畢業(yè)設計慧魚模型

1、湖北理工學院 畢業(yè)設計（論文）“慧魚模型”三自由度機械手設計小冊 學院：機 電 工 程 學 院 班級：機械設計與制造 指導老師：藺紹江 姓名：王 連 海 學號：201030120130 一、概述11.1機電一體化技術11.1.1機電一體化技術的定義和內容11.1.2機電一體化系統(tǒng)組成11.2. 慧魚機器人21.2.1慧魚創(chuàng)意教學組合模型簡介2二、機器人的組成32.1組成構件32.2慧魚機器人分析62.2.1機器人機構組成62.2.2主要成分構成及功能72.3. 機器人的工作空間形式92.4機器人的機械運動形態(tài)和變換控制112.5機器人的位移、速度、方向的控制方法13一、概述1.1機電一體化技術

2、1.1.1機電一體化技術的定義和內容 機電一體化技術綜合應用了機械技術、計算機與信息技術、系統(tǒng)技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術,接口技術及系統(tǒng)總體技術等群體技術,從系統(tǒng)的觀點出發(fā),根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織結構目標,以智能、動力、結構、運動和感知等組成要素為基礎,對各組成要素及相互之間的信息處理、接口耦合、運動傳遞、物質運動、能量變換機理進行研究,使得整個系統(tǒng)有機結合與綜合集成,并在系統(tǒng)程序和微電子電路的有序信息流控制下,形成物質和能量的有規(guī)則運動,在高質量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實現(xiàn)多種技術功能復合的最佳功能價值的系統(tǒng)工程技術。1.1.2機電一體化系統(tǒng)組成1.機械本體

3、機械本體包括機架、機械連接、機械傳動等，它是機電一體化的基礎，起著支撐系統(tǒng)中其他功能單元、傳遞運動和動力的作用。2.檢測傳感部分 檢測傳感部分包括各種傳感器及其信號檢測電路，其作用就是檢測機電一體化系統(tǒng)工作過程中本身和外界環(huán)境有關參量的變化，并將信息傳遞給電子控制單元，電子控制單元根據(jù)檢查到的信息向執(zhí)行器發(fā)出相應的控制。3.電子控制單元 電子控制單元是機電一體化系統(tǒng)的核心，負責將來自各傳感器的檢測信號和外部輸入命令進行集中、存儲、計算、分析，根據(jù)信息處理結果，按照一定的程度和節(jié)奏發(fā)出相應的指令，控制整個系統(tǒng)有目的地進行。4.執(zhí)行器 執(zhí)行器的作用是根據(jù)電子控制單元的指令驅動機械部件的運動。執(zhí)行器

4、是運動部件，通常采用電力驅動、氣壓驅動和液壓驅動等幾種方式。5.動力源 動力源是機電一體化產品能量供應部分，是按照系統(tǒng)控制要求向機械系統(tǒng)提供能量和動力使系統(tǒng)正常運行。提供能量的方式包括電能、氣能和液壓能。 1.2. 慧魚機器人1.2.1慧魚創(chuàng)意教學組合模型簡介1964年，慧魚創(chuàng)意教學組合模型（fischertechnik）誕生于德國，是由德國發(fā)明家Arthur Fischer 博士在 1964 年從其專利“六面拼接體”的基礎上發(fā)明的。它是技術含量很高的工程技術類智趣拼裝模型，是展示科學原理和技術過程的理想教具，也是體現(xiàn)世界最先進教育理念的學具，為創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實驗提供了最佳的載體。 慧魚創(chuàng)意組

5、合模型的主要部件采用優(yōu)質尼龍塑膠制造，尺寸精確，不易磨損，可以保證反復拆裝的同時不影響模型結合的精確度；構件的工業(yè)燕尾槽專利設計使六面都可拼接，獨特的設計可實現(xiàn)隨心所欲的組合和擴充。它由各種型號和規(guī)格的零件構成，類似于積木。零件的種類很多，幾乎包括了機械課程和日常生活中的所有零件，如機械零件： 連桿、凸輪、齒輪（普通齒輪、錐齒輪、斜齒輪、內嚙合齒輪、外嚙合齒輪等）、蝸輪、蝸 桿、螺桿、鉸鏈、帶、鏈條、軸（直軸和曲軸）、聯(lián)軸器、彈簧、減速器、齒輪箱、車輪等；電氣零件：直流電機、燈泡、電磁氣閥、行程開關、傳感器（光敏、熱敏、磁敏、觸敏）、可調直流變壓器、電腦接口板、PLC 接口板、紅外線發(fā)射接收裝

6、置等；氣動零件：儲氣罐、汽缸、活塞、氣彎頭、手動氣閥、電磁氣閥、氣管等。由這些零件的不同組合便可構造出各式各樣的模型，這些模型主要可分為兩大類：技術組和機器人組。技術組又包括傳感器技術組、氣動技術組、汽車技術組、太陽能技術組、萬能組合包。機器人組又包括3D 機器人、計算機器人、實驗機器人、工業(yè)機器人、移動機器 人和氣動機器人。在慧魚實驗過程中，通過對各類模型的認識和組裝，從而可以熟悉并掌握各類機械設備和自動化裝置的常用結構和工作原理。在模型的組建中，將運用到機械加工、氣動技術、電子電路和軟件編程等知識，從而加深了對這些相關課程的理解。另外通過慧魚模型的搭建和組裝也培養(yǎng)了實際動手的能力、解決實際

7、問題的能力和創(chuàng)新設計的能力二、機器人的組成2.1組成構件2.2慧魚機器人分析此次機電一體化創(chuàng)新設計項目，我們所完成的是慧魚工業(yè)機器人中的三自由度機械手，它能夠通過智能控制接口盒的編程控制實現(xiàn)三個自由度方向（旋轉、水平、垂直）的夾取或放置物品，因此操作范圍大，靈活性好。2.2.1機器人機構組成如圖2.1所示，該機器人為三自由度機械手，其機械手爪有夾緊和松開物件的功能，由三個電機驅動三個自由度的運動，由一個電機控制手爪的夾緊和松開?？蓪崿F(xiàn)整體的旋轉、水平、垂直運動及手爪的夾緊、松開運動。該機械人可通過PC對控制芯片進行編程，從而輸出控制信號到各電機，驅動機械人的運動方向或行程，從而夾取或放置物件。

8、圖2.1 機械手機構組成2.2.2主要成分構成及功能1、機械手基座旋轉運動圖2.2.1機械手基座旋轉運動UG模型圖該運動主要構件有電動機、減速箱、蝸桿、齒輪。2.機械手水平運動圖2.2.2機械手水平運動UG模型圖該運動主要構件有主要運動構件有電動機、減速箱、絲桿、螺旋傳動塊、導桿。3、機械手垂直運動圖2.2.3機械手垂直運動UG模型圖該運動主要構件有主要運動構件有電動機、減速箱、絲桿、螺旋傳動塊、連桿機構4、機械手爪夾緊與松開運動圖2.2.4機械手爪夾緊與松開運動UG模型圖該運動主要構件有主要運動構件有電動機、減速箱、傳動軸、萬向鉸鏈、螺旋傳動塊、連桿機構。2.3. 機器人的工作空間形式該機器

9、人的工作空間形式主要有三個自由度的運動和機械手爪的夾松運動。1、自由度一：機械手基座的旋轉運動，如圖2.3.1所示圖2.3.1 機械手基座的旋轉運動電機輸出動能，經減速箱調節(jié)速度并傳遞到蝸桿，蝸桿與齒輪嚙合傳動，齒輪轉動帶動整個底座進行旋轉運動。2、自由度二：機械手的水平運動，如圖2.3所示圖2.3.1機械手的前后運動電機輸出動能，經減速箱調節(jié)速度并傳遞到絲桿，再通過鏈條和螺旋機構轉化為工作臺的前后運動。3、自由度三：機械手的垂直運動圖2.3.2機械手的上下運動電機輸出動能，經減速箱調節(jié)速度并傳遞到絲桿，再通過鏈條和螺旋機構轉化為水平前后運動，最后經連桿機構轉化為機械手的上下運動4、機械手爪的

10、夾緊與放松運動圖2.3.3通過上面的電機控制開夾圖2.3.4機械手夾緊與放松運動電機輸出動能，經減速箱調節(jié)速度并傳遞到傳動軸，不同軸線的各傳動桿通過萬向鉸鏈進行連接并傳遞動力，最近將桿件的旋轉運動通過螺旋機構轉化為手爪的夾緊或松開運動。2.4機器人的機械運動形態(tài)和變換控制1、機械手基座的旋轉運動如下圖所示，傳動方式為：控制信號電機減速箱圓柱蝸桿傳動基座電動機減速箱圖2.4.1機械手基座的旋轉運動機構簡圖2、機械手的水平運動如下圖所示，傳動方式為：控制信號電機減速箱螺旋機構機架電動機減速箱圖2.4.2機械手的前后運動機構簡圖3、機械手的垂直運動如下圖所示，傳動方式為：控制信號電機減速箱螺旋機構連

11、桿機構機架 減速箱電動機圖2.4.3機械手的垂直運動機構簡圖4、機械手爪夾緊與放松運動如下圖所示，傳動方式為：控制信號電機減速箱傳動軸萬向鉸鏈傳動軸螺旋機構連桿機構手爪夾緊氣缸電動機圖2.4.4機械手爪夾緊與放松運動機構簡圖2.5機器人的位移、速度、方向的控制方法該機器人整體與控制芯片盒連接，并通過PC的程序編制與載入，將控制信號輸送到電機。其中速度控制信號將控制電機的速度從而實現(xiàn)機器人的運動速度轉變，并且時間控制信號將于速度控制信號配合實現(xiàn)機器人的運動位移量可調。為了防止超出行程，各主要機械運動構件附近安裝有限位行程開關，以限制運動的極限位置，同時也是運動的起始位置；當各運動構件運動碰到兩邊

12、的限位行程開關后，機器人將停止運動。 1、機械手基座的旋轉運動位移速度控制動力源（電機）接收到控制芯片的位移速度控制信號后動作，由于電機轉速較高，通過減速箱的作用，調節(jié)電機轉速到較低的合適量。動力輸出軸通過蝸輪機構將動力轉換為基座齒輪的轉動。軀干的理論旋轉范圍為0360。 2.機械手的水平運動位移速度控制動力源（電機）接收到控制芯片的速度位移控制信號后動作，由于電機轉速較高，通過減速箱的作用，調節(jié)電機轉速到較低的合適量。然后動力軸的轉動通過螺旋機構轉化為機架的水平前后運動。3、機械手的垂直運動位移速度控制動力源（電機）接收到智能控制接口盒的速度位移控制信號后動作，由于電機轉速較高，通過減速箱的作用，調節(jié)電機轉速到較低的合適量。減速箱輸出動力到絲桿