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機械手設計論文:智能倉儲機械手的結構設計

摘 要：工業機械手在工業生產的各個方面得到廣泛使用。文章根據國內外先進的機械手技術，設計出一種用于物料搬運，結構簡單，維護方便的機械手的結構。主要設計機械手臂部分和機械手抓手部分的機構。

關鍵詞：機械手；機械手臂；機械手抓手，結構設計

1 引 言

目前工業機械手面臨的問題主要還是成本的高昂和精度控制的不易達到要求。從工業機械手的具體應用情況來看，生產過程的機械自動化已成為現代工業的主要問題。雖然現代機械制造業中的加工、裝配等各生產工序主要是間斷的，但自動化生產中裝卸、搬運等工序亟待實現機械化，工業機械手的出現便可滿足這一需求。無論國內還是國外，工業機械手的應用前景廣闊，而對機械手使用性能的要求則越來越高，面對越來越多樣的產品需求，機械手結構上在向著小巧型，靈活型的方向發展，因此機械手結構設計的合理性變的至關重要。

2 機械手結構設計

2.1 機械手手臂部分原理

欲滿足機械手的搬運功能，即將貨物從某一水平高度提升至另一水平高度，可采用曲柄連桿機構實現規定搬運動作。本課題應用平行四邊形機構的運動特點，依靠電動推桿驅動平行四邊形機構轉動實現貨物高度上的變化。

平行四邊形機構是一種平面連桿機構，由于構件聯接呈平行四邊形，因此也叫做平行四邊形機構。平行四邊形機構結構簡單，易于分析，構件運動一致性好，廣泛應用于各種實現平移搬運等功能的機構。

2.2 機械手手臂部分結構設計

機械手手臂在整個工作過程中起著至關重要的作用。本文所設計的機械手臂為平行四邊形機構，由于機械手臂也是機械手負載的主要施加部位，故應具有良好的強度與剛度，保證在機械手工作中不能發生彎曲或折斷的情況，同時搬運機構若過于沉重則會影響搬運功能的實現。

工業鋁型材表面經氧化處理后，外觀漂亮且耐臟，工作中沾染的油污易于清洗，可根據不同承重采用不同規格型材組裝，同時搭配鋁型材配件，無需焊接，安裝拆卸方便，輕便環保，整體機械性能較好，廣泛應用于生產制造行業。

本文的搬運機構選用密度小強度大并廣泛應用于工業機械手行業的工業鋁型材較為合適。機械手手臂結構整體布局及各個部件，如圖1所示。

機構中的工業鋁型材之間通過鉸接的方式聯接而成，支撐連桿梁1通過銷軸5與固定在底座板材上的連接件聯接，由角鋁3將支撐梁與聯接電動推桿4的橫梁聯接起來，而電動推桿4與底座板材則通過電動推桿連接座2固定于底座上。

2.3 機械手抓手部分原理

搬運機械手末端的機械手爪是機械手直接與貨物接觸的部分，機械手爪能夠直接完成對貨物的拾取和夾緊動作，它可以依據人手動作通過設計實現相應功能，通常機械手爪被安裝在手臂的端部。機械手爪結構形式與人手有較大區別，它的結構外形擁有機械式的特點，通過不同部件的聯接組合完成指定運動過程，依靠自身的運動而將物件抱住，故手爪即為主要的傳力構件。

本課題所設計機械手的手部結構應為鉗爪式，鉗爪式手部結構包括手指和傳力機構。如圖2所示，機械手爪1在電動推桿的驅動下向右移動，當左部碰到左側連桿機構時帶動手爪2處，機械手爪的兩部分1、2完成張開手爪動作；當右側手爪在電動推桿縮回時，手爪2在彈簧作用下回復原來位置實現對貨物的抓取動作。

2.4 機械手抓手部分結構設計

對機械手爪設計過程中，應考慮以下幾個方面：機械手爪部件至少要有一定負載承受力，在將貨物重量計入影響后，鑒于搬運動作中由于顫動所產生的影響也應適當增大設計強度，避免工件發生松動或脫落的情況。

為使機械手爪和被運輸貨物間保持較為穩定的姿態，應根據貨物的實際外形設計相應的末端執行機構形狀。所設計機械手爪主要受到被夾持物的反作用力，必須達到設計所需強度和剛度防止手爪斷裂或彎曲變形的狀況發生，同時設計機械手結構應該簡單，縮小尺寸，盡量輕便以免影響運動過程。本文所設計機械手結構，如圖3所示。

其中，機械手抓取動作的通過以下動作實現：由電動推桿1伸長驅動一體式小抓手向右移動，同時與一體式小抓手通過螺栓連接的連接桿4被帶動向右移動，當連接板5接觸到連桿6時，在連桿機構作用下，連桿8將沿水平方向向左移動直至小抓手突出部分完全縮回連接板9內，此時連接板右端面接觸貨物，電動推桿1縮回直至右側一體式小抓手3上的連接板與貨物接觸并實現夾緊，在回縮過程中，當連接板5與連桿6不再接觸時，連桿8在彈簧7的作用下回復原位，兩個機械手爪的承重板通過支撐貨籃的缺口位置，完成對貨籃的抓取動作。

3 結 語

本文主要設計一種用于搬運貨物的機械手，在生產過程中的搬運貨物環節里替代工人，提高工作效率，節約更多的人力成本和物力成本。主要進行機械手的結構設計，通過對機械手臂和機械手抓手的結構設計，使整個機械手機構較為簡單，維護方便。

機械手設計論文:一種新型空調換熱器自動插翅機械手設計

摘 要：我國是全球最大的白色家電生產國和消費國，現在空調散熱翅片國內幾家大型空調廠的翅片插管大多都還是工人手動完成。本文介紹的空調換熱器自動插翅機械手裝置就是將空調換熱器中的散熱片無損傷地插到已經擺好的U型管中的機械設備。從而達到降低廢品率，提高勞動效率和自動化的目的。

關鍵詞：空調換熱器；自動插翅；機械手

0 引言

作為全球最大的白色家電生產國和消費國，現在國內大型空調廠的空調散熱片翅片插管大多都還是人工插翅，效率較低。而在國際上，日本的日高集團已經成熟的掌握了空調散熱器的翅片插管問題。目前正在推廣，該設備從翅片沖壓到脹管等幾個步驟都實現了全自動，不需要人為干預，廢品率已經達到了行業要求。但是價格比較昂貴。本文介紹的空調換熱器自動插翅機是一種由計算機控制的自動化翅片展開和翅片抓取并將翅片插到已擺好的U型管中的設備。

1 空調換熱器插翅機工作流程

如圖1，空調換熱器插翅機包括：接料部分、翻轉翅片、翅片展開、插片機械手和U型管循環5個部分，具有工作效率高，節省人力，廢品率低的特點。其工作流程如下：

接料設備將沖壓機沖出來的翅片接到接料設備上的接料針上，每20片一組進行循環，當翅片運到接料設備的取片處時，翻轉機械手開始工作，翻轉機械手先用接料針插入翅片孔內，然后夾取翅片，進行翻轉，使得翻孔面是朝上。翻轉過后，翻轉機械手將翅片放在展開機構上，然后展開機構將按組等距離展開，每組距離為165mm。然后插片機械手開始工作，將展開機構上的翅片全部插入到U型管中后，U型管循環設備將已插好的U型管運走，并將新U型管運到插片位置，整個設備就這樣不停地循環。

2 插翅機械手結構

機械手固定在Z軸上，控制其沿Z軸運動，控制機械手沿Z軸運動用線性模組控制。因為直線模組單體運動速度快、重復定位精度高、本體質量輕、占設備空間小、壽命長。因為我們設計的是20個翅片為一個單位，20個翅片落料的是時間為40s，所以分給機械手的時間為12s（一共要插2次，按一次6s，共12s），為了能跟上節拍，使用了兩組機械手。同時進行工作，兩組機械手同時從兩側向中間插。Y軸方向也用模組驅動。因為跨距為3000mm，而現有的線性模組，一般行程大都小于1600mm，行程過長會導致模組變形和精度降低，承載量會大幅降低。所以這里Y方向，采用兩個線性模組。單個線性模組的行程為1400mm。X方向因為行程過大，一側用行程為2000mm的絲杠和導軌組合驅動，另一側用直線滑軌導向。

3 插翅機械手動作過程

插翅機械手有3個動作：夾爪左右加緊收縮，夾爪托住翅片上下運動和下壓板的下壓運動。下面我們就對這三個動作進行詳細介紹：

3.1 夾爪左右加緊收縮

當機械手運動到指定位置，機械手開始夾取放在展開機構上的翅片，機械手沿著Z軸向下運動，當機械手上的定位針和展開機構上的定位針對齊并接觸時，機械手夾爪開始運動，夾爪向內收縮，運動的距離為25mm，夾爪底部平托住翅片，一個機械手上一側有4個夾爪托住翅片，防止翅片有過大的撓度變形，一側機械夾爪托住的寬度，大約為一個翅片寬（翅片寬18.19mm）。

3.2 夾爪托住翅片上下運動

當夾爪左右手縮加緊完成后，夾爪向上運動，將翅片向上抬起，目的是將翅片脫離展開機構的接片針，接片針的長度大約為80mm左右，這就要求機械手夾爪要抬升100mm左右，機械手夾爪不能和翅片有過大的力作用，不能過分的加緊翅片，否則翅片會容易變形（翅片的厚底為0.1mm，易變形）。

3.3 下壓板的下壓運動

當機械手取翅片時，下壓板不運動，當機械手沿Y軸運動到U型管循處時，機械手整體沿Z軸下降，當機械手定位針頂與U形管上的錐帽距離2mm時，機械手開始運動，夾爪拖著翅片向下運動，當夾爪底端到達U形管口下方30mm處（當一次插20片翅片，20片翅片的總厚度約為30mm）時，機械手夾爪開始向兩端展開，展開的距離為20mm，因為U形管的直徑與翅片孔的直徑相差很小（翅片孔的直徑為7.3±0.03mm，U形管直徑7±0.1mm），所以翅片依靠自身的重力不一定能完全下落，所以這時，下壓板開始下壓，使翅片完全插進U形管中，同時還可以平整翅片。

4 插齒機械手驅動原理

4.1 夾爪伸縮運動原理

夾爪伸縮運動是通過連桿機構實現的，氣缸（圖片中左上角）推動推塊（綠色）向前運動，推塊是在微型導軌上進行滑動，導軌寬為10mm，推塊上有4組推桿，推桿推動著4組夾爪進行左右移動，從而實現了前后運動轉化為了左右運動。推桿在導軌上移動，同時推塊推動著連桿展開，連桿推動著夾爪在滑道里左右運動，實現了展開與合并運動。

4.2 夾爪上下運動原理

夾爪上下運動是通過連桿機構實現的，氣缸（左下）先推動著推塊（紅色）在直線滾珠導軌上向前運動，同時推塊連接著連桿（上下），因為導軌底座被限制只能上下運動，所以，當推塊帶著連桿（上下）向前運動時，連桿頂著導軌底座向上運動從而實現夾爪的上下運動。為了阻止上下運動的支架不前后運動，設計了擋板，在上下運動的支架兩端各安裝了一個滾輪，滾輪在擋板的阻擋下，只能上下運動，實現了支架的上下運動。

4.3 下壓板的下壓運動原理

氣缸（中間）伸縮帶動固定板上下運動，固定板帶動導柱進行上下運動，導柱通過螺栓固定在固定板上，同時導柱固定在下壓板上，所以氣缸運動就傳動到下壓板上，從而實現下壓運動。下壓運動的行程即為定位針的長度。

5 結語

本文主要介紹了一種空調換熱器自動插片機中的插片機械手的結構與工作原理，該結構的優點在于不需停機的情況下，實現換熱器的連續自動插片，減少了人力，提高勞動效率，對于大量依賴人力插翅的當前空調生產線的改進具有一定借鑒意義。

機械手設計論文:光盤庫機械手的驅動控制系統的設計

摘 要：光盤庫機械手驅動控制系統是光盤庫系統的關鍵部件，對光盤庫機械手驅動控制系統進行了設計與實現，控制系統使用STC12C5628AD系列單片機作為控制核心，采用L293及驅動電路實現對機械手電機的驅動控制。按照設計的控制程序流程，進行了驅動控制實驗，實驗結果表明本系統實現機械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盤、放盤等功能，快速性和穩定性能夠滿足光盤庫機械手性能的要求，對提升國內光盤庫的研究、應用水平有一定的現實意義。

關鍵詞：光盤庫，機械手，驅動控制系統，電機

引言

光盤庫是以光盤作為存儲載體的高可靠性的海量、安全機電一體化近線存儲設備，對海量光盤數據進行集中管理，其主要由機械手、光盤架和光驅（CD-ROM驅動器）三部分組成。光盤庫廣泛地運用于煤礦監控系統，作為數據存儲和備份的重要方式，它利用機械手從機柜中選出一張光盤送到驅動器進行讀寫。光盤庫可通過光纖通道或 SCSI 端口與服務器相連，光盤驅動器則通過自身接口與主機交換數據。當用戶要訪問光盤庫時，首先，由機械手將驅動器中的光盤取出并放置到光盤架上的指定位置，為光盤騰出位置，然后，再從光盤架中取出所需的光盤并送入驅動器中。

關于光盤庫，國外進行了大量的研究與應用，技術相對領先，但由于技術保密等因素限制，相關研究文獻很少，國內從事光盤庫產業的公司主要有廣州影達影像設備有限公司、上海美佳達計算機工程有限責任公司、福特瑞斯（北京）科技有限公司、北京鴻瑞智達科技有限公司等，但國內光盤庫的起步較晚，他們中大多是外國公司的國內，即銷售國外光盤庫產品，而真正從事光盤庫研發的公司很少[1]。

除了光盤驅動器以外，光盤自動換盤機構即機械手要保證安全、高速、準確地將光盤片從庫中取出并送入空閑的指定光盤驅動器中，是整個系統中關鍵的執行機構。另外，光盤庫數據的平均訪問時間比磁帶和磁盤高很多，磁盤的平均尋道時間在毫秒級，顯然光盤庫的機械手已經成為光盤庫系統的性能瓶頸[2][3]。因此，對光盤庫機械手控制系統進行設計、開發具有較重要的現實意義，本文設計的機械手將裝、卸盤片的功能設計在一起，在主控制電路設計上，將機械手控制、定位檢測部分和光盤驅動器中的光頭控制部分結合在一起，由一片單片機控制。

1 機械手驅動控制系統設計

要實現機械手所期望實現的功能，機械手的各部分之間必然還存在著相互關聯、相互影響和相互制約，它們之間的相互關系構成機械手控制系統的控制原理，如圖1所示。

控制系統使用宏晶科技生產的STC12C5628AD系列單片機作為控制核心，擴展了必要的外圍電子元器件。主機通過TTL-RS232電平轉換實現與上位機通信，并和從機保持交換數據。接口板模式下根據上位機傳來的指令設置輸出，把檢測到的數據送到上位機。

1.1 電機驅動控制。機械手各活動部件采用直流電機驅動，單片機發送的控制信號經過功率放大，轉換后，控制直流電機轉動與停止，各個電機的協調轉動。設計的光盤庫機械手共需4個直流電機，每個電機上均配有變速箱。一個控制上下移動的大電機額定電壓為9V，功率為2.4W;另三個小電機額定電壓也為9V，功率為1.1W，分別控制中間支點部分的旋轉、機械臂的伸縮和機械手抓放物體。

電機驅動控制電路如圖2所示，采用L293及驅動電路實現對電機的驅動控制。L293將2個H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時控制2個電機[4][5][6]。H-橋電路的輸入量可以用來設置馬達轉動方向，使能信號可以用于脈寬調整（PWM）。另外，每1個電機需要3個控制信號EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號，IN1、IN2為電機轉動方向控制信號，IN1、IN2分別為1，0時，電機正轉，反之，電機反轉。選用一路PWM連接EN12引腳，通過調整PWM的占空比可以調整電機的轉速。

1.2 位置檢測。初始位置檢測利用主機的P2.2、P2.3、P2.5和P2.6使各部分碰到行程開關，即達到指定位置后斷開;INT0和INT1中斷來進行位置檢測;P1.1-P1.4引腳為電機驅動輸出，最后通過P1.0-P1.3口對電機電流進行檢測，判斷是否堵轉。

本設計限位行程開關安放在機械手的四個運行方向上。限位行程開關在沒有觸碰時信號處于低電平狀態。當機械手運行時，觸碰到限位行程開關，信號處于高電平狀態。單片機采集到限位行程開關的高電平信號，發出指令，使機械手停止運行，并進行下一個動作。計數行程開關安裝在齒輪旁邊，計數行程開關在沒有觸碰時信號處于低電平狀態。當電機轉動時帶動齒輪轉動，計數行程開關被觸碰處于高電平狀態，齒輪每次觸碰，單片機記下一個高電平信號，因此只需記錄下行程開關的觸發次數即可知道電機的轉數，從而可控制手臂在垂直方向的位置。

2 控制系統調試

光盤的入庫及出庫是光盤庫自動化管理的一個重要方面。光盤入庫和出庫不僅僅限于光盤的正確插入和抽取，還包括數據庫信息的同步更新，保證光盤庫和數據庫內容的一致，從而準確地返回客戶端請求。光盤正確入庫和出庫減輕了人工操作的負擔，保證了系統正常運行，是光盤庫自動化管理的重要組成部分。通過按鍵或者上位機遠程控制，實現機械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盤、放盤等功能，控制程序流程圖如圖3所示。

在某個Linux終端向機械手服務端循環發送取盤、放盤指令，使機械手滿負荷運行。經測試，該系統平均無故障時間大于30萬次，換盤時間最長為7秒，具有運行速度快、工作穩定等特點，如表1所示。

另外，將光盤插入光盤庫后，請求光盤的內容，機械手能正確地定位到光盤，并將請求的文件拷貝到本地光盤正確出庫，再次請求光盤內容，提示光盤不在光盤庫中。

3 結語

本文對光盤庫機械手驅動控制系統進行了設計與實現，控制系統采用STC12C5628AD作為控制核心，采用L293及驅動電路實現對電機的驅動控制。按照設計的控制程序流程進行驅動控制實驗，實驗結果表明本系統實現機械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盤、放盤等功能，快速性和穩定性能夠滿足光盤庫機械手性能的要求。本項目是對光盤庫系統實際開發工作的一次嘗試，對提升國內光盤庫的研究、應用水平有一定的現實意義。

（作者單位：蘇州市職業大學機電工程學院 來稿日期：2015-06-17）

機械手設計論文:基于液壓驅動的注塑機上料機械手的設計與研究

【摘 要】本文依據液壓機械手的組成和運作原理，以四自由度液壓機械手為例，設計了一款注塑機嵌件自動上料液壓機械手，并驗證其功能的可靠性。

【關鍵詞】四自由度；液壓控制；機械手；嵌件上料

0 引言

隨著工業生產自動化的快速發展，機械手因其高效和靈活的特點被廣泛的關注和應用。機械手是一種可以模仿人手和臂的某些動作功能，并按照設定的軌跡、要求和程序抓取、搬運工件或進行操作工具的自動化裝置，尤其適用于較大規模、自動化流程生產和一些復雜的生產環境中；例如高溫、粉塵、放射性強、噪音較大的生產環境。機械手的應用對于提高機械生產率，降低工人的勞動強度，保障一線工人的安全都具有重要的意義。目前機械手常用的三種驅動方式為：液壓驅動、氣壓驅動、電機驅動，其中液壓驅動以輸出轉矩大，動作靈敏，可實現無極調速，調速范圍較大的特點，多被用于運動速度較低并且扭矩要求較大的工作場合。

隨著注塑行業的發展，人們對于塑料制品的需求量越來越大，對于塑件的工藝和強度也提出了新要求。為了提高塑件的局部強度，嵌件在塑件加工中被廣泛使用。然而工廠在生產過程中手工安裝嵌件的居多，這中安裝方式效率低下，嚴重影響了注塑機的工作效率，降低了塑料制品的加工精度，自動上料機械手需求愈加強烈。

1 液壓機械手基本組成

本文設計了一款四自由度液壓機械手，通過液壓缸進行控制，可以實現手臂的升降運動、伸縮運動、旋轉運動，以及夾持部分的夾緊運動。其結構示意圖如圖 1 所示。

液壓機械手主要包括控制系統、傳動裝置、執行機構、傳感器裝置等。其中，機械手的核心部分是控制系統，它是用以控制整個系統具體的運動過程。液壓驅動是執行機構運行的傳動裝置。在機械手的組成中，最重要的是執行機構，而執行機構也同樣是機械手內部的主體部分，機械手的執行機構是其夾持部分，主要由拉簧、杠桿、手指、楔塊、杠桿支座、夾緊缸體等部分組成，其結構組成如圖 2所示。

2 液壓機械手運作原理

2.1 機械手運作原理

液壓機械手可實現在兩臺立式注塑機之間交替進行安裝嵌件的工作。機械手擁有四個自由度，分別為手臂的升降運動、手臂的旋轉運動、手臂的伸縮運動，以及夾持部分的夾緊運動。采用液壓驅動的控制方式，以圓柱坐標作為坐標形式，其動作原理如圖3所示。液壓機械手開始運行，首先手臂下降到嵌件上方預定位置A，張開機械手夾持裝置，機械手手臂下降到嵌件上方，夾持裝置夾緊嵌件，隨后機械手臂上升到起始位置，并順時針旋轉90°到注塑機1上方位置，手臂開始向前伸出到注塑機上方預定位置B，手臂下降到指定位置，夾持裝置松開，放置好嵌件后，手臂上升到起始高度，手臂縮回，順時針旋轉90°回到原點位置，注塑機1開始工作；其次手臂下降到嵌件上方預定位置A，張開機械手夾持裝置，機械手手臂下降到嵌件上方，夾持裝置夾緊嵌件，隨后機械手臂上升到起始位置，并逆時針旋轉90°到注塑機2上方位置，手臂開始向前伸出到注塑機上方預定位置C，手臂下降到指定位置，夾持裝置松開，放置好嵌件后，手臂上升到起始高度，手臂縮回，順時針旋轉90°回到原點位置，注塑機2開始工作，機械手第一個工作周期完成，待注塑機1完成運作，機械手開始下一周期的工作。

2.2 液壓系統的設計

機械手搬運物體是依靠液壓系統實現的，液壓系統是機械手運動的主要驅動方式，是機械手運動過程的核心控制部分。主要用來完成機械手的夾緊/松開、上/下伸縮、前/后運動以及旋轉運動。機械手運動過程的液壓系統主要由油泵、執行油缸、控制調節裝置、以及輔助裝置組成。此次設計中系統的主要參數如下表1、表2、表3所示。

2.3 液壓系統元件的選擇

（1）手部夾緊缸的分析計算

3 結論

本文簡要介紹了液壓機械收的組成及工作原理，設計完成一款由液壓驅動的、可實現兩臺注塑機嵌件上下料的四自由度機械手，并對液壓機械手的工作可靠性進行了驗證。結合數據，液壓機械手簡單可靠，穩定性較好，可實現較重嵌件的安裝工作。

機械手設計論文:搬運機械手仿真設計和制作探討

[摘 要]搬運機械手根據坐標可以分為很多種，例如：直角坐標型和極坐標型還有圓柱坐標型以及多關節型等。搬運機械手是一個自動化的設備，對搬運焊接以及裝配等有著很大的作用，國內外都在不斷研究搬運機械手，企業的生產經營走向自動化。本文設計的搬運手主要是用于冰箱U殼的搬運。

[關鍵詞]搬運機械手 仿真設計 制作探討

引言

機械手主要是代替人的手和胳膊去完成一些動作，根據固定工序進行抓取和搬運物品的一種機械電子裝置。可以幫助人們有效生產，降低勞動強度。機械手在生產中運用越來越廣。

1、U殼搬運機械手的結構設計

1.1 滑座部件結構設計

U殼搬運手設備也是自動化設備，它的主要作用就是將冰箱U殼搬運到傳送帶上[1]。它的滑座部分支撐著設備的水平移動。衡器缸和z軸承載著設備的主要重量，但是它們之間的固定需要依靠滑座部件的中間部分，同時滑座中間部分的右側還可以控制水平交流伺服電機和行星齒輪減速器，減速器和齒條的連接需要借助齒輪來實現。滑座在水平移動的最大距離為1.5米，并且滾珠絲不易于加工，以及它在市場上的價格比較高，所以選擇齒輪齒條來減速。

1.2 z軸結構設計

Z軸結構是用于豎直移動。Z軸結構的最左端是交流伺服電機，電機是維持設備的安全，因為它具有過載能力且帶有抱閘系統，一旦發生故障時，抱閘系統就可以對電機進行抱死[2]。與z軸相連的是片聯軸器，它是有金屬制作而成的，擁有減震和無需潤滑和維護等特點。Z軸系部件的左邊有2個角接觸球軸承，角接觸球軸承可以對豎直的載荷進行抵消。Z軸結構中間是絲杠螺母傳動裝置，特點就是損傷小和效率高。Z軸系部件的設計原理是一端固定一端移動，軸的移動方向是經過嚴格控制的，它是由固定制成裝置完成的。軸的伸縮變化時隨著溫度變化的，游動軸控制著溫度。Z軸兩邊運用直線的導軌，幫助z軸做豎直運動。Z軸上有兩個行程開關和光電開關，它的主要功能就是確定對豎直方向限位和豎直零位。1.3開1.3合橫梁結構設計

Z軸和手爪的連接需要依靠開合橫梁裝置，開合裝置依靠六組螺栓就可以實現和z軸的連接，并且它前后有依次有開合氣缸，氣缸上安裝了傳感器的端鎖，這樣氣缸的位置就是由傳感器進行控制的，端鎖是固定氣缸，避免氣缸在停止運行時還會繼續運動。裝置的大臂和小臂在直線導軌上的水平運動需要氣缸的引領。

1.4 夾爪結構設計

夾爪結構包括大臂和小臂以及手爪擋板。大臂上端連接開合橫梁裝置，并且連接處需要加強加固處理，這樣就可以保證裝置安全性能。大臂下段與小臂相連，它們之間的連接需要連接軸來實現的，小臂的轉動是需要連接臂和連接軸之間相互配合才能完成的。小臂上端是擋板裝置，它的主要作用是當小臂停止轉動，減少小臂和大臂阻尼撞擊，達到減緩振動的作用。內支撐氣缸和直線軸帶動手爪擋板裝置是用來幫助小臂進行夾持活動。開合氣缸帶動大、小臂對冰箱u殼進行夾持；小臂上的氣缸保證u殼在夾持時，形狀是完好的，所以它們的夾持都是由外而內進行的。

2、搬運機械手的仿真設計

2.1 小臂結構的仿真設計

為了滿足生產需要通常將小臂的旋轉過程時間控制在兩秒以內，氣缸的啟動回路控制著進出口節流回路，所以通過控制調節節流閥的橫截面積就能夠對活塞運動速度進行控制，讓小臂在兩秒之內完成九十度的旋轉，因為節流閥會影響活塞運動速度[3]。同時，小臂在旋轉過程中，氣缸力矩會大于或者等于重力矩，并且氣缸力臂是在逐漸變小，重力力矩又不斷變大，這就導致小臂的加速度數值越來越小。同時旋轉時間越長緩沖力越小，并且負載厚度和負載質量也越大。在這里選取旋轉時間為1.2秒時，計算出負載厚度壓迫保持在0.66米 ，負載質量要控制在50千克，這時候的緩沖力就是10429牛頓，所以，通常設置小臂運動時間在1.2秒和2秒之間，負載厚度（U殼厚度）保持在0.49米和0.66米之間，這就要求負載質量（冰箱質量）控制在0和50千克之間。這就可以分析出小臂的應力是夠滿足生產需求。

對小臂結構的仿真設計不僅表現在對沖擊力的校核，同時還要對小臂變形與強度進行校核。小臂的強度校核主要是運用相應的模型和ansys靜力分析理論來完成的。并運用相應的數學計算可以得出，小臂不易發生變形，無論使用環境有多惡劣，它都可以正常工作。

2.2 連接臂結構的仿真設計

連接臂的結構設計也需要ansys進行分析，ansys分析程序包括：設計變量初始化，這就要求在進行分析前處理器應該根據設計變量的初始值進行輸入；定義問題，前處理器的主要任務就制定出最優化的有限元模型；執行初始結構狀態結構分析，應力和應變；力以及變形量就是來源于狀態結構分析；獲得計算結果，它的主要工作就是收集和存儲目標函數和約束條件值；進行仿真設計分析，它的任務就是對相關文件以及變量和設計方法進行分析；結果輸出，根據分析的數據繪制出相應的變化圖表。根據相應的理論和運用ansys 系統分析，可以得出在對小臂進行設計時u，它的半徑是九毫米，厚度保持在十三毫米之間。

2.3 支撐架結構的仿真設計

支撐架的仿真設計主要是通過對支撐架結構的瞬間動力學進行分析，得出它的振動幅度和的速度。在對支撐架結構進行仿真設計時，首先是通過運用軟件ansys對支撐架建立相應的模型，并設計支撐架的參數。根據ansys軟件分析的數據我們可以發現當u殼材料是Q235時，它的彈性木梁是210000mpa，泊松比為0.3，密度是7850千克每立方米。這就可以對支撐架進行瞬態動力學分析，并確定支撐架在不同沖擊力喜愛振動幅度的變化以及支撐架的其他特點。

3、u殼搬運機械手的控制軟件設計

3.1 機械手初始化

機械手初始化包括水平和豎直都歸零，同時，所有的氣缸恢復初始化。電機歸零的方法可以通過對電機2坐標軸安裝零位信號，并且在進行歸零處理中選擇先高速后低速的方式進行歸零處理，歸零處理一共要進過三次不同方向的瑰麗處理，才能達到讓電機徹底的歸零[4]。在首次歸零處理時，就可以將正向高速歸零；接著啟動第二次歸零程序，讓反向的低速也歸零，使用puls設置脈沖量，sped決定著是否執行操作；最后一次歸零處理時讓它向正向低速歸零，sped是啟動歸零處理程序，ini則是讓歸零處理程序停止，這時候電機就徹底的歸零 。同時，歸零過程中脈沖值是在觸摸屏中顯示的，數值通過脈沖傳送到寄存器中，寄存器就將數值顯示在觸摸屏中。它們之間相互配合才使得電機歸零順利完成。

3.2 觸摸屏控制

搬運機械手的觸摸屏控制是在氣缸復位和機械手自動循環完成之后進行的，對觸摸屏控制主要包括u型伴型號輸入界面和主菜單界面以及手動運行和分布運行以及自動運行和堅實畫面和系統設置[5]。其中，手動運行包括對伺服電機手動運行和氣缸與吸盤手動運行，分布運行時針對自動循環單步運行，自動運行的主要包括：示教點參數設置1和示教點參數設置2以及自動運行調整界面，監視畫面是對伺服電機坐標以及氣缸與吸盤和系統故障報警實施監控，系統設置是對司機電機速度以及觸摸屏系統的參數進行設置。

總結

U殼搬運機械手的設計運用先進的科學技術，并應用了ansys等系統軟件來幫助u型搬運機械手的設計，對支撐架和連接臂以及小臂的仿真設計中分析它們相應的參數。冰箱u型搬運機械手的仿真設計和制作，讓冰箱u殼的搬運實現自動化，為企業生產經營提供便利。

機械手設計論文:基于plc的三自由度機械手控制系統設計與實現

[摘 要]文章從三自由度機械手控制系統的角度入手，在plc可編程控制器支持下，對三自由度機械手控制系統的結構運動特點進行了簡要分析，然后重點對plc下三自由度機械手控制系統的硬件、軟件設計與實現要點展開研究，望能夠使三自由度機械手控制系統的綜合性能更加完善與可靠。

[關鍵詞]機械手 三自由度 控制系統 PLC 設計

在工業化生產中，機械手能夠對人的手臂部位動作進行模擬，操作人員可以通過預先設置機械手運行軌跡，動作程序等相關參數的方式，在實際工況中代替人手執行工件搬運、抓取、以及操持等相關工作，具有機電一體化的特點，在現代機械一體化領域中有著非常重要的應用價值。隨著現代科學技術的不斷發展與完善，機械手的應用范圍也在不斷擴大，為了能夠滿足現實工況對機械手操作的要求，當前已經成功研發了基于三自由度的機械手，即3D機器人。此類機械手能夠支持對三個自由度方向（包括水平方向、垂直方向、以及旋轉方向在內）的手臂操作，在機械化生產中具有操作靈活性好，應用范圍廣，以及操作范圍大的特點。而通過引入plc的方式，能夠使三自由度機械手控制系統的整體功能更為完善，以達到提高其綜合使用價值的目的。

1 三自由度機械手控制系統結構運動特點

下圖（如圖1）為三自由度機械手控制系統的基本結構示意圖，整個控制系統結構具有圓柱坐標型特點。結合圖1來看，控制系統內，伸縮步進電機可以實現對機械手手臂左右方向運動的控制，而升降步進電機則能夠實現對機械手手臂上下方向運動的控制。逆時針和順時針旋轉運動則由底盤直流電機的正反轉控制。機械手的夾緊裝置采用關節結構，其夾緊與松開用氣壓驅動，并由電磁閥控制。圖1中，SQ1、2、5、6分別為水平風向以及垂直方向上的限位開關裝置，SQ3、4則為原點所對應的光接近開關以及終點所對應的光接近開關。在整個控制系統的運行中，操作人員可以通過預先設置操作程序的方式，實現對工件的搬運、抓取、以及操持等相關操作。

2 基于plc的硬件設計方法

從三自由度機械手實際應用的角度上來說，為了滿足不同工況對系統運行所提出的要求，機械手需要同時支持自動工作以及手動工作兩種運行模式。同時，在自動控制模式中，需要根據操作需求，支持包括返回原點、單步驟、單周期、以及連續性四種工作方式。

在引入plc控制器的條件下，三自由度機械手控制系統優先選擇具有晶體管輸出特點的plc控制器裝置（本文中選擇三菱FX2N系列plc控制器）。該型號plc控制器共對應有10個信號輸出點以及14個信號輸入點，能夠滿足三自由度機械手控制系統對plc控制器中I/O點數的具體要求。且該型號plc控制器為晶體管輸出，輸出高速脈沖信號最高頻率為100kHz，能夠在系統運行過程當中直接面向步進電機驅動器提供脈沖信號支持。

與之相對應的輸入控制信號地址分配情況為：①復位信號對應輸出地址分配為IO.0；②步進電機正轉信號對應輸出地址分配為IO.1；③步進電機反轉信號對應輸出地址分配為IO.2；④電機轉動停止信號對應輸出地址分配為IO.3；⑤手臂伸出信號對應輸出地址分配為IO.4；⑥手臂收回信號對應輸出地址分配為IO.5；⑦手抓下放信號對應輸出地址分配為IO.6；⑧手抓提升信號對應輸出地址分配為IO.7；⑨手抓開信號對應輸出地址分配為I1.0；⑩手抓合信號對應輸出地址分配為I1.1；？自動演示信號對應輸出地址分配為I1.2。輸出控制信號地址分配情況為：①步進電機脈沖輸出信號對應輸出地址分配為Q0.0；②步進電機轉動方向信號對應輸出地址分配為Q0.1；③氣缸4#電磁閥控制信號對應輸出地址分配為Q0.2；④氣缸5#電磁閥控制信號對應輸出地址分配為Q0.3；⑤氣缸6#電磁閥控制信號對應輸出地址分配為Q0.4。

同時，步進電氣驅動器選用SH-20403型。整個機械手控制系統的外部接線方案如下圖所示（如圖2）。

結合圖2來看，在三自由度機械手控制系統的運行過程當中，當機械手在最上方（最右方），同時底盤旋轉至X3光接近開關，夾緊裝置處于松開狀態下時，整個控制系統處于自動控制模式下的原點控制狀態下。如圖2中，X10為系統手動控制按鈕，操作該按鈕，能夠對X20～X27的按鍵開關進行手動控制。而X11～X15則分別為系統自動控制模式下返回原點狀態按鈕，單步驟狀態按鈕，單周期狀態按鈕，以及連續工作按鈕，通過按下X11～X15任意操作按鈕并啟動X0的方式，能夠執行相應的工作模式。

3 基于plc的軟件設計方法

在選擇以單步驟、單周期、或連續工作方式運行前，整個控制系統應當處于原點狀態，若未滿足該條件，則需要選擇返回原點的工作方式。在這一過程當中，相關操作指令的執行流程應當為：第一步，做上行方向移動至X1上限位；第二步，做右側方向移動至X2右限位；第三步，做順時針旋轉移動至X3光接近開關裝置；第四步，松開夾緊裝置。

在 plc系統支持下，整個三自由度機械手控制系統的自動工作方式順序功能可如下圖所示（見圖3）。結合圖3，在控制系統對相關操作進行響應的過程當中，可通過對步進電機所輸入脈沖頻率參數進行調整的方式，實現對三自由度機械手手臂運動速度的合理調整。而脈沖數則決定了機械手臂在沿下行方向以及做性方向運動的距離。而脈沖頻率參數以及脈沖數的設計可以在工業現場實際工況中進行設定，具有重復操作的特點。

整個基于plc系統的三自由度機械手控制系統在軟件設計過程當中以基于plc技術的梯形圖順序編程為依據，脈沖個數基于MOV指令進行設定，脈沖輸出則通過PLSY脈沖輸出指令的方式進行設定。在指定脈沖輸出完成后，指令執行完成標志M8029置1。需要注意的一點是，由于基于PLSY的操作指令僅能夠使用一次，但控制系統中所配置的兩個步進電機需要同時有脈沖輸出信號。因此，在軟件設計中，通過面向兩個步進電機引入外部繼電器的方式解決該問題。軟件設計中，將Y0點輸出脈沖與繼電器動觸點結合，常開觸點則與電機驅動器脈沖信號輸出端連接，上/下脈沖控制以及左/右脈沖控制則與兩個外部繼電器的控制端進行連接，根據這種方式，能夠通過操作上/下脈沖控制以及左/右脈沖控制的方式，實現對步進電機脈沖輸入的合理控制。

與此同時，從基于plc系統的三自由度機械手控制系統復位操作角度上來說，軟件設計中可應用特殊存儲器SM0.1位以及按鍵10.0的方式進行控制。在plc控制器收次掃描的過程中，狀態取值為1，可直接用于機械手控制系統的上電復位操作。同時，操作人員可以根據現場運行情況，對plc控制器所產生的PTO脈沖信號進行合理設置，并經過Q0.0輸出點輸出信號，實現復位指令。

4 結束語

PLC可編程控制器是一種專門用于工業領域的電子控制裝置，該電子控制裝置是基于數字運算操作的方式所實現的。在PLC控制器的實際運行中，具有包括功能強大，可靠性高，編程簡單，以及人機交互界面友好等多個方面的特點，在工業控制系統以及機電一體化產品設計中有著非常好的應用價值。本次研究中，從PLC的角度入手，對三自由度機械手控制系統的設計與實現進行了分析，該控制系統實現了電動式機械手與氣動式機械手優點的融合，除了具有操作簡單，定位精確的優勢以外，還有效節約了行程開關以及I/O端口，綜合優勢非常確切。

機械手設計論文:基于“三自由度關節型機械手”對回轉關節的研究與設計

摘 要：關節型機械手是一類具有與人手肘類似的“關節”，可以模擬人手操作的自動化裝置。它主要以電氣結合的方式驅動，再通過齒輪等進行機械傳動。但因為機械摩擦較大，傳動部位（回轉關節）仍有改進的空間。結合開關磁阻電機的原理，該文探討了一種利用電磁驅動的新型回轉關節。這一設計有效地避免了齒輪傳動帶來的機械摩擦損耗。

關鍵詞：三自由度關節型機械手 開關磁阻電機原理 新型回轉關節

機械手是一種智能裝置，能夠實現模擬人手的所有動作。在實際的工作過程中，機械手會按照預先設計的固定程序進行對工件的工位轉移等。關節型機械手是機械手的一種類型，但它具有與人類手肘類似的“關節”，比一般的機械手結構更精巧、操作更靈活，具有廣闊的研究與應用前景。

現有的機械手主要以電氣（即電動機和氣缸）結合的方式進行驅動，應用齒輪等機械裝置進行傳動。但因為機械摩擦的緣故，傳動效率仍有較大的提升空間。該課題在對一種現有“三自由度關節型機械手”[1]的研究基礎上，對回轉關節部位進行了更深入的調研，并提出通過電磁驅動減小機械摩擦的新型旋轉關節設計。

1 三自由度關節型機械手的基本情況

1. 1 整體設計

該關節型機械手為圓柱坐標，包含3個自由度，其中機械手在進行工作時完成對工件的兩個方向的回轉和實現一個方向的轉移。機械手運用回轉關節實現所夾持工件的前后和左右的回轉運動，而運用移動關鍵來實現所夾持工件的上下的移動，從而實現整個機械手的運動工作。

機械手的整體設計如圖1，主要包括手部、腕部和臂部。

手部（亦稱抓取機構）是用來直接握持工件的部件，根據設計要求，利用夾鉗式手部結構。其中，夾鉗式機械手有兩個半圓形或者橢圓形的機械手指，手指由驅動電機通過連接傳動裝置實現其張合以及閉合，從而實現了機械手對所夾持工件的抓緊動作。這種方式的機械手抓具有很好的通用性，能夠實現不同外形結構工件的抓緊，所以適用性比較強。

機械手的主要組成部件為手腕部分，手腕在機械手傳動中起到傳動中介的作用，其連接機械手的手部以及機械手的臂部，實現機械手在臂部的所有動作的轉換，有效地實現了手部動作的完成。另外，機械手手腕還可以實現機械手工作范圍的擴大化，使得機械手的工作范圍有效提高，并對機械手的靈活度有了明顯的提高。手腕的回轉動作運用回轉液壓氣缸來實現機械手在空間上270 °的回轉動作，液壓氣缸機構簡單，操作方便，很適合機械手的運用，但是，機械手的手腕要求工作嚴格，不能出現振動等現象。

機械手的臂部主要是對機械手整體起到支撐的作用，機械手在進行工作過程中所有的運動慣性以及自身和工件的所有重量都由臂部來承受，所以，機械手的臂部要求結構強度高、抗疲勞性強等特點。同時，機械手的臂部還能夠實現機械手部分動作的實現，一般在機械手的臂部運動采用液壓或者氣壓缸實現。文中所設計的機械手臂部主要包括大臂和小臂。

1.2 回轉關節

大臂和小臂的回轉運動由回轉關節完成。回轉關節由45BF005π型步進電機驅動，通過兩個嚙合的直齒圓柱齒輪進行傳動，如圖2。當電動機運行時，左側的齒輪軸發生轉動，右側的嚙合齒輪也相應轉動起來，再通過軸的帶動，與之相連的臂部也發生轉動。

2 回轉關節的分析

這種傳動方式本身所需要的傳動扭矩比較小，并且傳動精度也比較低，所以在選擇驅動的方式時應該考慮驅動源的誤差積累等問題，研究者采用的驅動源為步進電機。經過查詢資料《機電綜合設計指導》中的表格2-11，關于步進電機的相關參數可以看出，此文選擇的電機型號為：45BF005π型，其中，這種步進電機的主要參數包括如下：步矩角為1.5°，其中電機的額定電壓為27 V，總體質量為0.4 kg，該電機具有外形結構比較緊湊，結構簡單，控制方便等優點。

通過精度驗證，機械手在傳動過程中，如果只依靠步進電機的傳動精度是遠遠不夠的，還需要運用不同的傳動機構以及變速機構等進一步實現傳動精度的提高。文章中所提及的機械手的傳動采用一級減速齒輪的傳動，其中主動輪的傳動齒數為20，從動齒輪的傳動齒數為70，經過查詢資料可以得到，該齒輪傳動的傳動模數應該選擇m=1，齒輪的寬度應該設計為20 mm，在傳動過程中，由于齒輪傳動會有一定的振動，所以此文設計的齒輪的寬度為24 mm。

3 新型回轉關節的研究與設計

3.1 電磁驅動的可行性探討

通過查閱文獻，利用開關磁阻電機原理進行電磁旋轉的理論已經比較成熟。

開關磁阻電機的工作機理基于“磁通總是沿磁導最大的路徑閉合”的原理。當定、轉子齒中心線不重合、磁導不為最大時，磁場就會產生磁拉力，形成磁阻轉矩，使轉子轉到磁導最大的位置。當向定子各項繞組中依次通入電流時，電機轉子將進一步沿著通電相序相反的方向轉動。如果改變定子各相的通電次序，電機將改變專向，但相電流同流方向的改變是不會影響轉子的轉向的。

一類新型的磁旋轉地球儀[2]就是依據該原理設計而成的。

該地球儀沿赤道線每隔一段距離會貼上永磁片，通過FEMM軟件仿真，可見永磁片的磁場呈對稱周期排列，如圖3。具體的磁場分布可以通過對永磁體本身的磁感應強度的檢測進行分析確定，從而實現所設計的懸浮球體的旋轉動作。

綜上所述，利用開關磁阻電機原理，借鑒磁旋轉地球儀的設計，可以利用電磁驅動替代回轉關節本來的電機驅動和齒輪傳動。這樣的設計避免了齒輪傳動機械摩擦的損耗，也避免了電機精度不高的缺陷。

3.2 新型回轉關節的設計

新型回轉關節利用貼永磁片的圓柱體和電磁線圈替電機和直尺圓柱齒輪。

圓柱體的設計尺寸參考原有的右側齒輪大小，R=35 mm，h=24 mm。

沿圓柱體圓周中線每隔一段距離貼上小鐵片，每個鐵片上貼有一圓形的永磁片。在圓柱體周圍安裝兩組電磁線圈。這兩個電磁線圈組成一個弧度，弧度的圓心與圓柱體的柱心盡量保持重合。其中一個線圈正對一個永磁片，另一個電磁線圈正對相鄰的另一個永磁片，如圖4。正常工作時，通過檢測永磁片位置，兩個線圈同時通電使電磁線圈同時產生相同的極性。通過對流入線圈的電流進行控制，使得圓柱體實現了旋轉。若要使圓柱體停止旋轉，切斷線圈中的電流即可。

旋轉的圓柱體與原有的右側的軸相連，如圖5。當線圈通電時，圓柱體帶動軸旋轉，與軸相連的臂部也隨之發生轉動。

4 結語

新型回轉關節利用電磁驅動的原理，用帶永磁片的圓柱體替代本來的電機和直齒圓柱齒輪。這樣的設計避免了齒輪傳動機械摩擦的損耗，也避免了電機精度不高的缺陷，具有很高的研究價值。但是囿于研究者現階段的知識儲備與精力，該種設計仍存在許多待進一步討論的問題。比如電磁驅動能否帶來足夠的驅動力、回轉的精度是否能有效地控制等。

機械手設計論文:4軸機械手的STC單片機控制及PC組態監控設計

摘 要：為組建單片機實踐教學系統，設計了一種4軸機械手。該機械手的水平移動由直流電機驅動，其它軸由舵機驅動，由一片STC單片機控制各軸運動，該單片機還能夠與PC機進行Modbus網絡通信。在PC端，通過運行組態畫面實現對機械手的實時監控。通過機械手本體設計、單片機軟硬件設計、PC組態畫面設計及聯網調試，對整個系統進行了驗證。該設計方案對組建單片機工控網絡實踐教學系統具有參考價值。

關鍵詞：機械手；STC單片機；Modbus；單片機控制

一、引言

本題目是我校2015大學生大創新項目“單片機機電控制及工控網絡應用”的一個組成部分，其設計內容是：用STC單片機控制一臺4軸機械手的運動，且單片機的串口與PC電腦通過Modbus網絡協議進行通信，PC端則通過運行組態畫面對單片機進行實時監控，詳見圖1機械手實物圖。

在圖1中，機械手的水平移動由直流電機經齒輪組減速驅動雙螺線螺桿，在直流電機軸的另一端安裝有光電碼盤，以檢測電機的角位移。螺桿的轉動帶動其上的滑塊作X軸水平運動。在滑塊上安裝有一臺三坐標機械手，其底盤旋轉（A軸），手臂擺動（B軸），夾爪開合（C軸）分別由三只數字舵機S1501驅動。整個機械手由一片STC12C5A32S2單片機控制。該單片機的串口經MAX485與PC進行通信，以Modbus RTU協議實現主從聯網。

二、控制電路設計

4軸機械手的控制電路如圖2所示。

在圖2中，STC12的P1.3/CCP0引腳用于接收與直流電機同軸安裝的碼盤的光電脈沖信號，并把PCA0設置為對該引腳上升/下降雙邊沿觸發中斷的工作方式，每當PCA0中斷發生，就根據電機轉向對碼盤脈沖數加1或減1操作，由此確定出滑塊（即X軸）的當前位置。P1.4/PWM1引腳的作用是向直流電機驅動電路發出PWM脈沖，實現直流電機的PWM調速。該PWM脈沖是通過把STC12的PCA1通道設置為8位PWM輸出方式來實現的。此外，在X軸兩端的極限位置，各安裝有一個光電開關，其信號分別接入P3.2/1NT0和P3.3/1NT1引腳。兩引腳的下降沿脈沖輸入能夠觸發STC12的1NT0、1NT1中斷。P0.0、P0.1、P0.2引腳用于向機械手底盤舵機、手臂舵機和夾爪舵機發出控制信號。STC12的P3.0、P3.1引腳通過MAX485芯片實現TTL/RS485轉換，轉換后的信號再接到FT232模塊的A、B端，經FT232模塊把RS485信號轉為PC電腦的USB信號。STC12的P3.7引腳用于MAX485的收/發控制。

三、PC組態監控設計

PC端采用uscada組態軟件進行上位機監控設計。在用uscada設計監控畫面前，要配置串口設備（即從機）的參數和數據區，并進行模擬量和狀態量管理。首先，應把串口通信協議設置為Modbus RTU，設置從站地址，該地址應與STC單片機自設的Modbus站址一致。然后再對串口設備數據區進行設置。uscada為從站設備配備了4種類型的數據區：Discrete Input，即DI，離散量輸入；Input Registers，即AI，輸入寄存器 ；Coil，即DO，線圈輸出；Holding Registers，即AO，保持寄存器。在uscada這4個區設置的變量應與在單片機XRAM中DI、AI、DO、AO型變量區設置的變量相對應，但名稱可以不同。主從機通信時，單片機的Modbus RTU函數將按照這種 對應關系處理變量。設置好從站的數據區后，就可以 定義模擬量和狀態量，并進行監控畫面設計。圖4為4軸機械手組態監控畫面圖。

在圖4的畫面中，分別對機械手的X、A、B、C軸設置了數字框圖元，用以顯示各軸坐標值，各軸數字框圖元右側的閥門圖元用于設定該軸的坐標值。機械手有手動/自動兩種工作方式，由圖中的檔位開關圖元進行轉換。手動方式下，機械手按圖4中左側各軸坐標設定值進行動作。自動方式下，機械手以手動方式的設定值為起點，以圖4中右側的設定值為終點，進行自動往復循環動作。畫面中，滑塊起點和終點是DI型變量，手動/自動檔位開關是DO型變量，X軸當前位置為AI型變量，其它為AO型變量。當主機與從機通信后，畫面即顯示出各變量的當前值。

uscada具有串口通道通信數據實時監視功能，圖5為主從機通信數據實時監視窗口圖。本系統的Modbus RTU從站函數能夠處理Modbus 01，02，03，04，05，06，15，16功能碼。

四、結語

本文所設計的4軸機械手，首先，具有一個由直流電機驅動的水平移動軸，與全部采用舵機驅動的機械手相比，增加了運動方式和控制方式的多樣性，并用到了STC增強型單片機的多種片內資源，是更好的單片機教學與實踐模型。其次，本機械手能夠通過Modbus工控網絡與PC機聯網，在PC端通過設計組態畫面實現對機械手的實時監控，這就把單片機的學習與實踐提升到了網絡應用的層面。再次，由于利用了STC單片機豐富的片內資源，并通過上位機監控實現人機交互，這就使得系統的控制電路簡單，且uscada為永久免費的組態軟件，所以使用本設計方案，能夠經濟的組建具有工控網絡應用的單片機實踐教學系統。

機械手設計論文:博世機械手采用最新D3模塊化 設計實現整線自動化

作為針對一次和二次包裝技術解決方案的領先機械手技術供應商，博世包裝技術最新設計的Delta機械手包裝設備，為食品廠家提供更多解決方案及提升性能。

最新的GD（齒輪驅動）系列Delta機械手采用開放式的框架和平臺，在提供了標準化和模塊化方案的同時，又可根據不同的應用配置各種可選項。博世包裝技術提升了D3機械手的平臺，將負載增加至3公斤，從而確保更快的速度來提升拾取率。其快速的產品切換、操作和維護簡易的設計有助于生產商降低總擁有成本（TCO）以及減少投資回報期限（ROI）。

據博世包裝技術（瑞士）的銷售總監Marc de Vries介紹：“隨D3平臺機械手的推出，我們為一次和二次包裝提供了更多樣化的解決方案。這種新的模塊化和可升級的設計提供了結合標準設備模塊的多種機械手方案。通過增加模塊化的設計，博世證明了其以客戶為核心的承諾，從而提高生產效率，降低總擁有成本（TCO），同時更快速地推向市場。另外，通過提高靈活性，新的平臺可幫助我們的客戶利用機械手自動化來形成競爭優勢。”

廣泛的應用范圍，增加多樣化

D3機械手平臺包含了多種特點用來提高生產效率以及幫助生產商滿足日益增長的產品多元化需求，例如：餅干、糖排、巧克力、糖果、烘焙食品以及立式機包裝的產品等。Marc de Vries說：“很多客戶在尋找能夠在同一臺設備上包裝多種產品的機械手設備。通過提升性能、增加有效負載和工作高度以及可選的用于產品轉向的第4軸或第5軸，我們顯著地擴大了產品應用范圍。”

憑借行業領先的Gemini 4.0 Delta機械手控制器和軟件設計，新的產品可以通過線下模擬運行而不需要實物，從而減少了安裝和調試時間。更簡潔的平臺設計增加了產品切換速度和可操作性。

方便清潔，更有助于食品安全

D3平臺機械手的另外一個優勢就是，它的衛生性和開放式的框架設計，采用了更少的零部件和可視性更強的移動部件，這有助于制造商遵守日益嚴格的食品安全法規。電氣控制柜被放置在設備的頂部，使得操作人員在設備的正反面都可進行操作，以減少清潔和維護時間。

模塊化設計，提高生產的靈活性

作為博世模塊化設計和一站式供應理念的一部分，D3機械手可以輕松地與博世或者其他第三方的一次或二次包裝設備進行整合。D3機械手的設計是為了增強中小型企業和跨國公司的生產靈活性。這個新的產品組合提供了更為靈活和可升級的機械手解決方案，從而使得客戶能夠更迅速地適應當前生產的需求，同時達成未來的生產目標。

值得一提的是，博世包裝新推出的Paloma D3進料和頂裝式機械手將會被整合在Module++餅干包裝整線中。

機械手設計論文:基于PLC的氣動抓取式工業機械手設計研究

摘 要：機械手在設計過程中，注重其自動化控制，能夠實現一些較為復雜的工業操作。文章對氣動抓取式工業機械手設計的研究，主要是基于PLC自動化控制下的抓取式機械手的設計分析，注重提升機械手的靈活性和智能性，以期更好地實現工業發展自動化。

關鍵詞：PLC控制；工業機械手；設計研究

前言

工業生產領域中，很多工業操作靠人工是無法完成的，并且，一些操作具有較大的危害性，因此，要想實現工業生產目標，保證工人施工安全，工業機械手得到了較為廣泛的應用。工業機械手可以進行一些高溫、有毒環境下的工業生產，極大程度上保證了工人安全，同時也在很大程度上減緩了工人的勞動強度。基于PLC的氣動抓取式工業機械手設計，將注重相關程序的具體應用，注重把握機械手設計的靈活性和自動性特征，通過一系列編程控制，更好地實現機械手的實際效用。PLC氣動抓取式機械手，具有較高的可靠性，并且編程簡單、功能強大，延伸和擴大了人的手足和大腦功能，更加廣泛地應用于工業生產中。

1 氣動抓取式工業機械手的構成分析

基于PLC的氣動抓取式工業機械手設計，需要具有較高的靈活性和自動化發展特征，能夠根據相應的程序設計，滿足實際生產需要。因此，在進行設計過程中，氣動抓取式工業機械手應包含以下幾部分：執行機構：執行機構是氣動抓取式工業機械手的重要組成部分，包括了手部、手腕、手臂和立柱等部件，是機械手完成生產目的的關鍵部分；氣動驅動系統：氣動驅動系統是指揮機械手完成工業生產的重要部分，利用氣體壓力進行驅動，使機械手完成任務；控制系統：控制系統相當于機械手的大腦，對機械手執行任務進行指令下達。一般來說，氣動抓取式工業機械手的控制系統，主要以PLC自動化工業控制系統為主；相關檢測裝置：檢測裝置是進行位置調節的裝置，通過檢測裝置可以更好地確定抓取目標，為實現抓取目的提供依據。機械手的構成，以PLC控制系統進行指令下達，之后由氣動驅動系統進行機械能傳輸，使執行機構能夠進行實際行動，并且根據位置檢測裝置，進行目標操作[1]。

2 基于PLC的氣動抓取式工業機械手設計研究

2.1 設計要點

基于PLC的氣動抓取式工業機械手在設計過程中，要注重機械手的抓取性能，在實際工作中，能夠實現快、準、狠的工作效果。機械手設計過程中，手臂的運行方式有所不同，在進行手臂設計時，需要考慮到生產的實際情況，使機械手設計能夠與生產實際狀況符合。關于PLC氣動抓取式工業機械手設計，要把握以下幾點：第一，機械手臂設計時，坐標可分為直角坐標式、球坐標式、關節式等方式。第二，手臂的升降、收縮和回轉運動要保證靈活性，能夠較好地適應生產和抓取情況。第三，手臂的上下升降、左右旋轉、上下擺動動作要具有較好的靈活性。第四，手臂要保證五個自由度，符合抓取需要。

2.2 設計方案

文章對基于PLC的氣動抓取式工業機械手的設計研究，將從手指、手腕、手臂、三個方面進行。

手指設計分析：機械手在設計過程中，要具有較好的通用性能，能夠進行有效的更換，以實現設計的效率性和多用性。手指在設計過程中，主要以氣動抓取方式為主。氣動機械手是用壓縮空氣為動力源的機械手。其特點是方便、輸出力小、氣動迅速。但是由于空氣的可壓縮性使其運送過程不穩定，抓取力控制在三十公斤以下。手指設計時，要有足夠的握力并且手指間具有對應的開閉角，能夠對工件進行準確定位。

手腕設計分析：手腕設計時，同樣要以生產實際需要為主，手腕要具有較好的靈活性，更好地滿足生產需要。設計時，若是抓取的物件是水平放置，則可以設置成為上下擺動的形式即可，若是抓取物件存在一定的復雜性，就需要將手腕設計成“球坐標式”，能夠進行有效地活動，從而完成抓取工作[2]。

手臂設計分析：機械手臂在設計過程中，要保證其具有較大的靈活性。手臂是進行抓取工作的重要設計點，其速度關系到了機械手手指的抓取速度，文章對機械手臂的設計參數為最大移動速度為1.0m/s，回轉速度為90°/s，移動速度為0.8m/s。手臂設計要具有速度性，它是實現抓取效率的關鍵部位。

2.3 控制設計

控制設計是基于PLC的氣動抓取式機械手設計的難點，具有較大的復雜性，同時，控制設計也關系到了機械手能否發揮真正的作用。在控制設計過程中，需要考慮到機械手的通用性，并且采用點位控制方式，實現精確控制。控制設計時，要注重PLC工業自動化控制系統的應用。關于利用PLC自動化控制系統進行機械手控制的問題，如圖1所示[3]。

PLC在實現這一目標時，需要通過程序編制，并且對程序進行執行處理，才能實現。PLC應用于氣動抓取式機械手設計時，主要涉及到了以下設備裝置：中央處理器、系統存儲器、用戶存儲器、電源、編程器五大部分。這五個部分當中，中央處理器是PLC系統的核心，對氣動抓取式機械手進行控制，電源、線路是實現PLC系統進行相關程序操作的關鍵。同時，編程器、系統存儲器、用戶存儲器之間，需要通過I/O信號輸入，才能實現效果。

PLC控制作用發揮時，需要事先有PLC系統進行命令，并且通過總機的數據處理系統，將指令進行傳達，實現信號輸送。關于PLC的氣動抓取式機械手的工作情況，主要如下：機械手位于初始位置，受到控制系統控制，執行系統將推動機械手進行運動。同時，機械手各個主要部位受到執行系統控制，執行系統通過完成主系統下達的任務，進行機械手控制，完成機械手操作任務。基于PLC的氣動抓取式工業機械手設計，將更加廣泛的應用于自動化生產線。國外很多國家已將其成功的應用于成套的自動化生產設備中。機械手未來的發展，將朝著自動化、智能化、網絡化的發展方向邁進，將更好的代替人從事高危險、高危害的工作環境，實現生產管理的智能化和自動化。

3 結束語

綜上所述，文章主要分析了基于PLC的氣動抓取式機械手的設計原理、設計方案、控制設計三個部分內容，并就氣動抓取式機械手的特點進行了分析，實現了氣動抓取式機械手的設計。氣動抓取式機械手在工業生產過程中起到了重要的輔助作用，在實際設計過程中，必須注重這一點，使機械手設計能夠更好地促進工業生產的發展和進步，滿足我國現代工業更加自動化、智能化的發展需要。

機械手設計論文:基于PLC的氣動機械手控制系統現狀和程序設計算法分析

【摘要】機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程以變動的多功能機器，在工業自動化生產中占據著重要位置。驅動方式可以液壓傳動，也可以氣壓傳動，也可以是電氣控制等方法。隨著傳感器技術、氣動技術、計算機技術等發展，基于計算機技術為基礎的控制技術發展較快，其中氣動技術以經濟、廉價、靈敏等優點，而成為研究熱點之一。本文介紹的是氣動機械手模型基于專用計算機―PLC的控制系統設計。

【關鍵詞】機械手；現狀；程序設計；算法分析

一、PLC的氣動機械手控制系統現狀

隨著社會與科技的進步，工業生產自動化設備越來越廣泛應用，其中機械手的誕生就是基于生產技術不斷提高，是現代生產與科技應用相結合形成的一個重要技術。工業機械手的應用減輕了勞動強度、可提高產品加工精度、減少危險性生產由人工操作環節，尤其是在一些危險性大的行業生產中應用較為實用，如化工生產有存在有毒物質的；如核電廠等存在放射性物質的地方；如煙花等易燃易暴的生產場合等生產環境非常適合使用機械手進行生產。在機械行業中（鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配等）應用也十分廣泛，如在柔性生產線中用氣動機械手來搬運上下料材；機械零件的裝配生產線中，利用機械手抓零件與另一零件裝配在一起；如啤酒生產中用機械手把蓋壓在瓶子上等等。以上種種應用極大的減輕了勞動強度、促進安全生產、提高產品質量，適合現代化的生產趨勢，具有較強的生命力。機械手的驅動方式有氣壓傳動、液壓傳動、電氣傳動和機械傳動。廣泛使用的氣壓技術以壓縮空氣為介質，具有動作迅速、平穩、可靠、結構簡單、較輕、體積小、節能、工作壽命長的特點，特別是對易于控制、易維護、無環境污染場合，因此氣動技術常作為機械手的驅動系統的首選。氣動機械手與其它控制方式的機械手相比，具有無污染、抗干擾性強、價格低廉、結構簡單、功率體積比高等特點。在機械行業越來越多的自動化設備中采用了機械手，主要是液壓控制和氣壓控制兩種方式。其中氣動機械手以其取之不盡、用之不完的氣源，及較低的生產成本受用戶喜愛，各國對氣動機械手的研究越來越重視，現已發展成為滿足生產需要的一種重要的實用技術。

在工業自動化中液壓與氣壓均有較在應用，而氣動技術被稱為工業自動化的“肌肉”，其應用靈活，夾持工件的重量越來越重，在各種機械加工行業和制造行業中，尤其在有毒的環境下作業等其應用程序越來越受重視，并得到相應廣泛使用。隨著科技不斷日新月異發展，自動化控制技術也不斷更新，在微電子技術、計算機技術等技術的迅猛發展形勢下，氣動技術不斷技術創新，以工程實際應用為目標，不斷取得巨大的進步。另外氣動技術作為一種相對來說比較廉價的自動化技術，由于其元器件的制造技術以及使用性能的不斷提高，并且生產成本和流通成本不斷的降低，氣動技術現已被廣泛的應用在現代工業、醫療業、生產以及輸送領域。例如南昌市第一附屬醫院中引入了氣動控制藥品傳輸線，從藥房配藥師輸出到住院部等各部門，每次提高了近5分鐘，大大減少人力勞動及工作人員數量。

我國在機械手的應用方面，不是世界最發達國家，但已經較為廣泛使用并取得了較成熟的技術。基于Programmable logic Controller為核心技術進行控制的液壓機械手或氣動機械手在工業自動化領域應用較多，非常適合PLC最基本功能，即邏輯控制。如用來上料下料、裝卸機械零件、搬動物品等重復性的工作過程。我們國家原來的繼電接觸器控制系統大多已改造為基于 PLC 為控制器的自動化裝置，通過最近20多年的應用實踐表明，在機械制造及自動化領域具有強大生命力。研究的基于氣動技術的可編程控制器控制的機械手是現代機電一體化自動生產線中重要輔助裝置，可實現上下、左右、伸縮六個方向的三維空間運動，較適合經常變更批量生產與柔性制造生產的現代加工方法。它能按預定程序和控制要求完成物品、材料、機械零件等進行運送、上下料、搬運等作業，并可以在需要時修改程序實現動作變更。

二、PLC 程序設計算法分析

算法是決解決問題的清析思路的描述，對于一種可行的解決方案均有算法。當然對于不能解決的方案可能就沒有算法可言。在本課題中編程環節要求按照機械手的工作要求實現控制要求，我們通過假定其初始位置為原點，其條件為右邊、后退、松開狀態為原始條件，基于此條件下實現自動操作與手動操作。

（一）分治法

設計中利用了重要的分治法實現各功能模塊。依照氣動機械手的工作順序要求，劃分為各小功能模塊，如向左伸出與向右縮回、向下伸出與向上縮回、水平伸出與縮回等均可分為小的模塊，設計中稱為狀態。從初始狀態開始依次按要求將可畫出相關系統流程圖。各相關的狀態中動作利用步進指令轉換為梯形圖程序，實現完整的控制功能。

（二）貪婪法

貪婪法的總體思路中把符合控制條件的所有情況均最大限度的列入考慮范疇，從中選取一個解決問題的辦法。課題設計中考慮符合設計要求的思路會有多種，如采用最基本的思維，即把每一步均作最基本的“起-保-停”處理，并線圈內加入限制條件，在最開始作最基本的起動控制程序以實現控制功能。另一種方法可以采用 SET、RST 指令來實現控制功能。還有方法就是后續設計中用的用流程圖把所有出現的動作當成狀態，設計其流程圖并轉化為梯形圖程序。

（三）遞推法

對于設計的程序圖中各狀態的實現方法，采用邏輯遞推法，依次基本邏輯關系遞推。如課題設計中關于機械手控制工作順序中的各狀態中執行動作及各狀態間轉換關系，不斷利用這種遞推辦法，把氣動機械手的工作過程按順序設計其控制邏輯圖。在程序設計過程中存在各種邏輯限制關系，要依照控制要求反復推敲后加入程序以實現各種功能及相關條件限制。

機械手設計論文:機械手自動控制系統設計研究

摘要：隨著科技的不斷進步，工業自動化產品的性能日益加強。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、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危機生命。因此，迫切需要一種東西代替人在惡劣的環境中作業的要求呼之欲出，機械手由此而誕生。本文就機械手自動控制系統的設計進行了分析研究，以供參考。

關鍵詞：機械手 PLC 自動控制 系統設計

1、引言

隨著可編程序控制器（PLC）在工業生產過程自動控制中的廣泛應用，解決了在各種惡劣環境下工作的難題。機械手在工業自動化生產得到了很好的利用，它不僅靈活多樣，而且耐高溫、抗腐蝕，可以較強適應各種惡劣的工作環境完成人無法完成的操作，大大降低了工人的勞動強度，提高了生產效率。機械手是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現代制造業重要的自動化裝備，是工業機械系統中傳統的任務執行機構，它的出現不僅提高了產品的質量與產量，而且加快的實現了工業生產機械化和自動化的步伐。

2、機械手與PLC的概念

2.1機械手

機械手主要由手部和運動機構組成，可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化。主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。

2.2 PLC

PLC為可編程序控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC），是在繼電順序控制基礎上發展起來的以微處理器為核心的通用自動控制裝置。主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。PLC的特殊功能模塊用來完成特殊的任務。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴展其功能的原則設計。PLC具有可靠性高、適應面廣、控制性強、操作方便、抗干擾能力強、編程方便、對環境要求低、與其他裝置配置連接方便等特點。在工業自動化控制系統中占有極其重要的地位。

3、機械手自動控制系統設計

3.1 I/O地址分配

I/O地址分配見表3.1。

表3.1機械手控制PLC輸入/輸出（I/O）分配表

3.2 PLC控制系統設計分析

由機械手的工作過程可知，這是一個典型的順序控制系統。為此，可從機械手的連續工作方式入手編寫程序。首先應繪出連續工作時的功能表如圖3.2，然后直接列寫邏輯表達式，用觸點線圈指令編程，也可使用置位復位指令或順序控制繼電器指令來完成。為了將每一步的工作狀態顯示出來，動畫模擬軟件使用了內部存儲器位 M5.1 、 M5.2 、 M5.3 、 M5.4 、 M5.5 、M5.6 、 M5.7 、 M4.0 、 M4.1 來分別表示①～⑧的運行狀態。編程過程中，需要注意特別處理的問題是①、⑤和③、⑦步的動作問題，雖然①、⑤步都是下降操作，但卻具有不同的意義，①步下降是空鉤下降，而⑤步下降則是夾著工件下降。③、⑦步的上升操作也是這樣。

圖3.2機械手動作功能表 圖3.3機械手控制系統程序結構圖

單周期操作的程序實現可在連續工作程序的基礎上通過經驗修改實現。其要點是是設法阻止機械手在一個周期工作結束后自動進入下一周期，一般在下降的啟動回路想辦法。

單步操作的實現與單周期工作的實現是相似的。即設法在每一步工作結束后，不是直接啟動下一步的工作，而是等待啟動按鈕的命令后再工作。

以上是在同一個順序控制程序中完成的連續工作、單周期工作和單步工作的程序編制思路。實際上本文采用分段跳轉的辦法來完成這三種操作，這使得程序結構如圖3.3所示。這種方法編制的程序結構清晰，但程序數量長于前一種方法。

4、系統調試

4.1控制系統的程序調試步驟

（1）對于比較復雜的控制系統，需要繪制系統流程圖，用以清楚的表明順序和條件。

（2）設計梯形圖，這是程序設計的關鍵一步，也是比較困難的一步，要設計好梯形圖，首先十分熟悉控制要求，同時還要有一定的電氣設計的經驗。

（3）將程序輸入到PLC的用戶存儲器，并查找程序是否正確。

（4）對程序進行調試和修改，直到滿意為止。

4.2調試過程中注意的事項

（1）數據線與計算機的接口必須要與軟件的端口保持一致，否則運行會產生通信錯誤問題。

（2）連接PLC上的輸出端口對應的動作必須與程序中的輸入輸出點的定義動作保持一致。

（3）PLC上的輸入輸出點都必須接入電源，連接的外部模塊也必須接通電源與接地線

（4）由于條件有限，外部接線模塊中部分用開關代替按鈕，在執行點動程序注意執行完應該將開關撥回到停止狀態。對于限位開關也用普通開關代替，當執行完該步程序后，進入下一個步，需要將限位開關撥回OFF狀態。

結束語

機械手控制系統采用PLC進行控制，大大提高了該系統的自動化程度，減少了大量中間繼電器、時間繼電器和硬件的接線，提高系統的可靠性。同時，使用PLC進行控制可以方便更改生產流程，增強控制功能。另外，在實際的生產中，可以設置遠程控制，可以利用監控軟件對控制系統進行實時控制，以提供較為直觀、清晰、準確的機械手運行狀態。也為維修、故障診斷提供多方面的可能性。

機械手設計論文:仿人機械手的結構設計與現實意義

【摘 要】本文闡述了仿人機械手研發的國內外發展現狀與存在的問題，并針對這些問題對仿人機械手進行了三維建模以及運動學仿真，同時闡明了仿人機械手研究對社會生活的現實意義。

【關鍵詞】仿人機械手；三維建模；運動學仿真

0 引言

機器人技術的發展是一個國家高科技水平和綜合能力的重要標志，而服務機器人是未來社會發展的必然產物，對于服務機器人的研究，尤其是仿人機器人的研究是具有巨大經濟價值和歷史意義的，其原因有兩個：第一，世界老齡化進程的加快，尤其是中國也正進入老齡化社會，照顧老人問題即將成為一個嚴重的社會問題，而仿人機器人在解決這一社會問題中有著不容置疑的作用；第二，由于各種災難和疾病造成的殘障人士也逐年增加，他們需要越來越多的關心和照顧，如果采用專門的人力將嚴重增加社會的負擔。所以對于服務型機器人的研究，顯得格外重要。

目前有很多服務型機器人，但是沒有一個機器人可以像人一樣有一雙靈巧的手，完成只有人類才能實現的復雜動作，本課題就是針對這一問題從仿人機器人的機械手開始研究的。

1 國內外發展現狀與問題

從1960年由通用電氣公司設計制造的造型為兩只手指的爪狀物開始，為以后的各類機械手打下了基礎，到現在為止美國的宇航局（NASA）、哈佛大學和耶魯大學，日本的東京大學在機械手的研究上都取得了不小的突破。

我國機械手的研究比較晚但是也做了很多工作，國防科技大學[1]、哈爾濱工業大學[2]也研制出了多指靈巧手。尤其是哈爾濱工業大學機器人研究所研制的“仿人型機器人靈巧手”，2006年5月亮相德國慕尼黑國際機器人及自動化展覽會，以其精美的外觀、可靠的軟硬件系統等贏得了眾多參觀者的贊賞，并率先進入了國際市場。

由此可見，目前多數國家和企業高校都在對仿人機械手進行研究與設計，不過現在還存在一系列問題，例如：價格昂貴，實時性不理想，設備笨重，并且大都停留在實驗階段，這些都制約其在實際當中的應用。

2 五指仿人機械手設計

本文設計的五指仿人機械手具有的優勢有：采用欠驅動控制方式[3]，所以機械系統大大簡化，機械手大小基本與普通人手大小一致，便于安裝到各種服務機器人的移動平臺上；同時每個手指都靠手指末端拉力進行運動，也就是說只需要一個拉力便可以實現機械手指的人類手指運動方式，結構緊湊、便于控制、動作靈活；材料可以采用塑料纖維進行加工實現，因此質量輕、價格便宜，易于普及；可以采用嵌入式的控制方式進行控制，處理速度快，響應時間短。

本文通過Solidworks對五指仿人機械手進行建模，其單指與整手建模圖形如下所示：

圖1 單指結構與整手三維建模

本文通過ADAMS實現仿人機械手的運動學仿真，其仿真圖形如下所示：

圖2 約束添加以及手指運動效果圖

3 現實意義

對于仿人機械手的研發對社會有著重要意義：其一，對于服務機器人的研制，尤其仿人機器人的研究應用，必將對機器人行業起到積極的促進作用；其二，仿人機械手的研發隸屬于制造業，其研制成功與推廣，可以增加就業，創造經濟價值；其三，其技術的實現可以促進制造業的信息化、自動化和產品的智能化，提升產品技術含量和附加值，從而促進制造業相關技術領域的發展；其四，實現服務機器人上機械手的靈活運動與控制，對于老年人以及殘障人士在心理上和身體上都非常有益處，為解決我國社會問題，創建和諧社會做出貢獻。

機械手設計論文:煉膠生產線氣動機械手的優化設計

【摘 要】本文介紹了氣動機械手的基本功能，在此基礎上，主要對氣動機械手的結構進行設計與改善。在 PLC 和氣動控制技術相結合的基礎上，使其功能更加完善，運行更加精準、合理。它由 PLC 控制四個氣缸來實現機械手橫向和縱向的運動以及氣動夾持機構的伸縮動作，利用氣動能源分別完成對生產中使用到的工件進行抓取、放置等動作，實現了節能環保的特點。

【關鍵詞】氣動機械手；氣缸；優化設計；PLC

0 引言

煉膠生產線一般包括上輔機（包括膠料、粉料和油料的稱量及投送系統）、膠料混煉設備（密煉機）和下輔機（膠片擠出、冷卻和稱量系統）三大部分。由于密煉機和下輔機之間的膠料需循環返回多次精煉的要求，而氣動機械手是傳遞機構中的重要部分，通過夾持機構將物料從某一位置和方位，按一定運動軌跡傳遞到另一位置和方位，且是以空氣為介質，具有使用、維修方便、安全、可靠、成本低、壽命長等特點，采用氣動方式控制機械手機構被很多場合所采用[1]。設計氣動機械手的原則是：充分分析作業對象的作業技術要求，擬定最合理的作業工序和工藝，并滿足系統功能要求和環境條件；明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求。

1 氣動機械手的工作原理

圖1 氣動機械手的運動示意圖

圖2 氣動機械手工作流程圖

如圖1所示，此氣動機械手具有兩個弧線升降運動，一個旋轉運動和一個直線運動的自由度，將煉膠機的出料搬運至左側或右側的煉膠機上。機械手的動作除了左右旋轉應用電機控制之外，其余全部動作由氣缸驅動，氣缸由電磁閥控制，整個機械手在工作中能實現上升和下降、左轉和右轉、夾緊和放松的功能，是目前較為簡單的、應用比較廣泛的一種氣動機械手。

在主臂立柱底座上安裝電機以便控制其回轉自由度。小臂a與主筆立柱之間用氣缸A控制連接，以便控制小臂a的弧線升降。在小臂a與小臂b之間采用氣缸B連接，以便控制小臂b的弧線升降，在小臂b和夾持機構之間采用氣缸C連接以便當小臂運動時夾持機構在氣缸C的作用下能保持平穩的運行和垂直度，氣缸C的充放氣特性以及運動軌跡根據氣缸B和A的充放氣特性來決定。夾持機構的開合和夾緊由氣缸D控制。將氣動機械手的零點（原始狀態）定為開始工作位的回轉限位、升降限位、伸縮限位及放松狀態。氣動機械手為實現移料動作，需要完成如圖2所示的工作流程圖。

2 氣動機械手氣動回路的構成及原理

氣動回路主要是由氣源、各種控制閥以及執行氣缸等組成，下面介紹回路的關鍵部件-執行氣缸。

執行氣缸包括連接主臂立柱和小臂a的氣缸A，連接小臂a和小臂b的氣缸B，連接小臂b和夾持機構的氣缸C，以及控制夾持機構的氣缸D。由于不同的氣缸控制不同機械結構，其輸出力也不同，所以四種氣缸的型號也不同。同時要求氣動機械手能夠在升降過程中任意位置實現精確定位，精度要求為 1mm以內。由負載性質及氣缸運動速度選定負載率β值，即可求出所需的氣缸理論輸出力P=F/β。

氣缸D所控制的夾持機構和物料最大重量約為50kg，氣缸C所控制的最大重量約為55kg，氣缸B所控制的小臂b的最大重量約為70kg，氣缸A所控制的小臂a的最大重量約為80kg。

一般來說，氣缸可以保證起點和終點的定位精度，因此，對于夾持機構Z軸方向的定位，應用一般的氣缸就可以保證其定位精度和使用要求。而對于小臂a和小臂b的升降精度要求，則可以使用 SMC公司一種新型CEI型氣缸，在結構上增加了位移傳感器件，使之與氣缸渾為一體，整體結構緊湊合理，設計新穎，提高了氣缸位移監測的性能，CEI型氣缸在杠桿的兩側刻有細紋磁柵，當氣缸左右移動時，位移傳感部分將以雙向脈沖方波形式輸出能夠實現中間任意位置的定位[4]，而且其定位精度可達到1mm以內，因此，應用上述氣缸可以滿足小臂a和小臂b的升降定位精度的要求和使用要求。根據以上原則和條件，詳細選型見下表1。

總體氣動系統原理圖如圖3所示。氣源首先經過濾減壓閥處理，通過相應的電磁換向閥后進入各個氣動執行元件。

圖3 氣動系統原理圖

1、2、3、4―2位5通雙電控電磁閥；5―氣源處理組件；6―氣罐

3 氣動機械手控制系統配置

根據機械手運動仿真方案，機械手的循環動作依次為：上升正轉下降伸出夾緊上升反轉放松縮回反轉下降下一循環。為了根據實際工作環境確定機械手工作時磁性限位開關的位置并調試機械手，對機械手的每一動作設定一個手動控制按鈕。同時，為了保證氣動機械爪工作時，整個機械手只能執行其一個動作，需要在程序上設計互鎖功能。氣動控制系統一般由控制器，電―氣控制元件、氣動執行元件、穩壓氣源、傳感器和接口電路組成[2]。控制器一般指計算機、單片機或可編程控制器等控制器件，氣動執行元件常用的有氣缸、氣爪、控制閥等，傳感器一般指位置傳感器、速度傳感器和加速度傳感器，接口電路指控制器與控制元件、控制器與傳感器之間的接口[3]。

氣動機械手有兩種控制方式：操作面板控制和個人計算機控制，兩種控制方式均以 PLC 為主要控制模塊，其中個人計算機控制要求 PLC 與上位機實現有效通訊，通過上位機程序的改變來實現 PLC 程序的更新與運動參數的變化。為了實現氣動機械手操作面板控制和個人計算機控制兩種操作方式，擬采用PLC 為下位機，PC 機為上位機的控制模式，PLC 與 PC 機之間通過 RS232 協議實現通信，完成控制過程中的數據交換[5]。可編程控制器的程序運行方式是循環掃描方式，而非順序方式，因此任何一個氣缸在條件滿足后即開始動作，在機械手運行中遇到突然停電時，可以關閉氣源，對工件進行處理， 來電后重新初始化各項個元件與程序。

我們所要控制的系統中，有8個行程開關信號、一個按鈕開關信號、一個由定位系統動作結束發出的信號共10個輸入點，因此我們選用了西門子S7-200系列CPU224型號PLC，它有14路數字量輸入點和10路數字量輸出點，具有體積小、處理數據和通訊能力強、存儲器容量大等優點。基本位布爾運算執行時間為0.22μs，用戶存儲器容量SK字節[6]。而且它還具備6路30kHz單相高速計數器和2路20kHz高速脈沖輸出可以分別用來接收旋轉編碼器信號和直接控制步進電機運行。有模擬量輸入/輸出模塊、高速計數器模塊、位置控制模塊、數據輸入/輸出模塊、通信模塊等，可以實現模擬量控制、位置控制和聯網功能，在功能上完全滿足了控制系統的要求，并留有一定數量的FO通道作為照明電路和其它儲備用途。

4 結論

本文主要研究了氣動機械手的執行機構和驅動系統的原理并進行了設計，采用氣動驅動作為機械手的驅動方式，通過分析設計執行氣缸及其控制閥等模塊，以滿足相應的動作要求，根據氣動機械手的功能要求繪制了機械手的控制系統流程圖，使機械手能實現多點連續的控制，同時分析氣缸C和氣缸B的充放氣特性，以便優化兩者的先后動作，再結合S7-200可編程控制器，使氣動技術在順序動作的邏輯控制系統的優點得到充分發揮。