专业综合训练周（机电）
实验报告
课题名称 三自由度气动教学机械手的实验研究 班 级 机械10级机电方向 姓 名 孔潜 赵长亮 马海燕 赵辉 刘剑桥
李建华 邹明君
指导老师 于复生 张 涵
山东建筑大学机电工程学院
三自由度气动教学机械手的实验研究
实 验 目 录
1绪论 ........................................................................................................................ 1 1.1概述 ............................................................................................................... 1 1.2特点 ............................................................................................................... 2 1.3国内外研究现状 ........................................................................................... 3 1.4气动技术的优点及发展趋势 ....................................................................... 4 1.5 现有气动机械手的形式及应用 .................................................................. 5 1.6本机械手的技术指标 ................................................................................... 6 2机械手的结构 ........................................................................................................ 8 2.1总图结构 ....................................................................................................... 8 2.2机械手底座平台 ......................................................................................... 11 2.3立柱 ............................................................................................................. 11 2.4横移气缸 ..................................................................................................... 12 2.5垂直升降气缸 ............................................................................................. 12 2.6夹紧气缸 ..................................................................................................... 14 2.7机械手手爪 ................................................................................................. 15 2.8开关电源 ..................................................................................................... 16 2.9机械手的气压驱动 ..................................................................................... 16 2.10机械手的控制 ........................................................................................... 17 2.11步进电机 ................................................................................................... 18 2.12.ULN2003A介绍 ....................................................................................... 18 2.13.C817光耦 ................................................................................................. 19
三自由度气动教学机械手的实验研究
2.14步进电机驱动器 ....................................................................................... 19 3.主控制板系统原理设计 ...................................................................................... 22 3.1.主板基本机构 ............................................................................................. 22 3.2控制方式说明 ............................................................................................. 24 3.3串行接口电路 ............................................................................................. 24 3.4通信方式说明 ............................................................................................. 26 4.手柄系统原理设计 .............................................................................................. 27 4.1手持盒主要功能 ......................................................................................... 27 4.2电源设置 ..................................................................................................... 27 4.3原理图 ......................................................................................................... 27 5气动控制选择 ...................................................................................................... 29 5.1气动设置 ..................................................................................................... 29 5.2气压传动系统的组成 ................................................................................. 29 5.3本机械手的气路设计 ................................................................................. 30 5.4气缸 ............................................................................................................. 30 6.自由度机械手程序下载与内容 .......................................................................... 32 6.1.单片机程序下载 ......................................................................................... 32 6.2手柄程序 ..................................................................................................... 37 6.3主板程序 ..................................................................................................... 60 7.实验创新 .............................................................................................................. 76 8.小结 ...................................................................................................................... 76 9.参考文献 .............................................................................................................. 78
三自由度气动教学机械手的实验研究
1绪论
1.1概述
随着现代科技和现代工业的发展，工业的自动化程度越来越高。工业的自动化中机械手发挥了相当大的作用，小到机床的自动换刀机械手，大到整个的全自动无人值守工厂，无一不能看到机械手的身影。
在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交货周期缩短带来的挑战。
机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定，而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的市场机会。
可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。 因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
机械手工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。机械手的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。 目前，机械手的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机械手协会给机械手下的定义：机械手是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递物体。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对机械手作如下定义：机械手是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸物体。
机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。机械手的发展，由
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简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代： 第一代机械手就是目前工业中大量使用的示教再现型机械手，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机械手是带感觉的机械手。它具有力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代机械手要复杂得多，这种机械手从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代机械手即智能机械手。这种机械手除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机械手还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。
1.2特点
机械手广泛应用于工业生产中，主要用来物体在不同工位间的移动。动作主要是抓取、移动位置、放置，实现物体移位。在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机械手等。而机械手是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。虽然机械手的种类不尽相同，但其主要技术参数应包括以下几种：自由度，精度，工作范围，最大工作速度和承载能力。自由度是指机械手所具有的独立坐标轴运动的数目，一般不包含末端执行器的开合自由度。在三维空间中表述一个物体的位置和姿态需要6个自由度，但是，机械手可根据其用途而设计自身自由度，并且利用冗余的自由度增加灵活性，躲避障碍物改善动力性能。精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度指机械手手部实际到达位置与目标位置之间的差异，重复定位精度是指机械手重复定位手部于同一目标位置的能力。工作范围是指机械手手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合。承载能力是指机械手在工作范围内的任何位置上所能承受的最大质量。最大工作速度指机械手自由度上最大的稳定速度。
机械手是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸物体或夹具。机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将物体从A位置移动到B位置这一简单的动作。
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