“慧鱼模型”三自由度机械手

“慧鱼模型”三自由度机械手设计小册学院：机电工程学院班级：机械设计与制造指导老师：姓名：学号：************一、概述 (1)1.1机电一体化技术 (1)1.1.1机电一体化技术的定义和内容 (1)1.1.2机电一体化系统组成 (1)1.2. 慧鱼机器人 (2)1.2.1慧鱼创意教学组合模型简介 (2)二、机器人的组成 (3)2.1组成构件 (3)2.2慧鱼机器人分析 (6)2.2.1机器人机构组成 (6)2.2.2主要成分构成及功能 (7)2.3. 机器人的工作空间形式 (9)2.4机器人的机械运动形态和变换控制 (11)2.5机器人的位移、速度、方向的控制方法 (13)一、概述1.1机电一体化技术1.1.1机电一体化技术的定义和内容机电一体化技术综合应用了机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术,接口技术及系统总体技术等群体技术,从系统的观点出发,根据系统功能目标和优化组织结构目标,以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础,对各组成要素及相互之间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下,形成物质和能量的有规则运动,在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。

1.1.2机电一体化系统组成1.机械本体机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。

2.检测传感部分检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。

3.电子控制单元电子控制单元是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地进行。

4.执行器执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。

执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。

5.动力源动力源是机电一体化产品能量供应部分，是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。

提供能量的方式包括电能、气能和液压能。

1.2. 慧鱼机器人1.2.1慧鱼创意教学组合模型简介1964年，慧鱼创意教学组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是由德国发明家Arthur Fischer 博士在 1964 年从其专利“六面拼接体”的基础上发明的。

它是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。

慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。

它由各种型号和规格的零件构成，类似于积木。

零件的种类很多，几乎包括了机械课程和日常生活中的所有零件，如机械零件：连杆、凸轮、齿轮（普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮等）、蜗轮、蜗杆、螺杆、铰链、带、链条、轴（直轴和曲轴）、联轴器、弹簧、减速器、齿轮箱、车轮等；电气零件：直流电机、灯泡、电磁气阀、行程开关、传感器（光敏、热敏、磁敏、触敏）、可调直流变压器、电脑接口板、PLC 接口板、红外线发射接收装置等；气动零件：储气罐、汽缸、活塞、气弯头、手动气阀、电磁气阀、气管等。

由这些零件的不同组合便可构造出各式各样的模型，这些模型主要可分为两大类：技术组和机器人组。

技术组又包括传感器技术组、气动技术组、汽车技术组、太阳能技术组、万能组合包。

机器人组又包括3D 机器人、计算机器人、实验机器人、工业机器人、移动机器人和气动机器人。

在慧鱼实验过程中，通过对各类模型的认识和组装，从而可以熟悉并掌握各类机械设备和自动化装置的常用结构和工作原理。

在模型的组建中，将运用到机械加工、气动技术、电子电路和软件编程等知识，从而加深了对这些相关课程的理解。

另外通过慧鱼模型的搭建和组装也培养了实际动手的能力、解决实际问题的能力和创新设计的能力二、机器人的组成2.1组成构件2.2慧鱼机器人分析此次机电一体化创新设计项目，我们所完成的是慧鱼工业机器人中的三自由度机械手，它能够通过智能控制接口盒的编程控制实现三个自由度方向（旋转、水平、垂直）的夹取或放置物品，因此操作范围大，灵活性好。

2.2.1机器人机构组成如图2.1所示，该机器人为三自由度机械手，其机械手爪有夹紧和松开物件的功能，由三个电机驱动三个自由度的运动，由一个电机控制手爪的夹紧和松开。

可实现整体的旋转、水平、垂直运动及手爪的夹紧、松开运动。

该机械人可通过PC 对控制芯片进行编程，从而输出控制信号到各电机，驱动机械人的运动方向或行程，从而夹取或放置物件。

图2.1 机械手机构组成2.2.2主要成分构成及功能1、机械手基座旋转运动图2.2.1机械手基座旋转运动UG模型图该运动主要构件有电动机、减速箱、蜗杆、齿轮。

2.机械手水平运动图2.2.2机械手水平运动UG模型图该运动主要构件有主要运动构件有电动机、减速箱、丝杆、螺旋传动块、导杆。

3、机械手垂直运动图2.2.3机械手垂直运动UG模型图该运动主要构件有主要运动构件有电动机、减速箱、丝杆、螺旋传动块、连杆机构4、机械手爪夹紧与松开运动图2.2.4机械手爪夹紧与松开运动UG模型图该运动主要构件有主要运动构件有电动机、减速箱、传动轴、万向铰链、螺旋传动块、连杆机构。

2.3. 机器人的工作空间形式该机器人的工作空间形式主要有三个自由度的运动和机械手爪的夹松运动。

1、自由度一：机械手基座的旋转运动，如图2.3.1所示图2.3.1 机械手基座的旋转运动电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到蜗杆，蜗杆与齿轮啮合传动，齿轮转动带动整个底座进行旋转运动。

2、自由度二：机械手的水平运动，如图2.3所示图2.3.1机械手的前后运动电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到丝杆，再通过链条和螺旋机构转化为工作台的前后运动。

3、自由度三：机械手的垂直运动图2.3.2机械手的上下运动电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到丝杆，再通过链条和螺旋机构转化为水平前后运动，最后经连杆机构转化为机械手的上下运动4、机械手爪的夹紧与放松运动图2.3.3通过上面的电机控制开夹图2.3.4机械手夹紧与放松运动电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到传动轴，不同轴线的各传动杆通过万向铰链进行连接并传递动力，最近将杆件的旋转运动通过螺旋机构转化为手爪的夹紧或松开运动。

2.4机器人的机械运动形态和变换控制1、机械手基座的旋转运动如下图所示，传动方式为：控制信号—电机—减速箱—圆柱蜗杆传动—基座电动机减速箱图2.4.1机械手基座的旋转运动机构简图2、机械手的水平运动如下图所示，传动方式为：控制信号—电机—减速箱—螺旋机构—机架图2.4.2机械手的前后运动机构简图3、机械手的垂直运动如下图所示，传动方式为：控制信号—电机—减速箱—螺旋机构—连杆机构—机架图2.4.3机械手的垂直运动机构简图电动机 减速箱电动机 减速箱4、机械手爪夹紧与放松运动如下图所示，传动方式为：控制信号—电机—减速箱—传动轴—万向铰链—传动轴—螺旋机构—连杆机构—手爪电动机夹紧气缸图2.4.4机械手爪夹紧与放松运动机构简图2.5机器人的位移、速度、方向的控制方法该机器人整体与控制芯片盒连接，并通过PC的程序编制与载入，将控制信号输送到电机。

其中速度控制信号将控制电机的速度从而实现机器人的运动速度转变，并且时间控制信号将于速度控制信号配合实现机器人的运动位移量可调。

为了防止超出行程，各主要机械运动构件附近安装有限位行程开关，以限制运动的极限位置，同时也是运动的起始位置；当各运动构件运动碰到两边的限位行程开关后，机器人将停止运动。

1、机械手基座的旋转运动位移速度控制动力源（电机）接收到控制芯片的位移速度控制信号后动作，由于电机转速较高，通过减速箱的作用，调节电机转速到较低的合适量。

动力输出轴通过蜗轮机构将动力转换为基座齿轮的转动。

躯干的理论旋转范围为0°～360°。

2.机械手的水平运动位移速度控制动力源（电机）接收到控制芯片的速度位移控制信号后动作，由于电机转速较高，通过减速箱的作用，调节电机转速到较低的合适量。

然后动力轴的转动通过螺旋机构转化为机架的水平前后运动。

3、机械手的垂直运动位移速度控制动力源（电机）接收到智能控制接口盒的速度位移控制信号后动作，由于电机转速较高，通过减速箱的作用，调节电机转速到较低的合适量。

减速箱输出动力到丝杆，再通过螺旋机构转化为机架的前后水平运动，最后通过连杆机构转化为机械臂的上下摆动。

4、机械手爪夹紧与放松运动位移速度控制动力源（电机）接收到控制芯片的速度位移控制信号后动作，由于电机转速较高，通过减速箱的作用，调节电机转速到较低的合适量。

减速箱输出动力到传动轴，各传动轴因轴线不在同一水平线上故需通过万向铰链连接，最后传递到螺旋机构，带动连杆机构从而形成机械手爪的夹紧与松开运动。