51单片机控制的3自由度机械手系统设计(附件)
摘 要机械手技术是一门涵盖了多门科学领域的一门综合技术，机械手在工业应用中起着至关重要的作用，推动了工业自动化的发展。在本文中设计了一种三自由度的电动机械手，该机械手主要由三个部分组成，包括执行机构、驱动系统和控制系统。执行机构包括手部、臂部、腰部和机座四部分；使用步进电机进行驱动；采用单片机进行控制。机械手的四个自由度包括手爪张合；手臂伸缩；手腰部升降；底座回转。此机械手能够抓取2Kg以内的工件，并将它放到目的位置。利用其次坐标变换的方法，通过计算获得了机械手末端的位姿与关节夹角之间的变换关系，并且完成了总体机械结构的设计、步进电机的选型、控制电路硬件电路设计和系统软件的设计。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 国内外研究发展现状 2
第二章 机械手总体设计 4
2.1 基本设计思路 4
2.2运动方案的选择 4
2.3机械手工作过程 6
2.4执行机构 7
2.5驱动机构的选择 7
2.6传动方式的分析选择 7
2.7驱动电机选择 8
第三章 机械手执行机构设计 9
3.1执行机构设计 9
3.1.1 手部 9
3.1.2臂部 10
3.1.3 腰部 11
3.1.4机座 11
3.2机械手自由度设计 12
3.3 机械手结构简图 12
3.4 驱动电机的选择 13
3.4.1 手指张合电机M1的选择 13
3.4.2 手臂伸缩电机M2的选择 14
3.4.3腰部升降电机M3的选择 14
3.4.4 底座转动电机M4的选择 15
第四章 机械手的控制系统设计 16
4.1 控制系统硬件方案设计 16
4.2 控制系统的基本组成框图 16
4.3 控制器选型及设计 16
4.4 驱动电路设计 18
4.5 控制系统整体硬件电路图 19
4.6机械手控制电路设计 20
4.8程序设计 22
结束语 26
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
致 谢 27
参考文献： 28
附录 29
第一章 绪论
每当谈论起机器人，我们就会想起那些美国科幻电影之中模仿人类外形、听从人类命令的机器人，他们不会思考也不具有人类所拥有的感情，但他们力大无穷，无可匹敌，只是根据它的主人下达的指令去做事，从不违抗。
伴随着科学技术的进步和发展，机器人已经不在只出现在科幻电影或者小说中了，很多机器人科学家已经可以把它制造出来了，有人会问现实生活中机器人是否和电影里一样具有和人相似的外表呢？答案是否定的，因为现实中的机器人经常是根据工程人员所编的程序做一些连续简单而又不断重复的工作，人们根据机器人将要完成的工作，将机器人设计成各种独特而又实用的外形，为了能让机器人完成工作的效率最大化，所以具有自主创作性的、与人类外貌和形体相似的的机器人也是各国研究人员们研究的重点。
刚开始，在工业生产中机器人的运用最为广泛，人们利用机器人去完成一些类似于搬运重物、喷涂、定点焊接等工作，这样可以利用机器人去完成一些重复性的和具有危险性的工作，降低员工的劳动强度和受伤的几率。人们对机器人的不断运用，不断挖掘出了机器人的潜力，进而使机器人在更多不同的领域中得到应用，而现今，人们可以在各行各业甚至在家庭中都可以看到机器人的身影。在建筑行业中，机器人可以进行搬运建材、砌墙等工作；在农业中，可以利用机器人进行收割农作物、采摘果实等工作；在航天行业中，可以将机器人送往太空进行调查、取样；在医学中，又可以将微型机器人注射进病患的体内，以治疗一些特定的疾病；家庭之中，可以利用打扫机器人对室内进行打扫；除此之外，机器人也被大量运用于军事之中，各国通过研制各种军用机器人以强化各自国家的军事国防，在战场上利用机器人可以方便的探知敌方军情和减少己方士兵的伤亡。综上所述，机器人的身影已随处可见。
1.1 国内外研究发展现状
在日常生活中机械手的到来快速的发展，慢慢的被人们认识；一是它能部分代替人工操作；而是机械手能操作必要的夹具进行物品焊接和工件装配。三是根据生产过程的要求，将物品从一个地方搬运到另一个地方按照相应的要求。受到各发达国家包括发展中国家的高度重视，政府加大了在人力和物力的投资，促进机械手的研究和在实际生产中的使用。尤其在恶劣的环境中，不适合人类工作的环境中，应用的地方更多了，目前国内有了不错的发展，并取得一定的成绩，受到有关工业部门的关注。
发达国家工业自动化程度较高，往往要生产拥有多个自由的机械手才能适应生产环境，而且他的灵活度也要更好，这样可以执行更多的动作。为了适应环境的改变，机械手可能要从一个地方移动到另一个地方，这就需要能够移动的机器人，所以在这方面国外有了不少发展。为了节省人力，所以研究出不需要经常维护的机械手。有时候还要想到，让机械手根据物品的尺寸，规则可以生成出相应的程序自动的去加工，去完成给定的任务。科技发展日新月异，国外的科学家同时还在考虑研究可以思考的机器人，用一台计算机代替人的大脑，让这样的机械手去提前为客户服务。现在的物质资源越来越匮乏，所以机械手的结构也要越简单越好，同时还要完成更多的任务或者动作。
目前，在我国用的最广的机械手，这种机械手虽然记忆装置，但他要工作的内容是事先准备好，或在工作之前，通过领先的实时，机械手可以根据工作要求重复工作。我们称这种类型的机械手为二代的机械手，正在开发阶段的智能机器人称为第三代。在这一领域，我国与发达国家相比还是有点落后，所以国内现在也越来越感受到机械手的重要性，政府也大力鼓励相关的设计和产品开发。同时在发展机器人和机器人设计方面也取得了一定的成绩，许多城市每年都会举相应的设计大赛，使有关单位可以相互的学习进步。现在有许多国内厂家也越来越强大，独立的研究和开发单位，我们有理由相信，中国一定能赶上发达国家的规模。
第二章 机械手总体设计
2.1 基本设计思路
在机电一体化产品中，机械手是典型的一种，注重全局，合理分配各机械手的各各部分承担相应的任务和功能，以提高整体系统性能，它简单的结构、在降低生产经成本中起着举足轻重的作用，与其他机器实现互补功能。
一个完整的工业机械手可以分为以下几个部分：由传感器组成的检测传感部分、有电机提供动力的驱动部分，由单片机控制的部分和机械本体的部分，滚珠丝杆或者齿轮组成的传动部分，传感部分用来检测各各部位运动的位置及时的反馈给控制器，机械部分则包括机械驱动系统和具体机械结构系统。这次毕业设计以小物块的搬运为目的，从一个地方搬运到另一个地方。总体设计框图如下图21所示。
图21 总体设计框图
光电传感器用于检测工件，检测到工件后发送信号到单片机，然后单片机根据程序发送信号给驱动芯片，接着驱动芯片驱动伺服电机运转，伺服电机带动传动部件，传动部件将伺服电机输出的驱动力传递给机械手式机械手运动，光电编码器检测转速反馈给单片机，单片机根据反馈的信息作出调整。计算机可以将程序上载到单片机或者从单片机下载程序到计算机。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 国内外研究发展现状 2
第二章 机械手总体设计 4
2.1 基本设计思路 4
2.2运动方案的选择 4
2.3机械手工作过程 6
2.4执行机构 7
2.5驱动机构的选择 7
2.6传动方式的分析选择 7
2.7驱动电机选择 8
第三章 机械手执行机构设计 9
3.1执行机构设计 9
3.1.1 手部 9
3.1.2臂部 10
3.1.3 腰部 11
3.1.4机座 11
3.2机械手自由度设计 12
3.3 机械手结构简图 12
3.4 驱动电机的选择 13
3.4.1 手指张合电机M1的选择 13
3.4.2 手臂伸缩电机M2的选择 14
3.4.3腰部升降电机M3的选择 14
3.4.4 底座转动电机M4的选择 15
第四章 机械手的控制系统设计 16
4.1 控制系统硬件方案设计 16
4.2 控制系统的基本组成框图 16
4.3 控制器选型及设计 16
4.4 驱动电路设计 18
4.5 控制系统整体硬件电路图 19
4.6机械手控制电路设计 20
4.8程序设计 22
结束语 26
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
致 谢 27
参考文献： 28
附录 29
第一章 绪论
每当谈论起机器人，我们就会想起那些美国科幻电影之中模仿人类外形、听从人类命令的机器人，他们不会思考也不具有人类所拥有的感情，但他们力大无穷，无可匹敌，只是根据它的主人下达的指令去做事，从不违抗。
伴随着科学技术的进步和发展，机器人已经不在只出现在科幻电影或者小说中了，很多机器人科学家已经可以把它制造出来了，有人会问现实生活中机器人是否和电影里一样具有和人相似的外表呢？答案是否定的，因为现实中的机器人经常是根据工程人员所编的程序做一些连续简单而又不断重复的工作，人们根据机器人将要完成的工作，将机器人设计成各种独特而又实用的外形，为了能让机器人完成工作的效率最大化，所以具有自主创作性的、与人类外貌和形体相似的的机器人也是各国研究人员们研究的重点。
刚开始，在工业生产中机器人的运用最为广泛，人们利用机器人去完成一些类似于搬运重物、喷涂、定点焊接等工作，这样可以利用机器人去完成一些重复性的和具有危险性的工作，降低员工的劳动强度和受伤的几率。人们对机器人的不断运用，不断挖掘出了机器人的潜力，进而使机器人在更多不同的领域中得到应用，而现今，人们可以在各行各业甚至在家庭中都可以看到机器人的身影。在建筑行业中，机器人可以进行搬运建材、砌墙等工作；在农业中，可以利用机器人进行收割农作物、采摘果实等工作；在航天行业中，可以将机器人送往太空进行调查、取样；在医学中，又可以将微型机器人注射进病患的体内，以治疗一些特定的疾病；家庭之中，可以利用打扫机器人对室内进行打扫；除此之外，机器人也被大量运用于军事之中，各国通过研制各种军用机器人以强化各自国家的军事国防，在战场上利用机器人可以方便的探知敌方军情和减少己方士兵的伤亡。综上所述，机器人的身影已随处可见。
1.1 国内外研究发展现状
在日常生活中机械手的到来快速的发展，慢慢的被人们认识；一是它能部分代替人工操作；而是机械手能操作必要的夹具进行物品焊接和工件装配。三是根据生产过程的要求，将物品从一个地方搬运到另一个地方按照相应的要求。受到各发达国家包括发展中国家的高度重视，政府加大了在人力和物力的投资，促进机械手的研究和在实际生产中的使用。尤其在恶劣的环境中，不适合人类工作的环境中，应用的地方更多了，目前国内有了不错的发展，并取得一定的成绩，受到有关工业部门的关注。
发达国家工业自动化程度较高，往往要生产拥有多个自由的机械手才能适应生产环境，而且他的灵活度也要更好，这样可以执行更多的动作。为了适应环境的改变，机械手可能要从一个地方移动到另一个地方，这就需要能够移动的机器人，所以在这方面国外有了不少发展。为了节省人力，所以研究出不需要经常维护的机械手。有时候还要想到，让机械手根据物品的尺寸，规则可以生成出相应的程序自动的去加工，去完成给定的任务。科技发展日新月异，国外的科学家同时还在考虑研究可以思考的机器人，用一台计算机代替人的大脑，让这样的机械手去提前为客户服务。现在的物质资源越来越匮乏，所以机械手的结构也要越简单越好，同时还要完成更多的任务或者动作。
目前，在我国用的最广的机械手，这种机械手虽然记忆装置，但他要工作的内容是事先准备好，或在工作之前，通过领先的实时，机械手可以根据工作要求重复工作。我们称这种类型的机械手为二代的机械手，正在开发阶段的智能机器人称为第三代。在这一领域，我国与发达国家相比还是有点落后，所以国内现在也越来越感受到机械手的重要性，政府也大力鼓励相关的设计和产品开发。同时在发展机器人和机器人设计方面也取得了一定的成绩，许多城市每年都会举相应的设计大赛，使有关单位可以相互的学习进步。现在有许多国内厂家也越来越强大，独立的研究和开发单位，我们有理由相信，中国一定能赶上发达国家的规模。
第二章 机械手总体设计
2.1 基本设计思路
在机电一体化产品中，机械手是典型的一种，注重全局，合理分配各机械手的各各部分承担相应的任务和功能，以提高整体系统性能，它简单的结构、在降低生产经成本中起着举足轻重的作用，与其他机器实现互补功能。
一个完整的工业机械手可以分为以下几个部分：由传感器组成的检测传感部分、有电机提供动力的驱动部分，由单片机控制的部分和机械本体的部分，滚珠丝杆或者齿轮组成的传动部分，传感部分用来检测各各部位运动的位置及时的反馈给控制器，机械部分则包括机械驱动系统和具体机械结构系统。这次毕业设计以小物块的搬运为目的，从一个地方搬运到另一个地方。总体设计框图如下图21所示。
图21 总体设计框图
光电传感器用于检测工件，检测到工件后发送信号到单片机，然后单片机根据程序发送信号给驱动芯片，接着驱动芯片驱动伺服电机运转，伺服电机带动传动部件，传动部件将伺服电机输出的驱动力传递给机械手式机械手运动，光电编码器检测转速反馈给单片机，单片机根据反馈的信息作出调整。计算机可以将程序上载到单片机或者从单片机下载程序到计算机。
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