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臂的发展非常迅速。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，诸如摇杆控制等，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—ARM 微处理器（S3C2440 芯片）—实现机械臂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—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；控制系统电路设计；上位，下位软件的编写：舵机的控制方式—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示，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
Abstract
Three joint mechanical arm and its control system design
Abstract
As technology advances, mechanical arm especially humanoid type of mechanical arm is developing fast. This paper presents a humanoid type of mechanical arm.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 makes 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 movements
The 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
目 录
摘 要 . ..................................................... Ⅰ Abstract . ................................................... Ⅱ
第1章 绪论 . ................................................ 1
1.1 题目提出的意义 . ................................................ 1
1.2 国内外发展现状 . ................................................ 1
第2章 方案的确定与比较分析 ................................. 4
2.1 机械手机械系统的比较与选择 . .................................... 5
2.2 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 ................................. 10
3.1 主要技术参数的确定 . ........................................... 10
3.2 各关节电机的选择计算 . ......................................... 10
3.2.1 大臂旋转电机的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
3.2.2 小臂旋转电机的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
3.2.3 腰部旋转电机的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
第4章 机械部件的设计与校核 ................................. 15
4.1 轴的设计与校核 . ............................................... 15
4.1.1 大臂旋转轴的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
4.1.2 大臂轴的强度校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
4.2 键的选择与强度的校核 . ......................................... 18
4.3 轴承寿命的校核 . ............................................... 20
4.4 联轴器的选择与圆锥销的校核 . ................................... 21
4.4.1 联轴器的选择. ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
4.4.2 联轴器圆锥销的校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
第5章 控制系统介绍与选择 ................................... 23
5.1 单片机最小系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
5.1.1 8051单片机介绍．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
5.1.2 复位电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
5.1.3 振荡电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
5.2 串行接口电路 . ................................................. 27
5.3 传感器 . ....................................................... 27
5.3.1 传感器的选型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
5.3.2 硬件电路的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29
5.4 电动机的控制 . ................................................. 29
5.4.1 L298N电机驱动芯片简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30
5.4.2 硬件电路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30
结语 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32 参考文献 . .................................................... 33 致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 35
第1章 绪论
1.1 题目提出的意义
鉴于我国机械臂仿生技术以及控制方式较西方国家落后，目前自主研发的机械臂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，对于仿人形机械臂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 年代的开发期，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臂的操作性【1】。
②. 德国FESTO 公司制作的仿象鼻机械臂
该机械臂模仿象鼻运动原理，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. 我国机械臂发展也十分迅速，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穷，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臂及机械手的发展中作出着较大的贡献【2】。
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，遵循一定的程序、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，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工
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重视【3】。
国外发展现状：
专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。机械手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【4】。
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。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，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【5】。
(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：
目前，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【6】。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【7】。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【8】。
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
2.1 机械手机械系统的比较与选择
1. 直角坐标型机械手
直角坐标式机械手是适用于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X 、Y 、Z 三个方向的直线进行运动。结构简图见表2-1。
其工作范围可以使一个直线运动；二个直线运动或三个直线运动。如在X 、Y 、Z 三个直线运动方向上各具有A 、B 、C 三个回转运动，即构成六个自由度。但在实际上是很少有的。缺点是这种机械手作业范围较小，占空比大，灵活性差。
2. 圆柱坐标型机械手
圆柱坐标式机械手适用于搬运和测量工作。 具有直观性好，结构简单，而动作范围较大等优点。
圆柱坐标式机械手由X 、Z 、φ三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运
第2章 方案的确定与比较分析
动。结构简图见表2-1.
圆柱坐标式机械手有五个基本动作：
(1) 手臂水平回转；
(2) 手臂伸缩；
(3) 手臂上下；
(4) 手臂回转动作；
(5) 手爪夹紧动作。
圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒、手臂装在滑动套筒上，手臂可作上下直线运动（Z ）和在水平面内做圆弧状的左右摆动（φ）。
圆柱坐标式机械手的缺点是结构庞大，两个移动轴的设计比较复杂，难于其他设备协调工作。
3 球坐标型机械手
球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它是由X 、θ、φ三个方向的运动组成。结构简图见表2-1。球坐标式机械手的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。
球坐标式机械手可实现以下八个动作：
(1) 手臂上下动作，即俯仰动作；
(2) 手臂左右动作，即回转动作；
(3) 手臂前后动作，即伸缩动作；
(4) 手腕上下弯曲；
(5) 手腕左右摆动；
(6) 手腕旋转运动；
(7) 手爪夹紧动作；
(8) 机械手整体移动。
球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧状上下俯仰运动，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，工作范围和人手的动作类似。它的特点是能自动选择最合理的动作路线。所以工效高。另外由于上下摆动，它的相对体积
小，动作范围大。其缺点是壁障性差，有平衡问题，位置误差与臂长成正比，控制难度大。
4 关节型机械手
又称回转坐标型，分为垂直关节坐标和平面（水平）关节坐标，机械手由立柱和大小臂组成，立柱与大臂通过肩关节相连接，立柱绕z 轴旋转，形成腰关节，大臂与小臂形成肘关节，可使大臂作回转和俯仰，小臂作俯仰。机械手工作空间范围大，动作灵活，避障性好，能抓取靠近机座的物体，其缺点是位置精度较低，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多。
本次设计的是实验用三自由度机械手，要求体积小，重量轻，灵活性强，对精度要求不高，抓取重量较轻，上述4种类型机械手中关节式械手结构最为紧凑，占空比最小，适合中小负载，能够达到设计要求且结构不复杂，所以本次设计选择关节式机械手。
2.2 机械手臂驱动系统的比较与选择
工业机械手臂的驱动可分为液压，气动和电动三种基本类型。
1 液压驱动
液压传动机械手有很大的驱动能力，液压力可达7Mpa ，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求高，不宜在高或低温现场工作，需配备一套液压系统，整体结构庞大。
液压驱动有以下特点：
(1) 输出功率很大，压力范围为50-140N/cm2。
(2) 控制性能较强，利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制。
(3) 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大。
(4) 液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。
液压驱动需配置液压系统，易产生泄漏而影响运动精度。系统易发热，出现故障后较难找出原因。
2 气压驱动
气压传动机械手结构简单，动作迅速，价格低廉，由于空气可压缩，所以工作速度稳
气压驱动具有以下特点：
(1) 输出功率不大，压力范围为48-60N/cm2，最高可达100N/cm2
(2) 可控性不强，气体压缩性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速高精度的连续轨迹控制。
(3) 执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题比液压小。
(4) 适用于中小负载驱动，精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机械手本体的气动平衡和及装配机械手气动夹具。
3 电力驱动
这种驱动是目前在机器手中用的最多的一种。早期多采用步进电动机（SM ）驱动，后来发展了直流伺服电动机（DC ），现在交流伺服电动机（AC ）驱动也开始广泛应用。上述驱动单元有的直接驱动机构运动，有的通过减速器装置来减速，结构简单紧凑。
电动驱动的控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC 伺服喷涂机械手、点焊机械手、弧焊机械手、装配机械手等。
电力驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。 各种电机驱动的特点：
(1) 普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机械手。
(2) 直流伺服电动机：直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在较宽范围内实现平滑的无级调速，动态响应特性和稳定性好，可适应频繁启动、反向、制动等工作状况。直流伺服电动机按励磁方式不同，有永磁式和电磁式之分；按转速高低及转子的转动惯量大小，有高速、小惯量（小惯量直流伺服电动机有多种：无槽电枢直流伺服电动机，绕组铁芯细长，故转动惯量小，其功率较大；空心杯转子直流伺服电动机，转动惯量很小，灵敏度更高，功率较小；印制绕组直流伺服电动机，可承受频繁的起动、换向，切率中等。这类电动机的转子转动惯量小，电感小，故换向性能好，动态响应
快，快速性能好，低速无爬行。）和低速、大惯量（大惯量直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种，其中永磁式用得较多，它的低速性能好，输出转矩大，调速范围宽，转子惯量大，受负载影响小，故可与丝杠直接连接，承受过载、重载能力强。）之分。
(3) 交流伺服电动机：交流伺服电动机几乎具有直流伺服电动机的所有优点，且结构简单，制造、维护简单，具有调速范围宽、稳速精度高，动态响应特性更好等技术特点，可达到更大的功率和更高的转速。
(4) 步进电动机：步进电动机是由电脉冲信号控制的，它可将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移，有回转式和直线式两种。步进电动机结构简单、控制简便、价格较低，但易失步，具有转子惯量低、反应灵敏、能提供较大的低速转矩、无漂移、无积累定位误差等优良性能，其控制线路简单，不需反馈编码器和相应的电子线路。步进电动机输出转角与输入脉冲个数成严格正比关系，转子速度主要取决于脉冲频率，故控制简便。步进电动机系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电动机组成。纯硬件的步进电动机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成，它的作用就是把脉冲串分配给步进电动机的各个绕组，使步进电动机按既定的方向和速度旋转。若采用微机技术，用软件与硬件相结合，则控制器不仅可在硬件上简化线路，降低成本，而且又提高可靠性。
综上所述，由于本次设计机械手臂负载较小，对体积有一定要求，又考虑到机械手臂的特点和各驱动方式的优缺点，直流伺服电机体积小，控制精度高，与传动系统配合结构最为紧凑，故机械手臂关节处选择直流伺服电机驱动。
第3章 电机的选择与设计计算
3.1 主要技术参数的确定
设计机械手大臂与小臂的尺寸和重量如下：
1. 大臂的第一和第二关节轴之间的距离为400mm ，质量为M1(6kg左右) ，重心在距离第一关节轴220mm 处，L1=220mm。
2. 小臂的第二关节轴和手爪前部之间的距离为450mm ，质量为M 2(7kg左右) ，重心在距第二关节轴280mm 处，L 2=400+280=680mm。
本次设计机械手的基本设计参数如下：
60︒/s ；60︒/s ；负载1kg ；大臂回转：0~180°，小臂回转：0~180°， 腰部旋转：0~±360︒，
600/s。
3.2 各关节电机的选择计算
当机械手手臂旋转时，当臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生电机的转矩不足。如图3-1所示，设两臂绕各自重心轴的转动惯量分别为J G1、J G2，根据平行轴定理可得绕大臂轴的转动惯量为：
J 1=JG1+M1L 12+JG2+M2L 22 （3-1）
其中：M 1，M 2，分别为6Kg ，7Kg ；L 1，L 2，分别为220mm ，680mm 。J G1 M 1L 12、J G2 M 2L 22，故可忽略不计，所以绕大臂轴的转动惯量为：
J 1= M1L 12+M2L 22 (3-2)
=6³0.22+7³0.682
=3.53kg . m 2
同理可得小臂绕小臂关节轴的转动惯量：
M 2=7Kg ，L 4=280mm 。
J 2=M2L 42 (3-3)
=7³0.282
=0.5488kg.m 2
关节旋转轴的转动惯量之和。
同理可得腰关节旋转转轴的转动惯量：
J 0=j1=3.53kg . m 2 （3-4）
3.2.1 大臂旋转电机的选择
设大臂速度为ω1=60︒/s ，则旋转开始时的转矩可表示如下：
T =J ⨯ϖ （3-5）
式中：T ——旋转开始时转矩，N.m 。
J —— 转动惯量，kg.m 2。
ϖ——角加速度，rad/s。
设机械手大臂从ω0=0到ω1=60︒/s 所需的时间为：∆t =0.2s ，由式（3-5）有： T 1=J 1³W 1=J³W 1-W 0/△t=3.53³π/3³0.2=18.5N²m
若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为：
T 01=2T=2³18.5=37N²m
选择减速机：
型号：APEX-AE235 （同轴式行星减速机）
额定输出转矩：40N.m
减速比：i 1=100
谐波减速器的的传递效率为：η=90%，步进电机应输出力矩为：
T out 1=T 0136.2==0.402N . m (3-6) i ⋅η100⨯0.9
选择小型直流伺服电机：
型号：MAXON-EC118896
额定转矩：0.7N.m
额定电压：24V
额定电流：1.5A
最高转速：1200rpm
额定功率：40w
电机尺寸：L=93mm D=46mm
3.2.2 小臂旋转电机的选择
原理同上，设小臂转速ω2=60︒/s ，设角速度从0加到ω2所需加速时间∆t =0. 2s ，则旋转开始时的转矩可表示如下：
T =J ⨯ϖ （3-7）
式中：T ——旋转开始时转矩，N.m 。
J ——转动惯量，kg.m2。
ϖ——角加速度，rad/s2。
由式（3-7）有：
T 2=J 2⨯ϖ=J 2⨯ω-ω∆t =0.5488⨯π
3⨯0.1=10.47N . m
若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为：
T 02=2T 2=2⨯10.47=20.94N . m （3-8)
选择减速机：
型号：APEX-AE235 （同轴式行星减速机）
额定输出转矩：40N.m
减速比：i 2=100
谐波减速器的的传递效率为：η=90%，步进电机应输出力矩为：
T out 2=T 0220.94==0.233N . m (3-9) i ⋅η100⨯0.9
选择小型直流伺服电机：
型号：MAXON-EC118896
额定转矩：0.7N.m
额定转速：1000rpm
最高转速：1200rpm
额定功率：40w
电机尺寸：L=93mm D=46mm
3.2.3 腰部旋转电机的选择
设旋转盘旋转速度为ω3=60︒/s ，则旋转开始时的转矩可表示如下：
T =J ⨯ϖ （3-10）
式中：T —— 旋转开始时转矩，N.m 。
J ——转动惯量，kg.m 2。
ϖ——角加速度，rad/s。
设机械手大臂从ω0=0到ω3=60︒/s 所需的时间为：∆t =0.2s 则：
T 0=J0³w=J0³（w-w 0）=3.53³π/（3³0.2）=18.483N²m
若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为：
T 00=2T0=2³18.483=36.966N²m (3-11)
选择减速机：
型号：APEX-AE238 （同轴式行星减速机）
额定输出转矩：50N.m
减速比：i 3=100
设谐波减速器的的传递效率为：η=90%，步进电机应输出力矩为：
T out 0=T 0041.4==0.46N . m (3-12) i ⋅η100⨯0.9
选择小型直流伺服电机
型号：MAXON-EC137489
额定转矩：0.9N.m
额定转速：1000rpm
最高转速：1200rpm
额定功率：60w
电机尺寸：L=124mm D=64mm
第4章 机械部件的设计与校核
4.1 轴的设计与校核
4.1.1 大臂旋转轴的设计
转矩和弯矩是轴的主要承受载荷, 轴的常见形式有直轴和弯轴, 而根据本次设计中机构的特点, 选择传动轴为直轴. 知条件可知n=10r/min，由电机传递到轴上的功率
P =P 电⨯η=50⨯0.9=0.045K w
选择轴的材料为45钢, 经调质后, 再使用.
由参考资料表查得:硬度:HBS217～255; 屈服强度极限: σs=360MPa;抗拉强度极限σb=650 MPa,弯曲疲劳强度极限σ1=300 MPa.
由表查得[σ-1]b=55 MPa.
初步确定轴的直径：
按照扭转强度估计轴输出端直径
由表查得C=1.3～126 取C=120
由式
：
图4-1 大臂旋转轴 得
d=120 取d=19mm 4.1.2 大臂轴的强度校核
按照扭转强度校核：
轴的扭转强度条件为：
τT =T ≈95500003P ≤[τ] （4-1） T W T 0.2d
式中：
τT ——扭转切应力，MPa 。
T ——轴所受的扭矩，N.mm 。
W T ——轴的抗扭截面系数，mm 3。
N ——轴的转速；r/min。
P ——轴的传递功率，Kw 。
D ——计算界面处轴的直径，mm 。
[τT ]——许用扭转切应力，MPa 。
由上式得：
d ≥
查表得[τT ]的范围为25 MPa ～45MPa ；A 0的范围为103～126。
本次设计[τT ]取40
则
A 0==106.8 取
106
则d ≥A =106=17.5mm
本次设计最小轴径为19mm>17.5mm，故满足强度要求。 按照弯扭合成强度校核：
弯扭合成图如图4-2所示：
4-2） （
图4-2 弯扭合成图
F r =G 1+G 2+G =3(7+6+1) ⨯10=140N L 1=F 2=71mm F FAV . L =F R . L 2F FBV . L =F R . L 1
F =F R . L
2
FAV L =70N
F F R . L
1FBV =L
=70N
M 1y=M 2y=0
M H =F R . L 1=140⨯71=9940N .mm
若是轴强度合格，则
σca ≤[σ-1] 式中：
σca ——轴的计算应力，MPa 。 M ——轴所受的弯矩，N.mm 。 T ——轴所受的扭矩，N.mm 。 W ——轴的抗弯截面系数，mm 3。 α——截面系数。
本次设计轴的材料为45号刚，查表得：
4.3） （
α取0.6，[σ-1]取
60
图4-3 轴的危险截面断面图
图中，b=8mm，t=3.5mm，d=30mm
W =
所以：
πd 3bt (d-t )
32-2d
2
303π8⨯3.5(30-3.5)=-=2323mm 3 322⨯30
2
σca
=
=11.18
即 σc a =11. 1
60
4.2 键的选择与强度的校核
1大臂旋转轴键联接处键的强度校核
选择普通圆头平键，GB/T1096 b ⨯h ⨯l =10⨯8⨯70
平键联接传递转矩时，其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。 查得载荷在键的工作表面上均匀分布，普通平键联接的强度条件：
2T ⨯103
σP =≤[σP ] （4-4）
kld
式中：
T ——传递的转矩，N.m 。
K ——键与轮毂键槽的接触高度，m m ；k=0.5h,此处h 为键的高度，m m 。
l ——键的工作长度，m m ；圆头平键l =L -b ，这里L 为键的公称长度，m m ；b 为
键的宽度，m m 。
d ——轴的直径，m m 。
[σP ]——键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，MP a 。
从本书表6-2查得材料为钢和铸铁在轻微冲击载荷作用下的许用挤压应力分别为
100 120MP a 和50 60MP a 。
键的材料为45号钢，大臂与钻转轴的材料分别为HT 150和45号钢。三者中最弱的材料是铸铁，测试中存在轻微冲击载荷，故[σP ]为50 60MP a ，取其平均值，[σP ]=55MP a 。
此处键传递的转矩T=40N m ，键与轮毂键槽的接触高度k=4m m ，键的工作长度
l =70-10mm =60mm ，轴的直径d =30m m 。将这些数据代入公式（4.4）得：
2T ⨯103
σP =
kld
3
2⨯40⨯10
MP a =
4⨯60⨯30
≈11. 11M P [σP ] a
故键的强度满足要求，键联接安全。 2. 小臂旋转轴键联接处键的强度校核
选择使用普通圆通平键 ，GB/T1096 尺寸b ⨯h ⨯l =10⨯8⨯60
平键联接传递转矩时，其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。 查得载荷在键的工作表面上均匀分布，普通平键联接的强度条件：
2T ⨯103
σP =≤[σP ]
kld
式中：
T ——传递的转矩，N ⋅m 。
K ——键与轮毂键槽的接触高度，m m ；k=0.5h,此处h 为键的高度，m m 。
l ——键的工作长度，m m ；圆头平键l =L -b ，这里L 为键的公称长度，m m ；b 为
键的宽度，m m 。
d ——轴的直径，m m 。
[σP ]——键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，MP a 。
从本书表6-2查得材料为钢和铸铁在轻微冲击载荷作用下的许用挤压应力分别为
100 120MP a 和50 60MP a 。
键的材料为45号钢，大臂与旋转轴的材料分别为HT 150和45号钢。三者中最弱的材料是铸铁，测试中存在轻微冲击载荷，故[σP ]为50 60MP a ，取其平均值，[σP ]=55MP a 。
此处键传递的转矩T=40N m ，键与轮毂键槽的接触高度k=4m m ，键的工作长度l=30-10=20mm，轴的直径d =30m m 。将这些数据代入公式（5-4）得：
2T ⨯103
σP ==2³40³103/4³20³30=33.33MPa
kld
故键的强度满足要求，键联接安全。
4.3 轴承寿命的校核
本次设计由于大臂与小臂旋转轴所设计的轴承是一样的，故选用四口相同型号尺寸的轴承，选择深沟球轴承6186，所以校核所受载荷最大的一个轴承合格即可。
本设计校核大臂旋转轴上轴承的寿命，该轴上的轴承只受径向载荷，轴承的预期计算寿命
L /h =100000h 。轴承对轴的支撑力与轴承上所受到的径向载荷是一对作用力与反作用力，由前边轴的强度校核部分，可以计算出轴上安装轴承两处的轴承所受到的径向载荷F rB 和
F rD 大小分别为：
F rB =70N F rD =70N
查《机械设计》第七版P 312页公式（13-5）知以小时表示的轴承寿命L h 为：
106C ε
() （4-5） L h =
60n P
式中 ：
n ——轴承的转速，min 。 C ——轴承的基本额定动载荷，kN 。 P ——载荷，kN 。
ε——指数，对于球轴承，ε=3。
轴承的转速n =10r min ，从《最新轴承手册》P 296页表3.1-3查得代号为6186深沟球轴承的基本额定动载荷C =40.8k N ，将相关数据代入轴承寿命L h 计算公式可求得：
106C ε106408003
L h =() =⨯() h ≈3.3⨯1011h （4-6）
60n P 60⨯1070
L h 远大于L h /，轴承的寿命满足设计要求。
4.4 联轴器的选择与圆锥销的校核
4.4.1 联轴器的选择.
1. 大臂旋转轴与减速机之间联轴器选择 选择圆锥销套筒式联轴器，如图4-4所示：
图4-4 圆锥销套筒式联轴器结构图 联轴器具体尺寸参数如下：
d 1=6mm；d 2=4mm；L=45mm；D 0=35mm；额定转矩50N.M ；圆锥销6⨯35；圆锥销
4⨯35
2. 旋转盘与减速机之间联轴器选择
如图（4-4）所示：具体尺寸参数如下：
d 1=8mm；d 2=4mm；L=50mm；D 0=40mm；额定转矩70N.M ；圆锥销8⨯40；圆锥销
4⨯40
4.4.2 联轴器圆锥销的校核
由于联轴器最小直径圆锥销都是4mm ，所以本次设计只校核受力最大的即可。 圆锥销主要受横向剪切力的作用而失效，校核公式为：
τ=
式中：
2000T
≤[τ] （4-7） 2
πd D
D ——圆锥销的平均直径，mm 。 T ——所传递的转矩，N.m 。 D ——轴径，mm 。
[τ]——销的许用剪切应力，对于45号钢一般取80MPa 其中，T=40N.m；d=4.5mm；D=19mm，所以：
τ=
200T 2000⨯40
==66.185MPa
πd D π⨯4.5⨯19
所以校核合格。
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第5章 控制系统介绍与选择
机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统，一般要用计算机来实现。因此，控制系统在本次设计中非常重要。本次设计选择单片机控制系统，控制系统总体设计框图如图5-1所示：
图5-1 控制系统总体框图
5.1 单片机最小系统
由于单片机体积小，价格便宜且具有高稳定性和很强的抗干扰能力，因此本次设计控制芯片选择8051单片机。单片机最小系统一般由单片机、复位电路、震荡电路等组成，由于本次设计使用8051单片机，所以以8051最小系统为例介绍单片机最小系统。8051单片机最小系统硬件电路图如图5-2所示。
第5章 控制系统介绍与选择
图5-2 51单片机最小系统电路图
5.1.1 8051单片机介绍
8051单片机的片内结构如图6-3所示。8051单片机是把那些作为控制应用所必须的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成：
1. 微处理器CPU 2. 数据存储器RAM 3. 程序存储器ROM/EPROM
4. 4个8位并行I/O口（P0口P1口P2口P3口） 5. 1个串行口
6. 2个16位定时器、计数器 7. 中断系统
8. 特殊功能寄存器（SFR ）
上述各功能部件是通过片内单一总线连接而成， 如图6-3所示。 图6-3中各功能部件的功能如下：
(1) CPU 微处理器 8051单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和微处理器两大部分。只是增加了面向控制的处理功能，不仅可以处理字节数据，也可以进行位变量的控制。
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(2) 数据存储器 片内为128B ，片外最多可外扩64KB 。数据存储器来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。片内的128B 的RAM ，以高速RAM 形式集成在的单片机内，可以加快单片机的运行速度，而且这种结构还可以降低单片机的功耗。
(3) 程序存储器 用来存储程序，为4K 的ROM ，最多可外扩至64KB 。 (4) 中断系统 具有5个中断源，2级中断优先权。
(5) 定时器/计数器 片内有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式。 (6) 串行口 1个全双工的的串行口，具有4种工作方式。可用来进行串行通信，扩展并行I/O口。
(7) P1口、P2口、P3口、P0口 为4个并行8位I/O口。
(8) 特殊功能寄存器SFR 特殊功能寄存器共有21个，用于CPU 对片内各功能部件进行管理、控制、监视。实际上片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM 区。
图 5-3 8051单片机片内结构
5.1.2 复位电路
单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机
第5章 控制系统介绍与选择
是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。
单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST 上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC 电路计算出时间常数。 复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。
（1）上电复位：STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST 上连接一个电容到VCC ，再连接一个电阻到GND ，由此形成一个RC 充放电回路保证单片机在上电时RST 脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K 和10uF 。
（2） 按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST 也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。 5.1.3 振荡电路
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。 在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO ）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
8051使用12MHz 的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF 至50pF 之间。
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5.2 串行接口电路
串行接口是为了让单片机与外部设备传输数据的一种方式。串行接口具有使用线路少、成本低等优点。AT89C51单片机具有一个全双工串行通信接口，这样可以很容易的实现单片机与PC 机之间或者多机之间的通信。
因为单片机串行口的输出与输入均为TTL 电平。这种以TTL 电平串行传输数据的方式，抗干扰技能差，传输距离短。为了提高串行通信的可靠性，增大串行通信的距离就必须采用标准串口。RS-232C 是异步串行通信中应用最广的标准串行接口，它定义了数据终设备（DTE ）数据通信设备（DCE ）之间的串行接口标准。PC 机都配有标准的RS-232C 接口，由于TTL 电平和RS-232C 电平互不兼容，所以两者连接必须有电平转换。单片机信号为TTL 电平（0V ～5V ）。RS-232C 标准电平（逻辑1：-3V ～-15V; 逻辑0：+3V～+15V）。如果需要两者之间的电平转换需要一个电平转换芯片，这里选用MAX232电平转换芯片。
MAX232是由美国MAXIM 公司生产的电平转换芯片，此芯片由于内部有自升压的电平倍增电路，可以将+5V转换成-10V ～ +10V，满足RS-232C 标准对逻辑1和逻辑0的电平要求。
设计电路如图5-4，电平转换芯片的R1OUT 和T1IN 分别与单片机的RXD 和TXD 管脚相连接。同时选用通用的9芯的RS-232接口，即DB9F 。
图 5-4 串行接口电路图
5.3 传感器
5.3.1 传感器的选型
本次设计传感器采用VTI Technologies 公司的SCA100T 系列。SCA100T 是采用微电
第5章 控制系统介绍与选择
子机电技术（MEMS ）制造的一款双轴加速度传感器，模拟输出的电压范围为0-5v ，SCA100T 单轴的最大输出范围约为±90度。在采样频率为8Hz 及以下时，可获得0.002度的输出分辨率。
MEMS 是二十一世纪的前沿技术，采用MEMS 技术可以在硅芯片上加工出完整的微型电子机械系统，包含了微型传感器、微型机械机构、以以及信号处理和控制电路、通讯接口等于一体的微型器件，把信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性提高到新的高度。
SCA100T 内部包含了一个硅敏感微电容传感器和一个ASIC 专用集成电路，ASIC 电路集成了EEPROM 存储器、信号放大器、AD 转换器、温度传感器和SPI 串行通信接口，组成了一个完整的数字模拟双输出的传感器。有±300和±900两种量程，主要性能如下：
1. XY 双轴高分辨率双轴测量。
2. 单电源+5V直流供电，工作电流仅3Ma 。 3. 模拟量输出和11位数字量输出。 4. AD 转换时间为150微秒。 5. 数字激活内部故障自检测。 6. 长期工作稳定性高。
7. 可承受超过20000g 的机械冲击。
加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。恒定加速度的一个特例就是重力加速度，当传感器静止时（没有水平或垂直方向的加速度时），重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。双轴加速度传感器测量倾角有两种放置方法：水平放置和一轴垂直放置。本次设计采用水平放置，示意图如下图5-5所示。
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图5-5 水平放置方法
水平放置在±90度的范围内有很好的分辨率，水平放置时应用如下的公式计算倾角：
∂x =arcsin(A x /g ) ∂y =arcsin(A y /g )
其中Ax 、Ay 表示重力加速度输出，∂x 、∂y 表示倾斜角度（弧度）。 5.3.2 硬件电路的设计
传感器OUT-1引脚为模拟量输出管脚，将其接在ADC0809的IN0输入接口，同时，为了进行传感器自检和内部校正，分别将传感器的MISO 、MOSI 、SCK 、CSB 与单片机的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4相连。MISO 用于传输传感器内部模数转换器转换的数字数据， MOSI 与单片机的P1.2 引脚相连，用于向传感器发送命令和进行传感器内部自校正，使用软件编程通过P1.3向SCK 提供串口通讯脉冲。CSB 为片选信号引脚。具体硬件连接框图如下图5-6所示。
图5-6 传感器与单片机连接框图
5.4 电动机的控制
机械手的各关节的运动都是通过电机带动的，所以电机的控制很重要，现今有很多种电机驱动控制芯片，根据所控制的电机种类、电压大小、电流大小等先关参数选择相适应
第5章 控制系统介绍与选择
的电机控制器，本次设计选择L298N 电机控制器来驱动控制电机。
5.4.1 L298N电机驱动芯片简介
L298N 为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥电机专用驱动芯片( DualFull-Bridge Driver ) ，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，可同时驱动2 个二相或1个四相电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL 逻辑准位信号，可驱动46V 、2A 以下的电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO 端口来提供模拟时序信号，方便简单。L298N 的接脚Pin1 和Pin15 可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路； OUTl 、OUT2 和OUT3、OUT4 之间分别接2 个电机；input1~input4 输入控制电位来控制电机的正反转；Enable 则控制电机停转。
L298 ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS 绝对最大额定值： VS Power Supply 电源50 V
VSS Logic Supply Voltage 电源电压7 V
VI,Ven Input and Enable Voltage 输入电压和启用–0.3 to 7 V 峰值输出电流(每通道) ： 非重复性(t= 100ms) 3A
重复(80% on –20% off; ton = 10ms) 2.5A 直流运行2A 5.4.2 硬件电路图
本次设计L298N 输入端引脚IN1、IN2、IN3、IN4分别接单片机数据输出端管脚PA0、PA1、PA2、PA3，Vs 为电源管脚，本次设计接24V 直流电源，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4为驱动输出管脚，分别与电机和电源相接，中间加二极管保持电压不变，本次设计中L298N 与直流伺服电机的硬件电器原理图如下图5-7所示:
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图5-7 L298N 与电机硬件连接图
结语
结 语
一学期的毕业设计在忙碌中就快要结束了, 在这一学期的时间里, 我觉得生活非常的充实. 不但在毕业设计中巩固了以前的知识, 而且在人生道路上学到在校园学不到的社会交际. 毕业设计是大学四年所学知识的一个考察, 它兼顾了四年中所学的基础和专业知识, 因此不同于以前的课程设计, 毕业设计是课程设计一个质的飞越. 认识到这点, 我对待毕业设计的态度也不敢懒散, 一直抱以认真谨慎的学习态度. 在接到毕业设计课题后首先要做的就是搜集各方面的资料，以前的课程设计都是老师给出的，不用自己去烦恼。但是毕业设计就不同了，它是一个综合设计，很多资料，数据都需要自己通过各种途径搜集得到。
虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。顺利如期的完成本次毕业设计是我最大的动力，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。
在本次设计中，要用到许多基础理论，由于有些知识已经遗忘，这使我们要重新温习知识，因此设计之前就对大学里面所涉及到的有关该课题的课程认真的复习了一遍，开始对本课题的设计任务有了大致的了解，并也有了设计的感觉。同时，由于设计的需要，要查阅并收集大量关于机械制造方面的文献，进而对这些文献进行分析和总结，这些都提高了我们对于专业知识的综合运用能力和分析解决实际问题的能力。通过本次设计还使我更深切地感受到了团队的力量，在与同学们的讨论中发现问题并及时解决问题，这些使我们相互之间的沟通协调能力得到了提高，团队合作精神也得到了增强。可以说，毕业设计体现了我们大学四年所学的大部分知识，也检验了我们的综合素质和实际能力。同时也跨出了我的工程师之路的第一步。
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致谢
非常感谢倪受东老师在我大学的最后学习——毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，他放弃了自己的休息时间，他的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！
通过这一阶段的努力，我的毕业论文《三关节机械臂及其控制系统设计》终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。
在本论文的写作过程中，我的导师倪受东老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。
做毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。我将铭记我曾是一名南工大学子，在今后的工作中把南工大的优良传统发扬光大。
感谢各位专家的批评指导
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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臂的发展非常迅速。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，诸如摇杆控制等，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—ARM 微处理器（S3C2440 芯片）—实现机械臂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—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；控制系统电路设计；上位，下位软件的编写：舵机的控制方式—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示，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
Abstract
Three joint mechanical arm and its control system design
Abstract
As technology advances, mechanical arm especially humanoid type of mechanical arm is developing fast. This paper presents a humanoid type of mechanical arm.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 makes 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 movements
The 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
目 录
摘 要 . ..................................................... Ⅰ Abstract . ................................................... Ⅱ
第1章 绪论 . ................................................ 1
1.1 题目提出的意义 . ................................................ 1
1.2 国内外发展现状 . ................................................ 1
第2章 方案的确定与比较分析 ................................. 4
2.1 机械手机械系统的比较与选择 . .................................... 5
2.2 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 ................................. 10
3.1 主要技术参数的确定 . ........................................... 10
3.2 各关节电机的选择计算 . ......................................... 10
3.2.1 大臂旋转电机的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
3.2.2 小臂旋转电机的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
3.2.3 腰部旋转电机的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
第4章 机械部件的设计与校核 ................................. 15
4.1 轴的设计与校核 . ............................................... 15
4.1.1 大臂旋转轴的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
4.1.2 大臂轴的强度校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
4.2 键的选择与强度的校核 . ......................................... 18
4.3 轴承寿命的校核 . ............................................... 20
4.4 联轴器的选择与圆锥销的校核 . ................................... 21
4.4.1 联轴器的选择. ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
4.4.2 联轴器圆锥销的校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
第5章 控制系统介绍与选择 ................................... 23
5.1 单片机最小系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
5.1.1 8051单片机介绍．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
5.1.2 复位电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
5.1.3 振荡电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
5.2 串行接口电路 . ................................................. 27
5.3 传感器 . ....................................................... 27
5.3.1 传感器的选型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
5.3.2 硬件电路的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29
5.4 电动机的控制 . ................................................. 29
5.4.1 L298N电机驱动芯片简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30
5.4.2 硬件电路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30
结语 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32 参考文献 . .................................................... 33 致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 35
第1章 绪论
1.1 题目提出的意义
鉴于我国机械臂仿生技术以及控制方式较西方国家落后，目前自主研发的机械臂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，对于仿人形机械臂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 年代的开发期，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臂的操作性【1】。
②. 德国FESTO 公司制作的仿象鼻机械臂
该机械臂模仿象鼻运动原理，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. 我国机械臂发展也十分迅速，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穷，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臂及机械手的发展中作出着较大的贡献【2】。
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，遵循一定的程序、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，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工
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重视【3】。
国外发展现状：
专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。机械手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【4】。
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。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，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【5】。
(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：
目前，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【6】。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【7】。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【8】。
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
2.1 机械手机械系统的比较与选择
1. 直角坐标型机械手
直角坐标式机械手是适用于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X 、Y 、Z 三个方向的直线进行运动。结构简图见表2-1。
其工作范围可以使一个直线运动；二个直线运动或三个直线运动。如在X 、Y 、Z 三个直线运动方向上各具有A 、B 、C 三个回转运动，即构成六个自由度。但在实际上是很少有的。缺点是这种机械手作业范围较小，占空比大，灵活性差。
2. 圆柱坐标型机械手
圆柱坐标式机械手适用于搬运和测量工作。 具有直观性好，结构简单，而动作范围较大等优点。
圆柱坐标式机械手由X 、Z 、φ三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运
第2章 方案的确定与比较分析
动。结构简图见表2-1.
圆柱坐标式机械手有五个基本动作：
(1) 手臂水平回转；
(2) 手臂伸缩；
(3) 手臂上下；
(4) 手臂回转动作；
(5) 手爪夹紧动作。
圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒、手臂装在滑动套筒上，手臂可作上下直线运动（Z ）和在水平面内做圆弧状的左右摆动（φ）。
圆柱坐标式机械手的缺点是结构庞大，两个移动轴的设计比较复杂，难于其他设备协调工作。
3 球坐标型机械手
球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它是由X 、θ、φ三个方向的运动组成。结构简图见表2-1。球坐标式机械手的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。
球坐标式机械手可实现以下八个动作：
(1) 手臂上下动作，即俯仰动作；
(2) 手臂左右动作，即回转动作；
(3) 手臂前后动作，即伸缩动作；
(4) 手腕上下弯曲；
(5) 手腕左右摆动；
(6) 手腕旋转运动；
(7) 手爪夹紧动作；
(8) 机械手整体移动。
球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧状上下俯仰运动，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，工作范围和人手的动作类似。它的特点是能自动选择最合理的动作路线。所以工效高。另外由于上下摆动，它的相对体积
小，动作范围大。其缺点是壁障性差，有平衡问题，位置误差与臂长成正比，控制难度大。
4 关节型机械手
又称回转坐标型，分为垂直关节坐标和平面（水平）关节坐标，机械手由立柱和大小臂组成，立柱与大臂通过肩关节相连接，立柱绕z 轴旋转，形成腰关节，大臂与小臂形成肘关节，可使大臂作回转和俯仰，小臂作俯仰。机械手工作空间范围大，动作灵活，避障性好，能抓取靠近机座的物体，其缺点是位置精度较低，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多。
本次设计的是实验用三自由度机械手，要求体积小，重量轻，灵活性强，对精度要求不高，抓取重量较轻，上述4种类型机械手中关节式械手结构最为紧凑，占空比最小，适合中小负载，能够达到设计要求且结构不复杂，所以本次设计选择关节式机械手。
2.2 机械手臂驱动系统的比较与选择
工业机械手臂的驱动可分为液压，气动和电动三种基本类型。
1 液压驱动
液压传动机械手有很大的驱动能力，液压力可达7Mpa ，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求高，不宜在高或低温现场工作，需配备一套液压系统，整体结构庞大。
液压驱动有以下特点：
(1) 输出功率很大，压力范围为50-140N/cm2。
(2) 控制性能较强，利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制。
(3) 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大。
(4) 液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。
液压驱动需配置液压系统，易产生泄漏而影响运动精度。系统易发热，出现故障后较难找出原因。
2 气压驱动
气压传动机械手结构简单，动作迅速，价格低廉，由于空气可压缩，所以工作速度稳
气压驱动具有以下特点：
(1) 输出功率不大，压力范围为48-60N/cm2，最高可达100N/cm2
(2) 可控性不强，气体压缩性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速高精度的连续轨迹控制。
(3) 执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题比液压小。
(4) 适用于中小负载驱动，精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机械手本体的气动平衡和及装配机械手气动夹具。
3 电力驱动
这种驱动是目前在机器手中用的最多的一种。早期多采用步进电动机（SM ）驱动，后来发展了直流伺服电动机（DC ），现在交流伺服电动机（AC ）驱动也开始广泛应用。上述驱动单元有的直接驱动机构运动，有的通过减速器装置来减速，结构简单紧凑。
电动驱动的控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC 伺服喷涂机械手、点焊机械手、弧焊机械手、装配机械手等。
电力驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。 各种电机驱动的特点：
(1) 普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机械手。
(2) 直流伺服电动机：直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在较宽范围内实现平滑的无级调速，动态响应特性和稳定性好，可适应频繁启动、反向、制动等工作状况。直流伺服电动机按励磁方式不同，有永磁式和电磁式之分；按转速高低及转子的转动惯量大小，有高速、小惯量（小惯量直流伺服电动机有多种：无槽电枢直流伺服电动机，绕组铁芯细长，故转动惯量小，其功率较大；空心杯转子直流伺服电动机，转动惯量很小，灵敏度更高，功率较小；印制绕组直流伺服电动机，可承受频繁的起动、换向，切率中等。这类电动机的转子转动惯量小，电感小，故换向性能好，动态响应
快，快速性能好，低速无爬行。）和低速、大惯量（大惯量直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种，其中永磁式用得较多，它的低速性能好，输出转矩大，调速范围宽，转子惯量大，受负载影响小，故可与丝杠直接连接，承受过载、重载能力强。）之分。
(3) 交流伺服电动机：交流伺服电动机几乎具有直流伺服电动机的所有优点，且结构简单，制造、维护简单，具有调速范围宽、稳速精度高，动态响应特性更好等技术特点，可达到更大的功率和更高的转速。
(4) 步进电动机：步进电动机是由电脉冲信号控制的，它可将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移，有回转式和直线式两种。步进电动机结构简单、控制简便、价格较低，但易失步，具有转子惯量低、反应灵敏、能提供较大的低速转矩、无漂移、无积累定位误差等优良性能，其控制线路简单，不需反馈编码器和相应的电子线路。步进电动机输出转角与输入脉冲个数成严格正比关系，转子速度主要取决于脉冲频率，故控制简便。步进电动机系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电动机组成。纯硬件的步进电动机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成，它的作用就是把脉冲串分配给步进电动机的各个绕组，使步进电动机按既定的方向和速度旋转。若采用微机技术，用软件与硬件相结合，则控制器不仅可在硬件上简化线路，降低成本，而且又提高可靠性。
综上所述，由于本次设计机械手臂负载较小，对体积有一定要求，又考虑到机械手臂的特点和各驱动方式的优缺点，直流伺服电机体积小，控制精度高，与传动系统配合结构最为紧凑，故机械手臂关节处选择直流伺服电机驱动。
第3章 电机的选择与设计计算
3.1 主要技术参数的确定
设计机械手大臂与小臂的尺寸和重量如下：
1. 大臂的第一和第二关节轴之间的距离为400mm ，质量为M1(6kg左右) ，重心在距离第一关节轴220mm 处，L1=220mm。
2. 小臂的第二关节轴和手爪前部之间的距离为450mm ，质量为M 2(7kg左右) ，重心在距第二关节轴280mm 处，L 2=400+280=680mm。
本次设计机械手的基本设计参数如下：
60︒/s ；60︒/s ；负载1kg ；大臂回转：0~180°，小臂回转：0~180°， 腰部旋转：0~±360︒，
600/s。
3.2 各关节电机的选择计算
当机械手手臂旋转时，当臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生电机的转矩不足。如图3-1所示，设两臂绕各自重心轴的转动惯量分别为J G1、J G2，根据平行轴定理可得绕大臂轴的转动惯量为：
J 1=JG1+M1L 12+JG2+M2L 22 （3-1）
其中：M 1，M 2，分别为6Kg ，7Kg ；L 1，L 2，分别为220mm ，680mm 。J G1 M 1L 12、J G2 M 2L 22，故可忽略不计，所以绕大臂轴的转动惯量为：
J 1= M1L 12+M2L 22 (3-2)
=6³0.22+7³0.682
=3.53kg . m 2
同理可得小臂绕小臂关节轴的转动惯量：
M 2=7Kg ，L 4=280mm 。
J 2=M2L 42 (3-3)
=7³0.282
=0.5488kg.m 2
关节旋转轴的转动惯量之和。
同理可得腰关节旋转转轴的转动惯量：
J 0=j1=3.53kg . m 2 （3-4）
3.2.1 大臂旋转电机的选择
设大臂速度为ω1=60︒/s ，则旋转开始时的转矩可表示如下：
T =J ⨯ϖ （3-5）
式中：T ——旋转开始时转矩，N.m 。
J —— 转动惯量，kg.m 2。
ϖ——角加速度，rad/s。
设机械手大臂从ω0=0到ω1=60︒/s 所需的时间为：∆t =0.2s ，由式（3-5）有： T 1=J 1³W 1=J³W 1-W 0/△t=3.53³π/3³0.2=18.5N²m
若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为：
T 01=2T=2³18.5=37N²m
选择减速机：
型号：APEX-AE235 （同轴式行星减速机）
额定输出转矩：40N.m
减速比：i 1=100
谐波减速器的的传递效率为：η=90%，步进电机应输出力矩为：
T out 1=T 0136.2==0.402N . m (3-6) i ⋅η100⨯0.9
选择小型直流伺服电机：
型号：MAXON-EC118896
额定转矩：0.7N.m
额定电压：24V
额定电流：1.5A
最高转速：1200rpm
额定功率：40w
电机尺寸：L=93mm D=46mm
3.2.2 小臂旋转电机的选择
原理同上，设小臂转速ω2=60︒/s ，设角速度从0加到ω2所需加速时间∆t =0. 2s ，则旋转开始时的转矩可表示如下：
T =J ⨯ϖ （3-7）
式中：T ——旋转开始时转矩，N.m 。
J ——转动惯量，kg.m2。
ϖ——角加速度，rad/s2。
由式（3-7）有：
T 2=J 2⨯ϖ=J 2⨯ω-ω∆t =0.5488⨯π
3⨯0.1=10.47N . m
若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为：
T 02=2T 2=2⨯10.47=20.94N . m （3-8)
选择减速机：
型号：APEX-AE235 （同轴式行星减速机）
额定输出转矩：40N.m
减速比：i 2=100
谐波减速器的的传递效率为：η=90%，步进电机应输出力矩为：
T out 2=T 0220.94==0.233N . m (3-9) i ⋅η100⨯0.9
选择小型直流伺服电机：
型号：MAXON-EC118896
额定转矩：0.7N.m
额定转速：1000rpm
最高转速：1200rpm
额定功率：40w
电机尺寸：L=93mm D=46mm
3.2.3 腰部旋转电机的选择
设旋转盘旋转速度为ω3=60︒/s ，则旋转开始时的转矩可表示如下：
T =J ⨯ϖ （3-10）
式中：T —— 旋转开始时转矩，N.m 。
J ——转动惯量，kg.m 2。
ϖ——角加速度，rad/s。
设机械手大臂从ω0=0到ω3=60︒/s 所需的时间为：∆t =0.2s 则：
T 0=J0³w=J0³（w-w 0）=3.53³π/（3³0.2）=18.483N²m
若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为：
T 00=2T0=2³18.483=36.966N²m (3-11)
选择减速机：
型号：APEX-AE238 （同轴式行星减速机）
额定输出转矩：50N.m
减速比：i 3=100
设谐波减速器的的传递效率为：η=90%，步进电机应输出力矩为：
T out 0=T 0041.4==0.46N . m (3-12) i ⋅η100⨯0.9
选择小型直流伺服电机
型号：MAXON-EC137489
额定转矩：0.9N.m
额定转速：1000rpm
最高转速：1200rpm
额定功率：60w
电机尺寸：L=124mm D=64mm
第4章 机械部件的设计与校核
4.1 轴的设计与校核
4.1.1 大臂旋转轴的设计
转矩和弯矩是轴的主要承受载荷, 轴的常见形式有直轴和弯轴, 而根据本次设计中机构的特点, 选择传动轴为直轴. 知条件可知n=10r/min，由电机传递到轴上的功率
P =P 电⨯η=50⨯0.9=0.045K w
选择轴的材料为45钢, 经调质后, 再使用.
由参考资料表查得:硬度:HBS217～255; 屈服强度极限: σs=360MPa;抗拉强度极限σb=650 MPa,弯曲疲劳强度极限σ1=300 MPa.
由表查得[σ-1]b=55 MPa.
初步确定轴的直径：
按照扭转强度估计轴输出端直径
由表查得C=1.3～126 取C=120
由式
：
图4-1 大臂旋转轴 得
d=120 取d=19mm 4.1.2 大臂轴的强度校核
按照扭转强度校核：
轴的扭转强度条件为：
τT =T ≈95500003P ≤[τ] （4-1） T W T 0.2d
式中：
τT ——扭转切应力，MPa 。
T ——轴所受的扭矩，N.mm 。
W T ——轴的抗扭截面系数，mm 3。
N ——轴的转速；r/min。
P ——轴的传递功率，Kw 。
D ——计算界面处轴的直径，mm 。
[τT ]——许用扭转切应力，MPa 。
由上式得：
d ≥
查表得[τT ]的范围为25 MPa ～45MPa ；A 0的范围为103～126。
本次设计[τT ]取40
则
A 0==106.8 取
106
则d ≥A =106=17.5mm
本次设计最小轴径为19mm>17.5mm，故满足强度要求。 按照弯扭合成强度校核：
弯扭合成图如图4-2所示：
4-2） （
图4-2 弯扭合成图
F r =G 1+G 2+G =3(7+6+1) ⨯10=140N L 1=F 2=71mm F FAV . L =F R . L 2F FBV . L =F R . L 1
F =F R . L
2
FAV L =70N
F F R . L
1FBV =L
=70N
M 1y=M 2y=0
M H =F R . L 1=140⨯71=9940N .mm
若是轴强度合格，则
σca ≤[σ-1] 式中：
σca ——轴的计算应力，MPa 。 M ——轴所受的弯矩，N.mm 。 T ——轴所受的扭矩，N.mm 。 W ——轴的抗弯截面系数，mm 3。 α——截面系数。
本次设计轴的材料为45号刚，查表得：
4.3） （
α取0.6，[σ-1]取
60
图4-3 轴的危险截面断面图
图中，b=8mm，t=3.5mm，d=30mm
W =
所以：
πd 3bt (d-t )
32-2d
2
303π8⨯3.5(30-3.5)=-=2323mm 3 322⨯30
2
σca
=
=11.18
即 σc a =11. 1
60
4.2 键的选择与强度的校核
1大臂旋转轴键联接处键的强度校核
选择普通圆头平键，GB/T1096 b ⨯h ⨯l =10⨯8⨯70
平键联接传递转矩时，其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。 查得载荷在键的工作表面上均匀分布，普通平键联接的强度条件：
2T ⨯103
σP =≤[σP ] （4-4）
kld
式中：
T ——传递的转矩，N.m 。
K ——键与轮毂键槽的接触高度，m m ；k=0.5h,此处h 为键的高度，m m 。
l ——键的工作长度，m m ；圆头平键l =L -b ，这里L 为键的公称长度，m m ；b 为
键的宽度，m m 。
d ——轴的直径，m m 。
[σP ]——键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，MP a 。
从本书表6-2查得材料为钢和铸铁在轻微冲击载荷作用下的许用挤压应力分别为
100 120MP a 和50 60MP a 。
键的材料为45号钢，大臂与钻转轴的材料分别为HT 150和45号钢。三者中最弱的材料是铸铁，测试中存在轻微冲击载荷，故[σP ]为50 60MP a ，取其平均值，[σP ]=55MP a 。
此处键传递的转矩T=40N m ，键与轮毂键槽的接触高度k=4m m ，键的工作长度
l =70-10mm =60mm ，轴的直径d =30m m 。将这些数据代入公式（4.4）得：
2T ⨯103
σP =
kld
3
2⨯40⨯10
MP a =
4⨯60⨯30
≈11. 11M P [σP ] a
故键的强度满足要求，键联接安全。 2. 小臂旋转轴键联接处键的强度校核
选择使用普通圆通平键 ，GB/T1096 尺寸b ⨯h ⨯l =10⨯8⨯60
平键联接传递转矩时，其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。 查得载荷在键的工作表面上均匀分布，普通平键联接的强度条件：
2T ⨯103
σP =≤[σP ]
kld
式中：
T ——传递的转矩，N ⋅m 。
K ——键与轮毂键槽的接触高度，m m ；k=0.5h,此处h 为键的高度，m m 。
l ——键的工作长度，m m ；圆头平键l =L -b ，这里L 为键的公称长度，m m ；b 为
键的宽度，m m 。
d ——轴的直径，m m 。
[σP ]——键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，MP a 。
从本书表6-2查得材料为钢和铸铁在轻微冲击载荷作用下的许用挤压应力分别为
100 120MP a 和50 60MP a 。
键的材料为45号钢，大臂与旋转轴的材料分别为HT 150和45号钢。三者中最弱的材料是铸铁，测试中存在轻微冲击载荷，故[σP ]为50 60MP a ，取其平均值，[σP ]=55MP a 。
此处键传递的转矩T=40N m ，键与轮毂键槽的接触高度k=4m m ，键的工作长度l=30-10=20mm，轴的直径d =30m m 。将这些数据代入公式（5-4）得：
2T ⨯103
σP ==2³40³103/4³20³30=33.33MPa
kld
故键的强度满足要求，键联接安全。
4.3 轴承寿命的校核
本次设计由于大臂与小臂旋转轴所设计的轴承是一样的，故选用四口相同型号尺寸的轴承，选择深沟球轴承6186，所以校核所受载荷最大的一个轴承合格即可。
本设计校核大臂旋转轴上轴承的寿命，该轴上的轴承只受径向载荷，轴承的预期计算寿命
L /h =100000h 。轴承对轴的支撑力与轴承上所受到的径向载荷是一对作用力与反作用力，由前边轴的强度校核部分，可以计算出轴上安装轴承两处的轴承所受到的径向载荷F rB 和
F rD 大小分别为：
F rB =70N F rD =70N
查《机械设计》第七版P 312页公式（13-5）知以小时表示的轴承寿命L h 为：
106C ε
() （4-5） L h =
60n P
式中 ：
n ——轴承的转速，min 。 C ——轴承的基本额定动载荷，kN 。 P ——载荷，kN 。
ε——指数，对于球轴承，ε=3。
轴承的转速n =10r min ，从《最新轴承手册》P 296页表3.1-3查得代号为6186深沟球轴承的基本额定动载荷C =40.8k N ，将相关数据代入轴承寿命L h 计算公式可求得：
106C ε106408003
L h =() =⨯() h ≈3.3⨯1011h （4-6）
60n P 60⨯1070
L h 远大于L h /，轴承的寿命满足设计要求。
4.4 联轴器的选择与圆锥销的校核
4.4.1 联轴器的选择.
1. 大臂旋转轴与减速机之间联轴器选择 选择圆锥销套筒式联轴器，如图4-4所示：
图4-4 圆锥销套筒式联轴器结构图 联轴器具体尺寸参数如下：
d 1=6mm；d 2=4mm；L=45mm；D 0=35mm；额定转矩50N.M ；圆锥销6⨯35；圆锥销
4⨯35
2. 旋转盘与减速机之间联轴器选择
如图（4-4）所示：具体尺寸参数如下：
d 1=8mm；d 2=4mm；L=50mm；D 0=40mm；额定转矩70N.M ；圆锥销8⨯40；圆锥销
4⨯40
4.4.2 联轴器圆锥销的校核
由于联轴器最小直径圆锥销都是4mm ，所以本次设计只校核受力最大的即可。 圆锥销主要受横向剪切力的作用而失效，校核公式为：
τ=
式中：
2000T
≤[τ] （4-7） 2
πd D
D ——圆锥销的平均直径，mm 。 T ——所传递的转矩，N.m 。 D ——轴径，mm 。
[τ]——销的许用剪切应力，对于45号钢一般取80MPa 其中，T=40N.m；d=4.5mm；D=19mm，所以：
τ=
200T 2000⨯40
==66.185MPa
πd D π⨯4.5⨯19
所以校核合格。
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第5章 控制系统介绍与选择
机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统，一般要用计算机来实现。因此，控制系统在本次设计中非常重要。本次设计选择单片机控制系统，控制系统总体设计框图如图5-1所示：
图5-1 控制系统总体框图
5.1 单片机最小系统
由于单片机体积小，价格便宜且具有高稳定性和很强的抗干扰能力，因此本次设计控制芯片选择8051单片机。单片机最小系统一般由单片机、复位电路、震荡电路等组成，由于本次设计使用8051单片机，所以以8051最小系统为例介绍单片机最小系统。8051单片机最小系统硬件电路图如图5-2所示。
第5章 控制系统介绍与选择
图5-2 51单片机最小系统电路图
5.1.1 8051单片机介绍
8051单片机的片内结构如图6-3所示。8051单片机是把那些作为控制应用所必须的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成：
1. 微处理器CPU 2. 数据存储器RAM 3. 程序存储器ROM/EPROM
4. 4个8位并行I/O口（P0口P1口P2口P3口） 5. 1个串行口
6. 2个16位定时器、计数器 7. 中断系统
8. 特殊功能寄存器（SFR ）
上述各功能部件是通过片内单一总线连接而成， 如图6-3所示。 图6-3中各功能部件的功能如下：
(1) CPU 微处理器 8051单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和微处理器两大部分。只是增加了面向控制的处理功能，不仅可以处理字节数据，也可以进行位变量的控制。
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(2) 数据存储器 片内为128B ，片外最多可外扩64KB 。数据存储器来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。片内的128B 的RAM ，以高速RAM 形式集成在的单片机内，可以加快单片机的运行速度，而且这种结构还可以降低单片机的功耗。
(3) 程序存储器 用来存储程序，为4K 的ROM ，最多可外扩至64KB 。 (4) 中断系统 具有5个中断源，2级中断优先权。
(5) 定时器/计数器 片内有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式。 (6) 串行口 1个全双工的的串行口，具有4种工作方式。可用来进行串行通信，扩展并行I/O口。
(7) P1口、P2口、P3口、P0口 为4个并行8位I/O口。
(8) 特殊功能寄存器SFR 特殊功能寄存器共有21个，用于CPU 对片内各功能部件进行管理、控制、监视。实际上片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM 区。
图 5-3 8051单片机片内结构
5.1.2 复位电路
单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机
第5章 控制系统介绍与选择
是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。
单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST 上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC 电路计算出时间常数。 复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。
（1）上电复位：STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST 上连接一个电容到VCC ，再连接一个电阻到GND ，由此形成一个RC 充放电回路保证单片机在上电时RST 脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K 和10uF 。
（2） 按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST 也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。 5.1.3 振荡电路
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。 在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO ）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
8051使用12MHz 的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF 至50pF 之间。
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5.2 串行接口电路
串行接口是为了让单片机与外部设备传输数据的一种方式。串行接口具有使用线路少、成本低等优点。AT89C51单片机具有一个全双工串行通信接口，这样可以很容易的实现单片机与PC 机之间或者多机之间的通信。
因为单片机串行口的输出与输入均为TTL 电平。这种以TTL 电平串行传输数据的方式，抗干扰技能差，传输距离短。为了提高串行通信的可靠性，增大串行通信的距离就必须采用标准串口。RS-232C 是异步串行通信中应用最广的标准串行接口，它定义了数据终设备（DTE ）数据通信设备（DCE ）之间的串行接口标准。PC 机都配有标准的RS-232C 接口，由于TTL 电平和RS-232C 电平互不兼容，所以两者连接必须有电平转换。单片机信号为TTL 电平（0V ～5V ）。RS-232C 标准电平（逻辑1：-3V ～-15V; 逻辑0：+3V～+15V）。如果需要两者之间的电平转换需要一个电平转换芯片，这里选用MAX232电平转换芯片。
MAX232是由美国MAXIM 公司生产的电平转换芯片，此芯片由于内部有自升压的电平倍增电路，可以将+5V转换成-10V ～ +10V，满足RS-232C 标准对逻辑1和逻辑0的电平要求。
设计电路如图5-4，电平转换芯片的R1OUT 和T1IN 分别与单片机的RXD 和TXD 管脚相连接。同时选用通用的9芯的RS-232接口，即DB9F 。
图 5-4 串行接口电路图
5.3 传感器
5.3.1 传感器的选型
本次设计传感器采用VTI Technologies 公司的SCA100T 系列。SCA100T 是采用微电
第5章 控制系统介绍与选择
子机电技术（MEMS ）制造的一款双轴加速度传感器，模拟输出的电压范围为0-5v ，SCA100T 单轴的最大输出范围约为±90度。在采样频率为8Hz 及以下时，可获得0.002度的输出分辨率。
MEMS 是二十一世纪的前沿技术，采用MEMS 技术可以在硅芯片上加工出完整的微型电子机械系统，包含了微型传感器、微型机械机构、以以及信号处理和控制电路、通讯接口等于一体的微型器件，把信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性提高到新的高度。
SCA100T 内部包含了一个硅敏感微电容传感器和一个ASIC 专用集成电路，ASIC 电路集成了EEPROM 存储器、信号放大器、AD 转换器、温度传感器和SPI 串行通信接口，组成了一个完整的数字模拟双输出的传感器。有±300和±900两种量程，主要性能如下：
1. XY 双轴高分辨率双轴测量。
2. 单电源+5V直流供电，工作电流仅3Ma 。 3. 模拟量输出和11位数字量输出。 4. AD 转换时间为150微秒。 5. 数字激活内部故障自检测。 6. 长期工作稳定性高。
7. 可承受超过20000g 的机械冲击。
加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。恒定加速度的一个特例就是重力加速度，当传感器静止时（没有水平或垂直方向的加速度时），重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。双轴加速度传感器测量倾角有两种放置方法：水平放置和一轴垂直放置。本次设计采用水平放置，示意图如下图5-5所示。
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图5-5 水平放置方法
水平放置在±90度的范围内有很好的分辨率，水平放置时应用如下的公式计算倾角：
∂x =arcsin(A x /g ) ∂y =arcsin(A y /g )
其中Ax 、Ay 表示重力加速度输出，∂x 、∂y 表示倾斜角度（弧度）。 5.3.2 硬件电路的设计
传感器OUT-1引脚为模拟量输出管脚，将其接在ADC0809的IN0输入接口，同时，为了进行传感器自检和内部校正，分别将传感器的MISO 、MOSI 、SCK 、CSB 与单片机的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4相连。MISO 用于传输传感器内部模数转换器转换的数字数据， MOSI 与单片机的P1.2 引脚相连，用于向传感器发送命令和进行传感器内部自校正，使用软件编程通过P1.3向SCK 提供串口通讯脉冲。CSB 为片选信号引脚。具体硬件连接框图如下图5-6所示。
图5-6 传感器与单片机连接框图
5.4 电动机的控制
机械手的各关节的运动都是通过电机带动的，所以电机的控制很重要，现今有很多种电机驱动控制芯片，根据所控制的电机种类、电压大小、电流大小等先关参数选择相适应
第5章 控制系统介绍与选择
的电机控制器，本次设计选择L298N 电机控制器来驱动控制电机。
5.4.1 L298N电机驱动芯片简介
L298N 为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥电机专用驱动芯片( DualFull-Bridge Driver ) ，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，可同时驱动2 个二相或1个四相电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL 逻辑准位信号，可驱动46V 、2A 以下的电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO 端口来提供模拟时序信号，方便简单。L298N 的接脚Pin1 和Pin15 可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路； OUTl 、OUT2 和OUT3、OUT4 之间分别接2 个电机；input1~input4 输入控制电位来控制电机的正反转；Enable 则控制电机停转。
L298 ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS 绝对最大额定值： VS Power Supply 电源50 V
VSS Logic Supply Voltage 电源电压7 V
VI,Ven Input and Enable Voltage 输入电压和启用–0.3 to 7 V 峰值输出电流(每通道) ： 非重复性(t= 100ms) 3A
重复(80% on –20% off; ton = 10ms) 2.5A 直流运行2A 5.4.2 硬件电路图
本次设计L298N 输入端引脚IN1、IN2、IN3、IN4分别接单片机数据输出端管脚PA0、PA1、PA2、PA3，Vs 为电源管脚，本次设计接24V 直流电源，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4为驱动输出管脚，分别与电机和电源相接，中间加二极管保持电压不变，本次设计中L298N 与直流伺服电机的硬件电器原理图如下图5-7所示:
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图5-7 L298N 与电机硬件连接图
结语
结 语
一学期的毕业设计在忙碌中就快要结束了, 在这一学期的时间里, 我觉得生活非常的充实. 不但在毕业设计中巩固了以前的知识, 而且在人生道路上学到在校园学不到的社会交际. 毕业设计是大学四年所学知识的一个考察, 它兼顾了四年中所学的基础和专业知识, 因此不同于以前的课程设计, 毕业设计是课程设计一个质的飞越. 认识到这点, 我对待毕业设计的态度也不敢懒散, 一直抱以认真谨慎的学习态度. 在接到毕业设计课题后首先要做的就是搜集各方面的资料，以前的课程设计都是老师给出的，不用自己去烦恼。但是毕业设计就不同了，它是一个综合设计，很多资料，数据都需要自己通过各种途径搜集得到。
虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。顺利如期的完成本次毕业设计是我最大的动力，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。
在本次设计中，要用到许多基础理论，由于有些知识已经遗忘，这使我们要重新温习知识，因此设计之前就对大学里面所涉及到的有关该课题的课程认真的复习了一遍，开始对本课题的设计任务有了大致的了解，并也有了设计的感觉。同时，由于设计的需要，要查阅并收集大量关于机械制造方面的文献，进而对这些文献进行分析和总结，这些都提高了我们对于专业知识的综合运用能力和分析解决实际问题的能力。通过本次设计还使我更深切地感受到了团队的力量，在与同学们的讨论中发现问题并及时解决问题，这些使我们相互之间的沟通协调能力得到了提高，团队合作精神也得到了增强。可以说，毕业设计体现了我们大学四年所学的大部分知识，也检验了我们的综合素质和实际能力。同时也跨出了我的工程师之路的第一步。
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致谢
非常感谢倪受东老师在我大学的最后学习——毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，他放弃了自己的休息时间，他的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！
通过这一阶段的努力，我的毕业论文《三关节机械臂及其控制系统设计》终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。
在本论文的写作过程中，我的导师倪受东老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。
做毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。我将铭记我曾是一名南工大学子，在今后的工作中把南工大的优良传统发扬光大。
感谢各位专家的批评指导