车载机器人一体化平台机械手腰臂关节设计(附件)
摘 要近几年，计算机技术和电子技术的发展，促进了机器人的研究和制造，使机械臂有了很大的发展。机械臂不仅可以提高劳动效率，还可以替代人类去做危险和无聊的工作。本文主要完成的内容包括智能车载机器人一体化平台设计的腰关节和臂关节的设计，腰关节作为回转部件而臂关节作为旋转部件，通过solidworks对腰部和臂部进行三维建模和仿真。控制系统是控制策略的核心所在,通过PID控制算法使系统的稳定性好，精度高。驱动系统是通过51单片机给舵机输出PWM脉冲信号从而控制其运动状态。反馈系统则使用MPU6050陀螺仪对舵机旋转的角度进行实时在线的监控。在对智能车载机器人一体化平台中各电机协同控制运动路径规划后，通过Keil uVision2软件程序的编写对腰部和臂部进行调试实验。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2机械臂国内外发展状况 1
1.3机械臂发展趋势 2
1.4机械臂研究的意义 2
第二章 总体方案设计 3
2.1控制方案设计 3
2.2机械结构设计 3
2.3控制系统设计 4
2.4驱动系统设计 4
第三章 机械本体机构设计 5
3.1 机械臂结构设计 5
3.1.1 机械臂长度 5
3.1.2机械臂重量 5
3.1.3 机械臂选材 6
3.1.4主要机械参数 6
3.2 主要机械结构 6
3.2.1 腰关节机械结构 6
3.2.2臂关节机械结构 6
3.2.3三维建模整体装配效果 7
3.3 动力学分析 7
3.3.1 静力学分析 7
3.3.2 动力学分析 9
第四章 控制系统硬件设计 12
4.1控制系统硬件结构 12
4.2核心控制器 12
4.3腰关节和臂关节电机的选用 14
4.3.1 DS3115MG数字舵机 14
4.3.2 DS3115MG舵机控制要求 14
4.4 TB6612FNG驱动模块 15
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
4.5 MPU6050传感器模块 16
第五章 控制系统软件设计 18
5.1 控制软件设计 18
5.1.1 PID控制原理 18
5.1.2 控制软件流程图 18
5.2 舵机控制程序 19
5.3 MPU6050陀螺仪控制程序 20
第六章 机械臂调试及仿真实验 22
6.1运动路径规划 22
6.1.1方位描述 22
6.1.2坐标变换 22
6.1.3 运动学分析 23
6.1.4 机械臂路径规划 24
6.2 机械臂调试实验 25
6.3 机械臂仿真实验 27
结束语 29
致 谢 30
参考文献 31
附录 32
第一章 绪论
1.1引言
智能车载机器人一体化平台，代表了机电一体化的研究成果，应用了多门学科技术，例如电子技术、计算机技术、机械自动化技术等等，近年来智能机器人得到迅速的发展，使其在各个领域中得到了很大的应用，所以，智能机器人技术越来越受到人类的关注[10]。就下文本具体介绍机械臂的腰关节和臂关节的设计。其它部分则由课题小组的其它成员完成。
1.2机械臂国内外发展状况
（1）国外机械臂发展
图11为德国宇航中心(DLR)从上世纪八十年代末开始研制的轻型机械臂，所用材料为碳素纤维，减速器、驱动器分别是行星齿轮箱和步进电机。传动比达到 1:600，机械臂自由度的布置方式为旋转俯仰侧摆俯仰旋转俯仰旋转，在轻型机械臂的技术基础上，DLR还研制了ROKVISS双关节。
图12为日本研发的PA10机械臂图。机械臂的驱动机构使用谐波减速器和交流伺服电机，该机械手臂的速度、力矩控制精度较高。使用铝合金材料的机械臂可以大大减轻了整体的质量[9]。
图13为美国iRobot公司研制的Pacbot机械臂。该机械臂自由度有4个，最大伸展距离约两米，大臂俯仰角度可达到170度、小臂1俯仰角度可达280度、小臂2俯仰角度可达280度、机械手的张开和闭合角度可达180。
图11 DLR轻型机械臂 图12 PA10机械臂臂 图13 Packbot机器人
（2）国内机械臂的发展
图14灵蜥B移动机器人为沈阳研究所所研制的，车体采用履带式可翻越障碍物和沟渠并能适应不同环境的复杂地面，其手臂伸长约两米且能举起10千克物体，车体云台上还装有摄像头实时观察周围环境情况[20]。此机器人可在环境恶劣的情况下为人类工作。
图15为灵蜥H，作为反恐防暴机器人，多用在军事方面和危险恶劣的环境情况下，灵蜥H在云台和机械臂上各装有一台摄像头，能实时监测和观察周围环境提高工作效率。此外，清华大学、北京理工大学等多所高校和研究所都进行了机器人的研制并取得不错的成果。
图14 灵蜥B移动机器人 图15 灵蜥H移动机器人
1.3机械臂发展趋势
国民经济的快速发展离不来生产效率的提高。机械臂是提高生产效率的主要原因。现在机械臂要向高精度、反应快、多样化和经济化方向发展。
高精度和反应快就要求机械臂在短时间内迅速准确无误的抓取物体，这样才能节省时间提高生产效率。多样化应使机械臂能结合更多先进技术应用在更多的领域，使机械臂能够得到更为广泛的应用。机械臂的经济化是在进行机械臂的研制上更多的考虑其成本，在保证其它研制性能不变的情况下降低生产成本，可大大增加用户的使用量，减少劳动力提高国民经济[3]。
1.4机械臂研究的意义
机械臂属于工业机器人，它能够实现搬运物体等工作，机械臂通常由手臂、手腕和手爪组成[1]。它的普及大大提高了生产率而且减轻了工作强度，更为重要的是产品的质量得到了显著的提高。在一些危险系数比较大或者是劳动强度比较大的场合，它的出现极大避免了事故发生率。
由于机械臂的工作空间比较小使得机械臂功能的拓展非常困难，在此基础上，将机械臂安装在移动机器人上的技术应运而生，这项技术的工作空间不受限制、灵活性好。因此，这项技术的研究显得非常有意义。
第二章 总体方案设计
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2机械臂国内外发展状况 1
1.3机械臂发展趋势 2
1.4机械臂研究的意义 2
第二章 总体方案设计 3
2.1控制方案设计 3
2.2机械结构设计 3
2.3控制系统设计 4
2.4驱动系统设计 4
第三章 机械本体机构设计 5
3.1 机械臂结构设计 5
3.1.1 机械臂长度 5
3.1.2机械臂重量 5
3.1.3 机械臂选材 6
3.1.4主要机械参数 6
3.2 主要机械结构 6
3.2.1 腰关节机械结构 6
3.2.2臂关节机械结构 6
3.2.3三维建模整体装配效果 7
3.3 动力学分析 7
3.3.1 静力学分析 7
3.3.2 动力学分析 9
第四章 控制系统硬件设计 12
4.1控制系统硬件结构 12
4.2核心控制器 12
4.3腰关节和臂关节电机的选用 14
4.3.1 DS3115MG数字舵机 14
4.3.2 DS3115MG舵机控制要求 14
4.4 TB6612FNG驱动模块 15
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
4.5 MPU6050传感器模块 16
第五章 控制系统软件设计 18
5.1 控制软件设计 18
5.1.1 PID控制原理 18
5.1.2 控制软件流程图 18
5.2 舵机控制程序 19
5.3 MPU6050陀螺仪控制程序 20
第六章 机械臂调试及仿真实验 22
6.1运动路径规划 22
6.1.1方位描述 22
6.1.2坐标变换 22
6.1.3 运动学分析 23
6.1.4 机械臂路径规划 24
6.2 机械臂调试实验 25
6.3 机械臂仿真实验 27
结束语 29
致 谢 30
参考文献 31
附录 32
第一章 绪论
1.1引言
智能车载机器人一体化平台，代表了机电一体化的研究成果，应用了多门学科技术，例如电子技术、计算机技术、机械自动化技术等等，近年来智能机器人得到迅速的发展，使其在各个领域中得到了很大的应用，所以，智能机器人技术越来越受到人类的关注[10]。就下文本具体介绍机械臂的腰关节和臂关节的设计。其它部分则由课题小组的其它成员完成。
1.2机械臂国内外发展状况
（1）国外机械臂发展
图11为德国宇航中心(DLR)从上世纪八十年代末开始研制的轻型机械臂，所用材料为碳素纤维，减速器、驱动器分别是行星齿轮箱和步进电机。传动比达到 1:600，机械臂自由度的布置方式为旋转俯仰侧摆俯仰旋转俯仰旋转，在轻型机械臂的技术基础上，DLR还研制了ROKVISS双关节。
图12为日本研发的PA10机械臂图。机械臂的驱动机构使用谐波减速器和交流伺服电机，该机械手臂的速度、力矩控制精度较高。使用铝合金材料的机械臂可以大大减轻了整体的质量[9]。
图13为美国iRobot公司研制的Pacbot机械臂。该机械臂自由度有4个，最大伸展距离约两米，大臂俯仰角度可达到170度、小臂1俯仰角度可达280度、小臂2俯仰角度可达280度、机械手的张开和闭合角度可达180。
图11 DLR轻型机械臂 图12 PA10机械臂臂 图13 Packbot机器人
（2）国内机械臂的发展
图14灵蜥B移动机器人为沈阳研究所所研制的，车体采用履带式可翻越障碍物和沟渠并能适应不同环境的复杂地面，其手臂伸长约两米且能举起10千克物体，车体云台上还装有摄像头实时观察周围环境情况[20]。此机器人可在环境恶劣的情况下为人类工作。
图15为灵蜥H，作为反恐防暴机器人，多用在军事方面和危险恶劣的环境情况下，灵蜥H在云台和机械臂上各装有一台摄像头，能实时监测和观察周围环境提高工作效率。此外，清华大学、北京理工大学等多所高校和研究所都进行了机器人的研制并取得不错的成果。
图14 灵蜥B移动机器人 图15 灵蜥H移动机器人
1.3机械臂发展趋势
国民经济的快速发展离不来生产效率的提高。机械臂是提高生产效率的主要原因。现在机械臂要向高精度、反应快、多样化和经济化方向发展。
高精度和反应快就要求机械臂在短时间内迅速准确无误的抓取物体，这样才能节省时间提高生产效率。多样化应使机械臂能结合更多先进技术应用在更多的领域，使机械臂能够得到更为广泛的应用。机械臂的经济化是在进行机械臂的研制上更多的考虑其成本，在保证其它研制性能不变的情况下降低生产成本，可大大增加用户的使用量，减少劳动力提高国民经济[3]。
1.4机械臂研究的意义
机械臂属于工业机器人，它能够实现搬运物体等工作，机械臂通常由手臂、手腕和手爪组成[1]。它的普及大大提高了生产率而且减轻了工作强度，更为重要的是产品的质量得到了显著的提高。在一些危险系数比较大或者是劳动强度比较大的场合，它的出现极大避免了事故发生率。
由于机械臂的工作空间比较小使得机械臂功能的拓展非常困难，在此基础上，将机械臂安装在移动机器人上的技术应运而生，这项技术的工作空间不受限制、灵活性好。因此，这项技术的研究显得非常有意义。
第二章 总体方案设计
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