平面关节型机械手

平面关节型机械手江苏城市职业技术学院毕业论文课题名称平面关节型机械手姓名王如鹏学号0733010221专业机电一体化班级07职机电（2）指导老师朱云开2011年12 月目录引言----------------------------------------------------------- 3 摘要----------------------------------------------------------- 6 第一章机械手总体设计-----------------------------------------71.1 主要技术参数-------------------------------------------- 71.2 结构特点图---------------------------------------------- 8第二章手指设计 ---------------------------------------------- 92.1 设计是要注意的问题-------------------------------------- 92.2 零件的计算---------------------------------------------- 102.3 手指抓紧力的计算---------------------------------------- 10第三章移动关节的设计计算----------------------------------- 12 3.1 驱动方式的比较 ----------------------------------------- 12 3.2 汽缸的设计---------------------------------------------- 12第四章小臂的设计------------------------------------------- 14 4.1设计时注意的问题---------------------------------------- 14 4.2 小臂结构的设计------------------------------------------ 15 4.3 轴的设计计算 ------------------------------------------- 16 4.4 轴承的选择 --------------------------------------------- 17 4.5 轴承摩擦力矩的计算 ------------------------------------- 18 4.6 驱动选择 ----------------------------------------------- 18第五章大臂的设计计算---------------------------------------- 195.1 大臂结构的设计------------------------------------------ 19 5.2 轴的设计计算 ------------------------------------------- 20 5.3 轴承的选择 --------------------------------------------- 21 5.4 轴承摩擦力矩的计算 ------------------------------------- 22 5.5 伺服系统的选择 ----------------------------------------- 22第六章机身的设计 ------------------------------------------ 23 6.1 设计时注意的问题---------------------------------------- 236.2 三个自由度 -------------------------------------------- 24毕业设计总结--------------------------------------------------- 25 参考文献------------------------------------------------------- 26引言平面关节型机械手是应用最广泛的机械手类型之一，既可以用于实际生产，又可以用于教学实验和科学研究。

用于实际生产，它能够满足装配作业内容改变频繁的要求；用于教学实验，它能够使人直观地了解机器人结构组成、动作原理等，所以开发设计和研究平面关节型机械手具有最广泛的实际意义和应用前景。

其中比较突出的LM629是美国国家半导体公司生产的可编程全数字运动控制芯片，它具有32位的位置、速度和加速度寄存器，内置PID算法，其参数可以修改；支持实时读取和设定速度、加速度以及位置等运动参数，内置的梯形图发生器能够自动生成速度曲线，平稳地加速、减速；支持增量式光电码盘的4倍频输入；芯片的主频为6MHz和8MHz。

一机械手结构本文设计的平面关节型机械手的实物照片如图1所示，其主要包括两个旋转关节（分别控制机械大臂和小臂旋转以及手抓张合）和一个移动关节（控制手腕伸缩），图2为机械手简化模型。

各关节均采用直流电机作为驱动装置，在机械大臂和小臂的旋转关节上还装配有增量式光电编码器，提供半闭环控制所需的反馈信号。

直流电机的运动控制采用自行开发的基于LM629和PIC16F877构成的多关节控制卡，并编制了能满足运动控制要求的软件，实现对机械手的速度、位置以及3关节联动控制。

由于机械手3个关节电机的控制系统基本类似，因此在下文中，笔者将以单个关节电机为例向读者介绍平面关节型机械手的控制系统设计过程。

图1机械手实物照片注：1—机身；2—大臂电机；3—光电编码器；4—大臂；5—小臂电机6—同步带；7—光电编码器；8—小臂；9—手腕升降电机；10—手抓电机；11—手抓。

图2机械手简化模型二控制系统设计2.1控制系统的工作原理基于LM629芯片和PIC16F877单片机构成的单个关节直流电机伺服驱动系统如图3所示。

图3控制系统原理图运动芯片LM629通过8位数据线和6根控制线与单片机PIC16F877的I/O 口相连。

单片机通过数据线向LM629发送位置或速度命令、设定PID调节参数，并从LM629中读取速度、加速度等数值。

LM629输出的脉宽调制幅度信号和方向信号直接驱动L298N，经过功率放大后驱动直流电机。

增量式光电编码器提供半闭环控制所需的反馈信号(A、B、IN),梯形图发生器计算出位置或速度模式下所需控制的运动轨迹。

PIC16F877为LM629提供加速度、速度和目标位置量,在每个采样周期用这些值来计算出新的命令和位置给定值,将其作为指令值。

由增量式光电编码器检测电机的实际位置,其输出信号经过LM629四倍频后进行解码,形成位置反馈值。

指令值与反馈值的差值作为数字PID校正环节的输入。

通过数字调节器PID计算，LM629输出脉宽调制信号PWMM和方向信号PWMS用于控制功率芯片L298N,进而驱动电机运动到指定的位置。

LM629在进行位置控制的同时，还对速度进行控制。

LM629在接受到主机送来的位置信号后，按梯形图生成加速、匀速、减速的速度曲线，曲线与坐标横轴所包围的面积就是指定的位置。

PID算法中的比例、积分和微分系数有时需要进行修改，因此将它们存储在单片机的E2PROM中。

单片机和PC机通过无线发射和接收模块进行串行摘要平面关节型机械手采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间如工作空间图，它的纵截面为矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体截面的大小、形状。

关键词:机械手轴承汽缸[Abstract]Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints , two slew joints control the moving of the front and back left and right . the move joints control the moving of up and down . the work room as work room drawing . the vertical section is a rectangle slew . the high of the vertical section is move joints’ journey ,the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section .Key words:manipulator axletree cylinder第1章机械手总体设计工业机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序，轨迹或其他要求，实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。

它在二十世纪五十年代就已用于生产，是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置，开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化，随着应用范围的不段扩大，现在用来夹持工具和完成一定的作业。

实践证明它可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率。

平面关节型机器人又称SCARA型装配机器人，是Selective Compliance Assembly Robot Arm的缩写，意思是具有选择柔顺性的装配机器人手臂。

在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。

它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业零件的插接、装配中应用广泛。

总体设计的任务：包括进行机械手的运动设计，确定主要工作参数，选择驱动系统和电控系统，整体结构设计，最后绘出方案草图。

1.1 主要技术参数见表1-1表1-11.2 结构特点如下图：图3.工作空间图第2章手指设计工业机械手的手部是用来抓持工件或工具的部件。

手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一2.1 设计时要注意的问题：(1) 手指应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。

(2)手指应有一定的开闭范围。

其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。