自动分拣机械手的设计
题目：自动分拣机械手的设计
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。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：分拣；机械手；自动化；
I
目 录
前言 . ............................................................ 1
1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控制方案比较 ................................................. 4
2.1 采用PLC 控制 .......................................................................................................................................... 4
2.2 采用单片机控制 ...................................................................................................................................... 4
3机械手的组成 ................................................. 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 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机械手的基本结构 . ............................................ 11
4.1 STM32单片机 ...................................................................................................................................... 11
4.2 舵机 .............................................................................................................................................................. 12
II
4.3 光电传感器 ............................................................................................................................................. 13
4.4 红外测障传感器 .................................................................................................................................. 14
5机械手控制电路 . .............................................. 15
6系统设计 .................................................... 16
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总结 ........................................................ 24
致谢 .......................................................... 25
参考文献 ...................................................... 26
III
前言
目前工业自动化在工业控制中越来越普遍，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，该项目是源于健雄职业技术学院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。
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1课题来源与现实意义
1.1 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。
1.2 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，源于健雄职业技术学院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
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性强，尤其符合中小企业的需求，具有良好的市场前景。
1.3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。
1.4 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。
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2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，本控制方案有两种，分别是PLC 控制和单片机控制。
2.1 采用PLC 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。
2.2 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。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µA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
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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）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。
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3机械手的组成
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。
3.1 执行机构
3.1.1 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。
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