三自由度机械手设计：电机驱动与控制系统详解

本次研究聚焦于三自由度机械手的设计，它是一种专用于实验的机械装置，由手爪、手臂、机身和机座等多个组件构成，具备上料和搬运等多种实用功能。机械手的结构特点是采用了关节式布局，可以实现水平旋转、手臂垂直摆动等三个自由度的动作，这使得其在空间操作灵活性上具有显著优势。驱动系统选用电机驱动，通过电机驱动减速机，进而控制旋转轴的运动，这种电动驱动方式具有高精度、反应灵敏以及高速连续轨迹控制的优点，特别适合伺服控制。 设计过程中，方案的确定和比较分析占据了重要地位。首先，机械手的机械系统经过了细致的比较和选择，考虑了结构复杂性、成本效益、耐用性和维护性等因素。同样，驱动系统的比较也侧重于电动与液压、气压等其他驱动方式的性能对比，最终确定了电机驱动方案。 在驱动源的选择和设计计算环节，技术参数如负载能力、速度范围等被精确地确定下来。针对三个关键关节（大臂、小臂和腰部）的电机选择，分别进行了详细的计算，包括电机功率需求、扭矩计算等，确保了每个关节的顺畅运行。 手部结构的设计是机械手的关键部分。设计者根据抓取物体的类型和任务需求，选择了夹持式手部结构，并对手指的形状和分类进行了深入研究。在设计过程中，除了考虑抓取力和稳定性，还进行了弹簧设计、疲劳强度和应力强度的验算，以及气缸直径、壁厚和活塞杆行程的计算，以确保手部操作的可靠性和安全性。 机械部件的设计与校核包括了轴的设计、强度分析、键的选择、轴承寿命评估以及联轴器和圆锥销的匹配性测试，这些都是保证机械手结构坚固和运行稳定的基础。 控制系统设计则采用了单片机作为核心，如8051单片机，构建了一个最小系统，包括复位电路、振荡电路和串行接口电路，实现了关节的伺服控制、运动状态监测、程序修改和参考点设定等功能。 该三自由度机械手设计项目不仅涉及机械结构、驱动系统、选型计算，还包括了精细的手部设计和严格的机械部件校准，以及智能化的控制系统，展示了精密机械工程在实际应用中的多方面考虑和技术挑战。