-三自由度機械手設(shè)計

1、摘 要本次設(shè)計實驗用三自由度機械手為實驗用專用機械手，主要由手爪、手臂、機身、機座等組成，具備上料、搬運等多種功能，本機械手機身采用機座式，實驗對象圍繞機座布置，其坐標(biāo)形式為關(guān)節(jié)式，具有水平旋轉(zhuǎn)、手臂豎直擺動等 3 個自由度；驅(qū)動方式為電機驅(qū)動，利用電機帶動減速機，減速機減速后帶動旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)各個回轉(zhuǎn)運動。電動驅(qū)動的優(yōu)點是控制精度高，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好。本次設(shè)計的機械手能對不同物體完成多種動作。采用單片機控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)關(guān)節(jié)的伺服控制和制動、實時監(jiān)測機器人的各個關(guān)節(jié)的運動情況、機器人的在線修改程序、設(shè)置參考點和回參考點。關(guān)鍵詞：機械手；電機驅(qū)動；

2、伺服。I目 錄摘 要. I第 1 章 緒論. 11.1 題目提出的意義 . 11.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 . 1第 2 章 方案的確定與比較分析 . 32.1 機械手機械系統(tǒng)的比較與選擇 . 42.2 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的比較與選擇 . 6第 3 章 驅(qū)動源的選擇與設(shè)計計算 . 93.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定 . 93.2 各關(guān)節(jié)電機的選擇計算 . 103.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 . 113.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 . 123.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機的選擇 . 13第 4 章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 154.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) . 154.1.1 手指的形狀和分類 . 154.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問

3、題 . 154.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計 . 164.2.1 彈簧的設(shè)計計算 . 164.2.2 對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 . 174.2.3 疲勞強度和應(yīng)力強度的驗算。 . 174.2.4 手部驅(qū)動力計算 . 184.2.5 氣缸直徑的設(shè)計計算 . 194.2.6 缸筒壁厚的設(shè)計 . 214.2.7 活塞桿運動行程的計算 . 21第 5 章 各機械部件的設(shè)計選擇與校核 . 235.1 軸的設(shè)計與校核 . 235.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計 . 235.1.2 大臂軸的強度校核 . 245.2 鍵的選擇與強度的校核 . 275.3 軸承壽命的校核 . 305.4 聯(lián)軸器的選擇與圓錐銷的校核 . 3

4、15.4.1 聯(lián)軸器的選擇. . 315.4.2 聯(lián)軸器圓錐銷的校核 . 32第 6 章 控制系統(tǒng)設(shè)計 . 336.1 單片機最小系統(tǒng) . 336.1.1 8051 單片機介紹 . 346.2.2 復(fù)位電路 . 366.1.3 振蕩電路 . 366.2 串行接口電路 . 376.3 傳感器. 386.3.1 傳感器的選型 . 386.3.2 硬件電路的設(shè)計 . 396.4 電動機的控制 . 406.4.1 L298N 電機驅(qū)動芯片簡介 . 406.4.2 硬件電路圖 . 41結(jié) 論. 42致 謝. 43參 考 文 獻. 44第 1 章 緒論1.1 題目提出的意義本次設(shè)計的目的是為了解決本科教學(xué)

5、中理論與實踐操作融合性不強等問題，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的基礎(chǔ)上能得到較好的實際操作，通過不同程序的輸入使學(xué)生真實的觀察到機械手的運動軌跡與運動方式，進一步強化大學(xué)生學(xué)習(xí)與就業(yè)能力。1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工作的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機具進行焊接和裝配。從而大大的改善工人的勞動條件，顯著的提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到各先進工業(yè)國家的重視，投入大量的人工物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉壓、噪音以及帶有放射

6、性的污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視 。11. 國外發(fā)展現(xiàn)狀專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入了以通用機械手為標(biāo)志的時代。機械手可以應(yīng)用于更加多的場合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設(shè)計的成進而促進了智能機器人的研制。機械手涉及的內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用了一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)等，因此它是一項綜合性較強的技術(shù)。目前國外對發(fā)展這一技術(shù)很重視。幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷的修改，品種在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴大。目前國

7、外的發(fā)展趨勢是 ：2(1) 研制有更多自由度的機械手，這樣機械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動作。1(2) 研制帶有行走機構(gòu)的機械手，這種機械手可以從一個工作地點移動到另一個工作地點。(3) 研制維修維護方便的機械手。(4) 研制能自動編制和自動改變程序的機械手。(5) 研制具有一定感觸和一定智力的智能機械手。這種機械手具有各種傳感裝置，并配有計算機。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計算機充當(dāng)其大腦，使它進行思考和記憶。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚聲器作為嘴能說話進行應(yīng)答，用熱電偶和電阻應(yīng)變儀作為觸覺和感觸。用滾輪或者雙足式機構(gòu)腳來實現(xiàn)自動移位。這樣的智能機械手可以由人的特殊語言對其下達(dá)命

8、令，布置任務(wù)，使自動化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線。(6) 機械手的外觀達(dá)到美觀的要求，盡量用最簡單的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能完成更加多的動作。(7) 研制具有柔性系統(tǒng)的機械手2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r目前，在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的再現(xiàn)式機械手，雖然一般也都有記憶裝置，但其程序都是預(yù)先編好的，或由人在工作之前領(lǐng)動一次，而后機械手可以按領(lǐng)動的工作內(nèi)容正確進行再現(xiàn)動作。如果把這種再現(xiàn)式機械手稱為第二代機械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機械手就是第三代了?，F(xiàn)在研究的機械手正在朝著一種可以存儲大量的程序的并且可以改變并重新寫入程序的方向發(fā)展，而且機械手具有比原來的更多的自由度 3,4。雖然在這方面相對于發(fā)達(dá)國家還有點落后，但是國內(nèi)現(xiàn)

9、在也越來越感覺到機械手的重要性，國家大力支持相關(guān)的設(shè)計及產(chǎn)品的開發(fā)。在機器人的發(fā)展以及機械手的設(shè)計上也取得了一定的成果，國內(nèi)每年都將舉行機器人大賽，以增加研發(fā)單位的交流與合作 ?，F(xiàn)在國內(nèi)具有越來越強的自主研發(fā)的單位，我相信在不久的將來，5我國一定能夠趕上并將且超越發(fā)達(dá)國家在機械手乃至整個機械方面處于領(lǐng)先地位 。 62本畢業(yè)設(shè)計的機械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種 7,8：表 結(jié)構(gòu)形式方 特點案操作機的手 結(jié)構(gòu)剛度較好，控制臂具有三個 系統(tǒng)的設(shè)計最為簡直角坐標(biāo)型 移動關(guān)節(jié)， 其關(guān)節(jié)軸線 且運動軌跡單一，使按直角坐標(biāo) 用過程中效率較低配置操作機的手 結(jié)構(gòu)剛度較

10、好，運動臂至少有一 所需功率較小，控制圓柱坐標(biāo)型 個移動關(guān)節(jié) 難度較小，但運動軌和一個回轉(zhuǎn) 跡簡單，使用過程中關(guān)節(jié)，其關(guān) 效率不高節(jié)軸線按圓柱坐標(biāo)系配置操作機的手 結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制臂具有兩個 系統(tǒng)的設(shè)計有一定難回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和 度，且機械手臂的剛一個移動關(guān) 度不足，機械結(jié)構(gòu)較節(jié)，其軸線 為復(fù)雜按極坐標(biāo)系配置31. 直角坐標(biāo)型機械手直角坐標(biāo)式機械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動，按直角坐標(biāo)形式 XYZ三個方向的直線進行運動。結(jié)構(gòu)簡圖見表 2-1。其工作范圍可以使一個直線運動；二個直線運動或三個直線運動。如在X、Y、Z 三個直線運動方向上各具有

11、 A、B、C 三個回轉(zhuǎn)運動，即構(gòu)成六個自由度。但在實際上是很少有的。缺點是這種機械手作業(yè)范圍較小，占空比大，靈活性差。2. 圓柱坐標(biāo)型機械手圓柱坐標(biāo)式機械手適用于搬運和測量工作。 具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，而動作范圍較大等優(yōu)點。圓柱坐標(biāo)式機械手由 X、Z、三個運動組成。它的工作范圍可分為：二個直線運動加一個旋轉(zhuǎn)運動。結(jié)構(gòu)簡圖見表 2-1.圓柱坐標(biāo)式機械手有五個基本動作：(1) 手臂水平回轉(zhuǎn)；(2) 手臂伸縮；(3) 手臂上下；4(4) 手臂回轉(zhuǎn)動作；(5) 手爪夾緊動作。圓柱坐標(biāo)式機械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒、手臂裝在滑動Z圓柱坐標(biāo)式機械手的缺點是結(jié)構(gòu)龐大，兩個移動軸的設(shè)計比較復(fù)雜，難

12、于其他設(shè)備協(xié)調(diào)工作。3 球坐標(biāo)型機械手球坐標(biāo)式機械手是一種自由度較多，用途較廣的機械手。它是由 X、三個方向的運動組成。結(jié)構(gòu)簡圖見表 2-1。球坐標(biāo)式機械手的工作范圍包括：一個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動加一個直線運動。球坐標(biāo)式機械手可實現(xiàn)以下八個動作：(1) 手臂上下動作，即俯仰動作；(2) 手臂左右動作，即回轉(zhuǎn)動作；(3) 手臂前后動作，即伸縮動作；(4) 手腕上下彎曲；(5) 手腕左右擺動；(6) 手腕旋轉(zhuǎn)運動；(7) 手爪夾緊動作；(8) 機械手整體移動。球坐標(biāo)式機械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)做圓弧狀上下俯仰運動，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，

13、工作范圍和人手的動作類似。它的特點是能自動選擇最合理的動作路線。所以工效高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，動作范圍大。其缺點是壁障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長成正比，控制難度大。4 關(guān)節(jié)型機械手又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，分為垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面（水平）關(guān)節(jié)坐標(biāo)，機械手由立柱和大小臂組成，立柱與大臂通過肩關(guān)節(jié)相連接，立柱繞 z 軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，大臂與小臂形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)和俯仰，小臂作俯仰。機械手工作空間范圍大，動作靈活，避障性好，能抓取靠近機座的物體，其缺點是位置精度較低，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來越多 。本次設(shè)計的是實驗用三自由度機械手， 對精度要求不高，抓取重量較輕，上述 4

14、種類型機械手中關(guān)節(jié)式械手結(jié)構(gòu)最5為緊湊，占空比最小，適合中小負(fù)載，能夠達(dá)到設(shè)計要求且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，所以本次設(shè)計選擇關(guān)節(jié)式機械手。2.2 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的比較與選擇工業(yè)機械手的驅(qū)動可分為液壓，氣動和電動三種基本類型。1 液壓驅(qū)動液壓傳動機械手有很大的抓取能力，抓取力可高達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá) 7Mpa，液壓傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封性要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)場工作，需配備一套液壓系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)龐大。液壓驅(qū)動有以下特點：(1) 輸出功率很大，壓力范圍為 50-140N/cm 。2(2) 控制性能較強，利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。(3)

15、結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大。(4) 液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護方便，使用壽命長。液壓驅(qū)動需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄漏而影響運動精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因。(5) 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機械手、點焊機械手和托運機械手。2 氣壓驅(qū)動氣壓傳動機械手結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速，價格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩(wěn)定性差，氣壓一般為 0.7Mpa，因而抓取力小，只有幾十牛到百牛力。氣壓驅(qū)動具有以下特點：(1) 輸出功率不大，壓力范圍為 48-60N/cm ，最高可達(dá) 100N/cm22(2) 可

16、控性不強，氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制。(3) 執(zhí)行機構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題比液壓小。(4) 適用于中小負(fù)載驅(qū)動，精度要求較低的有限點位程序控制機器人，6如沖壓機械手本體的氣動平衡和及裝配機械手氣動夾具。113 電力驅(qū)動這種驅(qū)動是目前在機器手中用的最多的一種。早期多采用步進電動機（SM（DCAC）驅(qū)動也開始廣泛應(yīng)用。上述驅(qū)動單元有的直接驅(qū)動機構(gòu)運動，有的通過減速器裝置來減速，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。電動驅(qū)動的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性

17、好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機械手，如 AC伺服噴涂機械手、點焊機械手、弧焊機械手、裝配機械手等。電力驅(qū)動可分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動。各種電機驅(qū)動的特點：(1) 普通交、直流電動機驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機械手。(2) 直流伺服電動機：直流伺服電動機具有良好的啟動、制動和調(diào)速特性，可很方便地在較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，動態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適應(yīng)頻繁啟動、反向、制動等工作狀況。直流伺服電動機按勵磁方式按轉(zhuǎn)速高低及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量大小， 有高速、小慣量（

18、小慣量直流伺服電動機有多種：無槽電樞直流伺服電動機，繞組鐵芯細(xì)長，故轉(zhuǎn)動慣量小，其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動機，轉(zhuǎn)動慣量很小，靈敏度更高，功率較??；印制繞組直流伺服電動機，可承受頻繁的起動、換向，切率中等。這類電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，電感小，故換向性流伺服電動機有永磁式和電磁式兩種，其中永磁式用得較多，它的低速性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)子慣量大，受負(fù)載影響小，故可與絲杠直(3) 交流伺服電動機：交流伺服電動機幾乎具有直流伺服電動機的所有優(yōu)點，且結(jié)構(gòu)簡單，制造、維護簡單，具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高，動態(tài)響應(yīng)特性更好等技術(shù)特點，可達(dá)到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。(4) 步進電動機：步進電

19、動機是由電脈沖信號控制的，它可將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種。步進電動機結(jié)7構(gòu)簡單、控制簡便、價格較低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無漂移、無積累定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路。步進電動機輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡便。步進電動機系統(tǒng)主要由步進控制器、功率放大器及步進電動機組成。純硬件的步進電動機控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成，它的作用就是把脈沖串分配給步進電動機的各個繞組，使步進電動機按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。若采用微機技術(shù)，用軟件與硬

20、件相結(jié)合，則控制器不僅可在硬件上簡化線路，降低成本，而且又提高可靠性。12,13綜上所述，由于本次設(shè)計機械手負(fù)載較小，對體積有一定要求，又考慮到機械手的特點和各驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，直流伺服電機體積小，控制精度高，與傳動系統(tǒng)配合結(jié)構(gòu)最為緊湊，故機械手關(guān)節(jié)處選擇直流伺服電機驅(qū)動，手部采用氣動驅(qū)動。8第 3 章 驅(qū)動源的選擇與設(shè)計計算3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定重心重心圖 圖 3-2 開口盤重量分布圖如圖 3-1 所示，設(shè)計機械手大臂與小臂的尺寸和重量如下：91. 大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為 397mm，質(zhì)量為 M1(6kg 左右)，重心在距離第一關(guān)節(jié)軸 220mm 處，L1=220mm。2.

21、小臂的第二關(guān)節(jié)軸和手爪前部之間的距離為 435mm，質(zhì)量為 M (7kg2左右)，重心在距第二關(guān)節(jié)軸 280mm 處，L =397+280=677mm。2如圖 3-2 所示，設(shè)計機械手開口盤質(zhì)量和尺寸如下：旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)盤中心距離為 160mm，轉(zhuǎn)盤質(zhì)量為 15Kg。本次設(shè)計機械手的基本設(shè)計參數(shù)如下：負(fù)載 1kg；大臂回轉(zhuǎn)：090，/s；小臂回轉(zhuǎn)：060，/s； 腰部旋轉(zhuǎn)：0360，60 /s；手爪夾持半徑 45mm95mm。03.2 各關(guān)節(jié)電機的選擇計算當(dāng)機械手手臂旋轉(zhuǎn)時，當(dāng)臂伸開呈一條直線時轉(zhuǎn)動慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn)生電機的轉(zhuǎn)矩不足。如圖 3-1 所示，設(shè)兩臂繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別

22、為 J 、J ，根據(jù)平行軸定理可得繞大臂軸的轉(zhuǎn)動慣量為：14G1G2J =J +M L +J +M L（3-1）221G11 1G22 2其中：M M ，分別為 6Kg7KgL L ，分別為 220mm677mm 。1212JG1 M L 、JM L ，故可忽略不計，所以繞大臂軸的轉(zhuǎn)動慣量為：221 1G22 2J = M L +M L(3-2)2211 12 2=60.2 +70.67722=3.45kg.m2同理可得小臂繞小臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量：M =7Kg，L =280mm。242J =M L(3-3)22 4=70.282=0.5488kg.m2腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)

23、軸的轉(zhuǎn)動慣量加上大臂與小臂繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和。設(shè)開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為 J ，所以同理可得腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)3軸的轉(zhuǎn)動慣量：M =15Kg，L =160mm。35J J J J M L 3.45150.162 3.834Kgm（3-4）201313 5103.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇設(shè)大臂速度為 60/ s，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下：T J 1（3-5）式中：T 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩， N.m。J 轉(zhuǎn)動慣量，kg.m 。2角加速度，rad/s。t s設(shè)機械手大臂從 到0/s所需的時間為：，由式01（3-5）有： 3.4518.1 .N mT J J 10t30.21111若考慮繞

24、機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為 2，則減速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：T T 2Nm01選擇減速機：型號：APEX-AE235 （同軸式行星減速機）額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m減速比：i =1001諧波減速器的的傳遞效率為： 90%，步進電機應(yīng)輸出力矩為：Ti T Nm(3-6)out1選擇小型直流伺服電機：型號：MAXON-EC118896額定轉(zhuǎn)矩：0.7N.m額定電壓：24V額定電流：1.5A額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm11額定功率：40w電機尺寸：L=93mm D=46mm3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇60/ s，設(shè)角速度從 0 加到 所需加

25、速時原理同上，設(shè)小臂轉(zhuǎn)速22間t 0.2s，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下：T J （3-7）式中：T 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩， N.m。J 轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2。角加速度，rad/s2。由式（3-7）有： 2T J J 0.548810.47 .N m20t30.122若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為 2，則減速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：T T 2 Nm（3-8)022選擇減速機：型號：APEX-AE235 （同軸式行星減速機）額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m減速比：i =1002諧波減速器的的傳遞效率為： 90%，步進電機應(yīng)輸出力矩為：TT 0.233Nm(3-9)i

26、2選擇小型直流伺服電機：型號：MAXON-EC118896額定轉(zhuǎn)矩：0.7N.m額定電壓：24V額定電流：1.5A12額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：40w電機尺寸：L=93mm D=46mm3.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機的選擇設(shè)旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度為 60/ s ，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下：3T J （3-10）式中：T 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩，N.m。J 轉(zhuǎn)動慣量，kg.m 。2角加速度，rad/s。t s則：設(shè)機械手大臂從 到0/s所需的時間為：03 3.83420.07 .N mT J J 0t30.2000若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為

27、2，則減速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：T T 2 Nm(3-11)000選擇減速機：型號：APEX-AE238 （同軸式行星減速機）額定輸出轉(zhuǎn)矩：50N.m減速比：i =1003設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為： 90%，步進電機應(yīng)輸出力矩為：Ti T Nm(3-12)0選擇小型直流伺服電機型號：MAXON-EC13748913額定轉(zhuǎn)矩：0.9N.m額定電壓：24V額定電流：2A額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：60w電機尺寸：L=124mm D=64mm14第 4 章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指 (或手爪)和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多

28、，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。4.1.1 手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式 (或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型 (或稱直進型) 當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指 ;同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。4.

29、1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題1. 具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。2. 手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。3. 保證工件準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“ V”形面的手指，以便自動定心。154. 具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反

30、作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。5. 考慮被抓取對象的要求根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成 V 型。 。164.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計4.2.1 彈簧的設(shè)計計算選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖 4-1 所示：圖 圖 4-1 中，D 為彈簧中心線到彈簧絲中心的距離； D 為彈簧中心線到彈1簧絲內(nèi)圈的距離；D 為彈簧中心線到彈簧絲外圈的距離；

31、 d 為彈簧絲直徑；2H 為彈簧長度，本次設(shè)計彈簧具體尺寸參數(shù)如下：0D=20mm ； d=7mm ； D Dd=16.5mm； D Dd=27mm ；12H 50mm;n 50164.2.2 對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是 不 允 許 的 。 為 了 避 免 這 種 現(xiàn) 象 本 次 使 用 的 壓 縮 彈 簧 的 長 細(xì) 比50Hb2.5，本設(shè)計彈簧是 2 端自由，根據(jù)下列選?。?D 20當(dāng)兩端固定時， b5.3,當(dāng)一端固定；一端自由時， b3.7；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動時，b2.6。本設(shè)計彈簧 2.52.6，因此彈簧穩(wěn)定性合適。b4.2.3

32、 疲勞強度和應(yīng)力強度的驗算。對于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，還應(yīng)該進一步對彈簧的疲勞強度和靜應(yīng)力強度進行驗算（如果變載荷的作用次數(shù) N 103，或者載荷變化幅度不大時，可只進行靜應(yīng)力強度驗算）?，F(xiàn)在由于本設(shè)計是在恒定載荷情況下，所以只進行靜應(yīng)力強度驗算。計算公式：S Sca SSS(4-1）式中：Ss選取 1.3 到 1.7 之間（力學(xué)性精確能高）K 取 1.2F 取 1620N8KDF 81.20.020 =1621288975135d33.14 0.007380010pa6S Sca2.768 Ss288975135paSmax17結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應(yīng)。4.2.4 手部驅(qū)動力計算

33、本次設(shè)計的機械手手部結(jié)構(gòu)示意圖如下圖 4-2 所示:圖 其工件重量 G=1 公斤，V 形手指的角度 2 ，b100mm R 40mm ,摩擦系數(shù)為 f 0.10(1) 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為 :bp N（4-2）（4-3）R(2) 根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式 :N 0.5Gtg =0.510tg60=8.66（N8.7N所以bp N 43.5(N)R(3) 實際驅(qū)動力:18K K1p p（4-4）2因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取 0.94，并取 K 1.5。若被抓取1a工件的最大加速度取 3 時，則:K 1 4ag2g1.54所以 p 43.5實際 277.65

34、(N) 取 280（N)0.94所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為 280N。4.2.5 氣缸直徑的設(shè)計計算本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為 :D P2F 1F F（4-5）4tz式中:F 活塞桿上的推力， N。1F 彈簧反作用力， N。tF 氣缸工作時的總阻力， N。zP 氣缸工作壓力，Pa。彈簧反作用按下式計算 :F G s)（4-6）（4-7）tf4G =1f8D n31式中:G 彈簧剛度，N/m。f1彈簧預(yù)壓縮量， m?；钊谐?，m。s19d 彈簧鋼絲直徑， m。1D 彈簧平均直徑， mm。1

35、n彈簧有效圈數(shù).彈簧材料剪切模量，一般取 G 79.4109G在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率 的影響，則:D p2F F（4-8）（4-9）41t由以上分析得單向作用氣缸的直徑 :4(F Ft)D 1 pn代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得Gd79.410 (710 )31393G 8D n8(5410 ) 5f33 313026.714(N /m)F G s)tf3026.71460103181(N)4(F1 Ft)pn4(280181)所以:D 58.24(mm)53.46102查有關(guān)手冊圓整，得 D 63mm,可得活塞桿直徑:d (0.30.4)D 18.925.2圓整后，取活塞桿直徑 d 28mm校核，按公

36、式 F /4d ) 21有:d (4F1/)0.5(4-10)其中， 120MPa， 280FN120則:d (4280/ 120)0.5d1.72328滿足實際設(shè)計要求。4.2.6 缸筒壁厚的設(shè)計缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:/(4-11) DPp式中:6缸筒壁厚，mm。氣缸內(nèi)徑，mm。DP 實驗壓力，取P 1.5P, Pa。pp材料為:ZL3, =3MPa。代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:/ DPp63610 /(2310 )566.3(mm)取 mm，則缸筒外徑為: 2 )D14.2.7 活塞桿運動行程的計算本次

37、設(shè)計機械手手爪夾持半徑為 45mm95mm，手爪手指長100mm，設(shè)手爪夾持最小半徑工件與夾持最大半徑工件之間手爪的旋轉(zhuǎn)角度為 ，則有R R9545arcsin21arcsin30(4-12)0100式中：R 夾持最小半徑，mm。100121R 夾持最大半徑， mm。2由于活塞桿與手爪間用齒輪齒條傳動，所以齒輪的轉(zhuǎn)動弧長則為活塞桿運動行程，設(shè)活塞桿運動行程為 L，則：n R30 22.5 Lmm180180所以活塞桿的運動行程為 11.78mm，由于考慮到機械精度和傳動效率的影響，本次設(shè)計設(shè)計活塞桿運動行程為 15mm。22第 5 章 各機械部件的設(shè)計選擇與校核5.1 軸的設(shè)計與校核5.1.1

38、 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計轉(zhuǎn)矩和彎矩是軸的主要承受載荷 ,軸的常見形式有直軸和彎軸 ,而根據(jù)本次設(shè)計中機構(gòu)的特點 ,選擇傳動軸為直軸.知條件可知 n=10r/min，由電機傳遞到軸上的功率 P P =500.9=0.045Kw電選擇軸的材料為 45 鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)后,再使用.由參考資料表查得 :硬度:HBS217255;屈服強度極限: s=360MPa;抗拉強度極限 b=650 MPa,彎曲疲勞強度極限 1=300 MPa.由表查得-1b=55 MPa.初步確定軸的直徑：按照扭轉(zhuǎn)強度估計軸輸出端直徑由表查得 C=1.3126 取 C=120p0.04510由式d= ,得 d=120=19.81 取 d=1

39、9mm 軸的設(shè)計尺寸參數(shù)如33n下圖 5-1 所示：圖 235.1.2 大臂軸的強度校核按照扭轉(zhuǎn)強度校核：本次設(shè)計傳動軸全長 193mm，最小軸頸 19mm，材料為 45 號鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用。軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為：PTn =T0.2d3WTT（5-1）式中：扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。TT軸所受的扭矩， N.mm。W 軸的抗扭截面系數(shù)， mm3。TN軸的轉(zhuǎn)速；r/min。P軸的傳遞功率， Kw。D計算界面處軸的直徑， mm。 許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， MPa。T由上式得：9550000ppnd=A（5-2） n330.20t 查表得的范圍為 25 MPa45MPa； A 的范圍為 103126。0T 本次設(shè)計取

40、 40 則T2495500003P33n圖 25F =G G G (761)10140Nr123L F 71mm12F .L F .LR2F .L F .LR1F .LF R270NLF .LRLF 170NM M y=012M F .L 140719940N.mmHR1若是軸強度合格，則 M22 =（5.3）W式中：軸的計算應(yīng)力， MPa。caM軸所受的彎矩， N.mm。T軸所受的扭矩， N.mm。W軸的抗彎截面系數(shù)， mm 。3截面系數(shù)。本次設(shè)計軸的材料為 45 號剛，查表得： 0.6，-1軸的危險界面斷面圖如下圖 5-3 所示：26圖 圖中，b=8mm，t=3.5mm，d=30mm d

41、bt d-t30 83.5 303.52233W -=2323mm3322d32230所以： 0.6 40000 99402M2 T22 =11.18W2323 =11.18 60即ca1所以本次設(shè)計的軸強度合格。5.2 鍵的選擇與強度的校核1 大臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強度校核選擇普通圓頭平鍵， GB/T1096 bhl 10870平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過載，由機械設(shè)計第七版 P 頁，查得載荷在鍵的工作表面上均勻分布，普通10327平鍵聯(lián)接的強度條件：式中：T103 （5-4）PPT傳遞的轉(zhuǎn)矩， N.m 。K鍵與輪轂鍵槽的接觸高度， k=0.5h,此處 h

42、為鍵的高度，。鍵的工作長度， ；圓頭平鍵 ，這里 為鍵的公稱長度，ll L bLmm；b 為鍵的寬度， mm。軸的直徑， 。d 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力， MP 。Pa從本書表 62查得材料為鋼和鑄鐵在輕微沖擊載荷作用下的許用擠壓應(yīng)力分別為100 120MP 和50 60MP 。aa鍵的材料為 45 號鋼，大臂與鉆轉(zhuǎn)軸的材料分別為 HT150和 45 號鋼。三者中最弱的材料是鑄鐵，測試中存在輕微沖擊載荷，故 為50 60MP ，Pa取其平均值， =55MP 。Pa此處鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩 T=40N m，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度 k=4mm，鍵的工作長度 7010mm60mm，軸的直徑

43、=30。將這些數(shù)據(jù)代入公式ld（5.4）得：T103P21034a11.11MP aP故鍵的強度滿足要求，鍵聯(lián)接安全。2. 小臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強度校核選擇使用普通圓通平鍵 ，GB/T1096 尺寸 bhl 10860平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過載，28由機械設(shè)計第七版 P 頁，查得載荷在鍵的工作表面上均勻分布，普通103平鍵聯(lián)接的強度條件：T103 PP式中：T傳遞的轉(zhuǎn)矩， Nm。K鍵與輪轂鍵槽的接觸高度， k=0.5h,此處 h 為鍵的高度，。鍵的工作長度， ；圓頭平鍵 ，這里 為鍵的公稱長度，ll L bL；b為鍵的寬度， 。軸的直徑， 。d 鍵、軸、

44、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力， MP 。Pa從本書表 62查得材料為鋼和鑄鐵在輕微沖擊載荷作用下的許用擠壓應(yīng)力分別為100 120MP 和50 60MP 。aa鍵的材料為 45 號鋼，大臂與旋轉(zhuǎn)軸的材料分別為 HT150和 45 號鋼。三者中最弱的材料是鑄鐵，測試中存在輕微沖擊載荷，故 為50 60MP ，Pa取其平均值， =55MP 。Pa此處鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩 T=40N m，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度 k=4，鍵的工作長度 l 6010mm50mm，軸的直徑 d =30。將這些數(shù)據(jù)代入公式（5-4）得：T103P21034a13.33MP aP故鍵的強度滿足要求，鍵聯(lián)接安全。295.3 軸承壽

45、命的校核本次設(shè)計由于大臂與小臂旋轉(zhuǎn)軸所設(shè)計的軸承是一樣的，故選用四口相同型號尺寸的軸承，選擇深溝球軸承 6186，所以校核所受載荷最大的一個軸承合格即可。本設(shè)計校核大臂旋轉(zhuǎn)軸上軸承的壽命，該軸上的軸承只受徑向載荷，軸承的預(yù)期計算壽命 L 100000h 。軸承對軸的支撐力與軸承上所受到的徑向載荷/h是一對作用力與反作用力，由前邊軸的強度校核部分，可以計算出軸上安裝軸承兩處的軸承所受到的徑向載荷 F 和F 大小分別為：rBrDF 70NrBF 70NrD查機械設(shè)計第七版 P 頁公式（135）知以小時表示的軸承壽命 L312h為： C6L ( )（5-5）60n Ph式中 ：n 軸承的轉(zhuǎn)速， r

46、。軸承的基本額定動載荷， kN。CP 載荷，kN。指數(shù)，對于球軸承， 3。軸承的轉(zhuǎn)速 n ，從最新軸承手冊P 頁表3.13查得代號為2966186 深溝球軸承的基本額定動載荷 C 40.8k N Lh計算公式可求得： C1066L( )60n P() h h3h30L 遠(yuǎn)大于，軸承的壽命滿足設(shè)計要求。L/hh5.4 聯(lián)軸器的選擇與圓錐銷的校核5.4.1 聯(lián)軸器的選擇 .1. 大臂旋轉(zhuǎn)軸與減速機之間聯(lián)軸器選擇選擇圓錐銷套筒式聯(lián)軸器，如圖 5-4 所示：圖 聯(lián)軸器具體尺寸參數(shù)如下：d =6mmd =4mmL=45mmD =35mm 50N.M 635；120圓錐銷 4352. 旋轉(zhuǎn)盤與減速機之間聯(lián)

47、軸器選擇如圖（5-4）所示：具體尺寸參數(shù)如下：d =8mmd =4mmL=50mmD =40mm 70N.M840；120圓錐銷 440315.4.2 聯(lián)軸器圓錐銷的校核由于聯(lián)軸器最小直徑圓錐銷都是 4mm即可。圓錐銷主要受橫向剪切力的作用而失效，校核公式為：T（5-6）d D2式中：D圓錐銷的平均直徑， mm。T所傳遞的轉(zhuǎn)矩， N.m。D軸徑， mm。銷的許用剪切應(yīng)力，對于 45 號鋼一般取 80MPa其中，T=40N.m；d=4.5mm；D=19mm，所以：T200040 66.185MPa 4.5 19 d D22所以校核合格。32第 6 章 控制系統(tǒng)設(shè)計機器人具有多個自由度，每個自由度

48、一般包括一個伺服機構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計算機來實現(xiàn)。因此，控制系統(tǒng)在本次設(shè)計中非常重要。本次設(shè)計選擇單片機控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖 6-1 所示：傳感器電磁閥機械手爪獨立鍵盤驅(qū)動芯片機械手臂伺服電機傳動部件圖 6.1 單片機最小系統(tǒng)由于單片機體積小，價格便宜且具有高穩(wěn)定性和很強的抗干擾能力，因此本次設(shè)計控制芯片選擇 8051 復(fù)位電路、震蕩電路等組成，由于本次設(shè)計使用 8051 單片機，所以以 8051 最小系統(tǒng)為例介紹單片機最小系統(tǒng)。 8051 單片機最小系統(tǒng)硬件電路圖如圖 6-2 所示。33圖 6.1.1 8051 單片機介

49、紹8051 單片機的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖 6-3 所示。8051 單片機是把那些作為控制應(yīng)用所必須的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成：1. 微處理器 CPU2. 數(shù)據(jù)存儲器 RAM3. 程序存儲器 ROM/EPROM4. 4 個 8 位并行 I/O 口（P0 口 P1 口 P2 口 P3 口）5. 1 個串行口6. 2 個 16 位定時器、計數(shù)器7. 中斷系統(tǒng)8. 特殊功能寄存器（ SFR）上述各功能部件是通過片內(nèi)單一總線連接而成， 如圖 6-3 所示。圖 6-3 中各功能部件的功能如下：(1) CPU 微處理器 8051 單片機中有一個 8 位的微處

50、理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運算器和微處理器兩大部分。只是增加了面向34控制的處理功能，不僅可以處理字節(jié)數(shù)據(jù)，也可以進行位變量的控制。(2) 數(shù)據(jù)存儲器 片內(nèi)為 128B，片外最多可外擴 64KB。數(shù)據(jù)存儲器來存儲單片機運行期間的工作變量、運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。片內(nèi)的 128B 的 RAM，以高速 RAM 形式集成在的單片機內(nèi)，可以加快單片機的運行速度，而且這種結(jié)構(gòu)還可以降低單片機的功耗。(3) 程序存儲器 用來存儲程序，為 4K 的 ROM，最多可外擴至 64KB。(4) 中斷系統(tǒng) 具有 5 個中斷源，2 級中斷優(yōu)先權(quán)。(5) 定時器/計數(shù)器 片內(nèi)有 2 個

51、 16 位的定時器/計數(shù)器，具有 4 種工作方式。(6) 串行口 1 個全雙工的的串行口， 具有 4 行通信，擴展并行 I/O 口。(7) P1 口、P2 口、P3 口、P0 口 為 4 個并行 8 位 I/O 口。(8) 特殊功能寄存器 SFR 特殊功能寄存器共有 21 個，用于 CPU 對片內(nèi)各功能部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上片內(nèi)各功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的 RAM 區(qū)。88CPURAMXTAL1XTAL2ALERESET8EAPSEN8圖 356.2.2 復(fù)位電路單片機的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，一般來說，單片機復(fù)位電路作用是把一個

52、例如狀態(tài)機初始化到空狀態(tài)，而在單片機內(nèi)部，復(fù)位的時候單片機是把一些寄存器以及存儲設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個值。單片機復(fù)位電路原理是在單片機的復(fù)位引腳 RST 現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個機器周期以上時復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時間必須大于單片機的兩個機器周期。具體數(shù)值可以由 RC 電路計算出時間常數(shù)。復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。（1）上電復(fù)位： STC89 系列單片及為高電平復(fù)位，通常在復(fù)位引腳 RST上連接一個電容到 VCC，再連接一個電阻到 GND，由此形成一個 RC 充放電回路保證單片機在上電時 RST 腳上有足夠時間的高電平進行復(fù)位， 隨后回歸到低電平進入正常工作狀態(tài)，這個電阻

53、和電容的典型值為 10K 和 10uF。（2） 按鍵復(fù)位：按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時電容被放電、 RST 也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復(fù)位。6.1.3 振蕩電路單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達(dá)百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（ VCO態(tài)

54、下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。單片機晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而36通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。8051 使用 12MHz 的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一般在15pF至 50pF 之間。6.2 串行接口電路串行接口是為了讓單片機與外部設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的一種方式。串行接口具有使用線路少、成

55、本低等優(yōu)點。 AT89C51 單片機具有一個全雙工串行通信接口，這樣可以很容易的實現(xiàn)單片機與 PC 機之間或者多機之間的通信。因為單片機串行口的輸出與輸入均為 TTL 電平。這種以 TTL 電平串行傳輸數(shù)據(jù)的方式，抗干擾技能差，傳輸距離短。為了提高串行通信的可靠性，增大串行通信的距離就必須采用標(biāo)準(zhǔn)串口。 RS-232C 是異步串行通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)串行接口，它定義了數(shù)據(jù)終設(shè)備（ DTE）數(shù)據(jù)通信設(shè)備（ DCE）之間的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。 PC 機都配有標(biāo)準(zhǔn)的 RS-232C 接口，由于 TTL 電平和RS-232C 電平互不兼容，所以兩者連接必須有電平轉(zhuǎn)換。單片機信號為 TTL0V5VRS-232

56、C 1-3V-15V;邏輯 0+3V+15V如果需要兩者之間的電平轉(zhuǎn)換需要一個電平轉(zhuǎn)換芯片， 這里選用 MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片。MAX232 是由美國 MAXIM 公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換芯片，此芯片由于內(nèi)部有自升壓的電平倍增電路，可以將 +5V 轉(zhuǎn)換成-10V +10V，滿足 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)對邏輯 1 和邏輯 0 的電平要求。設(shè)計電路如圖 6-4，電平轉(zhuǎn)換芯片的 R1OUT和 T1 分別與單片機的 RXDIN和 TXD 管腳相連接。同時選用通用的 9 芯的 RS-232 接口，即 DB9F。37612162738495U5 -+VTXDDN- OUTGVDB9516圖 6.3 傳感器6.3

57、.1 傳感器的選型本次設(shè)計傳感器采用 VTITechnologies 公司的 SCA100T系列。SCA100T是采用微電子機電技術(shù)（ MEMS）制造的一款雙軸加速度傳感器，模擬輸出的電壓范圍為 0-5v SCA100T 單軸的最大輸出范圍約為 90 率為 8Hz 及以下時，可獲得 0.002 度的輸出分辨率。MEMS是二十一世紀(jì)的前沿技術(shù)，采用 MEMS技術(shù)可以在硅芯片上加工出完整的微型電子機械系統(tǒng)，包含了微型傳感器、微型機械機構(gòu)、以以及信號處理和控制電路、通訊接口等于一體的微型器件，把信息系統(tǒng)的微型化、多功能化、智能化和可靠性提高到新的高度。SCA100T內(nèi)部包含了一個硅敏感微電容傳感器和

58、一個 ASIC專用集成電ASIC電路集成了 EEPROM存儲器、信號放大器、 AD轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器和 SPI 串行通信接口，組成了一個完整的數(shù)字模擬雙輸出的傳感器。有30 和 90 兩種量程，主要性能如下：001. XY雙軸高分辨率雙軸測量。2. 單電源+5V 直流供電，工作電流僅 3Ma。3. 模擬量輸出和 11 位數(shù)字量輸出。384. AD轉(zhuǎn)換時間為 150 微秒。5. 數(shù)字激活內(nèi)部故障自檢測。6. 長期工作穩(wěn)定性高。7. 可承受超過 20000g 的機械沖擊。加速度傳感器可以用來測定變化或恒定的加速度。恒定加速度的一個特例就是重力加速度，當(dāng)傳感器靜止時（沒有水平或垂直方向的加速度時）

59、，重力加速度方向和傳感器靈敏軸的夾角就是傾角。雙軸加速度傳感器測量傾角有兩種放置方法：水平放置和一軸垂直放置。本次設(shè)計采用水平放置，示意圖如下圖 6-5 所示。圖 水平放置在 90 度的范圍內(nèi)有很好的分辨率， 水平放置時應(yīng)用如下的公式計算傾角： A / g)xx A / g)yy、 其中 Ax、Ay表示重力加速度輸出，xy6.3.2 硬件電路的設(shè)計傳感器 OUT-1 ADC0809 的 IN0 輸入接39口，同時，為了進行傳感器自檢和內(nèi)部校正，分別將傳感器的 MISOMOSI、SCK、CSB 與單片機的 P1.1、P1.2、P1.3、P1.4 相連。MISO 用于傳輸傳感器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的

60、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)， MOSI 與單片機的 P1.2 引腳相連，用于向傳感器發(fā)送命令和進行傳感器內(nèi)部自校正，使用軟件編程通過 P1.3 向SCK提供串口通訊脈沖。CSB 6-6所示。SCA100T8051圖 6.4 電動機的控制機械手的各關(guān)節(jié)的運動都是通過電機帶動的，所以電機的控制很重要，現(xiàn)今有很多種電機驅(qū)動控制芯片，根據(jù)所控制的電機種類、電壓大小、電流大小等先關(guān)參數(shù)選擇相適應(yīng)的電機控制器， 本次設(shè)計選擇 L298N 電機控制器來驅(qū)動控制電機。6.4.1 L298N 電機驅(qū)動芯片簡介L298N 為 SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋電機專用驅(qū)動芯片( DualFul