（可编）三关节机械臂设计(1).docx

南京工业大学学士学位论文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臀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，渚如摇杆控制 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 用嵌入式系统一ARM微处理器（S3C2440芯片）一实现机械臀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，传递给下位系统一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；控制系统电路设汁；上位，下位软件的编写：舵机的控制方式一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不，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Ab、mThree joint mechanical arm and its control system designAbstractAs technology advances, mechanical arm especially humanoid type of mechanical arm is developing fast. This paper presents a humanoid type of mechanical ami.Its main characteristics is multiple .simple, intuitive man-machine interactive way.Touch screen control and machine version are introduced covering for complex operation ,such as joystick control. Mechanical arm is control by daily gestures which niiikes it much easier to use a mechanical arm.In order to control the mechanical arm stabily, this design uses the dual control system under coordinated assignments: one control system uses embedded system - ARM microprocessor (S3C2440 chip)・ realizing the basic mechanical arm movement control encapsulation, including localization algorithm and motion control. etc.;Upper control system is on the PC platform, using vc + + 6.0 for software, realizing machine vision calculation, and will transmit results through serial communication, to lower level system -the ARM microprocessor, leading to mechanical arm movementsThe whole design process contains rock-bottom drive hardware design: steering gear selection and control: Mechanical structure design structure design, load checking; Control system circuit design: Superior position software: steering gear -- PWM pulse width modulation, point positioning algorithm, trajectory control algorithm, machine vision algorithms; And finally make physical for demonstration realizing writing with pen loaded.Key words: Touch screen: Machine version； embedded systems冃录摘要 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目录第5章控制系统介绍与选择 235. 1 单片机最小系统 235. 1. 1 8051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. 4.1 L298N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南京1•业大学学士学位论交第1章绪论1.1题目提出的意义鉴于我国机械臀仿生技术以及控制方式较西方国家落后，廿前自主研发的机械臀在使 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 形机械普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年代的幵发期，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普的操作性⑴② .德国FESTO公司制作的仿象鼻机械臂该机械臀模仿象鼻运动原理，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 .我国机械俾发展也十分迅速，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労，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普及机械手的发展中作岀着较大的页献⑵。

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，避循一定的程序、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，加快实现丄:业生产机械化和自动化的步伐因而，受到各先 进匸业国家的重视，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 第1散绪论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車视⑴国外发展现状：专用机械手经过几十年的发展，如今己进入了以通用机械手为标志的时代机械F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[I]O目前国外的发展趋势是：(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。

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橄 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国内发展状况：廿前，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，但其程序都是预先南京匸业大学学七学位论文编好的，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E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⑴O11 第2章方案的确定与比较分析第2章方案的确定与比较分析本毕业设计的机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，其结构形式方案一般有一下几种：表2-1机械手结构选型表结构形式方案恃点优缺点结构简图直角坐标型操作机的手 臂具有三个 移动关节，其 关节轴线按 直角坐标配 置结构刚度较好，控制 系统的设计最为简 单，但其占空间较大， 且运动轨迹单一，使 用。