三自由度机械手臂说明

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。

其中工业机器人是相对较新的机械电子设备，它在现代化工业生产中正扮演 着越来越重要的角色。

全自动化工业机械手有能模仿人手和手臂的某些动作功能，用固定程序搬运，抓取 物体或操作工具的自动操作装置，机械手主要由手部和运动机构组成。

按照搬运或者抓 去的物件形状、尺寸、重量、材料和作业环境等的要求的不同，手部有几种结构形式， 吸附型，托持型和夹持型等。

运动机构的功能是使手部完成各种动作：移动、转动等运 动来实现规定的动作。

机构的伸缩、升降和旋转等运动方式，称为机械手的自由度。

本 设计选用三自由度直角坐标型工业机器人，其工作方向为四个直线方向，是通过滚珠丝 杠来实现小臂与大臂的伸缩，升降。

而这些动作都是通过在步进电机的带动下进行。

在 控制器的作用下， 它将执行将工件从一条流水线抓取并运送到另一条流水线这一简单的 动作。

本篇论文主要对机械手的传动部分滚珠丝杠与步进电机进行了计算， 计算内容主要 包括工业机器人的传动机构的设计，以及其机械传动装置的选择。

另外对控制部分的描 述主要有单片机的控制方案，接线原理图以及程序流程图等。

关键词：三自由度，直角坐标，工业机器人ABSTRACTIndustrially, automatic control systems have a wide range of applications, such as automation machine tool control, computer systems, robotics. The industrial robot is a relatively new machinery and electronic equipment in the modern industry, it is playing a more and moreimportant role.Fully automated industrial machinery hand can imitate hand and arm some action function, with fixed procedures handling, grasping an object or operation tool for automatic operation device, the manipulator is mainly composed of a hand and the movement mechanism. According to the transporting or catch to object shape, size, weight, materials and working environment of the different requirements, hand there are several structure forms, adsorption, supporting and clamping type. Motion mechanism is the function of the hand to complete a variety of actions: moving, rotating movement to achieve the required action. Body stretching, lifting and rotating movement, known as the degrees of freedom manipulator. The design of three degree of freedom industrial robot in Cartesian coordinate type, which is composed of four linear direction, through ball screw to realize small arm and the arm stretching, lifting. These movements are all based on the stepper motor driven by. Under the action of the controller, it will perform a workpiece from one production line to crawl and transported to another line of this simple action.This paper focuses on the manipulator drive portion of the ball screw and the stepping motor were calculated, calculate the content mainly includes industrial robot design of the transmission mechanism, and the mechanical transmission device selection. In addition to the control part of the description there are single­chip microcomputer control scheme, the wiring diagram and the program flow diagram.Key words ：three degrees of freedom,Cartesian coordinates , industrial robot目 录1 绪论 (1)1.1 装配机械手的概述.................................................................错误！未定义书签。

辽宁工程技术大学科技方法训练论文题目基于PLC的三自由度机械手控制系统设计院（系、部）机械工程学院班级机电08-3班姓名指导教师日期2012.01.01基于PLC的三自由度机械手控制系统设计姓名和指导老师学校E-mail:摘要：伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。

因此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。

其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，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为了提高机械手在工业生产中定位的精度，介绍一种基于PLC的三自由度机械手控制系统设计方案。

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M("GS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：PLC；三自由度；机械手；步进电机；MCGS组态环境Abstract: as the electromechanical integration in various fields of applications, machinery and equipment to be automatic control component is becoming more and more important, because the job needs, people are often high temperature, corrosion and poisonous gas of the factors such as harm, increased the labor intensity, and even life-threatening. So in this manipulator, was born in the system of industrial robot manipulator is the task of traditional executive mechanism, and is one of the key components of the robot. One of the industrial manipulator is modern automatic control field appeared in a new technology, the development of it is due to its positive role is increasingly been recognized: it can partly replace artificial operation; According to the production requirements, follow a certain procedure, time and location to complete the transfer and loading and unloading; Can make the necessary tools to carry out welding and assembly thereby greatly improve the labor conditions, significantly improve labor productivity and the realization of the industrial production mechanization and automation pace in order to improve the manipulator in industrial production in the precision of the positioning, introduces a kind of threedegrees of freedom manipulator based on PLC control system design scheme. Scheme has been proposed in the stepping motor of the application of the manipulator positioning a new way of thinking, detailed three dof robot control system discussed the hardware structure and the software realization method, and establish the M (" GS configuration environment interface to the operation of the system monitor. Test results show that the system is stable, the precise position, has a high application value.Keywords: PLC; Three degrees of freedom; Manipulator; Stepping motor; MCGS environment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。

工业机器人课程作业报告院（系）名称：机电工程学院作业题目：三自由度圆柱坐标工业机器人班级：姓名：学号：目录1.作业要求 (3)1.1作业目的 (3)1.2作业数据 (3)1.3运动功能图符号(本次作业圆柱坐标型) (3)2.总体设计 (4)2.1组成和关系 (4)2.2设计分析 (4)3.机械系统的设计 (5)3.1末端执行机构设计 (5)3.2手臂机构的设计 (6)3.3机座机构的设计 (7)4.附件 (8)4.1总装图 (8)1.作业要求1.1作业目的1：综合运用所学只是，搜集有关资料，独立完成三自由度圆柱坐标工业机器人操作机和驱动但愿的设计工作。

如驱动元、传动机构、腰身、手臂、手腕、手抓、关节、抓钳尺寸、开合力大小等，至少设计两种以上方案。

(注意：此处无需考虑传感器，控制部分和力学计算)1.2作业数据1：自动线上A、B两条输送带之间距离为1.5米，需设计工业机器人将一个零件从A带送到B带。

2：零件尺寸：内孔Φ100、壁厚10、高100。

3：零件材料：45钢1.3运动功能图符号(本次作业圆柱坐标型)表1-1 运动功能图符号(GB/T12643-90)2.总体设计2.1组成和关系工业机器人在GB/T12643-90定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业”由执行系统、驱动系统、控制检测系统及检测系统组成。

a)机械系统：是执行完成抓取工件，实现抓取动作的必需的机构。

内容保函如下：手部(末端执行器)：直接抓取工件或夹具机构。

臂部：支承腕部的机构，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。

腕部：连接手部和臂部的机构，作用为调整及改变手部的动作。

机座：是机器人的基础部件支承手臂的部件，并承受相应的载荷，作用是带动臂部转动、升降动作。

b)驱动系统：为执行系统提供动力。

常用传动方式有机械传动、液压传动、气压传动和电传动。

c)控制系统：控制驱动系统，使执行系统按照产品的要求以及抓取的工件要求进行相应的动作，当发生系统错误或执行故障时发出提示报警信号。

本文采用DIGI-HIBW-60立体成像系统采集图像，该立体成像系统的摄像机模型采用的是加拿大Point Grey Research Inc.生产的Digiclops三目摄像机，如图2-7所示。通过三个Sony 1/3" progressive scan CCD摄像头，IEEE 1394接口，API软件接口函数，DIGI-HIBW-60立体成像系统使用户能够利用数字立体图像技术开发定制自己的应用，诸如跟踪、测量、VRML模型的建立、人机交互、自主移动机器人等方面。本文搭建的图像处理系统由DIGI-HIBW-60摄像机模型、IEEE-1394 PCI卡（如图2-8所示）、图像处理计算机三部分组成。
2.2.
工程机器人自主作业控制统是整个工程机器人自主作业系统的核心。通过数据通信系统，它与图像处理系统控制机取得联系，并接收由图像处理系统控制机送来的目标物体空间坐标，将物体坐标由摄象机空间坐标系转换为工程机器人坐标系，再进行运动学反解，计算出各关节角。通过电液比例换向阀控制器，它控制液比例换向阀的开口大小及阀芯移动方向来控制液压缸的伸缩快慢，从而控制工程机器人的作业。同时读取位移、压力传感器的传感器信号，经处理后作为反馈量同目标量进行比较运算，再将算的阀控信号送往电液比例换向阀控制器，如此反复运算直到整个运算结束，这就是工程机器人自主作业过程。
3自由度
3自由度串联关节型机械手结构简图如图1-2所示。
机械各个关节的自由度是由液压缸来改变的，从机构学的角度看，它们都是一个曲柄滑块机构。液由四组直线液压缸来控制串联关节型机械手的四个自由度（包括手部自由度）。整个液压系统由液压站、油路、电控比例换向阀、比例换向阀控制器和液压缸等组成，如图1–3所示。
工程机器人自主作业控制系统要做控制系统的算法研究，及控制系统的软硬件设计。其中工程机器人自主作业控制系统的算法研究我们将在第四章做详细介绍，控制系统的软硬件设计将在第五章做介绍。

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。

南京工程学院先进制造技术工程中心电测实验室三自由度气动爪式机械手说明书目录1.三自由度气动机械手简介 (1)2.安装说明 (3)3.操作说明 (6)A.机械手初始状态调整 (6)B.各部件常规检测和使用 (7)C.主控制系统的功能介绍及使用方法 (8)4.气缸使用简介........................................................................ (88)5.电磁阀使用简介.................................................................... (99)6.操作注意事项........................................................................ (99) (99)7.使用常见故障排除................................................................8.机械手的保养...................................................................... (1010)A.机械手的日常维护 (10)B.机械手的防尘 (10)11.参考C程序 (11)1.三自由度气动机械手简介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。

由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。

本气动机械手有气控机械手、单片机控制器或是PLC控制、旋转基座等机械部分、气动元件以及气泵组成。

主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。

2.2.1基座………………………………………………………………6
2.2.2机械臂……………………………………………………………6
2.3机械手的设计……………………………………………………………6
2.4驱动方式…………………………………………………………………8
2.5传动方式…………………………………………………………………9
“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。
机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。
第1章绪论…………………………………………………………………………5
1.1机器人概述………………………………………………………………5
第2章机器人实验平台介绍及机械手的设计……………………………………6
2.1自由度及关节……………………………………………………………6
2.2基座及连杆………………………………………………………………6
SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
课程设计说明书
三自由度机械手臂设计
学院：农业工程与食品科学学院
专业：农业机械化及其自动化
学生姓名：赵国0911034036
学生姓名：李继飞0911034030
学生姓名：程小岩0912034039
指导教师：程卫东
2013年1月
摘要
在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教Байду номын сангаас现的方式。

机械手的手腕结构与手臂结构设(C A D图)题目1、机械手的手腕结构与手臂结构设（CAD图）机械手的手腕结构方案设计考虑机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。

因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。

机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。

手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。

机械手的主要参数1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。

故该机械手主参数定为10公斤，高速动作时抓重减半。

使用吸盘式手部时可吸附5公斤的重物。

2、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。

操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。

而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。

该机械手最大移动速度设计为1.2m/s，最大回转速度设计为1200°/s，平均移动速度为lm/s，平均回转速度为900°/s。

机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。

除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。

大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。

过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。

在这种情况下宜采用自动传送装置为好。

根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1500mm，手臂安装前后可调200mm。

手臂回转行程范围定为2400(应大于180否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。

手臂升降行程定为150mm。

定位精度也是基本参数之一。

该机械手的定位精度为土0.5～±lmm机械手的技术参数列表一、用途:用于 100 吨以上冲床上下料。

臂部作水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力， 包括油（气）缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与 支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中 的惯性力。驱动力Pq(N)可按下式计算：
Pq Fm Fg
2、臂部回转运动驱动力矩的计算
臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩 与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于升速过程一 般不是等加速运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大 一些，一般取平均的1.3倍。驱动力矩 M q (可N 按• m下) 式计 算：
此种传动机构的结构紧凑、轻巧、传动扭矩大， 能提高机械手的工作性能。在示教型的机械手中， 采用这类传动机构作手腕结构的比较多，但缺点 是手腕有一个“诱导运动”，因而要补偿。
下图为给图4-44所示手腕增加一个 3回60转 运动 后成为RBR三自由度手腕的传动示意图。当油缸1 中的活塞作左右移动时，通过链条、链轮2、锥齿 轮3和4带动花键轴5和6转动，而花键轴6与行星 架9连成一体，因而也就带动行星架作回转运动， 即为手腕所增加的作 的回36转0运动。
以由B关节和R关节组成许多种形式。此外，B关节 和R关节排列的次序不同，也会产生不同的效果， 也产生了其它形式的三自由度手腕。为了使手腕结 构紧凑，通常把两个B关节安装在一个十字接头上， 这对于BBR手腕来说大大减小了手腕纵向尺寸。
2.按驱动方式分类
(1)直接驱动手腕。
手腕因为装在手臂末端,所以必须设计得十分紧凑， 可以把驱动源装在手腕上。下图所示是Moog公司的 一种液压直接驱动的BBR手腕，设计紧凑巧妙。Ml、 M2 、M3是液压马达,直接驱动手腕的偏转、俯仰和翻转 三个自由度轴。这种直接驱动手腕的关键是能否选到 尺寸小、重量轻而驱动力矩大、驱动特性好的驱动电 机或液压驱动马达。

摘要机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，由其控制系统执行预定的程序实现对工件的定位夹持。

完全取代了人力，节省了劳动资源，提高了生产效率。

本设计以实现铣床自动上下料为目的，设计了个水平伸缩距为200mm，垂直伸缩距为200mm具有三个自由度的铣床上下料机械手。

机械手三个自由度分别是机身的旋转，手臂的升降，以及机身的升降。

在设计过程中，确定了铣床上下料机械手的总体方案，并对铣床上下料机械手的总体结构进行了设计，对一些部件进行了参数确定以及对主要的零部件进行了计算和校核。

以单片机为控制手段，设计了机械手的自动控制系统，实现了对铣床上下料机械手的准确控制。

关键词：机械手；三自由度；上下料；单片机AbstractManipulator , an automation equipment with function of grabbing and moving the workpiece ,is used in an automated production process.It perform scheduled program by the control system to realize the function of the positioning of the workpiece clamping. It completely replace the human, saving labor resources, and improve production efficiency.This design is to achieve milling automatic loading and unloading .Design a manipulator with three degrees of freedom and 200mm horizontal stretching distance, 120mm vertical telescopic distance. Three degrees of freedom of the manipulator is body rotation, arm movements, as well as the movements of the body. In the design process, determine the overall scheme of the milling machine loading and unloading manipulator and milling machine loading and unloading manipulator, the overall structure of the design parameters of some components as well as the main components of the calculation and verification. In the means of Single-chip microcomputer for controlling, design the automatic control system of the manipulator and achieve accurate control of the milling machine loading and unloading.Key words: Manipulator; Three Degrees of Freedom; Loading and unloading; single chip microcomputer目录摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I第1章绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11.1选题背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． (1)1.2设计目的．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11.3国内外研究现状和趋势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21.4设计原则．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2第2章设计方案的论证．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32.1 机械手的总体设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32.1.1机械手总体结构的类型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32.1.2 设计具体采用方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42.2 机械手腰座结构设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．52.2.1 机械手腰座结构设计要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．52.2.2 具体设计采用方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．52.3 机械手手臂的结构设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．62.3.1机械手手臂的设计要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．62.3.2 设计具体采用方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．72.4 设计机械手手部连接方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．72.5 机械手末端执行器（手部）的结构设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．82.5.1 机械手末端执行器的设计要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．82.5.2 机械手夹持器的运动和驱动方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．92.5.3 机械手夹持器的典型结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．92.6 机械手的机械传动机构的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．102.6.1 工业机械手传动机构设计应注意的问题．．．．．．．．．．．．．．．．．．．102.6.2 工业机械手传动机构常用的机构形式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．102.6.3 设计具体采用方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．122.7 机械手驱动系统的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．122.7.1 机械手各类驱动系统的特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．122.7.2 机械手液压驱动系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．132.7.3机身摆动驱动元件的选取．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．132.7.4 设计具体采用方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．142.8 机械手手臂的平衡机构设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14第3章理论分析和设计计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．163.1 液压传动系统设计计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．163.1.1 确定液压传动系统基本方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．163.1.2 拟定液压执行元件运动控制回路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．173.1.3 液压源系统的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．173.1.4 确定液压系统的主要参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．173.1.5 计算和选择液压元件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．243.1.6机械手爪各结构尺寸的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26 第4章机械手控制系统的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．284.1 系统总体方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．284.2 各芯片工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．284.2.1 串口转换芯片．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．284.2.2 单片机．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．294.2.3 8279芯片．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．304.2.4 译码器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．314.2.5 放大芯片．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．324.3 电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．334.3.1 显示电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．334.3.2 键盘电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．334.4 复位电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．334.5 晶体振荡电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．344.6 传感器的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．38CONTENTS Abstract (I)Chapter 1 Introduction (1)1.1 background (1)1.2 design purpose (1)1.3 domestic and foreign research present situation and trends (2)1.4 design principles (2)Chapter 2 Design of the demonstration (3)2.1manipulator overall design (3)2.1.1 manipulator overall structure type (3)2.1.2 design adopts the scheme (4)2.2 lumbar base structure design of mechanical hand (5)2.2.1 manipulator lumbar base structure design requirements (5)2.2.2specific design schemes (5)2.3mechanical arm structure design (6)2.3.1 manipulator arm design requirements (6)2.3.2 design adopts the scheme (7)2.4 design of mechanical hand connection mode (7)2.5 the manipulator end-effector structure design (8)2.5.1 manipulator end-effector design requirements (8)2.5.2 manipulator gripper motion and driving method (9)2.5.3 manipulator gripper structure (9)2.6 robot mechanical transmission design (10)2.6.1 industry for transmission mechanism of manipulator design shouldpay attention question (10)2.6.2 industrial machinery hand transmission mechanism commonlyused form of institution (10)2.6.3 design adopts the scheme (12)2.7 mechanical arm drive system design (12)2.7.1 manipulator of various characteristics of the drive system (12)2.7.2 hydraulic drive system for a manipulator (13)2.7.3 Body swing the selection of drive components (13)2.7.4 Design the specific use of the program (14)2.8 mechanical arm balance mechanism design (14)Chapter 3 Theoretical analysis and design calculation (16)3.1 hydraulic system design and calculation (16)3.1.1 the basic scheme of hydrauic transmission system (16)3.1.2 formulation of the hydraulic actuator control circuit (17)3.1.3 hydraulic source system design (17)3.1.4 determine the main parameters of the hydraulic system (17)3.1.5 calculation and selection of hydraulic components (24)3.1.6 Manipulator calculation of the structural dimensions (26)Chapter 4 The robot control system design (28)4.1 Overall scheme (28)4.2 Chip works (28)4.2.1 serial conversion chip (28)4.2.2 MCU (29)4.2.3 8279 chip (30)4.2 .4 decoder (31)4.2.5 amplifier chip (32)4.3 Circuit design (33)4.3.1 show the circuit design (33)4.3.2 The keyboard circuit design (33)4.4 Reset circuit design (33)4.5 crystal oscillation circuit design (34)4.6 sensor selection (34)Conclusion (36)Acknowledgements (37)References (38)第1章绪论1.1选题背景机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

图 ３机械 手 循 环 动 作 过 程示 意 图
停止信号 ： 下限位开关得 电。 动作 ７ ： 开始信号 ： 下限位开关得 电。 动 作 ： 手指松开动作 。 停止信号 ： 手指限位开关得 电。
动 作 ８ ： 开始信 号 ： 手指限位开关得电。
・
ｌ ２・
动 作 ： 手臂上摆 动作 。 停止信号 ： 上限位开关得 电。 动作 ９ ： 开始信号 ： 上限位开关得 电。 动 作 ： 回转腰右转动作 。 停止信号 ： 右限位开关得 电。机械手 回复初始状态 。
科 技 论 坛
・１ １・
Ｐ Ｃ控制三 自由度机械手控制部分分析 与设计 Ｌ
黄 智 英
（ 巴音 郭楞职业技术学院， 疆 巴音郭楞 ８ １０ ） 新 ４ ０ ０
摘
要： 本文主要 分析 和论述如何利 用 Ｐ Ｃ控制技 术 ， Ｌ 实现机械 手的握 、 移 等动作 ， 实现机 械手在 左右， 举、 并 前后 ， 上下三方向 自由
图 ２ 三 自 由度 机 械 手 结构 示 意 图
开始信号 ： 压力感应器得电。
动 作 ： 手臂 上 摆 动 作 。 停 止信号 ： 上限位开关得电。 动作 ４ ： 开始信号 ： 限位开关得电。 上 动 作 ： 回转腰左转动作。 停止信号 ： 限位开关得电。 左 动作 ５ ： 开始信号 ： 限位开关得 电。 上 动 作 ： 回转腰左转动作。 停止信号 ： 左限位开关得电。 动作 ６ ： 开始信号 ： 限位开关得电。 左 动 作 ： 臂 下 摆 动 作 。 手
一
表 １ 三 自 由度 机 械 手 Ｉ 分 配 表 ： ／ Ｏ
最 大 抓 重 ：Ｏ ｇ ｌＯ
手 指 夹 持 工 件 最 大 直径 ：０ ｍ ４ｒ ａ 手臂上下摆动角度 ：０ ６。 手臂 回转角度 ：Ｏ ９。 运料频率 ： ５次 ／ ｉ ｍｎ 三 自由度机械手结构如 图 ２所示 ，主要 由机械手指夹持机构 、 机械手臂上下摆动机构 、 机械腰 回转机构 、 固定底座等构成。 ２ 工 作原 理 及 分 析

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。

三自由度机械臂设计1. 引言机械臂是一种能够模拟人类手臂运动的机械装置，广泛应用于工业自动化、医疗手术、空间探索等领域。

本文将介绍三自由度机械臂的设计原理、结构和控制方法。

2. 三自由度机械臂的定义三自由度机械臂是指具有三个独立运动自由度的机械臂。

它通常由底座、臂1、臂2和末端执行器组成。

臂1和臂2之间通过转动关节连接，末端执行器可以在三维空间内执行各种任务。

3. 三自由度机械臂的结构三自由度机械臂的结构通常采用串联结构，即每个关节依次连接在一起。

关节通常采用旋转关节或者滑动关节，以实现臂的运动。

三自由度机械臂的底座是固定不动的，通过第一个关节与臂1连接。

臂1和臂2之间通过第二个关节连接，第二个关节使得臂2能够绕臂1旋转。

第三个关节连接在臂2的末端，用于连接末端执行器。

4. 三自由度机械臂的运动学分析三自由度机械臂的运动学分析是研究机械臂末端位置和姿态的方法。

通过运动学分析，可以确定机械臂各关节的运动范围和工作空间。

三自由度机械臂的运动学方程可以通过解析方法或者数值方法求解。

解析方法通常基于几何关系和三角函数的运算，可以得到精确的解析解。

数值方法通常通过迭代计算，可以得到近似解。

5. 三自由度机械臂的动力学分析三自由度机械臂的动力学分析是研究机械臂受力和运动响应的方法。

通过动力学分析，可以确定机械臂的运动惯性、关节力矩和末端执行器的力矩。

三自由度机械臂的动力学方程可以通过拉格朗日方程或牛顿-欧拉方程求解。

这些方程描述了机械臂的运动学和动力学关系，可以用于控制机械臂的运动。

6. 三自由度机械臂的控制方法三自由度机械臂的控制方法包括位置控制、速度控制和力控制。

位置控制是控制机械臂末端位置的方法，速度控制是控制机械臂关节速度的方法，力控制是控制机械臂末端力的方法。

位置控制通常采用PID控制器或者模糊控制器。

PID控制器通过比较实际位置和期望位置的差异，调整关节角度以使机械臂末端达到期望位置。

模糊控制器通过模糊逻辑和规则库，根据实际位置和期望位置的差异调整关节角度。

题目：三自由度机械手结构与原理研究学院：轻型产业学院专业：电气工程及其自动化姓名：丛榆坤指导教师：蔡小五完成日期：2014年5月11日毕业论文任务书毕业论文题目：三自由度机械手结构与原理研究选题意义、创新性、科学性和可行性论证：近年来，我国乃至世界三自由度机械手发展十分迅速，其数量和规模不断提高，所以对三自由度机械手的熟知变得愈发重要。

为体现出三自由度机械手的现实价值，在此我们对三自由度机械手结构设计与工作原理做一细致分析。

主要内容：基于对三自由度机械手的结构与原理分析，通过编写相关程序控制机械手运动。

首先，了解机械手的发展现状；其次，对其硬件的选择及软件的使用做一说明；最后，通过实验，使理论与实际相结合，观察机械手的运动状况。

目的要求：为了培养学生在实践中运用所学的专业知识，强调理论联系实际的学习态度，提高分析问题和解决问题的能力。

培养学生掌握计算机操作技术，运用计算机编写程序进行模拟操作。

计划进度：1. 毕业论文选题(2013.09.01~2013.10.31)2. 确定毕业论文写作提纲(2013.11.01~2013.12.31)3. 形成毕业论文初稿(2014.01.01~2014.02.28)4. 形成毕业论文修改稿(2014.03.01~2014.04.30)5. 形成毕业论文终稿(2014.05.01~2014.05.18)6. 答辩(2014.05.19~2014.05.26)指导教师签字：主管院长（系主任）签字：年月日辽宁大学本科毕业论文（设计）指导记录表论文题目三自由度机械手结构与原理研究学生姓名丛榆坤学号102703104 年级、专业2010级电气工程及其自动化指导教师姓名蔡小五指导教师职称副教授所在院系轻型产业学院第一次指导（对确定题目、毕业论文（设计）任务书的指导意见）：确定论文题目为：三自由度机械手结构与原理研究独立查阅毕业论文资料。

围绕课题题目收集、阅读有关文献资料。

一、总体方案设计1.1设计任务基本要求:设计一个多自由度机械手（至少要有三个自由度）将最大重量为40Kg的工件，由车间的一条流水线搬到别一条线上；二条流水线的距离为：1000mm；工作节拍为：70s；工件：最大直径为160mm 的棒料；1.2总体方案确定1.2.1自由度自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的开合自由度。

自由度表示了机器人灵活的尺度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。

机械手的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是结构也越复杂，自由度的增加也意味着机械手整体重量的增加。

轻型化与灵活性和抓取能力是一对矛盾，，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活性和轻量化之间必须做出选择。

工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。

一般通用机械手有5～6个自由度即可满足使用要求（其中臂部有3个自由度，腕部和行走装置有2～3个自由度），专用机械手有1～2个自由度即可满足使用要求。

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动作。

在满足前提条件上尽量使结构简单，所以我们这次选择5自由度机械手。

1.2.2机械手基本形式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：特点：操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置。

优缺点：结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低。

结构图：(2)圆柱坐标型机械手：特点：操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置。

优缺点：结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高。

结构图：( 3)球坐标(极坐标)型机械手：特点：操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置。

图1 3关节平面机械臂1.3关节平面机械臂⏹3关节平面机械臂有3个自由度，关节1有1个自由度，关节2有1个自由度，关节3有1个自由度⏹机器人手臂的几何尺寸（mm）：关节1长度：L1关节2长度：L2关节3长度：L3⏹关节的运动范围（右手）：如表1所示。

2.机器人手臂的坐标系建立参考坐标系(1) 为了对3关节平面机械臂进行控制，同时也便于描述机器人的动作状态，必须建立适当的初始坐标系。

我们设定机械臂的初始姿态：关节1、关节2和关节3均处于水平姿态，与世界坐标系（x0,y0）的x0轴的夹角为0度。

参考坐标系（实验室坐标系）的设定如图1所示:X轴：从关节i到关节i+1的方向定义为X轴，即沿连杆方向y轴：根据X轴和Z轴的方向，以右手螺旋法则确定Z轴：沿关节轴方向，即垂直纸面，从里向外为Z轴正方向(2) 连杆参数连杆参数列表如表2所示。

表2 连杆参数正解：连杆之间的齐次变换矩阵为：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=100001000000111101c s s c T 221221200000100001c s L s c T -⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦33233230000010001c s L s c T -⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦()()1231231231231231231231231121212001212312312312312312312312311212123123()0000100001c c c s s c c s s s c s s c c c s c c c s s s s L c L c c s s s c c c s c c c s s s s c c c s s c c s s s c s L s L s c c s T T T T ⎡----++-+-⎤⎢⎥++----++⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎣⎦(1)12312311212123123112120012312300001001c s L c L c s c L s L s T T T T -+⎡⎤⎢⎥+⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎣⎦(2)0012312300010001c s x s c y T T T T φφφφ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎣⎦(3)其中c 1: cos Θ1 (4) c 2: cos Θ2 (5) s 1: sin Θ1 (6) s 1: sin Θ1 (7)123c c φ= (8) 123s s φ= (9)11212x L c L c =+ (10) 11212y L s L s =+ (11)式(1)为3关节平面机械臂的变换矩阵，式(2)为采用三角函数和差角公式化简得到的，式(3)为式(2)的简化表示，式(4)- 式(11)为简化符号的详细表示。

题目: 通用机械臂机构设计目录1.绪论 (1)选题背景 (1)国内外研究现状和趋势.............................. 错误!未定义书签。

机械臂的组成....................................... 错误!未定义书签。

设计目的.......................................... 错误!未定义书签。

研究内容........................................... 错误!未定义书签。

2.机械臂的总体设计方案............................. 错误!未定义书签。

机械臂总体结构的类型.............................. 错误!未定义书签。

机械臂主要部件及其运动............................. 错误!未定义书签。

驱动机构选择....................................... 错误!未定义书签。

机械臂技术参数..................................... 错误!未定义书签。

3.机械臂手部计算................................... 错误!未定义书签。

手部设计基本要求................................... 错误!未定义书签。

典型手部结构....................................... 错误!未定义书签。

机械臂手爪的设计计算............................... 错误!未定义书签。

4.腕部的设计计算................................... 错误!未定义书签。

腕部设计基本要求................................... 错误!未定义书签。