圆柱坐标型三自由度机械手设计及其控制

三自由度圆柱坐标型工业机器人设计引言工业机器人在现代制造业中起着至关重要的作用。

圆柱坐标型工业机器人是一种具有三个自由度的机器人，它可以在三维空间内进行精确的定位和操作。

本文将着重讨论三自由度圆柱坐标型工业机器人的设计原理和关键技术。

一、设计原理三自由度圆柱坐标型工业机器人的设计原理基于坐标变换。

它由一个立柱状的垂直轴和一个平行于地面的基座组成。

机器人的主要部件包括立柱、支撑臂、关节和末端执行器。

机器人的立柱可以在垂直方向上运动，提供Z轴位移。

支撑臂位于立柱的顶部，可以绕水平方向的Y轴旋转，提供Y轴位移。

末端执行器连接在支撑臂的末端，可以绕垂直方向的Z轴旋转，提供X轴位移。

二、关键技术1.位置传感器：为了实现精确的定位和操作，对机器人的运动进行准确的测量是必不可少的。

位置传感器可以用来测量机器人各个关节的角度以及末端执行器的位置信息。

2.逆运动学：逆运动学是指通过末端执行器的位置和姿态计算出机器人各个关节的角度。

通过逆运动学算法，可以实现机器人在三维空间内的精确定位。

3.控制系统：控制系统是三自由度圆柱坐标型工业机器人的核心。

它接收来自传感器的反馈信息，计算机器人的位姿，并输出相应的指令控制机器人的运动。

控制系统需要具备实时性和稳定性，以确保机器人的运动精度和安全性。

4.动力学分析：动力学分析可以帮助我们理解机器人在运动过程中的力学特性。

通过动力学分析，可以确定机器人在给定任务下所需的扭矩和力，并进行相应的力矩配平和选型。

三、设计步骤1.确定任务需求：在开始机器人设计之前，首先需要明确机器人所要完成的任务和工作环境。

2.选择结构参数：根据任务需求和工作环境，选择机器人的结构参数，包括立柱高度、支撑臂长度和末端执行器负载能力等。

3.逆运动学分析：根据机器人的结构参数和任务需求，进行逆运动学分析，得到机器人各个关节的角度和末端执行器的位姿。

4.控制系统设计：设计机器人的控制系统，选择合适的控制算法和硬件设备，实现机器人的运动控制和姿态调整。

圆柱坐标式机械手
圆柱坐标式机械手是一种基于圆柱坐标系设计的机械手臂，常用于工业生产线
中进行物料搬运、组装等任务。

其设计基于数学中的圆柱坐标系，通过旋转、伸缩等运动实现对工件的精准定位和操作。

结构组成
圆柱坐标式机械手通常由底座、转台、臂架、活动臂、末端执行器等部分组成。

底座固定在地面上，转台可实现水平旋转，臂架通过联轴器与转台相连，活动臂则连接在臂架上，末端执行器负责抓取、放置工件。

工作原理
圆柱坐标式机械手通过控制各关节的运动，实现对工件在水平平面内的定位及
动作。

通过联动转台和臂架，机械手可以在圆柱坐标系内实现三个自由度的运动。

同时，活动臂末端的执行器可根据需要旋转、张合，完成对工件的精确处理。

应用领域
圆柱坐标式机械手适用于需要大范围工作空间及较高精度要求的场景，如汽车
装配线、电子产品制造等。

因其结构简单、操作方便，广泛应用于自动化生产线中，提高了生产效率及产品质量。

发展趋势
随着工业自动化程度的不断提高，圆柱坐标式机械手在工业生产中的应用前景
广阔。

未来，随着技术的不断创新和升级，圆柱坐标式机械手将在精度、速度、功能等方面有所突破，更好地满足各行业的生产需求。

圆柱坐标式机械手的出现，为工业生产带来了更便捷、高效的解决方案，促进
了工业自动化技术的发展。

其优势在于灵活性强、操作简便、可靠性高，将在未来的工业生产中发挥越来越重要的作用。

机械手-三自由度圆柱坐标型工业机器人目录 (1)中文摘要 (2)Abstract (2)第1章绪论......‥ (3)第2章工业机器人的总体设计 (3)2.1工业机器人的组成及各部分关系概述 (3)2.2工业机器人的设计分析 (4)2.2.1设计要求 (5)2.2.2总体方案拟定 (5)2.2.3工业机器人的主要技术参数 (5)第3章工业机器人的机械系统设计 (6)3.1工业机器人的运动系统分析 (6)3.1.1机器人的运动概述 (6)3.1.2机器人的运动过程分析 (7)3.2工业机器人的执行机构设计 (8)3.2.1末端执行机构设计 (8)3.2.2手臂机构设计 (11)3.2.3腰部和基座设计 (12)3.3工业机器人的机械传动装置设计‥ (18)3.3.1滚珠丝杠的选择 (18)3.3.2谐波齿轮的选择 (19)3.3.3联轴器的选择 (20)第4章工业机器人的计算机控制系统概述 (20)4.1工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求‥ (21)4.2计算机控制系统的设计方案 (22)4.3硬件电路的组成 (22)第5章工业机器人运行时应采取的安全措施 (22)5.1安全要求 (22)5.2实施方法 (23)鸣谢 (23)参考文献 (24)中文摘要在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。

而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。

本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。

在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。

关键词：三自由度，圆柱坐标，工业机器人AbstractIndustrially,automaticcontrolsystemsarefoundinnumerousapplications,suchasautomationmach inetoolcontrol,computersystemsandrobotics.Industrialrobotsarerelativelynewelectromechanicaldev icesthatarebeginningtochangetheappearanceofmodernindustry.Thisschemeintroducedacylindricalr obotforthreedegreeoffreedom.Itiscomposedoftwolinearaxesandonerotaryaxiscurrentcontrolonlyall owsthesedevicesmovefromoneassemblylinetootherassemblylineinspace,performrelativelysimpleta skes.Thispaperismorecomprehensiveintroductionandsumming-upfortheforthewholedesignwork. Keywords：threedegreesoffreedom,cylindrical,Industrialrobot三自由度圆柱坐标型工业机器人设计第一章绪论机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。

3自由度的机械手控制器设计原理3自由度的机械手是指可以在三个方向上移动的机械手，通常是由三个关节组成的。

这样的机械手可以进行基本的平移和旋转运动，可以用于各种应用场景，如工业生产、医疗手术和科研实验等。

为了实现对3自由度机械手的精确控制，需要设计一个有效的控制器来实现对机械手的精准运动控制。

3自由度机械手的控制器设计原理主要包括以下几个方面：1.传感器系统设计：传感器系统是机械手控制器的基础，通过传感器系统可以获取机械手的位置、速度和力信息。

在设计3自由度机械手的控制器时，需要选择合适的传感器来获取机械手各个关节的位置信息，以实现对机械手的闭环控制。

常用的传感器包括编码器、惯性传感器和力传感器等。

2.运动控制算法设计：运动控制算法是机械手控制器的核心部分，通过运动控制算法可以实现对机械手的轨迹规划和动态控制。

在设计3自由度机械手的控制器时，通常采用PID控制算法或者模型预测控制算法来实现对机械手的动态控制。

PID控制算法通过调节比例、积分和微分参数来实现对机械手位置和速度的精确控制，而模型预测控制算法则通过对机械手的动态模型进行建模，并利用预测控制器来预测未来的行为，并实现对机械手的精确控制。

3.人机交互界面设计：为了方便用户对机械手进行操作和监控，需要设计一个友好的人机交互界面。

在设计3自由度机械手的控制器时，可以采用图形界面或者虚拟现实界面来实现对机械手的控制和监控。

通过人机交互界面，用户可以实时监控机械手的状态，并进行控制参数的设定和调整，以实现对机械手的精确控制。

总的来说，设计一个有效的3自由度机械手控制器需要综合考虑传感器系统设计、运动控制算法设计和人机交互界面设计等方面，通过合理的设计和实现，可以实现对机械手的精确控制，并满足不同应用场景的需求。

通过不断优化和改进，可以实现对机械手的更精准和高效的控制，为各种应用场景提供更好的解决方案。

圆柱坐标式机械手设计概述圆柱坐标式机械手是一种广泛应用于工业生产线的机械设备，它可以在三维空间内进行各种运动控制，并完成各种任务，如搬运、装卸、加工等。

本文将对圆柱坐标式机械手的设计概述进行分析和讨论。

一、圆柱坐标系介绍圆柱坐标系是一种三维空间坐标系，其重要特点是使用极坐标系描述位置，即使用径向位置、角度和高度三个坐标描述三维空间内的任意一点。

在工业生产过程中，往往需要机械手能够在三维空间内进行移动、夹取等操作，因此圆柱坐标系的运动学性能就显得尤为重要。

二、圆柱坐标式机械手的结构设计圆柱坐标式机械手一般由底座、支臂、旋转关节、手臂、手腕和末端执行器等部分组成。

其中，底座是支架的基础结构，在整个机械手的运动过程中起到了稳定支撑的作用；支臂是机械手上升了一定高度后的支撑结构，通过旋转关节的转动实现机械手的转动操作；手臂是机械手的伸缩结构，它与旋转关节之间通过伸缩体连接，可以实现手臂的伸缩操作；手腕是机械手的转动结构，可以使整个手臂和末端执行器以各种不同的角度进行转动；末端执行器是机械手的活动手指，可以进行抓取、松开、旋转等操作。

三、圆柱坐标式机械手的动力学设计圆柱坐标式机械手在运动控制中需要考虑其负载能力和加速度等因素，这就需要进行动力学设计和分析。

主要考虑的参数包括机械手的载重能力、速度限制、加速度、惯性、运动惯量等。

这些参数的合理设定才能保证机械手在使用过程中的安全性和稳定性，从而达到高效地完成工作的目标。

四、圆柱坐标式机械手的控制系统设计圆柱坐标式机械手的控制系统设计包括硬件和软件两个方面。

硬件部分主要包括电机、传感器、执行器等元器件，这些元器件需要在系统之间进行良好的连接和配合，以实现机械手的各项运动和动作。

软件部分主要包括核心的程序控制器、编程、监控和数据处理等方面的设计，是整个控制系统的核心和基础，决定了机械手的操作精度和稳定性。

五、圆柱坐标式机械手的应用领域圆柱坐标式机械手的应用范围非常广泛，它可以应用于制造业、物流、医疗、农业等领域。

圆柱坐标式机械手结构设计引言圆柱坐标式机械手广泛应用于工业自动化领域，具有较高的灵活性和精度。

本文将对圆柱坐标式机械手的结构设计进行详细分析与探讨。

结构设计方案圆柱坐标式机械手的结构设计包括机械结构和控制系统两个方面。

机械结构设计1. 基座：机械手的基座是安装机械手关节的支撑结构，通常采用坚固的钢板焊接而成，以确保机械手在工作中的稳定性和刚性。

2. 旋转关节：旋转关节是机械手的第一关节，它负责控制机械手在水平面内的旋转运动。

通常采用电机驱动的齿轮传动机构实现旋转运动，并通过编码器测量旋转角度，以提供反馈控制。

3. 升降臂：升降臂是机械手的第二关节，它负责控制机械手的垂直运动。

升降臂通常由伸缩式气缸或电动升降装置实现，通过伸缩运动来控制机械手的升降。

4. 伸缩臂：伸缩臂是机械手的第三关节，它负责控制机械手在水平方向的伸缩运动。

伸缩臂通常采用液压缸或气缸驱动，通过伸缩运动来控制机械手的伸缩距离。

5. 夹爪：夹爪是机械手的末端执行器，用于抓取和放置工件。

夹爪通常采用气动或电动夹持机构，以实现对工件的抓取和释放操作。

控制系统设计1. 运动控制：机械手的运动控制系统通常由计算机或嵌入式控制器控制。

控制系统接收传感器反馈的位置信息和运动目标，通过控制算法计算出适当的控制信号，并驱动相应的执行机构，实现机械手的运动控制。

2. 位置检测：位置检测是机械手控制系统的关键环节，通过编码器、光电开关或激光测距传感器等设备，实时检测机械手各关节的位置，并将位置信息反馈给控制系统，以实现精确的位置控制。

3. 安全保护：机械手在工作中需要与人类共同操作，在设计控制系统时需要考虑安全保护措施。

例如，设置急停开关、防止碰撞传感器和安全光栅等设备，以确保机械手在意外情况下能够停止运动并保护操作人员的安全。

结论圆柱坐标式机械手的结构设计是实现其高精度、高效率工作的基础。

合理的机械结构和控制系统设计可以提高机械手的运动灵活性和精度，从而满足各种工业生产需求。

圆柱坐标式三自由度机械手摘要机器人不仅是一种自动化的机器。

机器人是一种可重新编程的、多功能的、机械手,为实现各种任务设计成通过可改变的程序动作来移动材料、零部件、工具或是其他专用装置。

本设计设计的是一种圆柱坐标式机械手,该装置具有三个独立运动(两个直线运动、一个旋转运动)，也就是所说的三个自由度。

该机构中立柱可相对于机座旋转180度，回转速度15r/min，可水平伸缩距离400mm，移动速度约0.2m/s，机械手可上下垂直运动，其垂直升降量1000mm，移动速度约0.15m/s，机械手最大夹持重量10kg，所夹持工件为圆柱形，直径范围：Ф30mm—Ф120mm。

根据课题要求经过认真思考和请教指导老师，本设计的旋转运动采用摆动液压马达（旋转液压缸）驱动，水平伸缩运动采用液压缸驱动，垂直升降运动仍采用液压缸驱动。

关键词：三自由度，圆柱坐标式，工业机器人，机械手CYLINDRICAL COORDINATE ROBOT OFTHREE DEGREES OF FREEDOMABSTRACTA robot is not simply another automated machine. A robot is a reprogrammable multifunctional manipulator designed to move material, parts, tool, or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a variety of task.This design is a cylindrical coordinate manipulator, the device has three separate campaigns (two straight-line movement, a rotating Movement), that is to say that the device has three degrees of freedom. The bodies of the column can be compared to frame 180-degree rotation, with the rotation speed 15 r / min. The manipulator may be stretching from the level of 400mm, with the moving speed about 0.2 m/ s. From the top to the bottom, the manipulator can do vertical movement and its vertical take-off and landing is 1000mm, with the moving speed about 0.15 m/ s. The largest weight that the device grip can lead to 10kg.The workpiece with the diameter from 30mm to 120mm that the device can grip is cylindrical.According to the issue demands ,besides, careful thinking and ask the teacher, the rotating movements of the design opts rotating hydraulic motor (rotating cylinder) , the level of stretching movements are driven by hydraulic cylinders, vertical take-off and landing movements are still driven by hydraulic cylinders.KEY WORDS：Three degrees of freedom, Cylindrical，Industrial robot, Manipulator目录前言 (1)第1章概述 (2)§1.1 工业机械手的概述 (2)§1.2 工业机械手的发展 (5)§1.3 工业机械手在我国的发展与应用 (6)第2章总体设计方案 (8)§2.1 总体设计的思路 (8)§2.1.1 思路 (8)§2.2 总体方案的确定 (8)§2.2.1 方案 (8)第3章机械手相关的设计与计算 (10)§3.1 手指的相关设计与计算 (10)§3.1.1 手指夹紧力的计算 (10)§3.1.2 手部液压缸的选取 (13)§3.1.3 水平伸缩缸尺寸计算 (15)§3.1.4垂直升降液压缸主要参数的确定 (16)§3.2 升降手臂的设计 (17)§3.3 立柱与托盘的设计 (19)第4章相关的校核 (25)§4.1 手爪扇形齿轮与齿条强度校核 (25)§4.1.1 齿轮齿条强度校核 (25)第5章结论 (26)参考文献 (27)致谢 (28)前言机器人技术的发展，可以说是科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，也是为社会经济发展产生了重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。

三自由度圆柱坐标型工业机器人设计学院：机电工程学院班级：姓名：学号：1.末端执行机构设计采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图。

内撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，即当液压缸1工作时，推动推杆2向下运动，使两钳爪3向外撑开，从而带动弹性爪4夹紧工件。

该种夹持器多用于内孔薄壁零件的夹持。

2.弹性爪的结构设计:这种结构是在手爪外侧用螺钉固定弹性片两端。

当弹性手工作时，由于夹紧过程具有弹性，就可避免易损零件被抓伤、变形和破损。

3.手臂机构的设计本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动，结构简单，装拆方便，还设计有两根导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。

它的结构如下图。

选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。

4.腰部和基座设计1——支座，2——步进电机，3——谐波齿轮，4——转动机座5——支承槽钢梁，6——滚珠丝杠，7——导向柱，8——锥环无键联轴器通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动壳体转动，从而实现机器人的旋转运动；通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。

采用双导柱导向，防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。

支撑梁采用槽钢，以减轻重量和节省材料，它的结构如上图。

5.驱动方式的选择由上表知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，所以本设计采用它来实现机器人的旋转和上下移动。

选电机为BF反应式步进电机，型号为：90BF001。

由上表知,液压驱动方式反应灵敏,可实现连续轨迹控制,液体压力高，可获得较大的输出力,因此机器人的伸缩运动采用液压驱动方式来实现,从而使机器人容易找准工件。

它的型号为Y-HG1-C50/28×100LJ1HL1Q，它的主要技术参数如下表6.工业机器人的计算机控制系统概述工业机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。

三自由度机械手的结构设计摘要本文简要介绍了机械手的概念，机械手的组成和分类，国内外的发展状况及发展前景。

本文对机械手进行总体方案设计，结合生产实际及理论确定了机械手的结构及动作过程，坐标型式和自由度数，并列出了机械手的技术参数。

设计出了机械手的驱动方案、控制方案，在进行控制方案的选取时进行了不同方案的优缺点的对比，最后确定了具体的控制方案。

在进行机械手控制器件的选取时，对控制器件选择进行了详细的分析，如对步进电机参数的具体选取。

最后介绍了利用可编程序控制器对机械手进行控制，同时叙述了可编程序控制器选取原则及工作过程，并绘制出了可编程序控制器外部接线图。

在用可编程序控制器控制时分为手动和自动两种工作方式，并绘制了自动工作方式的顺序功能图。

关键词机械手的概念，机械手控制器件，可编程序控制器（PLC）ThREE DEGREES OF FREEDOM MANIPULATORDESIGNABSTRACT目录中文摘要 (1)英文摘要 (2)一、引言1.1简要介绍机械手的概念 (4)1.2机械手的组成和分类 (5)1.2.1机械手的组成 (5)1.2.2机械手的分类 (5)1.3国内外发展状况 (6)二、三轴自由度机械手的结构及动作过程 (7)2.1机械手的结构 (7)2.2机械手的动作过程 (8)2.3机械手的驱动方案设计 (9)2.4机械手的控制方案设计 (9)2.5机械手的座标型式与自由度 (10)2.6机械手的技术参数列表 (11)三、控制器件选型 (11)3.1步进电机及其驱动器选择 (11)3.2直流电机及其驱动器选择 (12)3.3旋转编码器的选择 (14)四、机械手的PLC控制设计 (15)5.1可编程序控制器的选择 (15)5.2可编程序控制器的工作过程 (16)总结 (19)致谢 (20)参考文献 (20)附录 (21)一、引言随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。

单片机控制三自由度圆柱坐标机械手设计一、引言随着科学技术的不断发展，机械手在工业生产、科研等领域扮演着越来越重要的角色。

机械手的设计是其中的关键环节之一，而单片机是机械手控制的核心部分之一、本文将介绍一种基于单片机控制的三自由度圆柱坐标机械手的设计。

二、机械手的结构设计该机械手的结构主要由三个旋转关节组成，分别对应三个自由度。

每个旋转关节由步进电机驱动，通过直线传动装置实现转动，并带有相应的位置反馈传感器。

三、单片机的选取单片机是机械手控制的核心部分，控制机械手的动作和位置。

单片机的选择需要考虑其计算性能、接口资源等方面的要求。

本设计选择了STM32系列的单片机，具有大容量的存储器和强大的计算能力，同时提供多种通信接口和模拟/数字接口，满足了机械手控制的需求。

四、电路设计电路设计包括电源电路、电机驱动电路和控制电路三个模块。

电源电路为电机驱动和单片机提供稳定的电源。

电机驱动电路采用步进电机驱动芯片，通过信号电平控制电机的转动。

控制电路主要由单片机和传感器组成，负责接收传感器的反馈信号，并控制电机的转动。

五、软件设计在单片机软件设计方面，本设计采用C语言进行编程。

通过编写相应的程序，实现机械手的运动控制，包括正向运动、逆向运动和位置控制等功能。

同时，还可以为机械手增加一些智能化的功能，如碰撞检测、路径规划等。

六、实验与结果将设计好的电路板焊接好后，进行实验测试。

通过对机械手的不同输入信号进行测试，观察机械手的运动情况，并对其进行调试。

最终，可以实现通过单片机控制的三自由度圆柱坐标机械手的正常运行。

七、总结本文设计了一种基于单片机控制的三自由度圆柱坐标机械手。

通过对机械手的结构和电路进行设计，选取合适的单片机和编写相应的控制程序，实现了机械手的运动控制。

该设计具有较高的可靠性和灵活性，可以广泛应用于工业生产和科研等领域。

目录一、确定机械手设计方案 (3)1.1、机械手基本形式和自由度数的选择 (3)1.2、机械手手部夹紧结构方案设计 (4)1.3、机械手的手臂（水平方向和垂直方向）结构方案设计 (4)1.4、机械手的腰座结构方案设计 (4)二、部分执行机构的理论分析和设计计算 (5)2.1、手爪执行机构的分析计算及相关尺寸的确定 (5)2.1.1、手抓的力学分析 (5)2.1.2、手爪夹紧力和驱动力的的计算 (7)2.1.3、液压缸主要参数的确定 (8)2.2、水平手臂的设计和计算 (10)2.3、机身升降机构的计算 (11)2.3.1、手臂偏重力矩的计算 (11)2.3.2、升降不自锁条件分析计算 (12)2.3.3、手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算以及相关尺寸的确定 (13)2.4、驱动回转轴回转的电机选型有关参数计算 (15)2.4.1、有关参数的计算 (15)2.4.2、电机型号的选择 (16)2.5、液压传动系统设计 (17)2.5.1、确定液压系统基本方案 (17)2.5.2、拟定液压执行元件运动控制回路 (17)2.5.3、液压源系统的设计 (17)2.5.4、绘制液压系统图 (18)三、机械手控制系统的硬件设计 (18)3.1、机械手工艺过程与控制要求 (18)3.2、机械手的作业流程 (18)3.3、机械手操作面板布置 (19)3.4、控制器的选型 (19)3.5、控制系统原理分析 (20)3.6、I/O地址分配 (20)3.7、PLC原理接线图 (21)四、参考文献 (21)一、确定机械手设计方案1.1、机械手基本形式和自由度数的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。

其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小。

因为设计要求搬运的棒料的质量达40KG，且直径达160MM，长度大约为250MM，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。

轴承坯料搬运机械手的设计摘要机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。

采用机械手是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。

它是一种模仿人体上肢的部分功能，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装备。

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，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。

工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作，采用机械手是有效的；此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。

本课题的主要内容是采用机械设计原理，进行三自由度搬运机械手的设计，熟悉三自由度机械手的运用场合和相关的设计步骤。

机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度，提高生产效率。

结合三自由度设计的各方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题．解决问题.研究问题。

并且在设计中融入自己的想法和构思，提高自己的创新能力。

尽力使机械手使用方便，结构简单。

！！所有下载了本文的注意：本论文附有CAD图纸和完整版word版说明书，凡下载了本文的读者请加QQ 83753222，或留下你的联系方式（QQ邮箱）最后，希望此文能够帮到你！关键词：机械手，输送工件，搬运，三自由度ABSTRACTManipulator is a mechanical technology and electronic technology with the combination of high technology products. Using manipulator is to improve product quality and productivity, and realize the automatic production process, improve working conditions, and reduce labor intensity of a kind of effective method. It is an imitation of the upper part of the human body function, according to the predetermined requirement or parts transportation holding tools for operation of the automation technology and equipment. Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and production automation level. Industrial production often appears in the handling of the heavy and long-term, frequent, drab operation, USES the manipulator is effective; In addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, more shows its superiority, with broad prospects.This topic is the main content of the mechanical design principle of the design of the three dof carrying manipulator, familiar with three degrees of freedom of the manipulator using occasions and related design steps. Robots can replace a lot of repeatability of physical labor, so as to reduce the labor intensity, improve production efficiency. Combined with three degrees of freedom all aspects of design knowledge, in the design process learn how to find out the problem to solve problems. And in the design idea and into their idea, improve their innovation ability. Try to make robots easy to use simple structure.Key Words: Manipulator, conveying work piece, handling, three degrees of freedom目录第1章绪论 (4)1.1机械手的历史 (4)1.2机械手的组成 (5)1.3机械手的分类 (6)第2章搬运机械手机构总体方案设计 (8)2.1搬运机械手设计要求 (8)2.2基本设计思路 (1)2.3搬运机械手结构设计 (11)2.4 机械手材料的选择 (11)2.5机械臂的运动方式 (11)2.6搬运机械手驱动与控制系统分析 (12)第3章搬运机械手机械结构设计与计算 (13)3.1搬运机械手手爪设计 (13)3.2 搬运机械手手臂设计 (13)3.3 手部设计计算................................................. - 23 -3.4腕部设计计算 (20)3.5液压驱动系统设计 (21)3.6机身结构的设计 (23)第4章机械手控制系统的设计 (27)4.1 PLC简介 (27)4.2 PLC工作原理 (27)4.3 PLC机型的选择 (27)4.4 PLC控制面板的拟定 (29)4.5 机械手工艺过程和控制方案的确定 (30)4.5 PLC程序编写 (33)总结与展望 (40)参考文献 (41)致谢 (42)1 绪论随着人类科技的进步，社会经济的发展，机器人学成为近几十年来迅速发展的一门综合学科。

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，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。

圆柱坐标式机械手设计引言机械手是一种能够模仿和执行人工手动动作的自动化设备。

它由几个关节和执行器组成，可以完成需要复杂而精确的任务。

在工业生产中，机械手已经广泛应用于各种装配、搬运和加工等工作，大大提高了生产效率和质量。

本文将介绍圆柱坐标式机械手的设计原理和工作原理，并讨论其在工业领域的应用。

圆柱坐标系的定义圆柱坐标系是一种空间坐标系，其中位置由径向距离、方位角和高度组成。

在圆柱坐标系中，位置信息以极坐标形式表示，而不是直角坐标系中的笛卡尔坐标。

圆柱坐标系常用于描述圆柱形物体或球坐标系的数学问题。

在机械手设计中，圆柱坐标系被广泛应用于需要在空间中移动的任务。

圆柱坐标式机械手的设计原理圆柱坐标式机械手是一种基于圆柱坐标系的机械手设计。

它使用三个关节来实现机械手的运动，并通过控制关节的运动，实现机械手的位置和姿态调整。

机械手的位置信息由三个坐标表示：径向距离（R）、方位角（θ）和高度（Z）。

径向距离表示手的延伸程度，方位角表示手的旋转角度，而高度表示手的升降运动。

机械手的关节由电机和传动装置组成，通过控制电机的转动，传动装置将关节带动，实现机械手的运动。

在实际设计过程中，需要考虑关节的承载能力、速度和精度等因素。

圆柱坐标式机械手的工作原理圆柱坐标式机械手的工作原理可以分为以下几个步骤：1.传感器获取目标位置的圆柱坐标信息：首先，机械手需要通过传感器获取目标位置的圆柱坐标信息，包括径向距离、方位角和高度。

2.根据目标位置计算关节角度：通过逆运动学计算，根据目标位置的圆柱坐标信息，计算机械手各关节的角度。

3.控制关节运动：根据计算得到的关节角度，控制电机带动传动装置，使机械手达到目标位置。

4.完成任务：一旦机械手到达目标位置，它可以执行需要的任务，例如搬运物体或进行装配操作。

圆柱坐标式机械手的应用圆柱坐标式机械手具有广泛的应用领域，特别适用于需要在空间中移动的任务。

以下是一些常见的应用领域：1.组装线：圆柱坐标式机械手可以用于工业生产中的组装线，完成产品的装配操作。

圆柱坐标式机械手设计概述圆柱坐标式机械手，又称作柱三维式机械手，是一种基于圆柱坐标系的机械手。

它由一个固定底座、一个竖直的旋转臂和一个水平的移动臂构成，能够在三维空间内进行精准的定位、旋转和抓取操作。

本文将从机械手设计的角度，分析圆柱坐标式机械手的特点和设计的方法。

设计目标在设计圆柱坐标式机械手之前，需要先确定设计目标。

一般来说，设计目标有以下几个方面：1. 功能要求：机械手应该能够完成的工作，如抓取物品、放置物品、旋转物品等等。

2. 作业范围：机械手的有效作业范围与自由度密切相关。

在设计机械手时需要考虑到最大活动范围和最大负载。

3. 精度要求：机械手精度可以根据其应用领域不同而有很大的变化，需要根据实际情况进行调整。

4. 控制要求：机械手控制系统通常有手动控制和自动控制两种形式，需要根据实际情况选择。

机械手的设计要素1. 机械手骨架设计：机械手骨架设计是机械手设计的基础，其主要依据工作负载的大小、工作空间的形状、机械手的自由度和机械手操作起来的方便程度，以及机械手配套的附件和控制系统等因素。

2. 机械手臂设计：机械手臂设计应该考虑到负载、移动角度、距离和速度。

加入传感器可以提高机械手的精度和控制性。

3. 夹爪设计：夹爪是机械手重要组成部分，需要考虑到夹爪大小、形状、动力、重量和惯性等因素。

夹爪设计的好坏会对机械手抓取操作的效率和准确性起着非常重要的影响。

4. 控制系统设计：机械手的控制系统通常有手动和自动控制两种形式，自动化控制是最主要的控制方式。

控制系统需要可以控制机械手的移动、旋转、抓取和松开等工作。

设计注意事项1. 功能要求应该以机械手的实际需求为出发点，而不是为了增加复杂性而增加功能。

2. 机械手骨架的设计应该有利于附件和控制系统的调整和安装。

3. 夹爪设计应该适合机械手操作的速度和负载，需要注意反应速度和夹持力度的平衡。

4. 机械手的材料选择应能保证其强度和刚性等性能，而注意重量的控制。

摘要本次设计实验用三自由度机械手为实验用专用机械手，主要由手爪、手臂、机身、机座等组成，具备上料、搬运等多种功能，本机械手机身采用机座式，实验对象围绕机座布置，其坐标形式为关节式，具有水平旋转、手臂竖直摆动等3个自由度；驱动方式为电机驱动，利用电机带动减速机，减速机减速后带动旋转轴实现各个回转运动。

电动驱动的优点是控制精度高，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好。

本次设计的机械手能对不同物体完成多种动作。

采用单片机控制系统，最终实现关节的伺服控制和制动、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的在线修改程序、设置参考点和回参考点。

关键词：机械手；电机驱动；伺服。

目录摘要 . (I)Abstract . .............................................................................. 错误！未定义书签。

第1章绪论 . (1)1.1 题目提出的意义 (1)1.2 国内外发展现状 (1)第2章方案的确定与比较分析 (3)2.1 机械手机械系统的比较与选择 (4)2.2 机械手驱动系统的比较与选择 (6)第3章驱动源的选择与设计计算 (9)3.1 主要技术参数的确定 (9)3.2 各关节电机的选择计算 (10)3.2.1 大臂旋转电机的选择 (11)3.2.2 小臂旋转电机的选择 (12)3.2.3 腰部旋转电机的选择 (13)第4章手部结构设计 (15)4.1 夹持式手部结构 (15)4.1.1 手指的形状和分类 (15)4.1.2 设计时考虑的几个问题 (15)4.2 手部夹紧气缸的设计 (16)4.2.1 弹簧的设计计算 (16)4.2.2 对于压缩弹簧稳定性的验算 (17)4.2.3 疲劳强度和应力强度的验算。

(17)4.2.4 手部驱动力计算 (18)4.2.5 气缸直径的设计计算 (19)4.2.6 缸筒壁厚的设计 (21)4.2.7 活塞杆运动行程的计算 (21)第5章各机械部件的设计选择与校核 (23)5.1 轴的设计与校核 (23)5.1.1 大臂旋转轴的设计 (23)5.1.2 大臂轴的强度校核 (24)5.2 键的选择与强度的校核 (27)5.3 轴承寿命的校核 (30)5.4 联轴器的选择与圆锥销的校核 (31)5.4.1 联轴器的选择. (31)5.4.2 联轴器圆锥销的校核 (32)第6章控制系统设计 (33)6.1 单片机最小系统 (33)6.1.1 8051单片机介绍 (34)6.2.2 复位电路 (36)6.1.3 振荡电路 (36)6.2 串行接口电路 (37)6.3 传感器 (38)6.3.1 传感器的选型 (38)6.3.2 硬件电路的设计 (39)6.4 电动机的控制 (40)6.4.1 L298N 电机驱动芯片简介 (40)6.4.2 硬件电路图 (41)结论 . (42)致谢 . (43)参考文献 . (44)CONTENTSAbstract . .............................................................................. 错误！未定义书签。

三自由度机械手设计机械手是一种用于代替人手完成各种复杂或危险操作的机械装置。

三自由度机械手是指具有三个独立自由度的机械手。

在机械手设计中，三自由度机械手是较为简单且常见的一种类型。

三自由度机械手通常由机械臂和手爪组成，其中机械臂负责定位和移动，手爪负责抓取和放置物体。

机械臂由三个关节连接起来，每个关节都可以独立控制。

这意味着机械臂可以在三个轴上进行旋转和伸缩，从而实现空间中的定位和移动。

1.功能需求：首先需要明确机械手的功能需求，例如需要抓取什么类型的物体以及进行什么样的操作。

不同的功能需求会对机械手的结构和控制系统产生影响。

2.结构设计：机械手的结构设计包括关节、连接杆和运动范围等方面。

关节可以使用电机或气动缸等驱动装置实现，连接杆需要具有足够的强度和刚性。

运动范围的设计需要考虑机械手需要移动到的位置和空间，以及机械手的工作环境。

3.控制系统设计：机械手的控制系统包括传感器、运动控制器和驱动装置等。

传感器用于获取机械手当前的位置和姿态信息，运动控制器用于计算并控制机械手的运动轨迹，驱动装置用于实际驱动机械手的运动。

4.安全性设计：机械手操作时需要考虑其安全性。

例如，在操作过程中需要设置足够的安全间距，以避免机械手发生碰撞。

此外，机械手还可以通过使用力传感器和视觉系统等技术，实现对工作环境和物体的感知和识别，以提高操作的安全性和精确性。

在实际应用中，三自由度机械手广泛用于工业生产线上的自动化操作。

它可以完成物体的抓取、搬运、装配等任务，提高生产效率和质量。

同时，由于其结构相对简单，成本相对较低，因此也被广泛应用于教育和研究领域。

总而言之，三自由度机械手是一种常见的机械手类型，在设计中需要考虑功能需求、结构设计、控制系统设计和安全性设计等方面。

它在提高生产效率和质量方面具有重要的应用价值，并且具有较低的成本，因此在工业、教育和研究等领域广泛应用。