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機械手設(shè)計論文范文第1篇

關(guān)鍵詞：仿人 機械手 單片機STC15F204EA 驅(qū)動器 步進電機

中圖分類號： TP241 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2015）04（a）-0000-00

中國在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，把“服務(wù)機器人”研發(fā)作為重點項目。機械手是“服務(wù)機器人”的關(guān)鍵部位，在各種護理機器人、陪護機器人、中醫(yī)按摩機器人中，機械手是機器人完成“服務(wù)”任務(wù)必不可缺的一部分。設(shè)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(zhì)、機械結(jié)構(gòu)、控制技術(shù)進行了深入的調(diào)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(shè)計結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)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(xiàn)機械手認知能力，且所有部件均集成在手指和手掌內(nèi)。開發(fā)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(jié)構(gòu)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(xué)科與機器人技術(shù)的交叉和融合，促進我國“機器人”的進一步發(fā)展，提高其技術(shù)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(gòu)、拇指機構(gòu)和所有的手指驅(qū)動機構(gòu)組成。手掌內(nèi)放的驅(qū)動直流小電機，節(jié)約了手的空間，縮小了體積；手指機構(gòu)包括小指、無名指、中指和食指，它們都由相同的構(gòu)件組成，包括兩個關(guān)節(jié)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(fā)生碰撞。拇指機構(gòu)是單獨的零件體，單獨與四指機構(gòu)用連桿連接，減小了機構(gòu)的復(fù)雜性，有利于優(yōu)化機構(gòu)。傳動機構(gòu)包括電機軸齒輪、減速齒輪、驅(qū)動手指機構(gòu)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(nèi)，帶動齒輪實現(xiàn)各級減速，半齒連接在四指上，當半齒轉(zhuǎn)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(xiàn)物體抓握。

2仿人機械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3-1仿人機械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖3-1所示為基于單片機系統(tǒng)設(shè)計的仿人機械手控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(nèi)部自帶有的A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機將得到的數(shù)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(jù)采集到的夾緊力對應(yīng)的電壓信號來算得手指的運動的位移，向外部驅(qū)動電路發(fā)送不同的位移信息。外部的電機驅(qū)動器將接收到的數(shù)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(shè)計控制系統(tǒng)的過程中，對控制芯片的選擇至關(guān)重要，從系統(tǒng)的穩(wěn)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(chǎn)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(shè)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(zhuǎn)換功能，無需在系統(tǒng)再搭建模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

2.3電機驅(qū)動模塊的設(shè)計

2.3.1驅(qū)動芯片的選擇

L293是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、小電流電機驅(qū)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(xù)工作電流為1A。內(nèi)含兩個高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和繼電器線圈等感性負載；該芯片可以驅(qū)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(qū)動器之間的接線與參數(shù)設(shè)置

本文所采用的單片機STC15F204EA可以控制驅(qū)動器L293驅(qū)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(diào)制信號以實現(xiàn)對電機進行調(diào)速控制。實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，如果接低電平，電機就反轉(zhuǎn)?？刂屏硪慌_電機是同樣的方式，驅(qū)動器L293輸入信號端D2接高電平，電機M2正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)，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(tǒng)接線原理圖，詳細地繪制了單片機控制驅(qū)動器并連接兩臺電動機的工作過程。

圖3-2 控制系統(tǒng)接線原理圖

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)所采用STC15F204EA單片機對應(yīng)晶振為12MHZ，利用定時器控制產(chǎn)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(diào)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(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；

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(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；

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(zhuǎn)向控制；

sbit PWM2_OUT=P3^2；//M2：PWM的輸出腳；

sbit MOTOR2_DR=P3^3；//M2：電機轉(zhuǎn)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(jié)論

本文設(shè)計了一種仿人機械手運動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了仿人機械手結(jié)構(gòu)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(yōu)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(tǒng)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(xiàn)了信息的良好通訊。通過驅(qū)動芯片L293驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)實現(xiàn)對機械手抓握物體的良好控制。

參考文獻

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機械手設(shè)計論文范文第2篇

關(guān)鍵詞：采摘機械手臂；蘋果；結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

水果采摘季節(jié)性強、費用高且勞動量大[1]。加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程，實施“精確”農(nóng)業(yè)，廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)機器人，提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動強度，提高經(jīng)濟效率將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)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(xué)已經(jīng)開始了對黃瓜采摘機器人的研制[3]，浙江大學(xué)對番茄采摘機器人進行了結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計的優(yōu)化[4]，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計，最后對設(shè)計結(jié)果進行試驗驗證。

1 機械人機構(gòu)選型及自由度的確定

由于采摘機械人的作業(yè)對象是蘋果，質(zhì)量輕，體積小，故而可選擇較為簡單、靈活、緊湊的結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)機械人手臂的動作形態(tài)，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(guān)節(jié)型機械手。采摘機械臂的結(jié)構(gòu)型式選取主要取決于機械人的活動范圍、靈活性、重復(fù)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(jīng)過對蘋果采摘空間的研究，結(jié)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(nèi)，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(yīng)當具有較大的工作空間，因此選用多關(guān)節(jié)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(yè)。

實際中，蘋果生長位置隨機分布，這就要求機械臂的末端執(zhí)行器能夠以準確的位置和姿態(tài)移動到指定點，因此，采摘機械人還應(yīng)具有一定數(shù)量的自由度。機械臂的自由度是設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)目應(yīng)該與所要完成的任務(wù)相匹配。一般來說，自由度數(shù)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(qū)動，會使得機器人的成本上升，而對于農(nóng)業(yè)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(yīng)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(shù)目定為六個，這樣不僅能夠使得末端執(zhí)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(xiàn)冗余問題。

2 采摘機械臂工作原理

圖1 機械人結(jié)構(gòu)簡圖

圖1是本次設(shè)計的球類水果采摘機械人的結(jié)構(gòu)簡圖。該結(jié)構(gòu)為六自由度機構(gòu)，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(tǒng)實現(xiàn)各個部分之間的相對轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)。其中的各個轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)均是通過電機驅(qū)動螺旋絲桿來實現(xiàn)。該設(shè)計機械臂的傳動如下：（1）底座旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)動。移動至目標采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂轉(zhuǎn)動。將采摘機械手送至目標采摘物的附近。（4）手腕轉(zhuǎn)動及旋轉(zhuǎn)。調(diào)整機械手末端采摘機構(gòu)的姿態(tài)，使其處于一個合適的位置，保證采摘任務(wù)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(wù)。此外，將末端執(zhí)行器設(shè)計為關(guān)節(jié)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(gòu)實現(xiàn)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(guān)節(jié)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(zhuǎn)動角度，而在這兩個參數(shù)中，設(shè)計結(jié)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(zhí)行器的舵機6用來調(diào)整手的姿態(tài)，因此可以先忽略舵機1、6，將舵機2軸線中心的位置設(shè)為坐標系原點。

圖2 舵機分配方框圖

3 機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)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(jù)零件圖及裝配圖進行試驗臺搭建。由于設(shè)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(fā)送控制指令信號，從而實現(xiàn)機械人在空間中精確作業(yè)。試驗結(jié)果表明：機械人能夠較為平穩(wěn)、準確地對目標物進行夾取、移動、放置等任務(wù)。證明設(shè)計合理，試驗臺搭建正確。

5 結(jié)束語

通過對水果采摘作業(yè)的分析，設(shè)計了一套六自由度關(guān)節(jié)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(zhí)行器能夠執(zhí)行對水果的采摘任務(wù)。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(fù)雜性。當然，設(shè)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(shù)不成熟，有待進一步的改善。

參考文獻

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機械手設(shè)計論文范文第3篇

關(guān)鍵詞：六自由度機械臂；OpenCV；伺服；制動

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）33-0227-03

1 機械臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.1 開發(fā)環(huán)境

本設(shè)計的開發(fā)環(huán)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(fā)團隊開發(fā)，使用類似C語言的processing開發(fā)環(huán)境。Arduino可以自行設(shè)計或者購買已經(jīng)焊接好的板子，程序代碼寫在arduino IDE上，實現(xiàn)對arduino板子的控制。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

作為近幾十年來發(fā)展起來的一種自動設(shè)備，機械臂可以通過編寫軟件程序來完成目標任務(wù)，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(yè)過程中，機械臂控制的準確性和對環(huán)境的適應(yīng)性，已經(jīng)使其在各個領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。高級類型的機械臂，可以執(zhí)行更復(fù)雜的操作。將機器臂運用于工業(yè)生產(chǎn)過程，除了可以提高生產(chǎn)率之外，還能夠減弱工人的勞動強度，使生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動控制。因此機械臂在近幾年得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。

在國外，工業(yè)機器人的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，涵蓋于各個行業(yè)，已經(jīng)得到了非常廣泛的運用，而相比國內(nèi)，我國基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)跟不上，機械設(shè)計的工藝也達不到一個極高的水平，而且部分設(shè)計不夠系統(tǒng)科學(xué)，大多處于一個模仿的階段。以上原因?qū)е挛覈I(yè)機器人在國際上并不能達到一個較高的水準。如今國內(nèi)企業(yè)需要革新自己的技術(shù)，加強學(xué)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(shè)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(zhuǎn)為HSV模型->對得到的二值圖像進行輪廓檢測->創(chuàng)建回調(diào)函數(shù)并對得到的三幅圖像進行合并->創(chuàng)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(shù)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(diào)節(jié)功能進行顏色識別，再對結(jié)果進行一系列的處理達到預(yù)期要求。

1.3.2 OpenCV簡介

OpenCV是一個基于開源發(fā)型的跨平臺計算機視覺庫，可以運行在眾多操作系統(tǒng)上，由一系列C函數(shù)和C++類構(gòu)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(xué)領(lǐng)域，衛(wèi)星地圖的圖像整合拼湊；醫(yī)學(xué)界病人器官圖像的去噪處理；安全系統(tǒng)中的物體動態(tài)監(jiān)測而預(yù)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(yīng)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(yīng)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(shù)值漸變，底部表示為黑色，而頂端表示為白色。在實際實驗環(huán)境中，RGB顏色經(jīng)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(wěn)定的處理這些光照的變化從而能更好地反應(yīng)顏色本質(zhì)、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(yù)處理

利用體感周邊外設(shè)中強大的Kinectz像頭（VideoCapture（…））獲取周圍環(huán)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(shù)進行RGB與HSV的轉(zhuǎn)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(shù)：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(quán)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(shù)：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(chǎn)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(lǐng)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(chuàng)建滑動條：返回所讀取的顏色參數(shù)闕值。本文設(shè)定了6個參數(shù)：

[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(shù)闕值，便用于檢查圖像像素灰度是否在設(shè)置的范圍內(nèi)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(xiàn)噪聲，所以采用膨脹腐蝕的方法進行圖像形態(tài)學(xué)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(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，是對信噪比與定位精度之乘積的最優(yōu)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(shù)得到輸出的圖像的輪廓函數(shù)（在二值圖像中），檢測輪廓個數(shù)，然后再用“cvDrawContours（…）”函數(shù)繪制檢測的輪廓。

2 機械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 自由度及關(guān)節(jié)

本機械手臂采用4個電機實現(xiàn)4自由度，進行手臂的升降，轉(zhuǎn)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(wěn)固的作用，為了使機械手臂更加的穩(wěn)定，增大其與表面的接觸面積，降低重心，提升其穩(wěn)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(shè)計

機械手是機械行業(yè)中必不可少的一個部分，主要起到操作，轉(zhuǎn)移等功能。根據(jù)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(jié)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(shè)計因?qū)崿F(xiàn)的主要功能是夾取物體并轉(zhuǎn)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(qū)動方式

調(diào)用Servo實現(xiàn)對舵機的控制，定義多個舵機，控制多個舵機，具體內(nèi)容根據(jù)實際情況進行調(diào)試。采用for語句，當紅外或者視覺采集到數(shù)據(jù)，給予反饋，實現(xiàn)舵機的停止或執(zhí)行下一步。舵機的轉(zhuǎn)動的角度通過脈沖寬度占空比實現(xiàn)。由于舵機牌子不同，舵機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wěn)，并且力不能夠過大或者過輕，移動時活動空間大。

機械行業(yè)一般常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動，電機驅(qū)動和氣壓驅(qū)動三種方式，每種驅(qū)動方式各有優(yōu)劣。本設(shè)計機械手臂中，要求驅(qū)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(diào)試；4）安全性高；5）成本低。

綜上所述，本設(shè)計采用電機驅(qū)動的方式對機械手臂進行驅(qū)動。電機參數(shù)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(xiàn)電機的轉(zhuǎn)動，其優(yōu)點是，能夠精確控制位置，但是因為需要進行初始位置，導(dǎo)致運行時間過長。本文設(shè)計方案傳動方式為舵機直接傳動，故不多作介紹。

3 結(jié)論

機械臂控制系統(tǒng)是當今社會的一項非常重要的研究課題，盡管其發(fā)展已經(jīng)有了一段很長的歷史，但是其發(fā)展并不完全成熟。無論是學(xué)術(shù)界、工業(yè)還是在教育教學(xué)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(shè)計是基于OpenCV六自由度機械臂驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，以六自由度機械臂為控制對象，以arduino為開發(fā)環(huán)境，輔以有著豐富視覺處理算法的OpenCV軟件，并在此基礎(chǔ)上，采用先進的控制理論，以正確的控制方法為指導(dǎo)，進行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

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

從實驗結(jié)果中看出，我們設(shè)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(xiàn)出優(yōu)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(jié)構(gòu)、性能的優(yōu)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(yīng)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(yōu)良決定了機械臂是否能自動協(xié)調(diào)運行，特別在輸入?yún)?shù)和機械臂抓取后的運輸，需要更加優(yōu)化、靈活的算法，從而將計算出的控制參數(shù)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(xù)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(yīng)該不斷改進、完善，以提高該機械臂系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性。

參考文獻：

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[9] 陳明秋.機械制圖[M].武漢理工大學(xué)出版社，2009.

機械手設(shè)計論文范文第4篇

Advances In Climbing and

Walking Robots

Proceedings of 10th International Conference(CLAWAR 2007)

2007，763pp

Hardback

ISBN9789812708151

M.謝等編

機器人學(xué)是工程及自然科學(xué)中令人神往的領(lǐng)域。機器人學(xué)已經(jīng)對許多工業(yè)做出重要貢獻，工業(yè)機器人在諸如組裝、焊接、油漆及材料處理之類的任務(wù)中廣泛應(yīng)用。與些同時，我們又目睹了特殊機器人的出現(xiàn)，它們在非工業(yè)環(huán)境中執(zhí)行有價值的任務(wù)，這些任務(wù)包括搜索與救援、掃雷、監(jiān)測、探險及安全保衛(wèi)。此外，對在民用及專業(yè)服務(wù)部門中機器人的技術(shù)研究及發(fā)展工作正在進行。類似攀登與行走機器人這類用于在非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的移動機器人的興起，進一步加劇了機器人學(xué)研究必須面對的挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)不僅包括了涉及標準化在內(nèi)的技術(shù)與工程方面，而且也包括了社會、經(jīng)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(fā)振奮人心的應(yīng)用及挑戰(zhàn)。

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(shù)，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(jīng)網(wǎng)絡(luò)；4.繩索攀登機器人的設(shè)計與構(gòu)造；5.用于長焊接線檢驗的攀登機器人開發(fā)；6.關(guān)于利用陀螺效應(yīng)二足移動的提議；7.新型腿－輪行走機器人的設(shè)計與問題；8.利用滯后算法的似人機器人RH1的腳規(guī)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(wěn)定性分析；11.三維雙腳機器人無驅(qū)動動態(tài)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(tǒng)結(jié)構(gòu)；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(tǒng)并行規(guī)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(yīng)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(fā)的研究人員、工程師閱讀借鑒。

胡光華，

高級軟件工程師

(原中國科學(xué)院物理學(xué)研究所)

機械手設(shè)計論文范文第5篇

一、選題意義:

1、理論意義:(1)學(xué)習模具設(shè)計的一般方法，了解和掌握常用模具整體設(shè)計、零部件的設(shè)計過程和計算方法，培養(yǎng)正確的設(shè)計思想和分析問題、解決問題的能力，特別是總體設(shè)計和計算的能力.

(2)綜合運用熱鍛模課程和其它有關(guān)選修課程的理論及生產(chǎn)實踐的知識去分析和解決模具設(shè)計問題，并使所學(xué)專業(yè)知識得到進一步鞏固和深化.

(3)通過計算和繪圖，學(xué)會運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱有關(guān)技術(shù)資料等，培養(yǎng)模具設(shè)計的基本技能

(4)可以掌握鍛造工藝，熟悉各種鍛造各種鍛造設(shè)備，熟悉掌握計算機操作以及了解deform軟件的應(yīng)用，并具有機械設(shè)計及制造等綜合知識.

2、現(xiàn)實意義:隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，許多新技術(shù)，新工藝，新設(shè)備，新材料不斷涌現(xiàn)，進一步提高鍛件的性能指標;同時縮短了生產(chǎn)周期，降低了成本，使之在競爭中處于優(yōu)勢地位.

鍛造是一種借助工具或模具在沖擊作用下加工金屬機械零件或零件毛坯的方法.鍛件的最大優(yōu)勢是韌性高、纖維組織合理，件與件之間性能變化小;鍛件內(nèi)部質(zhì)量與加工歷史有關(guān)，不會被任何一種金屬加工工藝超過.

鍛件的優(yōu)勢是由于金屬材料通過塑性變形后，消除了內(nèi)部缺陷，如鍛(焊)合空洞，壓實疏松，打碎碳化物，非金屬夾雜并使之沿變形方向分布，改善或消除成分偏析等，得到了均勻、細小的低倍和高倍組織.而鑄造工藝得到的鍛件，盡管能獲得較準確的尺寸和比鍛件更為復(fù)雜的形狀，但難以消除疏松、空洞、成分偏析、非金屬夾雜等缺陷;機械加工方法獲得的零件，尺寸精度較高，表面光滑，但金屬內(nèi)部流線往往被切斷，容易造成應(yīng)力腐蝕，承載拉壓交變應(yīng)力的能力較差.

這幾年，我國火車不斷提速，動車、高鐵相繼投入運營，這也代表著以后的發(fā)展方向，這要求我們必須保證火車導(dǎo)軌的安全可靠行，為保證高速列車運行的平穩(wěn)性和旅客的舒適性，高速鐵路的平順性是很重要的指標，國外高速鐵路采用斷面尺寸公差和平直度要求很高的長定尺鋼軌并焊接成超長無縫線路.接頭作為連接導(dǎo)軌的關(guān)鍵部件起著至關(guān)重要的作用.

模具制造技術(shù)現(xiàn)代化是模具工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，性能良好的鍛造設(shè)備是提高鍛造生產(chǎn)技術(shù)水平的基本條件，高精度、高壽命、高效率的鍛模模需要高精度高自動化的鍛造設(shè)備相匹配.為了滿足大批量高速生產(chǎn)的需要，目前鍛造設(shè)備也由單工位、單功能、低速壓力機朝著多工位、多功能、高速和數(shù)控方向發(fā)展，加之機械手乃至機器人的大量使用，使鍛造生產(chǎn)效率得到大幅度的提高，各式各樣的鍛造自動線和高速自動壓力機紛紛投入使用.

二、課題關(guān)鍵問題及難點

本課題以鍛造工序的數(shù)目確定、預(yù)成形設(shè)計為重點，對比不同形狀預(yù)制坯的成形過程，給出了合理的制坯工序布排和設(shè)計，實現(xiàn)了一火鍛造.同時，開發(fā)了封閉飛邊閉式鍛造預(yù)鍛工序，提高了材料利用率.最后，對鍛造過程進行了三維有限元模擬，在40mn熱模鍛壓力機上進行了試驗和試生產(chǎn)，模擬和試驗結(jié)果證明鍛造設(shè)計符合生產(chǎn)要求.該鍛件形狀復(fù)雜，材料分布非常不均勻，其鍛造工序編排和模具設(shè)計難度更大.

本課題的難點在于應(yīng)用三維繪圖軟件和deform軟件對其進行應(yīng)力應(yīng)變分析，通過軟件規(guī)范初設(shè)數(shù)據(jù)并反復(fù)進行修改，直到得到最優(yōu)的設(shè)計方案..

三、調(diào)研報告(或文獻綜述)

我國的經(jīng)濟體制發(fā)生了根本的變化，由過去的計劃經(jīng)濟過度到現(xiàn)在的市場經(jīng)濟.鍛壓生產(chǎn)雖然生產(chǎn)效率高，節(jié)約原材料和機械加工工時;但生產(chǎn)周期較長，成本較高，處于不利的競爭地位.鑄造、焊接、機械加工豆加入了競爭.鍛造生產(chǎn)要跟上當代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，需不斷改進技術(shù)，采用新工藝、新技術(shù)，進一步提高鍛件的性能指標;同時要縮短生產(chǎn)周期，降低成本，使之在競爭中處于優(yōu)勢地位.模具的技術(shù)水平明顯有了提高，一些國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)模具的性能已接近國外同類產(chǎn)品的先進水平，但由于我國起步晚，許多模具不得不依賴進口，與發(fā)達國家相比差距還非常大.

當代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對鍛壓技術(shù)本身的完善和發(fā)展有著重大的影響，這主要表現(xiàn)在一下幾個方面:

1. 對機械零件的性能要求更高.現(xiàn)代交通工具如汽車、飛機、機車的速度越來越高，負荷越來越大.出更換強度更高的材料外，研究和開發(fā)新的鍛造技術(shù).挖掘原有材料的潛力也是一條出路.

2 .模具計算輔助設(shè)計、制造與分析(cad/cam/cae)的研究和應(yīng)用將極大地提高模具制造效率，提高模具質(zhì)量，使模具設(shè)計與制造技術(shù)實現(xiàn)一體化.

3. 模具的標準化、商品化、機械化及專業(yè)化自動生產(chǎn).

4. 工藝分析計算的現(xiàn)代化.它將與現(xiàn)代數(shù)學(xué)、計算機技術(shù)聯(lián)姻，對加工零件進行計算機模擬和有限元分析，達到預(yù)測某一工藝方案對零件成形的可能性與成形過程中可能會發(fā)生的問題，供設(shè)計人員修改和選擇.

目前鍛造業(yè)面臨的問題大概可以歸納為一下幾個方面:

1.裝備水平低，其主要表現(xiàn)是設(shè)備老化、精確度低.

2.管理體制亟待理順，生產(chǎn)廠點過多，力量分散.

3.機械制造廠家封閉式經(jīng)營生產(chǎn)，是產(chǎn)品缺乏競爭力.

4.科學(xué)研究投入少，接受新技術(shù)新工藝遲緩，其結(jié)果導(dǎo)致搞科研也搞生產(chǎn)，生產(chǎn)廠家的問題無人去解決.

四、參考文獻

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【7】鍛模設(shè)計手冊 北京:機械工業(yè)出版社，1991

五、研究內(nèi)容及確定方案各步驟

1、研究內(nèi)容:

(1)模具整體方案設(shè)計，包括零件的工藝分析、設(shè)計繪制鍛件圖、模具類型的確定、確定變形工步及中間坯料尺寸，壓力中心計算、壓力機選擇、計算原坯料尺寸的確定等;

(2)模具整裝配圖和模具主要零件的設(shè)計;

(3)編寫設(shè)計畢業(yè)論文

2、基本設(shè)計方案

本零件是屬于大型鍛件，首先根據(jù)相關(guān)尺寸確定其鍛造工步，通過計算/r以及h/d的相關(guān)數(shù)值， 基本步驟設(shè)計如下:

1、計算毛坯尺寸

2、選擇成型設(shè)備及其參數(shù)

3、用deform模擬軟件進行有限元模擬并分析缺陷并加以改進

4、模具工作部分尺寸的計算

5、模具的總體設(shè)計

6、下料

7、加熱

8、彎曲

9、預(yù)鍛

10、終鍛

11、切邊

六、進度安排

第5-6周 畢業(yè)實習，撰寫實習報告

第7-8周 寫出不少于3000字的文獻綜述;根據(jù)參考文獻和課題要求，提出自己擬定的可行方案;

第9-10周 寫出開題報告，開題;進行總體設(shè)計

第11-12周 外文文獻翻譯，完成詳細方案設(shè)計

第13-14周 完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計