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仿真機械手臂設計范文1

關鍵詞：采摘機械手；曲柄滑塊機構；MATLAB/SIMULINK

中圖分類號：S372 文獻標識碼：A

引言

在現代農業潮流下的今天，設施農業產業蓬勃發展，在此影響與帶動下的溫室生產自動化產業也應運而生，其中機械手是其發展過程中的重要產物之一，它不僅提高了勞動生產的效率，還能代替人類完成高強度、重復而枯燥的工作，減輕人類勞動強度，可以說是一舉兩得。采摘機械手作為自動化農業中代替人手采摘的重要成員，在農業自動化的舞臺上起到了重要作用。現代農業機械將向自動化、智能化、多功能方向發展。

1 采摘機械手的機構簡圖

本文所設計采摘機械手臂的運動可簡化為曲柄連桿機構，機械手的運動可簡化為滑塊搖桿機構，具有模仿人手動作摘取果實的功能。本文的設計對象為番茄采摘機械手，如圖1所示。

圖1 采摘機械手機構簡圖

在圖1中，O為電機輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構成曲柄滑塊機構；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構成滑塊搖桿機構。通過兩個機構串聯，使電機最終驅動DE來回擺動，從而實現手指的開合運動。其中上下兩部分為對稱運動。

2 主要技術參數

初始位置：R1=76cm，R2=10cm，R3=66cm，θ10°，θ2=0°，θ3=0°，α2=0，ω1=15rad/min，ω2=0，ω3=0。

圖示位置：R1=74.7cm，R2=10cm，R3=66cm，θ2=28°，θ3=3.7°，ω1=15rad/min。

3 基于SIMIULINK的運動學仿真

3.1 運動機構的數學模型

為了便于對采摘機械手的運動特性進行仿真分析，圖2給出了該機構的閉環矢量圖，其中R2代表曲柄，R1為機架并與滑塊連接，R3為連桿，θ2、θ3 、ω2、ω3、α2分別是R2、R3的運動角度、角速度和角加速度。如圖2所示。

圖2 曲柄滑塊機構的閉環矢量圖

本設計采用MATLAB/SIMULINK軟件包對機構的運動特性進行仿真，從而確定機構在連續運動過程中各個桿件的角度、角速度和角加速度的連續變化過程。在曲柄滑塊機構的矢量環中，機構運動到任何位置都可用矢量長度和矢角表示。機構矢量滿足下面的閉環矢量方程：

將各個矢量沿x和y坐標軸分解為兩個分量，得到機構位移矩陣方程：

將上式兩端對時間求一次導數，得機構速度矩陣方程：

上式再次對時間求一階導，得機構加速度矩陣方程：

3.2 動態仿真模型的建立

根據上述數學模型，建立曲柄滑塊機構的仿真模型，如圖3所示。

圖3 曲柄滑塊機構運動學仿真的Simulink模型

3.3 動態仿真結果

通過對各參數進行設置以及編寫相應的M函數，可得出各參數的運動學圖形（見圖4）。

從R2、R3、滑塊的角度、角速度、角加速度變化規律來看，可以看出采摘機械手的變化規律，從而了解機械手的運動特性。

參考文獻

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仿真機械手臂設計范文2

關鍵詞：蘿卜采收；機械手；機械設計；控制設計

中圖分類號：S225.92 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）09-2248-04

目前，中國農業機械化對農業生產的貢獻率僅為17%，與發達國家存在很大的差距[1]。加速農業現代化進程，實施精確農業，廣泛應用農業機器人，以提高資源利用率和農業產出率，降低勞動強度，提高經濟效率已成為現代農業發展的必然趨勢[2，3]。果蔬的采收方法有手工采收、機械輔助采收和機械化采收3種[4，5]，世界蘿卜的總產量為4 900萬t/年，其中中國680萬t/年，國內的采摘作業基本上都是手工進行的，收獲作業勞動強度大。隨著農業設施的發展和作業機械化的要求，對蘿卜種植模式要求也越來越高，種植、管理和收獲的勞動量也越來越大，亟需研究開發果蔬收獲機器人，實現果蔬的機械化、自動化與智能化收獲[6，7]，為此，通過對蘿卜種植與采收情況的調研，設計了一款蘿卜采收機械手，以期為蘿卜的自動化采收打下一定的基礎。

1 蘿卜采收機總體設計

根據蘿卜采收過程的特殊性，為了提升蘿卜采收的工作效率，所設計的是一種農業機械中的收獲機械手，由執行系統、驅動系統和控制系統組成，其組成示意圖如圖1。

2 蘿卜采收機械手關鍵部位機械設計

蘿卜采收機械手的關鍵部位主要包括：1）手爪部位。手爪部位的主要工作是對蘿卜進行抓取，為了減少手部由于慣性帶來的不平穩性，此部位采用回轉的形式，而手爪只用兩根手指代替；2）手腕部位。手腕是連接手爪部位和手臂部位的關鍵地方，其主要工作是調整蘿卜的方位，使蘿卜被抓的時候可以進行擺動和回轉，輔助蘿卜采收過程的連貫性；3）手臂部位。手臂部位的主要作用就是支承，在采收過程中帶動其他部件運轉，并按照采收要求將蘿卜搬運到指定的位置，設計時只需要實現手臂部位的升降與擺動即可。此次設計機械手應實現的功能：蘿卜的挖掘、被挖掘的蘿卜轉移到指定位置，圖2為機械手的機構形式簡圖。

2.1 機械手基本技術參數的選定

由于蘿卜生長的自然環境決定了蘿卜采摘過程中所需要的拔取力，故需要對不同地方生長的蘿卜進行采收力的測定。把細繩系在蘿卜的莖葉或者根莖部位，細繩的末端連接計力器材，多次讀取并記錄最大拉力。圖3為湖北省長陽和沙洋兩個地區分組測試蘿卜拔取力的試驗結果，現取5組數據平均值F=80 N，蘿卜重量約為0.5kg，故重力G=5 N，摩擦系數f=0.2，夾緊力N=0.5 G/f，得N=12.5 N。

機械手手臂上下行程為500 mm，手腕旋轉角度90°，手臂旋轉角度90°，按照循環步驟安排確定每個動作的時間，從而確定各動作的運動速度。各動作的時間分配要考慮多方面的因素，包括總的循環時間的長短，各動作之間順序是依序進行還是同時進行等[8]，此次設計各動作依序進行，為保證蘿卜的質量必須限制采摘速度及加速度，采摘速度初步定在小于1 m/s，此速度由各關節液壓缸流量控制保證。

2.2 機械手末端執行機構的設計

手部是用來直接握持蘿卜的部件，由于被握持蘿卜的形狀、尺寸大小、重量、表面狀況等的不同，根據實際要求，設計采用夾鉗式的手部結構。夾鉗式手部結構由手指、傳動機構和驅動裝置三部分組成，它對抓取各種形狀的物體具有較大的適應性，常見的傳動機構往往通過滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機構實現夾緊或放松[9]。由于抓取尺寸約為90 mm×240 mm的圓柱體，故采用夾鉗式平面指形結構較為合適。

設計中機械手手爪在夾持蘿卜時，其夾握力分析簡圖如圖4。為了增大夾握力，采取以下兩種方法：①設計鏟刀角度170°，以增加手指和蘿卜的接觸面積；②增大手指和蘿卜間的摩擦系數，為此采用較寬手指與蘿卜接觸，故此處f取0.2，將上述數值代入得：

N=■G=■×5=12.5N 公式（1）

式中，N為夾持蘿卜時所需要的握力；G為工件重量轉化的重力； f為摩擦系數。

考慮到在傳送過程中還會產生慣性力、振動以及受到傳力機構效率等的影響，故實際握力還應按公式（2）計算[10]：

N實≥N?■ 公式（2）

式中，η為手部的機械效率，一般取0.85～0.95；k1為安全系數，一般取1.2～2.0；k2為工作情況系數，主要考慮慣性力的影響，按公式（3）估算[10，11]：

k2=1+a/g公式（3）

其中，a為抓取工件傳送過程中的最大加速度，g為重力加速度。

若取η=0.9，k1=1.5，k2按a=g/2計算，k2=1+a/g=1.5，則

N實≥N?■=12.5×■≈32 N 公式（4）

2.3 機械手腕部位的設計

機械手腕與機械手臂連接在一起，手臂運動結束后調整手腕的位置狀態，以此來提高蘿卜采收過程的拔取率。手腕部位的機械結構設計應該力求扎實緊湊，且轉動慣性小。手腕也是末端執行部位與機械手臂之間的橋梁，處于手臂部位的前端，手爪的末端，因此其承受載荷的性能直接關系到蘿卜的采收過程，在設計的過程中還要考慮其機械強度與剛度，并且要讓其布局合理。結合設計要求，設計出腕部位的結構如圖5，其為典型腕部結構中具有一個自由度的回轉缸驅動的腕部結構，直接用回轉液壓缸驅動實現腕部的回轉運動。

2.4 機械手臂部位的設計

機械手的手臂部位是實現機械手末端手爪進行大尺度位姿變換的關鍵部件，即把末端手爪部分移動到空間的指定地點。手臂部位的驅動形式主要有液壓傳動式和機械傳動式兩種，由于手臂部位的大尺度工作范圍，以及工作中也需承受腕部和手爪部位的動力載荷，而且其姿態調整的靈活性影響到機械手的定位精度，因此手臂部位采用液壓回轉缸的形式實現手臂的大尺度旋轉動作，如圖6所示的手臂結構，采用一個回轉液壓缸，實現小臂的旋轉運動。從A-A剖視圖上可以看出，回轉葉片用鍵和轉軸連接在一起，定片和缸體用銷釘和螺釘連接，壓力油由左油孔進入和右油孔壓出，以此來實現手臂部位的旋轉。

3 蘿卜采收機械手液壓驅動系統設計及PLC控制設計

3.1 液壓驅動系統的設計

從蘿卜采收的工藝過程可以得出，機械手運動的時候液壓系統中液壓油的壓力和流量不需要太高，設計使用電磁換向閥的液壓回路可以較好地提高采收過程的自動化程度。從降低供油壓力的角度來分析，機械手的液壓系統可以采用單泵供油，而手臂部位的旋轉和位姿的調整等相關機構采用并聯供油。為了防止多缸的運動系統在運動的過程中產生干涉和保證運動過程中實現非同步運動或者是同步運動，油路中的換向閥使用中位“O”型換向閥，夾緊缸換向選用二位三通電磁閥，其他缸全部選用“O”型三位四通電磁換向閥[12，13]。機械手臂位姿調整的過程中要求行程可變，在液壓缸的起動和停止的過程中也需要緩沖，但由于回轉缸內空間狹小，且回轉缸為小流量泵供油，故本系統沒有在回轉缸換向回路中采用緩沖回路，僅在大流量直動液壓缸中采用緩沖回路。

在上述主要液壓回路定好后，再加上其他功用的輔助油路（如卸荷、測壓等油路）就可以進行合并，完善為完整的液壓系統，并編制液壓系統動作循環及電磁鐵動作順序表，其中液壓原理圖如圖7。

3.2 PLC控制設計

為了讓機械手工作時可靠且有較強的穩定性，控制部分的設計思路是讓該機械手的部件順序動作，所以，在任一時間該機械手都只有一個部件被驅動，而各個部件的運動方式和運動范圍都是受其結構限制的[14，15]。PLC的狀態流程簡圖如圖8所示，機械手在自動運動狀態時每一個周期需要完成以下動作：蘿卜采摘開始時，機械手被設定在準備狀態，第一步為手臂下降；下降完成后，手爪扎入地下指定深度，進行第二步手爪夾緊；為完成挖蘿卜動作，手腕帶動手爪及蘿卜旋轉90°；完成上述動作后，機械手臂向上提升完成拔去動作；手臂擺動90°，以實現對蘿卜的轉移；最后手臂回擺，手腕回擺，機械手回到初始狀態。

4 小結

通過對機器人技術及機械手結構的分析，對蘿卜采收的過程進行了研究，確定蘿卜采收機械手的整體方案結構，設計蘿卜采收機械手的關鍵結構。蘿卜采收機械手能配合蘿卜采收機依次完成蘿卜的拔取、翻轉、轉位等動作，但該機械手在結構及工作性能的穩定性方面還需在田間進行試驗，控制方案有待根據不同地區的種植情況進行優化。

參考文獻：

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仿真機械手臂設計范文3

【關鍵詞】機器人;運動學;遺傳算法;OpenGL;計算機仿真

1.機器人教學仿真系統的主要功能

機器人實驗教學要求學生通過實驗，掌握機器人的空間運動，熟悉機器人示教編程功能。

本圖形仿真系統針對機器人試驗教學的要求，以日本安川公司所生產的YASKAWA MOTOMAN UP-6 工業機器人為研究對象，在Visual C++ 6.0平臺上，利用OpenGL對機器人實體建模，創建了機械手三維圖形模型，實現了機器人空間運動的仿真過程和機器人教學的示教仿真功能。該仿真系統圖形功能豐富，可視性強。充分利用VC和OpenGL的圖形功能，用三維立體圖形進行仿真。系統的操作性和可靠性強，采用了模塊化結構。

該仿真系統基本功能有：運動仿真，示教仿真和學習幫助。

（1）運動仿真：可以通過界面上的各關節對應的控制鍵按鈕來驅動機械手各關節的運動，使機器人末端執行器到達所要求的的空間位置和姿態，實現機器人的空間運動仿真。本仿真系統，還可以通過編制簡單的指令程序來驅動機械手作相應的運動。

（2）示教仿真：在機器人實驗課程中，工業機器人的實驗是用示教盒對機械手進行示教編程來完成的。為了使學生能夠以示教方式參與編程，開發了與圖形動態交互的示教盒。本系統可以采用示教調試和編程再現的方法來實現機械手三維運動的仿真過程。

（3）學習幫助：該軟件提供了豐富的幫助功能，在幫助模塊中，對機器人的指令代碼做了詳細的說明，提供了一個友好的用戶界面。

2.機器人運動仿真的實現

機器人實驗要求學生通過對示教盒的操作，掌握機器人的基本運動操作，掌握簡單的程序編制，了解機器人示教編程。本文針對機器人實驗教學的具體內容，開發了機器人運動仿真平臺。

仿真平臺的具體功能有：

根據YASKAWA MOTOMAN UP-6 機器人的實際操作，在該圖形仿真系統中， S、L、U、R、B、T軸（其轉角即機械手桿件的六個關節角）的正反運動分別由界面上相應的控件按鈕來驅動。

為了實現YASKAWA MOTOMAN UP-6機器人示教盒的相應的運動功能，在該仿真系統中設計了“開始” 、“恢復” 控件，如圖1 所示。“開始” 控件可使機械手從初始位置移動到目標位置;“恢復” 控件可使機械手從當前位置回到初始位置。為實現機械手從初始位置移動到目標位置，本文利用Windows計時器來控制關節運動，要使機械手從初始位置開始移動到目標位置時，啟動計時器，將關節角度傳送給OpenGL變換矩陣中對應的控制變量，驅動機械手各個關節作相應的運動，從而使機械手完成給定的運動和任務。當機械手完成任務時，程序關閉計時器。

應用本仿真系統時，還可輸入機器人指令來驅動機械手作相應的運動，通過編制指令來實現機器人不同的空間運動，實現不同的任務。

圖1

要實現機器人的空間運動仿真，使末端執行器到達某個空間位置和姿態，驅動機械手各關節作相應的角度的運動，必須要建立機器人運動學方程。機器人手臂是由許多關節和連桿構成的，機械手在三維空間上的位姿由各關節的角位移所決定，機器人運動學模型用于表達各關節角位移和機械手位姿之間的關系。機器人運動學模型的建立以及運動學正解、逆解的求法將在下文中給出。

本文根據機器人關節連桿幾何參數的定義，求得了機器人機械手的關節連桿參數，建立了機器人的正運動學方程，并求出了關節角度為某一個確定的值時，機械手末端執行器的位姿矩陣。

圖2 機器人示教仿真界面

3.機器人示教仿真的實現

工業機器人的示教實驗要求：操作者使用示教盒，按動軸操作器，使各軸分別動作，形成所需的位姿后，記錄一個示教點的位置數據，同時記錄一條運動命令。逐點示教之后，就構成了一個作業任務。

為使學生熟悉YASKAWA MOTOMAN UP-6機器人的示教操作，本仿真系統在上述運動仿真功能模塊基礎上，開發了機器人示教仿真功能，將上述各個功能組合在一起。機器人示教仿真界面如圖2所示，示教仿真模仿了在線示教的功能。對YASKAWA MOTOMAN UP-6 機器人而言，對世界坐標系中可到達的每一個點，都可求出相應的機械手6個關節的角度值。應用本系統時，可以采用示教調試和編程再現的方法來實現機械手三維運動的仿真過程。首先示教調試，使機械手從某一位置，以某種姿態到達另一位置，并完成一定的任務，機械手的每一個關節的運動都由界面上一個相應的按鈕來控制，在調試的同時記錄下各個關節的運動過程，并可在界面上實時顯示每個關節的角度值。然后編程再現，根據記下的數據，可再現機器人的運動過程。

參考文獻

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基金項目：海南省科技興海項目（XH201316）“基于無人飛行器的近海藻類檢測裝置”;海南省自然科學基金項目（611133）“認知無線電及其在海南信息化進程中的相關問題研究”。

作者簡介：

韓建文（1979―），男，碩士，講師，主要研究方向：電子信息、通信技術等。

仿真機械手臂設計范文4

機械臂系統是用于教學的新型設備。該設備是北航自動控制系在“211”教學試驗建設項目和北京市高效教育改革試點項目中，為自動化專業教學試驗提供典型的控制系統模型而自制的設備。機械臂系統是基于對橋式吊車系統的改造，添加了一個下擺，并在兩個轉軸關節上又加入了控制電機，形成了具有三個自由度結構的工業機械手臂系統。本次畢設正是期望完成對機械臂系統的控制設計仿真和聯機調試實際系統，對機械臂的控制方案中的一個方向——BP控制的研究。

論文中將介紹機械臂系統的組成結構、工作原理、數學建模、控制方案和控制軟件的設計。文中將詳盡介紹基于拉各朗日方程的系統數學建模，面向狀態空間的控制方案和面向解耦通道的控制方案，在經典PD控制的基礎上加入了現代的神經元網絡控制，并比較了它們之間的差異和結合以后所取得的改善。

論文中討論的神經網絡BP控制和PD控制在MATLAB里仿真獲得了成功，并同時討論了兩種方法，都分別得到了結果。PD控制在實際系統上進行了調試。

關鍵詞： 機械臂，神經網絡，BP控制

目錄

第一章 緒論

一 論文的背景與來源 (4)

二 畢設論文的組織結構和取得的結果 (5)

第二章 機械臂系統的介紹

一 系統結構和工作原理 (6)

二 機械臂控制方法概述 (9)

第三章 機械臂的數學模型

一 系統的動力學模型 (12)

二 系統控制要達到的目標 (20)

第四章 機械臂系統的仿真

一 控制系統的仿真概述 (21)

二 機械臂的PD控制 (23)

三 機械臂的BP控制 (33)

第五章 機械臂系統的控制實驗

一 VC的介紹 (56)

二 控制軟件的功能 (57)

三 控制軟件的功能及特點 (59)

四 實驗結果分析 (60)

結束語

參考書目

：18000多字

有中、英文摘要

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仿真機械手臂設計范文5

一 緒論

1.前言

2.機械手的簡史

3.工業機械手在生產中的應用

4.機械手的組成

5工業機械手的發展趨勢

6 本章小結

機械手移動工件控制系統的控制要求

1工作原理

2設備控制要求

3硬件配置

I/O地址表

機械手控制系統的程序設計

1流程圖

2控制源程序介紹

運行調試

五、梯形圖及PLC的外部接線

1梯形圖

2 PLC外部接線

3主電路

4元件清單

總結

七、

一 緒論

1.前言

用于再現人手的的功能的技術裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業生產中應用的機械手被稱為工業機械手。

工業機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，并已成為現代機械制造生產系統中的一個重要組成部分，這種新技術發展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。

工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動生產設備。工業機械手也是工業機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現在人的智能和適應性。機械手作業的準確性和環境中完成作業的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發展空間。

工業機械手的發展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發展，并且取得一定的效果，受到機械工業的重視。

機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環境中的工作。

機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業技術的發展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。

2.機械手的簡史

現代機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現和主從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產品。

機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統是示教型的。 1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業機械手發展的基礎。

1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯合研制一種Unimate-Vic-arm型工業機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業，定位誤差可小于±1毫米。

美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。

德國機器制造業是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業。德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節式結構和程序控制。

瑞士RETAB公司生產一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。

瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經出現了觸覺和視覺機械手。

第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系。并逐步發展成為柔性制造系統FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環。

隨著工業機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。

3.工業機械手在生產中的應用

機械手是工業自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。

在現代工業中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業的自動化水平越來越高，現代化加工車間，常配有機械手，以提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。可在機械工業中，加工、裝配等生產很大程度上不是連續的。據資料介紹，美國生產的全部工業零件中，有75%是小批量生產；金屬加工生產批量中有

四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產工序；機械手加工行業中用于取料、送料；澆鑄行業中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠實現這類工作的搬運機械手為研究對象。

4.機械手的組成

工業機械手由執行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。

4.1 執行機構

（1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。

傳力機構形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。

（2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調節被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。

目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度小（一般小于 2700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩定的輸出扭距。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。

（3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。

臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態（方位），則用腕部的自由度加以實現。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。

手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。

行走機構 有的工業機械手帶有行走機構，我國的正處于仿真階段。

4.2 控制機構

驅動機構是工業機械手的重要組成部分。機械手的控制可采用以下幾種方式：

1）用繼電器控制，這種控制系統故障率高、控制方式不靈活且功率消耗大，已逐漸被人們所淘汰；

2）用微機控制，雖然它在智能控制方面有較大的功能，但它的抗干擾性差，系統設計比較復雜，一般維修人員難以掌握其維修技術，廣泛應用也不太容易；

3）PLC控制，此控制系統具有運行可靠、使用維修方便、抗干擾性強、能經受惡劣環境的考驗等優越性，已經成為在機械手控制系統中使用最多的控制方式。

4.3 控制系統分類

在機械手的控制上，有點動控制和連續控制兩種方式。大多數用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。

5工業機械手的發展趨勢

(1)工業機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降。

(2)機械結構向模塊化、可重構化發展。例如關節模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化:由關節模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。

(3)工業機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。

(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環境建模及決策控制多傳感器融合配置技術在產品化系統中已有成熟應用。

(5)虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發展到用于過程控制如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業環境中的感覺來操縱機器人。

(6)當代遙控機器人系統的發展特點不是追求全自治系統，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統構成完整的監控遙控操作系統，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統成功應用的最著名實例。

(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距;在應用規模上，我國己安裝的國產工業機器人約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩定。因此迫切需要解決產業化前期的關鍵技術，對產品進行全面規劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發應用上開展了不少工作，有了一定的發展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。

6 本章小結

本章簡要的介紹了機械手的基本概念。在機械手的組成上，系統的從執行機構、控制機構以及控制部分三個方面說明。比較細致的介紹了機械手的發展趨勢，簡要的敘述了本文研究的內容。

二 .機械手移動工件控制系統的控制要求

以三菱公司的PLC為例，設計一個簡單的機械手移動工件控制系統。圖a所示為一簡易物料搬運機械手的工藝流程圖。該機械手石一個水平/垂直位移的機械設備，其操作是將工件從左工作臺搬運到右工作臺。

機械手移動工件的基本結構圖如圖a所示

圖1-a 機械手移動工件的基本結構圖

1工作原理

機械手移動工件通過限位開關和電機來控制。

機械手分別通過前進/后退電機、上升、下降電機的正反轉來上、下、左、右移動，移動的最大位置通過上、下、左、右4個限位開關控制。

夾放工件通過夾緊、放下電機的正反轉來控制。夾緊工件通過定時器來控制，即憑經驗設定一個時間，在這個時間內，機械手能完全夾緊工件。放下工件通過松限位開關來控制。

按下啟動按鈕，整個系統按照PLC程序的設定有序的運行；正常停車時，按下正常停車按鈕，等機械手運行到初始位置，停車。當按下即停按鈕時，系統不管運行到什么狀態，都要立即停止

2設備控制要求

機械手移動工件控制系統的要求時有“正常運行”和“強制停止”兩種控制方式。

2.1正常運行

在初始位置（上、左、松限位開關確定）處，按下啟動按鈕，系統開始工作；

機械手首先向下運動，運動到最低位置停止；

機械手開始夾緊工件，一直到工件夾緊為止（由定時器控制）；

機械手開始向上運動，一直運動到最上端（由上限位開關確定）；

上限位開關閉合后，機械手開始向右運動；

運行到右端后，機械手開始向下運動；

向下運動到最低位后，機械手把工件松開，一直到松限位開關有效（由松限位開關控制）；

工件松開后，機械手開始向上運動，直至觸動上限位開關（上限位開關控制）；

到達最上端后，機械化搜開始左運動，直到觸動左限位開關，此時機械手已回到初始位置；

該系統要求能連續循環工作。正常停車時，要求機械手回到初始位置才能停車。

2.2緊急停止

按下緊急停止按鈕時，系統立即停止。

3硬件配置

從控制系統圖1－B可以看出，在控制方式選擇上需要一個啟動按鈕用來完成自動方式的啟動、1個停止按鈕用來處理正常情況下的停止運行，1個急停按鈕用來處理緊急情況下的停止運行。機械手運動的限位開關有5個:高位限位開關、低位限位開關、左位限位開關、右位限位開關和松開器件開關。手動輸入信號共由3個電機組成：前進/后退電機、上升/下降電機、夾取/放下電機。

機械手控制系統圖如下圖所示：

3.1.PLC的選型

(1)對輸入 / 輸出點的選擇 另外要注意，一些高密度輸入點的模塊對同時接通的輸入點數有限制，一般同時接通的輸入點不得超過總輸入點的 60 ％；本設計中的輸入點為8，所以PLC所需的輸入點需要大于14。 PLC 每個輸出點的驅動能力（ A/ 點）也是有限的，有的 PLC 其每點輸出電流的大小還隨所加負載電壓的不同而異；一般 PLC 的允許輸出電流隨環境溫度的升高而有所降低等。在選型時要考慮這些問題。

PLC 的輸出點可分為共點式、分組式和隔離式幾種接法。隔離式的各組輸出點之間可以采用不同的電壓種類和電壓等級，但這種 PLC 平均每點的價格較高。如果輸出信號之間不需要隔離，則應選擇前兩種輸出方式的 PLC 。

(2)對存儲容量的選擇

對用戶存儲容量只能作粗略的估算。在僅對開關量進行控制的系統中，可以用輸入總點數乘 10 字 / 點＋輸出總點數乘 5 字 / 點來估算，本設計中的開關量為830；計數器 / 定時器按（ 3 ～ 5 ）字 / 個估算，本設計中有一個定時器。最后，一般按估算容量的 50 ～ 100 ％留有裕量。

(3)對 I/O 響應時間的選擇

PLC 的 I/O 響應時間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時間延遲（一般在 2 ～ 3 個掃描周期）等。對開關量控制的系統， PLC 和 I/O 響應時間一般都能滿足實際工程的要求，可不必考慮 I/O 響應問題。

(4)根據輸出負載的特點選型

不同的負載對 PLC 的輸出方式有相應的要求。本設計中的在負載都式動作不頻繁的交、直流負載，因此選用繼電器輸出型的。繼電器輸出型的 PLC 有許多優點，如導通壓降小，有隔離作用，價格相對較便宜，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，其負載電壓靈活（可交流、可直流）且電壓等級范圍大等。

(5)對 PLC 結構形式的選擇 FX2N系列PLC是三菱公司的高性能疊裝式機種。可以分配不同的單元：基本單元、擴展單元和特殊單元。基本單元內含有CPU，存儲器和I/O電路，要增加系統的I/O點數可聯接擴展單元，增加系統的控制功能，則可以連接相應的特殊單元。在本系統中，配置基本單元就可以滿足控制要求。不同的負載對PLC的輸出方式有相應的要求。例如，頻繁通斷的感性負載，應選擇晶體管或晶閘管輸出型的，而不應選用繼電器輸出型的。但繼電器輸出型的PLC有許多優點，如導通壓降小，有隔離作用，價格相對較便宜，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，其負載電壓靈活（可交流、可直流）且電壓等級范圍大等。所以動作不頻繁的交、直流負載可以選擇繼電器輸出型的PLC。即選用FX2N-32MR繼電器輸出型PLC作為機械手移動工件的控制系統。

機械手移動工件控制以三菱公司的FX2N 系列PLC為例，PLC框架配置如圖1－C所示:

圖1－C PLC框架配置

&nbs p;3.2.按鈕的選擇

按鈕是最常用的主令電器，在低壓控制電路中用于手動發出控制信號。它由按鈕帽、復位彈簧、橋式觸頭和外殼等組成。按用途和結構的不同，分為啟動按鈕、停止按鈕和復合按鈕等。

在機械手控制系統的設計中，選用分別選用了一個啟動按鈕，一個停止按鈕，一個急停按鈕，其原理分別為：啟動按鈕帶有常開觸頭，手指按下鈕帽，常開觸頭閉合；手指松開，常開觸頭復位。停止按鈕帶有常閉觸頭，手指按下按鈕帽，常閉觸頭斷開；手指松開，常閉觸頭復位。急停按鈕按下之后，機械手移動工件立即停止；急停按鈕解除后，所有輸出重新開始。一按按鈕，機床就能鎖住，解除的方法是旋轉后解除。 表1－1 按鈕的技術數據

型號 觸頭組合 按鈕顏色

LA25－10 —常開 綠色

LA25－01 —常閉 紅色

KA5－4211 —常開—常閉 灰色

3.3.限位開關的選擇

行程開關(限位開關)的工作原理及符號表示行程開關又稱限位開關，用于控制機械設備的行程及限位保護。在實際生產中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現電路的切換。因此，行程開關是一種根據運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關廣泛用于各類機床和起重機械，用以控制其行程、進行終端限位保護。在電梯的控制電路中，還利用行程開關來控制開關轎門的速度、自動開關門的限位，轎廂的上、下限位保護。 表1－2 限位開關的技術數據

型號 額定電壓/V 額定電流/A 觸頭數量 結構形式 個數

交流 直流 常開 常閉

JLXK1-311 500 440 5 1 1 直動防護式 5

3.4.繼電器的選擇 表1－3 正反轉繼電器的技術數據

型號 觸點數量 觸電容量 工作電壓 個數

JZF-5 3個常開觸點 AC250V 5A 220V 6

4.I/O地址表

由于CPU模塊有16點數字量輸入，16點數字量的輸出，因此不再需要輸入/輸出模塊。I/O分配采用自動分配方式，模塊上的輸入端子對應的輸入地址是X000～X007，輸出端子對應的輸出地址是Y000～X017。

表1－4 I/O地址表

對應地址 對應的外部設備

輸入地址 X000 啟動按鈕

X001 停止按鈕

X002 緊急停止按鈕

X003 上限位開關

X004 下限位開關

X005 左限位開關

X006 右限位開關

X007 松限位開關

輸出地址 Y000 前進/后退電機正轉繼電器（前進）

Y001 前進/后退電機反轉繼電器（后退）

Y002 上升/下降電機正轉繼電器（上升）

Y003 上升/下降電機反轉繼電器（下降）

Y004 夾緊/放下電機正轉繼電器（夾緊）

Y0 05 夾緊/放下電機反轉繼電器（放下）

功能

定時器 T0 夾緊工件時定時5S

內部繼電器 M0 機械手的初始位置

三、機械手控制系統的程序設計

1流程圖

1.1正常運行流程圖

正常運行流程圖如圖1－D所示： 緊急停止流程圖如圖1－E所示：

圖1－D 正常運行流程圖

圖1－E 緊急停止的流程圖

2控制源程序介紹

2.1初始位置輔助繼電器

M0是初始位置輔助繼電器，當機械手的位置在左上方時，M0得電。它的助記符程序為：

LD X003

AND X005

OUT M0 ;機械手在初始位置

所對應得梯形圖如圖1-F所示：

圖1-F 初始位置輔助繼電器梯形圖

2.2向下運動

機械手在初始位置時，按下啟動按鈕，機械手開始向下運動，運動到最下端停止；當機械手夾著工件運動到最右邊時，開始向下運動，運動到下端停止；當緊急停止按鈕按下時，停止向下運動。它的助記符程序為：

LD X000 OR Y003

AND M0 ANI X004

LD X006 ANI X002

ORB ANI X001

OUT Y003 ；機械手向下運動

所對應得梯形圖如圖1－G所示：

圖1－G 向下運動梯形圖

2.3夾工件

當機械手運動到左下方時，開始夾工件，夾5S；當緊急停止按鈕按下時，停止夾工件。它的助記符程序為：

LD X004 ANI T0

AND X005 OUT Y004 ；機械手夾工件

OR Y004 OUT T0 K50定時5S鐘

ANI X002

所對應 的梯形圖如圖1－H所示:

圖1－H 夾工件梯形圖

2.4向上運動

機械手夾緊工件后或者工件放下后，開始向上運動，運動到最上端停止；當緊急停止按鈕按下時，停止向上運動。它的助記符程序為:

LD T0 ANI X003

OR X007 ANI X002

OR Y002 OUT Y002 ；機械手向上運動

所對應的梯形圖如圖1－I所示：

圖1－I 向上運動梯形圖

2.5向右運動

機械手夾緊工件，上升到最上端后，開始向右運動，運動到最右端停止；當緊急停止按鈕按下時，停止向右運動。它的助記符程序為:

LDI X007 ANI X006

AND X003 ANI X002

OR Y000 OUT Y000 ；機械手夾著工件向右移動

所對應的梯形圖如圖1－J所示：

圖1－J 向右運動梯形圖

2.6放下工件

當機械手運動到最右、最下端時，開始放下工件；當緊急停止按鈕按下時，停止放下工件。它的助記符程序為：

LD X004 ANI X007

AND X006 ANI X002

OR Y005 OUT Y005 ；機械手放下工件

所對應的梯形圖如圖1－K所示：

圖1－K 放下工件梯形圖

2.7向左運動

機械手放下工件，上升到最上端后，開始向左運動，運動到最左端停止；當緊急停止按鈕按下時，停止向左運動。它得助記符程序為：

LD X003 &n bsp; ANI X005

AND X006 ANI X002

OR Y001 AND X007

OUT Y001 ；機械手向左移動

所對應得梯形圖如圖1－L所示：

圖1－ L 向左運動梯形圖

四、運行調試

針對機械手的幾種工作方式，分別進行控制的實現邏輯處理。

首先是復位控制，這對于周期運轉而言是十分重要的，只有當機械手處于原點位置時才能啟動周期工作程序。系統設計了一個復位控制信號，在系統上電后，如果選擇單周期或連續工作方式，則首先要確保機械手處于原點位置才能進行下一步處理。為了保證在周期方式啟動前系統處于該位置，可以首先通過按下回原點按鈕來驅動機械手到達該位置，然后啟動周期控制。這樣就可以有效地減少逐個手動控制設備到位地繁雜過程，提高控制效率。這樣，就要求系統在手動方式下，如果收到復位命令，則驅動機械手向上或向左運動到原始位，同時復位抓取信號。

周期工作分為單周期和連續工作兩種方式，其區別主要在于完成一個動作周期后，但周期方式下，系統等待下一個啟動信號到來才進行下一步動作，而連續工作方式下則繼續進行下一個周期，直至停止信號到來。對每個周期的動作而言，兩種方式下完全相同。

五、梯形圖及PLC的外部接線

1梯形圖

機械手系統設計梯形圖如下圖所示：

圖1－M 機械手系統設計梯形圖

2 PLC外部接線

機械手控制系統外部接線

圖1－N 機械手控制系統外部接線圖

3主電路

4元件清單

表1－5 機械手控制系統元件清單

元器件名稱 型號 數量 生產公司 備注

啟動按鈕 LA25－10 1 三菱 常開

停止按鈕 LA25－01 1 三菱 常閉

急停按鈕 KA5－4211 1 三菱 常開－常閉

行程開關 JLXK1-311 5 三菱 直流防護式

輔助繼電器 LY2-0 DC48V 1 三菱 3個常開觸點

正反轉繼電器 JZF－5 6 三菱 AC250V 5A

總結

通過本系統的設計，對三菱FX系列PLC的特點有了更深的理解。掌握了構建實際PLC控制系統的能力和對程序調試的步驟和方法。熟悉了PLC的I/O的連接方法和對一些硬件根據實際要求進行適當的選擇。

機械手控制系統利用了三菱FX系列PLC的特點，對電機、行程開關及其他一些輸入/輸出點進行控制，實現了機械加工中移動工件的自動化。機械手作為工件取送設備雖然應用于不同的場合，其具體的工作情況不同，但本質的工作過程卻是類似的。采用PLC對機械手進行控制也是目前常見的控制方式，本設計給出的機械手控制程序，可以應用于大部分的類似場合。

七、 (1) 可編程序控制器原理與應用 西安電子科技大學出版社 主編 汪志鋒

(2) PLC應用開發技術與工程實踐 人民郵電出版社 編著 求是科技

(3) 可編程控制器技術及應用 北京理工大學出版社 編著 夏辛明

(4) 可編程控制器應用技術 機械工業出版社 主編 王也仿

(5) 可編程控制器原理與應用 中國電力出版社 &nbs p; 主編 郁漢琪

仿真機械手臂設計范文6

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