机械工程及自动化专业毕业设计论文-多自由度机械手设计
本科毕业设计--3个自由度机械手设计
目录第一章引言 (2)1.1 机械手的分类 (2)1.2 机械手的组成 (5)1.3 应用机械手的意义 (7)第二章总体技术方案及系统组成2.1 原始数据 (8)2.2 工作要求 (8)2.3 系统组成 (9)2.4 总体技术方案 (9)2.4.1 动作分析 (10)2.4.2 手部 (10)第三章机修手的液压部分3.1 液压系统的工作原理 (12)3.2 液压传动的工作特性 (12)3.3 液压系统的组成 (12)3.4 液压系统的优,缺点 (13)第四章回转装置的总体组成和结构设计4.1 回转装置的组成 (15)4.1.1 执行件 (15)4.1.2 传递件 (15)4.1.3 驱动件 (15)4.1.4 控制系统 (16)第五章机械传动方案的设计与计算5.1 小车的主要组成部分 (17)5.2 同步带传动方式优缺点 (17)5.3 驱动动力源 (18)5.4 机械方案的传动设计计算 (19)5.4.1 设计数据确定 (19)5.4.2 同步带的结构设计计算 (20)总结与展望 (25)设计小结 (26)致谢 (27)参考文献 (28)摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。
工业机器人的技术水平和应用的程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷绘、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。
本课题将设计一台三自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。
首先。
本课题将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式、搭建机器人的结构平台。
AbstractIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve production efficiency, guarantee the product quality, the general importance of the production process automation, industrial robots for automatic production line important members, the company gradually recognized and used. Industrial robot technology and applications to some extent reflect the level of a country's level of industrial automation, at present, the industrial robot is mainly responsible for the welding, printing, handling and stacking repetitive labor intensity and great work, work are normally taken to teaching and playback mode.This topic is to design a industrial robot with three DOFs, used for the transportation of materials to the stamping device. First. This topic will be the design of robot base, big arm, small arms and the structure of the manipulator, and then select the appropriate drive, driving mode, build the structure of robot platform.第一章引言机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。
机械手设计的毕业论文
机械手设计的毕业论文机械手设计的毕业论文在现代工业领域，机械手作为一种重要的自动化设备，被广泛应用于生产线上的各个环节。
机械手的设计与优化是一个复杂而又关键的任务，需要考虑到多个因素，如精度、速度、负载能力等。
本篇论文将探讨机械手设计的一些关键问题，并提出一种新的设计方案。
首先，机械手的结构设计是决定其性能的关键因素之一。
常见的机械手结构包括串联结构、并联结构和混合结构。
串联结构由多个连杆组成，具有较高的精度和刚度，适用于需要高精度操作的场景。
并联结构由多个平行连杆和执行器组成，具有较高的负载能力和速度，适用于需要承载重物和快速操作的场景。
混合结构则结合了串联结构和并联结构的优点，可以根据具体需求进行灵活配置。
本论文将采用混合结构设计机械手，以兼顾精度和负载能力。
其次，机械手的运动学分析是设计过程中的重要一环。
通过对机械手的运动学分析，可以确定各个关节的运动范围和姿态，为后续的轨迹规划和控制提供依据。
机械手的运动学分析可以通过解析方法和数值方法两种途径进行。
解析方法适用于简单的机械手结构，通过代数方程求解关节角度和末端位置。
数值方法适用于复杂的机械手结构，通过迭代计算关节角度和末端位置。
本论文将采用数值方法进行机械手的运动学分析，以适应复杂的设计需求。
然后，机械手的轨迹规划是实现预定任务的关键一步。
轨迹规划旨在确定机械手末端执行器的运动轨迹，使得其能够在给定的时间内到达指定位置，并保持所需的速度和加速度。
常见的轨迹规划算法包括插值方法和优化方法。
插值方法通过在给定的关键点之间进行插值，生成平滑的轨迹。
优化方法通过优化目标函数，如最小化时间、最小化能量消耗等，生成最优的轨迹。
本论文将采用插值方法进行机械手的轨迹规划，以保证运动的平滑性和连续性。
最后，机械手的控制系统是实现精确控制的核心。
机械手的控制系统包括传感器、执行器和控制器等组成部分。
传感器用于获取机械手和工件的状态信息，执行器用于执行控制指令，控制器用于计算控制指令并发送给执行器。
机械工程及自动化专业毕业设计论文-多关节机械臂的结构设计与建模
大学毕业设计题目多关节机械臂的结构设计与建模专业班级学生学号指导教师二〇一四年五月五日1绪论1.1机械人发展历史人类对机器人的追求与幻想已有300多年的历史。
早在西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了一个歌舞艺人，这是我国最早记载的机器人。
据《墨经》记载，春秋后期，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行保持“三日不下”的战绩。
1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车，其每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。
后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其在崎岖山路中运送军粮，支援前方战争。
在国外，古希腊人发明了最原始的机器人──太罗斯，它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的青铜雕像，它可以借助蒸汽唱歌，还可以自己开门。
1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。
1738年，法国天才技师杰克•戴•瓦克逊发明了一只机器鸭，它会会游泳，嘎嘎叫和喝水，还会进食和排泄。
1773年，著名的瑞士钟表匠杰克•道罗斯和他的儿子利•路易•道罗斯利用齿轮和发条原理而制成了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，它们有的拿着鹅毛蘸墨水写字，有的拿着画笔和颜色绘画，结构巧妙，服装华丽，这在欧洲风靡一时。
现代机器人的发展历史：1927年，在纽约举行的世界博览会上美国西屋公司工程师温兹利展出了其制造的第一个机器人“电报箱”，它是一个装有无线电发报机的电动机器人，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。
1938-1945期间，由于核工业和军事工业的发展，研制了主要用于放射性材料的生产和处理过程的“遥控操纵器”。
1947年，对这种较简单的机械装置进行了改进，采用电动伺服方式，使其从动部分能跟随主动部分运动，称为"主从机械手"。
1949-1953期间，随着先进飞机制造的需要，美国麻省理工学院辐射实验室开始研制数控铣床。
值得高兴的是1953年研制成功了能按照模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床。
机械工程及自动化(数控技术方向)-五自由度移动机械手设计
毕业设计五自由度移动机械手设计姓名： XXXXXX 学号： XXXXXX班级： XXXXXXXXXXXX专业：机械工程及自动化（数控技术方向）所在系： XXXXXXXXXX 指导老师： XXXXXX五自由度移动机械手设计摘要本课题来源于现实生活。
近现代以来，机器人领域发生着翻天覆地的变化，尤其在各工业生产制造行业的今天，它变得越来越智能、普及、常见化、平民化，在其他行业它的发展带动了各个领域的发展，对经济的提高带来显著作用。
机械手是机器人领域的一个组成部分，研究更为先进智能等优良性能的机械手具有重大意义。
当下对机器人领域研究提出了新一代的技术要求：包括性能、质量、生产效率、工作条件以及后期的产品换代升级等方面。
要求机械手在原代替工人繁重体力劳动和有害环境下操作的基础上，实现生产的机械化、自动化、精密化和产量化，具有节能环保，使用寿命长，外形设计美观合理和能后续产品质量升级换代的特点，并广泛应用于机械制造、冶金、电子、医疗和能源等领域。
此次设计主要研究五自由度机械手的主体结构部分（包括底座、腰部、大臂、小臂、手腕及末端执行结构），其主要通过腰部360度回转、大臂的俯仰，小臂的前后摆动，手腕360回转，末端执行器的摆动来实现空间中的五个自由度的运动。
关键词：五自由度；机械手；结构方向；研究价值Mechanical Structure Design for A 5-Degree of Freedom MobileManipulatorABSTRACTThis is based on the production practice. In modern times, with the changes in turn the world upside down the field of robotics, more and more intelligent, popular, common, popular in the industrial manufacturing industry, other industries in the development of various fields, have significant effect on economic increase. Manipulator is a part of the field of robotics, it is very important to study the mechanical hand is more excellent performance of advanced intelligence. The proposed requirements of a new generation of technology in robot research field: including performance, quality, production efficiency, working conditions and the product upgrading. The basic requirements of manipulator in the original place of workers heavy manual labor and hazardous environment, achieve the production mechanization, automation, precision and production, energy saving and environmental protection, the service life is long, the characteristics of the upgrading of aesthetic design is reasonable and can follow the product quality, and is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, health care and energy field.The design of the main body structure of manipulator with five degree of freedom (the base part, waist, arm, wrist, arm and end effector structure), mainly through the waist turning, pitching arm, small arm and wrist rotation, swing, swing the end effector to realize five degrees of freedom of movement in space.Key Word：Five degree of freedom；Robot；Structure direction；The value of search目录第一章绪论 (1)1.1 课题研究的意义 (1)1.2 机械手发展史及发展现状 (1)1.3 产品用途与使用范围 (2)1.4 本次毕业设计的主要内容 (2)第二章五自由度移动机械手总体方案设计 (4)2.1 移动机械手的结构形式选择 (4)2.2 机械手驱动方式选择 (6)2.3机械手结构总体布局 (7)第三章机械手工程图的设计及计算 (8)3.1 主要技术参数的确定 (8)3.1.1机械总体结构参数确定 (8)3.1.2直流伺服电机的选择 (8)3.2机械手各关节的部件的详细设计 (10)3.2.1腰部关节设计 (11)3.2.2大臂摆动关节设计 (13)3.2.3小臂摆动关节设计 (14)3.2.4手腕旋转关节设计 (15)3.2.5执行器摆动关节设计 (16)3.2.6机械手各臂及支座的结构设计 (16)3.2.7重要零件的受力分析与校核计算 (18)第四章基于Pro/ENGINEER的模型建立与运动分析 (22)4.1机械手各部件静态模型的建立 (22)4.2移动机械手的运动分析 (25)4.2.1连杆参数及连杆坐标系的建立 (25)4.2.2运动学方程式推导 (28)总结 (30)参考文献 (31)致谢 (33)第一章绪论1.1 课题研究的意义21世纪是知识的世界，也是科学技术的世界，谁掌握了科技的前沿方向，谁就能把握主导权，引领世界潮流，发展经济，带动各行各业的发展。
机械工程及自动化专业毕业设计论文-一种移动机械手的运动规划研究
大学毕业设计题目一种移动机械手的运动规划研究专业班级学生学号指导教师二〇一四年五月五日摘要移动机械手作为一种新型工具，在减轻劳动强度，提高劳动生产率和自动化水平等方面显示出极大的优越性。
它由移动平台和多关节机械手组成，具有移动和操作两种功能。
本文对移动机械手进行了总体方案设计，设计计算了电机的输出力矩，手指工作所需的驱动力等；并根据移动机械手的运动学特征，创建其雅克比矩阵，根据移动机械手的操作度椭圆，完成其运动规划及运动仿真。
即在满足机械手末端效应器运动的同时，寻找移动平台的合理运动轨迹。
其意义在于利用本套控制系统实现移动机械手部分运动规划、控制，完成动态目标抓取任务，很好的发挥其移动性和操作性两种功能，有利于实现机器人的避障，从而为移动机器人平台研究提供更加全面的实验数据。
关键词：机械手；运动仿真；自由度；液压传动；操作度ABSTRACTAs a new implement,mobile manipulator has show a great advantage in reduce work intension,improve work productivity and robotization level.It consist of mobile platform and polyarticular manipulator,has two function of mobile and operate.This text make a genenal project design for mobile manipulator,design and figure out motor´s output moment of a force,driving force for finger and so on;and on zhe basis of kinematics character of mobile manipulator,set up its jacobi matrix,on the basis of operational readiness ellipse of mobile manipulator,accomplish its motion programming and motion emulation.That is as soon as suffice the motion of manipulator´s extremity effective apparatus,search for mobile platform´s reasonable motion trail.It meaning meak use of this control system in order to achieve proportion motion programming and motion emulation of mobile manipulator, accomplish dynamic objective snatch mission,exert its two function of mobile and operate,in favour of achieve asuro of robot,thereby afford more comprehensive experimentation data for the study of mobile robot platform.Key words：manipulator；motion simulation；body freedom；hydraulic power transmission；operational readiness目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1前言 (1)1.1 选题背景与意义 (1)1.2 机械手的概念和组成 (1)1.3 机械手在国内外发展状况 (2)1.4 课题的提出及主要任务 (5)2 机械手机械部分设计计算 (6)2.1 机械手的设计计算 (6)2.1.1 机械手的驱动设计................................................................ (6)2.1.2 机械手主要技术参数............................................................. (6)2.2 机械手手部机构设计及计算 (7)2.2.1 手部的分类 (7)2.2.2 手部设计的基本要求 (7)2.2.3 手部的设计计算 (8)2.3 机械手腕部设计......................................................................... (9)2.4 机械手臂设计………………………………….…………………………... …... . 92.4.1手臂结构的特点及要求……………….…………………………... …... .. .92.4.2 手臂液压缸输出力计算……………….…………………………... …... .102.5 轮毂电机输出计算 (10)2.6 驱动系统......................................................................... ...... (11)2.6.1各种机械手驱动系统特点........................................... ...... .. (11)2.6.2机械手驱动系统的选择原则........................................ ...... .. (11)2.6.3 液压传动的应用范围及基本原理.................................. ...... . (12)2.6.4 液压传动系统的组成及优点….…………………………... …... ……... .123 移动机械手的建模......................................................................... ...... (14)3.1 运动学方程......................................................................... ...... (14)3.2 操作度......................................................................... ...... (16)3.3 移动机械手协调优化....................................................... ...... (18)4 移动机械手运动规划................................................. ...... ......... ...... (20)4.1 遗传算法简介....................................................... ...... ......... ...... (20)4.2 移动机械手运动规划....................................................... ...... (20)5结论 (23)参考文献 (24)致谢 (25)附录..................................................... . ...... ...... .. (26)。
(完整版)具有五个自由度的机械手设计毕业论文设计
具有五个自由度的机械手设计摘要随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。
文章主要叙述了机械手的设计计算过程。
首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体座标的形式。
同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。
机械手采用液压传动，使传动系统简单可靠；选用可编程控制器对机械手的动作进行控制，使控制程序简单，系统维护方便。
设计过程中，对机械手和液压缸部分做了详细的设计计算。
同时，对机械手的通用性主要是采用可更换式手部结构来实现，通过更换手部，可使机械手抓取外圆零件和内圆零件，从而实现了系统的多功能化。
机械手总体结构能够实现手臂的水平伸缩、垂直升降、旋转和抓取等功能，这些动作都是可编程控制器控制，用液压缸驱动机械手来完成的。
文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。
全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。
最后使用软件对机械手PLC控制仿真。
关键词：机械手；液压传动；液压缸；PLC仿真；AbstractThe applying of the manipulators are more and more important in the industry, with the development of industrial automation. The paper mainly narrated the design and calculation of light and transfer manipulator.The first，The paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator. Manipulator use system can be simple and reliable. The manipulator and in this paper. The movements of mechanical be convenient. And the universal ability of manipulator is based on the interchangeability of the grasp cylindrical parts and inner parts through the replacement of and captures the semifinished materials. All those movements are controlled by programmable controller and realized by industry manipulator's design theory and method. The comprehensive exhaustive discussion ,which the major structural design computation. Finally uses the software to carry out the PLC control simulation for manipulator's ；Hydraulic cylinder；Programmable logic Controller simulation;目录1 绪论 (1)1.1前言 (1)1.2 工业机械手的简史 (1)1.3工业机械手在生产中的应用 (3)1.4 机械手的组成 (4)1.5工业机械手的发展趋势 (5)2 机械手的总体设计方案 (7)2.1 机械手基本形式的选择 (7)2.2机械手的主要部件及运动 (7)2.3驱动机构的选择 (8)2.4 机械手的技术参数列表 (8)3 机械手手部的设计计算 (9)3.1 手部设计基本要求 (9)3.2 典型的手部结构 (9)3.3机械手手抓的设计计算 (9)3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算 (13)3.5弹簧的设计计算 (14)4 腕部的设计计算 (17)4.1 腕部设计的基本要求 (17)4.2 腕部的结构以及选择 (17)4.3 腕部的设计计算 (18)5 臂部的设计及有关计算 (23)5.1 臂部设计的基本要求 (23)5.2 手臂的典型机构以及结构的选择 (24)5.3 手臂直线运动的驱动力计算 (24)5.4 液压缸工作压力和结构的确定 (27)6 机身的设计计算 (29)6.1 机身的整体设计 (29)6.2 机身回转机构的设计计算 (30)6.3 机身升降机构的计算 (34)6.4 轴承的选择分析 (37)7 液压驱动系统设计 (38)7.1液压驱动的特点 (38)7.2液压系统设计 (39)8 PLC控制系统设计 (40)8.1 PLC的特点 (40)8.2 PLC的选择及IO分配 (40)8.3 PLC程序设计及仿真 (42)结论 (50)致谢 (51)参考文献 (52)附录 (53)1.绪论1.1前言用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。
本科毕业论文-基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计
本科毕业论文-基于单片机的多自由度机械手臂控制器设计摘要：随着自动化技术的不断发展，机械手臂在工业生产中扮演着越来越重要的角色，越来越得到人们的关注。
现代机械手臂控制器尤其是多自由度机械手臂控制器的设计与实现成为了本领域中的研究热点。
本文基于单片机芯片设计了一种多自由度机械手控制器，采用了串行通信的方式从计算机发送命令控制机械手臂的动作。
在硬件设计方面，使用了AT89S52单片机作为主控制器，引入了五个伺服电机控制模块作为机械手的动力源，以及一组角度传感器作为手臂的姿态测量元件。
在软件设计方面，采用C语言编写程序，实现了机械手臂自动运动、复位、姿态检测等功能。
同时，对机械手臂的自动防撞、误操作检测等进行了设计。
最终实验表明，本文设计的多自由度机械手控制器具有较强的动作准确性和鲁棒性。
关键词：多自由度机械手，单片机，控制器，硬件设计，软件设计Abstract：With the continuous development of automation technology, the role of robotic manipulators in industrial production is becoming more and more important, and it has attracted more and more attention from people. The design and implementation of modern robotic controller, especially multi-degree-of-freedom robotic controller, has become a hot research topic in this field.In this paper, a multi-degree-of-freedom robotic arm controller based on MCU chip is designed, and the motion of the robotic arm is controlled by serial communication from the computer. In terms of hardware design, AT89S52 MCU is used as the main controller. Five servo motor control modules are introduced as the power source of the manipulator, and a set of angle sensors are used as the posture measurement element of the arm.In terms of software design, the program is written in C language, and the functions of automatic movement, reset and posture detection of the robotic arm are realized. At the same time, the automatic anti-collision and misoperation detection of the robotic arm are also designed. Finally, the experiment shows that the multi-degree-of-freedom robotic arm controller designed in this paper has strong motion accuracy and robustness.Keywords: multi-degree-of-freedom robotic arm, MCU, controller, hardware design, software design一、引言机器人技术早产业生产中广泛使用，将传统的出产系统向自动化和智能化方向推进。
毕业设计-机械手毕业论文
毕业设计-机械手毕业论文机械手毕业设计目录摘要.............................. 错误!未定义书签。
第1章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 机械手的定义与分类 (2)1.3 机械手应用及组成结构 (2)1.4 机械手的发展趋势 (3)1.5 总体设计要求 (4)第2章 PLC的介绍与选择 (5)2.1 PLC的特点 (5)2.2 PLC的选型 (6)2.3 三菱FX系列的结构功能 (7)第3章各功能实现形式与控制方式 (9)3.1 本机械手模型的机能和特性 (9)3.2 夹紧机构 (9)3.3 躯干 (10)3.4 旋转编码盘 (10)第4章控制系统设计 (11)4.1 控制系统硬件设计 (11)4.1.1 PLC梯形图中的编程元件 (12)4.1.2 PLC的I/O分配 (12)4.1.3 机械手控制系统的外部接线图 (14)4.2 控制系统软件设计 (15)4.2.1 公用程序 (15)4.2.2 自动操作程序 (17)4.2.3手动单步操作程序 (22)4.2.4 回原位程序 (24)4.3 PLC程序的上载和下载......... 错误!未定义书签。
4.3.1 PLC程序的上载........ 错误!未定义书签。
4.3.2 PLC程序的下载........ 错误!未定义书签。
第5章设计小结...................... 错误!未定义书签。
致谢 (28)参考文献 (29)第1章绪论1.1 课题背景随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。
工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。
这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。
在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。
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前言
1.1 课题背景及意义
机械手通过运动控制芯片、单片机、可控制编程器等来控制电机、气缸、液压缸的运动，从而模仿人手和臂的某些动作，按固定程序实现物体的抓取。
它可代替人的劳动，也可以在有害环境下保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、电子、原子能等部门。
目前机械手主要用于以下几个方面。
(1).恶劣的工作环境和危险的工作
在核工业中，核产品具有较强的放射性，为了人员的安全，需要机械手来完成相关的清理工作。
(2).自动化生产领域
主要用于生产上实现自动化。
如当机械手末端夹持焊枪时，可以对汽车或摩托车的车体进行点焊或弧焊作业。
(3).在特殊作业场合进行极限作业
在一些高危领域经常要用到机器人去探索。
目前研制出了螃蟹机器人，用于水下勘测、海洋搜寻及石油天然气的勘测。
(4).农业生产
目前研制出了太阳能农用机器人，他可以找到隐藏在农作物中的杂草，通过机械手隔断杂草，同时还可以利用机械手喷洒除草剂。
(5).军事应用
在军事应用中，军人执勤经常会遇到危险，这就需要机器人帮助完成执勤任务，当今世界机器人竞争很激烈，要在这个激烈的国际竞争中立于不败之地,就需要有我国自己的机器人产业，未来世界高科技的竞争更重要的则是人才的竞争。
因此,从现在开始就应该注意培养后备力量。
机械手是机器人产业的典型代表,因此可以用来作为教学应用的示例。
机械手为典型的机电产品，包含了驱动元件，控制元件，信息处理元件，执行机构，传动机构，机械本体等组成元素，并且具有控制能力强，改变控制程序灵活方便、可靠性高等特点，为学生提供了良好的学习工具。
它将现代工业与教学联系在了一起，通过控制—执行这整个的过程使学生对所学的知识有一个更好的认识，从而激发学生的学习兴趣。
随着当今计算机技术的飞速发展，它已突破纯开关量控制的局限，进入模拟量控制等领域。
通过该机械手的教学开拓了学生专业视野，为他们迎接就业和深造的挑战打下坚实的基础。
1.2 国内外研究水平与发展趋势
目前,世界上的机器人的技术、数量优势都集中在以日美为代表的少数几个发达国家。
日本是世界机器人产业发展最快的国家,其产品一直在不断的更新换代。
因此,从总体实力来讲日本占有绝对优势。
美国的机器人在近10 年来也呈快速增长势头,而且增长的幅度在逐年加大。
另外德、意、法及英国的机器人产业发展也比较快。
以上6 个机器人产业大国机器人的总数构成了世界机器人的主体。
在亚洲除日本外,机器人产业发展较快的是韩国。
经过20多年的发展,我国在多项机器人关键技术中取得了突破性的进展。
机器人研究机构如中科院、清华大学、东北大学、哈尔滨工业大学已经取得了令人瞩目的成果。
1989年我国研制的水下机器人就出口到美国。
1997年我国的高性能机器人控制器也投入批量生产。
这些具有代表性的技术成果均达到国际上的先进水平。
我国在机器人领域除了狠抓技术攻关外, 也注重人才培养。
特别是 863 计划的实施, 为我国培养了一大批机器人技术的研究人才，我国机器人步入了跨跃式发展时期。
据报道，在机器人领域中多项关键技术及应用基础技术的研究成果达到了国际先进水平。
获国家科技奖23 项, 省部级科技奖130多项等。
随着计算机技术、人工智能、传感技术和高分子材料技术水平的逐步提高, 目前机器人技术正向着高智能化和拟人化的方向发展。
其中发展较快的关键技术有:
(1)机械结构向模块化、可重构化发展。
如关节模块中的伺服电机。
(2）决定机器人具有智能行为的关键技术智能控制。
其主要技术包括:智能信息处理、智能反馈、智能决策的控制方式。
(3）多传感器的信息融合。
这项技术是把分布在不同位置的同类或不同类传感器提供的特定环境下的特定信息加以综合, 消除信息之间的冗余和矛盾，提高工作效率。
(4）遥控和远程控制技术。
实现机器人高水平的自主功能和多机器人与操作者之间的协调控制。
(5）人机接口。
包括各种各样的输入输出设备。
1.3课程设计任务
本课题所设计多自由度机械手是典型的机电控制系统，既有操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，又具有速度快、精度高、柔性好等特点。
此多自由度机械手可以进行教学演示。
机械手能够实现基本的旋转、摆动运动以及腕部的旋转运动。
该机械手采用四关节串联结构，旋转关节采用交流伺服电机驱动，谐波减速器传动；机械手的控制系统采用以STM32和FPGA为核心运动控制平台，STM32主要任务是完成任务的分配与管理，同时利用其外设为控制系统提供专用接口；FPGA为扩展部分，主要任务是完
成控制系统的插补运算以及各种逻辑控制。
FPGA采用运动控制内核SM5004四轴运动控制芯片，STM32选用STM32F103型号的芯片。
1.4论文的整体结构
1.4.1硬件电路设计
（1）传统的运动控制方式是在PC或控制计算机中插入数据采板卡构成硬件系统，编写驱动程序实现软件功能，但是基于PC或工控机的控制器暴露出很多问题，如：体积大，不便于携行；插卡式结构，接触后易松动等等。
嵌入式操作系统具有嵌入式的典型特点：响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；较强的实时性和可靠性。
因此本方案采用嵌入式操作系统。
嵌入式系统中采用FPGA-现场可编程门阵列，可重复编程，设计周期短，可在短时间内将嵌入式处理器与FPGA组合构成嵌入式运动控制方案，产品运行周期短，便于快速推向市场；在FPGA上还可以嵌入其他处理器，构成新的芯片，同时可以降低系统总体的成本。
由于嵌入式系统具有这些优点，故在运动控制系统中，为了满足系统所要求的任务，采用ARM+FPGA嵌入式控制芯片。
其中ARM采用STM32，它的主要任务是完成任务的分配与管理，同时利用其外设为控制系统提供专用接口。
FPGA为扩展部分，可以采用深圳斯达特公司生产的SM5004四轴运动控制芯片，通过与伺服电机驱动器相连，从而控制电机的运动，主要任务是完成控制系统的插补运算以及各种逻辑控制。
由于差分驱动方式的抗干扰能力强于单端驱动方式，故采用差分输入/输出方式。
AM26LS31/32为差分线路接收器和驱动器。
差分线路接收器可以将差分信号变成单端信号，差分线路驱动器可以将单端信号变成差分信号。
采用高速光耦PS9613,耦合器以光为介质来传输电信号，对输入、输出都有很好的隔离作用，信号的传输方式为单向传输，输入与输出完全实现信号隔离，因此抗干扰能力强，工作稳定，传输的效率高。
由于这些优点，光电耦合器广泛用于电器的绝缘，电压的转换，驱动和接受电路等场合。
本电路由于所需的脉冲速度快，因此考虑选择高速光耦，来实现信号得隔离。
控制部分模块框图如图1.1所示：
图1.`1 机械手控制系统总体框图
控制机的通讯接口接收上位机传来的程序，并进行程序的运行，将设定值存储在存储器中，同时数据采集当前的电机信号，经A/D转换，将电机信号传给微处理器，微处理器将收集的信息进行比较运算，根据结果发送指令给电机驱动器，从而实现运动的控制。
1.4.2机械结构设计
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手，本文采用电动式驱动，因为电动式驱动精度更高一些。
自由度数为四个，包括两个转动、两个摆动。
抓取重物重量设定为5kg。
选机械手的基本形式为平面关节型机械手。
简要结构图如图1.2所示：。