自由度机械手运动控制

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。

本文以示教型六自由度串联机械手为试验设备，进行机械手的复杂运动控制，使机械手完成各种复杂轨迹的运动控制等功能，能够在现代工业焊接、喷漆等方面的任务。

本文从运动学分析的基础上着手研究轨迹控制的问题，利用运动学逆解的方式分析复杂轨迹运动的可行性和实用性。

目前，六自由度机械手的复杂运动控制已经有了比较好的逆解算法，也有一些针对欠自由度机械手的逆解算法。

逆解算法求出的解不是唯一的，它能使机械手达到更多位姿，完成大部分的原计划任务，但其中的一些解并不是最优化的，因此必须讨论其反解的存在性和唯一性。

本文通过建立机械手的笛卡尔坐标系，推导出机械手的正、逆运动学矩阵方程，并研究了正、逆运动学方程的解；在此基础上建立机械手的工作空间，并讨论其工作空间的灵活性和存在可能性。

因此本文的另一种方式对六自由度串联机械手的复杂运动控制问题进行研究，提出以机械手示教手柄引导末端执行器对复杂运动轨迹进行预设计。

然后通过记录程序进行复杂轨迹的再实现，再对记录程序进行预修改，最终通过现有的程序进行设计编程完成复杂轨迹设计任务。

并利用MATLAB对轨迹进行仿真，对比其实际与计算的正确性。

最后本设计通过六自由度串联机械手实现平面文字轨迹，得出其设计的方式。

即首先利用示教手柄实现轨迹预设，记录预设轨迹程序，然后再对比程序初始化坐标进行手动编程。

关键词：六自由度机械手，笛卡尔坐标系，运动学方程，仿真，示教手柄ABSTRACTIn this paper, mechanical hand control the complex movement based on the series of six degrees of freedom manipulator so that the mechanical hand complete the complex trajectory of the movement control functions. In modern industrial welding, painting, and other aspects of the mandate can be used.This article based on the analysis of kinematics to study the trajectory control problems, use of inverse kinematics of the complex mode of tracking movement of the feasibility and practicality. At present, the six degrees of freedom manipulator complex movement has been relatively good control of the inverse algorithm.There are also some less freedom for the inverse of the manipulator algorithm. Solutions sought by inverse algorithm is not the only solution, it can reach more manipulator Pose, originally planned to complete most of the task.But some of these solutions is not the most optimal, it is necessary to discuss their anti-the existence of solutions and uniqueness.Through the establishment of the manipulator Cartesian coordinates, derived manipulator is the inverse kinematics matrix equation and the study is the inverse kinematics of the equation solution on the basis of this establishment manipulator working space. And discuss their work space The flexibility and the possibility exists.So in another way to the six degrees of freedom series manipulator motion control the complex issues of research, to handle the machinery Shoushi guide for the implementation of the end of the complex pre-designed trajectory. Then track record of the complicated procedure to achieve, and then record the pre-amended procedures.The eventual adoption of the existing procedures designed trajectory design of complex programming tasks. And using MATLAB simulation of the track, compared with its actual calculation is correct.The final design through six degrees of freedom series manipulator track to achieve flat text, draw their design approach. That is, first of all use of teaching handle achieve trajectory default the track record of default procedures, and then compared to manual procedures initialized coordinate programming.key words：Six degree-of-freedom manipulators，Cartesian coordinates，Equations of motion，Simulation，Demonstration handle.绪论 (1)课题研究背景和意义 (1)国内外研究状况 (2)六自由度机械手复杂运动控制的现实意义 (4)课题的提出 (5)本课题研究的主要内容 (5)串联机器人运动学 (7)2.1 机器人运动学方程的表示 (7)2.1.1 运动姿态和方向角 (8)2.1.2 运动位置和坐标 (9)2.1.3 连杆变换矩阵及其乘和 (12)2.2 机械手运动方程的求解 (15)2.2.1 欧拉变换解 (16)2.2.2 滚、仰、偏变换解 (20)2.2.3 球面变换解 (21)2.3 反解的存在性和唯一性 (23)2.3.1 反解的存在性和工作空间 (23)2.3.2 反解的唯一性和最优解 (24)2.3.3 求解方法 (25)六自由度机械手的平面复杂轨迹设计及运动学分析 (27)3.1 系统描述及机械手运动轨迹设计方式 (27)3.1.1 机器人技术参数一览表 (27)3.1.2 机器人控制系统软件的主界面 (27)3.1.3 机器人各部位和动作轴名称 (28)3.1.4 机械手运动轨迹设计方式 (29)3.2 平面复杂轨迹设计目的 (33)3.2.1“西”字的轨迹设计和分析 (33)3.2.2“南”字的轨迹设计和分析 (34)3.2.3机械手的起始位姿和末态位姿 (35)3.3机械手轨迹设计中坐标系的建立 (35)3.4 平面轨迹设计的正运动学分析 (43)3.4.1平面轨迹设计的正运动学分析原理 (43)3.4.2 正运动学分析步骤及计算 (44)3.5 平面轨迹设计的逆运动学分析 (45)3.5.1 平面轨迹设计的逆运动学分析原理 (45)3.5.2.逆运动学分析步骤及计算 (46)设计实现过程和MA TLAB仿真计算 (50)4.1 设计实现过程 (50)4.2 MA TLAB仿真计算 (53)结论与展望 (57)5.1 结论 (57)5.2 展望 (58)致谢 (59)参考文献 (60)第一章绪论1.1 课题研究背景和意义在现代制造行业中，先进的制造技术不断的代替传统的加工方法和操作方式。

6自由度机械手的算法介绍6自由度机械手是一种具有6个自由度的机械臂，可以在空间中完成复杂的运动任务。

为了实现机械手的精确控制和运动规划，需要使用一系列算法来实现。

本文将探讨6自由度机械手的算法，包括逆运动学、正运动学、轨迹规划等。

逆运动学逆运动学是指已知机械手末端位置和姿态，计算出各个关节角度的过程。

对于6自由度机械手而言，逆运动学问题是一个复杂的数学问题。

以下是逆运动学算法的基本步骤：1.确定机械手的DH参数，包括关节长度、关节偏移、关节旋转角度等。

2.根据机械手的DH参数，构建正运动学方程，即末端位置和关节角度的关系。

3.根据末端位置和姿态，求解正运动学方程，得到关节角度的解。

4.对于多解的情况，选择最优解，例如使关节角度变化最小或满足特定约束条件的解。

正运动学正运动学是指已知机械手各个关节角度，计算出末端位置和姿态的过程。

对于6自由度机械手而言，正运动学问题相对简单，可以通过矩阵变换来实现。

以下是正运动学算法的基本步骤：1.确定机械手的DH参数。

2.根据机械手的DH参数，构建正运动学方程，即关节角度和末端位置的关系。

3.根据关节角度，求解正运动学方程，得到末端位置的解。

轨迹规划轨迹规划是指在给定起始位置和目标位置的情况下，确定机械手的运动路径和速度的过程。

对于6自由度机械手而言，轨迹规划需要考虑运动的平滑性和避免碰撞等因素。

以下是轨迹规划算法的基本步骤：1.确定起始位置和目标位置。

2.根据起始位置和目标位置，计算出机械手的途径点和运动方向。

3.根据途径点和运动方向，生成平滑的运动路径。

4.考虑机械手的运动速度和加速度，生成合适的速度曲线。

5.考虑碰撞检测，避免机械手和其他物体的碰撞。

动力学建模动力学建模是指根据机械手的结构和参数，建立机械手的运动学和动力学模型的过程。

对于6自由度机械手而言，动力学建模需要考虑关节间的耦合效应和惯性等因素。

以下是动力学建模的基本步骤：1.确定机械手的质量、惯性等参数。

基于MATLAB五自由度机械手运动学仿真分析五自由度机械手是一种具有五个独立自由度的机械装置，可以实现复杂的姿态和路径规划。

为了研究其运动学特性，可以使用MATLAB进行仿真分析。

本文将基于MATLAB对五自由度机械手的运动学进行仿真分析，包括直接运动学和逆运动学。

首先，我们需要定义机械手的结构和参数。

五自由度机械手通常由五个关节连接而成，每个关节的旋转角度可以通过电机控制。

我们可以使用DH参数建立机械手的运动学模型，在MATLAB中定义每个关节的DH参数。

DH参数包括关节的长度、偏移、旋转角度和连接方式等。

在定义了机械手的结构和参数之后，我们可以进行直接运动学分析。

直接运动学是指根据机械手的关节角度计算末端执行器的位置和姿态。

在MATLAB中，可以使用正运动学算法根据给定的关节角度计算末端执行器的位置和姿态。

这个过程可以通过建立运动学模型和坐标变换矩阵实现，在MATLAB中可以使用符号计算工具箱对模型进行符号计算，得到末端执行器的位置和姿态的闭式解。

接下来，我们可以进行逆运动学分析。

逆运动学是指根据机械手的末端执行器位置和姿态计算关节角度。

在MATLAB中，可以使用逆运动学算法根据给定的末端执行器的位置和姿态计算关节角度。

这个过程通常需要使用数值方法进行迭代求解，MATLAB提供了多种数值求解方法，如牛顿法和Levenberg-Marquardt算法等。

我们可以使用这些算法对逆运动学进行求解，得到关节角度的解。

在进行仿真分析之前，我们还需要定义机械手的工作空间。

工作空间是机械手可以达到的位置和姿态的集合。

对于五自由度机械手，可以使用三维空间中的一个区域表示其工作空间。

在MATLAB中，可以定义一个三维空间的体积，在此体积内的点被认为是机械手的工作空间。

在MATLAB中进行仿真分析时，可以使用图形界面工具进行交互式仿真分析。

MATLAB提供了多种可视化和动画功能，可以实时显示机械手的运动过程和工作空间。

五自由度机械手抓取运动学逆解算法python五自由度机械手抓取运动学逆解算法Python实现1. 引言在现代工业生产中，机械手广泛应用于物料搬运和生产操作等领域。

其中，五自由度机械手是一种常见且经济高效的机械手类型。

机械手的关键问题之一是运动学逆解算法，即根据末端执行器（抓爪）位置和姿态，计算关节坐标以实现准确抓取动作。

本文将介绍基于Python 语言的五自由度机械手抓取运动学逆解算法的实现方法，以帮助读者理解和应用该算法。

2. 五自由度机械手运动学概述五自由度机械手具有五个关节，分别控制机械手的运动。

机械手的抓取运动学逆解算法的目的是根据末端执行器的位置和姿态，计算出五个关节的坐标。

3. 运动学逆解算法的基本原理（1）确定末端执行器的位置和姿态我们需要确定末端执行器的位置和姿态。

通过传感器或外部测量，可以获取末端执行器的三维坐标和姿态数据。

（2）坐标转换将末端执行器的位置和姿态数据，转换为机械手坐标系中的坐标数据。

这需要进行坐标系的变换和旋转运算。

（3）运动学逆解算法根据机械手的机构参数、关节类型和末端执行器的坐标数据，可以利用几何方法或数值计算方法，计算出机械手的关节坐标。

4. 五自由度机械手抓取运动学逆解算法的Python实现为了实现五自由度机械手的抓取运动学逆解算法，我们可以使用Python编程语言。

下面是该算法的实现步骤。

（1）导入所需库和模块我们首先导入所需的库和模块，例如NumPy库用于数值计算和矩阵操作。

（2）定义机械手参数根据实际机械手的参数，我们定义关节长度、关节类型和关节个数等参数。

（3）定义逆解算函数编写一个逆解算函数，输入为末端执行器的位置和姿态数据，输出为机械手的关节坐标。

函数内部实现逆解算的算法。

（4）编写主程序编写主程序来调用逆解算函数，并输出结果。

5. 个人观点和理解五自由度机械手抓取运动学逆解算法是机械手控制领域的重要研究内容。

通过深入理解运动学逆解算法，我们可以更好地控制机械手的运动，实现精准的抓取操作。

六自由度机械手的坐标建立及运动学分析1.坐标建立：在六自由度机械手的坐标建立中，一般采用DH约定法（Denavit-Hartenberg法）来建立坐标系。

DH法是一种常用的方法，能够简化坐标系的描述，方便运动学分析。

首先，根据机械手的实际结构和运动方式，确定基座系（O-1-X1-Y1-Z1）和工具系（O-6-X6-Y6-Z6）两个坐标系。

其中，基座系固定在机械手的基座上，而工具系固定在机械手臂的末端执行器部分。

然后，根据机械手的连杆关系，逐个确定每个连杆的坐标系。

对于每个连杆的坐标系，可以通过以下几个步骤确定：1）确定连杆旋转轴，选择旋转轴为Z轴。

2）确定连杆的连杆中心线与相邻连杆中心线的夹角，选择夹角为连杆坐标系的转角θ。

3）确定连杆坐标系的原点与相邻连杆坐标系的原点之间的距离，选择距离为连杆坐标系的运动方向z。

4）确定连杆坐标系的x轴，通过右手定则确定。

根据以上步骤，可以逐个确定各个连杆的坐标系，最终建立整个六自由度机械手的坐标系。

2.运动学分析：运动学正解是指通过给定每个关节的转角，计算末端执行器的位置和姿态。

运动学正解的计算可以采用连乘法则，从基座系逐步向前计算每个连杆的变换矩阵，最终得到末端执行器的变换矩阵。

运动学逆解是指通过给定末端执行器的位置和姿态，计算每个关节的转角。

运动学逆解的计算可以通过逆运动学方法实现，其中一种常用的方法是通过解析法，通过求解多元非线性方程组得到关节转角的解析解。

在进行运动学分析时，还需要考虑机械手的工作空间限制、奇异位置的问题以及碰撞检测等。

因此，在实际运动学分析中，可能需要进行机器人的轨迹规划和路径规划。

总结：六自由度机械手的坐标建立和运动学分析是机械手设计和控制的基础。

通过建立机械手的坐标系，可以方便地描述六自由度机械手的结构和运动方式。

而运动学分析可以通过运动学正解和逆解，实现机械手的位置和姿态的计算。

熟练掌握六自由度机械手的坐标建立和运动学分析，对于机械手的设计和控制具有重要意义。

唐山学院毕业设计设计题目：基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计系别：信息工程系班级：11电气工程及其自动化3班姓名：刘亮指导教师：田红霞2015年6月1日基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计摘要机械臂控制器作为机械臂的大脑，对于它的研究有着十分重要的意义。

随着微电子技术和控制方法的不断进步，以单片机作为控制器的控制系统越来越成熟。

本课题正是基于单片机的机械臂控制系统的研究。

本文首先介绍了国内外机械臂发展状况以及控制系统的发展状况。

其次，阐述了四自由度机械手臂控制系统的硬件电路设计及软件实现。

详细阐述了机械臂控制系统中单片机及其外围电路设计、电源电路设计和舵机驱动电路设计。

在程序设计中，着重介绍了利用微分插补法进行PWM调速的程序设计。

并给出了控制器软件设计及流程图。

最后，给出了系统调试中出现的软硬件问题，进行了详细的分析并给出了相应的解决办法。

关键词：机械臂单片机自由度舵机PWMDesign of Multi DOF Manipulator ControllerBased on MCUAbstractAs the brain of robot arm, manipulator controller is very important for its research.With the development of microelectronics technology and control method, the control system of MCU is becoming more and more mature.This thesis is based on the research of the manipulator control system of MCU.Firstly,it is introduced the development of the manipulator and the control system at home and abroad.Secondly,it is given the circuit and software design for the four DOF manipulator in this disertation.it is expatiated the Single Chip Microcomputer(SCM),the relative circuit design ,Power circuit design,and driver circuit design of manipulator control system.In the design of the program, the design of PWM speed regulation by differential interpolation is introduced emphatically. The software design and flow chart of the controller are given.Finally,it is presented the problems of hardware and software in practive given resolves.Key word: Manipulator;MCU;DOF;Steering engine;PWM目录1引言 (1)1.1研究的背景和意义 (1)1.2国内外机械臂研究现状 (2)1.2.1国外机械臂研究现状 (2)1.2.2国内机械臂研究现状 (3)1.3机械臂控制器的发展现状 (3)1.4本设计研究的任务 (4)2机械结构与控制系统概述 (5)2.1机械结构 (5)2.2控制系统 (6)2.3系统功能介绍 (8)2.4舵机工作原理与控制方法 (8)2.4.1概述 (8)2.4.2舵机的组成 (8)2.4.3舵机工作原理 (9)3系统硬件电路设计 (11)3.1时钟电路设计 (11)3.2复位电路设计 (11)3.3控制器电源电路设计 (12)3.4舵机驱动电路 (13)3.5串口通信电路设计 (13)4系统软件设计 (14)4.1四自由机械臂轨迹规划 (15)4.2主程序设计 (16)4.3舵机调速程序设计 (17)4.3.1舵机PWM信号 (17)4.3.2利用微分插补法实现对多路PWM信号的输出 (18)4.4初末位置置换子程序 (21)4.5机械爪控制程序 (22)4.6定时器中断子程序 (23)4.6.1定时器T1中断程序 (23)4.6.2定时器T0中断子程序 (24)5系统软硬件调试 (25)5.1单片机系统开发调试工具 (25)5.1.1编程器 (25)5.1.2集成开发环境Keil和Protues (25)5.2控制系统的仿真 (26)5.3软件调试 (27)5.4硬件调试 (27)5.5软硬件联合调试 (28)6结论 (29)谢辞 (30)参考文献 (31)附录 (32)1引言1.1研究的背景和意义机器人是传统的机械结构学结合现代电子技术、电机学、计算机科学、控制理论、信息科学和传感器技术等多学科综合性高新技术产物,它是一种拟生结构、高速运行、重复操作和高精度机电一体化的自动化设备。

基于PLC 的五自由度搬运机械手控制系统设计与建立①潘云忠（苏州健雄职业技术学院，江苏太仓215411）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。

五自由度机械手即能够实现五个自由度的运动（水平移动、垂直移动、伸出缩回、下降上升和夹紧松开）。

本文采用的可编程控制器是西门子公司生产的S7-200系列PLC ，其功能强大、可靠性高、抗干扰能力强、编程简便。

配套人机（HMI ）界面可采用SMART700，界面操作简单，内容丰富。

基于以上的特性，使得S7-200系列PLC 在中小型工业控制系统中被广泛应用。

本文机械手的水平移动和垂直移动驱动采用步进电机控制方式。

步进电机将PLC 输出的高速电脉冲信号转变为电机的角位移。

在通常情况下，电机的启动、停止、转速快慢只取决于输入的电脉冲信号的频率和脉冲数目。

脉冲频率控制电机的转速，脉冲的数量控制电机的角位移。

正是由于脉冲信号的频率和转速之间的这一线性关系，以及步进电机无累计误差这一特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。

机械手的夹紧松开动作由气缸控制完成。

本文设计的五自由度机械手属于电动与气压驱动混合式驱动的机械手，它综合了两种驱动方式优点，既节省了位置开关和PLC 的I/O 点数，又达到了简便操作和精确定位的目的。

一、机械手的机械结构及运动方式五自由度机械手机械结构主视图如图1所示，机械手水平方向的移动由步进电机（40）通过其上所连接的丝杆实现，垂直方向的移动由步进电机（45）通过其上所连接的丝杆实现，这两个方向的移动通过步进电机的顺时针和逆时针旋转运动实现水平左右移动和垂直上下移动。

4576465966547265804443426261645753555658414075图1机械手的机械结构主视图机械手的外伸、下降及夹紧装置采用气压驱动，并由对应的电磁阀控制，来实现对应的外伸缩回、下降上升、夹紧松开动作。

3个自由度机械手设计在机械工程领域，自由度是指机械系统能够相对于给定的参考坐标系进行自由移动的能力。

一个自由度可以定义为系统中独立运动的最小数量。

在机械手设计中，自由度是一个重要的参数，决定了机械手的灵活性和能够执行的运动任务。

以下是三个具有不同自由度的机械手设计：1.二自由度机械手二自由度机械手通常由两个旋转关节组成，分别控制机械手在水平和垂直方向上的运动。

这种机械手设计常用于需要在平面上移动和旋转物体的应用，如装配线上的零件搬运和放置。

机械手的两个关节可以通过电机和传动装置控制，使得机械手能够沿不同方向进行精确的运动。

2.三自由度机械手三自由度机械手通常由两个旋转关节和一个直线关节组成，分别控制机械手在水平、垂直和前后方向上的运动。

这种机械手设计常用于需要进行更复杂操作的应用，如工业机器人中的装配和焊接。

机械手的旋转关节可以使机械手在水平和垂直方向上进行精确的定位，直线关节可以使机械手在前后方向上进行伸缩，从而实现更加灵活的操作。

3.六自由度机械手六自由度机械手是最常见的机械手设计，通常由三个旋转关节和三个直线关节组成。

旋转关节控制机械手在水平、垂直和绕轴方向上的运动，直线关节控制机械手在前后、左右和上下方向上的运动。

这种机械手设计在许多领域中得到广泛应用，如汽车制造、医疗设备和航空航天等。

六自由度机械手的设计使得机械手能够进行复杂的运动和操作，具有较高的灵活性和精确性。

总的来说，机械手的自由度是机械手设计中的一个重要参数，决定了机械手的灵活性和能够执行的运动任务。

不同自由度的机械手适用于不同应用场景，可以根据具体需求选择合适的机械手设计。

五自由度机械手机械手是一种用于执行各种任务的机械装置，其构造和操作原理受到生物手臂的灵感。

今天我们将要介绍的是五自由度机械手，它是一种具有五个可自由移动的关节的机械手。

五自由度的定义在机械手中，自由度是指机械手关节的个数，即机械手可以自由移动的方向数目。

在五自由度机械手中，有五个关节，所以机械手可以在五个方向上自由移动。

每个关节都有自己的自由度，它们可以单独或协同工作，以实现机械手的各种操作。

五自由度机械手的结构五自由度机械手由五个关节组成，每个关节都有自己的特定功能。

这些关节通常由电机、减速器、编码器等组成，以实现精确的运动控制。

下面是五自由度机械手的各个关节的功能：1.第一关节是基座关节，它将机械手连接到固定的平台上。

它允许机械手在水平方向上旋转。

2.第二关节是肩关节，它连接基座和臂部。

它使机械手能够在垂直方向上抬起和放下。

3.第三关节是肘关节，它连接臂部和前臂。

它使机械手能够在水平方向上弯曲。

4.第四关节是前臂旋转关节，它连接前臂和手腕。

它使机械手能够在水平方向上旋转。

5.第五关节是手腕关节，它连接手腕和手部。

它使机械手能够在垂直方向上旋转。

五自由度机械手的应用五自由度机械手在工业自动化中有广泛的应用。

它们可以执行各种任务，包括搬运、装配、焊接、打磨等。

以下是一些五自由度机械手的典型应用场景：1.组装线上的机械手：机械手可以在组装线上自动完成产品的组装任务。

它们可以根据预定的程序，将零件从一个位置移动到另一个位置，并按照正确的顺序进行组装。

2.仓储和物流：机械手可以在仓库和物流中心中自动搬运货物。

它们可以根据指令从货架上取下货物并将其放入适当的位置。

3.制造业中的焊接和涂装：机械手可以用于自动焊接和涂装。

它们可以精确地控制焊接枪或涂料喷枪的位置和动作，以确保高质量的焊接和涂装作业。

4.精密装配：机械手在精密装配中起着重要作用。

它们可以准确地定位零件，并将它们组装到指定的位置。

五自由度机械手的优势五自由度机械手具有以下优势：1.灵活性：由于五自由度机械手可以在五个方向上自由移动，因此它们可以在不同的工作环境中执行各种任务。

四自由度机械手设计四自由度机械手是指具有四个独立运动自由度的机械手。

它可以在三维空间内进行灵活的运动和操作，广泛应用于工业制造、医疗护理、服务机器人等领域。

本文将从机械结构设计、运动控制系统、应用领域等方面进行论述，介绍四自由度机械手的设计。

首先，机械结构设计是四自由度机械手设计的关键。

通常，机械手由机械臂、末端执行器、关节驱动装置等组成。

在设计机械臂时，需要考虑结构的刚度、轻量化和尺寸设计等因素。

关节驱动装置可以采用电机驱动、气动驱动或液压驱动等方式，根据具体应用场景选择不同的驱动方式。

末端执行器是机械手最重要的部件之一，其设计要充分考虑操控对象的形状、尺寸和质量等要素。

其次，运动控制系统是确保机械手运动精度和灵活性的关键。

四自由度机械手通常采用闭环控制系统，通过传感器实时反馈机械手的位置、速度和力等信息，通过控制器计算控制命令，控制机械手的运动。

在控制系统设计中，需要考虑传感器的精度、控制器的计算能力和控制算法的设计等因素。

常见的控制算法有PID控制、模糊控制和自适应控制等。

最后，四自由度机械手应用领域广泛。

在工业制造中，机械手可以替代人工完成重复性、危险性和高精度的任务，如焊接、装配和搬运等。

在医疗护理领域，机械手可以用于手术助力、康复训练和辅助生活等。

在服务机器人领域，机械手可以用于家庭服务、餐厅服务和残疾人辅助等。

随着无人驾驶技术的普及，机械手还可以用于车辆维修保养和物流配送等场景。

总之，四自由度机械手的设计涉及机械结构、运动控制系统和应用领域等多个方面。

通过合理设计机械结构，构建高刚性、轻量化的机械手。

运动控制系统的设计保证机械手的运动精度和灵活性。

各个应用领域广泛使用四自由度机械手，提高生产效率和人类生活质量。

随着科技的不断进步，四自由度机械手在未来的应用前景将会更为广阔。

六自由度机械手程序使用手册
为了使六自由度机械手能够进行运动，我们将对机械手进行逐个的电机运动，确认接线是正确的;然后通过运动程序控制铁机械手的各种动作。

在本章节使用的所有的程序能够从德普施公司得到技术支持。

如果需要Keil编辑器和使用方法，请参照《Keil》的使用说明。

电机运动测试：
运行《电机测试》程序，将得到的电机运行.hex 文件烧入到芯片中，确认所有连线，观察机械手的运动情况。

机械手的运动应该是从上到下依次进行运动，如果看到此动作，说明机械手的机械安装和电机安装正确。

夹取物体：
运行《夹取物体》程序，将得到的hand.hex 文件烧入到芯片中，运行程序，可以看到机械手的动作是将物体从左边夹取到右边。

用户可根据实际情况调整电机的运动位置达到实际应用的目的。

注：连接C51教学主板和PSC板是通过P1.2口。

机械手轴数的定义
机械手是一种集成运动控制、感应、计算和执行功能的机械设备，能够在不同工作环
境下自动进行物品运输、装配、加工等一系列动作，广泛应用于制造业、物流、仓储等领域。

机械手的轴数是指机械手用于控制各个运动部件的自由度数量，通常包括以下六个方向：
1.轴1：机械手的基座转动的自由度。

轴1可以实现水平、垂直等方向的转动。

2.轴2：机械手第二个关节的自由度。

它可以实现向上和向下的运动，控制范围为
0~90度。

以上六个方向的自由度数量不是机械手轴数的绝对标准，具体根据机械手的设计和机
械功能需求来决定。

例如，有一些机械手会增加七轴用于操作物品的角度变换、测量等，
也有只有四轴或五轴的机械手用于某些特定的操作。

无论是几轴的机械手，“轴”数都是定义机械手的最基本特征之一。

根据轴数的不同，机械手的动作范围、精度、可靠性、重量和价格等均会有所不同。

因此，在设计和选择机
械手时，需要考虑所需的功能和性能，以确定最佳的轴数。

4自由度机械手设计机械手是一种用于配合工业生产的机械装置，它通过模拟人类手臂的运动来进行各种操作。

在工厂生产线上，机械手能够替代人类完成一些重复性、精确性要求高的工作，提高了生产效率和产品质量。

在设计机械手时，需要考虑到其自由度，即机械手能够自主调节其位置和姿态的能力。

在本文中，将讨论一个具有4自由度的机械手设计。

在机械手的设计中，自由度是一个重要的设计参数。

自由度决定了机械手可以进行的运动方式和工作范围。

一个具有4自由度的机械手可以进行四种独立的运动，包括平移和旋转。

在这种机械手设计中，通常会将其运动分为基座运动、肩膀运动、肘部运动和腕部运动。

基座运动是指机械手在水平方向上进行的运动。

在这种设计中，可以使用一个转动关节实现机械手在平面上的旋转。

通过控制转动关节的角度，机械手可以改变其朝向和工作范围。

肩膀运动是指机械手在垂直方向上进行的运动。

在这种设计中，可以使用一个副地方转动关节实现机械手在垂直方向上的旋转。

通过控制转动关节的角度，机械手可以实现上下移动。

肘部运动是指机械手在前后方向上进行的运动。

在这种设计中，可以使用一个副地方转动关节实现机械手在前后方向上的旋转。

通过控制转动关节的角度，机械手可以实现前后伸缩。

腕部运动是指机械手末端执行器的运动。

在这种设计中，可以使用一个转动关节实现机械手末端执行器的旋转。

通过控制转动关节的角度，机械手可以实现执行器的转动。

在设计机械手时，需要考虑到其机械结构、传动机构和控制系统等方面的问题。

机械结构的设计需要考虑到机械手的稳定性、刚度和重量等因素。

传动机构的设计需要考虑到机械手的精度、速度和可靠性等方面的要求。

控制系统的设计需要考虑到机械手的运动轨迹规划、力控制和位置控制等方面的问题。

总结来说，一个具有4自由度的机械手设计需要考虑到其基座运动、肩膀运动、肘部运动和腕部运动等方面的设计问题。

在设计过程中，需要综合考虑机械结构、传动机构和控制系统等方面的要求，以满足机械手在工厂生产线上的工作需求。

前言可编程控制器是20世纪70年代以来，在集成电路，计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。

由于具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为现实工业生产自动化的支柱产品。

近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备，自动化生产线外，国内的机床设备已越来越多采用PLC控制系统采用控制系统取代传统的继电—接触器控制系统小；价格上能与继电—接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀，接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传播数据等。

本课题是基于PLC控制四自由度机械手运行。

工业机械手是一种模仿人体上肢部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，它可以代替手的繁重劳动，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。

有着广阔的发展前途。

本课题通PLC自动控制对机械手实现机械手规定动作并实现回原点、手动方式和自动方式三种工作方式的选择，并对系统进行运行效率分析。

摘要随着工业机械手的进一步发展，其发展将更趋向于人性化、智能化并将在更加广泛的领域得到应用。

机械手是一种模仿人体上肢运动的机器，它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。

因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。

工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率和自动化水平。

通过对机械制造与自动化大学专科三年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，确定机械手的工作原理和运动机理。

设计了一种四自由度机械手，采用可编程序控制器（PLC）设计其控制系统,以提高其工作的稳定性能。

关键词：机械手梯形图PLC 电磁阀AbstractWith the further development of industrial robots, and its development tends to be more humane, intelligent and in a wider range of applications. Manipulator is a kind of imitation of the upper body movement machine, it can be scheduled according to request type or holds the automation tool operation of technical equipment, industrial automation, promote the production of industrial production of the further development plays an important role .Manipulator noted extensively and welcome by people for it has powerful vitality. Industrial robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce labor intensity, and improve labor productivity and automation level. Mechanical manufacturing and automation through the junior college for three years to integrate the knowledge of industrial manipulator mechanical structure and function of various parts of exposition and analysis to determine the robot motion principle and mechanism. Design a four-DOF manipulator to enhance the stability of their work for using the programmable logic controller to control system.Keywords: Manipulator Ladder diagram PLC Solenoid valve目录前言 (1)中文摘要 (2)英文摘要 (3)1 绪论 (5)1.1 本课题设计的背景 (6)1.2本课题设计的内容 (7)1.3 本课题设计的目的和意义 (8)2 PLC的概述 (9)2.1 PLC介绍 (9)2.2 PLC的构成 (10)2.3 PLC 的外部设备 (11)2.4 PLC的工作原理 (11)2.5 PLC的优点 (13)3 基于PLC的机械手控制方案的确定 (14)3.1 机械手的概述 (14)3.2 采用PLC控制机械手的优点 (14)3.3 机械手设计内容 (14)3.4 PLC的选型 (15)3.5 三菱FX系列的结构功能 (17)4 功能实现与控制方式 (19)4.1 机械手模型的机能和特性 (19)4.2 夹紧机构 (19)4.3 躯干 (20)4.4 旋转编码盘 (20)5 控制系统设计 (21)5.1 控制系统硬件设计 (21)5.2 PLC梯形图中的编程元件 (21)5.3 PLC的I/O分配 (22)5.4 机械手控制系统的外部接线图 (23)5.5 控制系统软件设计 (23)致谢 (37)参考文献 (38)附录（指令表） (39)1 绪论1.1 本课题设计的背景1969年美随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。

1 绪论1.1 工业机器人简介]1[早在20世纪初，随着机床、汽车等制造业的发展就出现了机械手。

1913年美国福特汽车工业公司安装了第一条汽车零件加工自动线，为了解决自动线、自动机的上下料与工件的传送，采用了专用机械手代替人工上下料及传送工件。

可见专用机械手就是作为自动机、自动线的附属装置出现的。

“工业机器人”这种自动化装置出现的比较晚。

但是自从世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。

机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。

本课题所指的工业机器人，或称机器人操作臂、机器人臂、机械手等。

从外形来看，它和人的手臂相似，是由一系列刚性连杆通过一系列柔性关节交替连接而成的开式链。

这些连杆就像人的骨架，分别类似于胸，上臂和下臂，工业机器人的关节相当于人的肩关节、肘关节和腕关节。

操作臂的前端装有末端执行器或相应的工具，也常称为手或手爪。

手爪是由两个或多个手指所组成，手指可以“开”与“合”，实现抓去动作和细微操作。

手臂的动作幅度一般较大，通常实现宏观操作。

工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。

主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。

大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；圆柱坐标型工业机器人示意图控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。

在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。

机械手的技术指标主要包括以下几个方面：
1. 自由度：机械手的自由度是指其在空间内独立进行运动的能力，一般分为3自由度、6自由度和多自由度等类型。

2. 负载能力：机械手能承受的最大重量，通常以千克（kg）为单位。

3. 重复定位精度：机械手在一次动作和多次动作之间，手部位置的一致性，通常以毫米（mm）为单位。

4. 工作范围：机械手能在何种范围内进行工作，通常以米（m）为单位。

5. 工作速度：机械手进行一次动作所需的时间，通常以秒（s）为单位。

6. 控制方式：机械手的控制方式可以是手动控制、半自动控制、全自动控制等。

7. 电源需求：机械手运行所需的电压、电流等电力参数。

8. 使用寿命：在正常使用条件下，机械手能够持续运行的时间。

以上是一些常见的技术指标，具体的技术参数可能会因机械手的类型和用途而有所不同。

有关机械设计中运动机构自由度的控制1机械设计的相关概念在机械设计领域，力求在各种限定的条件(如材料、加工能力、理论知识和计算手段等)下设计出最好、最合理、最优化的机械，是任何一个从事机械设计的主要目标。

要做出好的设计，必须要综合地考虑各种各样的要求，一般来说，最优化的设计满足了最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少环境污染等诸多方面的要求。

这些要求之间看似互相矛盾，又存在着密不可分的关联，它们在设计的整个环节都有着举足轻重的地位。

它们之间的相对重要性因机械种类和用途的不同而异。

一个优秀的设计者，其主要任务就是按照各种各样的复杂情况，具体问题具体分析，做到纵览全局，统筹兼顾，在权衡轻重的基础上，使设计机械的综合技术经济效果达到最大化。

2工程机械中的自由度及计算 2.1机构自由度根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目(亦即为了使机构的位置得以确定，必须给定独立的广义坐标的数目)，称为机构自由度，其数目常以F表示。

如果一个构件组合体的自由度F0，他就可以成为一个机构，即表明各构件间可有相对运动;如果F=0，则它将是一个结构(structure)，即已退化为一个构件。

机构自由度又有平面机构自由度和空间机构自由度。

(1)平面机构自由度一个杆件(刚体)在平面可以由其上任一点A的坐标x和y，以及通过A 点的垂线AB与横坐标轴的夹角等3个参数来决定，因此杆件具有3个自由度。

(2)空间机构自由度一个杆件(刚体)，在空间上完全没有约束，那么它可以在3个正交方向上平动，还可以3个正交方向为轴进行转动，那么就有6个自由度。

在平面中，只有3个自由度，一者为面旋转，二者为前后及左右2个移动。

在立体中，有6个自由度，3个为前后、上下及左右3个移动和前后、上下及左右3面旋转。

简单来说就是沿3个坐标轴的移动和绕3个坐标轴的转动。

把构建相对于参考系具有独立运动参数的数目称为构件的自由度。