三自由度机械手结构与原理研究.docx
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三自由度机械手结构与原理研究
题目：
三自由度机械手结构与原理研究
学院：
轻型产业学院
专业：
电气工程及其自动化
姓名：
丛榆坤
指导教师：
蔡小五
完成日期：
2014年5月11日
毕业论文任务书
毕业论文题目：
三自由度机械手结构与原理研究
选题意义、创新性、科学性和可行性论证：
近年来，我国乃至世界三自由度机械手发展十分迅速，其数量和规模不断提高，所以对三自由度机械手的熟知变得愈发重要。
为体现出三自由度机械手的现实价值，在此我们对三自由度机械手结构设计与工作原理做一细致分析。
主要内容：
基于对三自由度机械手的结构与原理分析，通过编写相关程序控制机械手运动。
首先，了解机械手的发展现状；其次，对其硬件的选择及软件的使用做一说明；最后，通过实验，使理论与实际相结合，观察机械手的运动状况。
目的要求：
为了培养学生在实践中运用所学的专业知识，强调理论联系实际的学习态度，提高分析问题和解决问题的能力。
培养学生掌握计算机操作技术，运用计算机编写程序进行模拟操作。
计划进度：
1.毕业论文选题（2013.09.01~2013.10.31）
2.确定毕业论文写作提纲（2013.11.01~2013.12.31）
3.形成毕业论文初稿（2014.01.01~2014.02.28）
4.形成毕业论文修改稿（2014.03.01~2014.04.30）
5.形成毕业论文终稿（2014.05.01~2014.05.18）
6.答辩（2014.05.19~2014.05.26）
指导教师签字：
主管院长（系主任）签字：
年月日
辽宁大学
本科毕业论文（设计）指导记录表
论文
题目
三自由度机械手结构与原理研究
学生
姓名
丛榆坤
学号
102703104
年级、专业
2010级电气工程及其自动化
指导教师姓名
蔡小五
指导教师职称
副教授
所在院系
轻型产业学院
第一次指导（对确定题目、毕业论文（设计）任务书的指导意见）：
确定论文题目为：
三自由度机械手结构与原理研究
独立查阅毕业论文资料。
围绕课题题目收集、阅读有关文献资料。
综合分析题目内容和要求，运用理论课所学知识，联系实际提出解决问题的方法。
同时对论文的目的和要求、计划进度进行了安排。
指导方式：
（请选择）面谈√电话电子邮件
指导教师签字：
2013年10月31日
第二次指导（对论文提纲的指导意见）：
对论文的提纲进行了修改。
认为论文有以下几个部分需要修改：
1、三自由度机械手的研究背景
2、三自由度机械手的基本结构
3、三自由度机械手的软件控制系统
指导方式：
（请选择）面谈√电话电子邮件
指导教师签字：
2013年12月31日
第三次指导（对初稿的指导意见）：
初稿完成后，对论文多出提出了修改意见。
认为初稿在有些方面还不够成熟，在内容上还需要做出必要的调整：
1、重点不突出，未明确表达出研究结论
2、格式有些地方不正确，有错别字，需要重新排版
指导方式：
（请选择）面谈√电话电子邮件
指导教师签字：
2014年02月28日
第四次指导（对修改稿的指导意见）：
对论文初稿修改表示肯定。
还是有格式问题需要修正。
格式要按照辽宁大学的规定书写。
指导方式：
（请选择）面谈√电话电子邮件
指导教师签字：
2014年04月30日
第五次指导（对是否定稿、进入答辩及其它指导意见）：
对论文进行了多次指导，认为可以定稿，同时还需要注意：
1、认真做好答辩准备
2、打印论文时按照学校要求格式进行
3、注意答辩时间、地点的安排，答辩时按照要求的程序进行
指导方式：
（请选择）面谈√电话电子邮件
指导教师签字：
2014年05月10日
主管院长（主任）签名院系盖章
年月日
注：
指导意见如不够填写可加附页
指导教师评语
学生：
丛榆坤
专业：
电气工程及其自动化
论文题目：
三自由度机械手结构与原理研究
论文共19页。
指导教师评语：
该生针对目前机器人领域中的三自由度机械手的发展现状，对其结构进行详细的介绍，通过ROBOPro软件设计相关程序使机械手驱动。
并在毕业设计过程中仔细认真，独立学习、掌握软件的使用方法。
该设计软件操作简单、稳定可靠，可使学生自主研究、开发，使机械手具有更多功能。
课题设计得较为合理、效果较好，达到了本科毕业论文的要求。
本论文内容充分、格式正确，可以进入答辩环节。
指导教师评分：
指导教师签字：
2014年5月23日
辽宁大学毕业论文（设计）成绩评定单
评阅人评语：
该生选题具有一定的现实意义，论文观点正确、结构较为严谨、思路较为清晰、叙述流畅，并具有一定的创新之处，达到了本科毕业论文的要求。
评阅人评分：
评阅人签字：
2014年05月23日
答辩委员会评语：
轻型产业学院毕业论文答辩委员会（小组）于2014年5月23日审查了2014届电气工程及其自动化专业学生丛榆坤的毕业论文。
答辩委员会评语：
该生选题具有一定的现实意义，答辩自述流畅，主题突出，条理清楚，回答问题正确，答辩小组全体成员一致同意该生通过答辩。
答辩成绩：
答辩委员会成员：
答辩委员会（小组）组长签字：
年月日
毕业论文（设计）成绩：
评阅人评分：
指导教师评分：
答辩成绩：
总成绩：
院长（系主任）签字：
年月日
注：
评阅人评分满分为100分，指导教师评分满分为100分，答辩成绩满分为100分；总成绩为三者的算术平均值（四舍五入）。
摘要
当今社会，三自由度机械手（又被称作3D机器人）广泛应用于生产生活中，机器人学在近几十年内迅速发展成为一门综合学科。
机械手的应用范围十分广泛,它不仅用于工业制造领域，也用于军事领域、医疗领域、农业领域等。
在提高工厂的生产效率和人们的生活质量的同时，也使人类社会发生了巨大变化。
因此，机械手的研究具有重大的意义。
本论文以三自由度机械手为主要研究对象，对其结构设计及工作原理作一阐述。
使用慧鱼模型，为了使学生们加深理论知识的学习，并且能够在实践中体会机械手的运动轨迹与运动方式。
从而更深层次地了解现代科学技术的发展，激发对其的兴趣，树立科学的观念，培养良好的独立研究能力。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成，具备抓取、搬运等多种功能。
所述机械手机身采用机座式，实验对象围绕机座布置，其坐标形式为多关节式，具有水平旋转、手臂竖直摆动等3个自由度；驱使其运动的动力源，常用的有液压、气压、电力和机械四种驱动形式。
我们所采用的驱动方式为电机驱动，利用伺服电机带动减速机，当减速机减速后带动旋转轴运动，从而实现各个回转运动。
电机驱动的优点是控制速度，位置精度非常准确，反应迅速，线性度高，伺服特性好。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，被称为机械手的自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成动作的程序、位置和时间（甚至速度与加速度）等，是机械手动作的指挥系统。
控制系统的核心通常是由单片机等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要求的功能。
采用ROBOPro软件进行模拟系统，最终实现关节的伺服控制和制动。
关键词：
机械手；慧鱼模型；运动坐标；伺服电机、ROBOPro软件
Abstract
Nowadays,threedegreesoffreedommanipulator（alsoknownas3Drobot）iswidelyusedintheproductionoflife,roboticsrapiddevelopmentinrecentdecadesbecomeacomprehensivediscipline.Robotapplicationsisverywide,itisnotonlyusedinindustrialmanufacturing,butalsoforthemilitary,medicalfield,agricultureandotherfields.Improveplantproductivityandqualityoflifeofpeople,butalsomakehumansocietyhasundergonetremendouschanges.Therefore,thestudyoftherobothasgreatsignificance.
Inthisthesis,threedegreesoffreedommanipulatorasthemainobjectofstudyforanelaboratedesignofitsstructureandworkingprinciple.Usefischertechnikmodel,inordertodeepenthetheoreticalknowledgeofthestudentstolearn,andbeabletounderstandthetrajectoryoftherobotmovementpatterninpractice.Thusadeeperunderstandingofthedevelopmentofmodernscienceandtechnology,tostimulatetheirinterest,establishascientificconcept,developgoodindependentstudyskills.Robotmainlybyhand,sportsbodiesandcontrolsystemhasthreemajorcomponents,withthecapture,handlingandotherfeatures.Themechanicalbasetypeusingthephoneitself,thesubjectsarearrangedaroundthebase,itscoordinatesintheformofmulti-jointtype,withhorizontalrotation,averticalarmswing,etc.3degreesoffreedom;drivingpowersourceofitsmovement,commonlyusedhydraulic,pneumatic,electricalandmechanicaldrivefourkindsofforms.Drivethewayweusedtodrivethemotor,theservomotordrivengear,gearreducerdrivewhentherotationaxis,inordertoachievevariousrotarymotion.Theadvantageisthatthemotordrivecontrolsthespeed,positionaccuracyisveryaccurate,rapidresponse,highlinearity,goodservocharacteristics.
Independencemovementwaydownmovementmechanism,stretching,rotating,etc.,arecalleddegreesoffreedommanipulator.Freedommanipulatorisakeydesignparameter.Controlsystemisthrougheachdegreeoffreedomrobotmotorcontrol,tocompletetheactionprogram,location,andtime（evenspeedandacceleration）,isthechainofcommandtherobotmovement.Thecoreofthecontrolsystemisusuallycontrolledbyamicrocontroller,suchasmicro-chipstructure,byitsprogrammingtoachievetherequiredfunctionality.UsingROBOProsoftwaresimulationsystems,andultimatelyjointservocontrolandbraking.
Keywords:
Manipulator;fischertechnik;motioncoordinates;servomotor;ROBOProSoftware.
目录
第一章绪论1
1.1机械手的历史背景1
1.2机械手的发展状况2
1.2.1国内机械手的发展状况2
1.2.2国外机械手的发展状况2
1.3机械手的应用前景3
1.4机械手的优势及发展趋势4
第二章机械手分类及组成结构5
2.1机械手的分类5
2.2机械手的组成6
2.2.1机械手的执行机构6
2.2.2机械手的驱动机构7
2.2.3机械手的控制系统7
第三章机械手的控制系统分析8
3.1控制系统硬件8
3.1.1三自由度机械手的技术参数列表8
3.1.2电机8
3.1.3ROBOPRO接口板9
3.2控制系统软件10
3.2.1软件系统平台介绍10
3.2.2控制系统总体设计12
第四章三自由度机械手实验分析15
4.1硬件设备的组装和与软件系统的连接15
4.1.1实验所需设备15
4.1.2组装过程15
4.2实验内容15
第五章结论与展望17
5.1结论17
5.2展望17
参考文献18
致谢19
绪论
随着时代的发展，科技的进步，三自由度机械手（又被称作3D机器人）广泛应用于生产生活中，机器人学在近几十年内迅速发展成为一门综合学科。
机械手既是最早出现的工业机器人，又是最早出现的现代机器人，能模仿人的手和臂的某些动作，按照固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置[1]。
从而可以替代人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，并且能在有害环境下使用以确保人身安全，现已应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门[2]。
以电镀工业为例，随着其发展，对电镀工艺提出了新的要求，同样对电镀设备也提出了更高的要求。
机械手因为具有良好的空间转移性能和控制性能等特点，从而在电镀生产线上有很好的应用前景。
在自动化装配生产过程中，机械手能将单个或多个工件迅速的从一个位置准确地抓取并移动到目标位置。
机械手的使用大大提高了生产的效率，同时更易于实现自动化控制，确保操作人员免受电镀环境对于人身健康的影响。
目前使用的机械手以二自由度机械手和三自由度机械手为主。
本文为了使学生们加深理论知识的学习，并且能够在实践中体会机械手的运动轨迹与运动方式。
从而更深层次地了解现代科学技术的发展，激发对其的兴趣，树立科学的观念，培养良好的独立研究能力。
1.1机械手的历史背景
机械手是以早期出现的古代机器人为基础发展起来的，对其研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，尤其是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机发展迅速，令世人始料未及。
同时，大批量产品的生产需求推动了自动化技术的发展，进一步为机器人的研发奠定了基础。
从另一角度而言，核能技术的研究要求某些操作需要由机械代替人处理放射性物质，以避免对人造成健康影响。
在这一需求的背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
现在，大部分机械手仍处于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向依旧是是降低成本和提高精度。
第二代机械手正在加紧研制，其具有微型电子计算控制系统，视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。
研究安装各种传感器，把能感觉到的信息给予反馈，使机械手具有感觉机能。
第三代机械手目的为能独立完成工作过程中的任务。
它与电子计算机和电视设备相联系，并逐步发展成为柔性制造系统及单元。
1.2机械手的发展状况
机械手的广泛使用是因为它的积极作用正日益为人们所熟知；一方面，它能部分代替人工操作，从而改善了工人的劳动条件，提高了劳动的生产率。
另一方面，它能按照生产工艺的流程，传送和装卸物品并完成必要的器具焊接和装配。
加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因此，受到先进工业国家的重视，从而投入大量的人力物力加以研究和开发。
尤其在高温、高压、粉压、噪音以及带有放射性的污染的场合，应用更为广泛。
在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到相关部门的重视。
1.2.1国内机械手的发展状况
我国机械手起步较晚，比欧美大约晚30年，在二十世纪七十年代初期，经过40多年的发展，正日益走向成熟，1972年我国第一台机械手在上海研发成功，之后全国各省都开始研制和使用机械手。
从第七个五年计划（1986～1990年）开始，我国政府加大了对工业机器人的重视程度，并且为此项目投入大量的资金。
目前，在国内广泛应用的再现式机械手，虽然一般都有记忆存储装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前操作一次，然后机械手可以按已操作过的工作内容正确进行再现动作。
现在正研究的机械手朝着可以存储大量程序的方向，并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来更多的自由度。
虽然在这方面相对于发达国家还处于落后阶段，但是国内已开始重视机械手的重要性，国家正大力支持相关的设计及产品的研发。
在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果。
但是，不得不承认我国机械手市场份额大部分由国外机械手企业掌握。
快速发展的当今社会，我们务必要向机械手产业注入新的活力，从而去涉足机械手的前沿技术。
我国一定能够迎头赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面所处的领先地位。
1.2.2国外机械手的发展状况
美国研制了世界上第一台机械手，结构为：
机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教型的。
1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上调试制成一台数控示教再现型机械手。
同年，美国机械制造公司也实验成功一种中央立柱可以回转、升降，其采用液压驱动控制系统，同样为示教再现型的机械手。
这两种出现在六十年代初的机械手，是后来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，内部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；日本在工业方面机械手的应用是最多的，也是发展最快的。
自1969年从美国引进两种机械手后，便自行开始研究开发；前苏联从六十年代开始发展和应用机械手，自1977年，前苏联的机械手已经初具规模，可满足国内一半需求。
如今，机械手经过几十年的发展，已经进入了以通用机械手为标志的时代。
因机械手的快速发展，进而促进了智能机器人的研制。
机械手涉及的内容，不仅包含机械、液压、气动等基础知识，还还应用了电子技术、计算机技术、无线电控制等，因此它是一项综合性较强的科研内容。
目前国外对发展这一方面很重视。
几十年来，这一领域一直比较活跃，设计在不断创新，种类在不断增加，应用领域在不断扩大。
现在，国外机械手的发展趋势是：
（1）研制具有更多自由度的机械手，使机械手变得更加灵活;
（2）研制能够自动编写和自动改变程序的机械手;
（3）研制智能机械手。
通过传感装置，可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，从而将自动化生产线打造成为智能化生产线;
（4）研制具有柔性系统的机械手。
1.3机械手的应用前景
机械手经过近几十年的发展，逐渐成为一种高科技自动化生产设备。
其特点是可通过编程来完成相应的预期结果。
在现代生产过程中，被广泛的运用于自动化生产线上，能更好地与机械化和自动化有机结合起来。
机械手构造和性能上兼有人和机器各自的优点，虽然还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作，不知疲劳，抓举重物的力量比人手力大，作业的准确性和各种环境中完成任务的能力等特点，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
在工业制造领域中，控制机器人在机械制造业中代替人完成大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、舰船制造等。
化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、及物流系统的装卸等工作，也有部分是由机器人完成的。
在军事领域中，让机器人执行侦察任务，尤其是一些相对较为危险的任务，比如，拆除炸弹的机器人及扫雷机器人等。
在医疗领域中，主要用来帮助护士完成日常的工作，比如，自动监测病房内的空气质量等。
部分机器人还将协助医生完成高难度手术，比如，眼部手术、心脏手术等。
在农业领域中，机械手的应用可以降低成本，提高品质，提高劳动生产率，改善劳动条件，解决劳动力不足等问题。
1.4机械手的优势及发展趋势
机械手的优点在于：
动作灵活、运动惯性小、不间断劳作。
随着生产的需要，多关节手臂逐步进入人们视野，其灵活性更高，关节数量从三个到十几个甚至更多，其外形也随不同的场合做出相应的改变。
随着机械手的发展，人们对机械手的应用将会提出了更高的要求，一方面是重复高精度，重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。
另一方面是系统模块化，模块化拼装的气动机械手灵活性较好。
它集成电接口、带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。
由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。
优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。
模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向[3]。
机械手分类及组成结构
2.1机械手的分类
机械手的种类按使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面形成分类，分别如下[4]。
1.按使用范围分类
（1）专用机械手。
一般只有固定的程序，而无单独的控制系统，适用于动作简单的大批量生产的场合。
（2）通用机械手。
是指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成既定任务的机械装置。
通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。
简易型只是点位控制，故属于程序控制类型；伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。
2.按运动坐标型分类
（1）直角坐标式机械手。
臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动。
（2）圆柱坐标式机械手。
手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动。
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