仿真机械手臂设计范文

导语：如何才能写好一篇仿真机械手臂设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：锻造机械手；建模；虚拟装配；ADAMS仿真

机械手（机器人）是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备[1]。机器人的诞生能够显著提高生产率以及改善工作环境等。因此对机械手的研究具有重大的意义。国内外许多学者已对机械手建模、优化设计、控制、运动学及动力学仿真等方面做了大量的研究工作[2-6]。其中，张明辉等人[2]对并联机械手动力学仿真进行了研究并通过运动学和动力学仿真模型，为进一步对机械手的设计与分析奠定了基础。文献[3]针对五自由度机械手，通过UG建立实体仿真模型，然后将模型导入ADAMS中建立了虚拟样机，并且进行了动力学仿真，分析了末端机械手速度对各关节力矩、角速度和角加速度的影响，这对提高机械手的设计性能及机械手的控制分析等打下了基础。总体来说，对机器人相关的研究方面取得了一些进展，但对机械手（机器人）的研究还有待进一步深入下去。文章的研究正是基于某企业锻造流水线对机械手的功能需求而进行开展的，首先对装配机械手的总体功能进行了分析。然后对各个部分进行了三维建模及虚拟装配，并对部分关键零件进行强度校核。最后，运用ADAMS进行仿真分析，结果表明所建立模型正确性与合理性，为下一步研究机械手的智能控制提供了设计参数。

1 应用背景及功能分析

根据某锻造企业的需求，锻造时，锻件按特定的位置放在锻造炉中进行加热；锻造炉门通过PLC控制其开放和关闭状态。当机械手臂靠近炉门时，通过PLC控制其打开，待机械手臂抓取锻件取出后，炉门被再次被控制而关闭。取出后的锻件被机械手臂夹取而放在锻台固定位置后进行锻造的第一个冲压工序。同样的道理对炉中的锻件逐一进行工序一的加工过程；待工序一完成后，再次通过PLC对机械手臂进行控制使其进行抓取以满足工序一过程后进行的工序二的模具要求，直至锻件被加工完成。

2 装配机械手的三维建模

锻造机械手的结构设计要考虑到传动件的定位、零件之间的空间位置等等，同时还要考虑到装配和加工工艺的可行性。基于以上的功能要求等，对各个部分结构设计及建模分别如图1-图5所示。最终建立锻造机械的三维装配模型如图6所示。

图1 底座 图2 转动轴 图3 转向台

图4 转动臂 图5 传动轴 图6 锻造机械手

另外，对关键零部件进行了校核，包括内部传动直齿锥齿轮的齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度、圆柱蜗杆传动的齿面接触疲劳强度、蜗轮齿根弯曲疲劳强度、蜗杆的刚度等都满足强度或刚度的要求。

3 基于ADAMS的锻造机械手的仿真

利用UG软件强大的建模功能对所设计的锻造机械手进行三维实体建模，然后通过UG和ADAMS良好的数据接口将模型数据直接导人ADAMS，根据实际设计要求添加相关约束，在此基础上进行运动仿真，研究机械手各机构关节的运动，测量各个关节的角位移、角速度和角加速度的变化情况，以验证设计的合理性。

在保证锻造机械实现功能的前提下，首先对其三维实体模型进行了简化，如图7所示。

注：1、工件输入带；2、锻造台1；3、机械手；4、锻造台2；5、工件输出带

图7 基于UG软件的机械手简化三维模型

然后，将三维模型导入到ADAMS中，添加相应的运动副约束和驱动约束，如图8所示。

图8 ADAMS环境下的锻造机械手仿真模型

最后得出各个关节的角位移、角速度和角加速度的变化曲线分别如图9，图10和图11所示。

通过观察各个关节的角位移、角速度和角加速度的变化曲线可以看出，各关节的角位移、角加速度、角加速度平稳，验证了所设计的五自由度送料机械手的合理性。

4 结束语

结合对自动化工业锻造流水线的应用对象，选定了机械手所要实现的功能。首先，对该锻造机械手具体结构进行了建模、虚拟装配，并对部分关键零件进行强度校核。然后利用ADAMS软件对机械手模型进行运动学仿真，并生成各角位移、角速度、角加速度的变化曲线，通过观察各曲线，验证了机械手的合理性。为下一步机械手的智能控制提供了一定的参考。

参考文献

[1]黄金风.MSRS和ODE环境下POWERCUBE模块化机械手的仿真研究[D].大连：大连交通大学，2010.

[2]张明辉，禚宝海.Diamond并联机械手动力学仿真的Simulink实现[J].山东科技大学学报：自然科学版，2010，29（1）：90-94.

[3]刘淑英，张明路，韩慧伶.五自由度机械手动力学分析与仿真[J].河北工业大学学报，2009，38（2）：32-36.

[4]Menon C，Vertechy R，Markot MC， Parenti-Castelli V. Geometrical optimiza-tion of parallel mechanisms based on natural frequency evaluation： application to a spherical mechanism for future space applications. IEEE Transactions on Robotics， 2009，25（1）：12-24.

[5]Muller A， Hufnagel T. Model-based control of redundantly actuated parallel manipulators in redundant coordinates. Robotics and Autonomous Systems， 2012，60（1）：563-71.

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关键词 UG；ADAMS；焊接机器人；建模；联合仿真

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671―7597（2013）031-060-02

随着人类社会进步的加快，科学技术水平的不断提高，人们对产品的要求也越来越高。这就需要提高产品质量，同时缩短开发周期。此时以仿真技术和系统建模为核心的虚拟样机技术得到了的广泛应用，在真实的产品没有真正生产出以前就对它进行仿真模拟，这样的话防止各种设计缺陷的存在。其中一款具有代表性的软件系统：机械系统动态仿真软件ADAMS，这一款软件包括了高效的求解器、可视界面、各种简便的建造模型的工具和具有强大功能的后处理模块等，利用ADAMS软件来对机械系统的结构进行分析，在物理样机设计之前就可以对数控玻璃磨边机产品的各种性能进行测评，不仅能够降低开发费用，而且能够减少开发周期，很大的提高了机械系统仿真的效率。ADAMS在机械系统运动学、动力学和静力学仿真方面的功能十分的强大，但是当ADAMS软件建立一些比较复杂机械系统的时候，就会比较困难。这方面常见的就是使用UG软件和ADAMS软件结合来开发复杂的机械系统的虚拟样机。

1 UG软件和ADAMS软件的介绍

UG（Unigraphics NX）是一个产品工程的解决方案，它是由Siemens PLM Software公司出品的一款软件，它为用户的加工过程及产品设计提供了数字化模型和检验的手段。UG Unigraphics NX根据用户的工艺设计和虚拟产品设计的要求，提供了解决方案，这种解决方案是经过实践验证的。UG具有三个设计层次，即子系统设计、组件设计和结构设计。所有的信息被分布于各子系统之间。

本论文使用的运动仿真软件是由美国MDI公司进行开发设计的ADAMS软件，这款软件是现在最具权威性的机械系统运动学与动力学仿真的软件。它的求解器是使用的拉格郎日方程来进行建立系统运动学和动力学方程，对虚拟的机械系统进行运动学和动力学的分析，并且在分析之后输出加速度、反作用力、速度和位移的曲线，整个运动的过程是通过在计算机上建立虚拟样机来模拟复杂的机械系统的。其中ADAMS软件的核心模块包括ADAMS/View和ADAMS/Solver。

2 ADAMS和UG的运动联合仿真

在利用ADAMS和UG进行运动联合仿真设计的时候，通常我们现在先在UG软件当中建立三维模型，建立模型的过程：首先通过二维图纸在UG软件中建立三维零件模型，然后在将零件进行装配同时进行干涉检查，最后将建立的三维装配图形导入到 ADAMS软件当中，在ADAMS软件中首先对三维装配图形的仿真参数进行设定，这样就产生了参数化的机构模型，最后进行运动学和动力学的仿真。下图1所示的就是一般情况下的联合仿真设计流程。

3 焊接机器人联合仿真分析

3.1 UG三维建模

焊接机器人主要有底座、躯干、肩、手臂、手腕、机械手6部分组成。在UG中建立焊接机器人的各零部件，装配后得到焊接机器人实体模型，见图2所示。

3.2 三维模型导入ADAMS

在UG中，选择“文件”“导出”Parasolid，然后打开ADAMS，选择FileImport，弹出文件导入对话框，在File Type下拉框中选Parasolid类型，然后在File To Read选择栏中点右键选择Browse，最后选择读入UG输出的文件。三维图导入到ADAMS中如图3所示。

3.3 ADAMS运动仿真

导入模型之后，首先要给焊接机器人添加约束副，给底座与大地之间添加固定副，分别在底座与躯干、躯干和肩、肩和手臂、手臂和手腕、手腕和机械手之间添加旋转副。然后给所有旋转副添加旋转驱动，肩和手臂之间旋转副的驱动参数为15d*sin（180d*time-90d）+15d，手臂和手腕之间旋转副的驱动参数为-15d*sin（180d*time-90d）-15d，底座和躯干之间旋转副的驱动参数为180d*time，其它旋转副的驱动参数为0d*time。至此，已完成整个样机约束的添加如图4所示。

停止仿真运动，右键点击机械手，在下拉菜单中选择measure，出现对话框，在characteristic中选择选项，输出机械手在X，Y轴方向的位移、速度、加速度曲线。如图5-图10所示。

从上面图中可以看出，机械手的运行曲线平滑且有规律，说明该机构的整个运动过程平稳无冲击震荡现象，通过观察机构仿真运动并结合曲线，可以证实该机构的运行曲线与实际情况相符。

4 结束语

ADAMS软件和UG软件作为动力学仿真分析领域和三维建模领域的优势产品，二者的联合仿真广泛应用于产品开发、工程校验、机械设计等过程中。本文通过UG和ADAMS之间的无缝接口程序，将在UG中创建的焊接机器人三维模型成功导入到ADAMS中，并通过在ADAMS中进行运动学仿真分析，根据仿真分析的结果，验证了将UG与ADAMS软件相结合的建模设计和运动学仿真方法的可行性，不仅提高了数据转换的可靠性，还大大提高了仿真效率，是虚拟样机技术研究中的崭新应用，促进了虚拟仿真的发展，对于教学和实践具有广泛的意义。

参考文献

[1]张磊.UG NX6.0后处理技术培训教程[M].北京：清华大学出版社，2009.

[2]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

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关键词：数控机床; 设计流程;机械行业

随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。我国在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

1 机械手的优势和应用

机械手实施方案具有速度快、工作效率高、负载能力强、移位精度高及故障出现频率低等诸多方面的优点。机械手在DK050机床上的成功运用，是数控机床柔性输送方面的一大创新。在今后的数控机床的生产过程中，机械手的开发和运用将会得到前所未有的发挥，同时为广大用户提供了极大地方便，能够产生较大的生产效益和经济效益。

2 机械手手爪架构的设计

机械手手爪的类型较多，其主要用于作业的操作和装置，按照不同的作业方法和操作，可以将手爪分为测量式手爪、加工式手爪及搬用式手爪等。所谓搬用式手爪，即为多种类型的夹持装置，其主要用于对物体的搬用和抓取；加工式手爪，即为附有焊枪、铣刀等工具的机械手附加设备，其主要用于对作业的加工；所谓测量式手爪，即为附有传感器的一种附加设备，其主要用于对作业的检验和测量。在机械手手爪的设计过程中，应当遵循以下几个方面的要求：其一，根据机械手作业的具体要求对机械手手爪进行相应的设计和开发；其二，机械手手爪的专用性和万能型之间存在一定的矛盾。万能手的架构设计比较繁琐，有时还会出现无法实现的现象，以工业的实际应用为出发点，将重点应放在对各类专用的、工作效率较高的机械手的研究和设计上，确保工业机械手的所有工作性能的实现和健全，在这里，我们不赞成通过一个万能手来完成所有工作，应当考虑机械手在设计过程中所发挥的一些经济效益；其三，确保手爪的通用性。所谓机械手爪的通用性，即为通过数量有限的手爪来适应不同要求的机械手，这就给末端执行器提出了一定的要求，即要求其末端配置一个标准的机械接口，保证末端执行器能够标准化运用。

3 控制方式的设计及流程分析

3.1 控制方式和要求。 由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件的重量较大(质量达30KG)，以及机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性和较高的刚度要求，因此选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，因此不用再额外设计执行件，而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。

同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的直径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。

3.2 工艺流程与设计。 机械手的动作有腰座的旋转、垂直手臂的升降、水平手臂的伸缩及手爪的夹紧与松开。手臂垂直升降和水平伸缩由液压实现驱动；手爪的夹紧与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现；腰座旋转通过步进电动机与齿轮来实现。实现执行手爪夹紧与放松的柱塞缸，由单线圈的电磁阀(夹紧电磁阀)来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，手爪闭合。当机械手旋转到机床上方，并准备下降进行上下料工作时，为了确保安全，必须在机床停止工作并发出上下料命令时，才允许机械手下降进行作业，同时，从工件料架上抓取工件时，也要先判断料架上有无工件可取。

本设计通过对机械设计制造理论知识及实践进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。机械手采用可编程序控制器控制，可以实行手动调整、手动及自动控制；系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低；PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对I／O点的接线稍作修改，或对I／0重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

4 结束语

目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：机械结构向模块化、可重构化发展；工业机械手控制系统向基于PLC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便；机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展；关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

参考文献

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关键词：PLC实践应用　项目教学　控制实例

中图分类号：G63　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)005-166-02

PLC(可编程控制器)在工业控制中应用非常广泛，是机电一体化专业中的核心课程，具有非常强的实践应用性，课程目的是培养编程实践性人才。课程内容主要是了解PLC基本运用原理、控制指令及掌握基本程序设计方法，培养学生实践动手能力，为社会输送具备PLC高级技能的应用型人才。

1.　中职课程教学PLC实践应用重要性

早在2006年，国家劳动和社会保障部就了目前国内12个紧缺型人才需求，PLC系统编程设计师岗位就位列其中，根据有关部门预测显示，到2011年止，PLC技术型人才缺口将达到15.4万。国内人才市场对专业PLC技术人才的需求也越来越大。所以，各大高职、中职院校要加大电气自动化、机电等专业的PLC实践应用教学的力度，强调理论与实践相结合的教学模式。

目前，国内很多的中职院校对PLC的实践应用教学非常重视，但是由于学生对理论知识的掌握程度有限，这些院校自动化专业毕业学生大多数都从事自动化设备的维护以及设备的自动化改造方面，而真正涉及PLC程序开发应用的专业人才却非常少。但是PLC程序设计属于紧缺型人才，教学结果与社会需求产生了矛盾。因此，各中职院校在PLC理论课程教学中，加强PLC的应用实践课程的教学，从而达到培养专业的应用型人才的目的，使学生不仅具有较强的理论知识，同时也具备应用实践能力，最终为社会输送PLC程序设计专业型人才，为科技的发展做出贡献。

2.　PLC实践在教学中的实施

在中职院校传统的PLC教学课程当中，都采用传统的教学方式开展该课程的教学任务。在进行课程教学的PIE教材编写时，一般是按照基本原理、基本指令、基本应用以及基本操作等四个独立的章节来完成的。教材也按照结构的严谨性进行编写，在课程开始时，教师也按照教材的顺序进行教学，首先进行基本理论的学习，接着学习基本指令，最后才开始应用的教学。这样一来当学生学习到应用课程时，前面的理论知识已经发生脱节，然后又要开始重新的理论学习，导致了学PLC实践应用学习效果不高，应用能力也得不到提高。

2.1　PLC在机械加工教学中的具体应用

在PLC课程的开始前，先准备好机械手本体、气动控制系统以及PC-PLC监控系统，机械手臂主要由基座、手臂以及手爪等几部分组成，在实践时分别要求完成机械手臂的扭转、升降、手爪翻转、手臂伸缩和手爪夹持等动作。上述动作的实现是由气缸驱动完成的，由PLC的远程控制实现电磁阀的动作，操作界面按钮通过用户程序与PLC以及各电磁阀的线圈相连接，实现远程汽缸控制动作。每个气缸控制按钮数量与电磁阀的线圈数是对应的，比如：三位五通阀有三个控制按钮、二位五通阀有两个控制按钮。机械手机的控制信号则是通过与PLC进行的实时数据交换得到的，也就是PLC的端子的实时工作状态。同时，在界面显示区，显示机械手臂运动气缸的活塞杆位置状态，观察其是否到达了左右极限。从而达到机械手臂的上移、下移、夹紧等动作的实现。

2.2　PLC课程的学习模式

根据实践应用与理论知识相结合的方式进行PLC的知识讲学，这样既可以使学生掌握理论知识，又可以在实践中掌握设计技能。PLC一个重要的特点就是其综合性，一个实际的自动化系统结构是非常复杂的，往往包含了机、电、液、气等内容，而且具体的控制要求也根据其行业的不同而不同，有些在理论上可以实现的控制程序运用到实际中不一定可行。但是，如果采取了实践应用与理论知识相结合的教学模式进行，起到的教学效果就完全不同。中职院校在进行PLC的教学时可以结合实际的工程案例进行，让学生在实际应用中，学会PLC的工程实际设计方法，从而掌握了PLC技术在实际工程中的应用，提高其技术水平与应用能力，真正实现毕业生PLC应用技术的实践教学任务。同时，也可以培养学生的创新意识，根据具体的工程实例进行具有自身特色的实际应用，从而实现才人的创新需求。

2.3　PLC课程的教学模式

在PLC实践应用教学模式中，教师可以利用现有的PLC实验室进行一体化教学。在实PLC应用实践教学过程中，首先由教师讲解模拟系统的控制要求以及预备知识，并对编程思路进行分析，然后交给学生自己上机设计调试程序，最后，再由教师进行程序的指导、修正。让学生学习到了理论知识所无法学习到的宝贵经验，对PLC的理论知识更加理性化、明细化。这种PLC应用实践教学不仅可以充分的挖掘学生的学习热情，更能培养学生的实践动手能力以及应变能力。

3.　如何实现PLC实践应用与课程教学有机结合

3.1　改革传统教学模式，实施项目教学方法教学

在实施PLC项目教学过程中，教师可以具体的给出PLC控制的相关要求，让学生进行积极的动手及操作，例如：采用三菱FX系列PLC实现机械手臂的控制，所提出的要求有：实现机械手臂的上移、下移、夹紧等控制以及实现机械手臂故障警报控制。采用实际案例进行项目教学，其根本目的是当学生在完成这些教学任务后，可以更加熟悉的运用PLC在进行实际应用的中的控制，并且在教学任务中掌握其基本的位操作指令，以及掌握基本元器件型号选择。最终掌握PLC的基本控制操作步骤。针对以上教学要求及任务，教师可以制定以下的教学实践步骤：

(1)进行分组讨论。将学生按小组进行项目的讨论，并根据要求设计出方案。同时教师也应参与以便了解学生的实际情况，并指导学生进行设计PLC控制的基本步骤，如怎样分配I／O口；怎样设计电气原理图以及程序编制过程中应注意的问题等，并由小组提出自己的方案设计意见。

(2)实践项目的计划与安排。根据各个小组所制定的方案，对各小组进行分工，并对各项控制项目的开展做出计划步骤。

(3)实践项目具体实施。根据各小组做出的计划与方案安排，进行具体任务的实施工作。

(4)项目完成过程中的质量控制。在整个项目进行过程中，教师要对操作设计过程进行全程的跟踪控制，及时的分析与解决学生碰到的难点，让学生自己判断问题的根本原因，并动手解决实际碰到的问题，培养学生自主实践与问题分析的能力。

3.2　结合院校网络，实行远程监控

PLC输入输出信号之间的关系可以通过仿真软件的界面中直接体现，但是对于较复杂的程序来说，就不能在仿真软件界面直接显示了，比如数模转换、步进电机的转速监测等信息，这就需要用到远程监控技术了。随着PLC技术的不断完

善及发展，PLC与其他的工业控制计算机网络相结合，形成大型的网络控制系统是可编程控制器技术的发展方向，所以，在PLC应用实践教学过程中，要解除时间及空间的限制，借助中职院校的校园网络平台，形成大范围的远程监控系统。运用现场总线与以太网相互结合的通信方式，将PLC教学过程中的现场数据高速传至监控计算机进行分析与管理。主站运用PLC控制模块，运用以太网模块来完成主站的控制与连接，以达到远程控制PLC设备、调速变频器设备以及伺服电机设备的目的。数据将通过以太网送到上位机监控系统，该系统将对数据进行分析，同时，可将上位机监控系统发出的各类指令传送至对应设备，进行控制。

3.3　改善考核方法，开展实际活动

对学生考核成绩的拟定，要根据理论分与实践分数相结合的方式进行，特别是对于PLC这种实践性很强的课程，不能仅仅掌握理论知识，而忽视动手实践能力。因此，必将改进学生考核制度，将实践设计考核列入考核范围，对专业技能考核一定要在教师选题范围之内进行，并根据题目的具体要求，来完成程序的设计、编写、运行、调试等步骤，从而达到PLC应用实践的考核目的。PLC专业教师也应该经常开设一些兴趣小组以及科研活动，并要求学生参加学校组织的工厂实践活动等，让学生真正了解到PLC设计者的工作环境以及岗位实际需要等。

4.　结束语

中职院校PLC专业教学的目的，是培养学生集维护、安装、设计等相结合的技能性人才。采用PLC应用实践教学方法，让学生真正了解到PLC设计的实际步骤，在实践中完成理论知识的消化与吸收，不仅激发了学生的学习热情，而且培养了学生的实践动手能力，优化了教学过程，培养了PLC专业实践型人才。

参考文献：

[1]钱丽臻，可编程控制器(Pc)将进一步推广应用[J]，中国仪器仪表，1985年03期.

[2]武思明，可编程序控制器的新发展[J]，仪器仪表与分析监测，1985年01期.

[3]王让定，陈华辉，薛春阳，一个组态系统的设计与实现[J]，微机发展，2000年01期.

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【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

手臂关节的外壳能够为电机、制动器、滚动轴承提供必要的机械支撑，并起到必要的保护作用。在手臂关节运动的过程中，模块的外壳也承受了期间多产生的种种应力，因此模块的外壳必须满足一定的刚度。模块外壳的主要构成部分包括：底盖、电机、齿轮盖、主壳体、轴承、制动器等。其中，底盖位于结构的底端，其作用是为整个旋转模块的各个部件提供支撑与连接；主壳体构成此部件单元的外壳，对单元当中的电机、制动器等子单元起到连接和支撑作用；齿轮盖覆盖于模块的齿轮传动单元之上，起到保护和连接作用，而且能够支持谐波齿轮减速器的安装。为保证机械臂有足够的强度，模块外壳选取的制作材料为铝合金，并将壁体设计为圆桶状的抗压结构，为防止氧化与腐蚀，表面结果特殊处理。

(2)减速齿轮方案

减速齿轮方案的主要构成部分包括：电机连接齿轮、中心齿轮、中心轴以及制动连接齿轮等。其实现方式简述如下：通过小齿轮来连接直流电机的输出端，然后通过与小齿轮相咬合的中心齿轮互相连接；同理，通过另一个小齿轮来连接断电制动器的输出端，然后通过与小齿轮相咬合的中心齿轮互相连接。在这种啮合模式下，当减速齿轮单元加电后，便由系统的电机来作为动力源输出，而当减速齿轮单元端电后，便由系统的制动器来作为阻力源输出。考虑到机械臂的关节在不同运动时，会使减速齿轮持续维持高速转动状态，因此必须有足量的剂。又因为该减速齿轮不是封闭结构，因此本文以滑脂来起到齿轮的作用。

(3)中轴传动方案

中轴的传动方案是整个机械臂设计中非常关键的一个组成部分。中轴传动的作用是，首先支持来自中心齿轮的动力，其次还要为波发射器高效传递动力。考虑到中轴会承接一定比例的来自轴向的受力和很大比例的径向应力，因此为支持中轴，引入了角接触轴承。中轴传动单元主要由旋转模块、断电制动器、卡簧、角接触轴承、中心齿轮、主轴、连接法兰以及波发射器组成。

因为中轴传动单元在设计上要求同轴度与圆柱度都在较高的水准，因此尤其应注重其材料选择和参数控制。本研究所设计的中轴用以45号钢才作为原料，并在成型后淬火，从而保证单元在表面具备一定的硬度。

在中轴传动方案中，最关键的是旋转模块的结构设计。旋转模块的设计思路是：将其转轴与中心轴线重合，并以电机驱动。在模块上部署有电磁编码器，用于周期性地检测角位移和角速度。将之与直流伺服电机相联。结合具体的应用环境与需求，直流伺服电机也可以加装起到减速增力作用的行星减速箱，共同起到动力输出的作用。而后通过小齿轮与中心齿轮的咬合，以正齿轮传动方式来实现系统的减速增力功能。

断电制动器的结构设计也是中轴传动方案中的关键，断电制动器有两方面的作用，首先在旋转模块进行位置搜索时能够起到保持作用，其次，在旋转模块因故失去电源之后也能发挥保护的功能。在中轴中，当旋转单元加电，并处于转动状态的时候，断电制动单元便会随着系统的小齿轮单元传递过来的中心齿轮作用而转动，而在断电制动器运动的时候，其输出轴的动力也来自小齿轮单元。在本文所涉及的机械臂中，电机与制动器全部布置于电机底座，并且将电机底也作为旋转单元外壳的一部分，其好处在于保护内部零部件。

2.2连接件模块

连接件的主要功能是在机械臂中连接旋转关节不同的单元，因此是机械臂的重要组合部分，对机械臂的组合与功能的发挥均有着不容忽视的作用。由于机械臂的各个模块单元是相对独立的关系，因此只要将不同的模块单元互相组合，起可以发挥机器人的机械臂基本功能。因此本文结合具体的需求，设计开发了数种类型不同的连接结构。

机器人的机械臂在实际操作中，连接件实现了不同部件单元之间的力矩传递，而其质量的大小也关系到机械臂整体重量和轻便程度，因此在实际设计中，一方面应保证改模块单元具有足够的机械强度，另一方面也应考虑到减轻其质量。本文在设计中，考虑到铝合金属于高强度低密度的材料，同时具有比较好的可塑性，因此以铝合金作为连接件的制作材料。

2.3模块手抓单元

考虑到机械臂必须部署在一个可以移动的平台上，来在现场抓取物体，因此模块手抓单元的末端执行器是其中最重要的组件。为了满足这个系统的模块化的设计，末端执行器必须具备一定的应用和扩展功能。假若模块手抓单元附加多指灵巧手，其实能够抓取更多类型的对象，本课题的研究只需模块手抓单元能够抓取简单对象，因此使用了图中的简单的夹钳手抓，其优点是结构简单、容易控制。

3.结束语

机器人的机械臂设计与开发属于机电一体化领域的高精尖课题。考虑到机械臂的结构具有比较高的复杂性，本文阐述的设计方案充分顾及了模块设计的标准化与产品的通用性，从而能够良好的满足模块之间的替代性特征需求，因而也能够保障机器人的机械臂在实际应用中能够满足用户的要求。

参考文献

[1]郭立新，赵明扬，张国忠.空间冗余度机器人最小关节力矩的轨迹规划.东北大学学报(自然科学版 ).2010:512-515

[2]马江.六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真.北京工业大学硕士学位论文,2009:3-10

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关键词:机械设计；自由度；机械

中图分类号：TU85文献标识码： A

科学技术的进行带动了各行各业，创新技术在机械行业方面的应用尤为突出，比如机器人技术的上市，整个社会发生了翻天履地的变化，其在工业、军事、日常生活中的积极意义值得肯定。对于机械行业来讲，像机械手可以模仿人手臂

动作功能进行工作，在一定的技术力量支持之下，机械手能够按照固定程序进行抓取、搬运、自动操作相应工具等，从而代替了一部分人工繁重的、危险的劳动程序，真正意义上实现了工业的机械化和自动化，机械手也算是机器人系统中的重要组成部分。目前，尽管在理念研究方面，国内外学者都做出了许多努力，不断构建六自由度机械手运动学模型，但是复杂环境中工作中仍然面临难题，像排爆机械手在工作时，难以提前预知抓取物体的具置，导致抓取物体的速度缓慢，甚至不准确。因此，必须对此类机械手运动轨迹进行控制，探讨机械设计中运动机构自由度的控制问题将是当前机械行业研究的难点和重点。

一、机械设计概述

机械行业不同于其他行业，它有自身独特的一面，主要对机械设计领域的内容要求极高，在各种各样有所限定的条件下，机械行业力求设计出最理想的机械，比如：材料加工能力方面的相关知识，不同材料尺寸的相关计算手段等等。换句话说，只要从事机械设计，不管是在哪种类别的机械行业，大家都有一个共同的目标，就是要充分发挥自己的想象力将机械设计工作做得精通，直至天衣无缝，所以，在实际工作中，一定要综合考虑机械行业中存在的各种技术要求。通常来说，最优化的设计占有绝对优势，它大大满足了最好的工作性能、最低成本、最小尺寸，以及最低消耗、最少污染等方面的基本要求，细细观察这些要求，似乎互相矛盾，但是它们之间的关联密不可分，而且在机械设计的整个环节上占有着举足轻重的地位。另外，每种要求都有其重要的一面，都会根据机械种类和用途的不同而存在差异。当然，作为一名优秀的机械设计人员，无论在哪种机械行业中，他们必须明确自己的主要任务，必须进行具体问题具体分析，以各种各样的复杂情况为依据，尽量坚持“纵览全局、统筹兼顾”的原则，工作时要权衡轻重，确保机械设计内容具有综合技术经济效果，并且使之达到最大化。

二、机械行业中的自由度及其计算

2.1关于机构自由度

机构自由度，指的是依据机械学原理，确定机构具体的运动时，有必要为之提供独立运动参数的数目，也就是说，给定机械独立的广义坐标数目，可以确定使机构的确切位置。其中，给定的数目表示：如果一个构件组合体自由度F>0时，则它就是一个机构，同时表明各个构件之间可以有的相对运动；如果一个构件组合体自由度F=0，则它就是一个结构，同时表明它已退化为一个构件。此外，机构自由度还可以细分，主要包括平面机构自由度和空间机构自由度。

2.1.1平面机构自由度

所谓平面机构的自由度，指的是一个刚体杆件可以由平面上任意一点A 的坐标（X，Y），以及通过 A点的垂线 AB与横坐标轴的夹角这三个个参数来决定，即它的杆件拥有3个自由度。

2.1.2空间机构自由度

所谓空间机构的自由度，指的是一个刚体杆件完全不受空间约束，而且在三个正交方向上可以平行移动，甚至可以在三个正交方向上以轴为中心而进行转动，即它的杆件就拥有6个自由度。

由此可见，在平面上，杆件只存在3个自由度，一个自由度表现为面的旋转，另两个自由度表现为前后、左右2个角度进行移动；在立体空间中存在6个自由度，三个自由度表现为前后、上下、左右三个角度进行移动，另三个自由度表现为前后、上下、左右三个面进行旋转。简言之，就是沿着三个坐标轴移动，以及绕三个坐标轴转动，构建相对的独立运动参数数目称作构件自由度。

2.2自由度的计算法

一般来说，对于自由度进行计算，主要表现为：一旦增加约束时，自由度就会减少，而且机构自由度等于组合而成的杆件自由度之和减掉运动副的约束。

三、平面机构自由度的分析

3.1分析构件的自由度

在平面机构运动过程中，作为一个单元体，构件属于组成机械设计中运动机构自由度的控制。作为机构的基本要素之一，构件自由度是构件在机械运动过程中可能会发生的一项独立运动。与此同时，对于任意一个构件来说，它在空间进行自由运动时，都会存在6个自由度，它具体地表现为：在直角坐标系内，沿着三个坐标轴进行移动，或者绕三个坐标轴进行转动;对于一个在平面上进行运动的构件来说，仅有3个自由度，即构件AB在XOY平面内,不但可以在任一点M处 绕着Z轴进行转动，而且还可以沿着X轴、Y轴方向进行移动。

3.2分析平面机构的自由度

在平面机构中，每个平面都有低副，即转动副和移动副，并且都需要引入2个约束数，使构件同时失去2个自由度，然后只保留其中1个自由度；每个平面都有高副，即齿轮副和凸轮副，并且都需要引入的约束数为1个，让构件失去1个自由度，只留下2个自由度。不难发现，在某个平面机构中，假如含有N个可动构件，即机架仅作为参考坐标，相对进行固定，未用运动副联接前，这些可以运动的构件自由度总数应当是3N；当各个构件用运动副连接后，运动副引入约束而减少构件自由度；如果机构中存在PL个低副PH个高副，那么所有运动副引入约束数可以表示为2PL加上PH。因此，自由度的计算公式也可以表现为：可移动构件自由度的总数减去所引入约束的总数来计算平面机构。

四、关于六自由度机械手复杂运动的控制

为了探讨机械设计中运动机构自由度的控制，本文主要针对六自由度机械手复杂运动的控制进行分析，为了挖掘其内在规律和有效对策。大体地说，在实际应用过程中，如果六自由度机械手的某些关节发生故障，机械系统将会锁定该关节在当前角度，直接导致六自由度机械手无法顺利工作，严重阻碍了六自由度机械手作用的正常发挥，往往呈现五自由度机械手，即欠自由度机械手等不良现象。

毫无疑问，针对欠自由度机械手问题来说，有效的运动控制和轨迹规划尤为重要，只有这样，才能保证其完成预期任务。比如：在航空航天工业领域内，要是某航天飞行器所载的六自由度机械手的一个关节发生故障，从而变为欠自由度机械手，极易导致此机械手无法再正常工作，即影响飞行任务，这种现象在其它方面亦如此。

此外，在工作空间中，欠自由度机械手只能达到全部或部分定位，而对于轨迹规划的中间位姿点没有对应的逆解。在实际应用中，机械设计师经常采用向量代数线性变换法，而由关节故障形成的欠自由度机械手可用容错性能的机械手位置进行逆解，而且算法实用。因此，容错性能的机械手位置逆解法在探究机械设计中运动机构自由度的控制方面具有很高的研究价值。

结束语：

总之，通过对机械设计中运动机构自由度的控制进行探讨，在一定程度上丰富了机器人运动学的相关理论，经过分析六自由度机器人在复杂运动中的控制问题，对目前机械行业中各种复杂轨迹的设计工作提供了有价值的技术支持。展望未来，更多结构六自由度机器人的应用将越来越广泛，不同方式下的复杂运动控制值得深入研究，需不断优化和拓展其仿真易用性，努力实现更加理想的自由度控制方式，将复杂控制简单化。

参考文献：

[1]赵军华，袁世先.机械设计中运动机构自由度的控制［J］.煤炭技术.2013，（4）.

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关键词:光机电一体化;实训装置;理实一体化教学;项目化教学;模块化教学

中图法分类号:TP3 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)01-254-03

Application of the Opto-Mechatronics Practice Training Equipment in Course Teaching of Mechanical Specialty

FANG Gui-sheng, SUN Ping

(Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College, Hangzhou 310018, China)

Abstract: The traditional teaching equipment is mainly used to verification experimental teaching. It is deficient to foster students practical ability and creativity. The opto-mechatronics practice training equipment which adopts open architecture and modular structure, applies various technologies, such as mechanical technology, electrical control technology, PLC technology, pneumatic technology, sensing technology to train students comprehensive ability. In this paper basic structure and main functions of the opto-mechatronics practice training equipment are introduced. Some course modules and course projects of mechanical specialty are designed based on the equipment. Finally, by making an example in the electrical control and PLC course teaching, the teaching method combining theory with practice is described.

Key words: opto-mechatronics; practice training equipment; teaching combining theory with practice; project teaching; modular teaching

1 概述

职业教育的核心是提高学生的实践动手能力和分析解决实际问题的能力。传统的职业教育模式是专业理论课和实训课分开进行,其弊端是理论和实践相分离,重理论而轻实践,教师教学缺乏新意,上课枯燥乏味,学生听课不感兴趣,上课昏昏欲睡,这样直接造成的后果就是培养的学生动手能力差,解决实际问题的能力差,课程教学难以达到职业教育培养目标的要求。解决该问题的关键是适当引入实训设备,探索理实一体化教学模式。

理实一体化教学作为职业院校专业教学中探索创新的一种教学模式,它强调充分发挥教师的主导作用,将理论学习和实际训练紧密结合起来,注重培养学生的动手能力,全程构建素质和技能培养框架,丰富课堂教学和实践教学环节,提高教学质量。理实一体化教学要求学校建立专业教室,配备相应的专业设备和计算机辅助教学设施,将有关专业设备和教学设备同置一室,将专业理论课和生产实习等实践性教学环节安排在专业教室中进行教学[1-2]。

高职高专机电类课程教学大多需要实验实训设备的支撑。传统的教学仪器设备主要为了满足某门课程验证性实验的需要,缺乏对学生实践动手能力和创新能力的培养。光机电一体化实训装置融合了机械、电气、PLC、气动、传感等多种技术,采用了开放式和模块式结构,可满足《电气控制与PLC》、《机电一体化设备安装与维护》等多门课程理论实践一体化教学的需要。正是基于以上考虑,我校在省财政的支持下,面向机电一体化、数控技术、电气自动化等专业课程教学的需要,引入了光机电一体化实训装置和模块化生产线等设备,并积极探索理实一体化教学模式,取得了初步成效,显著提高了学生的实践动手能力和社会竞争力。

2 光机电一体化实训装置的基本构成

2.1 光机电一体化实训装置的总体结构

光机电一体化实训装置由型材导轨式实训台、典型机电一体化设备机械部件、PLC模块、变频器模块、按钮模块、电源模块、低压电器模块、模拟生产设备实训模块(包含上料机构、搬运机械手、皮带输送线、物件分拣等)、接线端子排、各种传感器、警示灯和气动电磁阀等组成。整体结构采用开放式和拆装式设计,学生可以组装、接线、编程和调试由上料机构、搬运机械手机构、皮带输送线和物料分拣组成的光机电一体化设备。装置的总体结构示意图如图1所示。

2.2 装置主要模块的基本组成

1) PLC主机:采用了CPU226 AC/DC/晶体管(24路数字量输入/16路晶体管输出)、两个RS-485通信口、EM222(8路数字量输出),在PLC的每个输入端均有开关,PLC主机的输入/输出接口均已连到面板上,方便用户使用。

2) 变频器模块:采用西门子MM420变频器,三相380V供电,输出功率0.75KW。集成RS-485通讯接口,提供BOP操作面板;集成3路数字量输入/1路继电器输出,1路模拟量输入/1路模拟量输出;具备过电压、欠电压保护,电机过热保护,短路保护等。提供调速电位器,所有接口均采用安全插连接。

3) 电机模块:包括三相交流异步电动机,步进电机和步进电机驱动器等。

4) 低压电器模块:配备了交流接触器、热继电器、电子式时间继电器、中间继电器、变压器、整流电路、能耗制动电阻、带灯按钮、断路器、熔断器、行程开关、组合开关、转换开关、速度继电器、磁性开关、急停按钮、复位按钮、自锁按钮等低压电器。

5) 气动模块:包括了静音气泵、单杆气缸、双杆气缸、气动手爪、单控电磁阀、双控电磁阀、旋转气缸等。

6) 传感器模块:具备了电感传感器、漫反射式光电传感器、对射式光电传感器、光纤传感器,可区分金属物料和非金属物料、不同颜色的物料。

7) 触摸屏与组态模块:配备了深圳步科EVIEW MT4200工业触摸屏和EV5000组态编程软件。

2.3 装置主要部件的工作原理[3]

1) 机械手搬运机构

当存放料台检测光电传感器检测物料到位后,机械手手臂前伸,手臂伸出限位传感器检测到位后,延时0.5秒,手爪气缸下降,手爪下降限位传感器检测到位后,延时0.5秒,气动手爪抓取物料,手爪夹紧限位传感器检测到夹紧信号后;延时0.5秒,手爪气缸上升,手爪提升限位传感器检测到位后,手臂气缸缩回,手臂缩回限位传感器检测到位后;手臂向右旋转,手臂旋转一定角度后,手臂前伸,手臂伸出限位传感器检测到位后,手爪气缸下降,手爪下降限位传感器检测到位后,延时0.5秒,气动手爪放开物料,手爪气缸上升,手爪提升限位传感器检测到位后,手臂气缸缩回,手臂缩回限位传感器检测到位后,手臂向左旋转,等待下一个物料到位,重复上面的动作。在分拣气缸完成分拣后,再将物料放入输送线上。

2) 物料分拣机构

当入料口光电传感器检测到物料时,变频器接收启动信号,三相交流异步电机以30HZ的频率正转运行,皮带开始输送工件,当料槽一到位检测传感器检测到金属物料时,推料一气缸动作,将金属物料推入一号料槽,料槽检测传感器检测到有工件经过时,电动机停止;当料槽二检测传感器检测到白色物料时,旋转气缸动作,将白色物料导入二号料槽,料槽检测传感器检测到有工件经过时,旋转气缸转回原位,同时电动机停止;当物料为黑色物料直接导入三号料槽,料槽检测传感器检测到有工件经过时,电动机停止。

3 基于实训装置的课程模块与项目设计

光机电一体化实训装置融合了机械、电气、电动机、PLC、气动、传感等多项技术,并面向职业教育发展的需要,采用了开放式和拆装式结构,可根据课程内容需要选用不同的模块组合,满足《电气控制与PLC》、《液压与气动控制》、《变频调速技术》、《检测与传感技术》、《机电一体化设备安装与维护》等多门课程理实一体化教学的需要。表1为利用该实训装置开发的课程模块和教学项目。

4 基于实训装置的理实一体化教学

4.1 理实一体化教学场地安排

传统的职业教育模式是理论教学和实践教学分开进行,造成理论与实践分离,而且实验实训室功能单一,设备利用率低。为了改变这种现状,突出职业教育的实践性,我校引入了光机电一体化实训装置,并根据现场化教学的需要,将教学环境设计为现场教学模式, 建立理论与实践一体化教学的专业教室,融教室、实训、实验、考工于一体, 使专业教室具有传统教学、多媒体教学、实物展示、演练实训、考工强化训练和考工等多种功能, 营造出良好的职业氛围和环境。整个一体化实训室面积达150m2,室内配备了九台光机电一体化实训装置,一套MPS模块化生产线实训装置,以及46台电脑和投影、音响教学设备,配备了统一的实验桌椅、黑板、仪器柜等,可满足单班课程现场化教学的需要,实现课程教学做于一体,教学场地布置如图2所示。

电脑与操作台区属于基础教学部分,主要用于知识讲解、课程讨论、软件编程、低压电器实训等。实验桌上安装了网孔板,既用于液晶显示器的保护,又可固定常用的低压电器,作电工实训用。光机电一体化实训区属于应用部分,既可用于单门课程的实训需要,也可满足课程综合教学的需要,如PLC实训、变频调速实训、机电设备安装与调试操作等。模块化生产线区属于高级扩展部分,配备了自动传输、立体仓库、三坐标测量、模拟加工等八个模块,模块与模块之间采用了以太网和现场总线进行相互连接,侧重于生产线的总体控制实训等。

4.2 《电气控制与PLC》理实一体化教学思路

我校的《电气控制与PLC》课程在2005年被确定为省级精品课程,四年来项目组老师根据我校学生的特点探索了多种现代化教学方法,其中效果最显著的当属基于光机电一体化实训装置的理实一体化教学模式。以下为实施该教学模式而采取的一些有效措施:

1) 课前根据实训装置的特点,合理设计教学项目,编写教学讲义,制作多媒体教学课件和仿真动画,以提高课程教学的实用性和针对性,提高学生学习的积极性和趣味性。这部分工作是关键所在,直接关系到理实一体化教学模式能否顺利进行。

2) 在课程教学之初,组织学生到校工程训练中心进行参观,增加感性知识,了解普通车床、铣床、钻床的工作原理和控制要求,以及实际的电气控制电路;了解常用低压电器、PLC在数控车床、数控铣床、加工中心、电梯控制系统中的应用等。

3) 在讲解电气控制部分时,每个实验桌上放一套常用的低压电器和电工工具,方便学生了解各种低压电器的结构,学习基本控制电路的安装、调试方法等。

4) 在讲解PLC基础部分时,每个实验桌上放一个PLC和一套常用的低压电器,方便学生了解PLC的结构、接线方法等;方便学生自己动手设计、调试基于PLC的电机控制电路等。

5) 根据学生的特点,实行分类教学,充分发挥学生间的传、帮、带作用。对于平时表现优秀的学生,给与较高的要求,安排较难的设计任务,并要求不光自己学会设计和操作,还需要帮助组内的同学完成设计任务。对于平时表现一般的学生,需要加强引导和督促,适当加以鼓励,激发学生的学习兴趣和求知欲。对于平时表现较差的学生,则需要给予较多的关注,必要时采用强制措施,迫使他们掌握本课程的基础知识和基本技能。

6) 加强中间过程考核和期末实践考核,增添答辩环节,提高学生的口头表达能力,强化学生综合技能的培养。对教学过程中的每个项目组织考核,并根据学生的表现进行打分,计入平时成绩。在期末再安排一次实践考核,随机抽取平时训练过的项目任务,并给予评分,计入总评成绩。在实际操作过程中,这一招对平时不太爱学习的学生有很大的促进作用。

5 结束语

将光机电一体化实训装置引入课程教学,实现理论与实践一体,不仅提高了学生的学习兴趣和实践动手能力,同时也提高了教师的教学业务能力。整个实训装置包括了机械、电气、PLC、组态设计、气压、传感器等多项知识,不仅要求教师要有过硬的理论知识,更重要是具备综合运用知识和解决问题的能力,随时解决学生在操作中碰到的各种问题。另外新的实训设备引入,也需要教师根据实训装置编写合适的讲义,探索新的教学模式,这样对教师个人能力的培养也有很大的促进作用。

参考文献:

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【关键词】嵌入式单片机;机器人;防爆排雷;电路;蓝牙通信

随着微电子软硬件技术和先进制造技术的飞速发展，嵌入式单片机应用的日新月异，机器人时代的悄然到来，机器人已被广泛应用于工业和农业生产、国防、航天、科研、社会服务等各个方面。在许许多领域里机器人承担了人类繁重、枯燥、危险的工作，特别是在超出人类生存极限的环境下机器人更是大显身手，执行人类无法亲自去完成的工作任务，机器人综合了多学科的发展成果，代表了高技术的前沿发展，它正在改变人类的作业和生活方式，成为人类生活中不可缺少的成员。

一、作品介绍

在自动控制的嵌入式单片机应用系统中，往往将单片机作为一个核心部件，结合具体的硬件结构，让单片机发挥其实际的作用。本作品防爆排雷机器人的研究与设计，主要是基于32位嵌入式单片机STM32F103C8T6为核心芯片，以嵌入式单片机最小系统为基础，外加BMX-02蓝牙串口通信模块，电机驱动电路L298芯片，稳压电源LM2596和MIC5205BM5电路，LED发光二极管，前进后退电机、机械手臂电机，开关电路等，对防爆排雷机器人的控制器进行研究、设计与制作。使用Altium_Designer9进行电路原理图和PCB双面板图的设计，利用雕刻机制作出电路板后进行电子板元件的焊接安装，利用Keil uVision4软件编程和仿真和调试。使用手机蓝牙通信进行遥控，实现防爆排雷机器人（小车）的前进、后退、转弯、抓取、拆卸物件等排雷功能。该防爆排雷机器人精致小巧，布局美观，成本低廉，实用性强，能够按照要求利用手机进行遥控，实现无人接触拆装危险物体。

图1 防爆排雷机器人电路原理图

二、工作原理、设计与制作

（一）硬件电路工作原理图设计与制作

1.防爆排雷机器人电路原理图（如图1所示）

2.防爆排雷机器人PCB板图设计与制作

PCB板定制为110mmX65mm的双面板（如图2所示）。

图2 防爆排雷机器人PCB板图

3.电路板制作、元器件的安装与焊接

电路板制作、安装与焊接过程注意事项：

（1）元件安装与焊接：PCB板上32位嵌入式单片机STM32F103C8T6的管脚距离非常小，小于0.254mm;许多阻容元件封装为0603，元件体积小，管脚间距小。这些问题造成手工安装和焊接的难度非常大。

解决方法：安装焊接嵌入式单片机STM32F103C8T6时，先定位焊接对角两个管脚，确定位置无误后采用手工拖焊的焊接方法;对于0603封装元件，先在其中一个焊盘镀锡，左手用镊子夹住元件，右手拿电烙铁，把元件先固定焊接到镀锡的焊盘上，然后再焊接另外一端。

（2）PCB板的制作：在雕刻机上制作PCB双面电路板，由于电路上很多线路非常细，最小为0.254mm，并且线的密度比较大，为了减少电路出现短路现象，在雕刻板子时，需要把用不到的铜膜全部刻掉。

（3）PCB电路板的设计：在设计PCB板时，由于电机驱动电路L298芯片、稳压电源LM2596芯片属于贴片元件，且它们的地面（贴面）属于接地的金属散热片，因此除了电路的地接线之外，其它电路线路不能在电机驱动电路L298芯片、稳压电源LM2596芯片的贴面底部走过。

（4）电路板安装、焊接：安装前，要先检查PCB光身板，确定电路板无短路、无开路现象后方可安装和焊接;手工焊接要严格控制焊接时间，每个焊点时间不能超过3秒，防止元件热损坏，焊接后要用万用表检查电路板，排除因焊接出现的短路现象。

（二）系统软件设计

软件设计是实现机器人智能化运转的关键所在，相当于人类大脑的思维活动。通过软件控制硬件电路，产生相应的动作反应。在小车运行的过程中，采用蓝牙通讯实现手机对小车的智能控制。本次设计采用Keil uvision4进行软件开发。

1.软件设计

根据总体设计的思路和本系统需要实现的功能，以及STM32F103C8T6具有的定时器和USART串行接收/发送器等功能，完成了软件程序设计。由于C语言具有编程灵活，可移植性强等特点，本设计采用C语言进行程序编写实现各部分功能。

（1）程序结构及功能

整个系统的程序由主程序和各子程序构成，主程序调用了3个子程序，分别是蓝牙通讯子程序、舵机驱动子程序、电机驱动子程序。

①蓝牙通信子程序：将蓝牙模块与手机蓝牙配对，手机中按下的不同键值使小车实现前进、后退、左转、右转、变速、手臂升降等功能。

②电机驱动子程序：配置电机用到的I/O端口，使能输出引脚，驱动电机工作。

③舵机驱动子程序：在手机中拖动steer进度条，控制手爪旋转角度、手臂升降角度、前轮转向舵机左右转向的角度。

（2）主程序设计流程（如图3所示）

图3 主程序设计流程图

（3）子程序的设计

①蓝牙通信子程序：本函数采用USART1全双工模式实现串口通信。单片机根据通讯协议对手机发送过来的数据进行判断，校验无误后才会将数据在主程序中加以运用，由手机中按下的不同键值使小车实现前进、后退、左转、右转、变速、手臂升降等功能。

②电机驱动子程序：配置电机用到的I/O端口，通过SetBits和ReSetBits两个库函数让电机动起来实现前进和后退功能;引入PWM（TIM4定时器产生）波，运用TIM_SetCompare函数改变PWM占空比实现对电机转速的控制。

③舵机驱动：用TIM3定时器产生PWM波，找出转动角度与PWM波占空比对应关系，运用TIM_SetCompare函数改变PWM占空比来控制舵机转动的角度。不同的引脚占用不同的时钟和通道，在设计程序时库函数一定要调用准确。

2.电路调试

电路板元器件安装、焊接完成，经检测无短路和开路现象，把上述按要求编好的软件控制程序通过USB接口下载到硬件电路板，在安卓手机上安装遥控程序，通过手机遥控进行硬件电路的调试验证，直至防爆排雷机器人符合各项功能要求。

三、防爆排雷机器人的功能特点

本机器人整体外观布局紧凑、整齐。其功能特点如下：

1.前进后退功能：由安装在小车后轮的两个电机MOTORA、MOTORB提供动力，动力强劲。

2.转向功能：由安装在前轮底盘下面的舵机控制前轮实现转向，转向灵活。

3.拆装功能：由一个升降手臂和一个手爪共同完成，升降手臂和手爪分别各有各自的控制舵机。手臂升降自如，手爪反转灵活。

4.遥控功能：机器人的进退停止、转向、拆装物件全部在手机上控制，利用蓝牙通信实现遥控。

四、结束语

由于该防爆排雷机器人活动精度高、活动线路灵活，精致小巧，布局美观，成本低廉，实用性强，能够利用手机进行遥控，实现无人接触拆装危险物体。读者可以根据这一设计思路和不同适用场合的要求，设计出满足社会需求、功能类似的实用遥控机器人。

参考文献

[1]王承启.小型远程探测机器人设计[J].2013（03）.

篇9

关键词：无线传感器网络；混合定位技术；TDOA；基于测距定位；基于非测距定位

中图分类号：TN91934；TP212文献标识码：A文章编号：1004373X（2012）18006004

引言

无线传感器网络在应用过程中还存在一些挑战性课题有待研究，提高节点定位效果就是其中之一。目前各种单一的定位技术都有各自的优缺点和明确的适用范围，不存在一种能满足任何应用需求的完美的定位技术[12]。在许多实际应用中，定位系统各个区域对定位精度、实时性等指标的具体要求往往也不同，这时采用单一定位技术很难满足整体应用需求。如在工业生产中，生产线上需要采用高精度高实时性的定位技术引导机械手臂或者其他执行机构完成特定的生产装配任务，这时往往需要定位系统提供厘米级甚至更高的定位精度；在运输环节，一些AGV（AutomatedGuidedVehicle）导航执行机构要求定位系统具备米级的定位精度和较高的定位效率；而在仓储物流环节，物流管理系统只需要知道货物存放的大致位置，此时定位系统提供大概的位置信息即可，误差几米左右都能满足应用需求。在复杂的实际应用中，单一定位技术往往在性能指标和设计成本方面难以达到要求。

本文结合现有无线传感器网络定位的现状[36]，提出了无线传感器网络混合定位思想，通过多种定位技术的融合，以混合定位的方式克服单一定位方法的不足，取长补短，达到更好的定位性能。相关的仿真和实验表明，本文实现了TDOA、基于RSSI测距以及DVhop等定位技术的融合，有效地提高了复杂大规模无线传感器网络的定位精度，有利于推动定位技术的实用化。

篇10

飞翔之梦

飞翔是人类一个永恒的梦想，几乎所有的科幻类卡通片都会出现各种各样的飞行工具。《魔女宅急便》中神奇的飞天扫帚，《机器猫》里轻巧的竹蜻蜓，《超人》中紧握双拳腾空而起的超人，而最具科幻色彩的莫过于《喷气之子》中的飞行汽车了，这种在摩天大楼之间穿梭不息的汽车形状飞行物，几乎成为未来世界的标志。在现实世界里，被堵车弄得心烦意燥的我们，是多么盼望自己的车能够拔地而起，把身后的汽车长龙统统甩在身后。2001年的“9.11”事件中成千上万的人无助地被困在即将崩塌的世贸大厦里，如果有垂直起降的飞行器，也许就能避免悲剧……

如今，飞行汽车成为现实。不久前，美国Terrafugia公司推出了Transition，这个有着可伸缩侧翼的汽车，在公路上行驶时看似一辆普通的汽车，但打开两边的侧翼之后就能在城市上空自由翱翔。妮梦•马科斯集团公司（Neiman Marcus Group Inc）也开始预售全球第一辆4座飞行汽车，这辆外形酷似星际战斗机的节能型汽车，在空中飞行的最高时速可达560公里，而使用的燃料是不排放任何有害气体的酒精。最近，一家名叫PAL-V欧洲BV的荷兰公司更是设计出只有3个车轮的PAL-V（即私人空陆两用车），PAL-V在拐弯倾斜时很像摩托车，因此操控性非常好。不过，这些飞行汽车价格不菲――都在300万美元以上，要想坐上“经济型”的飞行汽车，平时能随便开着上下班、出门购物，估计还得等上一段日子。

相对行汽车，日本漫画家藤子不二雄觉得把自己塞在一个盒子里才能飞行太麻烦了，就让他笔下的卡通人物机器猫从未来带来一样宝贝 ――“竹蜻蜓”，这也成为卡通片《机器猫》里出现频率最高的道具。一遇到上课快迟到，机器猫小叮当和大雄俩儿就头戴这个长相似螺旋桨的玩意，像直升飞机般飞向目的地。虽然在现实中让真人飞起来的难度太大，但机器猫却真的飞起来了。日本的一家玩具厂推出一种遥控飞行机器猫玩具。这个机器猫头顶的竹蜻蜓，采用“二重反转式旋翼” ――一种运用在前苏联军用直升机的精密结构。充上几分钟的电之后，机器猫就能飞到几层楼那么高。关键是，这只会飞的机器猫售价才49美元，比飞行汽车可便宜多了。

小叮当的宝贝

除了竹蜻蜓，《机器猫》里还有好多让人过目不忘的好玩意。当大雄受到大胖和强夫欺负时，小叮当总是会给他一把空气枪，只要把枪管套在手指上，对准目标说声“砰”，那些坏孩子就被打得人仰马翻。这个令人艳羡得手痒痒的武器，如今你随随便便都能买到。这款名字为“AirZooka”的空气枪，看起来像个小小的电吹风，只要轻轻拖动它上面的一个小按钮，就能产生强大的气流，攻击6米之内的任何人，但可以保证的是，它的空气弹是绝对没有任何危险的。只要掏出13美元，你就能在eBay上买到这个能让你在朋友面前显摆的玩意。

“房屋机械人”也离我们越来越近。在迪拜，有10%的新建筑中都装备有“智能房屋”系统。只要装上一个计算机中心控制系统，与埋设在房屋墙壁内的电器线缆连接，手握遥控器，就能轻轻松松让房屋里的电器自觉工作。而在回家的路上，给家里的热水器发一条信息，让它开始烧水，迎接主人洗澡，已是成天在我们的电视里播放的广告了。

在《机器猫》里，“隐形液” 是一种类似于喷雾剂的东西，喷上之后目标物体就会变成视觉看不到的状态。现在倒是有一种汽车车牌隐形喷剂，能在被喷车牌表面形成一层具有反光作用的透明保护膜，当警用测速相机（雷达）或电子眼的高倍闪光灯投射到车牌时，车牌会呈现白茫茫的一片，测不到任何数字。这虽是雕虫小技，却是一个让技术误入歧途的典型。然而，不知是出于对“透明”还是“隐藏”的追求，人类对隐形技术的探索从未停歇。英国和美国的研究人员透露他们已掌握了一种制造隐形衣的特殊材料，这种材料能避开光线和物体周围其他形式的电磁辐射。在旁观者眼里，物体就似乎变得不存在了，在视觉上实现了隐身。

机器猫、机器恐龙，还有什么

不仅机器猫的道具正越来越多地成为现实，机器猫自己也出现在现实世界里了。不过，它有了另外一个名字――NeCoRo（尼克罗）。这是日本欧姆龙公司（OMRON Corporation）近期推出的完全仿真的机器人宠物猫，它身上的人工皮毛猫摸起来就像真猫一样，并在全身装置了多种听觉、视觉、触觉传感器。人一摸它的头，尼克罗就会立刻撒娇；打它也会生气并叫出声音；它还会告诉主人它想睡觉了或要求主人抱抱它；与主人相处久了，它能记住主人的声音和自己的名字。虽然欧姆龙公司认为尼克罗已经够完美了，但是想想《机器猫》中那个爱吃铜锣烧、甚至会被蚊子叮的小叮当，这只机器猫还差得很远。

几乎每个二三十岁的中国人都是在“变形金刚，随时变形状……”的歌声中长大的，那时他们一放学就冲到电视机前收看卡通片《变形金刚》，一上街就吵嚷着要父母买一个变形金刚玩具。然而大多数人拥有的变形金刚只是一个手动的模型，但著名机器人设计师Dr. Mark W. Tilden去年设计的Roboraptor机器恐龙玩具则是一只真正的机器恐龙。跟尼克罗一样，RoboRaptor身上也有多个先进感应器，它会用眼睛“看”，用耳朵“听”，并对外界的接触与互动做出不同的反应，还会发出像真恐龙般的吼叫声，你还可以用双杆遥控器控制它的行为。RoboRaptor在国内已上市，售价不低――3680元人民币，你自己考虑考虑吧。

除了希望有机器猫、变形金刚之类的机器人的帮助，人类也常常幻想自己拥有超凡的能力。在《星球大战之帝国反击战》中，天行者卢克在云城与Darth Vader用幻化光刀交战时失去了右手，但最后在杰迪归来的时刻，天行者完成了机械手，并用它切开了Darth Vader的防护。在现实中，长期以来伤残人士只能戴上一个没有知觉的假肢，并不能指望用它来干多少事情。但波士顿数字手臂系统公司将可以令伤残人士拥有天行者那样活动自如的机械手，该公司生产的LTI智能假肢可以利用板上微处理器来控制机器假肢。英国的研究人员则更进一步，希望生产出直接受思想控制的机器肢体，他们从鹿角中得到一些灵感，将活肢体与金属植入物直接连在一起，一些残疾人已经开始试用这类产品。

控制假肢也只是人类幻想中的小儿科了，人类最渴望的莫过于用自己的意念主宰一切，所谓“心想事成”。在《圣斗士》中，白羊座穆先生的意念就无所不能，而日立制作所研发的一项技术也能让你当一回穆先生：比如，你想看电视时，念头一闪，电视就开了。原理就是将一个帽子状的血流测定器连接在头部，用电脑测定出人在思考时大脑内部血流量的微妙变化，然后将脑部活动信号传输到电子器械上。这项技术主要针对身体瘫痪者等残障人士，可以应用到电动床、轮椅等残障人士使用的器械上，但对一些懒人也有着莫大的吸引力。日立的下一步研发计划是，不仅做到“想看就看”, 还要实现“想看什么台就看什么台”。

柯南的道具

虽是一个侦探卡通片，《名侦探柯南》里也有好多让人为之向往的小玩意。工藤新一本来是一名高中生侦探，由于被坏人灌下毒药而身体缩小，便一直以小学生“江户川柯南”的身份，破解了一个又一个的疑难案件。在片中出现次数达135次的蝴蝶结形变声器，是柯南在讲述案件推理时隐瞒自己真实身份最关键的道具。柯南只需在调节旋钮后对着蝴蝶结讲话，便可以模仿他贪吃贪喝但又可爱的“叔叔”毛利小五郎的声音。这个看似神秘的东西，其实在中关村的科技市场里就能买到。麻将牌大小，几十块钱一个，可以装在手机或固定电话上。原理很简单，就是改变声音的频率，虽然不能像柯南的变声蝴蝶结那样可以模仿任何人的声音，但还是可以将通话者的声音在男女老少间随意变换。这对于独自在家的老人和孩子倒比较安全，可以用一壮年男子的声音吓唬吓唬坏人，但大多数时候我们不知道这种变声器会被用在什么地方，这只会让这个不确定的世界变得更加不确定。