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摘 要

随着社会的不断发展，自动化在当今的制造业中所占的比例也在逐渐提高。其中工业机器人就是当今制造业中不可或缺的一部分。工业机器人与CNC、PLC是当今制造业的三大顶梁柱，在未来的发展中，值得科研人员投入大量尽力进行研发，有不错的发展前景。在工业机器人的组成中，机械手臂也是不可缺少的一部分，会直接的影响到机械手抓的精确度和速度，从而影响了工业机器人整体的稳定性。因此，对三自由度机械手臂进行合理的设计和运动的规划是非常有必要的。

三自由度机械手臂分为三个部分：机械部分、驱动部分和运动控制部分。因此本文先去做整体分析，之后确定机械手臂的结构、传动方案和控制方案。然后选定电机及减速器的类型。再利用Slidworks软件对机械手臂进行三维建模，画出各个小零件的三维图形，最后确定各个零件的装配关系从而进行装配。利用CAD制图软件画出其主要零部件的二维图形。

机械手臂能够进行平稳的运动控制，则需要较为明确的运动轨迹规划。在研究运动轨迹的时候，会运用到不同的插补插值法，为了对运动轨迹的轮廓加以修补。插补常见的有直线插补和圆弧插补。本文主要研究空间运动的逐点比较法直线插补。

工业机器人的最关键之处为其控制系统，就如同心脏和大脑对人的重要性一样。工业机器人的控制系统决定了在其运动中的速度、精确度和稳定性。本文所采用的控制方式为上位机 下位机模式，PC机采用上位机来使用软件VC 进行编程，之后通过通用I/O端口传给下位机。下位机选用STM32单片机，从而实现对机械手臂各个电机的控制从而控制整体的运动。软件与硬件的合理配合，从而达到对机械手臂的合理控制和运动规划。

关键词：三自由度机械手臂 零件装配 运动规划 控制系统 STM32单片机

Design and Control of 3-DOF Manipulator

Abstract

With the continuous development of society, the proportion of automation in today's manufacturing industry is also gradually increasing. Among them, industrial robots are an indispensable part of today's manufacturing industry. Industrial robots, CNC and PLC are the top three pillars of today's manufacturing industry.In the future development, it is worthwhile for researchers to invest a large amount of efforts in research and development, which has a good development prospect.In the composition of industrial robots, the robotic arm is also an indispensable part, which will directly affect the accuracy and speed of the gripping of the mechanical hand, thus affecting the stability of the industrial robot. Therefore, reasonable design and motion planning of the three-degree-of-freedom manipulator is very necessary.

Three degrees of freedom robot arm, the mechanical portion, the drive portion, is divided into three parts of the motion control portion. Therefore, this article will first do an overall analysis, and then determine the structure, transmission scheme and control scheme of the robot arm. Then select the type of motor and reducer. Using Slidworks software, the robot arm is modeled in three dimensions, three-dimensional shapes of individual small parts are drawn, and finally the assembly relationships of individual parts are determined and assembled. Use CAD drawing software to draw two-dimensional graphics of its main parts.

In order for the robot arm to perform smooth motion control, a relatively clear motion trajectory plan is necessary. When studying motion trajectory, apply different interpolation interpolation methods to repair the contours of the motion trajectory. Interpolation is commonly seen in linear and arc interpolation. The text mainly studies linear interpolation of point-by-point comparison methods of spatial motion.

The most critical point of an industrial robot is its control system, just as the heart and brain are important to people. The control system of an industrial robot determines the speed, accuracy and stability in its movement. The control method adopted in this paper is a higher-order lower machine mode, and the PC machine is programmed using software VC using a higher-level machine, and then communicated to the lower machine via a general-purpose I/O port. The lower unit adopts the STM32 one-chip microcomputer, which realizes the control of each motor of the robot arm and controls the overall motion. Reasonable cooperation between software and hardware, so as to achieve reasonable control and motion planning of the robot arm.

Keywords: three degrees of freedom，parts assembly，sports planning，control System，STM32 microcontroller

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 题目提出的意义 1

1.2 国内外发展现状 2

1.3 本课题的研究要求和研究内容 4

1.3.1 论文的内容和要求 4

1.3.2实验内容及要求 4

第二章 方案的确定与比较分析 5

2.1 机械手臂的结构分析 5

2.2 设计参数 6

2.3 传动方案设计 6

2.4 控制方案设计 7

2.5 三自由度机械手臂 8

2.5.1 小臂处电机与减速机选型 8

2.5.2 大臂处电机和减速器选型 11

2.5.3 底座结构设计 12

第三章 三自由度机器人手臂三维建模 14

3.1 SolidWorks简介 14

3.2 三自由度机器人手臂关节建模 14

3.2.1 底座 14

3.2.2 腰关节 15

3.2.3 大臂部分 15

3.2.4 小臂部分 16

3.2.5 末端执行器 16

3.3 三自由度机器手臂整体装配 17

第四章 运动轨迹规划 18

4.1 运动轨迹控制 18

4.2 常见的插补的种类 18

4.3空间运动的逐点比较法直线插补 21

4.4 运动轨迹控制算法及实现 23

第五章 控制系统设计 24

5.1 控制系统方案确定 24

5.2 三自由度机器人手臂控制系统硬件结构设计 24

5.3 三自由度机器人手臂控制系统软件设计 25

结论 27

参考文献 28

致谢 31

附录 VC 运动控制代码 32

第一章 绪论

1.1 题目提出的意义

机器人是一种能够在自动化技术的控制下执行某些功能作业和移动任务的具有高度自动化功能的机械设备^[1]。工业机器人这门学科在目前的制造业中走在最前沿，与此同时在很多学科技术中心占了很大的比重^[2]。机器人技术中包含了：材料学、工程控制学科、电子工程学科以及AI^[3]。机械手臂在机器人的主要执行机构中，作为重要的执行机构。同时，机械手臂可以在很多方面得到应用，比如：航海，制造业，国家军事以及航空航天事业。因此在未来的发展中，机械手臂的发展会越来越受到足够的重视。

在当今制造业的发展来看，机械臂主要定位在这三个方面：精确度、AI和机器视觉^[4]。其具体表现为：第一点、为了提高机械手臂的运动精度从而降低由于在加工、装配传动以及运动摩擦所造成的相对较低的机械手臂的定位精度，对机械臂采用了模型参数识别方法来进行控制和进行补偿机械手臂的运动误差和机械手臂的结构误差^[5-6]。通过控制实际图像的特性误差和传感器收集的预测图像，然后训练机械臂的运动能力，从而可以提高机械手臂去识别图像的特点，最终提高机械手臂的在姿势控制方面的精度^[7]。当前，对于机器人的视觉控制主要体现在三维和二维两个方面，通过对这方面的研究，大大提高了机械手臂的精度和灵活性，这也是当今对机械手臂研究最火热的领域之一^[8]。

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