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四自由度绘图机器人的控制系统设计0引言在丁业生产过程中，为了对加工零件的型号、尺寸等作以标识，需要专用绘图设备对其进行标记。
本文针对这一生产需要，模拟工业现场环境，设计了可完成绘图、划线、切割等功能于一体的机器——简称绘图机器人。
传感器技术、图像采集与识别技术、最优化技术以及路径规划算法等理论的发展，为绘图机器人的实现提供了技术与理论依据。
曾在2006年中国围际工业博览会上，由ABB公司制造的绘图机器人“神笔马良”就吸引了很多人的关注。
1机器人机械结构1．1机器人本体结构本文研究的机器人为实验室自主开发的四自由度机器人，采用PC机+触摸屏+运动控制器构成的开放式控制系统，由一块运动控制器控制四轴的运动，可实现x、y、z方向的直线运动及C方向的回转运动。
其结构图如图l所示，主要由x轴滚轮，l，轴手臂，z轴丝杠，c向同转驱动、电机驱动，导向立柱，同步带及底座组成，其技术参数和运动实现形式见表l、表2。
根据完成功能的不同，选择相应执行装置通过装夹装置固定安装在Y轴手爪处。
本文采用画笔。
1．2机器人传感器模块传感器类似于人的五官，是机器人感知外部环境的直接手段。
本设计采用的传感器包括：(1)接近开关：4个接近开关均选用AOTORO的FRl8-8DN，其有效测量距离为8ram，分别安装在l，轴手爪和Z轴导向立柱处，用于y轴左右、z轴上下限位。
当金属检测体靠近开关的感应区域，开关迅速发出指令反馈给运动控制器，运动控制器接到反馈信号，发出控制信号，控制电机动作同时产生报警信号¨1。
(2)超声波传感器：用于X轴行动过程中的避障，有效测距分为3个量程，分别是9m、3m和lm。
当机器人在行驶中检测到前方有障碍物时，立即停止前进，原地等待并发出报警信号，直至障碍物消失再继续前进。
(3)角度传感器：在绘制某些图形的过程中，需要画板与画笔之间有一角度，该传感器就是用于C向回转中角度的信号检测。
2个角度传感器均采用国产的TDR．BZ。
毕业设计四自由度机器人毕业设计题目：四自由度机器人的设计与控制一、引言四自由度机器人是一种常见的工业机器人，其基础结构包括底座、臂部、腕部和末端执行器。
在工业生产线上，四自由度机器人广泛应用于装配、焊接、喷涂等需要精确操作的工艺环节。
本篇毕业设计论文将对四自由度机器人的设计与控制进行研究和分析。
二、机器人的设计1.结构设计：为了实现机器人的灵活和精确操作，我们将设计一个四自由度机器人。
该机器人的结构由底座、臂部、腕部和末端执行器组成。
底座提供了机器人的稳定性和机动性，臂部负责机器人进行大范围的空间运动，腕部通过关节连接臂部和末端执行器，末端执行器完成具体的操作任务。
2.运动学设计：机器人的运动学设计是机器人设计中的重要一环。
我们将采用世界坐标系和本体坐标系的方法，建立逆运动学模型和正运动学模型，以实现机器人的运动控制。
具体设计中，我们将采用符号法推导机器人的运动学方程，通过求解并进行数值模拟验证，实现机器人的精确运动。
三、机器人的控制1.控制系统设计：机器人的控制系统是实现机器人精确操作的核心。
我们将采用开环控制和闭环控制相结合的方法，设计机器人的控制系统。
开环控制系统通过预设关节角度实现机器人的运动，闭环控制系统通过传感器反馈实时监控机器人的运动，并进行误差修正，实现机器人的精确操作。
2.控制算法设计：我们将采用PID控制算法对机器人进行控制。
PID控制算法具有稳定性好、计算简单等优点，适用于工业机器人的控制。
我们将根据机器人的运动学特性，根据机器人的误差信号设计合适的PID参数，以优化机器人的运动轨迹和操作精度。
3.编程与仿真设计：为了验证机器人的设计和控制系统的有效性，我们将使用MATLAB和Simulink进行编程和仿真设计。
通过编写机器人运动学模型和控制算法的代码，并在Simulink中搭建机器人的控制系统，实现机器人精确操作的仿真。
四、总结本篇毕业设计论文对四自由度机器人的设计与控制进行了研究和分析。
前言可编程控制器是20世纪70年代以来，在集成电路，计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。
由于具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为现实工业生产自动化的支柱产品。
近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备，自动化生产线外，国内的机床设备已越来越多采用PLC控制系统采用控制系统取代传统的继电—接触器控制系统小；价格上能与继电—接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀，接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传播数据等。
本课题是基于PLC控制四自由度机械手运行。
工业机械手是一种模仿人体上肢部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，它可以代替手的繁重劳动，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。
有着广阔的发展前途。
本课题通PLC自动控制对机械手实现机械手规定动作并实现回原点、手动方式和自动方式三种工作方式的选择，并对系统进行运行效率分析。
摘要随着工业机械手的进一步发展，其发展将更趋向于人性化、智能化并将在更加广泛的领域得到应用。
机械手是一种模仿人体上肢运动的机器，它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。
因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。
工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率和自动化水平。
通过对机械制造与自动化大学专科三年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，确定机械手的工作原理和运动机理。
设计了一种四自由度机械手，采用可编程序控制器（PLC）设计其控制系统,以提高其工作的稳定性能。
关键词：机械手梯形图PLC 电磁阀AbstractWith the further development of industrial robots, and its development tends to be more humane, intelligent and in a wider range of applications. Manipulator is a kind of imitation of the upper body movement machine, it can be scheduled according to request type or holds the automation tool operation of technical equipment, industrial automation, promote the production of industrial production of the further development plays an important role .Manipulator noted extensively and welcome by people for it has powerful vitality. Industrial robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce labor intensity, and improve labor productivity and automation level.Mechanical manufacturing and automation through the junior college for three years to integrate the knowledge of industrial manipulator mechanical structure and function of various parts of exposition and analysis to determine the robot motion principle and mechanism. Design a four-DOF manipulator to enhance the stability of their work for using the programmable logic controller to control system.Keywords: Manipulator Ladder diagram PLC Solenoid valve目录前言 (1)摘要 (2)第一章绪论 (5)1.1 本课题设计的背景 (5)1.2本课题设计的内容 (6)1.3 本课题设计的目的和意义 (7)第二章 PLC的概述 (8)2.1 PLC介绍 (8)2.2 PLC的构成 (9)2.3 PLC 的外部设备 (10)2.4 PLC的工作原理 (10)2.5 PLC的优点 (12)第三章基于PLC的机械手控制方案的确定 (13)3.1 机械手的概述 (13)3.2 采用PLC控制机械手的优点 (13)3.3 机械手设计内容 (13)3.4 PLC的选型 (14)3.5 三菱FX系列的结构功能 (16)第4章功能实现与控制方式 (18)4.1 机械手模型的机能和特性 (18)4.2 夹紧机构 (18)4.3 躯干 (19)4.4 旋转编码盘 (19)第5章控制系统设计 (20)5.1 控制系统硬件设计 (20)5.2 PLC梯形图中的编程元件 (20)5.3 PLC的I/O分配 (21)5.4 机械手控制系统的外部接线图 (22)5.5 控制系统软件设计 (22)致谢 (36)参考文献 (37)附录（指令表） (38)第一章绪论1.1 本课题设计的背景1969年美随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。
四自由度码垛机器人控制系统设计一、四自由度码垛机器人简介随着科技工业自动化的发展,很多轻工业都相继通过自动化流水线作业.尤其是食品工厂,后道包装机械作业使用一些成套设备不仅效率提高几十倍,生产成本也降低了。
其中四自由度码垛机器人每天自动对1000箱食品进行托盘处理，这些码垛机器人夜以继日地工作，从不要求增加工资。
码垛机器人的应用越来越广。
码垛机器人配备有特殊定制设计的多功能抓取器，不管包装箱尺寸或重量如何，机器人都可以使用真空吸盘牢固地夹持和传送包装箱。
如图1所示，四自由度码垛机器人本体由腰部、大臂、小臂、腕部组成。
图1 码垛机器人简图腰部大臂小臂腕部如图2所示，码垛机器人具有独特的线性执行机构，使其保证了手部在水平与垂直方向的平行移动。
图2 码垛机器人的线性执行机构运动示意图此四自由度码垛机器人的应用案例如图3所示。
具有示教作业简单,现场操作简便。
图3 码垛机器人的应用案例二、四自由度码垛机器人控制要求及其控制方案1、控制要求如图1所示，四自由度码垛机器人的运动主要由控制腰部、大臂、小臂、腕部的驱动电机实现。
在此均采用松下A5伺服电机；抓取部件等其他辅助运动采用气动，由电磁阀动作来控制抓取部件的动作。
四自由度码垛机器人的运动控制系统主要包括感知部分、硬件部分和软件部分，其运动控制系统的主要任务是要控制此机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹以及作业流程等。
此外，还要求：1）防碰撞检测和在线编程控制,可以进行离线仿真；2）人机界面友善、高度可靠作性和安全性；3）便携式触摸屏示教器、全中文界面；4）利用使能开关双电路设计使在紧急状态下自动切断伺服动作，从而保证安全。
2、控制方案控制方案1：基于PLC的运动控制方案基于PLC的机器人运动控制系统，一般利用触摸屏进行人机交互。
在触摸屏上的人机界面，由组态软件编写人机操作界面实现人机交互；PLC则通过I/O 模块与码垛机器人以及现场设备通信并实现控制，通过接受PLC的控制命令，实现机器人及其周边、物流设备的启停与协调，同时将码垛机器人及其周边、物流设备的运行状态返回给PLC。
四个自由度机器人(4关节机械手)设计任务书成都工业学院毕业设计任务书专业班次学生姓名指导老师设计评分设计（论文）题目四个自由度机器人专题任务开始日期2016 年 4 月22 日任务完成日期2016 年6 月 1 日设计人同组人等人指导老师（签名）教研室主任（签名）系主任（签名）（一）设计（选题）目的（包括原始数据）四个自由度机器人，很类似人的手臂的运动，它包含肩关节、肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动，是一种固定式的工业机器人。
它具有四个自由度，其中，三个是旋转自由度，一个是移动自由度。
这类机器人结构轻便、响应快，它能实现球面范围内运动。
参数自由度4个抓重 5 Kg 运动参数大臂长700mm120回转角度）。
小臂长600mm100回转角度）。
手腕回转100回转角度）。
手臂升降100mm（升降距离）。
电机驱动。
（二）推荐主要参考资料【1】殷际英何广平编著关节型机器人北京化学工业出版社2003.07 【2】加藤一郎编著机械手图册上海上海科学技术出版社1979.01 【3】陆祥生杨秀莲编机械手理论及应用北京中国铁道出版社1983.03 【4】龚振邦机器人机械设计手册电子工业出版社1995 【5】伊藤洋三机构设计机械工业出版社1990 【6】周开勤机械零件手册高等教育出版社1993 【7】张建民工业机器人北京北京理工大学出版社1987 【8】张黎骅郑严编新编机械设计手册北京人民邮电出版社2008.01 【9】吴振彪主编机电综合设计指导中国人民大学出版社2000.09 【10】李振清主编机械设计简明手册兵器工业出版社1992.12 【11】王晓莉主编机械制图北京科学出版社2004.10.20 （三）设计工作任务及技术指标1、四个自由度机器人装配图2、机器人大臂装配图3、机器人小臂装配图4、机械手装配图5、零件图毕业设计评语指导教师评语。
论文提要随着大工业时代的到来，自动化设备代替人工作业成为现代化工业发展的一大趋势。
机械手作为一种自动化执行设备，解放了人类的双手，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。
它能模仿一些人手和手臂的动作，进行抓取、搬运或装配工作，被广泛应用在大型工厂的生产流水线上，尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，机械手的应用更加重要。
随着现代科技的发展，借助计算机辅助设计系统、计算机辅助制造系统，使机械手得到了更快的发展和应用，过渡到了一个新的工业自动化阶段。
本文主要是对四自由度机械手的结构设计和工作原理进行阐述和说明，并推导出了机械手的运动轨迹方程。
四自由度机械手的设计与规划摘要：随着大工业时代的到来，自动化设备代替人工作业成为现代化工业发展的一大趋势。
机械手作为一种自动化执行设备，解放了人类的双手，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。
它能模仿一些人手和手臂的动作，进行抓取、搬运或装配工作，被广泛应用在大型工厂的生产流水线上，尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，机械手的应用更加重要。
随着现代科技的发展，借助计算机辅助设计系统、计算机辅助制造系统，使机械手得到了更快的发展和应用，过渡到了一个新的工业自动化阶段。
本文主要是对四自由度机械手的结构设计和工作原理进行阐述和说明，并推导出了机械手的运动轨迹方程。
关键词:四自由度机械手自动化一、什么是机械手机械手是一种主要由机械主体、控制器、驱动系统和传感器装置等组成的,能模仿人手和臂的某些动作的运动机构。
机械手的设计是模仿人的动作，所以在设计机械手时，为了使机械手能更像人手那样灵活好用，可以遵循三个设计原则：一是使机械手的覆盖范围尽可能的大；二是使机械手可以根据外界的环境改变自己的运动姿态；三是在使自身重量足够小时，承受的负载足够大。
美国机器人工业协会定义了工业机械手的含义：机械手是一种可以用于移动各种生产材料零部件工具或专用设备的，并通过可编程序动作来执行各种任务的，具有编程能力的多功能自动化设备。
stm32机械臂4自由度程序代码概述在现代工业生产中，机械臂被广泛应用于各种自动化任务中，它能够完成人们难以完成的高精度、高速度的工作。
而stm32是一款性能强大的微控制器，具有广泛的应用领域。
本文将介绍如何使用stm32编写一个具有4自由度的机械臂程序代码。
硬件搭建在开始编写程序代码之前，我们首先需要搭建硬件平台。
以下是搭建4自由度机械臂所需的硬件组件：1.stm32开发板：我们选择一款合适的stm32开发板作为主控制器；2.步进电机：我们选择4个步进电机作为机械臂的关节驱动器；3.驱动模块：我们需要使用4个步进电机驱动模块来控制步进电机；4.电源：我们需要为stm32开发板和驱动模块提供稳定的电源；5.连接线：我们需要使用合适的连接线将硬件组件连接起来。
完成硬件搭建后，我们可以开始编写程序代码。
程序框架下面是一个简单的程序框架，用于控制4自由度机械臂的运动：#include <stm32f4xx.h>// 定义步进电机引脚#define MOTOR1_PIN1 GPIO_Pin_0#define MOTOR1_PIN2 GPIO_Pin_1#define MOTOR2_PIN1 GPIO_Pin_2#define MOTOR2_PIN2 GPIO_Pin_3#define MOTOR3_PIN1 GPIO_Pin_4#define MOTOR3_PIN2 GPIO_Pin_5#define MOTOR4_PIN1 GPIO_Pin_6#define MOTOR4_PIN2 GPIO_Pin_7// 定义步进电机驱动函数void motor1_forward(void);void motor2_forward(void); void motor2_backward(void); void motor3_forward(void); void motor3_backward(void); void motor4_forward(void); void motor4_backward(void);int main(void){// 初始化stm32开发板// 初始化步进电机引脚while (1){// 控制机械臂的运动 }}void motor1_forward(void) {// 控制步进电机1正转}void motor1_backward(void) {// 控制步进电机1反转}void motor2_forward(void) {// 控制步进电机2正转}void motor2_backward(void) {// 控制步进电机2反转}void motor3_forward(void) {// 控制步进电机3正转}{// 控制步进电机3反转}void motor4_forward(void){// 控制步进电机4正转}void motor4_backward(void){// 控制步进电机4反转}程序详解初始化stm32开发板在程序的main函数中，我们需要初始化stm32开发板。
毕业设计任务书学生指导教师杨萍、张淑珍、李翠明班级职称教授、副教授、讲师系主任主管院长一、毕业设计题目五四自由度关节型机器人的设计二、主要设计参数及技术指标1、2、机器人工作要求1）机器人必须小巧、灵活、拆卸方便，2）机器人能够完成抓取物体、搬运物体等功能3）机器人自动化程度高，控制方便灵活。
三、设计任务1）机器人总体设计；2）机器人机械部分设计（其中计算机绘图1×A1，其余手工绘图）；3）设计说明书不少于8千字。
备注：设计图纸量：共3×A0图纸四、毕业设计的基本要求1、学生认真、刻苦钻研，独立完成毕业设计任务。
2、在毕业设计中要遵守毕业设计规定，服从安排和领导；3、毕业设计进度要严格按照进程计划进行，按时、按质、按量完成毕业设计内容；4、设计计算说明书要求字迹工整，条理清晰，设计计算正确；5、凡是未按时完成毕业设计规定内容和工作量的学生不得参加毕业设计答辩。
五、进程安排六、阅读资料及主要参考文献[1] 吴宗泽,罗圣国. 机械设计课程设计手册.北京:高等教育出版社, 1999[2] 殷际英,何广平. 关节型机器人。
北京：化学工业出版社, 2003[3] 吴振彪. 工业机器人. 武昌：华中理工大学出版社， 1997[4] 哈尔滨工业大学理论力学教研室. 理论力学. 北京：高等教育出版社，2002[5] 赵妙霞. 机械精度设计与质量控制. 兰州：兰州大学出版社，2004[6] 濮良贵. 纪名刚. 机械设计. 北京：高等教育出版社，2001[7] 徐灏. 机械设计手册. 北京：机械工业出版社，2001[8] 张福学，机器人技术及其应用[M]，北京：电子工业出版社，2000，1[9] 马香峰，机器人机构学[M]，北京：机械工业出版社，1991，9[10]熊有伦等编，机器人学[M]，北京：机械工业出版社，1993，10。
