可重构机械系统的设计与控制方法研究

新型机械臂的研究与开发随着科技的不断进步，机械臂技术也在不断地发展和完善，新型机械臂已经成为当前机械制造领域的一个重要发展方向。

新型机械臂以其高精度、高效率、高可靠性等特点，被广泛应用于各个领域，如工业制造、医疗、军事、环境保护等。

本文将从新型机械臂的研究与开发方面进行论述。

一、新型机械臂的发展历程机械臂最早应用于工业制造领域，20世纪70年代初期，机械臂逐渐被引入到汽车制造、电子和半导体工业等一些需要对小型零部件进行高精度加工和组装的领域中。

此后，机械臂的应用范围不断扩大，不断涌现出各种新型机械臂。

包括地面移动机械臂、协同机械臂、人机协同机械臂、可重构机械臂等。

二、新型机械臂的特点1. 高精度：新型机械臂采用先进的传感技术和控制方法，具有高精度的特点，可用于精细加工和组装等工作。

2. 高效率：新型机械臂的运动控制和智能化技术不断完善，可实现高效率的生产和制造。

3. 高可靠性：新型机械臂采用高强度材料和精密加工工艺，同时配备自动诊断和故障检测系统，确保机械臂的高可靠性和长寿命。

三、新型机械臂的应用领域1. 工业制造：新型机械臂在工业制造领域有着广泛的应用，可以用于装配、搬运、打磨、焊接、喷涂等各种工作。

2. 医疗：新型机械臂在医疗领域可用于进行微创手术和其他精细操作。

3. 军事：新型机械臂在军事领域可用于救援、侦察、处理化学品等危险物质等作业。

4. 环境保护：新型机械臂在环境保护领域可用于进行污染治理、清洗等作业。

四、新型机械臂的关键技术1. 传感技术：机械臂的运动轨迹和姿态是通过传感器实时获取并传输给控制系统的，因此传感技术的研究和应用对机械臂的精度和稳定性至关重要。

2. 控制技术：机械臂的运动控制需要对机械臂的电动机等部件进行高精度的控制，因此控制技术的研究和应用也是关键。

3. 智能化技术：人工智能、深度学习等技术的应用，可以使机械臂具有更强的判断和决策能力，提高机械臂的自主化程度。

五、新型机械臂的研究与开发新型机械臂的研究与开发需要多学科的交叉，包括机械、电子、自动化、材料等领域。

河南理工大学本科毕业设计（论文）说明书摘要用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手，机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

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，提高劳动生产率和自动化水平。

工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反应了一个国家工业自动化的水平，随着工业自动化的普及和发展，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，减少其他运输工具的局限，从而满足现代经济发展的要求。

本机械手主要用于光轴的搬运工作，能够配合机床（如锻床、数控机床、组合机床）或装配线等进行圆柱形工件搬运。

本机械手将采用三个自由度，为气压驱动。

本设计首先对机械手的手部、手腕、手臂等各个部分进行设计计算，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；其次，在气动系统的基础上对电气控制系统（PLC）进行了合理设计和布线。

其动作过程包括：下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续；完成搬运机械手搬运工件的最终要求。

关键词: 机械手，搬运，结构，气压，可编程控制器（PLC）。

AbstractAbstractThe technology device used to reproduce the staff function is called a mechanical hand, the mechanical hand is imitate the action of the manpower, to achieve a given program, track and requirements automatically grab, handling or operation of automatic mechanical device. Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and automation level.The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, with the popularity of industrial automation and development, handling the application of mechanical hand gradually popularity, mainly in the automotive, electronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of the production line or cargo transport, we can be more good to save energy and improve the transport efficiency of equipment or products, to reduce restrictions on other modes of transportation to meet the requirements of modern economic development.This manipulator is mainly used for metal optic axis handling work, can match with machine tools (such as forging bed, NC machine tools, combination machine tools) or assembly line of weight to realize cylindrical work pieces handling. The robot will use the three degrees of freedom for the pneumatic drive. First, I design and calculate the hand, wrist, arm and various parts of the mechanical hand. Then choose the proper drive method and transmission method, build the mechanical structure of the mechanical hand. Second, design and wire the electrical control system on the base of the pneumatic system of the manipulator. Their course of action should include: decline in clamping increased, slow forward, fast forward, slow progress, the extension of , the drop in, relax, rise, slow back, rewind, slow back; its operation, including: back in situ, manual, single-step, single cycle, continuous; and finally complete the final requirements of the handling robot porter pieces.Keywords: mechanical hand, transport, structure, pneumatic , programmable logic controller (PLC).河南理工大学本科毕业设计（论文）说明书目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (5)1.1 选题背景 (5)1.2 机械手设计目的及意义 (5)1.3 机械手发展历史及现状 (6)1.4 国内外应用及发展趋势 (8)1.5 设计大纲 (9)第二章机械手方案设计及计算 (11)2.1 机械手的设计要求及技术参数 (11)2.1.1机械手的总体方案论证 (11)2.1.2 驱动方式的选择 (11)2.1.3 技术参数 (12)2．2 手部结构设计及计算 (13)2.2.1 手部设计要求 (13)2.2.2 手部选型及计算 (14)2.2.3 手部夹紧力和驱动力计算 (15)2.2.4 气缸的直径确定 (17)2.2.5 缸筒壁厚的设计 (18)2.3 腕部结构设计 (19)2.3.1 腕部设计要求 (19)2.3.2 腕部的总体设计要求如下： (20)2.4 臂部结构设计及计算 (20)2.4.1 臂部设计要求 (20)2.4.2 伸缩手臂的设计 (21)2.4.3 手臂伸缩气缸的尺寸设计 (22)2.4.4 导向装置 (23)2.4.5 平衡装置 (23)2.4.6 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 (23)2.5 机身设计及计算 (24)2.5.1 回转机身设计 (25)2.5.2 尺寸设计及校核 (25)第三章气动系统的设计 (28)3.1 驱动方式的选择 (28)3.2 气动原理图 (28)3.2.1 气动控制系统简介： (28)3.2.2 各执行机构的调速 (30)第四章机械手的PLC控制设计 (31)4.1 PLC简介 (31)4.1.1 PLC的发展历史 (31)4.1.2 PLC的结构 (32)4.1.3 PLC系统的其它设备 (33)4.1.4 PLC的分类 (33)目录4.1.5 PLC的特点 (34)4.1.6 PlC的用途 (34)4.2 机械手动作PLC设计 (35)4.2.1 I/O接口简介 (36)4.3PLC设计 (36)4.3.1输入输出设备 (36)4.3.2 选择可编程控制器 (36)4.3.3 PLC的I/O分配如下： (37)4.3.4PLC外围接线图如下： (38)总结 (40)参考文献 (41)致谢......................................... 错误!未定义书签。

机器人学导论二、简答题：1.机器人学主要包含哪些研究内容？2.机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些？3.拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义？4.机器人控制系统的基本单元有哪些？5.直流电机的额定值有哪些？6.常见的机器人外部传感器有哪些？7.简述脉冲回波式超声波传感器的工作原理。

8.机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成？9.为什么要做图像的预处理？机器视觉常用的预处理步骤有哪些？10.请简述模糊控制器的组成及各组成部分的用途。

11.从描述操作命令的角度看，机器人编程语言可分为哪几类？12.仿人机器人的关键技术有哪些？三、论述题：1.试论述机器人技术的发展趋势。

2.试论述精度、重复精度与分辨率之间的关系。

3.试论述轮式行走机构和足式行走机构的特点和各自适用的场合。

4.试论述机器人静力学、动力学、运动学的关系。

5.机器人单关节伺服控制中，位置反馈增益和速度反馈增益是如何确定的？6.试论述工业机器人的应用准则。

四、计算题：（需写出计算步骤，无计算步骤不能得分）：1.已知点u的坐标为[7,3,2]T，对点u依次进行如下的变换：（1）绕z轴旋转90°得到点v；（2）绕y轴旋转90°得到点w；（3）沿x轴平移4个单位，再沿y轴平移-3个单位，最后沿z轴平移7个单位得到点t。

求u,v,w,t各点的齐次坐标。

xyzOuvwt\6.如图所示的三自由度机械手（两个旋转关节加一个平移关节，简称RPR机械手），求末端机械手的运动学方程。

二、简答题：1.答：机器人研究的基础内容有以下几方面：(1)空间机构学；(2)机器人运动学；(3)机器人静力学；(4)机器人动力学；(5)机器人控制技术；(6)机器人传感器；(7)机器人语言。

2.答：目前常用的有如下几种形式：(1)横梁式。

机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，具有占地面积小，能有效地利用空间，直观等优点。

(2)立柱式。

多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，一般臂部都可在水平面内回转，具有占地面积小而工作范围大的特点。

基于PLC的自动剪板机控制系统设计摘要随着工业自动化的不断发展，自动控制系统越来越受到人们的关注。

自动剪板机控制系统作为重要的制造业自动化设备，其控制系统设计和优化已成为面临的一个重要课题。

本文基于PLC控制系统，通过对自动剪板机控制系统相关设备进行详细的分析和研究，设计出一种可靠的自动剪板机控制系统，并对其进行实验验证，取得了良好的控制效果。

关键词：PLC；自动剪板机；控制系统设计；优化AbstractWith the continuous development of industrial automation, automatic control systems have been receiving increasing attention from people. As an important manufacturing automation equipment, the control system design and optimization of automatic shearing machine have become an important problem to be addressed. Based on the PLC control system, this paper analyzes and studies the relevant equipment of automatic shearing machine, designs a reliable automatic shearing machine control system, and verifies its control effect through experiments.Keywords: PLC; automatic shearing machine; control system design; optimization1. 引言自动剪板机是一种重要的制造业自动化设备，其控制系统在制造和加工过程中起着至关重要的作用。

机械行业工业技术研究与应用方案第一章绪论 (2)1.1 研究背景 (2)1.2 研究目的与意义 (3)1.3 研究方法与内容 (3)第二章工业技术概述 (3)2.1 工业定义及分类 (3)2.1.1 工业定义 (3)2.1.2 工业分类 (4)2.2 工业技术发展现状 (4)2.2.1 技术水平 (4)2.2.2 应用领域 (4)2.2.3 产业规模 (4)2.3 工业技术发展趋势 (4)2.3.1 智能化 (4)2.3.2 灵活性 (4)2.3.3 安全性 (4)2.3.4 网络化 (4)2.3.5 节能环保 (5)第三章工业关键技术研究 (5)3.1 控制系统研究 (5)3.2 驱动系统研究 (5)3.3 传感器技术研究 (6)3.4 视觉技术研究 (6)第四章工业应用领域分析 (6)4.1 汽车制造业应用 (6)4.2 电子制造业应用 (7)4.3 食品与药品制造业应用 (7)4.4 其他行业应用 (7)第五章工业系统集成与优化 (8)5.1 系统集成方法 (8)5.2 系统优化策略 (8)5.3 系统故障诊断与处理 (9)5.4 系统集成案例 (9)第六章工业仿真与测试 (9)6.1 仿真技术概述 (9)6.2 仿真软件介绍 (10)6.3 仿真案例分析 (10)6.4 测试方法与标准 (11)第七章工业安全与防护 (11)7.1 工业安全标准 (11)7.2 工业安全防护措施 (12)7.3 工业安全监控技术 (12)7.4 工业案例分析 (12)第八章工业产业发展政策与法规 (13)8.1 工业产业政策概述 (13)8.2 工业法规与标准 (13)8.3 工业产业扶持政策 (13)8.4 工业产业国际合作与竞争 (13)第九章工业技术研究与应用案例 (14)9.1 某汽车制造企业工业应用案例 (14)9.1.1 项目背景 (14)9.1.2 应用场景 (14)9.1.3 技术成果 (14)9.2 某电子制造企业工业应用案例 (14)9.2.1 项目背景 (14)9.2.2 应用场景 (14)9.2.3 技术成果 (15)9.3 某食品企业工业应用案例 (15)9.3.1 项目背景 (15)9.3.2 应用场景 (15)9.3.3 技术成果 (15)9.4 某药品制造企业工业应用案例 (15)9.4.1 项目背景 (15)9.4.2 应用场景 (15)9.4.3 技术成果 (16)第十章展望与建议 (16)10.1 工业技术发展前景 (16)10.2 工业技术应用趋势 (16)10.3 工业产业发展建议 (16)10.4 工业技术研究与创新方向 (17)第一章绪论1.1 研究背景我国经济的快速发展，机械行业作为国家支柱产业，其自动化、智能化水平日益提高。

图书分类号：密级：毕业设计(论文)基于三菱PLC的机械手控制系统设计DESIGN OF MANIPULATOR CONTROL SYSTEM BASED ONMITSUBISHI PLC学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

论文作者签名：日期：年月日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。

有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。

可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日摘要在机械加工行业，机械手使用的已经很多了，是自动化生产中最为重要的元素，现在车间工人的劳动环境改善了很多，劳动生产率也是提高了很多。

本文设计的是基于三菱PLC的机械手控制系统设计，该机械手主要由L1-25型单向节流阀和24D2H-15-S1型二位五通电磁阀组成的气压回路驱动，由气动机械手实现物件的抓取，利用气缸实现物件的移动，采用行程开关来实现物料的摆放，运用欧光PSD-1010（2D-PSD）光电位敏传感器来检测工件的位置，最后使用三菱FX2N-48MR来控制电磁阀，从而实现机械手臂的旋转-下降-伸出-夹紧-收回-上升-旋转-下降-松开-上升的控制功能。

关键词机械手；PLC；气压驱动；电气元件AbstractIn the machining industry, the robot has been used a lot, is the automated production of the most important elements of plant workers are now a lot of work to improve the environment, labor productivity is also improved a lot.This design is based on the Mitsubishi PLC robot control system design, the robot consists of L1-25 type way throttle and 24D2H-15-S1 type two five-way solenoid valve pneumatic circuit is driven by a pneumatic manipulator to achieve the object crawl, mobile air cylinder to achieve the object, using the limit switch to achieve the display of materials, the use of European light PSD-1010 (2D-PSD) position sensitive photoelectric sensor to detect the position of the workpiece, last used to control the Mitsubishi FX2N-48MR solenoid valve, in order to achieve the rotating mechanical arm - the drop - projecting - clamping - recover - rising - rotation - fall - Release - increased control functions.Keywords Manipulator; PLC;Pneumatic drive；Electrical components目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)1 绪论 (1)1.1 机械手的概述 (1)1.1.1 机械手的设计背景 (1)1.1.2 机械手的组成 (2)1.1.3 机械手的分类及应用组合 (2)1.2 机械手的发展及现状 (3)1.2.1机械手的发展 (3)1.2.2 PLC控制系统的引用 (4)1.3 本课题研究的主要内容及技术路线 (5)1.3.1 本课题研究的主要内容 (5)1.3.2 本课题研究的技术路线 (5)1.4 控制要求及机械手参数 (6)1.4.1 控制要求 (6)1.4.2 机械手的相关参数 (6)2 机械手的机械设计 (7)2.1 执行机构的设计 (7)2.1.1 工作原理及组成 (7)2.1.2 基本形式的选择 (7)2.1.3 机械手的结构设计 (8)2.1.4机械手外观简图 (9)2.2 驱动机构的设计 (9)2.2.1 工作原理的确定 (10)2.2.2 气动元件的选择 (10)3 机械手的硬件设计 (14)3.1 PLC的介绍 (14)3.2 电气元件的选型 (16)3.2.1 限位开关的选择 (16)3.2.2 传感器的选择 (17)3.2.3 接触器的选择 (17)3.3 PLC选型 (18)3.4 I/O设计 (18)3.5 PLC接口分布图 (19)4 机械手的软件设计 (20)4.1 流程图 (20)4.2 梯形图 (21)4.3 调试 (25)结论 (26)致谢 (27)参考文献 (28)附录 (29)附录1 气压控制原理图 (30)附录2 输入输出分配表 (30)附录3 外部接线图 (31)附录4 状态控制图 (31)附录5 梯形图 (32)1绪论机械手诞生在上世纪六十年代，到现在也发展了四十多年了，现在机械手是工业化制造里面一个自动化的关键装置。

目录摘要............................................................................................................错误!未定义书签。

Abstract ........................................................................................................错误!未定义书签。

1绪论 (4)1.1 引言 (4)1.2机器人研究现状及发展趋势 (5)1.3本课题的主要研究内容和工作安排 (10)1.3.1课题研究的背景及意义 (10)1.3.2课题研究的内容及安排 (12)2四自由度串联机器人本体结构设计 (13)2.1机器人的总体方案设计 (13)2.1.1抓取机器人功能需求分析及其特点 (13)2.1.2机器人驱动方案的确定 (14)2.1.3机械传动方案的确定 (15)2.1.3机器人基本技术参数设计 (15)2.1.4机器人本体的总体结构 (17)2.2机器人本体基本结构设计 (18)2.2.1大臂和小臂机械结构设计 (18)2.2.2腕部机械结构设计 (20)2.2.3直线组件的设计选择 (20)2.2.4支架结构设计 (21)2.2.5步进电机与减速器的计算和选择 (22)2.2.6机器人传动轴的校核 (25)2.2.7机器人本体的三维模型 (26)2.3本章小结 (27)3四自由度抓取机器人运动学分析及仿真 (28)3.1机器人运动学分析 (28)3.1.1奇次坐标变换 (29)3.1.2 Denavt-Hartenberg(D-H)表示法 (30)3.1.3抓取机器人运动学模型的建立 (32)3.2机器人运动学方程的建立 (33)3.2.1抓取机器人的正运动学分析 (33)3.2.2工业机器人工作空间分析 (35)3.2.3机器人雅可比（Jacobian）关系求解 (38)3.2.4 抓取机器人的逆运动学分析 (41)3.3四自由度串联机器人运动学仿真 (45)3.3.1虚拟样机技术概述 (45)3.3.2本文用到的ADAMS软件模块 (46)3.3.3建立机器人仿真模型 (47)3.3.4机器人位移仿真分析 (49)3.3.5机器人速度仿真分析 (50)3.4 本章小结 (51)4. 轨迹规划及仿真分析............................................................................. 错误!未定义书签。

摘要机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由手部和运动机构组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手关键词:点控制机械手连续控制机械手可编程控制技术AbstractThe manipulator can imitate the manpower and the arm certain movement functions, with by presses the fixed routine to capture, the transporting thing 'or' operation tool automatic operation installment. It may replace human's strenuous labor by to realize the production mechanization and the automation, can operate under the harmful environment by protects the personal safety ,Thus widely applies in department and so on machine manufacture, metallurgy, electron, light industry and atomic energy.The manipulator mainly is composed by the hand and the motion. The hand is uses for to grasp holds the work piece (or tool) a part, according to is grasped holds the thing the shape, the size, the weight, the material and the work request but has the many kinds of structural style , Like supporting on both sides, request holding and adsorption and so on. motion , causes the hand to complete each kind of rotation (to swing), the migration or the compound motion realizes the stipulation movement , the change is grasped holds the thing the position and the posture. The motion fluctuation, the expansion and contraction, revolves and so on the independence movement way , is called manipulator's degree of freedom. In order to capture in the space the free position and the position object , must have 6 degrees of freedom. The degree of freedom is the essential parameter which the manipulator designs. The freedom goes past much , manipulator's flexibility is bigger ,the versatility is broader , Its structure is also more complex. The common special-purpose manipulator has a 2~3 degree of freedom..The manipulator usually serves as the engine bed or other machines add-on components , like on automatic engine bed or automatic production line loading and unloading and transmission work piece, Replaces the cutting tool in the processingcenter and so on, does not have the independent control device generally. Somewhat operates the equipment to need by the human direct control, like uses in the hostwhich the atomic energy department manages the dangerous goods from the type operator also often being called the manipulator.Keywords: position control manipulator continual trajectory control manipulatorPLC目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)目录 (Ⅲ)1 绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 机械手的定义与分类 (2)1.3 机械手应用及组成结构 (2)1.4 机械手的发展趋势 (4)1.5 总体设计要求 (4)2 PLC的介绍与选择 (5)2.1 PLC的特点 (5)2.2 PLC的选型 (6)2.3 三菱FX系列的结构功能 (8)3 各功能实现形式与控制方式 (9)3.1 本机械手模型的机能和特性 (9)3.2 夹紧机构 (10)3.3 躯干 (10)3.4 旋转编码盘 (11)3.5 电源与传动整体 (12)3.5.1 控制电源 (12)3.5.2 传动整体 (13)4 控制系统设计 (13)4.1 控制系统硬件设计 (13)4.1.1 PLC梯形图中的编程元件 (14)4.1.2 PLC的I/O分配 (14)4.1.3 机械手控制系统的外部接线图 (16)4.2 控制系统软件设计 (17)4.2.1 公用程序 (17)4.2.2 自动操作程序 (18)4.2.3手动单步操作程序 (24)4.2.4 回原位程序 (27)参考文献 (31)致谢 (32)1 绪论1.1 课题背景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。

国家开放大学《机器人技术及应用》章节测试参考答案第一章机器人技术与应用一、判断1.机器人是在科研或工业生产中用来代替人工作的机械装置。

（√）2.19世纪60年代和20世纪70年代是机器人发展最快、最好的时期，这期间的各项研究发明有效地推动了机器人技术的发展和推广。

（×）3.对于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。

（√）4.所谓特种机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。

（×）5.机器人机械本体结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于开环控制原理进行的。

（×）6.机器人各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出，由主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。

（√）7.为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，机器人还应有各种通信接口和人机通信装置。

（√）8.轮式机器人对于沟壑、台阶等障碍的通过能力较高。

（×）9.为提高轮式移动机器人的移动能力，研究者设计出了可实现原地转的全向轮。

（√）10.履带式机器人是在轮式机器人的基础上发展起来的，是一类具有良好越障能力的移动机构，对于野外环境中的复杂地形具有很强的适应能力。

（√）11.腿式（也称步行或者足式）机构的研究最早可以追溯到中国春秋时期鲁班设计的木车马。

（√）12.机器人定义的标准是统一的，不同国家、不同领域的学者给出的机器人定义都是相同的。

（×）13.球形机器人是一种具有球形或近似球形的外壳，通过其内部的驱动装置实现整体滚动的特殊移动机器人。

（√）14.可编程机器人可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作，目前在工业界已不再应用。

（×）15.感知机器人，即自适应机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知”能力。

机械手毕业设计篇一：机械手结构设计毕业论文1.绪论1.1工业机械手设计的意义1、熟悉机械手的应用场合及有关机械手设计的步骤；2、机械手可以提高生产过程中的自动化程度，减轻人力，便于有节奏的生产；3、结合机械手设计这方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题、研究问题、解决问题。

1.2国外的机械情况现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。

机械手首先是从美国开始研制的。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

他的结构是：机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。

商名为Uni-mate(即万能自动)。

运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。

不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。

同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。

1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。

该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。

虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Uni-mate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Uni-mate型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。

如Uni-mate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。

准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。

它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。

德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

可重构天线研究综述田雨波;谭冠南【摘要】可重构天线旨在使天线能够根据实际环境的需求实时的重构天线的特性,以适应高速发展的通信技术.可重构天线按照其功能可以分为频率可重构天线、方向图可重构天线、极化可重构天线以及混合可重构天线.对近年来国内外关于可重构天线的主要研究成果进行了总结,分析了各种功能的可重构天线的设计方法.在此基础上,对可重构天线的研究前景进行了展望.%In order to adapt to the rapid development of communication technologies, reconfigurable antennas are designed to real-timely reconstruct the characteristics of antennas with the changes of environment. According to the functions, reconfigurable antennas can be divided to frequency reconfigurable antennas, pattern reconfigu rable antennas, polarization reconfigurable antennas and hybrid reconfigurable antennas. In this paper, the latest researches of reconfigurable antenna are analyzed and summarized. Furthermore, the main design approaches of the reconfigurable antennas are given. On the basis of this study, the research prospects of reconfigurable anten nas are presented.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(026)003【总页数】7页(P271-277)【关键词】可重构天线;设计方法;通信【作者】田雨波;谭冠南【作者单位】江苏科技大学电子信息学院,江苏镇江212003;江苏科技大学电子信息学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】TN823随着科学技术的进一步发展,无线传输技术在人们的生产生活中发挥着越来越重要的作用．各种新型的通信技术不断涌现,蜂窝通信、卫星移动通信等无线通信系统的迅猛发展推动着各种相关技术的研究．在这一发展趋势下,作为无线传输系统必要组成部分的天线技术面临了巨大的挑战．为了实现现代通信系统向着大容量、多功能、超宽带的方向发展,可重构天线的概念被提出并得到了广泛的研究与发展．可重构天线的概念是在1983年由Schaubert等在其专利中首次被提出[1],1999年美国国防部高级研究计划署组织了12家著名的大学、研究所和公司,制定实施了名为“可重构孔径”(reconfigurable aperture program)的研究计划[2]．近年来,由于通信系统的飞速发展,可重构天线的发展成为天线研究领域的一个热点,不断有新的设计方法与天线模型出现．随着技术的发展与进步,天线的形式也越来越多样化,主要的参数包括:谐振频率、阻抗带宽、方向性、极化特性以及增益、功率等．可重构天线的主要目的是改变天线的某些特性参数,以满足实际应用的需要．可重构天线按照其功能划分为:频率可重构天线,即保持天线的方向图和极化方式不变,只改变天线的频率;方向图可重构天线,即工作频率不变,实时改变天线的方向图;极化可重构天线,即保持天线的其他特性不变,只改变天线的极化方式;混合可重构天线,可以同时重构天线的多个特性．1 可重构天线的设计方法1.1 频率可重构天线随着无线通信系统的蓬勃发展,新的通信标准不断涌现,为了实现多模通信,频率可重构天线的研究得到了大力的发展．目前频率可重构天线的主要设计方法主要集中可控缝隙、可控短路结构以及改变天线的长度或者面积．1.1.1 可控缝隙用可控缝隙来实际频率可重构天线,因其简易性和有效性,是现在研究最为成熟的方法之一．可控缝隙法主要有2种:开关可控缝隙[3-7]与变容二极管可控缝隙[8-9]．开关可控缝隙是在缝隙中加载开关来实现,因天线的频率与天线表面电流的有效电长度有关,所以通过开关控制电流的流向改变有效电长度,实现频率的可重构．变容二极管可控缝隙是在缝隙中加载变容二极管来实现的,通过改变变容二极管的偏置电压使其容值发生改变.文献[6]给出了一个简单的开关可控缝隙频率可重构天线,如图1所示．在天线的V 形缝隙中加载了一个开关,通过控制开关的通断可以重构天线的频率．当开关断开时,天线贴片表面的电流绕过V形缝隙流动,有效电长度相对较长,产生较低的工作频率;当开关闭合时,贴片表面的部分电流从开关直接流过,有效电长度相对较短,产生较高的工作频率,从而实现了两个频率的切换．图1 开关可控V形缝隙的频率可重构天线Fig.1 Frequency reconfigurable antenna using V-shaped slot文献[8]设计了一个基于背腔式缝隙天线的频率可重构天线,如图2．天线由一个填满聚四氟乙烯的背腔和带有缝隙的金属贴片组成,在缝隙中加载变容二极管．天线采用微带线馈电,微带馈线跨过缝隙通过探针与贴片连接,天线辐射特性S11与偏置电压的关系如图2c)．可以看出,随着偏置电压从0 V变化到20 V,频率在1 GHz到1.9 GHz连续变化,而天线的辐射方向图与极化方式都几乎没有改变,很好的达到了重构天线频率的目的．a) 天线结构俯视图b) 天线结构俯视图c) 天线结构俯视图图2 背腔式变容二极管可控缝隙频率可重构天线Fig.2 Frequency reconfigurable antenna using varactor-tuned cavity-backed slot1.1.2 可控短路结构[10-12]在天线的适当位置加载可控短路结构能显著的改变天线的工作频率,短路结构一般为短路针或者短路壁．加载短路结构可以改变天线电流的路径,进而改变天线的频率,实现频率可重构．文献[11]设计了一个频率可重构的单极圆形贴片天线,天线结构如图3a)．天线由2个圆形贴片组成,顶面贴片通过电容耦合的方式与中间的贴片连接,中间的贴片与同轴馈电探针连接．天线含有1对可控短路针和2对可控短路壁,控制短路结构的通断改变天线的电流路径,从而改变天线的工作频率,天线的工作方式如图3b).可以看出,通过控制合适的短路结构的通断,能重构出3个工作频段,实现4个通信频段的应用,而天线的方向图没有太大的改变．a) 天线结构b) 回波损耗图3 加载短路壁的频率可重构天线Fig.3 Frequency reconfigurable antenna with loading shorting wall1.1.3 改变天线辐射结构[13-16]改变天线辐射结构主要是通过开关来改变天线的面积或者长度,进而改变天线电流的路径和有效电长度,实则改变天线的工作模式,实现天线频率的重构．文献[13]利用纳米机电开关设计了基于PIFA天线的频率可重构天线．天线由1个基本的PIFA天线和3个共面的矩形贴片A，B，C组成,通过纳米机电开关连接基本PIFA与三个矩形贴片．纳米机电开关具有微电子机械系统(micro-electro-mechanical systems, MEMS)开关的优点(内插损耗小,较高的隔离度等),且克服了MEMS工作速度慢、工作电压较高的缺点．每个矩形贴片通过3个纳米机电开关同PIFA天线连接,控制开关的状态可以选择不同的贴片连接到天线,促使天线的电流路径与长度改变,重构天线的频率．开关的不同状态组合所对应的工作频率如表1所示表示与B相连接的开关闭合,而其他开关断开),可以看出:GSM900，GPS1575 2个频段在3个工作模式中都没有改变,而通过控制开关状态产生另外3个频段(GSM1800,PCS1900,UMTS2100),实现天线的频率可重构．文献测量表明,天线的方向图几乎没有改变,具有稳定的方向性．表1 天线工作方式Table 1 Work forms of the antenna开关状态通信频段 AB CGSM900GPS1575GSM1800ABCGSM900GPS1575PCS1900ABCGSM900GPS1575UMTS2100除了以上3种频率可重构方法外,还可以通过改变馈电系统的结构来实现频率的可重构[17-19]．在馈电系统中加入可变电抗或者开关,通过改变可变电抗的偏置电压或者开关状态来改变加载的电抗值或者馈线长度,进而改变天线的谐振模式,实现频率的可重构．1.2 方向图可重构天线辐射方向图是为了描述天线在空间不同方向辐射功率强度的不同而引入的．方向图可重构天线是通过实时改变天线结构来控制辐射方向图,实现了相控阵天线的功能．在使用可重构天线的系统中,仅仅使用一个或很少几个信号馈入端口,减少了多端口天线系统信号合成的麻烦,也消除了由多端口信号合成过程引入的信号损耗和噪声．方向图可重构天线可用于智能武器寻的、汽车和飞机雷达、无线和卫星通信网络以及空间遥感等,具有广泛的应用前景．重构天线方向图的主要手段是控制天线表面电流的分布情况,进而改变天线辐射方向．目前可重构方向图天线的设计主要通过天线的寄生原理实现[20-23]．寄生天线主要由受激单元和寄生单元两部分组成,受激单元直接与传输线相连接,而寄生单元的电流由受激单元的场感应产生．此类方向图可重构天线一般由受激单元和2个或者4个相互对称的寄生辐射单元组成,通过改变对称寄生单元的结构,可以改变寄生单元上的电流分布情况,进而使天线在保持其工作频率不变的情况下实现方向图的可重构．文献[20]设计了一个简单的基于寄生原理的方向图可重构天线,天线的基本结构如图4．该天线由1个微带八木天线和4个开关组成,改变寄生单元(反射单元和引向单元)结构可以重构天线的方向图．天线工作于两个模式:当K1，K2断开K3，K4闭合时,微带线3为引向器微带线2为反射器,记为R模式,主要波束方向为φ=31°,-3 db波束范围为3～55°;当K1，K2闭合K3，K4断开时,微带线2变为引向器微带线3为反射器,记为L模式,主要波束方向为φ=-32°,-3 db波束范围为-4～-56°．可以看出,天线的方向图得到重构,而由于天线的结构对称,频率没有变化．图4 方向图可重构微带八木天线Fig.4 Pattern reconfigurable Yagi antenna文献[21]中设计了1个方向图可重构的双频带微带天线．该天线由1个方形环和1个矩形贴片组成,同轴探针对矩形贴片进行馈电,方形环采用电容耦合的方式与矩形贴片连接．4个短路壁放置在方形环的4个边缘,其中两个直接连接到地面,两外两个通过PIN二极管开关连接到地面．通过控制PIN二极管开关的状态,改变寄生方形环单元的结构,实现方向图的可重构．当PIN二极管开关都闭合时,天线的辐射波束圆锥形辐射波,主要波束方向为θ=50°;当PIN二极管都断开时,波束为侧面辐射波,主要波束方向为θ=4°．除了通过改变寄生单元结构来重构天线的方向图外,还可以通过开关选择不同位置的辐射单元来实现[24-26]．文献[25]利用分形概念设计了一个方向图可重构的蝶形天线:天线由一个矩形贴片和两个左右对称的Hilbert曲线贴片天线构成,Hilbert 曲线贴片通过开关与矩形贴片相连．控制开关的通断状态,矩形贴片可以选择性的馈电给左边或者右边的Hilbert曲线贴片,从而改变天线表面的电流分布,使天线的主波瓣辐射方向发生偏转,实现方向图可重构．1.3 极化可重构天线随着日益复杂的电磁通信环境,无线电信号的多径衰落效应会对目前许多无线通信系统的通信质量造成严重影响．利用极化可重构天线不仅可以消除多径衰落效应,还可以增加频率的复用,所以极化可重构逐渐成为可重构天线研究的一个热点．极化可重构的主要方法有:可控馈电系统和可控缝隙．1.3.1 可控馈电系统[27-29]可控馈电系统是对馈电系统加载可变电抗或者切换馈电位置,产生不同工作模式的相对相位差,来实现极化方式的可重构．文献[27]利用可控馈电结构设计了一个可切换全部极化状态的极化可重构天线,天线结构如图5．a) 俯视图b) 3D立体图图5 可控馈电结构的极化可重构天线Fig.5 Polarization reconfigurable antenna with controlled-feed可控馈电系统包括两个馈电端口和一个装有两个变容二极管的类集总元件耦合器组成,两个馈电端口通过单刀双掷开关与射频馈电源连接,通过控制开关的状态选择不同的馈电端口和控制变容二极管的偏置电压可以使天线根据需要切换极化方式．当两个变容二级管电容值为0.15 pF时(偏置电压为15 V),天线辐射波束为线极化,且当使用端口1馈电时为水平线极化,使用端口4馈电时为垂直线极化;当变容二极管的电容值为0.909 pF(偏置电压为0.6 V)时,天线辐射波束为圆极化,且当使用端口1馈电时为右旋圆极化,使用端口4馈电时为左旋圆极化．在此过程中天线的工作频率保持在3.5 GHz基本不变．1.3.2 可控缝隙[30-32]在天线的合适位置刻蚀缝隙,通过对缝隙中的开关的控制,改变天线电流的流动路径,以产生相位差,实现极化可重构．文献[30]设计了一个简单的基于可控缝隙的极化可重构天线(图6)．该天线贴片表面刻蚀了2个相互垂直,以矩形对角线为轴对称的L形缝隙,在2个L形缝隙中的合适位置分别放置1个PIN二极管开关．同轴馈电点在矩形贴片的对角线上．通过控制开关a和开关b的状态使天线的两种工作模式的场幅度相同而相位相差90°,从而实现了圆极化的可重构．当开关a断开，开关b闭合时,TM001模式的电流直接流过开关b,而TM010模式的电流被迫绕过L形缝隙,于是两模式产生相位差,极化方式为左旋圆极化;同样,当开关a闭合，开关b断开时,极化方式为右旋圆极化．因为天线的馈电点在贴片的对角线上,且缝隙结构和开关位置关于对角线对称,所以重构的天线频率几乎没有发生变化．图6 L形缝隙极化可重构天线Fig.6 Polarization reconfigurable antenna with L-shaped slot除了以上两种方法,还可以通过改变切角结构或者切换短路针位置[33-34]来实现极化可重构．文献[34]通过切换短路针加载位置设计出了极化可重构微带天线．该天线由2个圆形贴片和2个可控短路针组成,2个圆形贴片中的一个与同轴馈电连接,另一个通过电容式耦合的方式与辐射贴片非接触式连接．选择合适的位置放置短路针,并通过2个开关控制短路针的通断,改变贴片表面的电流分布情况,进而产生2种不同的工作模式,对应不同的圆极化方式．1.4 混合可重构天线[35-38]混合可重构是根据实际需求,对天线的频率、方向和极化方式进行两个或者两个以上特性参数的重构．混合可重构天线设计比较困难,主要是结合频率可重构天线、方向图可重构天线以及极化可重构天线的设计方法．文献[35]给出了一种基于印刷振子的同时改变频率和方向图的混合可重构天线,通过开关控制天线的结构,如图7．图7 基于印刷振子的频率和方向图混合可重构天线Fig.7 Frequency and pattern reconfigurable antenna based on printed dipole当所有开关都闭合时,天线为一个带反射器的偶极子天线,波束定向辐射,工作频率范围为2.37～2.73 GHz;当所有开关都断开时,天线为一个单极子天线,波束全向辐射,工作频率范围为2.18～2.53 GHz．图8为一个频率和极化方式同时可重构的微带缝隙天线[37]．该天线由带缝隙的微带贴片天线和一个开关组成,天线同轴馈电在矩形贴片的对角线上．选择合适的馈电位置、贴片以及缝隙的大小,通过控制开关的状态可以同时改变天线的频率和极化方式．当开关闭合时,中心工作频率为4.55 GHz,辐射波的极化方式为左旋圆极化;当开关断开时,中心工作频率为4.20 GHz,辐射波的极化方式为右旋圆极化．图8 频率和极化混合可重构天线Fig.8 Frequency and polarization reconfigurable antenna2 发展趋势及待解决问题文中总结了各种功能的可重构天线的主要设计方法,并分析了其设计原理．可重构天线已经成为天线领域的研究热点,但是国内的研究开展的相对较少,尚处于起步阶段．现阶段研究的内容是可重构带阻天线、可重构超宽带天线以及并行计算在可重构天线中的优化应用．纵观国内外的文献,可重构天线的发展趋势以及还未解决的问题如下:1) 平面型结构为可重构天线的主要发展方向．由于平面型可重构天线具有易于和开关器件及其控制电路集成、体积小、容易搭载到移动通信系统中等优点,目前已引起了研究人员的广泛关注,并取得了瞩目的研究成果，有力地证明了平面型可重构天线良好的重构能力,平面型可重构天线将是可重构天线发展的主要趋势．2) 可重构天线的技术发展很大程度依赖于射频开关技术的发展．目前常用的MEMS开关和PIN二极管开关都能很好的集成到天线中,但是都有一些缺点:MEMS开关的电压较高,且切换速度慢;PIN二极管开关的偏置电路较为复杂．文献[39-40]将光电开关应用到可重构天线的设计中,具有切换速度快、电磁透明度高以及隔离性强等优点,但是关电开关的成本较高,实际应用较为困难．所以,研制性能更好的射频开关是可重构天线迈向实际应用的门槛．3) 目前对于可重构天线的研究仍然依赖于电磁仿真软件和实验,没有有效的分析和设计的理论和方法．随着智能算法的发展,一些智能算法如人工神经网络、遗传算法以及粒子群算法等都已经成功的应用到电磁优化问题中[41-45]．文献[45]通过将新型量子遗传算法与通用的空域矩量法结合,提出了一种对可重构微带天线的快速优化设计方法,结果表明结合智能算法对可重构天线进行优化具有广阔的应用前景．参考文献(References)[1] Schaubert D, Farrar F, Hayes S, et al. 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