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机械臂的设计方案范文1
【关键词】空间站；机械臂；关节；机电一体化
1前言
随着我国航天事业的不断发展，空间机械臂在空间站建造、设备维护和科学实验中起到了积极的作用，是空间站实现在轨组装和维护的关键设备。由于太空殊环境和我国科技水平的制约，对空间机械臂的设计与控制问题的研究一直是该领域的热点问题。其中机电一体化关键作为机械臂的关键组成部分，对空间机械臂的控制精度有着重要的影响。根据空间站的建设要求，基于机电一体化技术对为机械臂的关节进行设计，对满足机械臂的可靠性、集成性和智能性特点具有积极的意义。
2机电一体化关节的总体设计
2.1机械臂的构成
空间机械臂主要包括地面控制台、在轨控制系统、末端作业工具系统、移动基座系统、视觉系统、末端效应器系统、结构与机构系统、关节及其驱动控制系统八个部分。其中，关节、臂杆等结果与末端的效应器连接，然后通过关节旋转来实现机械臂的空间运动。
2.2机械臂和关节的功能要求
根据空间站的设计要求，机械臂需要完成如下功能：（1）协助空间站的维护、建设和维修，保证空间站的正常运转；（2）为航天员提供援助以增强其行动能力和安全性，减少其出舱次数；（3）最大限度降低航天员作业风险，进行环境的安全检查。
关节是机械臂的重要组成部分，通过关节的速度、位置和力闭环控制，进而实现机械臂的旋转运动和多自由度运动，关节的功能要求包括：（1）为机械臂提供操作负载与驱动能力；（2）为机械臂提供紧急制动功能，以及结构保护和运动角度限制等功能；（3）实现机械臂的高精度测量和控制；（4）实现机械臂与中央控制系统间的信息交互功能；（5）关节局部损坏或功能失效时，提供方便的在轨拆卸安装接口。
2.3机电一体化关节设计方案
因为机电一体化关节需要实现传动、制动、驱动、驱动控制、温度信号采集、位置和速度信号采集和通讯等多种功能，同时关节的重要和体积也受到严格的限制，因此在设计过程中要克服在满足功能要求的前提下尽可能的小型化、轻量化特点，并要求关节具备足够的环境适应性和可靠性。为了克服这些难点，机电一体化关节的集成设计步骤主要包括如下几步：（1）以调研为基础，确定机电一体化关节的整体设计方案，主要包括零部件和传感器的选型、中心孔走线以及冗余设计方案等；（2）首先根据实际的功能要求和性能参数分配零件的性能指标，要仔细核对关节内所有位置零部件的尺寸和接口；（3）进行关节内部结构和电气控制硬件的设计；（4）设计关节的控制算法，并编写相应的控制软件；（5）完成关节结构和相应软件的生产后，要对关节的性能和功能进行测试。
3机电一体化关节控制研究
3.1关节控制模式
根据中央控制器的指令，关节控制主要实现如下三种模式：
3.1.1位置控制
进行位置控制时，关节控制系统会从中央控制器位接收位置指令，然后使用速度、电流和位置三闭环结构，对速度、电流和位置控制器进行环路设置，最后再通过传感器得到关节转速、电机等效电流和末端位置等信息，以此作为控制环路的闭环反馈。
3.1.2速度控制
进行速度控制时，关节控制系统会从中央控制器接收速度指令，然后使用电流、速度双闭环结构，对速度和电流控制器进行环路设置，然后再通过传感器对关节转速与电机等效电流进行采集和计算，以此作为控制环路的闭环反馈。
3.1.3力矩控制
力矩控制是系统柔顺控制的一种备份模式，关节控制系统会从中央控制器接收力矩指令，然后使用电流和力矩双闭环结构，对力矩和电流控制器进行环路设置，最后通过传感器对关节的输出力矩和电机等效电流进行采集和计算，以此作为控制环路的闭环反馈。
3.2关节控制方法
3.2.1关节模型
机电一体化关节包括伺服电动机与谐波减速器两部分，其中，减速器柔轮与具有一定刚度的扭转弹簧等效。由于系统控制会受到摩擦和外界干扰的影响，因此首先建立关节系统的力学模型。根据该模型，可以对后续矢量控制等参数进行计算设置。
其中，表示关节的输出轴位置，表示电机轴的位置，表示负载惯量，表示扭转弹簧的刚度系数，表示减速比，表示非线性摩擦力矩，表示电机惯量，电机的阻尼系数；表示驱动力矩。
3.3.2矢量控制过程
关节控制系统包括速度环、电流环和位置环三部分，是一个三闭环的调节系统。关节运动的控制过程要保证运动在不同负载和变负载扰动下都保持平稳性，鉴于关节运动较低的速度和对关节位置动态响应能力的较低要求，其控制算法要重点解决关节的柔性影响，以实现振动的抑制控制，即降低振动的幅值和次数。
柔性关节扭转振动抑制涉及到级联动力特性、高精度定位控制设计和低速非线性摩擦补偿等问题。另外，机械臂的位型和负载变化也会造成机械臂关节空间的转动惯量出现时变的特性。运动控制算法主要包括状态空间反馈、计算力矩前馈和PID控制加柔性补偿等。其中，PID技术能够根据经验对参数进行设置，灵活性较高，因此控制性能良好，目前很多成型产品都采用了经典的线性PID增量控制算法。如果对动态响应的要求不高，则可以使用PI控制方式对转速、电流和位置闭环进行控制，摩擦模型一般使用动态模型进行模拟，并在控制器上进行补偿。除此之外，考虑到谐波减速器的刚度要求，需要进行柔性扭转控制补偿，并使用变参数PI设计，尤其是在负载面对大范围变动的情况下，控制系统要先根据实际情况对多个控制参数进行设定，然后在线切换调整，以保证机械臂的运动平稳性要求。
4结论
本文从设计和控制两个方面对机电一体化的空间机械臂关节进行了介绍。关节是机械臂的重要组成部分之一，随着我国空间技术的发展，基于机电一体化技术的空间机械臂关节设计和控制技术必将得到进一步的完善和拓展。
【参考文献】
[1]张慧芳.空间机械臂锁紧装置设计与分析[D].哈尔滨工业大学.2006.
机械臂的设计方案范文2
【关键词】机器人 手臂关节 机械设计
随着制造成本的降低、工作效率和可靠性的大副提高，在工业生产中机器人的应用越来越广泛。机械手臂是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在生产过程中，机械手臂广泛应用于自动生产线中，使得现代生产能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。下面主要探讨机器人旋转关节、传动系统、减速系统进行实现等的设计实现。
一、手臂关节模块设计
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：
（一）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。图1所示为外壳的设计示意图：由图1可知，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。
（二）减速齿轮方案
图2所示为减速齿轮方案的设计示意图：由图可知，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。
（三）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，图3所示为中轴传动方案的设计示意图。
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。
二、连接件模块设计
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。图4所示为连接件模块的设计示意图：图中所示为结合不同工作车需求的连接件实例。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。
三、模块手抓单元
图5所示为模块手抓单元的设计示意图：该示意图为模块手抓单元的末端执行器机械结构。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。
四、结束语
总之，我国机器人的设计研究和应用较之国外晚，随着机器人的快速发展、社会需求的增大和技术的不断进步，机器人在更多的领域得到了越来越广泛的应用和发展，考虑到机械臂的结构具有比较高的复杂性，因此这是一项具有重要意义的研究。
参考文献：
[1]王晓玉，赵智，化春雷，林剑锋.机器人在柔性制造系统中的应用[J].制造技术与机床，2012，（10）.
机械臂的设计方案范文3
关键词：掘进机；伸缩结构；小切割头
中图分类号：U4 55.3+1文献标识码：A
一、现状
纵轴悬臂式掘进机的切割臂就功能来说主要有两种形式，即可伸缩和不可伸缩。可伸缩的切割臂保证切割头灵活地前后移动，具有操作方便，巷道成形好等许多优点。但因为要设计伸缩结构，导致切割臂的直径偏大，从而使切割头直径也相应较大。不可伸缩的切割臂虽然有很多不足，但它的结构简单，尺寸相对较小，它的最大优点就是可以采用小直径切割头。因此，掘进机产品中采用伸缩结构的切割头直径普遍比较大。
二、分析
切割头是掘进机的直接工作部件，其直径的大小直接影响到截齿的切入力即破岩能力。根据公式F=n/r，其中：F为截齿切入力、n为切割主轴输出扭矩、r为切割头半径。显然，截齿的破岩能力与切割头半径成反比，即切割头半径越小，截齿破岩能力越强。不伸缩的切割臂内部结构简单，切割臂外筒直径小，切割头体的直径也比较小，但它的缺点很多，主要有：切割范围小，落料收集不灵活，巷道清底困难等。因此，只要巷道条件允许，总是优先采用切割头可伸缩的掘进机作业。
目前，掘进机可伸缩切割臂的结构如图1所示。
图1
1、切割头体 2、切割主轴 3、动端盖 4、浮动油封 5、螺栓 6、静端盖 7、轴套 8、主轴承 9、伸缩筒 10、切割臂外筒
从图中可以看出，切割头体、切割主轴和主轴承是主要受力件。伸缩筒带动切割头伸缩，切割臂外筒起保护和加强作用。切割头体直径的大小直接受切割臂外筒的直径影响，可伸缩切割部因为要设计伸缩结构，所以切割臂内部结构复杂，在保证强度的前提下，外筒直径不可能缩小太多。受切割头破岩能力的限制，这种结构一般只能适合半煤岩和全煤巷道。
三、结构改进
如果把图1所示的结构稍微改一下，不采用这种切割头包围切割臂的结构，而是把切割头直径缩小后前移。其结构如图2所示。
图2
图2中，实线所表示的的是改进后的小直径切割头，点划线表示的是原来的大直径切割头。A、B两点分别为改进后和原来切割头工作时受力的近似位置，尺寸a、b分别表示两种结构切割头受力位置与主轴承的距离。这样改进，虽然能达到减小切割头直径的目的，但切割头整体前移导致切割头受力位置与主轴承的悬臂过长（如图中所示的尺寸a远大于尺寸b），力矩增大。从而使切割主轴以至整个切割臂的受力状况非常不好，轴承受到的径向力增大了许多（与悬臂长度成正比关系）。而实际在掘进机作业时，机器振动非常大，不稳定因素很多，主轴承和切割主轴的受力情况很复杂。主轴承的故障率一直很高，甚至发生过主轴断裂。而且，因为巷道条件和机器自身的结构限制，在井下维修更换很困难。这就要求我们在设计时应该想方设法地保护轴承和主轴，尽量设计出理想的受力结构。显然，以上的改进方案与实际情况不符，不可行。
四、新方案
经过以上分析，要达到减小切割头直径的目的，必须同时采取以下措施：第一、切割头前移，或改变切割臂外形，使头体直径不受切割臂限制；第二、轴承相应前移，确保切割头受力位置与轴承的距离不增加。明确了以上要点，再进一步改进，我们做了如图3所示的设计方案。
图3
1、切割头体 2、切割主轴 3、动端盖 4、浮动油封 5、螺栓 6、静端盖 7、轴套 8、轴承 9、伸缩筒 10、联结环 11、螺栓 12、切割臂外筒
在新结构中，把切割头的后端布置在切割臂最大直径之前，这样，切割头的直径就不受切割臂外筒的限制，可以做得足够小。与图1相比，多设计了一个联结环，用螺栓联结在伸缩筒上，起到固定切割臂外筒和伸缩筒的作用（在图1的结构中静端盖直接用螺栓联结在伸缩筒上）。同时主轴承向前布置，静端盖直径缩小并相应改动形状。从图3中可以看出，改进后的方案即可以达到减小切割头直径的目的，也能保证切割头受力位置与主轴承的悬臂长度保持不变。
采用新结构的切割头直径可以减少到700毫米左右，而原来结构的切割头直径最小也要850毫米，截齿的破岩能力提高了大约18%，而整机的体积和重量没有改变。
五、结语
煤炭产业是最重要的基础产业之一，综合机械化开采水平不断提高。但因为地质条件的限制，采掘比例失调的矛盾越来越突出。在我国煤矿中，很多巷道的岩石硬度大，截面面积小。大功率的掘进机体积太大，小功率的破岩能力差，都不能满足生产需求。因此机械化掘进难度很大。为解决这一矛盾，满足工程建设和煤矿高产高效生产的需求，研究小直径切割头，尽可能提高截齿的破岩能力，是目前综合掘进机研究的重要课题之一。
参考文献
[1] 吴波，阳军生.岩石隧道全断面掘进机施工技术.安徽科学技术出版社，2008.
机械臂的设计方案范文4
关键词 机械设计；农业；虚拟样机技术
中图分类号 TH166；TP391.9 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）04-0191-01
虚拟样机技术是指通过使用计算机技术，在没有建造物理样机的时候建立数字化的机械模型系统，并使用仿真分析方式，将该系统模型在实际运作中的特性以图形的形式显示出来，从而寻找出最佳的机械设计方案。将其应用到农业机械设计中，有利于提高机械设计的效率。
1 虚拟样机技术在农业机械设计上应用的意义
传统的农业机械设计中往往需要经历多个步骤，如再试验、设计的改进、田间的试验、试制样机等。而设计师在设计的时候更多的是以自己的设计经验进行设计，具体的设计参数也通常靠经验来确定，这样设计出来的产品对提高其质量起到了严重的阻碍作用。而且我国的农作物和农业用地的地形也具有多样性的特点，以及对机械的要求也具有差异性，所以研制的农业机械也应当具有针对性，结合作物的实际需求进行设计。而在试制的时候由于受季节和气候等因素的影响，将会造成设计周期的延长。随着社会的进步，传统的设计难以满足新时期的需求，在虚拟样机技术应用到农业机械设计中之后，不但能够模拟农业机械的功能、结构，还能够及时发现设计阶段出现的样机缺陷，然后做出相应的改进，有效地在设计之初完善机械设计方案。另外，虚拟样机技术还实现了同步进行设计工作和完善工作的目标，对优化设计方案、做出前瞻性的决策发挥了重要作用。另外，还有利于节约机械原材料，促进机械设计成本的降低[1]。
2 虚拟样机技术在农业机械设计上的具体应用
虚拟样机技术在农业机械设计中的应用主要是利用ADAMS仿真方法，或是其他软件结合ADAMS进行仿真分析农业机械，以此来提高农业机械设计的质量和效率。
2.1 ADAMS在农业机械设计中的应用
这种方法主要是将虚拟样机的模型建立在ADAMS中，然后再仿真分析样机的功能等。其优势在于可以无缝连接数据，但也存在较弱的建模功能的不足之处。较为复杂的、大型的模型很难建立起来。例如在设计农用运输车的时候，基于原有的多体动力学模型，使用ADAMS仿真分析其平顺性，对完善其性能发挥了重要作用；在建造稻麦联合收割机模型的时候使用ADAMS中的仿真软件，优化了该模型的结构；在使用ADAMS仿真建立收割机结构的模型时，还仿真设计了割刀的运动，仿真之后得出的结果也比较合理，仿真设计的准确性较高，对机械设计具有极大的帮助[2]。
2.2 结构分析软件结合ADAMS在农业机械设计中的应用
由于ADAMS的结构分析能力相对较弱，而且刚体是ADAMS主要的分析对象。因此，为了有效地分析柔性体，在仿真的时候就需要结合相关的结构分析软件。如ANSYS有限元分析软件结合ADAMS，建立了水稻钵苗模型、水稻移栽机模型，比较物理试验的结果与仿真结果，验证模型的可行性，从而设计出质量更优的产品；这2个软件结合还仿真建立了耕整机的样机模型，并在实际测量具体的尺寸之后，研究耕整机的实际震动原理，从而根据其性能设计符合农业实际需求的耕整机；另外使用ADAMS与ANSYS结合建模，还需要分析具体的作物特性，如基于了解了甘蔗的物理性能之后，先使用ANSYS将其数字模型建立起来，然后在虚拟样机ADAMS引入数字模型，构建工作对象甘蔗与虚拟样机之间的联系，使收获机作用于甘蔗，并对机器的具体工作过程进行精确的描述[3]。
2.3 控制系统分析软件结合ADAMS在农业机械设计中的应用
现代机械设计的主要发展方向是结合控制系统与机械系统，能够促进机械结构自身复杂性的降低，利用结合的控制系统可实现以往不能完成的复杂运动。同时还能促进结构运动，增强可靠性、精度。如在研究弹性轴轴承系统的时候使用Mat lab结合ADAMS的方法，仿真分析其受到径向正弦载荷作用之后，所呈现出的动力学的具体特征；在研究马铃薯联合收获机的特性时，可以先仿真收获机输送臂的液压模块、机械模型，仿真的时候主要使用的是ADAMS，然后在Simulink中构件其控制模型，最终结合Mat lab与ADAMS集成仿真系统的模型。在分析系统模型之后，就可以实现仿真分析输送臂工作原理的目的。
3 结语
总之，通过对虚拟样机技术在农业机械设计中的应用的研究，可以了解目前农业机械设计存在的不足，将虚拟样机技术广泛应用到农业机械设计中可以有效解决其不足，还能够满足现代化农业机械设计的需求，从而提高机械设计的质量，促进农业机械的发展。
4 参考文献
[1] 牛.虚拟样机技术在农业机械设计上的应用和发展初探[J].科技资讯，2013（31）：58，60.
机械臂的设计方案范文5
1整体系统设计框架
本系统主要采用模块化的设计方法，由单片机、循迹模块、红外探测模块、无线通讯模块、电机驱动模块和抓取模块组成。其中单片机作为核心负责处理采集到的信息从而控制其他模块的工作，总体的硬件设计框图如图1所示。本多功能物料搬运小车的设计任务主要完成接受到上位机的搬运信号时，开始在预定轨道行驶，进行搬运物料的工作。最终硬件方案选定为：采用动力锂电池作为电源、购买标准的亚克力底盘、STC12C5A06S2作为主控核心系统、采用nRF2401无线通信、采用红外传感器循迹和识别物料。
2硬件系统设计
2.1核心控制板
控制板选用STC12C5A06S2，STC12C5A06S2是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代以51为内核的单片机。指令代码与传8051完全兼容，但是速度比传统8051快8-12倍。2路脉宽调制，专门用于电机的控制，适合强干扰场合。
2.2电源稳压模块选择
7805是一种固定的三端集成稳压器，IC内部电路具有过流保护、过压保护、过热保护等功能。为了能够实现1A以上的输出电流，需要背负足够大的散热片。在温差较大的环境中依旧可以正常工作，适应环境的能力较强。输入最大电压为35V，最小为7V，并且其外围电路组成简单，只需要几个电容和整流二极管即可。稳压电路图如图2所示。
2.3电机驱动模块选择
普通的直流减速电机的调速性能好，调速方便，调节范围宽，过载能力强。可频繁的快速启动、制动以及正反转。本方案选择直流减速电机作为电机。L298N驱动原理图如图3所示。L298专用驱动芯片由于驱动能力强、价格便宜、抗干扰能力强等特点，在驱动直流电机和步进电机的应用中较为广泛。尤其是在对功率要求不高小型智能车上，由于可以使用单片机IO口输出的逻辑电平控制，使其对于电机的调速非常方便。
2.4无线通讯模块
本系统采用nRF24L01无线通信模块用于与PC串口通信。nRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHzISM频段。单片机通过无线收发模块nRF24L01实现与PC串口通信。单次传输有效字节数：1-31字节。可实现点对点，点对多的双向通信。
2.5红外模块
采用红外发射和接受管等分立元器件构成探头，并使用电压比较器获得输出信号。安装循迹红外传感器时，需要注意，中间一路传感器必须保证在轨迹的中间位置，左右两路的传感器需要贴在黑色和白色地砖的边界位置。这样安装可提供循迹识别的灵敏度，减少控制系统调整运行的方向频率。物体识别也采取红外模块，采用抗干扰能力强的红外传感器，根据有无红外线反射回来，判断是否有物体。
2.6物料抓取模块选择
采用舵机控制的机械臂，通过程序改变输出PWM控制舵机的旋转角度从而控制机械手每个关节的动作，使之精确地抓取目标。设计中使用MG996R数字舵机，最大扭力可达15kg/cm，一共使用3个舵机组成3自由度的机械手。3个舵机只能让机械臂在三个维度上运动，本次制作中一个舵机控制上下移动，一个舵机控制左右移动，一个舵机控制爪子抓放动作。本设计采用脉宽PWM法实现对MG996R舵机转速、转向的精确控制。机械臂的末端夹持器的抓取与松开通过末端舵机的旋转角度来实现，当舵机向右旋转90°时，爪子完全张开。当舵机归中时，爪子便合拢，从而实现夹取和卸载货物的目的。中间舵机的安装是垂直安装，因此当舵机顺时针或逆时针旋转时，机械臂便会向上或向下。
3系统软件设计方法
3.1主程序设计
小车启动后，首先MCU执行各种初始化。初始化以后，小车等待PC的串口指令。收到串口的指令后进入循迹子程序，沿着黑色轨迹行驶。若在循迹的过程中检测到进入搬运区时则PWM调速，降速循迹行驶直到检测到需要搬运的物体，那么便进入搬运子程序。物料被抓取后，小车便继续循迹。最后小车将会实时判断是否到达终点，若到达终点，便停止行驶卸下目标物体，继续等待下一个PC串口开始的指令。主程序设计流程图如图4所示。
3.2无线通信程序设计
在程序的开始，将串口初始化、设置串口中断。等待PC的串口数据中断指令，当收到串口的指令后小车开始运行。串口指令程序设计流程图如图5所示。
3.3循迹子程序设计
当小车启动后，便立马进入预定的轨道行驶。从左到右，一共是五路循迹传感器。主要分为主循迹和辅助循迹两类，中间的三路为主循迹，两侧为辅助循迹。在搬运区为设置一个小十字形的黑线作为标记。因此当小车中间三路检测到黑线时，便需要减速行驶进入搬运区。五路循迹若各自检测到黑线，则做出相应的动作。循迹子程序设计流程图如图6所示。小车循迹使用了五路红外传感器，中间三路为主循迹，旁边两路为辅助循迹，在小车速度过快时可防止其跑偏，提高了循迹的准确性。在算法中只规定了五种情况，简单来说分别是最外左路、左路、中路、右路、最外右路，这五种相对应检测到黑线的情况。使用if语句使逻辑顺序更加清楚，防止循迹的逻辑判断混乱。
3.4搬运子程序设计
开始时，舵机初始化，在随后的运行过程中，红外对管实时检测物料。一旦检测到物料，小车便停止，机械臂开始抓取物料，将物料抓取后继续运行。直到到达终点后，机械臂放下物体。为了防止在终点放下物体时，红外探测管再次被触发，在程序中加了标志位。搬运设计流程图如图7所示。
机械臂的设计方案范文6
近年来，化工厂泄露事故频发，造成了重大的人员伤亡和财产损失。化工生产中的三种主要事故：火灾、毒气泄露和腐蚀都可能会产生人无法靠近的环境，并且可能对环境造成永久的损坏，这时需要工作人员穿着防化服或者其他防化措施靠近现场，进行洗消和抢险作业以消除环境的危害。此时恶劣的环境和较为复杂的工况使得救灾人员在进行一系列洗消作业和抢险救灾时显得力不从心，而且救灾人员的生命安全没法得到很好的保障。
所谓抢险救灾机器人，就是当天灾人祸来临时，动用一切力量抢险救灾和保护人员生命和财产的安全。对于工况较为简单的环境，人为的进行抢险救灾无疑是最方便、最切实可行的一种方案。但是对于发生事故后的化工厂来说，恶劣的环境，例如酸性碱性腐蚀性液体气体的存在，导致人员很难进入，更别说进行一系作业，而机器人则很好的适应了这一发展的需求。
对于洗消作业，机器人可以深入最危险的区域，携带更多的洗消剂，其工作效率可以远远大于人工。并且机器人准备时间短，能迅速进入事故现场，尽可能早的投入救援或洗消。
与此同时，随着国民经济的发展，各类化工厂遍布全国。大部分化工厂都存在高温高压、有毒有害环境以及发生事故的隐患。无数的事故案例表明，我国的化工安全不容乐观。在很多的化工厂，例如氯碱厂、化肥生产厂等，经常会发生有毒有害气体泄漏的情况。针对这种情况，尚无安全的处理方案。
以2014年8月2日昆山化工分厂爆炸事故为例：那次共有遇难人员共75之人，受伤人员更是多达185人。官方给出了以下几点事故发生的原因：1.因爆炸会使得粉尘四处冲击，加上现场情况混乱，导致危险源没有被移除，二次爆炸发生数次；2.生产工艺路线过紧过密，导致人员不易进入，救援最佳时间被错过；
3.车间内所有电器设备没有按防爆要求配置，导致很多发生电气设备损坏，而且没有及时关闭供电总阀，导致大面积起火。
综上事故案例，设计一款专门用于化工厂的前线救灾洗消机器人，并使其具有平时自助巡航、全天候实时监测以及预警，在发现事故时能高效化自动作业、及时上传数据至监测端，事故发生后能代替人力有效地进入事故现场，尽可能排出隐情或是降低工况环境危险程度，更加便于抢险人员进入作业的能力，是十分必要的。
2 设计方案
该洗消机器人是一种能在化工厂使用的洗消机器人，该机器人有一定的越障能力，可以远程无线控制，携带尽可能多的洗消液，采用细水雾系统进行洗消作业，喷头的高度、朝向可以调节，洗消液流量也可以调节，同时机械臂可以进行一系列机械作业。该机器人设计上有以下特性：（1）稳定的远程无线通信；（2）符合人机工程学的控制器；（3）无线视频监控；（4）符合人机工程学的操作界面；（5）安全、稳定，有纠错能力的控制方案；（6）有防护设施的控制电路。
3 控制系统总体方案
根据设计的要求，将本机器人的控制分为两大部分：上位机控制和下位机控制。上位机控制部分包括控制器、上位机和无线通信模块，其主要作用是将控制器的信息通过上位机的读取和转换变成符合通信协议的控制字发送给下位机。同时上位机还具有无线视频通信的功能，使用网络摄像头通过wifi信号传输现场图像信息。
下位机的控制系统可以分为三部分：动力部分，机械臂部分和细水雾部分。动力部分包括2个120W的直流电机；细水雾部分包括：一个水泵、一个电磁阀、一个升降杆和一个云台电机；机械臂部分包括四个图1上位机控制原理图
