引論：我們為您整理了13篇機械手設計論文范文，供您借鑒以豐富您的創作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發您的創作靈感，讓您的文章更具深度。

篇1

11）掌握機械手動作流程。

2）掌握電氣控制元件的選擇與計算方法。

3）掌握PLC選擇與應用。

三、設計要求

兩條傳送帶分別由電動機驅動，機械手有液壓缸驅動上下左右旋轉兩個方向運動，液壓系統是1000W電機。設計要求

1）機械手由原位下降抓物上升右轉下降放物上升左旋原位結束。

2）用常用的電氣元件控制。

3）有工作狀態指示及照明。

4）有必要的電氣保護和聯鎖。

四、完成的任務

要求說明詳細，字跡工整，原理正確，元件選擇有理。圖紙規范，圖形清晰，符號標準，線條均勻。

（1）設計與繪制電氣控制原理圖，元件安裝布置圖、接線圖。

（2）畢業設計說明書（8000以上）

1）設計題目

2）控制原理說明設計方案論證

3）主要器件選擇依據與計算

4）元件明細表

5）設計總結及改進意見

6）主要參考資料

五、 工廠電氣控制技術 機械工業出版社 主編 方承遠

工廠電氣控制設備 機械工業出版社 主編 許廖

機床電氣控制技術 機械工業出版社 主編 王炳實

可編程序控制器的應用技術 機械工業出版社 主編 王兆義

可編程序控制器的原理及程序設計 電子工業出版社 主編 崔亞軍

前言

由于可編程序控制器具有可靠性高、通用性強、程序設計簡單及便于安裝調試等優點，它在工業控制的各個領域發揮著越來越重要的作用。社會對可編程序控制器技術人員的需長也越來越迫切。

可編程控制器的機型較多，但其基本結構和工作原理相同，基本指令、控制功能和編程方法類似。本設計書以是用最廣泛的德國西門子可編程控制器為核心，主要介紹了可編程控制器的基礎知識、基本結構、指令系統、程序設計、控制系統以及可編程序控制器在邏輯控制系統的模擬量控制系統中的應用等知識。本設計書結合了大量的圖形，使設計一目了然。并給出了程序調試，最后給出了主要的流程圖、梯形圖、詳細注釋及助記符語言等。

本設計書參考了眾多可編程序控制器教學用書，結合自己所掌握的知識，并由指導教師田林紅老師的指導下完成。在此真誠的衷心的感謝田老師的指導幫助。

由于本人水平有限，錯誤和不妥之處再所難免，敬請各位老師及各位讀者批評指正。

目 錄

前言...................................................（）

摘要...................................................（1）

一、電器控制技術的發展狀況.............................（3）

二、PLC的基本結構和工作原理...........................（3）

1、PLC的基本結構...................................（ ）

2、PLC的工作原理...................................（ ）

三、可編程控制器的特點及基本功能.......................（）

1、PLC的特點.......................................

2、PLC的基本功能...................................

四、PLC的應用領域和發展趨勢...........................（3）

五、PLC應用中應注意的若干問題.........................（4）

六、機械手移動工件的控制系統

1、機械手移動工件控制系統的基本機構................（5）

2、機械手移動工件的控制要求與工作流程..............（6）

3、操作面板布置....................................（6）

4、控制系統構成....................................（6）

七、梯形圖設計.........................................（6）

1、梯形圖的整體設計................................（6）

2、各部分梯形圖的設計..............................（8）

3、機械手的PLC控制梯形圖..........................（8）

4、程序語言............................... ........（8）

八、總結... ...........................................（26）

）

附錄...............................................

摘 要

在工業生產和其他領域內，由于工作的需要，人們經常受到高溫、腐蝕及有毒氣，增加了工人的勞動強度，甚至于危機生命。機械手就在這樣誕生了,機械手是工業機器人系統中傳統的任務執行機構，是機器人的關鍵部件之一。機械手的機械結構采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸等機械器件組成；電氣方面有步進電機、驅動模塊、傳感器、開關電源、電磁閥、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術，位置控制技術、氣動技術、檢測技術等，是機電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的機械手是由PLC輸出兩路脈沖，分別驅動橫軸、豎軸步進電機驅動器，控制機械手橫軸和豎軸的精確定位，微動開關將位置信傳給PLC主機；直流電機拖動手爪和底盤旋轉，位置信號由旋轉碼盤和接近開關反饋給PLC主機；電磁閥控制氣開閥的開關來控制機械手手爪的張合，從而實現機械手精確運動的功能。本課題擬開發的物料搬運機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業區進行作業，并可根據工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數。

關鍵字：

可編程控制器PLC；

機械手；

脈沖；

步進電機驅動器；

步進電機；

直流電機；

傳感器；

限位開關；

電磁閥。

一、電氣控制技術的發展狀況

在現代工業中,為了實現各種生產工藝過程的要求,驅動生產機械的工作機構運動的電器機械裝置稱為電力動。在電力拖動中，電動機是生產機械的原動力。必須根據生產工藝的要求，通過各種控制電器，自動實現其啟動、制動、反轉及調速等控制，從而產生了電氣自動控制技術。

20世紀20—30年代，人們采用繼電器及接觸器等元件控制電動機的運行，這種制動系統稱為繼電器—接觸器控制系統。這類系統結構簡單、價格低廉、維護方便，因此被廣泛應用于各類機床和機械設備中。采用這種系統不但可以方便地實現生產過程自動化，而且還可以實現集中控制。目前，我國的大部分機床和其他機械設備仍舊采用繼電器—接觸器控制系統。由于該系統是固定接線形式，故在改變生產工藝時需要重新布線，控制的靈活性較差。另外，該系統采用有觸點元件控制，動作頻率低，觸點易損壞，系統的可靠性差。

20世紀40年代，世界上出現了交磁放大機—電動機控制，這是一種閉環反饋系統，它利用輸出量與給定量的偏差進行自動控制，其控制精度和快速性都有了提高。20世紀60年代出現了晶體管—晶閘管控制，到了70年展成為集成電路—晶閘管控制。由晶閘管供電的直流調速系統和交流調速系統不僅調速性能大為改善，而且減少了機電設備和占地面積，耗電少、效率高，已完全取代了交磁放大機—電動機系統。

在實際生產中，由于大量存在一些由開關量控制的簡單程序控制過程,而實際生產工藝和流程又是經常變化的,因此需要一種能靈活改變程序的次新型控制器.于是,在20世紀60年代出現了一種能夠根據生產需要方便的改變控制程序,而又比電子計算機結構簡單、價格低廉的自動化裝置—順序控制.它是通過組合邏輯元件插接或編程來實現繼電器—接觸器控制線路功能的裝置,能滿足程序經常改變的控制要求,使控制系統具有較大的靈活性和通用性,但它使用的依然是硬件手段,裝置體積大,功能也受到一定的限制.隨著大規模集成電路和微處理技術的發展和應用,上述控制技術也發生了根本變化,在20世紀70年代出現了以微處理器為核心的、用軟件手段來實現各種控制控制功能的新型工業控制器—可編程序控制器(PLC).它不僅充分利用了微處理器的優點來滿足各種工業領域的實時控制要求,而且還照顧到了現場電氣操作維護人員的技能和習慣,摒棄了微機常用的計算機程序語言的表達形式,獨具風格地形成了一套以繼電器梯形圖為基礎的形象編程語言和模塊化的軟件結構,使用戶程序的編制清晰直觀,方便易學,更容易調試和查錯.它已經取代了繼電器—接觸器控制系統,被廣泛應用于大規模的生產過程控制中,具有通用性強、程序可變、編程容易、可靠性高、使用維護方便等優點,故目前世界各國已將它作為一種標準化通用設備普遍應用于工業控制中.

電氣控制技術是隨著科學的不斷發展、生產工藝的不斷提高兒訊發展的。在控制方法上，它手動控制到自動控制；在控制功能上，它是從簡單到復雜；在操縱上，它笨重到輕巧;在控制原理上,它從由單一的有觸點接線的繼電器—接觸器控制系統,到以微處理器為中心的軟件控制系統.隨著新的控制理論和新型電器及電子元件的出現,電氣控制技術還將不斷得到發展.

二、 PLC的基本結構和工作原理

1、 PLC的基本結構

PLC實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同。根據結構形式的不同，PLC的基本結構分為整體式和模塊式結構兩類。

1）.整體式結構的PLC

整體式結構的PLC由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）單元、電源電路和通信端口等組裝在一起組成。

2）.模塊式結構的PLC

模塊式結構的PLC是將中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）單元、電源電路和通信端口等分別做成相應的模塊，應用時將這些模塊根據控制要求插在機架上，各模塊間通過機架上的總線相互聯系。

3）.PLC各組成部分介紹

（1）、中央處理器（CPU）

中央處理器（CPU）是PLC的核心部分，相當于PLC的“大腦”。它通過系統總線與用戶存儲器、輸入/輸出、通信端口等單元相連。通過制造廠家預制在系統存儲器內部的系統程序完成各項任務。其主要功能是由編程器寫入控制程序和數據到存儲器、檢驗用戶程序、從存儲器上讀取和執行程序，還可以進行PLC內部故障的診斷等。

（2）、存儲器

根據存儲器存儲內容的不同，我們把存儲器分為系統程序存儲器、用戶程序存儲器和數據存儲器。

系統程序存儲器：用來存放系統軟件的存儲器。系統程序相當于計算機操作系統。是PLC廠家根據選用的CPU的指令來編寫的，并固化到ROM里，用戶不能修改其內容。

用戶程序存儲器：用來存放用戶根據控制要求編制的程序。不同類型的PLC，其存儲容量也不一樣。

數據存儲器：用以存放PLC運行中的各種數據的存儲器。因為運行中數據不斷變化，所以這種存儲器必須可讀寫。

（3）、輸入/輸出（I/O）單元

輸入/輸出（I/O）單元是PLC與此同時外部設備連接的紐帶。輸入單元接收現場設備向PLC提供的開頭量信號，經過處理后，變成CPU能夠識別的信號。輸出單元將CPU的信號經處理后來控制 外部設備的。

（4）、電源部分 （5）、通信端口

PLC的CPU模塊上至少有一個通信端口。通過這個通信端口PLC可以直接和編程器或上位機相連。

（6）編程器

幾乎每個PLC廠家都有自己的編程器。用戶通過編程器來編寫控制程序，并通過編程器接口將自己的控制程序輸入到PLC。它還可以在線檢測程序的運行情況。在出現故障時，通過編程器可以很方便的找出錯誤。

（7）特殊功能單元

主要包括模擬量輸入/輸出單元、遠程I/O模塊、通信模塊、高速計數模塊、中斷輸入模塊和PID調解模塊等。隨著PLC的進一步發展，特殊功能單元的應用也越來越多。

2、PLC的工作原理

PLC的工作原理與繼電器構成的控制裝置一樣，但是工作方式不太一樣。繼電器控制是并行方式，即如果輸出或電，該線圈的觸點立即動作。而PLC則不同，它采用循環掃描技術，只是該線圈通電或斷電，并且必須當程序掃描到該線圈時，該線圈觸點才會動作。也可以說，繼電器控制裝置是根據輸入和邏輯控制結構就可以直接得到輸出，而PLC控制則需要輸入傳送、執行程序、輸出3個階段才能完成控制過程。

PLC采用循環掃描技術可以分為3個階段：輸入階段（將外部輸入信號的狀態傳送到PLC）、執行程序階段和輸出階段（將輸出信號傳送到外部設備）。

1)、輸入階段

在這個階段中，PLC讀取輸入信號的狀態和數據，并把它們存入相應的輸入存儲單元。

2)、執行程序階段

在這個階段中，PLC按照由上到下的次序逐步執行指令。從相應的輸入存儲單元讀入輸入信號的狀態和數據，然后根據程序內部繼電器、定時器、計數器數據寄存器的狀態和數據進行邏輯運算，得到運算結果，并將這些結果存入相應的輸出存儲單元。這一階段執行完后，進入輸出階段。在這個程序執行中，輸入信號的狀態和數據保持不變。

、輸出階段

在這個階段中，PLC將相應的輸出存儲單元的運算結果傳送到輸出模塊上，并通過輸出模塊向外部設備傳送輸出信號，開始控制外部設備。

三、 PLC的特點及基本功能

1、PLC的特點

1）、編程簡單，易于掌握，PLC的設計者充分考慮到現場技術人員的技能和習慣，經常采用的是梯形圖方式的編程語言，它與繼電器控制原理圖相似，具有直觀，清晰、修改方便，易掌握等優點，即便未掌握專門計算機的人也能很快熟悉，因而受到了廣大現場技術人員的歡迎。

2）、可靠性高，抗干擾能力 PLC是專為工業控制而設計的，由于采了一系列的措施，使之在惡劣的工業環境下仍能保證很高的可靠性，一般平均無故障時間可達到4-5萬小時，遠遠超過以往電器控制系統和計算機控制系統。

3）、通用性能好，PLC品種多，檔次高，同一以PLC可適用于不同的控制對象或同一對象的不同控制要求，同一檔次，不同機型的功能也能方便地相互轉換。

4）、功能強，PLC運用了計算機、電子技術和集成工藝的最新技術，在

硬件和軟件兩方面不斷發展，使菘具備很強的信息處理能力，可進行邏輯、定時，計數和步進等控制，能完成A/D與D/A

5）、開發周期短 PLC在許多方面是以軟件編程來取代硬件接線實現控制功能，大大減輕了繁重的安裝接線工作，且編程簡單，程序設計和高度修改也很方便安全，因此，大大縮短了PLC控制系統的開發周期。

6）、體積小，使用方便，由于PLC采用了半導體集成電路，其體積小，重量輕，結構緊湊，功耗低，是機電技術的理想控制器，PLC編程簡單，自診斷能力強，能判斷和顯示自身故障，使操作人員檢查判斷故障方便迅速，而且接線少，維修時只需更換插入式模塊，維護方便，修改程序和監視運行狀態也容易。

2、PLC的基本功能

1）、邏輯控制 PLC具有邏輯運算功能，它設置有“與”、“或”、“非”等邏輯指令，能工巧匠夠描述繼電器觸點的串聯、并聯、串并聯等各種連接。因此它可以代替繼電器進行組合邏輯與順序邏輯控制。

2）、定時控制 PLC具有定時控制功能。它為用戶提供了若干個定時器并設置了定時指令。定時值可由用戶在編程時設定，并能在運行中被讀出與修改，使用靈活，操作方便。

3）、計數控制 PLC還具有計數功能。它為用戶提供了若干個計數器并設置了計數指令，計數值可由用戶在編程時設定，并可在運行中被讀出與修改，使用與操作都很靈活方便。

4）、步進控制 PLC能完成步進控制功能。步進控制是指在完成一道工序以后，再進行下一步工序，也就是順序控制。PLC為用戶提供了若干個移位寄存器，或者直接有步進指令，可用于步進控制，編程與使用很方便。

5）、A/D、D/A轉換 有些PLC還具有“模數”轉換（A/D）和“數?！保―/A），功能，能完成對模擬量的控制與調節。

6）、數據處理 有的PLC還具有數據處理能力，并具有并行運算指令，如兩個數據并行傳送、比較和邏輯運算，進行數據檢索、比較、數制轉換等操作。

7）、通信與聯網 有些PLC采用了通信技術，可以進行遠程I/O控制，多臺PLC之間可以進行同位鏈接，計算機作為上機可對其命令并返回執行結果，這種采用一臺計算機，多臺PLC組成的頒式控制網絡可完成圈套規模的復雜控制。

8）、監控控制 PLC具有較強的監控功能。在控制系統中，操作人員通過監控命令可以監視有關部分的運行狀態，可以調整定時或計數設定值，因而高度、使用和維護都很方便。

四、PLC的應用領域和發展趨勢

目前，PLC在國內已得到了廣泛的應用。利用PLC最基本的邏輯運算、定時、記數等功能進行邏輯控制，可以取代傳統的繼電器控制系統，廣泛用于機床、印刷機、裝配生產線、電鍍流水線及電梯的控制等。

較高檔次的PLC具有位置控制模塊，特別適用于機床控制。大、中型PLC具有多路模擬量輸入輸出和PID控制，可構成模擬量輸入輸出的閉環控制系統，用于過程控制。

隨著計算機控制技術的發展，國外近幾年興起自動化網絡系統，PLC與PLC之間，PLC與上位機之間連成網絡，通過光纜傳遞信息，構成大型的多級分布式控制系統（集散控制系統）。PLC具有可靠性高、使用方便、編程簡單、體積小、重量輕等特點。目前，全世界PLC生產廠家約200多家，生產300多個品種。作為控制裝置，它在許多工業控制領域都得到了廣泛的應用。隨著微處理器技術的發展，PLC也得到了迅速的發展，其技術和產品日趨完善。

& nbsp;PLC的主要發展趨勢主要表現在以下幾個方面。

1、高速度、高I/O容量、功能強大

隨著CPU處理速度的提高，PLC程序執行的速度也越來越快；在規模和超大規模集成電路的發展，相應地使I/O的容量也得到增加；智能模塊的嗇，使PLC能夠實現的功能越來越多。

2、強大的PLC聯網能力

隨著人們對工業自動化的要求越來越高，人們已經不再滿足對幾個設備、幾條生產線的PLC控制，而是要求實現對全工廠的自動化 ，所以提高PLC控制系統的網絡功能成為PLC的發展趨勢。以后人們不公能通過通信模塊進行PLC與PLC、PLC與上位機之間的連接，還能通過撥號或者無線的方式使PLC聯網。

3、編程軟件多樣化

PLC的梯形力語言、助記符語言和功能模塊語言雖然使用方便，而且也能很好的實現控制要求，倡在處理一些高級功能（復雜運算、報表生成和打印等功能）時存在明顯的不足，所以就要求高級語言（BASIC、C、FORTRAN等）、圖形語言、匯編語言兼容。這樣不公可以通過梯形圖語言、助記符語言和功能 模塊語言來編寫程序，也可以通過高級語言來編程。

五、 PLC應用中應注意的若干問題

本節主要介紹PLC在應用過程中經常遇到的一些對PLC的某些輸入信號的處理問題。

1、PLC輸入信號抖動的消除

在實際應用中，有些開關輸入信號在接通過程中，由于外界干擾會出現時通時斷的“抖動”現象。這種現象在繼電器系統中由于繼電器的電磁慣性一般不會造成誤動作，沒什么影響。但在PLC應用系統中，PLC是不斷掃描工作，掃描周期一般比繼電器動作時間短得多，抖動信號很可能被PLC檢測到，造成錯誤的結果。所以，必須對這些“抖動”進行處理，已保證系統正常工作。

2、兩線式傳感器輸入的處理

如果PLC輸入設備采用兩線式傳感器（如接近開關、光電開關等）時它們的漏電電流較大，可能會出現錯誤的輸入信號。為了避免這種現象，可在輸入端并聯輸入電阻R，

旁路電阻R的阻值由下式確定：

I（Um∕InUn）∕（R+Un∕In）∕≤UL

式子中，I為傳感器的漏電流；Un、In分別是PLC的額定輸入電壓和額定電流；Um是PLC輸入電壓低電平的上限值。

3、 由晶體管提供輸入信號的處理

如果PLC輸入信號由晶體管提供，則要求晶體管的截止電阻應大于10千歐姆，導通電阻應小于800歐姆。

六、機械手移動工件的控制系統

1、機械手移動工件的基本機構

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，應用非常廣泛。應用PLC控制機械手實現各種規定的工序動作，可以簡化控制線路，節省成本，提高勞動生產效率。

如圖 [1] 所示，是一臺工件傳送機械手的動作示意圖。

其作用是將工件從A位置傳送到B位置。其上升、下降和左移、右移動作由雙線圈的兩位式電磁閥驅動氣缸來控制完成，一旦電磁閥線圈通電，就一直保持現有的機械動直到相對的線圈通電為止。另外夾緊、放松的動作由只有一個線圈的兩位式電磁閥驅動的氣缸控制完成，線圈通電，夾住工件，線圈斷電，放松工件（若擔心停電時的工件跌落，可選用通電時松開、斷電時夾緊的夾具）。

圖 [1]

2、機械手移動工件的控制要求與工作流程

機械手的全部動作由氣官缸驅動，而氣缸又有相應的電磁閥控制。其中，上升/下降和左移/右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制。例如，當下降電磁閥通電時，機械手下降；下降電磁閥斷電時，機械手下降停止。只有當上升電磁閥通電時，機械手才上升；當上升電磁閥斷電時，機械手上升停止。同樣，左移/右移分別由左移電磁閥和右移電磁閥控制。機械手的放松/夾緊由一個單線圈兩位置電磁閥（稱為夾緊電磁閥）控制。當該線圈通電時，機械手夾緊；當該線圈斷電時，機械手放松。

當機械手右移到位并準備下降時，為了確保安全，必須右工作臺無工件時才允許機械手下降。也就是說，若上一次搬運到右工作臺上的工件尚未搬走時，機械手應自動停止下降，用光電開關進行無工件檢測。

機械手的動作過程如圖 [2] 所示。

圖 [2]

從原點開始，按下起動按鈕，下降電磁閥通電，機械手下降。下降到底時，碰到下限位開關，下降電磁閥斷電，下降停止；同時接通加緊電磁閥，機械手夾緊。夾緊后，上升電磁閥通電，機械手上升。上升到頂時，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止；同時接通右移電磁閥，機械手右移。右移到位時，碰到右限位開關，右移電磁閥斷電，右移停止。若此時右工作臺上無工件，則光電開關接通，下降電磁閥通電，機械手下降。下降到底時，碰到下限位開關，下降電磁閥斷電，下降停止；同時夾緊電磁閥斷電，機械手放松。放松后，上升電磁閥通電，機械手上升。上升到頂時，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止，同時接通左移電磁閥，機械手左移。左移到原點時，碰到左限位開關，左移電磁閥斷電，左移停止。至此，機械手由原位下降抓物上升右轉下降放物上升左旋原位結束。經過八步動作完成了一個周期的動作。

3、操作面板布置

如圖 [3] 是可編程控制器控制盤面板布置圖

  ; 圖 [3]

機械手的操作方式分為手動操作方式和自動操作方式。

手動操作：就是用按鈕操作對機械手的每一步運動單獨進行控制。例如，當選擇上/下運動時，按下啟動按鈕，機械手下降；按下停止按鈕，機械手上升。當選擇左/右運動時，按下啟動按鈕，機械手右移。當選擇夾緊/放松運動時，按下啟動按鈕，機械手夾緊；按下停止按鈕，機械手放松。

自動操作方式又分為步進、單周期和連續操作方式。

步進操作：每按一次啟動按鈕，機械手完成一步動作后自動停止。

單周期操作：機械手從原點開始，按一下啟動按鈕，機械手自動完成一個周期的動作后停止（如果在操作過程中按下停止按鈕，機械手停在該工序上，再按下啟動按鈕，則又從該工序繼續工作，最后停在原位）。

連續操作：機械手從原點開始，按一下啟動按鈕，機械手的動作將自動地、連續地不斷地周期性循環。在工作中若按一下停止按鈕，則機械手將繼續完成一個周期的動作后，回到原點自動停止。

4、控制系統構成

（1）控制系統圖

機械手移動工件控制系統圖如圖 [4] 所示

圖 [4]

（2）輸入/輸出端子地址分配

該機械手控制系統所采用的可編程控制器是由德國西門子公司生產的S7－200CPU214。如圖 [5] 是可編程控制器輸入輸出端子地址分配圖。

圖 [5]

該機械手控制系統共使用了14個輸入量，6個輸出量。

七、梯形圖設計

機械手的控制屬于順序控制，采用步進指令，根據說明機器工作狀態轉換的圖形，進行程序設計。

1.梯形圖的整體設計

根據機械手的工作方式情況，在選擇“單步操作”時，應執行“單步操作”程序；在選擇“自動”方式時，應執行“自動程序”，故梯形圖的總體構成應如圖 [6] 所示。其中，自動程序要在啟動按鈕按下時才執行。

圖 [6]

2.各部分梯形圖的設計

1）通用部分梯形圖設計

（1）狀態器的初始化：

初始狀態器S600在手動方式下被置位、復位。當方式選擇開關處于“返回原位”（X501接通）時，按下返回原位按鈕（X505）時被置位；在“單步操作”（X500接通）時，S600復位。處于中間工步的狀態器用手動動作復位操作，即在方式選擇開關位于“單步操作”或“返回原位”時，中間狀態器同步復位，故初始化梯形圖如圖 [7] 所示（如果狀態器要在供電時從斷電前條件開始繼續工作，則不需要M71）。

圖 [7]

（2）狀態器轉換啟動：

若機械手工作在自動工作方式下，當初始狀態器S600被置位后，按下起動按鈕，輔助繼電器M575工作，狀態器的狀態可以一步步向下傳遞，即可以進行轉換。在執行“連續操作”程序時，轉換啟動繼電器M575一直保持到停機按鈕按下為止。另一方面，采用M100檢查機器是否處于原位。當M575和M100都接通時，從初始狀態器開始進行轉換，其梯形圖如圖 [8] 所示。

圖 [8]

（3）狀態器轉換禁止梯形圖：

激活特殊輔助繼電器M574，并用步進指令控制狀態器轉換時，狀態器的自動轉換就被禁止。

在“單周期”工作期間，按下停止按鈕時，M574應被激勵并自保持，操作停止在現行工步。當按下啟動按鈕時，從現行工序重新開始工作，M574應復位，即重新允許轉換。

圖 [9]

在“步進”工作方式時，M574應始終工作，此時，禁止任何狀態轉換。但每按下一次啟動按鈕時，M574斷開一次，允許狀態器轉換一步。

在“手動”工作方式（單一操作，返回原位）情況下，禁止進行狀態轉換。在手動方式解除之后，按下啟動按鈕，則狀態轉換禁止解除，M574復位。

PLC在啟動時，用初始化脈沖M71使M 574自保持，以此禁止狀態轉換。直到按下啟動按鈕。狀態器轉換禁止體形圖如圖 [9] 所示。

通過對圖 [8]、圖 [9] 分析可得出：在執行“單步操作”和“返回原位”程序時，M575一直不能被接通，而M574長期被接通（按下啟動按鈕時除外）；執行“步進”程序時，每按一次啟動按鈕，M574斷開一次，M575接通一次，狀態器轉換一次；在執行“單周期操作”程序時，按下啟動按鈕，M574斷開，M575接通，狀態器的狀態可一步一步向下轉換，直至按下停止按鈕時，M574自鎖，狀態器的狀態轉換被禁止，操作停止現行工序（再次按下啟動按鈕時從現行工序開始工作）；在執行“連續操作：程序時，M575一直接通到按下停止按鈕，此時M574一直不能接通。

2）單步操作梯形圖 ：

圖 [10]

3）返回原位梯形圖 ：

在“返回原位”狀態下，“夾緊”與“下降”動作應被停止，上限位未動作時應進行“上升”；上限位動作時，“右行”動作應停止，并左行至左限位位置。返回原位梯形圖如圖 [11] 所示。

圖 [11]

4）“自動”狀態流程圖 ：

如圖 [12] 所示

圖 [12]

圖 [12] 表示了機械手自動工作時執行各工步的情況。表明了各工步的實現以及各工步的轉換條件。在第一次下降工步中，下降電磁閥Y430接通。自下限位置時，X401接通，轉化為“夾持”過程。在夾持工步中，夾持電磁閥Y731置位，同時驅動T450。T450接通后，轉化為第一次上升。此后執行類似的操作，完成由初始條件到下一個初始條件的一系列操作。在夾持輸出Y431置位后，保持夾持，直到夾持輸出復位松開。如上所述一步一步按順序驅動各個負載動作，稱為順序控制或過程步進型控制。這種控制過程用繼電器符號程序很難實現程序設計。

用狀態器替代自動工作流程圖中的各個工步，可得到圖 [13] 所示的功能表圖。初始狀態在圖中用雙線框表示。

圖 [13]

根據圖 [13] 的功能表圖，可設計出自動操作時的梯形圖，

如圖 [14]所示。

圖 [14]

3.繪制機械手PLC控制梯形圖 &n bsp; 圖 [15-1]

該機械手在自動工作時，應先將其工作方式選擇開關放在“返回原位”，并按下返回原位按鈕，對狀態器進行置位，然后再將工作方式選擇開關放至自動工作方式下。若自動工作狀態解除，則應將工作方式選擇開關放至“單步操作”位置 。

4、程序語言：

0 LD X501 30 AND X503

1 AND X505 31 OR X502

2 S S600 32 OR X500

3 LD X500 33 OR X501

4 R S600 34 OR M71

5 LD X500 35 OR M574

6 OR X501 36 ANI M101

7 OR &nbs 陳立定、吳玉香、蘇開才 編

7.《電器及PLC控制技術》 機械工業出版社 主編 黃凈

8.《機床電器與PLC 》 西安電子科技大學出版社 主編 李偉

9.《PLC應用開發技術與工程實踐》 人民郵電出版社 求是科技

10.《PLC實驗實訓指導書》 河南工業職業技術學院 主編 路劍

11.《可編程控制器的原理與應用》 北京希望電子出版社 主編 史增芳

附錄：

表1 數字量輸入地址定義

地 址 符 號 定 義 備 注

I0.0 啟動按鈕

I0.1 下限位 下限位開關

I0.2 上限位 上限位開關

I0.3 右限位 右限位開關

I0.4 左限位 左限位開關

I0.5 無工件檢測 無工件檢測開關

I0.6 停止按鈕

I0.7 單操作 單步方式開關

I1.0 步進操作 步進方式開關

I1.1 單周期操作 單周期方式開關 I1.3 左與右

I1.4 上與下

I1.5 夾與松

表2 數字量輸出地址定義

地址 符 號 定 義 備 注

Q0.0 下降電磁閥 下降電磁閥線圈

Q0.2 夾緊電磁閥 松開/夾緊線圈

Q0.1 上升電磁閥 上升電磁閥線圈

篇2

中國在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中，把“服務機器人”研發作為重點項目。機械手是“服務機器人”的關鍵部位，在各種護理機器人、陪護機器人、中醫按摩機器人中，機械手是機器人完成“服務”任務必不可缺的一部分。設計并制造具有感知能力的擬人化機器手，并對擬人機械手的材質、機械結構、控制技術進行了深入的調查研究。將微小型步進電機和齒輪減速器引入擬人化靈巧機械手設計結構中，實現機械手的大扭矩抓取和擬人化；機械手裝有位置、力、力矩等多種傳感器，可實現機械手認知能力，且所有部件均集成在手指和手掌內。開發具有認知能力的擬人化靈巧機械手集機、電、計算機軟硬件、信號源處理于一體。有5個相同結構的模塊化手指，具有擬人化手形外觀及認知抓取能力。通過對擬人化靈巧機械手的研究，帶動更多前沿學科與機器人技術的交叉和融合，促進我國“機器人”的進一步發展，提高其技術水平和國際競爭力。

1 仿人機械手工作機理分析

仿人機械手主要由手掌、手指機構、拇指機構和所有的手指驅動機構組成。手掌內放的驅動直流小電機，節約了手的空間，縮小了體積；手指機構包括小指、無名指、中指和食指，它們都由相同的構件組成，包括兩個關節前指和后指，前指和后指使用螺釘連接，可以減小手指的大小。各指之間使用軸連接，用軸套保持之間的距離，防止發生碰撞。拇指機構是單獨的零件體，單獨與四指機構用連桿連接，減小了機構的復雜性，有利于優化機構。傳動機構包括電機軸齒輪、減速齒輪、驅動手指機構的半齒和帶動拇指的連桿組成。仿人機械手運動的過程是以手掌為基座，電機固定在手掌內，帶動齒輪實現各級減速，半齒連接在四指上，當半齒轉動時帶動四指張合，四指和拇指是由連桿連接，所以四指動的時候拇指也隨之而動，且與四指相反，從而最終實現物體抓握。

2仿人機械手控制系統硬件設計

2.1控制系統硬件結構設計

圖3-1仿人機械手控制系統結構框圖

如圖3-1所示為基于單片機系統設計的仿人機械手控制系統的結構框圖。其工作方式如下：

其中MCU為單片機處理器，信號采集模塊包括位置傳感器模塊和力矩傳感器模塊。這兩個傳感器模塊的主要功能是檢測對被抓物體的夾緊力地大小，同時生成模擬量的電信號，然后再通過單片機內部自帶有的A/D轉換芯片將模擬量轉換成數字量，單片機將得到的數字信息存儲起來，等到要處理的時候進行處理。

當單片機根據采集到的夾緊力對應的電壓信號來算得手指的運動的位移，向外部驅動電路發送不同的位移信息。外部的電機驅動器將接收到的數字信息進行處理，最后進行對電機運行的控制。

2.2控制器芯片的選擇

在設計控制系統的過程中，對控制芯片的選擇至關重要，從系統的穩定性，性能和價格等方面考慮選擇STC15F204EA單片機。

STC15F204EA系列單片機是STC公司生產的單時鐘機器周期的單片機，是高速、高可靠、低功耗、抗干擾的新一代8051單片機，可設置5MHZ-35MHZ寬范圍頻率，可徹底省掉外部昂貴的晶振，自帶8路高速A/D轉換功能，無需在系統再搭建模數轉換電路。

2.3電機驅動模塊的設計

2.3.1驅動芯片的選擇

L293是ST公司生產的一種高電壓、小電流電機驅動芯片。該芯片采用16腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達36V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達2A，持續工作電流為1A。內含兩個高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和繼電器線圈等感性負載；該芯片可以驅動兩臺直流電機。引腳P1用于M1電機PWM輸入控制，引腳P2用于M2電機PWM輸入控制。

2.3.2單片機與驅動器之間的接線與參數設置

本文所采用的單片機STC15F204EA可以控制驅動器L293驅動兩臺微電機。分別是M1和M2。引腳P1、P2可用于接收單片機輸出的PWM脈寬調制信號以實現對電機進行調速控制。實現電機正反轉是通過D1和D2兩個端口控制的，輸入信號端D1接高電平，電機M1正轉，如果接低電平，電機就反轉。控制另一臺電機是同樣的方式，驅動器L293輸入信號端D2接高電平，電機M2正轉，反之則反轉，PWM信號端P1控制電機M1速度，PWM信號端P2控制電機M2速度。下圖3-2為仿人機械手控制系統接線原理圖，詳細地繪制了單片機控制驅動器并連接兩臺電動機的工作過程。

圖3-2 控制系統接線原理圖

3控制系統軟件設計

本控制系統所采用STC15F204EA單片機對應晶振為12MHZ，利用定時器控制產生占空比可變的PWM脈沖信號。PWM輸出范圍為0% -100%，PWM的周期1ms，頻率1KHZ，且輸出低電平有效。

如下是控制機器人左右機械手運動的兩臺直流電機PWM調速的部分程序

#include；

Sbit KEY_M1_SW =P1^0//M1：啟動或停止；

Sbit KEY_M1_DR =P1^1//M1：正轉或反轉；

Sbit KEY_M1_ADD =P1^2；//M1：PWM加一；

Sbit KEY_M1_SUB =P1^3；//M1：PWM減一；

Sbit KEY_M2_SW =P1^4；//M2：啟動或停止；

Sbit KEY_M2_DR =P1^5；//M2：正轉或反轉；

Sbit KEY_M2_ADD =P1^6；//M2： PWM加一；

Sbit KEY_M2_SUB =P1^7；//M2： PWM減一；

//輸出控制引腳；

Sbit PWM1_OUT=P3^0； //M1：PWM的輸出腳；

sbit MOTOR1_DR=P3^1；//M1：電機轉向控制；

sbit PWM2_OUT=P3^2；//M2：PWM的輸出腳；

sbit MOTOR2_DR=P3^3；//M2：電機轉向控制；

sbit BEEP=P3^7；//蜂鳴器；

//電機的占空比；

Unsigned char PWM1_value=50；//賦初值 50%；

Unsigned char PWM2_value=50；//賦初值 50%；

主程序

Void main（void）

{

PWM_INIT（）：//PWM初始化

While（1）

{

KEY_SCAN（）：//按鍵掃描

}

}

4結論

本文設計了一種仿人機械手運動控制系統，該系統充分利用了仿人機械手結構簡單、體積小、重量輕，拆卸方便，各手指間都可安裝傳感器的優點，能使控制更加靈活，安全性增強，滿足了仿人機械手對控制系統的要求。以STC15F204EA單片機為控制核心，通過與位移及力矩采集模塊之間的通信，實現了信息的良好通訊。通過驅動芯片L293驅動步進電機運轉實現對機械手抓握物體的良好控制。

參考文獻

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[5]周惠明。關節機械手的結構創新設計【期刊論文】-煤礦機械 2007（10）

篇3

結構優化

中圖分類號：TB47　文獻標識碼：A　文章編號：1672-3791(2012)02(a)-0001-01

1　水果收獲機器人的概念和研究意義

水果收獲機器人主要分為兩部分：機器人的本體結構部分和控制部分。其中，本體結構部分又可分為：機械手，末端執行器，底部平臺，有的還有視覺系統。

在中國，隨著農村經濟的快速發展和不斷調整種植結構，水果栽培面積，例如蘋果、柑橘和葡萄，達到自199 3年以來的900萬公頃，占世界上水果種植面積總數的四分之一。然而，水果收割任務中50％到70％的勞動力還是靠體力勞動。因為農業人口正在減少，收獲自動化亟待普及。此外，由于果樹是高個子，收割工作需要使用梯子，使手工收獲危險高和效率低下。所以，農業收獲機械化亟待普及。因為水果本身易損傷和生長環境的復雜等因素的制約，現階段的各種水果收獲機器人都有各種不足。本文就近幾年來的有關論文進行研究學習及對本地柑橘的生長環境的調研，擬設計了一種適合本地柑橘機械采摘的簡易機械臂及末端執行器。

2　本地柑橘的自然采摘環境

浙江大部分都是山地地貌，并且大都種植了柑橘、蘆柑、胡柚等柑橘屬的植物。雖然浙江的氣候、土壤等都適宜于柑橘的生長，但是浙江的山地地貌也給采摘和運輸帶來了一定的難度。每年的采摘季節，需要大批的勞動力，而于此相反的是，本地的勞動力日漸下降，全都去城鎮務工了。因此，針對柑橘的采摘機器人呼之欲出。柑橘果實外有一層較厚的果皮，它能很好的減輕柑橘間的碰撞沖擊力。

3　本設計的末端執行器及機械臂的結構

3.1　采摘機械手的設計

與工業機器人機械手不何，果蔬果實收獲機器人的機械手，所處的外部環境是復雜的、多變的、非結構的，并且與果實的栽培方式有很大關系。因此，設計機械手應在考慮栽培方式的基礎上，使果實處于其作業空間內，并且能夠避免障礙物(葉子、莖稈等)，準確地抓取到果實。對于柑橘、蘋果等樹冠高大的果樹，機械手需要較大的作業空間。為此，本設計采用三個關節的折疊臂使達到所需的作業空間，并且可以折疊便于攜帶。

具體三維模型見圖1。

3.2　末端執行器的設計

目前各地研究的收獲機械手的末端執行器大多為：先由機械手爪抓住果實，然后通過機械手爪轉動來扭斷果柄；或者在手爪抓住果實后，用另一個剪刀去剪斷呆柄，然后機械臂把水果運輸到指定點，手爪放開。這樣的設計一定程度上降低了收獲機械人的收獲效率。

本設計的末端執行器主要由支架，動力部分，傳動部分，果梗剪斷器，果實傳送部分五個部分組成，具體看圖2。此末端執行器由電機通過齒輪驅動果梗剪斷器剪斷果梗，同時果實掉入果梗剪斷器下方的柔性導管中，果實通過柔性導管被馬上運輸到指定點。

本設計的末端執行器和普通的執行器相比，不但從減少電機的數量，并且提高收獲機械人的工作效率。其中圖2中的柔性軟管不僅代替了普通的末端執行器的手爪功能，從而減去了一個被驅動元件，還能直接把采摘得果實直接運送到指定點，進而大大提高了收獲效率。但由于運輸過程中有一定碰撞，所以此末端執行器一般適用于柑橘等柑橘屬的水果。

此外，由于不同品種的柑橘的果梗粗細不同，果實的直徑大小不同，我們可以根據采摘對象的不同，更換不同的果梗剪斷器，不同直徑的柔性管道，甚至整個末端執行器也可更換。

3.3　建立實物模型，檢驗實際效果

根據三維建模的相關數據及考慮現實的取材便利，我們用輕質不銹鋼做為主材料，直流電機為動力部分，齒輪為傳動部件，塑料管做為柔性管道制造出了四自由度的柑橘采摘機械手模型(圖3)。并且，在實驗室里，模擬運行了此機械手的采摘功能。在實驗室里，該柑橘采摘機械手模型在人的控制下基本能實現在豎直空間上的上下自由運動。并且順利剪斷果梗，使果實順利掉入由塑料管充當的柔性管道中。最終，果實順著柔性管道順利到達指定位置。

4　結語

對于目前水果收獲機器人的機械手和末端執行器存在的問題。本文提出了自己的見解：因機械手的結構與果蔬的生長狀態有關，可采用關節型的折疊機構。對于水果收獲機器人只能針對一種對象進行作業的現狀，本設計提出了一套適合柑橘屬果實采摘的末端執行器的設計，即只需要更換末端執行器，這樣收獲機器人的利用率將大大提高。另外，柔性的管道節省去了機械臂把水果放回地面的時間，從而大大提高了機器人的采摘效率。

當然，本設計的也還存在一些不足。如缺少在自然環境中的測試，還不能很好的利用到現實生產過程中。機械臂的設計有些過于簡單，有待進一步優化。

篇4

[Abstract]in the manufacturing industry， forging technology and equipment occupies a very important position， is widely used in automobile， aircraft， weapons and instruments. Forging industry， according to the size of the weight or the size of the equipment， the forging is divided into small and medium sized forgings and large forgings.Generally more than 10 mn forging hydraulic press forging is called large forgings， such as power plant rotor， retaining ring， roll， container tube section， head， etc.. The internal quality of heavy forgings is strict and the technical difficulty is large. As a result， the quality and productivity of large forgings are one of the important symbols to measure the level of industrial development in a country

[Key words]forging technology， fully automatic mechanical

1.引言

冷鍛工藝是一種精密塑性成形技術，具有切削加工無可比擬的優點，如制品的機械性能好，生產率高和材料利用率高，特別適合于大批量生產，而且可以作為最終產品的制造方法。在交通運輸工具、航空航天和機床工業等行業具有廣泛的應用。同時相比熱鍛工藝，冷鍛工藝具有節能、高效等特點，與當前的能源政策以及國家發展戰略是一脈相承的，因此，冷鍛技術在近年來具有良好的發展勢頭，同時受到了國家的大力支持。當前汽車工業、摩托車工業和機床工業的飛速發展，為冷鍛這一傳統的技術的發展提供了原動力。冷鍛技術在我國的起步雖然不算太晚，但發展速度與發達國家有很大的差距。到目前為止，我國生產的轎車上的冷鍛件重量不足20kg， 相當于發達國家的一半，開發潛力很大，加強冷鍛技術開發與推廣應用是我國目前的一項緊迫任務。

2.全自動機械式冷鍛生產線設計內容

是一臺肘桿式大行程全自動機械式冷鍛壓力機以及輔助上料、涂油以及堆垛功能的機器人（以下簡稱機器人），并實現聯機全自動控制，設計時需要注意以下幾點：

（1）冷鍛機本體結構設計，應用有限元方法和模態分析方法，對機身的動態精度與動態剛度進行研究，對機身結構進行動態性優化設計。采用獨特的箱形焊接框架結構，增加了機械的高剛性，減少了了噪音和震動，有助于降低能耗，提高效率、生產精度和延長模具壽命，采用寬敞的側面開口有利于配合自動化周邊設備，達到鍛壓自動化的要求；

（2）機械手自動上料裝置、自動送料涂油裝置、定位舉升裝置、堆垛裝置等的研制。

（3）冷鍛機與機械手的聯機設計：機械手與冷鍛機同步運行方面的研究；

（4）冷鍛控制系統設計，用于實現全自動冷鍛生產線的工作流程，從機電一體化的角度將各個子系統有機集成在一起，通過整機調試實現預期目標。

（5）運行精度及整體性能穩定性的研究：以確保生產產品質量的精度與穩定性，提高模具使用壽命；

3.全自動機械式冷鍛生產線關鍵技術要點

由于冷鍛機工作繁重，經常處于長時間連續工作狀態，加工精度及質量要求高，對設備的制造精度以及機械手配置系統的可靠性要求很高，同時機械手配置系統還要適應車間的惡劣環境。這些要求給整體生產線整體方案的擬定、機械手配置系統方案的選擇帶來很大的難度，其中關鍵問題有：

（1）冷鍛機機架的優化設計：本體結構是冷鍛機的重要組成部分，它不僅是冷鍛機主要零件的裝配基體，而且還要承受機器的全部工作載荷，本體結構的承載能力和變形大小及其動態性能將直接影響產品的精度及模具的使用壽命。因此本體機架的設計與優化將是冷鍛機設計的關鍵。

（2）機械手裝置本體及與冷鍛機的聯機運行設計方案：冷鍛機在工作過程中，機械手需配合完成自動上料、移載、輸出及翻轉，這對機械手工作精度以及與冷鍛機的同步性提出了較高要求，因此機械手配置系統的設計是冷鐓機自動生產的關鍵。

（3）滑塊運行精度保證：滑塊的運行精度決定了產品加工質量的好壞，這也將是我們需要解決的問題關鍵。

4.技術特色和創新突破點

（1）采用低慣性、高扭力氣壓式分離器、剎車器，使啟動平穩，降低被動運行機構的機械損失，提高了生產效率及重載、高頻次運行情況下的穩定性。

（2）全自動化：本冷鍛機通過側面開口與機械手配合，實現前部位自動上料、自動涂油、自動移載，自動輸出、翻轉及堆垛功能，實現冷鍛機生產線的全自動化。本機利用智能電腦數控系統控制，可實現單機單動、單機聯動、多機單動及連動自動化。

（3）大載荷：冷鍛機的公稱力為2000T，可加工大型冷鍛零件。冷鍛機本體結構采用超聲波振動處理及整體噴砂處理去應力焊接箱型結構，具有較大的剛性及強度，確保了設備性能的穩定性，可提高產品的精度以及延長模具的使用壽命。

5.結束語

由于冷鍛產品可以實現少甚至無切削加工，可以直接用于裝配，極大的提高了材料利用率及生產效率。因此，其應用面越來越廣泛。隨著我國大噸位冷鍛機的生產技術水平的不斷提高，將大大帶動汽車產業、模具產業的發展，也為我國的節能減排作出極大的貢獻。

參考文獻

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篇5

水果采摘季節性強、費用高且勞動量大[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，提高資源利用率和農業產出率，降低勞動強度，提高經濟效率將是現代農業發展的必然趨勢。研究采摘機械人，對于降低人工勞動強度和采摘成本、保證水果適時采收，具有重大的意義[2]。我國從上世紀70年代開始研究水果蔬菜類的采摘機械，并且也逐漸起步，如上海交通大學已經開始了對黃瓜采摘機器人的研制[3]，浙江大學對番茄采摘機器人進行了結構分析與設計的優化[4]，中國農業大學對采摘機器人的視覺識別裝置進行了研究[5]。目前，我國研究的采摘機器人還有西紅柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘機器人等[6-8]。文章對蘋果采摘機械手臂進行選型，進一步進行詳細結構設計，最后對設計結果進行試驗驗證。

1 機械人機構選型及自由度的確定

由于采摘機械人的作業對象是蘋果，質量輕，體積小，故而可選擇較為簡單、靈活、緊湊的結構形式。

根據機械人手臂的動作形態，按坐標形式大致可將機械人手臂部分分為以下四類[9]：直角坐標型機械手；圓柱坐標型機械手；球坐標（極坐標）型機械手；多關節型機械手。采摘機械臂的結構型式選取主要取決于機械人的活動范圍、靈活性、重復定位精度、持重能力和控制難易等要求。以上四種型式，它們的活動范圍和靈活度逐漸增大。經過對蘋果采摘空間的研究，結果表明，蘋果樹樹冠和底部的蘋果分布極少，大多分布在樹冠中部，大約有80%以上的蘋果分布在距地面垂直高度1-2m、距樹干左右方向1-2m的空間范圍內，且陰陽兩面的蘋果分布率并無明顯的差異。這就要求采摘機械手應當具有較大的工作空間，因此選用多關節型機械手較為合適，且其占地面積較小，更加適合蘋果采摘作業。

實際中，蘋果生長位置隨機分布，這就要求機械臂的末端執行器能夠以準確的位置和姿態移動到指定點，因此，采摘機械人還應具有一定數量的自由度。機械臂的自由度是設計的關鍵參數，其數目應該與所要完成的任務相匹配。一般來說，自由度數量越多，機械臂的靈活性、避障能力越好，通用性也越廣，但增加一個自由度就相當于增加了一級驅動，會使得機器人的成本上升，而對于農業機器人而言，成本高將會大大的減緩其機械商品化實用化進程，同時增加自由度會相應增加機器人的控制難度，降低機器人的可靠性。綜合考慮，將自由度數目定為六個，這樣不僅能夠使得末端執行器具有較為完善的功能，而且到達采摘空間中的任意位置，而且不會出現冗余問題。

2 采摘機械臂工作原理

圖1 機械人結構簡圖

圖1是本次設計的球類水果采摘機械人的結構簡圖。該結構為六自由度機構，可劃分為底座、大臂、小臂、腕部和手五個部分。機械臂的底座通過舵機帶動傳動系統實現各個部分之間的相對轉動和旋轉。其中的各個轉動和旋轉均是通過電機驅動螺旋絲桿來實現。該設計機械臂的傳動如下：（1）底座旋轉。確定與底座平面互相垂直的目標采摘物所在的平面。（2）大臂轉動。移動至目標采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂轉動。將采摘機械手送至目標采摘物的附近。（4）手腕轉動及旋轉。調整機械手末端采摘機構的姿態，使其處于一個合適的位置，保證采摘任務能夠合理完成。（5）手夾緊放松，完成對目標采摘物的采摘任務。此外，將末端執行器設計為關節型的兩只手指，通過舵機6（舵機分配情況見圖2）、齒輪的嚙合及連桿機構實現對目標采摘物的夾緊與放松。

由以上分析得出：機械手的空間位姿由各個關節的空間坐標來決定，即當機械手的各個舵機的坐標確定的時候，就可以確定機械手的空間位姿。而決定舵機坐標的因素就是臂長及臂的轉動角度，而在這兩個參數中，設計結束后臂長是確定的常量，角度為變量。在模型當中，舵機1、2的相對位置固定不變，控制末端執行器的舵機6用來調整手的姿態，因此可以先忽略舵機1、6，將舵機2軸線中心的位置設為坐標系原點。

圖2 舵機分配方框圖

3 機械臂結構設計

首先用Pro/E軟件中的零件模塊對機械人各個零件進行繪制，然后再對零件進行自下而上的裝配，以及進行零件圖及裝配圖的繪制。大臂、小臂和腕部、機械手零件圖以及裝配圖分別見圖3、圖4、圖5、圖6和圖7（單位均為mm）。

4 試驗臺搭建與抓取效果實驗

根據零件圖及裝配圖進行試驗臺搭建。由于設計尺寸較大，故將整體尺寸縮小4倍來進行搭建。實物如圖8所示。通過操作上位機控制軟件指令信號，可給伺服舵機控制器發送控制指令信號，從而實現機械人在空間中精確作業。試驗結果表明：機械人能夠較為平穩、準確地對目標物進行夾取、移動、放置等任務。證明設計合理，試驗臺搭建正確。

5 結束語

通過對水果采摘作業的分析，設計了一套六自由度關節型采摘機械人。其運動范圍覆蓋了水果果實的分布范圍，末端執行器能夠執行對水果的采摘任務。在采摘過程中，只需對舵機進行控制，在一定程度上降低了控制的難度和復雜性。當然，設計中也存在不足，例如缺少對果實的切割裝置，而且對葡萄等較小、較軟的果實采摘技術不成熟，有待進一步的改善。

參考文獻

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篇6

四自由度采摘機械臂可以看成是由一系列通過活動聯接連接起來的桿件組成的。

1 三維空間中的附體坐標系和總體坐標系

為了便于處理機械臂復雜的幾何參數,機械臂各桿件的運動可在總體坐標系中描述,在每個桿件處建立一個附體坐標系。運動學問題便歸結為尋求聯系附體坐標系和總體坐標系的變換矩陣。如圖1所示,參考坐標系Oxyz是三維空間中的固定坐標系,在機械臂運動學中將其作為總體坐標系,把Ouvω看成是附體坐標系。

圖1 總體坐標系和附體坐標系

2 建立附體坐標系和總體坐標系的規則

Denavit和Hatenberg(1955)提出了一種為關節鏈中的每一桿件建立附體坐標系的D-H矩陣方法。對于每個桿件來說,在關節軸處可建立一個正規的笛卡兒坐標系(xi,yi,zi),i=1,2,3,4,再加上機座坐標系。建立在關節i+1處的坐標(xi,yi,zi)是固聯在桿件i上的。當關節驅動器推動關節i時,桿件i將相對于桿件i-1運動。機座坐標定義為第0號坐標(x0,y0,z0),它也是機械臂的慣性坐標系。確定和建立每個坐標系應根據下面3條規則:

(1)zi-1軸沿著第i關節的運動軸;

(2)xi軸垂直于zi-1軸和zi軸并指向離開zi-1軸的方向;

(3)yi軸按右手坐標系的要求建立。

按照這些規則,第0號坐標系在機座上的位置和方向可任選,只要z0軸沿著第1關節的運動軸運動。

3 四自由度采摘機械臂坐標系的關系參數

根據上述坐標系的定義,描述四自由度采摘機械臂相鄰坐標系之間的關系可歸結為如下4個參數:

θi 繞zi-1軸(右手規則)由xi-1軸向xi軸的關節角;

di 從第i-1坐標系的原點到zi-1軸和xi軸的交點沿zi-1軸的距離;

ai 從zi-1軸和xi的交點到第i坐標系原點沿xi軸的偏置距離;

αi 繞xi軸(右手規則)由zi-1軸轉向zi軸的偏角。

對于四自由度采摘機械臂來說,di,ai,αi是關節參數,θi是關節變量。根據上述三條規則以及各參數的解釋,可以求得四自由度采摘機械臂的四個參數,結果見表1。

4 循環法建立坐標系

除了上述D-H矩陣方法以外,也可以通過以下6個步驟為四自由度采摘機械臂建立一組相容的標準正交坐標系。

(1)建立機座坐標系。在機座上建立右手正交坐標系(x0,y0,z0),使z0軸沿關節1的運動軸,x0和y0軸與z0垂直,但方向可任選;

(2)初始化和循環。對每一個i,i=1,2,3,完成步驟(3)至(6);

(3)建立關節軸。把zi軸與關節i+1的轉動軸對準;

(4)建立第i個坐標系的原點。將第i個坐標系的原點放在zi和zi-1軸的交點處,或放在它們的公垂線與zi軸的交點處;

(5)建立xi軸。使xi=±(zi-1×zi)/||xi=±(zi-1×zi)/||,如果zi-1與zi平行,就使xi沿它們的公垂線;

(6)建立yi軸。令yi=±(zi×xi)/||zi×xi||,使(xi,yi,zi)成為右手坐標系。建立好的坐標系如圖2所示。

圖2 四自由度采摘機械臂連桿坐標系

參考文獻

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篇7

【Key words】Seven Function Manipulator， Hydrodynamic， Kinematics， FORTRAN

近些年來隨著海洋資源的開發和海洋科學研究的日益深入，水下機器人-機械手系統是水下作業的一個重要組成部分，除了用于水下的觀測勘察作業外，水下機器人-機械手還被用于完成采集樣本；水下設施的建造和維護；鋪設水下管道和維修等相對繁瑣的一些工作。然而由于水下環境復雜多變，ROV在航行和作業中必然會遇到各種各樣的情況，特別是在作業時要保證作業的準確性和作業時ROV不受損壞，它的動力學問題的研究將會使水下機器人-機械手系統的作業能力提高，為人類開發海洋資源提供更多的支持，因此這個領域的研究是非常重要的。

目前對水下機械手水動力學模型的研究采用的是理論和實驗的相結合的方法。McLain[1，2]等運用力矩傳感器測量、原理計算分析以及流動顯示這些方法綜合應用，對只有一個關節水下機器人機械手系統進行了水動力學的研究。Leabourne[3]以MacLain等人的成果為基礎，討論了有兩個自由度的機械手的水動力學建模問題。Tarn[4]等建立了配備有機械手的潛水器的動力學模型，并應用 Kane 法求解。該模型將外力其中包括水動力施加到了模型中。Shen[5]等使用了浸入邊界法數值求解納維-斯托克斯方程，計算在水中物體移動時所受的水動力。在國內主要有華中科技大學的肖治琥，徐國華[6]在流干擾下的水下機械手動力學模型分析，運用Lagrange方程和Morison公式對水下機械手的動力學的理論分析。王華[7]等應用切片理論的方法，研究了水下機械手的手指動力學特性，并應用Matlab軟件的Simulink模塊建立了仿真模型，研究了無水流影響的水下環境中的機械手手指的動力學特性。

1 動力學模型建立

1.1機械手參數

本文以美國Schilling公司的Orion7型七功能機械手為研究對象，該機械手結構由多關節串聯組成為6自由度串聯，機械手相關參數如表1所示[8]。

。

本文的連桿所在的坐標系位置都是在各個坐標系的坐標軸上。當連桿在坐標系的X軸正方向時，，此時的，，。同理當連桿在坐標系的Y軸正方向時，，此時的，，。當連桿在坐標系的Z軸正方向時，，此時的，，。

3.2Morison方程拖拽力系數計算

Morison方程中Cd、Cm均為實驗值，此系數依賴于雷諾數，物體表面粗糙度，KC數等。不過在設計中一般考慮危險性最大或者受力最大的情況。因此選擇受力最大時候的Cd數值作為本文的計算系數本文采用Fluent流體力學分析軟件計算該值[14]。

由于深水水溫較低，所以深水水的粘度值比常溫下的粘度值要大，因此選擇Pa?s=0.0015，流速選擇0.2m/s，如圖4示是主要的區域尺寸，長方形最左側豎直邊為水流的入口出，中間的截面是ROV七功能機械手大臂的截面形狀。在研究Cd數時本文選擇了橫截面的最大物體的幾何限度處作為來流的垂直受力面。這樣可以得到最大的Cd值，計算得知左右。

圖4 區域尺寸示意圖

Fig. 4 Schematic diagram of regional dimension

4七功能機械手動力學解算

4.1動力學模型校核

為了驗證動力學模型的準確性，在不考慮水流的影響下，本文通過利用Matlab機器人工具箱與自編的Fortran程序結算的力矩曲線圖進行對比，本文選擇角度從初始位置移動到一下角度，，，，，。如圖5所示。

圖5 各關節驅動力矩變化曲線對比

Fig. 5 Comparisons of ankle drive torque curves

如圖5所示，用Matlab機器人工具箱與自編的Fortran程序結算的力矩曲線圖進行了對比，在數值和曲線趨勢上基本一致，從而驗證了模型的準確性，圖中關節1的驅動力矩較小這是因為關節1的布置和其他關節不同，只有它一個關節為左右擺動關節，所以它在沒有水流影響下不克服重力，所以數值較小；關節2、關節3和關節5需要克服機械手的自身重力所以力矩值較大；關節4和關節6主要作用是改變機械手姿勢用的是液壓馬達，所以力矩值較小，特別是關節6基本趨近于0。

4.2 水流影響下動力學研究

假定環境水流為定常流流速為0.1m/s，方向沿慣性坐標系X軸正方向。所得驅動力矩曲線如圖6所示。

圖6 各關節驅動力矩變化曲線（考慮海流）

Fig. 6 Comparisons of ankle drive torque curves （incorporates current）

從圖6中可以看出關節1和關節6的驅動力矩與無海流的驅動力矩相比較變化不大，這是因為水流的來流方向沿著X軸的正方向，產生的力矩主要是在Y軸的方向，所以關節1的驅動力矩影響較小，力矩基本不變；關節6的驅動力矩因為是沿著機械手末端手抓的軸向，所以只有手抓自身的旋轉會對其產生影響，水流的產生的附加力矩只會對坐標系6的X軸和Y軸產生力矩；關節2、關節3和關節5的驅動力矩變化較大，這是因為考慮了水流和自身運動的影響；關節4的驅動力矩變化也很大，這是因為關節4的轉動改變了手抓的空間位置，使其和之前的各個關節不出在一個平面內這樣關節4收到的力矩變大是因為手抓受到水流的沖擊在關節4的轉動方向上產生了附加力矩。

4結語

本文采用了理論分析和計算機仿真的方法，針對美國Schilling 公司的Orion7型號機械手，建立了深水ROV作業機械手的理論模型，計算結果表明機械手在深水中水流的影響下關節2、關節3和關節5的驅動力矩變化較大，在設計和施工作業中人們應當給予特殊考慮。

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作者簡介：

尹漢軍（1973―），男，漢族，山東青島人，碩士研究生，高級工程師，1997年本科畢業于大連理工大學，2005年研究生畢業于天津大學，現就職于海洋石油工程股份有限公司，主要從事海洋工程結構設計與項目管理。

宋磊（1981― ），男，漢族，山東濟南人，博士研究生，講師，2013年畢業于哈爾濱工程大學船舶工程學院，現于哈爾濱工程大學船舶工程學院，主要研究方向：船舶與海洋工程仿真。

篇8

1 機械臂控制系統軟件設計

1.1 開發環境

本設計的開發環境是arduino。Arduino是一款完全開源的電子原型平臺，包含了arduino板和arduino IDE。由歐洲開發團隊開發，使用類似C語言的processing開發環境。Arduino可以自行設計或者購買已經焊接好的板子，程序代碼寫在arduino IDE上，實現對arduino板子的控制。

1.2 國內外研究現狀

作為近幾十年來發展起來的一種自動設備，機械臂可以通過編寫軟件程序來完成目標任務，它不僅大部分機械臂共同的機械有點，而且特別具有人的視覺以及判斷能力。在作業過程中，機械臂控制的準確性和對環境的適應性，已經使其在各個領域有著廣闊的發展前景。高級類型的機械臂，可以執行更復雜的操作。將機器臂運用于工業生產過程，除了可以提高生產率之外，還能夠減弱工人的勞動強度，使生產過程實現自動控制。因此機械臂在近幾年得到了愈來愈廣泛的應用。

在國外，工業機器人的發展已經較為成熟，涵蓋于各個行業，已經得到了非常廣泛的運用，而相比國內，我國基礎產業跟不上，機械設計的工藝也達不到一個極高的水平，而且部分設計不夠系統科學，大多處于一個模仿的階段。以上原因導致我國工業機器人在國際上并不能達到一個較高的水準。如今國內企業需要革新自己的技術，加強學習才能在國際市場上占有一席之地。

1.3 總體思路

1.3.1 機械臂軟件設計核心思路

攝像頭采集視頻圖像->利用OpenCV獲得圖像的一幀->對此幀圖像進行濾波處理->將圖像序列幀由RGB模型轉為HSV模型->對得到的二值圖像進行輪廓檢測->創建回調函數并對得到的三幅圖像進行合并->創建滑動條窗口->將得到的圖像分為H，S，V三幅單通道圖像->在目標體上繪制輪廓。

本文提到的OpenCV函數庫是一個開源的跨平臺的視覺圖像處理庫，利用此庫中提供的開源算法并加以邏輯上的改進來提取攝像頭中幀圖像，再使用顏色閾值調節功能進行顏色識別，再對結果進行一系列的處理達到預期要求。

1.3.2 OpenCV簡介

OpenCV是一個基于開源發型的跨平臺計算機視覺庫，可以運行在眾多操作系統上，由一系列C函數和C++類構成，輕量且高效，其提供的視覺處理算法非常豐富，被大量使用于眾多科學領域，衛星地圖的圖像整合拼湊；醫學界病人器官圖像的去噪處理；安全系統中的物體動態監測而預警；軍事行動中代替人眼而進行眾多無人操作與活動，不光如此，在圖像處理能力外，還能對聲譜圖進行識別操作從而進行對聲音的識別。

1.4 單一模塊

1.4.1 顏色識別

顏色識別的首當之事應是正確選取顏色空間，常用的顏色空間有RGB、CMY、HSV、HIS等。本文采用RGB和HSV。

RGB（紅、綠、藍）可以看成一個三維的坐標系，一個坐標點表示一種顏色。HSV是顏色空間模型。表示顏色的是Hue，與坐標點不同，他使用有角度的圓形來表示相應顏色，比坐標點更加靈活。表示飽和度的是Saturation，飽和度越低，則顏色填充就越少，例如圓心處取值為0，那么顏色會非常的淡，從底部往上，圓的半徑r越來越大，那么顏色就會越來越深。表示顏色的亮度的是Value，同理，也是從圓錐底端到頂端的數值漸變，底部表示為黑色，而頂端表示為白色。在實際實驗環境中，RGB顏色經測驗非常容易受到強光、弱光、陰影等其他因素的干擾。相比之下，HSV空間能更加穩定的處理這些光照的變化從而能更好地反應顏色本質、傳達正確信息。

1.4.2 圖像獲取與處理

1.4.2.1 圖像獲取與預處理

利用體感周邊外設中強大的Kinectz像頭（VideoCapture（…））獲取周圍環境圖像，讀取一張圖片或視頻中的一幀圖像，進行兩次濾波后利用cvtColor（imgOriginal， imgHSV， COLOR_BGR2HSV）函數進行RGB與HSV的轉換，再在HSV空間下對彩色圖像做直方圖均衡化。

高斯濾波函數：cvSmooth（…CV―GAUSSIAN…）。真實圖像的鄰近點像素如果變化，不會十分明顯，因為真實圖像的像素點是緩慢遷移變化的，但是如果兩個像素點倏忽變化的話，便會有很大的像素差，就是我們說的噪點，這時候便要用到廣泛用于圖像處理的減噪的高斯濾波，他對整幅圖進行加權平均，從而能夠減少噪聲卻又不失真（保留信號）。

中值濾波函數：cvSmooth（…CV―MEDIAN…）。有時候圖像中會有孤立的噪聲點從而會形成較大差異，這樣會影響平均值也會產生較大噪音，所以便使用非線性平滑的中值濾波，他把圖像中的孤立的噪聲點用其領域中各個點值的中值代替從而有效的去噪并且能夠保護信號邊緣使之不模糊，其算法也十分簡單。

1.4.2.2 圖像細處理與生成

創建滑動條：返回所讀取的顏色參數闕值。本文設定了6個參數：

[LowHue（色度下限值）HighHue（色度上限值）LowSaturation（飽和度下限值）HighSaturation（飽和度上限值）HighBrightness（亮度上限值）LowBrightness（亮度下限值）]

之后得到返回的參數闕值，便用于檢查圖像像素灰度是否在設置的范圍內并且可以得到目標顏色的色度、飽和度和亮度單通道圖像。

將得到的三個單通道圖像進行按位與運算，這樣便能檢測其二值圖像，由于此時會出現噪聲，所以采用膨脹腐蝕的方法進行圖像形態學處理，使得到的目標體進行最大的連通。

圖像生成：查找輪廓和繪制輪廓，輪廓正確勾勒，圖像便能正確顯示。利用OpenCV中對灰度圖像處理的Canny邊緣檢測法（cvCanny（…）），將試圖獨立的候選像素拼裝成輪廓，輪廓的形成是對這些像素運用滯后性闕值，Canny邊緣檢測算法是高斯函數的一階導數，是對信噪比與定位精度之乘積的最優化逼近算子。

Canny函凳淙朧涑齙畝嘉灰度圖，在邊緣檢測完成后，利用“cvFindContours（…）”函數得到輸出的圖像的輪廓函數（在二值圖像中），檢測輪廓個數，然后再用“cvDrawContours（…）”函數繪制檢測的輪廓。

2 機械臂控制系統硬件設計

2.1 自由度及關節

本機械手臂采用4個電機實現4自由度，進行手臂的升降，轉動，抓取，移動等功能。

2.2 基座及連桿

2.2.1 基座

基座是機械手臂的支撐，起到穩固的作用，為了使機械手臂更加的穩定，增大其與表面的接觸面積，降低重心，提升其穩定性能。同時，基座的剩余部分，可用于防止控制的單片機及其擴展版，使空間充分利用。

2.3 機械手臂設計

機械手是機械行業中必不可少的一個部分，主要起到操作，轉移等功能。根據工件的不同，機械手的精度，重量，形狀，光滑程度等都會不一樣，以至于達到節省成本或準確夾取工件等實際要求。一般機械手包括：1）靈巧手；2）吸附手；3）夾取手；4）專用操作器。本設計因實現的主要功能是夾取物體并轉移，工件物體不確定，因此采用夾取手作為機械手臂的機械手進行操作。

2.4 驅動方式

調用Servo實現對舵機的控制，定義多個舵機，控制多個舵機，具體內容根據實際情況進行調試。采用for語句，當紅外或者視覺采集到數據，給予反饋，實現舵機的停止或執行下一步。舵機的轉動的角度通過脈沖寬度占空比實現。由于舵機牌子不同，舵機轉動的角度也會不同。

本機械手臂通過電機的扭矩進行傳動。手臂的升降，轉動，抓取都是由能夠承受很大力的電機進行完成。在機械手臂抓取物體時，盡量的平穩，并且力不能夠過大或者過輕，移動時活動空間大。

機械行業一般常用的驅動方式有液壓驅動，電機驅動和氣壓驅動三種方式，每種驅動方式各有優劣。本設計機械手臂中，要求驅動時滿足一下條件：1）輸出功率適中，效率高；2）精準度盡可能的高；3）便于維護，調試；4）安全性高；5）成本低。

綜上所述，本設計采用電機驅動的方式對機械手臂進行驅動。電機參數如表所示：

本機械手臂采用控制角度的方式控制手臂。在初始位確定的情況下，通過控制角度，實現電機的轉動，其優點是，能夠精確控制位置，但是因為需要進行初始位置，導致運行時間過長。本文設計方案傳動方式為舵機直接傳動，故不多作介紹。

3 結論

機械臂控制系統是當今社會的一項非常重要的研究課題，盡管其發展已經有了一段很長的歷史，但是其發展并不完全成熟。無論是學術界、工業還是在教育教學方面都一直在進行著這方面的研究，距離成熟階段還要有一段時間。

本設計是基于OpenCV六自由度機械臂驅動系統的設計，以六自由度機械臂為控制對象，以arduino為開發環境，輔以有著豐富視覺處理算法的OpenCV軟件，并在此基礎上，采用先進的控制理論，以正確的控制方法為指導，進行了系統的硬件設計。

在整個系統的設計中，硬件的設計是本論文研究的重點，芯片的選型是系統硬件設計的保證，并且輔以可靠性分析為指導，保證了系統運行的可靠性和穩定性。

從實驗結果中看出，我們設計制作的基于OpenCV的四自由度機械臂能夠和一些中小型機器人控制器的性能要求類似，在操作靈活度、控制精度、易操作性等方面都表現出優秀的性能。然而，仍有一些不足之處需要進一步的改進。

1）機械臂的傳感器提升。作為機械臂的控制對象，其結構、性能的優劣成為了機械臂的重中之重、中流砥柱，為了實際運行效果的完美，我們機械臂的手爪部分應加入壓力等傳感器，為控制的精準提供、保證更為完整的信息。

2）完善機械臂自動控制算法。算法的優良決定了機械臂是否能自動協調運行，特別在輸入參數和機械臂抓取后的運輸，需要更加優化、靈活的算法，從而將計算出的控制參數變得更加精確和一體。

3）視覺的廣泛性運用。視覺不單單只作用與顏色的閾值識別，還包括如骨骼識別，輪廓識別等等，再后續的研究中，添入以上功能，可以使機械臂的作用范圍變得更加的廣泛。

鑒于上述情況，在以后的工作中，我們應該不斷改進、完善，以提高該機械臂系統的穩定性以及可靠性。

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篇9

近年來，各國為達到提高系統的定位精度以適應工業需要，嘗試了各種控制方式和控制策略，并對氣動伺服系統做了大量工作。當臨時需要對各個單元進行新的分配任務或產品變化時，可以很方便的改動或重新設計其新部件，當位置改變時，只要重新編程，就能很快地投產，從而降低了安裝和轉換工作的費用。模塊化生產培訓系統（MPS，ModularProductiontrainingSystem）是一種模擬自動化生產加工單元，它由德國FESTO公司結合現代工業企業的特點開發研制而成。它可以大量代替單調往復或高精度的工作，用以滿足前沿產品和自動化設備更新的需要。本文所研究的內容，國際上以德國、日本、韓國等最具代表性，技術上已經趨于成熟，但其產品價格昂貴，且在技術上對用戶封鎖，致使用戶無法結合自己的需要進行二次開發。

目前，國內已有幾家教學設備生產企業開始仿造國外的MPS部分產品，主要有上海英集斯自動化技術有限公司生產的“MPS/FMS模塊化生產培訓系統”；浙江亞龍教儀有限公司生產的“亞龍YL－MPS模塊化生產培訓系統”。本文將采用上海英集斯自動化技術有限公司生產的MPS教學設備，結合本實驗室（國家示范性中央財政支持重點建設實驗室）的實際需求，給出了基于PLC的MPS上料檢測單元PLC控制系統設計的完整解決方案。

2上料檢測單元的結構、功能與氣動控制回路

上料檢測單元可作為MPS系統中的起始單元，向系統中的其它單元提供原料。

2.1上料檢測單元的結構、功能

上料檢測單元主要由I/O接線端口、料盤模塊、氣源處理組件、工件檢測組件、提升模塊等部件組成。它的具體功能是：將放置在料盤中的待加工工件按照需要自動地取出，并檢測出工件的黑白顏色，最后將其提升到輸出工位，等待下一個工作單元來取。

2.2上料檢測單元的氣動控制回路

上料檢測單元的執行機構是氣動控制系統，其方向控制閥的控制方式為手動控制或電磁控制。在上料檢測單元的氣動控制原理圖中，1A為雙作用提升氣缸；1Y1為雙作用氣缸電磁閥的控制信號；1B1和1B2為磁感應式接近開關。氣動控制回路如圖1所示。

圖1上料檢測單元氣動控制回路

3基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統的設計方案

基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統的控制任務設計：接通設備電源與氣源、運行PLC后，首先執行復位動作，即提升氣缸驅動的工件平臺下降到位。料盤旋轉輸出工件，當料盤檢測到工件平臺中有工件后停止旋轉，提升氣缸動作，將工件平臺提升至輸出工位，檢測工件的顏色并保存下來。按下“特殊”按鈕，表示工件被取走。隨后工件平臺下降到位，料盤繼續旋轉輸出工件，重復以上流程。

下面介紹該方案的關鍵環節。

3.1分配上料檢測單元PLC輸入輸出地址

PLC的輸入輸出與執行機構的對應關系如表1所示。

表1上料檢測單元PLC輸入輸出與執行機構的對應關系

3.2編寫程序并調試

上料檢測單元的手動控制程序框圖如圖2所示。

圖2上料檢測單元的手動控制程序框圖

上料檢測單元的PLC梯形圖程序如圖3所示。

圖3上料檢測單元的PLC梯形圖程序

經調試，該程序能順利完成本單元的控制任務。

4結束語

本文對上料檢測單元的結構與功能、氣動控制回路分別進行了詳細分析，然后對上料檢測單元的PLC控制系統進行二次設計與實現，首先編寫了PLC輸入、輸出分配表，進而編寫出其程序流程圖及梯形圖，最后上機調試，驗證了基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統的二次設計與實現的可行性。并總結出兩點結論：（1）在設計各單元的控制任務時，要根據各單元的基本功能，編寫符合實際的控制任務，最大限度的合理開發其使用功能，但一定要符合其機械設計，否則會讓設備之間發生沖突，造成元器件的損壞；（2）在設計梯形圖程序時，移位指令和數據傳送指令的合理配合使用，以及RS觸發器指令的巧妙使用，會大大縮短梯形圖程序設計時間，又會達到良好的控制效果。從而快速對上料檢測單元的PLC控制系統進行二次設計與實現。

參考文獻

1 工業機械手編寫組編. 工業機械手-機械結構. 上海:上?？茖W技術出版社,1978:5-7.

2 宋旦鋒. 模塊化氣動裝卸機械手的研究與開發. 南京:南京理工大學,2004:6-8.

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從機械手臂投入商用起，已經有了幾十年的應用和發展歷史。將模塊化的設計思路與理念引入機械手臂的設計中，能夠充分發揮其靈活、可拆分、可組合的特點，并將其應用于更多的場合，包括服務機器人，工業生產制造領域、醫療領域等等。本文結合機械臂設計的模塊化理念，著重對其進行系統分析和設計，包括旋轉關節、傳動系統、減速系統進行實現，具有比較好的理論價值與實踐意義。

2.機器人手臂關節機械設計

2.1手臂關節模塊

手臂關節模塊包含了許多零部件，主要有旋轉電機、減速器和反饋單元等。在手臂關節的內部固定了控制單元和傳動系統，以二級減速傳動作為傳動模式，即齒輪減速傳動與諧波減速傳動，這種傳動模式可以支持手臂關節自由度之內的回轉運動。下面具體闡述其設計方案：

(l)模塊外殼方案

手臂關節的外殼能夠為電機、制動器、滾動軸承提供必要的機械支撐，并起到必要的保護作用。在手臂關節運動的過程中，模塊的外殼也承受了期間多產生的種種應力，因此模塊的外殼必須滿足一定的剛度。模塊外殼的主要構成部分包括：底蓋、電機、齒輪蓋、主殼體、軸承、制動器等。其中，底蓋位于結構的底端，其作用是為整個旋轉模塊的各個部件提供支撐與連接；主殼體構成此部件單元的外殼，對單元當中的電機、制動器等子單元起到連接和支撐作用；齒輪蓋覆蓋于模塊的齒輪傳動單元之上，起到保護和連接作用，而且能夠支持諧波齒輪減速器的安裝。為保證機械臂有足夠的強度，模塊外殼選取的制作材料為鋁合金，并將壁體設計為圓桶狀的抗壓結構，為防止氧化與腐蝕，表面結果特殊處理。

(2)減速齒輪方案

減速齒輪方案的主要構成部分包括：電機連接齒輪、中心齒輪、中心軸以及制動連接齒輪等。其實現方式簡述如下：通過小齒輪來連接直流電機的輸出端，然后通過與小齒輪相咬合的中心齒輪互相連接；同理，通過另一個小齒輪來連接斷電制動器的輸出端，然后通過與小齒輪相咬合的中心齒輪互相連接。在這種嚙合模式下，當減速齒輪單元加電后，便由系統的電機來作為動力源輸出，而當減速齒輪單元端電后，便由系統的制動器來作為阻力源輸出?？紤]到機械臂的關節在不同運動時，會使減速齒輪持續維持高速轉動狀態，因此必須有足量的劑。又因為該減速齒輪不是封閉結構，因此本文以滑脂來起到齒輪的作用。

(3)中軸傳動方案

中軸的傳動方案是整個機械臂設計中非常關鍵的一個組成部分。中軸傳動的作用是，首先支持來自中心齒輪的動力，其次還要為波發射器高效傳遞動力?？紤]到中軸會承接一定比例的來自軸向的受力和很大比例的徑向應力，因此為支持中軸，引入了角接觸軸承。中軸傳動單元主要由旋轉模塊、斷電制動器、卡簧、角接觸軸承、中心齒輪、主軸、連接法蘭以及波發射器組成。

因為中軸傳動單元在設計上要求同軸度與圓柱度都在較高的水準，因此尤其應注重其材料選擇和參數控制。本研究所設計的中軸用以45號鋼才作為原料，并在成型后淬火，從而保證單元在表面具備一定的硬度。

在中軸傳動方案中，最關鍵的是旋轉模塊的結構設計。旋轉模塊的設計思路是：將其轉軸與中心軸線重合，并以電機驅動。在模塊上部署有電磁編碼器，用于周期性地檢測角位移和角速度。將之與直流伺服電機相聯。結合具體的應用環境與需求，直流伺服電機也可以加裝起到減速增力作用的行星減速箱，共同起到動力輸出的作用。而后通過小齒輪與中心齒輪的咬合，以正齒輪傳動方式來實現系統的減速增力功能。

斷電制動器的結構設計也是中軸傳動方案中的關鍵，斷電制動器有兩方面的作用，首先在旋轉模塊進行位置搜索時能夠起到保持作用，其次，在旋轉模塊因故失去電源之后也能發揮保護的功能。在中軸中，當旋轉單元加電，并處于轉動狀態的時候，斷電制動單元便會隨著系統的小齒輪單元傳遞過來的中心齒輪作用而轉動，而在斷電制動器運動的時候，其輸出軸的動力也來自小齒輪單元。在本文所涉及的機械臂中，電機與制動器全部布置于電機底座，并且將電機底也作為旋轉單元外殼的一部分，其好處在于保護內部零部件。

2.2連接件模塊

連接件的主要功能是在機械臂中連接旋轉關節不同的單元，因此是機械臂的重要組合部分，對機械臂的組合與功能的發揮均有著不容忽視的作用。由于機械臂的各個模塊單元是相對獨立的關系，因此只要將不同的模塊單元互相組合，起可以發揮機器人的機械臂基本功能。因此本文結合具體的需求，設計開發了數種類型不同的連接結構。

機器人的機械臂在實際操作中，連接件實現了不同部件單元之間的力矩傳遞，而其質量的大小也關系到機械臂整體重量和輕便程度，因此在實際設計中，一方面應保證改模塊單元具有足夠的機械強度，另一方面也應考慮到減輕其質量。本文在設計中，考慮到鋁合金屬于高強度低密度的材料，同時具有比較好的可塑性，因此以鋁合金作為連接件的制作材料。

2.3模塊手抓單元

考慮到機械臂必須部署在一個可以移動的平臺上，來在現場抓取物體，因此模塊手抓單元的末端執行器是其中最重要的組件。為了滿足這個系統的模塊化的設計，末端執行器必須具備一定的應用和擴展功能。假若模塊手抓單元附加多指靈巧手，其實能夠抓取更多類型的對象，本課題的研究只需模塊手抓單元能夠抓取簡單對象，因此使用了圖中的簡單的夾鉗手抓，其優點是結構簡單、容易控制。

3.結束語

機器人的機械臂設計與開發屬于機電一體化領域的高精尖課題?？紤]到機械臂的結構具有比較高的復雜性，本文闡述的設計方案充分顧及了模塊設計的標準化與產品的通用性，從而能夠良好的滿足模塊之間的替代性特征需求，因而也能夠保障機器人的機械臂在實際應用中能夠滿足用戶的要求。

參考文獻

[1]郭立新，趙明揚，張國忠.空間冗余度機器人最小關節力矩的軌跡規劃.東北大學學報(自然科學版 ).2010:512-515

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Proceedings of 10th International Conference(CLAWAR 2007)

2007，763pp

Hardback

ISBN9789812708151

M.謝等編

機器人學是工程及自然科學中令人神往的領域。機器人學已經對許多工業做出重要貢獻，工業機器人在諸如組裝、焊接、油漆及材料處理之類的任務中廣泛應用。與些同時，我們又目睹了特殊機器人的出現，它們在非工業環境中執行有價值的任務，這些任務包括搜索與救援、掃雷、監測、探險及安全保衛。此外，對在民用及專業服務部門中機器人的技術研究及發展工作正在進行。類似攀登與行走機器人這類用于在非結構性環境中執行任務的移動機器人的興起，進一步加劇了機器人學研究必須面對的挑戰。這種挑戰不僅包括了涉及標準化在內的技術與工程方面，而且也包括了社會、經濟與倫理方面。CLAWAR2007于2007年7月16－18日在新加坡舉行，該系列國際會議自1998年起每年舉行，這次是第10屆?？偣灿衼碜晕宕笾?2個國家的作者在CLAWAR2007上做介紹，這本會議錄報道了攀登及行走機器人的最新研發振奮人心的應用及挑戰。

本書匯集的論文共分成了5個部分。1.全體會議介紹，5篇論文；2.攀登機器人進展，26篇論文；3.行走機器人進展，24篇論文；4.似人足球機器人進展，5篇論文；5.支持技術，27篇論文。部分論文標題為：1.救援機器人滑動插座移動模塊；2.有攀登腿的帶輪子爬墻機器人；3.用于快速四腳移動的進化神經網絡；4.繩索攀登機器人的設計與構造；5.用于長焊接線檢驗的攀登機器人開發；6.關于利用陀螺效應二足移動的提議；7.新型腿－輪行走機器人的設計與問題；8.利用滯后算法的似人機器人RH1的腳規劃運動；9.局部模塊化行走機器人的運動模擬；10.行走雙腳機器人基于觀測器的控制：穩定性分析；11.三維雙腳機器人無驅動動態行走研究；12.ROTOPOD：一種新穎的有效帶腿移動；13.似人足球機器人的分布式嵌入控制系統結構；14.快速行走擬人足球機器人的最佳性能：實證研究；15.雙臂系統并行規劃算法；16.利用平均移位算法的全局定域化問題方法；17.MCA2機器人控制應用的可擴展模塊化框架；18.靈活連接機械手的基于隱藏馬爾可失模型的模糊控制器。

本書可供從事機器人研究與開發的研究人員、工程師閱讀借鑒。

胡光華，

高級軟件工程師

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畢業設計是高等學校應屆畢業生在畢業前接受課題任務，在教師指導下獨立進行科學研究或工程實踐，獲得基本訓練并取得成果的過程，它是評估學業成績的一個重要方式，也是提高學生綜合素質與創新能力的關鍵一環[1]。作者結合廣東工業大學的實際,從科學選題、落實開題環節、保證畢業設計論文質量等關鍵環節提出了改進畢業設計工作的措施。

2科學選題

選題是畢業設計工作的龍頭，選題質量是影響畢業設計質量的重要因素，精心挑選畢業設計題目，是搞好畢業設計的第一步。但是選題目前存在著一些問題：有的選題缺乏綜合性、新穎性,深廣度不夠；有的選題對學生顯得難度較高,工作量過大；有的選題雖然有較高的研究價值，但學生由于怕難或者因就業等原因而不愿選；另外，系與系之間和各系內部之間的設計題目在難度和分量上也存在一定差異。

針對以上問題,可以從三個方面綜合考慮選題。

(1)畢業設計選題要盡可能聯系工程應用、生產實際和科學研究。這樣有利于調動學生的積極性,由于是真做實干,他們就會主動去了解、熟悉有關科研情況,分析解決問題的方法和途徑,使能力得到提高。因此,我們在為2003級機械制造及自動化專業的學生選題時,選擇了“旋轉超聲主軸振動系統研制”，“三座標工業機械手的設計”，“防偽礦泉水瓶蓋的設計”,“自動門PLC控制系統設計”，“適合于電感的微點焊系統研制”等新穎又結合科研實際的課題,盡量反映當代科技發展水平,讓學生能了解、把握國內外在該研究領域的最新成果和發展動態,結果學生更加樂于參與到科研課題的研究中。

(2)要考慮完成課題的客觀條件。學校畢業設計經費、教學試驗條件都有限,不是任何來自科研實際的課題都可用做畢業設計,必須根據客觀條件來選擇設計題目,這些條件主要包括:可查資料庫源,試驗設施和足夠的經費等,因此我們在選題時,一般選用能為學生提供可用的儀器設備,試驗場地等條件的科研課題,例如“微細特種加工中心”試驗樣機在我們教研室已經搭建好，“線切割機床、電火花機床、超聲拋光裝置”等設備可以為學生做畢業設計時提供可以直接操作，鍛煉自己的動手能力的機會。

(3)要有適當的難度和深度。舉例說我們選擇“旋轉超聲主軸振動系統研制”課題時,考慮到該課題涉及了聲學,機械振動學,電力電子學,數電，模電等多個領域,涉及的知識面較廣,設計工作量較大,有一定的深度,學生可以通過綜合應用所學的基礎理論和專業知識,在規定的時間內得到充分的鍛煉,但是考慮到本課題有一定的難度,為了保證學生在有限的畢業設計工作時間內,經過努力能完成任務或做出階段性結果,我們安排了兩個同學參加,在掌握總體設計思路的基礎上,分別進行硬件結構設計、驅動電路等不同部分的,有側重點地進行研究,經過分工合作,完成了整個課題的設計任務,效果良好。

3落實開題環節

為提高畢業論文設計教學質量和探索出適用于畢業論文設計全環節教學質量監控的方法,可借鑒研究生創新能力培養方法,在本科畢業論文設計教學中新增開題環節,以強化學生包括查閱文獻資料廣泛獲取信息,提出問題、擬定實驗研究方案和設計方案,科學實驗與測試,數據整理與分析,撰寫實驗論文,書面表達和口頭表述等能力在內的基本創新能力。

（1）開題環節的必要性。開題的意義在于完善論文設計方案,使論文設計方案更加系統化，收集信息，聽取各方意見，明確思路以堅定論文設計者的信心。一般說來，將思考的東西正式地講出來和寫出來，會比原來所思考的更有升華的意味，因為從“思”到“說”和“寫”,其間加入了邏輯的創造過程。通過撰寫開題報告,要求學生講清題目的來龍去脈,從而使學生明確畢業設計課題的目的和要求，對題目有更深刻理解與認識，會使原來的論文設計思路更加完善和系統，對自己的工作做到“胸有成竹”，減少盲目性,避免出現不知從何處入手的尷尬局面。

（2）開題環節的組織在開題會之前,每個學生按規范書寫了開題報告。學生持經指導老師簽字同意的選題報告書、任務書及其它相關資料上臺匯報選題的目標和意義、擬采取的技術路線和方法、工作基礎、預期成果和工作計劃等內容10分鐘。評審小組根據學生自述和選題報告書及其它文本內容,對學生論文設計是否達到專業培養目標要求和完成論文設計的可行性進行考核,并對論文設計廣度、深度、貼切度、重點和難點等提出具體的修改意見。

4保證畢業設計答辯的質量

答辯是畢業設計(論文)工作的最后一個環節,是全面檢查和評估畢業設計(論文)質量的重要手段。嚴格的答辯將有利于學生樹立良好的學風,促進學生認真做好畢業設計(論文)。學院可根據本院及所屬各系的具體情況成立若干答辯分委會,分委會下轄若干個答辯小組。分委會主任和答辯小組組長均由副高職稱以上教師擔任。答辯前應認真審查學生的答辯資格,畢業設計(論文)應由除指導教師外的答辯小組1名以上教師認真評閱,寫出評閱意見與評分,評分不及格者不得參加答辯。凡畢業設計(論文)擬評“優秀”的學生,都必須參加各系答辯分委會組織的集中答辯。對畢業設計平時不認真、小組答辯成績較差的學生,由相關分委會組織復答辯后視情況決定是否給予通過。答辯時間應控制在學生匯報15-20分鐘,教師提問20分鐘為宜。畢業設計成績評定必須堅持標準,嚴格要求。“優秀”的比例應嚴格控制在本專業參加答辯總人數的20%以內,優良比例應嚴格控制在60%以內。對畢業設計(論文)的質量,除了本身的學術水平、應用價值外,還應考察學生解決實際問題的能力、對知識的綜合應用能力、在工作中查閱處理信息和應用各種工具的能力、撰定科研報告和表達交流的能力以及在工作中的團隊協作能力等。答辯委員會要辦事公正,治學嚴謹,嚴把質量關,對畢業設計(論文)達不到教學要求的,決不姑息。

5結論

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課堂上，我事先作了“翻轉”設計，課前拋出問題讓學生百度各種解決方案，包括淘寶上的成品自動雨水感應晾衣架，然后在課堂上集思廣益，比一比誰的方案能在眾多方案里勝出？還是需要優勢組合？最終學生們形成的設計預案如下。

設計一個雨水感應自動收衣裝置，當雨水感應器上滴到雨滴或者天色明顯變暗時，啟動機械臂把衣服收進陽臺。如果雨水感應器上的水滴被曬干（雨轉多云），光線又足夠亮時，衣服再次曬出。主人可以設置預約收衣時間。并且對是否雨后重新曬出作出預設。S4A控制畫面同步運行。

以上要求進一步分解后具體要達到以下控制：（1）有雨或者光線明顯變暗時，收衣服。（2）當天空放晴、光線變亮，且傳感器上雨水被曬干時，衣服重新曬出。（3）主人可以預設收衣時間。此時無論天氣如何，衣服強制收回。（4）主人可以手動收衣或者定r收衣，此兩種模式收好衣服后不再晾出。

此環節的產品技術設計思維訓練得到了充分的體現，學生要針對在自己周圍每天都要發生的問題模擬產品設計工程師進行設計及分解。

曲折之二：機械傳動如何設計

學生在設計方案時碰到的第一個攔路虎，不是來自電子線路，而是機械傳動部分。圖1所示開窗器按供電模式分有24V直流、220V交流兩種，其中按開窗器機械臂行程長短又有100mm到1500mm等不同種類。本例所有24V直流電，當正接時機械臂伸出，反之縮回。

圖2看似簡單的機械結構，是社團學生溝通、爭論了很久才有的結果。首先，淘寶上對開窗器的介紹寥寥數字，很多具體問題需要直接跟淘寶店主溝通。比如，產品大都與配套的升降（或開合）控制盒一起銷售，能否拆分購買等具體問題；沒有控制盒，Arduino 又如何擔當起智能控制的重任？

曲折之三：S4A控制的畫面如何同步變化

下載3DMAX陽臺模型（可直接使用軟件包中模型）、衣架模型后，利用標準基本體構建衣架及開窗器機械臂模型。由于MAX模型中的元素較多，建議按圖3所示對衣架進行“成組”操作。

按F10對衣架運動中的幾個關鍵幀分別渲染，注意本例下載的模型須安裝V-RAY插件，并在公用―指定渲染器中選擇V-RAY渲染器。

曲折之四：如何實現開窗器機械手的伸縮

當了解到24V直流電機正負極倒置后伸縮方向即相反后，有學生搜索關鍵詞“直流電機正反轉 繼電器”繪制出圖4所示控制線路。經反復推演各種可能，均不會造成短路事故。

曲折之五：開窗機的電機本身沒有到位后自動停止功能，如果開窗或者貫穿機械臂到位后繼續加電，將對電機造成傷害，此問題如何破解

有學生稱可以設置時間，但是馬上又有學生質疑，當掛的衣服重量不同時，造成的阻力不同，時間不是一個定量。后來有學生詢問淘寶商家后找到了解決辦法，如圖5在數字口2、3分別安裝兩個磁感應開關，相關的動臂上安裝永磁鐵。當檢測到機械臂運作到位后，立即停止供電。

曲折之六：腳本如何設計

曬衣部分腳本：當綠旗被點擊時，當系統檢測到接在模擬口0的光線傳感器數值大于800，光線充足，并且接在模擬口5的雨水傳感器上無水滴，數值小于50，則廣播曬衣服。

收衣部分腳本：分三個條件語句，第一是檢測光線數值小于150則收衣。第二是檢測雨水傳感器數值大于100則收衣。第三是按鈕傳感器大于1000即接通狀態則自動收衣。

預約收衣部分腳本：當綠旗被點擊時，先詢問預約多少小時后收衣，然后將輸入值賦予變量t，計時器歸零。計時器單位為秒，因此變量t須乘3600。當計時器數值大于預設時間，廣播收衣服。

曲折之七：學生開始編制腳本時發現繼電器反復被觸發，“噠噠”聲不斷，這對繼電器及控制終端都不是好事，如何解決

為了防止繼電器反復被觸發，損傷電機及其他器件，分別設置變量k、m，當條件已符合時分別設定為1。然后將相關變量不等于1，即等于1不成立，作為條件語句的必備條件之一。

當曬衣觸發時，變量K為1，當收衣觸發時變量M為1。如果系統對兩個事件依次觸發一遍。如果不對相關變量清零，則造成太陽出來后或者下雨了系統不再有響應。所以要對K賦值1的同時，要對M清零。反之也一樣。

由于手動收衣及定時收衣要求之后即使符合曬衣條件時也不再觸發，所以不再對M清零操作。為保險起見，建議在對K賦值1的同時，添加給變量M賦值1的語句。