三关节机械臂设计讲解

南京工业大学学士学位论文I三关节机械臂及其控制系统设计摘要随着科技的不断进步，机械臂特别是仿人型机械臂的发展非常迅速。其在人们的日常生活，生产中开始扮演着不可或缺的角色。本文呈现的是一种仿人型机械臂，其主要特点在与多样化，简单化，直觉化的人机交互方式。将以往复杂的主从式操作，诸如摇杆控制等，转化为简单的触摸屏操作，同时辅佐以双目机器视觉，还可以实现通过人的手势来控制机械臂动作，实现了直觉化的控制。为了能高效稳定地控制机械臂，本设计使用了双控制系统协同作业：下位控制系统使用嵌入式系统—ARM微处理器（S3C2440芯片）—实现机械臂的基本动作的控制封装，包括定位算法以及运动控制等；上位控制系统是在PC上实现的，控制软件使用VC++6.0编写，主要实现机器视觉的相关运算，并将运算结果通过串口通信，传递给下位系统—ARM微处理器，并最终转换成机械臂的动作。整个设计过程包含了底层的驱动硬件设计：舵机的选型与控制；机械结构设计：结构设计，负载校核；控制系统电路设计；上位，下位软件的编写：舵机的控制方式—PWM脉宽调制，点定位算法，轨迹控制算法，机器视觉算法；还编写了3维软件进行仿真：三维的投影算法，及贴面，光照，面的排序算法；并最终制作成实物进行演示，在末端装上笔之后，能够进行简单的书写。关键字：触摸屏机器视觉嵌入式系统运动控制AbstractIIThreejointmechanicalarmanditscontrolsystemdesignAbstractAstechnologyadvances,mechanicalarmespeciallyhumanoidtypeofmechanicalarmisdevelopingfast.Thispaperpresentsahumanoidtypeofmechanicalarm.Itsmaincharacteristicsismultiple,simple,intuitiveman-machineinteractiveway.Touchscreencontrolandmachineversionareintroducedcoveringforcomplexoperation,suchasjoystickcontrol.Mechanicalarmiscontrolbydailygestureswhichmakesitmucheasiertouseamechanicalarm.Inordertocontrolthemechanicalarmstabily,thisdesignusesthedualcontrolsystemundercoordinatedassignments:onecontrolsystemusesembeddedsystem–ARMmicroprocessor(S3C2440chip)-realizingthebasicmechanicalarmmovementcontrolencapsulation,includinglocalizationalgorithmandmotioncontrol,etc.;UppercontrolsystemisonthePCplatform,usingvc++6.0forsoftware,realizingmachinevisioncalculation,andwilltransmitresultsthroughserialcommunication,tolowerlevelsystem-theARMmicroprocessor,leadingtomechanicalarmmovementsThewholedesignprocesscontainsrock-bottomdrivehardwaredesign:steeringgearselectionandcontrol;Mechanicalstructuredesignstructuredesign,loadchecking;Controlsystemcircuitdesign;Superiorpositionsoftware:steeringgear--PWMpulsewidthmodulation,pointpositioningalgorithm,trajectorycontrolalgorithm,machinevisionalgorithms;Andfinallymakephysicalfordemonstrationrealizingwritingwithpenloaded.Keywords:Touchscreen；Machineversion；embeddedsystems南京工业大学学士学位论文目录摘要......................................................ⅠAbstract....................................................Ⅱ第1章绪论.................................................11.1题目提出的意义.................................................11.2国内外发展现状.................................................1第2章方案的确定与比较分析.................................42.1机械手机械系统的比较与选择.....................................52.2机械手驱动系统的比较与选择..................................7第3章电机的选择与设计计算.................................103.1主要技术参数的确定............................................103.2各关节电机的选择计算..........................................103.2.1大臂旋转电机的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．113.2.2小臂旋转电机的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．123.2.3腰部旋转电机的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13第4章机械部件的设计与校核.................................154.1轴的设计与校核................................................154.1.1大臂旋转轴的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．154.1.2大臂轴的强度校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．154.2键的选择与强度的校核..........................................184.3轴承寿命的校核................................................204.4联轴器的选择与圆锥销的校核....................................214.4.1联轴器的选择.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．214.4.2联轴器圆锥销的校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22第5章控制系统介绍与选择...................................23目录5.1单片机最小系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．235.1.18051单片机介绍．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．245.1.2复位电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．255.1.3振荡电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．265.2串行接口电路..................................................275.3传感器........................................................275.3.1传感器的选型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．275.3.2硬件电路的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．295.4电动机的控制..................................................295.4.1L298N电机驱动芯片简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．305.4.2硬件电路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30结语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32参考文献.....................................................33致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35南京工业大学学士学位论文1第1章绪论1.1题目提出的意义鉴于我国机械臂仿生技术以及控制方式较西方国家落后，目前自主研发的机械臂在使用方便性以及精度上都不尽如人意。在市场上也很难占有一席之地。为了打破西方国家在这一领域，特别是高端领域的垄断，让更多的国人开始关注自主研发的机械臂，对于仿人形机械臂及其控制系统的研究还是有深远意义的。1.2国内外发展现状我国工业机器人起步于20世纪70年代初，大致可分为3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。国外机械臂的发展已经进入了一个比较高端的地步了，各种智能机械臂，仿生机械臂层出不穷：①.美国研制的利用神经电信号控机械臂美国研制出一种利用神经传输过程中的电信号，将其作为动作输入，来以一种极为简单直接的方式来控制机械臂，是人类第一次利用大脑来控制机械臂，这种方式极大的提高了人类对于机械臂的操作性【1】。②.德国FESTO公司制作的仿象鼻机械臂该机械臂模仿象鼻运动原理，以三排并联的气动肌腱为硬件基础制作的机械臂。能够进行一些复杂的动作，这是以往的关节式机械臂所望尘莫及的。③.我国机械臂发展也十分迅速，多自由度机械臂层出不穷我国机械臂研究虽然起步较晚，但是发展速度很快，多自由度机械臂层出不穷，对于机械臂的横向研究做得还是不错的。其中北京航空航天大学大学在机械臂及机械手的发展中作出着较大的贡献【2】。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，受到各先进工第1章绪论2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【3】。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