前言1.1課題背景及意義機(jī)械手通過運(yùn)動控制芯片、單片機(jī)、可控制編程器等來控制電機(jī)、氣缸、液壓缸的運(yùn)動，從而模仿人手和臂的某些動作，按固定程序?qū)崿F(xiàn)物體的抓取。它可代替人的勞動，也可以在有害環(huán)境下保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子、原子能等部門。目前機(jī)械手主要用于以下幾個(gè)方面。(1).惡劣的工作環(huán)境和危險(xiǎn)的工作在核工業(yè)中，核產(chǎn)品具有較強(qiáng)的放射性，為了人員的安全，需要機(jī)械手來完成相關(guān)的清理工作。(2).自動化生產(chǎn)領(lǐng)域主要用于生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)自動化。如當(dāng)機(jī)械手末端夾持焊槍時(shí)，可以對汽車或摩托車的車體進(jìn)行點(diǎn)焊或弧焊作業(yè)。(3).在特殊作業(yè)場合進(jìn)行極限作業(yè)在一些高危領(lǐng)域經(jīng)常要用到機(jī)器人去探索。目前研制出了螃蟹機(jī)器人，用于水下勘測、海洋搜尋及石油天然氣的勘測。(4).農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目前研制出了太陽能農(nóng)用機(jī)器人，他可以找到隱藏在農(nóng)作物中的雜草，通過機(jī)械手隔斷雜草，同時(shí)還可以利用機(jī)械手噴灑除草劑。(5).軍事應(yīng)用在軍事應(yīng)用中，軍人執(zhí)勤經(jīng)常會遇到危險(xiǎn)，這就需要機(jī)器人幫助完成執(zhí)勤任務(wù)，當(dāng)今世界機(jī)器人競爭很激烈，要在這個(gè)激烈的國際競爭中立于不敗之地,就需要有我國自己的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，未來世界高科技的競爭更重要的則是人才的競爭。因此,從現(xiàn)在開始就應(yīng)該注意培養(yǎng)后備力量。機(jī)械手是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的典型代表,因此可以用來作為教學(xué)應(yīng)用的示例。機(jī)械手為典型的機(jī)電產(chǎn)品，包含了驅(qū)動元件，控制元件，信息處理元件，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳動機(jī)構(gòu)，機(jī)械本體等組成元素，并且具有控制能力強(qiáng)，改變控制程序靈活方便、可靠性高等特點(diǎn)，為學(xué)生提供了良好的學(xué)習(xí)工具。它將現(xiàn)代工業(yè)與教學(xué)聯(lián)系在了一起，通過控制—執(zhí)行這整個(gè)的過程使學(xué)生對所學(xué)的知識有一個(gè)更好的認(rèn)識，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。隨著當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，它已突破純開關(guān)量控制的局限，進(jìn)入模擬量控制等領(lǐng)域。通過該機(jī)械手的教學(xué)開拓了學(xué)生專業(yè)視野，為他們迎接就業(yè)和深造的挑戰(zhàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.2國內(nèi)外研究水平與發(fā)展趨勢目前,世界上的機(jī)器人的技術(shù)、數(shù)量優(yōu)勢都集中在以日美為代表的少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國家。日本是世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的國家,其產(chǎn)品一直在不斷的更新?lián)Q代。因此,從總體實(shí)力來講日本占有絕對優(yōu)勢。美國的機(jī)器人在近10年來也呈快速增長勢頭,而且增長的幅度在逐年加大。另外德、意、法及英國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展也比較快。以上6個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)大國機(jī)器人的總數(shù)構(gòu)成了世界機(jī)器人的主體。在亞洲除日本外,機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快的是韓國。經(jīng)過20多年的發(fā)展,我國在多項(xiàng)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)中取得了突破性的進(jìn)展。機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)如中科院、清華大學(xué)、東北大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)取得了令人矚目的成果。1989年我國研制的水下機(jī)器人就出口到美國。1997年我國的高性能機(jī)器人控制器也投入批量生產(chǎn)。這些具有代表性的技術(shù)成果均達(dá)到國際上的先進(jìn)水平。我國在機(jī)器人領(lǐng)域除了狠抓技術(shù)攻關(guān)外,也注重人才培養(yǎng)。特別是863計(jì)劃的實(shí)施,為我國培養(yǎng)了一大批機(jī)器人技術(shù)的研究人才，我國機(jī)器人步入了跨躍式發(fā)展時(shí)期。據(jù)報(bào)道，在機(jī)器人領(lǐng)域中多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)的研究成果達(dá)到了國際先進(jìn)水平。獲國家科技獎23項(xiàng),省部級科技獎130多項(xiàng)等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)和高分子材料技術(shù)水平的逐步提高,目前機(jī)器人技術(shù)正向著高智能化和擬人化的方向發(fā)展。其中發(fā)展較快的關(guān)鍵技術(shù)有:(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)。(2）決定機(jī)器人具有智能行為的關(guān)鍵技術(shù)智能控制。其主要技術(shù)包括:智能信息處理、智能反饋、智能決策的控制方式。(3）多傳感器的信息融合。這項(xiàng)技術(shù)是把分布在不同位置的同類或不同類傳感器提供的特定環(huán)境下的特定信息加以綜合,消除信息之間的冗余和矛盾，提高工作效率。(4）遙控和遠(yuǎn)程控制技術(shù)。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高水平的自主功能和多機(jī)器人與操作者之間的協(xié)調(diào)控制。(5）人機(jī)接口。包括各種各樣的輸入輸出設(shè)備。1.3課程設(shè)計(jì)任務(wù)本課題所設(shè)計(jì)多自由度機(jī)械手是典型的機(jī)電控制系統(tǒng)，既有操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置，又具有速度快、精度高、柔性好等特點(diǎn)。此多自由度機(jī)械手可以進(jìn)行教學(xué)演示。機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)基本的旋轉(zhuǎn)、擺動運(yùn)動以及腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。該機(jī)械手采用四關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動，諧波減速器傳動；機(jī)械手的控制系統(tǒng)采用以STM32和FPGA為核心運(yùn)動控制平臺，STM32主要任務(wù)是完成任務(wù)的分配與管理，同時(shí)利用其外設(shè)為控制系統(tǒng)提供專用接口；FPGA為擴(kuò)展部分，主要任務(wù)是完成控制系統(tǒng)的插補(bǔ)運(yùn)算以及各種邏輯控制。FPGA采用運(yùn)動控制內(nèi)核SM5004四軸運(yùn)動控制芯片，STM32選用STM32F103型號的芯片。1.4論文的整體結(jié)構(gòu)1.4.1硬件電路設(shè)計(jì)（1）傳統(tǒng)的運(yùn)動控制方式是在PC或控制計(jì)算機(jī)中插入數(shù)據(jù)采板卡構(gòu)成硬件系統(tǒng)，編寫驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)軟件功能，但是基于PC或工控機(jī)的控制器暴露出很多問題，如：體積大，不便于攜行；插卡式結(jié)構(gòu)，接觸后易松動等等。嵌入式操作系統(tǒng)具有嵌入式的典型特點(diǎn)：響應(yīng)的時(shí)間很短，任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間可以確定；較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。因此本方案采用嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)中采用FPGA-現(xiàn)場可編程門陣列，可重復(fù)編程，設(shè)計(jì)周期短，可在短時(shí)間內(nèi)將嵌入式處理器與FPGA組合構(gòu)成嵌入式運(yùn)動控制方案，產(chǎn)品運(yùn)行周期短，便于快速推向市場；在FPGA上還可以嵌入其他處理器，構(gòu)成新的芯片，同時(shí)可以降低系統(tǒng)總體的成本。由于嵌入式系統(tǒng)具有這些優(yōu)點(diǎn)，故在運(yùn)動控制系統(tǒng)中，為了滿足系統(tǒng)所要求的任務(wù)，采用ARM+FPGA嵌入式控制芯片。其中ARM采用STM32，它的主要任務(wù)是完成任務(wù)的分配與管理，同時(shí)利用其外設(shè)為控制系統(tǒng)提供專用接口。FPGA為擴(kuò)展部分，可以采用深圳斯達(dá)特公司生產(chǎn)的SM5004四軸運(yùn)動控制芯片，通過與伺服電機(jī)驅(qū)動器相連，從而控制電機(jī)的運(yùn)動，主要任務(wù)是完成控制系統(tǒng)的插補(bǔ)運(yùn)算以及各種邏輯控制。由于差分驅(qū)動方式的抗干擾能力強(qiáng)于單端驅(qū)動方式，故采用差分輸入/輸出方式。AM26LS31/32為差分線路接收器和驅(qū)動器。差分線路接收器可以將差分信號變成單端信號，差分線路驅(qū)動器可以將單端信號變成差分信號。采用高速光耦PS9613,耦合器以光為介質(zhì)來傳輸電信號，對輸入、輸出都有很好的隔離作用，信號的傳輸方式為單向傳輸，輸入與輸出完全實(shí)現(xiàn)信號隔離，因此抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，傳輸?shù)男矢?。由于這些優(yōu)點(diǎn)，光電耦合器廣泛用于電器的絕緣，電壓的轉(zhuǎn)換，驅(qū)動和接受電路等場合。本電路由于所需的脈沖速度快，因此考慮選擇高速光耦，來實(shí)現(xiàn)信號得隔離?？刂撇糠帜K框圖如圖1.1所示：圖1.`1機(jī)械手控制系統(tǒng)總體框圖控制機(jī)的通訊接口接收上位機(jī)傳來的程序，并進(jìn)行程序的運(yùn)行，將設(shè)定值存儲在存儲器中，同時(shí)數(shù)據(jù)采集當(dāng)前的電機(jī)信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，將電機(jī)信號傳給微處理器，微處理器將收集的信息進(jìn)行比較運(yùn)算，根據(jù)結(jié)果發(fā)送指令給電機(jī)驅(qū)動器，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的控制。1.4.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機(jī)械式機(jī)械手，本文采用電動式驅(qū)動，因?yàn)殡妱邮津?qū)動精度更高一些。自由度數(shù)為四個(gè)，包括兩個(gè)轉(zhuǎn)動、兩個(gè)擺動。抓取重物重量設(shè)定為5kg。選機(jī)械手的基本形式為平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手。簡要結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示：圖1.2機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖2電源模塊選用2.1電源模塊電路由于控制部分用到STM32微處理器，SM5004運(yùn)動控制芯片，AM26LS31/32差分線路接收器和驅(qū)動器，PS9613高速光耦芯片，伺服驅(qū)動器，光電傳感器等,故所需要的輸入電壓包括了以上幾種，其中有220V,24V,5V,3.3V,1.5V。設(shè)定控制電路輸入電壓為24V，采用降壓電路將電壓降為5V,3.3V,1.5V。實(shí)現(xiàn)對各芯片進(jìn)行供電，220V給交流伺服運(yùn)動控制器供電。2.2電源模塊確定2.2.124V到12V降壓電路圖2.124V到12V降壓電路2.2.212V到5V降壓電路圖2.212V到5V降壓電路2.2.312V到3.3V降壓電路圖2.312V到3.3V降壓電路隨著電子產(chǎn)品的日益普及，各種電磁信號充滿電機(jī)的工作環(huán)境，加上各式各樣的噪聲，這些信號會在電源線和電子設(shè)備的連接電纜上感應(yīng)出電磁干擾信號，外加電動旋轉(zhuǎn)機(jī)械和點(diǎn)火系統(tǒng)，也會在感性負(fù)載電路內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)和輻射噪聲干擾；還有一些自然干擾源，比如雷電放電過程，持續(xù)時(shí)間短但是能量很大。另外電子電路元器件在工作時(shí)也會產(chǎn)生熱噪聲等。為了獲得較安穩(wěn)的信號，驅(qū)動器主電源處需要接上噪聲濾波器，噪聲濾波器采用電磁干擾濾波器，可以有效的抑制電網(wǎng)噪聲，提高設(shè)備的抗干擾能力。噪聲濾波器原理如圖2.4如下：圖2.4噪聲濾波器電路3控制系統(tǒng)與反饋電路的設(shè)計(jì)本文采用ARM+FPGA構(gòu)成嵌入式微控制器，由于驅(qū)動器需要大量的比較計(jì)算，故ARM采用基于MDK的STM32處理器，F(xiàn)PGA（現(xiàn)場可編程邏輯器件）可采用斯邁迪科技發(fā)展公司生產(chǎn)的SM5004運(yùn)動控制芯片，并給出了系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)。STM32F103為基于ARM核心的擁有512K閃存的微控制器，可以處理32位字節(jié)數(shù)，具有USB、ADC、CAN、11個(gè)定時(shí)器，13個(gè)通信接口。為了提高控制芯片的功能，選擇 LQP144封裝。供電方式為2.0V-3.6V.SM5004可以獨(dú)立控制多個(gè)伺服或步進(jìn)的運(yùn)動控制芯片，是國內(nèi)自主研發(fā)的運(yùn)動核心部件，主要以MCX314技術(shù)為基礎(chǔ)，吸收了其他芯片的一些優(yōu)點(diǎn)研發(fā)出來的，在性能上可以代替MCX3xx等同類芯片，它的出現(xiàn)填補(bǔ)了國內(nèi)的空白，避免了國外的限制。相對于單片機(jī)的性能差，一致性、可靠性差等特點(diǎn)，運(yùn)動控制芯片具有高的性能，高的智能，高集成化。具有脈沖輸出、驅(qū)動狀態(tài)顯示、速度曲線、位置管理、插補(bǔ)、通用輸入輸出、限位、中斷、接口時(shí)序等功能。供電方式為3.3V，1.5V。3.1ARM與FPGA的接線圖ARM與FPGA的接口方式采用了存儲總線方式，因?yàn)榭偩€的形式穩(wěn)定性更好一些。其結(jié)構(gòu)簡圖如下所示：圖3.1ARM與FPGA的接口STM32F103除了作為主處理器負(fù)責(zé)LCD顯示及鍵盤處理實(shí)現(xiàn)良好的用戶界面外，還向SM5004發(fā)送地址、數(shù)據(jù)、讀寫信號等，STM32F103則接收SM5004發(fā)送來的中斷信號。從而實(shí)現(xiàn)二者的通信。3.2FPGA與伺服驅(qū)動器的接線機(jī)械手的運(yùn)動則通過SM5004驅(qū)動伺服電機(jī)驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的控制，SM5004向伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖信號和方向信號，接收電機(jī)的編碼反饋，從而對電機(jī)實(shí)現(xiàn)位置和速度的檢測，并根據(jù)反饋值進(jìn)行調(diào)整。伺服電機(jī)選用松下交流伺服。松下伺服電機(jī)速度頻率可提高2倍，具有高共振抑制和控制功能，同時(shí)具有全閉環(huán)控制的功能，同時(shí)具有一系列方便使用的功能，如配有RS485，RS232通信口，具有兩種自動增益調(diào)整方式，可配多種編碼器，本文選擇普通型，2500p/r。下圖為X電機(jī)驅(qū)動電路圖（Y、Z、U的與X的接線圖一致）：XOUT1XOUT2XOUT0XALARMXINPOSXECAXECBXIN2XIN3XPDXPMSM5004AM26LS31AM26LS32XOUT1XOUT2XOUT0XALARMXINPOSXECAXECBXIN2XIN3XPDXPMSM5004AM26LS31AM26LS32圖3.2SM5004與電機(jī)驅(qū)動器的連接其中AM26LS31/32為差分線路驅(qū)動器和接收器，用來接收和發(fā)送差分信號。伺服驅(qū)動器的控制輸入有伺服（SRV-ON）；報(bào)警清除（CL），用來檢測危險(xiǎn)消除后，給伺服電機(jī)發(fā)送正常工作脈沖；零速限位（C-MODE）?？刂戚敵鲇兴欧?bào)警（ALARM）,當(dāng)電機(jī)不工作或者發(fā)生故障時(shí)伺服驅(qū)動器向運(yùn)動控制器發(fā)送報(bào)警脈沖；伺服準(zhǔn)備好（S-RDY）,用來檢測伺服電機(jī)及驅(qū)動器是否準(zhǔn)備好；定位完成（COIN）,電機(jī)到達(dá)指定位置后向運(yùn)動控制器發(fā)生定位完成指令。伺服驅(qū)動器的控制方式有轉(zhuǎn)矩控制，速度控制，位置控制，速度-轉(zhuǎn)矩控制等，本文才用位置控制方式，控制機(jī)械手到達(dá)3.3傳感檢測電路檢測部分采用光電式傳感器，用來檢測大臂的擺動角度是否越限以及夾持器是否夾持住物體，這種傳感器體積小，響應(yīng)快，精度高。選用透光型光電傳感器，發(fā)射器件和受光器件相對放，中間留有間隙。當(dāng)有物體到達(dá)兩者之間時(shí)，發(fā)射光便被擋住，受光器件接收不到發(fā)射器發(fā)送的光，于是受光器件產(chǎn)生信號，并將信號發(fā)送給控制器，從而實(shí)現(xiàn)檢測。其接口電路如圖3.3：圖3.3光電傳感器接口電路3.4輔助電路復(fù)位電路可以確保微機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定的工作，在工作初期，微處理器、運(yùn)動控制芯片都要進(jìn)行初始化，因此就需要復(fù)位電路，以使其處于初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始工作。一般電路的供電電壓為3V-5V，當(dāng)電路低于3V或者高于5V的時(shí)候，復(fù)位電路便工作，將電路置于初始狀態(tài)，如果電路的供電電壓位于3V-5V之間，復(fù)位電路則停止工作。其電路如圖3.4：圖3.4復(fù)位電路電路圖時(shí)鐘電路給嵌入式系統(tǒng)提供時(shí)鐘脈沖，振蕩器采用陶瓷振蕩器。其電路如圖3.5：圖3.5時(shí)鐘電路4人機(jī)交互模塊的設(shè)計(jì)在STM32F103上可以設(shè)計(jì)鍵盤、LCD、RS232、CAN總線、I2C總線、USB接口等人機(jī)交互界面。通用同步/異步收發(fā)器（USART）STM32F103芯片中內(nèi)置了3個(gè)通用同步/異步收發(fā)器（USART1，USART2,USART3）和2個(gè)通用異步收發(fā)器（USART4，USART5），這五個(gè)接口提供異步通信，支持IrDASIRENDEC傳輸編解碼、多處理器通信模式、單線半雙工模式CAN總線的設(shè)計(jì)圖4.1CAN總線的設(shè)計(jì)(2)通用串行總線（USB）通用串行總線是將外部設(shè)備與計(jì)算機(jī)或芯片聯(lián)系起來的接口，具有快速、雙向傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，可以連接鼠標(biāo)，鍵盤，打印機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。其連接電路如圖4.2：圖4.2USB接口的設(shè)計(jì)（3）RS232RS232是把控制芯片與上位機(jī)聯(lián)系起來的接口，主要實(shí)現(xiàn)程序的傳輸，通過RS232來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對控制器的運(yùn)行方式的控制。其接口電路如圖4.3：圖4.3RS232接口電路5機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1電機(jī)的選型在選擇電機(jī)的過程中，首先要滿足給定的負(fù)載，然后再從中按價(jià)格、重量、體積等指標(biāo)選擇最合適的電機(jī)。初選步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。其中由于步進(jìn)電機(jī)的具有工作效率比較低，容易引起失步等的缺點(diǎn)。交流伺服電機(jī)體積小，重量輕，適宜于高精度、頻繁啟動與停止、具有反饋的場合，且電機(jī)不需要維護(hù)。由于交流伺服電機(jī)具有這些優(yōu)點(diǎn)，所以該方案選擇交流伺服電機(jī)。設(shè)機(jī)械手的手臂簡化長度為300mm，對于回轉(zhuǎn)軸過桿的端點(diǎn)并垂直于軸的轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算公式為：（5.1）M為折合成物體的重量；L為手臂的簡化長度；設(shè)夾持重物的重量為5kg，大臂、小臂及其他傳動件的質(zhì)量可記為10kg，折合成物體的重量為15kg。軸的簡化直徑為24mm，l=175mm，鋼材的密度為7.85g/mm，故軸的質(zhì)量為：(5.2)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：(5.3)支撐架和大錐齒輪的轉(zhuǎn)動慣量為：查表得聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量為=0.0015（kgm）軸和小錐齒輪的轉(zhuǎn)動慣量為折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為:J=電機(jī)經(jīng)減速后作用在機(jī)械手臂上的轉(zhuǎn)速為n=,即(5.4)電機(jī)所需的功率為P=1.01（W）(5.5)選用松下伺服電機(jī)，電機(jī)的型號為：圖5.1伺服電機(jī)、驅(qū)動器型號表示選擇MSMA小慣量系列伺服電機(jī)，從《松下伺服電機(jī)及驅(qū)動器選型手冊》中選取部分型號如下：表1伺服電機(jī)選型表額定功率W額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩電機(jī)慣量額定轉(zhuǎn)速r/min編碼器p/r30W0.0950.280.0163000250050W0.160.480.02530002500100W0.320.950.06230002500根據(jù)計(jì)算選擇電機(jī)及驅(qū)動器型號如下所示；表2伺服電機(jī)的選擇電機(jī)電機(jī)型號驅(qū)動器型號一號電機(jī)MSMA5A1AMADDT1205003二號電機(jī)MSMA3A1AMADDT1205003三號電機(jī)MSMA3A1AMADDT1205003四號電機(jī)MSMA3A1AMADDT1205003其中伺服電機(jī)驅(qū)動器僅能接收脈沖信號或內(nèi)部速度控制，不能接收模擬信號或轉(zhuǎn)矩指令。5.2機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械部分包括機(jī)座、大臂、小臂、腕部、手部等組成。5.2.1腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)腕部位于整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的最前端，腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響臂部的運(yùn)動性能，因此在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能緊湊，重量輕。本文設(shè)計(jì)用擋圈固定伺服電機(jī)，驅(qū)動夾持器實(shí)現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)。從《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》中選擇合適的公式進(jìn)行計(jì)算：腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算：(5.6)由于腕部所受的摩擦很小，因此可以忽略不計(jì)?？朔ぜ匦钠扑璧牧兀?5.7)克服啟動慣性所需的力矩：(5.8)式中：J—手腕對腕部軸線的轉(zhuǎn)動慣量，查表得0.016；--工件對腕部軸線的轉(zhuǎn)動慣量，計(jì)算得0.001；t--啟動所需的時(shí)間，設(shè)啟動所需的時(shí)間為0.2s；--手腕的角速度，=2*3.14*3000/60=314rad/s;所以：(5.9)5.2.2臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的要求：承載能力大，剛度好，自重輕。設(shè)計(jì)時(shí)使用兩塊鋼板對稱設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。設(shè)計(jì)時(shí)電機(jī)帶動小齒輪的運(yùn)動，小齒輪帶動大齒輪的運(yùn)動，大齒輪進(jìn)而帶動臂部的運(yùn)動，通過緊定螺釘將臂部緊定在傳動軸上，提高臂部在運(yùn)動過程中的定位精度；自由度為擺動，大臂的旋轉(zhuǎn)角度為-45度到135度，小臂的擺動范圍為-100度到100度；軸的支撐采用滾動軸承，以減少摩擦，滾動軸承采用端蓋來固定；采用緊定螺母，防止運(yùn)動，同時(shí)又減輕了機(jī)構(gòu)的重量。臂部結(jié)構(gòu)圖如下：圖5.2機(jī)械手臂部和腕部估算軸端的直徑：(5.10)A--材料系數(shù)，選取45號鋼，A=110;P—軸傳遞的功率；n-軸的轉(zhuǎn)速；所以：，選取軸的中心處的直徑為16mm,由于軸上主要承受回轉(zhuǎn)力和臂的重力，因此選擇軸承為深溝球軸承，其主要承受徑向力，可承受小量的軸向力。大臂所受的力：F(5.11)式中;F—加速度產(chǎn)生的力，設(shè)快速移動速度為3m/min,加速度為2.5m/s,--小臂及四號電機(jī)、連接件產(chǎn)生的重力，設(shè)重力為6kg;F=M(g+a)=6*(10+2.5)=75（N）大臂所受的應(yīng)力強(qiáng)度為(5.12)5.2.3腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：選取工作臺直徑d=150mm，支撐件的高度為130mm,擴(kuò)大臂部的活動范圍腰部軸的設(shè)計(jì)計(jì)算：選擇軸的材料為45號鋼，正火處理；估算軸的直徑為：=110=15（mm）(5.13)式中：A—材料系數(shù)；P—軸傳遞的功率；n—軸的轉(zhuǎn)速。選擇軸的直徑為24mm，軸受到支撐件的重力，臂部的回轉(zhuǎn)力，拉力，故軸的兩端選擇圓錐滾子軸承，根據(jù)軸的直徑選擇滾動軸承的型號為30203和30205。校核軸的剛度：設(shè)大臂、小臂、夾持器、傳動件的重量為10kg，簡化重心距大齒輪圓心的距離為150mm,電機(jī)經(jīng)減速后傳到大齒輪上的轉(zhuǎn)速為20r/min,則大直齒輪軸的轉(zhuǎn)速為：(5.14)則大臂、小臂、夾持器、傳動件在運(yùn)動過程中所受的向心力為：(5.15)對整個(gè)軸進(jìn)行受力分析得：F1F1F2F圖5.3軸的受力分析彎矩圖為：FFX圖5.4軸的彎矩圖F1+F2=6.57（N）,剪力平衡方程得F2*X-F*(220+X)=0式中X為截面到F1點(diǎn)處得距離。由以上兩式得F2=18.6N,F1=-12.03（N）。由圖12可得，軸在F2處受到的彎矩是最大的Mmax=F1*120=12.03*0.12=1.44（Nm）最大正應(yīng)力（5.16）式中W—抗彎截面系數(shù)，對于圓柱體來說W=3.14*d^3/32W=所以故該軸滿足穩(wěn)定性的要求5.2.4錐齒輪的選取設(shè)定錐齒輪的傳動比為3，模數(shù)設(shè)為2，已知Z1可取為16-30，此處取為20，則Z2=60。小錐齒輪分度圓直徑為（mm）；大錐齒輪分度圓直徑為（mm）；齒寬b=6.3mm.小齒輪齒頂高h(yuǎn)1=m(1+X1)=2*(1+0.3)=2.6（mm），齒根高：h2=2（1+0.2-0.3）=1.8（mm）；大齒輪齒頂高h(yuǎn)3=2*（1-0.3）=1.4（mm），齒根高：h4=2*（1+0.2+0.3）=3（mm）。小齒輪頂錐角：大齒輪的頂錐角：通過計(jì)算后確定錐齒輪的尺寸，并安裝到合理的位置。5.2.5聯(lián)軸器的選擇根據(jù)軸的直徑來選取，由電機(jī)的尺寸及傳動軸的尺寸選取與一號電機(jī)相連的聯(lián)軸器為凸緣聯(lián)軸器，型號為GY2；大臂處的聯(lián)軸器由于空間的限制選擇套筒式聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，徑向尺寸小，d=4mm，寬為15mm。5.2.6鍵的校核假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為：（5.17）式中：—傳遞的扭矩；—鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，此處為鍵的高度；—鍵的工作長度；—軸的直徑?！I、軸、輪轂三者中最弱材料的需用擠壓應(yīng)力。代入數(shù)據(jù)得：經(jīng)查表，許用擠壓應(yīng)力為120~150MPa。所以，滿足要求。5結(jié)論本論文針對四自由度機(jī)械手的硬件系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)展開研究，主要完成如下的工作：分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景，研究意義及目的。設(shè)計(jì)了組成控制系統(tǒng)的硬件和軟件。機(jī)器人控制系統(tǒng)采用ARM+FPGA構(gòu)成運(yùn)動控制器，包括電源的輸入，人機(jī)交互模塊的設(shè)計(jì)，以及與伺服電機(jī)控制器的連接，通過控制來實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的插補(bǔ)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位。在分析計(jì)算的基礎(chǔ)上完成了機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過CAD三個(gè)視圖表示機(jī)械手的裝配設(shè)計(jì)，然后通過手繪重要零件的零件圖，完成機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。該機(jī)械手是一個(gè)典型的機(jī)電產(chǎn)品，包括運(yùn)動控制、電機(jī)驅(qū)動器、機(jī)械結(jié)構(gòu)等。由于水平的限制，該機(jī)械手必定存在很多不足之處，仍需不斷地改進(jìn)和完善?；贑8051F單片機(jī)直流電動機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機(jī)的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動檢測儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號檢測儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專用單片機(jī)核的可測性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測量儀的研制基于單片機(jī)的紅外測油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)與Internet互聯(lián)的研究與實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機(jī)控制器的研究基于單片機(jī)γ-免疫計(jì)數(shù)器自動換樣功能的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)嵌入式以太網(wǎng)防盜報(bào)警系統(tǒng)基于51單片機(jī)的嵌入式Internet系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在擠壓機(jī)上的應(yīng)用MSP430單片機(jī)在智能水表系統(tǒng)上的研究與應(yīng)用基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用單片機(jī)在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用HYPERLINK"