目录
目录
摘要
Abstract
第一章绪论 (1)
1.1 机器人的发展史 (1)
1.2 机器人的定义 (2)
第二章设计原理及目的 (4)
2.1 设计的目的和意义 (4)
2.2 设计项目发展情况 (4)
2.3 设计原理 (5)
第三章五自由度机械手运动分析与计算 (6)
3.1 数学基础理论 (6)
3.1.1 刚体位姿的表示和齐次变换 (6)
3.1.2 机器人运动学的D-H表示法 (8)
3.2 五自由度机械手的机械结构方案设计与计算 (10)
3.2.1 方案功能设计与分析 (10)
3.2.2 对机械手的计算 (12)
第四章机械手及模拟搬运设计 (17)
4.1 控制方案的总体设计 (17)
4.2 机械手的工作流程 (17)
4.3 机械手的简介 (17)
4.4 机械手的硬件设计 (18)
4.4.1 PLC的设计 (19)
4.4.2 PLC控制电路相对于电器控制电路的优点 (19)
4.4.3 步进电机的设计 (20)
第五章电路元气件及设备的选择 (22)
5.1步进电机简介 (22)
5.1.1步进电机简介 (22)
5.1.2步进电机的基本参数 (22)
5.1.3步进电机的一些特点 (23)
5.1.4静力矩的选择 (24)
6.1.5电流的选择 (25)
5.1.6 力矩与功率换算 (25)
5.1.7 应用中的注意点 (26)
5.2步进电机的选择 (27)
5.2.1各项参数 (27)
5.2.2步进电机驱动模块 (28)
5.2.3 技术特点 (28)
5.3 PLC部分 (29)
5.3.1. 设备连接 (32)
5.4 其他设备 (32)
第六章控制系统的程序设计 (33)
6.1 应用背景与要求 (33)
6.2 组成部分 (33)
6.2.1 关节限位控制 (33)
6.2.2 工件坐标系的测量与计算 (34)
6.2.3 机械手的张合控制 (34)
6.2.3 公式之间的转换 (34)
6.2.4 计算结果的存储 (34)
6.3 机械手系统的工艺流程 (34)
6.4 机械手控制系统功能设计分析 (36)
6.4.1 PLC的资源分配 (36)
6.4.2 机械手系统的控制程序 (36)
致谢 (39)
设计小结 (40)
参考文献 (41)
附录一、流程图 (42)
附录二、PLC外部接线图 (43)
附录三、示例程序 (44)
附录四、翻译部分 (54)
摘要
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈，人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定输送带为主的传统搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性、降低生产成本，减少环境污染，提高产品的质量及经济效益是企业生产所必须面临的重大问题。它集成自动控制技术、计量技术于一体的机电一体化产品，它利于控制，操作方便等优点。本设计就PLC在机械手上的应用作了详细的阐述。
关键词：PLC 机械人
Abstract
Along with science’s and technology’s changing with each new day, the automaticity request is getting higher, market competition intense, labor cost rise, formerly the manual control the transporting and the stationary conveyor belt tradition thing mode of transport primarily, not only takes the space not to be easy to change the production line structure, in addition needs the manpower monitor operation, increases the production cost, the original production feeds the installment not to be able to satisfy current highly automated by far the need. Reduces the labor intensity, the safeguard production reliability, the security, reduces the production cost, reduces the environmental pollution, to enhance the product the quality and the economic efficiency is the major issue which the enterprise produces must face. It integrates the automatic control technology, the Measurement Technique in a body’s integration of machinery product. This design on PLC, in the manipulator controlled on to serve as the detailed elaboration.
Key Word: PLC Robot
第一章绪论
本章重点：本章通过对机器人的由来与发展、定义、分类及机器人技术研究等内容的介绍，使读者首先对机器人技术有一个概括的认识与了解。
1.1机器人的发展史
机器人技术与系统作为20世纪人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历40多年的发展已取得实质性的进步和成果。
在制造领域，目前世界上约有150多万台工业机器人正在各种生产现场工作。
在非制造领域，如服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，并且正迅速地向实用化迈进。
机器人的英文名词是Robot，Robot一词最早出现在1920年捷克作家雷尔·卡佩克（Karel Capek）所写的一个剧本中，这个剧本的名字为《Rossum’s Universal Robots》，中文意思是“罗萨姆的万能机器人”。剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是“苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而来的，以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。
机器人一词虽然出现得较晚，然而这一概念在人类的想象中却早已出现。制造机器人是机器人技术研究者、爱好者的梦想，代表了人类重塑自身、了解自身的一种强烈愿望。自古以来，就有不少科学家和杰出工匠制造出了具有人类特点或模拟动物特征的机器人雏形。
西周时期，中国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是中国最早记载的具备机器人概念的文字资料。春秋后期，中国著名的木匠鲁班在机械方面也是一位发明家，据《墨经》记载，他曾经制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日而不下”，体现了中国劳动人民的聪明才智。
东汉时代，著名科学家张衡不仅发明了地动仪、计里鼓车，而且发明了指南车，这些发明都是具有机器人构想的装置。计里鼓车每行进1里，车上的木人击鼓一下，每行10里，击钟一下；具有复杂轮系装置的指南车，车上木人运动始终指向南方，则该车无论左转右转、上坡下坡，指向始终不变，可谓精巧绝伦。
中国宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》一书中，也记载有一个“自动木人抓老鼠”的故事，“该木人名钟馗，身高三尺，能左手扼鼠，右手持铁简毙之，动作灵巧”。
三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地制造了木牛流马，用其运送粮草，并用其中的机关“牛舌头”巧胜司马懿，被后人传为佳话。木牛流马虽已失传，但其明显具有机器人的结构和功能。
1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大坂的道顿崛演出。
1738年，法国天才大师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，
南通职业大学毕业设计（论文）
会游泳和喝水，还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能机械化以进行医学上的分析。
公元1768~1774年间，瑞士钟表匠德罗斯父子三人合作制造出三个像真人一样大小的机器人——写子偶人、绘画偶人和弹风琴偶人。它们好似靠弹簧驱动，由凸轮控制的自动机器人，至今还作为国宝保存在瑞士纳切尔市艺术和历史博物馆内。
自1920年之后，机器人成为很多科幻电影、科幻小说的主人公。20世纪30年代末纽约世界交易会上放映的德国电影《大都市》中的Eleitro步行机器人和机器狗Spardo，20世纪70年代拍摄的电影《星球大战》中C3P机器人，使人们对机器人寄予很高的期望，而这些在当时的科学技术条件下是无法实现的。即使是现在，要造出有类似人的智慧、感情的机器人仍然是科学家的梦想和追求。
现代机器人的研究始于20世纪中期。第二次世界大战期间（1938~1945年），由于核工业和军事工业的发展，研制了“遥控操纵器”（Teleoperator），主要用于放射性材料的生产和处理过程。1947年，对这种较简单的机械装置进行了改进，采用电动伺服方式，使其从动部分能跟随主动部分运动，称为“主从机械手”（Master-Slave Manipulator）。
1949~1953年，随着先进飞机制造的需要，美国麻省理工学院辐射实验室（MIT Radiation Laboratory）开始研制数控铣床。1953年研制成功能按照模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床。
1954年，美国人乔治·德沃尔（George C.Devol）研制出第一台电子可编程序的工业机器人——可编程关节传送装置，它第一次使用示教再现的控制方式，并且在20世纪的后几十年中，得到惊人的发展。随后应运而生的数控技术和机械手，将工业机器人推上历史的舞台，成为现代加工制造业的中坚力量。
1960年美国“联合控制公司”（Consolidated Control）根据Devol的专利技术，研制出第一台真正意义上的工业机器人，并成立了Unimation公司，开始定型生产名为Unimate的工业机器人。两年后，美国“机床与铸造公司”（AMF）也生产了另一种可编程工业机器人Versatran。
20世纪70年代，机器人产业的到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门学科，称为机器人学（Robotics）。机器人的应用领域进一步扩大，不同的应用场所，导致了各种坐标系统，各种结构的机器人相继出现，大规模集成电路和计算机技术飞跃发展使机器人的控制性能大大提高，成本不断地下降。
20世纪80年代，不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在工业发达国家真正进入了实用化的普及阶段。特别是随着传感器技术和智能技术的发展，开始进入智能机器人研究阶段。机器人视觉、触觉、力觉、听觉、接近觉等项目的研究和应用，大大地提高了机器人的适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。
目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家应该是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。机器人技术的发展推动了机器人学的建立，许多国家成立了机器人协会，美国、日本、英国、瑞典等国家设立了机器人学学位。
1.2机器人的定义
虽然现在的机器人已被广泛应用，且越来越受到人们的重视，而机器人这一名词却还没有一个统一、严格、准确的定义。不同国家、不同研究领域的学者给
出的定义也不尽相同，虽然定义的基本原则大体一致，但是仍有较大区别。原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断地涌现，同时，由于机器人涉及了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题，就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。
随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断地充实和创新。下面给出一些有代表性的定义。
国际标准化组织（ISO）的定义机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助可编程序操作拉处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。
美国国家标准局（NBS）的定义机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某写操作和移动作业任务的机械装置。
美国机器人协会（RIA）的定义机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用的装置，通过可编程序动作来执行种种认为的、并具有编程能力的多功能机械手。
日本工业机器人协会（JIRA）的定义工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器的、能够移动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的同用机器。
综上所述，概括各种机器人的性能，可以按以下特征来描述机器人：
机器人的动作机构具有类似于人或其他生物某些器官（肢体、感官等）的功能；机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变，是柔性加工主要组成部分；
机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；
机器人具有独立性，完整的机器人系统，在工作中可以不依赖于人的干预。
1943年，科学家兼作家Isaac Asimov在“Run around”一书中首次提出了机器人三定律：
第一，机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受害而袖手旁观；
第二，机器人必须觉绝对服从人类，除非这与第一原则矛盾，
第三，机器人必须保护自身不受伤害，除非这与第一或第二原则想矛盾。
第二章设计原理及目的
2.1 设计的目的和意义
工业机械手是近代自动控制领域出现的一项新技术，并以成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。
机械手的迅速发展是由于它的积极作用正为人所认识，其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照工艺生产的要求，遵循一定的程序，时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地改变工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的正视，并投入了大量人力物力加以研究和应用。尤其在高温，高压，粉尘，噪声以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国。近几年也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。
机械手一般分三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以任务的需要编制程序，已完成各项规定操作。它的特点是出具备机械的物理性能外，还具备通用机械。记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作，称为操作的，称为操作即。它源于原子，军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范围。第三类是专用机械手，主要是属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称“Mechanical Hand”它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
本项目设计的机械手模拟装配可归为第一类，即通用机械手自动化的音乐。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用到机械手。
2.2设计项目发展情况
目前工业机械手主要用于工件传送，焊接，装配，铸段，热处里等方面，无论数量，品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。
在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教机械手，组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩，摆动，升降，横移，俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，
以便与根据不同作用的要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时提高速度，减少冲击，正确定位，以更换地发挥机械手的作用。
此外还应大力研究伺服型，记忆再现型，以及具有触觉，视觉等性能的机械手，并考虑与计算机相连，逐步成为机械制造系统中一个基本单元。
在机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较较快。目前主要应用于机床。模锻压力机的上下料以及点焊，喷漆等作业，它可按照事先编制好的程序完成规定的作业。有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械手本身的损坏，但有了传感反馈能力，机械手可以根据反馈自行调整。
2.3 设计原理
机械手主要有执行机构，驱动机构，和控制系统组成。
执行机构包括手部，手臂和躯干。手部装在手臂前端，可转动，开闭手指。机械手的手部的构造系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量可分为二指，三指，四指等。其中以二指应用的最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般指真空吸盘或磁性吸盘。本设计采用真空吸盘构造。手臂有无关节臂和有关节臂之分。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确定位。总之，机械手的运动离不开直线和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线液压缸，摆动液压缸，电液脉冲马达，伺服液压马达，交流伺服电机，直流伺服电机和步进电机等。躯干是安装手臂，动力源和各执行机构的支架。
驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以电气、气动用的最多占90%以上；液压、机械驱动用的最少。
液压驱动主要是通过液压缸、阀、液压泵和油箱等实现传动。它利用液压缸、液压马达加齿轮、齿条实现直线运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、动作平缓、可无级变速、自锁方便、并能在中间位置停止。缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。
气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4~6个大气压（392~588kPa），个别达到8~10个大气压（785~981 kPa）。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈，本设计手爪、手臂部分采用气压驱动。
电气驱动时，直线驱动可采用电动机带动丝杠、螺母机构。通用机械手则考虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护、使用方便。驱动机构和控制系统可以采用同一型式的动力，出力比较大。本设计采用步进电动机驱动手臂运动，直流电动机驱动手爪和机械手的旋转运动。
机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，工作速度高，成本底；缺点是不易于调整。
机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速
度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占90%以上。
控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制，它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。对动作复杂的机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。
第三章 五自由度机械手运动分析与计算
3.1 数学基础理论
要建立五自由度机械手的运动学模型，首先要对机械手的运动学进行分析。它涉及到五自由度机械手运动学正、逆解问题，机械手关节雅克比矩阵等问题，特别是要研究关节变量空间和机器人末端执行器位姿之间的关系，并通过对机械手末端执行器沿特定轨迹的运动建立起机械手的雅克比矩阵，得到机械手各关节的运动速度。然后考虑引起这些运动的力和力矩，建立机械手的运动学模型，这也是建立五自由度机械手动力学模型的基础。这里主要有以下几个问题：
通过已知的结构参数和关节变量建立机械手运动学方程，描述关节变量空间和机械手末端执行器位置和姿态关系，解决机械手的运动学正问题和逆问题；建立机械手的雅克比矩阵，并用求导法求解关节变量空间和机械手末端执行器速度之间的关系；列出机械手运动学的方程。
基于以上几个问题，下面阐述了将要用到的数学可力学理论。 3.1.1 刚体位姿的表示和齐次变换
为了描述机械手本身的各连杆之间、机械手和环境之间的运动关系，并且忽略了机械手连杆的弹性变形，把机械手连杆作为刚体来研究。
空间点P 可以用它的相对于参考坐标系得三个坐标来表示：
k P j p i p p Z y x
++=
其中x p ，y p 和z p 是参考坐标系中表示该点的坐标。这种表示方法也可以稍做变化：将P 点用向量形式写出并且加入一个比例因子w ，则P 点表示为
???
???
????????=w p p p p z y x ，其中w x p x
*=，w y p y *=，w z p z *=
变量w 可以为任意数，如果w=1时，各分量的大小保持不变；如果w=0时，
x ，y 和z 都是无穷大，[
]
T
z y x p p p p 0= 表示一个长度为无穷大的向量，方
向为该向量所表示的方向。因此本文常取w=1，p
向量表示参考坐标系中一点的
位置；取w=0，p
向量表示参考坐标系中某一方向。
一个刚体在笛卡尔空间表示可以这样实现：通过在它上面固连一个坐标系，再将该固连的坐标系在空间表示出来。只要这个坐标系可以在空间表示出来，那么这个物体相对于固定的参考坐标系的位姿也就已知了，如图3.1所示：
图3.1 空间刚体的表示 如果用[
]
T
z y x
p p p 1表示刚体上的运动坐标系（当前坐标系）原点在参
考坐标系中的位置向量，[
]
T
z
y x n n n 0表示运动坐标系n 轴在参考坐标系中
的方向，[
]
T
z
y x
o o o 0表示运动坐标系o 轴在参考坐标系中的方向，
[]
T
z
y x
a a a
0表示运动坐标系a 轴在参考坐标系中的方向。因此刚体在参考
坐标系中的位姿可以表示为：
???
?
???
???????=10
z z z z y y y y
x x x x p a o n p a o n p a o n T （3.1） 且满足①三个向量互相垂直；②每个单位向量的长度必须为1。这种形式的
矩阵称为齐次矩阵。并且这样齐次矩阵逆矩阵为：
???????
??????
??-?-?-100o a p a a a o p o o o n p n n n z y x z
y x z y x
（3.2） 如果保持现有的姿态不变，只是在参考坐标中位置发生改变，那么相对与固定
参考坐标系的新坐标系的位置可以用原来运动坐标系的原点位置向量加上表示
位移的向量求得。用矩阵形式表述。新的运动坐标系的表示可以通过坐标系左乘变换矩阵得到。新的坐标系位置为：
()???
????
??????
????????????????=?=10
1000
100010001z z z z y y y y x x x x
z y x old
z y
x
new p a o n p a o n p a o n d d d T d d d Trans T ???????
???????+++=1000z z z z z y y y
y y x x x x x d p a o n d p a o n d p a o n （3.3）
其中x d ，y d ，z d 是平移向量d
相对于参考坐标系x ，y 和z 轴的三个分量。
同理，如果刚体保持现有的位置不变，只是在参考坐标中的姿态发生改变，则新运动坐标系的表示也可以通过坐标系左乘变换矩阵得到。例如
()o l d n e w T x R O T
T ?=θ，其中()θx ROT 表示运动坐标系绕参考坐标系的x 轴旋转θ的变换矩阵。这里给出运动坐标系绕参考坐标系的x 轴，y 轴和z 轴旋转θ的
变换矩阵：
()???????????
??
?-=10
0000000001θθθθθC S S C x ROT ， ()???
????
????
???-=10
00001000θ
θ
θθ
θC S S C y ROT ， ()???
?
???
????
??
?-=010
01000000θθθθθC S S C z ROT
（3.4）为简化书写，习惯用符号θC 表示θcos ，θS 表示θsin （以下表示方法相同）。
复合变换是由固定参考坐标系或当前运动坐标系的一系列沿轴平移和绕轴旋转变换所组成的，任何变换都可以分解为按一定顺序的一组平移和旋转变换。
注意，刚体也可能做相对于运动坐标系或当前坐标系的轴的变换，但这时本文需要右乘变换矩阵，而不是左乘变换矩阵，才能得到相对于运动坐标系变换后的刚体的新位姿。
3.1.2 机器人运动学的D-H 表示法
Denavit-Hartenerg （D-H ）模型表示了对机器人连杆和关节进行建模的一种非常简单的方法，可用于任何机器人构型，而不管机器人的结构顺序和复杂程度如何。并且D-H 方法有其附加的好处，使用它已经开发了许多技术，例如，雅克比矩阵的计算和力分析等。除此之外，也可以应用螺旋理论作为D-H 法的替代。
假设机器人由一系列关节和连杆组成。这些关节可能是滑动（线性）的或旋转（转动）的，它们可以按任意的顺序放置并处于任意的平面。连杆也可以是任意的长度（包括零），它可能被扭曲或弯曲，也可能位于任意平面上。所以任何
一组关节和连杆都可以构成一个想要建模和表示的机器人。
为此，需要给每个关节指定一个参考坐标系，然后，确定从一个关节到下一个关节（一个坐标系到下一个坐标系）来进行变换的步骤。如果将从基座到第一关节，再从第一关节到第二关节直至到最后一个关节的所有变换结合起来，就得到了机器人的总变换矩阵。
图3.2通用关节－连杆组合的D-H 表示
图3.2表示了三个关节，每个关节都是可以转动或平移的，第一个关节指定为关节n ，第二关节为关节n+1，第三个关节为关节n+2。在这些关节的前后可能还有其他关节。连杆也是如此表示，连杆n 位于关节n 与n+1之间，连杆n+1位于关节n+1与n+2之间。
关节坐标系建立，应遵循以下几个原则：
1) 所有关节，都用z 轴表示。如果是旋转关节，z 轴位于按右手规则旋转
的方向。如果是滑动关节，z 轴为眼沿直线运动的方向。表示关节数n+1
的z 轴是n z 。
2) 如果n a 表示1-n z 与n z 之间的公垂线，则n x 的方向将沿n a ，指向n z 方向。 3) n y 轴按照右手坐标系的原则确定。在这里为简化的原因省略了各坐标系的y 轴未画。
关节变量的定义如下： θ——绕z 轴的旋转角。
d ——在z 轴上两条相邻的公垂线之间的距离。 a ——每一条公垂线的长度。
α——两个相邻的z 轴之间的关节扭转角度。
通过以下4个标准步骤将坐标系n x －n z 移动到坐标系1+n x －1+n z ：
1) 绕n z 轴旋转1+n θ，它使得n x 和1+n x 互相平行。
2) 沿n z 轴平移1+n d 距离，使得n x 和1+n x 共线。
3) 沿轴1+n x 平移1+n a 的距离，使得n x 和1+n x 的原点重合。
4) 将n z 轴绕1+n x 轴旋转1+n α，使得n z 轴与1+n z 轴对准。这时坐标n 和n+1完全重合。
通过依次右乘表示四个运动的四个矩阵就可以得到变换矩阵A ，右乘的原因是所有的变换都是相对于运动坐标系（当前坐标系）的。
()()()()
1111110000++++++???==n n n n n n n
x Rot d Trans a Trans z Rot A T αθ（3.5）
由此机械手的基座与手之间的总变换则为：
???
?
???
???????--=????=10
0,321i i i i i i
i i i i
i i i i i i n H R
d C S S a S C C C S C a S S C S C A A A A A T ααθαθαθθθαθαθθ
（3.6） 其中n 为关节数。
3.2 五自由都机械手的机械结构方案设计与计算
3.2.1 方案功能设计与分析
机械手的手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构型如图3.3。
图3.3 几种机器人手臂构型
手腕的构型也是有多种形式。三自由度的手腕通常有以下四种形式：BBR 型、BRR型、RBR型、RRR型。如图3.4所示：
图3.4 四种三自由度手腕构型
B表示弯曲结构，表明组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度有变化。R表示转动结构，表明组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度不变。BBR结构由于采用了两个弯头结构尺寸增加了，而RBR 与前者相比结构紧凑。
由于机械手的运动轨迹都要求机械手端面平行于某一固定工件平面，而且本系的末端执行器为两指式机械抓爪，即最后一旋转关节任意旋转对其姿态都没有影响，这样用两个旋转关节据可以使机械手的姿态满足要求，且机械结构更加简单，减轻了重量。综合考虑后确定该机器人具有五个自由度，其中手臂三个自由度确定机械手的位置，后两个自由度确定手的姿态，最其结构形式如图3.5所示，实物图如图3.6所示：
图
3.5
机
械
手
的
构
型
图3.6 机械手的实物图
综上所述，该五自由度机械手由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。共有五个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰。
该机械手的运动参数为： 基本结构参数：
腰部回转半径：610mm
大臂，小臂长：220mm,220mm
各个关节转动范围：
关节1： 310~0 关节2： 35~130-+ 关节3： 130± 关节4：
570
130±±
3.2.2 对机械手的计算
SCORBOT-ER 4u 机器人机械结构参数，采用D-H 方法建立机器人坐标系，如图5.7所示。
图3.7 SCORBOT-ER 4u 机器人连杆模型
根据机器人坐标系，列出其位姿矩阵01T ，12T ，23T ，34T ，45T ，56T 。 01T ＝()()120194θz Rot z Trans 12T ＝()()
()222290174θz Rot x Rot x Trans -
23T ＝()()333220θz Rot x Trans （3.7） 34T ＝()()
()44
439090θz Rot x Rot z Trans --
45T ＝()(
)
()555
4
90220θz Rot x Rot z Trans 56T ＝()()
()66
6
590100θz Rot x Rot y Trans -
计算得到各位姿矩阵结果如下：
??????????????-=10001941000000
11
110
1C S S C T ???
?
??????????--=1000000100174
022
22
1
2C S S C T ??????????????-=1000010000220033
3323C S S C T ????
??????????---=10000000010044
443
4C S S C T （3.8）
?????????????
?--=100
2200010000
555545C S S C T ???
?
??????????---=100
00010010000
66
665
6
C S S C T 采用解析法计算相应的运动学正逆解。 其中，()x x S θsin =，()x x C θcos =，()32
23sin θθ+=S ，()32
23cos θθ+=C ，
1941=D ,1742=A ,2203=A ,2204=D ,1005=D
运动学正解：根据1θ，2θ，3θ，4θ，5θ，6θ，求解：
56453423120106T T T T T T T ?????=。
???
?
???
???????=10
6z z z z y y y y
x x x x p a o n p a o n p a o n T （3.9） ()()64235
62323
6541644651S S S S C C S C C C C S C S C C S n x -+++= ()()642314
151234
51231546S S S S C C S S C S C C S S C C C n y +
-+-=
()64654235236S S C C C C S S C n z -+-=
()()[]6152323
544154231146S C S C S C C S S C S S C S C C o x ++
--=
()()[]652323
54423616456
41S S C S C C S S C S S S C C C C o y ++
-+-=
()65446236523S C C S C C S S S o z +-= (3.10) ()54123415231S S S S C C C C C a x +-= ()54123
141523S S C S S C S C C a y +-+=
5423235S C C S C a z --= ()[]()54123415235543221S S S S C C D C D C D A C A C p x +-++
+= ()[]()54123
14523554
3
22
S S C S S C D C D C D A C A p y --++
+=
()5542323554231S D C C S D C D S A D p z -+--=
运动学逆解：已知06T ，运用解析法根据01T ，12T ，23T ，34T ，45T ，56T 逆求解
1θ，2θ，3θ，5θ，6θ。 求解1θ： 564534231
216061
1T T T T T T T T ????==?-
即： 1
6111
1110
100
01000000
T p a o n p a o n p a o n D C S S C z z z z y y y y x x x x
=???
????
??????
?????????????
???-- (3.11) 化简后有： ???=+-=+-545115
411S S D p C p S S S a C a S y x y x
()y x y x
p C p S D a C a S 11511+-=+-?
()()(
)x x
y y a D p a D p 551/
a r c t a n -
-
=?θ （3.12）
求解3θ：
56453436061
3T T T T T T ??==?-
3
61123223133231
231232322313231231
2310
10
00T p a o n p a o n p a o n C S S A C D S A C S S C S C A S D A S S C C C z z z z
y y y y x x x x
=???
????
??????
???????????????
?-++----+--（3.13）
化简后得到：
21115151A p S p C a S D a C D y x y x +--+=κ 152D a D p z z --=κ
2
42322213D A --+=κκκ
(3.14)
()()3334
33arccos 2/C A D C ±=??
?=θκ (3.15)
求解2θ：
1
6111
11
10
0100
1000000
T p a o n p a o n p a o n D C S S C z z z z y y y y x x x x
=???
????
??????
?????????????
???-- （3.16）
化简后令34334,S D b A C D a =--= 得到：()()21
21
2/tan κκκκ??-??+?=b a a b
()()21212/arctan κκκκθ?-??+?=b a a b （3.17）
求解5θ：
4
610410
T p a o n p a o n p a o n T z z z z y y y y
x x x x =???
????
????????- （3.18） 对上式化简后有：()[]
?
??-+=-+++-=23112354
1123112345)()(S a S a C a C C S S a C a S S a C a C a C S x y x x y y x z
得到 ()555,2a r c t a
n C S =θ （3.19）
求解6θ：
5
610510
T p a o n p a o n p a o n T z z z z y y y y
x x x x
=???
????
????
???- （3.20）
对上式化简后有：
()()[
]
()[]
()()[
]
()[]
????
???
??+++-+-++=+++-+-++=-;
;5
1154235234112311456
51154235234
112311456S S n C n C C n C S S n S S n C n S S n C n C C C S S o C o C C o C S S o S S o C o S S o C o C C S y x z z x y y x y x z z x y y x 得到
()666,2arctan C S =θ (3.21)
上面求解的1θ，2θ，3θ，5θ，6θ在其角度允许范围，与实际角度可能存在着κπ± )(Z ∈κ的偏差，在程序中视实际情况取舍；而3θ在ππ+-~范围内存在着两个可行解()3cos C a ±，其取舍需要根据实际的工作空间环境来定。
本科毕业设计(论文) 题目：多自由度机械手设计 系别：机电信息系 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 学生： 学号： 指导教师： 2013年4月
本科毕业设计(论文) 题目：多自由度机械手设计 系别：机电信息系 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 学生： 学号： 指导教师： 2013年4月
多自由度机械手设计 摘要 随着现代科学技术的发展，机器人技术越来越受到广泛关注，在工业生产日益现代化的今天，机器人的使用变得越来越普及。因此，对于机器人技术的研究也变得越来越迫切，尤其是工业机器人方面。本论文作者针对这一领域，设计了一款液压机械机械手，该机器人拥有五个自由度。首先，作者针对该机器人的设计要求，对结构设计选择了一个最优方案，对关键零件设计并进行校核。 本课题是一个机械、液压紧密的实用性项目，文中对机械手机械结构的设计、液压系统的设计。最后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。 关键词：机械手；液压系统；五个自由度
Many degrees of freedom manipulator design Abstract With the development of modern science and technology, the robot technology has been paid more and more attention, in an increasingly modernized industrial production, the use of robots is becoming more and more popular. Therefore, the research of robot technology becomes more and more urgent, especially industrial robots. The author of this thesis in this field, design of a hydraulic mechanical manipulator, the robot has five degrees of freedom. First of all, the author according to the requirement of the design of this robot, an optimal scheme of the structure design of the selection, the design of key parts and checked. This topic is a mechanical, hydraulic close practical project, design of mechanical design, mechanical structure of the hydraulic system of the mobile phone in. Finally, summarized the full text, points out the improvement measures, manipulator application prospect and development direction. Keywords: manipulator; hydraulic system; five degrees of freedom
设计说明书 课题：凸轮轴加工自动线机械手 班级：数控69902 设计：沈晓春 审核： 二00五年九月
目录 一、目录 (2) 二、前言 (3) （一）机械手的用途说明 (3) （二）设计机械手的目的、意义 (3) （三）设计指导思想应达到的技术性能要求 (4) 三、设计方案论证 (5) （一）机械手的原始依据 (5) （二）机械手的运动方案论证 (6) 四、机械手各组成部件设计计算 (8) （一）抓取机械设计 (8) （二）手腕机构 (12) （三）手臂设计 (14) （四）缓冲装置设计 (22) （五）定位机构设计…………………………………………………………………………………
25 （六）机械手驱动系统设计 (25) 五、机械手控制系统设计 (25) 六、设计总结 (26) 七、参考文献 (27) 二、前言 （一）机械手的用途说明 机械手是模仿人手工作的机械设备。实验用机械手的设计，是指机械手臂在一定范围内的摆动，手臂的垂直方向的上下移动及手爪的伸缩运动组成。由启动系统实现各运动的驱动。它的主要作用是将工件按预定的程序自动地搬运到需要的位置，或者保持工具进行工作。机械手是利用PLC控制整个系统实现各种运动的自动化控制，且能用于教学演示。 （二）机械手的目的、意义 机械手是模仿人手的动作，生产中应用机械手可以提高自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度，保证产品质量，实现安全生产，尤其在恶劣的劳动条件下，它代替人作业的意义更加重大。因此，在机械加工中得到越来越广泛的应用。
目的是，我们对机械手的设计步骤有一定的平衡了解；也能基本掌握机械设计的方法；综合运用学过的理论知识；全面复习绘图技巧，并较好的运用于毕业设计绘图上。通过这次设计，使我了解到，自动控制的对象主要是单机或某个生产过程，智能控制则包括控制对象及整个工作环境或整个生产过程；自动控制的目标是使在系统控制的某个状态下，尽量消除环境对系统的影响，智能控制关心的使最终状态或现行状态是否合乎要求。因此，要充分考虑环境的影响；自动控制的学习来源重要是对象的状态的反馈，所以智能控制需要一个庞大的数据库；自动控制理论着重描述对象的数学模型，然后，通过各种控制算法进行控制，以达到目的，智能控制着重直接控制经验。（三）设计的指导思想，应达到的技术性能要求 结构简单：设计为三自由度的机械手臂，运动形式简单，可以把手臂设计成为沿导向装置运动，直接选用标准规格的液压缸和内胀式机械手爪，无须另行设计。 外观不要有手臂堵塞外形：设计尽量要求安装方便，各非标准件加工方便。因此，不必设计成套形式，管道也不必安排在手臂内部，可以采用软管直接连接。 本次设计的手臂不要光用于工业生产，因此，对各部件的加工精度及安装要求不高，可以在通用机床上加工完成。
机械设计课程设计说明书 六自由度机械手 TOPWORK 上海交通大学机械与动力工程学院专业机械工程与自动化 设计者： 李晶(5030209252) 李然(5030209316) 潘楷 (5030209345) 彭敏勤 (5030209347) 童幸 (5030209349) 指导老师：高雪官 2006616
、八— 刖言 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业 的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自 动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、 华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越 来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交 货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另 外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定， 而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手 提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将 被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机 械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
目录 一.设计要求和功能分析 4 - ?- ■基座旋转机构轴的设计及强度校核 5 三.液压泵俯仰机构零件设计和强度校核 8 四.左右摇摆机构零件设计和强度校核 11五.连腕部俯仰机构零件设计和强度校核 14六.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核 19七.机构各自由度的连接过程 25八.设计特色 28九.心得体会 28十.参考文献30 一. 任务分工31 十二.附录（零件及装配图）31
全套设计通过答辩优秀CAD图纸QQ 36396305 XX学院 毕业设计说明书(论文) 作者: 学号： 学院(系): 专业: 题目: 重载搬运机器人本体结构设计【六自由 度机械手】 2015 年5月
全套设计通过答辩优秀CAD图纸QQ 36396305 毕业设计说明书（论文）中文摘要 机械手是一种典型的机电一体化产品，搬运机械手是机械手研究领域的热点。研究搬运机械手需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。 本文对一种使用在搬运机械手的结构进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。要求对机械手模型进行力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。 关键词：结构设计，机器臂，关节型机械手，结构分析
毕业设计说明书（论文）外文摘要
目录 1 绪论 (1) 1.1 引言 (2) 1.2 搬运机械手研究概况 (3) 1.2.1 国外研究现状 (3) 1.2.2 国内研究现状 (4) 1.4 搬运机械手的总体结构 (5) 1.5 主要内容 (5) 2 总体方案设计 (6) 2.1 机械手工程概述 (6) 2.2 工业机械手总体设计方案论述 (7) 2.3 机械手机械传动原理 (8) 2.4 机械手总体方案设计 (8) 2.5 本章小结 (10) 3 机械手大臂结构设计 (1) 3.1 大臂部结构设计的基本要求 (1) 3.2 大臂部结构设计 (2) 3.3 大臂电机及减速器选型 (2) 3.4 减速器参数的计算 (3) 3.5承载能力的计算 (7) 3.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算 (7) 3.5.2 柔轮疲劳强度的计算 (7) 3.6 轴的计算校核 (8) 3.7 大臂的平衡设计 (11) 3.7.1 弹簧的受力分析 (11) 3.7.2 弹簧的设计计算 (14) 4机械手小臂结构设计 (18) 4.1 腕部设计 (18) 4.2 小臂部结构设计 (31)
湖北理工学院毕业设计（论文） “慧鱼模型”三自由度机械手 设 计 小 册 学院：机电工程学院 班级：机械设计与制造 指导老师： 姓名：学号：201030120130 湖北理工学院毕业设计（论文） 一、概述 ............................................................ 1 1.1机电一体化技术 ................................................... 1 1.1.1机电一体化技术的定义和内容 (1) 1.1.2机电一体化系统组成 (1) 1.2. 慧鱼机器人 ..................................................... 2 1.2.1慧鱼创意教学组合模型简介 (2) 二、机器人的组成 .....................................................
2.1组成构件 ......................................................... 3 2.2慧鱼机器人分析 ................................................... 6 2.2.1机器人机构组成 (6) 2.2.2主要成分构成及功能 (7) 2.3. 机器人的工作空间形式 ............................................ 9 2.4机器人的机械运动形态和变换控制 .................................. 11 2.5机器人的位移、速度、方向的控制方法 (13) 湖北理工学院毕业设计（论文） 一、概述 1.1机电一体化技术 1.1.1机电一体化技术的定义和内容 机电一体化技术综合应用了机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术,接口技术及系统总体技术等群体技术,从系统的观点出发,根据系统功能目标和优化组织结构目标,以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础,对各组成要素及相互之间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下,形成物质和能量的有规则 运动,在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。 1.1.2机电一体化系统组成 1.机械本体机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。 2.检测传感部分检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。 3.电子控制单元电子控制单元是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地进行。 4.执行器执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。 5.动力源动力源是机电一体化产品能量供应部分，是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压
前言 1.1 课题背景及意义 机械手通过运动控制芯片、单片机、可控制编程器等来控制电机、气缸、液压缸的运动，从而模仿人手和臂的某些动作，按固定程序实现物体的抓取。它可代替人的劳动，也可以在有害环境下保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、电子、原子能等部门。目前机械手主要用于以下几个方面。 (1).恶劣的工作环境和危险的工作 在核工业中，核产品具有较强的放射性，为了人员的安全，需要机械手来完成相关的清理工作。 (2).自动化生产领域 主要用于生产上实现自动化。如当机械手末端夹持焊枪时，可以对汽车或摩托车的车体进行点焊或弧焊作业。 (3).在特殊作业场合进行极限作业 在一些高危领域经常要用到机器人去探索。目前研制出了螃蟹机器人，用于水下勘测、海洋搜寻及石油天然气的勘测。 (4).农业生产 目前研制出了太阳能农用机器人，他可以找到隐藏在农作物中的杂草，通过机械手隔断杂草，同时还可以利用机械手喷洒除草剂。 (5).军事应用 在军事应用中，军人执勤经常会遇到危险，这就需要机器人帮助完成执勤任务，当今世界机器人竞争很激烈，要在这个激烈的国际竞争中立于不败之地,就需要有我国自己的机器人产业，未来世界高科技的竞争更重要的则是人才的竞争。因此,从现在开始就应该注意培养后备力量。机械手是机器人产业的典型代表,因此可以用来作为教学应用的示例。 机械手为典型的机电产品，包含了驱动元件，控制元件，信息处理元件，执行机构，传动机构，机械本体等组成元素，并且具有控制能力强，改变控制程序灵活方便、可靠性高等特点，为学生提供了良好的学习工具。它将现代工业与教学联系在了一起，通过控制—执行这整个的过程使学生对所学的知识有一个更好的认识，从而激发学生的学习兴趣。随着当今计算机技术的飞速发展，它已突破纯开关量控制的局限，进入模拟量控制等领域。通过该机械手的教学开拓了学生专业视野，为他们迎接就业和深造的挑战打下坚实的基础。
具有五个自由度的机械手设计 摘要 随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计计算过程。 首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体座标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。机械手采用液压传动，使传动系统简单可靠；选用可编程控制器对机械手的动作进行控制，使控制程序简单，系统维护方便。设计过程中，对机械手和液压缸部分做了详细的设计计算。同时，对机械手的通用性主要是采用可更换式手部结构来实现，通过更换手部，可使机械手抓取外圆零件和内圆零件，从而实现了系统的多功能化。机械手总体结构能够实现手臂的水平伸缩、垂直升降、旋转和抓取等功能，这些动作都是可编程控制器控制，用液压缸驱动机械手来完成的。 文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。 最后使用软件对机械手PLC控制仿真。 关键词：机械手；液压传动；液压缸；PLC仿真；
Abstract The applying of the manipulators are more and more important in the industry, with the development of industrial automation. The paper mainly narrated the design and calculation of light and transfer manipulator. The first，The paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator. Manipulator use system can be simple and reliable. The manipulator and in this paper. The movements of mechanical be convenient. And the universal ability of manipulator is based on the interchangeability of the grasp cylindrical parts and inner parts through the replacement of and captures the semifinished materials. All those movements are controlled by programmable controller and realized by industry manipulator's design theory and method. The comprehensive exhaustive discussion ,which the major structural design computation. Finally uses the software to carry out the PLC control simulation for manipulator's ； Hydraulic cylinder；Programmable logic Controller simulation;
第一章引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 1.1 机械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
四自由度搬运机械手的设计毕业论文 1引言 1.1机械手研究的背景及其意义 机械手是当今世界的科技革命发展飞速变革的必然产物，它的出现标志着现今的工业、制造业水平发展到了前所未有高水平阶段。最初出现的机械手只是应用在航空航天和海洋勘探等高端科技领域，随着近几十年来计算机在科技领域全面应用，科技革命的变革也加速了科学技术的蓬勃发展。在此背景下机械手技术也在飞速发展，并且在其应用领域也不断地深入、飞速地拓宽，特别是近些年来机械手在现代制造业领域更是得到了非常广泛的应用。由于机械手是通过预先编写好的程序来控制其动作次序和轨迹，所以机械手可以代替人力去完成那些单调的、重复的、特别是对于人类来说毫无意义的工作，除此之外机械手还能够在恶劣的环境中完成那些人类不想完成的或不能完成的工作，特别是在一些危险的工作环境或者是对精度要求较高的工作条件之下，机械手相比较人力有得天独厚的优势——机械手在某些邻域能够完全替代人力，将人类从脏、乱、差的工作环境中解放出来，这是人类社会几千年来的又一次变革和人类生活方式的又一次蜕变。特别是近几十年来工业、制造业领域在机械手的广泛应用下发生了伟大的变革，在此背景下整个社会的生产力水平、产品生产质量和生产效率大大提高，与此同时在工业生产中现代工人的劳动强度也大大降低。 机械手技术虽然发展迅猛，但现在市场上的机械手大多还处在高端应用领域，价格也相对昂贵，不能满足低成本、低层次应用领域的需求。所以本课题希望设计出一种成本低、应用层次相对较低的机械手，填补这一领域市场的空白，这对
于工业、制造业领域以及人类社会的发展都具有及其重要的意义和价值。在机械手技术领域中，机械手在模型设计上，四自由度机械手是机械手产品中的典型设计模型，在技术上，四自由度机械手技术门槛相对较低——四自由度便于设计和实现，在应用层面上，四自由度机械手对于一般的重复性工作条件完全满足，在成本上，四自由度机械手在满足一些复杂动作的工作条件下便于实现低成本，也就说其性价比相对较高，所以本论文以《四自由度搬运机械手》为课题进行研究旨在设计出一个比较实用的、成本低的、具有一定的实际应用价值的机械手。1.2机械手的研究现状和发展前景 机械手是现代工业革命变革、现代工业水平高度提高催生的一种新技术产品，从较高应用层次来说，机械手是集机械设计、计算机程序控制等多领域知识和多种设计方法于一身的一种新型自动化装备，特别是近年来互联网、大数据的出现和应运机械手已开始从自动化向智能化领域迈进。机械手虽然在近几十年来才出现，其发展历史并不算太长，机械手最早起源于美国，接着又在德国、日本等工业发达国得到了飞速发展，然而我国近十年来虽然工业发展迅猛，可机械手在工业领域的应用才刚刚起步，机械手设计的技术水平同国外仍有很大差距，特别实是在机械手的高端应用领域，主要体现在机械手的可靠性和精度指标上面。 近年来机械手在工业、制造业领域的应用突飞猛进，这对于工业文明的进步产生了“雪崩式效应”，越来越多的无人化工厂随着机械手的发展如春笋般涌现。随着进入21世纪以来，互联网技术飞速发展，工业、制造业领域正发生着一场伟大的变革，从美国的“工业互联网”到德国的“工业 4.0”，再到“中国制造2025”，世界工厂已经开始由“无人化工厂”向“智能化工厂”转变，在此历
基于PLC的三自由度机械手控制系统设计与实现 摘要：为了提高机械手在工业生产中定位的精度，介绍一种基于PL C的三自由度机械手控制系统的设计方案。方案中提出了步进电机在机械手定位应用中的一种新思路详细论述三自由度机械手控制系统的硬件结构及软件实现方法并建立MCGS组态环境界面对系统 的运行进行监控。测试结果表明该系统运行稳定，定位精确，具有较高的应用价值。 关键词: PL C 三自由度机械手步进电机MC GS 组态环境 0 引言 机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。三自由度机械手又称3D机械人，能够实现三个自由度方向(水平、垂直和旋转)的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广泛的特点。 可编程控制器(PLC)是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。由于其具有可靠性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。在非超载情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。 机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。本文设计的三自由度机械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动式机械手的优点，既节省了行程开关和PLC的I／O端口，又达到了简便操作和精确定位的目的。 1 三自由度机械手的系统结构与运动方式 三自由度机械手为圆柱坐标型。图1为机械手结构示意图，机械手手臂的左右运动(水平方向)由伸缩步进电机控制，上下运动(垂直方向)由升降步进电机控制，逆时针和顺时针旋
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 Abstract With 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
六自由度转动关节工业机器人调查报告 一 ,定义 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。 戴沃尔提出的工业机器人有以下特点:将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构联接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作，示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。
1962年美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形主要由类似人的手和臂组成。后来，出现了具有视觉传感器的、能识别与定位的工业机器人系统。 当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。目前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位。 具体的特点如下： （1）技术先进工业机器人集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，实现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业自动化水平的最高体现。 （2）技术升级工业机器人与自动化成套装备具备精细制造、精细加工以及柔性生产等技术特点，是继动力机械、计算机之后，出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能化的重要手段。 （3）应用领域广泛工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版
课程设计说明书 设计名称：综合课程设计 题目：机械模型的远程控制 ——四自由度机械手 学生： 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 学号： 指导教师： 日期：2013年12月25 日
目录 一．课程设计的主要容和任务分析 (1) 二．机构模型的的原理图及工作原理 (1) 2.1 总体工作流程 (2) 2.2 前后运动部分 (2) 2.3 左右转动部分 (3) 2.4 上下运动部分 (5) 2.5 机械手转动部分 (5) 2.6 机械手开闭合部分 (5) 三．远程控制系统的工作原理 (5) 四．慧鱼接口板的处理器操作模式的选择以及计算机与接口板的通讯 (6) 4.1 慧鱼接口板概述 (6) 4.2 微处理器的两种处理模式 (6) 4.3 计算机与接口板通讯 (7)
五．客户端程序中主要功能模块的设计过程 (8) 六．结论及心得体会 (13) 七．参考文献 (13) 一．主要容和任务分析 利用德国慧鱼公司的“智能创意教具”模型设计、装配出较有创意的机构或机械设备模型，模型完成之后应用VB开始编程以及对程序的调试最终能完成对模型的远程控制。 认真复习机械原理、机械设计、自动生产线、VB的基本知识以及学习新的知识（主要为mscomm、winsock、timer三种控件的使用）等。在实验室熟悉慧鱼模型的元件及其撘建方法，参考现有的模型基础，然后设计出有创意的机械模型。 二、机构模型的的原理图及工作原理
2.1 总体工作流程 作品拟实现的主要功能有以下五个运动：①前后运动；②左右转动； ③上下运动；④手爪顺逆时针转动；⑤手爪的开闭合。全景图如下： 2.2 前后运动部分 如图1所示，其工作过程为：向前运动时，电动机1正转，通过减速箱2减速，再通过齿轮链条3的传动将动力传到蜗杆4。此时限位开关5常开开关打开，蜗杆4旋转将底盘7向前运动，底盘到达最前端，此时，限位开关6常开关开闭合，向前运动完成，电动机1停止。向后远动时，电动机1反转，回程至限位开关4闭合时，电动机1停止。
四自由度机械手 本科毕业设计说明书(论文) 摘要 在中国工业韧带发展中，很多高生产率高精度的机械加工设备从国外引进，比如数控车床和铣床等，还有把几种机床的功能集中在一起的加工中心等。总之这类CNC机床大大的提高了工作速度，产品的加工精度，降低了工作的劳动强度，所以大受欢迎。但是这类设备引进费用也是相当的昂贵，所以国内很多企业的技术人员在原先的旧机床上进行改进，来达到提高生产率和降低工人的劳动强度，实现工业自动化，这类改进同样也大受欢迎。 本文所设计的机械手主要用于搬运工件，工件总重不大于10Kg，长150cm，宽150cm，高150cm的立方体。为了增加本机械手的通用性，在结构尽可能紧凑的情况下，最大限度的是机械手具有较大的抓取范围。 本文主要介绍了搬运机械手的概念、组成和分类，接受的自由度和坐标形式、运动及国内外的发展状况。对于搬运接受进行总体方案设计，首先机械手的驱动装置为液压缸，然后确定了机械手的坐标像是为圆柱坐标型，自由度数为4，接着确定了机械手的驱动装置为液压缸，然后确定了机械手的主要技术参数。同时，设计了机械手的手部结构形式为气缸杠杆式手爪、臂部结构形式采用液压缸导向连接的双横臂结构，底座采用电机带动竖臂的旋转。机身结构形式为升降缸用液压缸的结构形式，计算出夹紧工件所需的驱动力、手爪转动时所需的驱动力矩、手臂的伸缩所需的驱动力手臂的俯仰所需的驱动力、手臂的升降所需的驱动力，和手臂回转所需的驱动力矩。继而设计了装箱机械手的各部分液压缸的尺寸和结构及各部分之间连接与支承部件的结构与尺寸。 关键词:搬运机械手; 液压驱动;液压缸;自动化
I 本科毕业设计说明书(论文) Abstract In China industrial ligament development, a lot of high productivity high precision machining equipments imported from abroad, such as CNC lathes and milling machines, and have several function of machine together in processing center, etc.. In this kind of CNC machine greatly improves the speed of work, product processing precision, reduces the labor intensity of work, so popular. But this kind of equipment is also very expensive, so many domestic enterprises technical personnel in the original old machine is improved, to improve productivity and reduce labor intensity of workers, industrial automation, this kind of improvement is also very popular. The manipulator is designed in this paper is mainly used for handling the workpiece, the workpiece weight is less than 10Kg, length 150cm, width 150cm, high 150cm cube. In order to increase the versatility of manipulator in structure, as far as possible compact case, maximum limit is the manipulator has a large capture range. This paper mainly introduces the concept, composition and classification of the manipulator, freedom and coordinates, movement and development at home and abroad to accept. For the handling of acceptance for the overall program design, first drive manipulator for hydraulic cylinder, and then determine the coordinate manipulator like cylindrical coordinate, the number of degrees of freedom is 4, then the drive
单片机六自由度机械手控制程序 #include
void init(void); void EXT1_INT(void) { EX1=1; IT1=1; EA=1; } void EXT0_INT() { EX0=1; IT0=1; EA=1; } void EXT1_INT_SRV() interrupt 2 { i++; } //主程序 void main() { while(1) {if(k1==0) {reservo();//电机复位程序break;} } EXT1_INT();//中断初始化 if(i!=0&&i%6==0)