基于圖像識別的物料分揀系統(tǒng)——機械臂設(shè)計與控制定稿

1、北京理工大學珠海學院2016屆本科生畢業(yè)設(shè)計基于圖像識別的物料分揀系統(tǒng)機械臂設(shè)計與控制基于圖像識別的物料分揀系統(tǒng)機械臂設(shè)計與控制摘 要21世紀的今天，科技高度發(fā)達,為了順應當代科技潮流本文設(shè)計出自動物料分揀的機械臂，以配合我們設(shè)計的基于Matlab圖像識別的物料分揀系統(tǒng)。本文以這四個自由度的機械臂為研究對象，對其進行機械機構(gòu)的設(shè)計，靜力學分析，用SolidWorks的Simulation進行有限元分析，進而驗證機械臂的可行性，然后采用Arduino開發(fā)板來控制舵機，就是通過信號線發(fā)送一系列脈沖，改變脈沖寬度來改變舵機的旋轉(zhuǎn)角度，從而實現(xiàn)機械臂產(chǎn)生不同的運動。最后基于Proteus軟件對舵機進行

2、仿真，得到仿真出來的脈沖寬度。分揀的總工作流程就是利用Matlab進行圖像識別，檢測出該物料的類別，然后輸出坐標和數(shù)據(jù)給Arduino，事先在Arduino中編寫程序，產(chǎn)生脈沖控制舵機轉(zhuǎn)動，從而完成機械臂對物料的整個分揀動作。關(guān)鍵詞： SolidWorks有限元分析；Arduino控制系統(tǒng)；PWN脈沖；舵機; Proteus仿真Material Sorting System Based on Image RecognitionDesign and Control of ManipulatorAbstractIn the 21st century, science and technology

3、is highly developed. In order to adapt to the trend of modern technology, this article designs a robotic arm for automatic material sorting to match the material sorting system based on Matlab image recognition that we designed. This article takes these four degrees of freedom manipulators as the re

4、search object, conducts mechanical mechanism design, static analysis, and uses SolidWorks Simulation to perform finite element analysis to verify the feasibility of the manipulators, and then uses the Arduino development board to control The servo is to send a series of pulses through the signal lin

5、e, and change the pulse width to change the rotation angle of the servo, so as to realize different movements of the mechanical arm. Finally, the servo is simulated based on Proteus software to obtain the simulated pulse width. The overall workflow of sorting is to use Matlab for image recognition,

6、detect the type of the material, and then output the coordinates and data to Arduino, write a program in Arduino in advance, generate pulses to control the steering gear to rotate, thus completing the entire robot arm to the material Sorting action.Keywords: SolidWorks finite element analysis; Ardui

7、no control system; PWN pulse; steering gear; Proteus simulation目 錄1.緒論11.1自動物料分揀的研究背景及意義11.2國外物料分揀系統(tǒng)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀21.3國內(nèi)物料分揀系統(tǒng)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀41.4本文設(shè)計的主要內(nèi)容52機械臂本體的設(shè)計62.1機械臂類型方案選擇62.2機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計92.3末端執(zhí)行器真空吸盤與氣泵的選用92.4各關(guān)節(jié)舵機的選型112.5機械臂關(guān)鍵部位的有限元分析和校核162.6各關(guān)節(jié)角度的確定222.7 SolidWorks建模與裝配263機械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計283.1 Arduino開發(fā)板介紹283.2基于A

8、rduino控制舵機的原理283.3 Arduino控制程序的設(shè)計314基于Proteus的仿真測試324.1 Proteus電氣原理圖的建立324.2 仿真程序334.3 Proteus仿真結(jié)果分析354.總結(jié)不足與展望39參考文獻41謝 辭42附 錄431.緒論1.1自動物料分揀的研究背景及意義 社會的不斷發(fā)展促使著我們生活水平的提高，也使得市場上各企業(yè)的競爭愈發(fā)激烈，各個企業(yè)為了有效地占據(jù)一方席地，不斷地改進企業(yè)的生產(chǎn)模式，都迫不及待地提高生產(chǎn)水平，以致于提高生產(chǎn)效率，從而促進了產(chǎn)量與質(zhì)量的提高。為此企業(yè)們都采用了事先的物料分揀，以減少在生產(chǎn)過程中的組裝時間，有序且快速地完成早期物料分揀

9、已經(jīng)成為每個企業(yè)必須做的一件事情。分揀在傳統(tǒng)的意義上是把不同的物品按照一定的原則分門別類，以致于實現(xiàn)物料有序的空間位移。21世紀是我們目前所生活的年代，是世界經(jīng)濟發(fā)展的年代，更是科學力量強盛的一個年代，國家下達各種各樣的政策去解放生產(chǎn)力，發(fā)展生產(chǎn)力，為此，提高了對工業(yè)自動化的要求。生產(chǎn)力的提高，離不開對這一類智能控制的機械提出更高的要求，我們需要這機器更快速，更高的精度去完成生產(chǎn)任務。為此，世界各國都在不斷研究這類產(chǎn)品，高智能機器人更是種類繁多，層出不窮，想盡千方百計，盡量使到每個行業(yè)都走進自動化的道路。1隨著機器人技術(shù)的成熟，智能控制更是引領(lǐng)著時代的潮流，機器人以其實用性，靈活性，可靠性廣泛

10、應用與生活上各個行業(yè)，在工業(yè)生產(chǎn)上更是擔任著一個不可或缺的角色。機器人面世到現(xiàn)在已經(jīng)有了數(shù)十年，我們定義的機器人的范疇也更大，包羅萬象，基本上我們講的機器人就是一個非生物人造系統(tǒng)。如果說追本溯源的話，等于說還是一切都是從機械手臂開始講起，也就是說這些手臂是整個機器領(lǐng)域中發(fā)展最早的也是最完整的，人們通過仿照人的上臂而制造出機械臂。在以前，這一工作往往是通過人工的方式來完成的，通過人的感覺的識別并且經(jīng)過人大腦的分析處理作出動作的決定，再借助手或者其他工具來實現(xiàn)物件的分揀處理。比如，在制造業(yè)里，一些零件要求精度高，并且需要大規(guī)模生產(chǎn)，這時候，人手短時間內(nèi)完成這項工作基本上是難于上青天，在生產(chǎn)過后，還

11、要對其檢驗，對于某些含有放射性或者含有對人體有害物質(zhì)的零件，人手檢測更是不現(xiàn)實為此我們需要一些智能控制的機械來替人類完成這些任務。為了更好地完成人類的生產(chǎn)任務，就要提高精度，我們需要借助于一些傳感器來增強機械的感官，通過不間斷對傳感器的調(diào)試，提高機械的靈敏度，使其更為接近于人類，甚至超越人類，從而間接提高了生產(chǎn)效率。自動物料分揀就在這么的一個環(huán)境下誕生，各個大型企業(yè)的生產(chǎn)線上都是采用一些機械臂，根據(jù)人們事先設(shè)定好的一些指令，完成整個物料分揀的過程。產(chǎn)品分揀是工業(yè)自動化生產(chǎn)中的一項重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的人工分揀或示教工業(yè)機器人分揀無法適應現(xiàn)代工業(yè)對勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)過程自動化水平的需求，將機器視覺技

12、術(shù)與工業(yè)機器人相結(jié)合可使分揀作業(yè)具有更高的柔性和可靠性。2 1.2國外物料分揀系統(tǒng)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀像這種高科技集成品最開始都是國外發(fā)展起來的，后續(xù)才傳入國內(nèi)。早在1905年，奧地利就研制出一款名為光電分選機的機器，這類光電分選機其實就是物料分揀系統(tǒng)的前身。在上世紀四十年代，光電分選機開始應用于農(nóng)作物的選種及谷物、豆類等食品的分選。到了后期，50年代的時候，才開始了應用與重工業(yè)上，應用范疇擴展到了石灰石、白云石等建筑材料。隨著技術(shù)在該方面的應用逐漸地成熟，到了六七十年代，光電分選機的處理能力已經(jīng)達到了160噸每小時。320世紀60年代末，有一臺應用了新科技的機器人橫空出世，那就是美國斯坦福大學的

13、科學家們研發(fā)的新型視覺機器人，他們讓這臺機器人做了個有趣的實驗摘香蕉。這臺名為“賽克”的機器人具備了以往機器人所不具備的能力，它能夠準確識別出面前的東西究竟是不是香蕉，并且賽克在做出判斷后還能夠順利把香蕉摘下來，在經(jīng)過半個多小時的賽克也不負眾望，完成了實驗。經(jīng)過了這次的實驗科學家們相信接下來的研究成果將會更為震驚人類，為未來智能機器人的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。到了1979年，德國的雙仕S+S公司誕生了，下一年，也就是在1980年就率先推出了首款RAPID金屬分離器，如下圖1.1所示，奠定了該公司成為分揀技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，并且往后該公司不斷地在這領(lǐng)域上研究，到了2016年，又推出了金屬探測器INTUIT

14、Y，如下圖1.2所示該金屬檢測系統(tǒng)的檢測能力不僅限于鐵或磁性材料，還包括每種金屬。同時，該公司還使用了基于電磁感應的發(fā)射器/接收器的方法，當在運行的時候，金屬探測器會產(chǎn)生恒定的電磁場。如果一塊金屬穿過檢測器，則會干擾磁場。隨后接收到的信號記錄為金屬的存在，并且控制模塊中的軟件會分析記錄的信號，能夠可靠地將金屬污染物與環(huán)境或產(chǎn)品本身的干擾區(qū)分開。 圖1.1 首款RAPID金屬分離器 圖1.2 金屬探測器INTUITY普度大學的Rahardja,K.與Kosaka,A.研制出了一種基于機器視覺的物料分揀系統(tǒng)，如下圖1.3所示，它采用簡單的圓弧輪廓特征來描述復雜的零件，能夠較好地分揀多種不同的零件，

15、從裝有一堆零件的容器中撿取零件。4今年，德國Sesotec公司還展示了新型金屬分離器，如上圖所示1.4，通過RAPID PRO-SENSE 6擴展了其自由落體金屬分離器的工作范圍，具有更高的檢測精度，還配備了以太網(wǎng)接口供連接物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)互聯(lián)互通。 圖1.3 物料分揀機器人 圖1.4 新型金屬分離器在工業(yè)上，最早通常采用的是日本的SCARA型機器人，全球第一臺SCARA機器人就誕生于1978年，由日本山梨大學的牧野洋發(fā)明，該機器人擁有4個旋轉(zhuǎn)軸也即擁有4個空間自由度，包括了沿X、Y、Z方向的平移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)，多關(guān)節(jié)的運動，反應靈敏，定位精度高。隨著科技的進步，各式各樣的分揀系統(tǒng)相繼被研發(fā)出來，

16、可識別的范圍也越來越大，裝載在新型機械臂上的工作變得越來越可靠。51.3國內(nèi)物料分揀系統(tǒng)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀我國的工業(yè)機械手的研究與開發(fā)對比于日歐美這類發(fā)達國家起步較晚，起碼要比這些發(fā)達國家晚30年左右，起步于上世紀70年代左右，1972年我國第一臺機械手在上海開發(fā)成功，緊接著全國各個省份都開始研制和應用機械手。從這時候開始，自動分揀技術(shù)就在此時引進國內(nèi)。自動分揀系統(tǒng)早年出現(xiàn)在西方的一些發(fā)達國家的物流當中。該系統(tǒng)主要是由識別裝置，分揀裝置，傳送裝置和分揀道口四個部分組成，通過計算機網(wǎng)絡(luò)彼此聯(lián)系，同時配合適當?shù)娜斯た刂平M成了一個完整的分揀系統(tǒng)。識別裝置就是通過計算機輔助計算得出分析結(jié)果，進而識別該物

17、料的類別；分揀裝置就是根據(jù)識別裝置發(fā)出的指令驅(qū)動諸如機械臂，機器人來對物料進行搬運，不同規(guī)格的物料就有不同的搬運機構(gòu)；傳送裝置就是傳送帶或者是輸送機，顧名思義就是來運輸物料，就像人類的血管，是組成整個自動分揀系統(tǒng)脈絡(luò)的主要部分；最后的分揀道口就是傳送帶末端所連接的地方，也就是分揀完成或者是未開始分揀時候的一個儲存?zhèn)}庫的門口。分揀技術(shù)在物流中應用最為普遍，尤其是一些快遞公司。62019年年初，京東推出了國內(nèi)首個物流自動分揀系統(tǒng)，規(guī)模巨大，如下圖1.5所示，該系統(tǒng)應用了幾個當今世界上位于前沿的科技于一身，主要有時下最熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)萬物互聯(lián)，方便控制與管理。最主要的突破就是超高

18、頻360讀碼技術(shù)，在物件分揀過程中，通常是采用多個裝一袋，利于節(jié)省空間與分揀時間，但是由于內(nèi)裝有多個物件導致外包裝袋表面凹凸不平，從而造成了在計算機識別表面條形碼的時候識別不到，然而，360的讀碼就不同了，采取了多個攝像頭能夠全方位照到識別碼，還有的是配合柔性分揀技術(shù)，可以適應不同的工作環(huán)境，操作更為人性化。多個系統(tǒng)彼此經(jīng)過了長時間磨合工作后，該分揀系統(tǒng)工作一天下來，可以處理十萬個集包袋的分揀流程，高速分揀的同時，分揀的精準度到達百分百不是問題。該技術(shù)的出現(xiàn)使得國內(nèi)的物流分揀技術(shù)又上升到了一個新的階段。圖1.5 京東IoT分揀系統(tǒng)同樣的自動分揀系統(tǒng)被應用在圖書館里，在2018年，首個國產(chǎn)的圖書

19、自動分揀系統(tǒng)誕生了，也是采用了目前最先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，硬件均采取模塊化設(shè)計，可兼容ISBN、條碼、二維碼、RFID標簽等多種標識多種碼制。還有的是，現(xiàn)在可持續(xù)發(fā)展，保護環(huán)境是時代的潮流，各種垃圾分揀系統(tǒng)應運而生，而我國的垃圾日產(chǎn)量是全世界最高的，比如說，在上海應用了一批智能分揀的機器手，在攝像的視覺識別技術(shù)和識別特定物體的大數(shù)據(jù)計算機系統(tǒng)分析下，可以對特定垃圾進行精確的定位，并且快速地從中揀出，這無疑是節(jié)省了分揀時間，大大減輕了當?shù)胤e土成山的垃圾處理的壓力。總的來說，掌握自動分揀核心技術(shù)已成為了各大企業(yè)的頭號目標。1.4本文設(shè)計的主要內(nèi)容本文主要設(shè)計的是基于Arduino控制的四自由度機械臂，

20、先設(shè)計一個合適的機械臂，對其進行強度校核，運動仿真分析，再編寫相應的程序來控制機械臂的運動。本設(shè)計的總工作流程是先通過基于Matlab的圖像識別分析出該物料的歸屬范疇，然后就給予機械臂一個坐標，再通過Arduino的普通數(shù)字傳感器接口產(chǎn)生占空比不同的方波，模擬產(chǎn)生出PWN信號來進行舵機定位，從而實現(xiàn)對機械臂的控制，完成物料分揀的整個任務流程。最后基于Proteus軟件對其電氣原理圖進行仿真，驗證Arduino程序?qū)εc錯。2機械臂本體的設(shè)計2.1機械臂類型方案選擇 機械臂的種類繁多，首先是針對坐標形式和驅(qū)動形式，對其進行一系列的選型，選擇最為合適的方案，對整體功能實現(xiàn)起到關(guān)鍵作用。6（1）坐標形

21、式笛卡爾坐標：機械臂在由x、y、z組成的右手直角坐標內(nèi)做直線運動，名為笛卡爾坐標，如下圖2.1所示。該類型需要預留大量的操作空間，剛性的結(jié)構(gòu)給末端位置提供了精確的位置，但是該類型維護起來較難，由于直線運動是采用旋轉(zhuǎn)電機配合上螺母和滾珠絲杠來實現(xiàn)的，因此堆積在螺桿中的灰塵會影響機械臂的滑動，且其組件必須采用剛性高的材料，這類機械臂造價較高，考慮到成本關(guān)系且占據(jù)空間大，工作范圍小，故對此類型坐標不做考慮。7圖2.1 笛卡爾坐標機械臂圓柱坐標：該類型機械臂采用了兩個平移關(guān)節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，運動坐標就是圓柱坐標，如下圖2.2所示。圖中機械臂能夠作出z軸方向的伸長與縮短運動、y軸方向的上下移動和腰關(guān)節(jié)的

22、360度旋轉(zhuǎn)運動。與直角坐標相比較，該工作空間是一個圓柱體，與長方體空間相比較，空間要小一點，可以看到，如果所要抓取的物體高度比機械臂底座要矮，則根本抓取不了，這在一定的程度上限制了手臂的發(fā)揮空間，同時慣性也比較大。同樣的，其直線驅(qū)動部分也難以實現(xiàn)防塵?？紤]到本設(shè)計要識別抓取地面上的工件，故不采用該坐標形式的機械臂。圖2.2 圓柱坐標機械臂球形坐標：該類型采用了一個平移關(guān)節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，如下圖2.3所示。球形坐標可以完成繞其中心軸的旋轉(zhuǎn)作業(yè)，中心支架附近的工作范圍大，但是這種坐標型機械臂難以實現(xiàn)控制，原因是球形坐標系復雜。保留著直線驅(qū)動裝置，該裝置還是存在著工作死區(qū)和密封保護的問題，同樣的，

23、其直線驅(qū)動部分也難以實現(xiàn)防塵。故不采用該類型坐標。圖2.3 球型坐標機械臂旋轉(zhuǎn)坐標：此類機械臂又稱關(guān)節(jié)型機械臂，如下圖2.4所示。其工作空間表面是一個不規(guī)則集幾何體。該類型的機械臂結(jié)構(gòu)相對于上述三種坐標的結(jié)構(gòu)較為簡單，這就使得在制造這類機械臂的時相對簡單一點。其最大的特點就是工作的空間范圍，只要在機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計上多加幾個關(guān)節(jié)，就可以實現(xiàn)多自由度的運動，配合其控制系統(tǒng)，其運動軌跡可以是多種多樣的，只要對控制系統(tǒng)的程序進行編輯，就可以控制那些關(guān)節(jié)部位，從而控制機械臂的整個運動。由于其發(fā)展空間大，各行各業(yè)都應用廣泛，同時也是目前世界上在機械系統(tǒng)中最為普通應用的坐標形式。在重型工業(yè)生產(chǎn)上，只需要透過程

24、序的設(shè)定，就可以精確定位工件的位置，許多公司都采用該類型機械手去代替人們完成一些工作，就跟人的手臂一樣靈活，進而提高了生產(chǎn)效率?？紤]到本設(shè)計要用到matlab的圖像識別，需要程序來控制機械臂運動，且結(jié)構(gòu)簡單，故采用該類型的坐標形式。8圖2.4 旋轉(zhuǎn)坐標機械臂（2）驅(qū)動方式機械手驅(qū)動機構(gòu)主要有4種：氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。氣壓驅(qū)動：是利用了先將空氣壓縮起來，然后再釋放出壓縮時候所積聚的空氣壓力，從而驅(qū)動機構(gòu)運動，氣動驅(qū)動的特點是壓縮空氣時間短暫，從而使得機構(gòu)運動起來動作快，一套壓縮空氣裝置，結(jié)構(gòu)較為簡單，且主要能源是利用空氣，所以成本也不高。但是大氣中參雜著各種雜質(zhì)，所以在壓縮速

25、度上快是快，就是不穩(wěn)定。因此，該驅(qū)動方式并不適用與對速度控制要求嚴格的場合。 液壓驅(qū)動：是利用了壓縮油液時候的壓力來驅(qū)動機構(gòu)的運動，該驅(qū)動方式的特點是重量小、慣性小，可做到經(jīng)?？焖偾覠o沖擊的變速和換向，容易控制，動作相對平穩(wěn)，遲滯小，但是對密封性能要求嚴格，必須防止液體的泄漏直接對機械臂的工作性能造成影響。機械驅(qū)動：是以機械傳動機構(gòu)進行驅(qū)動，比如有連桿、凸輪、齒輪和齒條，這類驅(qū)動特點是運動準確可靠，動作頻率高，但是結(jié)構(gòu)較大，只用作于動作固定的場合，不易于調(diào)整，且需要考慮較多的可影響因素，多種機械零件要具備一定的剛度，否則容易產(chǎn)生磨損現(xiàn)象，影響機械臂工作性能。 電力驅(qū)動：該驅(qū)動方式是利用了特殊結(jié)

26、構(gòu)的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動，由于電機的轉(zhuǎn)速相當快，扭矩大，所以用在機械臂上可以使響應速度變快，驅(qū)動力較大，配合其它電子設(shè)備在一起工作的話，信號檢測、數(shù)據(jù)處理都會變得方便，并可采用多種靈活的控制方案，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單，維護和使用方便，目前，用各種電機的電力驅(qū)動是較為普遍的，如步進電機、直流伺服電機、無刷交流電機。9綜上所述，本文設(shè)計采用的是伺服電機驅(qū)動的四軸旋轉(zhuǎn)坐標機械臂。2.2機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計是整體設(shè)計中的重要部分，搭配其他系統(tǒng)的設(shè)計，就組成了一個完整的機械臂系統(tǒng)。 一個機械臂能否正常工作，這取決于機械系統(tǒng)是否設(shè)計合理。在設(shè)

27、計的時候，首先面對的第一個問題是該如何抓取面前的物件，我們第一時間考慮的是物件的自重，機械臂的承載能力就是第一個問題，在抓到物件移動的時候，要承受多大的力才能夠使各個構(gòu)件協(xié)調(diào)工作。然后是考慮第二個問題，關(guān)節(jié)型機械臂的關(guān)節(jié)在轉(zhuǎn)動時，都會產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)動慣量，尤其是回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，慣量過大，不易于對機械臂的控制，定位精度就會下降，通常在設(shè)計的時候都會根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量計算公式，盡量限制與其相關(guān)的參數(shù)大小，避免轉(zhuǎn)動慣量增大。還要考慮的第三個問題是重力矩的大小，這直接影響了關(guān)節(jié)部位是否承受得住該力矩，力矩過大，關(guān)節(jié)部位會發(fā)生損壞，同時還會出現(xiàn)沉頭的現(xiàn)象，對整體靈活性造成一定的影響，為此，為了減少重力矩，設(shè)計

28、上時候，要不就采用屈服強度高的材質(zhì)，就算扭矩大，也不易于發(fā)生變形，要不就減少手臂重心到回轉(zhuǎn)軸的距離。最后是考慮各構(gòu)件組合在一起的時候是否合情合理，各構(gòu)件都有不同的優(yōu)缺點，要揚長避短，要知道，短板效應會嚴重影響一個機械臂的性能指標。本設(shè)計的機械臂包括：大臂，小臂，機座，末端執(zhí)行器和舵機驅(qū)動系統(tǒng)組成，一共有4個空間自由度，依次是機座腰部帶動整個臂的回轉(zhuǎn)運動，大臂肩關(guān)節(jié)的擺動，小臂肘關(guān)節(jié)的擺動，末端執(zhí)行器腕關(guān)節(jié)的擺動，這里末端執(zhí)行器采用的是真空吸盤裝置。2.3末端執(zhí)行器真空吸盤與氣泵的選用（1）吸盤作用簡述：吸盤顧名思義就是要負責吸取工件，我們對吸取又有一定的要求，無論我們需要吸取什么材料的工件，都

29、要吸得起來，吸持力足夠，這就需要密封性能要好，并且不對工件造成影響。因此，市面上，吸盤的材料一般都是橡膠制成，常見的橡膠是丁腈橡膠，該橡膠扯斷力足夠大，在使用時與工件貼合性好，不易漏氣，橡膠本身就軟，不會對工件表面造成磨損，最重要的是，橡膠造價低廉，用后扔掉，橡膠特性也容易被處理掉，不污染環(huán)境。 （2）本設(shè)計的要求和所要吸取物料的重量：本設(shè)計選用的是平直型真空吸盤，具體工作原理就是首先將真空吸盤通過接管與真空設(shè)備接通,然后與待提升物料的表面進行接觸,啟動真空電子設(shè)備進行抽取掉內(nèi)部的所有空氣,使其內(nèi)部產(chǎn)生負氣壓,在外界大氣壓力下，使得吸盤與物料表面牢牢貼合在一起，也就可以開始搬送物料。當物料搬運

30、到目標位置的時候,再啟動電子閥門，使泄氣閥門打開，平穩(wěn)地充將空氣充入吸盤內(nèi)部,使真空吸盤內(nèi)由氣壓與外界氣壓相差不大,真空吸盤就會脫離物料的表面，完成整個搬運過程。 初步確定所需吸取的物料重量最大為0.4kg。（3）確定所選用吸盤與氣泵的各項參數(shù)：選用吸盤：本設(shè)計吸取物料時候是水平起吊，水平起吊時的理論吸吊力： F=nPS0.1=nPD241000.1 (式2.1)吸吊力=理論吸吊力/t其中：F：吸吊力（N）； m：所吸取物料的重量（kg）； P：真空壓力（KPa）；S：吸盤面積（cm2）； n：吸盤個數(shù)； D：吸盤直徑（mm）； t：安全系數(shù)：水平起吊時為4以上，垂直起吊時為8以上；分析：根據(jù)

31、設(shè)計要求所需吸取的物料重量最大為0.4kg，故實際至少需要的水平吸吊力（安全系數(shù) t 取4）為15.68N。再根據(jù)上述實際所需要的吸吊力，查吸盤水平提升力表，如下表2.1所示,取吸附力為17.1N，可得真空壓力為-400mmHg，直徑為20mm，材料選擇的是丁腈橡膠，故選用的型號為ZP20UN。表2.1 吸盤水平提升升力表吸盤水平提升升力表單位：N吸盤直徑(mm)246810131620吸盤面積(cm2)0.0310.1260.2830.5030.7851.332.013.14真空壓力 (mmHg)-6500.281.112.504.446.9411.717.727.8-6000.261.02

32、2.314.106.4110.816.425.6-5500.230.942.113.765.879.915.023.4-5000.220.851.923.425.349.013.721.3-4500.190.771.733.074.838.112.319.2-4000.170.681.542.734.277.210.917.1-3500.150.601.352.393.746.39.615.0選用氣泵：根據(jù)本設(shè)計的要求，這里選用的是無刷微型氣泵，配備電磁閥，如下圖2.5所示，具體參數(shù)如下：圖2.5 無刷微型氣泵型號：VBY2106； 電壓：直流24V；流量：6L/Min； 真空度：50Kpa；

33、功率：20W；特點：對比于有刷的氣泵，無刷電機驅(qū)動的氣泵壽命更長；體積小，適合應用于吸取物件重量小的場合；可以通過arduino控制氣泵進行工作。2.4各關(guān)節(jié)舵機的選型(1)主要參數(shù)確定如下圖2.6所示，機械臂各部分的尺寸和重量如下：圖2.6 機械臂各部分尺寸和重量1.大臂的第一關(guān)節(jié)軸和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為106mm，大臂質(zhì)量M1為264g,重心在距離第一關(guān)節(jié)軸55mm處，L1=55mm。2. 小臂的第二關(guān)節(jié)軸和第三關(guān)節(jié)軸之間的距離為130mm，質(zhì)量M2為300g，重心在距第二關(guān)節(jié)軸65mm處，L2=106+65=171mm。3.腕部末端執(zhí)行器采用的是真空吸盤裝置，其裝置以及最大重物質(zhì)量M3

34、為900g，其重心在距離第三關(guān)節(jié)軸20mm處，L3=106+130+20=256mm。小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離為L4=65mm。腕部末端執(zhí)行器重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離為L5=130mm+20mm=150mm。4.腕部末端執(zhí)行器重心距第三關(guān)節(jié)軸距離為L6=20mm該機械手的基本技術(shù)參數(shù)如下：機身回轉(zhuǎn)運動：180，角速度60/s大臂俯仰運動：90，角速度60/s小臂俯仰運動：90，角速度60/s腕部末端執(zhí)行器俯仰運動：90，60/s假定負載最大重量：3.92N（2）各個自由度轉(zhuǎn)動慣量的計算我們知道當機械臂在工作的時候，機械臂做出不同的動作，其中，當大臂，小臂及末端執(zhí)行器呈一條直線且與水平地

35、面平行時，這時的各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量最大，因此，分析機械臂伸開呈一條直線時候的情況即可，即如上圖2-4所示。設(shè)大臂,小臂和末端執(zhí)行器繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量為JG1, JG2, JG3，根據(jù)平行平行軸定理，可得繞其第一關(guān)節(jié)軸，即肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量為J1J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 (式2.2)其中M1， M2， M3分別為大臂，小臂，末端執(zhí)行器的質(zhì)量，由于JG1M1L12，JG2M2L22，JG3M3L32，因此JG1M1L12，JG2M2L22，JG3M3L32可忽略不計，則J1=0.2640.0552+0.30.1752+0.90.262=0.070kgm2同

36、理可得：小臂以及腕部末端執(zhí)行器繞其第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：J2=M2L42+M3L52 (式2.3）其中M2為0.3 kg，M3為0.9 kg，L3為0.256m，L5為0.15m，則J2=0.30.0652+0.90.152=0.0216 kgm2同理可得末端執(zhí)行器繞其第三關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：J2=M3L62 (式2.4)其中，M3為0.3kg，L6為0.02m，則J3=M3L62=0.0004kgm2 (式2.5)腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為本設(shè)計中的舵機固定架繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量加上大臂與小臂繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和。同理可得，腰關(guān)節(jié)繞旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為： J4=J1=0.07kgm

37、2 (式2.6）（3）各個自由度舵機的選型計算大臂：根據(jù)設(shè)定的大臂角加速度為1=60/s，則從0=0到1=60/s所需要的時間t為0.1s，根據(jù)公式T=J10t，則T1=J110t=0.0730.1=0.73 Nm (式2.7)若考慮繞機械臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則舵機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：1.46 Nm，經(jīng)過單位的換算可知，1.46Nm=14.6kgcm查閱舵機相關(guān)資料，選用Futaba系列S9152型舵機，如下表2.2所示：表2.2 S9152型舵機參數(shù)編碼重量尺寸扭矩數(shù)字85g長49mm4.8V：16.0kg/cm 寬24.9mm6.0V：20.0kg

38、/cm高39.9mm速度馬達類型軸承齒輪材料4.8V:0.23秒/60空心杯雙軸承金屬6.0V:0.19秒/60小臂：根據(jù)設(shè)定的小臂角加速度為2=30/s，則從0=0到1=30/s所需要的時間t為0.1s，根據(jù)公式T=J20t，則T2=J220t=0.021660.1=0.11 Nm (式2.8）若考慮繞機械臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則舵機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：1Nm，經(jīng)過單位的換算1Nm=10kgcm，查閱舵機相關(guān)資料，選用Futaba系列BLS252型號舵機，如下表2.3所示：表2.3 BLS252型號舵機參數(shù)編碼重量尺寸扭矩數(shù)字58g長39.9mm4.8V：10.0kg

39、/cm 寬20.1mm6.0V：12.6kg/cm高37.1mm速度馬達類型軸承齒輪材料4.8V:0.16秒/60無刷雙軸承金屬6.0V:0.23秒/60末端執(zhí)行器：根據(jù)設(shè)定的末端執(zhí)行器角加速度為3=30/s，則從0=0到1=30/s所需要的時間t為0.1s，根據(jù)公式T=J30t，則T3=J330t=0.000460.1=0.002 Nm (式2.9)若考慮繞機械臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則舵機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：1Nm，經(jīng)過單位的換算1Nm=10kgcm，查閱舵機相關(guān)資料，選用Futaba系列BLS252型號舵機。腰部關(guān)節(jié)：由于J4=J1=0.07kgm2，根據(jù)設(shè)定角加速

40、度4=60/s，則從0=0到4=60/s所需要的時間t為0.1s，根據(jù)公式T=J40t，則 T4=J440t=0.0730.1=0.7326 Nm (式2.10)若考慮繞機械臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則舵機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：1.47 Nm，經(jīng)過單位的換算可知，1.47Nm=14.7kgcm，查閱舵機相關(guān)資料，選用Futaba系列S9152型舵機。（4）靜應力分析 分別對機械臂的大臂和小臂進行受力分析，當整個機械臂呈一條直線且與水平面平行時，此時大臂所受的力最大，如下圖2.7所示，圖2.7 機械臂受力分析圖F1和F2分別表示大臂所受到其他兩桿對于大臂的上作用

41、力和下作用力，G1=2.64N為大臂的重力，G2=3N為小臂的重力，G3=0.58N為肘關(guān)節(jié)舵機的重力，G4=0.58N為腕關(guān)節(jié)舵機的重力，G5=5N為末端執(zhí)行器裝置的重力， G6=4N為本設(shè)計所需的負載，由力的合成可求得：F2=G2+G3+G4+G5+G6=3+0.58+0.58+5+4=13.16N (式2.11)則F1= F2+ G1=13.16+2.64=15.8N (式2.12) 當整個機械臂呈一條直線且與水平面平行時，此時小臂所受的力最大，如下圖2.8所示，圖2.8 機械臂受力分析圖分析可得：F4=G4+G5+G6=0.58+5+4=9.58N (式2.13)則 F3= F4+ G

42、2+G3=9.58+3+0.58=13.16N (式2.14)如下圖2.9所示，已知L1=0.106m為肩關(guān)節(jié)到肘關(guān)節(jié)的距離，L2=0.130m為肘關(guān)節(jié)到腕關(guān)節(jié)的距離，L3=0.05m為腕關(guān)節(jié)到重物的距離，進行擺動相的計算，腕關(guān)節(jié)擺動負載力矩M1：圖2.9 機械臂受力分析圖 M1=G6L3=40.05=0.2 Nm (式2.15)通過之前腕部舵機的選型，F(xiàn)utaba系列BLS252型號所提供的轉(zhuǎn)矩為1Nm，該轉(zhuǎn)矩大于腕關(guān)節(jié)擺動負載力矩，故舵機該選型符合設(shè)計要求。 肘關(guān)節(jié)擺動負載力矩M2：M2=G6（L3+L2）+G4L2 (式2.16) =40.05+0.13+0.580.13 =0.8Nm

43、通過之前肘關(guān)節(jié)舵機的選型，F(xiàn)utaba系列BLS252型號所提供的轉(zhuǎn)矩為1Nm，該轉(zhuǎn)矩大于肘關(guān)節(jié)擺動負載力矩，故舵機該選型符合設(shè)計要求。肩關(guān)節(jié)擺動負載力矩M3：M3=G6L3+L1+L1+G4L2+L1+G3L1 (式2.17) =1.34Nm通過之前肘關(guān)節(jié)舵機的選型，F(xiàn)utaba系列S9152型號所提供的轉(zhuǎn)矩為1.6Nm，該轉(zhuǎn)矩大于肩關(guān)節(jié)擺動負載力矩，故舵機該選型符合設(shè)計要求。2.5機械臂關(guān)鍵部位的有限元分析和校核有限元法的定義就是尋找一個簡單的問題去代替我們手頭上一個復雜的問題。它將求解域看成是由許多個稱為有限元的小互連子域組成，對每一單元先是假設(shè)一個簡單合適的近似解，然后推導求解這個域總

44、的滿足條件，從而得到問題的解。因此，有限元法可以解決在產(chǎn)品設(shè)計上遇到的一些難以解決的問題，并且廣泛應用于各行各業(yè)。10Simulation是SolidWorks公司開發(fā)的功能強大的有限元分析工具軟件，運用SolidWorks Simulation，可以將之前所做的設(shè)計的產(chǎn)品進行歸納總結(jié)，得出分析結(jié)果是否正確、分析誤差是否合理、分析產(chǎn)品是否符合設(shè)計的要求以及對方案提出優(yōu)化修改要求，從而極大地縮短了新產(chǎn)品的設(shè)計周期，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，能夠盡可能地發(fā)揮出產(chǎn)品性能優(yōu)秀的一面。SolidWorks Simulation 能夠提供豐富的計算與分析工具來應對較為復雜的零件及裝配體進行運算、測試和分析，其主要

45、功能包括應力計算與分析、應變計算與分析、產(chǎn)品設(shè)計及優(yōu)化、線性與非線性分析等。11通過長期的研究發(fā)現(xiàn)，機械臂的結(jié)構(gòu)在呈一條水平直線時容易發(fā)生磨損，為此，通過對機械臂進行一系列的校核以確定該設(shè)計的結(jié)構(gòu)是否滿足強度條件，這里分析校核過程需要用到有限元分析軟件。結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形，會對產(chǎn)品性能大打折扣。12為了檢測該設(shè)計的結(jié)構(gòu)合理性，下面主要做的有限元分析是做屈服極限和變形的位移量的分析檢測。（1）大臂有限元分析：首先是確定大臂的材質(zhì)，這里采用的是普通碳鋼，該材質(zhì)具體參數(shù)如下表2.4所示：表2.4 普通碳鋼材質(zhì)參數(shù)彈性模量中泊松比質(zhì)量密度210000牛頓/mm20.287800kg/m3張力強度屈服強度

46、熱膨脹系數(shù)399.83牛頓/ mm2220.59牛頓/ mm21.3005然后是添加約束，以此來固定住大臂的位置，再施加外力，上面已經(jīng)計算出在手臂呈一條水平直線時候所受的力，大臂受到其他兩桿對于大臂的上作用力F1為15.8N和下作用力F2為13.16N。隨后進行運算分析，即對該零件進行網(wǎng)格化處理，有限元模型的計算。最后運行此算例，得到下面的一系列分析結(jié)果,如下圖2.10，2.11，2.12，2.13所示。圖2.10 大臂左側(cè)支架應力圖 圖2.11 大臂左側(cè)支架位移圖 圖2.12 大臂右側(cè)支架應力圖圖2.13 大臂右側(cè)支架位移圖運算該算例后，在應力圖中紅色是表示應力最大集中的地方藍色則表示最低應

47、力，在位移圖中，紅色表示位移量最大的地方，相反，藍色則表示位移量最小的地方，可以發(fā)現(xiàn)大臂左側(cè)支架最大應力為3.513+007N/m2，該應力數(shù)值遠遠低于普通碳鋼的屈服極限2.206+008N/m2，大臂右側(cè)支架最大應力為5.720+007N/m2，也是遠遠低于屈服極限，然后分析左右兩側(cè)支架的位移圖，兩個紅色位移的地方分別為0.008602mm和0.004186mm，總位移量相當小，因此在經(jīng)過一段時間正常工作后，是不會對該零件造成很大的彎曲變形，對整個產(chǎn)品的性能影響幾乎可以忽略，這是可以滿足設(shè)計的要求。（2）小臂有限元分析：小臂的材質(zhì)也是采用了普通碳鋼，也是對兩端施加所產(chǎn)生的力矩，網(wǎng)格化，運行算

48、例后得到下面一系列的結(jié)果分析圖，如下圖2.14，2.15，2.16，2.17所示。圖2.14 小臂右側(cè)支架應力圖圖2.15 小臂右側(cè)支架位移圖圖2.16 小臂左側(cè)支架應力圖圖2.17 小臂左側(cè)支架位移圖從圖中可以看到小臂左側(cè)支架最大應力為1.250+007N/m2，該應力數(shù)值遠遠低于普通碳鋼的屈服極限，大臂右側(cè)支架最大應力為1.275+007N/m2，也是遠遠低于屈服極限2.206+008N/m2，然后分析左右兩側(cè)支架的位移圖，兩個紅色位移的地方分別為0.003054mm和0.008952mm，總位移量相當小，因此這是可以滿足設(shè)計的要求。（3）腰關(guān)節(jié)三舵機固定架有限元分析：如下圖2.18，2.

49、19所示。圖2.18 腰關(guān)節(jié)三舵機固定架應力圖圖2.19 腰關(guān)節(jié)三舵機固定架位移圖該材質(zhì)也是采用了普通碳鋼，運行此算例后從圖中可以看到腰關(guān)節(jié)三舵機級固定架最大應力為7.008+007N/m2，該應力數(shù)值遠遠低于普通碳鋼的屈服極限2.206+008N/m2，然后分析位移圖，由于腰部關(guān)節(jié)要帶動整個機械臂和重物一起運動，所承受的載荷比較大，在頂端紅色部分比較明顯，紅色那里發(fā)生位移的地方為0.01545mm，但是總位移量相當小，對產(chǎn)品的性能影響可以忽略不計，因此這也是可以滿足設(shè)計的要求。（4）總結(jié)受力構(gòu)件由于自身因素，比如說構(gòu)件的幾何形狀，外形尺寸發(fā)生突變而引起的局部范圍內(nèi)應力顯著增大的現(xiàn)象，當然還會

50、受到外界因素影響，這都是使到應力集中的原因，應力集中導致的問題很多，使得產(chǎn)品性能會有所降低，但是應力集中是我們設(shè)計產(chǎn)品過程中不可避免的一個問題，因此，我們在設(shè)計上也只能是從上述原因中去改變構(gòu)件才能減少應力的集中，折合眾多影響產(chǎn)品性能的因素，把有害因素降到最低，更為發(fā)揮出產(chǎn)品性能優(yōu)秀的一面。122.6各關(guān)節(jié)角度的確定所要分揀的物料是經(jīng)過傳送帶傳送到機械臂面前，在設(shè)計控制系統(tǒng)前，要對物料的坐標進行確定，或者是在吸盤底面到達物料表面的時候，要對機械臂各關(guān)節(jié)的角度進行計算，本文這里計算的角度是基于二維平面上，所求的角度分別為大臂張角，大臂末端與小臂的張角，最后是末端執(zhí)行器與小臂末端的張角，有了這幾個角

51、度參數(shù)，對于控制系統(tǒng)的設(shè)計將有很大的幫助。本文所要分揀的物料有3種，分別是化妝品瓶蓋，Iphone充電器，等腰三角板，這幾樣東西都是生活上常見的。具體參數(shù)如下表2.5所示：表2.5 物料的長寬高化妝品瓶蓋等腰三角板充電器直徑為35mm底邊長度為60mm長度為45mm高度為28mm兩腰長度為70mm寬度為45mm厚度（高度）為10mm高度為20mm(1)當物料為瓶蓋時，各關(guān)節(jié)角度的確定。將機械臂各關(guān)節(jié)簡化為一條直線后，得到如下圖2.20所示。同時末端執(zhí)行器上的吸盤如下圖2.21所示. 圖2.20 機械臂各部分尺寸 圖2.21 機械臂吸盤AB=70.5mm為桌面到大臂舵機軸心的距離，BC=106m

52、m為大臂兩關(guān)節(jié)軸的距離，CD=130mm為小臂兩關(guān)節(jié)軸的距離，BD=150mm為大臂舵機軸心到瓶蓋重心的距離，DE為末端執(zhí)行器加上吸盤的長度為60mm，由于硅膠吸盤上端有一段20mm的彈簧伸縮，主要是用來緩沖吸取物品時候的壓力，故DE的真實長度要減去彈簧緩沖的長度。知道這幾個距離就可以應用余弦定理等公式算出各關(guān)節(jié)在二維平面上的角度。已知瓶蓋高度為28mm,則DF=DE+EF=6020+28=68mm (式2.18)tanDAF=DFAF=0.45，DAF=24 (式2.19)tanADF=AFDF=2.21, ADF=66 (式2.20)AD=AF2+DF2=164.69mm,BAD=90DA

53、F=66(式2.21)BD=AB2+AD22ABADcos65=149.26mm (式2.22)cosADB=BD2+AD2AB22BDAD=0.90，ADB=26 (式2.23)cosCBD=BD2+BC2BC22BDBC=0.52，CBD=58 (式2.24)cosCDB=BD2+CD2AB22BDCD=0.72，CDB=44 (式2.25)BCD=180CDBCBD=78 (式2.26)ABD=180BADBDA=88 (式2.27)CBG=180ABDCBD=34 (式2.28)CDB+ADB+ADF=136 (式2.29)（2）當物料為充電器時，各關(guān)節(jié)角度的確定。將機械臂各關(guān)節(jié)簡化為一條直線后，得到如下圖2.22所示。圖2.22 機械臂各部分尺寸已知充電器高度為20mm，則DF=DE+EF=6020+20=60mm (式2.30)tanDAF=DFAF=0.40，