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1、三关节机械臂及其控制系统设计摘 要随着科技的不断进步，机械臂特别是仿人型机械臂的发展非常迅速。其在人们的日常生活，生产中开始扮演着不可或缺的角色。本文呈现的是一种仿人型机械臂，其主要特点在与多样化，简单化，直觉化的人机交互方式。将以往复杂的主从式操作，诸如摇杆控制等，转化为简单的触摸屏操作，同时辅佐以双目机器视觉，还可以实现通过人的手势来控制机械臂动作，实现了直觉化的控制。为了能高效稳定地控制机械臂，本设计使用了双控制系统协同作业：下位控制系统使用嵌入式系统ARM 微处理器（S3C2440 芯片）实现机械臂的基本动作的控制封装，包括定位算法以及运动控制等；上位控制系统是在PC 上实现的，控制软
2、件使用VC+ 6.0 编写，主要实现机器视觉的相关运算，并将运算结果通过串口通信，传递给下位系统ARM 微处理器，并最终转换成机械臂的动作。整个设计过程包含了底层的驱动硬件设计：舵机的选型与控制；机械结构设计：结构设计，负载校核；控制系统电路设计；上位，下位软件的编写：舵机的控制方式PWM 脉宽调制，点定位算法，轨迹控制算法，机器视觉算法；还编写了3 维软件进行仿真：三维的投影算法，及贴面，光照，面的排序算法；并最终制作成实物进行演示，在末端装上笔之后，能够进行简单的书写。关键字：触摸屏 机器视觉 嵌入式系统 运动控制Three joint mechanical arm and its con
3、trol system designAbstractAs technology advances, mechanical arm especially humanoid type of mechanical arm is developing fast. This paper presents a humanoid type of mechanical arm.Its main characteristics is multiple ,simple, intuitive man-machine interactive way.Touch screen control and machine v
4、ersion are introduced covering for complex operation ,such as joystick control. Mechanical arm is control by daily gestures which makes it much easier to use a mechanical arm.In order to control the mechanical arm stabily, this design uses the dual control system under coordinated assignments: one c
5、ontrol system uses embedded system ARM microprocessor (S3C2440 chip) - realizing the basic mechanical arm movement control encapsulation, including localization algorithm and motion control, etc.;Upper control system is on the PC platform, using vc + + 6.0 for software, realizing machine vision calc
6、ulation, and will transmit results through serial communication, to lower level system -the ARM microprocessor, leading to mechanical arm movementsThe whole design process contains rock-bottom drive hardware design: steering gear selection and control; Mechanical structure design structure design, l
7、oad checking; Control system circuit design; Superior position software: steering gear - PWM pulse width modulation, point positioning algorithm, trajectory control algorithm, machine vision algorithms; And finally make physical for demonstration realizing writing with pen loaded.Key words: Touch sc
8、reen；Machine version；embedded systems目 录摘 要Abstract第1章 绪论11.1 题目提出的意义11.2 国内外发展现状1第2章 方案的确定与比较分析42.1 机械手机械系统的比较与选择52.2 机械手驱动系统的比较与选择7第3章 电机的选择与设计计算103.1 主要技术参数的确定103.2 各关节电机的选择计算103.2.1 大臂旋转电机的选择113.2.2 小臂旋转电机的选择123.2.3 腰部旋转电机的选择13第4章 机械部件的设计与校核154.1 轴的设计与校核154.1.1 大臂旋转轴的设计154.1.2 大臂轴的强度校核154.2 键的选择
9、与强度的校核184.3 轴承寿命的校核204.4 联轴器的选择与圆锥销的校核214.4.1 联轴器的选择.214.4.2 联轴器圆锥销的校核22第5章 控制系统介绍与选择235.1 单片机最小系统235.1.1 8051单片机介绍245.1.2 复位电路255.1.3 振荡电路265.2 串行接口电路275.3 传感器275.3.1 传感器的选型275.3.2 硬件电路的设计295.4 电动机的控制295.4.1 L298N电机驱动芯片简介305.4.2 硬件电路图30结语32参考文献33致谢 35第1章 绪论1.1 题目提出的意义 鉴于我国机械臂仿生技术以及控制方式较西方国家落后，目前自主研
10、发的机械臂在使用方便性以及精度上都不尽如人意。在市场上也很难占有一席之地。为了打破西方国家在这一领域，特别是高端领域的垄断，让更多的国人开始关注自主研发的机械臂，对于仿人形机械臂及其控制系统的研究还是有深远意义的。1.2 国内外发展现状我国工业机器人起步于20 世纪70 年代初，大致可分为3 个阶段：70 年代的萌芽期，80 年代的开发期，90 年代的实用化期。国外机械臂的发展已经进入了一个比较高端的地步了，各种智能机械臂，仿生机械臂层出不穷：.美国研制的利用神经电信号控机械臂美国研制出一种利用神经传输过程中的电信号，将其作为动作输入，来以一种极为简单直接的方式来控制机械臂，是人类第一次利用大
11、脑来控制机械臂，这种方式极大的提高了人类对于机械臂的操作性【1】。.德国FESTO 公司制作的仿象鼻机械臂该机械臂模仿象鼻运动原理，以三排并联的气动肌腱为硬件基础制作的机械臂。能够进行一些复杂的动作，这是以往的关节式机械臂所望尘莫及的。.我国机械臂发展也十分迅速，多自由度机械臂层出不穷我国机械臂研究虽然起步较晚，但是发展速度很快，多自由度机械臂层出不穷，对于机械臂的横向研究做得还是不错的。其中北京航空航天大学大学在机械臂及机械手的发展中作出着较大的贡献【2】。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位
12、置来完成工作的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人工物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉压、噪音以及带有放射性的污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视【3】。国外发展现状：专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。机械手涉及的内容，不仅包
13、括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。目前国外对发展这一技术很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大【4】。目前国外的发展趋势是：(1) 研制有更多自由度的机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。(2) 研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。(3) 研制维修维护方便的机械手。(4) 研制能自动编制和自动改变程序的机械手。(5) 研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变
