三自由度机械臂控制系统资料
三自由度机械手控制系统的创新设计
三自由度机械手控制系统的创新设计摘要：本文主要介绍了三自由度机械手控制系统的设计过程。
本文主要论述重点在依据六自由机械手对三自由度机械手结构进行了创新。
关键词：三自由度；结构设计创新引言在科技不断进步下，机械制造业的发展起着关键的作用。
机械制造业是将独立的单元作为一个自动化的过程，在工业生产不断迅速发展进步中综合自动化水平要求越来越严格，每个工厂的生产线和自动化车间越来越多，未来完成自动化工厂进一步加强。
工业机器人是很多种类中生产进程自动化需求常常改换产品的通用伎俩，也是现在社会中自动化技术和人工智能技术开展的重要表现，也代表着当今社会制作行业技术开展的新水平。
虽然自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，但其结构也越复杂，前期投入较高。
对于小型工厂，考虑综合因素适用于二到三自由度机械手。
本文设计的五轴机械手采用电动和气动相结合的驱动方式，两台PLC分别控制主臂和副臂的伺服电机驱动及气动手抓，协同完成复杂的取、卸料动作，具有系统结构清晰、驱动能力强、方便扩展的特点和优势。
在PLC软件设计上采用梯形图和嵌入式模块化编程相结合的动作模块化编程思想，不仅增强了程序的可读性，便于调试，而且实现了工艺流程的灵活配置。
同时，组态式触摸屏实现了工艺参数的可视化配置和运行信息的实时监控等功能，具有稳定可靠、灵活通用等特性。
1工作过程通常情况卜，机械手在生产线上的任务是将工件从A处搬运到B处，主要动作为：PLC送电后，首先控制装置返回初始位置：机械手的手爪上升到上限位，然后手臂缩回到缩回限位，然后向左旋转到左限位。
物料检测光电传感器检测到物料后，机械手手臂伸出，手爪下降抓物，然后手爪提升，到达上限位后手臂缩回，到达缩回限位后向右旋转到右限位，手臂伸出，到达伸出限位后手爪下降，到达卜降限位将物料放下，然后回到原位。
如果机械手在手爪下降过程中，在5s内小能到达下限位，则手停下降，然后上升到上限位停比运行，同时开始报警（红灯闪烁，同时蜂鸣器鸣叫）。
三自由度机械臂工作原理
三自由度机械臂工作原理
三自由度机械臂是一种具有三个独立自由度的机械系统，它可以通过控制各个自由度的运动，完成各种任务。
三自由度机械臂通常由三个关节连接的装置组成，每个关节可以使机械臂在一个轴向上运动。
这些关节通常是旋转关节，可以使机械臂绕其轴旋转。
每个关节都有自己的电机和传动装置，通过控制电机的转速和方向，可以控制机械臂在各个轴向上的运动。
机械臂的末端通常配备有用于夹取、抓取或操作物体的装置，如夹爪、吸盘或工具。
通过控制机械臂的运动，将末端装置移动到目标位置，就可以完成各种工作任务，如装配、搬运、焊接等。
机械臂的运动控制通常通过计算机系统实现。
计算机可以通过传感器获取机械臂当前的位置和姿态信息，然后根据任务需求，计算出各个关节的运动轨迹和速度，通过控制电机的转速和方向，使机械臂按照计划的轨迹进行运动。
总而言之，三自由度机械臂通过控制各个关节的运动，配合末端装置，完成各种工作任务。
通过计算机系统实现运动控制，可以实现高精度、高效率的操作。
三自由度机械手臂说明
2.2.2机械臂……………………………………………………………6
2.3机械手的设计……………………………………………………………6
2.4驱动方式…………………………………………………………………8
2.5传动方式…………………………………………………………………9
“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。
机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。
第1章绪论…………………………………………………………………………5
1.1机器人概述………………………………………………………………5
第2章机器人实验平台介绍及机械手的设计……………………………………6
2.1自由度及关节……………………………………………………………6
2.2基座及连杆………………………………………………………………6
SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
课程设计说明书
三自由度机械手臂设计
学院：农业工程与食品科学学院
专业：农业机械化及其自动化
学生姓名：赵国0911034036
学生姓名：李继飞0911034030
学生姓名：程小岩0912034039
指导教师：程卫东
2013年1月
摘要
在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教Байду номын сангаас现的方式。
3自由度机械手设计说明书
目录一、确定机械手设计方案 (3)1.1、机械手基本形式和自由度数的选择 (3)1.2、机械手手部夹紧结构方案设计 (4)1.3、机械手的手臂（水平方向和垂直方向）结构方案设计 (4)1.4、机械手的腰座结构方案设计 (4)二、部分执行机构的理论分析和设计计算 (5)2.1、手爪执行机构的分析计算及相关尺寸的确定 (5)2.1.1、手抓的力学分析 (5)2.1.2、手爪夹紧力和驱动力的的计算 (7)2.1.3、液压缸主要参数的确定 (8)2.2、水平手臂的设计和计算 (10)2.3、机身升降机构的计算 (11)2.3.1、手臂偏重力矩的计算 (11)2.3.2、升降不自锁条件分析计算 (12)2.3.3、手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算以及相关尺寸的确定 (13)2.4、驱动回转轴回转的电机选型有关参数计算 (15)2.4.1、有关参数的计算 (15)2.4.2、电机型号的选择 (16)2.5、液压传动系统设计 (17)2.5.1、确定液压系统基本方案 (17)2.5.2、拟定液压执行元件运动控制回路 (17)2.5.3、液压源系统的设计 (17)2.5.4、绘制液压系统图 (18)三、机械手控制系统的硬件设计 (18)3.1、机械手工艺过程与控制要求 (18)3.2、机械手的作业流程 (18)3.3、机械手操作面板布置 (19)3.4、控制器的选型 (19)3.5、控制系统原理分析 (20)3.6、I/O地址分配 (20)3.7、PLC原理接线图 (21)四、参考文献 (21)一、确定机械手设计方案1.1、机械手基本形式和自由度数的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。
其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小。
因为设计要求搬运的棒料的质量达40KG，且直径达160MM，长度大约为250MM，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。
三自由度_精品文档
三自由度简介在机械设计中，自由度是一个重要的概念。
它指的是物体在空间中能够自由运动的程度。
三自由度（3DOF）是指一个物体在三维空间中的自由度。
在本文中，我们将介绍三自由度的定义、应用以及在机械设计中的重要性。
定义三自由度是指一个物体在三维空间中可以沿着三个独立的方向进行运动的能力。
这三个方向通常被称为“平移自由度”和“旋转自由度”。
平移自由度指物体沿着三个不同的轴向移动的能力，而旋转自由度指物体绕三个不同的轴旋转的能力。
一般来说，三自由度可以表示为(x, y, z, α, β, γ)，其中x、y、z表示物体的平移位置，α、β、γ表示物体的旋转角度。
应用三自由度的概念在机械设计中具有广泛的应用。
无论是在工业机器人、航天器、汽车还是其他机械设备中，都需要考虑物体的自由度。
在工业机器人中，三自由度通常被用来描述机械臂的运动范围。
机械臂的平移自由度使其能够在三维空间内移动到不同的位置，而旋转自由度则使其能够改变姿态。
在航天器中，三自由度的概念被用来确定航天器在太空中的运动范围。
航天器可以在太空中自由地移动和旋转，通过操控其三自由度来实现不同的任务，如定位、推进、调整姿态等。
在汽车设计中，三自由度的概念被应用于底盘的设计。
底盘具有平移自由度，使汽车能够在三维空间中自由移动。
此外，汽车的转向也使用了旋转自由度的概念，使得汽车可以改变方向。
重要性三自由度在机械设计中具有重要的意义。
它决定了物体在空间中的运动和姿态变化。
了解和掌握三自由度的概念对于设计高效、稳定和精确的机械系统至关重要。
在机器人设计中，通过合理配置和控制机器人的三自由度，可以使机器人能够执行复杂的任务。
例如，一个具有足够的自由度的机械臂可以实现多个不同方向的精确定位，从而提高工作效率。
在航天器设计中，三自由度决定了航天器在太空中的机动性。
通过灵活地控制三自由度，可以实现航天器的定位和姿态调整。
在汽车设计中，三自由度的合理利用可以提高汽车的行驶稳定性和操控性。
三自由度机械臂毕业设计
三自由度机械臂毕业设计毕业设计题目：三自由度机械臂设计与控制一、设计背景三自由度机械臂是工业机器人中常见的一种结构，通常由三个关节驱动器构成，可以实现在三个方向上的运动。
该设计旨在研究三自由度机械臂的结构设计和控制算法，提高其运动精度和稳定性，以满足工业生产中对机器人精准操作的需求。
二、设计内容1.机械结构设计：根据机械臂的工作范围和负载要求，设计合适的机械结构，包括三个关节的连杆长度、角度范围等，确保机械臂能够在工作空间内自由灵活地运动，并能承受所需的负载。
2.关节驱动器选择：选择合适的关节驱动器，比如伺服电机、步进电机等，确保驱动器能够提供足够的转矩和精确的控制，以实现机械臂的精准运动。
3.控制系统设计：设计相应的控制系统，包括运动规划、轨迹跟踪、碰撞检测等算法，实现机械臂在各种工作场景下的自动化操作。
同时，考虑到三自由度机械臂的运动学模型，设计合理的控制策略，提高机械臂的运动精度和稳定性。
4.系统集成和调试：将机械结构、关节驱动器和控制系统进行集成，通过实验验证机械臂的性能和稳定性，调试控制算法，不断优化设计方案，使机械臂达到预期的工作效果。
三、设计目标1.实现三自由度机械臂在三维空间内的高精度运动，能够完成各种复杂的工作任务。
2.提高机械臂的运动速度和稳定性，减少运动过程中的振动和误差，提高工作效率。
3.实现机械臂与外部环境的智能交互，通过传感器实时监测工作环境，避免碰撞和危险情况的发生。
4.设计简洁高效的控制系统，具有良好的实时性和可靠性，便于操作和维护。
四、预期成果通过以上设计内容和目标，预期能够完成一台具有高精度运动和稳定性的三自由度机械臂原型机，并实现其在工业生产中的应用。
同时，可以得到相关的技术研究成果，为工业机器人领域的发展贡献一份力量。
五、结语三自由度机械臂的设计与控制是一个具有挑战性和重要性的课题，需要多方面的知识和技能综合运用。
希望通过本次毕业设计，能够全面学习和掌握机械臂设计与控制的相关知识，提升自己在工程领域的实践能力和创新能力，为未来的科研和工作打下坚实的基础。
PLC控制三自由度机械手控制部分分析与设计
图 ３机械 手 循 环 动 作 过 程示 意 图
停止信号 ： 下限位开关得 电。 动作 ７ ： 开始信号 ： 下限位开关得 电。 动 作 ： 手指松开动作 。 停止信号 ： 手指限位开关得 电。
动 作 ８ ： 开始信 号 ： 手指限位开关得电。
・
ｌ ２・
动 作 ： 手臂上摆 动作 。 停止信号 ： 上限位开关得 电。 动作 ９ ： 开始信号 ： 上限位开关得 电。 动 作 ： 回转腰右转动作 。 停止信号 ： 右限位开关得 电。机械手 回复初始状态 。
科 技 论 坛
・１ １・
Ｐ Ｃ控制三 自由度机械手控制部分分析 与设计 Ｌ
黄 智 英
（ 巴音 郭楞职业技术学院， 疆 巴音郭楞 ８ １０ ） 新 ４ ０ ０
摘
要： 本文主要 分析 和论述如何利 用 Ｐ Ｃ控制技 术 ， Ｌ 实现机械 手的握 、 移 等动作 ， 实现机 械手在 左右， 举、 并 前后 ， 上下三方向 自由
图 ２ 三 自 由度 机 械 手 结构 示 意 图
开始信号 ： 压力感应器得电。
动 作 ： 手臂 上 摆 动 作 。 停 止信号 ： 上限位开关得电。 动作 ４ ： 开始信号 ： 限位开关得电。 上 动 作 ： 回转腰左转动作。 停止信号 ： 限位开关得电。 左 动作 ５ ： 开始信号 ： 限位开关得 电。 上 动 作 ： 回转腰左转动作。 停止信号 ： 左限位开关得电。 动作 ６ ： 开始信号 ： 限位开关得电。 左 动 作 ： 臂 下 摆 动 作 。 手
一
表 １ 三 自 由度 机 械 手 Ｉ 分 配 表 ： ／ Ｏ
最 大 抓 重 ：Ｏ ｇ ｌＯ
手 指 夹 持 工 件 最 大 直径 ：０ ｍ ４ｒ ａ 手臂上下摆动角度 ：０ ６。 手臂 回转角度 ：Ｏ ９。 运料频率 ： ５次 ／ ｉ ｍｎ 三 自由度机械手结构如 图 ２所示 ，主要 由机械手指夹持机构 、 机械手臂上下摆动机构 、 机械腰 回转机构 、 固定底座等构成。 ２ 工 作原 理 及 分 析
三自由度工业用机械手控制系统设计论文
毕业设计（论文）题 目 三自由度工业用机械手控制系统设计姓 名学 号专业班级指导教师分 院 成人教育学院完成日期 2017 年4月X 日宁波理工学院摘要机械手是机器人研究的热门领域之一，不仅在工业还在其它行业都发挥着越来越大的作用。
而且随着工业生产自动化程度的不断提高，工业机械手在生产现场的流水线中扮演着越来越重要的作用，现在已成为现代化工业生产中不可缺少的重要环节。
本文在了解机械手和PLC控制技术的国内外研究现状及发展趋势基础上，而选用了三自由度机械手作为控制对象进行研究。
本文基于控制和计算机监控的相关理论，根据工业机械手的控制要求，完成了其运动控制设计以及组态监控系统构建，对控制系统的总体构造、控制流程以及构成系统的各个模块的功能和控制方式进行了研究。
关键词:三自由度机械手；PLC；控制系统；工业生产A b s t r a c tRobot is one of the hot areas of robot research and is playing an increasingly important role not only in industry but also in other industries. At the same time, with the continuous improvement of industrial production automation, industrial robots in the production site of the pipeline plays an increasingly important role, has become an indispensable modern industrial production important link.Based on the research status and development trend of robot and PLC control technology, this paper chooses three-degree-of-freedom manipulator as the control object.Based on the theory of control and computer monitoring, this paper completes its motion control design and configuration monitoring system construction according to the control requirements of industrial manipulator. The overall structure of the control system, the control flow and the function and control mode of each module constituting the system Were studied.Keywords:Three degrees of freedom manipulator; PLC; Control System；Industrial production目录摘要......................................................................................................................... I I Abstract.. (IV)目录 (V)1.引言 (1)1.1 研究机械手的意义 (1)1.2 机械手的组成和分类 (2)1.2.1机械手的组成 (2)1.2.2 机械手的分类 (2)1.3 机械手的国内外研究现状 (2)1.3.1 机械手的国外研究现状 (2)1.3.2 机械手的国内研究现状 (3)2.机械手控制系统总体设计方案 (4)2.1工业机械手的工艺流程 (4)2.2工业机械手的运动参数分析 (5)2.3工业机械手的总体模块设计 (5)2.3工业机械手的总体模块概述 (6)2.3.1 控制器模块 (7)2.3.2驱动模块 (7)2.3.3 执行模块 (7)2.3.4传感器模块 (7)3.机械手硬件系统的设计 (9)3.1硬件系统的结构 (9)3.2伺服控制系统设计 (10)3.3气动控制系统设计 (10)3.4机械部件设计 (11)3.5传感器设计 (11)4.PLC控制器的设计 (13)4.1 PLC 控制器的特点 (13)4.2 PLC 控制器的程序设计 (13)4.2.1 PLC 回原点程序 (13)4.2.1 PLC手动程序操作示意 (14)4.2.2 PLC自动程序操作示意 (14)参考文献 (16)致谢 (17)1.引言1.1 研究机械手的意义工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，已经成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。
基于S7―200和EM253模块的三自由度机械手控制系统设计
基于S7―200和EM253模块的三自由度机械手控制系统设计摘要：三自由度机械手在工业生产中有广泛的应用。
该文提出基于西门子S7-200PLC的三自由度机械手控制系统的设计方案，包括其硬件的组成，驱动机构的组成，以及基于S7-200PLC控制系统的构建，利用西门子定位模块EM253，以及使用PWM/PTO输出编程，实现机械手的3个自由度精确位置控制，其方法简单，效果良好，成本较低廉，在自动化生产线中有较高的实用价值。
关键词：三自由度机械手控制西门子定位模块PWM/PTO输出编程中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（b）-0052-021 课题的研究背景及意义工业机械手是一种高科技自动化生产设备。
工业机械手是工业机器人的一个重要分支。
其中，三自由度搬运机械手在生产中得到了广泛的应用[1]。
三自由度机械手是具有3个方向，可以通过3个方向的直线运动，实现机械手在一定范围空间中的全覆盖工作。
SIMATIC S7-200是一款微型PLC，它价格适中，性能良好，功能完善，能很好地适应自动化生产线中的控制中心的需要，在小型自动化生产设备中有很广泛的使用。
基于SIMATIC S7-200的三自由度机械手，成本不高，能很好地完成生产线上的各种功能，因而有很高的实用价值。
该文主要研究通过西门子S7-200PLC，利用EM253位置控制模块，实现三自由度机械手的运动控制，以满足生产实践的需要。
该文主要从硬件和软件两方面，简单叙述了机械手的驱动部分组成和特点，并较详细地阐述了机械手控制系统的构建以及位置控制的方法。
2 机械手的硬件组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。
执行机构是机械手的机械本体部分，该文不做阐述。
驱动机构的形式要有4种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动[2]。
电力驱动是机械手使用的最多的一种驱动方式。
其特点是电源方便，响应快，驱动力较大（关节型的持重已达400 kg），信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。
3自由度的机械手控制器设计原理
3自由度的机械手控制器设计原理本章节主要讲述该项目的设计原理以及项目涉及到的键盘模块，数据模块，音乐播放模块，舵机模块，LED显示模块的设计过程以及原理。
1 键盘控制模块的设计原理本项目使用的键盘是矩阵式键盘，矩阵式键盘是类似于矩阵的键盘组，是一种常见的人机交流输入装置。
在键盘按键过多的时候，为了减少控制端口的占用，通常摆成矩阵，如下图2.1所示。
图 2.1 矩阵式键盘但是这个设备是缺少电阻的，为了使用设备的安全，我们需要给这个设备连接上电阻，以保证键盘模块的正常使用。
1.矩阵式键盘简介在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。
如4*4矩阵键盘可以构成4*4=16个按键，而控制端口只需4+4=8个。
如果直接将控制端口与按键连接，则需要16个控制端口。
先数越多，节省端口越多，如再多加两条线就可以构成5*5=25个按键的键盘，二控制端口只需5+5=10个。
在需要控制的按键数比较多时，常采用矩阵式键盘作为人机对话的输入装置。
控制器顺序扫描各列线，置为低电平，根据行线上的电平变化，来决定，这是原理图如下图：图2.2 键盘模块原理2 矩阵式键盘控制器的功能4*4矩阵式键盘是本项目的输入设备，是实现与系统交互信息的窗口。
要使用矩阵式键盘正常工作，需要设计矩阵式键盘控制器模块，根据设计任务要求，矩阵式键盘控制器模块功能如下输出4*4矩阵式键盘正常工作所需要的列扫描信号。
接收矩阵式键盘行编码信息根据列扫描信号和接收的行编码信号储存键盘信息根据输入的键盘信息确定设置的角度值、发出控制舵机信号和同步显示的数据。
下。
0~9数字键用来设置旋转角度3.矩阵式键盘控制器设计根据矩阵式键盘控制器模块的功能，矩阵式键盘控制器模块电路的设计可分为3个部分。
矩阵式键盘的列扫描控制和行编码译码。
本设计采用矩阵式键盘控制器输出列扫描信号，然后根据俗人的行编码信号进行编码。
扫描信号kbcol[3]~kBCOL[0]进入键盘，变化的顺序依次为1110、1101、1011、0111、1110。
三自由度SCARA机械手嵌入式控制系统软件开发
三自由度SCARA机械手嵌入式控制系统软件开发随着工业自动化的发展，机械手在生产线中扮演着越来越重要的角色。
SCARA机械手作为一种常见的工业机械手，具有较高的精度和灵活性，广泛应用于装配、包装和加工等领域。
在SCARA机械手的控制中，软件开发起着至关重要的作用。
SCARA机械手具有三个自由度，分别是平移运动、垂直运动和旋转运动。
为了实现对机械手的精确控制，需要在嵌入式系统中开发相应的软件。
首先，我们需要设计机械手的运动规划算法。
通过分析机械手的结构和工作环境，确定机械手的运动范围和限制条件。
然后，根据工作需求，制定机械手的运动规划策略，包括路径规划和轨迹控制。
通过运动规划算法，可以实现机械手的高效运动和精确定位。
接下来，我们需要开发机械手的实时控制系统。
嵌入式控制系统是机械手的核心，负责接收传感器数据和控制执行器。
在软件开发过程中，我们需要编写驱动程序，将机械手的运动指令转化为电信号，通过执行器控制机械手的运动。
同时，我们还需要编写传感器数据处理程序，实时获取机械手的位置和姿态信息。
通过与运动规划算法的结合，可以实现机械手的闭环控制，保证机械手的稳定运动和准确定位。
此外，为了方便操作和监控机械手的运动状态，我们还需要开发人机界面软件。
人机界面软件可以提供友好的图形界面，实时显示机械手的位置、姿态和运动轨迹。
操作人员可以通过人机界面软件发送运动指令，并监控机械手的运动状态。
通过与实时控制系统的通信，人机界面软件可以实现与机械手的交互，提高机械手的操作效率和便捷性。
综上所述，三自由度SCARA机械手嵌入式控制系统软件开发是实现机械手精确控制的重要环节。
通过运动规划算法、实时控制系统和人机界面软件的开发，可以实现对机械手的高效运动和精确定位。
随着科技的不断进步，相信SCARA机械手在工业生产中的应用将更加广泛，软件开发也将不断迭代和创新，为工业自动化带来更多的便利和效益。
三自由度机械臂设计
三自由度机械臂设计1. 引言机械臂是一种能够模拟人类手臂运动的机械装置，广泛应用于工业自动化、医疗手术、空间探索等领域。
本文将介绍三自由度机械臂的设计原理、结构和控制方法。
2. 三自由度机械臂的定义三自由度机械臂是指具有三个独立运动自由度的机械臂。
它通常由底座、臂1、臂2和末端执行器组成。
臂1和臂2之间通过转动关节连接，末端执行器可以在三维空间内执行各种任务。
3. 三自由度机械臂的结构三自由度机械臂的结构通常采用串联结构，即每个关节依次连接在一起。
关节通常采用旋转关节或者滑动关节，以实现臂的运动。
三自由度机械臂的底座是固定不动的，通过第一个关节与臂1连接。
臂1和臂2之间通过第二个关节连接，第二个关节使得臂2能够绕臂1旋转。
第三个关节连接在臂2的末端，用于连接末端执行器。
4. 三自由度机械臂的运动学分析三自由度机械臂的运动学分析是研究机械臂末端位置和姿态的方法。
通过运动学分析，可以确定机械臂各关节的运动范围和工作空间。
三自由度机械臂的运动学方程可以通过解析方法或者数值方法求解。
解析方法通常基于几何关系和三角函数的运算，可以得到精确的解析解。
数值方法通常通过迭代计算，可以得到近似解。
5. 三自由度机械臂的动力学分析三自由度机械臂的动力学分析是研究机械臂受力和运动响应的方法。
通过动力学分析，可以确定机械臂的运动惯性、关节力矩和末端执行器的力矩。
三自由度机械臂的动力学方程可以通过拉格朗日方程或牛顿-欧拉方程求解。
这些方程描述了机械臂的运动学和动力学关系，可以用于控制机械臂的运动。
6. 三自由度机械臂的控制方法三自由度机械臂的控制方法包括位置控制、速度控制和力控制。
位置控制是控制机械臂末端位置的方法，速度控制是控制机械臂关节速度的方法，力控制是控制机械臂末端力的方法。
位置控制通常采用PID控制器或者模糊控制器。
PID控制器通过比较实际位置和期望位置的差异，调整关节角度以使机械臂末端达到期望位置。
模糊控制器通过模糊逻辑和规则库，根据实际位置和期望位置的差异调整关节角度。
三自由度机械手下位机与上位机控制系统的设计
基于下位机与上位机三自由度机械手控制系统的设计The Design of Manipulator Control System of Three DOFs Based on Hypogynous and Host摘要由于三自由度机械手能够在三维空间中完成升降、平移、旋转基本指令，并且PLC技术的控制能力强，能实现模拟量的控制，可靠性高、抗干扰能力强、可编程等优点，所以选用PLC作为此控制系统的下位机，用于控制比较恶劣环境下机械手的动作。
同时为了适应实时性，加快工作效率，此次系统还采用了单片机作为上位机与PLC进行串行通讯，用VB软件实现。
关键词：三自由度机械手下位机上位机串行通信ABSTRACTAs the 3-DOF manipulator can be completed in three-dimensional space, lifting, shifting, rotating the basic instructions, and the PLC control technology, strong ability to achieve control of analog, high reliability, strong anti-jamming capability, programmable, etc., so PLC control system, as this selection of the next-bit machine, used to control the relatively harsh environment of mechanical movement of the hands.Meanwhile, in order to adapt to real-time, improve their work efficiency, this system also uses a microcontroller as the host computer and the PLC serial communication with VB software Key words: 3-DOF mechanical hands-bit machine host computer serial communication.0.概述由于三自由度机械手能够在三维空间中完成升降、平移等基本指令，而二自由度机械手仅能在一个平面内动作，因此有必要设计一种较高自由度机械手来满足实际中有较高要求的需要，并将研究成果应用到企业的生产实际中。
三自由度全电动机械手控制实训指导书
一、三自由度全电动机械手模块1、结构图 1-36 三自由度全电动机械手模块编号名称编号名称①夹指气缸④Z方向步进电机移动轴②X方向伺服电机移动轴⑤电磁阀控制组③Y方向伺服电机移动轴2、功能当成品到达四工位转盘模块D工位时，三自由度全电动机械手通过程序设定各轴的脉冲数配合将其抓取，移至三维可调栈板设定的位置。
三维空间定位，可升级作为空间任意位置定位作业的机器人模型。
3、相关元件的工作原理（1）夹指气缸气动手爪这种执行元件是一种变型气缸。
它可以用来抓取物体，实现机械手各种动作。
在自动化系统中，气动手爪常应用在搬运、传送工件机构中抓取、拾放物体（图 1-34 示）。
图 1-37 平行手指剖面结构与实物图（2）伺服电机①定义：伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。
伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
图 1-38 伺服电动机实物图②原理：a.伺服系统（servo mechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。
伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。
三自由度机械臂 几何解法
三自由度机械臂几何解法三自由度机械臂是一种具有三个旋转自由度的机械系统。
它由三个旋转关节连接的一系列刚性杆件组成。
在操作中，机械臂可以通过控制每个关节的角度来完成各种任务，如抓取、搬运、装配等。
几何解法是一种通过关节角度和机械结构参数来推导出机械臂末端位置和姿态的方法。
几何解法通常基于欧拉角、旋转矩阵或四元数等数学模型，通过运用正逆运动学的方法来实现。
在三自由度机械臂中，每个关节的旋转可以由一个角度表示。
假设第一个关节的旋转角度为θ1，第二个关节的旋转角度为θ2，第三个关节的旋转角度为θ3。
为了计算机械臂末端的位置和姿态，我们首先需要定义机械臂的坐标系。
在三自由度机械臂中，一般采用笛卡尔坐标系。
我们假设机械臂的基座位于坐标系的原点O，三个关节的旋转轴分别为x、y和z轴。
末端执行器的位置用(x,y,z)来表示，姿态可以用旋转矩阵或欧拉角来表示。
首先，我们需要计算第一个关节的转动矩阵。
转动矩阵表示一个坐标系相对于另一个坐标系的旋转关系。
假设第一个关节的旋转轴为z 轴，转动角度为θ1，则第一个关节的转动矩阵可以表示为：R1 = [cos(θ1), -sin(θ1), 0;sin(θ1), cos(θ1), 0;0, 0, 1]接下来，我们需要计算第二个关节的转动矩阵。
假设第二个关节相对于第一个关节的旋转轴为y轴，转动角度为θ2，则第二个关节的转动矩阵可以表示为：R2 = [ cos(θ2), 0, sin(θ2);0, 1, 0;-sin(θ2), 0, cos(θ2)]最后，我们需要计算第三个关节的转动矩阵。
假设第三个关节相对于第二个关节的旋转轴为y轴，转动角度为θ3，则第三个关节的转动矩阵可以表示为：R3 = [ cos(θ3), 0, sin(θ3);0, 1, 0;-sin(θ3), 0, cos(θ3)]通过将这三个转动矩阵依次相乘，我们可以得到机械臂的整体转动矩阵R。
即：R = R1 * R2 * R3接下来，我们需要计算机械臂的位移矩阵D。
三自由度
0 引言机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。
三自由度机械手又称3D机械人，能够实现三个自由度方向(水平、垂直和旋转)的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广泛的特点。
可编程控制器(PLC)是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。
由于其具有可靠性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。
在非超载情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。
机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。
本文设计的三自由度机械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动式机械手的优点，既节省了行程开关和PLC的I／O端口，又达到了简便操作和精确定位的目的。
1 三自由度机械手的系统结构与运动方式三自由度机械手为圆柱坐标型。
图1为机械手结构示意图，机械手手臂的左右运动(水平方向)由伸缩步进电机控制，上下运动(垂直方向)由升降步进电机控制，逆时针和顺时针旋转运动则由底盘直流电机的正反转控制。
机械手的夹紧装置采用关节结构，其夹紧与松开用气压驱动，并由电磁阀控制。
机械手可以根据设定程序的动作将工件从A处搬运到B处。
SQ1，SQ2，SQ5，SQ6为水平和垂直方向上的限位开关，SQ3，SQ4为原点位置和终点位置的光接近开关。
2 三自由度机械手控制系统设计三自由度机械手系统设置了手动工作方式和自动工作方式。
自动方式又分为自动回原点、单步、单周期、连续四种工作方式。
2．1 硬件设计主控制系统选用三菱FX2N系列晶体管输出型PLC，步进电机驱动器选用SH-20403型模块。
机械手的外部接线图如图2所示。
机械手在最上面、最右边，底盘转至光接近开关X3处且夹紧装置松开时称系统处于原点状态。
三自由度机械臂控制系统资料
CLRP1.1
跳转至MAIN
串行通信子程序流程图：
进入中断 读SBUF
Y N
收到“＃”？
Y
收到“！”？
N
收到第一个字 符，字符序＝1
收到第六个字 符，字符序R4 ＝5
字符序
＝1 ＝2 ＝3 ＝4 其他
接收到字符为 通道号
接收到字符 为脉宽系数 百位,装入R1
接收到字符为 脉宽系数十 位,装入R2
接收到字符 为脉宽系数 个位,装入R3
第一关节
单片机 控制板
第二关节
第三关节
二、解决的关键技术
1、上位机部分：PC控制界面设计、
RS-232通信程序； 2、单片机控制部分：通信接口、I/O 接口； 3、电机驱动与定位控制
三、完成的主要工作
1. 单片机控制板设计 芯片选择：C8051F系列单片机 优点：资源丰富，内部有AD、DA等可以使用软件 进行配置，大大简化了硬件电路，也大大方便 了功能扩展；运行速度快，70％的指令只需1～ 2个系统时钟周期，而不用进行12分频，最高可 达25M速度，比传统51单片机快至少10倍。并 且其片内调试电路提供全速、非侵入式的在系 统调试，不需要仿真器，而只需要一个适配器 就可以进行在线调试。
字符序＝0
字符序＋1
将R1,R2,R3中 的BCD码转换 成十六进制装 入R7 清中断标志
退出中断
5. 机械臂制作（模型）Βιβλιοθήκη 谢谢指导！一、课题介绍
本课题研究了一种三自由度机械臂的控制 方法与实现，采用伺服舵机驱动，单片机 +PC机两级控制，完成控制系统的软硬件 设计。单片机通过RS-232串口接收来自上 位机的运动指令，并将其转换成伺服舵机 的运动控制脉冲，输出并驱动伺服舵机， 实现了机械臂各关节的运动控制。
三自由度机械手设计
三自由度机械手设计机械手是一种用于代替人手完成各种复杂或危险操作的机械装置。
三自由度机械手是指具有三个独立自由度的机械手。
在机械手设计中，三自由度机械手是较为简单且常见的一种类型。
三自由度机械手通常由机械臂和手爪组成，其中机械臂负责定位和移动，手爪负责抓取和放置物体。
机械臂由三个关节连接起来，每个关节都可以独立控制。
这意味着机械臂可以在三个轴上进行旋转和伸缩，从而实现空间中的定位和移动。
1.功能需求：首先需要明确机械手的功能需求，例如需要抓取什么类型的物体以及进行什么样的操作。
不同的功能需求会对机械手的结构和控制系统产生影响。
2.结构设计：机械手的结构设计包括关节、连接杆和运动范围等方面。
关节可以使用电机或气动缸等驱动装置实现，连接杆需要具有足够的强度和刚性。
运动范围的设计需要考虑机械手需要移动到的位置和空间，以及机械手的工作环境。
3.控制系统设计：机械手的控制系统包括传感器、运动控制器和驱动装置等。
传感器用于获取机械手当前的位置和姿态信息，运动控制器用于计算并控制机械手的运动轨迹，驱动装置用于实际驱动机械手的运动。
4.安全性设计：机械手操作时需要考虑其安全性。
例如，在操作过程中需要设置足够的安全间距，以避免机械手发生碰撞。
此外，机械手还可以通过使用力传感器和视觉系统等技术，实现对工作环境和物体的感知和识别，以提高操作的安全性和精确性。
在实际应用中，三自由度机械手广泛用于工业生产线上的自动化操作。
它可以完成物体的抓取、搬运、装配等任务，提高生产效率和质量。
同时，由于其结构相对简单，成本相对较低，因此也被广泛应用于教育和研究领域。
总而言之，三自由度机械手是一种常见的机械手类型，在设计中需要考虑功能需求、结构设计、控制系统设计和安全性设计等方面。
它在提高生产效率和质量方面具有重要的应用价值，并且具有较低的成本，因此在工业、教育和研究等领域广泛应用。
3自由度机械臂雅可比矩阵
3自由度机械臂雅可比矩阵机械臂是一种能够进行复杂运动的设备，广泛应用于工业生产、医疗手术、物流仓储等领域。
在机械臂的运动控制中，雅可比矩阵是一个重要的工具，用于描述机械臂末端执行器（比如夹具、工具等）的速度与关节角速度之间的关系。
本文将介绍3自由度机械臂的雅可比矩阵及其应用。
一、机械臂的自由度机械臂的自由度是指机械臂执行器的自由运动能力，也可以理解为机械臂关节的个数。
例如，一个具有3个关节的机械臂就是3自由度机械臂。
自由度的多少决定了机械臂的灵活性和运动范围。
二、雅可比矩阵的概念雅可比矩阵是用于描述机械臂末端执行器的速度与关节角速度之间关系的矩阵。
它可以通过对机械臂的运动学和几何学分析得到。
在3自由度机械臂中，雅可比矩阵是一个3×3的矩阵，其中每个元素表示末端执行器在x、y、z方向上的速度与关节角速度之间的关系。
三、3自由度机械臂的雅可比矩阵对于一个具有3自由度的机械臂，雅可比矩阵可以表示为以下形式：J = [J1 J2 J3]其中，J1、J2、J3分别表示末端执行器在x、y、z方向上的速度与关节角速度之间的关系。
具体而言，J1表示末端执行器在x方向上的速度与关节角速度之间的关系，J2表示末端执行器在y方向上的速度与关节角速度之间的关系，J3表示末端执行器在z方向上的速度与关节角速度之间的关系。
四、雅可比矩阵的应用雅可比矩阵在机械臂的运动控制中有着广泛的应用。
通过雅可比矩阵，我们可以根据末端执行器的期望速度来计算每个关节的角速度，从而实现对机械臂的精确控制。
同时，雅可比矩阵还可以用于反向运动学问题的求解，即通过已知末端执行器的速度来求解各个关节的角速度。
在实际应用中，雅可比矩阵的计算是一个复杂且耗时的过程。
为了简化计算，可以利用机械臂的几何结构和运动学参数，采用数值方法或近似方法来估计雅可比矩阵。
同时，由于雅可比矩阵与机械臂的运动学参数密切相关，因此在设计机械臂时需要合理选择机械结构和参数，以保证雅可比矩阵的计算精度和稳定性。
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CLRP1.1
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串行通信子程序流程图：
进入中断 读SBUF
Y N
收到“＃”？
Y
收到“！”？
N
收到第一个字 符，字符序＝1
收到第六个字 符，字符序R4 ＝5
字符序
＝1 ＝2 ＝3 ＝4 其他
接收到字符为 通道号
接收到字符 为脉宽系数 百位,装入R1
接收到字符为 脉宽系数十 位,装入R2
接收到字符 为脉宽系数 个位,装入R3
通信时序——采用方式1
方式1提供标准的异步、全双工通信，每个数据字节共使 用10位：一个起始位、8个数据位（LSB在先）和一个停 止位。数据从TX引脚发送，在RX引脚接收（。在接收时， 8个数据位存入SBUF，停止位进入RB8（SCON.2）
■
通信协议格式
# 起 始 位 CHX 通 道 号 D3 脉 宽 系 数 百 位 D2 脉 宽 系 数 十 位 D1 脉 宽 系 数 个 位 ! 终 止 符
总体方案
机械手 (电磁铁)
第一关节
单片机 控制板
第二关节
第三关节
二、解决的关键技术
1、上位机部分：PC控制界面设计、
RS-232通信程序； 2、单片机控制部分：通信接口、I/O 接口； 3、电机驱动与定位控制
三、完成的主要工作
1. 单片机控制板设计 芯片选择：C8051F系列单片机 优点：资源丰富，内部有AD、DA等可以使用软件 进行配置，大大简化了硬件电路，也大大方便 了功能扩展；运行速度快，70％的指令只需1～ 2个系统时钟周期，而不用进行12分频，最高可 达25M速度，比传统51单片机快至少10倍。并 且其片内调试电路提供全速、非侵入式的在系 统调试，不需要仿真器，而只需要一个适配器 就可以进行在线调试。
主程序流程图
开始 MAIN T1为计数器初始值0， T0为计时器，自动重装 模式
T0,T1,T2,T3开 启
TL1=R7？
TH1:TL1=0000H
电机号寄存器 R6
＝1 ＝2
＝3 CLRP1.2
＝4 CLRP1.3
＝5 CLRP1.4
＝6 CLRP1.5
＝7 CLRP1.6
＝8 CLRP1.7
CLRP1.0
单片机控制板原理图：
显示模块原理图
2. 执行器： 采用伺服舵机 ★ 实现各环节运动控制； ★ 能同时控制多个关节的运动； ★ 有较高的定位精度。
伺服舵机控制图
伺服舵机定位控制原理
3. 上位机人机界面设计 ★ 采用VB编写 ★ 界面图
串口配置：
4. RS232串行通信
★ 接口电路设计 ★ பைடு நூலகம்口程序设计 单片机通信方式：
三自由度机械臂 计算机控制系统
作者： 姜陈炀 徐超 指导教师：陈国定
一、课题介绍
本课题研究了一种三自由度机械臂的控制 方法与实现，采用伺服舵机驱动，单片机 +PC机两级控制，完成控制系统的软硬件 设计。单片机通过RS-232串口接收来自上 位机的运动指令，并将其转换成伺服舵机 的运动控制脉冲，输出并驱动伺服舵机， 实现了机械臂各关节的运动控制。
字符序＝0
字符序＋1
将R1,R2,R3中 的BCD码转换 成十六进制装 入R7 清中断标志
退出中断
5. 机械臂制作（模型）
谢谢指导！