三自由度机械手结构与原理研究

1、题 目： 三自由度机械手结构与原理研究 学 院： 轻型产业学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 丛榆坤 指导教师： 蔡小五 完成日期： 2014 年 5 月 11 日 毕业论文任务书毕业论文任务书毕业论文题目：毕业论文题目： 三自由度机械手结构与原理研究选题意义、创新性、科学性和可行性论证：选题意义、创新性、科学性和可行性论证：近年来，我国乃至世界三自由度机械手发展十分迅速，其数量和规模不断提高，所以对三自由度机械手的熟知变得愈发重要。为体现出三自由度机械手的现实价值，在此我们对三自由度机械手结构设计与工作原理做一细致分析。主主 要要 内内 容容 ：基于对三自由度机械手的结构与原理分析

2、，通过编写相关程序控制机械手运动。首先，了解机械手的发展现状；其次，对其硬件的选择及软件的使用做一说明；最后，通过实验，使理论与实际相结合，观察机械手的运动状况。目目 的的 要要 求求 ： 为了培养学生在实践中运用所学的专业知识，强调理论联系实际的学习态度，提高分析问题和解决问题的能力。培养学生掌握计算机操作技术，运用计算机编写程序进行模拟操作。计计 划划 进进 度度 ：1. 毕业论文选题(2013.09.012013.10.31)2. 确定毕业论文写作提纲(2013.11.012013.12.31)3. 形成毕业论文初稿(2014.01.012014.02.28)4. 形成毕业论文修改稿(2

3、014.03.012014.04.30)5. 形成毕业论文终稿(2014.05.012014.05.18)6. 答辩(2014.05.192014.05.26)指 导 教 师 签 字： 主管院长（系主任）签字： 年 月 日辽 宁 大 学本科毕业论文（设计）指导记录表论文题目三自由度机械手结构与原理研究学生姓名丛榆坤学 号102703104年级、专业2010 级电气工程及其自动化指导教师姓名蔡小五指导教师职称副教授所在院系轻型产业学院第一次指导（对确定题目、毕业论文（设计）任务书的指导意见）：确定论文题目为：三自由度机械手结构与原理研究独立查阅毕业论文资料。围绕课题题目收集、阅读有关文献资料。综

4、合分析题目内容和要求，运用理论课所学知识，联系实际提出解决问题的方法。同时对论文的目的和要求、计划进度进行了安排。指导方式：（请选择） 面谈 电话 电子邮件 指导教师签字： 2013 年 10 月 31 日第二次指导（对论文提纲的指导意见）：对论文的提纲进行了修改。认为论文有以下几个部分需要修改：1、三自由度机械手的研究背景2、三自由度机械手的基本结构3、三自由度机械手的软件控制系统指导方式：（请选择） 面谈 电话 电子邮件 指导教师签字： 2013 年 12 月 31 日第三次指导（对初稿的指导意见）：初稿完成后，对论文多出提出了修改意见。认为初稿在有些方面还不够成熟，在内容上还需要做出必要

5、的调整： 1、重点不突出，未明确表达出研究结论 2、格式有些地方不正确，有错别字，需要重新排版指导方式：（请选择） 面谈 电话 电子邮件 指导教师签字： 2014 年 02 月 28 日第四次指导（对修改稿的指导意见）：对论文初稿修改表示肯定。还是有格式问题需要修正。格式要按照辽宁大学的规定书写。指导方式：（请选择） 面谈 电话 电子邮件 指导教师签字： 2014 年 04 月 30 日第五次指导（对是否定稿、进入答辩及其它指导意见）：对论文进行了多次指导，认为可以定稿，同时还需要注意：1、认真做好答辩准备2、打印论文时按照学校要求格式进行3、注意答辩时间、地点的安排，答辩时按照要求的程序进行

6、指导方式：（请选择） 面谈 电话 电子邮件 指导教师签字： 2014 年 05 月 10 日主管院长（主任）签名 院系盖章 年 月 日注：指导意见如不够填写可加附页指指导导教教师师评评语语辽宁大学毕业论文（设计）成绩评定单辽宁大学毕业论文（设计）成绩评定单学 生： 丛榆坤 专 业： 电气工程及其自动化 论文题目： 三自由度机械手结构与原理研究 论文共 19 页。 指导教师评语：该生针对目前机器人领域中的三自由度机械手的发展现状，对其结构进行详细的介绍，通过ROBO Pro软件设计相关程序使机械手驱动。并在毕业设计过程中仔细认真，独立学习、掌握软件的使用方法。该设计软件操作简单、稳定可靠，可使学

7、生自主研究、开发，使机械手具有更多功能。课题设计得较为合理、效果较好，达到了本科毕业论文的要求。 本论文内容充分、格式正确，可以进入答辩环节。指导教师评分： 指导教师签字： 2014 年 5 月 23日评阅人评语： 该生选题具有一定的现实意义，论文观点正确、结构较为严谨、思路较为清晰、叙述流畅，并具有一定的创新之处，达到了本科毕业论文的要求。评阅人评分：评阅人签字： 2014 年 05 月 23 日答辩委员会评语： 轻型产业学院毕业论文答辩委员会（小组）于 2014 年 5 月 23 日审查了 2014 届电气工程及其自动化专业学生丛榆坤的毕业论文。答辩委员会评语： 该生选题具有一定的现实意义

8、，答辩自述流畅，主题突出，条理清楚，回答问题正确，答辩小组全体成员一致同意该生通过答辩。答辩成绩：答辩委员会成员：答辩委员会（小组）组长签字： 年 月 日 毕业论文（设计）成绩：评阅人评分 ：指导教师评分 ：答 辩成 绩：总成绩：院长（系主任）签字： 年 月 日注：评阅人评分满分为 100 分，指导教师评分满分为 100 分，答辩成绩满分为 100分；总成绩为三者的算术平均值（四舍五入） 。摘要当今社会，三自由度机械手(又被称作 3D 机器人)广泛应用于生产生活中，机器人学在近几十年内迅速发展成为一门综合学科。机械手的应用范围十分广泛,它不仅用于工业制造领域，也用于军事领域、医疗领域、农业领域

9、等。在提高工厂的生产效率和人们的生活质量的同时，也使人类社会发生了巨大变化。因此，机械手的研究具有重大的意义。本论文以三自由度机械手为主要研究对象，对其结构设计及工作原理作一阐述。使用慧鱼模型，为了使学生们加深理论知识的学习，并且能够在实践中体会机械手的运动轨迹与运动方式。从而更深层次地了解现代科学技术的发展，激发对其的兴趣，树立科学的观念，培养良好的独立研究能力。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成，具备抓取、搬运等多种功能。所述机械手机身采用机座式，实验对象围绕机座布置，其坐标形式为多关节式，具有水平旋转、手臂竖直摆动等3 个自由度；驱使其运动的动力源，常用的有液压、气压、电力

10、和机械四种驱动形式。我们所采用的驱动方式为电机驱动，利用伺服电机带动减速机，当减速机减速后带动旋转轴运动，从而实现各个回转运动。电机驱动的优点是控制速度，位置精度非常准确，反应迅速，线性度高，伺服特性好。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，被称为机械手的自由度。自由度是机械手设计的关键参数。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成动作的程序、位置和时间（甚至速度与加速度）等，是机械手动作的指挥系统。控制系统的核心通常是由单片机等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要求的功能。采用 ROBO Pro 软件进行模拟系统，最终实现关节的伺服控制和制动。关键词关键词：机械手；慧鱼模型；

11、运动坐标；伺服电机、ROBO Pro 软件IAbstractNowadays,three degrees of freedom manipulator (also known as 3D robot) is widely used in the production of life, robotics rapid development in recent decades become a comprehensive discipline. Robot applications is very wide, it is not only used in industrial manufactur

12、ing, but also for the military, medical field, agriculture and other fields. Improve plant productivity and quality of life of people, but also make human society has undergone tremendous changes. Therefore, the study of the robot has great significance.In this thesis, three degrees of freedom manip

13、ulator as the main object of study for an elaborate design of its structure and working principle . Use fischertechnik model , in order to deepen the theoretical knowledge of the students to learn, and be able to understand the trajectory of the robot movement pattern in practice . Thus a deeper und

14、erstanding of the development of modern science and technology, to stimulate their interest , establish a scientific concept , develop good independent study skills. Robot mainly by hand , sports bodies and control system has three major components , with the capture, handling and other features. Th

15、e mechanical base type using the phone itself , the subjects are arranged around the base , its coordinates in the form of multi-joint type, with horizontal rotation, a vertical arm swing , etc. 3 degrees of freedom ; driving power source of its movement , commonly used hydraulic , pneumatic , elect

16、rical and mechanical drive four kinds of forms . Drive the way we used to drive the motor , the servo motor driven gear , gear reducer drive when the rotation axis , in order to achieve various rotary motion . The advantage is that the motor drive controls the speed , position accuracy is very accur

17、ate , rapid response , high linearity, good servo characteristics.Independence movement way down movement mechanism, stretching, rotating, etc., are called degrees of freedom manipulator. Freedom manipulator is a key design parameter. Control system is through each degree of freedom robot motor cont

18、rol, to complete the action program, location, and time (even speed and acceleration), is the chain of command the robot movement. The core of the control system is usually controlled by a microcontroller, such as micro-chip structure, by its programming to achieve the required functionality. Using

19、ROBO Pro software simulation systems, and ultimately joint servo control and braking.Key words: Manipulator; fischertechnik; motion coordinates; servo motor; ROBO Pro Software.目录目录第一章第一章 绪论绪论 .11.1 机械手的历史背景.11.2 机械手的发展状况.21.2.1 国内机械手的发展状况.21.2.2 国外机械手的发展状况.21.3 机械手的应用前景 .31.4 机械手的优势及发展趋势 .4第二章第二章 机械

20、手分类及组成结构机械手分类及组成结构 .52.1 机械手的分类.52.2 机械手的组成.62.2.1 机械手的执行机构 .62.2.2 机械手的驱动机构 .72.2.3 机械手的控制系统 .7第三章第三章 机械手的控制系统分析机械手的控制系统分析 .83.1 控制系统硬件 .83.1.1 三自由度机械手的技术参数列表.83.1.2 电机.83.1.3 ROBO PRO 接口板.93.2 控制系统软件 .103.2.1 软件系统平台介绍 .103.2.2 控制系统总体设计 .12第四章第四章 三自由度机械手实验分析三自由度机械手实验分析.154.1 硬件设备的组装和与软件系统的连接.154.1.

21、1 实验所需设备 .154.1.2 组装过程.154.2 实验内容.15第五章第五章 结论与展望结论与展望.175.1 结论.175.2 展望.17参考文献参考文献.18致致 谢谢.190第一章第一章 绪论绪论随着时代的发展，科技的进步，三自由度机械手(又被称作 3D 机器人)广泛应用于生产生活中，机器人学在近几十年内迅速发展成为一门综合学科。机械手既是最早出现的工业机器人，又是最早出现的现代机器人，能模仿人的手和臂的某些动作，按照固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置1。从而可以替代人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，并且能在有害环境下使用以确保人身安全，现已应用于机械制造、冶金

22、、电子、轻工和原子能等部门2。以电镀工业为例，随着其发展，对电镀工艺提出了新的要求，同样对电镀设备也提出了更高的要求。机械手因为具有良好的空间转移性能和控制性能等特点，从而在电镀生产线上有很好的应用前景。在自动化装配生产过程中，机械手能将单个或多个工件迅速的从一个位置准确地抓取并移动到目标位置。机械手的使用大大提高了生产的效率，同时更易于实现自动化控制，确保操作人员免受电镀环境对于人身健康的影响。目前使用的机械手以二自由度机械手和三自由度机械手为主。本文为了使学生们加深理论知识的学习，并且能够在实践中体会机械手的运动轨迹与运动方式。从而更深层次地了解现代科学技术的发展，激发对其的兴趣，树立科学

23、的观念，培养良好的独立研究能力。1.1 机械手的历史背景机械手的历史背景机械手是以早期出现的古代机器人为基础发展起来的，对其研究始于 20 世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，尤其是 1946 年第一台数字电子计算机问世以来，计算机发展迅速，令世人始料未及。同时，大批量产品的生产需求推动了自动化技术的发展，进一步为机器人的研发奠定了基础。从另一角度而言，核能技术的研究要求某些操作需要由机械代替人处理放射性物质，以避免对人造成健康影响。在这一需求的背景下，美国于 1947 年开发了遥控机械手，1948 年又开发了机械式的主从机械手。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。现在，大部分

24、机械手仍处于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向依旧是是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制，其具有微型电子计算控制系统，视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把能感觉到的信息给予反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手目的为能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备相联系，并逐步发展成为柔性制造系统及单元。11.2 机械手的发展状况机械手的发展状况机械手的广泛使用是因为它的积极作用正日益为人们所熟知；一方面，它能部分代替人工操作，从而改善了工人的劳动条件，提高了劳动的生产率。另一方面，它能按照生产工艺的流程，传送和装卸物品并完成必要的器具焊接和装配。加快

25、实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到先进工业国家的重视，从而投入大量的人力物力加以研究和开发。尤其在高温、高压、粉压、噪音以及带有放射性的污染的场合，应用更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到相关部门的重视。1.2.1 国内机械手的发展状况国内机械手的发展状况我国机械手起步较晚，比欧美大约晚 30 年，在二十世纪七十年代初期，经过 40多年的发展，正日益走向成熟，1972 年我国第一台机械手在上海研发成功，之后全国各省都开始研制和使用机械手。从第七个五年计划（19861990 年）开始，我国政府加大了对工业机器人的重视程度，并且为此项目投入大量的资金。目前，在

26、国内广泛应用的再现式机械手，虽然一般都有记忆存储装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前操作一次，然后机械手可以按已操作过的工作内容正确进行再现动作。现在正研究的机械手朝着可以存储大量程序的方向，并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来更多的自由度。虽然在这方面相对于发达国家还处于落后阶段，但是国内已开始重视机械手的重要性，国家正大力支持相关的设计及产品的研发。在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果。但是，不得不承认我国机械手市场份额大部分由国外机械手企业掌握。快速发展的当今社会，我们务必要向机械手产业注入新的活力，从而去涉足机械手的前沿技术。我国一定能够迎

27、头赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面所处的领先地位。1.2.2 国外机械手的发展状况国外机械手的发展状况美国研制了世界上第一台机械手，结构为：机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上调试制成一台数控示教再现型机械手。同年，美国机械制造公司也实验成功一种中央立柱可以回转、升降，其采用液压驱动控制系统，同样为示教再现型的机械手。这两种出现在六十年代初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。1978 年2美国 Unimate 公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机

28、械手，内部装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1 毫米。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本在工业方面机械手的应用是最多的，也是发展最快的。自 1969 年从美国引进两种机械手后，便自行开始研究开发；前苏联从六十年代开始发展和应用机械手，自 1977 年，前苏联的机械手已经初具规模，可满足国内一半需求。如今，机械手经过几十年的发展，已经进入了以通用机械手为标志的时代。因机械手的快速发展，进而促进了智能机器人的研制。机械手涉及的内容，不仅包含机械、液压、气动等基础知识，还还应用了电子技术、计算机技术、无线电控制等，因此它是一项综合性较强的

29、科研内容。目前国外对发展这一方面很重视。几十年来，这一领域一直比较活跃，设计在不断创新，种类在不断增加，应用领域在不断扩大。现在，国外机械手的发展趋势是：(1) 研制具有更多自由度的机械手，使机械手变得更加灵活;(2) 研制能够自动编写和自动改变程序的机械手;(3) 研制智能机械手。通过传感装置，可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，从而将自动化生产线打造成为智能化生产线;(4) 研制具有柔性系统的机械手。1.3 机械手的应用前景机械手的应用前景机械手经过近几十年的发展，逐渐成为一种高科技自动化生产设备。其特点是可通过编程来完成相应的预期结果。在现代生产过程中，被广泛的运用于自动化生产线上

30、，能更好地与机械化和自动化有机结合起来。机械手构造和性能上兼有人和机器各自的优点，虽然还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作，不知疲劳，抓举重物的力量比人手力大，作业的准确性和各种环境中完成任务的能力等特点，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。在工业制造领域中，控制机器人在机械制造业中代替人完成大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、舰船制造等。化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、及物流系统的装卸等工作，也有部分是由机器人完成的。在军事领域中，让机器人执行侦察任务，尤其是一些相对较为危险的任务，比如，拆除炸弹的机器人及扫雷机器人等。3在医疗领域中，主要用来帮助护士完成日常的工作，比如，自动

31、监测病房内的空气质量等。部分机器人还将协助医生完成高难度手术，比如，眼部手术、心脏手术等。在农业领域中，机械手的应用可以降低成本，提高品质，提高劳动生产率，改善劳动条件，解决劳动力不足等问题。1.4 机械手的优势及发展趋势机械手的优势及发展趋势机械手的优点在于：动作灵活、运动惯性小、不间断劳作。随着生产的需要，多关节手臂逐步进入人们视野，其灵活性更高，关节数量从三个到十几个甚至更多，其外形也随不同的场合做出相应的改变。随着机械手的发展，人们对机械手的应用将会提出了更高的要求，一方面是重复高精度，重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。另一方面是系统模块化，模块化拼装的气动机

32、械手灵活性较好。它集成电接口、带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向3。4第二章第二章 机械手分类及组成结构机械手分类及组成结构2.1 机械手的机械手的分类分类机械手的种类按使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面形成分类，分别如下4。1.按使用范围分类（1）专用机械手。一般只有固定的程序，而无单独的控制系统

33、，适用于动作简单的大批量生产的场合。（2）通用机械手。是指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成既定任务的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型；伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。2.按运动坐标型分类（1）直角坐标式机械手。臂部可以沿直角坐标轴 X、Y、Z 三个方向移动。（2）圆柱坐标式机械手。手臂可以沿直角坐标轴的 X 和 Z 方向移动，又可绕 Z轴转动。（3）球坐标式机械手。臂部可以沿直角坐标轴 X 方向移动，还可以绕 Y 轴和 Z轴转动。（4）多关节式机械手

34、，分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接以及大臂和机体的连接均为关节式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角。3.按驱动方式分类（1）液压驱动机械手，以压力油进行驱动。（2）气压驱动机械手，以压缩空气进行驱动。（3）电力驱动机械手，直接用电动机进行驱动。（4）机械驱动机械手，是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。4.按机械手的臂力大小分类（1）微型机械手(臂力小于 1） 。（2）小型机械手(臂力为 110)。（3）中型机械手（臂力为 1030） 。5（4）大型机械手（臂力大于 30） 。2.2 机械手的组成机械手的组成机械手主要是由手部、运动

35、机构和控制系统三大部分组成的。手部又分为抓取机构和传送机构，抓取机构包括手指、传力机构等，主要是用来抓取和放置工件（或工具）的部件；传送机构包括手腕、手臂等，主要是改变选定目标的方向和位置。运动机构，使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现既定的动作，改变被抓持部件的方向和位置。驱使其运动的动力源，常用的有液压、气压、电力和机械四种驱动形式。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，被称为机械手的自由度。如果抓取空间中任意方位的物体，需有 6 个自由度，自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，表示机械手就越灵活，通用性越广，其结构也越复杂，控制系统也相对较难3。一般专用机械手有 2 个或 3

36、 个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成动作的程序、位置和时间（甚至速度与加速度）等5。是机械手动作的指挥系统。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或 DSP（digital signal processor）等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要求的功能。图 2.1 机械手的结构组成及相互联系2.2.1 机械手的执行机构机械手的执行机构机械手的执行机构包括手部、手臂、躯干。（1） 手部，安装在手臂的前端。手臂的内孔中装有传动轴，可以把运动形式传给手腕，以转动、伸曲手腕、开闭手指。6（2） 手臂，其的作用是引导手部准确地抓取工件，并

37、运送到指定的位置上。（3） 躯干，是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。2.2.2 机械手的驱动机构机械手的驱动机构机械手所用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。1.液压驱动式液压驱动式机械手通常由油缸、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机械手运动的执行机构进行工作。通常它具有很大的抓举能力，其特点是结构稳固、动作平稳、耐冲击、耐震动，但液压元件有较高的制造精度和密封性能等要求，否则漏油将污染环境。2.气压驱动式其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是气源方便、动作迅速、结构简单。因难以进行速度控制，所以气压不可太高，从而使抓举能力较低。3.电气驱动式

38、电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，反应快，驱动力较大，信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机（AC）为主要的驱动方式。由于电机速度高，通常须采用减速机构。4.机械驱动式机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特点是动作可靠，工作迅速，但不易于调整。2.2.3 机械手的控制系统机械手的控制系统 机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度等。机械手的控制分为点动和连续轨迹控制两种方式610。控制系统可根据动作的要求做出相应的改变。当采用数字顺序控制时，适用顺序、位置

39、、时间、速度等必须同时控制的场合，其中插销板使用于需要迅速改变程序的场合，进行点位程序控制。对动作复杂的机械手，采用示教再现型控制系统。更复杂的机械手采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。控制系统以插销板用的最多，其次是凸轮转鼓。它装有许多凸轮，每一个凸轮分配给一个运动轴，转鼓运动一周便完成一个循环。7第三章第三章 机械手的控制系统机械手的控制系统分析分析3.1 控制系统硬件控制系统硬件机械手的控制系统硬件设施是以机械手自身组成、伺服电机、ROBO 接口板为主组成，其余硬件作为辅助性设备保证机械手工作运转。3.1.1 三自由度机械手的技术参数列表三自由度机械手的技术参数列表1.抓取

40、重量:2Kg (夹持式手部)2.自由度数:3 个自由度3.座标型式:圆柱座标4.最大工作半径:300mm5.手臂最大中心高:320mm6.手臂运动参数伸缩行程：300mm 伸缩速度：50mm/s3.1.2 电机电机1.步进电机如图 3.1（1）所示。是将电脉冲信号转化为角位移或线位移的开环控制元11。非超载状况时，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角” ，其旋转以固定的角度运行的。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而准确定位；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度

41、，从而调整速度。2.伺服电机（servo motor）如图 3.1（2）所示。是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机能够使控制的速度，位置的精度非常准确，是将电压信号转化为转矩和转速来驱动控制对象。伺服电机转子作为执行元件，把收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，控制方便，体积小，重量轻。8(1)步进电机 (2)伺服电机图 3.1 步进电机与伺服电机二者相比较，步进电机作为一种开环控制的系统，与当代数字控制技术有着本质的联系，应用十分广泛。

42、随着直流伺服系统的出现，直流伺服电机的应用更加适应数字控制的发展趋势，形成闭环控制的系统。3.1.3 ROBO PRO 接口板接口板慧鱼 ROBO PRO 接口板可以使电脑和模型之间进行有效的数据转换，接口板可以传输软件指令，比如控制马达和处理传感器信号。图 3.2 为慧鱼接口板实际图样：图 3.2 慧鱼接口板图中上方的红按钮为程序选择按钮，下方的红按钮为端口选择按钮。图中最左下侧竖排四个插孔为距离传感器输入 D1 和 D2，其功能是专门用来连接9慧鱼的两个距离传感器。然后，按顺序依次向右为：模拟电压输入 A1 和 A2：连接输出为 010V 电压的模拟传感器。模拟阻抗输入 AX 和 AY：连

43、接电位器、光敏和热敏电阻，测量范围为 0-5.5k，分辨率为 10 位。数字量输入 I1I8：连接传感器，比如按钮、光电传感器；电压为 9V，ON/OFF 的切换电压值为 2.6V，输入阻抗为 10K。马达输出 M1M4：可连接四个 9V 直流马达（向前，向后，停止，八级调速），连续运行电流 250mA，带短路保护；另外也可以连接 8 个灯或者电磁线圈到单个的输出 O1-O8。图 3.3 为 ROBO PRO 接口板简图：图 3.3 慧鱼接口板简图3.2 控制系统软件控制系统软件ROBO PRO 软件中模块和子程序之间的数据转换，可以完成对变量和图形的连接。图形化编程语言 ROBO Pro 提

44、供所有的现代编程语言，程序翻译成机器语言直接执行。3.2.1 软件系统平台介绍软件系统平台介绍ROBO 编程软件的用户界面，包含：菜单栏、工具栏、功能区、编程窗口，如下图：10图 3.4 慧鱼软件界面ROBO 为用户提供 14 级的编程功能，我们可以根据由浅入深的学习过程进行选择，如图 3.5 所示：图 3.5 慧鱼软件编程功能级ROBO 主要模块列表：11表 3.1 主要模块示例图名称图形名称图形开始结束数字量判断模拟量判断马达输出输入等待循环计数延时子程序入口子程序出口脉冲计数器3.2.2 控制系统总体设计控制系统总体设计1.控制系统直接控制模型按程序运动。本次实验控制系统以计算机为主，控制端通过串口端（COM）与接口板连接并进行信息交换。2.模型运动是因为通过 PC 机算法运算后，将所编程序通过串口传给相应电机实现机器人电机转动，从而使其按照预定指令运动。 （a）电机启动停止子程序 （b）电机正反转子程序图 3.6 程序电机部分子程序12（a）位置子程序图(b)时间子程序图 3.7 位置时间子程序13图 3.8 控制系统主程