机械手臂精选(九篇)

第1篇：机械手臂范文

脑卒中是由急性脑血管疾病引起的持续性的大脑神经功能缺损，全球85%的脑卒中患者患有偏瘫症状，患者中中年人居多。脑卒中已经成为造成中国、欧洲、美国及其他许多国家的成年人长期残疾的主要原因，并消耗了大量的社会医疗资源。脑卒中患者可出现多种神经功能缺损症状，其中偏瘫和运动障碍最为常见，而上肢残疾患者的手功能障碍往往临床表现为屈曲挛缩、肌力降低、肌张力异常、手指灵活性降低、肢体麻木、拇指运动范围减小、精确抓捏、侧捏、关节运动协调性降低、力量协调性降低等，也会丧失一部分触觉感知和本体感受功能，失去对运动的反馈感知。有报道显示，超过70%的脑卒中患者在发病初期存在上肢功能障碍，在发病4个月后，仍有超过35%的患者存在手部精细功能下降的情况。康复训练是促进这些患者恢复的主要方法。但是由于传统的康复训练治疗时间很长，并且无论是在发展中国家还是发达国家，都始终缺乏合格的治疗师。因此，替代传统治疗方法的康复训练设备的研发非常有必要。当前的产品主要存在以下方面的不足：第一，目前多数的上肢康复结构无法做到灵活控制，与人体上肢关节运动不匹配；第二，现有的康复机构仅能将手操纵成简单的拳头屈曲，无法重现康治疗师对患者进行的康复训练效果；第三，外骨骼类型的康复机构一般结构庞大，而且由于不便于携带以及对患者不够安全，实际上并不适合残疾人士。本研究的目的是开发一种可用于家庭及康复中心的人机工程机械手臂。与现有的康复设备相比，此设备轻便、成本低、可携带，可为不同程度损伤的患者提供适合手部、腕部和前臂的多种治疗性锻炼。本研究不仅是康复机器人领域的热门话题和前言，而且可以应用于医学临床应用，具有重要的学术价值和工程应用价值。

2人体康复机器人上肢运动学模型

为了缓解和恢复病人的上肢运动，基于人体上肢的关节和运动进行了建模。考虑到康复机械手臂使用者的使用安全，并在进行日常必需的活动（例如进食、抓握、梳洗等）方面提供帮助，对上肢运动解剖范围进行了初步研究，为此康复机械手臂确定了合适的活动范围。本文使用普通人手的基本力学行为来简化设计，此康复机器人可实现的运动如图1所示，包括四个手指屈-伸运动，大拇指屈-伸运动，手腕屈-伸运动，手腕桡-尺偏运动及前臂内翻-旋后。康复机械手臂可实现的运动范围如表1所示。根据典型成年人的关节和活动范围为模型，分析上肢的运动特征，建立了修正的D-H参数表，如表2所示。为了获得D-H参数，在此假设坐标系（即在连续的旋转轴之间映射的链接框架，如图2所示）与关节的旋转轴一致并且具有相同数量的阶数，这些D-H参数用于获得齐次传递矩阵。

3人体康复机器人上肢机械结构

该设计主要有两大部件组成，手臂康复训练部分（图3）和拇指康复训练部分（图4）。手臂部分包括由三个线性执行器操作的连杆机构，以方便手、手腕及前臂的锻炼。使用时，柔软的腕带穿过前臂板1后方的两个槽穿戴在患者前臂上，手掌板5位于患者手背位置，前臂板1通过万向节机构4与手掌板5浮动连接，腕带绕过手指板7上的槽与患者手指相连。手及腕部的锻炼由三个线性执行器控制，以更好地促进康复。拇指康复训练部分由前关节1、后关节3、连杆机构4、直线驱动器5及L型联结组成。后关节上的U型联结2与前关节左右的侧板通过U型联结浮动连接，前后关节组成的拇指部分通过连杆机构4与直线执行器5连接，整个机构可通过L型联结6与其他机构连接。使用时，通过柔软的腕带戴在患者拇指上，机械拇指包括前关节与后关节，通过连杆相连接，并分别与拇指的前指骨、后指骨相接触。机械拇指部分与线性执行器浮动连接，控制拇指在特定范围内的屈-伸运动，实现了拇指的锻炼与训练，以更好地促进患者康复。

4结语

第2篇：机械手臂范文

关键字： 机械手臂； 农用机械； 应力分析； 主应力测试

中图分类号： TN06?34； TH114 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）15?0130?03

Principal stress testing experiment and analysis of machinery arm in agriculture

CHEN Chao1， L? Xiao?xue1， YI Xiao?kang2， HU Can2

（1. Xinjiang Alar Bureau of Quality and Technical Supervision， Alar 843300， China； 2. School of Mechanical Engineering， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract： Taking domestic KR?70004?PAX grabbing type manipulator device as the object of study， time of the mechanical arm in actual handling process were measured and analyzed by means of resistance strain type displacement sensor and PLC?300 data acquisition system. The results show that the manipulator device′s operation radius and grabbing weight factors have great influence on the principal stress change of mechanical arm. The principal stress increases sharply by 6000 N/mm at the moment of starting when the operation radius is 3000 mm. The principal stress can reach 5300 N/mm when the normal operating radius is 2000 mm and the weight of work piece is 350 kg.

Keyword： mechanical arm； agricultural machinery； stress analysis； principal stress testing

0 引 言

目前，随着农业机械化生产的不断推进，在农业生产过程中，码跺垛码机械手装置得到了广泛的应用。特别是在牧场草堆码跺、棉花等作物桔杆码跺、甚至棉花加工厂的码跺作业均应用到机械手的作业。然而，码跺作业一般为重复连续性作业，实际应用时，机械手装置的故障率较高，特别是疲劳性过载，机械手臂的应力变形随着使用的时间呈变形过大的情况，甚至影响机械手装置的整体性能；而在垛码机械手装置中，机械手臂应力损害是机械手装置最难修复的应力故障。垛码机械手装置一般为重载型作业，负载要求范围在300～1 300 kg之间，并且机械手装置工作范围在2 600～3 500 mm之间，特别是一些卸码垛作业的机械手装置中，机械手装置工作范围要求均超过3 000 mm。机械手装置的工作范围决定了机械手臂的作业半径，作业半径越长，机械手臂所承受的应力变化越大。在目前的机械手的研究中，国内主要集中在机械手臂的动力学研究上，对机械手臂的应力分析也局限于静态的受力分析，缺少实际应用中的应力数据，对实际应用中的机械手臂主应力的变化情况不明[1?4]。

针对目前重载型机械手臂的应力损害情况和实际应用中的应力变化研究现状，以新疆生产建设兵团第一师农场进行棉花桔杆码跺的机械手装置为研究对象，进行机械手臂的主应力测试试验，分析在不同工况条件下主应力的变化情况，为机械手臂的设计与应用提供参考依据。

1 主应力测试试验的方法与条件

1.1 测试试验的对象

新疆建设兵团第一师农场码跺机械手采用的是上海易升设备公司生产的国产KR?70004?PAX抓取型机械手装置，其最大码跺负荷能力在350 kg，最大工作半径为3 000 mm，末端执行器为爪型方式进行打捆桔杆的码跺，控制系统采用PLC?300作为核心控制单元，根据机械手装置的特性，以重复性顺序控制为主。

主要的机械手臂结构简图如图1所示，机械手臂由两节伸缩臂组成。机械手手臂截面结构如图2所示，工作时，机械手臂表面任意一点的主应力均为最大值。

图1 机械手手臂结构简图

图2 机械手手臂I?I截面结构图

1.2 应力测试的系统设备

应力测试系统设备主要包括两部分：一部分为机械手臂部位主应力测量传感器的现场布置和应力信号的放大与传送。另一部分是以PLC为核心的测量控制系统，包括应力数据的处理、画面的显示、应力过载值报警的输出等，具体的系统框图如图3所示。

图3 机械手臂应力检测系统框图

根据机械手臂的工作特点以及负载能力，采用电阻应变片式位移传感器作为主应力的测量传感器，应变片式位移传感器通过信号采集放大后，传送至机械手PLC系统进行数据的处理与分析[5]，根据应力变化情况启动机械手装置的保护电路，同时，采集信号通过人机画面进行实时的显示。

1.3 机械手臂主应力测试点的布置与计算

在机械手装置进行码跺作业时，物料对机械手臂的应力影响主要为弯扭组合变形，根据应力?应变广义胡克定律，机械手臂构件表面任意一点处于平面应力状态，并且在同一直线构件上，主应力的大小不变。通过这一原理，在机械手手臂构件表面布置一种直角形应变片结构，可测量出主应变力大小[6?8]，具体的应变片布置如图4所示。I?I截面在[A，][B，][C，][D]四个测试点布置直角形应变片结构。图4中，直角形应变结构由+45°方向的应变片、0°方向的应变片和-45°方向三个应变片组成，当机械手臂构件产生变形时，应变片可反馈出三个方向的线应变值，并通过变送器将应变值传送回PLC系统。

根据被测点三个方向应变值[ε45°，ε0°，ε-45°，]计算主应力大小公式为：

[σmaxmin=E2（1+μ）（ε-45°+ε45°）±E2（1+μ）（ε-45°-ε0°）2+（ε0°-ε45°）2] （1）

式中：[σ]为主应力的最大值与最小值；[E，][μ]为机械手臂材料的弹性模量和泊松比。

则计算主应力的方向公式为：

[tan2?=2ε0°-ε-45°-ε45°ε-45°-ε45°] （2）

式中：[?]为主应力方向与应变片（-45°）方向的夹角。从式（1）、式（2）中可知，在已知材料的[E，][μ]而不必已知载荷及横截面尺寸的情况下，用实验手段方法就可测得构件表面主应力大小及方向。

图4 I?I截面应力布置展开图与应力受力情况图

1.4 机械手臂主应力测试的步骤

应力测试试验根据机械手臂的作业半径和抓取工件的重量大小进行单因素影响试验，以测试不同作业半径下对机械手臂主应力的影响和不同工件重量下对机械手臂主应力的影响。

（1） 作业半径根据车间的常用作业情况，选取作业半径分别为2 000 mm，2 500 mm及最大作业半径3 000 mm进行作业半径单因素影响测试。

（2） 根据抓取工件的重量，选取200 kg，300 kg和350 kg进行抓取重量单因素影响测试。

（3） 在进行主应力的实际测量时，根据车间生产时的实际工况对机械手臂的运动时间段进行划分，分别记录抓取工件物料时、起动瞬间，稳定时、移动过程及下放过程各时间段的应力变化情况。

2 应力测试的结果与讨论

根据测试实验得出的各应力数据，进行主应力的计算与统计，可得到作业半径、抓取重量两种因素影响下的应力变化情况。

图5所示为机械手臂使用工作半径为2 000 mm时的主应力变化情况。机械手装置的一个工作时间段为20 s，当 [t=]1.2 s时为起动瞬间。从图中可以看出，不同的抓取重量对主应力的影响明显，当工件重量为350 kg时，主应力能达到5 300 N/mm。同时，对于起动瞬间[t=]1.2 s时的主应力变化影响最为明显，当工件重量为200 kg时，起动瞬间最大主应力为3 450 N/mm。

图5 工作半径2 000 mm时的主应力变化情况

图6和图7所示分别为机械手臂使用工作半径为2 500 mm和3 000 mm时的主应力变化情况。

图6 工作半径2 500 mm时的主应力变化情况

与图5相比，当不同抓取重量时，机械手臂各运动时间段内的曲线变化情况基本一致，均在机械手装置抓取工件的起动瞬间主应力值变化最大。不同的是，不同的工作半径下，主应力变化曲线的最大值有所不同，当作业半径为3 000 mm时，主应力在起动瞬间急剧增加，最高时达到6 000 N/mm。

图7 工作半径3 000 mm时的主应力变化情况

图5～图7中的数据表明，主应力的变化情况与工况条件、机械手臂作业半径密切相关。当作业半径较少时，主应力的变化值区间明显减小；而当作业半径达到最大时，机械手臂的整个运动时间段的应力变化明显增大，并且在起动瞬间达到最大值。

3 结 论

应用KR?70004?PAX抓取型机械手进行了机械手臂的应力测试试验，得出了机械手装置的作业半径、抓取重量大小因素变化对机械手臂主应力变化的影响规律。

（1） 机械手臂的主应力变化与作业半径成正比的关小，在相同的抓取重量下，作业半径越大，机械手臂承受的应力值越大，当作业半径为3 000 mm时，主应力在起动瞬间急剧增加，最高时达到6 000 N/mm。

（2） 机械手臂的主应力变化与抓取重量大小成正比关系，在相同的作业半径条件下，不同的抓取重量对主应力的影响明显，在正常的作业半径2 000 mm时，当工件重量为350 kg时，主应力能达到5 300 N/mm。

（3） 在机械手臂的一个运动时间段周期应力变化中，不论什么工况条件与作业半径，在抓取工件后的起动瞬间主应力值达到最大值。因此，起动瞬间的主应力变化值可作为机械手设计的参考依据。

注：本文通讯作者为弋晓康。

参考文献

[1] 刘海顺.基于磁各向异性特性应力测试的理论与方法研究[D].徐州：中国矿业大学，2008.

[2] 李金恒，肖慧，胡志华.基于ADAMS的机械手臂运动仿真分析[J].机床与液压，2009，37（8）：206?209.

[3] 吕广明，孙立宁，张博.五自由度上肢康复机械手臂的运动学分析[J].哈尔滨工业大学学报，2006，38（5）：698?701.

[4] THOMAS G， KRUM S. Control of cooperating mobile manipulators [J]. IEEE Transaction on Robotics and Automation， 2002， 8（1）： 94?103.

[5] 姚娟，张志杰，李丽芳.基于LabVIEW和TCP的数据采集系统设计与实现[J].电子技术应用，2012，38（7）：72?74.

[6] 罗佳，孙运强.CAN总线技术在车辆悬架动态应力测试中的应用[J].自动化仪表，2013，34（11）：80?84.

[7] 赵志刚，赵伟.基于动态不确定理论的多传感器系统传感器失效检测方法[J].传感技术学报，2006，19（6）：2723?2726.

第3篇：机械手臂范文

关键词：多用途抓取类机械手; 设计; 分析;

在人们的社会活动和生产生活当中, 多用途抓取类机械手发挥了较大的作用, 能够帮助人们在危险的环境中进行各种操作, 目前抓取类机械手在工业生产中也有较大的发挥。为了进一步提高抓取类机械手的工作效果, 需要在对不同种类机械手的整体特点和结构进行分析的基础上, 在机械手端部采取电磁铁进行吸附连接, 以此来实现多种机械手之间的灵活转换, 形成多用途抓取类机械手, 并且在机械手部分加上压力传感器和远程控制系统, 以此来对物品的硬度进行判断, 从而选择更加合适的传动方式和驱动方式。

1 多用途抓取类机械手的仿真

1.1 建模仿真

目前常见的多用途抓取类机械手主要包括吸盘式、两爪式和三爪式等类型, 分别在不同场合中进行工作, 在对这些多用途抓取类机械手进行仿真建模的过程中, 其主要包括液压系统、机械系统、控制系统和动力系统。机械系统是多功能机械手完成各项动作的执行结构, 通常包括机械手抓、前臂、支架和底座等工作装置, 在对机械系统进行建模的过程中, 需要对不同的结构配件执行最基本的建模命令, 形成相应的机械结构部件。然后根据机械部件类型的不同, 将机械系统中的机械部件进行相互连接, 主要包括机械手底座与后臂之间的连接, 前臂孔和后臂孔之间的连接, 在机械系统连接完成之后, 对液压装置进行装配, 形成完整的机械手模型[1]。

1.2 对重要元件进行选择

为了保证多用途抓取类机械手能够在不同的环境场合中进行工作, 同时在最大程度上提高机械手的抓取效果, 需要对其中的重要元件进行选择。这些重要元件主要包括这样几个部分:首先是压力传感器, 压力传感器主要安装在机械手指之间, 在机械手进行抓取动作的过程中, 压力传感器能够在对物体的硬度进行判断的基础上, 对所施加的压力进行控制, 保证机械手能够顺利地夹取不同硬度的物体, 在压力传感器的选择上, 可以选择薄片式电阻式应变片来进行使用。另外一种重要元件为PIC控制系统, 根据实际情况来对PLC控制系统设定参考压力值, 在输入压力和参考压力值进行比较之后, 对电动机的输出功率进行调节, 以此来对机械手爪的输出动力进行控制, 方便机械手爪抓取各种不同硬度的物体, 对于PLC控制器的选择, 可以使用三菱FX1S-14M T-E S S/UL。对电磁铁的选择, 电磁铁在通电的情况下能够产生强大的吸附力, 通常应用到吸附式机械手当中, 能够对物体产生吸附力, 使物体进行移动或者拾取, 实现各种抓取部件的灵活转换, 对于电磁铁的选择需要根据机械手的类型和使用场合进行确定[2]。最后是对电机的选择, 电机主要应用到液压传动装置当中, 液压传动装置能够控制机械手臂进行伸长和缩短, 实现机械手臂的各种动作, 电机能够通过转动调节液压杆的油液压力, 来对机械手臂伸长或者缩短的速度进行定植, 一般情况下, 电机的额定电压为1.5~6 V之间, 额定电流在0.02~0.5 A之间, 额定转速为6 000~16 000 r/min之间。

2 对机械手的运动形态进行分析

机械手臂的运动主要体现在前臂、后臂和手掌当中, 在对机械系统的运动形态进行仿真的过程中, 可以对机械手模型中机械系统的各个部件进行仿真建模, 并且通过S tep函数来对物体合适的仰俯角度进行控制, 其中需要注意这种角度需要与机械手的活动范围保持一致。对机械手运动形态的分析主要包括物体的位移、速度和加速度, 3个转动副输出力包括手掌和前臂、后臂中间处、前臂和后臂。在对机械手后臂运动和前臂运动进行分析的过程中, 可以采用ADAMS软件来进行仿真分析, 通过建立相应的模型, 得出机械手臂的运动简图, 能够清晰明了地看出机械手臂机械系统中各个部件的运行形态, 并且在此基础上对机械手臂的运行形态和规律进行分析研究。

3 机械手臂的应力分析

机械手臂的好坏决定着机械手的工作性能, 所以说在对机械手进行设计分析的过程中, 需要对其应力进行分析, 在实际分析的过程中, 可以采用ABAQUS工程模拟有限元软件来进行, 这种模拟软件能够从相对简单的线性分析到复杂的非线性问题中, 在对机械手臂的应力进行分析的过程中, 就可以以机械手臂为例, 对其静应力和动应力进行分析, 以此来对机械手工作过程中的应力情况进行控制, 防止机械手由于应力问题产生损坏, 影响实际的工作效果。

3.1 机械手臂的静应力分析。

利用ABAQUS软件对机械手臂进行静应力分析, 在分析之间, 根据机械手臂的实际结构情况来对荷载进行设置, 一般情况下设置荷载为10 0 M Pa, 在机械手臂上的各个部分进行编号, 观察编号点应力随时间的变化情况。在经过观察之后可以发现, 当后臂转动的时候, 轴给后臂以径向力, 导致后臂发生形变, 在这样的过程中, 施加在后臂上的应力较大, 在时间的不断增加中, 后臂的形变越来越明显, 这就说明应力越来越大, 在应力持续增加的情况下, 可能会导致机械手臂出现破损的现象, 影响机械手臂的正常工作。

3.2 机械手臂的动应力分析。

动应力主要指的是机械手臂在运动过程中产生的应力, 机械手在对物体进行抓取的过程中会引起机械手臂的运动, 对抓取物体的平稳性和效果产生较大的影响, 所以说一般在对机械手臂动应力分析的过程中, 主要是对是振动作用进行分析, 将利用ABAQUS软件所形成的模型直接导入动应力分析当中, 对机械手臂的变形结构进行绘制, 通过研究分析之后可以发现, 机械后臂在进行旋转运动的过程中, 会发生不同程度的振动, 这样的振动会对机械手的平稳性和抓取准确度造成一定的影响, 在对机械手臂的动应力进行分析之后, 能够得到不同情况下机械后臂的振动特点和规律, 对后臂的设计提供依据[3]。

4 结语

文章在对多用途抓取类机械手臂机械系统中各个作业部件进行仿真建模, 并且在此基础上, 对机械手中所应用的重要元件进行选择, 保证多用途抓取类机械手臂能够实现不同抓取部件之间的转换, 并且通过对机械手臂的运动和应力进行分析, 能够研究出机械手臂的运用规律和应力变化情况, 保证机械手的正常使用。

参考文献

[1]聂永芳, 许家宝.多用途抓取类机械手设计及分析[J].煤矿机械, 2016, 37 (12) :83-85.

第4篇：机械手臂范文

关键词： 非结构环境； 机械臂； 关节； 自动控制； 系统设计

中图分类号： TN02?34； TP241 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）11?0172?04

Design of mechanical arm′s each joint automatic control

system under unstructured environment

ZHANG Yuannong， ZHANG Xiaofeng

（Beijing Institute of Technology （Zhuhai）， Zhuhai 519088， China）

Abstract： In order to make the mechanical arm bring more benefits to industrial enterprises， a mechanical arm′s each joint automatic control system under unstructured environment was designed to realize the intelligent， low?cost， high?quality and high?safety purpose. According to the design criterion of system performance， the two degree of freedom （2DOF） is allocated for the shoulder， elbow and wrist of the mechanical arm respectively， the D?H parameters of the mechanical arm are given， and the appropriate motor is designed for each joint to realize the mechanical arm movements. The control algorithms are written in FPGA of the system. The master control chip is used to integrate the different joints′ control algorithms in FPGA to determine the movement scheme of mechanical arm and give the control instructions. The 2.5D environment map is constructed to perceive the unstructured environment， and perfect the control instructions. The experimental results show that the system has strong optimization ability of joint trajectory.

Keywords： unstructured environment； mechanical arm； joint； automatic control； system design

20世o50年代，人口老龄化时代来临，加剧了生产企业招工难、用工成本大的问题，机器的利用率随之提高。一些企业在工业生产中使用机械臂代替人类双手，其特点是加工精度高且速度快，适用于切割、零件安置等简单、任务量小、重复度高的生产活动[1]。目前，机械臂的载重偏低，主要应用于结构化环境中，虽然也有在非结构化环境下进行生产的案例，但往往受限于机械臂各关节的灵活性不足，无法精准完成生产任务。

非结构化环境的地形复杂，包括平地、斜坡、台阶、沟壑等，要求机械臂各关节能够对变化中的地形进行快速感应，并立即选定关节运动位移和角度，智能化是机械臂的控制重点，还要考虑到低成本、小质量和高安全性能等因素，更加大了设计难度[2]。过去设计出的一些非结构环境下机械臂各关节自动控制系统，如文献[3]和文献[4]设计的基于 7R的仿人机械臂逆运动学优化系统和基于随机激励的机械臂关节控制系统，都没能同时兼顾以上几点设计要求，关节轨迹优化能力也需要进一步提高。为了响应生产企业需求，在非结构环境下机械臂各关节自动控制系统的设计过程中充分衡量各项设计要求，通过分析非结构环境特点提出环境感知方法，增强系统对关节轨迹的优化能力。

1 非结构环境下机械臂各关节自动控制系统设计

1.1 系统整体设计

通过衡量智能化、低成本、小质量和高安全性能的设计要求，设计一种具有高度信息集成性能、高速感知和高速反应的非结构环境下机械臂各关节自动控制系统，所设计系统的质量小，可轻松安置在工业加工设备上，并可进行人与系统的有效沟通，表1为系统性能设计标准。

表1 系统性能设计标准

[性能类型 标准值 质量 小于5 kg 自由度 大于6DOF 整体长度 小于0.65 m 整体最大速度 大于3.0 m/s 最大负载 3 kg 定位误差绝对值 小于2 mm ]

一般6DOF的自由度便能够完成机械臂在非结构环境下的正常加工[5]，此时在机械臂各关节自动控制下的定位误差绝对值也满足表1制定的标准，图1为系统自由度划分区间示意图。机械臂肩膀处、手肘处以及手腕处都分别被划分了2DOF的自由度，肩膀负责进行上手臂（包括肩膀和手肘两个重要关节）的角度控制和直线升降控制，手肘负责进行手肘回环控制以及手臂前端的角度控制，手腕负责进行手腕的扇动控制和直线升降控制[6]。以机械臂的肩膀为圆心，以手臂长为半径作圆，得到非结构环境下机械臂各关节自动控制系统控制机械臂运动的范围。

图1 系统自由度划分区间示意图

图1中的表示各关节的运动情况，表2为机械臂在D?H矩阵中的参数统计表，D?H矩阵是一种使用4×4的齐次变换矩阵来表示机械臂相邻关节位置关系的矩阵[7]，从表2中可以准确看出机械臂各关节在所设计系统控制下的运动角范围和极限运动距离。

非结构环境下机械臂各关节自动控制系统为分布式结构，控制算法的容纳元件是现场可编程门阵列（Field?Programmable Gate Array，FPGA），此外，FPGA还负责进行机械臂各关节传感器中数据的采集、处理和系统电流控制[8]。机械臂的上手臂和手腕关节因运动形态有所不同，需要安装不同的电流传感器来感应非结构环境，因此安装于上手臂和手腕关节的FPGA类型也不同，便于准确分辨关节感应信息。FPGA所用的控制线为PCI总线，PCI总线的另一端与主控芯片相连。主控芯片的作用是分析关节感应信息，通过融合不同FPGA中的控制算法，确定出机械臂的运动方案并下达控制指令。

表2 机械臂D?H参数统计表

[运动情况 运动角范围 /（°） 极限运动距离 /m [-80，140] 0 [-140，20] 0 [-50，105] 0.3 [-95，125] 0 [-90，90] 0.35 [-65，65] 0 ]

为提供给各关节足够大的输出力矩，系统使用无刷电机以及谐波减速器共同输出力矩。手腕处的负载虽小，但需要支撑机械臂的整体长度，因而使用差动机构合成力矩。为缩减设计成本，系统只在肩膀和手肘处安置力传感器。

1.2 主控芯片设计

在主控芯片中设计机械臂运动方案时，使用标准地址结构能够减少设计成本。FPGA的32位嵌入式处理器提供C语言编程，提高控制算法的兼容性与智能化。嵌入式处理器与标准地址结构在可编程片上系统中进行集成，构造底层地址文件与主控芯片的连接程序[9]，连接线使用RS 644总线。主控芯片与外部功能设备的连接也使用RS 644总线，便于FPGA采集机械臂各关节的运行状态。

图2为系统控制框图，虽然主控芯片与FPGA已通过PCI总线实现了连接，但考虑到定位误差限制，系统只利用PCI总线进行控制算法的传输，对于数据精度要求高的各类传感器信息仍需通过标准地址结构进行集成后再进行主控芯片与FPGA的交互。按照功能结构来分，图2中左侧为控制板，右侧为驱动板，为减轻系统质量，控制板和功能板需要分开设计。由于机械臂各关节传感器与控制板的距离存在差异，在设计过程中应依据实际需要选择控制线以减轻系统质量、降低成本。

1.3 机械臂各关节电机设计

为保证非结构环境下机械臂各关节自动控制系统有效、安全的进行控制，考虑到机械臂的最大负载为3 kg，机械臂各关节的电机质量应尽可能缩减。肩膀处的电机选择了质量为0.885 kg的50 A电机，手肘处的电机采用50电机，质量为0.735 kg。50 A电机与50电机都是由哈尔滨工业大学提供的，两者的相同点是质量轻、力矩大、安全性好，最大输出力矩分别为26 Nm和18 Nm。50 A电机的体积偏大一些，因此安置在结构相对简单的肩膀处。

图2 系统控制框图

机械臂手腕处的活动强度最大，设计要求相对高一些，如表3所示。为了实现表3中规定的设计要求，手腕处的控制方案采取差动机构合成手腕运动。

表3 机械臂手腕关节控制指标

[类型 值 质量 小于0.45 kg 最大角速度 小于0.65 m 最大输出力矩 大于7 Nm 定位误差绝对值 小于0.8° ]

差动机构的输出力矩由无刷电机和谐波减速器汇合而成，如果用和表示手腕关节在系统控制下的回环角度和直线运动偏移角度，主控芯片在机械臂两个齿轮上的输出控制角度为和则有：

（1）

（2）

2 非结构环境感知设计

若想让所设计的机械臂各关节自动控制系统能够在非结构环境下进行高速、高精度的控制，必然要预先提取出非结构环境信息。系统将视觉传感器安置在工业企业的生产车间，对非结构环境进行采集，视觉传感器安置得越多，采集结果就越精准[10]，但为了缩减成本，考虑使用3D旋转视觉传感器，在节省传感器开支的基础上避免传感器视觉死角。

将3D旋转视觉传感器采集到的非结构环境信息构造成环境地图，由于非结构环境存在的视觉过渡差异颇高，而直接构造3D仿真地图的时间过长，因此构造规格为6 mm×6 mm的正方形2.5D环境地图，既保留了3D仿真地图的显示效果，又减少了地图容量和运算量，保证了系统的实时控制效果。图3为2.5D环境地图构造流程，非Y构环境信息先以视差图的形式进行显示，再对应写入6 mm×6 mm的正方形栅格中，同时定位到机械臂各关节的管控区域中，以实现对非结构环境中障碍高度和弯曲度的实时显示。

图3 非结构环境的2.5D环境地图构造流程

图4是系统对2.5D环境地图中非结构环境的感知流程，非结构环境的特征点主要包括坡度、障碍物边长与体积、沟壑边长与表面积以及平地距离等。系统使用量化分析方法对从2.5D环境地图中提取出来的特征点进行感知，量化分析的感知技术靠支持向量机支撑。支持向量机将非结构环境特征点训练成范围在[-1，1]之内的感知系数，感知系数的作用是在非结构环境地形中选择一个能够规避障碍的机械臂角度，并提供给系统主控芯片，从而完善控制指令。

3 实验结果分析

点对点运动是机械臂在生产任务中使用最为普遍的方式，本文采用点对点的运动方式对设计的非结构环境下机械臂各关节自动控制系统的关节轨迹优化能力进行分析。设机械臂各关节所处的最初角度分别为-30°，-90°，90°，90°，60°，30°，在不安装自动控制系统的情况下进行一次生产任务，机械臂各关节的归一化运动角度如图5所示。

在机械臂上安装本文系统进行生产任务，所得结果如图6所示。为了增强实验结果的说服力，本文还对基于7R的仿人机械臂逆运动学优化系统和基于随机激励的机械臂关节控制系统进行了同条件下的实验分析，实验结果如图7，图8所示。

通过对比图5～图8可得：基于随机激励的机械臂关节控制系统的实验结果曲线与实验前的归一化运动角度无明显差别，表明系统对机械臂各关节的控制几乎无效，关节轨迹优化能力非常差；基于 7R的仿人机械臂逆运动学优化系统将原始关节轨迹优化成了各个细小分支，这对机械臂提高生产任务的效率和准确率具有推动作用，表明系统的关节轨迹优化能力比较强；本文系统的实验结果曲线比图7曲线更加平滑，而且曲线位置更贴近于图5曲线，拥有更强的关节轨迹优化能力。

4 结 论

本文设计了分布式结构的非结构环境下机械臂各关节自动控制系统，系统的主要配件包括PFGA、PCI总线、主控芯片、电流传感器、力传感器、无刷电机、谐波减速器、RS 644总线和3D旋转视觉传感器等，组成了一个更加适用于工业生产、拥有超强关节轨迹优化能力的系统。

参考文献

[1] 陈志华，刘晓勇.云计算下大数据非结构的稳定性检索方法[J].现代电子技术，2016，39（6）：58?61.

[2] 潘齐欣，唐型基.基于步进电机控制的仿人机械手臂抓取移动系统设计[J].科技通报，2016，32（3）：118?121.

[3] 霍希建，刘伊威，姜力，等.具有关节限位的7R仿人机械臂逆运动学优化[J].吉林大学学报（工学版），2016，46（1）：213?220.

[4] 刘振国，武玉强.随机激励下单杆柔性关节机械臂的建模与控制[J].控制理论与应用，2014，31（8）：1105?1110.

[5] 何龙.基于S7?300 PLC不规则空间曲线自动焊接系统设计[J].现代电子技术，2015，38（17）：160?162.

[6] 赵博，李元春.基于信号重构的可重构机械臂主动分散容错控制[J].自动化学报，2014，40（9）：1942?1950.

[7] 周霏，陈富林，沈金龙，等.基于MATLAB的四自由度机械臂运动学仿真研究[J].机械制造与自动化，2016，45（1）：115?119.

[8] 于潇雁，陈力.漂浮基柔性两杆空间机械臂的关节运动鲁棒控制与柔性振动最优控制[J].计算力学学报，2016，33（2）：144?149.

第5篇：机械手臂范文

【关键词】机械臂；研究；发展

1.引言

随着机器人技术的不断发展，为了能更好地与环境进行交互、操纵物体、完成任务，跟上智能化的步伐，机器人的操作终端，如机械臂、手爪的作用越来越重要。这对机械臂的结构设计也提出了更高的指标，要求高的负载自重比，操作更加灵活，强稳定性和安全性等[1]。

2.机械臂的发展

机械臂（Manipulator）是模拟人的上臂而构成的。为了保证机器人手部有6个空间自由度，其主动关节数目一般为6。一般情况下，全部关节皆为转动型关节，而且其前3个关节一般都集中在手腕部。关节型机械臂的特点是结构紧凑，所占空间体积小，相对的工作空间最大，还能绕过基座周围的一些障碍物，是机械臂中使用最多的一种结构形式，比较典型的如PUMA[2]、SCARA[3]等。多关节机械臂[4]的优点是：动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作，目前广泛应用于工业自动化生产线上。机械臂发展状况如下：

（1）第一代机械臂，即按事先示教的位置和姿态进行重复的动作的机械。它也可以简称为示教／再现方式的机械臂或是T/P方式(Teaching/Playback)的机械臂。目前国际上使用的机械臂大多仍是这种工作方式。由于这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态进行重复的动作而对周围环境无感觉的功能，其应用范围受到一定的限制，主要用于材料的搬运、喷漆、点焊等工作。

1996年樊炳辉等申请的专利，一种用于煤矿巷道、隧道、室内墙壁及一般机械行业喷涂工艺的四连杆机械臂机构。该机构主要包含行走组件、大臂组件、平衡拉杆组件、小臂组件四大部分，其中又包含四组按一定比例关系构成的四连杆机构，它能使喷枪在喷涂过程中，容易实现垂直起落，并始终保持对受喷面垂直、等距的关系[5]。

1997年乌克尔，戈道斯等申请的专利，一种用缝合针将病人的第二血管缝合到冠状动脉上的最小侵入性手术方法。该系统采用机械臂连接的手术器械。这些器械具有能够作来抓取和缝合组织的末端操作装置。该机械臂通过一个控制器与一对主操作手柄联结。手柄可以由外科医生移动来产生末端操作装置的一个相应移动[6]。

（2）第二代机械臂，即具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。这种机械臂由于具有外部的感觉功能，因此可以根据外界的情况修改自身的动作，从而完成较为复杂的作业。如：

李彦涛等研制一种将Simulink控制程序和助餐机器人目标机无缝链接、下载的方法，实现机器人的实时控制，实时满足不同伤残患者的助餐要求。在Matlab/xPC实时目标环境的基础上，开发了助餐机器人的硬件接口模块和上位机软件模块，设计了助餐机器人模块化控制平台及基于脚踏开关、语音识别和图像识别的三种人机交互方式。实现了机械手3个关节控制器、运动学计算、路径规划控制算法[7]。

人脸肖像绘制机械臂是一种可以自动绘制人脸肖像轮廓图的智能机械系统，它由图像采集模块、图像处理模块、机械控制绘图模块组成，能够自动拍摄人脸照片，提取肖像轮廓，然后控制机械臂在画板上画出人脸线条画。人脸肖像绘制机器人是机器视觉的研究方向之一，广泛用于科普展览，其中提出的基于机器视觉的研究技术在生产和生活等各个方面都有着广泛的应用。研究绘图机械控制系统的硬件选型和控制算法，在Visual C++6.0中实现了外部对机械臂绘图动作的自动控制，设计机械臂绘画动作流程，完成人脸轮廓图的自动绘制[8]。

（3）第三代机械臂，这类机械臂除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策的功能。从而可以适应因为环境的变化而自主进行的工作。第三代机器人目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。如：邹建奇[9]等人以柔性机械臂为例，进行简单的逆运动学分析.并采用小脑模型神经网络方法对机械臂的逆运动学进行了数值仿真分析，小脑模型神经网络可在较短的学习次数中有效地控制机械臂的振动。

在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人也占有一定比重。

3.机械臂技术的要素

（1）机械结构：以关节型为主流，80年明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的1/2。应汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。CAD、CAM等技术已普遍用于设计、仿真和制造中。

（2）控制技术：大多采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制。采用基于PC开放结构的控制系统已成为一股潮流。

（3）驱动技术。新一代伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中分布式智能驱动新技术[10]。

（4）应用智能化的传感器。装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种以上传感器，有些机器人留了多种机器人接口。

（5）通用机器人编程语言。在ABB公司的20多个型号产品中，采用了通用模块化语言RAPID。该语言易学易用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。

（6）网络通讯。大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3%，其他采用RS-232、RA-422、RS-485等通讯接口。

4.前景展望

从三代机械臂的发展来看，随着技术的发展，机械臂越来越高精度，多功能，且向着集成化，系统化，智能化的方向发展。

（1）高速、高精度、多功能化。目前，最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达80m/s。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展。

（2）集成化与系统化。当今机器人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大群体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联结在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及机器人在FMS、CIMS系统中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应“敏捷制造”(Agile Manufacturing)，满足多样化、个性化的需求。

参考文献

[1]谢涛.单马达驱动机械臂的研究与实现[D].华中科技大学,2009.

[2]戴齐,姚先启.一种求解PUMA机械手运动学逆问题的分解解法[J].西安大学学报,1989年04期.

[3]郑东鑫.SCARA机械手系统设计与规划控制研究[D].浙江大学,2011.

[4]郭炬.串联多关节机械臂设计与分析[D].华中科技大学,2008

[5]樊炳辉,逄振旭,李贻斌,苏学成,杨明.多重四连杆机械臂机构[P].中国专利:CN96248553.5,1998-02-08.

[6]Y・王;D・R・乌克尔;K・P・拉拜;J・维尔森;S・乔丹;J・赖特;M・戈道斯.施行最小侵入性心脏手术的方法和装置[P].中国专利:CN97193955.1,1997-02-19.

[7]张立勋,李彦涛,何锋,李成福,高峻,王婷.助餐机器人[P].中国专利:CN200610010497.0,2006-09-06.

[8]孟盼盼.肖像绘制机器人技术研究[D].中国科学技术大学,2011-08-15.

第6篇：机械手臂范文

【关键词】码垛机械手；实体建模；PLC；电气原理图

圆柱型四自由度码垛机械手是我们工业生产领域中重要的组成部分，它可以满足各种各样的生产要求，其组成结构相对简单、成本低、结构紧凑，在机械自动化生产中应用的较为广泛，例如工业四自由度搬运机器人。在实际生产过程中，圆柱型码垛机械手更多的是采用气动技术和PLC控制技术[1-4]为主控制器，通过外界传感器接收信号，将信号传递到主控制器上，主控制器作出反应来控制执行器，执行器再对机器人末端做出反应，从而使得机器人按照实际要求做出相应反应。

1码垛机械手组成结构

图1是圆柱型四自由度码垛机械手结构图。结构包括：末端执行器，小臂，大臂，底座[5]。其原理如下：底座通过气缸伸缩实现旋转作用；大臂主要通过气缸伸缩实现升降作用；小臂的作用是实现前后伸缩；末端执行是机械手抓取工作，主要是通过气缸伸缩实现抓取。

2气动部分设计

2.1气动回路设计

本文设计的码垛机械手控制系统的动力来源是气压。相对于液压传动，气压传动的优点是不会污染环境，符合环保设计。因此，在设计过程中采用气压作为动力来源。如图2所示，使我们设计的四自由度码垛机械手控制的气动回路。如图2所示，气动回路图由气缸、电磁阀、减压阀、压力表组成。气缸的作用做钥匙控制底座、大臂、小臂、末端执行器的动作。电磁阀的左右换向决定了气缸的伸缩，从而决定码垛机械手动作。具体执行过程如下：如图2所示，从左侧到右侧，气缸依次控制码垛机械手末端执行器、小臂、大臂、底座。通过气缸1的伸缩来控制码垛机械手末端抓取工作，如图3所示，气缸1的伸缩运动由开关按钮SB1、SB2控制。当按下SB1开关，SB2处于中位时，气缸1此时处于静止状态。当按下开关SB2，电磁阀左侧的店，气缸伸出，末端执行器实现抓取；当SB2关闭时，电磁阀右侧得电时，气缸1缩回，末端执行器将会松开。通过气缸2的伸缩来控制码垛机械手小臂伸缩工作，如图3所示，气缸2的伸缩运动由开关按钮SB3、SB4控制。当按下SB3开关，SB4处于中位时，气缸2此时处于静止状态。当按下开关SB4，电磁阀左侧的店，气缸伸出，小臂实现伸出状态；当SB4关闭时，电磁阀右侧得电时，气缸2缩回，小臂将会收回。通过气缸3的伸缩来控制码垛机械手大臂升降工作，气缸3的伸缩运动由开关按钮SB5、SB6控制。当按下SB5开关，SB6处于中位时，气缸3此时处于静止状态。当按下开关SB6，电磁阀左侧的店，气缸伸出，大臂实现上升状态；当SB6关闭时，电磁阀右侧得电时，气缸3下降，大臂处于下降状态。通过气缸4的伸缩来控制码垛机械手底座旋转工作，气缸4的伸缩运动由开关按钮SB7、SB8控制。当按下SB7开关，SB8处于中位时，气缸4此时处于静止状态。当按下开关SB8，电磁阀左侧的店，气缸伸出，底座实现顺时针旋转；当SB8关闭时，电磁阀右侧得电时，气缸3缩回，底座处于逆时针旋转状态。

2.2PLC控制设计

工业生产过程中，码垛机械手控制系统的设计十分重要。本文主要是气压传动结合PLC控制技术来控制圆柱型码垛机械手。在这里我们选择了三菱PLC作为本设计的主控制器，通过传感器接受外界信号传入主控器中进行动作分析，然后给执行器气缸发出指令，从而控制码垛机器人进行相应的操作。通过图3码垛机械手气缸控制图，对输入和输出进行I/O分配，其图4为机械手I/O接线图[6]为机械手I/O分配表。2.3PLC控制梯形图设计结合码垛机械手I/O接线图和I/O分配表以及码垛机械手控制原理，通过三菱PLC编程软件[7]柱型码垛机械手控制程序，将程序代码输入软件进行仿真，其梯形图如图5所示。

3总结

根据圆柱型码垛机械手实现的生产要求，设计了码垛机械手结构，并设计了PLC控制系统，通过电磁阀换向来控制气缸的伸缩，从而控制码垛机械手运动。利用三菱编程软件进行实验仿真，实验结果表明该控制系统设计的合理性，符合生产要求。

参考文献

[1]徐福玲,陈尧明.液压与气压传动[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2]杨慧娟.气压传动与控制在可控震源上的应用[J].物探装备,2005(3):31-34.

[3]黄伟,胡青龙.机械手PLC控制系统的设计[J].机电工程技术,2008(11).

[4]陶建国,刘廷荣,杨文凯.一种模块式气动机械手及其作业分析[J].机械工程师,1997(3).

[5]阳险峰.三菱FX系列PLC[M].北京:中国电力出版社,2015.

[6]李金城.三菱PLC功能指令应用详解[M].北京:电子工业出版社,2011.

第7篇：机械手臂范文

关键词：三自由度关节型机械手 开关磁阻电机原理 新型回转关节

中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（c）-0104-02

机械手是一种智能装置，能够实现模拟人手的所有动作。在实际的工作过程中，机械手会按照预先设计的固定程序进行对工件的工位转移等。关节型机械手是机械手的一种类型，但它具有与人类手肘类似的“关节”，比一般的机械手结构更精巧、操作更灵活，具有广阔的研究与应用前景。

现有的机械手主要以电气（即电动机和气缸）结合的方式进行驱动，应用齿轮等机械装置进行传动。但因为机械摩擦的缘故，传动效率仍有较大的提升空间。该课题在对一种现有“三自由度关节型机械手”[1]的研究基础上，对回转关节部位进行了更深入的调研，并提出通过电磁驱动减小机械摩擦的新型旋转关节设计。

1 三自由度关节型机械手的基本情况

1. 1 整体设计

该关节型机械手为圆柱坐标，包含3个自由度，其中机械手在进行工作时完成对工件的两个方向的回转和实现一个方向的转移。机械手运用回转关节实现所夹持工件的前后和左右的回转运动，而运用移动关键来实现所夹持工件的上下的移动，从而实现整个机械手的运动工作。

机械手的整体设计如图1，主要包括手部、腕部和臂部。

手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，根据设计要求，利用夹钳式手部结构。其中，夹钳式机械手有两个半圆形或者椭圆形的机械手指，手指由驱动电机通过连接传动装置实现其张合以及闭合，从而实现了机械手对所夹持工件的抓紧动作。这种方式的机械手抓具有很好的通用性，能够实现不同外形结构工件的抓紧，所以适用性比较强。

机械手的主要组成部件为手腕部分，手腕在机械手传动中起到传动中介的作用，其连接机械手的手部以及机械手的臂部，实现机械手在臂部的所有动作的转换，有效地实现了手部动作的完成。另外，机械手手腕还可以实现机械手工作范围的扩大化，使得机械手的工作范围有效提高，并对机械手的灵活度有了明显的提高。手腕的回转动作运用回转液压气缸来实现机械手在空间上270 °的回转动作，液压气缸机构简单，操作方便，很适合机械手的运用，但是，机械手的手腕要求工作严格，不能出现振动等现象。

机械手的臂部主要是对机械手整体起到支撑的作用，机械手在进行工作过程中所有的运动惯性以及自身和工件的所有重量都由臂部来承受，所以，机械手的臂部要求结构强度高、抗疲劳性强等特点。同时，机械手的臂部还能够实现机械手部分动作的实现，一般在机械手的臂部运动采用液压或者气压缸实现。文中所设计的机械手臂部主要包括大臂和小臂。

1.2 回转关节

大臂和小臂的回转运动由回转关节完成。回转关节由45BF005π型步进电机驱动，通过两个啮合的直齿圆柱齿轮进行传动，如图2。当电动机运行时，左侧的齿轮轴发生转动，右侧的啮合齿轮也相应转动起来，再通过轴的带动，与之相连的臂部也发生转动。

2 回转关节的分析

这种传动方式本身所需要的传动扭矩比较小，并且传动精度也比较低，所以在选择驱动的方式时应该考虑驱动源的误差积累等问题，研究者采用的驱动源为步进电机。经过查询资料《机电综合设计指导》中的表格2-11，关于步进电机的相关参数可以看出，此文选择的电机型号为：45BF005π型，其中，这种步进电机的主要参数包括如下：步矩角为1.5°，其中电机的额定电压为27 V，总体质量为0.4 kg，该电机具有外形结构比较紧凑，结构简单，控制方便等优点。

通过精度验证，机械手在传动过程中，如果只依靠步进电机的传动精度是远远不够的，还需要运用不同的传动机构以及变速机构等进一步实现传动精度的提高。文章中所提及的机械手的传动采用一级减速齿轮的传动，其中主动轮的传动齿数为20，从动齿轮的传动齿数为70，经过查询资料可以得到，该齿轮传动的传动模数应该选择m=1，齿轮的宽度应该设计为20 mm，在传动过程中，由于齿轮传动会有一定的振动，所以此文设计的齿轮的宽度为24 mm。

3 新型回转关节的研究与设计

3.1 电磁驱动的可行性探讨

通过查阅文献，利用开关磁阻电机原理进行电磁旋转的理论已经比较成熟。

开关磁阻电机的工作机理基于“磁通总是沿磁导最大的路径闭合”的原理。当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的位置。当向定子各项绕组中依次通入电流时，电机转子将进一步沿着通电相序相反的方向转动。如果改变定子各相的通电次序，电机将改变专向，但相电流同流方向的改变是不会影响转子的转向的。

一类新型的磁旋转地球仪[2]就是依据该原理设计而成的。

该地球仪沿赤道线每隔一段距离会贴上永磁片，通过FEMM软件仿真，可见永磁片的磁场呈对称周期排列，如图3。具体的磁场分布可以通过对永磁体本身的磁感应强度的检测进行分析确定，从而实现所设计的悬浮球体的旋转动作。

综上所述，利用开关磁阻电机原理，借鉴磁旋转地球仪的设计，可以利用电磁驱动替代回转关节本来的电机驱动和齿轮传动。这样的设计避免了齿轮传动机械摩擦的损耗，也避免了电机精度不高的缺陷。

3.2 新型回转关节的设计

新型回转关节利用贴永磁片的圆柱体和电磁线圈替电机和直尺圆柱齿轮。

圆柱体的设计尺寸参考原有的右侧齿轮大小，R=35 mm，h=24 mm。

沿圆柱体圆周中线每隔一段距离贴上小铁片，每个铁片上贴有一圆形的永磁片。在圆柱体周围安装两组电磁线圈。这两个电磁线圈组成一个弧度，弧度的圆心与圆柱体的柱心尽量保持重合。其中一个线圈正对一个永磁片，另一个电磁线圈正对相邻的另一个永磁片，如图4。正常工作时，通过检测永磁片位置，两个线圈同时通电使电磁线圈同时产生相同的极性。通过对流入线圈的电流进行控制，使得圆柱体实现了旋转。若要使圆柱体停止旋转，切断线圈中的电流即可。

旋转的圆柱体与原有的右侧的轴相连，如图5。当线圈通电时，圆柱体带动轴旋转，与轴相连的臂部也随之发生转动。

4 结语

新型回转关节利用电磁驱动的原理，用带永磁片的圆柱体替代本来的电机和直齿圆柱齿轮。这样的设计避免了齿轮传动机械摩擦的损耗，也避免了电机精度不高的缺陷，具有很高的研究价值。但是囿于研究者现阶段的知识储备与精力，该种设计仍存在许多待进一步讨论的问题。比如电磁驱动能否带来足够的驱动力、回转的精度是否能有效地控制等。

参考文献

第8篇：机械手臂范文

【关键词】Arduino 六自由度机械臂 舵机 系统软件

面对近年来灾后瘫痪的交通运输条件，直升机空中搜救成为了更有效的措施。尤其是在近年国内的地震救灾中，因地震导致地面路况严重损坏，在抢救的黄金时间段内只有通过空中投降救援才能争取到更多的时间，从而挽救更多灾区人民的宝贵生命。这也自然对空中救援技术提出了更高的要求。在多数复杂环境的情况下，由于视野受限，空中救援技术对目标物的识别和抓取精度提出了很高的要求。在此项目中，我们利用各色小球来充当不同目标物，通过图传和程序控制实现对目标物的精确抓取，通过颜色识别模块进行目标物抓取的二次确认。这需要对机械臂上多个舵机同时协调控制的系统中，Arduino单片机可以很好的实现对多个串联舵机转动角度的精确控制，方法简单，为机械臂的运动控制提供了新方式。

1 机械臂的设计与控制方案

1.1 结构设计-串联多关节机械臂

目前，主流的机器人机构主要分为执行机构和走行机构，其中执行机构也就是操作机，按其装配型式可以将其分为串联结构和并联结构。针对此项目的结构设计，考虑到真实搜救时空间可能受限这点，采用的是关节型机器人，关节型机器人是模拟人的上臂结构而构成的，由于人的手臂在一定的空间内有很大的灵活度，同时结构紧凑，占用空间体积也较小，符合空间上要求，因此关节型机器人为最佳选择。在图1中，为保证机械臂有6个空间的自由度，其受控关节数目最少为6，且均为转动型关节，其中1、4、6为扭转关节，2、3、5为弯曲关节。除此以外，多关节机械臂还具有以下优点，其运动惯量较小，在机械臂动作时对吊装它的飞行器飞行姿态影响较小，飞行器可以保持稳定姿态。同时，多关节机械臂还可以实现越过目标物与机械臂之间的障碍物实现目标物的抓取。

1.2 控制方案

为确定机械臂的控制方案，首先需要确定机械臂的建模。由于为模拟救援机械臂，因此机械臂的长度较小，关节处的误差对结构末端的运动影响较小，关节连接处可近似认为是刚性关节，忽略机械臂运动时由于震动对关节处带来的影响。由于忽略其结构和关节点的形变，可利用D-H表示法，应用质心动量矩定理可以写出机械臂的\动学方程，即把每个关节当作一个刚体处理，为每个关节建立一个参考坐标系，根据基本变换推导得到下一个关节的姿态位置，以此往下推导，最后可确定最后一节手臂的运动姿态、位置。之后可利用ADAMS模拟机械臂的运动，确定该机械臂在指定工作条件下的运动轨迹。

机械臂的控制部分采用的是Arduino对串联机械臂的6个舵机进行协调控制。本控制系统的直接控制对象是驱动机械臂的舵机，控制舵机的信号是一种占空比可调的PWM波。目前可靠的PWM波生成有三种方案，第一种为采用模拟电路实现，该电路原理简单，但PWM波形脉宽难调，且波形不准，不适用于抓取目标物。第二种为FPGA，该电路具有强大的编程能力和运算能力并且能够完成数据的并行处理，能够产生高精度的PWM波，但电路复杂，编程困难，研发成本较高。第三种即为单片机控制方案，由单片机控制的电路精度较高，体积较小且编程灵活，简洁，符合此次设计的要求。如图2所示。

2 硬件结构

2.1 Arduino Leonard单片机

ArduinoLeonard单片机的处理器核心为ATmega32u4，同时20路数字输入/输出口，其中7路作为PWM输出，12路模拟输入。

其工作电压为5V，每一路输出和输入的最大电流为40mA且每一路内部配置了20～50K的上拉电阻。此次电路中脉宽PWM输出提供6路8位的PWM调制波形。Mega32u4内置UART可以通过数字0（Rx）和1（Tx）实现与外部的数据通信。如图3所示。

2.2 舵机

舵机为一种伺服控制系统，可以通过程序控制其连续转过一定角度，因此适用于需要实现角度旋转的各类关节运动中。由于舵机具有体积小，力矩大，外部机械设计简单且控制精度高，因此适用于机械臂的扭转和弯曲关节控制系统中。

舵机通过信号线接受PWM脉宽信号控制电机转动，电机带动变速齿轮组转动，经过齿轮组减速后传动至舵盘，舵盘转至相应的角度，由此带动机械臂的扭转或弯曲，实现目标物的抓取，如图4所示。

2.3 TCS230颜色传感器

TCS230 是 TAOS公司推出的一款可编程彩色光到频率的转换器。它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上还集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器。该传感器具有分辨率高，可编程的颜色选择与输出定标，单电源供电等特点，输出为数字量，可直接与MCU连接，如图5所示。

机械臂开始抓取目标时，要先对TCS230进行白平衡的调整。在完成白平衡后， TCS230根据所接收到的波长不同来识别判断颜色，判断目标物的抓取是否为真。

3 软件设计

3.1 机械臂运动控制

首先在开发环境中，调用一个代码库，之后创建和定义一个舵机项目用以操控舵机。开始确定电位计位置，将电位计的位置通过模拟输入接口引入单片机，读取其电压值确定初始舵机转角。之后将一颗舵机连接至1号PWM输出口。之后从控制器读取运动指令并转化为电压值，通过map函数将电压值转化为所需要旋转的角度，将信息通过PWM输出口输出给舵机控制其转动，之后延时20s，等待舵机旋转至指定位置。

3.2 机械抓的运动控制

在开发环境中，调用舵机库。之后创建控制对象，定义机械抓上控制抓取的舵机并输入初始角度，将9号PWM输出口分配给机械爪上的舵机。之后输出信号控制舵机从10°逐渐张开至120°，每次增加5°，之后延迟15s等舵机运动到指定位置，之后从引脚输出信号，控制舵机从120°回复到初始位置10°，每次减小5°。机械爪完成抓取动作。

3.3 机械臂控制精度和抓取精度实现

机械臂的精度控制通过固定在机械臂上的电位计实现，当舵机接受到单片机指令动作后，转过一定行程，电位计检测转过的角度并将其转换为电压信号回传给单片机检测并作出相应的调整。同时，为确保其运动精度，该机械臂的动作速度较慢，预留其动作时间在10～20S，确保其运动惯性较小，可以实现舵机的平稳控制。经试验测试，当机械臂未加装反馈电位计时，当抓取重量较大的重物时，停止动作后会产生明显的沉头和抖动现象，加装电位计后，现象取得明显改善。另外，为确保机械手抓取正确目标物，在机械手处加装了颜色识别模块，当抓取物体后，通过串口来选择颜色种类的通道，再由于不同色对应不同的时间，从而确定不同的颜色来进行颜色判断，若颜色不正确，会自动打开控制机械手的舵机。

4 总结

经过参数的模拟和平台的搭建，以及硬件上的结构分析和软件上的编程，我们最终确定基于Arduino单片机的6自由度串联式机械臂的可行性，以及其控制的可靠性和精度。通过在实际的实验中，确保了由Arduino单片机控制的机械臂在实际应用中的可实施性。

参考文献

[1]J.P Merlet，Parallel robots，Netherlands：Kluwer Academic Publisher，2000.

[2]B.H.Ronen，M.Shoham and S.Djerassi，”Kinematics，dynamics and construction of a planarly actuated parallel robot，”put.-Integr.Manuf，vol.14，1998

[3]张宪民等.工业机器人应用基础[M].机械工业出版社，2015.

[4]刘极峰，丁继斌.机器人技术基础[M].高等教育出版社，2012.

[5]兰虎.工业机器人技术及应用[M].机械工业出版社，2014.

[6]张松灿，肖本贤.高分辨率颜色传感器TCS230的原理和应用[J].单片机与载入式系统应用，2004.

[7]徐桂林.六自由度机械臂对任意空间坐标取物研究[J].军民两用技术与产品，2014.

第9篇：机械手臂范文

目前，我国大断面、重难点隧道施工技术取得了长足的进步，安全、质量方面也取得了较大的成绩。但在隧道施工环境、机械化配套方面与世界相比，仍存在着明显的差距。从古代的“火烧水激、人工搬运”开凿隧道，到现在的使用各种隧道机械设备快速施工，经历了一个漫长的过程。“工欲善其事，必先利其器”，为将我国由隧道大国发展为隧道强国，必须树立“以装备保工艺、以工艺保质量、以质量保安全”的隧道建设新理念，现代化机械设备配套施工技术是我们急需研究的一个方向。厦深铁路重点控制工程梅林隧道位于深圳市龙岗区布吉镇境内，双线隧道，全长8607m，隧道开挖断面116～180m2不等。其中Ⅱ、Ⅲ级围岩占全隧道的51%，总工期23个月，工期紧、任务重。隧道开挖后快速支护是保证全隧道工期和安全的关键因素。尤其是隧道支护的核心工序———喷射混凝土如继续采用原始的小型喷射机械将无法满足工程需要，且施工环境很差，对施工人员的身心健康也不利。基于此，我们选择了目前世界上最先进的PM500PC型机械手进行喷射混凝土作业。其整体外观见图1。

1结构组成及适用条件PM500PC型机械手是西班牙普茨迈斯特公司生产的先进混凝土喷射机组，其结构由机械手臂、液压系统、控制系统和操作器等组成。适用于最小开挖面积在50m2以上的隧洞喷射混凝土作业，尤其在大断面Ⅱ、Ⅲ级围岩隧道快速掘进施工中优势显著。

2机械手施工技术特点

1)操作灵活该机械手在进行喷射混凝土作业时可以保证6个灵活“自由度”，即大臂俯仰、小臂水平摆动、水平伸缩臂纵向进给、手腕转动、喷枪摆动和喷枪转动。机械手的结构示意如图2。其实现以上“自由度”的具体工作原理为:大臂1在油缸2驱动下做俯仰运动;②小臂3做水平摆动，由于小臂采用四连杆机构，故摆动时其末端做平式运动，从而使得固定于其末端的水平伸缩臂4与受喷面的相对距离和姿态不变;③水平伸缩臂4能在与隧道轴线平行的方向进给，使得喷枪做水平移动并保持姿态不变;④手腕5可完成喷枪沿拱部划弧，同时保证喷枪与受喷面垂直;⑤油缸6可调整喷枪的姿态，从而在遇到大凹坑时，仍能调整喷枪与受喷面垂直;⑥借助于喷枪划圆机构7，可使喷枪沿锥面运动，从而使喷枪口划出一个360°的连续圆。2)作业快速该机械手喷射混凝土作业速度快、效率高，在正常使用情况下实际喷射量为15～20m3/h，是传统小型湿喷机械喷射效率的5倍(TK500小型湿喷机实际喷射量仅为3～4m3/h)。按照施工形象进度计算，即:假设按照时速200km/h双线隧道Ⅲ级围岩开挖断面考虑，全断面喷射作业形象进度达3～4m/h。3)方便快捷该机械手喷射范围广且移动方便，能提高作业循环的速度。PM500PC型机械手的大臂和小臂都可以伸缩2m的行程，在喷射机组不移动的情况下，喷射高度可达16m，宽度到达28m。特别是采用三臂凿岩台车进行新增工作面和主隧道的开挖时，体现了在没有喷浆台架的情况下利用PM500PC型机械手喷浆的方便快捷。4)工前准备时间短PM500PC型机械手行走采用四轮驱动，行走速度快。机械手到达作业面时，只需要将电缆卷筒的电缆接头连接到配电箱内，前后支腿支起，使用遥控器将大臂和小臂移动到待喷部位，整个工前准备过程只需要10min，而传统的小型湿喷机械工前准备至少需要30min以上。5)使用经济采用PM500PC型机械手喷射反弹率大大降低，速凝剂掺量可控，施工过程中设备故障率低，混凝土罐车放料等待和喷射时间短，喷射反弹料减少，喷射用电量减少，喷浆支护施工工序简约，经济效益明显提高。6)施工安全PM500PC型机械手是通过有线遥控器(控制线15m长)操作喷射臂的位置和喷嘴的角度进行喷射作业的。施工过程中喷射操作手可以离开隧道开挖掌子面和施喷面一定距离，从而避免掌子面由于围岩较差而掉落石块伤人，喷射反弹料伤人等事故，同时可以减少操作人员吸入大量喷射混凝土的粉尘而危害身体。

3机械手喷射混凝土作业

1)准备工作机械手就位，先用水灰比为1∶2的水泥净浆湿喷机的料斗及输料管路。喷射料的坍落度一般控制在8～15cm之内。图3喷枪与喷射面的夹角和距离示意2)喷射作业先对湿喷机械手送风，并检查和调整风压，风压一般控制在0.3～0.5MPa较为理想。风压过大会造成喷射料束速度太快，反弹率增加，但喷射混凝土的密实性较好;风压过小，会使喷射力减弱，造成喷射混凝土的密实性较差，甚至达不到设计和规范要求。同时启动速凝剂泵，精确调试速凝剂用量。风压及速凝剂泵调好后即可开始进料。为使回弹量最低并提高密实度，喷射过程中应严格控制喷枪与喷射面的距离和夹角(见图3)。喷枪与喷射面的距离为1.0～1.5m，喷枪与喷射面基本保持垂直并连续平稳地按小圆形或椭圆形旋转喷射。为了使混凝土喷射均匀，喷射时应做到分段、分块喷射，分段长度不超过6m，分块大小不超过2m×2m，尽量减少混凝土因重力作用而滑动或脱落。一次喷射的厚度须进行控制。一般垂直边墙为6～8cm，拱顶为4～6cm，斜坡面可在两者之间适当选取。混凝土喷射完毕或被迫中断时，先停主机和速凝剂泵，最后关风阀。每次施工完毕湿喷机及配套附件应马上进行全面清洗，转子内腔及输送管和喷枪内不得有混凝土残渣存在。