机械臂设计论文篇1
采摘机械臂要实现其特定的动作离不开控制系统的支持，其控制系统主要由AVR主控板和舵机控制扩展板组成，此外还有一些辅助的硬件模块。例如，使其系统稳定工作的开关电源模块、调整工作姿态的键盘模块、实现人机对话的显示模块和语音播报模块。同时，为了实现在上位机上的监控，设计了基于MAX232的串行通信接口。
3机械臂控制系统软件实现
机械臂控制系统软件主要由主控板控制程序和上位机监控程序两部分组成。采摘机械臂主程序流程如图8所示。整个程序主要是通过键盘模块上按键的控制来切换操作模式，也可以在上位机设计的监控软件中来进行模式的选择判断。主程序主要由单自由度功能模式、多自由度功能模式、轨迹规划功能模式这3种工作模式组成，通过这3种工作模式，可以完整的展示采摘机械臂的整体自由度配合情况。为了在上位机上实现对机械臂的监控，借助于Labview软件设计了机械臂上位机控制系统。Labview使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式［6］。根据需求选择合适的控件并进行合理的布局，就可以构建一个美观的仪器仪表界面。设计的控制界面如图9所示，该界面包含有六个舵机的数据监控转盘、串口通讯设置、速度调节滑块、按键模块。通过RS232通信协议该监控软件可以实时的实现对六个自由度转角和方向的控制，其中舵机转盘上的数值代表脉宽值，其可调整的范围为500～2500μs，代表舵机相应的角度为0°～180°。在上位机上的控制信号发送给AVR主控制板，主控制板对接收到的上位机数据进行分析处理，将需要的运动形式及参数发送给舵机控制板，各个舵机根据接收到的控制数据进行相应的动作响应。
机械臂设计论文篇2
从机械手臂投入商用起，已经有了几十年的应用和发展历史。将模块化的设计思路与理念引入机械手臂的设计中，能够充分发挥其灵活、可拆分、可组合的特点，并将其应用于更多的场合，包括服务机器人，工业生产制造领域、医疗领域等等。本文结合机械臂设计的模块化理念，着重对其进行系统分析和设计，包括旋转关节、传动系统、减速系统进行实现，具有比较好的理论价值与实践意义。
2.机器人手臂关节机械设计
2.1手臂关节模块
手臂关节模块包含了许多零部件，主要有旋转电机、减速器和反馈单元等。在手臂关节的内部固定了控制单元和传动系统，以二级减速传动作为传动模式，即齿轮减速传动与谐波减速传动，这种传动模式可以支持手臂关节自由度之内的回转运动。下面具体阐述其设计方案：
(l)模块外壳方案
手臂关节的外壳能够为电机、制动器、滚动轴承提供必要的机械支撑，并起到必要的保护作用。在手臂关节运动的过程中，模块的外壳也承受了期间多产生的种种应力，因此模块的外壳必须满足一定的刚度。模块外壳的主要构成部分包括：底盖、电机、齿轮盖、主壳体、轴承、制动器等。其中，底盖位于结构的底端，其作用是为整个旋转模块的各个部件提供支撑与连接；主壳体构成此部件单元的外壳，对单元当中的电机、制动器等子单元起到连接和支撑作用；齿轮盖覆盖于模块的齿轮传动单元之上，起到保护和连接作用，而且能够支持谐波齿轮减速器的安装。为保证机械臂有足够的强度，模块外壳选取的制作材料为铝合金，并将壁体设计为圆桶状的抗压结构，为防止氧化与腐蚀，表面结果特殊处理。
(2)减速齿轮方案
减速齿轮方案的主要构成部分包括：电机连接齿轮、中心齿轮、中心轴以及制动连接齿轮等。其实现方式简述如下：通过小齿轮来连接直流电机的输出端，然后通过与小齿轮相咬合的中心齿轮互相连接；同理，通过另一个小齿轮来连接断电制动器的输出端，然后通过与小齿轮相咬合的中心齿轮互相连接。在这种啮合模式下，当减速齿轮单元加电后，便由系统的电机来作为动力源输出，而当减速齿轮单元端电后，便由系统的制动器来作为阻力源输出。考虑到机械臂的关节在不同运动时，会使减速齿轮持续维持高速转动状态，因此必须有足量的剂。又因为该减速齿轮不是封闭结构，因此本文以滑脂来起到齿轮的作用。
(3)中轴传动方案
中轴的传动方案是整个机械臂设计中非常关键的一个组成部分。中轴传动的作用是，首先支持来自中心齿轮的动力，其次还要为波发射器高效传递动力。考虑到中轴会承接一定比例的来自轴向的受力和很大比例的径向应力，因此为支持中轴，引入了角接触轴承。中轴传动单元主要由旋转模块、断电制动器、卡簧、角接触轴承、中心齿轮、主轴、连接法兰以及波发射器组成。
因为中轴传动单元在设计上要求同轴度与圆柱度都在较高的水准，因此尤其应注重其材料选择和参数控制。本研究所设计的中轴用以45号钢才作为原料，并在成型后淬火，从而保证单元在表面具备一定的硬度。
在中轴传动方案中，最关键的是旋转模块的结构设计。旋转模块的设计思路是：将其转轴与中心轴线重合，并以电机驱动。在模块上部署有电磁编码器，用于周期性地检测角位移和角速度。将之与直流伺服电机相联。结合具体的应用环境与需求，直流伺服电机也可以加装起到减速增力作用的行星减速箱，共同起到动力输出的作用。而后通过小齿轮与中心齿轮的咬合，以正齿轮传动方式来实现系统的减速增力功能。
断电制动器的结构设计也是中轴传动方案中的关键，断电制动器有两方面的作用，首先在旋转模块进行位置搜索时能够起到保持作用，其次，在旋转模块因故失去电源之后也能发挥保护的功能。在中轴中，当旋转单元加电，并处于转动状态的时候，断电制动单元便会随着系统的小齿轮单元传递过来的中心齿轮作用而转动，而在断电制动器运动的时候，其输出轴的动力也来自小齿轮单元。在本文所涉及的机械臂中，电机与制动器全部布置于电机底座，并且将电机底也作为旋转单元外壳的一部分，其好处在于保护内部零部件。
2.2连接件模块
连接件的主要功能是在机械臂中连接旋转关节不同的单元，因此是机械臂的重要组合部分，对机械臂的组合与功能的发挥均有着不容忽视的作用。由于机械臂的各个模块单元是相对独立的关系，因此只要将不同的模块单元互相组合，起可以发挥机器人的机械臂基本功能。因此本文结合具体的需求，设计开发了数种类型不同的连接结构。
机器人的机械臂在实际操作中，连接件实现了不同部件单元之间的力矩传递，而其质量的大小也关系到机械臂整体重量和轻便程度，因此在实际设计中，一方面应保证改模块单元具有足够的机械强度，另一方面也应考虑到减轻其质量。本文在设计中，考虑到铝合金属于高强度低密度的材料，同时具有比较好的可塑性，因此以铝合金作为连接件的制作材料。
2.3模块手抓单元
考虑到机械臂必须部署在一个可以移动的平台上，来在现场抓取物体，因此模块手抓单元的末端执行器是其中最重要的组件。为了满足这个系统的模块化的设计，末端执行器必须具备一定的应用和扩展功能。假若模块手抓单元附加多指灵巧手，其实能够抓取更多类型的对象，本课题的研究只需模块手抓单元能够抓取简单对象，因此使用了图中的简单的夹钳手抓，其优点是结构简单、容易控制。
3.结束语
机器人的机械臂设计与开发属于机电一体化领域的高精尖课题。考虑到机械臂的结构具有比较高的复杂性，本文阐述的设计方案充分顾及了模块设计的标准化与产品的通用性，从而能够良好的满足模块之间的替代性特征需求，因而也能够保障机器人的机械臂在实际应用中能够满足用户的要求。
参考文献
[1]郭立新，赵明扬，张国忠.空间冗余度机器人最小关节力矩的轨迹规划.东北大学学报(自然科学版 ).2010:512-515
机械臂设计论文篇3
一、前言
智能工业机器人是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。论文参考，机械臂。
本文以AT89C51单片机为控制核心来实现对机械臂的控制，从而实现为高等学校教学提供一系列机器人教学系统，为学生提供一个开放性、创新性的实验教学展示平台，通过对机械臂的亲自组装、调试和应用开发等创新实验，让学生全面掌握机电一体化技术的应用开发和集成技术，从而掌握机电控制系统的组成、功能及控制原理；掌握机械传动部件的选择,结构件的设计,传感器的选择和使用，电机的选择和使用，计算机编程和调试等，使学生的机电系统的设计，装配，调试能力均能得到综合训练。
机械臂运动控制技术也可以应用在工业领域，通过对教学机械臂研究的不断完善，它可以应用于恶劣的工作环境和危险的工作场合，也可以代替枯燥单调的重复性劳作，像农业机器人、服务机器人、水下机器人、军用机器人、娱乐机器人等，具有一定的实际意义与社会价值。
二、六自由度机械臂设计思想
1.系统设计总体思想
本系统采用AT89C51单片机作为主控制器，采用LCD液晶作为系统显示单元，通过键盘作为系统输入设备，通过传感器实现机械臂运动过程中各点信息及数据的采集，将采集到的信息传输给单片机控制核心，单片机根据采集到的数据进行分析，通过驱动电路将机械臂按程序指定轨迹进行运动，并将运行的各点数据在液晶屏上进行显示。
2.运动控制系统的设计
六自由度机臂运动控制系统采用伺服电机作为执行的动力机构。论文参考，机械臂。我们采用DM-EC-M645直流伺服舵机，它具有如下特点：当控制电压为6.0V时的输出力矩：9.6 kg·cm，控制速度：0.19秒/60°，并且重量轻等优点。
我们所采用的DM-EC-M645直流伺服舵机，它的结构相对比较简单，就是一组减速电机，在电机的动力输出轴上并联上一个电位器，当输出轴转动时能同步地带动电位器旋转，其内部有驱动电路来检测电位器的变化并同时和外面控制信号进行比较，从而得出要“锁定”的位置，该电机的输入端只有3条线，分别是电源正、电源负和控制脉冲端（一般就是白色或橙色那条）。我们通过周期为20ms，高电平为0.5ms～2.5ms的脉冲对伺服电机进行控制，0.5ms～2.5ms的脉冲对应伺服电机的0°～180°。如果我们控制采用8位无符号整型变量，它的范围在0～255，这样在伺服电机的控制精度上我们可以达到0.72°。论文参考，机械臂。这样就能实现比较高精度的点对点运动控制。论文参考，机械臂。论文参考，机械臂。
3.显示系统的设计
显示系统采用的是MG128*64液晶对六自由度机臂运动控制过程进行显示，该中文字库的MG128*64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
4. 软件设计总体思想
程序的控制思想：系统运行后初始化系统变量、按键显示用到的I/O以及中断等；初始化完成之后，将进行电机位置数据的采集，并执行位置比较程序，如果电机按预定程序运行，则将电机运行的数据在LCD液晶上进行显示。如果电机没有按预定程序运行，则将进行电机初始位置调整。主程序循环过程中不断的扫描按键，如果有按键触发将会调用键值处理函数。从而可以实现机械臂的人机对话控制。
三、电机驱动电路的设计
直流电机的转速控制采用PWM控制。由于单片机输出的脉宽在本系统中无法驱动直流电机带动负载运动，因此需要通过驱动电路才能驱动电机，设计中采用L293D芯片作为电机驱动芯片，驱动方式采用半闭环或闭环控制，直流电机驱动电路占用单片机12个口，分别为P1.0-P1.7，P2.0-P2.3。分别采用相同的三组驱动模块。
在使用过程中，L293D工作时间稍长，发热会较严重。严重时，L293D甚至会出现过温保护，无PWM信号输出。尝试将两路输入并联使用，输出端也并联到一起并接到电机一端，电机另一端接地。论文参考，机械臂。使用该接法后，L293D工作时间再长，也只有轻微发热。这种输入端和输出端并联的方法在实际中不仅可以更好地驱动电机，相同的电压和占空比时，速度更快，同时它还可以降低H桥上的压降，从而减小L293D发热，防止器件由于温度过高而被烧坏。当单片机输出一定的占空比的PWM信号，电机就会向一个方向旋转，调整好电机的两个输入端，就可以驱动机械部运动，从而实现机械臂六个自由度的控制和运动。
四.结束语
机械臂设计论文篇4
一、前言
智能工业机器人是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。论文参考，机械臂。
本文以AT89C51单片机为控制核心来实现对机械臂的控制，从而实现为高等学校教学提供一系列机器人教学系统，为学生提供一个开放性、创新性的实验教学展示平台，通过对机械臂的亲自组装、调试和应用开发等创新实验，让学生全面掌握机电一体化技术的应用开发和集成技术，从而掌握机电控制系统的组成、功能及控制原理；掌握机械传动部件的选择,结构件的设计,传感器的选择和使用，电机的选择和使用，计算机编程和调试等，使学生的机电系统的设计，装配，调试能力均能得到综合训练。
机械臂运动控制技术也可以应用在工业领域，通过对教学机械臂研究的不断完善，它可以应用于恶劣的工作环境和危险的工作场合，也可以代替枯燥单调的重复性劳作，像农业机器人、服务机器人、水下机器人、军用机器人、娱乐机器人等，具有一定的实际意义与社会价值。
二、六自由度机械臂设计思想
1.系统设计总体思想
本系统采用AT89C51单片机作为主控制器，采用LCD液晶作为系统显示单元，通过键盘作为系统输入设备，通过传感器实现机械臂运动过程中各点信息及数据的采集，将采集到的信息传输给单片机控制核心，单片机根据采集到的数据进行分析，通过驱动电路将机械臂按程序指定轨迹进行运动，并将运行的各点数据在液晶屏上进行显示。
2.运动控制系统的设计
六自由度机臂运动控制系统采用伺服电机作为执行的动力机构。论文参考，机械臂。我们采用DM-EC-M645直流伺服舵机，它具有如下特点：当控制电压为6.0V时的输出力矩：9.6 kg·cm，控制速度：0.19秒/60°，并且重量轻等优点。
我们所采用的DM-EC-M645直流伺服舵机，它的结构相对比较简单，就是一组减速电机，在电机的动力输出轴上并联上一个电位器，当输出轴转动时能同步地带动电位器旋转，其内部有驱动电路来检测电位器的变化并同时和外面控制信号进行比较，从而得出要“锁定”的位置，该电机的输入端只有3条线，分别是电源正、电源负和控制脉冲端（一般就是白色或橙色那条）。我们通过周期为20ms，高电平为0.5ms～2.5ms的脉冲对伺服电机进行控制，0.5ms～2.5ms的脉冲对应伺服电机的0°～180°。如果我们控制采用8位无符号整型变量，它的范围在0～255，这样在伺服电机的控制精度上我们可以达到0.72°。论文参考，机械臂。这样就能实现比较高精度的点对点运动控制。论文参考，机械臂。论文参考，机械臂。
3.显示系统的设计
显示系统采用的是MG128*64液晶对六自由度机臂运动控制过程进行显示，该中文字库的MG128*64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
4. 软件设计总体思想
程序的控制思想：系统运行后初始化系统变量、按键显示用到的I/O以及中断等；初始化完成之后，将进行电机位置数据的采集，并执行位置比较程序，如果电机按预定程序运行，则将电机运行的数据在LCD液晶上进行显示。如果电机没有按预定程序运行，则将进行电机初始位置调整。主程序循环过程中不断的扫描按键，如果有按键触发将会调用键值处理函数。从而可以实现机械臂的人机对话控制。
三、电机驱动电路的设计
直流电机的转速控制采用PWM控制。由于单片机输出的脉宽在本系统中无法驱动直流电机带动负载运动，因此需要通过驱动电路才能驱动电机，设计中采用L293D芯片作为电机驱动芯片，驱动方式采用半闭环或闭环控制，直流电机驱动电路占用单片机12个口，分别为P1.0-P1.7，P2.0-P2.3。分别采用相同的三组驱动模块。
在使用过程中，L293D工作时间稍长，发热会较严重。严重时，L293D甚至会出现过温保护，无PWM信号输出。尝试将两路输入并联使用，输出端也并联到一起并接到电机一端，电机另一端接地。论文参考，机械臂。使用该接法后，L293D工作时间再长，也只有轻微发热。这种输入端和输出端并联的方法在实际中不仅可以更好地驱动电机，相同的电压和占空比时，速度更快，同时它还可以降低H桥上的压降，从而减小L293D发热，防止器件由于温度过高而被烧坏。当单片机输出一定的占空比的PWM信号，电机就会向一个方向旋转，调整好电机的两个输入端，就可以驱动机械部运动，从而实现机械臂六个自由度的控制和运动。
四.结束语
机械臂设计论文篇5
论文中讨论的神经网络BP控制和PD控制在MATLAB里仿真获得了成功，并同时讨论了两种方法，都分别得到了结果。PD控制在实际系统上进行了调试。
关键词： 机械臂，神经网络，BP控制
目录
第一章 绪论
一 论文的背景与来源 (4)
二 毕设论文的组织结构和取得的结果 (5)
第二章 机械臂系统的介绍
一 系统结构和工作原理 (6)
二 机械臂控制方法概述 (9)
第三章 机械臂的数学模型
一 系统的动力学模型 (12)
二 系统控制要达到的目标 (20)
第四章 机械臂系统的仿真
一 控制系统的仿真概述 (21)
二 机械臂的PD控制 (23)
三 机械臂的BP控制 (33)
第五章 机械臂系统的控制实验
一 VC的介绍 (56)
二 控制软件的功能 (57)
三 控制软件的功能及特点 (59)
四 实验结果分析 (60)
结束语
参考书目
：18000多字
有中、英文摘要
400元
机械臂设计论文篇6
随着自动化技术的发展，工业机械手的应用场合不断扩展，在装配、喷涂、焊接等各种危险和单调的重复劳动中发挥重要角色。这里基于SolidWorks和ANSYS完成了一款五自由度关节式机械手设计及分析。
1 机械手结构方案
关节式机器人具有很好的作业适应性，是目前通用工业机器人的主要结构形式。
机械手的驱动形式主要有液压驱动、电驱动、气动等。液压驱动主要用于承载大、要求快速反应场所；气动具有价格低、适用负载小、结构简单等特点，但其难以实现伺服控制；电驱动由于拥有噪声低、控制方便、精度高等特点而被广泛运用[1]。本设计中采用伺服电机作为驱动源，通过齿轮、同步带（轮）等进行传动。腕关节上设计有装配手爪用法兰，可以通过更换手爪来实现不同的作业任务。
五自由度机械手为基本的关节式结构，图1为其结构简图，共拥有5个旋转自由度，分别为：机身旋转关节J1（肩关节）、大臂旋转关节J2（肩关节）、小臂旋转关节J3（肘关节）和手腕仰俯运动关节J4、手腕旋转运动关节J5（腕关节）[2-4]。其中的2个肩关节协同1个肘关节完成定位操作，2个腕关节进行定向。两个肩关节分别实现俯仰和绕竖直线方向旋转，两个肩关节的旋转轴线正交，肘关节转动轴线平行于实现俯仰的肩关节J2]。这种构型拥有动作灵敏准确、占用空间小，作业过程不发生干涉等优点，是通用机械手的常见选型。
2 基于Solidworks的机械手本体设计
计算机辅助设计（CAD）在生产中的应用日益广泛。SolidWorks作为常用的三维CAD软件之一，可实现CAD/CAE/CAM的集成和数据信息共享，将设计、分析、加工于一体，可以提供三维建模、有限元分析、运动仿真、工程图纸等众多功能[5]。
2.1 材料的选择
材料的选用决定着产品的使用质量，同时也影响着产品的设计理念和结构方式。本文设计的机械手，根据其具体的工作条件，主要考虑以下几点因素：（1）强度、硬度高，以保证在弯矩较大时候仍可以有很高的定位能力；（2）重量轻，机械手由于要求运动快速稳定，所以尽量减少惯性是必须考虑的因素之一；（3）弹性模量大、阻尼大，减少变形且同时吸收多余能量。
综上所述，机身选用合金钢16MnV，手臂采用铸铝ZAlSi7MgA。ZAlSi7MgA具有良好的铸造性能，弹性E不大，且密度小，E/e比可与钢相比。
2.2 机身的设计
机身连接着机械手，作为机械手的载体可实现机械手的升降和旋转等动作。通常机械手的机身都与底座连为一体，且机身可具有三个以内的自由度。作为整个系统的支撑部件，要具有较高刚性和良好的系统稳定性，以便于实现精准的运动定位。如果机身如果可以提供竖直方向的自由度，即升降运动，则需设计能够承受住比较大的弯矩力精确的导向装置。因为导向装置在升降的过程中要承受机械手大臂、小臂以及负载的载荷。
根据机械手的实际工作需要，机身只提供一个转动轴为竖直方向的转动自由度，具体结构如图2所示。机身的水平方向转动，由交流伺服电机作为动力源。机身在水平方向由转动轴带动旋转过程中，机身转动轴的上下两端分别与底座外壳上下部采用轴承连接，且机身转动轴在运动过程中轴向和径向将同时受力，所以轴承均采用角接触球轴承实现良好的径向和轴向载荷承载能力。图2为Solidworks中机身的结构。
2.3 机械手臂的设计
机械手由大臂、小臂、腕部组成，手臂连接于机身并支撑起腕部，提供给末端机构的准确定位。机械手末端轨迹复杂且运动速度高，应考虑系统刚度、稳定性、惯性等因素。可采用合理的截面以减少同样刚度下的手臂质量，同时自重减轻也有利于提高机械手的定位准确性。
2.3.1 大臂设计
机械手大臂通过两端连接轴分别与机身和小臂连接。大臂内部布置了自身的驱动电机，同时为减少整个手臂运动过程的阻力矩和转动惯量，将机械手小臂的驱动电机也紧凑的安装在大臂内部，图3为Solidworks中大臂结构图。
大臂和小臂的驱动电机安装在大臂中部并与减速器连接，减速器通过固定板安装在大臂内。减速器的输出轴通过齿形带将驱动力传递至大臂两端的转动轴，转动轴用深沟球轴承安装于大臂两侧，并通过平键将轴分别与机身和小臂连接。采用此种驱动传递方式可实现各个关节的同级运动控制，易于平稳和精确的末端轨迹控制。
使用的同步传送带由于工作过程有较大的张紧力，在使用中会发生塑性伸长进而有可能会产生松弛和打滑等现象，因此在传送带的设计过程中添加了一个可以调整位置的张紧装置，用以确保带轮有固定的张紧力。如图4所示，张紧轮通过弹簧有一个向上的固定压紧力，可以在带松弛时会自动施压来保证张紧。
2.3.2 小臂和手腕的设计
机械手的小臂一端通过轴承连接安装于大臂末端，另一端联接手腕。小臂的驱动电机安装在大臂的内部，而为了结构的紧凑性及减小机械手转动惯量，小臂内部用于安装手腕驱动电机。在传动形式上腕部与小臂、大臂不同，小臂内手腕驱动电机通过齿轮传动传递至腕部安装轴。采用齿轮传动可以提高传动效率和稳定性，减少机械手整体的运动误差。图5为小臂和手腕的结构图。
2.4 机械手三维建模及渲染
零件的实体造型，就是在计算机中通过基本元素完成几何模型的确切表达。这样可以使技术人员直接在计算机上进行三维的设计，免去了二维图纸来表达三维信息的各种受限因素，且可减少此过程可能产生的错误，机械手模型如图6。
Photoworks作为SolidWorks的自带插件，可以提供各种材质以及背景添加，能够达到很好的渲染效果，不需要进行昂贵的加工才能看到样件的效果。使用交互式三维模型渲染，可提快速的提供纹理和景观效果的渲染预览。Photoworks模块为减少侧影“齿距”，采用的自适应防图形失真技术大大提高了图片的质量。机械手最终的渲染效果如图7。
3 基于ANSYS的机械手关键部件分析
软件模拟分析是计算机和现代工程方法的完美结合，有限单元分析是计算机辅助工程CAE技术中一种重要的方法。ANSYS是一种通用的有限元分析软件，融合了多种性能分析于一体，被广泛应诉于各个行业。ANSYS可以实现多场和多场耦合分析；具有一体化的前后处理以及求解数据库；可以进行非线性分析以及优化的计算方法；多种网格划分技术等良好性能[6]。
机械手作过程中，轨迹复杂且运动速度快。为了保证机械手的安全性和稳定性，进行有限元力学分析是十分必要的，这里以其中关键部件机械手大臂为例。
3.1 ANSYS模型建立
ANSYS软件内部提供了实体模型建立和有限元模型直接生成两种建模方法，但其建模方法与目前的主流三维造型软件相比，效率低很多。因此采用PRO/E、UG、SolidWorks等三维软件进行设计后，再导入ANSYS进行相关分析和处理[7]。
先将机械手大臂的SolidWorks三维模型保存为Parasolid文件，通过“文件”、“导入”、“PARA”等菜单就可以完成在ANSYS中实体模型的导入，结果如图8所示。
3.2 单元属性设置
单元类型设置如下：Preprocessor > element type> Add/Edit/Delete，设置为Structural Solid，20node 95。机械手大臂的材料采用的是铸造合金铝，查询相关资料确定其性质进行材料特性的设置：弹性模量设置为70GPa，泊松比0.33，密度2680 kg/m3。
3.3 网格划分
网格划分分为自由网格划分、映射划分、拖拉和扫掠网格划分等。根据此次分析实际需要，采用自动网格划分来自动生成四面体网格。对于重要部分（比如大臂、小臂）的两端受力部位还要再使用网格细化，进一步完善网格划分，以得到更好的分析结果。在网格划分过程中使用了Smart Size，智能网格划分尺寸选择5，具体效果如图10所示。
3.4 加载与求解
大臂与小臂平行且都在水平位置。此时小臂以及末端重量都加载在大臂末端用于安装轴承的内孔面上。另外，大臂本身的自重力，视为均匀分布。通过Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural >Inertia>Gravity加载。大臂左端通过转支架固定。转矩加载大小根据电机选型时计算得出的数值进行加载，并且大臂左端承受转矩通过齿形带和带轮传递至大臂中部的驱动电机。得到的变形和应力分布如图11。
从图11（a）可见大臂在载荷作用下出现了一定变形，最大变形量很小，在运动过程中可以通过闭环控制进行实时的姿态调整，减少因弯曲变形而导致的定位不准因素。也可作为指导进一步进行优化设计，在大臂内侧增加加强筋来减少变形，以达到更好的定位效果。
从图11（b）中可得，机械手大臂在弯矩最大状态时，大臂应力最大处位于安装大臂驱动电机的安装孔处，最大约为103 MPa，远小于选用材料ZAlSi7MgA的许用应力（180～250 MPa），指导大臂非主要受力位置厚度等尺寸可适当缩小，整体用料精简。
4 结语
通过Solisworks设计完成五自由度机械手，并将其模型导入ANSYS内进行有限元分析，确保载荷最大状态时机械手工作的安全性，以验证机械手整体设计的正确性，并及时发现不足之处予以优化，同时也为后续控制系统设计打下基础。
参考文献
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机械臂设计论文篇7
机械手主要应用于劳动密集型的加工行业，代替人类完成单调重复的劳动，提高生产效率和产品合格率。机械手的应用扩大了人的手足和大脑功能，使人类避免从事危险、有害、低温和高热等恶劣环境中的工作[1]。目前已广泛应用于汽车制造、家具制造、服装加工等领域。
1 机械手机构设计
1.1 底座结构设计 底座是用于安装手臂、动力源、控制器和驱动机构的支架。本机械手底座支架装有一个减速电机和一个智能控制器，如图1所示：
1.2 手臂结构设计 手臂是连接底座和手部的中间部分，有无关节臂和有关节臂之分，目前采用的手臂大多为无关节臂[2]，本文采用有关节臂。
手臂的作用是引导手部准确的抓住物体，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够准确的工作手臂的三个自由度都要准确的定位。本机械手手臂结构采用三个SR-403P舵机及其相关卡口工件组成，三个自由度可使机械手手臂结构更加自由灵活地运动，手臂结构如图2所示：
1.3 手部结构设计 手部安装在手臂的前端。手部由两个舵机控制，从而实现手腕的反转和手指的关闭。
机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种[3]。手指的数量又可分为二指、三
指、四指等，其中以二指用的最多，设计时采用的二指结构，其中一指固定，另一指由舵机控制。手指可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般是指真空吸盘或磁性吸盘。机械手手部结构包含两个自由度，一个自由度用于夹持物件，另一个自由度用于反转手腕，两个自由度均由HS-7955TG舵机实现，手部结构如图3所示：
机械手装配完成后的整体设计效果图如图4所示：
2 机械手臂驱动设计
常见的驱动机构主要液压驱动、气压驱动和电气驱动。其中以液压驱动、气压驱动应用的最多，而电动驱动应用的比较少。液压驱动主要是通过缸、阀、油泵和油箱等实现传动。具有体积小、作用力大，动作平缓，调速方便等优点，但需要配备油泵等动力设备，系统复杂，成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。以空气作为动力传递媒介，具有维护简单、方便，运行清洁，但因空气的可压缩性比价高，一般难以线性控制。电气驱动采用的不多，一般以电机作为动力源，用大减速比减速器来驱动执行机构，系统简单，维护方便，但因电机功率原因，很难达到较高的功率输出，不适合高负荷野外工作。
2.1 机械手驱动方式的选择与设计 因为本文所设计的六自由度机械手为实验室内部研究使用，故不需考虑能源供给和功率问题，反观液压驱动和气压驱动都需要庞大的配套系统来支撑驱动，所以本文采用电气驱动方式。驱动元件主要包括减速电机和舵机。图1中的减速电机采用OpenCS5A/8A智能驱动器进行控制，实现其速度控制和位置控制。OpenCS5A/8A是一款应用最新的DSP控制技术开发的集运动控制、驱动、PLC功能于一体的智能控制
与数字伺服驱动器，内嵌高级运动控制语言（TML），使其易于实现无刷直流，无刷交流（矢量控制）旋转或直线，有刷伺服电机的单轴与多轴控制。机械手的其余关节使用舵机控制，舵机是一种位置伺服的驱动器，控制信号是PWM信号[4]，利用占空比的变化改变舵机的位置。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分的脉宽一般在0.5ms-2.5ms范围内，其实是利用调节固定周期内的占空比来控制角度的变化。具有控制简单，安装方便等优点。
2.2 机械手控制系统通信设计 机械手的控制系统设计主要包括驱动机构（减速电机和舵机）的控制、上位机控制界面的设计以及上、下位机之间的串口通信等。机械手控制算法经上位机解算后将控制信息经串口发给下位机MCU，下位机根据位置信息分别控制各个减速电机，从而实现机械手的精确控制[5]。
3 基于VC++的控制界面设计
上位机控制界面主要包括五路舵机控制区、一路电机控制区、机械手运行示意图等几个部分，如图5所示。
舵机控制采用滚动条的方式，并将每个舵机转动的角度实时显示在右侧的编辑框内；电机控制采用速度控制，主要包括电机的正转、反转、停止等；机械手运行示意图显示机械手的运动情况，当某个舵机或电机运行时，示意图上相对应的舵机或电机位置将会加亮，表示这一舵机或电机正在运行[6]。
4 结论
论文主要提供了一种机械手的设计思路，进行硬件制作和控制系统的设计，最终实现机械手的实时控制。解决了减速电机控制、多路舵机控制和上、下位机之间串口通信等难点问题，为实验室机械手位置控制算法的研究提供了实验研究基础，为实验室研究机械手更加精确而又复杂的控制算法提供了实验平台。
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机械臂设计论文篇8
Abstract：Aiming at the flexibility of manipulators in working space， a method of constructing global relative manipulability map was proposed. In this method， the working space of the manipulator was processed by grid， and the discrete positions were obtained； then the rectangular coordinate system was set up on the discrete positions， and the discrete positions of the manipulator were accomplished by rotating the coordinate axis； the position and pose of each discrete position were calculated by inverse kinematics， and the maximum relative operational degree of the position was calculated； finally， the visual method was used to draw the relative operational degree distribution map of the manipulator in the working space to reveal the flexibility distribution of the manipulator in its working space. The method provides a theoretical basis for the design of the manipulator， and lays the foundation for the task operation planning of the manipulator.
Key words：manipulator， relative manipulability map， inverse kinematics
机械臂是模仿人体手臂而设计的一种自动化操作装置，其运动灵活性反映了对任务操作的转换能力，灵活性指标对于机械臂的设计、评价与运动规划有非常重要的作用，机械臂运动灵活性是机器人运动学研究的一个重要内容。
可操作度、条件数和最小奇异值是比较经典的三个灵活性指标[1]，其中可操作度应用较为广泛，其物理意义可以解释为机械臂各运动方向上能力的综合度量。Yoshikawa将雅可比矩阵与其转置矩阵乘积的行列式的之值定义为机械臂的可操作性指标，并提出了可操作度椭球的概念对机械臂的灵活性进行描述[2]；姚建初等利用方向可操作度对冗余度机械臂进行运动规划，提高了机械臂的运动能力[3]；Hammond等利用加权各向同性指标，对机械臂进行优化设计，并提出了力矩加权各向同性指标，同时考虑了运动灵活性与关节力矩[4]；谢碧云等提出基于条件约束的方向可操作度指标，通过优化侧重点的改变，最大限度地保留了方向可操作度[5]；赵京等采用相对可操作度指标对构型不同的机械臂灵活性分析，筛选出最佳串联仿人机械臂构型[6]。以上对于机械臂灵活性的研究大多针对机械臂工作空间任意点的运动能力进行评价，而对机械臂整个工作空间的灵活性分布情况未进行研究。
本文针对国内外研究的上述不足之处，以机械臂可操作度为基础，建立全局相对可操作度指标，通过对机械臂的位姿离散的方法，结合机械臂逆运动学，基于Matlab平台绘制机械臂全局相对可操作度图，进而从宏观角度出发对机械臂的整个工作空间的灵活性加以分析。本文以Puma560机械臂为示例，研究机械臂工作空间相对可操作度图的构建过程。
1运动学与可操作度
11运动学分析
Puma560是机械臂研究中的典型，由6个旋转关节组成，本体如图1所示。利用D-H法对机械臂建模已成为机械臂运动学研究的标准方法，图2为采用该方法建立的Puma560机械臂坐标系，表1为其DH参数。对于其正逆运动学的求解…[7]，在此不再赘述。借助于机器人工具箱，可以完成Puma560的正运动学解算，并可以得到8组逆运动学封闭逆解。
|det[J（q）]|；机械臂处于奇异形位时，w=0。很容易地可以看到：机械臂除了位于奇异形位时，可操作度指标总是大于零的。此度量指标可以用来衡量机械臂距离奇异形位的远近程度，可以用来衡量机械臂的灵活性。在评价机械臂灵活性过程中，总是希望得到统一量纲指标，为此定义机械臂工作空间的全局相对可操作度指标来对机械臂的可操作性度量指标进行归一化处理[6]，如式（2）所示。
μi=wiwmaxi=1， 2，…，n （2）
式中：wi为机械臂工作空间点pi处的可操作度值，wmax为机械臂工作空间中的可操作度的最大值，μi为上述两者间的比值，称为全局相对可操作度值。当μi=0时，表示该点处于奇异形位；当μi=1时表明该点操作度达到最大值，灵活性最好，显然μi的取值范围是[0，1]。对于Puma560机械臂，在已知各关节角度情况下，采用机器人工具箱可以完成可操作度的计算，本文采用蒙特卡罗方法，完成对Puma560机械臂工作空间的最大可操作度值wmax的求取，再通过式（2）可以得到该形位下机械臂的相对可操作度。
2相对可操作度图构建
21工作空间离散
以两倍的机械臂长度lws为边长，建立一立方体，显然此立方体将机械臂工作空间包含于其中；对该立方体进行网格化处理，将每条边分成长度为lc的nc份，如式（3）所示，如此便把大立方体分成了n3c个小立方体，其边长lclws，工作空间离散化网格划分如图3所示。
机械臂工作空间中任一点都可以划分到各小立方体中，通过式（4）可以计算出所属的小立方体，其中（tx，ty，tz）为机械臂工作空间中的任意点；反之，通过式（5）可以计算出任一小立方体的中心坐标位于机械臂基坐标系下的坐标。采用此种离散方法，机械臂工作空间中的任意位置都可以进行定向分析，每个小立方体22姿态离散
为了将机械臂工作空间任意位置上的姿态进行离散，首先将上述离散空间中的小立方体用与其各面都相切的球体代替，可见当小立方体的边长趋于无穷小时，该球体与小立方体完全一致。采用螺旋点均布算法[8]，在球体表面均匀分布np个小球体，如图5所示，每个小球体的坐标以球坐标的形式给出，如式（6）～（9）所示。
θk=arccos hk，hk=-1+2（k-1）N-1，
1≤k≤N （6）
k=（k-1+36N11-h2k ）（mod 2π），
2≤k≤N-1，1=N=0（7）
xk=lc2・sin θk・cos k
yk=lc2・sin θk・sin k
zk=lc2・cos θk （8）
pi=[xkykzk]T （9）
假设大球体和均布的小球体球心都固接有坐标系，大球体坐标系各轴方向与基坐标系一致，小球体坐标系的z轴为由大球体球心与小球体球心的连线，并且指向为大球体球心到小球体球心，通过式（10）与（11）可以得到小球体坐标系到大球体坐标系的变换矩阵，均布小球体的坐标系z轴如图6所示。
至此，可以把Fi，0看作为机械臂的工具坐标系位于大球体下的位姿，而Ri，0就是机械臂的某一姿态。
为了进行姿态离散，将小球体上的坐标系绕其z轴每隔Δ°0旋转一次进行离散，共分成m0份，如式（12）所示，旋转矩阵如式（13）所示，则当小球体上的坐标系旋转过α°k后，其位于大球体下的坐标如式（14）所示。至此，可以将小球体上的任一坐标系位于基坐标系下的坐标通过式（15）和（16）得到，从而完成了机械臂工作空间的任意位姿的离散。
m0=360Δ0（12）
Fz（αk）=Rz（αk）0
0T1αk=k・Δ0k≤m0 （13）
Fi，αk=Fi，0・Fz（αk）=F（Rot（i，k），pi） （14）
TBaseSphere （g）=F（I，w（g））=Iw（g）
0T1 （15）
FBaseTCP=TBaseSphere （g）・Fi，αk=F（I，w（g））・Fi，0・Fz（αk） （16）
23可操作度图构建
通过以上步骤可以实现机械臂工作空间的任意位置和姿态，然而机械臂各关节由于机械结构的限制并非所有的姿态都能到达，Puma560机械臂各关节角度旋转范围如表1所示。因此，在完成机械臂工作空间的位姿离散后，要将每一个位姿进行逆运动学验证，已验证该位姿是否存在逆解。若逆解存在则计算该构形下的相对可操作度，否则按顺序选取下一组位姿值进行计算，重复上述步骤，直至机械臂工作空间所有位姿选尽，程序流程如图7所示。
24Puma560相对可操作度图及分析
按照图7所述机械臂工作空间相对可操作度图构建流程，以Matlab为平台，结合机器人工具箱，进行Puma560机械臂的全局相对可操作度图构建。当Puma560关节取（0，0，-π2，0，0，0）时，机械臂伸直，为所能到达的最长距离，所以大正方体的边长取此时度的2倍为17272 mm，小正方体边长取35 mm，大球体上小球的数量取11，姿态按绕z轴每隔80°取。
为Puma560的全局相对可操作度图，从图中可以看出该机械臂的最大可达空间为一球面，而由于关节机械结构的限制，该球体并不完整，主要表现在从外到内在机械臂第一关节为极限位置时有一个断裂带，并且该球体为中空的。理论上分析，可操作度图球体表面应全为红色即相对可操作度为0，即机械臂处于奇异，而由于位置离散时小正方体的边长取值相对较大，因此球体边缘部分点可操作度较小，但并非为零。为了便于观察机械臂相对可操作度的分布情况，对上述全局相对可操作度图的球体进行剖视，如图9所示。通过图9可以看出，Puma560工作空间的全局相对可操作度大体成带状分布，且大部分空间的相对可操作值达08～10。位于可操作度图球体边缘的点操作度较小，当向球体中心移动时，相对可操作度值变大，然后再变小。图8Puma560工作空间相对可操作度图
3结论
本文从机械臂的工作空间出发，以相对可操作度为基础，通过将机械臂工作空间位置离散与姿态散的方法，完成对机械臂整个工作空间的位姿离散，对位姿离散的方法进行了详细论述，而后以逆运动学为基准，对离散的位姿进行筛选，对于满足逆运动学的位姿进行计算全局可操作度，采用三维直观图对机械臂工作空间的相对可操作度分布情况进行描述，通过图谱可以直观地看出机械臂工作空间内其相对可操作度的分布情况。
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机械臂设计论文篇9
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。
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机械臂设计论文篇10
在液压机械臂当中，连杆是其中非常关键的零部件，其能够起到连接关节的作用。如果采用质量不错的连杆，那么在生产期间就不会形成较高的惯性力，这样一来就能够降低机械臂的轴承负荷。不过使用传统的设计方式，很难让连杆达到理想的要求。所以经过长时间的研究发现，而采用有限元分析，则能够很好的改善这一问题。那么下面我们就来具体的讨论一下相关的话题。
一、液压机械臂连杆有限元静力分析
1.1线弹有限元静力分析基本原理。
在表现均匀、连接、应变等关系的时候，就要用到弹性力学基本公式。所以其便成为了运算结构强度的重要依据。
1.1.1平衡方程。
2.3液压机械臂连杆有限元模态分析结果。
对液压机械臂连杆的有限元模态的求解，通常不用算出振动系统的频率，只是能够算出几价低阶模态即可。之所以采取这样的形式，主要是由于低价模态能够对振动系统形成一定的干扰，而且阶数越低，干扰程度就越大，所以通常情况下会采用5阶到10阶的范围。而下面我们就来列举一下前10阶模态固有频率。
1阶，那么频率就是0.46246HZ，2阶，频率就是2.5055HZ，3阶，频率则为6.1566HZ，4阶，频率则为7.9601HZ，5阶，频率就为10.832；6阶的，频率为16.448HZ；7阶，频率为18.283；8阶，频率为21.315HZ；9阶，频率为21.419HZ；10阶，频率为22.691HZ。
【结束语】采用有限元分析，能够降低机械臂的轴承负荷，同时还能够准确的体现出所有点的受力状况，而且也能够采取静态分析，运算连杆的最大应力、位移等情况，这样一来就能够给连杆结构的优化分析创建充足的依据。所以在今后的工作中，相关工作人员一定要重视这方面的工作。
参考文献
[1] 侯振忠. 液压驱动机械臂设计及其仿真研究[D].长安大学，2017.
[2] 程京华. 车载液压机械臂动态设计与研究[D].辽宁工业大学，2016.
机械臂设计论文篇11
0 引言
应用机械手代替人手进行工作，直接减少了很多的劳动力，同时由于机械手可以连续地工作，从某种角度上讲也是对人力资源的一种节省。因此，在综合加工自动生产线上，机械手变得随处可见。而本文设计的涂料机械手也使得生产自动化程度大大提高，而且也降低了工厂的成本，并且促进了生产线的柔性化或和集成化，更有利于提高产品的质量、数量和市场竞争力。
1 涂料机械手总体设计
1.1 涂料机械手的结构和工作原理
涂料机械手属于六个自由度和一个旋转的机械手。可以完成机械手转臂旋转、机械手主臂升降、机械手夹紧及松开工件和机械手转臂在卸料安装新料棒处停转6个自由度的运动。
该机械手属于气动机械手，其主要由固定支撑作用的主轴、主臂、横臂、转臂和夹紧器五部分组成。
具体工作原理是：从初始位置开始旋转
（1）A接近Y（定位）A执行涂料工艺动作；
（2）B接近Z（并定位）B执行淋沙工艺动作；
（3）C接近X（并定位）C执行装卸动作（完成一个动作的循环）。
1.2 涂料机械手工艺流程
本机械手有三个工位，分别为人工工位、涂料工位、淋砂工位。
人工工位是拆卸已完成的工件，安装新料棒，然后按下运行按钮。
涂料工艺动作：初始时，主臂上位，转臂在高位，一切到位后，转臂开始向低位转，主臂向下位运行，同时夹紧器旋转，20秒后，主臂到达下位。然后主臂向上运行，同时转臂向高位运行，20秒后，主臂到达上位。随后主臂向下，转臂向低，此时加紧器反向旋转，13秒后，主臂到达下位。然后主臂向上运行，同时转臂向高位运行，7秒后，此时，主臂、转臂到中间工位，旋转电机停止。完成一个循环。工艺流程图如图2所示。
2 涂料机械手硬件设计
在设计硬件电路时，主要用到的元器件是接近开关、电磁阀、减压阀、气缸。
本次设计采用的是三位五通带中位功能电磁阀。型号为4V330C-10。电压电流为AC220V，5.5A。每个臂2个，共用6个。三位电磁阀的阀芯有三个工作位置，平时不通电，处于微启状态，阀门关阀。阀门还带有手动装置，使得长期关阀时也不需耗电。其采用特殊工业加工，摩擦阻力小，启动气压低，使用寿命长，无需加油，附设手动装置，利于安装调试。三位电磁阀可视为一种结构更为紧凑的双联电磁阀，它很方便地实现三位调节，得到了很多应用。
本设计使用的是三线制直流型接近开关，每个臂6个，共12个。其型号为LJ12A3-4-Z/BX，NPN常开，工作电压为6-36V（DC），动作距离为4（2）mm，最大输出电流为300mA。其通电时所产生的电压降为0.3V左右，主要是输出晶体管导通时的晶体管本身所产生的电压降三线制“开关”静态消耗电流1-2mA。其中接近开关的引线长度在200米以内，以免电压压降过大。
3 涂料机械手软件设计
涂料机械手软件设计方案如下：
方案一：采用以转换为中心的编程方式。这种编程方式与转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时，会有很大帮助。
方案二：使用起保停电路的编程方式。使用一些辅助继电器，虽具有易阅读和易差错修改的特点，但它存在着自保护触点，编写的程序复杂且较长。
方案三：采用STL指令的编程方式。STL指令（步进梯形指令）是专门用于步进控制的指令。使用该指令可以使编制顺序控制程序更加方、清晰、直观，而且易于调试和维护，且代码较短。
故本次设计采用的就是STL指令的编程方法，即步进顺控。状态转移图如图3所示：
4 结论
机械手控制系统采用PLC进行控制，大大提高了该系统的自动化程度，减少了大量的交流接触器和硬件接线，且提高了控制系统的可靠性。同时，使用PLC进行控制，可方便更改生产流程，增强控制功能。可以根据工件变化的需要及工艺流程的要求随时更改相关参数，实现控制系统的不同工作需求，也为教学和科研提供了比较理想的平台。
机械臂设计论文篇12
一、机电一体化关节的设计
（一）机械臂的构成
在空间机械臂当中，主要包括在轨控制系统、移动基座系统、末端效应器系统、关节驱动控制系统、结构与机构系统、视觉系统、末端作业工具系统、地面控制台等部分。其中，末端效应器连接臂杆和关节等结构，机械臂的空间运动就能够通过关节的旋转来完成[1]。
（二）机械臂关节的要求
在机械臂关节的实际应用中，需要对完成空间站的维修、建设、维护等工作，从而对空间站的运行状态加以确保。提高航天员的安全性和行动能力，降低航天员的出舱次数。此外，还需要最大限度的将航天员的作业风险降低，同时确保作业环境的安全。在机械臂当中，关节是最为重要的结构，通过力闭环、位置和速度的控制，使机械臂能够实现多自由度的旋转运动。关节需要提供操作驱动和负载能力给机械臂，同时能够紧急制动机械臂，有效限制欲动角度，保护机械臂结构。同时需要提高机械臂控制和测量的精度。通过关节，能够交互中央控制系统和机械臂之间的信息。此外，如果关节发生失效会损坏，应当能够进行方便的在轨拆装。
（三）关节的设计方案
机电一体化关机需要提供传动、驱动、制动、驱动控制、通信、位置速度信号采集、温度信号采集等功能，同时应当严格控制关节的体积和质量。因此，在设计过程中，在确保功能满足要求的基础上，应当尽量进行轻量化、小型化的处理。此外，还应当具备良好的可靠性和环境适应能力。因此，在实际设计过程中，应当结合实际需求，首先确定整体的设计方案，包括冗余设计、中心孔走线、传感器和零部件选型等[2]。结合性能参数和功能要求，对性能指标加以分配，同时对零部件的接口和尺寸进行详细的核对。然后设计关节的电气控制硬件、内部结构，编写相应的控制软件，设定控制算法。在完成关节软硬件和结构的设计之后，还要进行相应的测试检验才能投入使用。
二、机电一体化关节的控制
（一）关节控制模式
在机电一体化关节控制当中，主要包括位置控制、速度控制、力矩控制。在位置控制当中，中央控制器将位置命令发送给关节控制系统，通过位置三闭环结构、电流、速度控制，设置位置控制器、电流和速度，利用传感器获取末端位置、电机等效电流、关节转速等参数，从而对为控制环路提供闭环反馈。在速度控制当中，中央控制器将速度命令发送给关节控制系统，利用双闭环、速度、电流等结构，设置电流和速度控制器[3]。然后利用传感器收集和计算电机等效电流和关节转速，并对控制环路提供闭环反馈。在力矩控制中，中央控制器将力矩命令发送给关节控制系统，利用力矩双闭环和电流结构，来设置电流和力矩控制器。再利用传感器采集和计算电机等效电流和力矩参数，为控制环路提供闭环反馈。
（二）关节控制方法
在机电一体化关节当中，主要包含了谐波减速器、伺服电动机等结构。其中的扭转弹簧具有一定的刚度，它与减速器柔轮之间存在着等效的关系。在系统控制的过程中，外界干扰和摩擦等因素将会对其造成影响。因此，应当针对关节系统，进行力学模型的建立。通过这一模型来计算和设置后续矢量控制等参数。在这一过程中，会涉及到关节输出轴位置、电机轴位置、负载惯量、扭转弹簧刚度系数、减速比、非线性摩擦力矩、电机惯量、电机阻尼系数、驱动力矩等参数。
在关节控制系统中，主要包括位置环、电流环、速度环等部分。因此，在其运动控制的过程中，应当确保其在变负载、不同负载等情况下保持稳定状态。由于关节运动速度较低，位置动态响应能力要求也不高，因此，在控制算法中，应当对关节柔性影响给予更高的重视。这样，就能够抑制控制振动，使振动次数和振幅降低。在抑制柔性关节扭转振动的过程中，与低速非线性摩擦补偿、高精度定位控制设计、级联动力特性等问题密切相关[4]。
在机械臂关节空间转动过程中，时变性惯量的出现，与机械臂的负载变化和位型变化有关。在运动控制算法中，主要涉及到PID控制加柔性补偿、计算力矩前馈、状态空间反馈等问题。在设置参数的过程中，PID技术能够发挥良好的作用，具有较高的灵活性，因而能够产生良好的控制性能。在当前很多相关产品中，都对线性PID增量控制算法进行了应用。如果没有对动态响应提出过高的要求，在控制位置、电流、转速闭环的时候，可以采用PI控制方式，利用动态模型来模拟摩擦模型，并在控制其中进行补偿。另外，由于谐波减速器需要达到一定的刚度，应当进行柔性扭转控制补偿，对变参数PI设计加以应用。如果负载面发生大范围变化，控制系统应当结合实际情况，分别设定多个控制参数，在线进行调整和切换，从而维持机械臂的稳定运行。
结论
在当前的航空领域当中，空间机械臂是一种非常重要的设备，在空间站的各项工作任务中，空间机械臂都发挥着不可替代的巨大作用。在实际应用中，若要实现空间机械臂稳定、高效的运行，就离不开关节的辅助。对于空间机械臂来说，其性能会受到机电一体化关节的直接影响。因此，应当对其进行详细的设计和控制分析，从而使其能够更加良好的发挥作用。
参考文献：
[1]胡素梅. 空间机械臂机电一体化关节的设计与控制[J]. 电子制作，2014，01：54.
机械臂设计论文篇13
1 汽车玻璃企业机械手臂的种类
榱嗽谏产过程中减少消耗、提高劳动效率、保证产品质量，因此汽车玻璃企业都已经广泛使用了机械手臂。机械手臂的使用能够更好地利用平衡原理，在保证玻璃安全的前提下，更加快捷、高效的在狭小空间内完成玻璃的移动定位，这一过程只需要作业人员的简单点动。现阶段使用的机械手臂按照结构形式，我们可以将其分为两类，分别是硬臂式机械手臂以及软索式机械手臂两种，企业应根据生产过程中的实际情况进行选择。下面我们分别对两种机械手臂进行分析、描述：
1.1 硬臂式机械手臂
硬臂式机械手臂由四部分组成，分别是夹具部分、机械手主机、气路控制系统以及地面行走机构。硬臂式机械手臂能够在厂房高度有限、工件重心远离悬挂点，并且工件需要倾斜或者反转的情况下使用。与此同时，硬臂式机械手臂配备有储气罐，能够保证在断气状态下继续使用一循环，而且还能够发出警报，在压力下降到一定程度时，启动自锁功能，保证零件的安全。由于硬臂式机械手臂配备有安全系统，因此操作人员无法在工件在运输过程中、未妥善方式的情况下进行释放。通过非标夹具的配合使用，硬臂式机械手臂的适用范围大幅扩展，几乎可以起吊任意形状的工件，因此这种机械手臂的适用范围极为广阔。
1.2 软索式机械手臂
软锁式机械手臂的功能与硬臂式机械手臂基本一样，而且通过配备储气罐的方式，断气状态下继续使用一循环，并且能够向操作者提出警报。软锁式机械手臂通过配合使用各种非标夹具的方式能够实现生产范围的扩大，这种生产方式具有简单实用、价格低廉的特点。
2 机械手臂的特点
机械手臂具有通用性高、可编程、体积小、重量轻、拟人化以及机电一体化等特点。除了部分专门设计的非标机械手臂外，绝大多数的机械手臂都能够执行不同的作业任务。例如：通过更换末端操作工具执行不同的作业任务，而且机械手臂在结构上类似于人体，由电脑控制可以进行多种动作，完成不同的任务。由于机械手臂能够进行再编程，因此我们可以完成小批量、多品种的生产制造。此外，由于机械手臂涉及到多种专业技术，是微电子技术、计算机技术、网络技术以及机械技术的综合应用。
机械手臂最显著的特点就是能够降低作业人员的劳动强度，在保证产品质量的同时，提高生产效率。机械手臂的动力是电能，设备本身通过提前输入程序，过程中进行有效保养，就可实现机械手臂的快速、敏捷、不停顿、精确地动作，因此能够在保证产品的质量的同时，提高生产效率。最后，机械手臂的应用，避免了企业作业人员在危险环境下作业的几率，有效提高了企业的安全生产水平，为企业的长远发展提供了有力支持。
3 机械手臂在实际中的应用
汽车玻璃均为安全性玻璃，主要有钢化玻璃以及夹层玻璃两种，在前风挡上采用的是夹层玻璃，避免由于玻璃碎裂而对驾驶员造成安全威胁，而汽车的侧后风挡大多数都采用钢化玻璃，保证在被外力破坏时，能够碎裂成碎小钝角颗粒，避免对汽车内成员的二次伤害。虽然这两种玻璃在使用过程中都能够有效保证驾驶员以及车内其他成员的人参安全，但是生产过程中，由于半成品玻璃未经过热处理，仍旧会给作业人员产生安全隐患，因此绝大多数的汽车玻璃企业都通过加大机械手臂的应用来缓解这种情况。
汽车玻璃加工过程中最为危险的一道工序就是将原片玻璃搬上工作台，而且由于原片玻璃的尺寸过大，极易在运输过程中造成损伤，导致玻璃碎裂的可能性增加。现阶段汽车玻璃企业中应用的六轴机械手臂就有效解决了上述问题。
在机械手臂前段安装波纹真空吸盘、顶针、光控以及超声波传感器等零件来协调机械手位置，自动进行玻璃的吸附，保证能够平稳将其从货架上运至输送台上。绝大多数的六轴机械手臂前段至少安装三个控制系统，使玻璃面与吸盘整体面平行。六轴机械手能够多方位隐形调节使其达到满意的平面及角度，通过归纳总结，这种机械手具有精度高、灵活性强、适应性好的优点，但是由于价格高、维修困难，需要固定底座位置等原因，也在一定程度上限制了技术的应用。
现阶段，很多汽车玻璃企业都与大学、设计院等进行有机联合，根据企业的实际生产情况设计机械手臂，例如：北京某汽车玻璃企业同北京某大学联合，设计了一套既经济实惠，又能够满足生产需求的机械手臂，由于企业的生产车间内空间狭小，将手臂设计成吊挂式，这种手臂在实际的应用过程中展现出了效率高、操作简单、结构简单以及维修方便的优势，在初加工阶段应用的效果非常明显，但是由于对吸附玻璃时对摆放精度要求较高，因此不能在复杂工序中使用。
最后，我们常用的汽车玻璃有锡面和非锡面两种，通过六轴机械手臂我们能够将锡面相反的玻璃翻转过来，这就通过搬运过程中检测的方式，保证了玻璃的摆放顺序，还能够加快生产流程，避免安装错误情况的发生。
机械手臂作为汽车玻璃企业中应用频率最高的设备之一，很大程度上决定了企业的未来发展情况，因此现阶段大量的资金以及人力偏向于机械手臂的研究与改进。相关资料表明，未来的机械手臂必然会向着精度高、定位准确、模块化、机电一体化、多臂机械手以及联网机械手等方向发展。未来的机械手臂在完成现有工作的同时，通过大量先进技术的应用实现更高精度的生产与运输，将随机误差控制在最小范围内；而且机械手臂还能够通过不同模块组合的方式，完成不同的生产任务，具有极高的灵活性；机电一体化的实现，还能够减少设备的占地面积，降低维修、检查难度，提高可靠性；鉴于未来复杂的生产条件，以及较高的生产效率要求，多臂机械手必然会应运而生；与此同时网络技术的发展，也会使机械手的生产更加灵活多变。
4 结论
伴随着我国汽车行业的快速发展，汽车玻璃企业也迎来了发展的契机，因此现阶段绝大多数的汽车玻璃企业都在通过加大机械手臂应用，提高生产效率，保证生产质量的方式，促进企业核心竞争力的增长。笔者希望能够通过本文对机械手臂的探讨，引起大家对机械手臂重视程度的不断提升，再一次提升汽车玻璃企业的生产自动化水平，间接促进我国汽车行业的发展。
参考文献
