畢業(yè)論文多自由度機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，人工成本上漲，以往人工操作的搬運(yùn)和固定輸送帶為主的傳統(tǒng)搬運(yùn)方式，不但占用空間也不容易更變生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)，加上需要人力監(jiān)督操作，更增加生產(chǎn)成本，原有的生產(chǎn)裝料裝置遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前高度自動(dòng)化的需要。減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保障生產(chǎn)的可靠性、安全性、降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染，提高產(chǎn)品的質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益是企業(yè)生產(chǎn)所必須面臨的重大問(wèn)題。本機(jī)械手臂系統(tǒng)包括機(jī)械，硬件，軟件者三個(gè)部分，采用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，各部分都是緊密相聯(lián)，需要相互協(xié)調(diào)來(lái)設(shè)計(jì)的。關(guān) 鍵 詞 機(jī)械手臂 舵機(jī) 舵機(jī)控制器 abstract along with science and t

2、echnology is developing rapidly, and the degree of automation demand is higher and higher, market competition is intense, labor costs rise, previous manual operation handling and fixed conveyor belt traditionally dominated the handling way, not only take up the space is also not easy, add more varia

3、ble line structure need human supervision operation, the more increase production cost, the original production outfit feeder cant satisfy the current high automation needs. reduce labor intensity, ensure production of reliability, safety and reduce the production cost, reduce the pollution of the e

4、nvironment and improve the quality of products and economic benefit is the enterprise production to be faced with major issues. the mechanical arm system including machinery, hardware, software, the three parts adopt servo actuator steering gear, all parts are closely linked, need to coordinate each

5、 other to design.keywords mechanical arm steering gear steering gear controller摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 課題背景11.2 目的和意義21.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想3第2章 多自由度機(jī)械手臂硬件設(shè)計(jì)42.1 機(jī)械臂的要求42.2 機(jī)械手臂的選型42.3 機(jī)械手臂硬件選擇52.3.1 舵機(jī)的選擇62.3.2電源的選擇62.3.3 機(jī)械手臂材料選擇82.3.4主控芯片及舵機(jī)控制器的選擇9第3章 需求分析103.1 嘉平采購(gòu)商城網(wǎng)站規(guī)劃103.2 嘉平采購(gòu)商城的需求分析103.2.1 數(shù)據(jù)流圖103.2.2

6、 數(shù)據(jù)字典103.3 本章小結(jié)12第4章 總體設(shè)計(jì)134.1 系統(tǒng)模塊總體設(shè)計(jì)134.1.1 數(shù)據(jù)分析134.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)134.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的e-r圖的設(shè)計(jì)134.3.2數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)134.3 本章小結(jié)13第5章 詳細(xì)設(shè)計(jì)145.1 系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)設(shè)置145.2 用戶注冊(cè)與登錄網(wǎng)站設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)145.2.1 用戶登錄的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)145.2.2 用戶注冊(cè)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)145.3 購(gòu)物車(chē)和查看訂單的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)145.3.1 購(gòu)物車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)145.3.2 查看訂單的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)155.4 后臺(tái)訂單管理和后臺(tái)留言管理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)155.4.1 后臺(tái)訂單管理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)155.4.2 后臺(tái)留言管

7、理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)155.5 本章小結(jié)15第6章 軟件測(cè)試166.1 測(cè)試的基本概念166.2 測(cè)試的任務(wù)和目的166.2.1 測(cè)試的任務(wù)166.2.2 測(cè)試的目的166.3 系統(tǒng)整體測(cè)試步驟166.4 本系統(tǒng)測(cè)試166.4.1 用戶登錄注冊(cè)模塊測(cè)試166.4.2 購(gòu)物車(chē)模塊測(cè)試166.4.3 搜索商品模塊測(cè)試176.5 本章小結(jié)17結(jié) 論18致 謝19參考文獻(xiàn)20附錄121附錄222第1章 緒論1.1 課題背景機(jī)器人是二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，人類對(duì)于機(jī)器人的研究由來(lái)已久。上世紀(jì)70年代之后，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也隨之進(jìn)入高速發(fā)展階段，成為綜合了計(jì)

8、算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門(mén)學(xué)科而形成的高新技術(shù)。其本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互四大技術(shù)的綜合，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用水平是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人技術(shù)的研究在經(jīng)歷了第一代示教再現(xiàn)型機(jī)器人和第二代感知型機(jī)器人兩個(gè)階段之后進(jìn)入第三代智能機(jī)器人的發(fā)展階段。機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械

9、手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。機(jī)械手越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)fms和柔性制造單元fmc中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷(xiāo)對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。此外，醫(yī)療機(jī)器人是目前國(guó)

10、外機(jī)器人研究領(lǐng)域中最活躍、投資最多的方向之一,其發(fā)展前景非?？春?。近年來(lái),醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)引起美、法、德、意、日等國(guó)家學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注, 研究工作蓬勃興起。二十世紀(jì)九十年代起，國(guó)際先進(jìn)機(jī)器人計(jì)劃已召開(kāi)過(guò)的多屆醫(yī)療外科機(jī)器人研討會(huì)己經(jīng)立項(xiàng),開(kāi)展基于遙控操作的外科研究,用于戰(zhàn)傷模擬手術(shù)、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)。歐盟、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心也將機(jī)器人輔助外科手術(shù)及虛擬外科手術(shù)仿真系統(tǒng)作為重點(diǎn)研究發(fā)展的項(xiàng)目之一在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)出現(xiàn)醫(yī)療，外科手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)化產(chǎn)品，并在臨床上開(kāi)展了大量病例研究。而目前我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低。機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)直接影響到我國(guó)自

11、動(dòng)化生產(chǎn)及醫(yī)療水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。 1.2 目的和意義工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并以成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正為人所認(rèn)識(shí)，其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照工藝生產(chǎn)的要求，遵循一定的程序，時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。因此，它能大大地改變工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的正視，并投入了大量人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫，高壓，粉塵

12、，噪聲以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)。近幾年也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門(mén)的重視。機(jī)械手一般分三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手，它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以任務(wù)的需要編制程序，已完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它的特點(diǎn)是出具備機(jī)械的物理性能外，還具備通用機(jī)械。記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作，稱為操作的，稱為操作即。它源于原子，軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電信號(hào)操作機(jī)械手來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范圍。第三類是專用機(jī)械手，主要是屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用于解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種

13、機(jī)械手在國(guó)外稱“mechanical hand”它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的機(jī)械手模擬裝配可歸為第一類，即通用機(jī)械手自動(dòng)化的音樂(lè)。在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)中，自動(dòng)化程度較高，大量應(yīng)用到機(jī)械手。1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 機(jī)械手主要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是機(jī)械手臂的硬件部分，包括夾持器，前臂，后臂和底座四個(gè)部分構(gòu)成。夾持器通過(guò)一個(gè)舵機(jī)控制張合角度從而對(duì)物體進(jìn)行抓取。前臂和后臂的擺動(dòng)能改變夾持器的高度，進(jìn)而對(duì)不同高度的物體進(jìn)行抓取。底座是由一個(gè)360度旋轉(zhuǎn)舵機(jī)進(jìn)行控制，能夠達(dá)到對(duì)以底座為中心，臂長(zhǎng)方位內(nèi)的全方位物體的抓取。2. 控制系

14、統(tǒng) 它是由舵機(jī)控制器組成。通過(guò)舵機(jī)控制器，可以控制機(jī)械手臂六個(gè)關(guān)節(jié)上的六個(gè)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，從而到達(dá)需要抓取物體的方位。第2章 多自由度機(jī)械手臂硬件設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械臂的要求1.承載能力足:手臂是支承手腕的部件，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮抓取物體的重量或攜帶工具的重量，還要考慮運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷及轉(zhuǎn)動(dòng)慣性。 2.剛度高： 為了防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字型截面的彎曲剛度一般比圓截面大，空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸大得多。 3.重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?。簽樘岣邫C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減少整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 4.合理設(shè)計(jì)與腕部和機(jī)身的連接部

15、位：臂部的安裝形式和位置不僅關(guān)系到機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和承載能力，而且還直接影響到機(jī)器人的外觀。2.2 機(jī)械手臂的選型方案：機(jī)械手臂如下圖； 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)圖 16關(guān)節(jié) a前臂 b后臂 c底座 分析：因?yàn)樵O(shè)計(jì)必須滿足機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求，重量輕、剛性好、易制造；優(yōu)選一些簡(jiǎn)單、合理、緊湊、實(shí)用的結(jié)構(gòu)型式；工藝性要好，成本要低，安全可靠性好，外觀造型要美觀大方；盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件，以提高互換性，降低成本；盡可能采用模塊式結(jié)構(gòu)，以提高通用性；還要便于裝配調(diào)整和維修。如圖，整個(gè)結(jié)構(gòu)為空間關(guān)節(jié)型的，具有六個(gè)自由度，均為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其中底座轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體除基座以外的機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)；5關(guān)節(jié)帶動(dòng)大臂、小臂、手腕、夾持器

16、進(jìn)行俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，以滿足機(jī)器人工作空間上高度的要求；大臂、小臂以及手腕均可在允許的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)；2關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)俯仰以及擺動(dòng)，可以方便的改變手爪的位姿。機(jī)器人大臂和小臂的結(jié)構(gòu)一致，都要根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式、抓取重量等各個(gè)因素來(lái)確定，一般要求手臂的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度要好，重量要輕。我采用pvc版做成夾心管。這樣即保證有較高的剛度，也使得手臂的重量很輕，減少電機(jī)的負(fù)載。同時(shí)，pvc板易于剪裁，便于制作。 優(yōu)點(diǎn)：其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，便于裝配和維修，尤其是在保證較高剛度的同時(shí)能保證其重量輕，減少電機(jī)負(fù)載且通過(guò)合理的設(shè)計(jì)應(yīng)能達(dá)到所需要求。2.3 機(jī)械手臂硬件選擇2.3.1 舵機(jī)的選擇機(jī)械手的手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要

17、運(yùn)動(dòng)部件，它用來(lái)支承各關(guān)節(jié)和末端夾持器，并使它們能在空間運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)的擺動(dòng)是由舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該機(jī)械手臂采用輝盛mg995舵機(jī)和奧泰 as-s360舵機(jī)，舵機(jī)參數(shù)如下：輝盛mg9951.尺寸：40.7*19.7*42.9mm2.重量 ：55g3.反應(yīng)轉(zhuǎn)速：無(wú)負(fù)載速度0.17秒/60度(4.8v)；0.13秒/60度(6.0v)4.工作電壓；3.0v-7.2v5.工作扭矩：13kg/cm奧泰 as-s360舵機(jī)1. 扭矩: 3.5kg-cm2.電壓范圍：4.8v7.2v3.平均速度：60 rpm4.運(yùn)動(dòng)角度：360度5.尺寸: 39.5mmx20.0mmx35.6mm2.3.2電源的選擇該機(jī)械

18、手臂采用4個(gè)輝盛mg995舵機(jī)和2個(gè)奧泰 as-s360舵機(jī)。每個(gè)舵機(jī)正常工作電壓3.0v-7.2v，最大負(fù)載電流可達(dá)到2.5a，所以采用5v，12a交流轉(zhuǎn)直流電源，這樣可以保證機(jī)械手臂在滿負(fù)載工作時(shí)，電源輸出需要的電壓及電流。電源參數(shù)如下：該電源優(yōu)點(diǎn)：低價(jià)格、高可靠105輸出電容器全球適用ac輸入電壓效率高、工作溫度低軟啟動(dòng)電流、有效降低ac輸入沖擊有短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)體積小、重量輕100%滿負(fù)荷燒機(jī)測(cè)試內(nèi)裝emi濾波器、紋波極小該電源外形尺寸如下圖所示2.3.3 機(jī)械手臂材料選擇手臂材料的選擇首先考慮的是材料本身的強(qiáng)度，其次是考慮材料本身制作的難易程度。合金材料強(qiáng)度硬，但剪裁困難，不易于剪

19、裁。其他材料易于剪裁但強(qiáng)度不夠。綜上所訴，并查閱資料，該機(jī)械手臂的機(jī)身材料采用pvc板，結(jié)構(gòu)上采用雙層夾空，這樣既達(dá)到了強(qiáng)度要求，又便于剪裁，易于操作。vc板尺寸15*20cm 1.5mm厚該機(jī)械手臂夾持器，前臂，后臂的比例為1:1:2。該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)參數(shù)為：基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：腰部回轉(zhuǎn)半徑：240mm前臂，后臂長(zhǎng)：60mm,120mm各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍：關(guān)節(jié)1：0180關(guān)節(jié)2：0360關(guān)節(jié)3：0180關(guān)節(jié)4：0180關(guān)節(jié)5：0180關(guān)節(jié)6：0360 2.3.4主控芯片及舵機(jī)控制器的選擇主控芯片采用的是高性能、低功耗的 8 位avr atmega8 微處理器，它具有指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，速度快，

20、控制精度高、i/o口驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)于at51、stc51系列單片機(jī)；舵機(jī)控制器參數(shù)如下：1.控制部分端子供電范圍：+5v+7v2.控制部分dc插頭供電范圍：直流5v電源3.伺服電機(jī)端子供電范圍：46v4.控制通道：6路5.通訊輸入：rs232通訊第3章 舵機(jī)控制原理及應(yīng)用3.1 嘉平采購(gòu)商城網(wǎng)站規(guī)劃例如例如例如例如。3.2 嘉平采購(gòu)商城的需求分析例如例如例如例如例。3.2.1 數(shù)據(jù)流圖例如例如例如例如例。3.2.2 數(shù)據(jù)字典續(xù)表3-1注意同一個(gè)表在兩頁(yè)顯示時(shí)要用續(xù)表說(shuō)明。1. 數(shù)據(jù)流定義：數(shù)據(jù)流編號(hào)：d101數(shù)據(jù)流名稱：用戶信息數(shù)據(jù)流來(lái)源：用戶數(shù)據(jù)流去向：p1-01數(shù)據(jù)流組成：i01-01+i01-02+i01-03+i01-04+i01-05+i01-06+i01-07+ i01-08+ i01-09單。3.3 本章小結(jié)例如例如。第4章 總體設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)模塊總體設(shè)計(jì)4.1.1 數(shù)據(jù)分析4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)4.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的e-r圖的設(shè)計(jì)4.3.2數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)4.3 本章小結(jié)第5章 詳細(xì)設(shè)計(jì)5.1 系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)設(shè)置5.2 用戶注冊(cè)與登錄網(wǎng)站設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.2.1 用戶登錄的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1. 用戶登錄程序流程描述例如，如圖5-3所示。圖5-3用戶登錄程序流程圖2. 實(shí)現(xiàn)過(guò)程： 例