三自由度機械手結(jié)構(gòu)與原理研究

1、題 目： 三自由度機械手結(jié)構(gòu)與原理研究 學 院： 輕型產(chǎn)業(yè)學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 姓 名： 叢榆坤 指導教師： 蔡小五 完成日期： 2014 年 5 月 11 日 畢業(yè)論文任務書畢業(yè)論文任務書畢業(yè)論文題目：畢業(yè)論文題目： 三自由度機械手結(jié)構(gòu)與原理研究選題意義、創(chuàng)新性、科學性和可行性論證：選題意義、創(chuàng)新性、科學性和可行性論證：近年來，我國乃至世界三自由度機械手發(fā)展十分迅速，其數(shù)量和規(guī)模不斷提高，所以對三自由度機械手的熟知變得愈發(fā)重要。為體現(xiàn)出三自由度機械手的現(xiàn)實價值，在此我們對三自由度機械手結(jié)構(gòu)設計與工作原理做一細致分析。主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 ：基于對三自由度機械手的結(jié)構(gòu)與原理分析

2、，通過編寫相關(guān)程序控制機械手運動。首先，了解機械手的發(fā)展現(xiàn)狀；其次，對其硬件的選擇及軟件的使用做一說明；最后，通過實驗，使理論與實際相結(jié)合，觀察機械手的運動狀況。目目 的的 要要 求求 ： 為了培養(yǎng)學生在實踐中運用所學的專業(yè)知識，強調(diào)理論聯(lián)系實際的學習態(tài)度，提高分析問題和解決問題的能力。培養(yǎng)學生掌握計算機操作技術(shù)，運用計算機編寫程序進行模擬操作。計計 劃劃 進進 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 教 師 簽 字： 主管院長（系主任）簽字： 年 月 日遼 寧 大 學本科畢業(yè)論文（設計）指導記錄表論文題目三自由度機械手結(jié)構(gòu)與原理研究學生姓名叢榆坤學 號102703104年級、專業(yè)2010 級電氣工程及其自動化指導教師姓名蔡小五指導教師職稱副教授所在院系輕型產(chǎn)業(yè)學院第一次指導（對確定題目、畢業(yè)論文（設計）任務書的指導意見）：確定論文題目為：三自由度機械手結(jié)構(gòu)與原理研究獨立查閱畢業(yè)論文資料。圍繞課題題目收集、閱讀有關(guān)文獻資料。綜

4、合分析題目內(nèi)容和要求，運用理論課所學知識，聯(lián)系實際提出解決問題的方法。同時對論文的目的和要求、計劃進度進行了安排。指導方式：（請選擇） 面談 電話 電子郵件 指導教師簽字： 2013 年 10 月 31 日第二次指導（對論文提綱的指導意見）：對論文的提綱進行了修改。認為論文有以下幾個部分需要修改：1、三自由度機械手的研究背景2、三自由度機械手的基本結(jié)構(gòu)3、三自由度機械手的軟件控制系統(tǒng)指導方式：（請選擇） 面談 電話 電子郵件 指導教師簽字： 2013 年 12 月 31 日第三次指導（對初稿的指導意見）：初稿完成后，對論文多出提出了修改意見。認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、重點不突出，未明確表達出研究結(jié)論 2、格式有些地方不正確，有錯別字，需要重新排版指導方式：（請選擇） 面談 電話 電子郵件 指導教師簽字： 2014 年 02 月 28 日第四次指導（對修改稿的指導意見）：對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的規(guī)定書寫。指導方式：（請選擇） 面談 電話 電子郵件 指導教師簽字： 2014 年 04 月 30 日第五次指導（對是否定稿、進入答辯及其它指導意見）：對論文進行了多次指導，認為可以定稿，同時還需要注意：1、認真做好答辯準備2、打印論文時按照學校要求格式進行3、注意答辯時間、地點的安排，答辯時按照要求的程序進行

6、指導方式：（請選擇） 面談 電話 電子郵件 指導教師簽字： 2014 年 05 月 10 日主管院長（主任）簽名 院系蓋章 年 月 日注：指導意見如不夠填寫可加附頁指指導導教教師師評評語語遼寧大學畢業(yè)論文（設計）成績評定單遼寧大學畢業(yè)論文（設計）成績評定單學 生： 叢榆坤 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 論文題目： 三自由度機械手結(jié)構(gòu)與原理研究 論文共 19 頁。 指導教師評語：該生針對目前機器人領(lǐng)域中的三自由度機械手的發(fā)展現(xiàn)狀，對其結(jié)構(gòu)進行詳細的介紹，通過ROBO Pro軟件設計相關(guān)程序使機械手驅(qū)動。并在畢業(yè)設計過程中仔細認真，獨立學習、掌握軟件的使用方法。該設計軟件操作簡單、穩(wěn)定可靠，可使學

7、生自主研究、開發(fā)，使機械手具有更多功能。課題設計得較為合理、效果較好，達到了本科畢業(yè)論文的要求。 本論文內(nèi)容充分、格式正確，可以進入答辯環(huán)節(jié)。指導教師評分： 指導教師簽字： 2014 年 5 月 23日評閱人評語： 該生選題具有一定的現(xiàn)實意義，論文觀點正確、結(jié)構(gòu)較為嚴謹、思路較為清晰、敘述流暢，并具有一定的創(chuàng)新之處，達到了本科畢業(yè)論文的要求。評閱人評分：評閱人簽字： 2014 年 05 月 23 日答辯委員會評語： 輕型產(chǎn)業(yè)學院畢業(yè)論文答辯委員會（小組）于 2014 年 5 月 23 日審查了 2014 屆電氣工程及其自動化專業(yè)學生叢榆坤的畢業(yè)論文。答辯委員會評語： 該生選題具有一定的現(xiàn)實意義

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：答辯委員會成員：答辯委員會（小組）組長簽字： 年 月 日 畢業(yè)論文（設計）成績：評閱人評分 ：指導教師評分 ：答 辯成 績：總成績：院長（系主任）簽字： 年 月 日注：評閱人評分滿分為 100 分，指導教師評分滿分為 100 分，答辯成績滿分為 100分；總成績?yōu)槿叩乃阈g(shù)平均值（四舍五入） 。摘要當今社會，三自由度機械手(又被稱作 3D 機器人)廣泛應用于生產(chǎn)生活中，機器人學在近幾十年內(nèi)迅速發(fā)展成為一門綜合學科。機械手的應用范圍十分廣泛,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，也使人類社會發(fā)生了巨大變化。因此，機械手的研究具有重大的意義。本論文以三自由度機械手為主要研究對象，對其結(jié)構(gòu)設計及工作原理作一闡述。使用慧魚模型，為了使學生們加深理論知識的學習，并且能夠在實踐中體會機械手的運動軌跡與運動方式。從而更深層次地了解現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，激發(fā)對其的興趣，樹立科學的觀念，培養(yǎng)良好的獨立研究能力。機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成，具備抓取、搬運等多種功能。所述機械手機身采用機座式，實驗對象圍繞機座布置，其坐標形式為多關(guān)節(jié)式，具有水平旋轉(zhuǎn)、手臂豎直擺動等3 個自由度；驅(qū)使其運動的動力源，常用的有液壓、氣壓、電力

10、和機械四種驅(qū)動形式。我們所采用的驅(qū)動方式為電機驅(qū)動，利用伺服電機帶動減速機，當減速機減速后帶動旋轉(zhuǎn)軸運動，從而實現(xiàn)各個回轉(zhuǎn)運動。電機驅(qū)動的優(yōu)點是控制速度，位置精度非常準確，反應迅速，線性度高，伺服特性好。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，被稱為機械手的自由度。自由度是機械手設計的關(guān)鍵參數(shù)。控制系統(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成動作的程序、位置和時間（甚至速度與加速度）等，是機械手動作的指揮系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要求的功能。采用 ROBO Pro 軟件進行模擬系統(tǒng)，最終實現(xiàn)關(guān)節(jié)的伺服控制和制動。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：機械手；慧魚模型；

11、運動坐標；伺服電機、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 機械手的歷史背景.11.2 機械手的發(fā)展狀況.21.2.1 國內(nèi)機械手的發(fā)展狀況.21.2.2 國外機械手的發(fā)展狀況.21.3 機械手的應用前景 .31.4 機械手的優(yōu)勢及發(fā)展趨勢 .4第二章第二章 機械

20、手分類及組成結(jié)構(gòu)機械手分類及組成結(jié)構(gòu) .52.1 機械手的分類.52.2 機械手的組成.62.2.1 機械手的執(zhí)行機構(gòu) .62.2.2 機械手的驅(qū)動機構(gòu) .72.2.3 機械手的控制系統(tǒng) .7第三章第三章 機械手的控制系統(tǒng)分析機械手的控制系統(tǒng)分析 .83.1 控制系統(tǒng)硬件 .83.1.1 三自由度機械手的技術(shù)參數(shù)列表.83.1.2 電機.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)平臺介紹 .103.2.2 控制系統(tǒng)總體設計 .12第四章第四章 三自由度機械手實驗分析三自由度機械手實驗分析.154.1 硬件設備的組裝和與軟件系統(tǒng)的連接.154.1.

21、1 實驗所需設備 .154.1.2 組裝過程.154.2 實驗內(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.17參考文獻參考文獻.18致致 謝謝.190第一章第一章 緒論緒論隨著時代的發(fā)展，科技的進步，三自由度機械手(又被稱作 3D 機器人)廣泛應用于生產(chǎn)生活中，機器人學在近幾十年內(nèi)迅速發(fā)展成為一門綜合學科。機械手既是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，又是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人，能模仿人的手和臂的某些動作，按照固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置1。從而可以替代人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，并且能在有害環(huán)境下使用以確保人身安全，現(xiàn)已應用于機械制造、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，對電鍍工藝提出了新的要求，同樣對電鍍設備也提出了更高的要求。機械手因為具有良好的空間轉(zhuǎn)移性能和控制性能等特點，從而在電鍍生產(chǎn)線上有很好的應用前景。在自動化裝配生產(chǎn)過程中，機械手能將單個或多個工件迅速的從一個位置準確地抓取并移動到目標位置。機械手的使用大大提高了生產(chǎn)的效率，同時更易于實現(xiàn)自動化控制，確保操作人員免受電鍍環(huán)境對于人身健康的影響。目前使用的機械手以二自由度機械手和三自由度機械手為主。本文為了使學生們加深理論知識的學習，并且能夠在實踐中體會機械手的運動軌跡與運動方式。從而更深層次地了解現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，激發(fā)對其的興趣，樹立科學

23、的觀念，培養(yǎng)良好的獨立研究能力。1.1 機械手的歷史背景機械手的歷史背景機械手是以早期出現(xiàn)的古代機器人為基礎發(fā)展起來的，對其研究始于 20 世紀中期，隨著計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，尤其是 1946 年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機發(fā)展迅速，令世人始料未及。同時，大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)需求推動了自動化技術(shù)的發(fā)展，進一步為機器人的研發(fā)奠定了基礎。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械代替人處理放射性物質(zhì)，以避免對人造成健康影響。在這一需求的背景下，美國于 1947 年開發(fā)了遙控機械手，1948 年又開發(fā)了機械式的主從機械手。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手?，F(xiàn)在，大部分

24、機械手仍處于第一代，主要依靠人工進行控制；改進的方向依舊是是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制，其具有微型電子計算控制系統(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，使機械手具有感覺機能。第三代機械手目的為能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備相聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)及單元。11.2 機械手的發(fā)展狀況機械手的發(fā)展狀況機械手的廣泛使用是因為它的積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條件，提高了勞動的生產(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、實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因此，受到先進工業(yè)國家的重視，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合，應用更為廣泛。在我國，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 國內(nèi)機械手的發(fā)展狀況國內(nèi)機械手的發(fā)展狀況我國機械手起步較晚，比歐美大約晚 30 年，在二十世紀七十年代初期，經(jīng)過 40多年的發(fā)展，正日益走向成熟，1972 年我國第一臺機械手在上海研發(fā)成功，之后全國各省都開始研制和使用機械手。從第七個五年計劃（19861990 年）開始，我國政府加大了對工業(yè)機器人的重視程度，并且為此項目投入大量的資金。目前，在

26、國內(nèi)廣泛應用的再現(xiàn)式機械手，雖然一般都有記憶存儲裝置，但其程序都是預先編好的，或由人在工作之前操作一次，然后機械手可以按已操作過的工作內(nèi)容正確進行再現(xiàn)動作。現(xiàn)在正研究的機械手朝著可以存儲大量程序的方向，并且可以改變并重新寫入程序的方向發(fā)展，而且機械手具有比原來更多的自由度。雖然在這方面相對于發(fā)達國家還處于落后階段，但是國內(nèi)已開始重視機械手的重要性，國家正大力支持相關(guān)的設計及產(chǎn)品的研發(fā)。在機器人的發(fā)展以及機械手的設計上也取得了一定的成果。但是，不得不承認我國機械手市場份額大部分由國外機械手企業(yè)掌握。快速發(fā)展的當今社會，我們務必要向機械手產(chǎn)業(yè)注入新的活力，從而去涉足機械手的前沿技術(shù)。我國一定能夠迎

27、頭趕上并將且超越發(fā)達國家在機械手乃至整個機械方面所處的領(lǐng)先地位。1.2.2 國外機械手的發(fā)展狀況國外機械手的發(fā)展狀況美國研制了世界上第一臺機械手，結(jié)構(gòu)為：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上調(diào)試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。同年，美國機械制造公司也實驗成功一種中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降，其采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)，同樣為示教再現(xiàn)型的機械手。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機械手，是后來國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978 年2美國 Unimate 公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種 Unimate-Vicarm 型工業(yè)機

28、械手，內(nèi)部裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于1 毫米。聯(lián)邦德國 KnKa 公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制；日本在工業(yè)方面機械手的應用是最多的，也是發(fā)展最快的。自 1969 年從美國引進兩種機械手后，便自行開始研究開發(fā)；前蘇聯(lián)從六十年代開始發(fā)展和應用機械手，自 1977 年，前蘇聯(lián)的機械手已經(jīng)初具規(guī)模，可滿足國內(nèi)一半需求。如今，機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)進入了以通用機械手為標志的時代。因機械手的快速發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。機械手涉及的內(nèi)容，不僅包含機械、液壓、氣動等基礎知識，還還應用了電子技術(shù)、計算機技術(shù)、無線電控制等，因此它是一項綜合性較強的

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

30、，能更好地與機械化和自動化有機結(jié)合起來。機械手構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，雖然還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作，不知疲勞，抓舉重物的力量比人手力大，作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成任務的能力等特點，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。在工業(yè)制造領(lǐng)域中，控制機器人在機械制造業(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?；さ刃袠I(yè)自動化生產(chǎn)線中的點焊、弧焊、及物流系統(tǒng)的裝卸等工作，也有部分是由機器人完成的。在軍事領(lǐng)域中，讓機器人執(zhí)行偵察任務，尤其是一些相對較為危險的任務，比如，拆除炸彈的機器人及掃雷機器人等。3在醫(yī)療領(lǐng)域中，主要用來幫助護士完成日常的工作，比如，自動

31、監(jiān)測病房內(nèi)的空氣質(zhì)量等。部分機器人還將協(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，機械手的應用可以降低成本，提高品質(zhì)，提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，解決勞動力不足等問題。1.4 機械手的優(yōu)勢及發(fā)展趨勢機械手的優(yōu)勢及發(fā)展趨勢機械手的優(yōu)點在于：動作靈活、運動慣性小、不間斷勞作。隨著生產(chǎn)的需要，多關(guān)節(jié)手臂逐步進入人們視野，其靈活性更高，關(guān)節(jié)數(shù)量從三個到十幾個甚至更多，其外形也隨不同的場合做出相應的改變。隨著機械手的發(fā)展，人們對機械手的應用將會提出了更高的要求，一方面是重復高精度，重復精度是指如果動作重復多次，機械手到達同樣位置的精確程度。另一方面是系統(tǒng)模塊化，模塊化拼裝的氣動機

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

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

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

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

36、 個自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成動作的程序、位置和時間（甚至速度與加速度）等5。是機械手動作的指揮系統(tǒng)。同時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或 DSP（digital signal processor）等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要求的功能。圖 2.1 機械手的結(jié)構(gòu)組成及相互聯(lián)系2.2.1 機械手的執(zhí)行機構(gòu)機械手的執(zhí)行機構(gòu)機械手的執(zhí)行機構(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)孔中裝有傳動軸，可以把運動形式傳給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸曲手腕、開閉手指。6（2） 手臂，其的作用是引導手部準確地抓取工件，并

37、運送到指定的位置上。（3） 軀干，是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構(gòu)的支架。2.2.2 機械手的驅(qū)動機構(gòu)機械手的驅(qū)動機構(gòu)機械手所用的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。1.液壓驅(qū)動式液壓驅(qū)動式機械手通常由油缸、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動系統(tǒng)，由驅(qū)動機械手運動的執(zhí)行機構(gòu)進行工作。通常它具有很大的抓舉能力，其特點是結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐震動，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)動式其驅(qū)動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成，其特點是氣源方便、動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單。因難以進行速度控制，所以氣壓不可太高，從而使抓舉能力較低。3.電氣驅(qū)動式

38、電力驅(qū)動是機械手使用得最多的一種驅(qū)動方式。其特點是電源方便，反應快，驅(qū)動力較大，信號檢測、傳動、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機一般采用步進電機，直流伺服電機（AC）為主要的驅(qū)動方式。由于電機速度高，通常須采用減速機構(gòu)。4.機械驅(qū)動式機械驅(qū)動只用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)來實現(xiàn)規(guī)定的動作。其特點是動作可靠，工作迅速，但不易于調(diào)整。2.2.3 機械手的控制系統(tǒng)機械手的控制系統(tǒng) 機械手控制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度、加減速度等。機械手的控制分為點動和連續(xù)軌跡控制兩種方式610?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)動作的要求做出相應的改變。當采用數(shù)字順序控制時，適用順序、位置

39、、時間、速度等必須同時控制的場合，其中插銷板使用于需要迅速改變程序的場合，進行點位程序控制。對動作復雜的機械手，采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復雜的機械手采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算機或微處理機控制的系統(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，每一個凸輪分配給一個運動軸，轉(zhuǎn)鼓運動一周便完成一個循環(huán)。7第三章第三章 機械手的控制系統(tǒng)機械手的控制系統(tǒng)分析分析3.1 控制系統(tǒng)硬件控制系統(tǒng)硬件機械手的控制系統(tǒng)硬件設施是以機械手自身組成、伺服電機、ROBO 接口板為主組成，其余硬件作為輔助性設備保證機械手工作運轉(zhuǎn)。3.1.1 三自由度機械手的技術(shù)參數(shù)列表三自由度機械手的技術(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 個自由度3.座標型式:圓柱座標4.最大工作半徑:300mm5.手臂最大中心高:320mm6.手臂運動參數(shù)伸縮行程：300mm 伸縮速度：50mm/s3.1.2 電機電機1.步進電機如圖 3.1（1）所示。是將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的開環(huán)控制元11。非超載狀況時，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角” ，其旋轉(zhuǎn)以固定的角度運行的。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而準確定位；同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度

41、，從而調(diào)整速度。2.伺服電機（servo motor）如圖 3.1（2）所示。是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機能夠使控制的速度，位置的精度非常準確，是將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子作為執(zhí)行元件，把收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(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)步進電機 (2)伺服電機圖 3.1 步進電機與伺服電機二者相比較，步進電機作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，與當代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系，應用十分廣泛。

42、隨著直流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，直流伺服電機的應用更加適應數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，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，比如控制馬達和處理傳感器信號。圖 3.2 為慧魚接口板實際圖樣：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。馬達輸出 M1M4：可連接四個 9V 直流馬達（向前，向后，停止，八級調(diào)速），連續(xù)運行電流 250mA，帶短路保護；另外也可以連接 8 個燈或者電磁線圈到單個的輸出 O1-O8。圖 3.3 為 ROBO PRO 接口板簡圖：圖 3.3 慧魚接口板簡圖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，程序翻譯成機器語言直接執(zhí)行。3.2.1 軟件系統(tǒng)平臺介紹軟件系統(tǒng)平臺介紹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 級的編程功能，我們可以根據(jù)由淺入深的學習過程進行選擇，如圖 3.5 所示：圖 3.5 慧魚軟件編程功能級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輸出輸入等待循環(huán)計數(shù)延時子程序入口子程序出口脈沖計數(shù)器3.2.2 控制系統(tǒng)總體設計控制系統(tǒng)總體設計1.控制系統(tǒng)直接控制模型按程序運動。本次實驗控制系統(tǒng)以計算機為主，控制端通過串口端（COM）與接口板連接并進行信息交換。2.模型運動是因為通過 PC 機算法運算后，將所編程序通過串口傳給相應電機實現(xiàn)機器人電機轉(zhuǎn)動，從而使其按照預定指令運動。 （a）電機啟動停止子程序 （b）電機正反轉(zhuǎn)子程序圖 3.6 程序電機部分子程序12（a）位置子程序圖(b)時間子程序圖 3.7 位置時間子程序13圖 3.8 控制系統(tǒng)主程