時間：2022-02-18 09:44:28
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇機械手設計論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：仿人 機械手 單片機STC15F204EA 驅動器 步進電機
中圖分類號： TP241 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2015）04（a）-0000-00
中國在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中，把“服務機器人”研發作為重點項目。機械手是“服務機器人”的關鍵部位，在各種護理機器人、陪護機器人、中醫按摩機器人中，機械手是機器人完成“服務”任務必不可缺的一部分。設計并制造具有感知能力的擬人化機器手，并對擬人機械手的材質、機械結構、控制技術進行了深入的調查研究。將微小型步進電機和齒輪減速器引入擬人化靈巧機械手設計結構中，實現機械手的大扭矩抓取和擬人化；機械手裝有位置、力、力矩等多種傳感器，可實現機械手認知能力，且所有部件均集成在手指和手掌內。開發具有認知能力的擬人化靈巧機械手集機、電、計算機軟硬件、信號源處理于一體。有5個相同結構的模塊化手指，具有擬人化手形外觀及認知抓取能力。通過對擬人化靈巧機械手的研究，帶動更多前沿學科與機器人技術的交叉和融合，促進我國“機器人”的進一步發展，提高其技術水平和國際競爭力。
1 仿人機械手工作機理分析
仿人機械手主要由手掌、手指機構、拇指機構和所有的手指驅動機構組成。手掌內放的驅動直流小電機，節約了手的空間，縮小了體積；手指機構包括小指、無名指、中指和食指，它們都由相同的構件組成，包括兩個關節前指和后指，前指和后指使用螺釘連接，可以減小手指的大小。各指之間使用軸連接，用軸套保持之間的距離，防止發生碰撞。拇指機構是單獨的零件體，單獨與四指機構用連桿連接，減小了機構的復雜性，有利于優化機構。傳動機構包括電機軸齒輪、減速齒輪、驅動手指機構的半齒和帶動拇指的連桿組成。仿人機械手運動的過程是以手掌為基座，電機固定在手掌內，帶動齒輪實現各級減速，半齒連接在四指上，當半齒轉動時帶動四指張合，四指和拇指是由連桿連接，所以四指動的時候拇指也隨之而動，且與四指相反，從而最終實現物體抓握。
2仿人機械手控制系統硬件設計
2.1控制系統硬件結構設計
圖3-1仿人機械手控制系統結構框圖
如圖3-1所示為基于單片機系統設計的仿人機械手控制系統的結構框圖。其工作方式如下：
其中MCU為單片機處理器，信號采集模塊包括位置傳感器模塊和力矩傳感器模塊。這兩個傳感器模塊的主要功能是檢測對被抓物體的夾緊力地大小，同時生成模擬量的電信號，然后再通過單片機內部自帶有的A/D轉換芯片將模擬量轉換成數字量，單片機將得到的數字信息存儲起來，等到要處理的時候進行處理。
當單片機根據采集到的夾緊力對應的電壓信號來算得手指的運動的位移，向外部驅動電路發送不同的位移信息。外部的電機驅動器將接收到的數字信息進行處理，最后進行對電機運行的控制。
2.2控制器芯片的選擇
在設計控制系統的過程中，對控制芯片的選擇至關重要，從系統的穩定性，性能和價格等方面考慮選擇STC15F204EA單片機。
STC15F204EA系列單片機是STC公司生產的單時鐘機器周期的單片機，是高速、高可靠、低功耗、抗干擾的新一代8051單片機，可設置5MHZ-35MHZ寬范圍頻率，可徹底省掉外部昂貴的晶振，自帶8路高速A/D轉換功能，無需在系統再搭建模數轉換電路。
2.3電機驅動模塊的設計
2.3.1驅動芯片的選擇
L293是ST公司生產的一種高電壓、小電流電機驅動芯片。該芯片采用16腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達36V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達2A，持續工作電流為1A。內含兩個高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和繼電器線圈等感性負載；該芯片可以驅動兩臺直流電機。引腳P1用于M1電機PWM輸入控制，引腳P2用于M2電機PWM輸入控制。
2.3.2單片機與驅動器之間的接線與參數設置
本文所采用的單片機STC15F204EA可以控制驅動器L293驅動兩臺微電機。分別是M1和M2。引腳P1、P2可用于接收單片機輸出的PWM脈寬調制信號以實現對電機進行調速控制。實現電機正反轉是通過D1和D2兩個端口控制的，輸入信號端D1接高電平，電機M1正轉，如果接低電平，電機就反轉。控制另一臺電機是同樣的方式，驅動器L293輸入信號端D2接高電平，電機M2正轉，反之則反轉，PWM信號端P1控制電機M1速度，PWM信號端P2控制電機M2速度。下圖3-2為仿人機械手控制系統接線原理圖，詳細地繪制了單片機控制驅動器并連接兩臺電動機的工作過程。
圖3-2 控制系統接線原理圖
3控制系統軟件設計
本控制系統所采用STC15F204EA單片機對應晶振為12MHZ，利用定時器控制產生占空比可變的PWM脈沖信號。PWM輸出范圍為0% -100%，PWM的周期1ms，頻率1KHZ，且輸出低電平有效。
如下是控制機器人左右機械手運動的兩臺直流電機PWM調速的部分程序
#include；
Sbit KEY_M1_SW =P1^0//M1：啟動或停止；
Sbit KEY_M1_DR =P1^1//M1：正轉或反轉；
Sbit KEY_M1_ADD =P1^2；//M1：PWM加一；
Sbit KEY_M1_SUB =P1^3；//M1：PWM減一；
Sbit KEY_M2_SW =P1^4；//M2：啟動或停止；
Sbit KEY_M2_DR =P1^5；//M2：正轉或反轉；
Sbit KEY_M2_ADD =P1^6；//M2： PWM加一；
Sbit KEY_M2_SUB =P1^7；//M2： PWM減一；
//輸出控制引腳；
Sbit PWM1_OUT=P3^0； //M1：PWM的輸出腳；
sbit MOTOR1_DR=P3^1；//M1：電機轉向控制；
sbit PWM2_OUT=P3^2；//M2：PWM的輸出腳；
sbit MOTOR2_DR=P3^3；//M2：電機轉向控制；
sbit BEEP=P3^7；//蜂鳴器；
//電機的占空比；
Unsigned char PWM1_value=50；//賦初值 50%；
Unsigned char PWM2_value=50；//賦初值 50%；
主程序
Void main（void）
{
PWM_INIT（）：//PWM初始化
While（1）
{
KEY_SCAN（）：//按鍵掃描
}
}
4結論
本文設計了一種仿人機械手運動控制系統，該系統充分利用了仿人機械手結構簡單、體積小、重量輕，拆卸方便，各手指間都可安裝傳感器的優點，能使控制更加靈活，安全性增強，滿足了仿人機械手對控制系統的要求。以STC15F204EA單片機為控制核心，通過與位移及力矩采集模塊之間的通信，實現了信息的良好通訊。通過驅動芯片L293驅動步進電機運轉實現對機械手抓握物體的良好控制。
參考文獻
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關鍵詞：采摘機械手臂；蘋果；結構設計
引言
水果采摘季節性強、費用高且勞動量大[1]。加速農業現代化進程，實施“精確”農業，廣泛應用農業機器人，提高資源利用率和農業產出率，降低勞動強度，提高經濟效率將是現代農業發展的必然趨勢。研究采摘機械人，對于降低人工勞動強度和采摘成本、保證水果適時采收，具有重大的意義[2]。我國從上世紀70年代開始研究水果蔬菜類的采摘機械，并且也逐漸起步，如上海交通大學已經開始了對黃瓜采摘機器人的研制[3]，浙江大學對番茄采摘機器人進行了結構分析與設計的優化[4]，中國農業大學對采摘機器人的視覺識別裝置進行了研究[5]。目前，我國研究的采摘機器人還有西紅柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘機器人等[6-8]。文章對蘋果采摘機械手臂進行選型，進一步進行詳細結構設計，最后對設計結果進行試驗驗證。
1 機械人機構選型及自由度的確定
由于采摘機械人的作業對象是蘋果，質量輕，體積小，故而可選擇較為簡單、靈活、緊湊的結構形式。
根據機械人手臂的動作形態，按坐標形式大致可將機械人手臂部分分為以下四類[9]：直角坐標型機械手；圓柱坐標型機械手；球坐標（極坐標）型機械手；多關節型機械手。采摘機械臂的結構型式選取主要取決于機械人的活動范圍、靈活性、重復定位精度、持重能力和控制難易等要求。以上四種型式，它們的活動范圍和靈活度逐漸增大。經過對蘋果采摘空間的研究，結果表明，蘋果樹樹冠和底部的蘋果分布極少，大多分布在樹冠中部，大約有80%以上的蘋果分布在距地面垂直高度1-2m、距樹干左右方向1-2m的空間范圍內，且陰陽兩面的蘋果分布率并無明顯的差異。這就要求采摘機械手應當具有較大的工作空間，因此選用多關節型機械手較為合適，且其占地面積較小，更加適合蘋果采摘作業。
實際中，蘋果生長位置隨機分布，這就要求機械臂的末端執行器能夠以準確的位置和姿態移動到指定點，因此，采摘機械人還應具有一定數量的自由度。機械臂的自由度是設計的關鍵參數，其數目應該與所要完成的任務相匹配。一般來說，自由度數量越多，機械臂的靈活性、避障能力越好，通用性也越廣，但增加一個自由度就相當于增加了一級驅動，會使得機器人的成本上升，而對于農業機器人而言，成本高將會大大的減緩其機械商品化實用化進程，同時增加自由度會相應增加機器人的控制難度，降低機器人的可靠性。綜合考慮，將自由度數目定為六個，這樣不僅能夠使得末端執行器具有較為完善的功能，而且到達采摘空間中的任意位置，而且不會出現冗余問題。
2 采摘機械臂工作原理
圖1 機械人結構簡圖
圖1是本次設計的球類水果采摘機械人的結構簡圖。該結構為六自由度機構，可劃分為底座、大臂、小臂、腕部和手五個部分。機械臂的底座通過舵機帶動傳動系統實現各個部分之間的相對轉動和旋轉。其中的各個轉動和旋轉均是通過電機驅動螺旋絲桿來實現。該設計機械臂的傳動如下：（1）底座旋轉。確定與底座平面互相垂直的目標采摘物所在的平面。（2）大臂轉動。移動至目標采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂轉動。將采摘機械手送至目標采摘物的附近。（4）手腕轉動及旋轉。調整機械手末端采摘機構的姿態，使其處于一個合適的位置，保證采摘任務能夠合理完成。（5）手夾緊放松，完成對目標采摘物的采摘任務。此外，將末端執行器設計為關節型的兩只手指，通過舵機6（舵機分配情況見圖2）、齒輪的嚙合及連桿機構實現對目標采摘物的夾緊與放松。
由以上分析得出：機械手的空間位姿由各個關節的空間坐標來決定，即當機械手的各個舵機的坐標確定的時候，就可以確定機械手的空間位姿。而決定舵機坐標的因素就是臂長及臂的轉動角度，而在這兩個參數中，設計結束后臂長是確定的常量，角度為變量。在模型當中，舵機1、2的相對位置固定不變，控制末端執行器的舵機6用來調整手的姿態，因此可以先忽略舵機1、6，將舵機2軸線中心的位置設為坐標系原點。
圖2 舵機分配方框圖
3 機械臂結構設計
首先用Pro/E軟件中的零件模塊對機械人各個零件進行繪制，然后再對零件進行自下而上的裝配，以及進行零件圖及裝配圖的繪制。大臂、小臂和腕部、機械手零件圖以及裝配圖分別見圖3、圖4、圖5、圖6和圖7（單位均為mm）。
4 試驗臺搭建與抓取效果實驗
根據零件圖及裝配圖進行試驗臺搭建。由于設計尺寸較大，故將整體尺寸縮小4倍來進行搭建。實物如圖8所示。通過操作上位機控制軟件指令信號，可給伺服舵機控制器發送控制指令信號，從而實現機械人在空間中精確作業。試驗結果表明：機械人能夠較為平穩、準確地對目標物進行夾取、移動、放置等任務。證明設計合理，試驗臺搭建正確。
5 結束語
通過對水果采摘作業的分析，設計了一套六自由度關節型采摘機械人。其運動范圍覆蓋了水果果實的分布范圍，末端執行器能夠執行對水果的采摘任務。在采摘過程中，只需對舵機進行控制，在一定程度上降低了控制的難度和復雜性。當然，設計中也存在不足，例如缺少對果實的切割裝置，而且對葡萄等較小、較軟的果實采摘技術不成熟，有待進一步的改善。
參考文獻
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關鍵詞：六自由度機械臂；OpenCV；伺服；制動
中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）33-0227-03
1 機械臂控制系統軟件設計
1.1 開發環境
本設計的開發環境是arduino。Arduino是一款完全開源的電子原型平臺，包含了arduino板和arduino IDE。由歐洲開發團隊開發，使用類似C語言的processing開發環境。Arduino可以自行設計或者購買已經焊接好的板子，程序代碼寫在arduino IDE上，實現對arduino板子的控制。
1.2 國內外研究現狀
作為近幾十年來發展起來的一種自動設備，機械臂可以通過編寫軟件程序來完成目標任務，它不僅大部分機械臂共同的機械有點，而且特別具有人的視覺以及判斷能力。在作業過程中，機械臂控制的準確性和對環境的適應性，已經使其在各個領域有著廣闊的發展前景。高級類型的機械臂，可以執行更復雜的操作。將機器臂運用于工業生產過程，除了可以提高生產率之外，還能夠減弱工人的勞動強度，使生產過程實現自動控制。因此機械臂在近幾年得到了愈來愈廣泛的應用。
在國外，工業機器人的發展已經較為成熟，涵蓋于各個行業，已經得到了非常廣泛的運用，而相比國內，我國基礎產業跟不上，機械設計的工藝也達不到一個極高的水平，而且部分設計不夠系統科學，大多處于一個模仿的階段。以上原因導致我國工業機器人在國際上并不能達到一個較高的水準。如今國內企業需要革新自己的技術，加強學習才能在國際市場上占有一席之地。
1.3 總體思路
1.3.1 機械臂軟件設計核心思路
攝像頭采集視頻圖像->利用OpenCV獲得圖像的一幀->對此幀圖像進行濾波處理->將圖像序列幀由RGB模型轉為HSV模型->對得到的二值圖像進行輪廓檢測->創建回調函數并對得到的三幅圖像進行合并->創建滑動條窗口->將得到的圖像分為H，S，V三幅單通道圖像->在目標體上繪制輪廓。
本文提到的OpenCV函數庫是一個開源的跨平臺的視覺圖像處理庫，利用此庫中提供的開源算法并加以邏輯上的改進來提取攝像頭中幀圖像，再使用顏色閾值調節功能進行顏色識別，再對結果進行一系列的處理達到預期要求。
1.3.2 OpenCV簡介
OpenCV是一個基于開源發型的跨平臺計算機視覺庫，可以運行在眾多操作系統上，由一系列C函數和C++類構成，輕量且高效，其提供的視覺處理算法非常豐富，被大量使用于眾多科學領域，衛星地圖的圖像整合拼湊；醫學界病人器官圖像的去噪處理；安全系統中的物體動態監測而預警；軍事行動中代替人眼而進行眾多無人操作與活動，不光如此，在圖像處理能力外，還能對聲譜圖進行識別操作從而進行對聲音的識別。
1.4 單一模塊
1.4.1 顏色識別
顏色識別的首當之事應是正確選取顏色空間，常用的顏色空間有RGB、CMY、HSV、HIS等。本文采用RGB和HSV。
RGB（紅、綠、藍）可以看成一個三維的坐標系，一個坐標點表示一種顏色。HSV是顏色空間模型。表示顏色的是Hue，與坐標點不同，他使用有角度的圓形來表示相應顏色，比坐標點更加靈活。表示飽和度的是Saturation，飽和度越低，則顏色填充就越少，例如圓心處取值為0，那么顏色會非常的淡，從底部往上，圓的半徑r越來越大，那么顏色就會越來越深。表示顏色的亮度的是Value，同理，也是從圓錐底端到頂端的數值漸變，底部表示為黑色，而頂端表示為白色。在實際實驗環境中，RGB顏色經測驗非常容易受到強光、弱光、陰影等其他因素的干擾。相比之下，HSV空間能更加穩定的處理這些光照的變化從而能更好地反應顏色本質、傳達正確信息。
1.4.2 圖像獲取與處理
1.4.2.1 圖像獲取與預處理
利用體感周邊外設中強大的Kinectz像頭（VideoCapture（…））獲取周圍環境圖像，讀取一張圖片或視頻中的一幀圖像，進行兩次濾波后利用cvtColor（imgOriginal， imgHSV， COLOR_BGR2HSV）函數進行RGB與HSV的轉換，再在HSV空間下對彩色圖像做直方圖均衡化。
高斯濾波函數：cvSmooth（…CV―GAUSSIAN…）。真實圖像的鄰近點像素如果變化，不會十分明顯，因為真實圖像的像素點是緩慢遷移變化的，但是如果兩個像素點倏忽變化的話，便會有很大的像素差，就是我們說的噪點，這時候便要用到廣泛用于圖像處理的減噪的高斯濾波，他對整幅圖進行加權平均，從而能夠減少噪聲卻又不失真（保留信號）。
中值濾波函數：cvSmooth（…CV―MEDIAN…）。有時候圖像中會有孤立的噪聲點從而會形成較大差異，這樣會影響平均值也會產生較大噪音，所以便使用非線性平滑的中值濾波，他把圖像中的孤立的噪聲點用其領域中各個點值的中值代替從而有效的去噪并且能夠保護信號邊緣使之不模糊，其算法也十分簡單。
1.4.2.2 圖像細處理與生成
創建滑動條：返回所讀取的顏色參數闕值。本文設定了6個參數：
[LowHue（色度下限值）HighHue（色度上限值）LowSaturation（飽和度下限值）HighSaturation（飽和度上限值）HighBrightness（亮度上限值）LowBrightness（亮度下限值）]
之后得到返回的參數闕值，便用于檢查圖像像素灰度是否在設置的范圍內并且可以得到目標顏色的色度、飽和度和亮度單通道圖像。
將得到的三個單通道圖像進行按位與運算，這樣便能檢測其二值圖像，由于此時會出現噪聲，所以采用膨脹腐蝕的方法進行圖像形態學處理，使得到的目標體進行最大的連通。
圖像生成：查找輪廓和繪制輪廓，輪廓正確勾勒，圖像便能正確顯示。利用OpenCV中對灰度圖像處理的Canny邊緣檢測法（cvCanny（…）），將試圖獨立的候選像素拼裝成輪廓，輪廓的形成是對這些像素運用滯后性闕值，Canny邊緣檢測算法是高斯函數的一階導數，是對信噪比與定位精度之乘積的最優化逼近算子。
Canny函凳淙朧涑齙畝嘉灰度圖，在邊緣檢測完成后，利用“cvFindContours（…）”函數得到輸出的圖像的輪廓函數（在二值圖像中），檢測輪廓個數，然后再用“cvDrawContours（…）”函數繪制檢測的輪廓。
2 機械臂控制系統硬件設計
2.1 自由度及關節
本機械手臂采用4個電機實現4自由度，進行手臂的升降，轉動，抓取，移動等功能。
2.2 基座及連桿
2.2.1 基座
基座是機械手臂的支撐，起到穩固的作用，為了使機械手臂更加的穩定，增大其與表面的接觸面積，降低重心，提升其穩定性能。同時，基座的剩余部分，可用于防止控制的單片機及其擴展版，使空間充分利用。
2.3 機械手臂設計
機械手是機械行業中必不可少的一個部分，主要起到操作，轉移等功能。根據工件的不同，機械手的精度，重量，形狀，光滑程度等都會不一樣，以至于達到節省成本或準確夾取工件等實際要求。一般機械手包括：1）靈巧手；2）吸附手；3）夾取手；4）專用操作器。本設計因實現的主要功能是夾取物體并轉移，工件物體不確定，因此采用夾取手作為機械手臂的機械手進行操作。
2.4 驅動方式
調用Servo實現對舵機的控制，定義多個舵機，控制多個舵機，具體內容根據實際情況進行調試。采用for語句，當紅外或者視覺采集到數據，給予反饋，實現舵機的停止或執行下一步。舵機的轉動的角度通過脈沖寬度占空比實現。由于舵機牌子不同，舵機轉動的角度也會不同。
本機械手臂通過電機的扭矩進行傳動。手臂的升降，轉動，抓取都是由能夠承受很大力的電機進行完成。在機械手臂抓取物體時，盡量的平穩，并且力不能夠過大或者過輕，移動時活動空間大。
機械行業一般常用的驅動方式有液壓驅動，電機驅動和氣壓驅動三種方式，每種驅動方式各有優劣。本設計機械手臂中，要求驅動時滿足一下條件：1）輸出功率適中，效率高；2）精準度盡可能的高；3）便于維護，調試；4）安全性高；5）成本低。
綜上所述，本設計采用電機驅動的方式對機械手臂進行驅動。電機參數如表所示：
本機械手臂采用控制角度的方式控制手臂。在初始位確定的情況下，通過控制角度，實現電機的轉動，其優點是，能夠精確控制位置，但是因為需要進行初始位置，導致運行時間過長。本文設計方案傳動方式為舵機直接傳動，故不多作介紹。
3 結論
機械臂控制系統是當今社會的一項非常重要的研究課題，盡管其發展已經有了一段很長的歷史，但是其發展并不完全成熟。無論是學術界、工業還是在教育教學方面都一直在進行著這方面的研究，距離成熟階段還要有一段時間。
本設計是基于OpenCV六自由度機械臂驅動系統的設計，以六自由度機械臂為控制對象，以arduino為開發環境，輔以有著豐富視覺處理算法的OpenCV軟件，并在此基礎上，采用先進的控制理論，以正確的控制方法為指導，進行了系統的硬件設計。
在整個系統的設計中，硬件的設計是本論文研究的重點，芯片的選型是系統硬件設計的保證，并且輔以可靠性分析為指導，保證了系統運行的可靠性和穩定性。
從實驗結果中看出，我們設計制作的基于OpenCV的四自由度機械臂能夠和一些中小型機器人控制器的性能要求類似，在操作靈活度、控制精度、易操作性等方面都表現出優秀的性能。然而，仍有一些不足之處需要進一步的改進。
1）機械臂的傳感器提升。作為機械臂的控制對象，其結構、性能的優劣成為了機械臂的重中之重、中流砥柱，為了實際運行效果的完美，我們機械臂的手爪部分應加入壓力等傳感器，為控制的精準提供、保證更為完整的信息。
2）完善機械臂自動控制算法。算法的優良決定了機械臂是否能自動協調運行，特別在輸入參數和機械臂抓取后的運輸，需要更加優化、靈活的算法，從而將計算出的控制參數變得更加精確和一體。
3）視覺的廣泛性運用。視覺不單單只作用與顏色的閾值識別，還包括如骨骼識別，輪廓識別等等，再后續的研究中，添入以上功能，可以使機械臂的作用范圍變得更加的廣泛。
鑒于上述情況，在以后的工作中，我們應該不斷改進、完善，以提高該機械臂系統的穩定性以及可靠性。
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Advances In Climbing and
Walking Robots
Proceedings of 10th International Conference(CLAWAR 2007)
2007，763pp
Hardback
ISBN9789812708151
M.謝等編
機器人學是工程及自然科學中令人神往的領域。機器人學已經對許多工業做出重要貢獻，工業機器人在諸如組裝、焊接、油漆及材料處理之類的任務中廣泛應用。與些同時，我們又目睹了特殊機器人的出現，它們在非工業環境中執行有價值的任務，這些任務包括搜索與救援、掃雷、監測、探險及安全保衛。此外，對在民用及專業服務部門中機器人的技術研究及發展工作正在進行。類似攀登與行走機器人這類用于在非結構性環境中執行任務的移動機器人的興起，進一步加劇了機器人學研究必須面對的挑戰。這種挑戰不僅包括了涉及標準化在內的技術與工程方面，而且也包括了社會、經濟與倫理方面。CLAWAR2007于2007年7月16－18日在新加坡舉行，該系列國際會議自1998年起每年舉行，這次是第10屆。總共有來自五大洲22個國家的作者在CLAWAR2007上做介紹，這本會議錄報道了攀登及行走機器人的最新研發振奮人心的應用及挑戰。
本書匯集的論文共分成了5個部分。1.全體會議介紹，5篇論文；2.攀登機器人進展，26篇論文；3.行走機器人進展，24篇論文；4.似人足球機器人進展，5篇論文；5.支持技術，27篇論文。部分論文標題為：1.救援機器人滑動插座移動模塊；2.有攀登腿的帶輪子爬墻機器人；3.用于快速四腳移動的進化神經網絡；4.繩索攀登機器人的設計與構造；5.用于長焊接線檢驗的攀登機器人開發；6.關于利用陀螺效應二足移動的提議；7.新型腿－輪行走機器人的設計與問題；8.利用滯后算法的似人機器人RH1的腳規劃運動；9.局部模塊化行走機器人的運動模擬；10.行走雙腳機器人基于觀測器的控制：穩定性分析；11.三維雙腳機器人無驅動動態行走研究；12.ROTOPOD：一種新穎的有效帶腿移動；13.似人足球機器人的分布式嵌入控制系統結構；14.快速行走擬人足球機器人的最佳性能：實證研究；15.雙臂系統并行規劃算法；16.利用平均移位算法的全局定域化問題方法；17.MCA2機器人控制應用的可擴展模塊化框架；18.靈活連接機械手的基于隱藏馬爾可失模型的模糊控制器。
本書可供從事機器人研究與開發的研究人員、工程師閱讀借鑒。
胡光華，
高級軟件工程師
(原中國科學院物理學研究所)
一、選題意義:
1、理論意義:(1)學習模具設計的一般方法，了解和掌握常用模具整體設計、零部件的設計過程和計算方法，培養正確的設計思想和分析問題、解決問題的能力，特別是總體設計和計算的能力.
(2)綜合運用熱鍛模課程和其它有關選修課程的理論及生產實踐的知識去分析和解決模具設計問題，并使所學專業知識得到進一步鞏固和深化.
(3)通過計算和繪圖，學會運用標準、規范、手冊、圖冊和查閱有關技術資料等，培養模具設計的基本技能
(4)可以掌握鍛造工藝，熟悉各種鍛造各種鍛造設備，熟悉掌握計算機操作以及了解deform軟件的應用，并具有機械設計及制造等綜合知識.
2、現實意義:隨著科學技術的不斷進步和工業生產的迅速發展，許多新技術，新工藝，新設備，新材料不斷涌現，進一步提高鍛件的性能指標;同時縮短了生產周期，降低了成本，使之在競爭中處于優勢地位.
鍛造是一種借助工具或模具在沖擊作用下加工金屬機械零件或零件毛坯的方法.鍛件的最大優勢是韌性高、纖維組織合理，件與件之間性能變化小;鍛件內部質量與加工歷史有關，不會被任何一種金屬加工工藝超過.
鍛件的優勢是由于金屬材料通過塑性變形后，消除了內部缺陷，如鍛(焊)合空洞，壓實疏松，打碎碳化物，非金屬夾雜并使之沿變形方向分布，改善或消除成分偏析等，得到了均勻、細小的低倍和高倍組織.而鑄造工藝得到的鍛件，盡管能獲得較準確的尺寸和比鍛件更為復雜的形狀，但難以消除疏松、空洞、成分偏析、非金屬夾雜等缺陷;機械加工方法獲得的零件，尺寸精度較高，表面光滑，但金屬內部流線往往被切斷，容易造成應力腐蝕，承載拉壓交變應力的能力較差.
這幾年，我國火車不斷提速，動車、高鐵相繼投入運營，這也代表著以后的發展方向，這要求我們必須保證火車導軌的安全可靠行，為保證高速列車運行的平穩性和旅客的舒適性，高速鐵路的平順性是很重要的指標，國外高速鐵路采用斷面尺寸公差和平直度要求很高的長定尺鋼軌并焊接成超長無縫線路.接頭作為連接導軌的關鍵部件起著至關重要的作用.
模具制造技術現代化是模具工業發展的基礎，性能良好的鍛造設備是提高鍛造生產技術水平的基本條件，高精度、高壽命、高效率的鍛模模需要高精度高自動化的鍛造設備相匹配.為了滿足大批量高速生產的需要，目前鍛造設備也由單工位、單功能、低速壓力機朝著多工位、多功能、高速和數控方向發展，加之機械手乃至機器人的大量使用，使鍛造生產效率得到大幅度的提高，各式各樣的鍛造自動線和高速自動壓力機紛紛投入使用.
二、課題關鍵問題及難點
本課題以鍛造工序的數目確定、預成形設計為重點，對比不同形狀預制坯的成形過程，給出了合理的制坯工序布排和設計，實現了一火鍛造.同時，開發了封閉飛邊閉式鍛造預鍛工序，提高了材料利用率.最后，對鍛造過程進行了三維有限元模擬，在40mn熱模鍛壓力機上進行了試驗和試生產，模擬和試驗結果證明鍛造設計符合生產要求.該鍛件形狀復雜，材料分布非常不均勻，其鍛造工序編排和模具設計難度更大.
本課題的難點在于應用三維繪圖軟件和deform軟件對其進行應力應變分析，通過軟件規范初設數據并反復進行修改，直到得到最優的設計方案..
三、調研報告(或文獻綜述)
我國的經濟體制發生了根本的變化，由過去的計劃經濟過度到現在的市場經濟.鍛壓生產雖然生產效率高，節約原材料和機械加工工時;但生產周期較長，成本較高，處于不利的競爭地位.鑄造、焊接、機械加工豆加入了競爭.鍛造生產要跟上當代科學技術的發展，需不斷改進技術，采用新工藝、新技術，進一步提高鍛件的性能指標;同時要縮短生產周期，降低成本，使之在競爭中處于優勢地位.模具的技術水平明顯有了提高，一些國產優質模具的性能已接近國外同類產品的先進水平，但由于我國起步晚，許多模具不得不依賴進口，與發達國家相比差距還非常大.
當代科學技術的發展對鍛壓技術本身的完善和發展有著重大的影響，這主要表現在一下幾個方面:
1. 對機械零件的性能要求更高.現代交通工具如汽車、飛機、機車的速度越來越高，負荷越來越大.出更換強度更高的材料外，研究和開發新的鍛造技術.挖掘原有材料的潛力也是一條出路.
2 .模具計算輔助設計、制造與分析(cad/cam/cae)的研究和應用將極大地提高模具制造效率，提高模具質量，使模具設計與制造技術實現一體化.
3. 模具的標準化、商品化、機械化及專業化自動生產.
4. 工藝分析計算的現代化.它將與現代數學、計算機技術聯姻，對加工零件進行計算機模擬和有限元分析，達到預測某一工藝方案對零件成形的可能性與成形過程中可能會發生的問題，供設計人員修改和選擇.
目前鍛造業面臨的問題大概可以歸納為一下幾個方面:
1.裝備水平低，其主要表現是設備老化、精確度低.
2.管理體制亟待理順，生產廠點過多，力量分散.
3.機械制造廠家封閉式經營生產，是產品缺乏競爭力.
4.科學研究投入少，接受新技術新工藝遲緩，其結果導致搞科研也搞生產，生產廠家的問題無人去解決.
四、參考文獻
【1】姚澤坤主編. 鍛造工藝學與模具設計 西北工業大學出版社 XX.6
【2】盧秉恒. 機械制造技術基礎. 北京: 機械工業出版社，1999.8
【3】王先奎. 機械制造工藝學. 北京:機械工業出版社，XX
【4】吳宗澤 機械零件設計手冊. 北京:機械工業出版社，XX.4
【5】鄭家驤 劉永田. 畫法幾何與機械制圖. 內蒙古科技出版社，XX.8
【6】鍛壓手冊(設備) 北京:機械工業出版社，XX
【7】鍛模設計手冊 北京:機械工業出版社，1991
五、研究內容及確定方案各步驟
1、研究內容:
(1)模具整體方案設計，包括零件的工藝分析、設計繪制鍛件圖、模具類型的確定、確定變形工步及中間坯料尺寸，壓力中心計算、壓力機選擇、計算原坯料尺寸的確定等;
(2)模具整裝配圖和模具主要零件的設計;
(3)編寫設計畢業論文
2、基本設計方案
本零件是屬于大型鍛件，首先根據相關尺寸確定其鍛造工步，通過計算/r以及h/d的相關數值， 基本步驟設計如下:
1、計算毛坯尺寸
2、選擇成型設備及其參數
3、用deform模擬軟件進行有限元模擬并分析缺陷并加以改進
4、模具工作部分尺寸的計算
5、模具的總體設計
6、下料
7、加熱
8、彎曲
9、預鍛
10、終鍛
11、切邊
六、進度安排
第5-6周 畢業實習，撰寫實習報告
第7-8周 寫出不少于3000字的文獻綜述;根據參考文獻和課題要求，提出自己擬定的可行方案;
第9-10周 寫出開題報告，開題;進行總體設計
第11-12周 外文文獻翻譯，完成詳細方案設計
第13-14周 完成結構優化設計
論文摘 要： 概括說明機械電子控制產業發展的情況，重點介紹計算機技術在機械電子控制產業領域以及工業生產制造和人們日常生活中的廣泛應用。
0 引言
現代科學技術的發展極大地推動了機械工業領域的變革，同時給相關生產產業帶來了巨大的影響，提高了生產水平和技術。隨著各種技術之間相融合的發展，以計算機電子技術、機械技術為核心的機電控制領域將給工業及科研等領域帶來更多的實際應用。
1 計算機技術與機電控制技術的發展概況
1.1 計算機控制理論的形成與技術的發展
忽略數字信號的量化效應，可以將計算機控制系統看成采樣控制系統，在這一系統中，將其中連續的環節離散化，則整個系統又可看成由不同的離散系統構成。計算機控制理論的發展主要是將采樣理論、差分方程、變換理論、狀態空間理論和系統辨識自適應控制等理論綜合應用到控制技術中，使計算機控制系統有了初步發展。對于結構復雜、時變的非線性系統，控制系統則融入了魯棒控制、模糊控制、預測控制等多種新型理論，逐步形成了工業過程控制系統的一個新方向。
自世界第一臺電子計算機問世后，計算機首先被用來自動檢測化工生產過程的過程參量并進行相關的數據處理，同時也研究了計算機的開環控制。到二十世紀六十年代，出現了用于過程控制的計算機，實現了直接數字控制。后經集中式計算機控制系統發展到現在的以微處理器為核心的分層式控制系統控制，通過計算機對生產過程進行集中監視、操作和管理控制等。伴隨著計算機處理器等技術的發展，計算機控制技術也隨之發生相應的變革，最終應用到工業生產中并對其產生巨大影響。
1.2 機械和電子控制技術的發展和現狀
在生產、科研等諸多領域里，有大量的物理量需要按某種變化規律進行控制。在二十世紀三十年代之前，工業生產多處于手工操作的狀態。最初采用基地式儀表控制壓力溫度等在一恒定范圍內，初步有了對工業生產的機械控制實踐。隨著電子技術的迅速發展和計算機控制系統的出現，直接實現了工業生產中各參量和過程的數字控制。計算機的微型化使控制技術更加智能化，同時將機械、電子、計算機技術和控制技術有機結合的機電一體化技術也得到迅猛發展，且越來越被廣泛的應用到各生產領域。目前主要形成并應用的機電控制技術主要有PID控制，PID是經典控制理論的代表，它吸收了智能控制思想并利用計算機的優勢，形成了自適應PID和非線性PID等更利于控制的變種PID控制器。另外還有模糊控制（FLC）、變結構控制等，均隨著計算機領域的發展在不斷地拓寬。
2 機電一體化的發展及在工業上的廣泛應用
2.1 機電一體化的簡介和生產應用
機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及計算機軟件系統集合起來所構成的系統總稱，綜合運用機械技術、微電子技術、計算機技術、電力電子技術等對各生產領域的控制過程進行監督操作。它主要應用領域有數控機床，通過相應的數控技術，在工業操作上結構、功能、操作精度上都有明顯的提高。采用多CPU和多主線的體系結構，豐富了數控功能，也提高了生產效率。
柔性制造系統的應用是計算機技術和制造系統在機電控制工業的應用，是計算機化的制造系統。它主要由計算機、數控機床、自動化倉庫等組成。在工業上，它可以隨機地、按量地按照裝配部門的要求，生產其能力范圍內的任何工件，更適用于多品種，小批量等的離散零件的批量生產。
交流傳動技術的發展也是隨著電子技術和計算機技術的發展在工業上有了重要的應用，尤其是在鋼鐵工業中，使復雜的矢量控制技術得以實現，無論是大容量電機還是小容量電機現均可使同步電機或者異步電機實現可逆滑調速。也使交流傳動系統在軋鋼生產中得到廣泛的應用。
可編程控制器（PLC）是集計算機技術和自動控制化技術于一體的新型控制系統。這一系統解決了工業控制系統中大量開關控制的問題，逐漸取代了耗能多、故障率高的繼電器控制系統。隨著PLC技術的進步，其應用領域更是不斷擴大，可采集存儲數據，還可對控制系統進行監控。PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。這種過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。此外，隨著工廠網絡自動化的發展，PLC可實現通信及聯網功能，更有助于工業生產的控制過程的監控。如今，PLC技術已經被廣泛應用于冶金、石油、化工、建材、機械制造、電力、汽車、輕工、環保以及文化娛樂等各行各業。
2.2 計算機在機械和電子控制產業的應用實例
計算機技術和機械電子控制技術一體化的有機結合，不斷使相關的新技術應用到更多的領域中去，這些應用到的領域已經不再局限于工業的生產，更多技術是切身關系到我們日常的工作和生活。下面舉幾個具體實例來介紹計算機技術和機電控制相結合的實際應用。
PLC實現了機械手移動工件的控制過程。隨著世界經濟和技術的發展，人類活動的范圍不斷擴大，機器人的應用正迅速向社會生產和生活的各個領域擴展，并從制造領域轉向非制造領域，各種各樣的機器人產品隨之出現。隨著機器人的生產和大量應用，很多領域，許多單一、重復的機械工作由機器人（也稱機械手）來完成。工業機器人是一種能進行自動控制的、可重復編程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作機，廣泛采用工業機器人，不僅可提高產品的質量與產量，而且對保障人身安全，改善勞動環境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節約原材料消耗以及降低生產成本有重要意義。與計算機及網絡技術相結合應用的工業機器人的廣泛使用正在日益改變著人類的生產和生活方式。
農業方面，機械作業過程中駕駛室內的儀表盤正迅速由電子監視儀表取代并逐步由單一參數顯示方式向智能化信息顯示終端過渡，以此來改善人機交互界面。這種智能化顯示終端又被稱為虛擬化儀器顯示終端（Virtual Display Terminal），它代表了當代儀器與控制裝置發展的主流方向。它可通過屏幕任意選擇顯示機組中不同部分的終端信息，在屏幕上按操作者的需求，調用數據庫信息，顯示數據、圖形、語音等多媒體信息。另外，還可以將數據信息動態存入類似信用卡尺寸大小的高密度智能化數據存儲卡，將農業作業過程的數據信息通過智能卡帶回辦公室，由計算機應用高級軟件進行處理。也可以將管理者的決策和操作指令通過智能卡傳送到拖拉機上的智能控制終端，實現自動控制農機的操作。
PLC在自動售貨機中的應用。自動售貨機通過顧客選擇商品開關，投入的硬幣值由PLC驅動數碼管顯示，經過光傳感器識別，通過判斷，進行下一步操作，經過PLC的系統控制和信號輸出完成售賣過程。計算機技術和機電自動控制在自動售貨機中的這項應用極大方便了人們的生活，也使PLC的應用更加廣泛。
交通信號燈系統也是微機軟件應用到電子控制系統中的典型實例。通過主要應用PLC技術控制十字路口的信號燈動作。準確無誤的完成信號燈的變燈動作來控制時間，這項應用更是極大方便了人們日常生活工作的出行。
電腦橫機中計算機技術的應用給機械編織行業帶來了巨大的變革。現在的電腦橫機是一種涉及到計算機、機械、電子、控制等諸多領域的復雜系統。電腦橫機的編織是一個極其復雜的過程，最初的橫機是手動橫機，只能勝任比較簡單的編織過程。隨著計算機技術應用到電腦橫機中，通過電腦的自動控制，設計人員可對編織花型進行數字化設計，通過計算機數字直接控制機械的退圈、墊沙、脫圈、彎沙等相應的機械編織動作，由計算機指令控制系統完成整個設計的編織，極大地提高了工業生產效率。
與機電一體化相關的技術還有很多，并且隨著科學技術的發展，各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯，以機械技術、微電子技術的有機結合為主體的機電一體化技術是機械工業發展的必然趨勢。
3 總結
在機械生產領域，電子技術和計算機技術的融入發展，機電一體化的形成是機械工業中的重要變革。通過不斷發展的計算機技術，使機電一體化相關的技術在諸多領域中得到了廣泛的應用。
參考文獻
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[4]楊明等，機電一體化的研究現狀及發展趨勢，農機化研究，2006.
關鍵詞：空間機構；機構自由度分析；機械原理；教學探索
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）33-0243-03
機構自由度分析是機械原理課程和機構學研究的基礎與重要內容。機構是指可以完成規定動作的結構組合，是可動的，機構自由度分析是研究機構運動規律和設計機構時的重要參數。在機械原理課程研究范疇和教學中，研究對象大多是平面機構，對空間機構涉及甚少，而在實際中空間機構卻占有重要地位，本文著重對空間機構的自由度分析和教學探索進行研討。
一、自由度概念
（1）自由構件（剛體）自由度：自由構件（剛體）擁有的獨立相對運動的數目。一個物體（剛體）在三維空間中有6個自由度，分別是繞3個坐標軸的轉動和沿3個坐標軸的移動。（2）運動副自由度：運動副是構件間的一種活動連接，它既限制所連接的兩個構件的相對運動，提供一定約束，又保留了構件間的一定相對運動，所保留的獨立相對運動數目稱為運動副的自由度。（3）機構自由度：指機構中各活動構件相對于機架所具有的獨立運動的數目，即主動件或可控關節的數目[1]。
二、運動副分類
用f表示運動副的自由度，c表示運動副提供的約束數目，則二者具有如下關系：f=6-c（1）根據運動副的自由度可以將運動副分為5類。
1.Ⅰ類副（f=1，c=5）：轉動副（R）：只保留一個旋轉自由度。移動副（P）：只保留一個移動自由度。
2.Ⅱ類副（f=2，c=4）：圓柱副（C）：具有一個轉動自由度和一個移動自由度。球銷副（S′）：具有兩個轉動自由度。
3.Ⅲ類副（f=3，c=4）：球面副（S）：具有三個轉動自由度。平面副（E）：具有兩個移動自由度和一個轉動自由度。
4.Ⅳ類副（f=4，c=2）：圓柱平面副（CE）：具有兩個轉動自由度和兩個移動自由度。球槽副（SG）：具有三個轉動自由度和一個移動自由度。
5.Ⅴ類副（f=5，c=1）：球平面副（SE）：具有三個轉動自由度和兩個移動自由度。
三、機構自由度分析
1.空間（一般）機構自由度。在空間機構中，每個可動構件在三維空間有6個自由度，若該機構有n個可動構件，則構件自由度總數為6n。其中：每個Ⅰ類副提供5個約束，若機構中有p1個Ⅰ類副，將提供5p1個約束。每個Ⅱ類副提供4個約束，若機構中有p2個Ⅱ類副，將提供4p2個約束。每個Ⅲ類副提供3個約束，若機構中有p3個Ⅲ類副，將提供3p3個約束。每個Ⅳ類副提供2個約束，若機構中有p4個Ⅳ類副，將提供2p4個約束。每個Ⅴ類副提供1個約束，若機構中有p5個Ⅴ類副，將提供1p5個約束。
即：F=6n-（5p1+4p2+3p3+2p4+p5）
=?搖6n-［（6p1-p1）+（6p2-2p2）+（6p3-3p3）+（6p4-4p4）+（6p5-5p5）］=6n-6■pi+■ipi （2），式中：■pi——機構中各類運動副的數目之和；■ipi——機構中各類運動副的自由度數目之和。令p=■p，■fi=■ipi。則機構的一般自由度計算公式為：F=6（n-p）+■fi （3），式中：n——可動構件數目；p——各類運動副數目總和；■fi——各類運動副自由度數目總和[2，3]。
2.機構自由度分析應注意的問題。之所以有時運用前面介紹的自由度計算方法不能得到正確的結果，是由于某些特殊的機構存在過約束問題。在這些機構中，由于運動副位置的特殊布置或者機構中的特殊幾何約束條件的存在，使得機構自由度發生了變化，在計算此類過約束機構的自由度時應加以額外考慮。①公告約束m。當機構中所有構件都受到相同的約束時，它們將失去相同的基本運動。把各構件共同失去的相同基本運動數目，稱為公共約束，用m表示。由機構的一般自由度計算公式（2）可以看出，當計算閉鏈機構自由度時，若機構的公共約束為m，則相當于多減去了m個約束，故在計算時應該將多減去的公共約束m加上。②虛約束（消極約束）λ0：機構中的約束有些往往是重復的，這些重復的約束對構件間的相對運動不起獨立的限制作用，稱之為虛約束或消極約束，機構自由度計算時應先將其除去后再進行。應當指出的是，從機構運動的觀點分析，虛約束是多余的，但從提高構件的剛度和改善機構的受力條件來說卻是有益的。如圖3所示的平行四桿機構中，中間的連桿EF與AB和CD桿平行，對機構運動不起獨立的限制作用，是虛約束，計算時應該除去，但是從提高機構的受力條件出發卻是有意義的。③局部自由度ft：機構中，某些運動副或運動鏈的運動自由度只在局部起作用，對整個機構的運動沒有影響，稱為局部自由度，不應參與整個機構計算。④消極自由度fp：由于機構結構的特殊幾何條件，使機構中原有自由度中的一些不起運動學作用或作用重復，稱之為消極自由度。如圖3中D處的球面副，所擁有的三個轉動自由度只有繞Z軸的轉動具有意義，其余的兩個轉動在機構中不起作用，故在計算機構自由度時應減去。需要指出，消極自由度與局部自由度在計算機構自由度時沒有本質區別，可以按照局部自由度來處理。
四、幾種特殊機構自由度
1.空間開鏈機構自由度。空間開鏈機構中，可動構件數目與運動副數目相等，即有n=p，將其代入式（3）可得：F=■fi （4），由此可見，開鏈機構的自由度等于機構中各類運動副自由度數目之和[4]。計算圖1中所示機械手的自由度。該機械手為一個空間開鏈機構，有4個轉動副、一個移動副和一個圓柱副。其中，轉動副與移動副自由度數為1，圓柱副自由度數為2。
因此，F=■fi=4+1+2=7，該機械手自由度數為7，需要有7個主動件。在機械人相關學科領域中，習慣上不將末端執行器部分參與機構的相關計算。
2.單環閉鏈機構自由度。單環閉鏈機構的特點有p-n=1，代入式（3）得：F=■fi-6 （5）
計算圖2所示機構的自由度。
按空間機構進行計算，則構件5兩端的球面副E和F均為虛約束，應除去不參與計算；■fi=6；m=3；fp=2；ft=0。
F=6（n-p）+■fi+m-fp-ft=6（3-4）+6+3-2-0=1
若按平面機構進行計算，則構件5為兩端的球面副E和F均為虛約束，不參與計算，D處的球面副在平面機構中等同于轉動副。F=3n-2pl-ph=9-2×4-0=1
3.多環閉鏈機構自由度。使用“拆開末桿法”，空間單環閉鏈機構自由度可由下式計算：F=■fi-λ （6）若為多環閉鏈機構，則為：F=■fi-■λ1 （7），式中：■fi——相當于把閉鏈機構末桿拆開后的開鏈機構自由度；■λ1——多環閉鏈機構中各閉環末桿拆開后的自由度之和；λ——拆開后的閉鏈機構末桿自由度；L——多環閉鏈機構閉環數。
在實際的機構學研究和機械原理課程教學中，空間機構較為常見，在進行自由度研究時依據平面機構的自由度理論已經不能滿足要求，本文對空間機構的自由度進行了有益探索，分析了剛體、運動副以及空間機構的自由度問題，對空間機構的特點與自由度分析方法進行了歸納研究，總結了自由度分析時應注意的幾點問題，并對一些結構特殊的機構進行了自由度分析探討。
參考文獻：
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[3]黃真，趙永生，趙鐵石.高等空間機構學[M].北京：高等教育出版社，2006.
論文摘要:采用了ug motion的輔助運動仿真分析方法,在仿真系統運動過程的基礎上,詳盡分析了該模塊內部的運動約束關系,提出了系統運動優化目標,進而求解了系統時序最優安排,并根據求解結果,對驅動凸輪部件進行了動力學相關參數優化,為系統在設定工況下能按較佳的運動和動力特性工作提供了保證。
1引言
led顯示屏陣列式插件機是針對 led顯示屏生產工藝過程中led發光管插件工序開發的一種新型高速自動插件設備，如圖1所示，采用陣列機械手同步工作方式，單次動作循環完成整列發光管的插件工序過程，實現高速、自動插件，以替代目前 led顯示屏生產中插件工序的大量人工操作，提高生產效率。
由于led顯示屏陣列式插件機采用功能模塊化設計，各模塊之間銜接緊密，模塊內部動作部件較多，動作同步性要求高，同時，為提高工作能力，關鍵部件均處于較高速度運動狀態，在其設計開發過程中，各動作部件的動作時序和同步問題、關鍵零部件的運動學和動力學特性成為需要解決的核心問題之一一，特別是送料模塊，動作零部件多，動作順序之間有進…步進行優化，提高模～塊工作效率。
2機構動作過程
led顯示屏陣列式插件機送料模塊，如圖2所示。
其送料動作過程為：
(1)發光管來料同步送入第一分料動柵板后，第一分料動柵板向一側移動，至八槽通料靜柵板通料槽奇數槽位，槽 口對齊后，發光管被推入八槽靜柵板通料槽，至第一分料擋板停；
(2)發光管離開第一分料動柵板后，第一分料動柵板退回至原始接料位，第二批管料通過四槽通料靜柵板同步送人后，第一分料動柵板向另一側移動，至八槽通料靜柵板通料槽偶數槽位，槽口對齊后，發光管被推入八槽靜柵板通料槽，至第一分料擋板停 止：
(3)八槽通料靜柵板中儲存八個發光管后，第一分料擋板移動，發光管離開擋板被送入沖裁模板，沖裁模板動作，裁去長余部分管腳；
(4)沖裁后的發光管被推入到極性旋轉組件處，按照檢測的極性正反順序進行旋轉，調整成統一極性排列；
(5)完成極性調整后，發光管被推人第二分料動柵板，其動作順序同第一分料組件，最終完成十六列發光管排列輸送到位。wWW.133229.cOM整個動作過程示意，如圖3所示。
3運動仿真分析
按照設計工作能力要求，并為后續改進中設備工作效率提升預留空間，該送料模塊單次動作周期須≤3．6s，由此可推算出送料機構各動作部分動作頻率及時序約束關系：
即第二分料擋板處出料動作頻率為 1／3．6hz以上；
即第一分料擋板處出料動作頻率 為 1／1．8hz以上(該處十六列發光管由第一分料動柵板經過兩次分料動作后儲存完成)； 與之對應，第二分料動柵板和第一分料動柵板都需經過左移分料一回位接料一右移分料一回位接料的循環動作過程 ，其動作周期 滿足：
—第二分料動柵板左移分料、回位接料 、右移分料動作周期時間；
；一分料動柵板左移分料、回位接料 、右移分料動作周期時間。
該過程各步動作時間周期受驅動凸輪運動特性和驅動電機特i生參數限制，需根據仿真分析結果，對凸輪運動曲線進行優化，同時應考慮驅動電機轉矩特性，選取滿足條件的驅動電機。 受機構動作頻率限制，極性旋轉和管料縱向移動也需要消耗一定時間，該部分時間安排在上述各動作部分時間周期內，以減小時間消耗，
四槽通料靜柵板、八槽通料靜柵板、極性旋轉輸出柵板、十六槽通料靜柵板中發光管通過時間周期； 一分料動柵板和第二分料動柵板左移分料、回位接料、右移分料動作升程、停留、回程時間周期。
為在各 自動作頻率和運動特性限制范圍內合理安排各動作步序，需要將各機構動作綜合進行運動分析，以尋求合理的時序安排和相應時序安排下各驅動元件的運動學和動力學特性設計，根據上述各動作時間周期模型，利用設計軟件的運動仿真分析功能輔助求解，以得到合理的時序安排結果。
仿真分析過程中，首先將各動作機構運動形式按相應運動副形式進行設置；然后按照式(1)、(2)、(3)、(4)、進行動作時序關系設置，并按運動先后順序和機構動作互鎖性質對各動作機構動作觸發關系進行設定；參照驅動電機動力特性參數預設置驅動力形式，并對不同機構中間間歇時間分別以區問限定的時間自變量予以代替，設定完成后運行仿真系統，系統按設定情況進行解算，輸出運動模擬情況和仿真數據結果。第一分料動柵板和第二分料動柵板機構動作時序，如圖4所示。
4驅動凸輪運動曲線設計
圖4顯示的第一分料動柵板和第二分料動柵板機構動作時序是系統根據設定機構動作約束關系解算后得到的最佳時序，用于指導動作機構驅動組件的運動設計。設計中，驅動組件為步進電機驅動凸輪實現預期動作，根據凸輪運動學和動力學特性，不能將二述時序曲線直接轉化成驅動輪的運動曲線，必須以上述時序要求為指導，對輪運動曲線進行優化，以獲得較好的系統動力學特性，避免驅動組件工作時產生較大的沖擊和噪聲，提高系統工作壽命。如表 1所示，為優化后的常見凸輪運動曲線特性值。
按凸輪運動形式分類，本插件機送料機構屬中速輕載形式根據凸輪運動 規律 的選用原則，對中速輕載晴況，應選用a 和 較小的曲線，以保證從動件運轉時的工作精度。
由表數據可以看出，修正梯形和通用優化 i具有較低的 值，分別為61．43和 69．47(當 取值不同時略有變化)，而修正梯形曲線的 值和 t 值(分別未 4．888和 26．71)均較通用優化 i(分別為 5．528和34．17)小，可見修正梯形較適用于該場合應用。修正梯形是由等加速度曲線修正得到，即在等加速度的不連續處(兩端和中間)加上簡諧曲線作為過度曲線并且仍保持其對稱性 ，即
該曲線保留了等加速度曲線 a 小的優點，又克服了其不連續的缺點，適合中速輕載的場合。插件機的送料驅動凸輪選用該型運動曲線進行設計，以獲得較好的運動和動力學特性，保證從動件的工作精度。根據以上掙陛，插件機送料機構第一分料動柵板和第二分料動柵板驅動凸輪運動曲線按該曲線進行設計。
根據仿真結果，取動力學特性良好 。
5結論
led顯示屏陣列式插件機送料模塊動作循環周期短，運動速度較高，配合零部件數量多，在對相關運動參數和約束進行分析的基礎上，采用相關軟件輔助進行運動仿真分析，求解系統時序最優安排，得到較合理的時序安排結果，根據求解結果，對驅動部件進行了動力學相關參數優化，并在此基礎上對驅動凸輪進行了曲線優化選取和設計，從仿真反饋和實際系統工作測試情況看設計方案較好的滿足了設計需求。
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論文摘要:數控機床電氣系統故障的調查、分析與診斷的過程也就是故障的排除過程,一旦查明了原因,故障也就幾乎等于排除了。因此故障分析診斷的方法十分重要。
一、故障的調查與分析
這是排故的第一階段,是非常關鍵的階段,主要應作好下列工作:
1、詢問調查在接到機床現場出現故障要求排除的信息時,首先應要求操作者盡量保持現場故障狀態,不做任何處理,這樣有利于迅速精確地分析故障原因。
2、現場檢查到達現場后,首先要驗證操作者提供的各種情況的準確性、完整性,從而核實初步判斷的準確度。由于操作者的水平,對故障狀況描述不清甚至完全不準確的情況不乏其例,因此到現場后仍然不要急于動手處理,重新仔細調查各種情況,以免破壞了現場,使排故增加難度。
3、故障分析根據已知的故障狀況按上節所述故障分類辦法分析故障類型,從而確定排故原則。由于大多數故障是有指示的,所以一般情況下,對照機床配套的數控系統診斷手冊和使用說明書,可以列出產生該故障的多種可能的原因。
4、確定原因對多種可能的原因進行排查從中找出本次故障的真正原因,這時對維修人員是一種對該機床熟悉程度、知識水平、實踐經驗和分析判斷能力的綜合考驗。
5、排故準備有的故障的排除方法可能很簡單,有些故障則往往較復雜,需要做一系列的準備工作,例如工具儀表的準備、局部的拆卸、零部件的修理,元器件的采購甚至排故計劃步驟的制定等等。
下面把電氣故障的常用診斷方法綜列于下。
(1)直觀檢查法 這是故障分析之初必用的方法,就是利用感官的檢查。
①詢問 向故障現場人員仔細詢問故障產生的過程、故障表象及故障后果,并且在整個分析判斷過程中可能要多次詢問。
②目視總體查看機床各部分工作狀態是否處于正常狀態(例如各坐標軸位置、主軸狀態、刀庫、機械手位置等),各電控裝置(如數控系統、溫控裝置、裝置等)有無報警指示,局部查看有無保險燒煅,元器件燒焦、開裂、電線電纜脫落,各操作元件位置正確與否等等。
(2)儀器檢查法 使用常規電工儀表,對各組交、直流電源電壓,對相關直流及脈沖信號等進行測量,從中找尋可能的故障。例如用萬用表檢查各電源情況,及對某些電路板上設置的相關信號狀態測量點的測量,用示波器觀察相關的脈動信號的幅值、相位甚至有無,用PLC編程器查找PLC程序中的故障部位及原因等。
(3)信號與報警指示分析法
①硬件報警指示這是指包括數控系統、伺服系統在內的各電子、電器裝置上的各種狀態和故障指示燈,結合指示燈狀態和相應的功能說明便可獲知指示內容及故障原因與排除方法。
②軟件報警指示如前所述的系統軟件、PLC程序與加工程序中的故障通常都設有報警顯示,依據顯示的報警號對照相應的診斷說明手冊便可獲知可能的故障原因及故障排除方法。
(4)接口狀態檢查法現代數控系統多將PLC集成于其中,而CNC與PLC之間則以一系列接口信號形式相互通訊聯接。有些故障是與接口信號錯誤或丟失相關的,這些接口信號有的可以在相應的接口板和輸入/輸出板上有指示燈顯示,有的可以通過簡單操作在CRT屏幕上顯示,而所有的接口信號都可以用PLC編程器調出。
(5)參數調整法數控系統、PLC及伺服驅動系統都設置許多可修改的參數以適應不同機床、不同工作狀態的要求。這些參數不僅能使各電氣系統與具體機床相匹配,而且更是使機床各項功能達到最佳化所必需的。因此,任何參數的變化(尤其是模擬量參數)甚至丟失都是不允許的;而隨機床的長期運行所引起的機械或電氣性能的變化會打破最初的匹配狀態和最佳化狀態。此類故障多指故障分類一節中后一類故障,需要重新調整相關的一個或多個參數方可排除。
(6)備件置換法當故障分析結果集中于某一印制電路板上時,由于電路集成度的不斷擴大而要把故障落實于其上某一區域乃至某一元件是十分困難的,為了縮短停機時間,在有相同備件的條件下可以先將備件換上,然后再去檢查修復故障板。
鑒于以上條件,在拔出舊板更換新板之前一定要先仔細閱讀相關資料,弄懂要求和操作步驟 之后再動手,以免造成更大的故障。
(7)交叉換位法當發現故障板或者不能確定是否故障板而又沒有備件的情況下,可以將系統中相同或相兼容的兩個板互換檢查,例如兩個坐標的指令板或伺服板的交換從中判斷故障板或故障部位。這種交叉換位法應特別注意,不僅硬件接線的正確交換,還要將一系列相應的參數交換,否則不僅達不到目的,反而會產生新的故障造成思維的混亂,一定要事先考慮周全,設計好軟、硬件交換方案,準確無誤再行交換檢查。
(8)特殊處理法當今的數控系統已進入PC基、開放化的發展階段,其中軟件含量越來越豐富,有系統軟件、機床制造者軟件、甚至還有使用者自己的軟件,由于軟件邏輯的設計中不可避免的一些問題,會使得有些故障狀態無從分析,例如死機現象。對于這種故障現象則可以采取特殊手段來處理,比如整機斷電,稍作停頓后再開機,有時則可能將故障消除。維修人員可以在自己的長期實踐中摸索其規律或者其他有效的方法。
二、電氣維修與故障的排除
電氣故障的分析過程也就是故障的排除過程,因此電氣故障的一些常用排除方法 在上一節的分析方法中已綜合介紹過了,本節則列舉幾個常見電氣故障做一簡要介紹,供維修者參考。
1、電源電源是維修系統乃至整個機床正常工作的能量來源,它的失效或者故障輕者會丟失數據、造成停機。重者會毀壞系統局部甚至全部。西方國家由于電力充足,電網質量高,因此其電氣系統的電源設計考慮較少,這對于我國有較大波動和高次諧波的電力供電網來說就略顯不足,再加上某些人為的因素,難免出現由電源而引起的故障。
2、數控系統位置環故障
①位置環報警。可能是位置測量回路開路;測量元件損壞;位置控制建立的接口信號不存在等。
②坐標軸在沒有指令的情況下產生運動。可能是漂移過大;位置環或速度環接成正反饋;反饋接線開路;測量元件損壞。
3、機床坐標找不到零點。可能是零方向在遠離零點;編碼器損壞或接線開路;光柵零點標 記移位;回零減速開關失靈。
關鍵詞： 線性系統 實踐教學 理論教學 實際操作
1.引言
“線性系統理論”是控制科學與工程專業、機電類專業以及其他研究生專業的一門非常重要的專業課程。在控制系統理論的研究領域中，線性系統是研究的主要對象，而在此基礎上形成的線性系統理論是現代控制理論中最基本、最重要也最成熟的一個分支，所涉及的內容包括生產過程控制、信息處理、通信系統、網絡系統等多個方面。線性系統理論所涉及的概念、方法、原理和結論對于系統和控制理論的許多學科分支，如最優控制、隨機控制、非線性控制、系統辨識、信號處理、故障檢測和濾波等都具有十分重要的作用[1]，[2]。作為控制工程與控制科學方向研究生從事科研的一門基礎課程，開設“線性系統理論”課程的目的就是培養其運用所學到的專業基礎知識，包括控制理論，機電課程，電子技術等，以解決實際問題[3]，[4]。該課程的開設，不僅可以幫助他們開展科研工作，還對他們今后從事本專業工作奠定了很好的基礎。
“線性系統理論”課程在國內許多控制學科的研究生專業都有開設，無論在教學內容、教學方法和手段、學生實踐等方面都各有所長，有許多值得我們學習，也為我們進行教學提供了參考依據。安徽大學電氣工程與自動化學院，現設有控制理論與控制工程，檢測技術與自動化轉置以及模式識別和智能系統等碩士研究生專業。自開展“線性系統理論”課程以來，一直得到學生們的支持。實際上，很多院校“線性系統理論”教學都會存在或多或少的問題，主要有：1.1忽視了實驗教學環節，理論課程遠遠多于實踐課程，導致理論與實踐脫節；1.2教學內容相對簡單，實驗課時非常少，導致學生做科研時，不能學以致用。研究生教育作為我國教育結構中最高層次的教育，肩負著為現代化建設培養高素質、高層次人才的重任。研究生的教育主要包含課程學習和學位論文研究兩個重要階段，其實就是學和做兩個層面。所以，我們在對研究生學習能力、創新精神的培養同時，也必須對他們的課程學習階段予以同等重視。因此，我們在教學過程中，需要結合線性系統理論課程的特點，有意識、有目的、針對性地把系統控制理論中的研究方法貫穿于教學中。
本文擬從理論教學和實踐教學兩個方面，有針對性地對線性系統理論的教學工作進行課程教改探討，以增強教學的效果。以期對研究生進行學習、研究問題方法的培養和熏陶。并加強實踐教學，提高學生理論和實際操作的能力，更好地為研究生的科研工作服務。
2.理論教學的改革分析
2.1形成完整的理論教學體系。
實際上，“線性系統理論”可以看成本科課程“自動控制原理”、“現代控制理論”和“控制系統仿真”等課程的延伸。那么，怎么樣將這些本科課程進行整合，并結合各個具體研究生專業，有機地處理好各課程之間的關系，是亟待解決問題。因此，在進行本課程教學時，需要結合不同專業，加入能反映或聯系學科的新思想、新概念和新成果，構建并完善由經典控制理論與線性系統理論基礎為主組成的控制理論課程體系，為相應的研究生研究專業和方向服務。同時，要避免與本科課程的重復，增設相關研究方向的內容、完善課程體系，以適應了學科發展需要，更有利于研究生人才的培養。以下分別從課程研究方法和教學方法兩個方面進行闡述。
2.1.1課程研究方法分析。
線性系統理論著重于研究線性系統狀態的運動規律和改變這種運動規律的可能性和方法，以建立和揭示系統結構、參數、行為和性能間的確定和定量的關系，即研究系統的分析和綜合問題。由于線性系統的數學模型主要包括時間域模型和頻率域模型，所以綜合線性系統的發展過程（主要包括經典線性理論和現代線性理論兩個過程），主要的研究方法包括狀態空間法、幾何理論法、代數理論法和多變量頻域法四個方面。
狀態空間法是線性系統理論形成最早和影響最廣泛的一個分支，分析的對象是系統的狀態方程和輸出方程，屬于時間域方法，主要的數學基礎是線性代數和矩陣理論。幾何理論法就是將對線性系統的研究轉化為狀態空間中的幾何問題，并采用幾何語言對系統進行描述，分析和綜合，其數學工具是以幾何形式表述的線性代數。代數理論法即采用抽象代數工具表征和研究線性系統，該方法起源于卡爾曼，并在模論方法的影響下，形成了相應的線性系統代數理論。而多變量頻域法，其實質是以狀態空間為基礎，采用頻率域的系統描述和計算方法，分析和綜合線性時不變系統，主要包括簡單的頻率域方法和多項式矩陣方法。相比較狀態空間法而言，多變量頻域法物理直觀性強，便于綜合和調整。
2.1.2教學方法。
從線性系統理論和研究方法可知，其研究基礎以線性代數和微分方程為主要數學工具，并以狀態空間法為基礎來分析與設計控制系統，內容比較抽象，涉及的研究方法很多。因為，為突出問題的背景和增強說服力，我們在教學過程中增加工程實際系統范例，并通過對實際系統的講解給出抽象的定義，使得抽象的理論概念與實際系統相結合。這樣，可以讓學生在學習理論知識的同時，做到理論與實踐相結合，適應專業發展需要。我們的課程教學團隊在授課過程中，將倒立擺、雙容水箱、機械手和電力系統等復雜的控制系統作為例子始終貫串在整個教學過程中，并在各個章節的教學中加以深化。采用機理建模方法建立這些復雜系統的數學模型，并通過線性化分析方法建立系統的狀態控制表達式，并根據各個章節的教學內容分析研究，主要包括判別能控性和能觀測性；判別系統的穩定性；設計出狀態反饋控制器和觀測器，進行極點配置分析；設計鎮定控制器和二次型優化控制器，進行優化控制等等。通過各個章節循序漸進的學習，以達到理論和實際的結合。不僅有助于 將實際系統貫徹到理論學習中，也有助于學生對抽象理論知識的理解和學習，得到了學生的普遍歡迎。
3.實踐教學的改革分析
3.1多媒體教學和仿真實驗工具結合。
我們的課程教學團隊在授課過程中，主要結合多媒體技術、板書推導和教師講解三個方面進行教學。很多畫圖和表格可以通過使用多媒體課件來展示，這樣既減少板書量，又增加了教師課堂講解的時間，提高了課堂教學效率。對一些重要的公式推導和理論證明，通過板書書寫，可以讓學生跟著老師的思路，加強學習。而且，我們可以利用多媒體技術在課堂上借助Matlab/Simulink[5]、VRML、CACSD和CAI等仿真平臺，適當地插入有仿真工具編程實現一個實際系統的數學模型的表示、能控性能觀性和穩定性分析，以及狀態反饋實現極點控制等。其實通過這些仿真工具的課堂教學引入，不僅可以很方便地求解高階系統的狀態轉移陣、特征值和特征向量等，還可以借助仿真教學輔助方式，使學生從實際的程序分析和圖形描述中更形象地理解和掌握現代控制理論分析系統的方法，從而激發他們的學習興趣。很多學生表示，通過多媒體技術、板書推導和教師講解三個方面的教學，并結合實驗仿真的動態演示，極大地激發了他們的學習熱情和興趣。
3.2網絡資源學習和數據庫資源利用。
為了學生更好地消化和吸收課堂內容，我們的課程教學團隊擬建立相應的教學網站，學生通過教學網站獲取學習資料，包括課程課件，教學教案，習題答案和實驗指導等，還可能通過網絡工具和教師進行在線交流和討論。通過這種網上學習和交流，可以進一步鞏固學習，加大學習空間。同時，作為研究生，必須會使用數據庫資源進行科研學習。對此，我們通過課程論文寫作環節的訓練，使得學生掌握了利用網絡電子資源，如中國知網、萬方數據庫、Springer、Elsevier、IEEE/IEE和ISI等數據庫進行檢索文獻的方法。雖然加大了本課程學習的難度，但是為攻讀學位期間順利發表核心期刊論文奠定了基礎，受到了學生的一致好評。
3.3教學實驗和教學實踐。
根據課程的安排，我們課程教學團隊的教學實驗主要包括基礎性實驗和設計性實驗。其中，基礎性實驗主要是通過Matlab/Simulink等仿真平臺的應用，研究線性系統的動力學分析，系統的能控制和能觀測性分析、穩定性分析、極點配置和觀測器設計等。綜合性研究性實驗包括直線倒立擺的控制實驗。對于設計性實驗，讓學生自己提出實驗方案，并選擇合適的控制方法，自己動手設計實驗程序，并進行實驗結果測試驗證，主要包括直線倒立擺的控制，雙容水箱的控制和機械手臂的運動軌跡優化設計等。
在加強學生基本工程實踐能力培養的同時，鼓勵學生走出課堂，到專業實驗室、校企共建實驗實習基地和校外工廠的自動化生產線參觀學習，了解所從事專業的特點，明確科學研究生產實踐與所學課程的關系，開闊視野，提高學習興趣，并增強學習意識。
4.結語
本文針對線性控制理論課程的特點，并結合我們的教學團隊，提出了本課程在理論教學和實踐教學中的一些改革舉措，并通過本校的實際情況進行了分析說明。從目前的情況而言，不少學生反映效果很好。課程教改是一個需要不斷完善的過程，永無止境。我們需要在教學過程中，不斷地加快教學改革，改進教學方法，提高教學質量，為國家培養更多的優秀的研究生人才。
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[論文摘要]數控機床故障的診斷是數控機床維修的關鍵。一般來說，隨著故障類型的不同，采取的故障診斷的方法也就不同。本文從數控機床故障診斷的內容、原則、方法等方面入手來簡要闡述一下數控機床故障的診斷方法。
系統可靠性是指數控系統在規定的條件和規定的時間內完成規定功能的能力。故障是指系統在規定的條件和規定的時間內失去了規定的功能。數控機床是個很復雜的大系統，它涉及光、機、電、液、氣等很多技術，發生故障是難免的。機械磨損、機械銹蝕、機械失效、插件接觸不良、電子元器件老化、電流電壓波動、溫度變化、干擾、噪聲、軟件丟失或本身有隱患、灰塵、操作失誤等都可導致數控機床出故障。
一、數控機床故障診斷內容
故障診斷的內容：
1）動作診斷：監視機床各動作部分，判定動作不良的部位。診斷部位是ATC、APC和機床主軸。2）狀態診斷：當機床電機帶動負載時，觀察運行狀態。3）點檢診斷：定期點檢液壓元件、氣動元件和強電柜。4）操作診斷：監視操作錯誤和程序錯誤。5）數控系統故障自診斷：不同的數控系統雖然在結構和性能上有所區別，但隨著微電子技術的發展，在故障診斷上有它的共性。
二、數控機床故障診斷原則
在故障診斷時應掌握以下原則：
（1）先外部后內部數控機床是集機械、液壓、電氣為一體的機床，故其故障的發生也會由這三者綜合反映出來。維修人員應先由外向內逐一進行排查，盡量避免隨意地啟封、拆卸，否則會擴大故障，使機床大傷元氣，喪失精度，降低性能。
（2）先機械后電氣一般來說，機械故障較易發覺，而數控系統故障的診斷則難度較大些。在故障檢修之前，首先注意排除機械性的故障，往往可達到事半功倍的效果。
（3）先靜后動先在機床斷電的靜止狀態，通過了解、觀察測試、分析確認為非破壞性故障后，方可給機床通電。在運行工況下，進行動態的觀察、檢驗和測試，查找故障。而對破壞性故障，必須先排除危險后，方可通電。
（4）先簡單后復雜當出現多種故障互相交織掩蓋，一時無從下手時，應先解決容易的問題，后解決難度較大的問題。往往簡單問題解決后，難度大的問題也可能變得容易。
三、數控機床故障診斷的方法
1.直觀檢查法它是維修人員最先使用的方法。在故障診斷時，首先要詢問，向故障現場人員仔細詢問故障產生的過程、故障表象及故障后果，并且在整個分析、判斷過程中可能要多次詢問；其次是仔細檢查，根據故障診斷原則由外向內逐一進行觀察檢查。總體查看機床各部分工作狀態是否處于正常狀態(例如各坐標軸位置、主軸狀態、刀庫、機械手位置等)，各電控裝置(如數控系統、溫控裝置、裝置等)有無報警指示，局部特別要注意觀察電路板的元器件及線路是否有燒傷、裂痕等現象、電路板上是否有短路、斷路，芯片接觸不良等現象，對于已維修過的電路板，更要注意有無缺件、錯件及斷線等情況；再次是觸摸，在整機斷電條件下可以通過觸摸各主要電路板的安裝狀況、各插頭座的插接狀況、各功率及信號導線(如伺服與電機接觸器接線)的聯接狀況等來發現可能出現故障的原因。
2.儀器檢查法使用常規電工儀表，對各組交、直流電源電壓，對相關直流及脈沖信號等進行測量，從中找尋可能的故障。例如：用萬用表檢查各電源情況，以及對某些電路板上設置的相關信號狀態測量點的測量，用示波器觀察相關的脈動信號的幅值、相位甚至有、無，用PLC編程器查找PLC程序中的故障部位及原因等等。
3.功能程序測試法功能程序測試法是將數控系統的G、M、S、T、F功能用編程法編成一個功能試驗程序，并存儲在相應的介質上。在故障診斷時運行這個程序，可快速判定故障發生的可能起因。功能程序測試法常應用于以下場合：
1）機床加工造成廢品而一時無法確定是編程操作不當、還是由于數控系統故障引起的。
2）數控系統出現隨機性故障。一時難以區別是外來干擾，還是系統穩定性差時。
3）閑置時間較長的數控機床在投入使用前或對數控機床進行定期檢修時。
4.信號與報警指示分析法
1）硬件報警指示這是指包括伺服系統、數控系統在內的各電子、電器裝置上的各種狀態和故障指示燈，結合指示燈狀態和相應的功能說明便可獲知指示內容及故障原因與排除方法。
2）軟件報警指示如前所述的系統軟件、PLC程序與加工程序中的故障通常都設有報警顯示，依據顯示的報警號對照相應的診斷說明手冊便可獲知可能的故障原因及故障排除方法。
5.接口狀態檢查法現代數控系統多將PLC集成于其中，而CNC與PLC之間則以一系列接口信號形式相互通訊聯接。有些故障是與接口信號錯誤或丟失相關的，這些接口信號有的可以在相應的接口板和輸入/輸出板上有指示燈顯示，有的可以通過簡單操作在CRT屏幕上顯示，而所有的接口信號都可以用PLC編程器調出。這種檢查方法要求維修人員既要熟悉本機床的接口信號，又要熟悉PLC編程器的應用。
6.參數檢查法數控系統、PLC及伺服驅動系統都設置許多可修改的參數以適應不同機床、不同工作狀態的要求。這些參數不僅能使各電氣系統與具體機床相匹配，而且更是使機床各項功能達到最佳化所必需的。因此，任何參數的變化(尤其是模擬量參數)甚至丟失都是不允許的；而隨機床的長期運行所引起的機械或電氣性能的變化會打破最初的匹配狀態和最佳化狀態。此類故障需要重新調整相關的一個或多個參數方可排除。這種方法對維修人員的要求是很高的，不僅要對具體系統主要參數十分了解，既知曉其地址熟悉其作用，而且要有較豐富的電氣調試經驗。
7.試探交換法即在分析出故障大致起因的情況下，維修人員可以利用備用的印刷電路板、集成電路芯片或元器件替換有疑點的部分，從而把故障范圍縮小到印刷線路板或芯片一級。采用此法之前應注意以下幾點：
1）更換任何備件都必須在斷電情況下進行。
2）許多印制電路板上都有一些開關或短路棒的設定以匹配實際需要，因此在更換備件板上一定要記錄下原有的開關位置和設定狀態，并將新板作好同樣的設定，否則會產生報警而不能工作。
3）某些印制電路板的更換還需在更換后進行某些特定操作以完成其中軟件與參數的建立。這一點需要仔細閱讀相應電路板的使用說明。
4）有些印制電路板是不能輕易拔出的，例如含有工作存儲器的板，或者備用電池板，它會丟失有用的參數或者程序。必須更換時也必須遵照有關說明操作。
鑒于以上條件，在拔出舊板更換新板之前一定要先仔細閱讀相關資料，弄懂要求和操作步驟之后再動手，以免造成更大的故障。
8.測量比較法CNC系統生產廠在設計印刷線路板時，為了調整和維修方便，在印刷線路板上設計了一些檢測量端子。維修人員通過檢測這些測量端子的電壓或波形，可檢查有關電路的工作狀態是否正常。但利用檢測端子進行測量之前，應先熟悉這些檢測端子的作用及有關部分的電路或邏輯關系。
9.特殊處理法當今的數控系統已進入PC級、開放化的發展階段，其中軟件含量越來越豐富，有系統軟件、機床制造者軟件、甚至還有使用自己的軟件，由于軟件邏輯的設計中不可避免的一些問題，會使得有些故障狀態無從分析，例如死機現象。對于這種故障現象則可以采取特殊手段來處理，比如整機斷電，稍作停頓后再開機，有時則可能將故障消除。維修人員可以在自己的長期實踐中摸索其規律。
參考文獻：
關鍵詞：“變形金剛”機器人；設計；實現
0 引言
隨著機器人技術不斷發展，機器人的應用越來越廣泛，幾乎滲透到所有的領域，使人類的生活發生了顯著的改變。
美國和日本多年來引領國際機器人的發展方向，代表著國際上機器人領域的最高科技水平。第一臺可變形機器人樣機就誕生于1988年，由美國卡內基?梅隆大學機器人研究所研制的可重構模塊化機械手系統（RMMS）。自此，變形機器人系統不斷完善，各種可變形機器人層出不窮。
我國在某些關鍵技術上有所突破，但未掌握整體核心技術，具有中國知識產權的變形機器人較少。目前我國機器人技術相當于國外發達國家20 世紀80 年代初的水平。特別是在制造工藝與裝備方面，不能生產高精密、高速與高效的關鍵部件。總而言之，國內產業缺乏可變形機器人的制作技術。
綜合國內外機器人的發展狀況，可見機器人的研究已經取得了一定的成績。但是，由于某些機器人因機械結構的限制，很難適應工作環境和任務的變化，因此迫切需要一種能夠靈活地根據周圍環境調整運動姿態的機器人，以適應更為復雜的任務。
變形機器人是機器人領域中新興起的一個研究方向，同時也是當前機器人學研究領域的一個熱點和難點。變形機器人又稱可重構機器人，是一種具有較強環境自適應能力的機器人，它可以根據環境變化和任務要求而改變自身的構形來完成不可預知的作業任務。目前已經開發的變形機器人系統根據其能否實現自動重組，一般分為兩類：靜態變形機器人和自變形機器人。但目前這兩種機器人大多還處于原理樣機研究階段，其移動與變形速度比較緩慢。本項目所設計的變形機器人，由許多功能簡單并具有一定感知能力的模塊機器人有機聯接而成，有效地解決了上述機器人移動和變形速度緩慢的問題。變形機器人通過變形獲得不同的形態，實現機器人在不同的環境情況下采取不同的運動步伐或機器人關節的運動導致本體的某些部分相對位置的變化而呈現一種新的作業構形，以適應環境的要求，從而發揮不同的作用。
1 “變形金剛”機器人的設計
本項目對變形機器人進行合理的優化，在保證機器人整個拓撲連接關系不發生變化的前提下，通過機器人關節的運動導致本體的某些部分相對位置的變化而重新呈現一種新的作業構形，完成給定的任務。其次，通過汲取美國孩之寶公司推出一系列級別的變形金剛玩具構思，改進本項目變形機器人的形態和構形的整體協調運動形式。最后，通過3D-MAX等三維圖解對機器人在變形過程中進行形象的運動過程進行分析，為機器人的設計與實現提供了實質性的參考依據。
1.1 機器人的結構設計
變形機器人的設計不同于一般人形機器人的設計。為了實現人形狀態的完備功能，機器人的構型需要依照人類運動關節的構造而設計。本項目變形機器人采用了19個舵機實現其完整的功能。首先是變形機器人人形基本結構的設計（如圖1）。腿部由10個舵機來實現人形的基本功能，保證變形機器人處于人形狀態下能夠自由行走，并且能夠實現劈叉、側走等多個功能。手部應用了6個舵機，能夠實現手部的前舉、上舉、側舉等功能。另外是頭部的設計。在變形機器人處于人形狀態時，用舵機替代變形機器人的頭部，而頭部的擋板轉至胸前，作為機器人的胸板；在變形機器人處于車型狀態時，擋板轉動覆蓋住頭部舵機，作為機器人車型的車頭結構。為保證車型機器人（如圖2）的實現，在機器人膝關節處加裝了一對360度舵機并配有防滑輪作為主動輪，而在機器人的肩部加裝了一對防滑輪作為從動輪，由主動輪帶動從動輪實現機器人的自由前進。同時，在變形構型設計上既要考慮在變形過程中模塊間的碰撞、一次結構改變的步數以及確保模塊集合可以到達必要的位置，又要精確設計車型四輪的安裝位置，以及其他構型對其變形過程所造成的影響。
圖1 機器人人形結構設計圖
圖2 機器人車型結構設計圖
1.2 機器人的運動模式及運動姿態設計
本項目機器人變形過程中，腳踝上360度舵機、膝蓋舵機、腰部舵機照指令旋轉，促使變形機器人身體部位前傾，根據慣性，機器人身體部位向前轉動落于腿部、腰部部位接觸地面、腿部呈現折疊狀態。這時，變形機器人腿關節處裝有的車輪便與地面接觸，使其變成車型機器人的車輪，從而實現人形到車型的狀態。接著，根據指令，轎車形態的機器人開始運動。
在實現轎車形態與雙足形態的轉換時，利用機器人的車門即手來做定點支撐，腿部伸直，腳板貼地，利用舵機的力度，使機器人緩緩撐起，從而得到雙足的狀態。（如圖3）
圖3 機器人變形過程圖
2 “變形金剛”機器人的實現
變形機器人所有模塊的運動都基于一套幾何學的原理，并通過程序算法控制機器人的運動動作，實現機器人能夠在不同的地面和環境情況下采取不同的運動步伐或機器人關節的運動導致本體的某些部分相對位置的變化而呈現一種新的作業構形。采用通用的權限算法和操作步驟，支持變形機器人處于雙足狀態時具備人形機器人舞蹈、格斗、行走等多種功能。
2.1 機器人基本部件
本項目所涉及的變形機器人采用舵機來實現機器人各部件的銜接，其中腿部為串聯機構，共有12個舵機，單條腿上由5個180度舵機和1個360度舵機組成，具有6個自由度、6個旋轉關節、4個輪子和多個連桿。
2.2 人形機器人轉換成車型機器人
此轉換過程是“變形金剛”的主要功能體現之處。機器人的驅動系統由左右2個電機構成，分別帶動其對應的一側車輪轉動，從而實現機器人平臺的前進、后退和轉向等動作。車輪直徑為200mm，正常行駛下采用輪式行進。機器人接收到操作員發出的信號，可以實現前進、轉彎、后退等作業。當遇到高于輪子半徑且低于250mm高的障礙時，通過前后腿協調擺動來實現越障；當遇到高于250mm的障礙時，可實現差速轉向。輪腿之間的角度可以調節，進而調整機器人的橫滾角，在遇到左右高度不同的地形時，可以通過調整輪腿之間的角度來保持機器人的平穩。
當機器人接收到無線遙柄發出的信號時，機器人從站立的姿勢開始，機器人的頭部、胸部關節舵機先收起，然后其腿部關節、腰部關節以及肩部關節舵機按照指令進行旋轉，直到手臂盤旋著貼近背部，隨之雙膝彎曲，類似于“扎馬步”。根據慣性，變形機器人的重心往前傾，在此過程機器人的2個驅動輪和2個滾向輪落地。再者，腳板處的舵機向上收起，呈現折疊狀態，作為車型狀態下機器人的尾翼。而位于身體一側的手部擋板則作為“車門”，可以實現“車門”的打開與關閉等動作，此時，背部的擋板作為車身的主體部位。由此實現了人形機器人（如圖4）到車型機器人（如圖5）之間的轉換。
圖4 該研究項目機器人變形人形狀態的結構圖
圖5 該研究項目機器人變形車型狀態的結構圖
2.3 車型機器人轉換成人形機器人
車型機器人轉換成機器人是變形機器人在實際操作過程中的一個重難點。其結構左右分別對稱，主要由“頭部”、2只“手”、2條“腿”和“身體”構成。其中，對可變形機器人的單腿串聯機構進行了運動學分析，構建了可變形移動機器人腿部的運動學模型。在結構上，單腿是由5個舵機通過U形構件連接而成，使得機器人能夠保持平穩和正常行走，甚至具備舞蹈、越障等能力；單手由3個舵機構成，能夠向360度“伸手”，實現多種功能。在站起的過程中要充分考慮機器人重心的問題，使之在整個變形過程中找到平衡點。在實現轎車形態與雙足形態的轉換時，利用機器人的車門即手來做定點支撐，腿部伸直，腳板貼地，利用舵機的力度，使機器人緩緩撐起，從而得到雙足的狀態。
3 結束語
“變形金剛”機器人采用適當的優化方法確定最優的裝配構形，通過機器人關節的運動導致本體的某些部分相對位置的變化而重新呈現一種新的作業構形，以適應環境的要求，完成各種給定的工作。“變形金剛”機器人是由許多功能簡單并具有一定感知能力的模塊機器人有機聯接而成。變形機器人通過變形可以獲得不同的形態，即通過人工操作無線手柄根據變化的環境和任務調整自己的結構，實現機器人能夠在不同的地面和環境情況下采取不同的運動步伐或機器人關節的運動導致本體的某些部分相對位置的變化而呈現一種新的作業構形。變形機器人突破了單一形態機器人特定的運動方式的限制，直觀具體展現不同形態機器人各自特征以及相互之間轉換與銜接，更易理解機器人各關節運動對機器人動作運動的影響，其核心是智能技術。再者，機器人人車自由轉換這一特點不僅可以完成不同性質的任務，還大大地節約了資源，降低了成本。
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