三自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)與原理研究

1、題 目： 三自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)與原理研究 學(xué) 院： 輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 姓 名： 叢榆坤 指導(dǎo)教師： 蔡小五 完成日期： 2014 年 5 月 11 日 畢業(yè)論文任務(wù)書畢業(yè)論文任務(wù)書畢業(yè)論文題目：畢業(yè)論文題目： 三自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)與原理研究選題意義、創(chuàng)新性、科學(xué)性和可行性論證：選題意義、創(chuàng)新性、科學(xué)性和可行性論證：近年來，我國(guó)乃至世界三自由度機(jī)械手發(fā)展十分迅速，其數(shù)量和規(guī)模不斷提高，所以對(duì)三自由度機(jī)械手的熟知變得愈發(fā)重要。為體現(xiàn)出三自由度機(jī)械手的現(xiàn)實(shí)價(jià)值，在此我們對(duì)三自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理做一細(xì)致分析。主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 ：基于對(duì)三自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與原理分析

2、，通過編寫相關(guān)程序控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。首先，了解機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀；其次，對(duì)其硬件的選擇及軟件的使用做一說明；最后，通過實(shí)驗(yàn)，使理論與實(shí)際相結(jié)合，觀察機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)狀況。目目 的的 要要 求求 ： 為了培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐中運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)習(xí)態(tài)度，提高分析問題和解決問題的能力。培養(yǎng)學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)操作技術(shù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)編寫程序進(jìn)行模擬操作。計(jì)計(jì) 劃劃 進(jìn)進(jìn) 度度 ：1. 畢業(yè)論文選題(2013.09.012013.10.31)2. 確定畢業(yè)論文寫作提綱(2013.11.012013.12.31)3. 形成畢業(yè)論文初稿(2014.01.012014.02.28)4. 形成畢業(yè)論文修改稿(2

3、014.03.012014.04.30)5. 形成畢業(yè)論文終稿(2014.05.012014.05.18)6. 答辯(2014.05.192014.05.26)指 導(dǎo) 教 師 簽 字： 主管院長(zhǎng)（系主任）簽字： 年 月 日遼 寧 大 學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）指導(dǎo)記錄表論文題目三自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)與原理研究學(xué)生姓名叢榆坤學(xué) 號(hào)102703104年級(jí)、專業(yè)2010 級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師姓名蔡小五指導(dǎo)教師職稱副教授所在院系輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院第一次指導(dǎo)（對(duì)確定題目、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書的指導(dǎo)意見）：確定論文題目為：三自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)與原理研究獨(dú)立查閱畢業(yè)論文資料。圍繞課題題目收集、閱讀有關(guān)文獻(xiàn)資料。綜

4、合分析題目?jī)?nèi)容和要求，運(yùn)用理論課所學(xué)知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際提出解決問題的方法。同時(shí)對(duì)論文的目的和要求、計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行了安排。指導(dǎo)方式：（請(qǐng)選擇） 面談 電話 電子郵件 指導(dǎo)教師簽字： 2013 年 10 月 31 日第二次指導(dǎo)（對(duì)論文提綱的指導(dǎo)意見）：對(duì)論文的提綱進(jìn)行了修改。認(rèn)為論文有以下幾個(gè)部分需要修改：1、三自由度機(jī)械手的研究背景2、三自由度機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)3、三自由度機(jī)械手的軟件控制系統(tǒng)指導(dǎo)方式：（請(qǐng)選擇） 面談 電話 電子郵件 指導(dǎo)教師簽字： 2013 年 12 月 31 日第三次指導(dǎo)（對(duì)初稿的指導(dǎo)意見）：初稿完成后，對(duì)論文多出提出了修改意見。認(rèn)為初稿在有些方面還不夠成熟，在內(nèi)容上還需要做出必要

5、的調(diào)整： 1、重點(diǎn)不突出，未明確表達(dá)出研究結(jié)論 2、格式有些地方不正確，有錯(cuò)別字，需要重新排版指導(dǎo)方式：（請(qǐng)選擇） 面談 電話 電子郵件 指導(dǎo)教師簽字： 2014 年 02 月 28 日第四次指導(dǎo)（對(duì)修改稿的指導(dǎo)意見）：對(duì)論文初稿修改表示肯定。還是有格式問題需要修正。格式要按照遼寧大學(xué)的規(guī)定書寫。指導(dǎo)方式：（請(qǐng)選擇） 面談 電話 電子郵件 指導(dǎo)教師簽字： 2014 年 04 月 30 日第五次指導(dǎo)（對(duì)是否定稿、進(jìn)入答辯及其它指導(dǎo)意見）：對(duì)論文進(jìn)行了多次指導(dǎo)，認(rèn)為可以定稿，同時(shí)還需要注意：1、認(rèn)真做好答辯準(zhǔn)備2、打印論文時(shí)按照學(xué)校要求格式進(jìn)行3、注意答辯時(shí)間、地點(diǎn)的安排，答辯時(shí)按照要求的程序進(jìn)行

6、指導(dǎo)方式：（請(qǐng)選擇） 面談 電話 電子郵件 指導(dǎo)教師簽字： 2014 年 05 月 10 日主管院長(zhǎng)（主任）簽名 院系蓋章 年 月 日注：指導(dǎo)意見如不夠填寫可加附頁指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師評(píng)評(píng)語語遼寧大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成績(jī)?cè)u(píng)定單遼寧大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成績(jī)?cè)u(píng)定單學(xué) 生： 叢榆坤 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 論文題目： 三自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)與原理研究 論文共 19 頁。 指導(dǎo)教師評(píng)語：該生針對(duì)目前機(jī)器人領(lǐng)域中的三自由度機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，通過ROBO Pro軟件設(shè)計(jì)相關(guān)程序使機(jī)械手驅(qū)動(dòng)。并在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中仔細(xì)認(rèn)真，獨(dú)立學(xué)習(xí)、掌握軟件的使用方法。該設(shè)計(jì)軟件操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，可使學(xué)

7、生自主研究、開發(fā)，使機(jī)械手具有更多功能。課題設(shè)計(jì)得較為合理、效果較好，達(dá)到了本科畢業(yè)論文的要求。 本論文內(nèi)容充分、格式正確，可以進(jìn)入答辯環(huán)節(jié)。指導(dǎo)教師評(píng)分： 指導(dǎo)教師簽字： 2014 年 5 月 23日評(píng)閱人評(píng)語： 該生選題具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，論文觀點(diǎn)正確、結(jié)構(gòu)較為嚴(yán)謹(jǐn)、思路較為清晰、敘述流暢，并具有一定的創(chuàng)新之處，達(dá)到了本科畢業(yè)論文的要求。評(píng)閱人評(píng)分：評(píng)閱人簽字： 2014 年 05 月 23 日答辯委員會(huì)評(píng)語： 輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文答辯委員會(huì)（小組）于 2014 年 5 月 23 日審查了 2014 屆電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生叢榆坤的畢業(yè)論文。答辯委員會(huì)評(píng)語： 該生選題具有一定的現(xiàn)實(shí)意義

8、，答辯自述流暢，主題突出，條理清楚，回答問題正確，答辯小組全體成員一致同意該生通過答辯。答辯成績(jī)：答辯委員會(huì)成員：答辯委員會(huì)（小組）組長(zhǎng)簽字： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成績(jī)：評(píng)閱人評(píng)分 ：指導(dǎo)教師評(píng)分 ：答 辯成 績(jī)：總成績(jī)：院長(zhǎng)（系主任）簽字： 年 月 日注：評(píng)閱人評(píng)分滿分為 100 分，指導(dǎo)教師評(píng)分滿分為 100 分，答辯成績(jī)滿分為 100分；總成績(jī)?yōu)槿叩乃阈g(shù)平均值（四舍五入） 。摘要當(dāng)今社會(huì)，三自由度機(jī)械手(又被稱作 3D 機(jī)器人)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，機(jī)器人學(xué)在近幾十年內(nèi)迅速發(fā)展成為一門綜合學(xué)科。機(jī)械手的應(yīng)用范圍十分廣泛,它不僅用于工業(yè)制造領(lǐng)域，也用于軍事領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

9、等。在提高工廠的生產(chǎn)效率和人們的生活質(zhì)量的同時(shí)，也使人類社會(huì)發(fā)生了巨大變化。因此，機(jī)械手的研究具有重大的意義。本論文以三自由度機(jī)械手為主要研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理作一闡述。使用慧魚模型，為了使學(xué)生們加深理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，并且能夠在實(shí)踐中體會(huì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)方式。從而更深層次地了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激發(fā)對(duì)其的興趣，樹立科學(xué)的觀念，培養(yǎng)良好的獨(dú)立研究能力。機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成，具備抓取、搬運(yùn)等多種功能。所述機(jī)械手機(jī)身采用機(jī)座式，實(shí)驗(yàn)對(duì)象圍繞機(jī)座布置，其坐標(biāo)形式為多關(guān)節(jié)式，具有水平旋轉(zhuǎn)、手臂豎直擺動(dòng)等3 個(gè)自由度；驅(qū)使其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，常用的有液壓、氣壓、電力

10、和機(jī)械四種驅(qū)動(dòng)形式。我們所采用的驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用伺服電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)，當(dāng)減速機(jī)減速后帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，反應(yīng)迅速，線性度高，伺服特性好。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，被稱為機(jī)械手的自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。控制系統(tǒng)是通過對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來完成動(dòng)作的程序、位置和時(shí)間（甚至速度與加速度）等，是機(jī)械手動(dòng)作的指揮系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)等微控制芯片構(gòu)成，通過對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要求的功能。采用 ROBO Pro 軟件進(jìn)行模擬系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的伺服控制和制動(dòng)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：機(jī)械手；慧魚模型；

11、運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)；伺服電機(jī)、ROBO Pro 軟件IAbstractNowadays,three degrees of freedom manipulator (also known as 3D robot) is widely used in the production of life, robotics rapid development in recent decades become a comprehensive discipline. Robot applications is very wide, it is not only used in industrial manufactur

12、ing, but also for the military, medical field, agriculture and other fields. Improve plant productivity and quality of life of people, but also make human society has undergone tremendous changes. Therefore, the study of the robot has great significance.In this thesis, three degrees of freedom manip

13、ulator as the main object of study for an elaborate design of its structure and working principle . Use fischertechnik model , in order to deepen the theoretical knowledge of the students to learn, and be able to understand the trajectory of the robot movement pattern in practice . Thus a deeper und

14、erstanding of the development of modern science and technology, to stimulate their interest , establish a scientific concept , develop good independent study skills. Robot mainly by hand , sports bodies and control system has three major components , with the capture, handling and other features. Th

15、e mechanical base type using the phone itself , the subjects are arranged around the base , its coordinates in the form of multi-joint type, with horizontal rotation, a vertical arm swing , etc. 3 degrees of freedom ; driving power source of its movement , commonly used hydraulic , pneumatic , elect

16、rical and mechanical drive four kinds of forms . Drive the way we used to drive the motor , the servo motor driven gear , gear reducer drive when the rotation axis , in order to achieve various rotary motion . The advantage is that the motor drive controls the speed , position accuracy is very accur

17、ate , rapid response , high linearity, good servo characteristics.Independence movement way down movement mechanism, stretching, rotating, etc., are called degrees of freedom manipulator. Freedom manipulator is a key design parameter. Control system is through each degree of freedom robot motor cont

18、rol, to complete the action program, location, and time (even speed and acceleration), is the chain of command the robot movement. The core of the control system is usually controlled by a microcontroller, such as micro-chip structure, by its programming to achieve the required functionality. Using

19、ROBO Pro software simulation systems, and ultimately joint servo control and braking.Key words: Manipulator; fischertechnik; motion coordinates; servo motor; ROBO Pro Software.目錄目錄第一章第一章 緒論緒論 .11.1 機(jī)械手的歷史背景.11.2 機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r.21.2.1 國(guó)內(nèi)機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r.21.2.2 國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r.21.3 機(jī)械手的應(yīng)用前景 .31.4 機(jī)械手的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展趨勢(shì) .4第二章第二章 機(jī)械

20、手分類及組成結(jié)構(gòu)機(jī)械手分類及組成結(jié)構(gòu) .52.1 機(jī)械手的分類.52.2 機(jī)械手的組成.62.2.1 機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu) .62.2.2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) .72.2.3 機(jī)械手的控制系統(tǒng) .7第三章第三章 機(jī)械手的控制系統(tǒng)分析機(jī)械手的控制系統(tǒng)分析 .83.1 控制系統(tǒng)硬件 .83.1.1 三自由度機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表.83.1.2 電機(jī).83.1.3 ROBO PRO 接口板.93.2 控制系統(tǒng)軟件 .103.2.1 軟件系統(tǒng)平臺(tái)介紹 .103.2.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) .12第四章第四章 三自由度機(jī)械手實(shí)驗(yàn)分析三自由度機(jī)械手實(shí)驗(yàn)分析.154.1 硬件設(shè)備的組裝和與軟件系統(tǒng)的連接.154.1.

21、1 實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備 .154.1.2 組裝過程.154.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.15第五章第五章 結(jié)論與展望結(jié)論與展望.175.1 結(jié)論.175.2 展望.17參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).18致致 謝謝.190第一章第一章 緒論緒論隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，三自由度機(jī)械手(又被稱作 3D 機(jī)器人)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，機(jī)器人學(xué)在近幾十年內(nèi)迅速發(fā)展成為一門綜合學(xué)科。機(jī)械手既是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，又是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，能模仿人的手和臂的某些動(dòng)作，按照固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置1。從而可以替代人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，并且能在有害環(huán)境下使用以確保人身安全，現(xiàn)已應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金

22、、電子、輕工和原子能等部門2。以電鍍工業(yè)為例，隨著其發(fā)展，對(duì)電鍍工藝提出了新的要求，同樣對(duì)電鍍?cè)O(shè)備也提出了更高的要求。機(jī)械手因?yàn)榫哂辛己玫目臻g轉(zhuǎn)移性能和控制性能等特點(diǎn)，從而在電鍍生產(chǎn)線上有很好的應(yīng)用前景。在自動(dòng)化裝配生產(chǎn)過程中，機(jī)械手能將單個(gè)或多個(gè)工件迅速的從一個(gè)位置準(zhǔn)確地抓取并移動(dòng)到目標(biāo)位置。機(jī)械手的使用大大提高了生產(chǎn)的效率，同時(shí)更易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，確保操作人員免受電鍍環(huán)境對(duì)于人身健康的影響。目前使用的機(jī)械手以二自由度機(jī)械手和三自由度機(jī)械手為主。本文為了使學(xué)生們加深理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，并且能夠在實(shí)踐中體會(huì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)方式。從而更深層次地了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激發(fā)對(duì)其的興趣，樹立科學(xué)

23、的觀念，培養(yǎng)良好的獨(dú)立研究能力。1.1 機(jī)械手的歷史背景機(jī)械手的歷史背景機(jī)械手是以早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，對(duì)其研究始于 20 世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，尤其是 1946 年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速，令世人始料未及。同時(shí)，大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步為機(jī)器人的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。從另一角度而言，核能技術(shù)的研究要求某些操作需要由機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)，以避免對(duì)人造成健康影響。在這一需求的背景下，美國(guó)于 1947 年開發(fā)了遙控機(jī)械手，1948 年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手?，F(xiàn)在，大部分

24、機(jī)械手仍處于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向依舊是是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制，其具有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把能感覺到的信息給予反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)械手目的為能獨(dú)立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備相聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)及單元。11.2 機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r機(jī)械手的廣泛使用是因?yàn)樗姆e極作用正日益為人們所熟知；一方面，它能部分代替人工操作，從而改善了工人的勞動(dòng)條件，提高了勞動(dòng)的生產(chǎn)率。另一方面，它能按照生產(chǎn)工藝的流程，傳送和裝卸物品并完成必要的器具焊接和裝配。加快

25、實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因此，受到先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視，從而投入大量的人力物力加以研究和開發(fā)。尤其在高溫、高壓、粉壓、噪音以及帶有放射性的污染的場(chǎng)合，應(yīng)用更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到相關(guān)部門的重視。1.2.1 國(guó)內(nèi)機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r國(guó)內(nèi)機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)機(jī)械手起步較晚，比歐美大約晚 30 年，在二十世紀(jì)七十年代初期，經(jīng)過 40多年的發(fā)展，正日益走向成熟，1972 年我國(guó)第一臺(tái)機(jī)械手在上海研發(fā)成功，之后全國(guó)各省都開始研制和使用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃（19861990 年）開始，我國(guó)政府加大了對(duì)工業(yè)機(jī)器人的重視程度，并且為此項(xiàng)目投入大量的資金。目前，在

26、國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的再現(xiàn)式機(jī)械手，雖然一般都有記憶存儲(chǔ)裝置，但其程序都是預(yù)先編好的，或由人在工作之前操作一次，然后機(jī)械手可以按已操作過的工作內(nèi)容正確進(jìn)行再現(xiàn)動(dòng)作。現(xiàn)在正研究的機(jī)械手朝著可以存儲(chǔ)大量程序的方向，并且可以改變并重新寫入程序的方向發(fā)展，而且機(jī)械手具有比原來更多的自由度。雖然在這方面相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家還處于落后階段，但是國(guó)內(nèi)已開始重視機(jī)械手的重要性，國(guó)家正大力支持相關(guān)的設(shè)計(jì)及產(chǎn)品的研發(fā)。在機(jī)器人的發(fā)展以及機(jī)械手的設(shè)計(jì)上也取得了一定的成果。但是，不得不承認(rèn)我國(guó)機(jī)械手市場(chǎng)份額大部分由國(guó)外機(jī)械手企業(yè)掌握。快速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，我們務(wù)必要向機(jī)械手產(chǎn)業(yè)注入新的活力，從而去涉足機(jī)械手的前沿技術(shù)。我國(guó)一定能夠迎

27、頭趕上并將且超越發(fā)達(dá)國(guó)家在機(jī)械手乃至整個(gè)機(jī)械方面所處的領(lǐng)先地位。1.2.2 國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r美國(guó)研制了世界上第一臺(tái)機(jī)械手，結(jié)構(gòu)為：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962 年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上調(diào)試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。同年，美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降，其采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，同樣為示教再現(xiàn)型的機(jī)械手。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機(jī)械手，是后來國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978 年2美國(guó) Unimate 公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種 Unimate-Vicarm 型工業(yè)機(jī)

28、械手，內(nèi)部裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于1 毫米。聯(lián)邦德國(guó) KnKa 公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制；日本在工業(yè)方面機(jī)械手的應(yīng)用是最多的，也是發(fā)展最快的。自 1969 年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械手后，便自行開始研究開發(fā)；前蘇聯(lián)從六十年代開始發(fā)展和應(yīng)用機(jī)械手，自 1977 年，前蘇聯(lián)的機(jī)械手已經(jīng)初具規(guī)模，可滿足國(guó)內(nèi)一半需求。如今，機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。因機(jī)械手的快速發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。機(jī)械手涉及的內(nèi)容，不僅包含機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，還還應(yīng)用了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線電控制等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的

29、科研內(nèi)容。目前國(guó)外對(duì)發(fā)展這一方面很重視。幾十年來，這一領(lǐng)域一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷創(chuàng)新，種類在不斷增加，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)在，國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是：(1) 研制具有更多自由度的機(jī)械手，使機(jī)械手變得更加靈活;(2) 研制能夠自動(dòng)編寫和自動(dòng)改變程序的機(jī)械手;(3) 研制智能機(jī)械手。通過傳感裝置，可以由人的特殊語言對(duì)其下達(dá)命令，布置任務(wù)，從而將自動(dòng)化生產(chǎn)線打造成為智能化生產(chǎn)線;(4) 研制具有柔性系統(tǒng)的機(jī)械手。1.3 機(jī)械手的應(yīng)用前景機(jī)械手的應(yīng)用前景機(jī)械手經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，逐漸成為一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。其特點(diǎn)是可通過編程來完成相應(yīng)的預(yù)期結(jié)果。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線上

30、，能更好地與機(jī)械化和自動(dòng)化有機(jī)結(jié)合起來。機(jī)械手構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，雖然還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作，不知疲勞，抓舉重物的力量比人手力大，作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成任務(wù)的能力等特點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。在工業(yè)制造領(lǐng)域中，控制機(jī)器人在機(jī)械制造業(yè)中代替人完成大批量、高質(zhì)量要求的工作，如汽車制造、艦船制造等。化工等行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的點(diǎn)焊、弧焊、及物流系統(tǒng)的裝卸等工作，也有部分是由機(jī)器人完成的。在軍事領(lǐng)域中，讓機(jī)器人執(zhí)行偵察任務(wù)，尤其是一些相對(duì)較為危險(xiǎn)的任務(wù)，比如，拆除炸彈的機(jī)器人及掃雷機(jī)器人等。3在醫(yī)療領(lǐng)域中，主要用來幫助護(hù)士完成日常的工作，比如，自動(dòng)

31、監(jiān)測(cè)病房?jī)?nèi)的空氣質(zhì)量等。部分機(jī)器人還將協(xié)助醫(yī)生完成高難度手術(shù)，比如，眼部手術(shù)、心臟手術(shù)等。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，機(jī)械手的應(yīng)用可以降低成本，提高品質(zhì)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件，解決勞動(dòng)力不足等問題。1.4 機(jī)械手的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展趨勢(shì)機(jī)械手的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展趨勢(shì)機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)在于：動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、不間斷勞作。隨著生產(chǎn)的需要，多關(guān)節(jié)手臂逐步進(jìn)入人們視野，其靈活性更高，關(guān)節(jié)數(shù)量從三個(gè)到十幾個(gè)甚至更多，其外形也隨不同的場(chǎng)合做出相應(yīng)的改變。隨著機(jī)械手的發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械手的應(yīng)用將會(huì)提出了更高的要求，一方面是重復(fù)高精度，重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。另一方面是系統(tǒng)模塊化，模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)

32、械手靈活性較好。它集成電接口、帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。由于模塊化氣動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件采用了特殊設(shè)計(jì)的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強(qiáng)度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。模塊化氣動(dòng)機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向3。4第二章第二章 機(jī)械手分類及組成結(jié)構(gòu)機(jī)械手分類及組成結(jié)構(gòu)2.1 機(jī)械手的機(jī)械手的分類分類機(jī)械手的種類按使用范圍、運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式、驅(qū)動(dòng)方式以及臂力大小四個(gè)方面形成分類，分別如下4。1.按使用范圍分類（1）專用機(jī)械手。一般只有固定的程序，而無單獨(dú)的控制系統(tǒng)

33、，適用于動(dòng)作簡(jiǎn)單的大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。（2）通用機(jī)械手。是指具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機(jī)器，而且能自動(dòng)完成既定任務(wù)的機(jī)械裝置。通用機(jī)械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種。簡(jiǎn)易型只是點(diǎn)位控制，故屬于程序控制類型；伺服型可以是點(diǎn)位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。2.按運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型分類（1）直角坐標(biāo)式機(jī)械手。臂部可以沿直角坐標(biāo)軸 X、Y、Z 三個(gè)方向移動(dòng)。（2）圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手。手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的 X 和 Z 方向移動(dòng)，又可繞 Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。（3）球坐標(biāo)式機(jī)械手。臂部可以沿直角坐標(biāo)軸 X 方向移動(dòng)，還可以繞 Y 軸和 Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。（4）多關(guān)節(jié)式機(jī)械手

34、，分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接以及大臂和機(jī)體的連接均為關(guān)節(jié)式連接，亦即小臂對(duì)大臂可繞肘部上下擺動(dòng)，大臂可繞肩部擺動(dòng)多角。3.按驅(qū)動(dòng)方式分類（1）液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。（2）氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。（3）電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，直接用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。（4）機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，是將主機(jī)的動(dòng)力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳遞給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式。4.按機(jī)械手的臂力大小分類（1）微型機(jī)械手(臂力小于 1） 。（2）小型機(jī)械手(臂力為 110)。（3）中型機(jī)械手（臂力為 1030） 。5（4）大型機(jī)械手（臂力大于 30） 。2.2 機(jī)械手的組成機(jī)械手的組成機(jī)械手主要是由手部、運(yùn)動(dòng)

35、機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成的。手部又分為抓取機(jī)構(gòu)和傳送機(jī)構(gòu)，抓取機(jī)構(gòu)包括手指、傳力機(jī)構(gòu)等，主要是用來抓取和放置工件（或工具）的部件；傳送機(jī)構(gòu)包括手腕、手臂等，主要是改變選定目標(biāo)的方向和位置。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)既定的動(dòng)作，改變被抓持部件的方向和位置。驅(qū)使其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，常用的有液壓、氣壓、電力和機(jī)械四種驅(qū)動(dòng)形式。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，被稱為機(jī)械手的自由度。如果抓取空間中任意方位的物體，需有 6 個(gè)自由度，自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，表示機(jī)械手就越靈活，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，控制系統(tǒng)也相對(duì)較難3。一般專用機(jī)械手有 2 個(gè)或 3

36、 個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來完成動(dòng)作的程序、位置和時(shí)間（甚至速度與加速度）等5。是機(jī)械手動(dòng)作的指揮系統(tǒng)。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或 DSP（digital signal processor）等微控制芯片構(gòu)成，通過對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要求的功能。圖 2.1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成及相互聯(lián)系2.2.1 機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手臂、軀干。（1） 手部，安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔中裝有傳動(dòng)軸，可以把運(yùn)動(dòng)形式傳給手腕，以轉(zhuǎn)動(dòng)、伸曲手腕、開閉手指。6（2） 手臂，其的作用是引導(dǎo)手部準(zhǔn)確地抓取工件，并

37、運(yùn)送到指定的位置上。（3） 軀干，是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。2.2.2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械手所用的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。1.液壓驅(qū)動(dòng)式液壓驅(qū)動(dòng)式機(jī)械手通常由油缸、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。通常它具有很大的抓舉能力，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、動(dòng)作平穩(wěn)、耐沖擊、耐震動(dòng)，但液壓元件有較高的制造精度和密封性能等要求，否則漏油將污染環(huán)境。2.氣壓驅(qū)動(dòng)式其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成，其特點(diǎn)是氣源方便、動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因難以進(jìn)行速度控制，所以氣壓不可太高，從而使抓舉能力較低。3.電氣驅(qū)動(dòng)式

38、電力驅(qū)動(dòng)是機(jī)械手使用得最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。其特點(diǎn)是電源方便，反應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，信號(hào)檢測(cè)、傳動(dòng)、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)（AC）為主要的驅(qū)動(dòng)方式。由于電機(jī)速度高，通常須采用減速機(jī)構(gòu)。4.機(jī)械驅(qū)動(dòng)式機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于動(dòng)作固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。其特點(diǎn)是動(dòng)作可靠，工作迅速，但不易于調(diào)整。2.2.3 機(jī)械手的控制系統(tǒng)機(jī)械手的控制系統(tǒng) 機(jī)械手控制的要素包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度、加減速度等。機(jī)械手的控制分為點(diǎn)動(dòng)和連續(xù)軌跡控制兩種方式610?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求做出相應(yīng)的改變。當(dāng)采用數(shù)字順序控制時(shí)，適用順序、位置

39、、時(shí)間、速度等必須同時(shí)控制的場(chǎng)合，其中插銷板使用于需要迅速改變程序的場(chǎng)合，進(jìn)行點(diǎn)位程序控制。對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手，采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機(jī)械手采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以插銷板用的最多，其次是凸輪轉(zhuǎn)鼓。它裝有許多凸輪，每一個(gè)凸輪分配給一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)鼓運(yùn)動(dòng)一周便完成一個(gè)循環(huán)。7第三章第三章 機(jī)械手的控制系統(tǒng)機(jī)械手的控制系統(tǒng)分析分析3.1 控制系統(tǒng)硬件控制系統(tǒng)硬件機(jī)械手的控制系統(tǒng)硬件設(shè)施是以機(jī)械手自身組成、伺服電機(jī)、ROBO 接口板為主組成，其余硬件作為輔助性設(shè)備保證機(jī)械手工作運(yùn)轉(zhuǎn)。3.1.1 三自由度機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表三自由度機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表1.抓取

40、重量:2Kg (夾持式手部)2.自由度數(shù):3 個(gè)自由度3.座標(biāo)型式:圓柱座標(biāo)4.最大工作半徑:300mm5.手臂最大中心高:320mm6.手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)伸縮行程：300mm 伸縮速度：50mm/s3.1.2 電機(jī)電機(jī)1.步進(jìn)電機(jī)如圖 3.1（1）所示。是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的開環(huán)控制元11。非超載狀況時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角” ，其旋轉(zhuǎn)以固定的角度運(yùn)行的。通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而準(zhǔn)確定位；同時(shí)通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度

41、，從而調(diào)整速度。2.伺服電機(jī)（servo motor）如圖 3.1（2）所示。是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)能夠使控制的速度，位置的精度非常準(zhǔn)確，是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子作為執(zhí)行元件，把收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降，控制方便，體積小，重量輕。8(1)步進(jìn)電機(jī) (2)伺服電機(jī)圖 3.1 步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)二者相比較，步進(jìn)電機(jī)作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，與當(dāng)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系，應(yīng)用十分廣泛。

42、隨著直流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，直流伺服電機(jī)的應(yīng)用更加適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，形成閉環(huán)控制的系統(tǒng)。3.1.3 ROBO PRO 接口板接口板慧魚 ROBO PRO 接口板可以使電腦和模型之間進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，接口板可以傳輸軟件指令，比如控制馬達(dá)和處理傳感器信號(hào)。圖 3.2 為慧魚接口板實(shí)際圖樣：圖 3.2 慧魚接口板圖中上方的紅按鈕為程序選擇按鈕，下方的紅按鈕為端口選擇按鈕。圖中最左下側(cè)豎排四個(gè)插孔為距離傳感器輸入 D1 和 D2，其功能是專門用來連接9慧魚的兩個(gè)距離傳感器。然后，按順序依次向右為：模擬電壓輸入 A1 和 A2：連接輸出為 010V 電壓的模擬傳感器。模擬阻抗輸入 AX 和 AY：連

43、接電位器、光敏和熱敏電阻，測(cè)量范圍為 0-5.5k，分辨率為 10 位。數(shù)字量輸入 I1I8：連接傳感器，比如按鈕、光電傳感器；電壓為 9V，ON/OFF 的切換電壓值為 2.6V，輸入阻抗為 10K。馬達(dá)輸出 M1M4：可連接四個(gè) 9V 直流馬達(dá)（向前，向后，停止，八級(jí)調(diào)速），連續(xù)運(yùn)行電流 250mA，帶短路保護(hù)；另外也可以連接 8 個(gè)燈或者電磁線圈到單個(gè)的輸出 O1-O8。圖 3.3 為 ROBO PRO 接口板簡(jiǎn)圖：圖 3.3 慧魚接口板簡(jiǎn)圖3.2 控制系統(tǒng)軟件控制系統(tǒng)軟件ROBO PRO 軟件中模塊和子程序之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可以完成對(duì)變量和圖形的連接。圖形化編程語言 ROBO Pro 提

44、供所有的現(xiàn)代編程語言，程序翻譯成機(jī)器語言直接執(zhí)行。3.2.1 軟件系統(tǒng)平臺(tái)介紹軟件系統(tǒng)平臺(tái)介紹ROBO 編程軟件的用戶界面，包含：菜單欄、工具欄、功能區(qū)、編程窗口，如下圖：10圖 3.4 慧魚軟件界面ROBO 為用戶提供 14 級(jí)的編程功能，我們可以根據(jù)由淺入深的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行選擇，如圖 3.5 所示：圖 3.5 慧魚軟件編程功能級(jí)ROBO 主要模塊列表：11表 3.1 主要模塊示例圖名稱圖形名稱圖形開始結(jié)束數(shù)字量判斷模擬量判斷馬達(dá)輸出輸入等待循環(huán)計(jì)數(shù)延時(shí)子程序入口子程序出口脈沖計(jì)數(shù)器3.2.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1.控制系統(tǒng)直接控制模型按程序運(yùn)動(dòng)。本次實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為主，控制端通過串口端（COM）與接口板連接并進(jìn)行信息交換。2.模型運(yùn)動(dòng)是因?yàn)橥ㄟ^ PC 機(jī)算法運(yùn)算后，將所編程序通過串口傳給相應(yīng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使其按照預(yù)定指令運(yùn)動(dòng)。 （a）電機(jī)啟動(dòng)停止子程序 （b）電機(jī)正反轉(zhuǎn)子程序圖 3.6 程序電機(jī)部分子程序12（a）位置子程序圖(b)時(shí)間子程序圖 3.7 位置時(shí)間子程序13圖 3.8 控制系統(tǒng)主程