第5课 遥控机械手
工业机器人技术及应用(教案)3-手动操纵工业机器人
第三章手动操纵工业机器人3.1 机器人运动轴与坐标系3.1.1 机器人运动轴的名称3.1.2 机器人坐标系的种类3.2 认识和使用示教器学习目标导入案例课堂认知扩展与提高本章小结思考练习3.3 机器人安全操作规程3.3.1 示教和手动机器人时3.3.2 再现和生产运行时3.4 手动移动机器人3.4.1 移动方式3.4.2 典型坐标系下的手动操作课前回顾工业机器人主要由哪几部分组成？如何判别工业机器人的点位运动和连续路径运动？学习目标认知目标*了解工业机器人的安全操作规程*熟悉示教器的按键及使用功能*掌握机器人运动轴与坐标系*掌握手动移动机器人的流程和方法能力目标*能够熟练进行机器人坐标系和运动轴的选择*能够使用示教器熟练操作机器人实现点动和连续移动导入案例Universal Robots 公司推出革命性的新型工业机器人UR5 机器人自重很轻（仅 18.4 kg ），可以方便地在生产场地移动，而且不需要繁琐的安装与设置就可以迅速地融入到生产线中，与员工交互合作。
编程过程可通过教学编程模式实现，用户可以扶住 UR 机械臂，手动引导机械臂，按所需的路径及移动模式运行机械臂一次，UR 机器人就能自动记住移动路径和模式。
机器人通过一套独特的、友好的图形用户界面操作，在触摸屏幕上，有一系列范围广泛的功能让用户选择。
任何重复性的生产过程，都能够使用它并从中受益。
课堂认知3.1 机器人运动轴与坐标系3.1.1 机器人运动轴的名称通常机器人运动轴按其功能可划分为机器人轴、基座轴和工装轴，基座轴和工装轴统称外部轴。
机器人系统中个运动轴的定义典型机器人操作机各运动轴A1 、 A2 和 A3 三轴（轴 1 、轴 2 和轴 3 ）称为基本轴或主轴，用以保证末端执行器达到工作空间的任意位置。
A4 、 A5 和 A6 三轴（轴 4 、轴 5 和轴 6 ）称为腕部轴或次轴，用以实现末端执行器的任意空间姿态。
3.1.2 机器人坐标系的种类目前，大部分商用工业机器人系统中，均可使用关节坐标系、直角坐标系、工具坐标系和用户坐标系，而工具坐标系和用户坐标系同属于直角坐标系范畴。
五自由度工业机器人说明书
人人小站/314design1 绪论1.1 工业机器人简介]1[早在20世纪初，随着机床、汽车等制造业的发展就出现了机械手。
1913年美国福特汽车工业公司安装了第一条汽车零件加工自动线，为了解决自动线、自动机的上下料与工件的传送，采用了专用机械手代替人工上下料及传送工件。
可见专用机械手就是作为自动机、自动线的附属装置出现的。
“工业机器人”这种自动化装置出现的比较晚。
但是自从世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。
机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。
本课题所指的工业机器人，或称机器人操作臂、机器人臂、机械手等。
从外形来看，它和人的手臂相似，是由一系列刚性连杆通过一系列柔性关节交替连接而成的开式链。
这些连杆就像人的骨架，分别类似于胸，上臂和下臂，工业机器人的关节相当于人的肩关节、肘关节和腕关节。
操作臂的前端装有末端执行器或相应的工具，也常称为手或手爪。
手爪是由两个或多个手指所组成，手指可以“开”与“合”，实现抓去动作和细微操作。
手臂的动作幅度一般较大，通常实现宏观操作。
工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。
主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。
大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；圆柱坐标型工业机器人示意图控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。
由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。
在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。
机械手课程设计
湖南工业大学本科毕业设计（2009届）本科毕业设计资料I湖南工业大学本科毕业设计摘要柔性制造系统是今后工业发展的一个趋势，送料机械手是生产流通中一个必不可少的环节，随着现代工业的发展，以往人工送料的方式已不能满足快速，准确的自动化生产需要，为了把人从繁重的送料工作中解脱出来，送料机械手的研制显得的尤为重要。
本论文详细介绍了柔性制造系统送料机械手的工作原理、结构特点及其设计。
对送料机械手的总体设计过程及计算方法作了具体的描述和分析。
该机械手的组成分为三个部分：机械系统、驱动系统、控制系统。
机械系统为机械手的手部、手臂旋转、底座的回转和进给机构。
文中通过对以上各机械部分的设计、计算和校核，实现了机械手4个自由度、运动轨迹、行程等各方面的要求。
设计选用了机械驱动方式，分别对机械系统和机械传动方式进行计算和设计。
对于控制系统，进行了简明的介绍，选择了PLC控制。
通过上述三部分的设计，设计出了一种小型柔性制造系统送料机械手，达到此次设计的目的。
关键词：送料，机械手，控制系统，柔性制造系统II湖南工业大学本科毕业设计ABSTRACTFMS is a trend of industry development in future. Feeding manipulator is an essential part of production circulation. As modern industrial developing, the old artificial stacking has failed to meet the needs of rapid and accurate automated production. The research of stacking manipulator is very important to release people from the heavy feeding work as soon as possible. This paper introduced the bit feeding manipulator's principle of work, the unique feature and the design in detail, at the same time, it has made the concrete description and the analysis on the feeding manipulator's system design process and the computational method. The mechanical industry machinery includes three parts: manipulator's hand, arm revolving, foundation's rotation and advanced gear. In the article through above various machine part's design, the computation and the examination, has realized the manipulator 4 degrees-of-freedom, the path, the traveling schedule and various aspects request. As to the drive part, I select the machinery drive type, separately carries on the computation and the design to the mechanical system and the mechanical drive way. Regarding to the control system, I have carried on the concise introduction, and have chosen the PLC control system. Through the above three parts of designs, I design a deliver the small- scale feeding manipulator of FMS to reach an aim in the design.Keywords:feeding , manipulator, control system，FMSIII湖南工业大学本科毕业设计（论文）目录第1章绪论 (1)1.1 机械手的简介 (1)1.2机械手的发展 (1)1.3机械手的分类 (2)1.3.1 按控制形式分类 (2)1.3.2 按用途分类 (3)1.3.3 按功能分类 (3)第2章送料机械手的方案设计及论证 (5)2.1 送料机械手的组成及各部分关系概述 (5)2.2设计要求及方案的拟定 (6)2.2.1 设计要求 (6)2.2.2 方案拟定 (6)第3章送料机械手的机械系统设计 (11)3.1工作参数的确定 (11)3.2底座旋转机构的设计 (11)3.2.1 电动机的选择 (12)3.2.2 齿轮的选择计算校核 (13)3.3底座进给机构的设计 (18)3.3.1 电动机的选择 (19)3.3.2 齿轮的设计计算 (19)3.3.3 齿条的设计计算 (23)3.3.4 轴的设计计算 (23)3.3.5 滚动轴承的校核 (25)3.4机械手手臂设计 (26)3.4.1 手臂的速度分析 (26)3.4.2 手臂的结构参数选择 (28)3.5末端执行机构的设计 (28)3.5.1 末端执行机构的结构设计 (28)IV湖南工业大学本科毕业设计（论文）3.5.2 末端执行机构的设计计算 (29)第4章机械手控制系统的系统设计 (31)4.1 PLC控制系统的介绍 (31)4.1.1 PLC控制系统的设计原则 (31)4.1.2 PLC控制系统的设计步骤 (31)4.2 机械手PLC控制系统的设计 (32)4.2.1 工况的分析和控制原理 (32)4.2.2 建立输入、输出地址分配表，并选择PLC (32)4.2.3 简化后的工艺要求与动作流程 (34)4.2.4 系统指令 (35)结论 (37)参考文献 (38)致谢 (39)V湖南工业大学本科毕业设计第1章绪论1.1 机械手的简介机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。
(完整word版)机械手臂课设说明书.
)机械手臂课设说明书.目录1引言 (1)2 PLC的简介 (2)2。
1 PLC的产生 (2)2.2 PLC的定义和特点 (2)2。
2。
1 PLC的定义 (2)2.2.2 PLC的特点 (2)2。
3可编程控制器的主要性能指标 (3)2。
4 PLC系统的组成 (4)2。
4.1 PLC的硬件结构 (4)2.4。
2 PLC的软件 (4)2。
5 PLC的应用领域 (4)3方案设计 (6)3。
1 主程序设计 (6)3。
2 公用程序设计 (7)3.3 自动程序设计 (8)3.4 手动程序设计 (9)3.5 自动回原点程序设计 (9)4心得体会 (11)参考文献 (12)附录1 (13)附录2 (17)1引言机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。
近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科,并得到了较快的发展。
机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。
特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中,机械手由于其显著的优点而受到特别重视。
总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段.国内外都十分重视它的应用和发展。
可编程序控制器（PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。
随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一［1]。
由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性,如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。
机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。
我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。
2 PLC的简介2。
5.2项目五任务二 机械手PLC控制系统的安装与调试
5.2任务二机械手PLC控制系统的安装与调试一、复习旧知分析用功能指令实现广告牌饰灯的PLC控制。
二、引入新课能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置都称之为机械手。
机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
本任务以机械手的PLC控制系统为例，学习PLC控制系统设计的内容、步骤和方法。
三、讲解新知(一)顺序控制设计法1.顺序控制设计法概述顺序控制就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。
顺序控制设计法最基本的思想是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些分阶段称为步（Step），并用编程元件（例如内部辅助继电器M和状态继电器S）来代表各步。
步是根据输出量的状态变化来划分的。
顺序控制设计法用转换条件控制代表各步的编程元件，让它们的状态按一定的顺序变化，然后用代表各步的编程元件去控制PLC的各输出位。
2、顺序控制设计法设计的基本步骤及内容BCD变换指令将源元件中的二进制数转换为BCD码送到目标元件中。
对于16位或32位二进制操作数，若变换结果超出0~9999或0~99999999的范围就会出错。
BCD指令常用于将PLC中的二进制数变换成BCD码输出以驱动LED显示器。
2.BIN变换指令BIN变换指令将源元件中的BCD码转换为二进制数送到目标元件中。
常数K不能作为本指令的操作元件。
如果源操作数不是BCD码就会出错。
BIN指令常用于将BCD数字开关的设定值输入PLC中。
3.使用BCD、BIN指令时的注意事项（1）源操作数可取KnK、KnY、KnM、KnS、T、C、D、V和Z，目标操作数可取KnY、KnM、KnS、T、C、D、V和Z。
《VR遥感机械手》教学设计
《VR遥感机械手》教学设计一、教学内容分析本节课是九年级上学期信息技术课程机器人创新设计的内容，以当前大热的虚拟现实技术与工业应用的机械手为原型相结合，教授学生应用多学科（信息技术、数学、物理、美术）知识融合完成VR遥感机械手的作品改善（2课时）。
信息技术：在学生掌握桌面级虚拟技术（VR）Leapmotion和Arduino开源硬件编程的基础上，使用Leapmotion APP Home与mblock软件建立数据交互，并且编程实现VR遥感机械手的功能。
注：mblock是在scratch 2.0的基础上加入了Arduino开源硬件的传感器模块，可直接对电子元件进行编程控制。
物理：针对机械手容易倾倒，不够稳定这个问题，运用所学物理知识（重心）来思考解决方案，并通过实际操作加以解决，体现理论与实际的相结合。
数学：本节课的数学内容主要服务于编程设计，根据Leapmotion X轴数值的改变来转化为舵机的偏转角度，实现线转角，涉及到的知识是反余弦函数。
课上将根据几何画板的动态演示，讲解反余弦函数，从而解决这个应用问题。
美术：机器的外观美化属于工业设计的范畴，这一课程的学习，必须要有造型基础、装饰色彩基础以及材料、物理、数学等学科的知识储备。
由于本课的需要，将外观美化的方法简约化、通俗化并呈现出来。
以此来帮助、启发学生寻找外观美化方案。
二、学生情况分析1.学生的知识基础教学对象为初三上学期的学生，对于数学、物理、信息技术编程都有比较扎实的知识基础。
学生已掌握桌面级虚拟技术（VR）Leapmotion和Arduino开源硬件部分电子元件编程，并且能够熟练地使用工具进行机械结构的搭建，具备了在老师的引导下和小组成员共同合作完成VR遥感机械手改善提升任务的能力。
2.学生的学习特点与学习习惯由于我校开展的机器人课程是基于创客理念的，给学生搭建展示的平台，培养学生的创新探究意识，让学生通过自己的努力主动参与探究去获得答案，所以VR遥感机械手的课堂以学生为主体，教师启发引导学生去完成改善提升VR遥感机械手。
信息技术 八下 第一单元第五课 搭建巡逻机器人
为了方便观察机器人运行情况，程序可以设置：按下按钮A，小车开始巡线前进；micro:bit循环执 行检测巡线传感器端口数据，并将数据显示在屏幕中；关闭机器人小车电源，小车停止前进。
参考步骤操作： 2.测试巡逻机器人 上传程序，将机器人小车放置到测试场地上，接通电源，按下按钮A，测试机器人小车是否能自动 巡线前进。
第5课 搭建巡逻机器人
在电影作品中，常有无人车大显神威的场面。在日常生活中和智能物 流系统中，也开始出现无人车的身影。
学习任务： 1. 了解巡线传感器的工作原理。 2. 应用巡线传感器判断路况。 3. 应用单线传感器自动巡线。 4. 应用双线传感器自动巡线。 5. 编写程序控制机器人完成指定路线的巡逻任务。
动手实践3：设计双巡线传感器的巡逻机器人
参考步骤： 3.白色区域识别
如果巡线传感器均能正确识别黑色区域，优先测试两个传感器时候能同时识别白色区域，让机器人 小车停止前进。 （1）编写程序
（2）将机器人小车放置在测试场地黑线上，按下按钮A，机器人小车往前走，测试机器人小车上的2个 巡线按传感器同时遇到白色区域，机器人小车是否停止前进。
图4
图5
图6
动手实践1：连接与调试巡线传感器
操作步骤： （3）编写并上传测试程序： 1.编写如图所示程序，让micro:bit重复检测左侧或右侧端口数据，并显示在LED屏幕中。
2.上传程序，将小车放置到测试场地中，测试巡线传感器是否能正常检测出黑色线条和白色区域。
动手实践2：设计单巡线传感器的巡逻机器人
动手实践4：编写程序控制机器人完成指定路线的巡逻任务
参考步骤： 2.将机器人小车放置在测试场地上，按下按钮A，机器人小车开始巡线，根据实际情况调整左右电机的前 进速度，直到机器人小车能正常巡线前进。 3.如果巡线场地中的黑线较细，小于两个巡线传感器之间的间距，则应该修改程序中的第一种情形和第 二种情形。
《VR遥感机械手》教学设计
信息技术课tougao4@33AUG 2018 NO.15-16《VR遥感机械手》教学设计凌伟 江苏省无锡市梁溪区教师发展中心黄秦祺 江苏省无锡市南长实验中学● 教学内容分析本课以虚拟现实技术与工业应用的机械手为原型相结合，教授学生应用多学科（信息技术、物理、数学、美术）知识融合完成VR遥感机械手的作品改善。
信息技术：在学生掌握桌面级虚拟技术（VR）Leapmotion和Arduino开源硬件编程的基础上，使用Leapmotion APP Home与mblock软件建立数据交互，并且编程实现VR遥感机械手的功能。
mblock是在Scratch 2.0的基础上加入了Arduino开源硬件的传感器模块，可直接对电子元件进行编程控制。
物理：针对机械手容易倾倒、不够稳定问题，运用所学物理知识（重心）来思考解决方案，并通过实际操作加以解决，体现了理论与实际的相结合。
数学：本节课的数学内容主要服务于编程设计，根据Leapmotion X轴数值的改变来转化为舵机的偏转角度，实现线转角，涉及到的知识是反余弦函数。
课上将根据几何画板的动态演示，讲解反余弦函数，从而解决这个应用问题。
美术：机器的外观美化属于工业设计的范畴，必须要有造型基础、装饰色彩基础以及材料、物理、数学等学科的知识储备。
由于本课的需要，将外观美化的方法简约化、通俗化并呈现出来，以此来帮助、启发学生寻找外观美化方案。
● 学生情况分析1.学生的知识基础教学对象为初三上学期的学生，对于数学、物理、信息技术编程都有比较扎实的知识基础。
学生已掌握桌面级虚拟技术（VR）Leapmotion和Arduino开源硬件部分电子元件编程，并且能够熟练地使用工具进行机械结构的搭建，具备了在教师的引导下和小组成员共同合作完成VR遥感机械手改善提升任务的能力。
2.学生的学习特点与学习习惯由于我校开展的机器人课程是基于创客理念的，给学生搭建展示的平台，培养学生的创新探究意识，让学生通过自己的努力主动参与探究去获得答案，所以VR遥感机械手的课堂以学生为主体，教师启发引导学生去完成改善提升VR 遥感机械手。
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第4课 遥控机械手
机械手是一种能模仿人的手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动装置。
机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人去做繁重的劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
这节课就一起学学如何利用ScratchPi 来制作遥控机械手吧！
一、搭建机械手造型
利用套件中的乐高积木和传感器搭建出机械臂模型。
1. 学习实现红外遥控功能的编程方法；
2. 理解杠杆原理在生活中的应用；
3. 制作可以通过红外遥控控制的机械手。
周末去爸爸快递公司参观，看到老爸满头大汗的分拣小山一样高的快递时，我心里也酸酸的。
有什么方法能减轻他的工作负担吗？
通过学习ScratchPi ，来制作一个机械手，不停的分拣包裹帮助你老爸分担压力吧！
图1 拼搭机械臂效果图
搭建步骤、端口连接、注意事项请参考《ScratchPi可编程电子积木搭建手册》。
本课所用到的电子积木如下表所示：
二、红外遥控器
遥控器是非常常见的设备，家里的空调、电视都有遥控器，它可以让人们非常方便的对电器进行控制。
在ScratchPi中也有这样的功能模块，它的名称叫“红外收发器”：
图2 红外收发器
利用该模块，可以通过编程接收配套遥控器的信息，从而实现遥控功能，配套遥控器按键分布如图3所示：
图3 配套遥控器
在使用前，可以通过一个实验来了解红外遥控器的用法。
按照下表所示操作步骤，在Scratch模式下，通过编程实现红外遥控器对舞台上小猴子运动的控制：
在“电子积木”分类中
找到
，
当上移键按下，小猴子
面向上，移动10步
使用串口连接ScratchPi控制板，点击小绿旗运行程序，将红外遥控器对准“红外收发器”模块，分别按下“上下左右”键，观察屏幕上小猴子的表现。
三、遥控机械手
机械手具备了遥控功能，就可以变得更加得心应手，随时准备执行任务。
一起动手试试，让机械手去抓你想抓取的东西吧。
为了让机械手可以脱离电脑实现独立工作，按照下表所示操作过程，在Arduino模式下编程，实现遥控机械手的摆动和抓取功能：
小贴士
在Arduino模式下使用“上传代码”功能后，需要通过“安装固件”来恢复控制板中的出厂程序，然后才能使用Scratch模式。
首先使用串口连接方式连接控制板，然后在“固件”菜单中可以找到“安装固件”功能选项。
图4 安装固件选项
最终程序脚本如图所示：
图遥控机械手程序脚本
串口连接PiBot小车控制板，点击“上传代码”功能将程序上传到控制板，将红外遥控器对准机械手上的“红外接收器”模块，分别按下上下左右键，观察机械手的动作。
在之前的学习中完成的一系列小作品里，有哪些作品可以被红外遥控器改造呢？发动你的脑筋，想一想如何通过红外遥控器实现遥控功能吧。
蜗杆是指具有一个或几个螺旋齿，并且与蜗轮啮合而组成交错轴齿轮副的齿轮。
其分度曲面可以是圆柱面，圆锥面或圆环面。
图6 蜗杆
蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动，两轴线间的夹角可为任意值，常用的为90°。
图7 蜗杆传动
从外形上看，蜗杆类似螺栓，蜗轮则很像斜齿圆柱齿轮。
工作时，蜗轮轮齿沿着蜗杆的螺旋面作滑动和滚动。
为了改善轮齿的接触情况，将蜗轮沿齿宽方向做成圆弧形，使之将蜗杆部分包住。
这样蜗杆蜗轮啮合时是线接触，而不是点接触。