机械手工作空间地设计
机械手设计已整理
机械手设计摘要本文简要地介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，气动技术的特点，PLC控制的特点及国内外的发展状况。
本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。
同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构;设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩;设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。
设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图。
利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。
关键词：工业机器人；机械手；气动；可编程序控制器(PLC)；机械手设计第一章绪论1.1机械手概述工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。
特别适合于多品种、变批量的柔性生产。
它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。
机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
桁架机械手结构和设计分析
桁架机械手结构和设计分析桁架机械手是一种利用桁架结构设计的机械手臂，具有轻量化、高强度和高稳定性的特点，被广泛应用于工业机器人、航空航天、汽车制造等领域。
在本文中，我们将对桁架机械手的结构和设计进行分析，探讨其优点和应用前景。
一、桁架机械手结构分析1. 桁架结构桁架结构是由多个横竖交错的杆件和节点连接构成的空间结构，能够承受较大的受力，并且具有较高的刚度和稳定性。
采用桁架结构设计的机械手臂能够具有较高的承载能力和较好的运动稳定性。
2. 关节连接桁架机械手的关节连接采用智能化设计，可以实现多自由度的运动，并且具有较大的工作空间。
关节连接的结构设计也决定了机械手的精度和灵活性，因此需要进行精细的设计和优化。
3. 轨迹规划桁架机械手的轨迹规划采用先进的控制算法和传感器技术，可以实现高精度、高速度的运动控制，并且能够适应复杂的工作环境和任务需求。
桁架机械手在实际生产中具有较大的应用前景。
1. 轻量化设计桁架机械手的设计采用轻量化材料和结构设计，能够实现机械手的轻盈、高强度和高稳定性。
轻量化设计也能够减小机械手的能耗和成本，提高其工作效率和经济性。
2. 结构优化3. 控制系统三、桁架机械手的应用前景1. 工业机器人2. 航空航天桁架机械手在航空航天领域具有较大的应用前景，能够实现飞机部件的装配和维护工作，提高生产效率和质量。
桁架机械手也能够适应复杂的空间环境和任务需求，因此具有较大的市场潜力。
3. 汽车制造桁架机械手具有较高的优点和应用前景，能够满足复杂生产环境和任务需求，因此在工业自动化领域具有较大的市场需求和发展空间。
相信随着科技的不断进步和创新，桁架机械手将会在未来的工业自动化中发挥越来越重要的作用。
机械手设计方案
机械手设计方案机械手设计方案引言：机械手是一种能模拟人手动作、完成复杂而重复的工作的机械装置。
本方案旨在设计一种功能全面、结构合理、操作简便的机械手。
一、功能设计：该机械手主要用于工业生产中的自动化操作。
设计中考虑到以下几个方面的功能需求：1.抓取能力：机械手需要具备稳定的抓取能力，能够根据需要抓取各种形状的物体。
2.运动自由度：机械手需要具备足够多的运动自由度，能够在空间中灵活操作。
3.力度控制：机械手需要根据不同任务的要求，能够对抓取力度进行精确控制。
4.操作平稳性：机械手的运动应平稳、精确，以实现高效的生产操作。
5.可编程性：机械手应具备可编程功能，可以根据不同任务需求进行多样化的操作。
二、结构设计：机械手主要分为下列几个部分：1.机械臂：机械臂是机械手的核心部分，应具备足够多的关节，以实现多自由度的运动。
同时，机械臂需要采用轻量化设计，以减小自身质量，提高运动效率。
2.末端执行器：末端执行器是机械手抓取物体的部分，应设计可自由伸缩的抓取夹具，以适应不同尺寸的物体。
3.传动系统：传动系统是机械手的动力系统，应选择高效可靠的传动装置，如电机和减速器组合，以保证机械手运动的精确性和稳定性。
4.控制系统：控制系统是机械手的智能核心，应具备高速、高精度、可编程的控制器，以实现机械手的自动化操作。
同时，控制系统应提供友好的人机界面，方便操作者使用。
三、操作流程：机械手的操作流程可分为如下几个步骤：1.输入任务指令：操作者通过控制系统输入任务指令，包括抓取位置、力度等参数。
2.开机准备：机械手启动后，进行预热和校准动作，以确保机械手处于正常工作状态。
3.感应物体：机械手的传感器感应物体位置和大小，确定抓取位置和姿态。
4.抓取物体：机械手根据输入的指令和感应到的物体信息，进行相应的运动和力度控制，将物体抓取起来。
5.完成任务：机械手将抓取的物体移动到指定位置，完成任务，并将完成情况通过控制系统反馈给操作者。
机械手总体方案毕业设计
机械手总体方案毕业设计引言：机械手是一种能够模拟人手动作的自动化装置，广泛应用于工业生产、医疗领域、科研实验等。
本总体方案旨在设计一台能够实现多自由度运动、具备灵活性和精确性的机械手。
一、设计目标：1.实现多自由度运动：机械手设计应具备足够的关节自由度，能够在不同方向和角度进行运动，适应不同工作场景的需求。
2.提高操作灵活性：机械手应具备灵活的手指和手腕，能够适应各种尺寸和形状的物体抓取，而不会因为形变而导致抓取失败。
3.实现精确控制：机械手的运动应具备高精度，并能够实现准确定位和精确操控。
4.提高安全性：机械手设计应考虑安全性，具备防护装置和自动停机等功能，确保操作人员的安全。
二、机械结构设计：1.关节设计：机械手应由多个关节组成，每个关节由电动机驱动，实现灵活的运动。
关节设计应具备足够的承载能力和稳定性，以确保机械手长时间运行的可靠性。
2.手指设计：机械手手指应具备可调节的灵活性，能够适应不同尺寸和形状的物体抓取。
手指可以采用弹性材料或具有可伸缩性的结构，以增加抓取的稳定性。
3.手腕设计：机械手腕部分应具备多自由度运动，既能够实现水平方向的旋转，又能够实现垂直方向的上下移动，以适应不同工作场景的需求。
4.传动系统设计：机械手的传动系统应选择合适的传动方式，如齿轮传动、链条传动等，以确保精确的位置控制和运动控制。
三、控制系统设计：1.电路设计：机械手的控制系统应包括电源、电机驱动器和数据传输装置。
电路设计应考虑供电稳定性、电磁干扰等因素，以确保机械手的正常运行。
2.传感器设计：机械手应搭载合适的传感器，用于感知物体的位置、形状和力度等参数，以实现对物体的准确抓取和操控。
3.控制算法设计：机械手的控制算法应具备实时性和精确性，能够根据传感器信息实现对机械手的准确控制。
常见的控制算法包括PID控制、模糊控制等。
4.用户界面设计：机械手的控制系统应提供友好的用户界面，使操作人员能够方便地操作机械手，并获取相关信息。
六自由度机械手设计
六自由度机械手设计在工业自动化领域中，六自由度机械手被广泛应用于各种生产线上。
机械手的设计需要考虑到其功能需求、结构设计和控制系统的设计等多个方面。
本文将从这三个角度，详细介绍如何设计一个六自由度机械手。
首先，机械手的功能需求包括其工作范围、负载能力和精度等。
机械手的工作范围决定了其能够覆盖的空间范围，而负载能力决定了其能够携带的物体的重量。
精度则决定了机械手在操作过程中的定位精度和稳定性。
在设计过程中，需要根据具体的应用场景来确定这些参数，并且在满足需求的前提下尽可能最优化。
其次，机械手的结构设计决定了其运动灵活性和稳定性。
六自由度机械手一般由基座、臂、腕和手指等部分组成，每个部分都有自己的运动自由度。
在设计过程中，需要综合考虑各个自由度的运动范围、连杆长度和连接方式等因素。
同时，还需要考虑机械手的整体结构是否牢固，是否方便维护和安装等。
最后，机械手的控制系统设计包括运动控制和感知控制两个方面。
运动控制主要包括运动规划和轨迹控制等，通过对机械手的运动轨迹进行规划和控制，使其能够精确地完成指定的任务。
感知控制主要是通过传感器来获取机械手和外部环境的信息，并根据这些信息来做出相应的调整。
在设计过程中，需要选择合适的传感器，并设计相应的算法来实现感知控制。
综上所述，六自由度机械手的设计需要考虑到功能需求、结构设计和控制系统设计等多个方面。
只有在这三个方面都充分考虑到，并且在满足需求的前提下进行优化，才能设计出一台性能稳定、功能完备的六自由度机械手。
通过不断改进和创新，相信未来的六自由度机械手会在工业自动化领域有着更加广阔的应用前景。
四自由度机械手设计
四自由度机械手设计四自由度机械手是指具有四个独立运动自由度的机械手。
它可以在三维空间内进行灵活的运动和操作，广泛应用于工业制造、医疗护理、服务机器人等领域。
本文将从机械结构设计、运动控制系统、应用领域等方面进行论述，介绍四自由度机械手的设计。
首先，机械结构设计是四自由度机械手设计的关键。
通常，机械手由机械臂、末端执行器、关节驱动装置等组成。
在设计机械臂时，需要考虑结构的刚度、轻量化和尺寸设计等因素。
关节驱动装置可以采用电机驱动、气动驱动或液压驱动等方式，根据具体应用场景选择不同的驱动方式。
末端执行器是机械手最重要的部件之一，其设计要充分考虑操控对象的形状、尺寸和质量等要素。
其次，运动控制系统是确保机械手运动精度和灵活性的关键。
四自由度机械手通常采用闭环控制系统，通过传感器实时反馈机械手的位置、速度和力等信息，通过控制器计算控制命令，控制机械手的运动。
在控制系统设计中，需要考虑传感器的精度、控制器的计算能力和控制算法的设计等因素。
常见的控制算法有PID控制、模糊控制和自适应控制等。
最后，四自由度机械手应用领域广泛。
在工业制造中，机械手可以替代人工完成重复性、危险性和高精度的任务，如焊接、装配和搬运等。
在医疗护理领域，机械手可以用于手术助力、康复训练和辅助生活等。
在服务机器人领域，机械手可以用于家庭服务、餐厅服务和残疾人辅助等。
随着无人驾驶技术的普及，机械手还可以用于车辆维修保养和物流配送等场景。
总之，四自由度机械手的设计涉及机械结构、运动控制系统和应用领域等多个方面。
通过合理设计机械结构，构建高刚性、轻量化的机械手。
运动控制系统的设计保证机械手的运动精度和灵活性。
各个应用领域广泛使用四自由度机械手，提高生产效率和人类生活质量。
随着科技的不断进步，四自由度机械手在未来的应用前景将会更为广阔。
机器人工作空间规划与优化
机器人工作空间规划与优化随着科技的不断进步和人工智能的快速发展，机器人正成为现代工业生产的重要组成部分。
机器人的智能化和自主性能力不断提高，其能够在工厂、仓库等各种场景中完成各种复杂的工作任务。
然而，机器人的工作空间规划与优化问题也逐渐凸显出来。
机器人的工作空间规划主要是指如何合理地规划机器人在工作环境中的移动和操作范围，以提高其工作效率和灵活性。
对于机器人来说，工作空间是其日常工作的核心要素，不仅涉及到运动范围的限制，还包括与人和其他机器人的协同工作等方面的问题。
首先，机器人的工作空间必须考虑到其自身的运动能力和限制。
不同类型的机器人具有不同的运动方式和移动能力，因此在规划工作空间时必须充分考虑到机器人的这些特性。
例如，一些机器人可以自由移动，而另一些机器人则需要在固定轨道上运动。
在规划机器人的工作空间时，需要综合考虑机器人的机械结构限制、工作载荷和运动半径等因素。
其次，机器人的工作空间规划还需要考虑到与人的安全协同工作。
随着机器人在工业生产中的广泛应用，与之共同工作的人越来越多。
因此，机器人的工作空间规划必须确保机器人与人的安全距离，以避免潜在的伤害风险。
这可以通过设置传感器和防护装置等方式来实现。
此外，机器人的动作和路径规划也需要考虑到与人的协同工作，以确保工作的高效和安全。
另外，机器人的工作空间规划还需要综合考虑与其他机器人的协同工作。
在某些工业场景中，多个机器人可能需要在同一时间内完成各自的工作任务，因此机器人的工作空间规划也需要考虑到多机器人之间的协作问题。
在规划机器人的工作空间时，可以利用机器人之间的通信和协作技术，将各个机器人的工作区域分配合理，以避免冲突和重复。
这需要综合考虑机器人的工作负载、工作优先级和任务时限等因素，以确保多机器人的高效协同工作。
最后，机器人的工作空间规划还需要考虑到环境的动态性。
在工业生产环境中，机器人的工作空间往往会受到环境条件的变化和不确定性的影响。
例如，工作场所可能存在障碍物的移动和新增的情况，可能会影响机器人的工作范围和路径规划。
四自由度机械手的设计与规划
论文提要随着大工业时代的到来，自动化设备代替人工作业成为现代化工业发展的一大趋势。
机械手作为一种自动化执行设备，解放了人类的双手，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。
它能模仿一些人手和手臂的动作，进行抓取、搬运或装配工作，被广泛应用在大型工厂的生产流水线上，尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，机械手的应用更加重要。
随着现代科技的发展，借助计算机辅助设计系统、计算机辅助制造系统，使机械手得到了更快的发展和应用，过渡到了一个新的工业自动化阶段。
本文主要是对四自由度机械手的结构设计和工作原理进行阐述和说明，并推导出了机械手的运动轨迹方程。
四自由度机械手的设计与规划摘要：随着大工业时代的到来，自动化设备代替人工作业成为现代化工业发展的一大趋势。
机械手作为一种自动化执行设备，解放了人类的双手，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。
它能模仿一些人手和手臂的动作，进行抓取、搬运或装配工作，被广泛应用在大型工厂的生产流水线上，尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，机械手的应用更加重要。
随着现代科技的发展，借助计算机辅助设计系统、计算机辅助制造系统，使机械手得到了更快的发展和应用，过渡到了一个新的工业自动化阶段。
本文主要是对四自由度机械手的结构设计和工作原理进行阐述和说明，并推导出了机械手的运动轨迹方程。
关键词:四自由度机械手自动化一、什么是机械手机械手是一种主要由机械主体、控制器、驱动系统和传感器装置等组成的,能模仿人手和臂的某些动作的运动机构。
机械手的设计是模仿人的动作，所以在设计机械手时，为了使机械手能更像人手那样灵活好用，可以遵循三个设计原则：一是使机械手的覆盖范围尽可能的大；二是使机械手可以根据外界的环境改变自己的运动姿态；三是在使自身重量足够小时，承受的负载足够大。
美国机器人工业协会定义了工业机械手的含义：机械手是一种可以用于移动各种生产材料零部件工具或专用设备的，并通过可编程序动作来执行各种任务的，具有编程能力的多功能自动化设备。
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三自由度机械手工作空间的设计（ MATLA）
B
题目的选择：三自由度机械手工作空间分析，B 1,62,63的转角范围-90?~90?, l o=1m
11= 12=0.8m。每个杆横截面积为 60mm< 20mn!勺矩形铁杆，6 i绕垂直z 轴旋转，6
2，6 3
在水平面内旋转。
理论分析： 从题干可以得知，首先此工作空间需要有三个杆组成，即 l 0=1m，l 1=
1 2=0.8m,可以在刚体中设置长度；其次，题目要求 6 i, 6 2, 6 3的转角范围
-90?~90?,此项可以在信号发生器模块里面设置，本题信号均选择 n /2的正弦
波作为发生信号；第三，要求 6 i绕垂直z轴旋转，我的理解是模拟机械手的支 撑单
元杆，此结构会做原地的自传，也就是围着Z轴旋转，满足题目要求；最后， 要求 6
2,6 3
在水平面内旋转,这个比较好实现了,只要在刚体设置中,定好杆 的位置就可以实
现。
基于 SimMechanics 的运动学分析： 根据机器人的机构组成，基于 SimMechanics
的三关节机器人仿真模型如图1所示。图中SimMechanics仿真模型主要由三个 转动
关节模块，三个刚体模块和一个地模块组成。转动关节 1、2、3（R1、R2、
R3）表示机器人的两个转动关节，刚体 1、2、3 （Bi、B2、B3）代表杆1、杆2、
杆3,地（Ground）表示固定机座。对于关节1、2、3用两个驱动器（R1 Actuator、
R2 Actuator 和 R3 Actuator ）进行运动驱动，为了精简模型，本模型采用了封 装子
系统操作，即把关节驱动器部分封装起来，由于三处关节得驱动基本相同， 所以三处
都采用了此操作，封装之后如下图中的（ Power1、 Power2、 Power3）， 用两个
传感器（R2 Sensor和R3 Sensor）测量关节转角，轨迹规划模块实现机 器人末端的
运动轨迹。
三自由度机械手工作空间的设计方法：
1.打开 MATLAB/SIMULINI找到 SimMechanics模块，如图 2所示。
2 •按照题目要求从SimMechanics模块中依次拖拽相应的杆件和连接件，组成 3 关
节机器人，但是组成后机器人是仿真不起来的， 因为没有设定相关的一些参数。 所
需要的连接件在前面基于 SimMechanics 的运动学分析中已经详细介绍了。
3.参数的设定
1）转动关节模块参数的设定：按照题目的要求，需要 6 1绕垂直z轴旋转，6 2,
6 3在水平面内旋转，也就是说 R1的转动轴应以Z为坐标轴运动，R2 R3也同 样如
此，这样设定参数可以满足要求，其参数的设置如图 3所示。
2）刚体模块参数的设定：此处参数的设定很关键，设置的对错将决定整个系统 是否
可以正常运行， 参数的设定也是相对麻烦一些的， 现在详细的介绍一下本题 刚体模
块参数的设定方法。 首先， 要设定一个基准， 这里我采用 Bottom 为基准， 设定
其坐标为（0, 0, 0）,并取名为CS1;其次，设定Top的坐标为（0, 0, 1）, 取名为
CS2这样以来就可以确定第一个杆的长度为 1m它是以CS1为基准设定 的。再者还
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要设定一个中间点，坐标为（0, 0, 0.5 ）,取名为CG,它也是以CS1 为基准的。其参
数的初设定如图 4 所示。
之所以称之为初设定， 是因为这样设定后还不能满足题目的要求， 因为题目中要 求
每个杆横截面积为60mrK 20mm的矩形铁杆，所以还需要多设置 8个点，即每 4个
点可以形成铁杆的两个截面。值得注意的是，此 8个点中每 4个点是关于中 心点对
称的，并且4个点是以CS1为基准，后4个点以CS2为基准。单位是毫米， 截面积
为60mrK 20mm所以可以这样设定前4个点的坐标，即第一点坐标是
（ 0.03， 0.01 ， 0）依次类推，第二点坐标（ -0.03 ， 0.01 ， 0），第三点坐标
是
（ -0.03 ， -0.01 ， 0），第四点坐标（ 0.03 ， -0.01 ， 0），这样就可以构成杆
件
的一个下平面。杆件的上平面也是如此设定坐标， 这四个坐标点是以CS1为基准
的。其次的四个点是以CS2为基准的，这样就可以设计出矩形铁杆了。 矩形铁杆 参
数设定如图 5 所示。第二和第三个杆也同样设定。
图5刚体矩形铁杆参数的设定
3） 关节驱动器模块的设定：双击驱动器模块，选择 Motion 选项，然后依次在
Angle 选项中选择 rad 单位、 Anguler velocity 选项中选择 rad/s 、Anguler
acceleration 选项中选择rad/sA2单位，其参数设定如图 6所示。
图6 关节驱动器模块参数的设定
关节驱动器模块后面理解着驱动信号，本题中均采用 n /2的正弦波作为发生信 号，
为了精简模型， 将驱动器及信号发生器等模块封装为子系统。 封装好的子系 统如图
7 所示。
4） 测量关节转角传感器模块的参数设定：本题主要测出关节的转角，所以只把 转角
选项打上对号就行了，其设置参数如图 8所示。
5） XYGraph模块参数的设置：这个示波器的主要功能是使用 Matlab的图形窗口
显示信号的X-Y图，其设置参数如图9所示。
图 9 XYGraph 模块参数的设置
现在可以进行仿真了， 为了清楚看见三自由度机械手工作空间的运动方式及测出 机
器人末端的运动轨迹的曲线，首先需要设置下环境，即在 Simulink 菜单下选 择
Simulation/Mechanical environment/Visualization ，将 2 个选项都打上对 号，进行
仿真的时候即可以实现同时观测机械手的运动方法及末端运动轨迹曲 线。其次，还要
设定仿真的步长和循环时间，为了清晰观察，一般把步长设的小 点，本例中设为
0.01 ，循环时间为 inf 即无限循环。
最后开始仿真，其工作空间及机械手末端轨迹曲线在 T=100.83 的时候如图 10
所示。
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图10某一时间工作空间及机械手末端轨迹曲线
需要说明的一点是由于上面图形表述的是某一时间的机械手末端轨迹曲 线，
也就是说没有完全循环完毕，如果完全循环，末端轨迹应该是一个椭圆环形, 其环形
内部的每一个点机械手的末端都可以走到。
为了展示机械手工作空间的全貌，这里采用了 3D模式，其某一时间的运动情况
如图11所示。
小结：本文主要针对三自由度机械手工作空间设计这个问题展开了相应的理论与 基于
SimMechanics的运动学分析，清晰的规划了设计步骤，并且按照要求将本 题设计出
来，其结果也比较符合实际要求，总之从这次作业里我学到了很多相关 此门课程的知
识，并且通过自己的实际操作使知识的掌握丛理性化上升到感性 化，以上是我针对第
一道题的设计全过程，诚望老师给予点评与指正。
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