关键词：桌面机械臂;;五自由度;;运动学;;控制系统;;D-H法坐标系;;舵机;;Carduino开发板
摘 要：机械臂作为一种自动化和智能化水平较高的设备,可以有效提高生产效率。传统的工业机器人由于笨重、价格昂贵,很难走进人们的日常生活。随着3C产品及服务机器人的快速发展,近年来出现了体型较小的桌面机械臂,它广泛应用于教育、服务、文化娱乐和医疗等行业。本文根据实际需求,研发了一种五自由度桌面机械臂。本文详细研究了国内外机械臂的发展状况,分析了国内外在工业机器人领域存在的差距。对涉及机械臂的关键技术进行了深入分析,结合五自由度桌面机械臂的功能要求,完成了总体方案设计。通过对不同机械臂结构形式进行对比分析,选择了结构形式和驱动方式。根据总体方案要求,采用模块化设计思想,对五自由度桌面机械臂的底座、手臂和末端执行器进行了详细的设计和计算,并完成了三维模型的建立和实物的搭建。为了研究五自由度桌面机械臂的运动过程,根据D-H法建立了机械臂关节坐标系,并研究了坐标平移、坐标旋转以及坐标复合变换的对应变换矩阵。结合五自由度桌面机械臂的结构特点和关节参数,对其进行了正运动学和逆运动学分析,建立了正运动学和逆运动学解析方程,并针对逆运动学方程的多解问题进行了分析。根据五自由度桌面机械臂的功能要求,完成了控制系统的硬件设计,以Carduino UNO R3作为开发板,对舵机接口、液晶屏显示接口、手动按键接口、通讯接口以及多种传感器接口进行了集成,采用Arduino传感器扩展板v5.0对这些接口进行了集成,极大简化了接口电路。采用舵机作为驱动关节的动力,完成了手动调试电路、液晶屏显示电路的设计。利用Arduino IDE(集成开发环境)完成了控制程序设计,主要包括舵机驱动控制程序、手动调试程序及液晶屏显示程序的设计。为了验证五自由度桌面机械臂的合理性,对其进行了负载试验和定位精度试验。试验结果表明,所研发的五自由度桌面机械臂满足负载和定位精度要求需求。该机械臂运动平稳,结构简单,能够应用于教育、娱乐、服务等行业,同时,为机械臂的轻量化设计和模块化设计提供了一定的参考。
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