基于图像识别的物料分拣系统——机械臂设计与控制定稿

1、北京理工大学珠海学院2016届本科生毕业设计基于图像识别的物料分拣系统机械臂设计与控制基于图像识别的物料分拣系统机械臂设计与控制摘 要21世纪的今天，科技高度发达,为了顺应当代科技潮流本文设计出自动物料分拣的机械臂，以配合我们设计的基于Matlab图像识别的物料分拣系统。本文以这四个自由度的机械臂为研究对象，对其进行机械机构的设计，静力学分析，用SolidWorks的Simulation进行有限元分析，进而验证机械臂的可行性，然后采用Arduino开发板来控制舵机，就是通过信号线发送一系列脉冲，改变脉冲宽度来改变舵机的旋转角度，从而实现机械臂产生不同的运动。最后基于Proteus软件对舵机进行

2、仿真，得到仿真出来的脉冲宽度。分拣的总工作流程就是利用Matlab进行图像识别，检测出该物料的类别，然后输出坐标和数据给Arduino，事先在Arduino中编写程序，产生脉冲控制舵机转动，从而完成机械臂对物料的整个分拣动作。关键词： SolidWorks有限元分析；Arduino控制系统；PWN脉冲；舵机; 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 录1.绪论11.1自动物料分拣的研究背景及意义11.2国外物料分拣系统的发展历史与现状21.3国内物料分拣系统的发展历史与现状41.4本文设计的主要内容52机械臂本体的设计62.1机械臂类型方案选择62.2机械臂结构设计92.3末端执行器真空吸盘与气泵的选用92.4各关节舵机的选型112.5机械臂关键部位的有限元分析和校核162.6各关节角度的确定222.7 SolidWorks建模与装配263机械臂控制系统的设计283.1 Arduino开发板介绍283.2基于A

8、rduino控制舵机的原理283.3 Arduino控制程序的设计314基于Proteus的仿真测试324.1 Proteus电气原理图的建立324.2 仿真程序334.3 Proteus仿真结果分析354.总结不足与展望39参考文献41谢 辞42附 录431.绪论1.1自动物料分拣的研究背景及意义 社会的不断发展促使着我们生活水平的提高，也使得市场上各企业的竞争愈发激烈，各个企业为了有效地占据一方席地，不断地改进企业的生产模式，都迫不及待地提高生产水平，以致于提高生产效率，从而促进了产量与质量的提高。为此企业们都采用了事先的物料分拣，以减少在生产过程中的组装时间，有序且快速地完成早期物料分拣

9、已经成为每个企业必须做的一件事情。分拣在传统的意义上是把不同的物品按照一定的原则分门别类，以致于实现物料有序的空间位移。21世纪是我们目前所生活的年代，是世界经济发展的年代，更是科学力量强盛的一个年代，国家下达各种各样的政策去解放生产力，发展生产力，为此，提高了对工业自动化的要求。生产力的提高，离不开对这一类智能控制的机械提出更高的要求，我们需要这机器更快速，更高的精度去完成生产任务。为此，世界各国都在不断研究这类产品，高智能机器人更是种类繁多，层出不穷，想尽千方百计，尽量使到每个行业都走进自动化的道路。1随着机器人技术的成熟，智能控制更是引领着时代的潮流，机器人以其实用性，灵活性，可靠性广泛

10、应用与生活上各个行业，在工业生产上更是担任着一个不可或缺的角色。机器人面世到现在已经有了数十年，我们定义的机器人的范畴也更大，包罗万象，基本上我们讲的机器人就是一个非生物人造系统。如果说追本溯源的话，等于说还是一切都是从机械手臂开始讲起，也就是说这些手臂是整个机器领域中发展最早的也是最完整的，人们通过仿照人的上臂而制造出机械臂。在以前，这一工作往往是通过人工的方式来完成的，通过人的感觉的识别并且经过人大脑的分析处理作出动作的决定，再借助手或者其他工具来实现物件的分拣处理。比如，在制造业里，一些零件要求精度高，并且需要大规模生产，这时候，人手短时间内完成这项工作基本上是难于上青天，在生产过后，还

11、要对其检验，对于某些含有放射性或者含有对人体有害物质的零件，人手检测更是不现实为此我们需要一些智能控制的机械来替人类完成这些任务。为了更好地完成人类的生产任务，就要提高精度，我们需要借助于一些传感器来增强机械的感官，通过不间断对传感器的调试，提高机械的灵敏度，使其更为接近于人类，甚至超越人类，从而间接提高了生产效率。自动物料分拣就在这么的一个环境下诞生，各个大型企业的生产线上都是采用一些机械臂，根据人们事先设定好的一些指令，完成整个物料分拣的过程。产品分拣是工业自动化生产中的一项重要生产环节，传统的人工分拣或示教工业机器人分拣无法适应现代工业对劳动生产率和生产过程自动化水平的需求，将机器视觉技

12、术与工业机器人相结合可使分拣作业具有更高的柔性和可靠性。2 1.2国外物料分拣系统的发展历史与现状像这种高科技集成品最开始都是国外发展起来的，后续才传入国内。早在1905年，奥地利就研制出一款名为光电分选机的机器，这类光电分选机其实就是物料分拣系统的前身。在上世纪四十年代，光电分选机开始应用于农作物的选种及谷物、豆类等食品的分选。到了后期，50年代的时候，才开始了应用与重工业上，应用范畴扩展到了石灰石、白云石等建筑材料。随着技术在该方面的应用逐渐地成熟，到了六七十年代，光电分选机的处理能力已经达到了160吨每小时。320世纪60年代末，有一台应用了新科技的机器人横空出世，那就是美国斯坦福大学的

13、科学家们研发的新型视觉机器人，他们让这台机器人做了个有趣的实验摘香蕉。这台名为“赛克”的机器人具备了以往机器人所不具备的能力，它能够准确识别出面前的东西究竟是不是香蕉，并且赛克在做出判断后还能够顺利把香蕉摘下来，在经过半个多小时的赛克也不负众望，完成了实验。经过了这次的实验科学家们相信接下来的研究成果将会更为震惊人类，为未来智能机器人的出现奠定了基础。到了1979年，德国的双仕S+S公司诞生了，下一年，也就是在1980年就率先推出了首款RAPID金属分离器，如下图1.1所示，奠定了该公司成为分拣技术领域的领头羊，并且往后该公司不断地在这领域上研究，到了2016年，又推出了金属探测器INTUIT

14、Y，如下图1.2所示该金属检测系统的检测能力不仅限于铁或磁性材料，还包括每种金属。同时，该公司还使用了基于电磁感应的发射器/接收器的方法，当在运行的时候，金属探测器会产生恒定的电磁场。如果一块金属穿过检测器，则会干扰磁场。随后接收到的信号记录为金属的存在，并且控制模块中的软件会分析记录的信号，能够可靠地将金属污染物与环境或产品本身的干扰区分开。 图1.1 首款RAPID金属分离器 图1.2 金属探测器INTUITY普度大学的Rahardja,K.与Kosaka,A.研制出了一种基于机器视觉的物料分拣系统，如下图1.3所示，它采用简单的圆弧轮廓特征来描述复杂的零件，能够较好地分拣多种不同的零件，

15、从装有一堆零件的容器中捡取零件。4今年，德国Sesotec公司还展示了新型金属分离器，如上图所示1.4，通过RAPID PRO-SENSE 6扩展了其自由落体金属分离器的工作范围，具有更高的检测精度，还配备了以太网接口供连接物联网，实现互联互通。 图1.3 物料分拣机器人 图1.4 新型金属分离器在工业上，最早通常采用的是日本的SCARA型机器人，全球第一台SCARA机器人就诞生于1978年，由日本山梨大学的牧野洋发明，该机器人拥有4个旋转轴也即拥有4个空间自由度，包括了沿X、Y、Z方向的平移和绕Z轴的旋转，多关节的运动，反应灵敏，定位精度高。随着科技的进步，各式各样的分拣系统相继被研发出来，

16、可识别的范围也越来越大，装载在新型机械臂上的工作变得越来越可靠。51.3国内物料分拣系统的发展历史与现状我国的工业机械手的研究与开发对比于日欧美这类发达国家起步较晚，起码要比这些发达国家晚30年左右，起步于上世纪70年代左右，1972年我国第一台机械手在上海开发成功，紧接着全国各个省份都开始研制和应用机械手。从这时候开始，自动分拣技术就在此时引进国内。自动分拣系统早年出现在西方的一些发达国家的物流当中。该系统主要是由识别装置，分拣装置，传送装置和分拣道口四个部分组成，通过计算机网络彼此联系，同时配合适当的人工控制组成了一个完整的分拣系统。识别装置就是通过计算机辅助计算得出分析结果，进而识别该物

17、料的类别；分拣装置就是根据识别装置发出的指令驱动诸如机械臂，机器人来对物料进行搬运，不同规格的物料就有不同的搬运机构；传送装置就是传送带或者是输送机，顾名思义就是来运输物料，就像人类的血管，是组成整个自动分拣系统脉络的主要部分；最后的分拣道口就是传送带末端所连接的地方，也就是分拣完成或者是未开始分拣时候的一个储存仓库的门口。分拣技术在物流中应用最为普遍，尤其是一些快递公司。62019年年初，京东推出了国内首个物流自动分拣系统，规模巨大，如下图1.5所示，该系统应用了几个当今世界上位于前沿的科技于一身，主要有时下最热门的物联网技术，通过计算机网络实现万物互联，方便控制与管理。最主要的突破就是超高

18、频360读码技术，在物件分拣过程中，通常是采用多个装一袋，利于节省空间与分拣时间，但是由于内装有多个物件导致外包装袋表面凹凸不平，从而造成了在计算机识别表面条形码的时候识别不到，然而，360的读码就不同了，采取了多个摄像头能够全方位照到识别码，还有的是配合柔性分拣技术，可以适应不同的工作环境，操作更为人性化。多个系统彼此经过了长时间磨合工作后，该分拣系统工作一天下来，可以处理十万个集包袋的分拣流程，高速分拣的同时，分拣的精准度到达百分百不是问题。该技术的出现使得国内的物流分拣技术又上升到了一个新的阶段。图1.5 京东IoT分拣系统同样的自动分拣系统被应用在图书馆里，在2018年，首个国产的图书

19、自动分拣系统诞生了，也是采用了目前最先进的物联网技术，硬件均采取模块化设计，可兼容ISBN、条码、二维码、RFID标签等多种标识多种码制。还有的是，现在可持续发展，保护环境是时代的潮流，各种垃圾分拣系统应运而生，而我国的垃圾日产量是全世界最高的，比如说，在上海应用了一批智能分拣的机器手，在摄像的视觉识别技术和识别特定物体的大数据计算机系统分析下，可以对特定垃圾进行精确的定位，并且快速地从中拣出，这无疑是节省了分拣时间，大大减轻了当地积土成山的垃圾处理的压力。总的来说，掌握自动分拣核心技术已成为了各大企业的头号目标。1.4本文设计的主要内容本文主要设计的是基于Arduino控制的四自由度机械臂，

20、先设计一个合适的机械臂，对其进行强度校核，运动仿真分析，再编写相应的程序来控制机械臂的运动。本设计的总工作流程是先通过基于Matlab的图像识别分析出该物料的归属范畴，然后就给予机械臂一个坐标，再通过Arduino的普通数字传感器接口产生占空比不同的方波，模拟产生出PWN信号来进行舵机定位，从而实现对机械臂的控制，完成物料分拣的整个任务流程。最后基于Proteus软件对其电气原理图进行仿真，验证Arduino程序对与错。2机械臂本体的设计2.1机械臂类型方案选择 机械臂的种类繁多，首先是针对坐标形式和驱动形式，对其进行一系列的选型，选择最为合适的方案，对整体功能实现起到关键作用。6（1）坐标形

21、式笛卡尔坐标：机械臂在由x、y、z组成的右手直角坐标内做直线运动，名为笛卡尔坐标，如下图2.1所示。该类型需要预留大量的操作空间，刚性的结构给末端位置提供了精确的位置，但是该类型维护起来较难，由于直线运动是采用旋转电机配合上螺母和滚珠丝杠来实现的，因此堆积在螺杆中的灰尘会影响机械臂的滑动，且其组件必须采用刚性高的材料，这类机械臂造价较高，考虑到成本关系且占据空间大，工作范围小，故对此类型坐标不做考虑。7图2.1 笛卡尔坐标机械臂圆柱坐标：该类型机械臂采用了两个平移关节和一个旋转关节，运动坐标就是圆柱坐标，如下图2.2所示。图中机械臂能够作出z轴方向的伸长与缩短运动、y轴方向的上下移动和腰关节的

22、360度旋转运动。与直角坐标相比较，该工作空间是一个圆柱体，与长方体空间相比较，空间要小一点，可以看到，如果所要抓取的物体高度比机械臂底座要矮，则根本抓取不了，这在一定的程度上限制了手臂的发挥空间，同时惯性也比较大。同样的，其直线驱动部分也难以实现防尘。考虑到本设计要识别抓取地面上的工件，故不采用该坐标形式的机械臂。图2.2 圆柱坐标机械臂球形坐标：该类型采用了一个平移关节和一个旋转关节，如下图2.3所示。球形坐标可以完成绕其中心轴的旋转作业，中心支架附近的工作范围大，但是这种坐标型机械臂难以实现控制，原因是球形坐标系复杂。保留着直线驱动装置，该装置还是存在着工作死区和密封保护的问题，同样的，

23、其直线驱动部分也难以实现防尘。故不采用该类型坐标。图2.3 球型坐标机械臂旋转坐标：此类机械臂又称关节型机械臂，如下图2.4所示。其工作空间表面是一个不规则集几何体。该类型的机械臂结构相对于上述三种坐标的结构较为简单，这就使得在制造这类机械臂的时相对简单一点。其最大的特点就是工作的空间范围，只要在机械臂结构设计上多加几个关节，就可以实现多自由度的运动，配合其控制系统，其运动轨迹可以是多种多样的，只要对控制系统的程序进行编辑，就可以控制那些关节部位，从而控制机械臂的整个运动。由于其发展空间大，各行各业都应用广泛，同时也是目前世界上在机械系统中最为普通应用的坐标形式。在重型工业生产上，只需要透过程

24、序的设定，就可以精确定位工件的位置，许多公司都采用该类型机械手去代替人们完成一些工作，就跟人的手臂一样灵活，进而提高了生产效率。考虑到本设计要用到matlab的图像识别，需要程序来控制机械臂运动，且结构简单，故采用该类型的坐标形式。8图2.4 旋转坐标机械臂（2）驱动方式机械手驱动机构主要有4种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。气压驱动：是利用了先将空气压缩起来，然后再释放出压缩时候所积聚的空气压力，从而驱动机构运动，气动驱动的特点是压缩空气时间短暂，从而使得机构运动起来动作快，一套压缩空气装置，结构较为简单，且主要能源是利用空气，所以成本也不高。但是大气中参杂着各种杂质，所以在压缩速

25、度上快是快，就是不稳定。因此，该驱动方式并不适用与对速度控制要求严格的场合。 液压驱动：是利用了压缩油液时候的压力来驱动机构的运动，该驱动方式的特点是重量小、惯性小，可做到经常快速且无冲击的变速和换向，容易控制，动作相对平稳，迟滞小，但是对密封性能要求严格，必须防止液体的泄漏直接对机械臂的工作性能造成影响。机械驱动：是以机械传动机构进行驱动，比如有连杆、凸轮、齿轮和齿条，这类驱动特点是运动准确可靠，动作频率高，但是结构较大，只用作于动作固定的场合，不易于调整，且需要考虑较多的可影响因素，多种机械零件要具备一定的刚度，否则容易产生磨损现象，影响机械臂工作性能。 电力驱动：该驱动方式是利用了特殊结

26、构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动，由于电机的转速相当快，扭矩大，所以用在机械臂上可以使响应速度变快，驱动力较大，配合其它电子设备在一起工作的话，信号检测、数据处理都会变得方便，并可采用多种灵活的控制方案，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单，维护和使用方便，目前，用各种电机的电力驱动是较为普遍的，如步进电机、直流伺服电机、无刷交流电机。9综上所述，本文设计采用的是伺服电机驱动的四轴旋转坐标机械臂。2.2机械臂结构设计机械臂的结构设计是整体设计中的重要部分，搭配其他系统的设计，就组成了一个完整的机械臂系统。 一个机械臂能否正常工作，这取决于机械系统是否设计合理。在设

27、计的时候，首先面对的第一个问题是该如何抓取面前的物件，我们第一时间考虑的是物件的自重，机械臂的承载能力就是第一个问题，在抓到物件移动的时候，要承受多大的力才能够使各个构件协调工作。然后是考虑第二个问题，关节型机械臂的关节在转动时，都会产生一定的转动惯量，尤其是回转轴的转动惯量，惯量过大，不易于对机械臂的控制，定位精度就会下降，通常在设计的时候都会根据转动惯量计算公式，尽量限制与其相关的参数大小，避免转动惯量增大。还要考虑的第三个问题是重力矩的大小，这直接影响了关节部位是否承受得住该力矩，力矩过大，关节部位会发生损坏，同时还会出现沉头的现象，对整体灵活性造成一定的影响，为此，为了减少重力矩，设计

28、上时候，要不就采用屈服强度高的材质，就算扭矩大，也不易于发生变形，要不就减少手臂重心到回转轴的距离。最后是考虑各构件组合在一起的时候是否合情合理，各构件都有不同的优缺点，要扬长避短，要知道，短板效应会严重影响一个机械臂的性能指标。本设计的机械臂包括：大臂，小臂，机座，末端执行器和舵机驱动系统组成，一共有4个空间自由度，依次是机座腰部带动整个臂的回转运动，大臂肩关节的摆动，小臂肘关节的摆动，末端执行器腕关节的摆动，这里末端执行器采用的是真空吸盘装置。2.3末端执行器真空吸盘与气泵的选用（1）吸盘作用简述：吸盘顾名思义就是要负责吸取工件，我们对吸取又有一定的要求，无论我们需要吸取什么材料的工件，都

29、要吸得起来，吸持力足够，这就需要密封性能要好，并且不对工件造成影响。因此，市面上，吸盘的材料一般都是橡胶制成，常见的橡胶是丁腈橡胶，该橡胶扯断力足够大，在使用时与工件贴合性好，不易漏气，橡胶本身就软，不会对工件表面造成磨损，最重要的是，橡胶造价低廉，用后扔掉，橡胶特性也容易被处理掉，不污染环境。 （2）本设计的要求和所要吸取物料的重量：本设计选用的是平直型真空吸盘，具体工作原理就是首先将真空吸盘通过接管与真空设备接通,然后与待提升物料的表面进行接触,启动真空电子设备进行抽取掉内部的所有空气,使其内部产生负气压,在外界大气压力下，使得吸盘与物料表面牢牢贴合在一起，也就可以开始搬送物料。当物料搬运

30、到目标位置的时候,再启动电子阀门，使泄气阀门打开，平稳地充将空气充入吸盘内部,使真空吸盘内由气压与外界气压相差不大,真空吸盘就会脱离物料的表面，完成整个搬运过程。 初步确定所需吸取的物料重量最大为0.4kg。（3）确定所选用吸盘与气泵的各项参数：选用吸盘：本设计吸取物料时候是水平起吊，水平起吊时的理论吸吊力： F=nPS0.1=nPD241000.1 (式2.1)吸吊力=理论吸吊力/t其中：F：吸吊力（N）； m：所吸取物料的重量（kg）； P：真空压力（KPa）；S：吸盘面积（cm2）； n：吸盘个数； D：吸盘直径（mm）； t：安全系数：水平起吊时为4以上，垂直起吊时为8以上；分析：根据

31、设计要求所需吸取的物料重量最大为0.4kg，故实际至少需要的水平吸吊力（安全系数 t 取4）为15.68N。再根据上述实际所需要的吸吊力，查吸盘水平提升力表，如下表2.1所示,取吸附力为17.1N，可得真空压力为-400mmHg，直径为20mm，材料选择的是丁腈橡胶，故选用的型号为ZP20UN。表2.1 吸盘水平提升升力表吸盘水平提升升力表单位：N吸盘直径(mm)246810131620吸盘面积(cm2)0.0310.1260.2830.5030.7851.332.013.14真空压力 (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选用气泵：根据本设计的要求，这里选用的是无刷微型气泵，配备电磁阀，如下图2.5所示，具体参数如下：图2.5 无刷微型气泵型号：VBY2106； 电压：直流24V；流量：6L/Min； 真空度：50Kpa；

33、功率：20W；特点：对比于有刷的气泵，无刷电机驱动的气泵寿命更长；体积小，适合应用于吸取物件重量小的场合；可以通过arduino控制气泵进行工作。2.4各关节舵机的选型(1)主要参数确定如下图2.6所示，机械臂各部分的尺寸和重量如下：图2.6 机械臂各部分尺寸和重量1.大臂的第一关节轴和第二关节轴之间的距离为106mm，大臂质量M1为264g,重心在距离第一关节轴55mm处，L1=55mm。2. 小臂的第二关节轴和第三关节轴之间的距离为130mm，质量M2为300g，重心在距第二关节轴65mm处，L2=106+65=171mm。3.腕部末端执行器采用的是真空吸盘装置，其装置以及最大重物质量M3

34、为900g，其重心在距离第三关节轴20mm处，L3=106+130+20=256mm。小臂重心距第二关节轴的水平距离为L4=65mm。腕部末端执行器重心距第二关节轴的水平距离为L5=130mm+20mm=150mm。4.腕部末端执行器重心距第三关节轴距离为L6=20mm该机械手的基本技术参数如下：机身回转运动：180，角速度60/s大臂俯仰运动：90，角速度60/s小臂俯仰运动：90，角速度60/s腕部末端执行器俯仰运动：90，60/s假定负载最大重量：3.92N（2）各个自由度转动惯量的计算我们知道当机械臂在工作的时候，机械臂做出不同的动作，其中，当大臂，小臂及末端执行器呈一条直线且与水平地

35、面平行时，这时的各个关节的转动惯量最大，因此，分析机械臂伸开呈一条直线时候的情况即可，即如上图2-4所示。设大臂,小臂和末端执行器绕各自重心轴的转动惯量为JG1, JG2, JG3，根据平行平行轴定理，可得绕其第一关节轴，即肩关节的转动惯量为J1J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 (式2.2)其中M1， M2， M3分别为大臂，小臂，末端执行器的质量，由于JG1M1L12，JG2M2L22，JG3M3L32，因此JG1M1L12，JG2M2L22，JG3M3L32可忽略不计，则J1=0.2640.0552+0.30.1752+0.90.262=0.070kgm2同

36、理可得：小臂以及腕部末端执行器绕其第二关节轴的转动惯量为：J2=M2L42+M3L52 (式2.3）其中M2为0.3 kg，M3为0.9 kg，L3为0.256m，L5为0.15m，则J2=0.30.0652+0.90.152=0.0216 kgm2同理可得末端执行器绕其第三关节轴的转动惯量为：J2=M3L62 (式2.4)其中，M3为0.3kg，L6为0.02m，则J3=M3L62=0.0004kgm2 (式2.5)腰关节旋转轴的转动惯量为本设计中的舵机固定架绕腰关节旋转轴的转动惯量加上大臂与小臂绕腰关节旋转轴的转动惯量之和。同理可得，腰关节绕旋转轴的转动惯量为： J4=J1=0.07kgm

37、2 (式2.6）（3）各个自由度舵机的选型计算大臂：根据设定的大臂角加速度为1=60/s，则从0=0到1=60/s所需要的时间t为0.1s，根据公式T=J10t，则T1=J110t=0.0730.1=0.73 Nm (式2.7)若考虑绕机械臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则舵机输出轴所需输出的最小转矩为：1.46 Nm，经过单位的换算可知，1.46Nm=14.6kgcm查阅舵机相关资料，选用Futaba系列S9152型舵机，如下表2.2所示：表2.2 S9152型舵机参数编码重量尺寸扭矩数字85g长49mm4.8V：16.0kg/cm 宽24.9mm6.0V：20.0kg

38、/cm高39.9mm速度马达类型轴承齿轮材料4.8V:0.23秒/60空心杯双轴承金属6.0V:0.19秒/60小臂：根据设定的小臂角加速度为2=30/s，则从0=0到1=30/s所需要的时间t为0.1s，根据公式T=J20t，则T2=J220t=0.021660.1=0.11 Nm (式2.8）若考虑绕机械臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则舵机输出轴所需输出的最小转矩为：1Nm，经过单位的换算1Nm=10kgcm，查阅舵机相关资料，选用Futaba系列BLS252型号舵机，如下表2.3所示：表2.3 BLS252型号舵机参数编码重量尺寸扭矩数字58g长39.9mm4.8V：10.0kg

39、/cm 宽20.1mm6.0V：12.6kg/cm高37.1mm速度马达类型轴承齿轮材料4.8V:0.16秒/60无刷双轴承金属6.0V:0.23秒/60末端执行器：根据设定的末端执行器角加速度为3=30/s，则从0=0到1=30/s所需要的时间t为0.1s，根据公式T=J30t，则T3=J330t=0.000460.1=0.002 Nm (式2.9)若考虑绕机械臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则舵机输出轴所需输出的最小转矩为：1Nm，经过单位的换算1Nm=10kgcm，查阅舵机相关资料，选用Futaba系列BLS252型号舵机。腰部关节：由于J4=J1=0.07kgm2，根据设定角加速

40、度4=60/s，则从0=0到4=60/s所需要的时间t为0.1s，根据公式T=J40t，则 T4=J440t=0.0730.1=0.7326 Nm (式2.10)若考虑绕机械臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则舵机输出轴所需输出的最小转矩为：1.47 Nm，经过单位的换算可知，1.47Nm=14.7kgcm，查阅舵机相关资料，选用Futaba系列S9152型舵机。（4）静应力分析 分别对机械臂的大臂和小臂进行受力分析，当整个机械臂呈一条直线且与水平面平行时，此时大臂所受的力最大，如下图2.7所示，图2.7 机械臂受力分析图F1和F2分别表示大臂所受到其他两杆对于大臂的上作用

41、力和下作用力，G1=2.64N为大臂的重力，G2=3N为小臂的重力，G3=0.58N为肘关节舵机的重力，G4=0.58N为腕关节舵机的重力，G5=5N为末端执行器装置的重力， G6=4N为本设计所需的负载，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)则F1= F2+ G1=13.16+2.64=15.8N (式2.12) 当整个机械臂呈一条直线且与水平面平行时，此时小臂所受的力最大，如下图2.8所示，图2.8 机械臂受力分析图分析可得：F4=G4+G5+G6=0.58+5+4=9.58N (式2.13)则 F3= F4+ G

42、2+G3=9.58+3+0.58=13.16N (式2.14)如下图2.9所示，已知L1=0.106m为肩关节到肘关节的距离，L2=0.130m为肘关节到腕关节的距离，L3=0.05m为腕关节到重物的距离，进行摆动相的计算，腕关节摆动负载力矩M1：图2.9 机械臂受力分析图 M1=G6L3=40.05=0.2 Nm (式2.15)通过之前腕部舵机的选型，Futaba系列BLS252型号所提供的转矩为1Nm，该转矩大于腕关节摆动负载力矩，故舵机该选型符合设计要求。 肘关节摆动负载力矩M2：M2=G6（L3+L2）+G4L2 (式2.16) =40.05+0.13+0.580.13 =0.8Nm

43、通过之前肘关节舵机的选型，Futaba系列BLS252型号所提供的转矩为1Nm，该转矩大于肘关节摆动负载力矩，故舵机该选型符合设计要求。肩关节摆动负载力矩M3：M3=G6L3+L1+L1+G4L2+L1+G3L1 (式2.17) =1.34Nm通过之前肘关节舵机的选型，Futaba系列S9152型号所提供的转矩为1.6Nm，该转矩大于肩关节摆动负载力矩，故舵机该选型符合设计要求。2.5机械臂关键部位的有限元分析和校核有限元法的定义就是寻找一个简单的问题去代替我们手头上一个复杂的问题。它将求解域看成是由许多个称为有限元的小互连子域组成，对每一单元先是假设一个简单合适的近似解，然后推导求解这个域总

44、的满足条件，从而得到问题的解。因此，有限元法可以解决在产品设计上遇到的一些难以解决的问题，并且广泛应用于各行各业。10Simulation是SolidWorks公司开发的功能强大的有限元分析工具软件，运用SolidWorks Simulation，可以将之前所做的设计的产品进行归纳总结，得出分析结果是否正确、分析误差是否合理、分析产品是否符合设计的要求以及对方案提出优化修改要求，从而极大地缩短了新产品的设计周期，提高了产品的质量，能够尽可能地发挥出产品性能优秀的一面。SolidWorks Simulation 能够提供丰富的计算与分析工具来应对较为复杂的零件及装配体进行运算、测试和分析，其主要

45、功能包括应力计算与分析、应变计算与分析、产品设计及优化、线性与非线性分析等。11通过长期的研究发现，机械臂的结构在呈一条水平直线时容易发生磨损，为此，通过对机械臂进行一系列的校核以确定该设计的结构是否满足强度条件，这里分析校核过程需要用到有限元分析软件。结构发生弯曲变形，会对产品性能大打折扣。12为了检测该设计的结构合理性，下面主要做的有限元分析是做屈服极限和变形的位移量的分析检测。（1）大臂有限元分析：首先是确定大臂的材质，这里采用的是普通碳钢，该材质具体参数如下表2.4所示：表2.4 普通碳钢材质参数弹性模量中泊松比质量密度210000牛顿/mm20.287800kg/m3张力强度屈服强度

46、热膨胀系数399.83牛顿/ mm2220.59牛顿/ mm21.3005然后是添加约束，以此来固定住大臂的位置，再施加外力，上面已经计算出在手臂呈一条水平直线时候所受的力，大臂受到其他两杆对于大臂的上作用力F1为15.8N和下作用力F2为13.16N。随后进行运算分析，即对该零件进行网格化处理，有限元模型的计算。最后运行此算例，得到下面的一系列分析结果,如下图2.10，2.11，2.12，2.13所示。图2.10 大臂左侧支架应力图 图2.11 大臂左侧支架位移图 图2.12 大臂右侧支架应力图图2.13 大臂右侧支架位移图运算该算例后，在应力图中红色是表示应力最大集中的地方蓝色则表示最低应

47、力，在位移图中，红色表示位移量最大的地方，相反，蓝色则表示位移量最小的地方，可以发现大臂左侧支架最大应力为3.513+007N/m2，该应力数值远远低于普通碳钢的屈服极限2.206+008N/m2，大臂右侧支架最大应力为5.720+007N/m2，也是远远低于屈服极限，然后分析左右两侧支架的位移图，两个红色位移的地方分别为0.008602mm和0.004186mm，总位移量相当小，因此在经过一段时间正常工作后，是不会对该零件造成很大的弯曲变形，对整个产品的性能影响几乎可以忽略，这是可以满足设计的要求。（2）小臂有限元分析：小臂的材质也是采用了普通碳钢，也是对两端施加所产生的力矩，网格化，运行算

48、例后得到下面一系列的结果分析图，如下图2.14，2.15，2.16，2.17所示。图2.14 小臂右侧支架应力图图2.15 小臂右侧支架位移图图2.16 小臂左侧支架应力图图2.17 小臂左侧支架位移图从图中可以看到小臂左侧支架最大应力为1.250+007N/m2，该应力数值远远低于普通碳钢的屈服极限，大臂右侧支架最大应力为1.275+007N/m2，也是远远低于屈服极限2.206+008N/m2，然后分析左右两侧支架的位移图，两个红色位移的地方分别为0.003054mm和0.008952mm，总位移量相当小，因此这是可以满足设计的要求。（3）腰关节三舵机固定架有限元分析：如下图2.18，2.

49、19所示。图2.18 腰关节三舵机固定架应力图图2.19 腰关节三舵机固定架位移图该材质也是采用了普通碳钢，运行此算例后从图中可以看到腰关节三舵机级固定架最大应力为7.008+007N/m2，该应力数值远远低于普通碳钢的屈服极限2.206+008N/m2，然后分析位移图，由于腰部关节要带动整个机械臂和重物一起运动，所承受的载荷比较大，在顶端红色部分比较明显，红色那里发生位移的地方为0.01545mm，但是总位移量相当小，对产品的性能影响可以忽略不计，因此这也是可以满足设计的要求。（4）总结受力构件由于自身因素，比如说构件的几何形状，外形尺寸发生突变而引起的局部范围内应力显著增大的现象，当然还会

50、受到外界因素影响，这都是使到应力集中的原因，应力集中导致的问题很多，使得产品性能会有所降低，但是应力集中是我们设计产品过程中不可避免的一个问题，因此，我们在设计上也只能是从上述原因中去改变构件才能减少应力的集中，折合众多影响产品性能的因素，把有害因素降到最低，更为发挥出产品性能优秀的一面。122.6各关节角度的确定所要分拣的物料是经过传送带传送到机械臂面前，在设计控制系统前，要对物料的坐标进行确定，或者是在吸盘底面到达物料表面的时候，要对机械臂各关节的角度进行计算，本文这里计算的角度是基于二维平面上，所求的角度分别为大臂张角，大臂末端与小臂的张角，最后是末端执行器与小臂末端的张角，有了这几个角

51、度参数，对于控制系统的设计将有很大的帮助。本文所要分拣的物料有3种，分别是化妆品瓶盖，Iphone充电器，等腰三角板，这几样东西都是生活上常见的。具体参数如下表2.5所示：表2.5 物料的长宽高化妆品瓶盖等腰三角板充电器直径为35mm底边长度为60mm长度为45mm高度为28mm两腰长度为70mm宽度为45mm厚度（高度）为10mm高度为20mm(1)当物料为瓶盖时，各关节角度的确定。将机械臂各关节简化为一条直线后，得到如下图2.20所示。同时末端执行器上的吸盘如下图2.21所示. 图2.20 机械臂各部分尺寸 图2.21 机械臂吸盘AB=70.5mm为桌面到大臂舵机轴心的距离，BC=106m

52、m为大臂两关节轴的距离，CD=130mm为小臂两关节轴的距离，BD=150mm为大臂舵机轴心到瓶盖重心的距离，DE为末端执行器加上吸盘的长度为60mm，由于硅胶吸盘上端有一段20mm的弹簧伸缩，主要是用来缓冲吸取物品时候的压力，故DE的真实长度要减去弹簧缓冲的长度。知道这几个距离就可以应用余弦定理等公式算出各关节在二维平面上的角度。已知瓶盖高度为28mm,则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）当物料为充电器时，各关节角度的确定。将机械臂各关节简化为一条直线后，得到如下图2.22所示。图2.22 机械臂各部分尺寸已知充电器高度为20mm，则DF=DE+EF=6020+20=60mm (式2.30)tanDAF=DFAF=0.40，