【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 ，O為電機(jī)輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構(gòu)成滑塊搖桿機(jī)構(gòu)。通過兩個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動(dòng)DE的來回?cái)[動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的開合運(yùn)動(dòng)。 。 為便于手指的順利合攏，可以在兩個(gè)手指之間設(shè)置一個(gè)彈簧，這樣還可以提供適當(dāng)?shù)膴A緊力。另外，在選用電機(jī)的時(shí)候，要使電機(jī)的功率足以克服彈簧的收縮和張開，并且提供足夠加緊物體的力。|e三維圖 虛擬樣機(jī)場(chǎng)景下面更進(jìn)一步計(jì)算出所需要的電機(jī)力矩。 力矩變化情況，起始階段須克服的彈簧力最大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩必須大于550Nmm，這為電機(jī)的挑選提供了一定的依據(jù)。 5各機(jī)械部件的設(shè)計(jì)選擇與校核 軸的設(shè)計(jì)與校核 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)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(jì)中機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，=10r/min，由電機(jī)傳遞到軸上的功率 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：HBS217～255；屈服強(qiáng)度極限：σs=360MPa；抗拉強(qiáng)度極限σb=650 MPa，彎曲疲勞強(qiáng)度極限σ1=300 MPa.由表查得[σ1]b=55 MPa.初步確定軸的直徑：按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估計(jì)軸輸出端直徑由表查得C=～126 取C=120由式，得d=120 = 取d=19mm 軸的設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)如下圖51所示：圖51 大臂旋轉(zhuǎn)軸 大臂軸的強(qiáng)度校核按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核： 本次設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸全長193mm，最小軸頸19mm，材料為45號(hào)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用。 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： （51） 式中： ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。 T——軸所受的扭矩。 ——軸的抗扭截面系數(shù)。 N——軸的轉(zhuǎn)速；r/min。 P——軸的傳遞功率，Kw。 D——計(jì)算界面處軸的直徑，mm。——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。由上式得： （52）查表得的范圍為25 MPa～45MPa；的范圍為103～126。本次設(shè)計(jì)取40 則 取106則本次設(shè)計(jì)最小軸徑為19mm，故滿足強(qiáng)度要求。按照彎扭合成強(qiáng)度校核：彎扭合成圖如圖52所示： 圖52 彎扭合成圖 若是軸強(qiáng)度合格，則 （）式中： ——軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa。 M——軸所受的彎矩。 T——軸所受的扭矩。 W——軸的抗彎截面系數(shù)。 ——截面系數(shù)。本次設(shè)計(jì)軸的材料為45號(hào)剛，查表得：，軸的危險(xiǎn)界面斷面圖如下圖53所示： 圖53 軸的危險(xiǎn)截面斷面圖圖中，b=8mm，t=，d=30mm所以：即 所以本次設(shè)計(jì)的軸強(qiáng)度合格。 軸承壽命的校核 本次設(shè)計(jì)由于大臂與小臂旋轉(zhuǎn)軸所設(shè)計(jì)的軸承是一樣的，故選用四口相同型號(hào)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(gè)軸承合格即可。本設(shè)計(jì)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(jì)算壽命。軸承對(duì)軸的支撐力與軸承上所受到的徑向載荷是一對(duì)作用力與反作用力，由前邊軸的強(qiáng)度校核部分，可以計(jì)算出軸上安裝軸承兩處的軸承所受到的徑向載荷和大小分別為：查《機(jī)械設(shè)計(jì)》第七版頁公式（）知以小時(shí)表示的軸承壽命為： （55） 式中 ：——軸承的轉(zhuǎn)速。 ——軸承的基本額定動(dòng)載荷，kN。 ——載荷，kN。——指數(shù)，對(duì)于球軸承。軸承的轉(zhuǎn)速，從《最新軸承手冊(cè)》頁表查得代號(hào)為6186深溝球軸承的基本額定動(dòng)載荷，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入軸承壽命計(jì)算公式可求得：遠(yuǎn)大于，軸承的壽命滿足設(shè)計(jì)要求。 6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器人具有多個(gè)自由度，每個(gè)自由度一般包括一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。因此，控制系統(tǒng)在本次設(shè)計(jì)中非常重要。本次設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖61所示： 圖61 控制系統(tǒng)總體框圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)由于單片機(jī)體積小，價(jià)格便宜且具有高穩(wěn)定性和很強(qiáng)的抗干擾能力，因此本次設(shè)計(jì)控制芯片選擇8051單片機(jī)。單片機(jī)最小系統(tǒng)一般由單片機(jī)、復(fù)位電路、震蕩電路等組成，由于本次設(shè)計(jì)使用8051單片機(jī)，所以以8051最小系統(tǒng)為例介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)。8051單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件電路圖如圖62所示。圖62 51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 8051單片機(jī)介紹8051單片機(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖63所示。8051單片機(jī)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(gè)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CPU(2). 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM(3). 程序存儲(chǔ)器ROM/EPROM(4). 4個(gè)8位并行I/O口（P0口P1口P2口P3口）(5). 1個(gè)串行口(6). 2個(gè)16位定時(shí)器、計(jì)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63所示。圖63中各功能部件的功能如下：(1) CPU微處理器 8051單片機(jī)中有一個(gè)8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運(yùn)算器和微處理器兩大部分。只是增加了面向控制的處理功能，不僅可以處理字節(jié)數(shù)據(jù)，也可以進(jìn)行位變量的控制。(2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)為128B，片外最多可外擴(kuò)64KB。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)單片機(jī)運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)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(jī)內(nèi)，可以加快單片機(jī)的運(yùn)行速度，而且這種結(jié)構(gòu)還可以降低單片機(jī)的功耗。(3) 程序存儲(chǔ)器 用來存儲(chǔ)程序，為4K 的ROM，最多可外擴(kuò)至64KB。(4) 中斷系統(tǒng) 具有5個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。(5) 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有4種工作方式。(6) 串行口 1個(gè)全雙工的的串行口，具有4種工作方式?？捎脕磉M(jìn)行串行通信，擴(kuò)展并行I/O口。(7) P1口、P2口、P3口、P0口 為4個(gè)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(gè)，用于CPU對(duì)片內(nèi)各功能部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)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(gè)具有特殊功能的RAM區(qū)。CPU運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAMP0P2P1P3串行口定時(shí)器計(jì)數(shù)器程序存儲(chǔ)器ROM/EPROM特殊功能寄存器SFRXTAL1XTAL2ALEPSENEARESET8888圖 63 8051單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu) 復(fù)位電路單片機(jī)的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個(gè)確定的狀態(tài)，一般來說，單片機(jī)復(fù)位電路作用是把一個(gè)例如狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時(shí)候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲(chǔ)設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個(gè)值。單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時(shí)間必須大于單片機(jī)的兩個(gè)機(jī)器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計(jì)算出時(shí)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(gè)電容到VCC，再連接一個(gè)電阻到GND，由此形成一個(gè)RC充放電回路保證單片機(jī)在上電時(shí)RST腳上有足夠時(shí)間的高電平進(jìn)行復(fù)位，隨后回歸到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這個(gè)電阻和電容的典型值為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(gè)開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時(shí)電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會(huì)保持一段時(shí)間的高電平來使單片機(jī)復(fù)位。 振蕩電路單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)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(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)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(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率?！　≡谕ǔ９ぷ鳁l件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬分之五十。高級(jí)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）。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)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(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)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(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間。 串行接口電路串行接口是為了讓單片機(jī)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、成本低等優(yōu)點(diǎn)。AT89C51單片機(jī)具有一個(gè)全雙工串行通信接口，這樣可以很容易的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)之間或者多機(jī)之間的通信。因?yàn)閱纹瑱C(jī)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。RS232C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(jī)都配有標(biāo)準(zhǔn)的RS232C接口，由于TTL電平和RS232C電平互不兼容，所以兩者連接必須有電平轉(zhuǎn)換。單片機(jī)信號(hào)為TTL電平（0V～5V）。RS232C標(biāo)準(zhǔn)電平（邏輯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(gè)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RS232C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯1和邏輯0的電平要求。設(shè)計(jì)電路如圖64，電平轉(zhuǎn)換芯片的R1OUT和T1IN分別與單片機(jī)的RXD和TXD管腳相連接。同時(shí)選用通用的9芯的RS232接口，即DB9F。圖 64 串行接口電路圖 傳感器 傳感器的選型本次設(shè)計(jì)傳感器采用VTI Technologies 公司的SCA100T系列。SCA100T是采用微電子機(jī)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05v ，SCA100T單軸的最大輸出范圍約為177。90度。在采樣頻率為8Hz及以下時(shí)。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(jī)械系統(tǒng)，包含了微型傳感器、微型機(jī)械機(jī)構(gòu)、以以及信號(hào)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(gè)硅敏感微電容傳感器和一個(gè)ASIC專用集成電路，ASIC電路集成了EEPROM存儲(chǔ)器、信號(hào)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(gè)完整的數(shù)字模擬雙輸出的傳感器。有300和900兩種量程，主要性能如下：（1）XY雙軸高分辨率雙軸測(cè)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。（4）AD轉(zhuǎn)換