毕业设计（论文）机械灵巧手的机构与控制方案.doc

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1、提供全套毕业设计，欢迎咨询摘要 本论文主要介绍实现抓取工作的机械灵巧手的机构与控制方案。主要包括以下几个部分。第一部分介绍机械手的概况和发展历史，通过国内外机械手的发展情况，讲述本研究项目的背景和目标。第二部分介绍了机械手设计的总体方案，提出了机械手总体设计目标及任务，阐述了系统设计思想和设计过程，并对三维实体模型设计也进行了探讨,以及对驱动系统的选取进行概括。第三部分分别介绍了设计的几个环节，对多自由度灵巧手，机械手臂进行分析。第四部分对机械灵巧手的控制系统方案，建立了以C8051F040芯片为核心的硬件系统，然后确定了系统的软件结构，编写了C语言控制程序。最后，对机械手结构的工作空间和性能

2、进行了简要分析。关键词: 机器人手臂 8051 控制系统 灵巧手 伺服电机 PWM控制AbstractThis paper introduces the mechanical dexterity of hand grab work institutions and control programs. Mainly includes the following sections. The first section describes the overview and history of the development of the robot, the robot at home and a

3、broad, about the background and objectives of this research project, pointed out the difficulty and focus of the design. The second part describes the overall program of the robot design, the overall design objectives and tasks of the robot on the system design thinking and design process, and three

4、-dimensional solid model design are also discussed. The third part introduces several aspects of the design, analysis of multiple degrees of freedom dexterous hand, the mechanical arm. The fourth part of the mechanical dexterous hand control system program, the establishment of the C8051F040 chip as

5、 the core of the hardware system, and then determine the structure of the system software, the preparation of the C51 language control program. Finally, a brief analysis on the workspace of the robot structure and performance.Keywords: robot arm control system8051 dexterous hand steering gearPWM con

6、trol摘要.Abstract.第一章 绪 论- 1 -1.1 机械灵巧手概况- 1 -1.2 机械手的研究历程- 1 -1.2.1 国外机械手的发展- 1 -1.2.2 国内机械手的发展- 2 -1.3 机械手关键技术- 3 -第二章 总体设计方案- 4 -2.1 设计原则- 4 -2.1.1 机械手的基本机构- 4 -2.1.2 机械手的设计原则- 4 -2.2 机械手臂的整体结构设计- 4 -2.2.1 机械手手臂自由度的确定- 4 -2.2.2 机械手臂的机构设计- 5 -2.3 多指灵巧手结构设计- 5 -2.3.1 手指数目及自由度的确定- 5 -2.3.2 驱动方式的选择- 7

7、-2.3.3 各关节结构- 7 -2.3.4 各手指的布局- 7 -2.3.7手指各关节的尺寸和回转角范围- 8 -2.4 传动方式- 8 -2.4.1 齿轮传动- 8 -2.4.2 关节直接驱动- 9 -2.4.3 绳索传动- 9 -第三章 五指灵巧手设计- 10 -3.1 手指机构设计- 10 -3.1.1 手指指数和自由度的确定- 10 -3.1.2 手指长度确定- 11 -3.2 传动方式- 12 -3.2.1 锥齿轮传动- 12 -3.2.2带轮传动- 13 -3.3 各手指基本结构- 14 -3.3.1 食指和中指- 14 -3.3.2 环指和小指153.3.3 手掌与拇指15第四

8、章 4自由度手臂设计154.1 大小臂结构的设计154.2 齿轮的设计校核164.3 轴的设计计算214.3 轴承的选择- 24 -第五章 驱动设计- 27 -5.1 驱动方式的选择- 27 -5.2 舵机结构及其控制原理- 27 -5.2.1 舵机概述- 27 -5.2.2 舵机结构及其控制原理- 27 -5.2.3 电机型号的选择- 28 -第六章 控制系统的设计296.1控制系统硬件设计296.1.1 硬件设施的选择296.1.2控制电路设计- 32 -6.1.3其他外围电路设计- 33 -6.2控制系统软件设计- 35 -6.3 程序设计- 36 -6.3.1主程序设计、调试- 36

9、-6.3.2各舵机与控制端口的定义- 37 -6.3.3任务流程图- 37 -6.3.4控制系统流程图- 40 -6.3.5控制系统程序- 40 -第七章 灵巧手操作性能- 48 -7.1 抓取性能的评价- 48 -7.2 抓取性能分析- 48 -7.3 结构参数优化- 49 -结 论- 50 -参考文献48致 谢- 52 -附录50第一章 绪 论1.1 机械灵巧手概况 我们一般见到的机器人多数由机械臂和末端执行器组成。机械臂和末端执行器的分工有些类似于人手臂和手的分工。机械灵巧手是一种仿人手的末端执行器，它的外形类似于人手，功能多样，既能进行各种常见的操作，又能稳定抓持形状各异的物体。 机械

10、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；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手的主要技术参数一般包括自由度、重复定位精度、工作范围、最大工作速度、承载能力等。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。实现最简单的抓持功能，至少需要两个手指和一个自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。1.2 机械手的研究历程1.2.1 国外机械手的发展 20世纪

11、70年代至今，出现了多种灵巧手样机。构成机械手的3各要素：运动、驱动、传感。从20世纪70年代开始，机械灵巧手在国外逐渐发展。70年代最具代表的是Okada手，它由3个手指组成分别仿照人的拇指、食指、中指，总共11个自由度，采用直流电机。 图 1-1 Okada手 20世纪80年代中期，美国Utah大学与麻省理工人工智能实验室联合开发了Utah/MIT手兼顾仿人和简单性原则，采用模块化设计思想，在手掌上进行仿人式布局。每手指4自由度，整手共16个自由度，为当时最多的仿人灵巧手。 图 1-2 Utah/MIT手 20世纪90年代，随着计算机技术、微电子技术的迅速发展，机械灵巧手也有了很大的突破，

12、进入了一个全新的时代。其中以德国、意大利为代表的欧洲以及美国在多指灵巧手设计方面处于世界领先地位，典型代表是意大利研制的DIST手和UB手、的郭宇航中心研制的DLR-I手、美国国家航空宇航局（NASA）研制的NASA Robonaut手等。1.2.2 国内机械手的发展 我国开始对多指机械手的研究始于20世纪80年代，北京航空航天大学和哈尔滨工业大学在这方面的研究处于领先。哈工大仿人灵巧手尺寸与人手相似，有4个手指，每个手指4个关节，共12个自由度。该灵巧手具有位置、温度、多维指尖力和关节力矩等96个传感器，共有机械零件600多个，表面贴装电子元件1600多个，实现了基于多传感器的手指阻抗控制及

13、基于数据手套的远程遥控作业。在演示现场记者看到，灵巧手可以在计算机的控制下用手指灵巧地弹奏简单的乐曲；研究人员佩带具有多个传感器的数据手套后，可以通过数据手套中手指的动作，利用计算机网络通讯，对灵巧手进行距离控制操作，比如远距离遥控机器人灵巧手倒水。这项技术将被作为智能太空机器人的一项关键技术服务于我国的航天事业。 图 1-3 哈工大多指灵巧手1.3 机械手关键技术人手有运动和感知两种功能。运动功能使其能够操作不同的物体完成不同的工作；感知功能使其能够通过解除获取物体特征，探测位置环境。仿人机械手也要尽量实现这样的功能，因此驱动、传感、控制成为机械手的主要成分同时也是设计开发的难点。 机械灵巧

14、手应具备： 小而强的驱动：灵巧手要求小而轻的驱动器，常见的类型为电动机。灵巧手自由度越多设计的难度越大，有限的空间内因所需电机越多因此电机尺寸要求更加严格。 丰富的感觉：用于灵巧手的主要是位置和感觉传感器。在各种环境下所需的传感器各不相同，因此需要丰富的传感器来反馈外界的信息。传感器技术的发展现对于机械部分落后，限制了机械功能的发挥。 聪明的大脑：机械手在由以上两个条件之后还需要的就是控制系统，没有控制系统，机械手就不能发挥其应有的作用。第二章 总体设计方案 多指灵巧手的总体设计主要包括机械机构的设计，驱动方式，传感器以及关节的设计。本章主要介绍机械手的整体机构（机械手臂，机械灵巧手），驱动方

15、式及传感器的选取。2.1 整体设计原则2.1.1 整体机械手的基本机构 根据机械手的设计要求机械手包括机械手臂和多指灵巧手，其中机械手臂包括肩、上臂、下臂、手腕，多指灵巧手包括手掌和手指，实现各种简单的动作，如抓取、握手等。2.1.2 整体机械手的设计原则 机械手系统应当遵守灵活、可靠、开放的原则，需要满足：1） 经济性；在满足要求的情况下要尽量采用最经济的方案，既满足设计要求又满足市场需求。2） 灵活性：灵巧手首先要的就是要有足够的自由度，能够满足设计者的需求。3） 可靠性：作为一件产品，要满足可靠性，刚性、韧性好，承载能力强。4） 维护便捷：传动系统要便于维护，各环节尽量可以避免相互影响。

16、5） 美观: 仿人机械灵巧手应当尽量与人手外形相同，在实现设计要求的基础上尽量做到美观。2.2 机械手臂的整体结构设计2.2.1 机械手手臂自由度的确定 以人的手臂为例，有四个关节腕关节、肩关节、肘关节、腰部关节，其中腕关节和肩关节有两个自由度，肘关节有一个自由度。但是为了减少设计复杂程度和控制难度，对其中的自由度进行取舍，只保留实现基本动作的可用自由度。保留肩关节、腕关节、肘关节腰部各保留一个旋转自由度且转轴方向相同(假设此方向为x轴) 图2-1机器人手臂关节自由度示意图2.2.2 机械手臂的机构设计 以人手的比例确定机械手臂的尺寸。设定机械手臂总长度为650mm上臂长330mm下臂长320

17、mm。手掌长200mm，机械手材料选择质量轻的镁铝合金。机械手臂各关节均采用转动副，共4个自由度。2.3 多指灵巧手结构设计2.3.1 手指数目及自由度的确定 以人手指为例人手有5个手指，己经存在冗余，多于5个手指便没有意义了。两指在理论上可以完成抓取任务，但是可操作性和抓取稳定性都很差。指数大于2的手理论上都可以通过运动规划实现力封闭，从而实现稳定抓取。通常情况下，灵巧手要实现稳定抓持，至少需要3个手指。我们设计的是5指灵巧手。 图2-2灵巧手指的结构简图 手指的运动副应采用转动副。一般手指的运动副数目一般为2个或3个，若手指的运动副数目为4个或者更多，就会导致结构过于复杂，难以控制，而且也

18、没有必要，所以不可取，即使是人的手指也不过有4个运动副。若手指的运动副数目为2个，则手指的结构型式有以下4种，如图2-2所示 a b c d图2-3二自由度手指结构形式 理想的结构应能保证手指末端点实现一定范围内的任位置。因为各关节的可转 动角度值是有限的，手指末杆与物体的接触姿态也只能在一定范围内调整，从单手指来说，在所有的这四种结构中，a是平面二自由度机构，不能实现侧摆，但可以实现规定的操作，如利用摩擦可以对目标物体的抓取，模仿人手的各种动作;bcd若手指的运动副数目为3个，则手指的结构型式就会有8种，如图2-3所示。a b c d e f g h图2-4三自由度手指结构形式手指的自由度太

19、多过于复杂，设计中不宜采用。本次设计将自由度进行取舍，根据抓取时各手指的作用不同，拇指、食指、中指在抓取中其主要作用，现保留其上三个自由度分别为近指节两个方向的转动，中指节一个方向的转动，远指节的转动跟随中指运动。小指和环指仅保留一个自由度即近指节的转动。2.3.2 驱动方式的选择 目前灵巧手驱动大都采用常规的动力源，主要为电驱动、液压驱动和气压驱动这三种，液压驱动结构复杂，维护难度大，其中气动不够稳定，传动效率低，此处我们采用电驱动。选择小型直流伺服电机：输出力矩较小，控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂，体积较小。2.3.3 各关节结构 关节杆可以选取的截面形式主要有方形、圆形和复合形状

20、。圆形的优点在于圆上各点的运动和力呈现各向同性，尤其是末指采用圆形截面或球面对于点接触非常有利，但各关节间的连接不方便，而方形截面各关节之间的联接则比较容易。本设计中末指采用方形截面，在指端采用半球面形式，其余关节采用方形截面，如下图2-4所示。 手指受力都会不大，为了减轻重量，结构材料选铝合金。为了减小接触冲击，增大摩擦力，在手指表面粘附橡胶、软塑料或其它特殊材料等。2.3.4 各手指的布局 图2-5拟人型灵巧手手指分布简图 设计的是仿人灵巧手，手指分布一般仿照人手分布，这样设计既可以做到美观又可以实现基本运动的设计要求。 2.3.7手指各关节的尺寸和回转角范围以人手为例，手指各关节长度比例

21、都基本接近，人手指近指节、中指节、远指节长度比例接近于2:1.35:1。机械灵巧手的尺寸也不能随意给定，应选择合适的关节长度比例。抓取时手指各关节转动没有必要实现回转，人手各关节的屈伸能力有限大概在90左右，据日本编写的机器人技术手册上的数据表明：人手食指近指关节的屈伸角度大约为90，中指关节屈伸角度大约为110，远指关节屈伸角度大约为80。对于机器人灵巧手远指关节角度在30-60时对物体施加的力矩最有效，抓取最可靠。2.4 传动方式 目前，国内外灵巧手研究采用的驱动传动方式大概有：齿轮传动、绳索传动、关节直接驱动等。下面对这三种传动方式进行简单的阐述。2.4.1 齿轮传动 齿轮传动是传动方式

22、中最为常见的一种，广泛应用于机械的各个领域。如图2-6所示，将一组齿轮有序的排列在手指的正面和背面，连杆1两面都布满了齿轮，连杆2只有一面布满了齿轮，相邻的齿轮都彼此相啮合，其中齿轮a和连杆2固联，齿轮b和连杆3固联，其余齿轮都通过小轴和轴承与连杆构成活动联接。 图2-6齿轮传动示意图2.4.2 关节直接驱动随着电机技术的发展，微型电机的尺寸越来越小，为灵巧手的驱动提供了广阔的空间，特微型电机体积小、重量轻、可以直接置于关节内部，而不破坏手指的动态性能。 图2-7关节直接手指驱动示意图2.4.3 绳索传动绳索传动是由固联于主动轴上的滚轮，固联于从动轴上的带轮和紧套在两轮上的传动带组成。绳索传动

23、具有结构简单，传动平稳，造价低廉以及缓冲吸振等特点。 第三章 五指灵巧手设计3.1 手指机构设计3.1.1 手指指数和自由度的确定 手指最少指数和最少自由度的度的确定，对于手和物体组成的系统，其自由度计算公式为： Mfi+gj-6L (3-1)式中 fi 第i个关节的自由度 gj 第j个接触点允许的自由度 L 系统独立的回路数由上式分析可以得到自由度必须大于等于6，本设计选择5指共11个自由度 手指结构如图所示关节1关节2关节3小指环指中指食指拇指关节4关节1关节2关节3关节4 图 3-1 机械灵巧手关节图 手指三个关节分别成为近指节、中指节、远指节，按照人手每个手指有4个自由度。但是设计时过

24、多的自由度会带来设计的难度而且控制也很困难，因此对自由度进行取舍。近指节有两个自由度为两个不同方向的转动分别为屈服运动和侧摆运动，现将此视为两个独立关节屈服关节、侧摆关节简称为关节1、关节2。中指节、远指节各有一个方向的转动都为屈服运动，称两个关节为关节3、关节4。 根据抓取时各个手指的作用不同，对自由度进行取舍。拇指、食指、中指在抓取中起主要作用先保留3个自由度分别为：关节1、关节2、关节3处转动，关节4与关节3通过绳索相连实现转动。环指和小指在抓取中的作用相对较小为简化设计难度现只保留1个自由度，其他关节均由绳轮带动。 3.1.2 手指长度确定 手指长度参照人手比例，根据观察测量人手近指节

25、、中指节、远指节长度比例接近2:1.35:1。机械灵巧手设计时也采用这个比例由于拇指、食指、中指内需要安装电机，虽然微型电机尺寸小但是还是要限制手指尺寸，限定的长度为60mm其他指节长度参照比例确定。手指 指节长度/mm 关节转角范围/（o）拇指 骨掌节 a1=65mm050 近指节 a2=45mm090远指节 a3=30mm060 其余4指 近指节 a1=60mm050 中指节a2=40mm090远指节 a3=30mm060 表 3-1 各手指参数3.2 传动方式3.2.1 锥齿轮传动 齿轮传动具有工作可靠，使用寿命长：顺势传动比为常数；结构紧凑等特点，各电机与关节之间均采用锥齿轮传动，如图

26、3-1。设计参数如图3-2图3-1拇指基关节锥齿轮传动简图 图3-2锥齿轮主要设计尺寸参数3.2.2带轮传动 带轮传动有传动稳定，缓冲载荷等优点，在各手指中指节与远指节之间均采用带轮传动，可以保证传动的平稳。根据设计要求确定大小轮的直径比。带轮传动如图3-3，尺寸设计如图3-4 图 3-3 带轮传动 图3-4 带轮尺寸3.3 各手指基本结构3.3.1 食指和中指 在设计中食指和中指的设计方案相同，如前所述，前三个关节均由电机带动。关节4通过带轮与关节3相连。结构如图： 图 3-5 拇指外形图 远指节与中指节通过带轮相连，中指节处有一电机，电机带动锥齿轮转动，在带动轴（与中指节固连）从而带动中指

27、节转动。近指节处有两个电机，分别为侧摆电机，屈服电机。如图3-1为近指节传动图，采用十字交叉轴，侧摆轴尺寸大于屈服轴尺寸，当屈服轴转动时手指做屈服转动，当侧摆轴转动时带动屈服轴从而带动手指做侧摆运动。3.3.2 环指和小指 如前所述，环指小指在抓取中作用较小，因此只保留了一个自由度即近指节处的屈服运动。中指节，远指节通过滚轮以绳索相连，中指节也通过滚轮与近指节相连。滚轮直径大小：远指节、中指节、近指节直径比为1.4:1:1。即中指节与近指节转速相同，远指节转图3-6 小指外形图速相对较小。3.3.3 手掌与拇指 拇指在抓取中起到至关重要的作用，而且观察人手拇指结构与其他四指有很大的区别。设计中

28、拇指与手掌相连一起设计，拇指有在传动方面与食指基本相同，电机与指节由锥齿轮相连。近指节侧摆和屈服电机置于手掌之中中指节电机指节安放在手指中。机构图如右图， 图 3-7 手掌与拇指外形图第四章 4自由度手臂设计4.1大小臂结构的设计 机器人的手臂由大笔、小臂组成。手臂的驱动方式有液压、气压、电驱动几种方式，其中电驱动最常见。此处采用电驱动。把大小臂截面设计成工字形，这样可以使抗弯系数大，截面面积小，减轻小臂重量，经济、轻巧。手臂材料选择镁铝合金. 图4-1大小臂机构图 图 4-2 大小臂截面图 工字钢选择（GB 70688）查表4 热轧工字钢（GB 706-88） Ix=245cm4 且最大应力

29、发生在上下边沿处，此处弯矩M=1.2 最大应力为所以该臂满足条件。4.2 齿轮的设计校核 因设计齿轮主要是为了位置控制，选择齿轮传动比u=1。即两齿轮齿数相同，转速相同。 齿轮用45钢，调质处理，硬度229HB286HB,平均取为250HB。计算步骤如下计算项目 计算内容 计算结果齿面接触疲劳强度计算1. 初步计算转矩 T1 齿面系数 由表 12.13，取=1.0 =1.0解除疲劳强度 由图 12.17c =650Mpa 计算项目 计算内容 计算结果 =650Mpa初步计算许用接触 0.9 应力为 =0.9650 =585Mpa 0.9 =0.9650 =585Mpa 初步计算的齿轮直径 取d

30、=36mm =17.25 b=36mm校核计算 圆周速度 V=/60000 = v=0.942m/s 计算结果精度等级 查表12.6 选8级精度齿数z和模数m 初取齿数； 由表12.3，取m=2 计算项目 计算内容 计算结果 则 使用系数K 查表12.9， K=1.25动载系数K 查图12.9， K=1.17齿间载荷分配 由表12.10，先求系数 100N/mm 由此得 赤向载荷分布系数 由表12.11 计算项目 计算内容 计算结果 载荷系数 K= KKKK K=2.37弹性系数ZE 由表12.12 节点区域系数ZH 由图12.16 ZH =2.5接触最小安全系数 查表12.14 S=1.05

31、 总工作时间 应力循环次数 接触寿命系数 由图12.18 许用接触应力 验算 计算项目 计算内容 计算结果 3、确定传动主要尺寸实际分度圆直径 d=mz=18 d=36mm中心距 a=36mm齿宽 b=d b=36mm 齿面弯曲疲劳强度验算重合度系数 齿间载荷分布系数 查表12.10 由图12.14 载荷系数K K=2.65齿形系数 由图12.21 应力修正系数 由图12.22 弯曲疲劳极限 由图12.23c 弯曲最小安全系数 由表12.14 计算项目 计算内容 计算结果弯曲寿命系数 由图12.24 尺寸系数 由图12.25 许用弯曲应力 验算 4.3轴的设计计算由于肩部大轴受力最大，最复杂，

32、而且该轴是整个前伸部的支撑，对大小臂的运动稳定性，抓取能力关键作用，所以仅对其进行校核。 图4-3轴的结构图 图4-4受力图 1200N.mm 图 4-5 弯矩图轴材料为45钢调质，B=650Mpa，s=360Mpa。轴的计算步骤如下：计算齿轮受力由于该轴齿轮仅为实现臂部摆动而用，仅承受很小的扭矩，所以忽略不计。计算支撑反力 , 画轴受力图受力图如图4-4画轴弯矩图弯矩图如图4-5许用应力许用应力值用插入法由表16.3查得 -1b = 60Mpa应力校正系数 = =0.59 校核轴径： d=6.03mm1.5*16.56=24.84 因此轴承合适 上轴承受力很小，所以不用校核第五章 驱动设计5

33、.1驱动方式的选择 由于机械手需要在手指内部安装电机，对电机的要求很高，要求足够小的尺寸。采用直流电机驱动，直流伺服能将控制信号转换成机械轴的转动，加上控制电压时能快速启动，撤除控制电压后能立即停止转动，控制电压的大小和相位改变时，转速和方向也能迅速改变等优点。所有选择直流电机可以达到设计的要求。5.2直流伺服电机结构及其控制原理 5.2.1直流伺服电机概述直流伺服电机,它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器,所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。在机器人机电控制系统中，直流电机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系

34、统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。5.2.2舵机结构及其控制原理.伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。 5.2.3电机型号的选择为有效减轻自重，本机器人灵巧手采用轻质铝合金材料，各关节销轴设计为中空结构，