有相邻运动关节的零部件的相互运动应对时的角度和方向位移来作为运动身体进行运动时的基本坐标。动作灵活,所需的空间占地和工作活动空间小,工作时的活动空间范围大,能在狭窄的占工作活动空间内轻松松地饶过各种重重困难障碍物。臂部由两个同时带有纵向转动副和一个同时带有横向移动臂的副两个部分连接组成。产生沿着轴是绕沿著手臂内部关节关键轴×的一个方向直线轴的方向进行移动,绕沿着手臂内部基座轴和关节关键轴x的x和方向y的一个直线方向转动和轴的产生都是绕沿着手臂基座关节轴和基座关键轴z的一个直线方向摆动。图1-3国外机械臂的基本结构图1-3国外机械臂的基本结构南京林业大学焦恩璋曾利用ADAMS软件建立弧焊机器人系统模型[12]。ADAMS是机械静力学、运动学、动力学中常用来仿真的软件。作者以位置和速度作为约束条件，规划六轴弧焊机器人和变位机的运动，并通过其运动路径建立样条函数模型，再以样条函数模型作为仿真时机器人末端位置及姿态的驱动函数，实现了弧焊机器人与变位机协调运动的过程仿真。ChoK教授基于通用六轴弧焊机器人和变位机实现二者的协调控制[15]，实现连续焊接，有以下优点：（1）有利于实现最佳位置的焊接过程，提高焊接产品质量。六轴机器人与变位机协调控制，使得六轴机器人末端与焊缝的相对运动匀速，有利于焊接的顺利完成。1.3本文研究的主要内容通过了解机械臂的特性，将其运用到快递分拣的领域，提高人们的工作效率和工作环境，智能化是行业的必然之路，我们通过单片机做成的分拣智能系统结合六轴机械臂做成一套完整的快递分拣系统，在其中我们需要了解机械臂的作用及其操作过程，熟知各类程序的运用及了解这个系统的设计过程，分为以下几个步骤：①整体方案的设计:控制系统,驱动输出系统,执行机构,传感系统②执行机构的设计:根据设计要求的自由度和技术参数选择符合工作要求的手部、手腕、手臂、立柱和机座。③驱动系统的设计:根据参数的要求，选择和计算伺服电机的功率，速度，扭矩，惯量。计算各自由度关节的负载匹配正确的惯量比，保证手臂运行的稳定性，匹配合适伺服放大器用于控制机械臂各轴的转动;计算和分析各个轴的运动参数选取与单片机的接线方式等。④控制系统的设计:一般是单片机的软件编程设计，其包括单片机的型号选择、单片机与驱动设备之间的连接以及IO口分配、控制程序的编写和单片机的调试等工作。

第2章六轴工业机械臂结构设计可靠性高的六轴机械臂不仅是企业完成机械工业各项装备工作的重要关键，在当今的工业程度下，在很多方面都无法达到所需要求，因此，对于六轴机械臂的设计研究可以降低制造成本，加快工作效率，保证机械臂的运行稳定。本章将对六轴工业机械臂的三维模型制造过程进行介绍，然后对六轴工业机械臂的运动状态进行仿真分析。2.1六轴工业机械臂杆设计要求六轴工业机械臂虽然可以通过各关节之间的转动完成各项任务，加快效率，缩减搬运预算，但是在一些黄静复杂条件下使用的时候，六轴工业机械臂还存在绝大部分的缺陷，因此，对机械臂的各个组成部分的自由度、实用性、安全性有更高的要求。根据六轴机械臂的要求进行计算，展开对六轴工业机械臂的设计，需要做到以下标准：1.机械臂的基本机臂设计需要尽量减轻整体质量,减小整个传动机械臂的基本整体设计重量,保证各个机臂设计基本参数不大或低于传统的传动机械臂的整体设计基本参数;2.尺寸必须满足实际作业质量要求。作为机械维护以及检修的基本要求,六轴传动工业机械臂的工作可达性和工作姿态空间必须要能完全自动实现;由于机械零部件定期更换的巨大不确定性,所以对工业机械臂的工作姿态位置有一定要求。3.结构紧凑。六轴机械臂在正常运行操作过程中,需要保证设备的安全性，机械臂的结构属于轻巧型，需要在特定的时间做特定的事情,机械臂的各个轴要到达用户指定的工作位置,满足各种运行性能要求。4.整体设计重量尽可能轻。六轴机械臂的每一个臂的整体形状以及臂的尺寸等都要必须做到合理,保证在能够满足机械工作运动性能和机械强度、刚度等等要求的特殊情况下才能实现安全轻量化。5.工作量和使用寿命长,因为六轴重型专用工业机械臂工作需要同时完成的各种实际工作量在过程中都存在很多的工作技术性和不确定性,需要充分综合考虑到六轴重型专用工业机械臂的现有工作系统安全性和现有工作系统可靠性,保证现有工作系统运行的稳定基础上,尽可能的使用可以大大延长六轴重型专用工业机械臂的实际工作量和使用寿命。2.2六轴工业机械臂杆参数设计根据需要夹取物体的大小和质量还有不同环境的不同状态，首先我们需要对工业机械臂的自由度进行确认，并在设计过程中考虑这些问题。。表1六轴工业机械臂各关节行程角度表1六轴工业机械臂各关节行程角度每个关节的速度设计参数为：关节１的运动速度为480°/s，关节２的运动速度为225°/s，关节３的运动速度为225°/s，关节４的运动速度为450°/s，关节５的运动速度为480°/s，关节６的运动速度为510°/s。机械臂的自由度设计是机械臂的一个十分重要的参数指标,是能够保证其独立运动的重要指标性参数。它的自由度是由其自身的结构所决定的，并且能够在一定条件下该表现其结构和功能方式。（1）刚体的自由度。它指的是刚体对坐标轴能够独立运动的轴的数量。刚体能够独立运动的轴数如图2-1所示，一个刚体可以拥有六个点的自由度。当两个刚体之间已经确立了某种刚性关系时,每一个刚体就对另外一个刚性整体而言失去了一些新的自由度。这种转动关系也认为可以用两刚性物体间由于同时建立了两个连接点而不能进行的移动或转动来表示。设计控制机械臂的最大运动量和自由度。它主要定义指的也可能就是其两个坐标抓手在相对基本的两个坐标运动系统上之间能够同时进行相对独立运动的两个坐标轴的相对受力关系数量。一般性的实际情况下,机械臂臂的结构本身可以明确地被看作是成为它本身是由许多的大型的非刚性结构物体所相互结合一起组成的。如果一个人的抓手位置应当达到能够自由度地运动并能够达到一定长度空间的任意位姿,则这就必然要求一个放在机械臂上的抓手位置应当必须能够达到具有六个中心点的一定自由度。不过,如果该第一类新型机械臂本身已经完全具有某种特定的自由度和结构,那么该类的新型机械臂就很容易有几率可能不会再觉得需要这些自由度。图2-1刚体自由度图2-1刚体自由度2.3六轴工业机槭臂的建模2.3.1基于soildworks轴工业机械臂的建模对于六轴机械臂的三维实体建模仿真，根据六轴机械臂的工作空间初步合理的设计机械臂的形状尺寸，方便后期进行装配，节约时间，提高效率，确定好机械臂各个组装零件的形状和尺寸之后进行草图的绘制；然后，生成六轴机械臂的各个组成部分的零件模型，本设计采用最基础的设计办法：依次生成机座、连接臂、末端执行件、电机以及其余的必要装配组件，其中电机的位置是十分重要的，一般选用性价比最高的电机，也即是步进电机，优先确定电机的位置是最重要也是最麻烦的，其中，部分组件如图所示：图2-2插口的三维模型图2-2插口的三维模型图2-3J2轴的基本结构图2-3J2轴的基本结构2.3.2基于soildworks由工业机械臂的装配Soildworks随着发展越来越快的普及,采用各种soildworks三维软件对六轴传动机械臂各部分装配组件加工进行设计装配,完成整个机械装配体的加工设计操作装配,在设计装配操作过程中还需要特别注意各个装配组件之间的相对约束连接运动关系,尽量减少各个装配组件之间的相互约束运动关系,电机与机械运动轴之间、位于电机低端面的运动轴与电机基座之间的设计装配运动方式一般是固定的,运动轴之间的设计装配运动方式为双向活动的。下图是装配好六轴传动机械臂的整个三维结构模型，如图2-４，2-5所示:图2-4机械臂的总装图图2-5快递分拣线2.4机械臂的设计思路机械臂的最大夹取大小决定了操作范围，如果机械臂是用于上下料，那么它的设计大小基于一般不超过机器的一半，如果我们按机械手手臂运动的不同运动的坐标形式和形态来进行分类，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、关节式。（1）直角坐标型具有三个移动关节（PPP），可使手部产生三个互相垂直的独立位移。由于其运动方程可独立处理，且为线性的，具有定位精度高，控制简单等特点，但操作灵活性较差，运动速度低的特点。（2）圆柱坐标型具有两个移动关节和一个转动关节（PPR），手部的坐标为(z，r，θ)。这种操作机的优点是所占的空间较小，工作范围较大，结构简单，手部可获得较高的速度。而缺点是手部外伸离中心轴愈远，其切向线位移分辨精度愈低。（3）关节型是指机械臂像人的手臂一样，可以自由的转向，晃动，不会受一些事物的影响，此类机械臂精度高，灵活性强，适合轻量级的物体夹取，且能快速放置到各个准确的位置上去。1.机械手的最大质量快递大件抓重驱动能力主要是其能够使用不同规格的基本质量主机和夹具参数,由于这些参数是直接通过采用气动进行快递抓取方式的来进行驱动,减少了一系列的磨损，增加了夹取方位的准确性，本设计是为了将快递有效的分类且快速的提取识别,快递的种类包括小中大三中件。2.运动参数和设计参数是机械臂最重要的设计标准。现如今机械臂的使用大部分是在工厂，用于夹取较大的工业用具，此机械臂设计的初衷是质量轻，夹取范围大，通过结合识别功能进行运动，该机械臂最大转向速度设计为。平均移动速度为。内存为16hz。机械臂在运动过程中有加速夹取，减速夹取，手臂缓慢上升等过程，驱动参数的准确设计会使机械臂的运动更加的简单。2.5本章小结本章对机械臂的自由度及其各种基础设备的用法进行了简要的设计和解释，对机械臂的型号和各类运动参数进行了基本的设计，因为本文的主要对象为快递，为了解决快递大小不同情况的问题，我们需要对机械臂的手部的夹取结构进行最基本的设计，夹取装置不能仅仅是简单的固定装置，它还需要一定的放大缩小的作用，这样可以使夹取更加精确，六轴机械臂在目前我国工业中有着很多的运用，覆盖范围广，需求批量大，尤其对于重工业来说，机械臂的出现，大大减少了人力资源的浪费，下文将对机械臂的一系列结构和数据进行计算和验证。第3章手部结构及行星齿轮的选择与校核3.1夹持式手部结构夹持式手部结构是机械臂的十分重要的组成部分，此处的设计决定了机械臂的工作方向和夹取物体的大小和质量，通常来说夹持式的手臂有很多种，例如点取式，夹取式等，在本文中，我们优先选取夹取式进行制作，夹持式可以分为双长方体夹取，圆柱体夹取，快递件一般是四边形的形状，根据比对，选择长方体夹取。3.1.1手指的夹持方式和选择机械臂的夹持方式有很多种，其中常用的夹持方式主要有两手单手一指式、多人单手双手一指式和单人双指多手式或双手式等多指式:按部位分类关于手指直退推进夹持式在一个工件的主要操作部位又大致可以细分为内卡式(或者称内卡式为上涨式)和外夹式两种:按分类手指直进模仿型是指工人手指在转动时随手指的方向旋转进行动作,手指直退推进夹持可以大致细分为一或二或三支点移动方向手指回旋旋转型,二或一或三支点移动方向手指回旋旋转型和二或手指直退移动型(或者可以简称之为手指直退推进型),其中以二或一或三支点移动方向手指回旋旋转型为一种基本操作夹持型式。移动型号的机械支承应用较少,其支承工件结构比较复杂庞大,当这种不同移动型号的机械支承手指主要用于直接夹持支承移动位置直径发生变化的各种机械零件时不仅可能会直接影响其支承工件轴心的不同移动方向位置,能有效保护适应不同支承移动位置直径的各种机械支承工件。3.1.2注意事项(一)手臂之间具有夹紧力正常的机械臂夹取是要求两个相互的夹取模型是可以根据物体的大小进行闭合变换，但是在一定情况下，如果遇到意外或者一些特定的环境，那么手臂之间的夹紧力决定了物体是不是会掉下来，如果夹紧力过小，那么物体将会脱落，造成不必要的损失。(二)保证工件准确定位一般情况下，物体在夹取工件时，定位需求是由电脑进行控制，但是我们准确定位是指在人工安装工件的时间点，物体能够准确的适应其卡槽或者对应其机械手臂中的特定位置，而不是通过选取粗糙定位。(三)手臂的材料需要一定大小的刚度手指要受到被夹持手腕工件的机械反作用力外,还需要受到其他机械手在人体运动夹持过程中所直接产生的机械惯性作用力和机械振动的双重影响,要求它具有一个足够的运动强度和机械刚度才可以防工件折断或弯曲导致变形,当用时应尽量做到使机械结构简单紧凑,自重轻,并尽量使机械手部的运动中心在夹持手腕的运动回转角和轴线上,以使夹持手腕的运动扭转矩和力矩最小限度为佳。3.2气缸的选型气缸属于标准件，在正常情况下，气缸会根据被夹取物件的质量进行选择，本设计的假设质量为2kg，现在令其所受重力为20N，正常的摩擦系数为，物体的摩擦力大小，气缸的的工作压力为。（3-1）（3-2）式子中的D为气缸的直径，d为活塞杆的直径，为气缸的工作压力，p为气缸中的工作压力，通过计算得到气缸得直径要求： （3-3）本设计所选用的气缸为气缸内径为20mm，活塞杆得直径为50mm。3.3行星齿轮的强度计算3.3.1行星轮系的类型选择行星轮系是当前复杂机械设备中运用最多的齿轮设备，行星轮系的类型十分的多，在相同的速比和载荷的条件下，采用不同类型可以使轮系的外轮廓尺寸，质量和效率相差很多，我们应当考虑轮系的型号和尺寸，一般情况下，我们会在软件中选择好行星轮系的大小，选择轮系时，首先要考虑的是是否能满足所需要的传动比，正常需要的机构满足的传动比是不一定能够满足设计要求的，我们用软件就可以缩减这一步，输入功率为1kw时，转速是60rpm，传动效率为0.97，输出的转速为12rpm，输出的扭矩为772N·M，根据行星轮数为3，太阳轮齿数为19，我们可以计算出传动比，（3-4）(3-5)计算出实际传动比i=5.053，传动比误差为1.05%.为使各行星轮能均布地装配，行星轮的个数与各轮齿数之间必须满足一定的关系，否则将会因行星轮与太阳轮轮齿的干涉而不能装配。由于其满足同心的条件，即：(3-6)即计算出实际输出转速11.9N·m,实际输出扭矩780N·m,观察上表我们能发现，太阳轮系如果要满足均布安装条件的化，两个太阳轮的齿数和（)应能被行星轮个数k整除。满足同心条件的前提是，基本构件的回转轴线必须在同一条直线上，模数为提前设定的m=1000，所以根据上述的条件，可以计算出中心距为53.8。上述条件为我们计算提前做好了准备，根据公式3-7[18]所示计算，（3-7）(3-8)(3-9)联立并求解下列三式：实际接触应力的大小为2908N,太阳轮的弯曲应力为1659N,行星轮的弯曲应力为1555N，许用接触应力为1481N，太阳轮许用弯曲应力为687N,行星轮许用弯曲应力为520N，通过上述计算，我们最终行星轮的设计图像，如下图3-3所示：图3-3行星齿轮的设计图样3.4.2行星轮系的效率在各种机械中存在着许许多多的轮系，但是决定总机械的效率的是这些轮系的效率，起着决定性的意义，在这么多的轮系中，定轴轮系效率的计算是相对比较简单的，但是此类轮系只适合极端简单的工程机械，根据机械效率的定义，对于机械这个大体来说（包括所有机械设备），令其输入功率，输出功率，和摩擦损失功率分别为,(3-10)对于一个机械设备来说，通常会告诉我们输出和输入功率中的任意一个，所以通过这个我们可以计算出机械的效率。机械中的摩擦损失功率主要取决于各个运动副中的作用力，运动副元素间的摩擦因数和相对运动的大小。而行星轮系的转化轮系和原行星轮系的上述参量除因构件回转的离心惯性力有所不同外，其余的均不会发生改变，以本文设计的轮系来说，设某个齿轮为被动齿轮，作用在齿轮上的转矩为M，齿轮的功率为（3-11）转化轮系所传递的功率为（3-12）由于之间的误差不算十分的巨大，一般我们是将其作为绝对值进行计算，但是在不同情况下，其值大小有正有负，主要是取决于是主动轮系还是被动轮系，但是这两者都会存在一定的误差结果，在固定的情况下，选择的情况也是有所不同的，所以我们在特定的情形下，也选择不一样的计算方式。3.4本章小结本章通过举例计算出了机械臂气缸的选取和行星轮系的计算和验证，因为气缸一般是属于标准件中的一种，故在计算过程中，只要根据所需要的数据将它进行选型和最大强度比较，只要在强度的范围值之内，我们都是可以将其作为备用的气缸，而行星轮系是机械臂中的核心结构，它是机械臂的中枢命脉，通常情况下，我们要计算其主要的强度，在用电脑软件制作的行星轮系的一系列数据中，从给定的数据中，，可以计算得到最大的齿轮系强度，通过强度进行对比还可以计算出齿轮系的效率是怎样的，通常情况下，齿轮的配合公差是在一定接受范围内的。

第4章快递分拣系统的设计4.1自动分拣系统的概述1.不受人员，时间，天气等外界因素的干扰，采用自动作业的方式，连续运行，可在长时间内不停的进行分拣，极大的降低了人工的工作强度，不会因为工作时间的累积造成人工的疲劳和分拣的精度。2.分拣准确率极高。人工分拣主要是通过校对条形码来分辨不同货物。自动分拣系统采用图像识别的技术，自动的将货物上所印刷的条形码与服务器中记录的条形码进行比对，来分辨货物，已达到精确分拣。除非条形码在运送过程中出现破损或是印刷不清，基本上不会出现错误。3.减轻工作人员的工作强度和压力。在自动分拣系统工作的同时，只需要少量的工作人员在一旁进行管理，在系统出现问题时及时停止系统并排除错误即可，极大的提高了工作效率。4.节约了人工成本。人工分拣因为人不能保持长时间的工作，同时需要很多人一起分拣才能在单位时间内分拣出更多的货物，人工在高强度工作下分拣150件，自动分拣装置可以做到一小时分拣5000件，极大的减少了人工成本。5.灵活性高，通过对程序的编写，可以使系统对不同物体和图案进行分拣，不单单局限于某一样固定的特征。4.2快递分拣系统控制硬件单片机部分4.2.1单片机的选取和要求单片机本文选用的是以51单片机为主体的机构，其中TCS3200芯片作为颜色识别的核心，TCS3200采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管。这些二极管共分为四种类型。其中16个光电二极管带有红色滤波器；16个光电二极管带有绿色滤波器；16个光电二极管带有蓝色滤波器；其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息。这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度。从图4-1可知：当入射光投射到TCS3200上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合，可以选择不同的滤波器；经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波，不同的颜色和光强对应不同频率的方波；模块工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器，该传感器的典型输出频率范围从2Hz－500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100％、20％或2％的输出比例因子。现在基本的颜色识别芯片的基本式样，中间是一个TCS3200芯片，通过周边的4个白炽灯进行照明，然后读取颜色的不同滤波来完成识别。图4-1颜色识别单片机的基本结构图4-1颜色识别单片机的基本结构4.2.2识别颜色的原理TCS3200每次使用颜色识别的时候外界的光源条件都不相同，因此如果达到较好的使用效果，每次使用之前需要用白纸进行白平衡校准，这样工作起来更加方便。经过资料可知TCS3200的工作原理是输出方波的频率，来判断颜色信号的强弱，通常说在所有人眼中看到的一个有色物体上都没有任何颜色,实际上它只是一个无色物体在其颜色表面上的表层当中吸收了一些阳光从而照射到它上面的白光(可见光和日光)有着辐射光线中的一部分这些有关颜色光的无关成分,而对于有着反射光线所发出的另一部分有色光则同样有着这些无关颜色光在其他同类人眼中的不同折射率和反应。颜色识别芯片是无法识别混合色的，在它读取的过程中，要确保颜色的纯洁性，一般来说，黑色是混合色，黑色是由多种颜色一起混合在一起，它是无法准确读取到颜色的信息，识别红黄蓝三种三原色是当今的主流，所以在设计中，我们将快件的大小用三原色进行对应，这样使用起来是十分方便快捷的。图4-2颜色识别系统的原理图4.3复位电路复位电路就是一种常见的电子功能设备，主要用来让电路恢复其初始状态，和计算器上清零按钮的作用一样，回到原始状态重新进行计算，和复位的功能是异曲同工的。在上电的瞬间提供一个与正常工作状态下相反的电平。一般利用电容电压不能突变的原理,将电容与电阻串联,上电时刻,电容没有充电,两端电压为零,此时,提供复位脉冲,电源不断的给电容充电,直至电容两端电压为电源电压,电路进入正常工作状态。手动按键复位手动按键复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般在出现意外状况时，紧急制动，人在S1处施加一个压力，进行按键复位，按键复位一般用在简单的工程工业仪器之中，需要人为进行控制和输入，人为加入高电平后，电压突然上升，使复位电路直接恢复其原始状态，直接完成复位工作。人的反应能力是小于0.5s足以完成这一些列操作。图4-3按键复位图4-4上电复位电路图4-5复位电路(2)上电复位上述加速充电电容复位的主要原理工作过程原理复位过程主要原理是在所有电容正常加速复位充电时,\o" at89c51供应商/pdf中文资料"at89c51的上电复位电路如图2所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。对于51型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1μF。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容施加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。如上图所示，即为上电复位电路。4.4晶振电路晶振电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接入到晶振的两端，另一个电容则接地，这两个电容串联的电容量就等于负载电容。晶振电路一般属于保护电路，通过放大器的作用将电路进行放大。晶振电路一般是维持电路的稳定性，由于石英具有十分稳定的化学和物理性质，用在晶振电路中，可以拥有非常稳定的频率性和抗外界干扰能力。图4-6晶振电路图示4.5TCS3200颜色传感器与单片机的接口电路在本文的电路设计中,颜色灯光亮度测量传感器电路中的TCS3200主要与整个数控单片机的一个电路开关p1口和一个开关p3口电路进行相互连接。p1口主要就是准双向自动进出口和准i/o口。p1口的主要送出输入端和主要输出特性与它的外接p0口和它本身作为一种属于通用型的外接i/o口似的主要输出特性一样;但是当我们使用它的p1口和它作为主要输出端的时候它仍然可以只需要提供一个外接电流电路控制器的负载,可能需要直接使用一个外接电阻芯片上用于高压整流器的电阻。p1口令器通常能同时执行驱动4个人的口令TTL。图4-7TCS3200单片机的接口电路颜色传感器TCS3200的一个片选输入端口使用p10(oe)直接进行连接输入到一个P1.0口。滤波选择端口S2和S3分别连接至单片机的其他位置。4.6本章小结本文的设计从TCS3200芯片的整体结构设计特点和其可以使用的不同区域为始,结合51单片机,成功的识别了不同的颜色成分。叙述了各种相应的相关硬件测试设计操作电路、软件操作流程示意图和硬件测试操作程序、电路软件具有设计成本低、测量准和速度快、精确高等几大特点,可以广泛应用于各种对那些需要对应荧光色谱的成分材料进行光色测量、分析和光色识别的化工行业。本灯光系统管理软件主要功能包括:快递分拣功能，复位电路，晶振电路，快递分拣是基于其颜色识别的作用，复位电路是基于保护单片机的作用，则晶振电路是为了保证电路的稳定性。

26421第5章仿真与调试机械臂的夹取是通过调整机械臂旋转角度进行的，下图所示的几种的运行角度是调整的准备工作，此机械臂是可以通过在不同环境下进行模拟的，快递具有不同的型号规格，我们需要进行分类，可分为大中小三类，机械臂的六自由度臂通过不同的旋转进行工作，我们在软件中进行了一系列的模拟仿真，在本章中我们会对它进行说明，仿真的第一步是对实物进行一个旋转角度的调试，如图5-1所示，我们将参数设计成210°，60°，180°，此时机械臂的手部部分的角度是向上抬起的，而当角度确定为90°，110°，160°时，此时的机械臂转向是指向右方的，如下图5-2所示，图5-1机械臂向上90°图5-1机械臂向上90°的形态 图5-2机械臂横摆的形态在前期准备工作完毕后，我们开始进行夹取过程，初始的时候机械臂为静止状态，臂和物是分离状态，如下图所示，机械臂和物体都是不动的，当机械臂运动时，机械臂夹取好物体，通过识别定位好的位置，直接达到放置效果，本文将在下文中用图片进行展示。图5-3机械臂的臂物分离状态图5-4机械臂的夹取阶段 图5-5机械臂夹取完之后的放置第6章总结与展望6.1总结现在的市场上，用于快递分拣的机械臂是非常的少的，并没有将两者非常有效的结合，一种原因是这种设备和识别功能的结合是十分价值昂贵的，一般的中小菜鸟驿站是没有能力承受这样的设备，因此，我们通过设计较为便宜的识别系统，来让设备更加的有效，为此，本文提出一种通过机械臂和单片机结合的策略进行设计，来降低成本和提高工作效率，本文的研究方面有以下几种：本文的研究对象就是基础的工业机械臂，相对来说比较简单，通过六自由度进行不同角度的转向，来夹取物件，但是需要在3维软件上进行一系列的设计与仿真。在模型建造的同时，机械臂的核心部分的气缸选择同样也是十分重要的，