机械臂设计论文例1

0引言

随着科技的飞速发展，机械手在大规模劳动密集型生产中得到了重要应用，成为自动化生产线上不可或缺的一员。机械手提高了生产自动化程度，降低了劳动强度和用工成本，提高了生产效率和产品合格率，提高了生产自动化程度。机械手在生产中仍有许多机械结构和控制系统问题存在，不断加大对机械手的研究，增强其智能性、适应性、准确性和稳定性，满足日益提高的F代化生产要求。

1机械手臂机构设计

1.1底座结构设计

底座是整个机械手臂的支撑部分，是执行腰部360度回转的机构，也是安装动力源、控制系统和驱动系统的部位。

1.2手臂结构设计

手臂是支撑和带动手腕和手部的重要部件，分为有关节臂和无关节臂，本文所设计的机械手臂试验装置为无关节臂，并采用直流电机驱动，锥齿轮或内啮合齿轮传动。

1.3手腕结构设计

手腕是用于连接手臂和手部的部件，通过左右旋转平移和俯仰转动，可以调整机械手执行操作时的位置和姿态。

1.4手部结构设计

手部是直接于物体接触的部件。根据手部与物体接触形式的不同可分为夹持式和吸附式。夹持式通过模仿人手指的结构形式，可分为无关节、固定关节和自由关节三种类型。根据手指数量又可分为二指、三指、四指等，其中二指应用最多。根据传力结构又可分为回转型和平移型，回转型结构简单，方便制造，因此常使用此类型；平移型可夹持范围大，但结构复杂，成本较高。本文采用二指回转型夹持式结构，手部有两个自由度，一个自由度用于夹持物体，一个自由度用于反转手腕，通过直流电机驱动。

设计所得机械臂采用的回转型机械手臂与人的手臂结构相似，前三个关节都是回转关节，底座与手臂形成类似人手臂的肩关节，手臂中大臂和小臂形成肘关节，大臂可以做回转运动，小臂可以做俯仰运动。此类机械臂工作范围大、运动灵活迅速、适应性强、通用性好。

2机械手臂驱动设计

驱动系统通过传动装置为整个机械手臂提供动力，关节型机械手的驱动系统主要由驱动装置和传动装置两部分组成。常见的驱动型式有液压传动、气动传动和电气传动，液压传动具有作用力大、结构紧凑、作用平稳、动作灵敏等优点，但其易产生漏油污染、结构复杂、成本较高；气动传动动作迅速、结构简单、无污染、维修方便，但由于空气易被压缩，工作不线性。工业机械手臂常使用液压传动和气动传动，但液压传动和气动传动结构复杂、成本较高，本文机械手臂作为实验装置，机械手臂不需要进行高强度、高负载的工作，故使用电气传动，具有运动速度快、可靠性好、运动精确、安装维修简单等优点，完全可以满足实验设备的需要。

3机械手臂控制系统设计

机械手臂控制系统控制着机械手臂按所发出指令要求运动。目前，工业机械手多采用程序控制系统和电气定位系统进行控制。机械手臂实验装置的控制系统较为简单，用单片机输出六路PWM脉冲信号分别控制机械手臂的六个舵机，需要输出一个20ms的脉冲来控制舵机，即可实现机械臂的六个自由度。对机械手臂的控制即对各电机的控制，计算机为控制系统的核心，分别由计算机、伺服控制卡、4套步进电机驱动单元和4套步进电机组成。

机械手臂控制系统设计主要时对驱动系统的设计、上位机控制界面的设计和上、下位机之间串口通信的设计等。

在对上位机控制界面设计时，主要包括五路舵机控制区、一路电机控制区和机械手运行示意图等方面。五路舵机控制区采用滚轮条的形式，在右侧的编辑框中实时显示各舵机的转动角度；一路电机控制区采用速度控制的形式，显示电机的正转、反转和停止；用机械手运行示意图实时显示机械手的运行情况，当相应舵机或电机运行时，会在相应的舵机或电机位置上加亮以表示正处于运行状态。

4结语

随着生产中对机械手需求量的不断增大，对机械手智能性、适应性、准确性和稳定性提出了越来越高的要求。我国对于机械手的研究和应用起步相对较晚，不能适应生产中对机械手提出的要求。对六自由度机械手臂实验装置的设计，实现对机械手的实时精确控制，解决存在各种问题，可以为控制算法和控制理论的测试、检验提供更佳的实验平台，更好地对机械手进行精确而又复杂的控制研究。

参考文献

机械臂设计论文例2

中图分类号：TH138.5

随着现代化科学技术的蓬勃发展，以及人们在未来的空间活动中越来越频繁，促使对于空间机械臂运动控制的研究工作越来越受到人们的普遍关注及重视。一般而言，空间机械臂主要位于航天器上，并被用于完成释放、回收卫星，以及帮助在轨建造、维修空间站等任务，不但能够有效减少宇航员的舱外活动时间，保障宇航员的生命安全，同时，还能够大大缩减出舱作业所产生的一系列费用。为此，本研究拟结合空间机械臂在重力的影响下所进行的运动控制情况，以及应用到的模型构建、仿真设计等进行讨论，具体分析如下。

1 空间机械臂的概述

1.1 空间机械臂的内容介绍

空间机械臂是集机械、视觉、动力学、电子和控制等学科为一体的高端航天装备，是航天飞机开创的一个空间机构发展新方向。其最直接的用途是通过捕捉运输飞船进行自动化精密对接。一般来说，空间机械臂主要具有抓手工作半径大、杆件质量轻、刚度小，以及负载质量变化范围广等基本特点；在载体姿控系统处于关闭状态期间，空间机械臂系统往往还呈现为自由漂浮和无根多体的系统。不过受到空间机械臂的臂部与载体动力学耦合作用的影响，促使与其相关的运动学、动力学及运动控制等问题明显趋于复杂化、多样化，例如由于动量矩守恒方程的不可积影响，往往容易使得空间机械臂表现出非完整力学的特性；而由于铰转动角当前值以及铰转动时间历程的影响，抓手及负载的位姿也会受到相当程度的影响；即便是在相同的空间机械臂的最终铰转动角情况下，控制规律的不同，同样能够使得载体的最终姿态发生改变。

1.2 空间机械臂的核心部件

空间机械臂的核心部件及其实现各项功能的基础――关节，在研制空间机械臂系统的过程中，发挥着相当程度的作用。可以说，正确建立关节的动力学模型，是空间机械臂系统设计、分析和控制的基础。一般来说，空间机械臂的关节主要是采用无刷直流电机的驱动形式设计而成的，结合其传动装置来看，空间机械臂的关节主要有谐波齿轮传动关节和行星齿轮传动关节两种。其中，谐波齿轮传动关节的单级传动比大，重量轻，结构紧凑，近乎零间隙，但其扭转刚度存在显著的滞回特性，在热真空环境中，极易产生局部过应力，导致柔轮疲劳破坏，可靠性相对较低；而行星齿轮传动关节则具有承载能力大、可靠性高、寿命长等优势，不过要达到较高的传动比，则需要采用多级或复合传动，增加结构的体积、重量和复杂性。

2 空间机械臂系统的构建

在构建空间机械臂系统期间，可以通过以下步骤加以考虑，并完成构建。

首先，空间机械臂系统设计采用刚体系统；其次，空间机械臂系统的构造拟采用基座和连杆完成，由基座、测量臂、旋转关节等部位串联连接；最后，完成机械臂动力学模型的建立。具体如图1所示：

3 空间机械臂的运动控制设计

3.1 空间机械臂的动力学设计

结合图1双关节旋转空间机械臂的动力学模型，得出空间机械臂两连杆的质心向量表达式为：

3.2 空间机械臂的轨迹跟踪控制

在当前，空间机械臂控制系统的设计，主要可以采用PD控制、自适应控制以及鲁棒控制等几种设计方法。本文关键在于讨论基于自适应PD控制下的轨迹跟踪控制设计，具体分析如下。

在此过程中，空间机械臂系统主要受到微重力的影响，此时空间机械臂各连杆的势能W可以表示为：

其中， （θ）表示重力载荷向量矩阵的估算值。此时应分地面装调阶段和空间应用阶段两种情况讨论：第一种，当系统处于地面装调阶段时，重力能够促使空间机械臂动力学模型所产生的重力载荷向量矩阵与控制器中的重力补偿项进行抵消，从而可以尽快达到预期的轨迹追踪控制，而且跟踪误差也可以快速向0值收敛。第二种，当系统处于空间应用阶段时，此时没有重力存在，导致机械臂无法将控制器当中的重力补偿项进行抵消，受其影响，机械臂的轨迹跟踪无法达到预期的轨迹跟踪控制。通过在不同阶段对重力载荷向量矩阵的准确估值，能够促使自适应PD控制器大大提高对空间机械臂跟踪控制轨迹的准确性，从而寻求全局渐进稳定的平衡点。

4 空间机械臂运动控制的仿真研究

4.1 基于控制力矩和跟踪轨迹的空间机械臂运动控制仿真

在Matlab7.0的环境下，研究重力对双关节旋转空间机械臂的仿真效果，仿真时间设置在10s。该空间机械臂系统的各杆件号参数设置如下：

另外，在期望位置方面，θd1和θd2均设置在1.0。根据相关要求，调整系统的控制参数，得出空间机械臂的各关节控制力矩仿真曲线如图2所示。

另外，调整相关系统参数设置，得出空间机械臂的各关节跟踪输出仿真曲线如图3所示。

4.2 仿真结果

通过仿真研究，可以看出，该双关节旋转空间机械臂运动控制系统具有较好的跟踪阶跃输入能力，而且1号和2号关节的响应速度相对较快，能够保证系统不出现超调现象。除此之外，该系统的驱动力矩还具有初始力矩小的特点。另外，系统开始保持基本恒定的时间约在3s到5s之间，能够达到一定的控制精度要求，适用于大多数操作环境。

5 结束语

本研究通过结合空间机械臂的相关知识点以及双关节旋转空间机械臂的仿真设计，详细阐述了重力对空间机械臂运动控制的影响。可以看出，在地面装调阶段和空间应用阶段，重力对空间机械臂所产生的重力项与其所需驱动力矩均有密切关系，影响到轨迹追踪精度，在设计时需要予以充分考虑。另外，结合双关节旋转空间机械臂的仿真实例来看，该系统则能够具备较好的跟踪阶跃输入能力，且满足良好的精度控制要求，能够适用于大多数操作环境。

参考文献：

[1]郝峰.空间机械臂回转臂式微重力模拟装置研究[D].哈尔滨工业大学，2010，06，01.

机械臂设计论文例3

 

一、前言

智能工业机器人是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。论文参考，机械臂。

本文以AT89C51单片机为控制核心来实现对机械臂的控制，从而实现为高等学校教学提供一系列机器人教学系统，为学生提供一个开放性、创新性的实验教学展示平台，通过对机械臂的亲自组装、调试和应用开发等创新实验，让学生全面掌握机电一体化技术的应用开发和集成技术，从而掌握机电控制系统的组成、功能及控制原理；掌握机械传动部件的选择,结构件的设计,传感器的选择和使用，电机的选择和使用，计算机编程和调试等，使学生的机电系统的设计，装配，调试能力均能得到综合训练。

机械臂运动控制技术也可以应用在工业领域，通过对教学机械臂研究的不断完善，它可以应用于恶劣的工作环境和危险的工作场合，也可以代替枯燥单调的重复性劳作，像农业机器人、服务机器人、水下机器人、军用机器人、娱乐机器人等，具有一定的实际意义与社会价值。

二、六自由度机械臂设计思想

1.系统设计总体思想

本系统采用AT89C51单片机作为主控制器，采用LCD液晶作为系统显示单元，通过键盘作为系统输入设备，通过传感器实现机械臂运动过程中各点信息及数据的采集，将采集到的信息传输给单片机控制核心，单片机根据采集到的数据进行分析，通过驱动电路将机械臂按程序指定轨迹进行运动，并将运行的各点数据在液晶屏上进行显示。

2.运动控制系统的设计

六自由度机臂运动控制系统采用伺服电机作为执行的动力机构。论文参考，机械臂。我们采用DM-EC-M645直流伺服舵机，它具有如下特点：当控制电压为6.0V时的输出力矩：9.6 kg·cm，控制速度：0.19秒/60°，并且重量轻等优点。

我们所采用的DM-EC-M645直流伺服舵机，它的结构相对比较简单，就是一组减速电机，在电机的动力输出轴上并联上一个电位器，当输出轴转动时能同步地带动电位器旋转，其内部有驱动电路来检测电位器的变化并同时和外面控制信号进行比较，从而得出要“锁定”的位置，该电机的输入端只有3条线，分别是电源正、电源负和控制脉冲端（一般就是白色或橙色那条）。我们通过周期为20ms，高电平为0.5ms～2.5ms的脉冲对伺服电机进行控制，0.5ms～2.5ms的脉冲对应伺服电机的0°～180°。如果我们控制采用8位无符号整型变量，它的范围在0～255，这样在伺服电机的控制精度上我们可以达到0.72°。论文参考，机械臂。这样就能实现比较高精度的点对点运动控制。论文参考，机械臂。论文参考，机械臂。

3.显示系统的设计

显示系统采用的是MG128*64液晶对六自由度机臂运动控制过程进行显示，该中文字库的MG128*64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

4. 软件设计总体思想

程序的控制思想：系统运行后初始化系统变量、按键显示用到的I/O以及中断等；初始化完成之后，将进行电机位置数据的采集，并执行位置比较程序，如果电机按预定程序运行，则将电机运行的数据在LCD液晶上进行显示。如果电机没有按预定程序运行，则将进行电机初始位置调整。主程序循环过程中不断的扫描按键，如果有按键触发将会调用键值处理函数。从而可以实现机械臂的人机对话控制。

三、电机驱动电路的设计

直流电机的转速控制采用PWM控制。由于单片机输出的脉宽在本系统中无法驱动直流电机带动负载运动，因此需要通过驱动电路才能驱动电机，设计中采用L293D芯片作为电机驱动芯片，驱动方式采用半闭环或闭环控制，直流电机驱动电路占用单片机12个口，分别为P1.0-P1.7，P2.0-P2.3。分别采用相同的三组驱动模块。

在使用过程中，L293D工作时间稍长，发热会较严重。严重时，L293D甚至会出现过温保护，无PWM信号输出。尝试将两路输入并联使用，输出端也并联到一起并接到电机一端，电机另一端接地。论文参考，机械臂。使用该接法后，L293D工作时间再长，也只有轻微发热。这种输入端和输出端并联的方法在实际中不仅可以更好地驱动电机，相同的电压和占空比时，速度更快，同时它还可以降低H桥上的压降，从而减小L293D发热，防止器件由于温度过高而被烧坏。当单片机输出一定的占空比的PWM信号，电机就会向一个方向旋转，调整好电机的两个输入端，就可以驱动机械部运动，从而实现机械臂六个自由度的控制和运动。

四.结束语

机械臂设计论文例4

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0227-03

1 机械臂控制系统软件设计

1.1 开发环境

本设计的开发环境是arduino。Arduino是一款完全开源的电子原型平台，包含了arduino板和arduino IDE。由欧洲开发团队开发，使用类似C语言的processing开发环境。Arduino可以自行设计或者购买已经焊接好的板子，程序代码写在arduino IDE上，实现对arduino板子的控制。

1.2 国内外研究现状

作为近几十年来发展起来的一种自动设备，机械臂可以通过编写软件程序来完成目标任务，它不仅大部分机械臂共同的机械有点，而且特别具有人的视觉以及判断能力。在作业过程中，机械臂控制的准确性和对环境的适应性，已经使其在各个领域有着广阔的发展前景。高级类型的机械臂，可以执行更复杂的操作。将机器臂运用于工业生产过程，除了可以提高生产率之外，还能够减弱工人的劳动强度，使生产过程实现自动控制。因此机械臂在近几年得到了愈来愈广泛的应用。

在国外，工业机器人的发展已经较为成熟，涵盖于各个行业，已经得到了非常广泛的运用，而相比国内，我国基础产业跟不上，机械设计的工艺也达不到一个极高的水平，而且部分设计不够系统科学，大多处于一个模仿的阶段。以上原因导致我国工业机器人在国际上并不能达到一个较高的水准。如今国内企业需要革新自己的技术，加强学习才能在国际市场上占有一席之地。

1.3 总体思路

1.3.1 机械臂软件设计核心思路

摄像头采集视频图像->利用OpenCV获得图像的一帧->对此帧图像进行滤波处理->将图像序列帧由RGB模型转为HSV模型->对得到的二值图像进行轮廓检测->创建回调函数并对得到的三幅图像进行合并->创建滑动条窗口->将得到的图像分为H，S，V三幅单通道图像->在目标体上绘制轮廓。

本文提到的OpenCV函数库是一个开源的跨平台的视觉图像处理库，利用此库中提供的开源算法并加以逻辑上的改进来提取摄像头中帧图像，再使用颜色阈值调节功能进行颜色识别，再对结果进行一系列的处理达到预期要求。

1.3.2 OpenCV简介

OpenCV是一个基于开源发型的跨平台计算机视觉库，可以运行在众多操作系统上，由一系列C函数和C++类构成，轻量且高效，其提供的视觉处理算法非常丰富，被大量使用于众多科学领域，卫星地图的图像整合拼凑；医学界病人器官图像的去噪处理；安全系统中的物体动态监测而预警；军事行动中代替人眼而进行众多无人操作与活动，不光如此，在图像处理能力外，还能对声谱图进行识别操作从而进行对声音的识别。

1.4 单一模块

1.4.1 颜色识别

颜色识别的首当之事应是正确选取颜色空间，常用的颜色空间有RGB、CMY、HSV、HIS等。本文采用RGB和HSV。

RGB（红、绿、蓝）可以看成一个三维的坐标系，一个坐标点表示一种颜色。HSV是颜色空间模型。表示颜色的是Hue，与坐标点不同，他使用有角度的圆形来表示相应颜色，比坐标点更加灵活。表示饱和度的是Saturation，饱和度越低，则颜色填充就越少，例如圆心处取值为0，那么颜色会非常的淡，从底部往上，圆的半径r越来越大，那么颜色就会越来越深。表示颜色的亮度的是Value，同理，也是从圆锥底端到顶端的数值渐变，底部表示为黑色，而顶端表示为白色。在实际实验环境中，RGB颜色经测验非常容易受到强光、弱光、阴影等其他因素的干扰。相比之下，HSV空间能更加稳定的处理这些光照的变化从而能更好地反应颜色本质、传达正确信息。

1.4.2 图像获取与处理

1.4.2.1 图像获取与预处理

利用体感周边外设中强大的Kinectz像头（VideoCapture（…））获取周围环境图像，读取一张图片或视频中的一帧图像，进行两次滤波后利用cvtColor（imgOriginal， imgHSV， COLOR_BGR2HSV）函数进行RGB与HSV的转换，再在HSV空间下对彩色图像做直方图均衡化。

高斯滤波函数：cvSmooth（…CV―GAUSSIAN…）。真实图像的邻近点像素如果变化，不会十分明显，因为真实图像的像素点是缓慢迁移变化的，但是如果两个像素点倏忽变化的话，便会有很大的像素差，就是我们说的噪点，这时候便要用到广泛用于图像处理的减噪的高斯滤波，他对整幅图进行加权平均，从而能够减少噪声却又不失真（保留信号）。

中值滤波函数：cvSmooth（…CV―MEDIAN…）。有时候图像中会有孤立的噪声点从而会形成较大差异，这样会影响平均值也会产生较大噪音，所以便使用非线性平滑的中值滤波，他把图像中的孤立的噪声点用其领域中各个点值的中值代替从而有效的去噪并且能够保护信号边缘使之不模糊，其算法也十分简单。

1.4.2.2 图像细处理与生成

创建滑动条：返回所读取的颜色参数阙值。本文设定了6个参数：

[LowHue（色度下限值）HighHue（色度上限值）LowSaturation（饱和度下限值）HighSaturation（饱和度上限值）HighBrightness（亮度上限值）LowBrightness（亮度下限值）]

之后得到返回的参数阙值，便用于检查图像像素灰度是否在设置的范围内并且可以得到目标颜色的色度、饱和度和亮度单通道图像。

将得到的三个单通道图像进行按位与运算，这样便能检测其二值图像，由于此时会出现噪声，所以采用膨胀腐蚀的方法进行图像形态学处理，使得到的目标体进行最大的连通。

图像生成：查找轮廓和绘制轮廓，轮廓正确勾勒，图像便能正确显示。利用OpenCV中对灰度图像处理的Canny边缘检测法（cvCanny（…）），将试图独立的候选像素拼装成轮廓，轮廓的形成是对这些像素运用滞后性阙值，Canny边缘检测算法是高斯函数的一阶导数，是对信噪比与定位精度之乘积的最优化逼近算子。

Canny函凳淙胧涑龅亩嘉灰度图，在边缘检测完成后，利用“cvFindContours（…）”函数得到输出的图像的轮廓函数（在二值图像中），检测轮廓个数，然后再用“cvDrawContours（…）”函数绘制检测的轮廓。

2 机械臂控制系统硬件设计

2.1 自由度及关节

本机械手臂采用4个电机实现4自由度，进行手臂的升降，转动，抓取，移动等功能。

2.2 基座及连杆

2.2.1 基座

基座是机械手臂的支撑，起到稳固的作用，为了使机械手臂更加的稳定，增大其与表面的接触面积，降低重心，提升其稳定性能。同时，基座的剩余部分，可用于防止控制的单片机及其扩展版，使空间充分利用。

2.3 机械手臂设计

机械手是机械行业中必不可少的一个部分，主要起到操作，转移等功能。根据工件的不同，机械手的精度，重量，形状，光滑程度等都会不一样，以至于达到节省成本或准确夹取工件等实际要求。一般机械手包括：1）灵巧手；2）吸附手；3）夹取手；4）专用操作器。本设计因实现的主要功能是夹取物体并转移，工件物体不确定，因此采用夹取手作为机械手臂的机械手进行操作。

2.4 驱动方式

调用Servo实现对舵机的控制，定义多个舵机，控制多个舵机，具体内容根据实际情况进行调试。采用for语句，当红外或者视觉采集到数据，给予反馈，实现舵机的停止或执行下一步。舵机的转动的角度通过脉冲宽度占空比实现。由于舵机牌子不同，舵机转动的角度也会不同。

本机械手臂通过电机的扭矩进行传动。手臂的升降，转动，抓取都是由能够承受很大力的电机进行完成。在机械手臂抓取物体时，尽量的平稳，并且力不能够过大或者过轻，移动时活动空间大。

机械行业一般常用的驱动方式有液压驱动，电机驱动和气压驱动三种方式，每种驱动方式各有优劣。本设计机械手臂中，要求驱动时满足一下条件：1）输出功率适中，效率高；2）精准度尽可能的高；3）便于维护，调试；4）安全性高；5）成本低。

综上所述，本设计采用电机驱动的方式对机械手臂进行驱动。电机参数如表所示：

本机械手臂采用控制角度的方式控制手臂。在初始位确定的情况下，通过控制角度，实现电机的转动，其优点是，能够精确控制位置，但是因为需要进行初始位置，导致运行时间过长。本文设计方案传动方式为舵机直接传动，故不多作介绍。

3 结论

机械臂控制系统是当今社会的一项非常重要的研究课题，尽管其发展已经有了一段很长的历史，但是其发展并不完全成熟。无论是学术界、工业还是在教育教学方面都一直在进行着这方面的研究，距离成熟阶段还要有一段时间。

本设计是基于OpenCV六自由度机械臂驱动系统的设计，以六自由度机械臂为控制对象，以arduino为开发环境，辅以有着丰富视觉处理算法的OpenCV软件，并在此基础上，采用先进的控制理论，以正确的控制方法为指导，进行了系统的硬件设计。

在整个系统的设计中，硬件的设计是本论文研究的重点，芯片的选型是系统硬件设计的保证，并且辅以可靠性分析为指导，保证了系统运行的可靠性和稳定性。

从实验结果中看出，我们设计制作的基于OpenCV的四自由度机械臂能够和一些中小型机器人控制器的性能要求类似，在操作灵活度、控制精度、易操作性等方面都表现出优秀的性能。然而，仍有一些不足之处需要进一步的改进。

1）机械臂的传感器提升。作为机械臂的控制对象，其结构、性能的优劣成为了机械臂的重中之重、中流砥柱，为了实际运行效果的完美，我们机械臂的手爪部分应加入压力等传感器，为控制的精准提供、保证更为完整的信息。

2）完善机械臂自动控制算法。算法的优良决定了机械臂是否能自动协调运行，特别在输入参数和机械臂抓取后的运输，需要更加优化、灵活的算法，从而将计算出的控制参数变得更加精确和一体。

3）视觉的广泛性运用。视觉不单单只作用与颜色的阈值识别，还包括如骨骼识别，轮廓识别等等，再后续的研究中，添入以上功能，可以使机械臂的作用范围变得更加的广泛。

鉴于上述情况，在以后的工作中，我们应该不断改进、完善，以提高该机械臂系统的稳定性以及可靠性。

参考文献：

[1] 方龙，陈丹，肖献保.基于单片机的机械手臂控制系统设计[J].计算机与信息技术，2012，8（8）：89-90.

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[3] 刘少丽.浅谈工业机械手设计[J].工业自动化，2011，40（7）：45-46.

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[5] 程晨.自律型机器人制作入门[M].基于Arduino.北京航空航天大学出版社，2013.

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[8] （德）乌尔里希・菲舍尔.简明机械手册[M].2版.杨放琼，编.湖南科学技术出版社，2012.

机械臂设计论文例5

0 引言

随着工业生产自动化的快速发展，机械手因其高效和灵活的特点被广泛的关注和应用。机械手是一种可以模仿人手和臂的某些动作功能，并按照设定的轨迹、要求和程序抓取、搬运工件或进行操作工具的自动化装置，尤其适用于较大规模、自动化流程生产和一些复杂的生产环境中；例如高温、粉尘、放射性强、噪音较大的生产环境。机械手的应用对于提高机械生产率，降低工人的劳动强度，保障一线工人的安全都具有重要的意义。目前机械手常用的三种驱动方式为：液压驱动、气压驱动、电机驱动，其中液压驱动以输出转矩大，动作灵敏，可实现无极调速，调速范围较大的特点，多被用于运动速度较低并且扭矩要求较大的工作场合。

随着注塑行业的发展，人们对于塑料制品的需求量越来越大，对于塑件的工艺和强度也提出了新要求。为了提高塑件的局部强度，嵌件在塑件加工中被广泛使用。然而工厂在生产过程中手工安装嵌件的居多，这中安装方式效率低下，严重影响了注塑机的工作效率，降低了塑料制品的加工精度，自动上料机械手需求愈加强烈。

1 液压机械手基本组成

本文设计了一款四自由度液压机械手，通过液压缸进行控制，可以实现手臂的升降运动、伸缩运动、旋转运动，以及夹持部分的夹紧运动。其结构示意图如图 1 所示。

液压机械手主要包括控制系统、传动装置、执行机构、传感器装置等。其中，机械手的核心部分是控制系统，它是用以控制整个系统具体的运动过程。液压驱动是执行机构运行的传动装置。在机械手的组成中，最重要的是执行机构，而执行机构也同样是机械手内部的主体部分，机械手的执行机构是其夹持部分，主要由拉簧、杠杆、手指、楔块、杠杆支座、夹紧缸体等部分组成，其结构组成如图 2所示。

2 液压机械手运作原理

2.1 机械手运作原理

液压机械手可实现在两台立式注塑机之间交替进行安装嵌件的工作。机械手拥有四个自由度，分别为手臂的升降运动、手臂的旋转运动、手臂的伸缩运动，以及夹持部分的夹紧运动。采用液压驱动的控制方式，以圆柱坐标作为坐标形式，其动作原理如图3所示。液压机械手开始运行，首先手臂下降到嵌件上方预定位置A，张开机械手夹持装置，机械手手臂下降到嵌件上方，夹持装置夹紧嵌件，随后机械手臂上升到起始位置，并顺时针旋转90°到注塑机1上方位置，手臂开始向前伸出到注塑机上方预定位置B，手臂下降到指定位置，夹持装置松开，放置好嵌件后，手臂上升到起始高度，手臂缩回，顺时针旋转90°回到原点位置，注塑机1开始工作；其次手臂下降到嵌件上方预定位置A，张开机械手夹持装置，机械手手臂下降到嵌件上方，夹持装置夹紧嵌件，随后机械手臂上升到起始位置，并逆时针旋转90°到注塑机2上方位置，手臂开始向前伸出到注塑机上方预定位置C，手臂下降到指定位置，夹持装置松开，放置好嵌件后，手臂上升到起始高度，手臂缩回，顺时针旋转90°回到原点位置，注塑机2开始工作，机械手第一个工作周期完成，待注塑机1完成运作，机械手开始下一周期的工作。

2.2 液压系统的设计

机械手搬运物体是依靠液压系统实现的，液压系统是机械手运动的主要驱动方式，是机械手运动过程的核心控制部分。主要用来完成机械手的夹紧/松开、上/下伸缩、前/后运动以及旋转运动。机械手运动过程的液压系统主要由油泵、执行油缸、控制调节装置、以及辅助装置组成。此次设计中系统的主要参数如下表1、表2、表3所示。

2.3 液压系统元件的选择

（1）手部夹紧缸的分析计算

3 结论

本文简要介绍了液压机械收的组成及工作原理，设计完成一款由液压驱动的、可实现两台注塑机嵌件上下料的四自由度机械手，并对液压机械手的工作可靠性进行了验证。结合数据，液压机械手简单可靠，稳定性较好，可实现较重嵌件的安装工作。

【参考文献】

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机械臂设计论文例6

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（c）-0071-04

随着自动化技术的发展，工业机械手的应用场合不断扩展，在装配、喷涂、焊接等各种危险和单调的重复劳动中发挥重要角色。这里基于SolidWorks和ANSYS完成了一款五自由度关节式机械手设计及分析。

1 机械手结构方案

关节式机器人具有很好的作业适应性，是目前通用工业机器人的主要结构形式。

机械手的驱动形式主要有液压驱动、电驱动、气动等。液压驱动主要用于承载大、要求快速反应场所；气动具有价格低、适用负载小、结构简单等特点，但其难以实现伺服控制；电驱动由于拥有噪声低、控制方便、精度高等特点而被广泛运用[1]。本设计中采用伺服电机作为驱动源，通过齿轮、同步带（轮）等进行传动。腕关节上设计有装配手爪用法兰，可以通过更换手爪来实现不同的作业任务。

五自由度机械手为基本的关节式结构，图1为其结构简图，共拥有5个旋转自由度，分别为：机身旋转关节J1（肩关节）、大臂旋转关节J2（肩关节）、小臂旋转关节J3（肘关节）和手腕仰俯运动关节J4、手腕旋转运动关节J5（腕关节）[2-4]。其中的2个肩关节协同1个肘关节完成定位操作，2个腕关节进行定向。两个肩关节分别实现俯仰和绕竖直线方向旋转，两个肩关节的旋转轴线正交，肘关节转动轴线平行于实现俯仰的肩关节J2]。这种构型拥有动作灵敏准确、占用空间小，作业过程不发生干涉等优点，是通用机械手的常见选型。

2 基于Solidworks的机械手本体设计

计算机辅助设计（CAD）在生产中的应用日益广泛。SolidWorks作为常用的三维CAD软件之一，可实现CAD/CAE/CAM的集成和数据信息共享，将设计、分析、加工于一体，可以提供三维建模、有限元分析、运动仿真、工程图纸等众多功能[5]。

2.1 材料的选择

材料的选用决定着产品的使用质量，同时也影响着产品的设计理念和结构方式。本文设计的机械手，根据其具体的工作条件，主要考虑以下几点因素：（1）强度、硬度高，以保证在弯矩较大时候仍可以有很高的定位能力；（2）重量轻，机械手由于要求运动快速稳定，所以尽量减少惯性是必须考虑的因素之一；（3）弹性模量大、阻尼大，减少变形且同时吸收多余能量。

综上所述，机身选用合金钢16MnV，手臂采用铸铝ZAlSi7MgA。ZAlSi7MgA具有良好的铸造性能，弹性E不大，且密度小，E/e比可与钢相比。

2.2 机身的设计

机身连接着机械手，作为机械手的载体可实现机械手的升降和旋转等动作。通常机械手的机身都与底座连为一体，且机身可具有三个以内的自由度。作为整个系统的支撑部件，要具有较高刚性和良好的系统稳定性，以便于实现精准的运动定位。如果机身如果可以提供竖直方向的自由度，即升降运动，则需设计能够承受住比较大的弯矩力精确的导向装置。因为导向装置在升降的过程中要承受机械手大臂、小臂以及负载的载荷。

根据机械手的实际工作需要，机身只提供一个转动轴为竖直方向的转动自由度，具体结构如图2所示。机身的水平方向转动，由交流伺服电机作为动力源。机身在水平方向由转动轴带动旋转过程中，机身转动轴的上下两端分别与底座外壳上下部采用轴承连接，且机身转动轴在运动过程中轴向和径向将同时受力，所以轴承均采用角接触球轴承实现良好的径向和轴向载荷承载能力。图2为Solidworks中机身的结构。

2.3 机械手臂的设计

机械手由大臂、小臂、腕部组成，手臂连接于机身并支撑起腕部，提供给末端机构的准确定位。机械手末端轨迹复杂且运动速度高，应考虑系统刚度、稳定性、惯性等因素。可采用合理的截面以减少同样刚度下的手臂质量，同时自重减轻也有利于提高机械手的定位准确性。

2.3.1 大臂设计

机械手大臂通过两端连接轴分别与机身和小臂连接。大臂内部布置了自身的驱动电机，同时为减少整个手臂运动过程的阻力矩和转动惯量，将机械手小臂的驱动电机也紧凑的安装在大臂内部，图3为Solidworks中大臂结构图。

大臂和小臂的驱动电机安装在大臂中部并与减速器连接，减速器通过固定板安装在大臂内。减速器的输出轴通过齿形带将驱动力传递至大臂两端的转动轴，转动轴用深沟球轴承安装于大臂两侧，并通过平键将轴分别与机身和小臂连接。采用此种驱动传递方式可实现各个关节的同级运动控制，易于平稳和精确的末端轨迹控制。

使用的同步传送带由于工作过程有较大的张紧力，在使用中会发生塑性伸长进而有可能会产生松弛和打滑等现象，因此在传送带的设计过程中添加了一个可以调整位置的张紧装置，用以确保带轮有固定的张紧力。如图4所示，张紧轮通过弹簧有一个向上的固定压紧力，可以在带松弛时会自动施压来保证张紧。

2.3.2 小臂和手腕的设计

机械手的小臂一端通过轴承连接安装于大臂末端，另一端联接手腕。小臂的驱动电机安装在大臂的内部，而为了结构的紧凑性及减小机械手转动惯量，小臂内部用于安装手腕驱动电机。在传动形式上腕部与小臂、大臂不同，小臂内手腕驱动电机通过齿轮传动传递至腕部安装轴。采用齿轮传动可以提高传动效率和稳定性，减少机械手整体的运动误差。图5为小臂和手腕的结构图。

2.4 机械手三维建模及渲染

零件的实体造型，就是在计算机中通过基本元素完成几何模型的确切表达。这样可以使技术人员直接在计算机上进行三维的设计，免去了二维图纸来表达三维信息的各种受限因素，且可减少此过程可能产生的错误，机械手模型如图6。

Photoworks作为SolidWorks的自带插件，可以提供各种材质以及背景添加，能够达到很好的渲染效果，不需要进行昂贵的加工才能看到样件的效果。使用交互式三维模型渲染，可提快速的提供纹理和景观效果的渲染预览。Photoworks模块为减少侧影“齿距”，采用的自适应防图形失真技术大大提高了图片的质量。机械手最终的渲染效果如图7。

3 基于ANSYS的机械手关键部件分析

软件模拟分析是计算机和现代工程方法的完美结合，有限单元分析是计算机辅助工程CAE技术中一种重要的方法。ANSYS是一种通用的有限元分析软件，融合了多种性能分析于一体，被广泛应诉于各个行业。ANSYS可以实现多场和多场耦合分析；具有一体化的前后处理以及求解数据库；可以进行非线性分析以及优化的计算方法；多种网格划分技术等良好性能[6]。

机械手作过程中，轨迹复杂且运动速度快。为了保证机械手的安全性和稳定性，进行有限元力学分析是十分必要的，这里以其中关键部件机械手大臂为例。

3.1 ANSYS模型建立

ANSYS软件内部提供了实体模型建立和有限元模型直接生成两种建模方法，但其建模方法与目前的主流三维造型软件相比，效率低很多。因此采用PRO/E、UG、SolidWorks等三维软件进行设计后，再导入ANSYS进行相关分析和处理[7]。

先将机械手大臂的SolidWorks三维模型保存为Parasolid文件，通过“文件”、“导入”、“PARA”等菜单就可以完成在ANSYS中实体模型的导入，结果如图8所示。

3.2 单元属性设置

单元类型设置如下：Preprocessor > element type> Add/Edit/Delete，设置为Structural Solid，20node 95。机械手大臂的材料采用的是铸造合金铝，查询相关资料确定其性质进行材料特性的设置：弹性模量设置为70GPa，泊松比0.33，密度2680 kg/m3。

3.3 网格划分

网格划分分为自由网格划分、映射划分、拖拉和扫掠网格划分等。根据此次分析实际需要，采用自动网格划分来自动生成四面体网格。对于重要部分（比如大臂、小臂）的两端受力部位还要再使用网格细化，进一步完善网格划分，以得到更好的分析结果。在网格划分过程中使用了Smart Size，智能网格划分尺寸选择5，具体效果如图10所示。

3.4 加载与求解

大臂与小臂平行且都在水平位置。此时小臂以及末端重量都加载在大臂末端用于安装轴承的内孔面上。另外，大臂本身的自重力，视为均匀分布。通过Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural >Inertia>Gravity加载。大臂左端通过转支架固定。转矩加载大小根据电机选型时计算得出的数值进行加载，并且大臂左端承受转矩通过齿形带和带轮传递至大臂中部的驱动电机。得到的变形和应力分布如图11。

从图11（a）可见大臂在载荷作用下出现了一定变形，最大变形量很小，在运动过程中可以通过闭环控制进行实时的姿态调整，减少因弯曲变形而导致的定位不准因素。也可作为指导进一步进行优化设计，在大臂内侧增加加强筋来减少变形，以达到更好的定位效果。

从图11（b）中可得，机械手大臂在弯矩最大状态时，大臂应力最大处位于安装大臂驱动电机的安装孔处，最大约为103 MPa，远小于选用材料ZAlSi7MgA的许用应力（180～250 MPa），指导大臂非主要受力位置厚度等尺寸可适当缩小，整体用料精简。

4 结语

通过Solisworks设计完成五自由度机械手，并将其模型导入ANSYS内进行有限元分析，确保载荷最大状态时机械手工作的安全性，以验证机械手整体设计的正确性，并及时发现不足之处予以优化，同时也为后续控制系统设计打下基础。

参考文献

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机械臂设计论文例7

中图分类号：TL503.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）05-0370-01

一、柔性臂结构和控制系统

柔性臂是一种十分复杂的动力学系统，高度的非线性，不断变化性等等都是这种柔性臂系统的特点。因为柔性臂这种系统的复杂性，那就意味着要想很好的处理这种系统，就需要有效的建立她的模型。柔性臂的各项特点，好友他简单明了的物理性质和容易建立模型的特点都使得柔性臂成为动力系统研究和控制理论设计研究最为主要的研究对象了。选用柔性臂而不选用刚性臂是因为刚性臂没有柔性臂那么高的操作性，那么高的载重度，而且刚性臂的耗能比柔性臂高，生产的成本高能够加工利用的空间小。所以在设计的时候使用柔性臂而不是刚性臂。就是因为刚性臂不如柔性臂那样好，柔性臂的优势远远的领先于刚性臂。柔性臂的优势就是人们选择她的条件。

控制系统是一种管理系统，由这种系统控制主要的部分，非主要的部分，控制一些媒介部分来完成所要完成的目的和所要完成的功能。换一句话说控制系统就是按照设定量来将一些机械设备按照这个设定量来完成，来实施工作。控制系统有许多的分类，譬如开环控制系统，闭环控制系统，随动控制系统，程序控制系统等等。这些都是控制系统的几个要素。现在，跟着科技的成长，社会的前进，控制系统的对象也已经随着需求变得稳固了起来。

二、柔性臂结构和控制系统在设计里面存在的问题。

柔性臂结构和控制系统的设计并非现在才有的，在之前就有对柔性臂结构和控制系统的设计，但是在以前的设计过程中呢，设计者所采取的设计法子便是将两者分开来设计，先设计柔性臂结构，将柔性臂结构设计好饿以后再设计控制系统，或者是在一个系统上面设计另外一个系统。这种设计能够有效的将整个总的系统的设计难度降低，降低整个系统中的复杂性，但是这种设计也同样的存在着一种缺陷，设计者在设计过程中呢，将设计的重心放在了两个分开的系统上面，这样的设计在一定的程度上面讲两个系统，两个领域的融合度降低了，两个不能很好的相结合，减少了两个系统之间的联系和对彼此的作用。这种设计不能从本质上面解决柔性臂结构和控制系统之间本来就存在着的矛盾反而将两者之间的矛盾更加明显化。因此，要想将整个系统的工作能力提高，就要重新对柔性臂结构和控制系统进行新的设计，建立一种新的模型并且将这两者之间本身固有的矛盾进行改进，进而最好能逐渐消除这两者之间的矛盾。

三、建立柔性臂结构和控制系统设计中的新型的模型。

在建设模型中呢，要尽可能的将力学理论和力学的使用方法得到应用。在一定意义上面，柔性臂结构是一种力学的系统，所以在设计柔性臂结构和控制系统上，力学理论的有效利用是必不可少的。

对于柔性臂结构和控制系统的建立模型的方法有很多，比如说有配置结构的特征法，控制模型动态法……等等一些方法。此刻，来介绍一下配置结构的特征法，控制模型动态法。

配置结构的特征法：配置结构的特征法是根据周围的工作环境，周围环境的变化来将系统进行不间断的改变，进而将系统的动态性这个特点得到优化。设计这个模型的时候，这个模型将能够用最直接的方式来满足不断变化着的工作环境和一些设定量。始终系统的动态是由系统的根本所要求的。这种方法能够有效的解决柔性臂结构和控制系统设计中的问题，将系统的稳定性得以提高。

控制模型动态法：根据动态理论，不管是系统还是一般的普通的结构的动态，在一定量的空间里面来看，能够在这一定量的空间里面没有限制的不断的变动，这就是动态理论。这样没有限制的在一定量的空间里面变动就是将模型动态加以转变，使得只有几个模型动态在那个一定量空间里面改变。这便是控制模型动态法。这类法子可以将这些空间模型进行分割，将这些进行分割以后，在不改变这些控制模式状态的条件下面，能够有效的优化柔性臂结构和控制系统设计，有效的解决柔性臂结构和控制系统设计中的问题。

最适合，次要适合控制法：最适合控制法是指在相同前提条件下，这种方法能够同时的照顾到系统设计的不同方面。因此这种模型建立法一般都是被使用在已经有一定的模型基础上面，从而将设计模型达到最优的标准。次适合控制法是指在设计模型的时候没有办法照顾到各个方面，但是在一定程度上面将系统的性能加以优化。即使没有办法将柔性臂结构和控制系统设计达到最佳状态但是也是能将柔性臂结构和控制系统设计达到很好的状态。因此，现在在柔性臂结构和控制系统设计中最适合，次要适合控制法是较常使用的方法。

四、结语

在柔性臂结构和控制系统设计中，设计这两个系统是一个相当困难的研究，因为柔性臂结构和控制系统设计中牵涉了很多的方面，有之前就讲到的动力学，还有统计学里面的系统的最优目标法，系统的控制观念，计算机等一系列的高科技学科的运用。要想在柔性臂结构和控制系统设计中达到最优的控制，就要创立更加合适，更加有利于这柔性臂结构和控制系统设计的模型。有效模型的设计有利于柔性臂结构和控制系统设计。因此在设计之前，设计者要以最优目标位前提来设计柔性臂结构和控制系统设计的模型。

参考文献

[1] 崔玲丽，张建宇，高立新，肖志权.柔性机械臂系统动力学建模的研究[J].系统仿真学报.2007（06）.

机械臂设计论文例8

此次研究分析工作，以微电子机械系统为基础，其具备响应速度快，灵敏度理想，功耗低的特点，可以在微机械元件发生环境变化的时候，产生敏感的反应，也就是噪声。在此基础上建立微机械热机械噪声理论模型，为开展机械噪声影响因素的研究打开局面。

一、微机械悬臂梁的理论概况

1.1悬臂梁机械噪声的基本情况

悬臂梁是微电子机械系统的重要组成部分，在很多元件构成上都采用了悬臂梁这样的敏感材质，如原子力显微镜探针，生化传感器等。其分辨率和稳定性均可以达到此部位效能的要求，是因为其造成控制处理在合理范围内。基于这样的概念认识，去开展研究工作，可以保证其更加具备针对性。

1.2理论模型中的基础概念

在理论模型构建的过程中，会涉及到以下几个基础性概念：其一，热机械噪声，在微电子机械系统体系中，尺寸和质量减少的状态下，其热运动会对于悬臂梁造成十分明显的影响，主要表现为空气分子与悬臂梁的碰撞，悬臂梁与晶格之间的振动。其二，温漂噪声，由于悬臂梁体积比较小，其比热很小，在进行声子速率吸收或者释放的时候，存在瞬间差异，在这样的情况下回使得悬臂梁产生温度变化，以此因此声音抖动和频率的变化。其三，吸附-脱附噪声，由于悬臂梁有着比较大的比表面积，在对于空气分子进行吸收和脱附的时候，也会出现瞬间差别，从而使得质量变化，谐振漂移，在此基础上就形成相应的吸附-脱附噪声。

二、微机械悬臂梁中机械噪声机制的分析

以上述理论模型为基础，找到噪声机制对于微机械悬臂梁静态额动态性能的影响因子，是本次研究工作的主要目的。具体来讲，可以分为以下几个层次来进行探析：

2.1从器件振幅稳定性的角度来看

从理论上来讲，悬臂梁静态振幅噪声公式的计算公式为以下内容： 。在上述公式中反映出这样的规律：悬臂梁固有的谐振频率和弹性系数越大，其长度就会越小，相应的宽度和厚度也不断变大，振幅噪声也会在这样的条件下变小。另外，相对于宽度对于悬臂梁振幅噪声的影响程度，悬臂梁长度和厚度变化会对于振幅噪声产生更加明显。以悬臂梁质量块结构加速度为例子，去探析振幅噪声对于器件性能造成的影响，在此过程中的加速度分辨率将成为比较关键的性能，在进行噪声分析和设计过程中需要关注这样的问题。因为从理论上来讲，加速度分辨率的改善，需要以监督固有频率，或者提高质量的方式来实现。

2.2从谐振频率稳定性的角度来看

在研究谐振频率稳定性影响程序研究的过程中，假设悬臂梁的长宽厚，以及测试带宽是一定的，依据相应的理论公式得出谐振频率抖动和固有谐振频率，温度和气压三者之间的关系，在此基础上研究静态和动态性能的影响。

对于热机械噪声引起的谐振频率抖动和谐振频率成线性关系的统计结果来看，前者与后者并没有存在依赖关系。温漂噪声导致的谐振频率抖动会在频率不断增加的基础上，出现增大的情况，而在此时频率抖动的影响程度低于其对于吸附-脱附噪声。在谐振频率擦超过一定界限的时候，吸附-脱附噪声成为主要的噪声源。简单来讲，微机械悬臂梁尺寸的缩小，会使得其表面积增大，表面吸附和脱附能力会不断展现出来，由此慢慢占据主导地位，是很符合现实情况的。

以各个噪声机制引起的谐振频率抖动和温度关系的示意图来看，热机械噪声与温漂噪声引起的谐振频率抖动与温度之间报出正比例关系，也就是说，温度越高，其抖动会更加厉害。相对来讲，温度与吸附-脱附噪声的谐振频率抖动成反比关系，温度越高，其抖动频率越低。也就是说，在温度不断升高的情况下，热运动和温漂效应占据主导，是噪声的主要来源，此时的吸附脱附噪声并没有表现出比较高的抖动频率。但是当谐振频率超过10mhz的时候，吸附脱附噪声会占据主导地位，并且超越热机械噪声，成为主要的噪声机制，此时其与温度之间的关系依然保持着反比例关系。

以各个噪声机制引起谐振频率抖动与气压关系的示意图来看，得出以下结论：其一，热机械噪声引起的谐振频率抖动与气压保持着正比例的关系，气压不断增加，其抖动的情况更加严重。与此相反，温漂噪声变化与气压层正比例关系，也就是随着气压的不断增加，其噪声谐振频率抖动的越发严重；其二，微机械结构的热导的不断征集，会使得其环境发生变化，由此使得温漂噪声失去了赖以生存的环境；其三，吸附-脱附噪声会随着气压的不断变化产生极值现象，并且会在微机结构表面产生反应，当达到一定范围的时候，就会产生相应的极大值；其四，当气压达到一定水平的时候，热机械噪声会占据主导，此时的频率抖动与气压之间保持着正比例关系。

下图为最小可检测质量与频率变化的示意图。从下图中可以得出以下结论：谐振频率抖动会随着频率的增加出现不断增长的情况，而质量检测分辨率会随着其增加出现降低的情况。简单来讲，悬臂梁尺寸越小，其谐振频率就越高，其可检测的最小质量变化也相对较小。

三、结束语

综上所述，以噪声模型为基础，以能量统计分析的方式切进行模型的扩展研究，的确可以有效的找到影响微机械悬臂梁机械噪声影响因子。在这样研究理论的基础上，其引导微机械悬臂梁的设计工作，使得其朝着高性能，高质量，高科技水平的方向发展和进步。

参考文献：

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[2] 薛玮飞，陈进，李加庆，张桂才，雷宣扬. 机械噪声故障特征提取的波叠加法[J]. 机械科学与技术. 2006（09）

机械臂设计论文例9

中图分类号： TN06?34； TH114 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）15?0130?03

Principal stress testing experiment and analysis of machinery arm in agriculture

CHEN Chao1， L? Xiao?xue1， YI Xiao?kang2， HU Can2

（1. Xinjiang Alar Bureau of Quality and Technical Supervision， Alar 843300， China； 2. School of Mechanical Engineering， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract： Taking domestic KR?70004?PAX grabbing type manipulator device as the object of study， time of the mechanical arm in actual handling process were measured and analyzed by means of resistance strain type displacement sensor and PLC?300 data acquisition system. The results show that the manipulator device′s operation radius and grabbing weight factors have great influence on the principal stress change of mechanical arm. The principal stress increases sharply by 6000 N/mm at the moment of starting when the operation radius is 3000 mm. The principal stress can reach 5300 N/mm when the normal operating radius is 2000 mm and the weight of work piece is 350 kg.

Keyword： mechanical arm； agricultural machinery； stress analysis； principal stress testing

0 引 言

目前，随着农业机械化生产的不断推进，在农业生产过程中，码跺垛码机械手装置得到了广泛的应用。特别是在牧场草堆码跺、棉花等作物桔杆码跺、甚至棉花加工厂的码跺作业均应用到机械手的作业。然而，码跺作业一般为重复连续性作业，实际应用时，机械手装置的故障率较高，特别是疲劳性过载，机械手臂的应力变形随着使用的时间呈变形过大的情况，甚至影响机械手装置的整体性能；而在垛码机械手装置中，机械手臂应力损害是机械手装置最难修复的应力故障。垛码机械手装置一般为重载型作业，负载要求范围在300～1 300 kg之间，并且机械手装置工作范围在2 600～3 500 mm之间，特别是一些卸码垛作业的机械手装置中，机械手装置工作范围要求均超过3 000 mm。机械手装置的工作范围决定了机械手臂的作业半径，作业半径越长，机械手臂所承受的应力变化越大。在目前的机械手的研究中，国内主要集中在机械手臂的动力学研究上，对机械手臂的应力分析也局限于静态的受力分析，缺少实际应用中的应力数据，对实际应用中的机械手臂主应力的变化情况不明[1?4]。

针对目前重载型机械手臂的应力损害情况和实际应用中的应力变化研究现状，以新疆生产建设兵团第一师农场进行棉花桔杆码跺的机械手装置为研究对象，进行机械手臂的主应力测试试验，分析在不同工况条件下主应力的变化情况，为机械手臂的设计与应用提供参考依据。

1 主应力测试试验的方法与条件

1.1 测试试验的对象

新疆建设兵团第一师农场码跺机械手采用的是上海易升设备公司生产的国产KR?70004?PAX抓取型机械手装置，其最大码跺负荷能力在350 kg，最大工作半径为3 000 mm，末端执行器为爪型方式进行打捆桔杆的码跺，控制系统采用PLC?300作为核心控制单元，根据机械手装置的特性，以重复性顺序控制为主。

主要的机械手臂结构简图如图1所示，机械手臂由两节伸缩臂组成。机械手手臂截面结构如图2所示，工作时，机械手臂表面任意一点的主应力均为最大值。

图1 机械手手臂结构简图

图2 机械手手臂I?I截面结构图

1.2 应力测试的系统设备

应力测试系统设备主要包括两部分：一部分为机械手臂部位主应力测量传感器的现场布置和应力信号的放大与传送。另一部分是以PLC为核心的测量控制系统，包括应力数据的处理、画面的显示、应力过载值报警的输出等，具体的系统框图如图3所示。

图3 机械手臂应力检测系统框图

根据机械手臂的工作特点以及负载能力，采用电阻应变片式位移传感器作为主应力的测量传感器，应变片式位移传感器通过信号采集放大后，传送至机械手PLC系统进行数据的处理与分析[5]，根据应力变化情况启动机械手装置的保护电路，同时，采集信号通过人机画面进行实时的显示。

1.3 机械手臂主应力测试点的布置与计算

在机械手装置进行码跺作业时，物料对机械手臂的应力影响主要为弯扭组合变形，根据应力?应变广义胡克定律，机械手臂构件表面任意一点处于平面应力状态，并且在同一直线构件上，主应力的大小不变。通过这一原理，在机械手手臂构件表面布置一种直角形应变片结构，可测量出主应变力大小[6?8]，具体的应变片布置如图4所示。I?I截面在[A，][B，][C，][D]四个测试点布置直角形应变片结构。图4中，直角形应变结构由+45°方向的应变片、0°方向的应变片和-45°方向三个应变片组成，当机械手臂构件产生变形时，应变片可反馈出三个方向的线应变值，并通过变送器将应变值传送回PLC系统。

根据被测点三个方向应变值[ε45°，ε0°，ε-45°，]计算主应力大小公式为：

[σmaxmin=E2（1+μ）（ε-45°+ε45°）±E2（1+μ）（ε-45°-ε0°）2+（ε0°-ε45°）2] （1）

式中：[σ]为主应力的最大值与最小值；[E，][μ]为机械手臂材料的弹性模量和泊松比。

则计算主应力的方向公式为：

[tan2?=2ε0°-ε-45°-ε45°ε-45°-ε45°] （2）

式中：[?]为主应力方向与应变片（-45°）方向的夹角。从式（1）、式（2）中可知，在已知材料的[E，][μ]而不必已知载荷及横截面尺寸的情况下，用实验手段方法就可测得构件表面主应力大小及方向。

图4 I?I截面应力布置展开图与应力受力情况图

1.4 机械手臂主应力测试的步骤

应力测试试验根据机械手臂的作业半径和抓取工件的重量大小进行单因素影响试验，以测试不同作业半径下对机械手臂主应力的影响和不同工件重量下对机械手臂主应力的影响。

（1） 作业半径根据车间的常用作业情况，选取作业半径分别为2 000 mm，2 500 mm及最大作业半径3 000 mm进行作业半径单因素影响测试。

（2） 根据抓取工件的重量，选取200 kg，300 kg和350 kg进行抓取重量单因素影响测试。

（3） 在进行主应力的实际测量时，根据车间生产时的实际工况对机械手臂的运动时间段进行划分，分别记录抓取工件物料时、起动瞬间，稳定时、移动过程及下放过程各时间段的应力变化情况。

2 应力测试的结果与讨论

根据测试实验得出的各应力数据，进行主应力的计算与统计，可得到作业半径、抓取重量两种因素影响下的应力变化情况。

图5所示为机械手臂使用工作半径为2 000 mm时的主应力变化情况。机械手装置的一个工作时间段为20 s，当 [t=]1.2 s时为起动瞬间。从图中可以看出，不同的抓取重量对主应力的影响明显，当工件重量为350 kg时，主应力能达到5 300 N/mm。同时，对于起动瞬间[t=]1.2 s时的主应力变化影响最为明显，当工件重量为200 kg时，起动瞬间最大主应力为3 450 N/mm。

图5 工作半径2 000 mm时的主应力变化情况

图6和图7所示分别为机械手臂使用工作半径为2 500 mm和3 000 mm时的主应力变化情况。

图6 工作半径2 500 mm时的主应力变化情况

与图5相比，当不同抓取重量时，机械手臂各运动时间段内的曲线变化情况基本一致，均在机械手装置抓取工件的起动瞬间主应力值变化最大。不同的是，不同的工作半径下，主应力变化曲线的最大值有所不同，当作业半径为3 000 mm时，主应力在起动瞬间急剧增加，最高时达到6 000 N/mm。

图7 工作半径3 000 mm时的主应力变化情况

图5～图7中的数据表明，主应力的变化情况与工况条件、机械手臂作业半径密切相关。当作业半径较少时，主应力的变化值区间明显减小；而当作业半径达到最大时，机械手臂的整个运动时间段的应力变化明显增大，并且在起动瞬间达到最大值。

3 结 论

应用KR?70004?PAX抓取型机械手进行了机械手臂的应力测试试验，得出了机械手装置的作业半径、抓取重量大小因素变化对机械手臂主应力变化的影响规律。

（1） 机械手臂的主应力变化与作业半径成正比的关小，在相同的抓取重量下，作业半径越大，机械手臂承受的应力值越大，当作业半径为3 000 mm时，主应力在起动瞬间急剧增加，最高时达到6 000 N/mm。

（2） 机械手臂的主应力变化与抓取重量大小成正比关系，在相同的作业半径条件下，不同的抓取重量对主应力的影响明显，在正常的作业半径2 000 mm时，当工件重量为350 kg时，主应力能达到5 300 N/mm。

（3） 在机械手臂的一个运动时间段周期应力变化中，不论什么工况条件与作业半径，在抓取工件后的起动瞬间主应力值达到最大值。因此，起动瞬间的主应力变化值可作为机械手设计的参考依据。

注：本文通讯作者为弋晓康。

参考文献

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[6] 罗佳，孙运强.CAN总线技术在车辆悬架动态应力测试中的应用[J].自动化仪表，2013，34（11）：80?84.

机械臂设计论文例10

空间机械臂在人类太空探索活动中所发挥的作用不言而喻，其研究热度颇高［1⁃4］。近年来，随着对空间操控精度要求的不断提高，空间机械臂在作业过程中所呈现出来的各类柔性效应已逐渐被人们所察觉。对于这些具有浮动载体基座、柔性部件的空间机械臂而言，动力学的非完整性及系统刚、柔性运动间的强耦合性将大大增加其动力学分析的难度，并给后续控制方案的设计带来障碍。目前有关柔性空间机器人的研究文献多数谈及的是臂杆柔性［5⁃7］，部分涉及关节柔性［8⁃9］，但很少计及载体基座的柔性［10］，而同时兼顾基座柔性、关节柔性的研究文献更是鲜有报导。显然，较之以往仅带有柔性关节或柔性基的空间机械臂而言，柔性基、柔性关节空间机械臂具有更强的非线性及强耦合性，其动力学分析将更显复杂性，且难以直接选用先前各类常规的控制策略来进行控制。因此，有必要继续开展在系统非完整约束、基座与关节柔性并存下漂浮基空间机械臂的动力学建模与控制问题研究。奇异摄动法被视为是解决现有各类柔性多体系统控制器设计的一种重要方法，但传统意义上的奇异摄动法往往会对被控系统提出一些现实要求，比如要求系统各柔性部件刚度应充分大［11］，控制器所需各状态变量应精确可测等［12］；显然，这就大大限制了其在具有较大关节柔性或系统高阶快变状态难以测量的柔性基、柔性关节空间机械臂系统上的应用。为此，本文着重研究基座姿态受控下漂浮柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学建模及末端运动改进奇异摄动控制问题。在对基座柔性、关节柔性分别进行线性伸缩弹簧及线性扭转弹簧模型等效的基础上，利用线动量守恒原理、拉格朗日第二类建模方法分析了姿态受控漂浮柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学建模过程。将柔性补偿思想与奇异摄动理论相融合，在慢、快变两个时间尺度上对柔性基、柔性关节空间机械臂原动力学模型进行分解，导出可分别用于系统刚性运动、柔性运动控制器设计的慢变及快变子系统。将关节空间形式下的慢变系统方程转化为工作空间形式，并在此基础上设计了载体基座姿态与载荷协调运动的慢变子控制方案；与此同时，为避免对系统高阶快变状态进行实时测量与反馈，采用了基于高阶状态观测器的二次型最优控制方案对快变子系统加以主动控制，以确保在快变子系统保持稳定的前提下实现对基座、关节两种柔性振动的双重抑制。仿真结果对比，证实了所提改进奇异摄动控制方案在系统轨迹精确跟踪控制及两种柔性振动抑制上的有效性。

1柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学

漂浮柔性基、柔性关节空间机械臂的结构模型如图1所示。图1柔性基、柔性关节空间机械臂该系统主要由姿态受控的柔性载体基座B0、前刚性杆B1、后刚性杆B2及末端刚性载荷Bp组成，系统基座及各关节联结处均设定存在有柔性⁃此处将采用无惯性质量的线性伸缩弹簧、线性扭转弹簧来等效描述基座和关节的柔性［13⁃14］。建立空间机械臂的惯性坐标系Oxy及其各部件Bi（i＝0，1，2）的连体坐标系Oixiyi，并假设系统在oxy面上执行平面操作任务；xb表示线性伸缩弹簧的弹性位移，θ0表示载体基座B0的姿态转角，θi（i＝1，2）表示刚性杆Bi的实际转角，θim（i＝1，2）为第i个关节电机的实际转角；此外，动力学分析过程中涉及到的其他符号可约定如下：图1中，O0位于基座B0的质心处，Oi（i＝1，2）位于关节铰i的几何中心，Oc1、Oc2分别为刚性杆B1、刚性杆B2与载荷Bp联合体的质心，oc为机械臂系统的总质心；ei（i＝0，1，2）为xi轴的正向单位矢量，ρ0、ρ1、ρ2、ρp和ρc分别为O0、Oc1、Oc2、末端载荷质心及Oc在惯性参考系Oxy中所对应的位置矢径；O0距离O1长度为l0＋xb，oi（i＝1，2）距离Oic长度为ai；基座B0、载荷Bp的质量及转动惯量分别为m0、mp和J0、Jp，前杆B1的质量、转动惯量及长度分别为m1、J1和l1，后杆B2的质量、转动惯量及长度分别为m2、J2和l2；第i（i＝1，2）个关节电机的转动惯量为Jim，线性扭转弹簧的刚度系数为kim（i＝1，2），线性伸缩弹簧的刚度系数为k0；ωi（i＝0，1，2）为各分体Bi的转动角速度，ωim（i＝1，2）为第i个关节电机的自转角速度。基于ρ0、ρ1、ρ2、ρp在图1中的几何关系及空间机械臂总质心位置不变定理，得ρi＝ρc＋αi0（l0＋xb）e0＋αi1e1＋αi2eV2（1）式中αi0、αi1、αi2（i＝0，1，2，p）均可描述成系统各惯性参数的组合。既然空间机械臂并未受到外部力作用，则该系统在整个操作过程中将遵循线动量守恒原理；若空间机械臂在操作之前相对于惯性参考系处于静止状态，则其初始动量为零。

2柔性补偿下空间机械臂快、慢变子系统推导

漂浮柔性基、柔性关节空间机械臂在操作过程中所激发的基座、关节两种柔性振动往往会对系统的实时定位精度带来负面影响，甚至会导致整个系统出现控制失效现象。为方便后续漂浮柔性基、柔性关节空间机械臂控制方案设计，本节拟采用柔性补偿奇异摄动法先行对此类系统进行慢、快变子系统分解［15］。

3改进的奇异摄动控制方案

为确保漂浮柔性基、柔性关节空间机械臂能够完成预期的空间协调操作任务，其控制系统需同时具备确保系统刚性运动轨迹精确跟踪及基座、关节双重柔性振动主动抑制的能力。为此，拟在慢、快变子系统式（14）～式（15）的基础上，探讨漂浮柔性基、柔性关节空间机械臂奇异摄动控制方案的改进设计问题。

4模拟仿真与结果分析

以图1给出的柔性基、柔性关节空间机械臂系统为仿真对象，验证本文所提改进控制方案的控制效果。