自动分拣机械手的设计

1、:自动分拣机械手的设计 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题题 目：目： 自动分拣机械手的设计自动分拣机械手的设计 作作 者：者： 指导教师：指导教师： 王稳王稳 职称（讲师、工程师）职称（讲师、工程师） 专专 业：业： 机电一体化技术机电一体化技术 时时 间：间： 二零一一年五六月二零一一年五六月 毕业设计（论文） i 题目：自动分拣机械手的设计 毕业设计共 26 页 自动分拣机械手实物：1 件 完成日期：2011 年 4 月 30 日 答辩日期：2011 年 5 月 7 日 :自动分拣机械手的设计 ii 摘要摘要 机械手是一种模仿人体上肢运动的机器，它能按照预定要求输送工种或握持工

2、具进 行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重 要作用。因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。 目前来讲，工业机械手可以代替人工的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高 劳动生产率和自动化水平。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、 有污染环境条件上进行操作，更显其优越性，有着广阔的发展前途。虽然市场上机械手 很多，但成本较高，一些小的行业或企业无力承担。正是基于此种考虑，本论文主要是 研究设计了一种小型、廉价的自动分拣机械手。该机械手通过单片机控制使机械手具有 智能化从而对件进行智能分拣，避免重复劳动，提高工作效率，尤其是成本较低

3、。因此， 非常适合小型企业单位的应用，具有良好的市场价值和应用前景。 关键词关键词：分拣；机械手；自动化；分拣；机械手；自动化； 毕业设计（论文） iii 目 录 前言 .1 1 1 课题来源与现实意义课题来源与现实意义.2 1.1 机械手的概述.2 1.2 自动分拣机械手的设计目的与意义.2 1.3 主要研究内容.3 1.4 机械手的发展趋势.3 2 2 控制方案比较控制方案比较.4 4 2.1 采用 plc 控制.4 2.2 采用单片机控制.4 3 3 机械手的组成机械手的组成.6 6 3.1 执行机构.6 3.1.1 执行机构各部分介绍.6 3.1.2 设计机械手的要求.8 3.1.3

4、机械手驱动力的计算.8 3.2 驱动机构.9 3.3 控制机构.9 4 4 机械手的基本结构机械手的基本结构.1111 4.1 stm32 单片机.11 4.2 舵机.12 :自动分拣机械手的设计 iv 4.3 光电传感器.13 4.4 红外测障传感器.14 5 5 机械手控制电路机械手控制电路.1515 6 6 系统设计系统设计.1616 6.1 系统设计流程图.16 6.2 分拣过程.17 6.2 程序设计.19 6.3 推广及应用前景.23 7 7 总结总结.2424 致谢致谢 .2525 参考文献参考文献 .2626 :自动分拣机械手的设计 0 前言前言 目前工业自动化在工业控制中越来

5、越普遍，这也极大地提高了的生产效率和产品质 量。而工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技、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。20 世纪 40 年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械 手搬运放射性材料，人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50 年代以后，机械手 逐步推广到工业生产部门，用于在高温污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为 机床的辅助装置在自动机床自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取 放刀具并按固定程序更换刀具等操作。 就机械手设计而言，它涉及到自动控制技术、传感器技术、系统设计、机械设计、 力学基础、计算机技术等学科领域，是典型的跨学科

6、综合技术。机械手的特点是，可通 过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体 现了人的智能和适应性。通过各项数据调研发现，机械手作业的准确性和各种环境中完 成作业的能力已被普遍认可，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 本毕业设计的机械手是自动分拣作用，该项目是源于机电工程系与阿沃依自动化设 备厂合作的校企科研项目“玉米棒自动分拣机的研究与开发” 。通过市场调研发现，目前 玉米棒分拣大多依赖于人工分拣来实现。采用人工分拣，一方面工作效率低，劳动强度 大；另一方面，人力成本逐年上交，对中小企业造成很大的经济压力。因此，该毕业设 计的自动分拣机械手，作用是代替人从事

7、单调、重复的玉米分拣的体力劳动，实现生产 的机械化和自动化。 毕业设计（论文） 1 1 1 课题来源与现实意义课题来源与现实意义 1.11.1 机械手的概述机械手的概述 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或 操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“上下料机械手” 。生产中应用 机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实 现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣 的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、 锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及

8、轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛 的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是 附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现 重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手” ，简称通用机械手。由于通用机械 手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中 获得广泛的应用。 1.21.2 自动分拣机械手的设计目的与意义自动分拣机械手的设计目的与意义 该毕业设计的自动分拣机械手属于搬运机械手。所谓搬运机械手，就是将机械手安 装在移动平台之上。这种结构使机械手拥有很大的操作空间和高度的运动冗余性，并

9、同 时具有移动和操作功能，这使它优于传统的机械手，因此在危险作业、制造业、服务业 等行业具有广阔的应用前景。但由于结构复杂、强耦合、非线性、非完整性等问题的存 在，都使得对搬运机械手的研究具有相当的挑战性。 之所以选择该毕业设计项目，源于机电工程系与阿沃依自动化设备厂合作的校企科 研项目“玉米棒自动分拣机的研究与开发”(该毕业设计是校企合作项目中的方案之一)。 通过市场调研发现，目前玉米棒分拣大多依赖于人工分拣来实现，主要是根据玉米棒的 重量大小和粗细程度来分类。对于中小类型的玉米棒生产企业来讲，均是采用人工分拣 来实现玉米棒的分类。这样做，一方面工作效率低，劳动强度大；另一方面，人力成本 逐

10、年上升，对中小企业造成的经济压力逐年上升。该设计的自动分拣机械手，作用是代 替人从事单调、重复的玉米分拣的体力劳动，它的优点是效率高，成本低，可开发性强， :自动分拣机械手的设计 2 尤其符合中小企业的需求，具有良好的市场前景。 1.31.3 主要研究内容主要研究内容 本文通过前期的市场调研，确定了分拣机械手的系统结构，完成了机械手的整体设 计工作，包括传动部分、执行部分、驱动部分等；另外，根据系统结构，完成了自动分 拣机械手样件的加工和组建。 1.41.4 机械手的发展趋势机械手的发展趋势 现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。在电子 世界领域，从 20 世纪中的

11、无线电时代也进入到 21 世纪以计算机技术为中心的智能化现 代电子系统时代。而机械手控制系统则逐步发展为与计算机互联，使机械手控制系统更 加智能化，操作更加简单方便。随着自动化的发展，机械手（机器人）应用将更加普遍， 尤其随着汽车行业和塑胶行业的发展，西欧、日本、苏联和中国等地域机械手开始百花 争放，可以这样讲，未来的人类社会将是机械手的时代。 毕业设计（论文） 3 2 2 控制方案比较控制方案比较 对于机械手来讲，控制是其核心，相当于我们人的大脑，缺少了控制，就不能实现 任何动作。而对于自动分拣机械手控制而言，运行稳定，结构简单，价格便宜是我们选 择控制方案的基本要求。基于实际需要，本控制方

12、案有两种，分别是 plc 控制和单片机 控制。 2.12.1 采用采用 plcplc 控制控制 可编程序控制器(plc)已在工业生产过程的自动控制中得到了广泛的应用。它是以微 处理器为核心,综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动控 制装置,它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系 列优点。plc 在机床电气、食品工业、化学工业、陶瓷工业、电力自动化设备、实验室 设备、电梯、中央空调、真空装置、恒压供水和化工系统中各种泵和电磁阀的控制等领 域已经得到了广泛的应用。所以，对于该分拣机械手首先想到的是 plc。采用 plc 能灵活 控制机械手的操

13、作，而且操作简单方便；另外，plc 控制器的稳定性是其成为工控首选的 原因。但是，它的价格昂贵。就本设计而言，主要是针对重量较轻、体积较小的物品进 行分拣，面对的客户主要是一些中小企业。所以，设计的要求之一是将生产成本降到最 低。plc 控制仅作为参考控制方案。 2.22.2 采用单片机控制采用单片机控制 单片机（single chip)是将计算机的 cpu、ram、rom、定时/计数器和多种 i/o 接口 （并行 i/o 口、串行口、a/d 转换器、脉冲调制器 pwm 等）集成在一片芯片上，形成了芯 片级的计算机，成为单片微型计算机。目前来讲，单片机控制具有如下特点。首先，种 类多，型号全。

14、很多单片机厂家逐年扩大适应各种需要，有针对性地推出一系列型号产 品，使系统开发工程师有很大的选择余地。大部分产品有较好的兼容性，保证了已开发 产品能顺利移植，较容易地使产品进行升级换代。其次，低功耗。现在新型单片机的功 耗越来越小，供电电压从 5v 降低到了 3.2v，甚至 1v，工作电流从 ma 降到 a 级。特别 是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节 :自动分拣机械手的设计 4 电等。这非常符合当前我们所倡导的绿色环保低碳的号召。所以，对于本自动分拣机械 手而言，采用单片机有体积小、质量轻、性价比高、灵活、方便、节省硬件开销等优点， 能够实现智能的控

15、制机械手。单片机虽然有一个五脏俱全的微计算机，但由于本身无自 开发能力，必须借助开发工具来开发应用软件，以及对硬件系统进行诊断。另外，单片 机内的 rom 比较小，所以在设计中系统必须在外面配置 eprom 电路和扩展电路，所以在 该项目中运用该方案必须完成： 1）硬件电路的设计、组装、调试； 2）应用软件的编制、调试； 3）应用软件的链接调试、固化、脱机运行。 依据单片机目前的发展状况，采用单片机控制的优点是： 1）成本较低。由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也 不高，所以整体设计起来，成本比较低。尤其适合我们这种针对中小企业市场的产品。 2）可以对外部存储容量根据需

16、要进行扩展，设计可以相对比较灵活。由于该自动分 拣机械手不仅针对一种产品，考虑到客户分拣不同产品的实际需求，我们可以对机械手 的控制进行灵活的改进和更新。 3）由于现存有许多已经设计很完善的子程序，在软件系统设计中可以直接调用，减 少较大工作量。 当然，采用单片机控制也有缺点，它的缺点是： 1）系统硬件设计相对比较复杂，运用该方案，该系统硬件设计包含扩展电路部分和 系统配置电路部分，所以该系统电路设计工作量相对较大，影响系统开发的时间。 2）系统的抗干扰能力相对较差，在系统设计中，需要对芯片、器件选择，去耦滤波、 电路板的布线，通道隔离以及屏蔽都需要考虑。 3）单片机稳定性不如 plc。 4）

17、维护维修相对比较麻烦，维修需要的时间也相对较长。 经过以上两种控制方案的分析比较，根据我们的实际控制需求，鉴于控制成本和智 能化，综合多方面因素考虑，本设计采用单片机控制是最优控制方案。 毕业设计（论文） 5 3 3 机械手的机械手的组成组成 机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。下面我们将分别介绍各部分 的设计。 3.13.1 执行机构执行机构 3.1.13.1.1 执行机构各部分介绍执行机构各部分介绍 1、手部：即直接与工件接触的部分。由于与 物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手。 本设计项目中采用夹持式手部结构。夹持式手部 由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物 件

18、直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转 型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易， 故应用较广泛，本设计采用回转型。手部多为两 指（也有多指，本设计采用两指） ；指形也有不同 设计，常用的指形有平面、v 形面的和曲面的，本 设计采用平面行的设计；手指有外夹式和内撑式， 本设计采用外夹式；另外，根据需要分为外抓式 和内抓式两种，本设计采用外抓式；也可以用负 压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光 滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。具体情况见图 3-1。 图 3-1 自动分拣机械手手部图 2、腕部： 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械 手的动作范围，并使机械手变

19、的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运 动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要 求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运 动驱动手部搬运工件。我们设计的腕部具体见图 3-2。 :自动分拣机械手的设计 6 图 3-2 自动分拣机械手碗部图 3、臂部：手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工 作或夹具） ，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意 一点。如果改变手部的姿态（方位） ，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部 具有三个自由度才能满足基本要求，即手

20、臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在 工作中既受腕部、 手部和工件的静、 动载荷，而且自 身运动较为多， 受力复杂。因此， 它的结构、工作 范围、灵活性以 及抓重大小和定 位精度直接影响 机械手的工作性能， 图 3-3 自动分拣机械手臂部图 具体见图 3-3。 毕业设计（论文） 7 3.1.23.1.2 设计机械手的要求设计机械手的要求 1.机械手应承载能力大，刚性好，自重轻。 机械手的刚性直接影响到机械手抓取工件时动作的平稳性，运动的速度和定位精度。 机械手一般都采用刚性也要有一定的要求，以保证能承受所需要的驱

21、动力。 2.机械手的运动速度要恰当，惯性要小。 机械手的运动速度一般是根据产品的生产节拍来决定，但不宜盲目是追求高速度。 机械手由静止状态达到正常的运动速度启动，以及由常速减到停止不动制动速度的 变化过程为速度特性曲线。 机械手自重轻，其启动和停止的平稳性就好。 3.机械手动作要灵活。 机械手的结构要紧凑小巧，才能使机械手运动灵活、轻快。对于夹取式的机械手， 就要计算机械手移动零件时的重量对回转、升降、支承中心的偏重力矩，偏重力矩过大， 会引起机械手的振动，在升降时还会发生一种沉头现象，也会影响运动的灵活性。 3.1.33.1.3 机械手驱动力的计算机械手驱动力的计算 机械手臂部伸缩运动时，需

22、要克服摩擦力和惯性力，其驱动力可按下式计算： pq =fm +fq 式中: fm -摩擦阻力，包括机械手与伸缩导机间的摩擦阻力； fq -机械手在起动过程中的惯性力； 其大小可按下式计算: fq= tg vg 其中， g -机械手移动部件的重量； g -重力加速度; v -起动或制动前后的速度; t -起动或制动前后所需的时间，一般可取t =0,设腕部的总重量 n= 0.3kg fm = f n =0.020.3=0.006kgf :自动分拣机械手的设计 8 fg = = t mu =4.9kgf pq= 0.006+4.9 = 4.906kgf 3.23.2 驱动机构驱动机构 驱动机构是工业

23、机械手的重要组成部分。根据动力源的不同， 工业机械手的驱动机 构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。本驱动机构是电动，具体见图3-4。 图 3-4 自动分拣机械手驱动装置图 3.33.3 控制机构控制机构 在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控 制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等 记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性，具体见图 3-5。 毕业设计（论文） 9 图 3-5 自动分拣机械手控制图 :自动分拣机械手的设计 10 4 4 机械手的基本结构机械手的基本结构 机械手的基本结构由控制部分、执行部

24、分、感知部分组成。采集感知信号及控制信 号由光电传感器、角度传感器和测障传感器。采集的数据由控制器中相对应的程序来决 定机械手的下一动作的执行。机械手整个分拣过程要求都能自动控制。在启动过程中能 根据现场的明暗和所抓取的货物的颜色大小进行现场调试。系统启动前，机械手自动移 动至原位。 4.14.1 stm32stm32 单片机单片机 使用 arm 最新的、先进架构的 cortex-m3 内核,优异的实时性能,杰出的功耗控制,出 众及创新的外设,最大程度的集成整合,易于开发。 图 4-1 stm32 系统单片机结构 主要性能参数： 毕业设计（论文） 11 工作模式：0hz-72mhz；主时钟振荡

25、器 8mhz；一片 at24c02 eeprom；一个 128x64 点 阵 lcd 显示； usb 转 usart 芯片； 3v 的电压工作；80 个可编程 i/o 口线；usb 2.0 全 速传输 。 4.24.2 舵机舵机 图 4-2 舵机 舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理 是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 ic 判断转动方向，再驱动无核心马达开始 转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达 定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电 阻值便可知转动的角度。 :自动分拣机械

26、手的设计 12 4.34.3 光电传感器光电传感器 图 4-3 光电传感器 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结 构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号转变成 为电信号的器件。 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变 化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等。光电式传感器具有非接触、 响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。 毕业设计（论文） 13 4.44.4 红外测障传感器红外测障传感

27、器 图 4-4 红外测障传感器 红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农 业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能 够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和 跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个 目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类 系统中的两个或者多个的组合。 红外传感器根据探测原理可分成为：光子探测器（基于光电效应）和热探测器（基 于热效应） 。 本款选用红外测障传感器 ，其探测原理为光子探测器。 :自

28、动分拣机械手的设计 14 5 5 机械手控制电路机械手控制电路 机械手控制电路如图 5-1，其核心为 stm32 单片机。 图 5-1 机械手控制电路原理图 毕业设计（论文） 15 6 6 系统设计系统设计 系统采用 stm32 单片机控制，程序灵活，调试方便。其系统的程序流程图如 6-1 所 示，可以实现循环操作。 6.16.1 系统设计流程图系统设计流程图 图 6-1 为本机械手的整个工作流程，本系统具有智能化，可循环分拣。 图 6-1 系统设计流程图 :自动分拣机械手的设计 16 具体工作方式如图 6-2 所示，为了体现机械手的智能分拣，一共制作了四种待分拣 物件为其编号，表 6-1 为

29、物件的详细参数。 表 6-1 分拣物件参数 特征/编号 尺寸 1.75cm*2*3cm2.5cm*2*5cm3cm*3cm*3cm5cm*5cm*5cm 形状圆柱圆柱正方体正方体 颜色白色白色黑色黑色 6.26.2 分拣过程分拣过程 如图 6-3、图 6-4、图 6-5 所示物件被传送带运送至机械抓处，当物件经过红外测 障传感器时，传送带继续运送一段时间后停止，使物件正好在机械爪的中心。 当机械手抓取物件的同时，由舵机 a 的角度传感器判断物件的大小，由机械抓中的 光电传感器判断物件的颜色，图 6-3 至图 6-5 分别是分拣物品示意图。 毕业设计（论文） 17 角度传感器和光电传感器的数值由

30、单片机处理，然后根据编写的程序由舵机 b、c、d 将物件放置到如图 6-2 规定区域，放置示意图见图 6-6。 :自动分拣机械手的设计 18 6.26.2 程序设计程序设计 #define s_value analogin(3) void catch() int temp; int start = 1900; tim3-ccr1 = start; /delay(1000); starttimer(); while(1) 毕业设计（论文） 19 temp = s_value; start += 45; tim3-ccr1 = start; delay(100); if(s_value - tem

31、p 50) break; tim3-ccr1 = start + 0; main(void) int hd,deg,cai1,cai2,gb,dx; hinit(); gb=readee(1); dx=readee(2); while(1) tim3-ccr1 = 1900; smotor(2,20); smotor(3,17); smotor(4,83); delay(800); digitalout(12,1); while(analogin(1)300); delay(500); digitalout(12,0); delay(100); :自动分拣机械手的设计 20 cai1=anal

32、ogin(2); catch(); hd=analogin(2); deg=s_value; showvar(0,0,analogin(2); showvar(0,20,s_value); smotor(2,10); delay(200); smotor(3,70); delay(800); cai2=analogin(2); while(cai2ccr1 = 1900; delay(500); catch(); hd=analogin(2); deg=s_value; showvar(0,0,analogin(2); showvar(0,20,s_value); smotor(2,10);

33、delay(200); smotor(3,70); delay(800); cai2=analogin(2); 毕业设计（论文） 21 if(hdgb) if(degdx) /bai xiao smotorpro(4,60,2); smotorpro(3,45,2); smotorpro(2,48,2); else /bai da smotorpro(4,25,2); smotorpro(3,22,2); smotorpro(2,28,2); else if(s_valuedx) /hei xiao smotorpro(4,120,2); smotorpro(3,42,2); smotorpr

34、o(2,50,2); else /hei da smotorpro(4,155,2); smotorpro(3,25,2); smotorpro(2,30,2); :自动分拣机械手的设计 22 delay(2100); tim3-ccr1 = 1900; delay(500); smotor(3,45); delay(100); tim3-ccr1 = 1900; smotorpro(2,20,1); smotorpro(3,17,1); smotorpro(4,85,1); delay(1000); /smotor(4,130); /delay(3000); /smotorpro(1,50,2); time(); while(1); 6.36.3 推广及应用前景推广及应用前景 本智能系统拥有强大的分拣能力，可以根据物体的大小，颜色进