多自由度机械手设计论文-本科论文.doc

前言
1.1 课题背景及意义
机械手通过运动控制芯片、单片机、可控制编程器等来控制电机、气缸、液压缸的运动，从而模仿人手和臂的某些动作，按固定程序实现物体的抓取。它可代替人的劳动，也可以在有害环境下保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、电子、原子能等部门。目前机械手主要用于以下几个方面。
(1).恶劣的工作环境和危险的工作
在核工业中，核产品具有较强的放射性，为了人员的安全，需要机械手来完成相关的清理工作。
(2).自动化生产领域
主要用于生产上实现自动化。如当机械手末端夹持焊枪时，可以对汽车或摩托车的车体进行点焊或弧焊作业。
(3).在特殊作业场合进行极限作业
在一些高危领域经常要用到机器人去探索。目前研制出了螃蟹机器人，用于水下勘测、海洋搜寻及石油天然气的勘测。
(4).农业生产
目前研制出了太阳能农用机器人，他可以找到隐藏在农作物中的杂草，通过机械手隔断杂草，同时还可以利用机械手喷洒除草剂。
(5).军事应用
在军事应用中，军人执勤经常会遇到危险，这就需要机器人帮助完成执勤任务，
当今世界机器人竞争很激烈，要在这个激烈的国际竞争中立于不败之地,就需要有我国自己的机器人产业，未来世界高科技的竞争更重要的则是人才的竞争。 因此,从现在开始就应该注意培养后备力量。机械手是机器人产业的典型代表,因此可以用来作为教学应用的示例。
机械手为典型的机电产品，包含了驱动元件，控制元件，信息处理元件，执行机构，传动机构，机械本体等组成元素，并且具有控制能力强，改变控制程序灵活方便、可靠性高等特点，为学生提供了良好的学习工具。它将现代工业与教学联系在了一起，通过控制—执行这整个的过程使学生对所学的知识有一个更好的认识，从而激发学生的学习兴趣。随着当今计算机技术的飞速发展，它已突破纯开关量控制的局限，进入模拟量控制等领域。通过该机械手的教学开拓了学生专业视野，为他们迎接就业和深造的挑战打下坚实的基础。
1.2 国内外研究水平与发展趋势
目前,世界上的机器人的技术、数量优势都集中在以日美为代表的少数几个发达国家。日本是世界机器人产业发展最快的国家,其产品一直在不断的更新换代。因此,从总体实力来讲日本占有绝对优势。美国的机器人在近10 年来也呈快速增长势头,而且增长的幅度在逐年加大。另外德、意、法及英国的机器人产业发展也比较快。以上6 个机器人产业大国机器人的总数构成了世界机器人的主体。在亚洲除日本外,机器人产业发展较快的是韩国。
经过20多年的发展,我国在多项机器人关键技术中取得了突破性的进展。机器人研究机构如中科院、清华大学、东北大学、哈尔滨工业大学已经取得了令人瞩目的成果。1989年我国研制的水下机器人就出口到美国。1997年我国的高性能机器人控制器也投入批量生产。这些具有代表性的技术成果均达到国际上的先进水平。
我国在机器人领域除了狠抓技术攻关外, 也注重人才培养。特别是 863 计划的实施, 为我国培养了一大批机器人技术的研究人才，我国机器人步入了跨跃式发展时期。据报道，在机器人领域中多项关键技术及应用基础技术的研究成果达到了国际先进水平。获国家科技奖23 项, 省部级科技奖130多项等。
随着计算机技术、人工智能、传感技术和高分子材料技术水平的逐步提高, 目前机器人技术正向着高智能化和拟人化的方向发展。其中发展较快的关键技术有:
(1)机械结构向模块化、可重构化发展。如关节模块中的伺服电机。
(2）决定机器人具有智能行为的关键技术智能控制。其主要技术包括:智能信息处理、智能反馈、智能决策的控制方式。
(3）多传感器的信息融合。这项技术是把分布在不同位置的同类或不同类传感器提供的特定环境下的特定信息加以综合, 消除信息之间的冗余和矛盾，提高工作效率。
(4）遥控和远程控制技术。实现机器人高水平的自主功能和多机器人与操作者之间的协调控制。
(5）人机接口。包括各种各样的输入输出设备。
1.3课程设计任务
本课题所设计多自由度机械手是典型的机电控制系统，既有操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，又具有速度快、精度高、柔性好等特点。此多自由度机械手可以进行教学演示。
机械手能够实现基本的旋转、摆动运动以及腕部的旋转运动。该机械手采用四关节串联结构，旋转关节采用交流伺服电机驱动，谐波减速器传动；机械手的控制系统采用以STM32和FPGA为核心运动控制平台，STM32主要任务是完成任务的分配与管理，同时利用其外设为控制系统提供专用接口；FPGA为扩展部分，主要任务是完成控制系统的插补运算以及各种逻辑控制。FPGA采用运动控制内核SM5004四轴运动控制芯片，STM32选用STM32F103型号的芯片。
1.4论文的整体结构
1.4.1硬件电路设计
（1）传统的运动控制方式是在PC或控制计算机中插入数据采板卡构成硬件系统，编写驱动程序实现软件功能，但是基于PC或工控机的控制器暴露出很多问题，如：体积大，不便于携行；插卡式结构，接触后易松动等等。
嵌入式操作系统具有嵌入式的典型特点：响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；较强的实时性和可靠性。因此本方案采用嵌入式操作系统。
嵌入式系统中采用FPGA-现场可编程门阵列，可重复编程，设计周期短，可在短时间内将嵌入式处理器与FPGA组合构成嵌入式运动控制方案，产品运行周期短，便于快速推向市场；在FPGA上还可以嵌入其他处理器，构成新的芯片，同时可以降低系统总体的成本。
由于嵌入式系统具有这些优点，故在运动控制系统中，为了满足系统所要求的任务，采用ARM+FPGA嵌入式控制芯片。其中ARM采用STM32，它的主要任务是完成任务的分配与管理，同时利用其外设为控制系统提供专用接口。FPGA为扩展部分，可以采用深圳斯达特公司生产的SM5004四轴运动控制芯片，通过与伺服电机驱动器相连，从而控制电机的运动，主要任务是完成控制系统的插补运算以及各种逻辑控制。
由于差分驱动方式的抗干扰能力强于单端驱动方式，故采用差分输入/输出方式。AM26LS31/32为差分线路接收器和驱动器。差分线路接收器可以将差分信号变成单端信号，差分线路驱动器可以将单端信号变成差分信号。
采用高速光耦PS9613,耦合器以光为介质来传输电信号，对输入、输出都有很好的隔离作用，信号的传输方式为单向传输，输入与输出完全实现信号隔离，因此抗干扰能力强，工作稳定，传输的效率高。由于这些优点，光电耦合器广泛用于电器的绝缘，电压的转换，驱动和接受电路等场合。本电路由于所需的脉冲速度快，因此考虑选择高速光耦，来实现信号得隔离。
控制部分模块框图如图1.1所示：

图1.`1 机械手控制系统总体框图

控制机的通讯接口接收上位机传来的程序，并进行程序的运行，将设定值存储在存储器中，同时数据采集当前的电机信号，经A/D转换，将电机信号传给微处理器，微处理器将收集的信息进行比较运算，根据结果发送指令给电机驱动器，从而实现运动的控制。
1.4.2机械结构设计
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手，本文采用电动式驱动，因为电动式驱动精度更高一些。
自由度数为四个，包括两个转动、两个摆动。
抓取重物重量设定为5kg。
选机械手的基本形式为平面关节型机械手。
简要结构图如图1.2所示：

图1.2 机械手机械结构简图

2 电源模块选用
2.1 电源模块电路
由于控制部分用到STM32微处理器，SM5004运动控制芯片，AM26LS31/32差分线路接收器和驱动器，PS9613高速光耦芯片，伺服驱动器，光电传感器等,故所需要的输入电压包括了以上几种，其中有220V,24V,5V,3.3V,1.5V。设定控制电路输入电压为24V，采用降压电路将电压降为5V,3.3V,1.5V。实现对各芯片进行供电，220V给交流伺服运动控制器供电。
2.2 电源模块确定
2.2.1 24V到12V降压电路

图2.1 24V到12V降压电路

2.2.2 12V到5V降压电路

图2.2 12V到5V降压电路

2.2.3 12V到3.3V降压电路

图2.3 12V到3.3V降压电路

随着电子产品的日益普及，各种电磁信号充满电机的工作环境，加上各式各样的噪声，这些信号会在电源线和电子设备的连接电缆上感应出电磁干扰信号，外加电动旋转机械和点火系统，也会在感性负载电路内产生瞬态和辐射噪声干扰；还有一些自然干扰源，比如雷电放电过程，持续时间短但是能量很大。另外电子电路元器件在工作时也会产生热噪声等。为了获得较安稳的信号，驱动器主电源处需要接上噪声滤波器，噪声滤波器采用电磁干扰滤波器，可以有效的抑制电网噪声，提高设备的抗干扰能力。
噪声滤波器原理如图2.4如下：

图2.4 噪声滤波器电路

3 控制系统与反馈电路的设计
本文采用ARM+FPGA构成嵌入式微控制器，由于驱动器需要大量的比较计算，故ARM采用基于MDK的STM32处理器，FPGA（现场可编程逻辑器件）可采用斯迈迪科技发展公司生产的SM5004运动控制芯片，并给出了系统的接口设计。
STM32F103为基于ARM核心的拥有512K闪存的微控制器，可以处理32位字节数，具有USB、ADC、CAN、11个定时器，13个通信接口。为了提高控制芯片的功能，选择 LQP144封装。供电方式为2.0V-3.6V.
SM5004可以独立控制多个伺服或步进的运动控制芯片，是国内自主研发的运动核心部件，主要以MCX314技术为基础，吸收了其他芯片的一些优点研发出来的，在性能上可以代替MCX3xx等同类芯片，它的出现填补了国内的空白，避免了国外的限制。相对于单片机的性能差，一致性、可靠性差等特点，运动控制芯片具有高的性能，高的智能，高集成化。具有脉冲输出、驱动状态显示、速度曲线、位置管理、插补、通用输入输出、限位、中断、接口时序等功能。供电方式为3.3V，1.5V。
3.1 ARM与FPGA的接线图
ARM与FPGA的接口方式采用了存储总线方式，因为总线的形式稳定性更好一些。
其结构简图如下所示：

图3.1 ARM与FPGA的接口

STM32F103除了作为主处理器负责LCD 显示及键盘处理实现良好的用户界面外，还向SM5004发送地址、数据、读写信号等，STM32F103则接收SM5004发送来的中断信号。从而实现二者的通信。
3.2 FPGA与伺服驱动器的接线
机械手的运动则通过SM5004驱动伺服电机驱动器来实现运动的控制，SM5004向伺服驱动器发送脉冲信号和方向信号，接收电机的编码反馈，从而对电机实现位置和速度的检测，并根据反馈值进行调整。伺服电机选用松下交流伺服。松下伺服电机速度频率可提高2倍，具有高共振抑制和控制功能，同时具有全闭环控制的功能，同时具有一系列方便使用的功能，如配有RS485，RS232通信口，具有两种自动增益调整方式，可配多种编码器，本文选择普通型，2500p/r。
下图为X电机驱动电路图（Y、Z、U的与X的接线图一致）：

XOUT1
XOUT2
XOUT0
XALARM
XINPOS
XECA
XECB
XIN2
XIN3
XPD
XPM

SM5004

AM26LS31
AM26LS32

图3.2 SM5004与电机驱动器的连接

其中AM26LS31/32为差分线路驱动器和接收器，用来接收和发送差分信号。
伺服驱动器的控制输入有伺服（SRV-ON）；报警清除（CL），用来检测危险消除后，给伺服电机发送正常工作脉冲；零速限位（C-MODE）。
控制输出有伺服报警（ALARM）,当电机不工作或者发生故障时伺服驱动器向运动控制器发送报警脉冲；伺服准备好（S-RDY）, 用来检测伺服电机及驱动器是否准备好；定位完成（COIN）,电机到达指定位置后向运动控制器发生定位完成指令。
伺服驱动器的控制方式有转矩控制，速度控制，位置控制，速度-转矩控制等，本文才用位置控制方式，控制机械手到达
3.3 传感检测电路
检测部分采用光电式传感器，用来检测大臂的摆动角度是否越限以及夹持器是否夹持住物体，这种传感器体积小，响应快，精度高。选用透光型光电传感器，发射器件和受光器件相对放，中间留有间隙。当有物体到达两者之间时，发射光便被挡住，受光器件接收不到发射器发送的光，于是受光器件产生信号，并将信号发送给控制器，从而实现检测。其接口电路如图3.3：

图3.3 光电传感器接口电路

3.4 辅助电路
复位电路可以确保微机系统中电路稳定的工作，在工作初期，微处理器、运动控制芯片都要进行初始化，因此就需要复位电路，以使其处于初始状态，并从初始状态开始工作。一般电路的供电电压为3V-5V，当电路低于3V或者高于5V的时候，复位电路便工作，将电路置于初始状态，如果电路的供电电压位于3V-5V之间，复位电路则停止工作。其电路如图3.4：

图3.4 复位电路电路图

时钟电路给嵌入式系统提供时钟脉冲，振荡器采用陶瓷振荡器。其电路如图3.5：

图3.5 时钟电路

4 人机交互模块的设计
在STM32F103上可以设计键盘、LCD、RS232、CAN总线、I2C总线、USB接口等人机交互界面。
通用同步/异步收发器（USART）
STM32F103芯片中内置了3个通用同步/异步收发器（USART1，USART2,USART3）和2个通用异步收发器（USART4，USART5），这五个接口提供异步通信，支持IrDA SIR ENDEC传输编解码、多处理器通信模式、单线半双工模式
(1) CAN总线的设计

图4.1 CAN总线的设计

(2) 通用串行总线（USB）
通用串行总线是将外部设备与计算机或芯片联系起来的接口，具有快速、双向传输数据的特点，可以连接鼠标，键盘，打印机等设备，实现数据的通信。其连接电路如图4.2：

图4.2 USB接口的设计

（3）RS232
RS232是把控制芯片与上位机联系起来的接口，主要实现程序的传输，通过RS232来实现上位机对控制器的运行方式的控制。其接口电路如图4.3：

图4.3 RS232接口电路

5 机械结构设计
5.1 电机的选型
在选择电机的过程中，首先要满足给定的负载，然后再从中按价格、重量、体积等指标选择最合适的电机。初选步进电机和伺服电机。
其中由于步进电机的具有工作效率比较低，容易引起失步等的缺点。
交流伺服电机体积小，重量轻，适宜于高精度、频繁启动与停止、具有反馈的场合，且电机不需要维护。由于交流伺服电机具有这些优点，所以该方案选择交流伺服电机。
设机械手的手臂简化长度为300mm，对于回转轴过杆的端点并垂直于轴的转动惯量计算公式为：
（5.1）
M为折合成物体的重量；
L为手臂的简化长度；
设夹持重物的重量为5kg，大臂、小臂及其他传动件的质量可记为10kg，折合成物体的重量为15kg。

轴的简化直径为24mm，l=175mm，钢材的密度为7.85g/mm，故轴的质量为：
(5.2)
轴的转动惯量为：
(5.3)
支撑架和大锥齿轮的转动惯量为：
查表得联轴器的转动惯量为=0.0015（kgm）
轴和小锥齿轮的转动惯量为
折算到电机轴上的转动惯量为:
J=
电机经减速后作用在机械手臂上的转速为n=,即
(5.4)
电机所需的功率为P=1.01（W） (5.5)
选用松下伺服电机，电机的型号为：

图5.1 伺服电机、驱动器型号表示

选择MSMA小惯量系列伺服电机，从《松下伺服电机及驱动器选型手册》中选取部分型号如下：

表1 伺服电机选型表
额定功率W
额定转矩
最大转矩
电机惯量
额定转速r/min
编码器p/r
30W
0.095
0.28
0.016
3000
2500
50W
0.16
0.48
0.025
3000
2500
100W
0.32
0.95
0.062
3000
2500

根据计算选择电机及驱动器型号如下所示；

表2 伺服电机的选择
电机
电机型号
驱动器型号
一号电机
MSMA5A1A
MADDT1205003
二号电机
MSMA3A1A
MADDT1205003
三号电机
MSMA3A1A
MADDT1205003
四号电机
MSMA3A1A
MADDT1205003

其中伺服电机驱动器仅能接收脉冲信号或内部速度控制，不能接收模拟信号或转矩指令。
5.2 机械部分设计计算
机械部分包括机座、大臂、小臂、腕部、手部等组成。
5.2.1 腕部结构的设计
腕部位于整个机械结构的最前端，腕部的结构设计直接影响臂部的运动性能，因此在设计时尽可能紧凑，重量轻。
本文设计用挡圈固定伺服电机，驱动夹持器实现360度旋转。
从《机电一体化系统设计》中选择合适的公式进行计算：
腕部回转力矩的计算：
(5.6)
由于腕部所受的摩擦很小，因此可以忽略不计。
克服工件重心偏移所需的力矩：
(5.7)
克服启动惯性所需的力矩：
(5.8)
式中：J—手腕对腕部轴线的转动惯量，查表得0.016；
--工件对腕部轴线的转动惯量，计算得0.001；
t--启动所需的时间，设启动所需的时间为0.2s；
--手腕的角速度，=2*3.14*3000/60=314rad/s;
所以：
(5.9)
5.2.2 臂部结构设计
设计的要求：承载能力大，刚度好，自重轻。设计时使用两块钢板对称设计使结构紧凑，重量轻。
设计时电机带动小齿轮的运动，小齿轮带动大齿轮的运动，大齿轮进而带动臂部的运动，通过紧定螺钉将臂部紧定在传动轴上，提高臂部在运动过程中的定位精度；自由度为摆动，大臂的旋转角度为-45度到135度，小臂的摆动范围为-100度到100度；轴的支撑采用滚动轴承，以减少摩擦，滚动轴承采用端盖来固定；采用紧定螺母，防止运动，同时又减轻了机构的重量。
臂部结构图如下：

图5.2 机械手臂部和腕部

估算轴端的直径：
(5.10)
A--材料系数，选取45号钢，A=110;
P—轴传递的功率；
n-轴的转速；
所以：，选取轴的中心处的直径为16mm,
由于轴上主要承受回转力和臂的重力，因此选择轴承为深沟球轴承，其主要承受径向力，可承受小量的轴向力。
大臂所受的力：
F (5.11)
式中;F—加速度产生的力，设快速移动速度为3m/min,加速度为2.5m/s,
--小臂及四号电机、连接件产生的重力，设重力为6kg;
F=M(g+a)=6*(10+2.5)=75（N）
大臂所受的应力强度为
(5.12)
5.2.3 腰部结构设计：
选取工作台直径d=150mm，支撑件的高度为130mm,扩大臂部的活动范围
腰部轴的设计计算：
选择轴的材料为45号钢，正火处理；
估算轴的直径为：
=110=15（mm） (5.13)
式中：A—材料系数；
P—轴传递的功率；
n—轴的转速。
选择轴的直径为24mm，轴受到支撑件的重力，臂部的回转力，拉力，故轴的两端选择圆锥滚子轴承，根据轴的直径选择滚动轴承的型号为30203和30205。
校核轴的刚度：
设大臂、小臂、夹持器、传动件的重量为10kg，简化重心距大齿轮圆心的距离为150mm,电机经减速后传到大齿轮上的转速为20r/min,则大直齿轮轴的转速为：
(5.14)
则大臂、小臂、夹持器、传动件在运动过程中所受的向心力为：
(5.15)
对整个轴进行受力分析得：

F1
F2
F

图5.3 轴的受力分析

弯矩图为：

F
X

图5.4 轴的弯矩图

F1+F2=6.57（N）,
剪力平衡方程得F2*X-F*(220+X)=0
式中 X为截面到F1点处得距离。
由以上两式得F2=18.6N,F1=-12.03（N）。
由图12可得，轴在F2处受到的弯矩是最大的
Mmax=F1*120=12.03*0.12=1.44（Nm）
最大正应力 （5.16）
式中 W—抗弯截面系数，对于圆柱体来说W=3.14*d^3/32
W=
所以
故该轴满足稳定性的要求
5.2.4 锥齿轮的选取
设定锥齿轮的传动比为3，模数设为2，已知Z1可取为16-30，此处取为20，则Z2=60。
小锥齿轮分度圆直径为（mm）；
大锥齿轮分度圆直径为（mm）；
齿宽b=6.3mm.
小齿轮齿顶高h1=m(1+X1)=2*(1+0.3)=2.6（mm），
齿根高：h2=2（1+0.2-0.3）=1.8（mm）；
大齿轮齿顶高h3=2*（1-0.3）=1.4（mm），齿根高：h4=2*（1+0.2+0.3）=3（mm）。
小齿轮顶锥角 ：
大齿轮的顶锥角：
通过计算后确定锥齿轮的尺寸，并安装到合理的位置。
5.2.5 联轴器的选择
根据轴的直径来选取，由电机的尺寸及传动轴的尺寸选取与一号电机相连的联轴器为凸缘联轴器，型号为GY2；大臂处的联轴器由于空间的限制选择套筒式联轴器，该联轴器结构简单，容易制造，径向尺寸小，d=4mm，宽为15mm。
5.2.6 键的校核
假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为：
（5.17）
式中：—传递的扭矩；
—键与轮毂键槽的接触高度，，此处为键的高度；
—键的工作长度；
—轴的直径。
—键、轴、轮毂三者中最弱材料的需用挤压应力。
代入数据得：

经查表，许用挤压应力为120~150MPa。所以，满足要求。

5 结 论
本论文针对四自由度机械手的硬件系统和机械系统展开研究，主要完成如下的工作：
（1） 分析了国内外研究现状及发展前景，研究意义及目的。
（2） 设计了组成控制系统的硬件和软件。机器人控制系统采用ARM+FPGA构成运动控制器，包括电源的输入，人机交互模块的设计，以及与伺服电机控制器的连接，通过控制来实现伺服电机的插补运动，从而实现精确的定位。
（3） 在分析计算的基础上完成了机械部分的结构设计，通过CAD三个视图表示机械手的装配设计，然后通过手绘重要零件的零件图，完成机械部分的设计。
该机械手是一个典型的机电产品，包括运动控制、电机驱动器、机械结构等。由于水平的限制，该机械手必定存在很多不足之处，仍需不断地改进和完善。