多功能平面并联机械手示教仪 设计说明书

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1、多功能平面并联机械手示教仪设计者：王旭东，赵宣，赵彬、周长兴，张百齐指导教师：赵卫军，金悦（西安交通大学机械工程学院，西安710049）作品内容简介本作品是一种新的教学型平面并联机械手示教实验设备，其基于平面五连杆机构进行教学演示，既可用于《工业机器人》课程的实验和《机械设计基础》课程的机构演示教学，也可帮助学生进一步理解并联机构及其工业应用。本作品的基本原理是通过与上位机通信，获取在控制界面上鼠标当前有效位置，运用运动位置逆解方程将坐标转换成两电机转角，从而驱动并联机构实现执行末端的运动。同时可以通过上位机的配套软件改变与检测执行机构的运动状态，并将参数实时反映在上位机的控制界面中

2、。本作品机构上除了基本的平面并联机构外，还增加了不完全齿轮机构和直线运动机构来实现抓取和绘画功能，具有演示复杂轨迹曲线的功能与复现轨迹曲线，还可以演示工业机器人在工厂的分拣动作，这提高了实验仪器的趣味性与实验内容的丰富性。本示教仪具有较大的开放性，学生可以从机构学、力传递特性、运动学与控制策略等多方面自主实践探究，提高学生独立思考的能力与创造力。本示教仪不仅将机械类学生所学理论与前沿科学紧密相联，使学生能直观地学习并深入了解并联机构的特性，同时提高学生自主创新实验的能力，对机械类学生创造力的培养具有重要的意义。本作品经调试达到了预期的效果与功能。经市场调查与分析，现有市场并无此类仪器

3、设备，在量产的情况下，可将成本控制在2000-3000元，在高校机械类课堂内具有一定的推广价值。图1机械手模型渲染图图2并联机械手实物图联系人：王旭东联系电话：18710436390Email:wangxudong@stu.xjtu.edu.cn-15-1.研究背景与设计目标1.1研究背景自09年以来，中国市场经济面临着经济模式转型与劳动成本提高的困境，而解决这一困境的有效措施是企业使用工业机器人来代替人力劳动降低成本，提高生产效益。随着当今工业现代化的迅猛发展，以及加工工艺的不断完善，控制技术的不断进步，工业机器人的应用前景已被越来越多的企业认可。工业机器人既保证了产品的质量，又减

4、少了在特殊环境下工作的危险性，同时降低了工作人员的劳动强度与技术熟练要求。如图3所示中国工业机器人的需求每年正逐步地增加，而我国工业机器人研究起步较晚，与西方国家存在一定的差距，且工业机器人多依赖进口，这严重影响我国经济的发展。图3中国工业机器人需求量但高校机械教学实验设备未及时与社会发展需求很好地接轨，经过市场产品调研与分析，市场上并未存在较为成熟且以应用颇广的并联机器人为研究对象的教学型实验设备。并联机构是由2个或者2个以上的驱动器通过杆系同时作用于运动平台的空间机构。它的特点是所有的分支机构可同时接受驱动器的输入，而最终同时给出输出，并联机构在机构学上属于多路闭环机构。本小组决

5、定采用以五连杆为基础的二自由度平面并联机构作为示教设备，其可以实现工作平面内的任意移动。虽然其为最简单的并联机构，但是可以引导机械类学生了解并联机构在工程上的应用价值，并进一步学习和掌握并联机构的结构特点、运动学分析方法和控制技术等，促进机器人技术在机械类学生内的普及。1.2设计目标1）学生上手快且易理解，作品采用图形化界面，避免了繁杂的编程与函数库的学习。机械结构与被亚克力透明盒包装的电路结构清晰可见，从学生认知的角度讲，学生能够清晰地把握整个作品或实验仪器的结构；2）了解并联机构的基本概念并对工业机器人有初步的认识，学生能够了解什么是并联机构，相比串联机构其具有什么优势，以及并联

6、机器人以及其在工业生产上应用的前景；-15-3）学生能综合运用机械各学科知识分析并联机构，能计算机构的自由度并能简化机构模型从而建立并求解机构的运动学方程。学习简单的数控编程方法与控制技术控制机械手的运动；4）学生能积极探索并联机构的相关特性，如在此示教仪的基础上探究平面五杆机构的运动特性与机构特点，运动学动力学模型的建立，最优路径策略的制定等。1.方案设计122.1整体方案设计本示教仪选用STM32作为主控，通过与上位机通信以及上位机的配套软件改变执行机构的运动状态并检测运动状态；它也可以与电机驱动器通信，并通过电机驱动器控制伺服电机，通过电机转动使并联机构运动。该控制为半闭环控制

7、，虽然不能直接检测杆末端的位置，但是当整个机构间隙比较小并且晃动不大时，可以通过检测伺服电机的转动状态计算出杆末端的运动状态，从而进行控制。图4为控制系统整体方案。图4整体方案设计1.2.2.1.2.2.机械结构整体设计作为实验仪器设备，既要保证实验结果的清晰性，同时也保证机构运动流畅。图5是并联机械手三维装配模型渲染图，图6是最终设备的基本尺寸图。-15-图5并联机械手三维装配模型渲染图图6实验设备的基本尺寸为确定各支链杆的尺寸，本小组将平面并联机构简化