五自由度機(jī)械手

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 專心---專注---專業(yè) 目 錄 目錄 摘要 Abstract 第一章 緒論·······················································1 1.1 機(jī)器人的發(fā)展史············································· 1 1.2 機(jī)器人的定義··············································· 2 第二章 設(shè)計(jì)原理及目的·······························

2、··············4 2.1 設(shè)計(jì)的目的和意義··········································· 4 2.2 設(shè)計(jì)項(xiàng)目發(fā)展情況··········································· 4 2.3 設(shè)計(jì)原理··················································· 5 第三章 五自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算······························· 6 3.1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論·························

3、·······················6 3.1.1 剛體位姿的表示和齊次變換································ 6 3.1.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的D-H表示法································8 3.2 五自由度機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與計(jì)算·····················10 3.2.1 方案功能設(shè)計(jì)與分析······································10 3.2.2 對(duì)機(jī)械手的計(jì)算·······················

4、···················12 第四章 機(jī)械手及模擬搬運(yùn)設(shè)計(jì)·······································17 4.1 控制方案的總體設(shè)計(jì)·········································17 4.2 機(jī)械手的工作流程···········································17 4.3 機(jī)械手的簡(jiǎn)介···············································17 4.4 機(jī)械手的硬件設(shè)計(jì)·············

5、······························18 4.4.1 PLC的設(shè)計(jì)··············································19 4.4.2 PLC控制電路相對(duì)于電器控制電路的優(yōu)點(diǎn)····················19 4.4.3 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)···········································20 第五章 電路元?dú)饧霸O(shè)備的選擇·····································22 5.1步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介··············

6、···································22 5.1.1步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介··············································22 5.1.2步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)········································22 5.1.3步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)········································23 5.1.4靜力矩的選擇··············································24

7、 6.1.5電流的選擇················································25 5.1.6 力矩與功率換算···········································25 5.1.7 應(yīng)用中的注意點(diǎn)··········································26 5.2步進(jìn)電機(jī)的選擇···············································27 5.2.1各項(xiàng)參數(shù)·····································

8、············27 5.2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊··········································28 5.2.3 技術(shù)特點(diǎn)················································28 5.3 PLC部分·····················································29 5.3.1. 設(shè)備連接················································32 5.4 其他設(shè)備·······················

9、·····························32 第六章 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)·········································33 6.1 應(yīng)用背景與要求··············································33 6.2 組成部分···················································33 6.2.1 關(guān)節(jié)限位控制············································33 6.2.2 工件坐標(biāo)系的測(cè)量與計(jì)算

10、···································34 6.2.3 機(jī)械手的張合控制········································34 6.2.3 公式之間的轉(zhuǎn)換··········································34 6.2.4 計(jì)算結(jié)果的存儲(chǔ)··········································34 6.3 機(jī)械手系統(tǒng)的工藝流程········································34 6.4 機(jī)械手控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)分析········

11、··························36 6.4.1 PLC的資源分配···········································36 6.4.2 機(jī)械手系統(tǒng)的控制程序·····································36 致 謝····························································39 設(shè)計(jì)小結(jié)···························································40 參考文獻(xiàn)············

12、···············································41 附錄一、流程圖······················································42 附錄二、PLC外部接線圖·············································43 附錄三、示例程序····················································44 附錄四、翻譯部分···········································

13、·······54 摘要 隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，人工成本上漲，以往人工操作的搬運(yùn)和固定輸送帶為主的傳統(tǒng)搬運(yùn)方式，不但占用空間也不容易更變生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)，加上需要人力監(jiān)督操作，更增加生產(chǎn)成本，原有的生產(chǎn)裝料裝置遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前高度自動(dòng)化的需要。減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保障生產(chǎn)的可靠性、安全性、降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染，提高產(chǎn)品的質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益是企業(yè)生產(chǎn)所必須面臨的重大問(wèn)題。它集成自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)量技術(shù)于一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它利于控制，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)

14、就PLC在機(jī)械手上的應(yīng)用作了詳細(xì)的闡述。 關(guān)鍵詞：PLC 機(jī)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 st

15、ationary 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 satisf

16、y 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 produc

17、es 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 緒論

18、 本章重點(diǎn)：本章通過(guò)對(duì)機(jī)器人的由來(lái)與發(fā)展、定義、分類及機(jī)器人技術(shù)研究等內(nèi)容的介紹，使讀者首先對(duì)機(jī)器人技術(shù)有一個(gè)概括的認(rèn)識(shí)與了解。 1.1機(jī)器人的發(fā)展史 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)作為20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自20世紀(jì)60年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷40多年的發(fā)展已取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步和成果。 在制造領(lǐng)域，目前世界上約有150多萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人正在各種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作。 在非制造領(lǐng)域，如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等各種用途的特種機(jī)器人紛紛面世，并且正迅速地向?qū)嵱没~進(jìn)。 機(jī)器人的英文名詞是Robot，Robot一詞最早出現(xiàn)在1920年捷克作家雷爾·卡佩克（Karel Cape

19、k）所寫(xiě)的一個(gè)劇本中，這個(gè)劇本的名字為《Rossum’s Universal Robots》，中文意思是“羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人”。劇中的人造勞動(dòng)者取名為Robota，捷克語(yǔ)的意思是“苦力”、“奴隸”。英語(yǔ)的Robot一詞就是由此而來(lái)的，以后世界各國(guó)都用Robot作為機(jī)器人的代名詞。 機(jī)器人一詞雖然出現(xiàn)得較晚，然而這一概念在人類的想象中卻早已出現(xiàn)。制造機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)研究者、愛(ài)好者的夢(mèng)想，代表了人類重塑自身、了解自身的一種強(qiáng)烈愿望。自古以來(lái)，就有不少科學(xué)家和杰出工匠制造出了具有人類特點(diǎn)或模擬動(dòng)物特征的機(jī)器人雛形。 西周時(shí)期，中國(guó)的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是中國(guó)最早記載的具備機(jī)

20、器人概念的文字資料。春秋后期，中國(guó)著名的木匠魯班在機(jī)械方面也是一位發(fā)明家，據(jù)《墨經(jīng)》記載，他曾經(jīng)制造過(guò)一只木鳥(niǎo)，能在空中飛行“三日而不下”，體現(xiàn)了中國(guó)勞動(dòng)人民的聰明才智。 東漢時(shí)代，著名科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動(dòng)儀、計(jì)里鼓車，而且發(fā)明了指南車，這些發(fā)明都是具有機(jī)器人構(gòu)想的裝置。計(jì)里鼓車每行進(jìn)1里，車上的木人擊鼓一下，每行10里，擊鐘一下；具有復(fù)雜輪系裝置的指南車，車上木人運(yùn)動(dòng)始終指向南方，則該車無(wú)論左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、上坡下坡，指向始終不變，可謂精巧絕倫。 中國(guó)宋代科學(xué)家沈括在《夢(mèng)溪筆談》一書(shū)中，也記載有一個(gè)“自動(dòng)木人抓老鼠”的故事，“該木人名鐘馗，身高三尺，能左手扼鼠，右手持鐵簡(jiǎn)斃之，動(dòng)作靈巧”。

21、 三國(guó)時(shí)期，蜀國(guó)丞相諸葛亮成功地制造了木牛流馬，用其運(yùn)送糧草，并用其中的機(jī)關(guān)“牛舌頭”巧勝司馬懿，被后人傳為佳話。木牛流馬雖已失傳，但其明顯具有機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能。 1662年，日本的竹田近江利用鐘表技術(shù)發(fā)明了自動(dòng)機(jī)器玩偶，并在大坂的道頓崛演出。 1738年，法國(guó)天才大師杰克·戴·瓦克遜發(fā)明了一只機(jī)器鴨，它會(huì)嘎嘎叫，會(huì)游泳和喝水，還會(huì)進(jìn)食和排泄。瓦克遜的本意是想把生物的功能機(jī)械化以進(jìn)行醫(yī)學(xué)上的分析。 公元1768~1774年間，瑞士鐘表匠德羅斯父子三人合作制造出三個(gè)像真人一樣大小的機(jī)器人——寫(xiě)子偶人、繪畫(huà)偶人和彈風(fēng)琴偶人。它們好似靠彈簧驅(qū)動(dòng)，由凸輪控制的自動(dòng)機(jī)器人，至今還作為國(guó)寶保存在瑞

22、士納切爾市藝術(shù)和歷史博物館內(nèi)。 自1920年之后，機(jī)器人成為很多科幻電影、科幻小說(shuō)的主人公。20世紀(jì)30年代末紐約世界交易會(huì)上放映的德國(guó)電影《大都市》中的Eleitro步行機(jī)器人和機(jī)器狗Spardo，20世紀(jì)70年代拍攝的電影《星球大戰(zhàn)》中C3P機(jī)器人，使人們對(duì)機(jī)器人寄予很高的期望，而這些在當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)條件下是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。即使是現(xiàn)在，要造出有類似人的智慧、感情的機(jī)器人仍然是科學(xué)家的夢(mèng)想和追求。 現(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期。第二次世界大戰(zhàn)期間（1938~1945年），由于核工業(yè)和軍事工業(yè)的發(fā)展，研制了“遙控操縱器”（Teleoperator），主要用于放射性材料的生產(chǎn)和處理過(guò)程。

23、1947年，對(duì)這種較簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置進(jìn)行了改進(jìn)，采用電動(dòng)伺服方式，使其從動(dòng)部分能跟隨主動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)，稱為“主從機(jī)械手”（Master-Slave Manipulator）。 1949~1953年，隨著先進(jìn)飛機(jī)制造的需要，美國(guó)麻省理工學(xué)院輻射實(shí)驗(yàn)室（MIT Radiation Laboratory）開(kāi)始研制數(shù)控銑床。1953年研制成功能按照模型軌跡做切削動(dòng)作的多軸數(shù)控銑床。 1954年，美國(guó)人喬治·德沃爾（George C.Devol）研制出第一臺(tái)電子可編程序的工業(yè)機(jī)器人——可編程關(guān)節(jié)傳送裝置，它第一次使用示教再現(xiàn)的控制方式，并且在20世紀(jì)的后幾十年中，得到驚人的發(fā)展。隨后應(yīng)運(yùn)而生的數(shù)控技術(shù)和機(jī)

24、械手，將工業(yè)機(jī)器人推上歷史的舞臺(tái)，成為現(xiàn)代加工制造業(yè)的中堅(jiān)力量。 1960年美國(guó)“聯(lián)合控制公司”（Consolidated Control）根據(jù)Devol的專利技術(shù)，研制出第一臺(tái)真正意義上的工業(yè)機(jī)器人，并成立了Unimation公司，開(kāi)始定型生產(chǎn)名為Unimate的工業(yè)機(jī)器人。兩年后，美國(guó)“機(jī)床與鑄造公司”（AMF）也生產(chǎn)了另一種可編程工業(yè)機(jī)器人Versatran。 20世紀(jì)70年代，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的到蓬勃發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展成為專門學(xué)科，稱為機(jī)器人學(xué)（Robotics）。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大，不同的應(yīng)用場(chǎng)所，導(dǎo)致了各種坐標(biāo)系統(tǒng)，各種 結(jié)構(gòu)的機(jī)器人相繼出現(xiàn)，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛躍

25、發(fā)展使機(jī)器人的控制性能大大提高，成本不斷地下降。 20世紀(jì)80年代，不同結(jié)構(gòu)、不同控制方法和不同用途的工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家真正進(jìn)入了實(shí)用化的普及階段。特別是隨著傳感器技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始進(jìn)入智能機(jī)器人研究階段。機(jī)器人視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、接近覺(jué)等項(xiàng)目的研究和應(yīng)用，大大地提高了機(jī)器人的適應(yīng)能力，擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍，促進(jìn)了機(jī)器人的智能化進(jìn)程。 目前，對(duì)全球機(jī)器人技術(shù)發(fā)展最有影響的國(guó)家應(yīng)該是美國(guó)和日本。美國(guó)在機(jī)器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的機(jī)器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了機(jī)器人學(xué)的建立，許多國(guó)家成立了機(jī)器人協(xié)會(huì)，美國(guó) 、日本、英國(guó)、

26、瑞典等國(guó)家設(shè)立了機(jī)器人學(xué)學(xué)位。 1.2機(jī)器人的定義 雖然現(xiàn)在的機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用，且越來(lái)越受到人們的重視，而機(jī)器人這一名詞卻還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一、嚴(yán)格、準(zhǔn)確的定義。不同國(guó)家、不同研究領(lǐng)域的學(xué)者給出的定義也不盡相同，雖然定義的基本原則大體一致，但是仍有較大區(qū)別。原因之一是機(jī)器人還在發(fā)展，新的機(jī)型，新的功能不斷地涌現(xiàn)，同時(shí)，由于機(jī)器人涉及了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問(wèn)題，就像機(jī)器人一詞最早誕生于科幻小說(shuō)之中一樣，人們對(duì)機(jī)器人充滿了幻想。也許正是由于機(jī)器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。 隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展和信息時(shí)代的到來(lái)，機(jī)器人所涵蓋的內(nèi)容越來(lái)越豐富，機(jī)器人的定義也不斷地充

27、實(shí)和創(chuàng)新。下面給出一些有代表性的定義。 ? 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的定義 機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助可編程序操作拉處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。 ? 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）的定義 機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某寫(xiě)操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。 ? 美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）的定義 機(jī)器人是一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ玫难b置，通過(guò)可編程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行種種認(rèn)為的、并具有編程能力的多功能機(jī)械手。 ? 日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）的定義 工業(yè)機(jī)器人是一種裝備有記憶裝置

28、和末端執(zhí)行器的、能夠移動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類勞動(dòng)的同用機(jī)器。 綜上所述，概括各種機(jī)器人的性能，可以按以下特征來(lái)描述機(jī)器人： 機(jī)器人的動(dòng)作機(jī)構(gòu)具有類似于人或其他生物某些器官（肢體、感官等）的功能； 機(jī)器人具有通用性，工作種類多樣，動(dòng)作程序靈活易變，是柔性加工主要組成部分； 機(jī)器人具有不同程度的智能，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等； 機(jī)器人具有獨(dú)立性，完整的機(jī)器人系統(tǒng)，在工作中可以不依賴于人的干預(yù)。 1943年，科學(xué)家兼作家 Isaac Asimov在“Run around”一書(shū)中首次提出了機(jī)器人三定律： 第一， 機(jī)器人必須不危害人類，也不允許它眼看人將受害而袖手旁觀；

29、 第二， 機(jī)器人必須覺(jué)絕對(duì)服從人類，除非這與第一原則矛盾， 第三， 機(jī)器人必須保護(hù)自身不受傷害，除非這與第一或第二原則想矛盾。 第二章 設(shè)計(jì)原理及目的 2.1 設(shè)計(jì)的目的和意義 工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并以成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。 機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正為人所認(rèn)識(shí)，其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照工藝生產(chǎn)的要求，遵循一定的程序，時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。因此，它能大大地改變工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)

30、率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的正視，并投入了大量人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫，高壓，粉塵，噪聲以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)。近幾年也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門的重視。 機(jī)械手一般分三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手，它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以任務(wù)的需要編制程序，已完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它的特點(diǎn)是出具備機(jī)械的物理性能外，還具備通用機(jī)械。記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作，稱為操作的，稱為操作即。它源于原子，軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電信號(hào)操作機(jī)械手來(lái)進(jìn)

31、行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范圍。第三類是專用機(jī)械手，主要是屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用于解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱“Mechanical Hand”它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的機(jī)械手模擬裝配可歸為第一類，即通用機(jī)械手自動(dòng)化的音樂(lè)。在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)中，自動(dòng)化程度較高，大量應(yīng)用到機(jī)械手。 2.2設(shè)計(jì)項(xiàng)目發(fā)展情況 目前工業(yè)機(jī)械手主要用于工件傳送，焊接，裝配，鑄段，熱處里等方面，無(wú)論數(shù)量，品種和性能方面都能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 在國(guó)內(nèi)主要是發(fā)展各方面的機(jī)械手，逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改

32、善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教機(jī)械手，組合式機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮，擺動(dòng)，升降，橫移，俯仰等機(jī)構(gòu)，以及用于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便與根據(jù)不同作用的要求，選用不同的典型部件，即可組成不同用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以更換地發(fā)揮機(jī)械手的作用。 此外還應(yīng)大力研究伺服型，記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺(jué)，視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)相連，逐步成為機(jī)械制造系統(tǒng)中一個(gè)基本單元。 在機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床。模鍛壓

33、力機(jī)的上下料以及點(diǎn)焊，噴漆等作業(yè)，它可按照事先編制好的程序完成規(guī)定的作業(yè)。有些還具備有傳感反饋能力，能應(yīng)付外界的變化。如果機(jī)械手發(fā)生某些偏離時(shí)，會(huì)引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞，但有了傳感反饋能力，機(jī)械手可以根據(jù)反饋?zhàn)孕姓{(diào)整。 2.3 設(shè)計(jì)原理 機(jī)械手主要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，和控制系統(tǒng)組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部，手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)閉手指。機(jī)械手的手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無(wú)關(guān)節(jié)，固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量可分為二指，三指，四指等。其中以二指應(yīng)用的最多。可根據(jù)夾持對(duì)象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要。所謂沒(méi)有手指的手部，一般指真空吸盤

34、或磁性吸盤。本設(shè)計(jì)采用真空吸盤構(gòu)造。手臂有無(wú)關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分。手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確定位?？傊?，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)直線和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線液壓缸，擺動(dòng)液壓缸，電液脈沖馬達(dá)，伺服液壓馬達(dá)，交流伺服電機(jī)，直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。軀干是安裝手臂，動(dòng)力源和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以電氣、氣動(dòng)用的最多占90%以上；液壓、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的最少。 液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)液壓缸、閥、液壓泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用液壓缸、液壓馬達(dá)加齒輪、

35、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大、動(dòng)作平緩、可無(wú)級(jí)變速、自鎖方便、并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。 氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用4~6個(gè)大氣壓（392~588kPa），個(gè)別達(dá)到8~10個(gè)大氣壓（785~981 kPa）。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹，本設(shè)計(jì)手爪、手臂部分采用氣壓驅(qū)動(dòng)。 電氣驅(qū)動(dòng)時(shí)，直線驅(qū)動(dòng)可采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母機(jī)構(gòu)。通用機(jī)械手則考慮采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流或交流的伺服電動(dòng)機(jī)、

36、變速箱等。電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡(jiǎn)單，維護(hù)、使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一型式的動(dòng)力，出力比較大。本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手爪和機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于動(dòng)作固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，工作速度高，成本底；缺點(diǎn)是不易于調(diào)整。 機(jī)械手控制的要素包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和加減速度等。機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點(diǎn)位控制為主，占90%以上。 控制系統(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制，它首先要編制程序加以存儲(chǔ)，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械

37、手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。 第三章 五自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算 3.1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論 要建立五自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，首先要對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析。它涉及到五自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正、逆解問(wèn)題，機(jī)械手關(guān)節(jié)雅克比矩陣等問(wèn)題，特別是要研究關(guān)節(jié)變量空間和機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿之間的關(guān)系，并通過(guò)對(duì)機(jī)械手末端執(zhí)行器沿特定軌跡的運(yùn)動(dòng)建立起機(jī)械手的雅克比矩陣，得到機(jī)械手各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度。然后考慮引起這些運(yùn)動(dòng)的力和力矩，建立機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，這也是建立五自由度機(jī)械手動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)。這里主要有以下幾個(gè)問(wèn)題： 通過(guò)已知的結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)節(jié)變量建立機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，描述關(guān)節(jié)變

38、量空間和機(jī)械手末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)關(guān)系，解決機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題和逆問(wèn)題；建立機(jī)械手的雅克比矩陣，并用求導(dǎo)法求解關(guān)節(jié)變量空間和機(jī)械手末端執(zhí)行器速度之間的關(guān)系；列出機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)的方程。 基于以上幾個(gè)問(wèn)題，下面闡述了將要用到的數(shù)學(xué)可力學(xué)理論。 3.1.1 剛體位姿的表示和齊次變換 為了描述機(jī)械手本身的各連桿之間、機(jī)械手和環(huán)境之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并且忽略了機(jī)械手連桿的彈性變形，把機(jī)械手連桿作為剛體來(lái)研究。 空間點(diǎn)P可以用它的相對(duì)于參考坐標(biāo)系得三個(gè)坐標(biāo)來(lái)表示： 其中，和是參考坐標(biāo)系中表示該點(diǎn)的坐標(biāo)。這種表示方法也可以稍做變化：將P點(diǎn)用向量形式寫(xiě)出并且加入一個(gè)比例因子w，則P點(diǎn)表示為 ，其中

39、，， 變量w可以為任意數(shù)，如果w=1時(shí)，各分量的大小保持不變；如果w=0時(shí)，x，y和z都是無(wú)窮大，表示一個(gè)長(zhǎng)度為無(wú)窮大的向量，方向?yàn)樵撓蛄克硎镜姆较?。因此本文常取w=1，向量表示參考坐標(biāo)系中一點(diǎn)的位置；取w=0，向量表示參考坐標(biāo)系中某一方向。 一個(gè)剛體在笛卡爾空間表示可以這樣實(shí)現(xiàn)：通過(guò)在它上面固連一個(gè)坐標(biāo)系，再將該固連的坐標(biāo)系在空間表示出來(lái)。只要這個(gè)坐標(biāo)系可以在空間表示出來(lái)，那么這個(gè)物體相對(duì)于固定的參考坐標(biāo)系的位姿也就已知了，如圖3.1所示： 圖3.1 空間剛體的表示 如果用表示剛體上的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系（當(dāng)前坐標(biāo)系）原點(diǎn)在參考坐標(biāo)系中的

40、位置向量，表示運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系n軸在參考坐標(biāo)系中的方向，表示運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系o軸在參考坐標(biāo)系中的方向，表示運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系a軸在參考坐標(biāo)系中的方向。因此剛體在參考坐標(biāo)系中的位姿可以表示為： （3.1） 且滿足①三個(gè)向量互相垂直；②每個(gè)單位向量的長(zhǎng)度必須為1。這種形式的矩陣稱為齊次矩陣。并且這樣齊次矩陣逆矩陣為： （3.2） 如果保持現(xiàn)有的姿態(tài)不變，只是在參考坐標(biāo)中位置發(fā)生改變，那么相對(duì)與固定參考坐標(biāo)系的新坐標(biāo)系的位置可以用原來(lái)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置向量加上表示位移的向量求得。用矩陣形式表述。新的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的表

41、示可以通過(guò)坐標(biāo)系左乘變換矩陣得到。新的坐標(biāo)系位置為： （3.3） 其中，，是平移向量相對(duì)于參考坐標(biāo)系x，y和z軸的三個(gè)分量。 同理，如果剛體保持現(xiàn)有的位置不變，只是在參考坐標(biāo)中的姿態(tài)發(fā)生改變，則新運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的表示也可以通過(guò)坐標(biāo)系左乘變換矩陣得到。例如，其中表示運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系繞參考坐標(biāo)系的x軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣。這里給出運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系繞參考坐標(biāo)系的x軸，y軸和z軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣： ， ， （3.4）為簡(jiǎn)化書(shū)寫(xiě)，習(xí)慣用符號(hào)表示

42、，表示（以下表示方法相同）。 復(fù)合變換是由固定參考坐標(biāo)系或當(dāng)前運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的一系列沿軸平移和繞軸旋轉(zhuǎn)變換所組成的，任何變換都可以分解為按一定順序的一組平移和旋轉(zhuǎn)變換。 注意，剛體也可能做相對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系或當(dāng)前坐標(biāo)系的軸的變換，但這時(shí)本文需要右乘變換矩陣，而不是左乘變換矩陣，才能得到相對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系變換后的剛體的新位姿。 3.1.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的D-H表示法 Denavit-Hartenerg（D-H）模型表示了對(duì)機(jī)器人連桿和關(guān)節(jié)進(jìn)行建模的一種非常簡(jiǎn)單的方法，可用于任何機(jī)器人構(gòu)型，而不管機(jī)器人的結(jié)構(gòu)順序和復(fù)雜程度如何。并且D-H方法有其附加的好處，使用它已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多技術(shù)，例如，雅克比矩

43、陣的計(jì)算和力分析等。除此之外，也可以應(yīng)用螺旋理論作為D-H法的替代。 假設(shè)機(jī)器人由一系列關(guān)節(jié)和連桿組成。這些關(guān)節(jié)可能是滑動(dòng)（線性）的或旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)動(dòng)）的，它們可以按任意的順序放置并處于任意的平面。連桿也可以是任意的長(zhǎng)度（包括零），它可能被扭曲或彎曲，也可能位于任意平面上。所以任何一組關(guān)節(jié)和連桿都可以構(gòu)成一個(gè)想要建模和表示的機(jī)器人。 為此，需要給每個(gè)關(guān)節(jié)指定一個(gè)參考坐標(biāo)系，然后，確定從一個(gè)關(guān)節(jié)到下一個(gè)關(guān)節(jié)（一個(gè)坐標(biāo)系到下一個(gè)坐標(biāo)系）來(lái)進(jìn)行變換的步驟。如果將從基座到第一關(guān)節(jié)，再?gòu)牡谝魂P(guān)節(jié)到第二關(guān)節(jié)直至到最后一個(gè)關(guān)節(jié)的所有變換結(jié)合起來(lái)，就得到了機(jī)器人的總變換矩陣。 圖3.2通用關(guān)節(jié)－連

44、桿組合的D-H表示 圖3.2表示了三個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)都是可以轉(zhuǎn)動(dòng)或平移的，第一個(gè)關(guān)節(jié)指定為關(guān)節(jié)n，第二關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)n+1，第三個(gè)關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)n+2。在這些關(guān)節(jié)的前后可能還有其他關(guān)節(jié)。連桿也是如此表示，連桿n位于關(guān)節(jié)n與n+1之間，連桿n+1位于關(guān)節(jié)n+1與n+2之間。 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系建立，應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則： 1) 所有關(guān)節(jié)，都用z軸表示。如果是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，z軸位于按右手規(guī)則旋轉(zhuǎn)的方向。如果是滑動(dòng)關(guān)節(jié)，z軸為眼沿直線運(yùn)動(dòng)的方向。表示關(guān)節(jié)數(shù)n+1的z軸是。 2) 如果表示與之間的公垂線，則的方向?qū)⒀?，指向方向? 3) 軸按照右手坐標(biāo)系的原則確定。在這里為簡(jiǎn)化的原因省略了各坐標(biāo)系的y軸未畫(huà)。 關(guān)

45、節(jié)變量的定義如下： ——繞z軸的旋轉(zhuǎn)角。 d——在z軸上兩條相鄰的公垂線之間的距離。 a——每一條公垂線的長(zhǎng)度。 ——兩個(gè)相鄰的z軸之間的關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)角度。 通過(guò)以下4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)步驟將坐標(biāo)系－移動(dòng)到坐標(biāo)系－： 1) 繞軸旋轉(zhuǎn)，它使得和互相平行。 2) 沿軸平移距離，使得和共線。 3) 沿軸平移的距離，使得和的原點(diǎn)重合。 4) 將軸繞軸旋轉(zhuǎn)，使得軸與軸對(duì)準(zhǔn)。這時(shí)坐標(biāo)n和n+1完全重合。 通過(guò)依次右乘表示四個(gè)運(yùn)動(dòng)的四個(gè)矩陣就可以得到變換矩陣A，右乘的原因是所有的變換都是相對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系（當(dāng)前坐標(biāo)系）的。 （3.5） 由此機(jī)械手的基座與手之間的總變換則為：

46、 （3.6） 其中n為關(guān)節(jié)數(shù)。 3.2 五自由都機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.2.1 方案功能設(shè)計(jì)與分析 機(jī)械手的手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，它用來(lái)支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運(yùn)動(dòng)。為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個(gè)自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機(jī)器人手臂自由度少于三個(gè)。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)型如圖3.3。 圖3.3 幾種機(jī)器人手臂構(gòu)型 手腕的構(gòu)型也是有多種形式。三自由度的手腕通常有以下四種形式：BBR型、BRR型、RBR型、RRR型。如圖3.4所示： 圖3.4 四種三自由度手腕構(gòu)型 B表示彎曲結(jié)構(gòu)，表明組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運(yùn)

47、動(dòng)構(gòu)件的軸線在工作過(guò)程中相互間角度有變化。R表示轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，表明組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的軸線在工作過(guò)程中相互間角度不變。BBR結(jié)構(gòu)由于采用了兩個(gè)彎頭結(jié)構(gòu)尺寸增加了，而RBR與前者相比結(jié)構(gòu)緊湊。 由于機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡都要求機(jī)械手端面平行于某一固定工件平面，而且本系的末端執(zhí)行器為兩指式機(jī)械抓爪，即最后一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)任意旋轉(zhuǎn)對(duì)其姿態(tài)都沒(méi)有影響，這樣用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)據(jù)可以使機(jī)械手的姿態(tài)滿足要求，且機(jī)械結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，減輕了重量。綜合考慮后確定該機(jī)器人具有五個(gè)自由度，其中手臂三個(gè)自由度確定機(jī)械手的位置，后兩個(gè)自由度確定手的姿態(tài)，最其結(jié)構(gòu)形式如圖3.5所示，實(shí)物圖如圖3.6所示： 圖3.5機(jī)械手的構(gòu)型

48、 圖3.6 機(jī)械手的實(shí)物圖 綜上所述，該五自由度機(jī)械手由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)裝置組成。共有五個(gè)自由度，依次為腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回轉(zhuǎn)、手腕俯仰。 該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)參數(shù)為： 基本結(jié)構(gòu)參數(shù)： 腰部回轉(zhuǎn)半徑：610mm 大臂，小臂長(zhǎng)：220mm,220mm 各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍： 關(guān)節(jié)1： 關(guān)節(jié)2： 關(guān)節(jié)3： 關(guān)節(jié)4： 3.2.2 對(duì)機(jī)械手的計(jì)算 SCORBOT-ER 4u機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用D-H方法建立機(jī)器人坐標(biāo)系，如圖5.7所示。 圖3.7 SCORBOT-ER 4u機(jī)器人連桿模型 根據(jù)機(jī)器人坐標(biāo)系，列出其位

49、姿矩陣，，，，，。 ＝ ＝ ＝ （3.7） ＝ ＝ ＝ 計(jì)算得到各位姿矩陣結(jié)果如下： （3.8） 采用解析法計(jì)算相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解。 其中，，，，，,,,, 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解：根據(jù)，，，，，，求解：。 （3.9） (3.10)

50、 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解：已知，運(yùn)用解析法根據(jù)，，，，，逆求解，，，，。 求解： 即： (3.11) 化簡(jiǎn)后有： （3.12） 求解： （3.13） 化簡(jiǎn)后得到： (3.14) (3.15) 求解： （

51、3.16） 化簡(jiǎn)后令 得到： （3.17） 求解： （3.18） 對(duì)上式化簡(jiǎn)后有： 得到 （3.19） 求解： （3.20） 對(duì)上式化簡(jiǎn)后有： 得到 (3.21) 上面求解的，，，，在其角度允許范圍，與實(shí)際角度可能存在著 的偏差，在程序中視實(shí)際情況取舍；而在范圍內(nèi)存在著兩個(gè)可行解，其取舍需要根據(jù)

52、實(shí)際的工作空間環(huán)境來(lái)定。 第四章 機(jī)械手及模擬搬運(yùn)的設(shè)計(jì) 4.1 控制方案的總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)方案自動(dòng)裝置采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)各動(dòng)作由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，動(dòng)作的先后順序按照運(yùn)行中的限位開(kāi)關(guān)、定時(shí)器和中間繼電器等控制，機(jī)械手主要的作用是完成工件在加工過(guò)程中的移動(dòng)任務(wù)。 本裝置中的主要結(jié)構(gòu)部分由機(jī)械手手臂、步近電機(jī)、抓爪、工作臺(tái)等幾部分組成。機(jī)械手手臂為曲線式的運(yùn)動(dòng)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手抓爪的張、合等動(dòng)作也均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 4.2 機(jī)械手的工作的流程 開(kāi)始運(yùn)行后，機(jī)械手回初始位置，機(jī)械手下盤開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)工件的新（x，y）坐標(biāo)后停止；接著機(jī)械手的手臂開(kāi)始下移，在下移的過(guò)程中

53、，抓爪旋轉(zhuǎn)至水平位置即到達(dá)（y，z）坐標(biāo)；最后到達(dá)工件坐標(biāo)（x，y，z）夾緊工件。由定時(shí)器延時(shí)一段時(shí)間后，機(jī)械手的手臂往后收縮一段距離后提起，下盤開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)?shù)竭_(dá)加工坐標(biāo)系的上方后停止，手臂下行，到達(dá)加工工作臺(tái)后不動(dòng)，松開(kāi)工件撤出。機(jī)械手回初始位置，然后開(kāi)始下個(gè)周期動(dòng)作。 4.3機(jī)械手的簡(jiǎn)介 機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根

54、據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度?。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。 機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。

55、 機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。 （一） 機(jī)械手的機(jī)能和特性 根據(jù)古典力學(xué)的觀點(diǎn)，物體在三維空間內(nèi)的靜止位置由三個(gè)坐標(biāo)和繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定。因此，抓握物體的位置和方向能從理論上求得。據(jù)資料介紹，如果采用的機(jī)械手，其機(jī)能要接近于人的上肢，則需要具有27個(gè)自由度，而每一個(gè)自由度至少要一根“人造肌肉”。這樣就需要安裝27根重量輕、小型和高輸出力的“人造肌肉”。就目前的技術(shù)狀況而言，上述功能還很難辦

56、到。而且把機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)搞的那么復(fù)雜，動(dòng)作彼此嚴(yán)重重疊也是完全不必要的。退一步，如果機(jī)械手要求具有完全通用的程度，那么它的整機(jī)、本體、手臂和手指都得有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，總共就要24個(gè)自由度。這在實(shí)際上也是不必要的，這樣會(huì)使機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費(fèi)用增多。因此，不應(yīng)盲目模仿人手的動(dòng)作，增加過(guò)多的自由度，而應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要的動(dòng)作。所以一般專用的機(jī)械手（不包括握緊動(dòng)作）通常具有二到三個(gè)自由度。而通用機(jī)械手則一般取四到五個(gè)自由度。 本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的多關(guān)節(jié)式的機(jī)械手，它共有五個(gè)自由度。即：手臂伸縮、手臂上下擺動(dòng)、手腕回轉(zhuǎn)、手指抓握。 (二)軀干和傳統(tǒng)系統(tǒng) 機(jī)械手的傳動(dòng)分液壓、氣壓、電氣和機(jī)械四種，

57、本設(shè)計(jì)采用電氣傳動(dòng)方式。 1. 夾緊機(jī)構(gòu) 機(jī)械手手爪是用來(lái)抓取工件的部件。受爪抓取工件時(shí)要滿足迅速、靈活、準(zhǔn)確和可靠的要求。設(shè)計(jì)制造夾緊機(jī)構(gòu)----手爪，首先要從機(jī)械手的坐標(biāo)形式、運(yùn)行速度和加速度的情況來(lái)考慮。其夾緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力的大小來(lái)計(jì)算。同時(shí)考慮有足夠的開(kāi)口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化為擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用范圍，還需備多種抓取機(jī)構(gòu)，以根據(jù)需要來(lái)更換手爪。為防止損害被夾的物體，加緊力要限制在一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片、彈簧襯墊或自動(dòng)定心機(jī)構(gòu)。為防止突然停電造成的被抓物體落下，還可以有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、動(dòng)作靈活和工作可靠。

58、2．軀干 軀干由底盤和手臂兩大部分組成。 底盤是支撐機(jī)械手全部重量并能帶動(dòng)手臂旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。手臂是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要任務(wù)是完成工件搬運(yùn)，它實(shí)現(xiàn)了工件的抓取等動(dòng)作。 本設(shè)計(jì)是應(yīng)用機(jī)械手進(jìn)行工件的抓取，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的應(yīng)用，是典型的機(jī)電控制的結(jié)合和應(yīng)用，從而在自動(dòng)化的工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 4.4 機(jī)械手的硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)以上工作流程和控制要求分析我們可以知道本次設(shè)計(jì)可以利用單片機(jī)、電器和PLC等控制方式來(lái)進(jìn)行控制，根據(jù)控制要求分析可知采用PLC控制比較方便、經(jīng)濟(jì)、合理。因?yàn)榭删幊炭刂破鳎ǎ校蹋茫┚哂械母呖煽啃浴⒕幊谭奖?、易于使用和修改，易于擴(kuò)展和維護(hù)，環(huán)境要求低、體積小巧，

59、安裝調(diào)試方便，在工業(yè)控制中有著廣泛的應(yīng)用。 4.4.1 PLC的設(shè)計(jì) 根據(jù)被控對(duì)象對(duì)PLC控制系統(tǒng)的功能要求，可進(jìn)行PLC型號(hào)的選定。 進(jìn)行PLC選型時(shí)，基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能要求，同時(shí)要兼顧維修、備的通用性。對(duì)開(kāi)關(guān)控制量的系統(tǒng)，當(dāng)控制速度要求不高時(shí)，一般的小型PLC都可以滿足要求，如對(duì)小型泵的順序控制、單臺(tái)機(jī)械的控制等。當(dāng)控制速度要求較高、輸出有高速脈沖信號(hào)等情況時(shí)，要考慮輸入/輸出點(diǎn)的形式，最好采用晶體管形式輸出。對(duì)帶有部分模擬量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，如工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的溫度、壓力、流量、液位等連續(xù)量的控制，應(yīng)選擇具有所需功能的PLC主機(jī)，還要根據(jù)需要選擇相應(yīng)的模塊、配接相應(yīng)的傳感

60、器、變送器和驅(qū)動(dòng)裝置等。 輸入/輸出點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)可以衡量PLC規(guī)模的大小。準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)被控對(duì)象的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的總點(diǎn)數(shù)并考慮今后系統(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)展,在實(shí)際統(tǒng)計(jì)I/O的點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上,一般加上10%-20%的備用點(diǎn)數(shù)。多數(shù)小型PLC為整體式,具有體積小、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),適用于工藝過(guò)程比較穩(wěn)定,控制要求比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。模塊式結(jié)構(gòu)的PLC采用主機(jī)模塊與輸入模塊、功能模塊組合使用的方法,比整體式方便靈活,維修更換模塊、判斷與處理故障快速方便,適用于工藝變化多、控制要求復(fù)雜的系統(tǒng)。 此外,還考慮用戶存儲(chǔ)器的容量、PLC的處理速度是否能滿足實(shí)時(shí)控制的要求、編程器與外圍設(shè)備的選擇等。 4.4.2 P

61、LC控制電路相對(duì)于電器控制電路的優(yōu)點(diǎn) 1、控制方式上看：電器控制硬接線，邏輯一旦確定，要改變邏輯或增加功能很是困難；而PLC軟接線，只需改變控制程序就可輕易改變邏輯或增加功能。 2、工作方式上看：電器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制約。 3、控制速度上看：電器控制速度慢，觸點(diǎn)易抖動(dòng)；而PLC通過(guò)半導(dǎo)體來(lái)控制，速度很快，無(wú)觸點(diǎn)，顧而無(wú)抖動(dòng)一說(shuō)。 4、定時(shí)、記數(shù)看：電器控制定時(shí)精度不高，容易受環(huán)境溫度變化影響，且無(wú)記數(shù)功能；PLC時(shí)鐘脈沖由晶振產(chǎn)生，精度高，定時(shí)范圍寬；有記數(shù)功能。 5、可靠、維護(hù)看：電器控制觸點(diǎn)多，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損和電弧燒傷，接線也多，可靠、維護(hù)性能差；PLC無(wú)觸點(diǎn)

62、，壽命長(zhǎng)，且有自我診斷功能，對(duì)程序執(zhí)行的監(jiān)控功能，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)方便。 本設(shè)計(jì)控制的是電磁閥控制,同時(shí)利用脈沖控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn), 故利用SIMATIC S7-200系列PLC控制,它具有如下的特點(diǎn): 1.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。 2.配套齊全，功能完善，適應(yīng)性強(qiáng)。 3.易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員的歡迎。 4.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小、維護(hù)方便、容易改造。 5.體積小、重量輕、能耗低。 關(guān)于的一些其他介紹我們將會(huì)在以后的章節(jié)中重點(diǎn)介紹?！? 4.4.3 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用的是二相八拍混合式步近電機(jī)，它驅(qū)動(dòng)絲桿,支架實(shí)現(xiàn)移動(dòng),主要特點(diǎn)是：體積小，具有較高的啟動(dòng)

63、和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。型號(hào)56BYG250D。采用56BYG250D步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，主要由電源輸入部分、信號(hào)輸入部分。輸出部分等。 這部分的內(nèi)容將在下面章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 第五章 電路元?dú)饧霸O(shè)備的選擇 5.1步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介 5.1.1步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目

64、的；同時(shí)也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM）

65、，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度； 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本次方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。 5.1.2步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) ①電機(jī)固有步距角: 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)

66、步距角的值，如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°），這個(gè)步距角可以稱之為‘電機(jī)固有步距角’，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 ?②步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)： 它是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則‘相數(shù)’將變得沒(méi)有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 ?③?保持轉(zhuǎn)矩： 它是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō)2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。 ?④DET