三關(guān)節(jié)機械臂設(shè)計

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1、三關(guān)節(jié)機械臂及其控制系統(tǒng)設(shè)計 隨著科技的不斷進步，機械臂特別是仿人型機械臂的發(fā)展非常迅速。其在人們的日常 生活，生產(chǎn)中開始扮演著不可或缺的角色。本文呈現(xiàn)的是一種仿人型機械臂，其主要特點 在與多樣化，簡單化，直覺化的人機交互方式。將以往復(fù)雜的主從式操作，諸如搖桿控制 等，轉(zhuǎn)化為簡單的觸摸屏操作，同時輔佐以雙目機器視覺，還可以實現(xiàn)通過人的手勢來控 制機械臂動作，實現(xiàn)了直覺化的控制。 為了能高效穩(wěn)定地控制機械臂，本設(shè)計使用了雙控制系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)：下位控制系統(tǒng)使 用嵌入式系統(tǒng)一ARM微處理器（S3C2440芯片）一實現(xiàn)機械臂的基本動作的控制封裝，包 括定位算法以及運動控制等；上位控制系統(tǒng)是在 PC上

2、實現(xiàn)的，控制軟件使用VC++ 6.0編 寫，主要實現(xiàn)機器視覺的相關(guān)運算，并將運算結(jié)果通過串口通信，傳遞給下位系統(tǒng)一ARM微 處理器，并最終轉(zhuǎn)換成機械臂的動作。 整個設(shè)計過程包含了底層的驅(qū)動硬件設(shè)計：舵機的選型與控制；機械結(jié)構(gòu)設(shè)計：結(jié)構(gòu) 設(shè)計，負載校核；控制系統(tǒng)電路設(shè)計；上位，下位軟件的編寫：舵機的控制方式一 PWM永 寬調(diào)制，點定位算法，軌跡控制算法，機器視覺算法；還編寫了 3維軟件進行仿真：三維 的投影算法，及貼面，光照，面的排序算法；并最終制作成實物進行演示，在末端裝上筆 之后，能夠進行簡單的書寫。 關(guān)鍵字：觸摸屏機器視覺嵌入式系統(tǒng)運動控制 Three joi nt mecha

3、ni cal arm and its con trol system desig n Abstract As tech no logy adva nces, mecha ni cal arm especially huma noid type of mecha ni cal arm is develop ing fast. This paper prese nts a huma noid type of mecha ni cal arm.Its main characteristics is multiple ,simple, i ntuitive man-machi ne in tera

4、ctive way.Touch scree n control and machi ne version are introduced covering for complex operation ,such as joystick control. Mechanical arm is con trol by daily gestures which makes it much easier to use a mecha ni cal arm. In order to control the mechanical arm stabily, this design uses the dual

5、control system un der coord in ated assig nmen ts: one con trol system uses embedded systeiARM microprocessor (S3C2440 chip) - realizi ng the basic mecha ni cal arm moveme nt con trol encapsulation, including localization algorithm and motion control, etc.;Upper control system is on the PC platform

6、, using vc + + 6.0 for software, realizing machine vision calculation, and will tran smit results through serial commu ni catio n, to lower level system -the ARM microprocessor, leadi ng to mecha ni cal arm moveme nts The whole desig n process contains rock-bottom drive hardware desig n: steeri ng

7、gear selecti on and con trol; Mecha nica structure desig n structure desig n, I oad check ing; Con trol system circuit design; Superior position software: steering gear -- PWM pulse width modulation, point positi oning algorithm, trajectory con trol algorithm, mach ine visio n algorithms; And fin al

8、ly make physical for dem on strati on realiz ing writ ing with pen loaded. Key words: Touch screen Machine version； embedded systems 目錄 摘 要 . Abstract . 第 1 章 緒論 . 1.1 題目提出的意義 . 1 1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀 . 1 第 2 章 方案的確定與比較分析 4 2.1 機械手機械系統(tǒng)的比較與選擇 . 5 2.2 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的比較與選擇 第 3 章 電機的選擇與設(shè)計計算 10

9、 3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定 . 10 3.2 各關(guān)節(jié)電機的選擇計算 . 10 3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 11 3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 12 3.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機的選擇 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 13 第 4 章 機械部件的設(shè)計與校核 15 4.1 軸的設(shè)計與校核 . 15 4.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

10、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 15 4.1.2 大臂軸的強度校核 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 15 4.2 鍵的選擇與強度的校核 . 18 4.3 軸承壽命的校核 . 20 4.4 聯(lián)軸器的選擇與圓錐銷的校核 . 21 4.4.1 聯(lián)軸器的選擇 .．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 21 4.4.2 聯(lián)軸器圓錐銷的校核 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 22 第 5 章 控制系統(tǒng)介紹與選擇 23

11、 5.1 單片機最小系統(tǒng) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 23 5.1.1 8051 單片機介紹 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 24 5.1.2 復(fù)位電路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 25 5.1.3 振蕩電路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 26 5.2 串行接口電路 . 27 5.3 傳感器 . 27 5.3.1 傳

12、感器的選型 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 27 5.3.2 硬件電路的設(shè)計 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 29 5.4 電動機的控制 . 29 5.4.1 L298N 電機驅(qū)動芯片簡介 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 30 5.4.2 硬件電路圖 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 30 結(jié)語 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

13、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32 參考文獻 . 33 致．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 35 第 1 章 緒論 1.1 題目提出的意義 鑒于我國機械臂仿生技術(shù)以及控制方式較西方國家落后，目前自主研發(fā)的機械臂在使 用方便性以及精度上都不盡如人意。在市場上也很難占有一席之地。為了打破西方國家在 這一領(lǐng)域，特別是高端領(lǐng)域的壟斷，讓更多的國人開始關(guān)注自主研發(fā)的機械臂，對于仿人 形機械臂及其控制系統(tǒng)的研究還是有深遠意義的。 1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀 我國工業(yè)機器人起步于 20

14、世紀70 年代初，大致可分為 3 個階段： 70 年代的萌芽期， 80 年代的開發(fā)期， 90 年代的實用化期。 國外機械臂的發(fā)展已經(jīng)進入了一個比較高端的地步了，各種智能機械臂，仿生機械臂 層出不窮： ① . 美國研制的利用神經(jīng)電信號控機械臂 美國研制出一種利用神經(jīng)傳輸過程中的電信號，將其作為動作輸入，來以一種極為簡單直 接的方式來控制機械臂，是人類第一次利用大腦來控制機械臂，這種方式極大的提高了人 類對于機械臂的操作性 【1】。 ② .德國FESTO公司制作的仿象鼻機械臂 該機械臂模仿象鼻運動原理，以三排并聯(lián)的氣動肌腱為硬件基礎(chǔ)制作的機械臂。 能夠進行一些復(fù)雜的動作，這是以往的關(guān)節(jié)式

15、機械臂所望塵莫及的。 ③ . 我國機械臂發(fā)展也十分迅速，多自由度機械臂層出不窮 我國機械臂研究雖然起步較晚，但是發(fā)展速度很快，多自由度機械臂層出不窮，對于機械 臂的橫向研究做得還是不錯的。其中航空航天大學(xué)大學(xué)在機械臂及機械手的發(fā)展中作出著 較大的貢獻 【2】。 機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識；其一、它能部分代替人 工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工作的傳 送和裝卸； 其三，它能操作必要的機具進行焊接和裝配。 從而大大的改善工人的勞動條件， 顯著的提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到各先進工 業(yè)國家的重視

16、，投入大量的人工物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉壓、噪音以 及帶有放射性的污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取 得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視 【3】。 國外發(fā)展現(xiàn)狀： 專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入了以通用機械手為標志的時代。機械手可 以應(yīng)用于更加多的場合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設(shè)計的成本。由于機械手的發(fā)展，進 而促進了智能機器人的研制。機械手涉及的容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎(chǔ) 知識，而且還應(yīng)用了一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生 學(xué)等，因此它是一項綜合性較強的技術(shù)。目前國外對發(fā)展這一技術(shù)

17、很重視。幾十年來，這 項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷的修改，品種在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域在 不斷的擴大 【4】。 目前國外的發(fā)展趨勢是： (1) 研制有更多自由度的機械手，這樣機械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加 多的動作。 (2) 研制帶有行走機構(gòu)的機械手， 這種機械手可以從一個工作地點移動到另一個工作 地點。 (3) 研制維修維護方便的機械手。 (4) 研制能自動編制和自動改變程序的機械手。 (5) 研制具有一定感觸和一定智力的智能機械手。這種機械手具有各種傳感裝置，并 配有計算機。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計算機充當其大腦，使它進行思考和記憶。用聽筒和 聲敏元件作為耳

18、朵能聽，用揚聲器作為嘴能說話進行應(yīng)答，用熱電偶和電阻應(yīng)變儀作為觸 覺和感觸。用滾輪或者雙足式機構(gòu)腳來實現(xiàn)自動移位。這樣的智能機械手可以由人的特殊 語言對其下達命令，布置任務(wù)，使自動化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線 【5】。 (6) 機械手的外觀達到美觀的要求，盡量用最簡單的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能完成更加多的動 作。 (7) 研制具有柔性系統(tǒng)的機械手 國發(fā)展狀況： 目前，在國廣泛應(yīng)用的再現(xiàn)式機械手，雖然一般也都有記憶裝置，但其程序都是預(yù)先 編好的，或由人在工作之前領(lǐng)動一次， 而后機械手可以按領(lǐng)動的工作容正確進行再現(xiàn)動作。 如果把這種再現(xiàn)式機械手稱為第二代機械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機械手就 是第

19、三代了?，F(xiàn)在研究的機械手正在朝著一種可以存儲大量的程序的并且可以改變并重新 寫入程序的方向發(fā)展， 而且機械手具有比原來的更多的自由度 【6】。雖然在這方面相對于發(fā) 達國家還有點落后，但是國現(xiàn)在也越來越感覺到機械手的重要性，國家大力支持相關(guān)的設(shè) 計及產(chǎn)品的開發(fā)。在機器人的發(fā)展以及機械手的設(shè)計上也取得了一定的成果，國每年都將 舉行機器人大賽， 以增加研發(fā)單位的交流與合作 【7】。現(xiàn)在國具有越來越強的自主研發(fā)的單 位，我相信在不久的將來，我國一定能夠趕上并將且超越發(fā)達國家在機械手乃至整個機械 方面處于領(lǐng)先地位 【8】。 第2章方案的確定與比較分析 本畢業(yè)設(shè)計的機械手，要求有較高的定位精度和較高的

20、耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般 有一下幾種: 表2-1機械手結(jié)構(gòu)選型表 結(jié)構(gòu)形式方 案 特點 優(yōu)缺點 結(jié)構(gòu)簡圖 操作機的手 結(jié)構(gòu)剛度較好，控制 ■I ! 臂具有三個 系統(tǒng)的設(shè)計最為簡 ◎ 直角坐標型 移動關(guān)節(jié)， 單，但其占空間較大， a I 其關(guān)節(jié)軸線 且運動軌跡單一，使 按直角坐標 用過程中效率較低 配置 操作機的手 結(jié)構(gòu)剛度較好，運動 臂至少有一 所需功率較小，控制 圓柱坐標型 個移動關(guān)節(jié) 難度較小，但運動軌 和一個回轉(zhuǎn) 跡簡

21、單，使用過程中 關(guān)節(jié)，其關(guān) 效率不咼 節(jié)軸線按圓 柱坐標系配 置  結(jié)構(gòu)形式方案 特點 優(yōu)缺點 結(jié)構(gòu)簡圖 關(guān)節(jié)型 操作機的手 臂類似人的 上肢關(guān)節(jié)動 作，具有三個 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 運動軌跡復(fù)雜，結(jié)構(gòu) 最為緊湊，但控制系 統(tǒng)的設(shè)計難度大，機 械手臂的剛度差 球坐標型 操作機的手 臂具有兩個 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和 一個移動關(guān) 節(jié)，其軸線按 極坐標系配 置 結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制 系統(tǒng)的設(shè)計有一疋難 度，且機械手臂的剛 度不足，機械結(jié)構(gòu)較 為復(fù)雜 2.1 機械手機械系統(tǒng)的比較與選擇 1. 直角坐標型機械

22、手 直角坐標式機械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機械手。它 的手臂可作伸縮，左右和上下移動，按直角坐標形式 X、丫、Z三個方向的直線進行運動。 結(jié)構(gòu)簡圖見表2-10 其工作圍可以使一個直線運動；二個直線運動或三個直線運動。如在 X、丫、Z三個 直線運動方向上各具有 A、B、C三個回轉(zhuǎn)運動，即構(gòu)成六個自由度。但在實際上是很少 有的。缺點是這種機械手作業(yè)圍較小，占空比大，靈活性差。 2. 圓柱坐標型機械手 圓柱坐標式機械手適用于搬運和測量工作。 具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，而動作圍較大 等優(yōu)點。 圓柱坐標式機械手由 X、Z、?三個運動組成。它的工作圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運

23、動， 一個直線運動，加一個不在直線運動所在平面的旋轉(zhuǎn)運動； 二個直線運動加一個旋轉(zhuǎn)運動。 結(jié)構(gòu)簡圖見表 2-1. 圓柱坐標式機械手有五個基本動作： (1) 手臂水平回轉(zhuǎn)； (2) 手臂伸縮； (3) 手臂上下； (4) 手臂回轉(zhuǎn)動作； (5) 手爪夾緊動作。 圓柱坐標式機械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒、手臂裝在滑動套筒上，手臂 可作上下直線運動(Z)和在水平面做圓弧狀的左右擺動(?)。 圓柱坐標式機械手的缺點是結(jié)構(gòu)龐大，兩個移動軸的設(shè)計比較復(fù)雜，難于其他設(shè)備協(xié)調(diào)工 作。 3 球坐標型機械手 球坐標式機械手是一種自由度較多，用途較廣的機械手。它是由 X、B、?三個方

24、向 的運動組成。結(jié)構(gòu)簡圖見表 2-1。球坐標式機械手的工作圍包括：一個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋 轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動加一個直線運動。 球坐標式機械手可實現(xiàn)以下八個動作： (1) 手臂上下動作，即俯仰動作； (2) 手臂左右動作，即回轉(zhuǎn)動作； (3) 手臂前后動作，即伸縮動作； (4) 手腕上下彎曲； (5) 手腕左右擺動； (6) 手腕旋轉(zhuǎn)運動； (7) 手爪夾緊動作； (8) 機械手整體移動。 球坐標式機械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面做圓 弧狀上下俯仰運動，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，工作圍和人手的動作類似。它的特 點是能自動選擇最合理的動作路線

25、。所以工效高。另外由于上下擺動，它的相對體積小， 動作圍大。其缺點是壁障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長成正比，控制難度大。 4 關(guān)節(jié)型機械手 又稱回轉(zhuǎn)坐標型，分為垂直關(guān)節(jié)坐標和平面(水平)關(guān)節(jié)坐標，機械手由立柱和大小 臂組成，立柱與大臂通過肩關(guān)節(jié)相連接，立柱繞 z 軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，大臂與小臂形成 肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)和俯仰，小臂作俯仰。機械手工作空間圍大，動作靈活，避障性 好，能抓取靠近機座的物體，其缺點是位置精度較低，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來 越多。 本次設(shè)計的是實驗用三自由度機械手，要求體積小，重量輕，靈活性強，對精度要求 不高，抓取重量較輕，上述 4 種類型機械手中

26、關(guān)節(jié)式械手結(jié)構(gòu)最為緊湊，占空比最小，適 合中小負載，能夠達到設(shè)計要求且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，所以本次設(shè)計選擇關(guān)節(jié)式機械手。 2.2 機械手臂驅(qū)動系統(tǒng)的比較與選擇 工業(yè)機械手臂的驅(qū)動可分為液壓，氣動和電動三種基本類型。 1 液壓驅(qū)動 液壓傳動機械手有很大的驅(qū)動能力，液壓力可達 7Mpa，液壓傳動平穩(wěn)，動作靈敏， 但對密封性要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)場工作，需配備一套液壓系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)龐大。 液壓驅(qū)動有以下特點： (1) 輸出功率很大，壓力圍為 50-140N/cm2。 (2) 控制性能較強，利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào) 速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。 (3)

27、 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率 /質(zhì)量比大，體積 小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大。 (4) 液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護方便，使用壽命長。 液壓驅(qū)動需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄漏而影響運動精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找 出原因。 2 氣壓驅(qū)動 氣壓傳動機械手結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速，價格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩(wěn) 定性差，氣壓一般為0.7Mpa，因而驅(qū)動力，只有幾十牛到百牛力。 氣壓驅(qū)動具有以下特點： ⑴ 輸出功率不大，壓力圍為 48-60N/cm2，最高可達100N/cm2 (2) 可控性不強，氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實

28、現(xiàn) 高速高精度的連續(xù)軌跡控制。 (3) 執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊 湊，密封問題比液壓小。 (4) 適用于中小負載驅(qū)動，精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機械手 本體的氣動平衡和及裝配機械手氣動夾具。 3 電力驅(qū)動 這種驅(qū)動是目前在機器手中用的最多的一種。早期多采用步進電動機( SM)驅(qū)動，后 來發(fā)展了直流伺服電動機(DC),現(xiàn)在交流伺服電動機(AC)驅(qū)動也開始廣泛應(yīng)用。上述 驅(qū)動單元有的直接驅(qū)動機構(gòu)運動，有的通過減速器裝置來減速，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。 電動驅(qū)動的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的 連

29、續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。適用于中小負載、要求具有較高的位置控制 精度和軌跡控制精度、速度較高的機械手，如 AC 伺服噴涂機械手、點焊機械手、弧焊機 械手、裝配機械手等。 電力驅(qū)動可分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動。 各種電機驅(qū)動的特點： (1) 普通交、直流電動機驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大， 適用于中型或重型機械手。 (2) 直流伺服電動機：直流伺服電動機具有良好的啟動、制動和調(diào)速特性，可很方便 地在較寬圍實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，動態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適應(yīng)頻繁啟動、反向、 制動等工作狀況。直流伺服電動機按勵磁方式不同，

30、有永磁式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速高低 及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量大小，有高速、小慣量(小慣量直流伺服電動機有多種：無槽電樞直流 伺服電動機，繞組鐵芯細長，故轉(zhuǎn)動慣量小，其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動機， 轉(zhuǎn)動慣量很小，靈敏度更高，功率較?。挥≈评@組直流伺服電動機，可承受頻繁的起動、 換向，切率中等。這類電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，電感小，故換向性能好，動態(tài)響應(yīng)快， 快速性能好，低速無爬行。 )和低速、大慣量(大慣量直流伺服電動機有永磁式和電磁式 兩種，其中永磁式用得較多，它的低速性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速圍寬，轉(zhuǎn)子慣量大，受 負載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過載、重載能力強。 )之分。 (3) 交流伺服

31、電動機：交流伺服電動機幾乎具有直流伺服電動機的所有優(yōu)點，且結(jié)構(gòu) 簡單，制造、維護簡單，具有調(diào)速圍寬、穩(wěn)速精度高，動態(tài)響應(yīng)特性更好等技術(shù)特點，可 達到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。 (4) 步進電動機：步進電動機是由電脈沖信號控制的，它可將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng) 的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種。步進電動機結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便、價格較 低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無漂移、無積累定 位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路。步進電動機輸 出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個數(shù)成嚴格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡便。步 進電動機系統(tǒng)主要由步進控

32、制器、功率放大器及步進電動機組成。純硬件的步進電動機控 制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成，它的作用就是把脈沖串分配給步進電 動機的各個繞組，使步進電動機按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。若采用微機技術(shù)，用軟件與硬 件相結(jié)合，則控制器不僅可在硬件上簡化線路，降低成本，而且又提高可靠性。 綜上所述，由于本次設(shè)計機械手臂負載較小，對體積有一定要求，又考慮到機械手臂 的特點和各驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，直流伺服電機體積小，控制精度高，與傳動系統(tǒng)配合結(jié)構(gòu) 最為緊湊，故機械手臂關(guān)節(jié)處選擇直流伺服電機驅(qū)動。 第3章電機的選擇與設(shè)計計算 3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定 設(shè)計機械手大臂與小臂的尺寸和重量如下：

33、1. 大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為 400mm,質(zhì)量為M1（6kg左右），重心在距 離第一關(guān)節(jié)軸220mm處，L1=220mm。 2. 小臂的第二關(guān)節(jié)軸和手爪前部之間的距離為 450mm，質(zhì)量為M2（7kg左右），重心在 距第二關(guān)節(jié)軸 280mm 處，L2=400+280=680mm。 本次設(shè)計機械手的基本設(shè)計參數(shù)如下： 負載1kg；大臂回轉(zhuǎn)：0~180°, 60 /s ;小臂回轉(zhuǎn):0~180°, 60 /s ；腰部旋轉(zhuǎn)：0~ 360， 60%。 3.2 各關(guān)節(jié)電機的選擇計算 當機械手手臂旋轉(zhuǎn)時，當臂伸開呈一條直線時轉(zhuǎn)動慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn) 生電機的轉(zhuǎn)矩不足。如

34、圖3-1所示，設(shè)兩臂繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為 JG1、JG2,根 據(jù)平行軸定理可得繞大臂軸的轉(zhuǎn)動慣量為： 2 2 J1=Jg1+M 1L1 +JG2+M 2L2 （ 3-1） 其中：M1，M2,分別為 6Kg，7Kg； L1，L2，分別為 220mm，680mm。Jgw； M1L12、 Jg^. M2L22，故可忽略不計，所以繞大臂軸的轉(zhuǎn)動慣量為： J1= M1L12+M2L22 （3-2） =6 X 0.22+7 X 0.682 2 2 同理可得小臂繞小臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量： M2=7Kg， L4=280mm。 J2=M 2L42 （3-3） =7 X 0.282

35、 2 腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量加上大臂與小臂繞腰 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和 同理可得腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量： Jo=j i2 （3-4） 3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 設(shè)大臂速度為 i 60 /s，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： T J （ 3-5） 式中：T ——旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩，N.m。 J 轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2。 角加速度，rad/so 設(shè)機械手大臂從 0 0到i 60 /s所需的時間為： t 0.2s，由式（3-5）有： Ti=Ji X W=JX WWW △ t=3.53 Xn /3 X 0.2=18.5N ? m 若考慮

36、繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為 2,則減 速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： T01=2T=2 X 18.5=37N ? m 選擇減速機： 型號：APEX-AE235 （同軸式行星減速機） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m 減速比：i1=100 90%，步進電機應(yīng)輸出力矩為: 36.2 諧波減速器的的傳遞效率為： (3-6) 100 0.9 T T out1 ? i 選擇小型直流伺服電機： 型號：MAXON-EC118896 額定轉(zhuǎn)矩： 額定電壓：24V 額定電流：1.5A 額定轉(zhuǎn)速：1000rpm 最高轉(zhuǎn)速：1200rpm

37、額定功率：40w 電機尺寸：L=93mm D=46mm 322 小臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 原理同上，設(shè)小臂轉(zhuǎn)速 2 60 /S，設(shè)角速度從0加到2所需加速時間t 0.2s , 則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： T J （ 3-7） 式中：T ——旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩，N.m。 J 轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2。 角加速度，rad/s2。 由式（3-7）有： T2 J2 J2 — 0 t 3 0.1 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為 2,則減 速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： T02 2T2 2 10.47 20.94N .m （3-8） 選擇減速機：

38、 型號：APEX-AE235 （同軸式行星減速機） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m 減速比：i2=100 諧波減速器的的傳遞效率為： 90%，步進電機應(yīng)輸出力矩為： Tog 20.94 0.233N.m （3-9） i 100 0.9 選擇小型直流伺服電機： 型號：MAXON-EC118896 額定轉(zhuǎn)矩： 額定電流：1.5A 額定轉(zhuǎn)速：lOOOrpm 最高轉(zhuǎn)速：1200rpm 額定功率：40w 電機尺寸：L=93mm D=46mm 3.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機的選擇 設(shè)旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度為 3 60 /s，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： T J 式中：T —— 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)

39、矩，N.m。 J 轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2。 角加速度，rad/so 設(shè)機械手大臂從0 0到3 60 /s所需的時間為：t 0.2s則： T0=J0X w=JX( w-w0) =3.53 Xn / (3X 0.2 ) =18.483N ? m 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為 速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： T00=2T0=2 X 18.483=36.966N ? m (3-11) 選擇減速機： 型號：APEX-AE238 (同軸式行星減速機) 額定輸出轉(zhuǎn)矩：50N.m 減速比：i3=100 設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為： T Tou

40、t0 . i 選擇小型直流伺服電機 型號：MAXON-EC137489 90%，步進電機應(yīng)輸出力矩為: 41.4 0.46 N.m 100 0.9 (3-12) 額定轉(zhuǎn)矩： (3-10) 2，則減 額定電流： 2A 額定轉(zhuǎn)速： 1000rpm 最高轉(zhuǎn)速： 1200rpm 額定功率： 60w 電機尺寸： L=124mm D=64

41、mm 第4章機械部件的設(shè)計與校核 4.1 軸的設(shè)計與校核 4.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計 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)計中機構(gòu) 的特點,選擇傳動軸為直軸.知條件可知n=10r/min，由電機傳遞到軸上的功率 P F電=50 0.9=0.045 Kw 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;屈服強度極限：os=36OMPa;抗拉強度極限 ob=650 MPa彎曲疲勞強度極限（f1=300 MPa. 由表查得[o-1]b=55 MPa. 初步確定軸的直徑： 按照扭轉(zhuǎn)強度估計軸輸出端直徑 由

42、表查得C=1.3?126取C=120 由式 d=3 p，得 d=120 0w5=19.81 取 d=19mm 圖4-1 大臂旋轉(zhuǎn)軸 大臂軸的強度校核 按照扭轉(zhuǎn)強度校核： 本次設(shè)計傳動軸全長193mm,最小軸頸19mm,材料為45號鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用 軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為: 式中: T - Wt P 9550000 n 0.2d3 (4-1) 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa T 軸所受的扭矩，N.mm。 W 軸的抗扭截面系數(shù)，mm3。 N 軸的轉(zhuǎn)速；r/min。 P――軸的傳遞功率，Kw。 D 計算界面處軸的直徑，mm。 t ――許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，

43、MPa。 由上式得： d 3 齊。* 查表得 T的圍為25 MPa?45MPa； A的圍為103?126。 (4-2) 本次設(shè)計 T取40則 3 9550000 ' 0.2 40 106.8 取106 則 d A3P 106 3 0.045 Y n \ 10 17.5mm 本次設(shè)計最小軸徑為19mm>17.5mm，故滿足強度要求 按照彎扭合成強度校核： 彎扭合成圖如圖4-2所示： 式中: Fr=G G2 G3 (7 6 1) 10 140N L1 F2 71mm FFAV 丄 Fr. L2 Ffbv 丄 Fr. L1 Ffav 辛 70N F

44、fbv 70N M 1y= M 2y=0 M H Fr.L| 140 71 9940N.mm 是軸強度合格，則 ca ■,M2 2 W -1 ca ――軸的計算應(yīng)力，MPa。 M 軸所受的彎矩，N.mm。 T 軸所受的扭矩，N.mm。 W 軸的抗彎截面系數(shù)，mm3 ――截面系數(shù)。 本次設(shè)計軸的材料為45號剛，查表得: 取0.6 , -i 取60 圖4-3軸的危險截面斷面圖 圖中，b=8mm, t=3.5mm, d=30mm 2323mm3 d3 bt d-t 30 = 303 32 2d 32  2 8 3.5

45、30 3.5 所以: ca M2 W 99402 2 0.6 40000 2323 11.18 即 ca=11.18 1 60 所以本次設(shè)計的軸強度合格 4.2 鍵的選擇與強度的校核 1大臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強度校核 選擇普通圓頭平鍵，GB/T1096 b h l 10 8 70 平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴重過載，一般不會出現(xiàn) 鍵的剪斷。通常按工作面上的壓力進行條件性的強度校核計算。 查得載荷在鍵的工作表面上均勻分布，普通平鍵聯(lián)接的強度條件: 3 [p] (4-4) 2T 10 kld 式中: T

46、 ――傳遞的轉(zhuǎn)矩，N.m K ――鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，mm； k=0.5h,此處h為鍵的高度, mm o l 鍵的工作長度，mm ；圓頭平鍵I Lb，這里L(fēng)為鍵的公稱長度，mm ； b為 鍵的寬度，mm。 d 軸的直徑，mm。 [P]——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力， MPa。 從本書表6 2查得材料為鋼和鑄鐵在輕微沖擊載荷作用下的許用擠壓應(yīng)力分別為 100『20MPa和 50 何 60MPa。 鍵的材料為45號鋼，大臂與鉆轉(zhuǎn)軸的材料分別為 HT150和45號鋼。三者中最弱的材 料是鑄鐵，測試中存在輕微沖擊載荷，故[p]為5^ 60MPa，取其平均值，[p]

47、=55MPa 此處鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩 T=40N|m，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度 k=4mm，鍵的工作長度 4.4）得: 70 10mm 60mm，軸的直徑d =30mm。將這些數(shù)據(jù)代入公式 3 2T 10 2 40 103 4 60 30 MPa kld 11.11MPa [ p] 故鍵的強度滿足要求，鍵聯(lián)接安全。 2.小臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強度校核 選擇使用普通圓通平鍵 ，GB/T1096尺寸 b h l 10 8 60 平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴重過載，一般不會出現(xiàn) 鍵的剪斷。通常按工作面上的壓力進行條件性的強度校核計算 查得載荷

48、在鍵的工作表面上均勻分布，普通平鍵聯(lián)接的強度條件: 3 [p] 2T 10 kld 式中: T――傳遞的轉(zhuǎn)矩，N m。 K 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，mm； k=0.5h,此處h為鍵的高度，mm l ――鍵的工作長度，mm;圓頭平鍵l L b，這里L(fēng)為鍵的公稱長度，mm ; b為 鍵的寬度，mm。 d 軸的直徑，mm。 [p]——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力， MPa 從本書表6 2查得材料為鋼和鑄鐵在輕微沖擊載荷作用下的許用擠壓應(yīng)力分別為 100『20MPa和 50 何 60MPa。 鍵的材料為45號鋼，大臂與旋轉(zhuǎn)軸的材料分別為 HT150和45號鋼。

49、三者中最弱的材 料是鑄鐵，測試中存在輕微沖擊載荷，故[p]為5^| 60MPa，取其平均值，[p]=55MPa 此處鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩 T=40N|m，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度 k=4mm，鍵的工作長度 3 2T 10 kld l=30-10=20mm,軸的直徑d =30mm。將這些數(shù)據(jù)代入公式（5-4）得: 3 =2X 40X 10/4 X 20X 30=33.33MP<[ q| 故鍵的強度滿足要求，鍵聯(lián)接安全。 4.3 軸承壽命的校核 本次設(shè)計由于大臂與小臂旋轉(zhuǎn)軸所設(shè)計的軸承是一樣的，故選用四口相同型號尺寸的 軸承，選擇深溝球軸承6186,所以校核所受載荷最大的一個軸承合格

50、即可。 本設(shè)計校核大臂旋轉(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)期計算壽命 Lh 100000h。軸承對軸的支撐力與軸承上所受到的徑向載荷是一對作用力與反作用力， 由前邊軸的強度校核部分，可以計算出軸上安裝軸承兩處的軸承所受到的徑向載荷 FrB和 FrD大小分別為： FrB 70N FrD 70N 查《機械設(shè)計》第七版 P312頁公式（13 5）知以小時表示的軸承壽命Lh為: 6 Lh 60（C） （4-5） 60n P 式中： n 軸承的轉(zhuǎn)速， r min。 C ――軸承的基本額定動載荷，kN。 P ――載荷，kN。 ——指數(shù)，對于球

51、軸承， 3。 軸承的轉(zhuǎn)速n 10r：min，從《最新軸承手冊》P?96頁表3.1 3查得代號為6186深溝球 軸承的基本額定動載荷C 40.8k N，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入軸承壽命Lh計算公式可求得： 106 C Lh -—(-) 60n P 6 106 40800 3 11 / 、 ( )3h 3.3 1011 h ( 4-6) 60 10 70 Lh遠大于Lh/，軸承的壽命滿足設(shè)計要求。 4.4 聯(lián)軸器的選擇與圓錐銷的校核 4.4.1 聯(lián)軸器的選擇. 1. 大臂旋轉(zhuǎn)軸與減速機之間聯(lián)軸器選擇 選擇圓錐銷套筒式聯(lián)軸器，如圖4-4所示: d 圖4-4圓錐銷套

52、筒式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖 聯(lián)軸器具體尺寸參數(shù)如下: d1=6mm ； d2=4mm ； L=45mm ； D0 =35mm；額定轉(zhuǎn)矩 50N.M ;圓錐銷 6 35;圓錐銷 4 35 2. 旋轉(zhuǎn)盤與減速機之間聯(lián)軸器選擇 如圖（4-4）所示：具體尺寸參數(shù)如下： d1 =8mm； d2=4mm； L=50mm; D0=4Omm；額定轉(zhuǎn)矩 70N.M ;圓錐銷 8 40;圓錐銷 4 40 4.4.2 聯(lián)軸器圓錐銷的校核 由于聯(lián)軸器最小直徑圓錐銷都是 4mm,所以本次設(shè)計只校核受力最大的即可 圓錐銷主要受橫向剪切力的作用而失效，校核公式為: (4-7) 2000T d2D 式中： D

53、——圓錐銷的平均直徑， mm。 T 所傳遞的轉(zhuǎn)矩，N.m。 D 軸徑，mm。 銷的許用剪切應(yīng)力，對于 45號鋼一般取80MPa 其中，T=40N.m ； d=4.5mm； D=19mm，所以: 200T d2D 2000 40 4.52 19 66.185MPa (4-8) 所以校核合格 第5章控制系統(tǒng)介紹與選擇 機器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組 成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計算機來實現(xiàn)。因此，控制系 統(tǒng)在本次設(shè)計中非常重要。本次設(shè)計選擇單片機控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖5-1 所示

54、： 圖5-1控制系統(tǒng)總體框圖 5.1 單片機最小系統(tǒng) 由于單片機體積小，價格便宜且具有高穩(wěn)定性和很強的抗干擾能力，因此本次設(shè)計控 制芯片選擇8051單片機。單片機最小系統(tǒng)一般由單片機、復(fù)位電路、震蕩電路等組成， 由于本次設(shè)計使用8051單片機，所以以8051最小系統(tǒng)為例介紹單片機最小系統(tǒng)。8051單 片機最小系統(tǒng)硬件電路圖如圖5-2所示。 圖5-2 51單片機最小系統(tǒng)電路圖 5.1.1 8051 單片機介紹 8051單片機的片結(jié)構(gòu)如圖6-3所示。8051單片機是把那些作為控制應(yīng)用所必須的基本 容都集成在一個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

55、件組成： 1. 微處理器CPU 2. 數(shù)據(jù)存儲器RAM 3. 程序存儲器ROM/EPROM 4. 4 個 8 位并行 I/O 口( P0 口 P1 口 P2 口 P3 口) 5. 1個串行口 6. 2個16位定時器、計數(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單一總線連接而成， 如圖6-3所示。 圖6-3中各功能部件的功能如下： (1) CPU微處理器8051單片機中有一個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)，也可以進行位變量的控制。 (2)

56、 數(shù)據(jù)存儲器 片為128B，片外最多可外擴64KB。數(shù)據(jù)存儲器來存儲單片機運行 期間的工作變量、運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等。片的 128B的RAM，以 高速RAM形式集成在的單片機，可以加快單片機的運行速度，而且這種結(jié)構(gòu)還可以降低 單片機的功耗。 (3) 程序存儲器用來存儲程序，為4K的ROM，最多可外擴至64KB。 (4) 中斷系統(tǒng) 具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。 (5) 定時器/計數(shù)器 片有2個16位的定時器/計數(shù)器，具有4種工作方式。 (6) 串行口 1個全雙工的的串行口，具有4種工作方式?？捎脕磉M行串行通信，擴展 并行I/O 口。 (7) P1 口、P2

57、口、P3 口、P0 口 為 4 個并行 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，用于CPU對片各功能部件進 行管理、控制、監(jiān)視。實際上片各功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊 功能的RAM區(qū)。 8 8 圖5-3 8051單片機片結(jié)構(gòu) 5.1.2 復(fù)位電路 單片機的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，一般來說，單片機 復(fù)位電路作用是把一個例如狀態(tài)機初始化到空狀態(tài)，而在單片機部，復(fù)位的時候單片機是 把一些寄存器以及存儲設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個值。 單片機復(fù)位電路原理是在單片機的復(fù)位引腳 RST 上外接電阻和電容，實現(xiàn)上

58、電復(fù)位。 當復(fù)位電平持續(xù)兩個機器周期以上時復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時間必須大于單片機的兩 個機器周期。具體數(shù)值可以由 RC 電路計算出時間常數(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上連接一個電 容到VCC，再連接一個電阻到 GND，由此形成一個RC充放電回路保證單片機在上電時 RST 腳上有足夠時間的高電平進行復(fù)位，隨后回歸到低電平進入正常工作狀態(tài)，這個電阻 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)一個開關(guān)， 當開關(guān)按下時電容被放電、 RST 也被拉到高電平，而且

59、由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復(fù)位。 5.1.3 振蕩電路 單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié) 合單片機部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片 機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。 在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。高級的精度更高。 有些晶振還可以由外加電壓在一定圍調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器( VCO) o晶振用一種能 把電能和機械能相互轉(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。 單片機晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時

60、鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，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)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同 頻率的時鐘信號，可以用與同一個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，由于單片機部帶有振蕩電路，所以外部 只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一般在 15pF至50pF之間。 5.2 串行接口電路 串行接口是為了讓單片機與外部設(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。AT89C51單片機具有一個全雙工串行

61、通信接口，這樣可以很容易的實現(xiàn)單 片機與PC機之間或者多機之間的通信。 因為單片機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 用標準串口。RS-232C是異步串行通信中應(yīng)用最廣的標準串行接口，它定義了數(shù)據(jù)終設(shè)備 （DTE）數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的串行接口標準。PC機都配有標準的RS-232C接口， 由于TTL電平和RS-232C電平互不兼容，所以兩者連接必須有電平轉(zhuǎn)換。單片機信號為 TTL電平（0V?5V）。RS-232C標準電平（邏輯1: -3V?-15V;邏輯0: +3V

62、?+15V）。如 果需要兩者之間的電平轉(zhuǎn)換需要一個電平轉(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，此芯片由于部有自升壓的電平 倍增電路，可以將+5V轉(zhuǎn)換成-10V?+10V，滿足RS-232C標準對邏輯1和邏輯0的電平 要求。 設(shè)計電路如圖5-4，電平轉(zhuǎn)換芯片的R1out和T1in分別與單片機的RXD和TXD管腳 相連接。同時選用通用的9芯的RS-232接口，即DB9F。 C2 圖5-4串行接口電路圖 5.3 傳感器 5.3.1 傳感器的選型 本次設(shè)計傳感器采用 VTI Technologies公司的SCA100T

63、系列。SCA100T是采用微電 子機電技術(shù)（MEMS）制造的一款雙軸加速度傳感器，模擬輸出的電壓圍為0-5v , SCA100T 單軸的最大輸出圍約為土 90度。在采樣頻率為8Hz及以下時，可獲得0.002度的輸出分 辨率。 MEMS是二^一世紀的前沿技術(shù)，采用MEMS技術(shù)可以在硅芯片上加工出完整的微型 電子機械系統(tǒng)，包含了微型傳感器、微型機械機構(gòu)、以以及信號處理和控制電路、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部包含了一個硅敏感微電容傳感器和一個 ASIC專用集成電路，ASIC電路 集成了 EEPROM存儲器、信號放

64、大器、AD轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器和SPI串行通信接口，組 成了一個完整的數(shù)字模擬雙輸出的傳感器。有 30°和90°兩種量程，主要性能如下： 1. XY雙軸高分辨率雙軸測量。 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)換時間為150微秒。 5. 數(shù)字激活部故障自檢測。 6. 長期工作穩(wěn)定性高。 7. 可承受超過20000g的機械沖擊。 加速度傳感器可以用來測定變化或恒定的加速度。恒定加速度的一個特例就是重力加 速度，當傳感器靜止時（沒有水平或垂直方向的加速度時） ，重力加速度方向和傳感器靈 敏軸的夾角就是傾角。雙軸加速度傳感

65、器測量傾角有兩種放置方法：水平放置和一軸垂直 放置。本次設(shè)計采用水平放置，示意圖如下圖 5-5所示。 水平放置在土 90度的圍有很好的分辨率，水平放置時應(yīng)用如下的公式計算傾角: 其中Ax、Ay表示重力加速度輸出, arcsin( Ax / g ) y arcsin( Ay/g) y表示傾斜角度（弧度）。 5.3.2 硬件電路的設(shè)計 傳感器0UT-1引腳為模擬量輸出管腳，將其接在ADC0809的INO輸入接口，同時，為 了進行傳感器自檢和部校正， 分別將傳感器的MISO、MOSI、SCK、CSB與單片機的P1.1、 P1.2、P1.3、P1.4相連。MISO用于傳輸傳

66、感器部模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)字數(shù)據(jù)， MOSI與 單片機的P1.2引腳相連，用于向傳感器發(fā)送命令和進行傳感器部自校正，使用軟件編程 通過P1.3向SCK提供串口通訊脈沖。CSB為片選信號引腳。具體硬件連接框圖如下圖5-6 所示。 SCA100T ADC0809 051 圖5-6傳感器與單片機連接框圖 5.4 電動機的控制 機械手的各關(guān)節(jié)的運動都是通過電機帶動的，所以電機的控制很重要，現(xiàn)今有很多種 電機驅(qū)動控制芯片，根據(jù)所控制的電機種類、電壓大小、電流大小等先關(guān)參數(shù)選擇相適應(yīng) 的電機控制器，本次設(shè)計選擇 L298N電機控制器來驅(qū)動控制電機。 5.4.1 L298N 電機驅(qū)動芯片簡介 L298N 為 SGS-THOMSON Microelectronics 所 出產(chǎn)的雙全橋電 機專 用驅(qū)動芯 片 ( DualFull-Bridge Driver ) ，部包含 4 信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機的專用驅(qū) 動器，可同時驅(qū)動 2 個二相或 1 個四相電機，含二個 H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋 式驅(qū)動器，接收標準 TTL 邏輯準位信號，可驅(qū)動 46V、2A