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1、 三爪机械臂 卓康健 王浩 杨恒 董美会 哈尔滨工程大学 机电工程学院 080714班摘要：三爪机械臂，具有较大的市场应用价值,对机械臂和爪子进行了系统的设计和计算,完成总装配图绘制。用单片机对三爪机械臂进行控制，使其能够移动爪取物体。将三爪机械臂安装在小型多用途移动作业机器人智能平台上，可执行生产、加工、装配以及爆炸物处理、侦查、监测等特殊故任务。关键词：三爪机械臂 直流电机 齿轮1. 引言：所谓三爪机械臂是将改良过的三指机器爪安装在一个三自由度机械结构上。机械臂实在机械化自动化过程中发展起来的新型装置，具有不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险等特点。广泛应用于军事领域和工业生产中。具有安
2、全可靠、隐蔽性好、可行性高、成本低、效率高、性能稳定、意外伤害少、管理成本低、避免人员伤害和损失等特点。其应用程度是军事和工业先进程度的重要体现。对三指机器爪进行开发，增加了三自由度的机械结构，使其能够自动实现转移物体的功能，扩展其应用范围，增加实用性。在三爪机械臂的设计过程中将主要解决运动的传动、轴的固定、直流电机传动稳定性问题。同时由于加工条件和资金有限，在设计过程中，将尽量减轻各部件的质量，并简化机械结构使直流电机能够带动各部件正常运转，而且演示时也选择转移轻小物体完成功能演示。目前市场上的同类产品中技术和性能比较好的都是进口产品或外资企业生产的产品，而我国的本土企业由于技术和性能等方面
3、的限制只能降低价格，这直接影响企业利益。希望课题中提出的机械结构和传动方案能在以后的机械臂中得到应用。2正文2.1总体方案论证： 系统总体框图课题研究主要有三个方面机械、电路、控制。以单片机控制电机的正反转，通过齿轮、轴等结构将电机的转动转换为三爪机械臂的运动实现转移物体的动作。2.2装配图 由装配图可知，三爪机械臂由五部分组成，支架、底座、大臂、小臂、爪子。为提高装置的工作效率，一方面我们在选择材料上选择了密度较小了铝合金，另一方面为了尽量减轻负载，我们尽量调节臂的长度，这样就可以提高装置的工作效率。各部分的功能及作用如下支架：起支撑作用为机械臂提供一个稳定的活动平台，并在其上安装为底座提供
4、动力的直流电机以及单片机等控制部件。底座：通过支架上的直流电机经齿轮传动可实现360度的旋转为三爪机械臂提供一个自由度，底座上有一个固定支撑架（85mm）用以增加机械臂的活动范围，同时两固定支撑架之间装有一小衡量、轴、齿轮为大臂提供支撑并实现大臂的运动。底座下安装三个万象球可使其运动稳定，传动平稳。大臂：大臂（80mm）通过底座上的电机实现与底座方向垂直的运动，与底座相同的固定支撑架结构为小臂提供支撑并实现其运动。小臂：和大臂在同一平面内运动，在其上固定爪子和为爪子提供动力的直流电机爪子：实现抓取和释放物体的动作2.3爪子如图三个爪通过两个小直角支撑件固定在底部圆盘上，三爪间互成120度闭合时
5、能够完全封闭，当爪取物体时物体不会掉落。每个爪通过外侧的小弹簧使爪子能够自动的张开。由于爪子部分质量重，负载大所以出于稳定性考虑爪子的动力源选择直流电机。当要爪取物体是旋转爪子下的直流电机带动小滑轮转动，使固定在爪和滑轮间的硬质细线在滑轮上缠绕同时将爪子拉紧，使爪子能够抓住物体，当三爪机械臂移动到指定位置时，反转电机到初始位置，爪子打开将物体释放，实现转移物体的功能。固定爪子的圆盘通过螺柱与连接在小臂上的圆盘相连，使二者间有足够的空间来安装为爪子闭合提供动力的直流电机以及缠绕细线的小滑轮。2.4传动由于所用电机为12V,100r/min电机转速较快且三爪机械臂自身质量较大，运动过程中很难实现到
6、达指定位置抓取物体，且转速过快会增加机械结构的负担破坏结构。所以三爪机械臂底座的旋转、大臂小臂的运动均为齿轮传动，齿轮模数M=2，大齿齿数Z1=44，小齿齿数Z2=13，传动比i=Z1/Z2=3。经齿轮减速后转速大幅度下降，易于控制定位并保护了机械结构，而且齿轮传动传动比稳定，可靠性好，装配简单方便是本课题的最佳选择。由于底座实现旋转运动，由齿轮轴直接固定在底座上即可。大臂、小臂部分需将齿轮轴固定在支撑架上并在轴上固定横板，再将臂固定在横板上才可实现臂垂直于底板的运动，但由于所用横板材料为铝合金而轴的材料是钢所以不能直接焊接在一起，经老师指点决定在横板上加支架，将支架固定在横板上用支架固定轴。
7、加支架后运动平稳实现，在这里感谢指导老师的帮助。横板和支架结构图如下2.5电路及控制电源模块在该系统中，我们使用直流稳压电源作为电源的提供端。直流稳压电源输出12v电压，供整个系统使用。其中，12v提供给l298模块，作为电机的动力源。通过7805，将12v转换为5v，为单片机提供5v电源。在制作过程中，我们分别测量了在接通电机时，7805输入端以及输出端的电压情况，并发现，当电机接通的瞬间，输入会有一定的波动。同时导致输出端的小幅度波动，但在可接受范围内。为了消除这个现象，我们采用并联大电容的措施。在输入端，我们并联了两个220uf的电解电容，作为平波电容。同时为了消除高频噪声，我们在输入端
8、电解电容旁加了104电容。在输出端，加了10uf电解电容做平波用。同时加104电容以获得更好的电源波形。在电路板制作完成后，经过测试，电压波动降低，在可接受范围内。主控芯片部分我们使用stc89c52rc这款单片机作为主控芯片。该芯片是目前高校使用较多的51芯片。在融合了传统51的优点的同时，作为增强型芯片，其运算速度、稳定可靠性比较好。同时，价格便宜，是在多个备选方案中较好的选择。电路板方面，我们之前制作了数块电路板，但是其稳定性、可靠性不是很好。于是，在权衡之下我们使用之前自己购买的51开发板。该开发板融合了ad、da、lcd等模块，有足够的资源可以利用。同时，使用usb供电，方便可靠。L
9、298L298是双h桥直流电机驱动芯片，能够为电机提供548v，2.5a电流。其内部有a，b两组，能够提供4个输出。通过输入端的输入10信号，在输出端能够得到相应的高低电平。同时，其最大40khz的频响特性，能够在的系统中较好的满足电机调速需求。我们的l298模块，是自己设计自己腐蚀自己焊接的pcb板。经过多次实验，该模块可靠稳定，能够满足常用两相四线步进电机以及直流电机的控制功能。3.结论创新点以及成果：经过研究、设计、制作原本的三指机器爪可以不用人手牵线控制，通过单片机编写程序就可抓取物体并能够实现物体的转移。扩展了应用范围，增强实用性。技术关键以及难点：由于三爪机械臂整体质量大、直流电机
10、输出功率有限、电机转速较大等问题。课题研究过程中关键技术为运动的传动转换，以及输出运动后能够平稳的实现转移轻小物体的既定目标。而主要难点是合理的安排个结构的尺寸使各部分的直流电机都能够带动附载正常的运转，小组成员在研究过程中将尽量客服并解决以上技术关键及难点，希望在产品演示时完成转移轻小物体的既定目标。在课题研究过程中由于轴与连接横板材料不同无法固定连接使课题研究陷入困境，经老师指导最后决定在横板上安装支架已达到固定轴并使之与横板连接的目的。社会经济价值以及研究方向前景：目前在市场中有许多同类产品，主要应用于自动生产线中，降低了生产成本，提高了生产效率，且生产产品品质稳定，表面污染少并杜绝了工伤事故，受到消费者的喜爱，具有一定的社会经济价值及研究方向的前景。目前国内自主研发制造的机械手臂还不是很先进，还有很大的发展空间。希望同学们能够积极研究创新，在机械臂制造领域创造辉煌。4.参考文献1.东南大学机械学学科组 郑文纬 吴克坚主编 机械原理（第七版）高级教育出版社 1996年11月2.李朝青 单片机原理及接口技术（第3版）北京航天航空大学出版社 2005-10-1评分表格项目选题功能方案设计结论文献格式字数总结得分评阅人日期
