机械臂设计论文范文精选

1机械臂MatLab模型建立

机械臂的模型仿真采用MatLab平台下的RoboticsToolbox工具箱，从而可以很方便地对机械臂运动学的理论进行学习和验证。工具箱内部包含了很多机械臂运动学方面的功能函数，如机械臂的坐标变换及机械臂正逆运动等。通过调用Link和Robot两个功能函数，利用Denavit－Hartenberg参数表来描述机械臂各个连杆间的位移关系，可以在三维空间为机械臂的每一个连杆建立一个坐标系或相对于机械臂底座的相对坐标系，进而确定每一个杆件的位置和方向。在建立多个运动坐标的时候，为了方便，一般建立一张关节和连杆参数的D－H参数表。根据图4所示的结构模型建立的参数如表1所示。利用表1建立的D－H参数表来进行机械臂数学模型的运动仿真，在Matlab中将6个关节初始角度按照表1设置为θ1=90°、θ2=0°、θ3=0°、θ4=－90°、θ5=90°、θ6=0°。通过调节工具箱中每个自由度对应的活动范围可以实现机械臂任一关节的位姿运动。

2机械臂控制系统硬件实现

采摘机械臂要实现其特定的动作离不开控制系统的支持，其控制系统主要由AVR主控板和舵机控制扩展板组成，此外还有一些辅助的硬件模块。例如，使其系统稳定工作的开关电源模块、调整工作姿态的键盘模块、实现人机对话的显示模块和语音播报模块。同时，为了实现在上位机上的监控，设计了基于MAX232的串行通信接口。

3机械臂控制系统软件实现

机械臂控制系统软件主要由主控板控制程序和上位机监控程序两部分组成。采摘机械臂主程序流程如图8所示。整个程序主要是通过键盘模块上按键的控制来切换操作模式，也可以在上位机设计的监控软件中来进行模式的选择判断。主程序主要由单自由度功能模式、多自由度功能模式、轨迹规划功能模式这3种工作模式组成，通过这3种工作模式，可以完整的展示采摘机械臂的整体自由度配合情况。为了在上位机上实现对机械臂的监控，借助于Labview软件设计了机械臂上位机控制系统。Labview使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式［6］。根据需求选择合适的控件并进行合理的布局，就可以构建一个美观的仪器仪表界面。设计的控制界面如图9所示，该界面包含有六个舵机的数据监控转盘、串口通讯设置、速度调节滑块、按键模块。通过RS232通信协议该监控软件可以实时的实现对六个自由度转角和方向的控制，其中舵机转盘上的数值代表脉宽值，其可调整的范围为500～2500μs，代表舵机相应的角度为0°～180°。在上位机上的控制信号发送给AVR主控制板，主控制板对接收到的上位机数据进行分析处理，将需要的运动形式及参数发送给舵机控制板，各个舵机根据接收到的控制数据进行相应的动作响应。

4结语

重点介绍了一种基于AVR单片机的果蔬采摘机械臂的硬件和软件系统，并借助于Denavit－Harten-berg(D－H)理论构建机械臂系统的数学模型，同时采用MatLab平台下的RoboticsToolbox工具箱进行数学模型的运动仿真。测试应用表明:该机械臂性能稳定、可靠性高，能够完成一系列在特定空间范围内果实的采摘工作。同时，还可以用在农业装备、机器人控制、数控设备和装配等领域，具有广阔的市场应用前景。

摘 要 通过设计一种六自由度机械手臂实验装置，由底座、手臂、手腕、手部组成，采用直流电机驱动，程序控制，为控制算法和控制理论的测试、检验提供了实验平台，更好的进行对机械手的控制研究。本文从三方面：机械手臂机构设计、机械手臂驱动设计、机械手臂控制系统设计，对六自由度机械手臂实验装置的设计进行论述分析。

关键词 机械手 结构设计 控制系统

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

摘 要本文针对串联六自由度机械臂，在分析该型机械臂构型及运动学问题的基础上，提出了一种该型机械臂的逆运动学解析算法。利用上述逆运动学求解方法，对机械臂各关节进行了工作轨迹规划。基于机械臂的Simulink-ADAMS联合仿真模型，对优化后的大臂杆关节控制参数进行协同优化，实现机械臂控制系统与机械构型的协同优化。对比协同优化前后的机器人系统实现相同工作路径时末端位置的误差，验证控制系统协同仿真优化方法对机器人重复定位精度提高的有效性。

【关键词】控制系统 联合仿真 协同优化

针对机械臂而言，其机械系统和控制系统是密切相关的，两个系统的性能共同决定了机械臂的整体性能，最根本的体现就是在机械臂末端的重复定位精度上。

为了优化机械结构以提升机械系统性能指标，满足设计要求，结构优化设计的概念被提出。结构优化设计就是在工程设计的过程中，不再局限的依靠设计者给定具体的设计方案，而是结合最优化理论的数学思想，在设计变量的取值范围内寻找最优的设计方案，大大缩短了设计周期，提升了设计效率和质量。

目前，利用结构优化设计方法来完成机器人的结构设计工作被越来越多的设计人员所采用，并取得了大量的研究成果。根据设计变量的不同，可以将机器人的结构优化设计分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三个层次。

就机械臂而言，其拓扑优化设计主要包括两方面的研究内容：

（1）对于机械臂机构，在机器人概念设计初期，在初始设计空间，根据设计指标，对机器人整体机构形式进行拓扑优化设计；

（2）对于机械臂零件，在零件所受载荷确定的情况下，对其拓扑结构进行优化设计。拓扑优化在优化过程中改变拓扑构型的同时也改变了尺寸及形状参数，与尺寸优化和形状优化相比具有更大的自由度。

摘要 现代农业的发展离不开现代化的农业机械，而现有的瓜果采摘机械臂难以满足全方位采摘瓜果的需要，针对这种不足，通过改进瓜果采摘机械臂设计原理及方法，创制了能在任意空间目标点采摘瓜果的机械臂，并对新改进的机械臂进行了试验，取得了预期的结果，这对现代化农业的发展是大有益处的。

关键词：瓜果采摘，农业机械，机械臂改进

1.瓜果采摘机械的现状及改进的意义

现代化农业的发展是我国农业发展的必然趋势，而现代农业的发展离不开农业科技技术的不断进步，未来农业生产的发展也离不开机械化。而现有的瓜果采摘机器人的机械臂存在着不少问题，如它们大多直接购买现有工业机械手，而这些机械手不但成本较高，且所占空间大，在采摘瓜果的过程中往往不尽如人意，这些问题无疑会影响农业生产。因此针对现在瓜果采摘机械臂的这种不足，通过改进瓜果采摘机械臂设计原理和设计方法，创制了能在采摘范围内的任意目标点采摘瓜果的机械臂，并对新改进的机械臂进行了验证试验，验证了这种新创制了瓜果采摘机械臂的有效性和实用性，这对现代化农业的发展是大有益处的。

2.农业采摘机械臂设计原理的优化与创新

瓜果采摘的机械化是现代农业的需要，而使用农用机械进行瓜果采摘仍需要遵循瓜果采摘的一般要求，那就是这些机械设备要占地面积小，采摘的范围要大，采摘瓜果要灵活且准确率高，并且要减少采摘给瓜果原株成长造成的伤害。因此，这些就决定了瓜果采摘机械臂的设计要尽可能满足这些要求，另外还要降低采摘成本，提高采摘瓜果的效率，适应现代市场经济发展的需要。而传统的农用瓜果采摘机器人所使用的机械臂，多是直接购买现有工业机械手，它们不但成本较高，且所占空间大，在使用过程不尽人意。为了保证新改进的机械臂采摘的灵活性，研制出新型的瓜果采摘机械臂，而改进了传统瓜果采摘机器人的设计原理和设计方法。

传统农业机器人的结构设计主要包括四大类：直角型、圆柱型、坐标型和关节型。对这四种机器人的优劣进行了综合的分析对比，最终选择了关节型的瓜果采摘机器人的结构设计。理论上6个自由度的机械臂设计虽然可以达到三维空间的任何点，但这种按照这种理论设计出来的机械臂往往结构比较复杂，在采摘瓜果的过程中不易控制。而同样是通过三维空间来确定采摘瓜果的目标位置，采用了4个自由度来控制机械臂灵活性的设计更具优势和实用性。

3.瓜果采摘机械臂设计方法的改进

【摘 要】机器人的机械臂设计与开发属于机电一体化领域的课题。本文结合机械臂设计的标准化与产品的通用性需求，着重对其进行系统分析和设计，包括旋转关节、传动系统、减速系统进行实现，具有比较好的理论价值与实践意义。

【关键词】机器人；手臂关节；机械设计

1.引言

从机械手臂投入商用起，已经有了几十年的应用和发展历史。将模块化的设计思路与理念引入机械手臂的设计中，能够充分发挥其灵活、可拆分、可组合的特点，并将其应用于更多的场合，包括服务机器人，工业生产制造领域、医疗领域等等。本文结合机械臂设计的模块化理念，着重对其进行系统分析和设计，包括旋转关节、传动系统、减速系统进行实现，具有比较好的理论价值与实践意义。

2.机器人手臂关节机械设计

2.1手臂关节模块

手臂关节模块包含了许多零部件，主要有旋转电机、减速器和反馈单元等。在手臂关节的内部固定了控制单元和传动系统，以二级减速传动作为传动模式，即齿轮减速传动与谐波减速传动，这种传动模式可以支持手臂关节自由度之内的回转运动。下面具体阐述其设计方案：

(l)模块外壳方案

摘 要：本研究旨在探讨重力给空间机械臂运动控制带来的影响。在简要介绍空间机械臂的相关内容的前提下，结合双关节旋转空间机械臂，完成空间机械臂动力学模型的构建，并通过仿真研究基于动力学设计和轨迹跟踪控制的空间机械臂运动控制系统，希望能够给研究空间机械臂运动控制的人员供参考和帮助。

关键词：重力；空间机械臂；运动控制；动力学模型；轨迹跟踪控制

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

摘要：该文主要对四自由度机械臂控制系统进行了研究与设计，用于识别物体并抓取运输。首先，该文先对机械臂的整体机械结构进行设计包括它的底座、躯干、以及机械爪等，然后选择合适的躯干以及钩爪的驱动方式，构建出机械臂的机械结构部分；然后，我们则对其运动方式进行设计，包括电路控制板和驱动装置的选择，数据的接收以及发送方式，以及后期图像接口的设计等；在软件系统上选择了可移植能力强大的OpenCV，其提供的视觉处理算法非常丰富强大：扫描图像对齐、图像去噪、物体分析等，从而加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性。实验表明，该机械臂控制系统采用OpenCV不仅具有很好的控制精度，还具有很好的稳定性、准确性，而且在很大程度上改善了定位精度。

关键词：六自由度机械臂；OpenCV；伺服；制动

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。

摘要：在制造业飞速发展的今天，工厂和企业为了提高自己生产上的绩效，而且也可以在一定程度上提高产品质量，还可以提高企业整体机械自动化的程度。工业机器人和工业自动化的水平关系到一个国家整体制造业发展的水准，所以国家的制造业要想得以快速发展，就必须要意识到工业机器人和工业自动化建设的重要性。因此，本文首先概述了机械手臂的组成和工作模式；其次，根据机械手臂以上的基本理论和原理的基础上，设计一种多关节智能机械手臂控制系统，进而使得机械手臂的工作效率大大提高，智能性也逐步增强。

关键词：机械手臂；智能；控制系统；设计

前言

由于机械手臂是近现代制造业发展中出现的新型的技术形式，它的逐步发展使得企业整体的生产水平得以进一步提高，因此在这种条件下开发研制一种多关节智能机械手臂，但是这种机械手臂所要涉猎学科广泛，包括机械学、力学和计算机信息技术等，这就使得机械手臂在控制上常常出现一些不足，因此本文主要基于机械手臂的工作原理和构成，采用CAN总线对于机械手臂进行智能控制，可以使得机械手臂的控制能力大大提高。

1.概述机械手臂的组成和工作模式

1.1机械手臂的组成

机械手臂主要是由控制系统和驱动装置、执行装置组成。首先，执行装置主要由手掌和腕部、手臂等组成，主要的用来抓取一些部件和工具，而且它可以根据不同抓取物的大小和形状变换不同的方式抓取；驱动装置主要是使得手臂变换不同的形态对于抓取物进行灵活抓取；控制系统主要是利用网络和多媒体信息技术对于整个机械手臂的自由度进行控制，进而使得机械手臂的自由度进一步提升，相对于以前的点动和连续性控制效率大大提高。由于现在大多的工厂采用伺服电动和计算机信息技术进行机械手臂控制的[1]。

1.2机械手臂的工作模式

摘 要： 基于慧鱼技术构思设计了机械手臂模型。设计的主要内容包括机械手臂的总体方案设计，完成机械系统方案设计和模型的制作，对机械手臂在搬运物品过程中的动作指标进行了整体规划，最后编制完成了整体控制程序并进行了调试。通过对机械手臂方案的运行试验表明：该系统结构简单，原理可行。

关键词：慧鱼技术 机械手臂 控制程序

roject Design of a Mechanical arm Based on Fischer Technology

Liao Shengwen Wang Yuqin Zhang Xiaoying Wu Na Yang Jian

（ChaoHu University Chaohu city 238000）

Abstract： Fischertechnik model based on the conceptual design of the mechanical arm. Design of the main content including the overall design of the mechanical arm， complete mechanical system scheme design and model making， of mechanical arm in the process of cargo handling the operation parameters of the overall planning， the final preparation of the completed the overall control program and debugging. The experimental results show that the structure of the system is simple and feasible.

Key words： Fischer Technology；mechanical arm；control program

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）10-0270-02

摘要：本文成功解决了机械臂运动路径设计问题，分别针对机械手臂的三种运动状态即在无障碍物空间内的点到点运动、在无障碍物空间下的沿已知曲线的运动以及有障碍物情况下的点到点的运动，给出相应的规划模型，并提出“转角遗传算法”和“指令系列遗传算法”有效求解了模型。该模型具有一定现实意义，模型可用来推广。

关键词：六自由度机械臂 遗传算法 避碰问题 机械臂设计

1.模型分析

首先对模型进行假设，假设已知机器人初始的位姿和目标点，反解机器人在由初始位姿到达目标点的过程中的各个动作？机器人在初始位姿时的各个连杆的相对空间关系是确定的，那么就可以求出连杆坐标系 和连杆坐标系 之间的奇次变换矩阵，本文在这些奇次变换矩阵，设计了另外得求解方法，即利用非线性规划模型求出指尖最接近目标点时的旋转角度，从而可以求出目标点的旋转角度与初始姿态的旋转角度之差 。

假设在初始位置与目标位置之间的区域中有若干个已知大小、形状、方向和位置的障碍物，为了不损坏机器，要求机械臂在运动中始终不能与障碍物相碰（机械臂连杆的粗细自己设定）？由于各个障碍物的大小、形状、方向和位置是已知的，那么就可以确定障碍物的空间范围，只要保证机器人各个连杆滑过的空间范围不与障碍物的空间范围不相交，那么机械臂就不会与障碍物相碰。

2. 模型建立、求解与结果分析

2.1模型建立与求解方法

针对本模型中的六自由度机械臂，可以首先对六个关节点建立了D-H 四点参数坐标系。