【正文】 ，運(yùn)動精度高；（3）強(qiáng)度、剛度高；（4）與臂部和手部的連接部位的合理連接結(jié)構(gòu)，傳感器和驅(qū)動裝置的合理布局即安裝。一般手腕分為：圖 32 手腕分類在本課題中，由于是模仿人手建模，選擇的是而自由度手腕。 手的設(shè)計(jì)在本次課題設(shè)計(jì)中，將機(jī)械手簡化為一個只有三個手指的手，簡化了建模的復(fù)雜程度，并且為后面的控制設(shè)計(jì)進(jìn)行簡化。 主要零件尺寸肩關(guān)節(jié)如圖33所示。圖 33 肩關(guān)節(jié)上臂如圖34所示。圖 34 上臂前臂如圖35所示。圖 35 前臂腕關(guān)節(jié)如圖36所示。圖 36 腕關(guān)節(jié)總系統(tǒng)如圖37所示。圖 37 三維效果圖 本章小結(jié)本章對機(jī)器人手爪所要完成的工作做出一定的假設(shè)，然后根據(jù)機(jī)械手的設(shè)計(jì)知識，設(shè)計(jì)了五自由度鏈?zhǔn)疥P(guān)節(jié)的立體結(jié)構(gòu)，通過SolidWorks建模，得到它的三維模型4 電機(jī)選擇 引言作為串聯(lián)關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，一般使用電機(jī)驅(qū)動，通過減速器減速后控制機(jī)械臂的關(guān)節(jié)。一般的工業(yè)機(jī)器人以交流伺服電機(jī)居多，教學(xué)機(jī)器臂一般采用舵機(jī)，還有一些對精度要求較高的輕便型機(jī)械臂，采用簡單而且利于控制的直流有刷伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)在一般的單片機(jī)控制機(jī)械臂中使用較多。本章是基于步進(jìn)電機(jī)的選取。 電機(jī)選擇 機(jī)械臂對電機(jī)的要求（1） 快速性：電動機(jī)從獲得指令信號到完成指令要求的工作狀態(tài)的時間長短。響應(yīng)指令信號的時間越短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性越高，快速響應(yīng)性能越好，一般是以伺服電動機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)的大小來說明伺服電動機(jī)快速響應(yīng)的性能。（2） 啟動轉(zhuǎn)矩慣性比大：在驅(qū)動負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動慣量小。（3） 控制特性的連續(xù)性和直線性：隨著控制型號的變化，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比。（4） 調(diào)速范圍寬：能使用于1：1000~10000的調(diào)速范圍。（5） 體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短：能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向加減速運(yùn)行，并能在短時間內(nèi)承受過載。 電機(jī)類型選擇表41 電機(jī)類型電機(jī)類型特點(diǎn)適用范圍交流伺服電機(jī)交流伺服電動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動機(jī)相比，體積大、重量重舵機(jī)精度不夠高，反應(yīng)較慢適用于教學(xué)機(jī)器人直流有刷伺服電機(jī)精度較高并且輕便使用較多步進(jìn)電機(jī)（位移控制）精度低低端機(jī)器人對于一般的機(jī)械臂設(shè)計(jì)，最主要的是控制機(jī)械臂的運(yùn)動位置，因而使用步進(jìn)電機(jī)比較合適。而且在一般的機(jī)械臂中，大多應(yīng)用的還是步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)可以分為三類，即反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁性步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁性材料制成的，它結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但是動態(tài)性能較差；永磁性步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的，它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好；混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁性步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。 各關(guān)節(jié)力矩估算各關(guān)節(jié)的動力參數(shù)要求是各關(guān)節(jié)的驅(qū)動元件和傳動件選型的重要依據(jù)。由機(jī)器人動力學(xué)知識可知，完整的機(jī)器人動力學(xué)方程具有如下形式：Q =M (q )q’’ +C (q ,q )q’ +F (q )+G (q) （31）式(21)中，q表示關(guān)節(jié)位置向量，q’表示關(guān)節(jié)速度向量，q’’表示關(guān)節(jié)加速度向量，M表示慣性張量，C表示與哥矢加速度和向心加速度有關(guān)的量，F(xiàn)表示與粘性摩擦和庫侖摩擦有關(guān)的量(它還與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角位置有關(guān))，G表示慣性負(fù)載,Q表示關(guān)節(jié)廣義力向量。在設(shè)計(jì)時，機(jī)器人的動力參數(shù)計(jì)算方法主要有兩類：一是靜力學(xué)方法，二是動力學(xué)方法。機(jī)械臂各個關(guān)節(jié)的速度比較低，于是采用靜力學(xué)方法來估算機(jī)械臂所需要的力矩。圖 41 機(jī)械臂關(guān)節(jié)圖圖 42 機(jī)械臂連桿質(zhì)量一、各個關(guān)節(jié)力矩為估算各關(guān)節(jié)所需力矩，假定各關(guān)節(jié)的重量集中在關(guān)節(jié)理論中心點(diǎn)，各連桿重量集中在連桿中間。關(guān)節(jié)一：受到關(guān)節(jié)五（包括負(fù)載）、連桿四、關(guān)節(jié)四、連桿三、關(guān)節(jié)三、連桿二、關(guān)節(jié)二、連桿一、關(guān)節(jié)一重力產(chǎn)生的扭矩和加速度附加扭矩T1=（+++++3*）*（++）/2*=由于關(guān)節(jié)和桿重都是估算，還有重心位置也是估算而得，所以存在一些誤差，而且沒有考慮動力學(xué)項(xiàng)，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)時應(yīng)該比求得的力矩大上20%的余量，后面關(guān)節(jié)同理。關(guān)節(jié)二：受到關(guān)節(jié)五（包括負(fù)載）、連桿四、關(guān)節(jié)四、連桿三、關(guān)節(jié)三、連桿二、關(guān)節(jié)二重力產(chǎn)生的扭矩和加速度附加扭矩T2=（++++3*）*（++）/2*=關(guān)節(jié)三：受到關(guān)節(jié)五（包括負(fù)載）、連桿四、關(guān)節(jié)四、連桿三重力產(chǎn)生的扭矩和加速度附加扭矩T3=（+++3*）*（+）/2=關(guān)節(jié)四：受到的扭矩較小，用關(guān)節(jié)三的電機(jī)足夠關(guān)節(jié)五：T5=（+3*）**=關(guān)節(jié)六：T6=**=二、各關(guān)節(jié)功率估算及電機(jī)選型下面給定各個關(guān)節(jié)的最大轉(zhuǎn)速，要求關(guān)節(jié)一的轉(zhuǎn)速是30度/秒，關(guān)節(jié)二的轉(zhuǎn)速是30度/秒，關(guān)節(jié)三的轉(zhuǎn)速是30度/秒，關(guān)節(jié)四的轉(zhuǎn)速是30度/秒，關(guān)節(jié)五的轉(zhuǎn)速是30度/秒,關(guān)節(jié)六的轉(zhuǎn)速是10度/秒。n1=60176。/s=n2=30176。/s=n3=30176。/s=n4=30176。/s=n5=30176。/s=n6=10176。/s=根據(jù)功率=轉(zhuǎn)矩角速度，可得 P1=T1*n1=P2=T2*n2=P3=T3*n3=P4=T4*n4=P5=T5*n5=P6=T6*n6= 選擇結(jié)果通過功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速比較，我在網(wǎng)上選擇了以下由常州雙杰電子公司生產(chǎn)的42BYG(176。/176。) 二、四相混和式步進(jìn)電機(jī)：42BYG(176。/176。) 二、四相混和式步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品信息 名 稱：二、四相混和式步進(jìn)電機(jī) 規(guī)格型號：42BYG(176。/176。) 說 明 書 點(diǎn)擊下載　產(chǎn)品詳細(xì)信息環(huán)境溫度 25~+40oC溫 升 75k絕緣電阻 500VDC 100MΩ Min絕緣強(qiáng)度 950VAC 50Hz 1mA 1Minute絕緣等級 B圖 43 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)觀察技術(shù)參數(shù)，關(guān)節(jié)1的步進(jìn)電機(jī)選擇42BYG008型號，關(guān)節(jié)2的步進(jìn)電機(jī)選擇42BYG008型號，關(guān)節(jié)3的步進(jìn)電機(jī)選擇42BYG481型號，關(guān)節(jié)4的步進(jìn)電機(jī)選擇42BYG481型號，關(guān)節(jié)5的步進(jìn)電機(jī)選擇42BYG131型號，手指關(guān)節(jié)電機(jī)也選擇42BYG131型號。 本章小結(jié)本章運(yùn)用上一章機(jī)械手的SolidWorks模型，測量出機(jī)械手各連桿的質(zhì)量，采用靜力學(xué)估算出各個關(guān)節(jié)的力矩和功率，從而對機(jī)械臂關(guān)節(jié)所需的電機(jī)進(jìn)行了選型。5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 引言機(jī)器人的控制問題是基于機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型，根據(jù)具體的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)其控制算法和系統(tǒng)，使機(jī)器人能夠按要求正常工作的理論與技術(shù)方法。機(jī)器人的控制涉及自動控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能、電子技術(shù)和機(jī)械工程等多個學(xué)科的內(nèi)容。 控制基礎(chǔ)理論 機(jī)器人的動力學(xué)通式可用下式表示： ( 51) 式中，為慣性矩陣；為表示離心力和哥式力的向量；為粘性摩擦系數(shù)矩陣；為表示；為關(guān)節(jié)驅(qū)動力或力矩向量。從動力學(xué)的角度，機(jī)器人具有以下特性：（1）非線性 引起機(jī)器人非線性的因素有很多，機(jī)構(gòu)構(gòu)型、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動元件等都會引起系統(tǒng)的非線性。（2）強(qiáng)耦合 各關(guān)節(jié)具有耦合作用，表現(xiàn)為某一個關(guān)節(jié)的運(yùn)動，會對其他關(guān)節(jié)產(chǎn)生動力效應(yīng)，使得每個關(guān)節(jié)都要承受其他關(guān)節(jié)運(yùn)動所產(chǎn)生的擾動。（3）時變 機(jī)器人系統(tǒng)是一個時變系統(tǒng)，動力學(xué)參數(shù)隨著關(guān)節(jié)運(yùn)動位置的變化而變化。 分析以上可提出機(jī)器人的基本控制原則：（1） 對于一般要求，將復(fù)雜的總體系統(tǒng)控制問題簡化為多個低階子系統(tǒng)的問題。（2） 一般情況下，機(jī)器人的基本控制技術(shù)可歸結(jié)為單關(guān)節(jié)控制技術(shù)和多關(guān)節(jié)控制技術(shù)，前者考慮誤差補(bǔ)償問題，后者要考慮耦合作用問題[1]。 對一般的機(jī)器人有以下控制性能要求：（1） 在工作空間的可控性 機(jī)器人的軌跡一般都是通過插值運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的，因此控制系統(tǒng)需要保證插值過程連續(xù)，可以順利避開奇異點(diǎn)。（2） 穩(wěn)定性（收斂性衰減振蕩）、相對穩(wěn)定性（無超調(diào)） 穩(wěn)定性涉及系統(tǒng)、裝置或工具運(yùn)動過程中無振蕩問題。（3） 動態(tài)響應(yīng)性能 保證機(jī)器人快速到達(dá)指定的位姿并保持平衡狀態(tài)。（4） 定位精度、重復(fù)定位精度、軌跡跟蹤精度 重復(fù)定位精度又稱重復(fù)性，指的是機(jī)器人自身重復(fù)達(dá)到原先被命令或訓(xùn)練位置的能力。機(jī)械臂是機(jī)器人的集中反映。在控制機(jī)械臂過程中，我們不但要控制機(jī)械臂按照指定的軌跡運(yùn)動，還要控制機(jī)械臂在各個時刻的受力平衡，也即是要滿足要求中的穩(wěn)定性。機(jī)械手控制系統(tǒng)主要采用以下三種方式： 一是傳統(tǒng)的繼電器控制，該方式控制系統(tǒng)裝置因設(shè)計(jì)復(fù)雜、接線繁雜、易受干擾，從而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題已逐步被淘汰。二是采用可編程控制器PLC，該方式的控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，使用維修方便，編程簡單，抗干擾性強(qiáng)，優(yōu)勢明顯，但是PLC 一般成本較高。三是采用微機(jī)控制，該方式有較強(qiáng)的智能性，價(jià)格便宜，但也存在不足之處，既抗干擾性差，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，一般維修人員難以掌握其維修技術(shù)。目前我國中小型企業(yè)發(fā)展迅猛，而該類企業(yè)往往需求價(jià)廉物美的生產(chǎn)設(shè)備，因此以單片機(jī)為控制核心的設(shè)備具有無可比擬的優(yōu)勢，基于單片機(jī)的機(jī)械手控制系統(tǒng)有著旺盛的生命力，關(guān)鍵是必須解決抗干擾問題。對于五自由度（沒有考慮手指關(guān)節(jié)）的機(jī)器臂控制，需要對多臺電機(jī)進(jìn)行聯(lián)動控制。鑒于單片機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，經(jīng)過老師的指導(dǎo)，大家認(rèn)為一個單片機(jī)可以控制多臺電機(jī)。不需要運(yùn)用多個單片機(jī)進(jìn)行控制。由于51單片機(jī)的市場占領(lǐng)比較大，在現(xiàn)實(shí)中穩(wěn)定，易擴(kuò)展；而且另外一個優(yōu)點(diǎn)是，有很多關(guān)于51單片機(jī)的學(xué)習(xí)資料，尋找設(shè)計(jì)資料比較方便。所以我選擇比較流行的51單片機(jī)。 控制系統(tǒng)構(gòu)建由于機(jī)械臂的控制包含了位移控制和力的控制，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。在這個設(shè)計(jì)中，機(jī)械臂抓取的東西很輕，運(yùn)動速度比較慢，可以認(rèn)為在各個時刻機(jī)械臂的各個關(guān)節(jié)所受的力變化不大，步進(jìn)電機(jī)的承載能力可以接受。這樣就把比較復(fù)雜的模型簡化為位移控制模型了。按照設(shè)計(jì)任務(wù)書上的要求，必須通過PC機(jī)控制單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而使關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動過程?？傮w結(jié)構(gòu)如下：PC機(jī)AT89C51驅(qū)動電路步進(jìn)電機(jī)減速器關(guān)節(jié)按照以上的規(guī)劃，將控制系統(tǒng)分為以下幾個模塊：驅(qū)動模塊、串口通信模塊、AT89C51單片機(jī)。（1） 驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)在工控中是常用的嵌入式運(yùn)動控制設(shè)備之一，這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)能以離散的步進(jìn)值運(yùn)動，能提供精確的角位置信息，并且比較容易控制。市場上有很多現(xiàn)成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，但價(jià)格都偏高，用L297，L298兩種芯片配合使用，可以用相對很便宜的價(jià)格組成一個性能不錯的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。L298資料如下所示所示：L298N為SGSTHOMSONMicroelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片(DualFullBridgeDriver)，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相?和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2個二相或1個四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個HBridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)?TTL邏輯準(zhǔn)位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來提供模擬時序信號。L298為如圖41所示。圖 51 L298一般的，需要運(yùn)用L298和L297組合。297加驅(qū)動器組成的步進(jìn)電機(jī)控制電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：使用元件少，組件的損耗低，可靠性高體積小，軟件開發(fā)簡單，并且計(jì)算機(jī)(或單片機(jī))硬件費(fèi)用大大減少。；如與L293E配套使用，步進(jìn)電機(jī)繞組電流。下圖為L297和L298組成的控制驅(qū)動器的線路圖。L297的特性是只需要時鐘、方向和模式輸入信號。相位是由內(nèi)部產(chǎn)生的，因此可減輕計(jì)算機(jī)(或單片機(jī))和程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。圖 52 L297和L298聯(lián)合控制使用L297十L298可以作成兩相雙極性的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，它是采用定電流方式驅(qū)動，每相電流峰值可達(dá)ZA，L297是步進(jìn)電機(jī)控制器，用來產(chǎn)生兩相雙極性驅(qū)動信號(A、B、C、D)與電機(jī)電流設(shè)定，L298是用來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的電力輸出，是雙全橋接方式驅(qū)動，由于采用雙極性驅(qū)動，因此電機(jī)線圈完全利用，使步進(jìn)電機(jī)可以達(dá)到最佳的驅(qū)動。（2） 串口通信微機(jī)與微機(jī)之間的信息交換方式可以使用并行通信（Parallel Communicarion）,也可以使用串行通信（Serial Communicarion）。一般情況下，多使用占用資源較少的串口通信。目前RS232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。圖 53 PC機(jī)串口通信實(shí)例這就是PC機(jī)通過RS232協(xié)議和其他機(jī)器連接的實(shí)例。在51單片機(jī)運(yùn)用中，串口通信運(yùn)用也十分廣泛。RS2