三自由度机械臂

编号：

哈尔滨工业大学 大学生创新训练项目申请书

项目名称： 三自由度机械臂 申请级别： 校级

执行时间： 2014 年 4 月至 2014 年 7 月 负责人： 张猛 联系电话： [1**********]

学号： 电子邮箱：

院系及专业： 机电工程学院 指导教师： 王晓溪 联系电话： [1**********] 院系及专业： 计时仪表

哈尔滨工业大学本科生院

填表日期： 2014 年 4 月 9日

职称： 高级工程师 电子邮箱：

项目名称： 三自由度机械臂 申请经费： 3000 元 一、课题组成员：（包括项目负责人、按顺序）

二、指导教师意见：

三、院（系）专家组意见：

四、学校专家组意见：

五、立项报告

（一）项目简介

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。

机械臂是当今在机械人学领域中得以最为广泛应用的先进自动化机器，在医学治疗、工业制造、娱乐服务、半导体制造、军事以及太空研究等领域中都发挥着重要的作用，得到相当的发展。虽然它们的形态不尽相同，但有着一个共同之处，那就是都可以接受指令，从而精准地定位到二维空间乃至三维空间的某一确定点进行工作。

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在工业应用领域里，有的时候并不需要机械臂一定具有完完全全的三个自由度，而仅仅需其中的某一个或某几个自由度。直角坐标系机械臂能够通过单轴机械臂有机组合而成。单轴的机械臂作为一个单一的组件，其在工业中的应用广比较广泛。单轴的机械臂的组件化，这样一来就大大减少了工业设计的原有成本，因为一些专业制造厂商拥有较好的质量保证技术和批量生产等优势，这使得用组件设计机械臂比自行设计机械臂更为具有优势。 （二）申请理由

小组成员们学习了电工技术、c语言程序设计、机械原理等相关课程，具备设计三自由度机械臂的最初步的知识。并且从图书馆借了一些单片机使用以及机械原理的相关书籍。通过各种实验和金工实习大家有了一定的动手能力。 （三）立项背景 1.研究现状

（1）结构形式多种多样。

机械臂之所以称之为机械臂，其取名的由来是因为机械臂是为了模拟人的手臂来作业的，并且，从外形来看，其极似人的手，只是灵活性比人的手要差些。在机械臂所使用的各个领域之中，机械臂的外形并没有严格的标准，没有国标化，也不需要国标化。其外形的设计完全有适用环境而异，也因此机械臂的机构各不相同，种类繁多。在各领域中，机械臂发挥着你独有的特性与优越性，服务人类。

（2）机械臂的使用范围、领域十分广。

人们按照自己的需求，为了实现自己预设的构想，进而设计出了机械手，它被广泛应用与各个领域，小到家庭用具，大到国防科技，这些领域都是他的天堂，他都可以大展身手。它可以实现的动作也不仅仅只是简单的运动，还是蛮多的，比如说物体的搬移，位置的精准定位，模拟系统等。

（3）智能化

对于机械臂来说，其中一个比较麻烦的事就是如何确定目标在哪里，也就是定位目标，经过一段时间的研究，随着传感器技术的发展，这一类难题也慢慢得到解决。传感器能够反映机械臂的动态，及时形成有效信息并将其反馈到处理中心，中央处理中心并做出及时的分析计算，作出相应的动作，控制目标。对于机械臂作业对象来说，其外形各不相同，随时都会遇到不同情况，但机械臂能够通过传感器，准确的判断目标的位置，并准确的确定加持部位，将目标物送往下一道程序流程，在车间中，可以采用机械臂操作，实现无人车间，目前也取得了喜人的成果。 2.研究趋势

（1）一手多用，多功能机械臂。

抑制手臂可以实现对多重目标的操作，实现多种动作，适用于各种用途，实现创新功能。 （2）具有高度模拟人的动作。

例如研发双臂机械臂，使它想人一样，能够灵活作业，实现各种功能。人机完美结合，通信完备准确，适用于不同工况。

（3）高精度的定位。

通过采用各种传感器，综合而准确的反映目标精确位置，对目标操作物精准的操作，提高机械臂的定位精度。

（4）实现人工智能

研究的系统能够对目标进行定性和定量的分析，并做出及时的反应。例如研发的系统设备具有类似于人的听觉、触觉、嗅觉、视觉和味觉等功能，能够自行分析、判断和处理，实现低成本，高要求，高水准，高效率的系统设计。 3.研究意义

在最近几十年的发展中，工业发展中出现了一位佼佼者——机器人。机器人的出现解决了很多人类难以解决的难题，为造福人类，解放发展做出了不可磨灭的贡献。而机器人的运动作业有很大一部分任务是有机械臂参与的，很大一部分工作由机械臂来承担，可以说机械臂是机器人的主要执行元件，直接参与作业。随着工业的不断发展，尤其是现代工业，机械手越来越受到各厂家的亲莱，它对提高生产效率和产品质量，改善作业环境和促进产品的更新换代起着举足轻重的作用。 （四）项目实施方案

机械臂的任务是将目标物从A点移到B点。根据实际情况，机械臂要实现的动作有：机械臂下降，机械臂夹取工件，机械臂上升，机械臂向右移动，机械臂下降，机械臂松开工件，机械臂上升，机械臂向左移动。机械臂到达各个位置的时候，相应的控制器检测相应行程开关的通断，进而作出相应的动作，进行控制。同时数码管显示搬运的状态。

大致流程图如下

起始位置 → 向下运动 → 夹持工件 → 向上运动 → 向右运动 ↑ ↓ 向左运动 ← 向上运动 ← 松开工件 ← 向下运动

小组成员分工

（1）手臂承载能力大、刚性好、自重轻。手臂一般都采用刚性较好的导向杆来加大手臂的刚度，各支承、连接件的刚性也要有一定的要求，以保证能承受所需要的驱动力。

（2）动作灵活。手臂的结构紧凑小巧，运动轻快、灵活。

（3）位置精度高。采用先进的控制方法，机械手的刚度、偏重力矩、惯性力及缓冲效果尽可能恰当，加设定位装置和行程检测机构以及选择合理的机械手的坐标形式。 （六）进度安排

4月份，完成机械臂的设计图纸及其动画设计，用软件进行简单的动画模拟，同时，开始尝试了解机械臂控制方面的理论知识及软件；

5月份，根据初步掌握的机械臂控制方面的理论知识，进一步学习相关软件，做到能进行简单的程序编程，同时，通过各种方式加工出机械臂的相关零件；

6月份，根据机械臂设计图纸，完成相关零件的制作，并根据设计图纸进行组装，并尝试为机械臂设置简单的动作，并为这些动作进行编程；

7月份，将所编程序应用到机械臂上，模拟实验机械臂能否按照预先设计的动作运行，并对与预期不符的地方进行改进和改造，争取达到预期目标，并邀请指导老师进行评价及指导。

（七）中期及结题预期目标（即中检和结题时考核的依据，比如论文级别、专利、设计、产品、服务等）

用作图软件做出机械臂的图纸，并对机械臂工作原理进行动画模拟， 初步掌握学习机械臂控制原理及控制技术，要求能够运用软件编程控制最终机械臂成品；预期目标：制作出三自由度机械臂成品并能控制其做简单的行动。 （八）经费使用计划 单位：元