引论：我们为您整理了13篇机械手设计论文范文，供您借鉴以丰富您的创作。它们是您写作时的宝贵资源，期望它们能够激发您的创作灵感，让您的文章更具深度。
篇1
11）掌握机械手动作流程。
2）掌握电气控制元件的选择与计算方法。
3）掌握PLC选择与应用。
三、设计要求
两条传送带分别由电动机驱动，机械手有液压缸驱动上下左右旋转两个方向运动，液压系统是1000W电机。设计要求
1）机械手由原位下降抓物上升右转下降放物上升左旋原位结束。
2）用常用的电气元件控制。
3）有工作状态指示及照明。
4）有必要的电气保护和联锁。
四、完成的任务
要求说明详细，字迹工整，原理正确，元件选择有理。图纸规范，图形清晰，符号标准，线条均匀。
（1）设计与绘制电气控制原理图，元件安装布置图、接线图。
（2）毕业设计说明书（8000以上）
1）设计题目
2）控制原理说明设计方案论证
3）主要器件选择依据与计算
4）元件明细表
5）设计总结及改进意见
6）主要参考资料
五、 工厂电气控制技术 机械工业出版社 主编 方承远
工厂电气控制设备 机械工业出版社 主编 许廖
机床电气控制技术 机械工业出版社 主编 王炳实
可编程序控制器的应用技术 机械工业出版社 主编 王兆义
可编程序控制器的原理及程序设计 电子工业出版社 主编 崔亚军
前言
由于可编程序控制器具有可靠性高、通用性强、程序设计简单及便于安装调试等优点，它在工业控制的各个领域发挥着越来越重要的作用。社会对可编程序控制器技术人员的需长也越来越迫切。
可编程控制器的机型较多，但其基本结构和工作原理相同，基本指令、控制功能和编程方法类似。本设计书以是用最广泛的德国西门子可编程控制器为核心，主要介绍了可编程控制器的基础知识、基本结构、指令系统、程序设计、控制系统以及可编程序控制器在逻辑控制系统的模拟量控制系统中的应用等知识。本设计书结合了大量的图形，使设计一目了然。并给出了程序调试，最后给出了主要的流程图、梯形图、详细注释及助记符语言等。
本设计书参考了众多可编程序控制器教学用书，结合自己所掌握的知识，并由指导教师田林红老师的指导下完成。在此真诚的衷心的感谢田老师的指导帮助。
由于本人水平有限，错误和不妥之处再所难免，敬请各位老师及各位读者批评指正。
目 录
前言...................................................（）
摘要...................................................（1）
一、电器控制技术的发展状况.............................（3）
二、PLC的基本结构和工作原理...........................（3）
1、PLC的基本结构...................................（ ）
2、PLC的工作原理...................................（ ）
三、可编程控制器的特点及基本功能.......................（）
1、PLC的特点.......................................
2、PLC的基本功能...................................
四、PLC的应用领域和发展趋势...........................（3）
五、PLC应用中应注意的若干问题.........................（4）
六、机械手移动工件的控制系统
1、机械手移动工件控制系统的基本机构................（5）
2、机械手移动工件的控制要求与工作流程..............（6）
3、操作面板布置....................................（6）
4、控制系统构成....................................（6）
七、梯形图设计.........................................（6）
1、梯形图的整体设计................................（6）
2、各部分梯形图的设计..............................（8）
3、机械手的PLC控制梯形图..........................（8）
4、程序语言............................... ........（8）
八、总结... ...........................................（26）
）
附录...............................................
摘 要
在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸等机械器件组成；电气方面有步进电机、驱动模块、传感器、开关电源、电磁阀、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、气动技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手是由PLC输出两路脉冲，分别驱动横轴、竖轴步进电机驱动器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信传给PLC主机；直流电机拖动手爪和底盘旋转，位置信号由旋转码盘和接近开关反馈给PLC主机；电磁阀控制气开阀的开关来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。
关键字：
可编程控制器PLC；
机械手；
脉冲；
步进电机驱动器；
步进电机；
直流电机；
传感器；
限位开关；
电磁阀。
一、电气控制技术的发展状况
在现代工业中,为了实现各种生产工艺过程的要求,驱动生产机械的工作机构运动的电器机械装置称为电力动。在电力拖动中，电动机是生产机械的原动力。必须根据生产工艺的要求，通过各种控制电器，自动实现其启动、制动、反转及调速等控制，从而产生了电气自动控制技术。
20世纪20—30年代，人们采用继电器及接触器等元件控制电动机的运行，这种制动系统称为继电器—接触器控制系统。这类系统结构简单、价格低廉、维护方便，因此被广泛应用于各类机床和机械设备中。采用这种系统不但可以方便地实现生产过程自动化，而且还可以实现集中控制。目前，我国的大部分机床和其他机械设备仍旧采用继电器—接触器控制系统。由于该系统是固定接线形式，故在改变生产工艺时需要重新布线，控制的灵活性较差。另外，该系统采用有触点元件控制，动作频率低，触点易损坏，系统的可靠性差。
20世纪40年代，世界上出现了交磁放大机—电动机控制，这是一种闭环反馈系统，它利用输出量与给定量的偏差进行自动控制，其控制精度和快速性都有了提高。20世纪60年代出现了晶体管—晶闸管控制，到了70年展成为集成电路—晶闸管控制。由晶闸管供电的直流调速系统和交流调速系统不仅调速性能大为改善，而且减少了机电设备和占地面积，耗电少、效率高，已完全取代了交磁放大机—电动机系统。
在实际生产中，由于大量存在一些由开关量控制的简单程序控制过程,而实际生产工艺和流程又是经常变化的,因此需要一种能灵活改变程序的次新型控制器.于是,在20世纪60年代出现了一种能够根据生产需要方便的改变控制程序,而又比电子计算机结构简单、价格低廉的自动化装置—顺序控制.它是通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器—接触器控制线路功能的装置,能满足程序经常改变的控制要求,使控制系统具有较大的灵活性和通用性,但它使用的依然是硬件手段,装置体积大,功能也受到一定的限制.随着大规模集成电路和微处理技术的发展和应用,上述控制技术也发生了根本变化,在20世纪70年代出现了以微处理器为核心的、用软件手段来实现各种控制控制功能的新型工业控制器—可编程序控制器(PLC).它不仅充分利用了微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求,而且还照顾到了现场电气操作维护人员的技能和习惯,摒弃了微机常用的计算机程序语言的表达形式,独具风格地形成了一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构,使用户程序的编制清晰直观,方便易学,更容易调试和查错.它已经取代了继电器—接触器控制系统,被广泛应用于大规模的生产过程控制中,具有通用性强、程序可变、编程容易、可靠性高、使用维护方便等优点,故目前世界各国已将它作为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制中.
电气控制技术是随着科学的不断发展、生产工艺的不断提高儿讯发展的。在控制方法上，它手动控制到自动控制；在控制功能上，它是从简单到复杂；在操纵上，它笨重到轻巧;在控制原理上,它从由单一的有触点接线的继电器—接触器控制系统,到以微处理器为中心的软件控制系统.随着新的控制理论和新型电器及电子元件的出现,电气控制技术还将不断得到发展.
二、 PLC的基本结构和工作原理
1、 PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。
1）.整体式结构的PLC
整体式结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等组装在一起组成。
2）.模块式结构的PLC
模块式结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。
3）.PLC各组成部分介绍
（1）、中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）是PLC的核心部分，相当于PLC的“大脑”。它通过系统总线与用户存储器、输入/输出、通信端口等单元相连。通过制造厂家预制在系统存储器内部的系统程序完成各项任务。其主要功能是由编程器写入控制程序和数据到存储器、检验用户程序、从存储器上读取和执行程序，还可以进行PLC内部故障的诊断等。
（2）、存储器
根据存储器存储内容的不同，我们把存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。
系统程序存储器：用来存放系统软件的存储器。系统程序相当于计算机操作系统。是PLC厂家根据选用的CPU的指令来编写的，并固化到ROM里，用户不能修改其内容。
用户程序存储器：用来存放用户根据控制要求编制的程序。不同类型的PLC，其存储容量也不一样。
数据存储器：用以存放PLC运行中的各种数据的存储器。因为运行中数据不断变化，所以这种存储器必须可读写。
（3）、输入/输出（I/O）单元
输入/输出（I/O）单元是PLC与此同时外部设备连接的纽带。输入单元接收现场设备向PLC提供的开头量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。输出单元将CPU的信号经处理后来控制 外部设备的。
（4）、电源部分 （5）、通信端口
PLC的CPU模块上至少有一个通信端口。通过这个通信端口PLC可以直接和编程器或上位机相连。
（6）编程器
几乎每个PLC厂家都有自己的编程器。用户通过编程器来编写控制程序，并通过编程器接口将自己的控制程序输入到PLC。它还可以在线检测程序的运行情况。在出现故障时，通过编程器可以很方便的找出错误。
（7）特殊功能单元
主要包括模拟量输入/输出单元、远程I/O模块、通信模块、高速计数模块、中断输入模块和PID调解模块等。随着PLC的进一步发展，特殊功能单元的应用也越来越多。
2、PLC的工作原理
PLC的工作原理与继电器构成的控制装置一样，但是工作方式不太一样。继电器控制是并行方式，即如果输出或电，该线圈的触点立即动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只是该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序、输出3个阶段才能完成控制过程。
PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。
1)、输入阶段
在这个阶段中，PLC读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。
2)、执行程序阶段
在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储单元。这一阶段执行完后，进入输出阶段。在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。
、输出阶段
在这个阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。
三、 PLC的特点及基本功能
1、PLC的特点
1）、编程简单，易于掌握，PLC的设计者充分考虑到现场技术人员的技能和习惯，经常采用的是梯形图方式的编程语言，它与继电器控制原理图相似，具有直观，清晰、修改方便，易掌握等优点，即便未掌握专门计算机的人也能很快熟悉，因而受到了广大现场技术人员的欢迎。
2）、可靠性高，抗干扰能力 PLC是专为工业控制而设计的，由于采了一系列的措施，使之在恶劣的工业环境下仍能保证很高的可靠性，一般平均无故障时间可达到4-5万小时，远远超过以往电器控制系统和计算机控制系统。
3）、通用性能好，PLC品种多，档次高，同一以PLC可适用于不同的控制对象或同一对象的不同控制要求，同一档次，不同机型的功能也能方便地相互转换。
4）、功能强，PLC运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，在
硬件和软件两方面不断发展，使菘具备很强的信息处理能力，可进行逻辑、定时，计数和步进等控制，能完成A/D与D/A
5）、开发周期短 PLC在许多方面是以软件编程来取代硬件接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，且编程简单，程序设计和高度修改也很方便安全，因此，大大缩短了PLC控制系统的开发周期。
6）、体积小，使用方便，由于PLC采用了半导体集成电路，其体积小，重量轻，结构紧凑，功耗低，是机电技术的理想控制器，PLC编程简单，自诊断能力强，能判断和显示自身故障，使操作人员检查判断故障方便迅速，而且接线少，维修时只需更换插入式模块，维护方便，修改程序和监视运行状态也容易。
2、PLC的基本功能
1）、逻辑控制 PLC具有逻辑运算功能，它设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，能工巧匠够描述继电器触点的串联、并联、串并联等各种连接。因此它可以代替继电器进行组合逻辑与顺序逻辑控制。
2）、定时控制 PLC具有定时控制功能。它为用户提供了若干个定时器并设置了定时指令。定时值可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，使用灵活，操作方便。
3）、计数控制 PLC还具有计数功能。它为用户提供了若干个计数器并设置了计数指令，计数值可由用户在编程时设定，并可在运行中被读出与修改，使用与操作都很灵活方便。
4）、步进控制 PLC能完成步进控制功能。步进控制是指在完成一道工序以后，再进行下一步工序，也就是顺序控制。PLC为用户提供了若干个移位寄存器，或者直接有步进指令，可用于步进控制，编程与使用很方便。
5）、A/D、D/A转换 有些PLC还具有“模数”转换（A/D）和“数模”（D/A），功能，能完成对模拟量的控制与调节。
6）、数据处理 有的PLC还具有数据处理能力，并具有并行运算指令，如两个数据并行传送、比较和逻辑运算，进行数据检索、比较、数制转换等操作。
7）、通信与联网 有些PLC采用了通信技术，可以进行远程I/O控制，多台PLC之间可以进行同位链接，计算机作为上机可对其命令并返回执行结果，这种采用一台计算机，多台PLC组成的颁式控制网络可完成圈套规模的复杂控制。
8）、监控控制 PLC具有较强的监控功能。在控制系统中，操作人员通过监控命令可以监视有关部分的运行状态，可以调整定时或计数设定值，因而高度、使用和维护都很方便。
四、PLC的应用领域和发展趋势
目前，PLC在国内已得到了广泛的应用。利用PLC最基本的逻辑运算、定时、记数等功能进行逻辑控制，可以取代传统的继电器控制系统，广泛用于机床、印刷机、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。
较高档次的PLC具有位置控制模块，特别适用于机床控制。大、中型PLC具有多路模拟量输入输出和PID控制，可构成模拟量输入输出的闭环控制系统，用于过程控制。
随着计算机控制技术的发展，国外近几年兴起自动化网络系统，PLC与PLC之间，PLC与上位机之间连成网络，通过光缆传递信息，构成大型的多级分布式控制系统（集散控制系统）。PLC具有可靠性高、使用方便、编程简单、体积小、重量轻等特点。目前，全世界PLC生产厂家约200多家，生产300多个品种。作为控制装置，它在许多工业控制领域都得到了广泛的应用。随着微处理器技术的发展，PLC也得到了迅速的发展，其技术和产品日趋完善。
& nbsp;PLC的主要发展趋势主要表现在以下几个方面。
1、高速度、高I/O容量、功能强大
随着CPU处理速度的提高，PLC程序执行的速度也越来越快；在规模和超大规模集成电路的发展，相应地使I/O的容量也得到增加；智能模块的啬，使PLC能够实现的功能越来越多。
2、强大的PLC联网能力
随着人们对工业自动化的要求越来越高，人们已经不再满足对几个设备、几条生产线的PLC控制，而是要求实现对全工厂的自动化 ，所以提高PLC控制系统的网络功能成为PLC的发展趋势。以后人们不公能通过通信模块进行PLC与PLC、PLC与上位机之间的连接，还能通过拨号或者无线的方式使PLC联网。
3、编程软件多样化
PLC的梯形力语言、助记符语言和功能模块语言虽然使用方便，而且也能很好的实现控制要求，倡在处理一些高级功能（复杂运算、报表生成和打印等功能）时存在明显的不足，所以就要求高级语言（BASIC、C、FORTRAN等）、图形语言、汇编语言兼容。这样不公可以通过梯形图语言、助记符语言和功能 模块语言来编写程序，也可以通过高级语言来编程。
五、 PLC应用中应注意的若干问题
本节主要介绍PLC在应用过程中经常遇到的一些对PLC的某些输入信号的处理问题。
1、PLC输入信号抖动的消除
在实际应用中，有些开关输入信号在接通过程中，由于外界干扰会出现时通时断的“抖动”现象。这种现象在继电器系统中由于继电器的电磁惯性一般不会造成误动作，没什么影响。但在PLC应用系统中，PLC是不断扫描工作，扫描周期一般比继电器动作时间短得多，抖动信号很可能被PLC检测到，造成错误的结果。所以，必须对这些“抖动”进行处理，已保证系统正常工作。
2、两线式传感器输入的处理
如果PLC输入设备采用两线式传感器（如接近开关、光电开关等）时它们的漏电电流较大，可能会出现错误的输入信号。为了避免这种现象，可在输入端并联输入电阻R，
旁路电阻R的阻值由下式确定：
I（Um∕InUn）∕（R+Un∕In）∕≤UL
式子中，I为传感器的漏电流；Un、In分别是PLC的额定输入电压和额定电流；Um是PLC输入电压低电平的上限值。
3、 由晶体管提供输入信号的处理
如果PLC输入信号由晶体管提供，则要求晶体管的截止电阻应大于10千欧姆，导通电阻应小于800欧姆。
六、机械手移动工件的控制系统
1、机械手移动工件的基本机构
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等，应用非常广泛。应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产效率。
如图 [1] 所示，是一台工件传送机械手的动作示意图。
其作用是将工件从A位置传送到B位置。其上升、下降和左移、右移动作由双线圈的两位式电磁阀驱动气缸来控制完成，一旦电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动直到相对的线圈通电为止。另外夹紧、放松的动作由只有一个线圈的两位式电磁阀驱动的气缸控制完成，线圈通电，夹住工件，线圈断电，放松工件（若担心停电时的工件跌落，可选用通电时松开、断电时夹紧的夹具）。
图 [1]
2、机械手移动工件的控制要求与工作流程
机械手的全部动作由气官缸驱动，而气缸又有相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈两位电磁阀控制。例如，当下降电磁阀通电时，机械手下降；下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。当该线圈通电时，机械手夹紧；当该线圈断电时，机械手放松。
当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须右工作台无工件时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降，用光电开关进行无工件检测。
机械手的动作过程如图 [2] 所示。
图 [2]
从原点开始，按下起动按钮，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通加紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，右移停止。若此时右工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止，同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手由原位下降抓物上升右转下降放物上升左旋原位结束。经过八步动作完成了一个周期的动作。
3、操作面板布置
如图 [3] 是可编程控制器控制盘面板布置图
; 图 [3]
机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。
手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制。例如，当选择上/下运动时，按下启动按钮，机械手下降；按下停止按钮，机械手上升。当选择左/右运动时，按下启动按钮，机械手右移。当选择夹紧/放松运动时，按下启动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。
自动操作方式又分为步进、单周期和连续操作方式。
步进操作：每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。
单周期操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止（如果在操作过程中按下停止按钮，机械手停在该工序上，再按下启动按钮，则又从该工序继续工作，最后停在原位）。
连续操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手的动作将自动地、连续地不断地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。
4、控制系统构成
（1）控制系统图
机械手移动工件控制系统图如图 [4] 所示
图 [4]
（2）输入/输出端子地址分配
该机械手控制系统所采用的可编程控制器是由德国西门子公司生产的S7－200CPU214。如图 [5] 是可编程控制器输入输出端子地址分配图。
图 [5]
该机械手控制系统共使用了14个输入量，6个输出量。
七、梯形图设计
机械手的控制属于顺序控制，采用步进指令，根据说明机器工作状态转换的图形，进行程序设计。
1.梯形图的整体设计
根据机械手的工作方式情况，在选择“单步操作”时，应执行“单步操作”程序；在选择“自动”方式时，应执行“自动程序”，故梯形图的总体构成应如图 [6] 所示。其中，自动程序要在启动按钮按下时才执行。
图 [6]
2.各部分梯形图的设计
1）通用部分梯形图设计
（1）状态器的初始化：
初始状态器S600在手动方式下被置位、复位。当方式选择开关处于“返回原位”（X501接通）时，按下返回原位按钮（X505）时被置位；在“单步操作”（X500接通）时，S600复位。处于中间工步的状态器用手动动作复位操作，即在方式选择开关位于“单步操作”或“返回原位”时，中间状态器同步复位，故初始化梯形图如图 [7] 所示（如果状态器要在供电时从断电前条件开始继续工作，则不需要M71）。
图 [7]
（2）状态器转换启动：
若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器S600被置位后，按下起动按钮，辅助继电器M575工作，状态器的状态可以一步步向下传递，即可以进行转换。在执行“连续操作”程序时，转换启动继电器M575一直保持到停机按钮按下为止。另一方面，采用M100检查机器是否处于原位。当M575和M100都接通时，从初始状态器开始进行转换，其梯形图如图 [8] 所示。
图 [8]
（3）状态器转换禁止梯形图：
激活特殊辅助继电器M574，并用步进指令控制状态器转换时，状态器的自动转换就被禁止。
在“单周期”工作期间，按下停止按钮时，M574应被激励并自保持，操作停止在现行工步。当按下启动按钮时，从现行工序重新开始工作，M574应复位，即重新允许转换。
图 [9]
在“步进”工作方式时，M574应始终工作，此时，禁止任何状态转换。但每按下一次启动按钮时，M574断开一次，允许状态器转换一步。
在“手动”工作方式（单一操作，返回原位）情况下，禁止进行状态转换。在手动方式解除之后，按下启动按钮，则状态转换禁止解除，M574复位。
PLC在启动时，用初始化脉冲M71使M 574自保持，以此禁止状态转换。直到按下启动按钮。状态器转换禁止体形图如图 [9] 所示。
通过对图 [8]、图 [9] 分析可得出：在执行“单步操作”和“返回原位”程序时，M575一直不能被接通，而M574长期被接通（按下启动按钮时除外）；执行“步进”程序时，每按一次启动按钮，M574断开一次，M575接通一次，状态器转换一次；在执行“单周期操作”程序时，按下启动按钮，M574断开，M575接通，状态器的状态可一步一步向下转换，直至按下停止按钮时，M574自锁，状态器的状态转换被禁止，操作停止现行工序（再次按下启动按钮时从现行工序开始工作）；在执行“连续操作：程序时，M575一直接通到按下停止按钮，此时M574一直不能接通。
2）单步操作梯形图 ：
图 [10]
3）返回原位梯形图 ：
在“返回原位”状态下，“夹紧”与“下降”动作应被停止，上限位未动作时应进行“上升”；上限位动作时，“右行”动作应停止，并左行至左限位位置。返回原位梯形图如图 [11] 所示。
图 [11]
4）“自动”状态流程图 ：
如图 [12] 所示
图 [12]
图 [12] 表示了机械手自动工作时执行各工步的情况。表明了各工步的实现以及各工步的转换条件。在第一次下降工步中，下降电磁阀Y430接通。自下限位置时，X401接通，转化为“夹持”过程。在夹持工步中，夹持电磁阀Y731置位，同时驱动T450。T450接通后，转化为第一次上升。此后执行类似的操作，完成由初始条件到下一个初始条件的一系列操作。在夹持输出Y431置位后，保持夹持，直到夹持输出复位松开。如上所述一步一步按顺序驱动各个负载动作，称为顺序控制或过程步进型控制。这种控制过程用继电器符号程序很难实现程序设计。
用状态器替代自动工作流程图中的各个工步，可得到图 [13] 所示的功能表图。初始状态在图中用双线框表示。
图 [13]
根据图 [13] 的功能表图，可设计出自动操作时的梯形图，
如图 [14]所示。
图 [14]
3.绘制机械手PLC控制梯形图 &n bsp; 图 [15-1]
该机械手在自动工作时，应先将其工作方式选择开关放在“返回原位”，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放至自动工作方式下。若自动工作状态解除，则应将工作方式选择开关放至“单步操作”位置 。
4、程序语言：
0 LD X501 30 AND X503
1 AND X505 31 OR X502
2 S S600 32 OR X500
3 LD X500 33 OR X501
4 R S600 34 OR M71
5 LD X500 35 OR M574
6 OR X501 36 ANI M101
7 OR &nbs 陈立定、吴玉香、苏开才 编
7.《电器及PLC控制技术》 机械工业出版社 主编 黄净
8.《机床电器与PLC 》 西安电子科技大学出版社 主编 李伟
9.《PLC应用开发技术与工程实践》 人民邮电出版社 求是科技
10.《PLC实验实训指导书》 河南工业职业技术学院 主编 路剑
11.《可编程控制器的原理与应用》 北京希望电子出版社 主编 史增芳
附录：
表1 数字量输入地址定义
地 址 符 号 定 义 备 注
I0.0 启动按钮
I0.1 下限位 下限位开关
I0.2 上限位 上限位开关
I0.3 右限位 右限位开关
I0.4 左限位 左限位开关
I0.5 无工件检测 无工件检测开关
I0.6 停止按钮
I0.7 单操作 单步方式开关
I1.0 步进操作 步进方式开关
I1.1 单周期操作 单周期方式开关 I1.3 左与右
I1.4 上与下
I1.5 夹与松
表2 数字量输出地址定义
地址 符 号 定 义 备 注
Q0.0 下降电磁阀 下降电磁阀线圈
Q0.2 夹紧电磁阀 松开/夹紧线圈
Q0.1 上升电磁阀 上升电磁阀线圈
篇2
中国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，把“服务机器人”研发作为重点项目。机械手是“服务机器人”的关键部位，在各种护理机器人、陪护机器人、中医按摩机器人中，机械手是机器人完成“服务”任务必不可缺的一部分。设计并制造具有感知能力的拟人化机器手，并对拟人机械手的材质、机械结构、控制技术进行了深入的调查研究。将微小型步进电机和齿轮减速器引入拟人化灵巧机械手设计结构中，实现机械手的大扭矩抓取和拟人化；机械手装有位置、力、力矩等多种传感器，可实现机械手认知能力，且所有部件均集成在手指和手掌内。开发具有认知能力的拟人化灵巧机械手集机、电、计算机软硬件、信号源处理于一体。有5个相同结构的模块化手指，具有拟人化手形外观及认知抓取能力。通过对拟人化灵巧机械手的研究，带动更多前沿学科与机器人技术的交叉和融合，促进我国“机器人”的进一步发展，提高其技术水平和国际竞争力。
1 仿人机械手工作机理分析
仿人机械手主要由手掌、手指机构、拇指机构和所有的手指驱动机构组成。手掌内放的驱动直流小电机，节约了手的空间，缩小了体积；手指机构包括小指、无名指、中指和食指，它们都由相同的构件组成，包括两个关节前指和后指，前指和后指使用螺钉连接，可以减小手指的大小。各指之间使用轴连接，用轴套保持之间的距离，防止发生碰撞。拇指机构是单独的零件体，单独与四指机构用连杆连接，减小了机构的复杂性，有利于优化机构。传动机构包括电机轴齿轮、减速齿轮、驱动手指机构的半齿和带动拇指的连杆组成。仿人机械手运动的过程是以手掌为基座，电机固定在手掌内，带动齿轮实现各级减速，半齿连接在四指上，当半齿转动时带动四指张合，四指和拇指是由连杆连接，所以四指动的时候拇指也随之而动，且与四指相反，从而最终实现物体抓握。
2仿人机械手控制系统硬件设计
2.1控制系统硬件结构设计
图3-1仿人机械手控制系统结构框图
如图3-1所示为基于单片机系统设计的仿人机械手控制系统的结构框图。其工作方式如下：
其中MCU为单片机处理器，信号采集模块包括位置传感器模块和力矩传感器模块。这两个传感器模块的主要功能是检测对被抓物体的夹紧力地大小，同时生成模拟量的电信号，然后再通过单片机内部自带有的A/D转换芯片将模拟量转换成数字量，单片机将得到的数字信息存储起来，等到要处理的时候进行处理。
当单片机根据采集到的夹紧力对应的电压信号来算得手指的运动的位移，向外部驱动电路发送不同的位移信息。外部的电机驱动器将接收到的数字信息进行处理，最后进行对电机运行的控制。
2.2控制器芯片的选择
在设计控制系统的过程中，对控制芯片的选择至关重要，从系统的稳定性，性能和价格等方面考虑选择STC15F204EA单片机。
STC15F204EA系列单片机是STC公司生产的单时钟机器周期的单片机，是高速、高可靠、低功耗、抗干扰的新一代8051单片机，可设置5MHZ-35MHZ宽范围频率，可彻底省掉外部昂贵的晶振，自带8路高速A/D转换功能，无需在系统再搭建模数转换电路。
2.3电机驱动模块的设计
2.3.1驱动芯片的选择
L293是ST公司生产的一种高电压、小电流电机驱动芯片。该芯片采用16脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达36V；输出电流大，瞬间峰值电流可达2A，持续工作电流为1A。内含两个高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和继电器线圈等感性负载；该芯片可以驱动两台直流电机。引脚P1用于M1电机PWM输入控制，引脚P2用于M2电机PWM输入控制。
2.3.2单片机与驱动器之间的接线与参数设置
本文所采用的单片机STC15F204EA可以控制驱动器L293驱动两台微电机。分别是M1和M2。引脚P1、P2可用于接收单片机输出的PWM脉宽调制信号以实现对电机进行调速控制。实现电机正反转是通过D1和D2两个端口控制的，输入信号端D1接高电平，电机M1正转，如果接低电平，电机就反转。控制另一台电机是同样的方式，驱动器L293输入信号端D2接高电平，电机M2正转，反之则反转，PWM信号端P1控制电机M1速度，PWM信号端P2控制电机M2速度。下图3-2为仿人机械手控制系统接线原理图，详细地绘制了单片机控制驱动器并连接两台电动机的工作过程。
图3-2 控制系统接线原理图
3控制系统软件设计
本控制系统所采用STC15F204EA单片机对应晶振为12MHZ，利用定时器控制产生占空比可变的PWM脉冲信号。PWM输出范围为0% -100%，PWM的周期1ms，频率1KHZ，且输出低电平有效。
如下是控制机器人左右机械手运动的两台直流电机PWM调速的部分程序
#include；
Sbit KEY_M1_SW =P1^0//M1：启动或停止；
Sbit KEY_M1_DR =P1^1//M1：正转或反转；
Sbit KEY_M1_ADD =P1^2；//M1：PWM加一；
Sbit KEY_M1_SUB =P1^3；//M1：PWM减一；
Sbit KEY_M2_SW =P1^4；//M2：启动或停止；
Sbit KEY_M2_DR =P1^5；//M2：正转或反转；
Sbit KEY_M2_ADD =P1^6；//M2： PWM加一；
Sbit KEY_M2_SUB =P1^7；//M2： PWM减一；
//输出控制引脚；
Sbit PWM1_OUT=P3^0； //M1：PWM的输出脚；
sbit MOTOR1_DR=P3^1；//M1：电机转向控制；
sbit PWM2_OUT=P3^2；//M2：PWM的输出脚；
sbit MOTOR2_DR=P3^3；//M2：电机转向控制；
sbit BEEP=P3^7；//蜂鸣器；
//电机的占空比；
Unsigned char PWM1_value=50；//赋初值 50%；
Unsigned char PWM2_value=50；//赋初值 50%；
主程序
Void main（void）
{
PWM_INIT（）：//PWM初始化
While（1）
{
KEY_SCAN（）：//按键扫描
}
}
4结论
本文设计了一种仿人机械手运动控制系统，该系统充分利用了仿人机械手结构简单、体积小、重量轻，拆卸方便，各手指间都可安装传感器的优点，能使控制更加灵活，安全性增强，满足了仿人机械手对控制系统的要求。以STC15F204EA单片机为控制核心，通过与位移及力矩采集模块之间的通信，实现了信息的良好通讯。通过驱动芯片L293驱动步进电机运转实现对机械手抓握物体的良好控制。
参考文献
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篇3
结构优化
中图分类号：TB47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2012)02(a)-0001-01
1 水果收获机器人的概念和研究意义
水果收获机器人主要分为两部分：机器人的本体结构部分和控制部分。其中，本体结构部分又可分为：机械手，末端执行器，底部平台，有的还有视觉系统。
在中国，随着农村经济的快速发展和不断调整种植结构，水果栽培面积，例如苹果、柑橘和葡萄，达到自199 3年以来的900万公顷，占世界上水果种植面积总数的四分之一。然而，水果收割任务中50％到70％的劳动力还是靠体力劳动。因为农业人口正在减少，收获自动化亟待普及。此外，由于果树是高个子，收割工作需要使用梯子，使手工收获危险高和效率低下。所以，农业收获机械化亟待普及。因为水果本身易损伤和生长环境的复杂等因素的制约，现阶段的各种水果收获机器人都有各种不足。本文就近几年来的有关论文进行研究学习及对本地柑橘的生长环境的调研，拟设计了一种适合本地柑橘机械采摘的简易机械臂及末端执行器。
2 本地柑橘的自然采摘环境
浙江大部分都是山地地貌，并且大都种植了柑橘、芦柑、胡柚等柑橘属的植物。虽然浙江的气候、土壤等都适宜于柑橘的生长，但是浙江的山地地貌也给采摘和运输带来了一定的难度。每年的采摘季节，需要大批的劳动力，而于此相反的是，本地的劳动力日渐下降，全都去城镇务工了。因此，针对柑橘的采摘机器人呼之欲出。柑橘果实外有一层较厚的果皮，它能很好的减轻柑橘间的碰撞冲击力。
3 本设计的末端执行器及机械臂的结构
3.1 采摘机械手的设计
与工业机器人机械手不何，果蔬果实收获机器人的机械手，所处的外部环境是复杂的、多变的、非结构的，并且与果实的栽培方式有很大关系。因此，设计机械手应在考虑栽培方式的基础上，使果实处于其作业空间内，并且能够避免障碍物(叶子、茎秆等)，准确地抓取到果实。对于柑橘、苹果等树冠高大的果树，机械手需要较大的作业空间。为此，本设计采用三个关节的折叠臂使达到所需的作业空间，并且可以折叠便于携带。
具体三维模型见图1。
3.2 末端执行器的设计
目前各地研究的收获机械手的末端执行器大多为：先由机械手爪抓住果实，然后通过机械手爪转动来扭断果柄；或者在手爪抓住果实后，用另一个剪刀去剪断呆柄，然后机械臂把水果运输到指定点，手爪放开。这样的设计一定程度上降低了收获机械人的收获效率。
本设计的末端执行器主要由支架，动力部分，传动部分，果梗剪断器，果实传送部分五个部分组成，具体看图2。此末端执行器由电机通过齿轮驱动果梗剪断器剪断果梗，同时果实掉入果梗剪断器下方的柔性导管中，果实通过柔性导管被马上运输到指定点。
本设计的末端执行器和普通的执行器相比，不但从减少电机的数量，并且提高收获机械人的工作效率。其中图2中的柔性软管不仅代替了普通的末端执行器的手爪功能，从而减去了一个被驱动元件，还能直接把采摘得果实直接运送到指定点，进而大大提高了收获效率。但由于运输过程中有一定碰撞，所以此末端执行器一般适用于柑橘等柑橘属的水果。
此外，由于不同品种的柑橘的果梗粗细不同，果实的直径大小不同，我们可以根据采摘对象的不同，更换不同的果梗剪断器，不同直径的柔性管道，甚至整个末端执行器也可更换。
3.3 建立实物模型，检验实际效果
根据三维建模的相关数据及考虑现实的取材便利，我们用轻质不锈钢做为主材料，直流电机为动力部分，齿轮为传动部件，塑料管做为柔性管道制造出了四自由度的柑橘采摘机械手模型(图3)。并且，在实验室里，模拟运行了此机械手的采摘功能。在实验室里，该柑橘采摘机械手模型在人的控制下基本能实现在竖直空间上的上下自由运动。并且顺利剪断果梗，使果实顺利掉入由塑料管充当的柔性管道中。最终，果实顺着柔性管道顺利到达指定位置。
4 结语
对于目前水果收获机器人的机械手和末端执行器存在的问题。本文提出了自己的见解：因机械手的结构与果蔬的生长状态有关，可采用关节型的折叠机构。对于水果收获机器人只能针对一种对象进行作业的现状，本设计提出了一套适合柑橘属果实采摘的末端执行器的设计，即只需要更换末端执行器，这样收获机器人的利用率将大大提高。另外，柔性的管道节省去了机械臂把水果放回地面的时间，从而大大提高了机器人的采摘效率。
当然，本设计的也还存在一些不足。如缺少在自然环境中的测试，还不能很好的利用到现实生产过程中。机械臂的设计有些过于简单，有待进一步优化。
篇4
[Abstract]in the manufacturing industry， forging technology and equipment occupies a very important position， is widely used in automobile， aircraft， weapons and instruments. Forging industry， according to the size of the weight or the size of the equipment， the forging is divided into small and medium sized forgings and large forgings.Generally more than 10 mn forging hydraulic press forging is called large forgings， such as power plant rotor， retaining ring， roll， container tube section， head， etc.. The internal quality of heavy forgings is strict and the technical difficulty is large. As a result， the quality and productivity of large forgings are one of the important symbols to measure the level of industrial development in a country
[Key words]forging technology， fully automatic mechanical
1.引言
冷锻工艺是一种精密塑性成形技术，具有切削加工无可比拟的优点，如制品的机械性能好，生产率高和材料利用率高，特别适合于大批量生产，而且可以作为最终产品的制造方法。在交通运输工具、航空航天和机床工业等行业具有广泛的应用。同时相比热锻工艺，冷锻工艺具有节能、高效等特点，与当前的能源政策以及国家发展战略是一脉相承的，因此，冷锻技术在近年来具有良好的发展势头，同时受到了国家的大力支持。当前汽车工业、摩托车工业和机床工业的飞速发展，为冷锻这一传统的技术的发展提供了原动力。冷锻技术在我国的起步虽然不算太晚，但发展速度与发达国家有很大的差距。到目前为止，我国生产的轿车上的冷锻件重量不足20kg， 相当于发达国家的一半，开发潜力很大，加强冷锻技术开发与推广应用是我国目前的一项紧迫任务。
2.全自动机械式冷锻生产线设计内容
是一台肘杆式大行程全自动机械式冷锻压力机以及辅助上料、涂油以及堆垛功能的机器人（以下简称机器人），并实现联机全自动控制，设计时需要注意以下几点：
（1）冷锻机本体结构设计，应用有限元方法和模态分析方法，对机身的动态精度与动态刚度进行研究，对机身结构进行动态性优化设计。采用独特的箱形焊接框架结构，增加了机械的高刚性，减少了了噪音和震动，有助于降低能耗，提高效率、生产精度和延长模具寿命，采用宽敞的侧面开口有利于配合自动化周边设备，达到锻压自动化的要求；
（2）机械手自动上料装置、自动送料涂油装置、定位举升装置、堆垛装置等的研制。
（3）冷锻机与机械手的联机设计：机械手与冷锻机同步运行方面的研究；
（4）冷锻控制系统设计，用于实现全自动冷锻生产线的工作流程，从机电一体化的角度将各个子系统有机集成在一起，通过整机调试实现预期目标。
（5）运行精度及整体性能稳定性的研究：以确保生产产品质量的精度与稳定性，提高模具使用寿命；
3.全自动机械式冷锻生产线关键技术要点
由于冷锻机工作繁重，经常处于长时间连续工作状态，加工精度及质量要求高，对设备的制造精度以及机械手配置系统的可靠性要求很高，同时机械手配置系统还要适应车间的恶劣环境。这些要求给整体生产线整体方案的拟定、机械手配置系统方案的选择带来很大的难度，其中关键问题有：
（1）冷锻机机架的优化设计：本体结构是冷锻机的重要组成部分，它不仅是冷锻机主要零件的装配基体，而且还要承受机器的全部工作载荷，本体结构的承载能力和变形大小及其动态性能将直接影响产品的精度及模具的使用寿命。因此本体机架的设计与优化将是冷锻机设计的关键。
（2）机械手装置本体及与冷锻机的联机运行设计方案：冷锻机在工作过程中，机械手需配合完成自动上料、移载、输出及翻转，这对机械手工作精度以及与冷锻机的同步性提出了较高要求，因此机械手配置系统的设计是冷镦机自动生产的关键。
（3）滑块运行精度保证：滑块的运行精度决定了产品加工质量的好坏，这也将是我们需要解决的问题关键。
4.技术特色和创新突破点
（1）采用低惯性、高扭力气压式分离器、刹车器，使启动平稳，降低被动运行机构的机械损失，提高了生产效率及重载、高频次运行情况下的稳定性。
（2）全自动化：本冷锻机通过侧面开口与机械手配合，实现前部位自动上料、自动涂油、自动移载，自动输出、翻转及堆垛功能，实现冷锻机生产线的全自动化。本机利用智能电脑数控系统控制，可实现单机单动、单机联动、多机单动及连动自动化。
（3）大载荷：冷锻机的公称力为2000T，可加工大型冷锻零件。冷锻机本体结构采用超声波振动处理及整体喷砂处理去应力焊接箱型结构，具有较大的刚性及强度，确保了设备性能的稳定性，可提高产品的精度以及延长模具的使用寿命。
5.结束语
由于冷锻产品可以实现少甚至无切削加工，可以直接用于装配，极大的提高了材料利用率及生产效率。因此，其应用面越来越广泛。随着我国大吨位冷锻机的生产技术水平的不断提高，将大大带动汽车产业、模具产业的发展，也为我国的节能减排作出极大的贡献。
参考文献
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篇5
水果采摘季节性强、费用高且劳动量大[1]。加速农业现代化进程，实施“精确”农业，广泛应用农业机器人，提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率将是现代农业发展的必然趋势。研究采摘机械人，对于降低人工劳动强度和采摘成本、保证水果适时采收，具有重大的意义[2]。我国从上世纪70年代开始研究水果蔬菜类的采摘机械，并且也逐渐起步，如上海交通大学已经开始了对黄瓜采摘机器人的研制[3]，浙江大学对番茄采摘机器人进行了结构分析与设计的优化[4]，中国农业大学对采摘机器人的视觉识别装置进行了研究[5]。目前，我国研究的采摘机器人还有西红柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘机器人等[6-8]。文章对苹果采摘机械手臂进行选型，进一步进行详细结构设计，最后对设计结果进行试验验证。
1 机械人机构选型及自由度的确定
由于采摘机械人的作业对象是苹果，质量轻，体积小，故而可选择较为简单、灵活、紧凑的结构形式。
根据机械人手臂的动作形态，按坐标形式大致可将机械人手臂部分分为以下四类[9]：直角坐标型机械手；圆柱坐标型机械手；球坐标（极坐标）型机械手；多关节型机械手。采摘机械臂的结构型式选取主要取决于机械人的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制难易等要求。以上四种型式，它们的活动范围和灵活度逐渐增大。经过对苹果采摘空间的研究，结果表明，苹果树树冠和底部的苹果分布极少，大多分布在树冠中部，大约有80%以上的苹果分布在距地面垂直高度1-2m、距树干左右方向1-2m的空间范围内，且阴阳两面的苹果分布率并无明显的差异。这就要求采摘机械手应当具有较大的工作空间，因此选用多关节型机械手较为合适，且其占地面积较小，更加适合苹果采摘作业。
实际中，苹果生长位置随机分布，这就要求机械臂的末端执行器能够以准确的位置和姿态移动到指定点，因此，采摘机械人还应具有一定数量的自由度。机械臂的自由度是设计的关键参数，其数目应该与所要完成的任务相匹配。一般来说，自由度数量越多，机械臂的灵活性、避障能力越好，通用性也越广，但增加一个自由度就相当于增加了一级驱动，会使得机器人的成本上升，而对于农业机器人而言，成本高将会大大的减缓其机械商品化实用化进程，同时增加自由度会相应增加机器人的控制难度，降低机器人的可靠性。综合考虑，将自由度数目定为六个，这样不仅能够使得末端执行器具有较为完善的功能，而且到达采摘空间中的任意位置，而且不会出现冗余问题。
2 采摘机械臂工作原理
图1 机械人结构简图
图1是本次设计的球类水果采摘机械人的结构简图。该结构为六自由度机构，可划分为底座、大臂、小臂、腕部和手五个部分。机械臂的底座通过舵机带动传动系统实现各个部分之间的相对转动和旋转。其中的各个转动和旋转均是通过电机驱动螺旋丝杆来实现。该设计机械臂的传动如下：（1）底座旋转。确定与底座平面互相垂直的目标采摘物所在的平面。（2）大臂转动。移动至目标采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂转动。将采摘机械手送至目标采摘物的附近。（4）手腕转动及旋转。调整机械手末端采摘机构的姿态，使其处于一个合适的位置，保证采摘任务能够合理完成。（5）手夹紧放松，完成对目标采摘物的采摘任务。此外，将末端执行器设计为关节型的两只手指，通过舵机6（舵机分配情况见图2）、齿轮的啮合及连杆机构实现对目标采摘物的夹紧与放松。
由以上分析得出：机械手的空间位姿由各个关节的空间坐标来决定，即当机械手的各个舵机的坐标确定的时候，就可以确定机械手的空间位姿。而决定舵机坐标的因素就是臂长及臂的转动角度，而在这两个参数中，设计结束后臂长是确定的常量，角度为变量。在模型当中，舵机1、2的相对位置固定不变，控制末端执行器的舵机6用来调整手的姿态，因此可以先忽略舵机1、6，将舵机2轴线中心的位置设为坐标系原点。
图2 舵机分配方框图
3 机械臂结构设计
首先用Pro/E软件中的零件模块对机械人各个零件进行绘制，然后再对零件进行自下而上的装配，以及进行零件图及装配图的绘制。大臂、小臂和腕部、机械手零件图以及装配图分别见图3、图4、图5、图6和图7（单位均为mm）。
4 试验台搭建与抓取效果实验
根据零件图及装配图进行试验台搭建。由于设计尺寸较大，故将整体尺寸缩小4倍来进行搭建。实物如图8所示。通过操作上位机控制软件指令信号，可给伺服舵机控制器发送控制指令信号，从而实现机械人在空间中精确作业。试验结果表明：机械人能够较为平稳、准确地对目标物进行夹取、移动、放置等任务。证明设计合理，试验台搭建正确。
5 结束语
通过对水果采摘作业的分析，设计了一套六自由度关节型采摘机械人。其运动范围覆盖了水果果实的分布范围，末端执行器能够执行对水果的采摘任务。在采摘过程中，只需对舵机进行控制，在一定程度上降低了控制的难度和复杂性。当然，设计中也存在不足，例如缺少对果实的切割装置，而且对葡萄等较小、较软的果实采摘技术不成熟，有待进一步的改善。
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篇6
四自由度采摘机械臂可以看成是由一系列通过活动联接连接起来的杆件组成的。
1 三维空间中的附体坐标系和总体坐标系
为了便于处理机械臂复杂的几何参数,机械臂各杆件的运动可在总体坐标系中描述,在每个杆件处建立一个附体坐标系。运动学问题便归结为寻求联系附体坐标系和总体坐标系的变换矩阵。如图1所示,参考坐标系Oxyz是三维空间中的固定坐标系,在机械臂运动学中将其作为总体坐标系,把Ouvω看成是附体坐标系。
图1 总体坐标系和附体坐标系
2 建立附体坐标系和总体坐标系的规则
Denavit和Hatenberg(1955)提出了一种为关节链中的每一杆件建立附体坐标系的D-H矩阵方法。对于每个杆件来说,在关节轴处可建立一个正规的笛卡儿坐标系(xi,yi,zi),i=1,2,3,4,再加上机座坐标系。建立在关节i+1处的坐标(xi,yi,zi)是固联在杆件i上的。当关节驱动器推动关节i时,杆件i将相对于杆件i-1运动。机座坐标定义为第0号坐标(x0,y0,z0),它也是机械臂的惯性坐标系。确定和建立每个坐标系应根据下面3条规则:
(1)zi-1轴沿着第i关节的运动轴;
(2)xi轴垂直于zi-1轴和zi轴并指向离开zi-1轴的方向;
(3)yi轴按右手坐标系的要求建立。
按照这些规则,第0号坐标系在机座上的位置和方向可任选,只要z0轴沿着第1关节的运动轴运动。
3 四自由度采摘机械臂坐标系的关系参数
根据上述坐标系的定义,描述四自由度采摘机械臂相邻坐标系之间的关系可归结为如下4个参数:
θi 绕zi-1轴(右手规则)由xi-1轴向xi轴的关节角;
di 从第i-1坐标系的原点到zi-1轴和xi轴的交点沿zi-1轴的距离;
ai 从zi-1轴和xi的交点到第i坐标系原点沿xi轴的偏置距离;
αi 绕xi轴(右手规则)由zi-1轴转向zi轴的偏角。
对于四自由度采摘机械臂来说,di,ai,αi是关节参数,θi是关节变量。根据上述三条规则以及各参数的解释,可以求得四自由度采摘机械臂的四个参数,结果见表1。
4 循环法建立坐标系
除了上述D-H矩阵方法以外,也可以通过以下6个步骤为四自由度采摘机械臂建立一组相容的标准正交坐标系。
(1)建立机座坐标系。在机座上建立右手正交坐标系(x0,y0,z0),使z0轴沿关节1的运动轴,x0和y0轴与z0垂直,但方向可任选;
(2)初始化和循环。对每一个i,i=1,2,3,完成步骤(3)至(6);
(3)建立关节轴。把zi轴与关节i+1的转动轴对准;
(4)建立第i个坐标系的原点。将第i个坐标系的原点放在zi和zi-1轴的交点处,或放在它们的公垂线与zi轴的交点处;
(5)建立xi轴。使xi=±(zi-1×zi)/||xi=±(zi-1×zi)/||,如果zi-1与zi平行,就使xi沿它们的公垂线;
(6)建立yi轴。令yi=±(zi×xi)/||zi×xi||,使(xi,yi,zi)成为右手坐标系。建立好的坐标系如图2所示。
图2 四自由度采摘机械臂连杆坐标系
参考文献
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篇7
【Key words】Seven Function Manipulator， Hydrodynamic， Kinematics， FORTRAN
近些年来随着海洋资源的开发和海洋科学研究的日益深入，水下机器人-机械手系统是水下作业的一个重要组成部分，除了用于水下的观测勘察作业外，水下机器人-机械手还被用于完成采集样本；水下设施的建造和维护；铺设水下管道和维修等相对繁琐的一些工作。然而由于水下环境复杂多变，ROV在航行和作业中必然会遇到各种各样的情况，特别是在作业时要保证作业的准确性和作业时ROV不受损坏，它的动力学问题的研究将会使水下机器人-机械手系统的作业能力提高，为人类开发海洋资源提供更多的支持，因此这个领域的研究是非常重要的。
目前对水下机械手水动力学模型的研究采用的是理论和实验的相结合的方法。McLain[1，2]等运用力矩传感器测量、原理计算分析以及流动显示这些方法综合应用，对只有一个关节水下机器人机械手系统进行了水动力学的研究。Leabourne[3]以MacLain等人的成果为基础，讨论了有两个自由度的机械手的水动力学建模问题。Tarn[4]等建立了配备有机械手的潜水器的动力学模型，并应用 Kane 法求解。该模型将外力其中包括水动力施加到了模型中。Shen[5]等使用了浸入边界法数值求解纳维-斯托克斯方程，计算在水中物体移动时所受的水动力。在国内主要有华中科技大学的肖治琥，徐国华[6]在流干扰下的水下机械手动力学模型分析，运用Lagrange方程和Morison公式对水下机械手的动力学的理论分析。王华[7]等应用切片理论的方法，研究了水下机械手的手指动力学特性，并应用Matlab软件的Simulink模块建立了仿真模型，研究了无水流影响的水下环境中的机械手手指的动力学特性。
1 动力学模型建立
1.1机械手参数
本文以美国Schilling公司的Orion7型七功能机械手为研究对象，该机械手结构由多关节串联组成为6自由度串联，机械手相关参数如表1所示[8]。
。
本文的连杆所在的坐标系位置都是在各个坐标系的坐标轴上。当连杆在坐标系的X轴正方向时，，此时的，，。同理当连杆在坐标系的Y轴正方向时，，此时的，，。当连杆在坐标系的Z轴正方向时，，此时的，，。
3.2Morison方程拖拽力系数计算
Morison方程中Cd、Cm均为实验值，此系数依赖于雷诺数，物体表面粗糙度，KC数等。不过在设计中一般考虑危险性最大或者受力最大的情况。因此选择受力最大时候的Cd数值作为本文的计算系数本文采用Fluent流体力学分析软件计算该值[14]。
由于深水水温较低，所以深水水的粘度值比常温下的粘度值要大，因此选择Pa・s=0.0015，流速选择0.2m/s，如图4示是主要的区域尺寸，长方形最左侧竖直边为水流的入口出，中间的截面是ROV七功能机械手大臂的截面形状。在研究Cd数时本文选择了横截面的最大物体的几何限度处作为来流的垂直受力面。这样可以得到最大的Cd值，计算得知左右。
图4 区域尺寸示意图
Fig. 4 Schematic diagram of regional dimension
4七功能机械手动力学解算
4.1动力学模型校核
为了验证动力学模型的准确性，在不考虑水流的影响下，本文通过利用Matlab机器人工具箱与自编的Fortran程序结算的力矩曲线图进行对比，本文选择角度从初始位置移动到一下角度，，，，，。如图5所示。
图5 各关节驱动力矩变化曲线对比
Fig. 5 Comparisons of ankle drive torque curves
如图5所示，用Matlab机器人工具箱与自编的Fortran程序结算的力矩曲线图进行了对比，在数值和曲线趋势上基本一致，从而验证了模型的准确性，图中关节1的驱动力矩较小这是因为关节1的布置和其他关节不同，只有它一个关节为左右摆动关节，所以它在没有水流影响下不克服重力，所以数值较小；关节2、关节3和关节5需要克服机械手的自身重力所以力矩值较大；关节4和关节6主要作用是改变机械手姿势用的是液压马达，所以力矩值较小，特别是关节6基本趋近于0。
4.2 水流影响下动力学研究
假定环境水流为定常流流速为0.1m/s，方向沿惯性坐标系X轴正方向。所得驱动力矩曲线如图6所示。
图6 各关节驱动力矩变化曲线（考虑海流）
Fig. 6 Comparisons of ankle drive torque curves （incorporates current）
从图6中可以看出关节1和关节6的驱动力矩与无海流的驱动力矩相比较变化不大，这是因为水流的来流方向沿着X轴的正方向，产生的力矩主要是在Y轴的方向，所以关节1的驱动力矩影响较小，力矩基本不变；关节6的驱动力矩因为是沿着机械手末端手抓的轴向，所以只有手抓自身的旋转会对其产生影响，水流的产生的附加力矩只会对坐标系6的X轴和Y轴产生力矩；关节2、关节3和关节5的驱动力矩变化较大，这是因为考虑了水流和自身运动的影响；关节4的驱动力矩变化也很大，这是因为关节4的转动改变了手抓的空间位置，使其和之前的各个关节不出在一个平面内这样关节4收到的力矩变大是因为手抓受到水流的冲击在关节4的转动方向上产生了附加力矩。
4结语
本文采用了理论分析和计算机仿真的方法，针对美国Schilling 公司的Orion7型号机械手，建立了深水ROV作业机械手的理论模型，计算结果表明机械手在深水中水流的影响下关节2、关节3和关节5的驱动力矩变化较大，在设计和施工作业中人们应当给予特殊考虑。
参考文献：
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[14]曹雍，谢莉.风沙流中沙粒拖曳力系数研究[J].中国沙漠，2011，31（3）：593-596.
作者简介：
尹汉军（1973―），男，汉族，山东青岛人，硕士研究生，高级工程师，1997年本科毕业于大连理工大学，2005年研究生毕业于天津大学，现就职于海洋石油工程股份有限公司，主要从事海洋工程结构设计与项目管理。
宋磊（1981― ），男，汉族，山东济南人，博士研究生，讲师，2013年毕业于哈尔滨工程大学船舶工程学院，现于哈尔滨工程大学船舶工程学院，主要研究方向：船舶与海洋工程仿真。
篇8
1 机械臂控制系统软件设计
1.1 开发环境
本设计的开发环境是arduino。Arduino是一款完全开源的电子原型平台，包含了arduino板和arduino IDE。由欧洲开发团队开发，使用类似C语言的processing开发环境。Arduino可以自行设计或者购买已经焊接好的板子，程序代码写在arduino IDE上，实现对arduino板子的控制。
1.2 国内外研究现状
作为近几十年来发展起来的一种自动设备，机械臂可以通过编写软件程序来完成目标任务，它不仅大部分机械臂共同的机械有点，而且特别具有人的视觉以及判断能力。在作业过程中，机械臂控制的准确性和对环境的适应性，已经使其在各个领域有着广阔的发展前景。高级类型的机械臂，可以执行更复杂的操作。将机器臂运用于工业生产过程，除了可以提高生产率之外，还能够减弱工人的劳动强度，使生产过程实现自动控制。因此机械臂在近几年得到了愈来愈广泛的应用。
在国外，工业机器人的发展已经较为成熟，涵盖于各个行业，已经得到了非常广泛的运用，而相比国内，我国基础产业跟不上，机械设计的工艺也达不到一个极高的水平，而且部分设计不够系统科学，大多处于一个模仿的阶段。以上原因导致我国工业机器人在国际上并不能达到一个较高的水准。如今国内企业需要革新自己的技术，加强学习才能在国际市场上占有一席之地。
1.3 总体思路
1.3.1 机械臂软件设计核心思路
摄像头采集视频图像->利用OpenCV获得图像的一帧->对此帧图像进行滤波处理->将图像序列帧由RGB模型转为HSV模型->对得到的二值图像进行轮廓检测->创建回调函数并对得到的三幅图像进行合并->创建滑动条窗口->将得到的图像分为H，S，V三幅单通道图像->在目标体上绘制轮廓。
本文提到的OpenCV函数库是一个开源的跨平台的视觉图像处理库，利用此库中提供的开源算法并加以逻辑上的改进来提取摄像头中帧图像，再使用颜色阈值调节功能进行颜色识别，再对结果进行一系列的处理达到预期要求。
1.3.2 OpenCV简介
OpenCV是一个基于开源发型的跨平台计算机视觉库，可以运行在众多操作系统上，由一系列C函数和C++类构成，轻量且高效，其提供的视觉处理算法非常丰富，被大量使用于众多科学领域，卫星地图的图像整合拼凑；医学界病人器官图像的去噪处理；安全系统中的物体动态监测而预警；军事行动中代替人眼而进行众多无人操作与活动，不光如此，在图像处理能力外，还能对声谱图进行识别操作从而进行对声音的识别。
1.4 单一模块
1.4.1 颜色识别
颜色识别的首当之事应是正确选取颜色空间，常用的颜色空间有RGB、CMY、HSV、HIS等。本文采用RGB和HSV。
RGB（红、绿、蓝）可以看成一个三维的坐标系，一个坐标点表示一种颜色。HSV是颜色空间模型。表示颜色的是Hue，与坐标点不同，他使用有角度的圆形来表示相应颜色，比坐标点更加灵活。表示饱和度的是Saturation，饱和度越低，则颜色填充就越少，例如圆心处取值为0，那么颜色会非常的淡，从底部往上，圆的半径r越来越大，那么颜色就会越来越深。表示颜色的亮度的是Value，同理，也是从圆锥底端到顶端的数值渐变，底部表示为黑色，而顶端表示为白色。在实际实验环境中，RGB颜色经测验非常容易受到强光、弱光、阴影等其他因素的干扰。相比之下，HSV空间能更加稳定的处理这些光照的变化从而能更好地反应颜色本质、传达正确信息。
1.4.2 图像获取与处理
1.4.2.1 图像获取与预处理
利用体感周边外设中强大的Kinectz像头（VideoCapture（…））获取周围环境图像，读取一张图片或视频中的一帧图像，进行两次滤波后利用cvtColor（imgOriginal， imgHSV， COLOR_BGR2HSV）函数进行RGB与HSV的转换，再在HSV空间下对彩色图像做直方图均衡化。
高斯滤波函数：cvSmooth（…CV―GAUSSIAN…）。真实图像的邻近点像素如果变化，不会十分明显，因为真实图像的像素点是缓慢迁移变化的，但是如果两个像素点倏忽变化的话，便会有很大的像素差，就是我们说的噪点，这时候便要用到广泛用于图像处理的减噪的高斯滤波，他对整幅图进行加权平均，从而能够减少噪声却又不失真（保留信号）。
中值滤波函数：cvSmooth（…CV―MEDIAN…）。有时候图像中会有孤立的噪声点从而会形成较大差异，这样会影响平均值也会产生较大噪音，所以便使用非线性平滑的中值滤波，他把图像中的孤立的噪声点用其领域中各个点值的中值代替从而有效的去噪并且能够保护信号边缘使之不模糊，其算法也十分简单。
1.4.2.2 图像细处理与生成
创建滑动条：返回所读取的颜色参数阙值。本文设定了6个参数：
[LowHue（色度下限值）HighHue（色度上限值）LowSaturation（饱和度下限值）HighSaturation（饱和度上限值）HighBrightness（亮度上限值）LowBrightness（亮度下限值）]
之后得到返回的参数阙值，便用于检查图像像素灰度是否在设置的范围内并且可以得到目标颜色的色度、饱和度和亮度单通道图像。
将得到的三个单通道图像进行按位与运算，这样便能检测其二值图像，由于此时会出现噪声，所以采用膨胀腐蚀的方法进行图像形态学处理，使得到的目标体进行最大的连通。
图像生成：查找轮廓和绘制轮廓，轮廓正确勾勒，图像便能正确显示。利用OpenCV中对灰度图像处理的Canny边缘检测法（cvCanny（…）），将试图独立的候选像素拼装成轮廓，轮廓的形成是对这些像素运用滞后性阙值，Canny边缘检测算法是高斯函数的一阶导数，是对信噪比与定位精度之乘积的最优化逼近算子。
Canny函凳淙胧涑龅亩嘉灰度图，在边缘检测完成后，利用“cvFindContours（…）”函数得到输出的图像的轮廓函数（在二值图像中），检测轮廓个数，然后再用“cvDrawContours（…）”函数绘制检测的轮廓。
2 机械臂控制系统硬件设计
2.1 自由度及关节
本机械手臂采用4个电机实现4自由度，进行手臂的升降，转动，抓取，移动等功能。
2.2 基座及连杆
2.2.1 基座
基座是机械手臂的支撑，起到稳固的作用，为了使机械手臂更加的稳定，增大其与表面的接触面积，降低重心，提升其稳定性能。同时，基座的剩余部分，可用于防止控制的单片机及其扩展版，使空间充分利用。
2.3 机械手臂设计
机械手是机械行业中必不可少的一个部分，主要起到操作，转移等功能。根据工件的不同，机械手的精度，重量，形状，光滑程度等都会不一样，以至于达到节省成本或准确夹取工件等实际要求。一般机械手包括：1）灵巧手；2）吸附手；3）夹取手；4）专用操作器。本设计因实现的主要功能是夹取物体并转移，工件物体不确定，因此采用夹取手作为机械手臂的机械手进行操作。
2.4 驱动方式
调用Servo实现对舵机的控制，定义多个舵机，控制多个舵机，具体内容根据实际情况进行调试。采用for语句，当红外或者视觉采集到数据，给予反馈，实现舵机的停止或执行下一步。舵机的转动的角度通过脉冲宽度占空比实现。由于舵机牌子不同，舵机转动的角度也会不同。
本机械手臂通过电机的扭矩进行传动。手臂的升降，转动，抓取都是由能够承受很大力的电机进行完成。在机械手臂抓取物体时，尽量的平稳，并且力不能够过大或者过轻，移动时活动空间大。
机械行业一般常用的驱动方式有液压驱动，电机驱动和气压驱动三种方式，每种驱动方式各有优劣。本设计机械手臂中，要求驱动时满足一下条件：1）输出功率适中，效率高；2）精准度尽可能的高；3）便于维护，调试；4）安全性高；5）成本低。
综上所述，本设计采用电机驱动的方式对机械手臂进行驱动。电机参数如表所示：
本机械手臂采用控制角度的方式控制手臂。在初始位确定的情况下，通过控制角度，实现电机的转动，其优点是，能够精确控制位置，但是因为需要进行初始位置，导致运行时间过长。本文设计方案传动方式为舵机直接传动，故不多作介绍。
3 结论
机械臂控制系统是当今社会的一项非常重要的研究课题，尽管其发展已经有了一段很长的历史，但是其发展并不完全成熟。无论是学术界、工业还是在教育教学方面都一直在进行着这方面的研究，距离成熟阶段还要有一段时间。
本设计是基于OpenCV六自由度机械臂驱动系统的设计，以六自由度机械臂为控制对象，以arduino为开发环境，辅以有着丰富视觉处理算法的OpenCV软件，并在此基础上，采用先进的控制理论，以正确的控制方法为指导，进行了系统的硬件设计。
在整个系统的设计中，硬件的设计是本论文研究的重点，芯片的选型是系统硬件设计的保证，并且辅以可靠性分析为指导，保证了系统运行的可靠性和稳定性。
从实验结果中看出，我们设计制作的基于OpenCV的四自由度机械臂能够和一些中小型机器人控制器的性能要求类似，在操作灵活度、控制精度、易操作性等方面都表现出优秀的性能。然而，仍有一些不足之处需要进一步的改进。
1）机械臂的传感器提升。作为机械臂的控制对象，其结构、性能的优劣成为了机械臂的重中之重、中流砥柱，为了实际运行效果的完美，我们机械臂的手爪部分应加入压力等传感器，为控制的精准提供、保证更为完整的信息。
2）完善机械臂自动控制算法。算法的优良决定了机械臂是否能自动协调运行，特别在输入参数和机械臂抓取后的运输，需要更加优化、灵活的算法，从而将计算出的控制参数变得更加精确和一体。
3）视觉的广泛性运用。视觉不单单只作用与颜色的阈值识别，还包括如骨骼识别，轮廓识别等等，再后续的研究中，添入以上功能，可以使机械臂的作用范围变得更加的广泛。
鉴于上述情况，在以后的工作中，我们应该不断改进、完善，以提高该机械臂系统的稳定性以及可靠性。
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篇9
近年来，各国为达到提高系统的定位精度以适应工业需要，尝试了各种控制方式和控制策略，并对气动伺服系统做了大量工作。当临时需要对各个单元进行新的分配任务或产品变化时，可以很方便的改动或重新设计其新部件，当位置改变时，只要重新编程，就能很快地投产，从而降低了安装和转换工作的费用。模块化生产培训系统（MPS，ModularProductiontrainingSystem）是一种模拟自动化生产加工单元，它由德国FESTO公司结合现代工业企业的特点开发研制而成。它可以大量代替单调往复或高精度的工作，用以满足前沿产品和自动化设备更新的需要。本文所研究的内容，国际上以德国、日本、韩国等最具代表性，技术上已经趋于成熟，但其产品价格昂贵，且在技术上对用户封锁，致使用户无法结合自己的需要进行二次开发。
目前，国内已有几家教学设备生产企业开始仿造国外的MPS部分产品，主要有上海英集斯自动化技术有限公司生产的“MPS/FMS模块化生产培训系统”；浙江亚龙教仪有限公司生产的“亚龙YL－MPS模块化生产培训系统”。本文将采用上海英集斯自动化技术有限公司生产的MPS教学设备，结合本实验室（国家示范性中央财政支持重点建设实验室）的实际需求，给出了基于PLC的MPS上料检测单元PLC控制系统设计的完整解决方案。
2上料检测单元的结构、功能与气动控制回路
上料检测单元可作为MPS系统中的起始单元，向系统中的其它单元提供原料。
2.1上料检测单元的结构、功能
上料检测单元主要由I/O接线端口、料盘模块、气源处理组件、工件检测组件、提升模块等部件组成。它的具体功能是：将放置在料盘中的待加工工件按照需要自动地取出，并检测出工件的黑白颜色，最后将其提升到输出工位，等待下一个工作单元来取。
2.2上料检测单元的气动控制回路
上料检测单元的执行机构是气动控制系统，其方向控制阀的控制方式为手动控制或电磁控制。在上料检测单元的气动控制原理图中，1A为双作用提升气缸；1Y1为双作用气缸电磁阀的控制信号；1B1和1B2为磁感应式接近开关。气动控制回路如图1所示。
图1上料检测单元气动控制回路
3基于PLC的MPS上料检测单元控制系统的设计方案
基于PLC的MPS上料检测单元控制系统的控制任务设计：接通设备电源与气源、运行PLC后，首先执行复位动作，即提升气缸驱动的工件平台下降到位。料盘旋转输出工件，当料盘检测到工件平台中有工件后停止旋转，提升气缸动作，将工件平台提升至输出工位，检测工件的颜色并保存下来。按下“特殊”按钮，表示工件被取走。随后工件平台下降到位，料盘继续旋转输出工件，重复以上流程。
下面介绍该方案的关键环节。
3.1分配上料检测单元PLC输入输出地址
PLC的输入输出与执行机构的对应关系如表1所示。
表1上料检测单元PLC输入输出与执行机构的对应关系
3.2编写程序并调试
上料检测单元的手动控制程序框图如图2所示。
图2上料检测单元的手动控制程序框图
上料检测单元的PLC梯形图程序如图3所示。
图3上料检测单元的PLC梯形图程序
经调试，该程序能顺利完成本单元的控制任务。
4结束语
本文对上料检测单元的结构与功能、气动控制回路分别进行了详细分析，然后对上料检测单元的PLC控制系统进行二次设计与实现，首先编写了PLC输入、输出分配表，进而编写出其程序流程图及梯形图，最后上机调试，验证了基于PLC的MPS上料检测单元控制系统的二次设计与实现的可行性。并总结出两点结论：（1）在设计各单元的控制任务时，要根据各单元的基本功能，编写符合实际的控制任务，最大限度的合理开发其使用功能，但一定要符合其机械设计，否则会让设备之间发生冲突，造成元器件的损坏；（2）在设计梯形图程序时，移位指令和数据传送指令的合理配合使用，以及RS触发器指令的巧妙使用，会大大缩短梯形图程序设计时间，又会达到良好的控制效果。从而快速对上料检测单元的PLC控制系统进行二次设计与实现。
参考文献
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篇10
从机械手臂投入商用起，已经有了几十年的应用和发展历史。将模块化的设计思路与理念引入机械手臂的设计中，能够充分发挥其灵活、可拆分、可组合的特点，并将其应用于更多的场合，包括服务机器人，工业生产制造领域、医疗领域等等。本文结合机械臂设计的模块化理念，着重对其进行系统分析和设计，包括旋转关节、传动系统、减速系统进行实现，具有比较好的理论价值与实践意义。
2.机器人手臂关节机械设计
2.1手臂关节模块
手臂关节模块包含了许多零部件，主要有旋转电机、减速器和反馈单元等。在手臂关节的内部固定了控制单元和传动系统，以二级减速传动作为传动模式，即齿轮减速传动与谐波减速传动，这种传动模式可以支持手臂关节自由度之内的回转运动。下面具体阐述其设计方案：
(l)模块外壳方案
手臂关节的外壳能够为电机、制动器、滚动轴承提供必要的机械支撑，并起到必要的保护作用。在手臂关节运动的过程中，模块的外壳也承受了期间多产生的种种应力，因此模块的外壳必须满足一定的刚度。模块外壳的主要构成部分包括：底盖、电机、齿轮盖、主壳体、轴承、制动器等。其中，底盖位于结构的底端，其作用是为整个旋转模块的各个部件提供支撑与连接；主壳体构成此部件单元的外壳，对单元当中的电机、制动器等子单元起到连接和支撑作用；齿轮盖覆盖于模块的齿轮传动单元之上，起到保护和连接作用，而且能够支持谐波齿轮减速器的安装。为保证机械臂有足够的强度，模块外壳选取的制作材料为铝合金，并将壁体设计为圆桶状的抗压结构，为防止氧化与腐蚀，表面结果特殊处理。
(2)减速齿轮方案
减速齿轮方案的主要构成部分包括：电机连接齿轮、中心齿轮、中心轴以及制动连接齿轮等。其实现方式简述如下：通过小齿轮来连接直流电机的输出端，然后通过与小齿轮相咬合的中心齿轮互相连接；同理，通过另一个小齿轮来连接断电制动器的输出端，然后通过与小齿轮相咬合的中心齿轮互相连接。在这种啮合模式下，当减速齿轮单元加电后，便由系统的电机来作为动力源输出，而当减速齿轮单元端电后，便由系统的制动器来作为阻力源输出。考虑到机械臂的关节在不同运动时，会使减速齿轮持续维持高速转动状态，因此必须有足量的剂。又因为该减速齿轮不是封闭结构，因此本文以滑脂来起到齿轮的作用。
(3)中轴传动方案
中轴的传动方案是整个机械臂设计中非常关键的一个组成部分。中轴传动的作用是，首先支持来自中心齿轮的动力，其次还要为波发射器高效传递动力。考虑到中轴会承接一定比例的来自轴向的受力和很大比例的径向应力，因此为支持中轴，引入了角接触轴承。中轴传动单元主要由旋转模块、断电制动器、卡簧、角接触轴承、中心齿轮、主轴、连接法兰以及波发射器组成。
因为中轴传动单元在设计上要求同轴度与圆柱度都在较高的水准，因此尤其应注重其材料选择和参数控制。本研究所设计的中轴用以45号钢才作为原料，并在成型后淬火，从而保证单元在表面具备一定的硬度。
在中轴传动方案中，最关键的是旋转模块的结构设计。旋转模块的设计思路是：将其转轴与中心轴线重合，并以电机驱动。在模块上部署有电磁编码器，用于周期性地检测角位移和角速度。将之与直流伺服电机相联。结合具体的应用环境与需求，直流伺服电机也可以加装起到减速增力作用的行星减速箱，共同起到动力输出的作用。而后通过小齿轮与中心齿轮的咬合，以正齿轮传动方式来实现系统的减速增力功能。
断电制动器的结构设计也是中轴传动方案中的关键，断电制动器有两方面的作用，首先在旋转模块进行位置搜索时能够起到保持作用，其次，在旋转模块因故失去电源之后也能发挥保护的功能。在中轴中，当旋转单元加电，并处于转动状态的时候，断电制动单元便会随着系统的小齿轮单元传递过来的中心齿轮作用而转动，而在断电制动器运动的时候，其输出轴的动力也来自小齿轮单元。在本文所涉及的机械臂中，电机与制动器全部布置于电机底座，并且将电机底也作为旋转单元外壳的一部分，其好处在于保护内部零部件。
2.2连接件模块
连接件的主要功能是在机械臂中连接旋转关节不同的单元，因此是机械臂的重要组合部分，对机械臂的组合与功能的发挥均有着不容忽视的作用。由于机械臂的各个模块单元是相对独立的关系，因此只要将不同的模块单元互相组合，起可以发挥机器人的机械臂基本功能。因此本文结合具体的需求，设计开发了数种类型不同的连接结构。
机器人的机械臂在实际操作中，连接件实现了不同部件单元之间的力矩传递，而其质量的大小也关系到机械臂整体重量和轻便程度，因此在实际设计中，一方面应保证改模块单元具有足够的机械强度，另一方面也应考虑到减轻其质量。本文在设计中，考虑到铝合金属于高强度低密度的材料，同时具有比较好的可塑性，因此以铝合金作为连接件的制作材料。
2.3模块手抓单元
考虑到机械臂必须部署在一个可以移动的平台上，来在现场抓取物体，因此模块手抓单元的末端执行器是其中最重要的组件。为了满足这个系统的模块化的设计，末端执行器必须具备一定的应用和扩展功能。假若模块手抓单元附加多指灵巧手，其实能够抓取更多类型的对象，本课题的研究只需模块手抓单元能够抓取简单对象，因此使用了图中的简单的夹钳手抓，其优点是结构简单、容易控制。
3.结束语
机器人的机械臂设计与开发属于机电一体化领域的高精尖课题。考虑到机械臂的结构具有比较高的复杂性，本文阐述的设计方案充分顾及了模块设计的标准化与产品的通用性，从而能够良好的满足模块之间的替代性特征需求，因而也能够保障机器人的机械臂在实际应用中能够满足用户的要求。
参考文献
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篇11
Proceedings of 10th International Conference(CLAWAR 2007)
2007，763pp
Hardback
ISBN9789812708151
M.谢等编
机器人学是工程及自然科学中令人神往的领域。机器人学已经对许多工业做出重要贡献，工业机器人在诸如组装、焊接、油漆及材料处理之类的任务中广泛应用。与些同时，我们又目睹了特殊机器人的出现，它们在非工业环境中执行有价值的任务，这些任务包括搜索与救援、扫雷、监测、探险及安全保卫。此外，对在民用及专业服务部门中机器人的技术研究及发展工作正在进行。类似攀登与行走机器人这类用于在非结构性环境中执行任务的移动机器人的兴起，进一步加剧了机器人学研究必须面对的挑战。这种挑战不仅包括了涉及标准化在内的技术与工程方面，而且也包括了社会、经济与伦理方面。CLAWAR2007于2007年7月16－18日在新加坡举行，该系列国际会议自1998年起每年举行，这次是第10届。总共有来自五大洲22个国家的作者在CLAWAR2007上做介绍，这本会议录报道了攀登及行走机器人的最新研发振奋人心的应用及挑战。
本书汇集的论文共分成了5个部分。1.全体会议介绍，5篇论文；2.攀登机器人进展，26篇论文；3.行走机器人进展，24篇论文；4.似人足球机器人进展，5篇论文；5.支持技术，27篇论文。部分论文标题为：1.救援机器人滑动插座移动模块；2.有攀登腿的带轮子爬墙机器人；3.用于快速四脚移动的进化神经网络；4.绳索攀登机器人的设计与构造；5.用于长焊接线检验的攀登机器人开发；6.关于利用陀螺效应二足移动的提议；7.新型腿－轮行走机器人的设计与问题；8.利用滞后算法的似人机器人RH1的脚规划运动；9.局部模块化行走机器人的运动模拟；10.行走双脚机器人基于观测器的控制：稳定性分析；11.三维双脚机器人无驱动动态行走研究；12.ROTOPOD：一种新颖的有效带腿移动；13.似人足球机器人的分布式嵌入控制系统结构；14.快速行走拟人足球机器人的最佳性能：实证研究；15.双臂系统并行规划算法；16.利用平均移位算法的全局定域化问题方法；17.MCA2机器人控制应用的可扩展模块化框架；18.灵活连接机械手的基于隐藏马尔可失模型的模糊控制器。
本书可供从事机器人研究与开发的研究人员、工程师阅读借鉴。
胡光华，
高级软件工程师
篇12
毕业设计是高等学校应届毕业生在毕业前接受课题任务，在教师指导下独立进行科学研究或工程实践，获得基本训练并取得成果的过程，它是评估学业成绩的一个重要方式，也是提高学生综合素质与创新能力的关键一环[1]。作者结合广东工业大学的实际,从科学选题、落实开题环节、保证毕业设计论文质量等关键环节提出了改进毕业设计工作的措施。
2科学选题
选题是毕业设计工作的龙头，选题质量是影响毕业设计质量的重要因素，精心挑选毕业设计题目，是搞好毕业设计的第一步。但是选题目前存在着一些问题：有的选题缺乏综合性、新颖性,深广度不够；有的选题对学生显得难度较高,工作量过大；有的选题虽然有较高的研究价值，但学生由于怕难或者因就业等原因而不愿选；另外，系与系之间和各系内部之间的设计题目在难度和分量上也存在一定差异。
针对以上问题,可以从三个方面综合考虑选题。
(1)毕业设计选题要尽可能联系工程应用、生产实际和科学研究。这样有利于调动学生的积极性,由于是真做实干,他们就会主动去了解、熟悉有关科研情况,分析解决问题的方法和途径,使能力得到提高。因此,我们在为2003级机械制造及自动化专业的学生选题时,选择了“旋转超声主轴振动系统研制”，“三座标工业机械手的设计”，“防伪矿泉水瓶盖的设计”,“自动门PLC控制系统设计”，“适合于电感的微点焊系统研制”等新颖又结合科研实际的课题,尽量反映当代科技发展水平,让学生能了解、把握国内外在该研究领域的最新成果和发展动态,结果学生更加乐于参与到科研课题的研究中。
(2)要考虑完成课题的客观条件。学校毕业设计经费、教学试验条件都有限,不是任何来自科研实际的课题都可用做毕业设计,必须根据客观条件来选择设计题目,这些条件主要包括:可查资料库源,试验设施和足够的经费等,因此我们在选题时,一般选用能为学生提供可用的仪器设备,试验场地等条件的科研课题,例如“微细特种加工中心”试验样机在我们教研室已经搭建好，“线切割机床、电火花机床、超声抛光装置”等设备可以为学生做毕业设计时提供可以直接操作，锻炼自己的动手能力的机会。
(3)要有适当的难度和深度。举例说我们选择“旋转超声主轴振动系统研制”课题时,考虑到该课题涉及了声学,机械振动学,电力电子学,数电，模电等多个领域,涉及的知识面较广,设计工作量较大,有一定的深度,学生可以通过综合应用所学的基础理论和专业知识,在规定的时间内得到充分的锻炼,但是考虑到本课题有一定的难度,为了保证学生在有限的毕业设计工作时间内,经过努力能完成任务或做出阶段性结果,我们安排了两个同学参加,在掌握总体设计思路的基础上,分别进行硬件结构设计、驱动电路等不同部分的,有侧重点地进行研究,经过分工合作,完成了整个课题的设计任务,效果良好。
3落实开题环节
为提高毕业论文设计教学质量和探索出适用于毕业论文设计全环节教学质量监控的方法,可借鉴研究生创新能力培养方法,在本科毕业论文设计教学中新增开题环节,以强化学生包括查阅文献资料广泛获取信息,提出问题、拟定实验研究方案和设计方案,科学实验与测试,数据整理与分析,撰写实验论文,书面表达和口头表述等能力在内的基本创新能力。
（1）开题环节的必要性。开题的意义在于完善论文设计方案,使论文设计方案更加系统化，收集信息，听取各方意见，明确思路以坚定论文设计者的信心。一般说来，将思考的东西正式地讲出来和写出来，会比原来所思考的更有升华的意味，因为从“思”到“说”和“写”,其间加入了逻辑的创造过程。通过撰写开题报告,要求学生讲清题目的来龙去脉,从而使学生明确毕业设计课题的目的和要求，对题目有更深刻理解与认识，会使原来的论文设计思路更加完善和系统，对自己的工作做到“胸有成竹”，减少盲目性,避免出现不知从何处入手的尴尬局面。
（2）开题环节的组织在开题会之前,每个学生按规范书写了开题报告。学生持经指导老师签字同意的选题报告书、任务书及其它相关资料上台汇报选题的目标和意义、拟采取的技术路线和方法、工作基础、预期成果和工作计划等内容10分钟。评审小组根据学生自述和选题报告书及其它文本内容,对学生论文设计是否达到专业培养目标要求和完成论文设计的可行性进行考核,并对论文设计广度、深度、贴切度、重点和难点等提出具体的修改意见。
4保证毕业设计答辩的质量
答辩是毕业设计(论文)工作的最后一个环节,是全面检查和评估毕业设计(论文)质量的重要手段。严格的答辩将有利于学生树立良好的学风,促进学生认真做好毕业设计(论文)。学院可根据本院及所属各系的具体情况成立若干答辩分委会,分委会下辖若干个答辩小组。分委会主任和答辩小组组长均由副高职称以上教师担任。答辩前应认真审查学生的答辩资格,毕业设计(论文)应由除指导教师外的答辩小组1名以上教师认真评阅,写出评阅意见与评分,评分不及格者不得参加答辩。凡毕业设计(论文)拟评“优秀”的学生,都必须参加各系答辩分委会组织的集中答辩。对毕业设计平时不认真、小组答辩成绩较差的学生,由相关分委会组织复答辩后视情况决定是否给予通过。答辩时间应控制在学生汇报15-20分钟,教师提问20分钟为宜。毕业设计成绩评定必须坚持标准,严格要求。“优秀”的比例应严格控制在本专业参加答辩总人数的20%以内,优良比例应严格控制在60%以内。对毕业设计(论文)的质量,除了本身的学术水平、应用价值外,还应考察学生解决实际问题的能力、对知识的综合应用能力、在工作中查阅处理信息和应用各种工具的能力、撰定科研报告和表达交流的能力以及在工作中的团队协作能力等。答辩委员会要办事公正,治学严谨,严把质量关,对毕业设计(论文)达不到教学要求的,决不姑息。
5结论
篇13
课堂上，我事先作了“翻转”设计，课前抛出问题让学生百度各种解决方案，包括淘宝上的成品自动雨水感应晾衣架，然后在课堂上集思广益，比一比谁的方案能在众多方案里胜出？还是需要优势组合？最终学生们形成的设计预案如下。
设计一个雨水感应自动收衣装置，当雨水感应器上滴到雨滴或者天色明显变暗时，启动机械臂把衣服收进阳台。如果雨水感应器上的水滴被晒干（雨转多云），光线又足够亮时，衣服再次晒出。主人可以设置预约收衣时间。并且对是否雨后重新晒出作出预设。S4A控制画面同步运行。
以上要求进一步分解后具体要达到以下控制：（1）有雨或者光线明显变暗时，收衣服。（2）当天空放晴、光线变亮，且传感器上雨水被晒干时，衣服重新晒出。（3）主人可以预设收衣时间。此时无论天气如何，衣服强制收回。（4）主人可以手动收衣或者定r收衣，此两种模式收好衣服后不再晾出。
此环节的产品技术设计思维训练得到了充分的体现，学生要针对在自己周围每天都要发生的问题模拟产品设计工程师进行设计及分解。
曲折之二：机械传动如何设计
学生在设计方案时碰到的第一个拦路虎，不是来自电子线路，而是机械传动部分。图1所示开窗器按供电模式分有24V直流、220V交流两种，其中按开窗器机械臂行程长短又有100mm到1500mm等不同种类。本例所有24V直流电，当正接时机械臂伸出，反之缩回。
图2看似简单的机械结构，是社团学生沟通、争论了很久才有的结果。首先，淘宝上对开窗器的介绍寥寥数字，很多具体问题需要直接跟淘宝店主沟通。比如，产品大都与配套的升降（或开合）控制盒一起销售，能否拆分购买等具体问题；没有控制盒，Arduino 又如何担当起智能控制的重任？
曲折之三：S4A控制的画面如何同步变化
下载3DMAX阳台模型（可直接使用软件包中模型）、衣架模型后，利用标准基本体构建衣架及开窗器机械臂模型。由于MAX模型中的元素较多，建议按图3所示对衣架进行“成组”操作。
按F10对衣架运动中的几个关键帧分别渲染，注意本例下载的模型须安装V-RAY插件，并在公用―指定渲染器中选择V-RAY渲染器。
曲折之四：如何实现开窗器机械手的伸缩
当了解到24V直流电机正负极倒置后伸缩方向即相反后，有学生搜索关键词“直流电机正反转 继电器”绘制出图4所示控制线路。经反复推演各种可能，均不会造成短路事故。
曲折之五：开窗机的电机本身没有到位后自动停止功能，如果开窗或者贯穿机械臂到位后继续加电，将对电机造成伤害，此问题如何破解
有学生称可以设置时间，但是马上又有学生质疑，当挂的衣服重量不同时，造成的阻力不同，时间不是一个定量。后来有学生询问淘宝商家后找到了解决办法，如图5在数字口2、3分别安装两个磁感应开关，相关的动臂上安装永磁铁。当检测到机械臂运作到位后，立即停止供电。
曲折之六：脚本如何设计
晒衣部分脚本：当绿旗被点击时，当系统检测到接在模拟口0的光线传感器数值大于800，光线充足，并且接在模拟口5的雨水传感器上无水滴，数值小于50，则广播晒衣服。
收衣部分脚本：分三个条件语句，第一是检测光线数值小于150则收衣。第二是检测雨水传感器数值大于100则收衣。第三是按钮传感器大于1000即接通状态则自动收衣。
预约收衣部分脚本：当绿旗被点击时，先询问预约多少小时后收衣，然后将输入值赋予变量t，计时器归零。计时器单位为秒，因此变量t须乘3600。当计时器数值大于预设时间，广播收衣服。
曲折之七：学生开始编制脚本时发现继电器反复被触发，“哒哒”声不断，这对继电器及控制终端都不是好事，如何解决
为了防止继电器反复被触发，损伤电机及其他器件，分别设置变量k、m，当条件已符合时分别设定为1。然后将相关变量不等于1，即等于1不成立，作为条件语句的必备条件之一。
当晒衣触发时，变量K为1，当收衣触发时变量M为1。如果系统对两个事件依次触发一遍。如果不对相关变量清零，则造成太阳出来后或者下雨了系统不再有响应。所以要对K赋值1的同时，要对M清零。反之也一样。
由于手动收衣及定时收衣要求之后即使符合晒衣条件时也不再触发，所以不再对M清零操作。为保险起见，建议在对K赋值1的同时，添加给变量M赋值1的语句。
