畢業(yè)設(shè)計(jì)慧魚(yú)模型

1、湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）“慧魚(yú)模型”三自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)小冊(cè) 學(xué)院：機(jī) 電 工 程 學(xué) 院 班級(jí)：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 指導(dǎo)老師：藺紹江 姓名：王 連 海 學(xué)號(hào)：201030120130 一、概述11.1機(jī)電一體化技術(shù)11.1.1機(jī)電一體化技術(shù)的定義和內(nèi)容11.1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)組成11.2. 慧魚(yú)機(jī)器人21.2.1慧魚(yú)創(chuàng)意教學(xué)組合模型簡(jiǎn)介2二、機(jī)器人的組成32.1組成構(gòu)件32.2慧魚(yú)機(jī)器人分析62.2.1機(jī)器人機(jī)構(gòu)組成62.2.2主要成分構(gòu)成及功能72.3. 機(jī)器人的工作空間形式92.4機(jī)器人的機(jī)械運(yùn)動(dòng)形態(tài)和變換控制112.5機(jī)器人的位移、速度、方向的控制方法13一、概述1.1機(jī)電一體化技術(shù)

2、1.1.1機(jī)電一體化技術(shù)的定義和內(nèi)容 機(jī)電一體化技術(shù)綜合應(yīng)用了機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù),接口技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等群體技術(shù),從系統(tǒng)的觀(guān)點(diǎn)出發(fā),根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo),以智能、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和感知等組成要素為基礎(chǔ),對(duì)各組成要素及相互之間的信息處理、接口耦合、運(yùn)動(dòng)傳遞、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、能量變換機(jī)理進(jìn)行研究,使得整個(gè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)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(zhì)和能量的有規(guī)則運(yùn)動(dòng),在高質(zhì)量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)功能復(fù)合的最佳功能價(jià)值的系統(tǒng)工程技術(shù)。1.1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)組成1.機(jī)械本體

3、機(jī)械本體包括機(jī)架、機(jī)械連接、機(jī)械傳動(dòng)等，它是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，起著支撐系統(tǒng)中其他功能單元、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的作用。2.檢測(cè)傳感部分 檢測(cè)傳感部分包括各種傳感器及其信號(hào)檢測(cè)電路，其作用就是檢測(cè)機(jī)電一體化系統(tǒng)工作過(guò)程中本身和外界環(huán)境有關(guān)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(yīng)的控制。3.電子控制單元 電子控制單元是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)將來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信號(hào)和外部輸入命令進(jìn)行集中、存儲(chǔ)、計(jì)算、分析，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程度和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地進(jìn)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(qū)動(dòng)機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行器

4、是運(yùn)動(dòng)部件，通常采用電力驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)等幾種方式。5.動(dòng)力源 動(dòng)力源是機(jī)電一體化產(chǎn)品能量供應(yīng)部分，是按照系統(tǒng)控制要求向機(jī)械系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力使系統(tǒng)正常運(yùn)行。提供能量的方式包括電能、氣能和液壓能。 1.2. 慧魚(yú)機(jī)器人1.2.1慧魚(yú)創(chuàng)意教學(xué)組合模型簡(jiǎn)介1964年，慧魚(yú)創(chuàng)意教學(xué)組合模型（fischertechnik）誕生于德國(guó)，是由德國(guó)發(fā)明家Arthur Fischer 博士在 1964 年從其專(zhuān)利“六面拼接體”的基礎(chǔ)上發(fā)明的。它是技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類(lèi)智趣拼裝模型，是展示科學(xué)原理和技術(shù)過(guò)程的理想教具，也是體現(xiàn)世界最先進(jìn)教育理念的學(xué)具，為創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了最佳的載體。 慧魚(yú)創(chuàng)意組

5、合模型的主要部件采用優(yōu)質(zhì)尼龍塑膠制造，尺寸精確，不易磨損，可以保證反復(fù)拆裝的同時(shí)不影響模型結(jié)合的精確度；構(gòu)件的工業(yè)燕尾槽專(zhuān)利設(shè)計(jì)使六面都可拼接，獨(dú)特的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)隨心所欲的組合和擴(kuò)充。它由各種型號(hào)和規(guī)格的零件構(gòu)成，類(lèi)似于積木。零件的種類(lèi)很多，幾乎包括了機(jī)械課程和日常生活中的所有零件，如機(jī)械零件： 連桿、凸輪、齒輪（普通齒輪、錐齒輪、斜齒輪、內(nèi)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(chē)輪等；電氣零件：直流電機(jī)、燈泡、電磁氣閥、行程開(kāi)關(guān)、傳感器（光敏、熱敏、磁敏、觸敏）、可調(diào)直流變壓器、電腦接口板、PLC 接口板、紅外線(xiàn)發(fā)射接收裝

6、置等；氣動(dòng)零件：儲(chǔ)氣罐、汽缸、活塞、氣彎頭、手動(dòng)氣閥、電磁氣閥、氣管等。由這些零件的不同組合便可構(gòu)造出各式各樣的模型，這些模型主要可分為兩大類(lèi)：技術(shù)組和機(jī)器人組。技術(shù)組又包括傳感器技術(shù)組、氣動(dòng)技術(shù)組、汽車(chē)技術(shù)組、太陽(yáng)能技術(shù)組、萬(wàn)能組合包。機(jī)器人組又包括3D 機(jī)器人、計(jì)算機(jī)器人、實(shí)驗(yàn)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器 人和氣動(dòng)機(jī)器人。在慧魚(yú)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)各類(lèi)模型的認(rèn)識(shí)和組裝，從而可以熟悉并掌握各類(lèi)機(jī)械設(shè)備和自動(dòng)化裝置的常用結(jié)構(gòu)和工作原理。在模型的組建中，將運(yùn)用到機(jī)械加工、氣動(dòng)技術(shù)、電子電路和軟件編程等知識(shí)，從而加深了對(duì)這些相關(guān)課程的理解。另外通過(guò)慧魚(yú)模型的搭建和組裝也培養(yǎng)了實(shí)際動(dòng)手的能力、解決實(shí)際

7、問(wèn)題的能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力二、機(jī)器人的組成2.1組成構(gòu)件2.2慧魚(yú)機(jī)器人分析此次機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目，我們所完成的是慧魚(yú)工業(yè)機(jī)器人中的三自由度機(jī)械手，它能夠通過(guò)智能控制接口盒的編程控制實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度方向（旋轉(zhuǎn)、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(jī)器人機(jī)構(gòu)組成如圖2.1所示，該機(jī)器人為三自由度機(jī)械手，其機(jī)械手爪有夾緊和松開(kāi)物件的功能，由三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，由一個(gè)電機(jī)控制手爪的夾緊和松開(kāi)?？蓪?shí)現(xiàn)整體的旋轉(zhuǎn)、水平、垂直運(yùn)動(dòng)及手爪的夾緊、松開(kāi)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)械人可通過(guò)PC對(duì)控制芯片進(jìn)行編程，從而輸出控制信號(hào)到各電機(jī)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械人的運(yùn)動(dòng)方向或行程，從而夾取或放置物件。

8、圖2.1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)組成2.2.2主要成分構(gòu)成及功能1、機(jī)械手基座旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)圖2.2.1機(jī)械手基座旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)UG模型圖該運(yùn)動(dòng)主要構(gòu)件有電動(dòng)機(jī)、減速箱、蝸桿、齒輪。2.機(jī)械手水平運(yùn)動(dòng)圖2.2.2機(jī)械手水平運(yùn)動(dòng)UG模型圖該運(yùn)動(dòng)主要構(gòu)件有主要運(yùn)動(dòng)構(gòu)件有電動(dòng)機(jī)、減速箱、絲桿、螺旋傳動(dòng)塊、導(dǎo)桿。3、機(jī)械手垂直運(yùn)動(dòng)圖2.2.3機(jī)械手垂直運(yùn)動(dòng)UG模型圖該運(yùn)動(dòng)主要構(gòu)件有主要運(yùn)動(dòng)構(gòu)件有電動(dòng)機(jī)、減速箱、絲桿、螺旋傳動(dòng)塊、連桿機(jī)構(gòu)4、機(jī)械手爪夾緊與松開(kāi)運(yùn)動(dòng)圖2.2.4機(jī)械手爪夾緊與松開(kāi)運(yùn)動(dòng)UG模型圖該運(yùn)動(dòng)主要構(gòu)件有主要運(yùn)動(dòng)構(gòu)件有電動(dòng)機(jī)、減速箱、傳動(dòng)軸、萬(wàn)向鉸鏈、螺旋傳動(dòng)塊、連桿機(jī)構(gòu)。2.3. 機(jī)器人的工作空間形式該機(jī)器

9、人的工作空間形式主要有三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)和機(jī)械手爪的夾松運(yùn)動(dòng)。1、自由度一：機(jī)械手基座的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖2.3.1所示圖2.3.1 機(jī)械手基座的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)輸出動(dòng)能，經(jīng)減速箱調(diào)節(jié)速度并傳遞到蝸桿，蝸桿與齒輪嚙合傳動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)底座進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2、自由度二：機(jī)械手的水平運(yùn)動(dòng)，如圖2.3所示圖2.3.1機(jī)械手的前后運(yùn)動(dòng)電機(jī)輸出動(dòng)能，經(jīng)減速箱調(diào)節(jié)速度并傳遞到絲桿，再通過(guò)鏈條和螺旋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)的前后運(yùn)動(dòng)。3、自由度三：機(jī)械手的垂直運(yùn)動(dòng)圖2.3.2機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)電機(jī)輸出動(dòng)能，經(jīng)減速箱調(diào)節(jié)速度并傳遞到絲桿，再通過(guò)鏈條和螺旋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為水平前后運(yùn)動(dòng)，最后經(jīng)連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)4、機(jī)械手爪的

10、夾緊與放松運(yùn)動(dòng)圖2.3.3通過(guò)上面的電機(jī)控制開(kāi)夾圖2.3.4機(jī)械手夾緊與放松運(yùn)動(dòng)電機(jī)輸出動(dòng)能，經(jīng)減速箱調(diào)節(jié)速度并傳遞到傳動(dòng)軸，不同軸線(xiàn)的各傳動(dòng)桿通過(guò)萬(wàn)向鉸鏈進(jìn)行連接并傳遞動(dòng)力，最近將桿件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)螺旋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為手爪的夾緊或松開(kāi)運(yùn)動(dòng)。2.4機(jī)器人的機(jī)械運(yùn)動(dòng)形態(tài)和變換控制1、機(jī)械手基座的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)如下圖所示，傳動(dòng)方式為：控制信號(hào)電機(jī)減速箱圓柱蝸桿傳動(dòng)基座電動(dòng)機(jī)減速箱圖2.4.1機(jī)械手基座的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖2、機(jī)械手的水平運(yùn)動(dòng)如下圖所示，傳動(dòng)方式為：控制信號(hào)電機(jī)減速箱螺旋機(jī)構(gòu)機(jī)架電動(dòng)機(jī)減速箱圖2.4.2機(jī)械手的前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖3、機(jī)械手的垂直運(yùn)動(dòng)如下圖所示，傳動(dòng)方式為：控制信號(hào)電機(jī)減速箱螺旋機(jī)構(gòu)連

11、桿機(jī)構(gòu)機(jī)架 減速箱電動(dòng)機(jī)圖2.4.3機(jī)械手的垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖4、機(jī)械手爪夾緊與放松運(yùn)動(dòng)如下圖所示，傳動(dòng)方式為：控制信號(hào)電機(jī)減速箱傳動(dòng)軸萬(wàn)向鉸鏈傳動(dòng)軸螺旋機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)手爪夾緊氣缸電動(dòng)機(jī)圖2.4.4機(jī)械手爪夾緊與放松運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.5機(jī)器人的位移、速度、方向的控制方法該機(jī)器人整體與控制芯片盒連接，并通過(guò)PC的程序編制與載入，將控制信號(hào)輸送到電機(jī)。其中速度控制信號(hào)將控制電機(jī)的速度從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)變，并且時(shí)間控制信號(hào)將于速度控制信號(hào)配合實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位移量可調(diào)。為了防止超出行程，各主要機(jī)械運(yùn)動(dòng)構(gòu)件附近安裝有限位行程開(kāi)關(guān)，以限制運(yùn)動(dòng)的極限位置，同時(shí)也是運(yùn)動(dòng)的起始位置；當(dāng)各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)碰到兩邊

12、的限位行程開(kāi)關(guān)后，機(jī)器人將停止運(yùn)動(dòng)。 1、機(jī)械手基座的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)位移速度控制動(dòng)力源（電機(jī)）接收到控制芯片的位移速度控制信號(hào)后動(dòng)作，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，通過(guò)減速箱的作用，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速到較低的合適量。動(dòng)力輸出軸通過(guò)蝸輪機(jī)構(gòu)將動(dòng)力轉(zhuǎn)換為基座齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。軀干的理論旋轉(zhuǎn)范圍為0°360°。 2.機(jī)械手的水平運(yùn)動(dòng)位移速度控制動(dòng)力源（電機(jī)）接收到控制芯片的速度位移控制信號(hào)后動(dòng)作，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，通過(guò)減速箱的作用，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速到較低的合適量。然后動(dòng)力軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)螺旋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為機(jī)架的水平前后運(yùn)動(dòng)。3、機(jī)械手的垂直運(yùn)動(dòng)位移速度控制動(dòng)力源（電機(jī)）接收到智能控制接口盒的速度位移控制信號(hào)后動(dòng)作，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，通過(guò)減速箱的作用，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速到較低的合適量。減速箱輸出動(dòng)力到絲