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摘 要

Abstract 2

第一章 绪论 4

1.1 三自由度机器人手臂的研究背景 4

1.2 三自由度机器人手臂的国内外研究现状 4

1.2.1 机器人手臂的国外研究现状 4

1.2.2 机器人手臂的国内研究现状 5

第二章 方案的确定与比较分析 6

2.1 机械手机械系统的比较与选择 7

2.2 机械手驱动系统的比较与选择 7

第三章 驱动源的选择与设计计算 9

3.1 主要技术参数的确定 9

3.2 各关节电机的选择 10

3.2.1 大臂旋转电机的选择 10

3.2.2 小臂旋转电机的选择 12

3.2.3 腰部旋转电机的选择 12

1. 各机械部件的设计选择与校核 13

4.1 轴的设计与校核 13

4.1.1 大臂旋转轴的设计 13

4.1.2 大臂轴的强度校核 14

4.2 键的选择与强度的校核 16

4.3 轴承的选择 17

第五章 三自由度机器人手臂三维建模 18

5.1 三维建模软件Pro/ENGINEER简介 18

5.2 三自由度机器人手臂关节建模 18

5.2.1 底盘 18

5.2.2 驱动臂 19

5.2.3 肩关节 20

5.2.4 肘关节 20

5.3 三自由度机器人手臂整体装配 21

第六章 三自由度机器人手臂轨迹规划 22

6.1 轨迹规划的概念 22

6.2 机器人手臂轨迹插值计算 22

第七章 控制系统设计 24

7.1 单片机最小系统 24

7.1.1 8051单片机介绍 25

7.1.2 复位电路 26

7.1.3 振荡电路 27

7.2 串行接口电路 28

7.3 传感器 29

7.3.1 传感器的类型 29

7.3.2 硬件电路的设计 30

7.4 电动机的控制 30

7.4.1 L298N电机驱动芯片简介 30

7.4.2 硬件电路图 31

致谢 32

参考文献 33

摘要

工业机器人是目前工业中最热门的行业之一。它具有非常可观的研发和应用前景。在这之中，机械臂构成了工业机器人中非常重要的一部分，它将直接影响执行器的速度、精度和稳定性，进而最终会导致影响到了机器人的整体性能。因此，研究三自由度机械臂的控制系统机和械构造设计，对工业机器人整个工业行业行业的发展具有很大促进意义。

三自由度机械臂的机械结构是后续所有研究的基础，因此本文首先通过研究机械臂的结构特点和功能要求，明确了设计原则，选定了总体设计计划，并初步选择了驱动器、传动机构和减速器等关键部件。通过对机器人机构的分析，选定了机械臂的三个自由度的分布，接下来进一步的选择了驱动电机和减速机，进行设计机器人手臂的机械构造，基于Pro/Engineer三维造型软件设计了三自由度机器人手臂零部件的三维模型，并实现了机器人手臂的模块化装配和整体装配。

机器人的轨迹布局的基础是完成正确的运动控制，机械臂的末端需精确地抵达任务所在的地方，机器人手臂整个的运动轨迹需被控制。本次设计对工业机器人手臂的运动轨迹的规划进行了学习，对轨迹规划的插值算法进行了学习研究。

控制系统的研究和设计直接影响着三自由度机器人手臂的运动速度、位置精度和准确度等动态性能。基于单片机运动控制器动态性能好、控制精度高、技术成熟、应用广泛等优点，本文搭建了三自由度机器人手臂整个完整的手臂控制系统。因为单片机很小的体积、低廉的价格，且稳定性好、抗干扰力强，所以本次设计的控制芯片选择8051单片机。

关键词：三自由度，机器人手臂，工业机器人，机械结构，轨迹规划，单片机

Abstract

Industrial robot is one of the hottest industries nowadays.It has very considerable research and development and application prospects.In this process, the robot arm constitutes a very important part of the industrial robot. It will directly affect the speed, accuracy and stability of the actuator, and then affect the overall performance of the robot.Therefore,it is of great significance to the development of the industrial robot industry that .the research on the control structure and system design of the three-degree-of-freedom manipulator.

The mechanical structure of the three-degree-of-freedom mechanical arm is the basis of all subsequent studies. So, at first,this paper researches the structural specialities and functional requirements of the three-degree-of-freedom arm, clarifies the design principles, selects the overall design plan, and preliminarily selects the key components such as the driver, transmission mechanism and reducer.Through the analysis of the robot mechanism, the distribution of the robot was selected, then select the drive motor and reducer, to carry on the design of robot arm, mechanical structure based on 3 d modeling software Pro/Engineer design 3 d model of parts and components of three degrees of freedom robot arm, and implements the modular assembly and the whole assembly robot arm.

The track layout of the arm is based on correct motion control. The end of the robot arm needs to reach the task precisely, and the entire trajectory of the robot arm needs to be controlled.In this design, the track project of industrial robot arm is researched, the interpolation algorithm of trajectory planning is studied.

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