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多自由度机器人机械手臂结构设计方法研究

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机器人自由度是机器人机构能够独立运动的关节数目。

多自由度机器人机械手臂结合了人工智能、机构与机器运动学等技术，能够稳定而精确地进行位置控制，是较为复杂的综合系统。

基于此，本文设计了一种结构简单且灵活程度较高的机器人机械手臂，该多自由度机器人机械手臂有较好的鲁棒性，符合技术要求。

1　机械手臂操作结构设计
机械手臂的整体结构如图1所示。

图中数字1～7代表的模块依次是底座；肩部关节；肘部关节；大臂；小臂；手腕关节；手部结构。

该结构设计具有开发周期短、机械结构紧凑、安装程序简单以及兼容性良好等优点。

1.底座；
2.肩部关节；
3.肘部关节；
4.大臂；
5.小臂；
6.手腕关节；
7.手部结构
图1　机械手臂整体结构示意图
1.1　底座结构设计
底座是支撑整个机器人部分上端与机器人本体基座相连结，下端固定到地面或机架上，使机器人工作空间与被搬运、加工的工件之间具有合适相对位置，为机器人安全工作提供保障。

在对比了圆环形横截面与方形横截面抗弯截面模量大小，指出了机器人支撑座在各向力矩相同工况下，以结构强度为主影响因素，忽略其它影响因素前提下，采用圆管1.2.1　肩部、肘部关节设计
肩部关节、肘部关节都是回转关节，肩关节底座与大臂形成的类似人手臂形式，可以使用涡轮蜗杆的方式确保回转关节内部轴承防护，让大臂可以做回转运动。

肘关节是手臂中大臂和小臂连接的关节，通过密封圈密封方式，保护回转运动大臂、小臂等杆件间部分，确保小臂可以做俯仰运动。

机械臂关节主要分为电机螺栓、包裹外壳和负责关节中输入和输出的轴承等配置。

1.2.2　手腕结构设计
手腕是用于连接手臂和手部的部件，设计过程选用的是可重复触发的方式；重复触发指的是同一动作反复进行若干次，机械手臂可以抵达同一地点精度。

通过左右工作空间平移和俯仰旋转，可以调整机械框架执行操作时的位置和姿态，满足用户实际要求。

1.3　手臂结构设计
手臂是支撑和带动手腕和手部的重要部件，分有关节臂和无关节臂。

本文所设计的机械手臂装置为有关节臂，并且是中空的，利于电线、电管在里面通过；采用直流电机提供动力，加速齿轮或加速机传动
1.4　手部结构设计
手部是直接与物体发生触碰的部分。

根据力量的传导结构，可分为多轴型和平移型。

多轴型结构简单、方便制造，常使用此类型。

平移型可夹持范围大，但结构复杂，成本较高；实际操作时，感应电子元件安放在手部内部，对操作对象作出触觉判断，然后伸出手指，根据感应结果控制抓持力的大小，并根据操作进程自动调整抓持力大小。

2　机械手臂驱动结构设计
多自由度机械手臂的驱动系统可在线实时驱动，主要由发动装置和传动装置两部分组成，发动装置通过传动装置开启整个机械手臂。

2.1　发动装置设计
发动装置设计需要求解每个关节要达到的驱动力F和动量T。

设正力矩为Z；反运动力矩为G；i是计算力矩控制器的控制量；j为滑模补偿器的控制量。

用泊松方法导出动力学方程，如式（1）、式（2）所示。

sin cos j
i
F Z G
=+∑
∫（1）
（湛江幼儿师范专科学校 岭南师范学院基础教育学院，湛江 524000）
摘　要：国内对多自由度机械手臂研究起步较晚，生产的传统机械手臂不能完成精细复杂操作。

针对上述问题，提出一种具有多自由度的机器人机械手臂结构，并对其操作结构、驱动结构以及控制结构的设计方法加以阐述。

测试结果表明，多自由度机器手臂性能接近于同等类型德国制造的机械手臂，证明了设计方法具有一定实用性。

关键词：机械手臂 多自由度 结构设计
缩会对环境产生污染；电动结构属于清洁能源无污染，而且可以无间隙发动。

因此选择电动结构以期能达到良好的驱动效果。

2.2　传动装置的设计
传动装置的设计需要求解移动矢量S 、运行角度θ和加速度a 来完成机械手臂传动工作，用差动原理计算这些参数方程，如式（3）～式（5）所示。

i S F G Z
−=×∫
（3）θ=Land [i ÷j ]
（4）()/T i j
a F map Z +=+
（5）
工业机械手臂常使用液压传动，具有传动速度快、灵敏性好以及安装维修简单等优点，保证防止液体泄漏情况下，液压传动装置可以满足设计要求。

3　机械手臂控制结构设计
机械手臂控制结构通过总线通信对多自由度的机械手臂进行控制，如图2所示。

图2　控制系统结构图
总控制器是一种多主总线结构，最终用输出多路PWM signal 来控制机械手臂的各个自由度；需要输出一个30ws 的脉冲来控制关节带动手部运动，可实现机械臂的六个自由度。

该函数模型的构建过程如下：以、Y 、Z 为基准坐标系，设总机所处位置的坐标为（x n ，y n ，z n ）；α为系统需要的自由度个数，β为齿轮轴度，γ为谐波速度，计算结果为脉冲信号R 。

各参数变换矩阵如式（6）所示。

102
n
n
n
x R z αβγ =
（6）
在实际控制结构设计过程中，建立变换坐标系，按矩阵的计算过程输出对PWM signal 机械手臂进行逻辑控制。

4　机械手臂的实验测试
将本文设计的多自由度机械手臂与代表行业先进水平的德国制造的型号AXF 工业机器人机器手臂进行对比测试，内容包括实验操作台、抓取对象、累积误差测量仪以及高精度的数显力矩测试仪。

4.1　运动误差测试
到达预定位置后，抓取前和抓取零件时，用校准装置校准后用累积误差测量仪测量误差。

设计指标运动误差小
标如下：额定输出扭矩不小于36N·m ，最大力矩不大于90N·m 。

本文设计的机械手臂与传统机械手臂的综合性能比较结果如表1所示。

表1　参数与性能对比表
机械手臂尺寸/cm 运动误差/′额定力矩/N·m 最大力矩/N·m 德国制造180×500×3002846.477.6本文设计
210×540×300
32
47.8
71.5
根据本文结构设计的多自由度机器人机械手臂额定、最大输出力矩符合设计要求；整个负载试验过程中机械手臂运转平稳、正常、运行声音无异常现象，主机热度升高符合设计要求。

在体积接近的情况下，本文中所设计的多角度机械手臂与德国制造相比运动误差略大，额定力矩与最大力矩都相差无几，证明本文提出的结构设计方法具有较高实用性。

5　结语
机械手臂设计的关键在于部件性能和系统集成。

国内机械手臂企业应和高校合作，为其提供项目与专项科研基金，让国内一流学者来引领机械手臂领域发展，更好地对机械手臂进行研究，为我国机器人研发达到国际先进水平创造条件。

参考文献
[1]李宪华，张雷刚，疏杨，等.六自由度模块化机械臂腕部工作
空间量化对比分析[J].计算机应用研究，2017，（9）：112-115.
[2]许路路，郭卫东，杜志贵，等.推力矢量控制机械臂运动规划
及仿真[J].机械设计与制造，2018，（10）：268-271.[3]左骏秋，张磊，喜冠南，等.关节半解耦6自由度服务机器人
的设计与运动学研究[J].机械设计，2017，（6）：92-98.
Research on Structural Design Method of Multi-DOF Robot Manipulator Arm
CHEN Jinjian
(Zhanjiang Infant Normal College, Basic Education College of Lingnan Normal College, Zhanjiang 524000)
Abstract: Domestic research on multi-degree-of-freedom robotic arms started late, and the traditional robotic arm produced practicability.
Key words : robotic arm, structural design。

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本科毕业论文-基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计解析

本科毕业论文-基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计解析

唐山学院毕业设计设计题目：基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计系别：信息工程系班级：11电气工程及其自动化3班姓名：刘亮指导教师：田红霞2015年6月1日基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计摘要机械臂控制器作为机械臂的大脑，对于它的研究有着十分重要的意义。

随着微电子技术和控制方法的不断进步，以单片机作为控制器的控制系统越来越成熟。

本课题正是基于单片机的机械臂控制系统的研究。

本文首先介绍了国内外机械臂发展状况以及控制系统的发展状况。

其次，阐述了四自由度机械手臂控制系统的硬件电路设计及软件实现。

详细阐述了机械臂控制系统中单片机及其外围电路设计、电源电路设计和舵机驱动电路设计。

在程序设计中，着重介绍了利用微分插补法进行PWM调速的程序设计。

并给出了控制器软件设计及流程图。

最后，给出了系统调试中出现的软硬件问题，进行了详细的分析并给出了相应的解决办法。

关键词：机械臂单片机自由度舵机PWMDesign of Multi DOF Manipulator ControllerBased on MCUAbstractAs the brain of robot arm, manipulator controller is very important for its research.With the development of microelectronics technology and control method, the control system of MCU is becoming more and more mature.This thesis is based on the research of the manipulator control system of MCU.Firstly,it is introduced the development of the manipulator and the control system at home and abroad.Secondly,it is given the circuit and software design for the four DOF manipulator in this disertation.it is expatiated the Single Chip Microcomputer(SCM),the relative circuit design ,Power circuit design,and driver circuit design of manipulator control system.In the design of the program, the design of PWM speed regulation by differential interpolation is introduced emphatically. The software design and flow chart of the controller are given.Finally,it is presented the problems of hardware and software in practive given resolves.Key word: Manipulator;MCU;DOF;Steering engine;PWM目录1引言 (1)1.1研究的背景和意义 (1)1.2国内外机械臂研究现状 (2)1.2.1国外机械臂研究现状 (2)1.2.2国内机械臂研究现状 (3)1.3机械臂控制器的发展现状 (3)1.4本设计研究的任务 (4)2机械结构与控制系统概述 (5)2.1机械结构 (5)2.2控制系统 (6)2.3系统功能介绍 (8)2.4舵机工作原理与控制方法 (8)2.4.1概述 (8)2.4.2舵机的组成 (8)2.4.3舵机工作原理 (9)3系统硬件电路设计 (11)3.1时钟电路设计 (11)3.2复位电路设计 (11)3.3控制器电源电路设计 (12)3.4舵机驱动电路 (13)3.5串口通信电路设计 (13)4系统软件设计 (14)4.1四自由机械臂轨迹规划 (15)4.2主程序设计 (16)4.3舵机调速程序设计 (17)4.3.1舵机PWM信号 (17)4.3.2利用微分插补法实现对多路PWM信号的输出 (18)4.4初末位置置换子程序 (21)4.5机械爪控制程序 (22)4.6定时器中断子程序 (23)4.6.1定时器T1中断程序 (23)4.6.2定时器T0中断子程序 (24)5系统软硬件调试 (25)5.1单片机系统开发调试工具 (25)5.1.1编程器 (25)5.1.2集成开发环境Keil和Protues (25)5.2控制系统的仿真 (26)5.3软件调试 (27)5.4硬件调试 (27)5.5软硬件联合调试 (28)6结论 (29)谢辞 (30)参考文献 (31)附录 (32)1引言1.1研究的背景和意义机器人是传统的机械结构学结合现代电子技术、电机学、计算机科学、控制理论、信息科学和传感器技术等多学科综合性高新技术产物,它是一种拟生结构、高速运行、重复操作和高精度机电一体化的自动化设备。

机械手臂的结构设计

机械手臂的结构设计

分类
根据结构、功能和应用领域不同，机械手臂可分为工业机器人手臂、服务机器 人手臂、医疗机器人手臂和特种机器人手臂等。
机械手臂应用领域
01
02
03
04
工业制造
机械手臂广泛应用于工业制造 领域，如汽车制造、电子产品
组装、焊接、搬运等。
医疗卫生
机械手臂在医疗卫生领域也有 广泛应用，如手术机器人、康 复机器人、护理机器人等。
设计方法
采用模块化设计思想，将机械手臂分成多个功能模块进行设 计，便于维护和升级；运用现代设计方法，如拓扑优化、有 限元分析等，对关键零部件进行优化设计，提高机械手臂的 性能和寿命。
02
机械手臂概述
机械手臂定义与分类
定义
机械手臂是一种能够模拟人类手臂运动的机械设备，通常由多个关节和执行器 组成，用于执行各种工业、医疗和军事等任务。
SolidWorks Simulation
基于SolidWorks平台的有限元分 析插件，易于上手，适用于中小 型复杂结构分析。
03
ABAQUS
擅长处理非线性问题和复杂接触 问题，广泛应用于机械、土木、 汽车等领域。
仿真结果展示与讨论
应力分布
展示机械手臂在工作过程中的应力分布情况，确保结构安全可靠 。
防护性能不足
可增加防护装置和安全检测功能，提高机械手臂的安全性 能。
未来发展趋势预测
智能化
随着人工智能技术的发展，机械手臂将具备更高的自主决策和协作 能力。
柔性化
为适应多品种、小批量生产需求，机械手臂将具备更高的柔性和可 重构性。
绿色环保
在制造过程中，将更加注重节能减排和环保要求，推动绿色制造技术 的发展。
带传动
适用于中小功率传动，传 动平稳，噪声小，但需要 张紧装置。
工业机器人4[1].3_臂部手腕设计

工业机器人4[1].3_臂部手腕设计

臂部作水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力， 包括油（气）缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与 支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中 的惯性力。驱动力Pq(N)可按下式计算：
Pq Fm Fg
2、臂部回转运动驱动力矩的计算
臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩 与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于升速过程一 般不是等加速运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大 一些，一般取平均的1.3倍。驱动力矩 M q (可N 按• m下) 式计 算：
此种传动机构的结构紧凑、轻巧、传动扭矩大， 能提高机械手的工作性能。在示教型的机械手中， 采用这类传动机构作手腕结构的比较多，但缺点 是手腕有一个“诱导运动”，因而要补偿。
下图为给图4-44所示手腕增加一个 3回60转 运动 后成为RBR三自由度手腕的传动示意图。当油缸1 中的活塞作左右移动时，通过链条、链轮2、锥齿 轮3和4带动花键轴5和6转动，而花键轴6与行星 架9连成一体，因而也就带动行星架作回转运动， 即为手腕所增加的作 的回36转0运动。
以由B关节和R关节组成许多种形式。此外，B关节 和R关节排列的次序不同，也会产生不同的效果， 也产生了其它形式的三自由度手腕。为了使手腕结 构紧凑，通常把两个B关节安装在一个十字接头上， 这对于BBR手腕来说大大减小了手腕纵向尺寸。
2.按驱动方式分类
(1)直接驱动手腕。
手腕因为装在手臂末端,所以必须设计得十分紧凑， 可以把驱动源装在手腕上。下图所示是Moog公司的 一种液压直接驱动的BBR手腕，设计紧凑巧妙。Ml、 M2 、M3是液压马达,直接驱动手腕的偏转、俯仰和翻转 三个自由度轴。这种直接驱动手腕的关键是能否选到 尺寸小、重量轻而驱动力矩大、驱动特性好的驱动电 机或液压驱动马达。
SCARA机器人装配及结构设计

SCARA机器人装配及结构设计

SCARA机器人装配及结构设计摘要Scara 机器人是一种由三个自由度组成的平面关节型机器人，它的主要作用是可以完成精密仪器和物体的搬运和移动。

由于体积小，传动原理简单，被广泛运用于电子电气业，家用电器业，精密机械业等领域。

整个系统由机器手，机器臂，关节，步进电机驱动系统等组成。

通过各自由度步进电机的驱动，完成机器手，机器臂的位置变化。

具体设计内容为：同步齿形带传动设计，丝杠螺母设计，各输出轴和壳体的设计,步进电机的选择等。

在校核满足其结构强度的基础上，我们对scara 机器人的结构进行优化设计。

本论文着重研究scara 机器人的结构设计和运动学分析。

在论文开始首先介绍了机器人的发展及其分类情况。

在论文第二，三章具体叙述了scara 机器人的结构设计和运动学分析的详细过程。

在论文末尾还对scara 机器人进一步改进措施和应用展望进行了阐述。

关键词：scara 机器人，步进电机，结构设计，机器臂Structure Design of SCARA Assembly ManipulatorAbstractA SCARA robot is a robot of plane and joint composed of three degrees of freedo m. Its mostly function is used to complete transition and motion of exact apparatus es and objects. Because of its small volume and simple drive principle, it is widely used in the field of electronic and electric industry, home-used electric-ware indust ry and exact mechanism. The whole system is composed of manipulator hand, ma nipulator arm, joints and stepper motor driving system. By stepper motor’s driving o f each degree of freedom, it completes location change of manipulator hand and m anipulator arm. The idiographic designing content is designing of in-phase tooth-sha pe strap, designing of silk-bar nut, designing of shell and axis and the choice of st epper motors. On the base of checking its structure intensity, while it satisfied, we optimize designing of the structure of SCARA robots.This paper put its emphases on research of its structure designing and kinematics analysis. At the beginning of this paper, it introduces the development and sort of r obots. In the second and third chapter, it introduces detailed detail among the proc essing of the structure designing of a SCARA robot and its kinematics analysis. At the last, this paper gives some measures about improving of SCARA robots, and gives a expectation about its future.Key Words: SCARA robots, stepper motor, structure design, manipulator arm目录Abstract ii第一章绪论 11.1 机器人的特点 11.2 机器人的构成及分类 11.2.1 机器人的构成 11.2.2 机器人的分类 31.3 机器人的应用与发展 41.3.1 机器人的应用 41.4SCARA机器人的研究意义 61.4.1SCARA机器人的研究意义 61.4.2SCARA机器人的特点71.5本文的研究内容8第二章SCARA机器人结构设计92.1 SCARA机器人传动方案的比较及确定9 2.2 各自由度步进电机的选择112.2.1 第一自由度步进电机的选择122.2.2 第二自由度步进电机的选择: 122.2.3 第三自由度步进电机的选择132.3 同步齿形带传动设计142.4 丝杠螺母设计182.4.1 丝杠耐磨性计算182.4.2 丝杠稳定性计算192.4.3 丝杠刚度计算192.4.4 丝杠和螺母螺纹牙强度计算202.4.5 螺纹副自锁条件校核212.5各输出轴的设计212.5.1 机身输出轴设计212.5.2 大臂输出轴设计222.5.3 带轮轴设计: 222.5.4 升降轴设计222.6壳体设计23第三章SCARA机器人运动学分析253.1 引言253.2SCARA机器人正运动学分析253.2.1SCARA机器人连杆坐标系的建立25 3.2.2SCARA机器人正运动学问题273.3 SCARA机器人逆运动学分析293.4 本章小结31第四章总结与展望32参考文献33致谢341.1 机器人的特点机器人最显著的特点有以下几个:1.可编程。