《主从式遥控机械手》项目结题报告
摘要
主从式机械手的研制开始于20世纪40年代，当时主从式机械手应用于放射性材料处理中。它为机器人的诞生打下了基础。随着科学技术的发展以及各种控制理论和信息理论的兴起，主从式机械手也得到了长足的发展。60年以来以示教再现式控制为主要特征，用示教盒、遥控手柄和手把手示教的主从式机械手仍然是应用最广的工业机器人。
该作品为主从式遥控机械手，通过无线电技术可以实现主机械手与从机械手远距离的通讯，通过单片机作为主控cpu分析信号做出决策，最终由电机执行决策实现“示教再现”的控制效果。
应用无线电技术完成主、从机械手之间的数据通讯，实现更远距离的控制效果。应用mcs-51单片机做为主控mcu，分析传感器信号并做出决策，控制更加稳定可靠。独特设计的机械手机构让机械手控制更加方便，同时还具有其它辅助功能。
关键字：主从式机械手、无线电、AT89s51单片机
引言
经过一个学期的研究与制作，作品原来预定的目标基本上都已经实现。现在已经可以实现主机械手对从机械手三个关节的控制。其不足之处是由于加工精度的原因，原定的三个自由度只实现了两个，而且控制精度不是太高。
主从式机械手现在仍然是工业机器人中最重要的组成部分之一。该作品结合无线电数据传输技术对传统的主从式机械手进行改进。可以实现主机械手对从机械手的更远距离控制。它独特设计的机械机构不仅可以实现主从式的控制，而且还可以完成很多其他的功能。
为了体现主从式遥控机械手的用途，我们把它安装在消防机器人上。通过它的帮助消防机器人可以完成在火场当中的救助任务。通过主机械手来控制从机械手完成救助功能，让机器人代替人类来完成人类不宜到达的地区完成任务。
该设计在工业机器人尤其是主从式机械手的研究方面做了一些尝试，希望能够为工业机器人的研究提供一些有益的参考。
一、《主从式遥控机械手》科技立项与研究的目的、意义
主从式机械手的研制开始于20世纪40年代，当时主从式机械手应用于放射性材料处理中。它为机器人的诞生打下了基础。随着科学技术的发展以及各种控制理论和信息理论的兴起，主从式机械手也得到了长足的发展。60年以来以示教再现式控制为主要特征，用示教盒、遥控手柄和手把手示教的主从式机械手仍然是应用最广的工业机器人。
80年代，高性能指标的机器人增多，继搬运机器人、喷漆机器人、点焊机器人和弧焊机器人之后，各种装配机器人和遥控作业机器人也迅速发展，带感觉的第二代机器人以装配机器人为先导，在电子工业中进入了实用阶段。
80年代后期，机器人被列入中国国家七五攻关项目，有了较大发展，已完成示教再现式机器人成套技术的研究开发，研制出喷漆、点焊、弧焊等作业的机器人和水下机器人，并已开始在生产线上应用，但尚未形成产业，其应用尚待推广。
工业机器人可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。工业机器人正不断朝着结构多样化、自控智能化和监控智能化方向发展。
二、项目研究过程与方法概述
在结构设计方面，先应用Pro/E软件进行仿真，对结构进行运动和结构分析，避免产生运动干涉，减少在制作过程中的时间与材料的浪费。在控制方面，我们应用AT89S51单片机作为主控制器，由上位机分析各种信号作出决策，下位机接受上位机命令并执行。
作品利用电位器把机械手的角度信号转化为电信号，应用无线电技术进行数据的远距离传输。而后单片机对主、从机械手的角度信号进行比较，从而控制电机的启停和正反转，最终实现主机械手“示教”，从机械手“模仿”的控制效果。该作品由于采用了无线电技术，与其它产品相比其控制距离更远。
三、项目研究的基本内容
该作品为主从式遥控机械手，通过无线电技术可以实现主机械手与从机械手远距离的通讯，通过单片机作为主控cpu分析信号做出决策，最终由电机执行决策实现“示教再现”的控制效果。
我们主要在以下几个方面进行研究：
1．主从式机械手的结构设计
2．各个角度信号的采集
3．单片机之间的数据传输
4．无线电发射与接收
5．单片机分析信号并决策
四、项目研究成果的理论与实践价值
该作品可以应用于核工业、海底探险、消防等等人类不宜或则不能接近的领域，有较好的应用前景。该产品的造价低廉，性能价格比较高。同时，鉴于机械手在工业中极其重要的地位，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全。该主从式机械手有不错的市场前景。
五、项目研究成果的特色与创新
该作品为主从式遥控机械手，通过无线电技术可以实现主机械手与从机械手远距离的通讯，通过单片机作为主控cpu分析信号做出决策，最终由电机执行决策实现“示教再现”的控制效果。
该机械手的特点如下：
应用无线电技术完成主、从机械手之间的数据通讯，实现更远距离的控制效果。
应用mcs-51单片机做为主控mcu，分析传感器信号并做出决策，控制更加稳定可靠。
独特设计的机械手机构让机械手控制更加方便，同时还具有其它辅助功能。
六、项目研究工作的自我评价分析与结论
通过一个学期的研究与制作，机械手各个功能基本上实现了。包括主机械手的结构设计、从机械手的机构设计、角度传感器的选择、主控器的选择、无线电通讯技术、传感器信号的采集与发射接收等等。其性能指标如下：
机械手的重量： 0.5kg
机械手肩关节摆动角度： 90°
轴关节摆动角度： 120°
手部夹取动作角度： 60°
机械手最大夹取重量： 0.5kg
自由度 2
机械手的夹取重量为0.5kg，这是由机械手的材料和机械手的传动方式决定的，在研究假设的0.25kg-0.5kg之内。
机械手的各个关节的转动角度和研究假设时相比出入较大。其主要原因是在制作的过程中发现原来设计的传动方式在实际制作过程中会存在干涉且不便于角度传感器的安装。因此把原来的直接把电机接在各个关节上的设计，改为了由电机拖动皮带，而后皮带带动关节运动的设计。在各个关节上还装有皮筋来提供回复力。
机械手的重量主要是由它的材料决定的，机械手的制作材料主要选用的是电木和铝管，这种材料强度较大同时质量较小。但是由于加工精度原因，机械手原来设计时的3个自由度只实现了2个。
参考文献
[1]《机械原理》.郑文纬、吴克坚主编.高等教育出版社.1997年7月
[2]《机械设计》.濮良贵、纪名刚主编.高等教育出版社.2001年6月
[3]《MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术》.何立民主编.北京航空航天大学出版社.1999年6月
[4]《自动机械设计》.尚久号主编.中国轻工业出版社.2004年5月
[5]《机械设计手册——弹簧、起重运输件、五金件》.成大先主编.化学工业出版社.2004年1月
[6]《工业机械手课程设计》.哈尔滨工程大学出版社
[7]《Pro/ENGINEER英文野火版教程——零件设计范例》.詹友刚编著.清华大学出版社出版.2005年1月
[8]《机械零件设计手册》第二版上册.东北工学院机械教研室主编.1980年11月
[9]《现代机械设计方法》.孙谓民主编.哈尔滨工业大学出版社、北京理工大学出版社、西北工业大学出版社、哈尔滨工程大学出版社、北京航空航天大学出版社.
