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引言
機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
機械手可分為專用機械手和通用機械手兩大類。專用機械手：它作為整機的附屬部分，動作簡單，工作對象單一，具有固定（有時可調(diào)）程序，使用大批量的自動生產(chǎn)。通用機械手：它是一種具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的機械手。本文介紹的機械手屬于包裝機取料垛料的專用機械手。
1 包裝機的介紹
包裝機主要用于將堆放雜亂的板材整齊裝箱并包裝。通過取料機械手將雜亂的料運到輥道上，輥道運行，經(jīng)過上下清刷輥清洗上下表面，板材繼續(xù)前行，行至出料區(qū)端部規(guī)定位置，接近開關(guān)發(fā)訊，輥道電機減速運轉(zhuǎn)，停止開關(guān)探測到板材，則輥道停止轉(zhuǎn)動，停止開關(guān)發(fā)訊給頂升裝置，將板材頂起，防止對中過程中板材下表面劃傷。對中裝置帶動對中擋板進行寬度定位（對中），長度擋板處的反推氣缸將板材推至滿行程（150mm），反推限位開關(guān)發(fā)訊給出料機械手，機械手把板材吊運到旁邊平車上的包裝箱內(nèi)后并返回到原位。一個工藝流程結(jié)束。
2 機械手的結(jié)構(gòu)
本文所針對的機械手屬于直角坐標(biāo)式，用于包裝機上鋁及鋁合金板材的表面處理后的取料、垛料工序。該設(shè)備主要由鋼結(jié)構(gòu)框架、真空吸盤吊升降機構(gòu)、橫移傳送小車、行程檢測與控制裝置、真空泵、吸盤、氣動定位系統(tǒng)、電控及PLC控制系統(tǒng)等部分組成。
3 本系統(tǒng)的控制方案
整套包裝機通過PLC系統(tǒng)控制，其中垛料機械手有35路輸入信號，23路輸出信號，根據(jù)設(shè)備維護的通用性及性價比原則，采用西門子S7-300 PLC即可滿足要求，并通過profibus總線協(xié)議與現(xiàn)場機械設(shè)備組成控制回路，可以根據(jù)上游工位生產(chǎn)情況調(diào)整設(shè)備本身工作模式，并將設(shè)備情況反饋給上游工位，以確保生產(chǎn)安全。
（1）機械手的手動控制過程。按下“停止”按鈕，將自動運行中的吸盤機停止，真空泵停止。再將“自動/手動”旋鈕撥至手動位?！靶熊?前進/返回”旋鈕，即行車前進至放料工位，返回到取板工位；當(dāng)移動到工作位時行車自動停止。“機械手 上升/下降”旋鈕，即機械手上升跟下降。當(dāng)吸附板材后，綠燈閃爍才可以上升，搬運板材?！罢婵?吸/釋放”旋鈕，即機械手下降到位后，對板的吸附與卸板。卸板時，旋動旋鈕，等待3秒，完成卸板。 “真空 吸/釋放”旋鈕，即機械手下降到位后，對板的吸附與卸板。卸板時，旋動旋鈕，等待3秒，完成卸板?！罢婵毡谩卑粹o，即啟動真空泵，每次開機啟動一次，按下“停止”按鈕，真空泵停止工作?！巴Ｖ埂卑粹o，將自動運行中的機械手停止，真空泵停止?！熬o急停止”按鈕，當(dāng)在自動運行中，發(fā)生誤動作時，可迅速的按下此按鈕，停止動作。再按下“停止”按鈕，將自動運行中的機械手停止，通過手動控制旋鈕，讓機械手返回原始位。
（2）機械手的自動控制過程。將“手動/自動”旋鈕撥至自動位，此時機械手應(yīng)處于起始位置，真空泵處于釋放狀態(tài)，否則將無法工作；若未處于起始位置，必須手動控制旋鈕，讓機械手返回原始位。機列準(zhǔn)備就緒后，啟動真空泵，達到工作壓力。接收到總控發(fā)出的“反推到位”與“小車到位信號”后，機械手下降吸料。機械手自動下降到板面后停止，開始吸附，當(dāng)達到吸附壓力后，輸出壓力達到信號。反推和對中擋板回位后，接受到“可以上升信號”，機械手上升。機械手上升到位后，定位氣缸縮回，行車開始前進。行車行駛到放板工位停止，定位氣缸頂出，機械手開始下降。機械手下降到位后，真空釋放，并打開吹氣閥，向吸盤吹氣。延時1秒后機械手上升。機械手上升到位后，定位氣缸縮回，行車返回，行車返回到原位，定位氣缸頂出，一次循環(huán)完成，等待下接受下一次信號。以此循環(huán)工作，按下“停止”按鈕，自動循環(huán)停止。
結(jié)語
在簡單介紹工業(yè)機械手的基礎(chǔ)上，對基于PLC的機械手控制系統(tǒng)的構(gòu)成進行了詳盡的論述。（1）本論文機械手采用氣動和電動合理結(jié)合，具有節(jié)能、無污染、高效、低成本、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單等特點；（2）用PLC作為控制器，優(yōu)化了機械手的控制系統(tǒng)，機械手能夠自動運行或手動運行。
參考文獻
[1]西門子（中國）有限公司.http：//.cn.
中圖分類號： TP241 文獻標(biāo)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(rèn)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(rèn)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(rèn)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(dāng)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(dāng)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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[5]周惠明。關(guān)節(jié)機械手的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計【期刊論文】-煤礦機械 2007（10）
設(shè)計要求：1、安裝資料及要求。包括：平面圖；用電負荷情況；供電電源情況；氣象及水文資料等。
2、選子：位置、型號的選擇
3、土建施工
4、設(shè)備安裝
課題二、小電流接地系統(tǒng)的故障選線的研究
指導(dǎo)老師：戴勝坤 地故障時，故障特點不是非常明顯，故障選線就顯得很有必要，所以，要求學(xué)生
比較詳細的了解國內(nèi)外小電流接地系統(tǒng)故障選線的研究現(xiàn)狀和研究方法，對現(xiàn)有
的選線方法進行總結(jié)并加以改進，找到適合的故障選線的方法；3、 利用ATP的仿真軟件對小電流接地系統(tǒng)進行仿真；4、撰寫畢業(yè)論文。
課題三、64點溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設(shè)計
指導(dǎo)老師：游佳
設(shè)計內(nèi)容：64點溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)針對室溫環(huán)境下的溫度監(jiān)控，如大型機組的軸溫，大型變壓器油溫，化學(xué)反應(yīng)過程，環(huán)境測試等?？刂坪诵牟捎梦⑻幚砥骰騿纹瑱C，監(jiān)測64點溫度，溫度范圍0～100℃，采用半導(dǎo)體溫度傳感器AD590，按矩陣方式切換輸入信號。輸出8路開關(guān)控制信號和2路PWM模擬信號（具備PID控制能力）。同時要求利用微處理器或單片機的已有通訊接口或其它工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和控制。
設(shè)計要求：1.總體方案設(shè)計，需要提出至少兩種切實可行的方案，并加以比較，選擇一種最優(yōu)方案；
2.根據(jù)總體方案設(shè)計硬件電路，需要有理論依據(jù)，有分析計算過程，選擇的主要元件要有原理和說明，所有元件必須有型號和參數(shù)；
3.軟件設(shè)計，使用匯編語言或C語言編成。主要軟件必須能在設(shè)計制作的硬件電路上正確運行 ，且能夠顯示被測試對象的溫度；
4.制作硬件電路，調(diào)試硬件和軟件，完成溫度檢測與測試點切換，實現(xiàn)溫度上傳并在屏幕上顯示或存盤；
5.撰寫畢業(yè)論文，嚴(yán)格按照畢業(yè)論文標(biāo)準(zhǔn)，論文引用其它文章和相關(guān)技術(shù)資料不得多于40%。
課題四、 用8051單片機設(shè)計一交通信號燈模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計
指導(dǎo)老師：潘紋
一、設(shè)計任務(wù)與要求：
用單片機8051設(shè)計一個十字路口的紅、綠、黃交通信號燈控制系統(tǒng)，要求如下：
1）用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管作信號燈。考慮到學(xué)生設(shè)計時的難度，只考慮一條道路相對的兩個方向，每個方向有紅、綠、黃三個燈。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行，每隔30秒紅綠燈交替變化。在每次由綠燈亮變成紅燈亮或者由紅燈亮變成綠燈亮的交替變化轉(zhuǎn)換時要求黃燈閃爍5秒，給行駛中的車輛有時間?？康浇芯€之外。
2）能實現(xiàn)正常的計時顯示功能。用倒計時方法顯示紅燈、綠燈、黃燈還需亮的時間。
3）能實現(xiàn)控制器總清零功能。 按下某個鍵后，系統(tǒng)實現(xiàn)總清零，計數(shù)器由初始狀態(tài)開始計數(shù)，對應(yīng)狀態(tài)的指示燈亮。 二、根據(jù)設(shè)計任務(wù)與要求：畫出設(shè)計總電路圖，寫出設(shè)計程序。
課題五、單片機步進電機控制器的設(shè)計
指導(dǎo)教師：游佳
設(shè)計要求:1.用MCS-51單片機,通過軟件編程,設(shè)計一個步進電機控制器。要求能對步進電機實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)及速度控制，同時能對步進電機進行位置控制，即能控制步進電機從一個位置精確地運行到另一個位置。
課題六、傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展的研究
指導(dǎo)老師：周小薇
論文要求：1.了解傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的作用及地位
2.機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的類型、特點、結(jié)構(gòu)及用途等
3.如何為機電一體化系統(tǒng)選擇傳感器（舉例說明）
4.機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展
相關(guān)知識：本課題要求學(xué)生綜合《傳感器技術(shù)》《機電一體化技術(shù)》《控制電機》等相關(guān)知識進行編寫。
課題七、水輪機制動系統(tǒng)的設(shè)計
指導(dǎo)老師：周小薇
設(shè)計要求：
掌握一定的電氣控制技術(shù)的基礎(chǔ)知識，可以利用PLC進行編程，并且對氣壓傳動和液壓傳動有一定的了解。還要求能夠運用基本的繪圖軟件進行繪圖。
設(shè)計內(nèi)容：
本設(shè)計共有三個部分：電氣控制部分、流體控制部分、PLC編程部分。
（一）電氣控制部分設(shè)計任務(wù)： 2.24點制動閘動作后向PLC發(fā)出制動成功或復(fù)位信號
3.壓力站氣路壓力數(shù)顯示向PLC發(fā)出4～20mA的模擬信號
4.根據(jù)PLC傳送來的4～20mA的模擬信號，顯示相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。
（二）流體控制部分設(shè)計任務(wù)：
采用節(jié)流閥控制流量，水份分離器凈化空氣，兩個三通換向閥分別控制汽缸的上、下腔；氣液混用三通球閥進行氣、油的轉(zhuǎn)換控制，多塊壓力表可直接讀數(shù)等。
（三）PLC編程部分設(shè)計任務(wù)：
根據(jù)給出的梯形圖進行編程。
課題八、畢業(yè)設(shè)計題目：恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計
指導(dǎo)教師：黃衛(wèi)庭
構(gòu)成：PLC系統(tǒng)、變頻器、檢測保護電路、轉(zhuǎn)速測量等環(huán)節(jié)
要求：1、采用PWM變頻調(diào)速
2、有具體結(jié)構(gòu)圖及外形圖
3、選用元器件合適
4、有控制電路圖、主電路原理圖、PLC程序框圖和清單
[注意：選題要結(jié)合實際供水工作。要求寫明本設(shè)計所涉及的分析方法或技術(shù)手段（如定性、定量分析的方法）；要求有學(xué)生獨立的見解，設(shè)計內(nèi)容要詳細寫明具體步驟]。
課題九、兩種液體混合的設(shè)計
指導(dǎo)老師：葉俊 一、控制要求
1．初始狀
此時各閥門關(guān)閉，容器是空的。 SL1=SL2=SL3=OFF
M＝OFF
二、起動操作
按下起動按鈕，開始下列操作： (2)液體B流入，液面達到SL1時，YV2=OFF，M＝ON，開始攪拌；
(3)混合液體攪拌均勻后（設(shè)時間為l0s），M＝OFF，YV3＝ON，放出混合液體；
(4)當(dāng)液體下降到名 SL2時，SL2從ON變?yōu)镺FF，再過20s后容器放空，關(guān)閉YV3，YV3=OFF，完成一個操作周期；
(5)只要沒按停止按鈕，則自動進入下一操作周期?！?/p>
三、停止操作
按一下停止按鈕，則在當(dāng)前混合操作周期結(jié)束后，才停止操作，使系統(tǒng)停止于初始狀態(tài)。
四、要求：用歐姆龍型PLC技術(shù)設(shè)計
課題十、機械手控制的設(shè)計
指導(dǎo)老師：葉俊
一、機械手工作過程，且每次循環(huán)動作均從原位開始。
二、控制要求
1．在傳輸帶A端部，安裝了光電開關(guān)PS，用以檢測物品的到來。當(dāng)光電開關(guān)檢測到物品時為ON狀態(tài)。
2.機械手在原位時，按下起動按鈕，系統(tǒng)起動，傳送帶A運轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開關(guān)檢測到物品后，傳送帶A停。
3．傳輸帶A停止后，機械手進行一次循環(huán)動作，把物品從傳送帶A上搬到傳送帶B(連續(xù)運轉(zhuǎn)）上。
4.機械手返回原位后，自動再起動傳送帶A運轉(zhuǎn)，進行下一個循環(huán)。
5．按下停止按鈕后，應(yīng)等到整個循環(huán)完成后，才能使機械手返回原位，停止工作。
6.機械手的上升／下降和左移／右移的執(zhí)行結(jié)構(gòu)均采用雙線圈的二位電磁閥驅(qū)動液壓裝置實現(xiàn)，每個線圈完成一個動作。
7.抓緊／放松由單線圈二位電磁閥驅(qū)動液壓裝置完成，線圈通電時執(zhí)行抓緊動作，線圈斷電時執(zhí)行放松動作。
8.機械手的上升、下降、左移、右移動作均由極限開關(guān)控制。
9.抓緊動作由壓力繼電器控制，當(dāng)抓緊時，壓力繼電器動合觸點閉合。放松動作為時間控制（設(shè)為2s）。
要求：用歐姆龍型PLC技術(shù)設(shè)計
課題十一、建立機械全自動洗衣機的工作電路模型
指導(dǎo)老師：方瑋
結(jié)構(gòu)：由電動程控器、水位開關(guān)、安全開關(guān)（蓋開關(guān)）、排水選擇開關(guān)、 不排水停機開關(guān)、貯水開關(guān)、漂洗選擇開關(guān)、洗滌選擇開關(guān)等組成。工作原理：通過各種開關(guān)組成控制電路，來控制電動機、進水閥、排水電磁鐵及蜂鳴器的電壓輸出，使洗衣機實現(xiàn)程序運轉(zhuǎn)。
主要內(nèi)容：進水控制電路，電動機控制電路，排水系統(tǒng)電路等。
要求：結(jié)合洗衣機的工作過程，給出以上電路模型號并說明原理，論文不少于5000字
課題十二、工廠變配電所的設(shè)計
指導(dǎo)老師：居劍文
一、設(shè)計的要求
根據(jù)設(shè)計課題的技術(shù)指標(biāo)和給定條件，能夠獨立而正確地進行方案認(rèn)證和設(shè)計計算，要求概念清楚，方案合理，方法正確，步驟完整。
要求會查閱有關(guān)參考資料和手冊等
要求學(xué)會選擇有關(guān)元件和參數(shù)
要求學(xué)會編制有關(guān)電氣系統(tǒng)圖和編制元件明細表
要求學(xué)會編寫設(shè)計說明書
二、設(shè)計說明書的內(nèi)容
負荷計算及無功功率補償計算。
變配電所所址和型式的選擇。
變電所主變壓器臺數(shù)、容量及類型的選擇（配電所設(shè)計不含此內(nèi)容）。
變電所主結(jié)線方案的設(shè)計
短路電流的計算
變配電所一次設(shè)備的選擇
變配電所二次回路方案的選擇及繼電保護裝置的選擇與整定
變電所防雷保護與接地裝置的設(shè)計
編寫設(shè)計說明書及主要設(shè)備材料清單
10、繪制變電所主結(jié)線圖、平面圖和必要的剖線圖、二次回路圖及其它的施工圖樣。
課題十三、電纜－架空混合線路的繼電保護問題的研究
指導(dǎo)老師：方瑋 研究現(xiàn)狀，了解目前電纜－架空混合線路的保護的配置的方法，優(yōu)缺點，并根據(jù)
電纜的特點，架空線路的特點，提出適合于混合線路的保護的方案；
3、 提出適合于電纜－架空混合線路的繼電保護的方案； 4、撰寫畢業(yè)論文。
課題十四、鉸鏈四桿機構(gòu)的運動特性分析
指導(dǎo)老師：潘紋
設(shè)計任務(wù)與要求
1）對鉸鏈四桿機構(gòu)中的曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)、雙搖桿機構(gòu)三種基
本類型的運動特性進行分析。
2）每種類型各舉一個日常生活中常見的實例，畫出其基本圖表。對每種
類型要求用falsh或者authorware等做一個能動的形象逼真的例子。如吊起重物的起重機、運動的火車的機輪、橢圓儀、翻箱機、機械手爪等。
課題十五、數(shù)控銑床及加工中心產(chǎn)品加工工藝設(shè)計
指導(dǎo)老師：倪祥明 課題十六、機械手直線運動液壓系統(tǒng)的制作
指導(dǎo)教師：黃國祥
目的：實現(xiàn)機械手水平、垂直兩個方向的機械運動
任務(wù)：1、系統(tǒng)方案的設(shè)計與計算；液壓泵、液壓閥等技術(shù)參數(shù)的選擇；液壓輔助部件的選擇與購買。
2、液壓缸的加工制作。
3、液壓系統(tǒng)的安裝與調(diào)試。
4、電路系統(tǒng)的安裝。
5、技術(shù)資料整理與電子文檔的制作。
要求： 1、分組布置任務(wù)，每組可以是1人以上。
2、電子文檔要求打印，字?jǐn)?shù)不少于5000字。
3、現(xiàn)場展覽制作產(chǎn)品，參加答辯。
課題十七、“中國結(jié)”造型設(shè)計
指導(dǎo)教師：張蓉
1.畢業(yè)設(shè)計的基本任務(wù)
著重提高在CAD/CAM軟件應(yīng)用方面的實踐技能，樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，培養(yǎng)綜合運用理論知識解決實際問題的能力。通過創(chuàng)建中國結(jié)造型設(shè)計、市場推廣、資料整理等環(huán)節(jié)，初步掌握應(yīng)用CAD/CAM進行工業(yè)造型設(shè)計的方法和基本技能。
2.畢業(yè)設(shè)計的基本要求
通過畢業(yè)設(shè)計各環(huán)節(jié)的實踐，應(yīng)達到如下要求：
靈活運用所學(xué)Pro/e軟件創(chuàng)建“中國結(jié)”,打印出造型設(shè)計步驟和造型圖；
對造型出來的“中國結(jié)”進行包裝設(shè)計。如用Photoshop或3dmax等軟件進行包裝，打印出用于市場推廣的效果圖；
寫出500字左右的論文小結(jié)
培養(yǎng)一定自學(xué)能力和獨立分析問題、解決問題能力；
通過畢業(yè)設(shè)計實踐，樹立嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、實事求是的工作作風(fēng)，并培養(yǎng)自己具有一定的生產(chǎn)觀點、經(jīng)濟觀點、全面觀點及團結(jié)協(xié)作的精神。
3.“中國結(jié)”造型參考圖：
（造形和尺寸自定義）
課題十八、“福娃”造型設(shè)計
指導(dǎo)教師：羅進生
1.畢業(yè)設(shè)計的基本任務(wù)
著重提高在CAD/CAM軟件應(yīng)用方面的實踐技能，樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，培養(yǎng)綜合運用理論知識解決實際問題的能力。通過創(chuàng)建“福娃”造型設(shè)計、市場推廣、資料整理等環(huán)節(jié)，初步掌握應(yīng)用CAD/CAM進行工業(yè)造型設(shè)計的方法和基本技能。
2.畢業(yè)設(shè)計的基本要求
通過畢業(yè)設(shè)計各環(huán)節(jié)的實踐，應(yīng)達到如下要求：
靈活運用所學(xué)Pro/e軟件創(chuàng)建“福娃”,打印出造型設(shè)計步驟和造型圖；
對造型出來的“福娃”進行包裝設(shè)計。如用Photoshop或3dmax等軟件進行包裝，打印出用于市場推廣的效果圖；
寫出500字左右的論文小結(jié)；
培養(yǎng)一定自學(xué)能力和獨立分析問題、解決問題能力；
通過畢業(yè)設(shè)計實踐，樹立嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、實事求是的工作作風(fēng)，并培養(yǎng)自己具有一定的生產(chǎn)觀點、經(jīng)濟觀點、全面觀點及團結(jié)協(xié)作的精神。
3.“福娃”造型參考圖：
課題十九、大功率高頻直流開關(guān)電源的設(shè)計
指導(dǎo)老師： 倪濤
通過該題目的設(shè)計,加強電力電子的學(xué)習(xí)和理解，系統(tǒng)學(xué)習(xí)開關(guān)電源的設(shè)計方法，綜合運所學(xué)過的知識,培養(yǎng)獨立工作，解決實際問題的能力，為走向工作崗位打一定的基礎(chǔ)
內(nèi)容：
按技術(shù)參數(shù)設(shè)計一臺直流開關(guān)電源
主要技術(shù)參數(shù)：
輸入電壓：三相交流380V 輸入頻率：50HZ
輸 出：恒流50安 輸出電流變動范圍：0---50安連續(xù)可調(diào)
輸出電壓：0—60伏
要求：
1.按要求分階段寫文字材料；
2. 3.論文要按要求格式打??；
4.獨立完成
設(shè)計步驟：
1.閱讀國內(nèi)外有關(guān) 2.選定開關(guān)電源集成控制器，學(xué)習(xí)其工作原理、應(yīng)用方法；
3.主電路方案選擇，要有技術(shù)經(jīng)濟比較；
4.主電路設(shè)計；
5.元器件的設(shè)計、計算、選擇；
6.控制電路、保護電路的設(shè)計；
7.打印論文
課題二十、三層樓電梯PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試
指導(dǎo)老師：倪濤
設(shè)計內(nèi)容： 1、不允許同時有兩層樓要求停電梯；
2、當(dāng)二層不需要停時，能越過二層直接到達所需樓層。
要求：
分階段寫文字材料；
2、 3、論文要按要求格式打??；
4、獨立完成
步驟：
1、設(shè)計I/O配線表。
2、設(shè)計出電梯控制的梯形圖。
3、寫出指令表。
4、用編程器輸入指令。
調(diào)試運行。
課題二十一、車輛出入庫管理PLC系統(tǒng)設(shè)計
指導(dǎo)老師：楊芳
內(nèi)容：編制一個用PLC控制的車輛出入庫管理梯形圖控制程序,控制要求如下:
1、入庫車輛前進時,計數(shù)器加1,后退則減1.
2、出庫車輛前進時計數(shù)器減1,后退則加1.
3、要求有顯示屏指示車庫內(nèi)車輛的實際數(shù)目.
要求：
1.根據(jù)題意設(shè)計顯示電路，并按圖連接。
2.畫PLCI/O接口連線圖，并按圖連接。
3.編制梯形圖及指令語句表。
4.完成系統(tǒng)調(diào)試，實現(xiàn)控制要求。
課題二十二、水塔水位控制PLC系統(tǒng)設(shè)計
指導(dǎo)老師：楊芳
內(nèi)容：1、保持水池的水位在S3——S4之間，當(dāng)水位低于S3，則打開閥門進水，水位到達S4時，則關(guān)閉閥門。 水塔水位控制面板
要求：1.根據(jù)題意設(shè)計顯示電路，并按圖連接。
2.畫PLCI/O接口連線圖，并按圖連接。
3.編制梯形圖及指令語句表。
4.完成系統(tǒng)調(diào)試，實現(xiàn)控制要求。
課題二十三、用PRO/E軟件進行玩具造型設(shè)計
指導(dǎo)教師：羅進生
要求：利用軟件進行實體造型，寫出具體造型步驟。步驟清晰合理，造型思路明確?？梢宰约涸O(shè)計玩具形狀，分析所設(shè)計玩具市場前景。
參考圖樣：
課題二十四、基于PROE軟件的機械制圖三維模型庫開發(fā)及應(yīng)用
隨著自動化控制領(lǐng)域的不斷發(fā)展，智能機械手的不斷推新，機器人手臂的智能化程度不斷提升，連續(xù)多角度控制的機器人手臂的出現(xiàn)，給機械手的教學(xué)帶來了新的挑戰(zhàn)。原來的教學(xué)機械手均以兩維空間模擬仿真教學(xué)為主。自2007年全國電工電子技能大賽以來，三維空間的機械手的教學(xué)需求尤為突出。
一、三維機械手的硬件結(jié)構(gòu)
圖1所示是該三維機械手的實物圖。整個三維機械手能完成八個自由度動作，手臂伸縮、手臂旋轉(zhuǎn)、手爪上下、手爪緊松。手爪提升氣缸采用雙向電控氣閥控制，氣缸伸出或縮回可任意定位。磁性傳感器用來檢測手爪提升氣缸處于伸出或縮回位置。手爪抓取物料由單向電控氣閥控制，當(dāng)單向電控氣閥得電，手爪夾緊磁性傳感器有信號輸出，指示燈亮，單向電控氣閥斷電，手爪松開。旋轉(zhuǎn)氣缸用來控制機械手臂的正反轉(zhuǎn)，由雙向電控氣閥控制。接近傳感器用來判斷機械手臂正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)到位后，接近傳感器信號輸出。雙桿氣缸用來控制機械手臂伸出、縮回，由雙向電控氣閥控制。氣缸上裝有兩個磁性傳感器，檢測氣缸伸出或縮回位置。緩沖器對旋轉(zhuǎn)氣缸高速正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)到位時，起緩沖減速作用。
二、三維機械手的動作過程
圖2所示是該三維機械手的動作示意圖。當(dāng)需將工件有右工作臺搬至左工作臺時，在按下啟動的時候，右工作臺傳感器判斷有無工作，若有機械手動作，若無，機械手停止。當(dāng)機械手左旋并前伸到位準(zhǔn)備下降時，為了確保安全，必須在左工作臺上無工件時才允許機械手下降。也就是說，若上一次搬運到左工作臺上的工件尚未搬走時，機械手應(yīng)自動停止下降。
圖1 三維機械手實物圖 圖2三維機械手動作示意圖
三維機械手的工作過程為：（1）從原點開始前伸；（原點位置為機械手右旋到限位，手臂縮回，手爪上升到上限位，手爪放松）（2）到前限位后開始下降；（3）倒下限位后，機械手加緊工件，延時2s；（4）上升；（5）到上限位后，縮回；（6）到后限位后，左旋；（7）到左限位后，前伸；（8）到前限位后，下降；（9）到下限位后，機械手松開，延時2s；（10）上升；（11）到上限位后，縮回；（12）到后限位后，右旋，返回原點。
根據(jù)三維機械手的工作過程及要求，可以畫出機械手的動作流程圖，如圖3所示。
圖3 機械手動作流程圖 圖4機械手狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖
三、PLC硬件的選擇和I/O點分配
PLC的種類非常多，根據(jù)三維機械手的控制要求，由于其輸入、輸出節(jié)點少，要求電氣控制部分體積較小，成本低，并能夠用計算機對PLC進行監(jiān)控和管理，故選用日本三菱（MITSUBISHI）公司生產(chǎn)的多功能小型FX1N-40MR-001主機。該機型合計有輸入輸出點40個，其中24個輸入點和16個輸出點，采用繼電器方式有觸點輸出，能交流、直流負載兩用。內(nèi)部主要有：輔助繼電器1280個，其殊功能輔助繼電器256個，斷電保持輔助繼電器1152個；狀態(tài)繼電器1000個；定時繼電器256個；計數(shù)繼電器256個；數(shù)據(jù)寄存器8256個。
根據(jù)圖3所示的三維機械手動作流程圖，確定電氣控制系統(tǒng)的I/O點分配，如表1所示。
根據(jù)圖3流程圖和表1的I/O分配表，可以編制出機械手的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖4所示。
四、控制程序的設(shè)計方法及編程運行
常用的PLC程序設(shè)計方法有經(jīng)驗法和順序功能法。根據(jù)圖4狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，編制的步進梯形圖程序如圖5所示。
表1 三維機械手控制I/O分配表
輸入
輸出
名稱
輸入點
名稱
輸出點
停止
SB1
X0
手爪緊/松氣缸閥
YV1
Y1
啟動
SB2
X1
手臂氣缸伸出閥
YV2
Y2
物品檢測傳感器
SQ0
X2
手臂氣缸縮回閥
YV3
Y3
氣動手爪傳感器
SQ1
X3
提升氣缸下降閥
YV4
Y4
旋轉(zhuǎn)左限位接近傳感器
SQ2
X4
提升氣缸上升閥
YV5
Y5
旋轉(zhuǎn)右限位接近傳感器
SQ3
X5
旋轉(zhuǎn)氣缸左移閥
YV6
Y6
伸出臂前點限位傳感器
SQ4
X6
旋轉(zhuǎn)氣缸右移閥
YV7
Y7
縮回臂后點限位傳感器
SQ5
X7
提升氣缸上限位傳感器
SQ6
X10
提升氣缸下限位傳感器
SQ7
X11
圖5 步進控制梯形圖
圖5中，M8044是用作原點條件，判斷機械手是否在原點開始工作。
如果要實現(xiàn)斷電保護，在圖5的步進控制梯形圖中，將普通輔助/計時/狀態(tài)繼電器均換成斷電保護型。
上電后，直接初始狀態(tài)繼電器S0，在滿足原點條件繼電器M8044下，按下啟動按鈕SB2，X1得電，進入等待狀態(tài)繼電器S20；此時物品檢測傳感器SQ0檢測到上料端有料，X2得電，進入機械手臂伸出狀態(tài)S21；機械手伸出Y2得電，機械手前伸到前限位時，進入機械手下降狀態(tài)；機械手下降Y4得電，機械手下降到下限位時，進入機械手抓料延時狀態(tài)；機械手抓緊并延時，延時時間到，進入機械手上升狀態(tài)…………如此，每當(dāng)該步動作到位，限位條件滿足時，狀態(tài)轉(zhuǎn)移進入下一工作步，進行動作。
需要停止時，按下停止按鈕SB1,X0得電，停止標(biāo)志繼電器M0得電并自鎖，當(dāng)機械手右旋到有限位時，如果停止標(biāo)志有信號，則機械手回到初始狀態(tài)，如果停止標(biāo)志沒有信號，則機械手進行下一周期的搬運工作。
五、結(jié)束語
本文以三維機械手為例介紹了日本三菱MITSUBISHI公司生產(chǎn)的FX1N系列微型可編程控制器在步進控制中的設(shè)計應(yīng)用。闡述了三維機械手的動作原理，設(shè)計要求，程序設(shè)計方法等。本文介紹的程序在實際生產(chǎn)和各屆各級電工電子技能大賽中獲得成功的應(yīng)用。
參考文獻
[1] FX1N series Programmable Controllers Hardware Manual，Mitsubishi electric corporation，1999
[2] MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION 三菱微型可編程控制器MELSEC-F FX1N使用手冊 2007.11.
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(jì)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(biāo)形式大致可將機械人手臂部分分為以下四類[9]：直角坐標(biāo)型機械手；圓柱坐標(biāo)型機械手；球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）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(dāng)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(zhǔn)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(dāng)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(biāo)采摘物所在的平面。（2）大臂轉(zhuǎn)動。移動至目標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)來決定，即當(dāng)機械手的各個舵機的坐標(biāo)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(biāo)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(dāng)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(biāo)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(zhǔn)確地對目標(biāo)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(dāng)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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目 錄
第1章 前言............................................................. 1
1.1 選題背景. 1
1.2 設(shè)計目的. 1
1.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢. 1
第2章 機械手各部件的設(shè)計. 3
2.1機械手的總體設(shè)計. 3
2.1.1 機械手總體結(jié)構(gòu)的類型. 3
2.1.2 具體設(shè)計方案. 4
2.2機械手手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計. 4
2.2.1 設(shè)計要求. 4
2.2.2 驅(qū)動方式. 5
2.2.3 典型結(jié)構(gòu). 5
2.2.4 具體設(shè)計方案. 6
2.3機械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計. 7
2.3.1 手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求. 7
2.3.2 具體設(shè)計方案. 7
2.4機械手手臂構(gòu)的設(shè)計. 8
2.4.1 手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求. 8
2.4.2 具體設(shè)計方案. 8
2.5機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計. 9
2.5.1 腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求. 9
2.5.2 具體設(shè)計方案. 9
2.6機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計. 10
2.6.1 傳動機構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題. 10
2.6.2 常用的傳動機構(gòu)形式. 10
2.6.3 具體設(shè)計方案. 11
2.7機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計. 12
2.7.1 常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點. 12
2.7.2 具體設(shè)計方案. 12
2.8機械手手臂的平衡機構(gòu)設(shè)計. 12
2.8.1 平衡機構(gòu)的形式. 12
2.8.2 具體設(shè)計方案. 13
第3章 理論分析和設(shè)計計算. 14
3.1電機選型有關(guān)參數(shù)計算. 14
3.1.1 有關(guān)參數(shù)的計算. 14
3.1.2 電機型號的選擇. 16
3.2液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算. 18
3.2.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案. 18
3.2.2 擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路. 19
3.2.3 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計. 19
3.2.4 繪制液壓系統(tǒng)圖. 20
3.2.5 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù). 21
3.2.6 計算和選擇液壓元件. 26
第4章 機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計. 28
4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計. 28
4.1.1 操作面板布置. 28
4.1.2 工藝過程與控制要求. 28
4.1.3 作業(yè)流程. 29
4.1.4 控制器的選型. 30
4.1.5 控制系統(tǒng)原理分析. 31
4.1.6 PLC外部接線設(shè)計. 31
4.1.7 I/O地址分配. 32
4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計. 33
4.2.1 控制主程序流程圖. 33
4.2.2 控制程序設(shè)計. 34
結(jié)論. 51
致謝................................................................52
參考文獻.......................................................... 53
第一章 前言
1.1選題背景
由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進設(shè)備生產(chǎn)自動化機械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強度、危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強度，可以說是一舉兩得。在機械行業(yè)中，機械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更為普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設(shè)備和機械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強。但目前我國的工業(yè)機械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機械行業(yè)自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設(shè)計具有重要意義。
1.2設(shè)計目的
目前，我國大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，其勞動強度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險性，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率，降低成本，并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代機械行業(yè)自動化生產(chǎn)的要求，針對具體生產(chǎn)工藝，結(jié)合機床的實際結(jié)構(gòu)，利用機械手技術(shù)，設(shè)計用一臺上下料機械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。本機械手主要與數(shù)控機床組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程的自動化和無人化。
1.3發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
目前，國內(nèi)外各種機械手和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：
一．機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。
二．工業(yè)機械手控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，結(jié)構(gòu)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便。
三．機械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發(fā)展。
四．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機械手開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)；
五．焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。
總的來說，大體是兩個方向：其一是機械手的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復(fù)雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，性價比高，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。
第二章機械手各部件的設(shè)計
2.1機械手的總體設(shè)計
2.1.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型
工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)形式主要有四種：直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下：
1.直角坐標(biāo)機械手結(jié)構(gòu)特點
直角坐標(biāo)機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.a。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運動位置精度高，但此種類型機械手的運動空間相對較小，如要達到較大運動空間，則要求機械手的尺寸足夠大。直角坐標(biāo)機械手的工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)。直角坐標(biāo)機械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。
2.圓柱坐標(biāo)機械手結(jié)構(gòu)特點
圓柱坐標(biāo)機械手的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.b。其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機械手構(gòu)造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運作業(yè)。
3.球坐標(biāo)機械手結(jié)構(gòu)特點
球坐標(biāo)機械手的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.c。其工作空間是一個類球形的空間。這種機械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高，主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。
4.關(guān)節(jié)型機械手結(jié)構(gòu)特點
關(guān)節(jié)型機械手的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1.d。相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大，動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。此種機械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)。關(guān)節(jié)型機械手又分為水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
2.1.2具體采用方案
如圖2-2所示機械手模擬工作布局圖，根據(jù)實際操作的需要，該機械手在工作中需要3種運動，其中手臂的伸縮和立柱升降為直線運動，另一個為手臂的回轉(zhuǎn)運動，因此其自由度數(shù)目為3，綜合考慮，應(yīng)選擇圓柱坐標(biāo)機械手結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，工作范圍相對較大，且有較高的精度，滿足設(shè)計要求。
2.2機械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.2.1設(shè)計要求
手爪是用來進行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據(jù)操作及作業(yè)方式的不同，分為搬運用、加工用、測量用等。搬運用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機械手附加裝置，用來進行相應(yīng)的加工作業(yè)；測量用手爪是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。
機械手手爪設(shè)計有如下要求：
1、機械手手爪是根據(jù)機械手作業(yè)要求來設(shè)計的。既根據(jù)其應(yīng)用場合設(shè)計手爪，在滿足作業(yè)要求的前提下，機械手手爪還要求體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。
2、機械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實現(xiàn)，從工業(yè)實際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機械手手爪，加之以快速更換裝置，以實現(xiàn)機械手的多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的手爪去完成多種作業(yè)，以考慮設(shè)計的經(jīng)濟效益。
3、機械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可適用于不同的機械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。
4、機械手手爪要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。
2.2.2驅(qū)動方式
一般工業(yè)機械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動型；按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。
機械手夾持器（手爪）的驅(qū)動方式主要有三種：
1.氣動驅(qū)動方式
這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運動速度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。
2.電動驅(qū)動方式
電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。電動驅(qū)動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。
3.液壓驅(qū)動方式
液壓驅(qū)動方式是利用液壓系統(tǒng)進行控制，傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。
2.2.3典型結(jié)構(gòu)
機械手手爪的典型結(jié)構(gòu)有以下五種：
1.楔塊杠桿式手爪
利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。
2.滑槽式手爪
當(dāng)活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。
3.連桿杠桿式手爪
在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。
4.齒輪齒條式手爪
通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。
5.平行杠桿式手爪
采用平行四邊形機構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，且比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小得多。
2.2.4具體設(shè)計方案
結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動活塞往復(fù)移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計按照工件的直徑為50mm來設(shè)計。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2-3所示：
2.3機械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計
機械手手腕是機械手操作機的最末端，與手爪相連接，它與機械手手臂配合，使手爪在空間運動，完成所需要的作業(yè)動作。
2.3.1 手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求
1、由于手腕安裝在機械手末端，因此要求手腕設(shè)計應(yīng)盡量小巧輕盈，結(jié)構(gòu)緊湊。
2、根據(jù)作業(yè)需要，設(shè)計機械手手腕的自由度。一般情況下，自由度數(shù)目愈多，腕部的靈活性愈高，對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強。但自由度的增加，必然使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，控制更困難，成本也會相應(yīng)增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。
3、為實現(xiàn)腕部的通用性，要求有標(biāo)準(zhǔn)的連接法蘭，以便于和不同的機械手手爪進行連接。
4、為保證工作時力的傳遞和運動的連貫，腕部結(jié)構(gòu)要有足夠的強度和剛度。
5、要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整機構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。
6、手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機械損壞。
2.3.2具體設(shè)計方案
通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見圖2-4。
2.4機械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計
2.4.1手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求
機械手的手臂在工作時，要承受一定的載荷，且其運動本身具有一定的速度，因此，機械手手臂的設(shè)計需要遵循以下設(shè)計要求：
1、工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系，因此手臂尺寸設(shè)計應(yīng)合理，一般滿足其工作空間即可。
2、為了提高機械手的運動速度與控制精度，應(yīng)在保證機械手手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。
3、應(yīng)盡可能使機械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機械手的控制。
4、機械手各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。
5、為提高機械手手臂運動的響應(yīng)速度、減小電機負載，機械手的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡。
2.4.2具體設(shè)計方案
由于機械手手臂運動為直線運動，且考慮到搬運工件的重量較大（質(zhì)量達30KG），以及機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅(qū)動方式。通過液壓缸的直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運動件，因此不用再額外設(shè)計執(zhí)行件；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。
由于液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強度都較容易實現(xiàn)，其關(guān)鍵在于機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的設(shè)計。因此手臂液壓缸的設(shè)計原則是液壓缸的直徑取得大一點（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進行強度的較核。
同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的直徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計時另外增設(shè)了導(dǎo)桿機構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。
2.5機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計
2.5.1腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求
機械手的腰座，就是機械手的回轉(zhuǎn)基座。它是機械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，承受了機械手的全部重量。因此在設(shè)計機械手腰座結(jié)構(gòu)時，有以下設(shè)計要求：
1、由于腰座要承受機械手全部的重量和載荷，因此，機械手腰座的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力，且腰座是機械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機械手末端的運動精度影響最大，因此，在設(shè)計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度。
2、腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。要有可靠的定位基準(zhǔn)面和調(diào)整機構(gòu)。且腰座要安裝在足夠大的基面，以保證機械手在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。
3、腰部的回轉(zhuǎn)運動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器及減速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。
4、為了減輕機械手運動部分的慣量，提高控制精度，要求回轉(zhuǎn)運動部分由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。
2.5.2具體設(shè)計方案
腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式主要有兩種，一是電機通過減速機構(gòu)來實現(xiàn)，二是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現(xiàn)?？紤]到腰座是機械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。因為電動方式控制的精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，不用額外設(shè)計液壓系統(tǒng)及其輔助元件。由于電機都不能直接驅(qū)動，并考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，故采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。由于齒輪傳動存在著齒側(cè)間隙，影響傳動精度，故僅采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），同時為了減小傳動誤差，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖2-5所示：
2.6機械手的機械傳動機構(gòu)設(shè)計
2.6.1傳動機構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題
由于傳動部件直接影響著機械手的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，在設(shè)計機械手的傳動機構(gòu)時要注意以下問題：
1、機械手的傳動機構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小，以提高機械手的運動速度及控制精度。并在傳動鏈及運動副中采用間隙調(diào)整機構(gòu)，以減小反向空回所造成的運動誤差。
2、盡量減少系統(tǒng)運動部件的靜摩擦力，而正摩擦力為盡可能小的正斜率，以消除爬行現(xiàn)象，增加系統(tǒng)壽命。
3、盡量縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度。
4、選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，盡可能提高加速能力。
5、適當(dāng)?shù)淖枘岜?。阻尼比越大，零件產(chǎn)生振動時最大振幅越小，衰減越快。但大的阻尼會使系統(tǒng)誤差增大，精度降低。故應(yīng)采取合適的阻尼比。
2.6.2常用的傳動機構(gòu)形式
常用的機械傳動機構(gòu)主要有螺旋傳動、齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動等。
1.螺旋傳動
它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。
2.齒輪傳動
在機械手中常用的齒輪傳動機構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。
齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器，用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動時，齒輪傳動形式及其傳動比必須是最佳匹配，應(yīng)滿足驅(qū)動部件與負載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動機為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩，且系統(tǒng)要有足夠的剛度。同時，為保證在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應(yīng)最大，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，不產(chǎn)生傳動死區(qū)，要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪，并采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低成本。
3.鏈傳動
在機械手中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機械手末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關(guān)節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。
4.同步帶傳動
同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈傳動優(yōu)點的一種新型傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，在帶的工作面及帶輪外周上均制有采用承載后無彈性變形的高強力材料制成嚙合齒，通過齒間嚙合進行傳動。其特點是傳動比準(zhǔn)確、傳動效率高（可達98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達40m/s）、傳動比可達10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機械手中使用很多。
2.6.3具體設(shè)計方案
因為選用了液壓缸作為機械手的手臂，它既是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，又是動力單元，因此不需要中間傳動機構(gòu)，既簡化了結(jié)構(gòu)，又提高了精度。而其腰座的回轉(zhuǎn)采用步進電動機驅(qū)動，而電動機不能作為直接驅(qū)動元件，因此為取得較大的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動。為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；同時大大增大扭矩，以較大的降低電機轉(zhuǎn)速，使機械手的運動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。
2.7機械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計
2.7.1常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點
工業(yè)常用驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可將這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下。
1.液壓驅(qū)動系統(tǒng)
具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動、精度高等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機械手。
2.氣動驅(qū)動系統(tǒng)
具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機械手中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機械手中。
3.電動驅(qū)動系統(tǒng)
具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特點。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，但大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)。
2.7.2具體設(shè)計方案
在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素，機械手腰部的旋轉(zhuǎn)運動需要一定的定位控制精度，因此采用步進電動機來實現(xiàn)。由于手臂采用液壓缸，故用液壓驅(qū)動。隨著機床加工的工件的不同，手臂伸出長度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服液壓缸進行驅(qū)動。而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉合。
2.8 機械手手臂的平衡機構(gòu)設(shè)計
直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機械手可以通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達到平衡。關(guān)節(jié)機械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動器的負荷，同時縮短啟動時間。
2.8.1平衡機構(gòu)的形式
1.配重平衡機構(gòu)
這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機械手手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機構(gòu)。
2.彈簧平衡機構(gòu)
彈簧平衡機構(gòu)，機構(gòu)簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。
3.活塞推桿平衡機構(gòu)
活塞式平衡系統(tǒng)分為兩種，一是液壓平衡系統(tǒng)，二是氣動平衡系統(tǒng)。其中液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；而氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大?；钊狡胶庑枰鋫溆袑ｉT的液壓或氣動裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價高，設(shè)計、安裝和調(diào)試都增加了難度，但是平衡效果好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。
2.8.2具體設(shè)計方案
因為本機械手采用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及整個機械手的設(shè)計和布局中都重點考慮了機械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達到平衡。若實際工作中平衡結(jié)果不滿足，則設(shè)置彈簧平衡機構(gòu)進行平衡。
第3章 理論分析和設(shè)計計算
3.1電機選型有關(guān)參數(shù)計算
3.1.1有關(guān)參數(shù)的計算
1.若傳動負載作直線運動（通過滾珠絲杠）則有
具體到本設(shè)計，因為步進電機是驅(qū)動腰部的回轉(zhuǎn)，傳遞運動形式屬于第二種。下面進行具體的計算。
因為腰部回轉(zhuǎn)運動只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上有；
3.1.2電機型號的選擇
根據(jù)以上計算結(jié)果，并綜合考慮各方面因素，決定選擇北京和利時電機技術(shù)有限公司（原北京四通電機公司）的步進電機，具體型號為：
110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301，該步進電機高轉(zhuǎn)矩，低振動，綜合性能很好，各項參數(shù)如表3-2。
其中 110BYG550B-SAKRMA-0301型步進電機矩頻特性曲線和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。如圖3-3所示
驅(qū)動方式為升頻升壓 ，步距角為0.36°。同時因為腰部齒輪傳動比為1：120，步進電機經(jīng)過減速后傳遞到回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸實際的步距角將為電機實際步距角的1/120（理論上），雖然實際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差，實際回轉(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相當(dāng)高，完全滿足機械手的定位精度要求。
3.2液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算
3.2.1確定液壓系統(tǒng)基本方案
液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達，液壓缸實現(xiàn)直線運動，液壓馬達實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。二者的特點及適用場合見表3-1：
因為機械手設(shè)計為圓柱坐標(biāo)形式，且具有3個自由度，一個為腰座的轉(zhuǎn)動，兩個為手臂的移動自由度。同時考慮機械手的工作環(huán)境和載荷對其布局和定位精度的要求，以及計算機的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用電機驅(qū)動實現(xiàn)，機械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實現(xiàn)直線往復(fù)運動。
3.2.2擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路
液壓執(zhí)行元件確定后，其運動速度和運動方向的控制是液壓回路的核心問題。
速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)速方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速；方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。
本設(shè)計的速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速，利用用比較簡單的節(jié)流閥來實現(xiàn)，而方向控制采用電磁換向閥來實現(xiàn)。
3.2.3液壓源系統(tǒng)的設(shè)計
液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。
油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。一般泵的入口要裝粗濾油器，進入系統(tǒng)的油液根據(jù)要求，通過精濾油器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁過濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。
本設(shè)計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來調(diào)定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的潔凈，避免液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過濾器，而在油泵的出口安裝精過濾器對循環(huán)的液壓油進行凈化。
3.2.4繪制液壓系統(tǒng)圖
本機械手的液壓系統(tǒng)圖如圖3-2所示（詳見圖紙第四頁），
它擁有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個執(zhí)行機構(gòu)。
其中，泵由三相交流異步電動機M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調(diào)定；1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。
考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥。當(dāng)5DT得電時，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進入柱塞缸，實現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當(dāng)6DT失電時，工作液體進入柱塞缸中，實現(xiàn)手爪迅速松開。
另外，由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，采用V2構(gòu)成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負載。
3.2.5確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。
1.計算液壓缸的總機械載荷
3.液壓缸主要參數(shù)的確定
考慮到機械手的特點，系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機械手的結(jié)構(gòu)和運動的穩(wěn)定性和安全性。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設(shè)計階段，通過外部的液壓回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來實現(xiàn)。經(jīng)過仔細分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各液壓缸的基本參數(shù)如下；
因為伸縮缸的作用主要是實現(xiàn)直線運動，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因為手爪夾持工件，受力方向為垂直方向），軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質(zhì)為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。而且因為機械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。同時具有比較大的彎矩和比較長的行程，這對液壓缸的穩(wěn)定性和剛度有較高的要求。
因此，在水平伸縮缸的設(shè)計上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計，使其具有盡量大的剛度。為了達到這個目的，設(shè)計中采用了兩個導(dǎo)向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導(dǎo)向問題。另一方面，為增大結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，將兩個導(dǎo)向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式，以增大抗彎截面模量，也大大增加了液壓缸的工作剛度。
因為垂直液壓缸所承受的載荷方式既有一定的軸向載荷，又存在著比較大的傾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作為液壓執(zhí)行元件，滿足此處的驅(qū)動力要求是輕而易舉的，要解決的關(guān)鍵問題仍然是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同樣采用了導(dǎo)向桿機構(gòu)，圍繞垂直升降缸設(shè)置四根導(dǎo)桿，較好的解決了這一問題。
4.液壓缸強度的較核
（1）活塞桿直徑的較核
3.2.6計算和選擇液壓元件
1. 控制元件的選擇
根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量，在標(biāo)準(zhǔn)元件的產(chǎn)品樣本中選取各控制元件。
2. 液壓泵的計算
第4章 機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計
4.1硬件設(shè)計
4.1.1操作面板布置
操作面板布置如圖4-2所示：
機械手的操作方式分為手動操作和自動操作兩種。
1.手動操作：就是用按鈕作機械手的每一步運動進行單獨的控制。當(dāng)選擇升／降按鈕時，按下啟動按鈕，機械手上升；按下停止按鈕時，機械手上升。當(dāng)選擇正轉(zhuǎn)/逆轉(zhuǎn)按鈕時，按下啟動按鈕，機械手順時針轉(zhuǎn)動，而按下停止按鈕時，機械手逆時針轉(zhuǎn)動。同理，當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時，按下啟動按鈕，機械手爪夾緊，而按下停止按鈕時，手爪松開。
2.自動操作：機械手從原點開始，按下啟動按鈕，機械手的動作將自動的、連續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機械手將繼續(xù)完成一個周期動作后，回到原點位置。
4.1.2工藝過程與控制要求
機械手的動作有腰座的旋轉(zhuǎn)，垂直手臂的升降，水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與松開。手臂垂直升降和水平伸縮由液壓實現(xiàn)驅(qū)動；手爪的夾緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實現(xiàn)；腰座旋轉(zhuǎn)通過步進電動機與齒輪來實現(xiàn)。
其中，液壓缸由相應(yīng)的電磁閥控制，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，當(dāng)下降電磁閥通電時，機械手下降；斷電時，機械手下降停止；當(dāng)上升電磁閥通電時，機械手上升；斷電時，機械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅(qū)動器、感應(yīng)式位移傳感器構(gòu)成的回路進行調(diào)節(jié)控制。
實現(xiàn)執(zhí)行手爪夾緊與放松的柱塞缸，由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當(dāng)線圈不通電時，柱塞缸不工作，當(dāng)線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。
當(dāng)機械手旋轉(zhuǎn)到機床上方，并準(zhǔn)備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須在機床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業(yè)。同時，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。
4.1.3作業(yè)流程
機械手工作流程如圖4-1所示：
從原點開始，按下啟動鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降，同時張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，同時手爪夾緊，抓住工件； 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC開始輸出高速脈沖，驅(qū)動機械手逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動； 接著下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，機械手到達卡盤中心高度； 機械手開始水平定位后縮，將工件裝入機床卡盤； 當(dāng)工件裝入到位后，卡盤收緊； 機械手松開手爪，準(zhǔn)備離開； 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC啟動高速脈沖驅(qū)動機械手作順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動，機械手回到原點待命； 機床進行加工。
當(dāng)數(shù)控機床加工完一個工件時，發(fā)送下料命令給機械手，機械手接到命令后，PLC馬上輸出脈沖驅(qū)動機械手逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊，夾緊已加工好的工件；機床卡盤松開； 機械手開始前伸，將工件從機床上取出，準(zhǔn)備運走； 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC輸出高速脈沖，驅(qū)動機械手順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動； 下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止； 接著手爪柱塞缸電磁閥通電，手爪張開，放下工件準(zhǔn)備離開； 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止同時手爪也閉合復(fù)原； 接著機械手水平手臂開始后縮，準(zhǔn)備回原點，當(dāng)后縮到位時，后縮停止，機械手回到原點，一個上下料過程結(jié)束； 機械手在原點等待命令，準(zhǔn)備下一個工作循環(huán)。
機械手的每次循環(huán)都從原點位置開始動作。
4.1.4控制器的選型
機械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計上考慮到機械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器應(yīng)選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計開發(fā)的工業(yè)控制器---PLC，故選擇在國內(nèi)應(yīng)用較多的西門子S7-200型PLC。具體型號為SIMATIC S7-200 CPU224。如圖4－3所示：
該PLC集成14，輸入/10，輸出共24個數(shù)字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點，具有16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz 高速計數(shù)器，2路獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。
4.1.5控制系統(tǒng)原理分析
由于機械手作業(yè)時，取、放工件和裝、卸工件都有較高的定位精度要求，所以在機械手控制中，除了要對垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進驅(qū)動進行開環(huán)控制外，還要對水平手臂進行閉環(huán)伺服控制。
為了減少PLC的I/O點數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端，給定的輸入信號和反饋信號進行比較后形成的控制信號經(jīng)過PID調(diào)節(jié)和功率放大后，驅(qū)動電液伺服閥對液壓缸進行伺服定位。PLC將上位機輸入的給定信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點，組成模擬控制系統(tǒng)，如圖4-4所示：
這種方案使得PLC控制量少（尤其是模擬量），節(jié)省了系統(tǒng)資源，而且編程簡單，不必過多考慮控制算法等優(yōu)點，也是完全能滿足工作要求的。
4.1.6 PLC外部接線設(shè)計
為實現(xiàn)水平手臂液壓缸伺服定位的控制要求，利用西門子SIMATIC S7-200 （CPU224）PLC，考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量，因此增加一個模擬量輸出模塊EM232。鑒于伺服放大器和位移傳感器對輸入的要求，PLC的模擬量采用-10V~ +10V輸入輸出，各輸入輸出點及其接線如圖4-5所示。
PLC的具體硬件接線圖如下圖所示（詳細的硬件設(shè)計見圖紙）
4.1.7 I/O地址分配
詳細參見表4-1、4-2：
4.2軟件設(shè)計
4.2.1控制主程序流程圖
機械手控制主程序流程圖如圖4-6所示：
結(jié) 論
本設(shè)計通過對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學(xué)本科四年所學(xué)知識進行整合，完成一個特定功能、滿足特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設(shè)計，比較好地體現(xiàn)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標(biāo)，實現(xiàn)了理論和實踐的有機結(jié)合。
機械手采用可編程序控制器控制，可以實行手動調(diào)整、手動及自動控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，設(shè)計周期短且造價較低。PLC有較高的靈活性，當(dāng)機械手工藝流程改變時，只要對I/O點的接線稍作修改，或?qū)/O重新分配，在控制程序中作簡單修改，補充擴展即可。經(jīng)過重新編制相應(yīng)的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。
綜上，經(jīng)過資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設(shè)計論文的撰寫等各個環(huán)節(jié)，我對大學(xué)四本科階段的知識有了一個整體的深層次的理解，同時對工程的理解更加深刻和準(zhǔn)確。因此，通過畢業(yè)設(shè)計實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。
致 謝
經(jīng)過一段時間的努力，本次畢業(yè)設(shè)計終于完成。在這段時間里，我運用大學(xué)所學(xué)知識，通過對本設(shè)計的論證、計算以及圖紙的繪制，對大學(xué)所學(xué)知識進行了一次系統(tǒng)的整合，使自己的理論和實際動手能力有了很大提高。
此次畢業(yè)設(shè)計能夠順利完成，我得到了很多老師和同學(xué)的幫助和支持，在此向他們表示感謝。在此畢業(yè)設(shè)計過程中，尤其要感謝我的指導(dǎo)老師，他給我很多專業(yè)方面的幫助，讓我少走很多彎路。還有在大學(xué)里所有的任課老師和圖書館的管理老師，也謝謝你們，是你們給我知識，謝謝！
此外，由于個人知識能力水平有限，論文中難免有紕漏錯誤指出，懇請各位老師批評指正，謝謝！
參考文獻
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引言
在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動化裝備的主流。國外的汽車、電子電器、工程機械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時避免了大量的工傷事故。機械手是最普遍的一種機器人，是機械技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。自1959年美國人英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人起，在過去的半個世紀(jì)里，機器人技術(shù)取得了長足的發(fā)展。美國、日本、德國等國較早對機器人開展研究并加以應(yīng)用[1-3]，近年來中國也步入了機器人發(fā)展的快車道[4-7]。
我公司主營業(yè)務(wù)為磁性材料、磁器件、磁分離及相關(guān)配套設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)與銷售。在以往的生產(chǎn)模式中，經(jīng)鍛壓后的磁器件主要由人工操作取出，這種模式效率低下且存在安全隱患。特別是伴隨著人力資源的短缺、勞務(wù)支出成本的增加、機器人技術(shù)的不斷提升以及價格不斷下降，采用一款合適的取出機械手來替代人工操作變得日趨重要。在此背景下，經(jīng)過公司的多次調(diào)研論證，選用了杭州史賓納機械設(shè)備有限公司的磁性材料濕壓液壓機取出機械手，生產(chǎn)實踐表明，機械手的引用有效的提高了公司的生產(chǎn)效率、改善了產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約了生產(chǎn)成本。
1 機械結(jié)構(gòu)組成
取出機械手系統(tǒng)機械部分主要由主機和收放紙系統(tǒng)構(gòu)成（如圖1所示）。主機包括框架，吸取部，檢測部和傳送帶部等。收放紙系統(tǒng)由放紙部和收紙部兩部份組成。
框架結(jié)構(gòu)采用型材焊接，與液壓機相連接。吸取部進出機構(gòu)采用導(dǎo)軌、齒輪、齒條進行傳動，伺服電機控制其進出速度和位置。檢測部分利用傳感器檢測模具上有無剩余磁性材料（以下簡稱材料）。為了生產(chǎn)的方便和減小機器的占地空間，把收放紙系統(tǒng)安裝在液壓機前后兩側(cè)，隨著液壓機模具一起上升或下降，用電機驅(qū)動。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖
1.液壓機 2.收紙部 3.放紙部 4.吸取部 5.傳送帶部 6.框架
2 工作原理
當(dāng)液壓機部分完成工作以后，向上移動產(chǎn)生一個開模高度，開模高度必須滿足機械手的工作要求，本產(chǎn)品的最小開模高度150mm。通過伺服電機驅(qū)動取出部移動至產(chǎn)品上方，真空泵產(chǎn)生真空，利用吸盤的內(nèi)外產(chǎn)生壓力差抓取材料。對于抓取物體的真空吸盤部分，需要配備真空發(fā)生器，由于真空吸盤是抓取物體的關(guān)鍵部分，為了防止物體脫落，真空發(fā)生器所產(chǎn)生的吸力必須大于或者等于物體的重力。
真空發(fā)生器的吸引公式為：
其中：F為真空發(fā)生器所產(chǎn)生的吸力； 為真空度； 為吸盤的有效面積； 為吸頭個數(shù)； 為安全系數(shù)，一般來說采用標(biāo)準(zhǔn)吸盤時 。
假設(shè)吸盤所抓取的物體最大質(zhì)量為1kg，吸頭的個數(shù) 為6個，有效面積 。通過上述公式計算出 。
檢測部對液壓機模具進行檢測是否有剩余材料，如果有剩余重復(fù)上述運動過程。當(dāng)模具上所有材料均被抓取時，取出部向外移動到目標(biāo)位置，然后下降，將材料放置在傳送帶上，最后上升到初始高度。上升、下降的兩個過程由四個氣缸進行驅(qū)動，通過電磁閥對氣缸進行控制。
當(dāng)材料取出并放置到傳送帶上后，傳送帶下降到一定目標(biāo)位置，為下一模產(chǎn)品疊放做準(zhǔn)備。當(dāng)疊放數(shù)量到達后，傳送帶向外移出一定距離，然后再上升到上限傳感器的位置后停止，開始重新疊層。傳送帶采用螺旋升降機及四導(dǎo)柱方式完成傳送帶的上下移動。取出部的整個取出、放置和傳送帶的下降的工作周期為8秒，材料疊放層數(shù)設(shè)計為三層。壓力模具每次工作后由噴霧部分進行清洗，脫模劑桶內(nèi)的壓力一般設(shè)為0.4MPa。
圖2 運動過程簡圖
1.齒輪 2.排氣閥 3.吸頭 4.真空泵 5.傳送帶磁環(huán)檢測傳感器
6.傳送帶上下傳動裝置 7.帶輪 8.傳送帶 9.剩余磁環(huán)檢查傳感器
10.清掃部 11.氣缸
3 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)一般由計算機和伺服驅(qū)動器組成，前者發(fā)出指令協(xié)調(diào)各運動驅(qū)動器之間的運動。同時完成編程和其他環(huán)境狀況（傳感器信息）、工藝要求、外部相關(guān)設(shè)備（吸頭裝置等）之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作，后者控制各個運動的控制器，使各部分按照一定的速度、加速度和位置要求進行運動。
3.1 整體方案
本系統(tǒng)選用三菱公司生產(chǎn)的可編程控制器（PLC）FXIN-485-BD進行控制，其中取出機械手橫向的輸入輸出部分采用電機控制，為了使取出機械手的精確定位，采用伺服電機進行控制，電機通過聯(lián)軸器帶動齒輪，從而帶動機械手沿直線導(dǎo)軌橫入橫出，而取出機械手的上下行，抓取部分則采用氣動控制，PLC通過繼電器對電磁閥加以控制，而電磁閥通過控制氣缸從而控制取出機械手的上下行動作。關(guān)于傳送帶的上下運動部分采用電機進行控制，電機通過減速器和聯(lián)軸器與絲杠連接，從而帶動傳送的上下運動。傳送帶的輸出部分采用電機驅(qū)動，電機于帶輪通過鍵連，驅(qū)動帶輪轉(zhuǎn)動。收放紙系統(tǒng)部分同樣采用電機用驅(qū)動，電機通過聯(lián)軸器和紙筒轉(zhuǎn)軸以鍵連接進行驅(qū)動。此外，同時采用觸摸屏進行人機對話，直觀且便于操作。
圖3 結(jié)構(gòu)圖
3.2 電機系統(tǒng)
考慮機械手的橫向運動有著負重大，移動速度快等特點，如果采用氣缸驅(qū)動很容易產(chǎn)生氣缸密封圈泄露等現(xiàn)象，所以采用伺服電機驅(qū)動。
PLC通過所發(fā)脈沖的頻率和數(shù)量控制機械手部伺服電機和傳送帶的電機以控制其速度和位置，脈沖信號通過信號分配在經(jīng)過功率放大驅(qū)動電機帶動負載工作。
3.3 氣動系統(tǒng)
氣動控制系統(tǒng)的I/O接線圖如圖4所示，由PLC控制電磁閥的通斷從而實現(xiàn)吸取部分的上下行動作。根據(jù)實際的工作需要吸取部分的上行動作負重較大采用動力較好的氣缸并且減小其行程。下行部分負重較小，可采用普通氣缸。
圖4 PLC的I/O接線圖
4 軟件設(shè)計
4.1 PLC程序設(shè)計
PLC的整體結(jié)構(gòu)包括手動、自動程序，原點復(fù)位程序，公用程序四個部分。其中自動程序包括系統(tǒng)在全自動模式下的程序和系統(tǒng)在單循環(huán)模式下的程序。PLC的程序流程圖如圖5。
圖5 PLC程序流程圖
4.2 觸摸屏設(shè)計
觸摸屏的軟件設(shè)計包括創(chuàng)建換面和變量的設(shè)計，并將之與PLC連接。畫面的創(chuàng)建包括輸入/輸出區(qū)域組態(tài)，指示燈組態(tài)，功能鍵組態(tài)和文本顯示等格式，根據(jù)機械手的要求設(shè)計出所需要的畫面。所設(shè)定的變量就是把觸摸屏的組態(tài)功能與PLC相應(yīng)的I/O接點及存儲單元之間建立聯(lián)系，實現(xiàn)觸摸屏敏感元件對PLC參數(shù)的輸入，PLC當(dāng)前值及報警系統(tǒng)向觸摸屏的輸出。
5 結(jié)論
本文所介紹的取出機械手可以廣泛的應(yīng)用于磁性材料生產(chǎn)。實踐表明，該產(chǎn)品可以快速、準(zhǔn)確的對控制要求作出反應(yīng)。并且具有工作效率高，性能穩(wěn)定且噪音小等一系列優(yōu)點。
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中圖分類號：TP302 文獻標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)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(zhǔn)。如今國內(nèi)企業(yè)需要革新自己的技術(shù)，加強學(xué)習(xí)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(biāo)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(dāng)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(biāo)系，一個坐標(biāo)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(biāo)點不同，他使用有角度的圓形來表示相應(yīng)顏色，比坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(zhǔn)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(dāng)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(zhǔn)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(dāng)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(zhǔn)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。
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1.關(guān)注點不一樣，學(xué)校和學(xué)生意見分歧由于教育行政部門每年都要對畢業(yè)論文（設(shè)計）進行抽檢評優(yōu)，所以學(xué)校很緊張，萬一結(jié)果不好，影響學(xué)校的聲譽。但現(xiàn)狀是，機械類專業(yè)絕大多數(shù)學(xué)生從第5學(xué)期中后期開始進行頂崗實習(xí)，而且大部分從事的是機床操作和產(chǎn)品檢驗、包裝等工種，沒有太多的技術(shù)含量，與“設(shè)計”無緣。少部分學(xué)生在產(chǎn)品銷售崗位實習(xí)，還有部分在售后服務(wù)崗位實習(xí)，與“設(shè)計”關(guān)系都不大，學(xué)生看不到畢業(yè)設(shè)計對他們將來的工作有多大作用，他們更關(guān)注的是就業(yè)。因此，沒有太大的動力去認(rèn)真地搞畢業(yè)設(shè)計。由于學(xué)校對老師有要求，老師本意當(dāng)然想認(rèn)真地指導(dǎo)學(xué)生，可是學(xué)生在頂崗實習(xí)階段，不能與老師經(jīng)常見面，有的根本見不了面，只能通過電話、網(wǎng)絡(luò)溝通，學(xué)生上網(wǎng)不便，郵件也說不清楚，老師只能過一段時間督促一下，指導(dǎo)效果大打折扣。
2.畢業(yè)設(shè)計所需信息和資料難以搜集，影響進度畢業(yè)設(shè)計階段，學(xué)生都在企業(yè)頂崗實習(xí)，企業(yè)沒有專門的提供給學(xué)生的圖書館、機房、網(wǎng)絡(luò)、實驗室等畢業(yè)設(shè)計所必須的基本條件。學(xué)生對相關(guān)專業(yè)資料的搜集、分析、利用等能力相對較弱，這些資源的缺乏令學(xué)生在選題、開題和具體實施階段顯得無從下手，只能胡亂參照往年或網(wǎng)上資料相關(guān)題目。例如，機械類專業(yè)學(xué)生中期檢查交上來的題目大多是軸類、箱體類、圓盤類零件的加工工藝及數(shù)控編程、各種零件的模具設(shè)計、各種普通機床經(jīng)濟型數(shù)控化改造、電梯和機械手、水位、各種生產(chǎn)線等的PLC控制、機床夾具設(shè)計、機械設(shè)備的故障診斷與維修等等，題目有的大而空，有的是課程設(shè)計內(nèi)容，有的是教材上的實例。學(xué)生撰寫論文時參考教材或網(wǎng)絡(luò)公開資料過多，沒有什么數(shù)據(jù)支撐，也沒有什么自己的觀點和實際作品，談不上論文的質(zhì)量及學(xué)生水平的提高。
3.學(xué)生方面的原因江蘇省這幾年的高職招生，有提前單招，有注冊入學(xué)，還有中職對口單招，最后，通過真正參加高考錄取的考生，所占比例已經(jīng)較少了。即使是這些學(xué)生，錄取的分?jǐn)?shù)也很低。而且，江蘇省錄取的總?cè)藬?shù)已經(jīng)超過了報考學(xué)生總數(shù)，基本上只要想上學(xué)，都能上。所以招進來的學(xué)生的知識基礎(chǔ)較差，學(xué)習(xí)興趣不高，水平和能力又參差不齊。畢業(yè)設(shè)計和頂崗實習(xí)時間重疊，絕大部分學(xué)生是自己通過人才市場選擇的實習(xí)企業(yè)，崗位要求學(xué)生和正式用工一樣的工作時間和強度，學(xué)生每天上8小時甚至12小時的班，有的企業(yè)兩班倒，有的三班倒，沒有精力再去搞畢業(yè)設(shè)計。另一方面，在學(xué)校的前兩年，也沒有好好學(xué)習(xí)專業(yè)知識，造成很多學(xué)生不知道畢業(yè)設(shè)計要做什么，怎么做。老師給學(xué)生的課題，學(xué)生做不了，學(xué)生自己定的題目，又很不恰當(dāng)。勉強寫出的論文不規(guī)范，文字欠通順，表述設(shè)計意圖和設(shè)計方案邏輯性不強，質(zhì)量很低，有的直接抄襲論文或干脆購買，沒有起到培養(yǎng)綜合能力和科研水平的目的。
4.指導(dǎo)老師方面的原因由于學(xué)生多而專業(yè)教師少，教師的指導(dǎo)工作量過大，一般平均每位專業(yè)教師要承擔(dān)十多個學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)，學(xué)生遠在四處各地，老師無法對學(xué)生進行細致、系統(tǒng)和及時的指導(dǎo)和檢查。而且本身又有繁重的教學(xué)工作，老師的精力跟不上。另外，各個學(xué)校重點關(guān)注的是招生就業(yè)，使得老師可能不太重視畢業(yè)設(shè)計工作，不愿多花時間與精力。從教師本身來看，高職院校的年輕教師很多是剛從學(xué)校畢業(yè)的，沒有實踐環(huán)節(jié)，只能照本宣科；年長教師，沒有知識更新的再教育環(huán)節(jié)，對新技術(shù)不太了解。老師自己實踐水平不高，給學(xué)生的選題，為回避實踐環(huán)節(jié)，很多選擇了與工程實際相脫離的綜述類題目或計算機仿真題目。這些都使畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)工作難度增大，難以保證質(zhì)量。
二、對策分析
1.提前啟動畢業(yè)設(shè)計工作在人才培養(yǎng)方案中，將各主要專業(yè)課程向前兩學(xué)年轉(zhuǎn)移，減少第三學(xué)年的計劃課程。第五學(xué)期初開始畢業(yè)設(shè)計，包括落實任務(wù)、查閱資料，掌握畢業(yè)設(shè)計的基本程序、要求，完成畢業(yè)論文的總體框架設(shè)計。學(xué)生在校完成畢業(yè)論文總體框架后，到企業(yè)、實習(xí)基地邊實習(xí)邊做畢業(yè)設(shè)計，更有針對性，學(xué)生不再感到茫然。
2.充分利用畢業(yè)頂崗實習(xí)到用人單位進行半年以上頂崗實習(xí)，是高職院校落實《教育部關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》（教高[2006]16號）文件精神，大力推行“校企合作、工學(xué)結(jié)合”，突出高職教育特色，改革人才培養(yǎng)模式的重要舉措。這幾年，我院機械類學(xué)生的頂崗實習(xí)已提前至第5學(xué)期的下半學(xué)期，由于企業(yè)對技能型人才的需求較旺，所以，絕大部分學(xué)生自己都能較容易找到相關(guān)實習(xí)崗位。學(xué)生帶著各自初擬的畢業(yè)設(shè)計課題，分散到不同地方、不同部門進行畢業(yè)實習(xí)，這種分散實習(xí)的方式不會影響企業(yè)的生產(chǎn)秩序，比較容易被企業(yè)接受；還有部分學(xué)生，在第3或者第4學(xué)期已經(jīng)選擇了進入與學(xué)校簽有合作培養(yǎng)協(xié)議的“訂單班”學(xué)習(xí)，我系有“上海鴻得利”、“富士康”、“億滋”、“無錫松下”等眾多訂單班，學(xué)生完成基本專業(yè)知識學(xué)習(xí)后直接進入這些單位頂崗實習(xí)。畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容與實際所從事的崗位聯(lián)系，如果與初擬的框架有沖突，可再作研究內(nèi)容和方法的調(diào)整，甚至重新開展課題研究。做到理論聯(lián)系實際，提高學(xué)生的解決實際問題能力，提高畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量。
3.校企共同指導(dǎo)學(xué)校自己聘請公司的技術(shù)人員做企業(yè)兼職指導(dǎo)教師，實現(xiàn)校企共同指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計。校內(nèi)指導(dǎo)教師主要負責(zé)畢業(yè)設(shè)計規(guī)范化指導(dǎo)，負責(zé)過程管理，制定畢業(yè)設(shè)計流程，對畢業(yè)設(shè)計的各個環(huán)節(jié)進行監(jiān)督檢查，對后期的畢業(yè)論文的撰寫進行指導(dǎo)和審核。保持與企業(yè)指導(dǎo)教師、畢業(yè)生的聯(lián)系與溝通。企業(yè)的指導(dǎo)教師負責(zé)具體的技術(shù)、內(nèi)容指導(dǎo)，提供企業(yè)相關(guān)資料以及學(xué)生與實習(xí)企業(yè)合作環(huán)境的協(xié)調(diào)。學(xué)校應(yīng)支付企業(yè)導(dǎo)師一定報酬，同時，企業(yè)導(dǎo)師參與答辯要占到一定比例。我院建立了頂崗實習(xí)管理平臺，要求學(xué)生頂崗實習(xí)期間至少每周寫一次周記，每個周記提出一個工作問題，解決一個工作問題，學(xué)習(xí)一個工作中需要的新知識點，詳細記錄，并報告指導(dǎo)教師，指導(dǎo)老師進行點評、指導(dǎo)，隨時關(guān)注學(xué)生動態(tài)，及時解決學(xué)生在實習(xí)過程中遇到的問題。另外，學(xué)生還要完成手寫的實習(xí)報告，也按周填寫，學(xué)生的企業(yè)指導(dǎo)老師，對學(xué)生一周的工作進行評價、總結(jié).
4.豐富畢業(yè)設(shè)計課題來源
（1）指導(dǎo)教師的科研課題。此類型題目所占比例呈逐年上升趨勢。原因主要是近幾年學(xué)?？蒲协h(huán)境的改善及本系教師隊伍的完善，科研項目逐漸增多，項目層次包括院級、市級、省級、國家級。
（2）依托技能競賽及各級各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽開展畢業(yè)設(shè)計的實踐活動。鼓勵學(xué)生積級申報江蘇省大學(xué)生實踐創(chuàng)新項目，參加大學(xué)生機械設(shè)計大賽、自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試、汽車維修、汽車營銷、數(shù)控操作大賽、大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽、職業(yè)規(guī)劃大賽等。畢業(yè)設(shè)計開始時間可以依據(jù)競賽時間進行調(diào)整，畢業(yè)設(shè)計可以以綜合性競賽項目實物作為成果，由競賽輔導(dǎo)教師兼任畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師，對學(xué)生在前期創(chuàng)新過程中的作品進行完善和理論升華。通過技能競賽學(xué)生熟練了技能，樹立了競爭意識、團隊意識，更嘗到了學(xué)習(xí)技能、精通技能的甜頭。
（3）學(xué)生自己確立的課題。題目主要來自畢業(yè)頂崗實習(xí)或者將要就業(yè)的單位，收集與實際工作相關(guān)的資料，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下確定畢業(yè)設(shè)計題目。這說明學(xué)生下企業(yè)頂崗實習(xí)為畢業(yè)設(shè)計的選題提供了大量的專業(yè)實踐機會。對于部分搞不了設(shè)計的學(xué)生，要求他們將實習(xí)體會寫下來，形成實習(xí)報告。
（4）模具、數(shù)控、機械、機電專業(yè)跨專業(yè)整合，開展任務(wù)驅(qū)動、項目導(dǎo)向的畢業(yè)設(shè)計課題探索，使學(xué)生綜合能力與素質(zhì)得到全面提升。
（5）參與教師的教學(xué)活動。學(xué)生參與教學(xué)課件的制作，如機械設(shè)計基礎(chǔ)、液壓與氣動技術(shù)、夾具設(shè)計、數(shù)控編程、模具設(shè)計等課程中的動畫、視頻的制作。既鞏固了所學(xué)專業(yè)知識，又熟練掌握常用軟件的操作，為將來的工作打下了良好的基礎(chǔ)。
（6）不斷完善畢業(yè)設(shè)計課題類型，開設(shè)畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)課程。經(jīng)過這幾年的實踐總結(jié)，我們大體上把機械類高職畢業(yè)設(shè)計的類型分為以下幾類，同時，我院已開設(shè)指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計的相關(guān)課程或講座。1）工藝夾具類。此類主要完成各種零件的加工工藝編制及加工零件所需夾具的設(shè)計。2）數(shù)控編程類。主要完成零件的加工工藝編制及數(shù)控編程，可以和機械設(shè)計類結(jié)合，以團隊的形式，完成機構(gòu)的設(shè)計、機構(gòu)零件的數(shù)控編程、加工。3）注塑、沖壓模具類。主要完成各種注塑、沖壓模具設(shè)計。4）機械設(shè)計類。減速器、機器人、機械手、各種泵、控制裝備、農(nóng)業(yè)機械、汽車、液壓系統(tǒng)及各種設(shè)備的設(shè)計。5）機床類。機床主傳動系統(tǒng)及進給系統(tǒng)設(shè)計、鉆床、銑床、組合機床設(shè)計，也可以利用學(xué)校的金工實習(xí)車間進行各類機床的拆裝、測繪訓(xùn)練。6）機械類課程圖形庫、動畫庫、試題庫建設(shè)。7）機電一體化類普通車床數(shù)控化改造及各種設(shè)備的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計。8）機電設(shè)備或生產(chǎn)線故障分析與診斷。
（7）答辯形式多樣化。答辯可以采取多種形式，答辯地點可以選擇校內(nèi)的多媒體教室、實訓(xùn)室，也可以搬到校外學(xué)生頂崗實習(xí)的企業(yè)現(xiàn)場，邀請企業(yè)指導(dǎo)老師、技術(shù)人員、學(xué)生的同事一起參加答辯；答辯形式可以是陳述性答辯，也可以是作品展示性答辯；團隊項目，可指定一人進行答辯。要保證各類形式如實習(xí)報告類、調(diào)查報告類、市場調(diào)研類、創(chuàng)業(yè)計劃類、售后報告分析類、設(shè)計類都可以參加答辯。
三、總結(jié)
根據(jù)上面分析，現(xiàn)在的畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量較難保證，而現(xiàn)有國情下高職畢業(yè)設(shè)計暫時無法替代。但是，畢業(yè)設(shè)計也應(yīng)隨著形勢的發(fā)展進行較大程度的改革，否則，不能發(fā)揮起應(yīng)有的過渡橋梁作用，有以下幾點值得思考：
（1）是否能強化課程綜合實訓(xùn)和課程設(shè)計，淡化畢業(yè)設(shè)計。例如機械設(shè)計基礎(chǔ)課程結(jié)合CAD/CAM課程進行綜合實訓(xùn)；液壓與氣動技術(shù)、機械制造基礎(chǔ)、PLC等進行課程設(shè)計；數(shù)控編程與操作理論課程結(jié)合實訓(xùn)進行典型零件的數(shù)控編程與加工訓(xùn)練。這樣的訓(xùn)練更扎實，更有實效。
（2）畢業(yè)設(shè)計過程要增強學(xué)生對畢業(yè)設(shè)計的認(rèn)識、讓學(xué)生明確其目的和意義。
關(guān)鍵詞： 虛擬樣機技術(shù)；論文統(tǒng)計；計量分析
Key words： virtual prototyping technology；paper statistics；quantitative analysis
中圖分類號：C53 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）09-0312-02
0 引言
虛擬樣機技術(shù)是上世紀(jì)80年代隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項計算機輔助工程技術(shù)。設(shè)計人員在計算機上建立能夠反映產(chǎn)品特性的樣機模型，用樣機模型代替物理樣機在各種工況下進行仿真試驗和分析，測試和評估產(chǎn)品的整體性能，進而不斷改進和優(yōu)化樣機模型的設(shè)計，直至獲得最優(yōu)設(shè)計方案后，再制造物理樣機[1]。虛擬樣機技術(shù)改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計思想，極大地降低了產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計的技術(shù)風(fēng)險和開發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品性能，加速了新技術(shù)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的開發(fā)、研制與使用過程。進入21世紀(jì)以來，虛擬樣機技術(shù)及其應(yīng)用在發(fā)達國家已經(jīng)獲得重大進展，被廣泛地應(yīng)用于各個不同領(lǐng)域。世界眾多著名的制造公司在生產(chǎn)開發(fā)過程中都廣泛采用虛擬樣機技術(shù)，設(shè)計、裝機、測試都在計算機中模擬完成，保證了產(chǎn)品一次試制成功[2]。虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用，使企業(yè)能夠以最低的成本快速推出產(chǎn)品，迅速搶占國際市場，提高了企業(yè)的市場競爭力，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
本文依托“維普中文科技期刊數(shù)據(jù)庫”這一平臺，通過對2003～2012年10年期間與虛擬樣機技術(shù)相關(guān)的期刊論文的檢索，采用論文計量學(xué)方法，對虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用研究論文進行統(tǒng)計分析，概括和總結(jié)我國虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用研究狀況，以期為虛擬樣機技術(shù)今后在我國更廣泛地推廣應(yīng)用提供參考。
1 數(shù)據(jù)來源及分析方法
本文以維普中文科技期刊數(shù)據(jù)庫收錄的期刊論文為統(tǒng)計分析源，以2003～2012年為時間條件，以“全部期刊”為期刊范圍，以“虛擬樣機”為題名或關(guān)鍵詞進行全部專業(yè)論文的檢索，經(jīng)過整理匯總，刪除重復(fù)論文后共計2508篇。通過EXCEL將整理后的論文數(shù)據(jù)套錄成數(shù)據(jù)庫，采用論文計量學(xué)方法對論文的發(fā)表年份、涉及領(lǐng)域、研究機構(gòu)以及第一作者等四個方面進行統(tǒng)計分析，概括和總結(jié)近10年來我國虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用研究狀況[3]。
2 統(tǒng)計分析結(jié)果
2.1 虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用研究論文年份統(tǒng)計分析 從圖1和表1可以看出我國虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用研究論文數(shù)量的增長態(tài)勢。2003年至2009年期間，論文數(shù)量逐年增加，2004年和2005年，論文數(shù)量增加的幅度最大，之后增加幅度在逐年減小，2009年論文數(shù)量達到頂峰。這表明，2003年至2009年，我國虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用研究發(fā)展得比較快，并取得了大量的研究成果。但是，從2010年開始，論文數(shù)量較大幅度減少，特別是2012年，論文數(shù)量減少到152篇。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有可能是近三年對虛擬樣機技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用研究力度減小，也有可能是相關(guān)研究論文的產(chǎn)出以及中國學(xué)術(shù)期刊庫的收錄有一定時滯性[4]。
2.2 虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用研究涉及領(lǐng)域統(tǒng)計分析 筆者對研究主題涉及到我國航空航天、國防軍工、汽車與發(fā)動機、工程機械、礦產(chǎn)機械、農(nóng)業(yè)機械、機器人與機械手、教育等領(lǐng)域的論文數(shù)量進行統(tǒng)計，結(jié)果顯示，我國虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用研究涉及各個領(lǐng)域，部分論文同時涉及多個領(lǐng)域，論文涉及領(lǐng)域分布情況見圖2。論文產(chǎn)出居前三位的領(lǐng)域是汽車、工程機械、機器人，這表明，隨著汽車、工程機械、機器人領(lǐng)域近十年來的迅猛發(fā)展，虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用研究在這些領(lǐng)域中也取得了不斐的成果。
2.3 虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用研究機構(gòu)統(tǒng)計分析 在2508篇論文中，沒有署名作者單位的共有23篇。筆者將論文作者的工作單位分為本科院校、科研院所、企業(yè)和大專院校四類研究機構(gòu)，統(tǒng)計結(jié)果見表2。發(fā)文數(shù)量最多的機構(gòu)是本科院校，為2145篇，科研院所、企業(yè)和大專院校發(fā)文數(shù)量分別為419篇、368篇、117篇，其中科研院所、企業(yè)、大專院校與本科院校作者合著的論文數(shù)量分別為280篇、244篇、46篇，本科院校的發(fā)文數(shù)量遠遠高于其他機構(gòu)。這充分顯示，本科院校是虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用研究的主要機構(gòu)。
2.4 虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用研究論文作者統(tǒng)計分析 根據(jù)論文第一作者發(fā)文數(shù)量的統(tǒng)計結(jié)果可知，無作者數(shù)據(jù)的論文10篇，大部分作者1至2篇，發(fā)文數(shù)量排列前10位的作者見表3，其中，七位是本科院校的教授或講師，二位是博士研究生，只有一位是科研院所的高級工程師，由此可見，本科院校的教授和教師是虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用研究的中堅力量。
3 結(jié)論與建議
從“中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫”檢索及分析結(jié)果可以看出，2003～2012年10年期間，我國虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用研究發(fā)展迅速，至2009年達到頂峰，近年又逐漸回落；應(yīng)用研究涉及領(lǐng)域極為廣泛，研究成果比較多的是汽車、工程機械、機器人領(lǐng)域；應(yīng)用研究的主要機構(gòu)是本科院校，應(yīng)用研究的主要群體是本科院校的學(xué)者和教師。本文的檢索分析結(jié)果不一定能夠全面反映我國虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用研究狀況，但從一個側(cè)面反映了我國虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用研究機構(gòu)和群體比較單一。
虛擬樣機技術(shù)問世之后，得到許多發(fā)達國家制造商的高度重視，立即將這一先進制造技術(shù)引入企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)中，取得了很好的經(jīng)濟效益。我國是一個制造大國，虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用研究，不應(yīng)僅在本科院校，不應(yīng)僅有本科院校的學(xué)者和教師，更應(yīng)廣泛推廣到企業(yè)和科研院所，讓廣大企業(yè)和科研院所的技術(shù)人員參與研究和應(yīng)用。
面對日益激烈的市場競爭，我國企業(yè)應(yīng)積極主動充分利用虛擬樣機技術(shù)，減小產(chǎn)品的技術(shù)風(fēng)險，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品研發(fā)的成本，提高產(chǎn)品的性能，從而增強企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)能力，提高我國企業(yè)在世界制造業(yè)中的地位和市場競爭力。此外，虛擬樣機技術(shù)的研究專家也應(yīng)加強向企業(yè)推廣虛擬樣機技術(shù)，推動這一先進制造技術(shù)在我國企業(yè)和科研院所的普及和應(yīng)用。
參考文獻：
[1]郭衛(wèi)東.虛擬樣機技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實例教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.
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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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
