多自由度机械手的控制系统设计毕业设计论文

多自由度机械手的控制系统设计毕业设计论文内容摘要：

图 25齿形带传动 制动器 制动器及其作用： 制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或 者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。 在机器人机构中，学要使用制动器的情况如下： ① 特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施 ② 停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。 机械制动器： 机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。 其中最典型的是电磁制动器。 在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。 从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当 电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。 因此这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。 又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也称为安全制动器。 电气制动器 电动机是将电能转换为机械能的装置，反之，他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。 换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能通过其反过程来达到制动的目的。 但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机，必须分别采用适当的制动电路。 成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （多自由度机械手的控制系统） 15 本文中，该机器人实验平台未安装机械制动器，因此机 器人的肩关节和轴关节在停止转动的时候，会因为重力因素而下落。 另外，由于各方面限制，不方便在原有机构上添加机械制动器，所以只能通过软件来实现肩关节和轴关节的电气制动。 采用电气制动器，其优点在于：在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能，这是非常理想的情况，而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加，故应尽量避免。 缺点在于：这种方法不如机械制动器工作可靠，断电的时候将失去制动作用。 3 驱动源的选择与设计计算 主要技术参数的确定 重心 重心 图 31 机械手手臂重量分布图 重心 图 32 开口盘重量分布图 如图 31 所示，设计机械手大臂与小臂的尺寸和重量如下： 成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （多自由度机械手的控制系统） 16 (1).大臂的第一和第二关节轴之间的距离为 230mm，质量为 M1( 左右 )，重心在距离第一关节轴 128mm处， L1=128mm。 (2).小臂的第二关节轴和手爪前部之间的距离为 224mm，质量为 M2(2kg 左右 )，重心在距第二关节轴 80mm处 ， L2=99+80=170mm。 如图 32 所示，设计机械手开口盘质量和尺寸如下： 旋转轴与转盘中心距离为 230mm，转盘质量为 15Kg。 本次设计机械手的基本设计参数如下： 负载 1kg；大臂回转： 0~ 90 ， s/60 ； 小臂回转 ： 0~ 60 ， s/60 ； 腰部旋转： 0~ 360 ， 600/s；手爪夹持半径 45mm～ 95mm。 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 31所示，设两臂绕各自重心轴的转动惯量分别为 JG JG2，根据平行轴定理可得绕大臂轴的转动惯量为 [14]： J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （ 31） 其中： M1， M2，分别为 ， 2Kg； L1， L2，分别为 128mm， 170mm。 JG1 M1L1 JG2 M2L22，故可忽略不计，所以绕大臂轴的转动惯量为： J1=M1L12+M2L22 (32) =+2 = 同理可得小臂绕小臂 关节轴的转动惯量： M2=7Kg， L4=80mm。 J2=M2L42 (33) =2 = 腰关节旋转轴的转动惯量为开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量加上大臂与小臂绕腰关节旋转轴的转动惯量之和。 设开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量为 J3，所以同理可得腰关节旋转转轴的转动惯量： M3=15Kg， L5=160mm。 20 1 3 1 3 53 .4 5 1 5 0 .1 6 2 3 .8 3 4J J J J M L K g m         （ 34） 大臂旋转电机的选择 设大臂速度为 1 60 / s  ，则旋转开始时的转矩可表示如下： 成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （多自由度机械手的控制系统） 17 TJ （ 35） 式中： T —— 旋转开始时转矩，。 J —— 转动惯量，。 —— 角加速度， rad/s。 设机械手大臂从 00 到 1 60 / s  所需的时间为：  ，由式（ 35）有： 101 1 1 1 0 . 1 6 0 . 8 4 .3 0 . 2T J J N mt         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： 01 2 2 .T T N m    选择减速机： 型号： APEXAE235 （同轴式行星减速机） 额定输出转矩： 减速比： i1=100 谐波减速器的的传递效率为： %90 ，步进电机应输出力矩为： 011 1 . 6 8 0 . 0 2 .1 0 0 0 . 9out TT N mi    (36) 选择小型直流伺服电机： 型号： MAXONEC118896 额定转矩： 额定电压： 24V 额定电流： 额定转速： 1000rpm 最高转速： 1200rpm 额定功率 ： 40w 电机尺寸： L=93mm D=46mm 小臂旋转电机的选择 原理同上，设小臂转速 2 60 / s  ，设角速度从 0 加到 2 所需加速时间st  ，则旋转开始时的转矩可表示如下： TJ （ 37） 式中： T —— 旋转开始时转矩，。 J —— 转动惯量 ，。 成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （多自由度机械手的控制系统） 18 —— 角加速度， rad/s2。 由式（ 37）有： 2022 2 0 . 5 4 8 8 1 0 . 4 7 .3 0 . 1T J J N mt          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： 02 22 2 10. 47 20. 94 .T T N m    （ 38) 选择 减速机： 型号： APEXAE235 （同轴式行星减速机） 额定输出转矩 ： 减速比 ： i2=100 谐波减速器的的传递效率为： %90 ，步进电机应输出力矩为： 022 2 0 .9 4 0 .2 3 3 .1 0 0 0 .9out TT N mi    (39) 选择小型直流伺服电机 ： 型号 ： MAXONEC118896 额定转矩 ： 额定电压 ： 24V 额定电流 ： 额定转速 ： 1000rpm 最高转速 ： 1200rpm 额 定功率 ： 40w 电机尺寸 ： L=93mm D=46mm 腰部旋转电机的选择 设旋转盘旋转速度为 3 60 / s  ， 则旋转开始时的转矩可表示如下 ： TJ （ 310） 式中 ： T —— 旋转开始时转矩 ，。 J —— 转动惯量 ，。  —— 角加速度 ， rad/s。 设机械手大臂从 00 到 3 60 / s  所需的时间为 ：  则 ： 00 0 0 0 . 0 1 3 0 . 0 7 .3 0 . 2T J J N mt         成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （多自由度机械手的控制系统） 19 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： 00 02 2 0 .0 7 0 .1 4 .T T N m    (311) 选择减速机 ： 型号 ： APEXAE238 （ 同轴式行星减速机 ） 额定输出转矩 ： 减速比 ： i3=100 设谐波减速器的的传递效率为 ： %90 ，步进电机应输出力矩为 ： 000 0 .1 4 0 .0 1 5 .1 0 0 0 .9out TT N mi    (312) 选择小型直流伺服电机 型号 ： MAXONEC137489 额定转矩 ： 额定电压 ： 24V 额定电流 ： 2A 额定转速 ： 1000rpm 最高转速： 1200rpm 额定功率 ： 60w 电机尺寸 ： L=124mm D=64mm 4 手部结构设计 机械手的设计 工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。 它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。 由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类： （ 1） 夹钳式取料手 （ 2） 吸附式取料手 （ 3） 专用操作器及转换器 （ 4） 仿生多指灵巧手 本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂 的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。 成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （多自由度机械手的控制系统） 20 手指是直接与工件接触的部件。 手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。 该设计采用两个手指，其外形如图 所示 图 机械手手指形状 传动 机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。 根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。 本文采用回转型传动机构。 图 为初步设计的机械手机构简图（只画出了一半，另外一半关于中心线对称）。 图 机械手机构 简图 在图 中， O 为电机输出轴，曲柄 OA、连杆 AB、滑块 B 和支架构成曲柄滑块机构； 滑块 B、连杆 BC、摇杆 CE 和支架构成滑块摇杆机构。 通过两个机构串联，使电机最终驱动 DE 的来回摆动，从而实现手指的开合运动。 图 中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。 为便于手指的顺利合拢，可以在两个手指之间设置一个弹簧，这样还可以提供适当的夹紧力。 另外，在选用电机的时候，要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开，并且提供足够加紧物体的力。 成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （多自由度机械手的控制系统） 21 图 机械手部位 pro|e 三维图 图 虚拟样机场景 下面更进一步计算出所。