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武汉东湖学院本科生毕业论文(设计) 三自由度并联机械手的设计
院(系)名称：机电工程学院
专业名称：机械设计制造及其自动化
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指导教师:
二〇一六年五月六日
郑重声明
我郑重声明：本人恪守学术道德，崇尚严谨学风，所呈交的学术论文是本人在老师的指导下，独立进行研究工作所取得的结果。除文中明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何他人已经发表和撰写过得内容。论文为本人亲自撰写，并对所写内容负责。
本人签名：
日期：2016年5月7号
摘要
随着机器人技术的快速发展，并联机械手的应用领域越来越广，已成为当今机器人领域新的研究热点。针对并联机械手机构比传统串联机械手更复杂的问题，本文以一种轻型高速的三自由度Delta 并联机械手为例，在完成其运动学的基础上，对并联机械手进行了建模以及装配。
首先，本文介绍了三自由度并联机械手机构的工作原理，并对其进行了运动学分析。其中，对机构的自由度进行的计算，采用几何法求得了其运动学正解以及其运动学逆解。其次，对机构进行了速度模型及雅克比矩阵的分析。实现了solidworks对机构的零部件与装配图三维建模。最后，通过个零部件的配合，实现了三自由度并联机械手的装配。
关键词：并联机械手；三自由度；3D建模
ABSTRACT
With the rapid development of robot technology, parallel manipulator used more and more widely, has become the hot spot in the field of new robots today. In view of the parallel manipulator mechanism more complex than the traditional serial manipulator problem, based on a lightweight high-speed three degree of freedom parallel manipulator as an example, the Delta at the completion of its kinematics, on the basis of the parallel manipulator has carried on the modeling and assembly.
First, this paper introduces the working principle of three degrees of freedom parallel manipulator mechanism, and carries on the kinematics analysis. Among them, the institution of degree of freedom for the calculation of geometric method is used to obtain the positive kinematics solution and its inverse kinematics solution. Second, the institutions for the velocity model and the Jacobi matrix analysis. Implements the solidworks for spare parts and assembly drawing 3 d modeling of the organization. Finally, by a spare parts, implements the three degree of freedom parallel manipulator assembly.
Keywords: Parallel manipulator；Three degrees of freedom；3D modeling
目录
摘要........................................................................................................................I ABSTRACT........................................................................................................II 第1章引言. (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 课题目的及意义 (1)
1.3 课题研究内容 (1)
第2章并联机械手的概述 (3)
2.1 关于并联机械手 (3)
2.1.1 并联机械手的定义与特点 (3)
2.1.2 并联机械手的研究现状 (4)
2.2 并联机械手的工业应用 (5)
2.3 本章小结 (6)
第3章三自由度并联机械手的运动学分析 (7)
3.1 机构简介 (7)
3.2 自由度分析 (7)
3.3 运动学分析 (8)
3.3.1 运动学逆解 (9)
3.3.2 运动学正解 (9)
3.3.3 速度模型及雅克比矩阵 (12)
3.4 本章小结 (13)
第4章并联机械手的建模与装配 (14)
4.1 三维建模软件solidworks简介 (14)
4.2 并联机械手的三维建模 (14)
4.3 并联机械手零件实体造型 (14)
4.4 并联机械手装配 (16)
4.5本章小结 (17)
总结.....................................................................................,. (18)
参考文献 (19)
致谢 (20)
附录 (21)
第1章引言
1.1课题背景
翻开整个人类的历史，就会发现这是一部不断认识世界、改造世界的发展历史，一部伴随生产工具不断提高的生产力进步史。18世纪中叶，英国人瓦特发明了蒸汽机是工业革命的象征，也是人类从体力劳动到动态机械制造变化的一次重大飞跃。20 世纪中叶之后，已开始出现高度自动化的机械设备，但由于市场的激烈竞争，只有创造出既能不断改变产品适应市场需要，又能具备高效的自动化生产能力的柔性自动化系统才能满足当时的生产环境。在这种情况下，人类的长幻想机器人出现在历史性时刻。
自世界第一台工业机器人诞生以来，机器人技术已广泛应用于工业生产中的各个领域，如航空航海、汽车及汽车零部件、加工制造、食品工业、医疗器械、娱乐设施等领域。其中，弧焊机器人，点焊分布机器人，焊接机器人，装配机器人，喷漆机器人和搬运机器人等工业机器人已产业化生产线被广泛采用，它大大降低了人类的劳动强度，也大大提高了生产效率和产品质量。
1.2课题目的及意义
并联机器人是一种空间多环结构，其表现出刚度大、惯量低、精度高、负重比大、动力性能好以及结构紧凑等优点，这恰好弥补了串联机器人在这些方面的不足，扩宽了机器人的应用范围，因而得到了机器人领域各学者的广泛关注并成为机器人领域新的研究热点。
在各行各业中普遍存在的，由人工来完成的诸如抓取、分拣以及包装等大量的重复性高强度操作，通常此类操作只需三个自由度。因此三自由度并联机构在实现空间上三个方向平动方面受到极大的关注。具有三个平动自由度的高速并联机械手以其高速的特性较好的满足了工业生产的需求，同时避免了人工操作给产品造成的不同程度污染。在这类高速并联机械手当中最具有代表性的当属三自由度Delta 机构，它是由R. Clavel 博士于1985 年发明的，目前被广泛地应用在食品包装、电子半导体、医疗等行业。
1.3课题研究内容
高速并联机构自Delta机构发明以来，取得了长期稳定的发展，在医药、电子、食品等生产线的后包装领域取得了重要应用。这种设计在该行业的应用包装生产
线，不仅实现了快速处理和包装材料，而且实现位置放材料，在很大程度上提高生产效率，节约劳动成本。随着中国经济的不断发展，生产的标准化、规范化趋势将逐渐显露，对于生产效率的追求也必将越来越明显。所以，该类应用型机械的开发在未来将具备强大的市场竞争力。
本文分析了三自由度并联机械手机构的工作原理，并进行了运动学分析。其中，通过解析法获得了机械手运动学逆解，并由几何法求得了其运动学正解。实现solidworks建立模型并且对零件的装配。
第2章并联机械手的概述Array 2.1关于并联机械手
2.1.1 并联机械手的定义及特点
传统意义的工业机械手一般都是串联机构，即开环机构，串联机构在其末端执行器与基座之间只有唯一的一条运动链。与串联机构比较，并联机械手的末端执行器是通过至少两条运动链与基座相连接的，并且每一条运动链都是唯一的移动副或转动副驱动。比较典型的并联机械手，如图 2.1 所示。综上所述，可以对并联机械手作以下定义：末端执行器（动平台）通过至少两条运动链联接基座（静平台），并具有两个或两个以上自由度的一种闭环机构，又称并联机构，其结构
示意图如下面图 2.2 。
图2.1 经典并联机械手示意图图2.2 并联机构示意图
和传统的串联机构相比，并联机构的零部件数目相对较少，而且都是一些常
见通用的零部件，如虎克铰、球铰、滚珠丝杠、伺服电机、伸缩杆件等零部件。
由于这些通用的零部件可由专业的生产商模块化大规模制造，因此，其具有性能
高、成本低的优点，对于并联机械手的开发设计十分有利。除了上述所描述在结
构上的突出特点以外，并联机械手在实际应用中还有其他更多的优势，主要优点
如下：
（1）负重比大。并联机构的每条运动链都要承受载荷，因此，在相同的自重
情况下，并联机构较串联机构具有更大的承载能力。
（2）刚度大。并联机构的每条运动链可以分享载荷，同时大多数情况下可以设计
其只承受拉成仅受拉力与压力载荷。高的刚度使得每条运动链上的变形都极小，
确保了并联机构上末端执行器的位置精度。
（3）惯量低。大多数驱动器直接固定在基座上，如伺服电机是直接固定在机架上的，因此并联机构中需要运动的零部件质量较小。
（4）动态性能好。并联机构中的运动零部件惯性低，质量轻的优势。
（5）运动精度高。并联机构中的误差是由各条运动链均分的，不像串联机构的误差主要来自各个关节误差的累积。因此，并联机构误差相对较小并保证了运动精度。
（6）成本低。并联机构的大多数零部件都是标准件。
当然并联机构作为一种新型机构，也有其自身的不足，比如，由于结构的原因，它的运动空间相对就比较小。综上分析，并联机构与串联机构之间形成了鲜明的对比。串联机构的优点通常都成为了并联机构的缺点，相反地，并联机构的优点很多又恰好是串联机构的缺点。它们之间的这种关系，有的学者将其称为串联并联间的“对偶”关系，并以这种“对偶”关系为切入点，来进一步的深入研究串联、并联机构，现将它们之间的特点比较如表2.1所示。
表2.1并联与串联机械手性能比较
2.1.2 并联机械手的研究现状
随着近几年并联机构的研究热潮，针对其各方面特性的研究也随之展开。当前，国内外关于并联机械手的研究主要集中在机构设计理论、运动学求解与分析、动力学建模、运动学标定、控制策略研究等方面。并联机械手的性能从根本上取决于其机构设计。至今为止，国内外已经研究出多种对并联机构型综合研究的方法，主要有群论方法、图论方法、单开链法以及螺旋理论。
2.2并联机械手的工业应用
随着并联机械手研究的一步步发展与深入，其应用领域也延伸到人类生产与生活的各个方面，越来越广泛，目前其主要应用集中在以下两个方面。在运动模拟器方面，早在1928 年，Gwinnett 就设计了采用球形并联机构的娱乐装置，如图 2.3 所示。虽然该装置没有能制造出来，但其却是有史以来第一个被记录在案的并联机构。1962 年Gough 发明了基于六自由度并联机构的汽车运动状态模拟，以此来实现了轮胎检测装置，如图 2.4 所示。之后Stewart对Gough发明的这种机构进行了进一步的研究，并成功把并联机构应用于飞行模拟器。Gough 与Stewart 在并联机构研究领域做出杰出的贡献，为后面研究并联机构提供了理论的依据，为了纪念他们的成果，把六自由度并联机构称为“Gough 平台”或“Stewart 平台”。美国Air Bus A320 发明的飞行运动模拟器如图 2.5 所示。由于飞行模拟器在培训飞行员上面的成功应用，很快就被推广到了汽车、船舶、坦克的驾驶员培训与动态性能试验中。同时，也被广泛应用在公众娱乐设施上，如游戏动感椅，如图2.6所示。
图2.3 Gwinnett的娱乐并联结构图2.4 Gough轮胎检测装置
图2.5 A320飞行模拟器图2.6 游戏动感椅
在操作器方面，最早是在1978 年，澳大利亚Hunt首次提出可以把并联机构应用于机器人操作器上面的思想，最后成功实现了，从而拉开了并联机器人研究的序幕。1979 年，McCallion等人将并联机构成功应用于装配机器人上，进一步推动了机器人的发展，因而制造出了首台真正意义的并联机器人。1991 年，燕山大学黄真教授研制出了我们国家的第一台六自由度并联机器人。并联机构作为操作器的另一典型应用就是并联机床。1994 年，在美国芝加哥国际机床博览会上，美国Giddings & Lewis公司和Ingersoll公司展出了史无前例的两台并联机床。同时并联机构也用做宇宙飞船或潜艇救援中对接器的对接机构。
此外，并联机构可广泛用于医学、天文学、微动机构、飞船对接机构等各方面。对于工作环境复杂难度大的地下工程，比如土方挖掘、煤矿开采，都可以采用这种高效实用的并联机构。
2.3本章小结
本章主要介绍本课题的研究背景及意义，然后详细调研了并联机械手的研究，举例讲解了一些工业应用现状以及发展史。
第3章三自由度并联机械手运动学分析通常，并联机械手是由多条的运动链组成的闭环机构，所以，并联机械手的运动性能与控制都显得非常复杂，与传统的串联机械手存在着本质的区别。首先，由于多条运动链的存在，本身就使得并联机械手的运动学分析十分复杂，若在其运动学分析的基础上再实现工作空间等的分析就更加困难了。另外，由于多条运动链所产生的闭链约束存在，使得并联机械手的动力学模型为复杂的非线性系统，如此更加大了在基于动力学模型的控制器设计的难度。正因如此，本章将以三自由度Delta并联机械手为研究对象，进行运动学的正解、逆解问题分析，旨在为后文的控制系统联合仿真分析提供必要的理论依据。
3.1 机构简介
三自由度并联机械手的主要零部件有很多，如静平台，吸盘，动平台，3个主动臂，3个从动臂等。通过3条轴对称均匀分布的运动链的对应连接，实现了静平台与动平台的连通，同时每条运动链都是由一个主动臂和一个从动臂组成。其中，从动臂是闭环机构，由4个球形副和杆件组成，并且使闭环机构直接与主动臂串联固定。因此，通过控制伺服电动机转动角度的变化来实现动平台在空间内的三自由度运动。如下图所示。
图3.1 机械手模型图3.2 机械手各零件名称
3.2 自由度分析
空间中任意不受任何约束的刚体都具有3个平动自由度与3个转动自由度，总共有6个自由度。但当这些刚体通过运动副连接组成机构后，由于它们之间的
相互约束，其自由度自然而然会随之减少。空间机构可以分为开环机构和闭环机构，其中闭环机构又可以按照闭环数目分为单闭环机构和多闭环机构，另外还有一种混合机构，也就是开环机构与闭环机构的混合。由于开环机构自由度计算相对容易，这里主要描述下闭环机构的自由度问题。
目前，机构学领域在计算空间闭环机构的自由度时，主要采用的是经典的Kutzbach Grubler 公式：
∑=+=g
1i i f 6(n -g -1)M （3.1）
式中，M 为机构的自由度，n 为机构总的构件个数，g 为总的运动副个数，fi 为第 i 个运动副的自由度个数。
通过分析，三自由度Delta 并联机械手的从动臂中两球面副之间的连杆可以绕自身轴旋转，因此可得出一结论，此并联机构具有局部冗余自由度。为了消除局部冗余自由度的影响，可以考虑将每一个从动臂中的四个球面副中的两个当成虎克铰，再根据式（3.1）来计算该并联机构的自由度个数。由图3.1可知，可得n =11，g =15，由图得该机构具有3个自由度的球面副有6个，具有2个自由度的虎克铰有6个，具有1个自由度的转动副有3个，所以该机构的自由度M=6×（11-15-1）+33=3。
3.3 运动学分析
图3.3 并联机械手结构简图 在进行运动学分析之前，首先建立如上图所示的坐标系。基座以O 为中心，并在基座上建立以O 为原点的静坐标系 O -XYZ ，其中OY 垂直于A 1A 2， OZ 垂直
于平面A 1A 2A 3；末端执行器以 O'为中心，并在末端执行器上建立以 O'为原点的动坐标系 O ‘-X ’ Y ‘Z ’，其中 O 'Y '垂直于C 1 C 2，O 'Z '垂直于平面C 1C 2C 3。同时，两坐标系的建立都满足右手法则。
设基座中心O 到主动臂旋转中心i A 的距离R O A i =，末端执行器中心O'与i C 的距离r CO '=，主动臂长为i i a B A L =，从动臂长为i i b C B L =，其中i=1，2，3。主动臂与基座平面的夹角为i α。
3.3.1运动学逆解
本文设定三自由度 Delta 并联机械手相关的尺寸参数分别为 R=150mm ，r =50mm ， L a =300mm ，L b =800mm ，在其运动空间内给定末端执行器中心的空间位置即可得到主动臂的转动角度，根据以上计算所得的计算公式，在 MATLAB 平台下编写该并联机械手的运动学逆解函数即可求解。为此，给出几个典型位置的逆解算例如下：
表3.1 运动学逆解算例
3.3.2 运动学正解
对于三自由度 Delta 并联机械手而言，其运动学正解就是在已知主动臂的转动角度的情况下，求得末端执行器位姿。相对于串联机械手正解容易的特性，求解并联机械手的运动学正解往往十分困难，一般都难以得到其解析解，通常是直接采用数值计算的方法来求得运动学正解。目前，也有学者提出了采用冗余传感器的方法来获取额外的关节信息，从而降低在进行并联机械手运动学正解时所出现的问题难度。实际上，该方法不仅可以有效帮助研究人员得到并联机械手的解
析解，还可以加快求解速度，并且还可以使得关节位置误差最小化从而提高求解精度。
由于三自由度 Delta 并联机械手的机构具有对称的特殊结构形式，因此采用空间解析几何的方法求其运动学正解的解析解相对比较容易，如图 3.4所示。将()3,2,1B C i i =i 分别沿C i O ‘
平移交基座中心O ’点处，其中B i 点沿向量 C i O ‘平移后的点为P i 。当给定三个主动臂的转动角α1，α2，α3，十分容易求得点P 1，P 2，P 3三点的坐标。由平行四边形的性质可知 P i O ’与从动臂的长度相等，即P i O ‘=L b ，因此该 Delta 三自由度并联机械手的运动学正解问题可以等效为：已知三棱椎的三顶点 P i (i=1,2,3)的坐标与所有棱边的长度，求三棱锥O ‘
-P 1P 2P 3中顶点O'的坐标问题。
图3.4几何法正解求解示意图
得到点P i 的坐标如下：
)，，,(i s i n βL s i n β)c o s αL r (R cos β)cos αL r (R P i a i i a i i a i 321=
????
????????+-??+-= （3.2） 分别将1β=61π，2β=65π，3β=2
3π代入式(3.2)中，即可分别得到1P ，2P ，3P 三点的坐标，并通过两点间的距离公式可以求得21P P ，32P P
，31P P 的长度。这里令三边长度分别为a ，b ，c 。
K 为三棱锥棱边21P P 的中点， H 为顶点O'到底面三角形321P P P 的垂足，由空间几
何知识可知底面垂心 H 即为底面三角形321P P P 外接圆圆心。由平面几何知识可知H P 1的长度即为底面三角形321P P P
外接圆半径p ： P=1P H = s
4c b a ?? （3.3） 其中s=））（）（（c -p b -p a -p p ，其中()2/c b a p ++=，
由向量相关运算可知：
''HO OH OO += （3.4） 由该式可知，求得向量OH 和H O'即可求得机械手末端执行器中心O'坐标。
（1）为了求解向量OH ，由向量相关运算可得：
KH OK OH += （3.5） 又由于K 为21P P 中点，则有HK 垂直于21P P ，故可求得向量 OK ：
()2/21OP OP OK +=
（3.6） 又由于任意一个向量都可以用其模与同方向的单位向量来表示，那么向量KH 即可求得： KH=KH n ?KH
其中有：
313221313221KH P P P P P P P P P P P P n ????=
， 4/a -p K P -H P KH 222
121== 联立（3.5），（3.6）可求解向量OH 。
同理可得HO' HO'=H O n ?'HO
其中有：
32213221'n P P P P P P P P HO ??=，222
121''p b H P P O HO -=-=。 如此，便可将所求得的向量OH 和HO 代入上式中，则可得到向量 OO '，即得到机械手末端执行器中心O'的坐标，因此通过空间几何法可在给定该并联机械手主
动臂的转动角度的情况下，求得末端执行器位姿的运动学正解问题。
3.3.3 速度模型与雅克比矩阵
为了得到三自由度 Delta 并联机械手的雅克比矩阵，本文首先来分析并联机械手的输入速度与输出速度的关系式，也就是速度模型。一般而言，机械手的速度模型可以用如下公式（3.6）表示：
?
?=q q W v ）（ （3.7） 其中，v 为机械手末端执行器的输出速度，q 为机械手关节的输入速度，W （q ）为雅克比矩阵。通常，一般的六自由度并联机械手的雅克比矩阵为 6×6的矩阵形式，以此来表示机械手末端执行器的角速度及线速度与机械手上的六个驱动关节速度的线性变换关系。该并联机械手主动臂的转动角度（输入量）与末端执行器的位姿（输出量）间的函数关系，又设主动臂的转动角度α1，α2，α3和末端执行器的位姿 x ，y ，z 均为时间t 的函数，分别将上式中的 3 个等式对时间t 求导，整理成矩阵形式即可得：
????
????????????????=????????????????????32132
1333231232221
131211
ααα000000n n n z y x m m m m m m m m m （3.8） 其中ij m 与i n 的值分别如下可得
()()()??????+=?+--=?+--=1α13
1α121α11αsin 2αcos 2αcos 32L z m L r R y m L r R x m （3.9）
()()()??????+=?+--=?+-+=2α23
2α222α21αsin 2αcos 2αcos 32L z m L r R y m L r R x m （3.10）
??????+=?+-+==3α33
3α3231αsin αcos L z m L r R y m x m （3.11） ()()
()?????????-??+-=??-??-+-=??-??---=3α3α1
2α2α21α1α1αcos αsin αcos 2αsin 322αcos 2αsin 322L z L y r R n L z L y x r R n L z L y x r R n （3.12）
对方程3.8两边乘以系数矩阵的逆，即可得
????
??????????????????????????=??????????-32132
11333231232221
131211ααα000000n n n m m m m m m m m m z y x （3.13） 其中有：
????
??????=333231232221
131211
m m m m m m m m m M ，()321,,n n n diag N = （3.14） 所以3.13可以化简为： ?-?=q N M v 1
由上式分析可得，我研究的三自由度并联机械手末端执行器的输出速度可表示为
[]T z y x v ,,=，主动臂输入转动角速度可表示为[]T
321α,α,αq =，由此可求得该机械手的雅克比矩阵N M J 1-=。
3.4 本章小结
本章首先对三自由度Delta 并联机械手的机构进行了分析，描述了其工作原理。然后，对该并联机械手进行了运动学分析。其中，简单介绍了机械手运动学逆解，而其运动学正解则由几何法解得，对速度模型与雅克比矩阵的简单分析。
第4章并联机械手的建模与装配
4.1 三维建模软件solidworks简介
SolidWorks是一种三维建模软件，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。Solidworks适合机械设计，里面有钣金设计、模具设计。SolidWorks软件是一款功能强大且易学易用，同时高效创新的三维CAD系统。在机械设计快速、有力、高效的三维设计方面，Solidworks具有很大的优势。在一些工程图上可以实现三维建模，可以直观形象的表示零部件图以及一些组装图。在国内外得到广泛的使用。
Solidworks软件世界上第一个基于Windows的三维CAD画图软件。在所以三维画图软件里，只有Solidworks可以提供一套完整的动态界面与鼠标拖动。在配置管理方面，Solidworks涉及到零件图、装配设计、装配图。Solidworks可以与网络进行协同工作。同时可以制工程图，可以进行零件建模，可以进行曲面建模等功能。并且，Solidworks软件还能让更多的开发人员同时参与到机电产品的开发任务中，真正实现所谓的并行工程。目前，Solidworks软件已在航空航天、船舶、汽车、工程机械、家电、模具等各个行业得到了广泛应用。
4.2 并联机械手的三维建模
本文所研究的三自由度并联机械手的建模过程主要分为三大步骤：（1）完成并联机械手各零部件的设计，即实体造型；（2）完成并联机械手的总装配；（3）由于该三自由度并联机械手的零部件还比较复杂，为了提高工作效率且更好管理零部件，在建模工作中要注意以下两点事项。第一，在建立三维模型前，设定好工作目录，并为每个零部件选择具有其特点的名字，方便文件的查找与修改；第二，根据建模仿真的目的，只需按照零部件外形尺寸建模其模型，一些诸如螺纹、倒角的结构细节作简化处理。下面将分两个小节分别简单介绍该并联机械手的三维建模流程。
4.3 并联机械手零件实体造型
在基于对了解机构的工作原理之后，再对该并联机械手零件实体造型进行建模，机构的工作原理在本文上章已作阐述过，在此我给出设计的Delta 并联机械手机构的关键尺寸参数，如下表4.1所示；其中主要用到的solidworks操作命令有拉
湖北理工学院毕业设计（论文） “慧鱼模型”三自由度机械手 设 计 小 册 学院：机电工程学院 班级：机械设计与制造 指导老师： 姓名：学号：201030120130 湖北理工学院毕业设计（论文） 一、概述 ............................................................ 1 1.1机电一体化技术 ................................................... 1 1.1.1机电一体化技术的定义和内容 (1) 1.1.2机电一体化系统组成 (1) 1.2. 慧鱼机器人 ..................................................... 2 1.2.1慧鱼创意教学组合模型简介 (2) 二、机器人的组成 .....................................................
2.1组成构件 ......................................................... 3 2.2慧鱼机器人分析 ................................................... 6 2.2.1机器人机构组成 (6) 2.2.2主要成分构成及功能 (7) 2.3. 机器人的工作空间形式 ............................................ 9 2.4机器人的机械运动形态和变换控制 .................................. 11 2.5机器人的位移、速度、方向的控制方法 (13) 湖北理工学院毕业设计（论文） 一、概述 1.1机电一体化技术 1.1.1机电一体化技术的定义和内容 机电一体化技术综合应用了机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术,接口技术及系统总体技术等群体技术,从系统的观点出发,根据系统功能目标和优化组织结构目标,以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础,对各组成要素及相互之间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下,形成物质和能量的有规则 运动,在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。 1.1.2机电一体化系统组成 1.机械本体机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。 2.检测传感部分检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。 3.电子控制单元电子控制单元是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地进行。 4.执行器执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。 5.动力源动力源是机电一体化产品能量供应部分，是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压
第一章引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 1.1 机械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
机械设计课程设计说明书 六自由度机械手 TOPWORK 上海交通大学机械与动力工程学院专业机械工程与自动化 设计者： 李晶(5030209252) 李然(5030209316) 潘楷 (5030209345) 彭敏勤 (5030209347) 童幸 (5030209349) 指导老师：高雪官 2006616
、八— 刖言 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业 的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自 动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、 华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越 来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交 货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另 外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定， 而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手 提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将 被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机 械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
目录 一.设计要求和功能分析 4 - ?- ■基座旋转机构轴的设计及强度校核 5 三.液压泵俯仰机构零件设计和强度校核 8 四.左右摇摆机构零件设计和强度校核 11五.连腕部俯仰机构零件设计和强度校核 14六.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核 19七.机构各自由度的连接过程 25八.设计特色 28九.心得体会 28十.参考文献30 一. 任务分工31 十二.附录（零件及装配图）31
设计说明书 课题：凸轮轴加工自动线机械手 班级：数控69902 设计：沈晓春 审核： 二00五年九月
目录 一、目录 (2) 二、前言 (3) （一）机械手的用途说明 (3) （二）设计机械手的目的、意义 (3) （三）设计指导思想应达到的技术性能要求 (4) 三、设计方案论证 (5) （一）机械手的原始依据 (5) （二）机械手的运动方案论证 (6) 四、机械手各组成部件设计计算 (8) （一）抓取机械设计 (8) （二）手腕机构 (12) （三）手臂设计 (14) （四）缓冲装置设计 (22) （五）定位机构设计…………………………………………………………………………………
25 （六）机械手驱动系统设计 (25) 五、机械手控制系统设计 (25) 六、设计总结 (26) 七、参考文献 (27) 二、前言 （一）机械手的用途说明 机械手是模仿人手工作的机械设备。实验用机械手的设计，是指机械手臂在一定范围内的摆动，手臂的垂直方向的上下移动及手爪的伸缩运动组成。由启动系统实现各运动的驱动。它的主要作用是将工件按预定的程序自动地搬运到需要的位置，或者保持工具进行工作。机械手是利用PLC控制整个系统实现各种运动的自动化控制，且能用于教学演示。 （二）机械手的目的、意义 机械手是模仿人手的动作，生产中应用机械手可以提高自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度，保证产品质量，实现安全生产，尤其在恶劣的劳动条件下，它代替人作业的意义更加重大。因此，在机械加工中得到越来越广泛的应用。
目的是，我们对机械手的设计步骤有一定的平衡了解；也能基本掌握机械设计的方法；综合运用学过的理论知识；全面复习绘图技巧，并较好的运用于毕业设计绘图上。通过这次设计，使我了解到，自动控制的对象主要是单机或某个生产过程，智能控制则包括控制对象及整个工作环境或整个生产过程；自动控制的目标是使在系统控制的某个状态下，尽量消除环境对系统的影响，智能控制关心的使最终状态或现行状态是否合乎要求。因此，要充分考虑环境的影响；自动控制的学习来源重要是对象的状态的反馈，所以智能控制需要一个庞大的数据库；自动控制理论着重描述对象的数学模型，然后，通过各种控制算法进行控制，以达到目的，智能控制着重直接控制经验。（三）设计的指导思想，应达到的技术性能要求 结构简单：设计为三自由度的机械手臂，运动形式简单，可以把手臂设计成为沿导向装置运动，直接选用标准规格的液压缸和内胀式机械手爪，无须另行设计。 外观不要有手臂堵塞外形：设计尽量要求安装方便，各非标准件加工方便。因此，不必设计成套形式，管道也不必安排在手臂内部，可以采用软管直接连接。 本次设计的手臂不要光用于工业生产，因此，对各部件的加工精度及安装要求不高，可以在通用机床上加工完成。
三自由度机械手的结构设计 摘要 本文简要介绍了机械手的概念，机械手的组成和分类，国内外的发展状况及发展前景。 本文对机械手进行总体方案设计，结合生产实际及理论确定了机械手的结构及动作过程，坐标型式和自由度数，并列出了机械手的技术参数。 设计出了机械手的驱动方案、控制方案，在进行控制方案的选取时进行了不同方案的优缺点的对比，最后确定了具体的控制方案。在进行机械手控制器件的选取时，对控制器件选择进行了详细的分析，如对步进电机参数的具体选取。最后介绍了利用可编程序控制器对机械手进行控制，同时叙述了可编程序控制器选取原则及工作过程，并绘制出了可编程序控制器外部接线图。在用可编程序控制器控制时分为手动和自动两种工作方式，并绘制了自动工作方式的顺序功能图。 关键词机械手的概念，机械手控制器件，可编程序控制器（PLC） ThREE DEGREES OF FREEDOM MANIPULATOR DESIGN ABSTRACT
目录 中文摘要 (1) 英文摘要 (2) 一、引言 1.1简要介绍机械手的概念 (4) 1.2机械手的组成和分类 (5) 1.2.1机械手的组成 (5) 1.2.2机械手的分类 (5) 1.3国内外发展状况 (6) 二、三轴自由度机械手的结构及动作过程 (7) 2.1机械手的结构 (7) 2.2机械手的动作过程 (8) 2.3机械手的驱动方案设计 (9) 2.4机械手的控制方案设计 (9) 2.5机械手的座标型式与自由度 (10) 2.6机械手的技术参数列表 (11) 三、控制器件选型 (11) 3.1步进电机及其驱动器选择 (11) 3.2直流电机及其驱动器选择 (12) 3.3旋转编码器的选择 (14) 四、机械手的PLC控制设计 (15) 5.1可编程序控制器的选择 (15) 5.2可编程序控制器的工作过程 (16) 总结 (19) 致谢 (20) 参考文献 (20) 附录 (21)
苏州大学2013级机械电子专业 《机电一体化》实验报告书 学生姓名： 学号： 指导教师： 机电工程学院 2013.11
1 实验目的 培养学生设计、修改方案并掌握利用模型进行检验方案是否正确。 2 实验原理 在进行机构或产品的创新设计时，往往很难判断方案的可行性，如果把全部方案的实物都直接加工出来，不仅费时费力，并且很多情况下设计的方案还需模型来进行实践检验，所以不能直接加工生产出实物。现代的机械设计很多情况下是机电系统的设计，设计系统不仅包含了机械结构，还有动力、传动和控制部分，每个工作部分的设计都会影响整个系统的正常工作。全面考虑这些问题来为每个设计方案制作相应的模型，无疑成本是高昂的，甚至由于研究目的、经费或时间的因素而变为不可能。 慧鱼创意组合模型由各种可相互拼接的零件组成，由于模型充分考虑了各种结构、动力、控制的组成因素，并设计了相应的模块，因此可以拼装成各种各样的模型，可以用于检验学生的机械结构设计和机械创新设计。 3 实验设备和工具 慧鱼创意组合模型、电源、计算机、控制软件等。 4 实验准备工作 熟悉慧鱼创意组合模型的拼装，领取模型。 5 实验方法与步骤 1）根据教师给出的创新设计题目或范围，经过小组讨论后，拟定初步设计方案。 2）将初步设计方案交给指导教师审核。 3）审核通过后，按比例缩小结构尺寸，使该设计方案可由慧鱼创意组合模型进行拼装。 4）选择相应的模型组合包。 5）根据设计方案进行结构拼装。 6）安装控制部分和驱动部分。 7）确认连接无误后，上电运行。 8）必要时连接电脑接口板，编制程序，调试程序。步骤为：先断开接口板、电脑的电源，连接电脑及接口板，接口板通电，电脑通电运行。根据运行结果修改程序，直 至模型运行达到设计要求。 9）运行正常后，先关电脑，再关接口板电源。然后拆除模型，将模型各部件放回原存放位置。 6慧鱼创意组合模型的说明 1）构件的分类慧鱼创意组合模型的构件可分成机械构件、电器构件、气动构件等几大部分。 机械构件主要包括： 齿轮、连杆、链条、齿轮（圆柱直齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮）、齿轮轴、齿条、蜗轮、蜗杆、凸轮、弹簧、曲轴、万向节、差速器、齿轮箱、铰链等。 电器构件主要包括： 直流电机（9V双向），红外线发射接收装置、传感器（光敏、热敏、磁敏、触敏），发
前言 1.1 课题背景及意义 机械手通过运动控制芯片、单片机、可控制编程器等来控制电机、气缸、液压缸的运动，从而模仿人手和臂的某些动作，按固定程序实现物体的抓取。它可代替人的劳动，也可以在有害环境下保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、电子、原子能等部门。目前机械手主要用于以下几个方面。 (1).恶劣的工作环境和危险的工作 在核工业中，核产品具有较强的放射性，为了人员的安全，需要机械手来完成相关的清理工作。 (2).自动化生产领域 主要用于生产上实现自动化。如当机械手末端夹持焊枪时，可以对汽车或摩托车的车体进行点焊或弧焊作业。 (3).在特殊作业场合进行极限作业 在一些高危领域经常要用到机器人去探索。目前研制出了螃蟹机器人，用于水下勘测、海洋搜寻及石油天然气的勘测。 (4).农业生产 目前研制出了太阳能农用机器人，他可以找到隐藏在农作物中的杂草，通过机械手隔断杂草，同时还可以利用机械手喷洒除草剂。 (5).军事应用 在军事应用中，军人执勤经常会遇到危险，这就需要机器人帮助完成执勤任务，当今世界机器人竞争很激烈，要在这个激烈的国际竞争中立于不败之地,就需要有我国自己的机器人产业，未来世界高科技的竞争更重要的则是人才的竞争。因此,从现在开始就应该注意培养后备力量。机械手是机器人产业的典型代表,因此可以用来作为教学应用的示例。 机械手为典型的机电产品，包含了驱动元件，控制元件，信息处理元件，执行机构，传动机构，机械本体等组成元素，并且具有控制能力强，改变控制程序灵活方便、可靠性高等特点，为学生提供了良好的学习工具。它将现代工业与教学联系在了一起，通过控制—执行这整个的过程使学生对所学的知识有一个更好的认识，从而激发学生的学习兴趣。随着当今计算机技术的飞速发展，它已突破纯开关量控制的局限，进入模拟量控制等领域。通过该机械手的教学开拓了学生专业视野，为他们迎接就业和深造的挑战打下坚实的基础。
文献综述 我国机械手的研究现状和发展趋势机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。本文参阅了大量的国内外期刊杂志，论述了机械手的组成和分类，同时对国内外机械手的研究现状和发展趋势做了一定的了解。对应用机械手的工业机器人市场四大家族竞争分析。另外，本文还对机械手的常见驱动方式做了一番分析，并预测了机械手的发展趋势。 1.机械手的研究现状 1.1. 概述及现状 机械手是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。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。由度是机械手设计的关键参数。由度自自越多，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。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。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。 1.2 机械手技术发展现象概述 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性(王希敏，1992)。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。(王承义，1995)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。它的结构是:机体上安装一个回
基于PLC的三自由度机械手控制系统设计与实现 摘要：为了提高机械手在工业生产中定位的精度，介绍一种基于PL C的三自由度机械手控制系统的设计方案。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MCGS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: PL C 三自由度机械手步进电机MC GS 组态环境 0 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。三自由度机械手又称3D机械人，能够实现三个自由度方向(水平、垂直和旋转)的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广泛的特点。 可编程控制器(PLC)是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。由于其具有可靠性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。在非超载情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。 机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。本文设计的三自由度机械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动式机械手的优点，既节省了行程开关和PLC的I／O端口，又达到了简便操作和精确定位的目的。 1 三自由度机械手的系统结构与运动方式 三自由度机械手为圆柱坐标型。图1为机械手结构示意图，机械手手臂的左右运动(水平方向)由伸缩步进电机控制，上下运动(垂直方向)由升降步进电机控制，逆时针和顺时针旋
毕业设计(论文) 说明书 第一章引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 1.1 机械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，
三自由度机械臂设计报告 我们的机械臂参照人体小臂的结构：手肘处两个自由度（一个水平方向一个垂直方向），手腕处一个（垂直方向）。按照题目要求在30*30的坐标系内我们将（0,15）设为底座放置点（0,0）为机械臂初始位置。由此可知机械臂需达到的最远距离为15*√5，考虑到需要有螺钉固定的重合距离暂定臂长为：大臂长20cm，小臂长15cm。且参考模型的机械结构暂定用双臂。按照最初设计安装好之后，我们发现所购买的舵机并不能带动这么长的臂长，于是我们将臂长改成10cm+12cm并将双臂减少为单臂。该方案能实现半径4cm左右的圆的绘制，找点的误差在0.5-1cm左右。 一．找坐标 设底盘水平方向的舵机角度为s，手肘处垂直舵机角度为θ1，手腕处角度为θ2。确定坐标时先根据输入的（X，Y）得s=arctan（x/(y-15)）。 可以列出方程式组ρ=acosθ1+bcosθ2 △h=asinθ1+bsinθ2 θ3=θ1+θ2 解得θ1=arcsin((ρ2﹢△h2＋a2-b2)/(2a√(△h2+ρ2)))-arctan(ρ/△h) θ2=arcsin((asinθ1-△h)/b) θ3=θ1+θ2 （其中a=10cm，b=12cm，△h=3cm） 二．画圆 方案一： 圆可以分为两部分的配合而组成的。垂直自由度舵机的来回划线运动及底盘水平自由度舵机的左右旋转运动当水平舵机转到设定最大值的时间与垂直舵机划线划到中点的时间相同时就能得到一个椭圆，而当左右转动到设定的最大值之间的距离与划线的距离相等时就构成了一个圆。 我们先将圆划分为四部分如下：
调试程序后发现s的变化速率也是变化的。于是加上红色两条线使水平方向线分为4份 利用找点的公式确定五个交点各自对应的θ1,s值，再各自进行相减分别算出四段运动相对应角度变化的平均速率。 该方案的难点在于时间的合理搭配及s的速率补偿划分 方案二： 根据圆心的坐标在坐标里找圆周上一系列的点在将其连线构成圆。 该方案思路较简单清晰但容易造成误差的累积，对舵机的精度要求较高，且对之前找坐标的算法精确性要求很高。而且有个严肃的问题斜着的两点不是直线移过去的而是折线，所以定点需特别相近，可以选择建立一个数据库进行点数据的调用达到目的。 综合考虑了以上两种方案的优缺点及现有的硬件条件，我选择了方案一。 三．主要程序 #include
优秀设计 引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
1.1 机械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。 1、简史 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。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标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,专门生产工业机械手。 1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降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Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm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，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从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。 联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。
毕业设计开题报告 设计题目: PLC控制的三自由度工业机械手（结构部分）院系名称: 机电工程学院 专业班级: 机械07-5班 学生姓名: 李洪宇 导师姓名: 刘财勇 开题时间: 2011年3月19日 指导委员会审查意见： 签字：年月日
1.课题研究目的和意义 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代制造生 产系统中的一个重要组成部分。 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部 分地取代人工操作；其二，它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；其三，它能操作必要的机具焊接和装配。因此，它能大大地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。因而受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物 力加以研究和应用。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用到了机械手。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。 本次设计制作的机械手为通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的 装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它的特点是除了 具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。 2.文献综述（研究现状及分析） 在机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理、模锻压力机的上下料以及喷漆等作业，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。例如：机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了自动传感反馈，机械手就可以根据反馈自行调整。 随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。代表当今最先进的技术在日本，他的自动化，人性化令人叹为观止，这些技术依赖于控制理论、新材料科学，它是融合各种尖端技术的现代机器。我国也陆续在工业中有所应用，对于自动控制，柔性制造系统中应用更为广泛，但我国的自动化水平有待提高。随着工业现代化的发展，机械手技术也随之提高，发展的趋势是工作强度高，灵活性强，准确可靠，可以自动检测并下达动作命令，融入先进的人工智能，使人只作平时的简单的维护，这也是现代工厂的发展趋势。 在K2010展会（德国杜赛尔多夫国际塑料及橡胶博览会）上，库卡机器人
三自由度机械手臂设计 姓名：苏文杰班级：机自4班 学号：24121901188 序号：24 2015年6月3日
三自由度机械手臂设计 用途：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再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，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；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 该设计的目的是为了设计一台物料搬运机器人，利用现有已经报废的焊接机器人，本文的中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。 动力源 采用电源
驱动方式 该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，共需要五个动力源。机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。 机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：1）．驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高； 2）．反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换； 3）．驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； 4）．安全可靠； 5）．操作和维护方便； 6）．对环境无污染，噪声要小； 7）．经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。 基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。 传动方式 由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有： （1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻； （2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的
学号： 密级： 武汉东湖学院本科生毕业论文(设计) 三自由度并联机械手的设计 院(系)名称：机电工程学院 专业名称：机械设计制造及其自动化 学生姓名： 指导教师: 二〇一六年五月六日
郑重声明 我郑重声明：本人恪守学术道德，崇尚严谨学风，所呈交的学术论文是本人在老师的指导下，独立进行研究工作所取得的结果。除文中明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何他人已经发表和撰写过得内容。论文为本人亲自撰写，并对所写内容负责。 本人签名： 日期：2016年5月7号
摘要 随着机器人技术的快速发展，并联机械手的应用领域越来越广，已成为当今机器人领域新的研究热点。针对并联机械手机构比传统串联机械手更复杂的问题，本文以一种轻型高速的三自由度Delta 并联机械手为例，在完成其运动学的基础上，对并联机械手进行了建模以及装配。 首先，本文介绍了三自由度并联机械手机构的工作原理，并对其进行了运动学分析。其中，对机构的自由度进行的计算，采用几何法求得了其运动学正解以及其运动学逆解。其次，对机构进行了速度模型及雅克比矩阵的分析。实现了solidworks对机构的零部件与装配图三维建模。最后，通过个零部件的配合，实现了三自由度并联机械手的装配。 关键词：并联机械手；三自由度；3D建模
ABSTRACT With the rapid development of robot technology, parallel manipulator used more and more widely, has become the hot spot in the field of new robots today. In view of the parallel manipulator mechanism more complex than the traditional serial manipulator problem, based on a lightweight high-speed three degree of freedom parallel manipulator as an example, the Delta at the completion of its kinematics, on the basis of the parallel manipulator has carried on the modeling and assembly. First, this paper introduces the working principle of three degrees of freedom parallel manipulator mechanism, and carries on the kinematics analysis. Among them, the institution of degree of freedom for the calculation of geometric method is used to obtain the positive kinematics solution and its inverse kinematics solution. Second, the institutions for the velocity model and the Jacobi matrix analysis. Implements the solidworks for spare parts and assembly drawing 3 d modeling of the organization. Finally, by a spare parts, implements the three degree of freedom parallel manipulator assembly. Keywords: Parallel manipulator；Three degrees of freedom；3D modeling
SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 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 06 学生姓名：李继飞 00 学生姓名：程小岩 09 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再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，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；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。
目录 第1章绪论 (5) 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) 自由度及关节 (6) 基座及连杆 (6) 基座 (6) 机械臂 (6) 机械手的设计 (6) 驱动方式 (8) 传动方式 (9) 制动器 (10) 第3章控制系统硬件 (11) 控制系统模式的选择 (11) 控制系统的搭建 (11) 工控机 (12) 数据采集卡 (12) 伺服放大器 (13) 端子板 (14) 电位器及其标定 (15) 电源 (16) 第4章控制系统软件 (16) 预期的功能 (16) 实现方法 (16) 实时显示各个关节角及运动范围控制 (16) 直流电机的伺服控制 (16) 电机的自锁 (16) 示教编程及在线修改程序 (17) 第5章总结 (18)
三自由度机械手毕业设计
“慧鱼模型” 三自由度机械手 设 计 小 册 学院：机电工程学院班级：机械设计与制造 指导老师：蔺绍江 姓名：王连海
学号：201030120130
一、概述 (1) 1.1机电一体化技术 (1) 1.1.1机电一体化技术的定义和内容 (1) 1.1.2机电一体化系统组成 (1) 1.2. 慧鱼机器人 (2) 1.2.1慧鱼创意教学组合模型简介 (2) 二、机器人的组成 (3) 2.1组成构件 (3) 2.2慧鱼机器人分析 (6) 2.2.1机器人机构组成 (6) 2.2.2主要成分构成及功能 (7) 2.3. 机器人的工作空间形式 (9) 2.4机器人的机械运动形态和变换控制 (11) 2.5机器人的位移、速度、方向的控制方法 (13)
一、概述 1.1机电一体化技术 1.1.1机电一体化技术的定义和内容 机电一体化技术综合应用了机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术,接口技术及系统总体技术等群体技术,从系统的观点出发,根据系统功能目标和优化组织结构目标,以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础,对各组成要素及相互之间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下,形成物质和能量的有规则运动,在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。 1.1.2机电一体化系统组成 1.机械本体机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基 础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。 2.检测传感部分检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是 检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变 化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到 的信息向执行器发出相应的控制。 3.电子控制单元电子控制单元是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器 的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根 据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控 制整个系统有目的地进行。 4.执行器执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行 器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。 5.动力源动力源是机电一体化产品能量供应部分，是按照系统控制要求向机械 系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气 能和液压能。