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題 目 五自由度工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
年 月 日
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任務(wù)書
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院(系) 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名
一、畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 五自由度工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
二、畢業(yè)設(shè)計(jì)工作自 年 月_ __日 起至 年 月 日止
三、畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行地點(diǎn):
四、畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容要求：
（1）． 查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，了解機(jī)械手結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀與趨勢(shì)
（2）． 熟悉計(jì)算機(jī)繪圖軟件的使用，能利用它對(duì)機(jī)械手零部件進(jìn)行建模
（3）． 確定機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算
（4）． 畫出所設(shè)計(jì)的重要零件圖和裝配圖
（5）． 繪制傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)圖
（6）． 編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書，具體要求見《XXXX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說(shuō)明書）撰寫規(guī)范》
接受設(shè)計(jì)任務(wù)開始執(zhí)行日期 學(xué)生簽名
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五自由度工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
[摘要]機(jī)械手是機(jī)器進(jìn)化和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，機(jī)械手從問(wèn)世到現(xiàn)在經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)，科學(xué)研究以至整個(gè)社會(huì)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越顯著的作用，成為人們生活學(xué)習(xí)中的好幫手，近十年來(lái)各種用途的機(jī)械手得到了更廣泛的應(yīng)用，如焊接、噴漆、搬運(yùn)等用于制造車間的工業(yè)機(jī)械手。
學(xué)習(xí)了機(jī)械手技術(shù)知識(shí)，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)械手、主要是工業(yè)機(jī)械手的現(xiàn)狀有了比較詳細(xì)的了解。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本人的設(shè)想，和設(shè)計(jì)工作中需要解決的任務(wù)，本文主要研究機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行以下工作:
本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)方案確定后要運(yùn)用AutoCAD把其平面裝配圖做出。
[關(guān)鍵詞]機(jī)械手、AutoCAD、機(jī)械手臂
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Five Degree of Freedom Industrial Robot Structure Design
Abstract: This paper studied and designed a five-DOF assembly processing robot, and carries on the kinematics and dynamics analysis, simulation. At last static analysis and modal analysis for the key parts of the robot by FEM, compared the analytical results .The main work was as follows:
On the basis of actual situation and similar structure, Designed the kinematics and Structural programs for the five-Dof assembly processing robot, and used 3-D software to devise the structure of main part of the second proposal, at last, framed the dimensional model.
Complied the assembly processing robot analytical soft and kinematics analytical; calculate the kinematic equations and the positive & reverse solutions, and used the Monte Carlo method to calculate the workspace of the robot , and used the vector product method to construct the speed Jacobian matrix of the robot. At last , according to virtual prototyping technology, simulated the positive & reverse solutions and the speed Jacobian matrix in ADAMS, and compared the simulation results with the analytical results to verify the correctness of the resolution of kinematic.
Used second-class Lagrangian method to create the robot model, and deduced the robot dynamics equation. According to compiling dynamics solver program by Mat lab software , The author simulated the inverse problem of dynamics and provided the basis for the control and trajectory planning in the future.
The paper studied the five-Dof assembly processing robots and established the foundation for the research of the series of robots in the future.
Key words：Assembly Robots；Scheme design； Kinematic Analysis；Dynamic Analysis；Lagrange Method；Finite element method；Modal analysis.
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目 錄
引言 1
1 工業(yè)機(jī)械手簡(jiǎn)介 2
1.1 機(jī)械手簡(jiǎn)介 2
1.2 機(jī)械手研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3 國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究現(xiàn)狀 4
1.3.1 國(guó)外機(jī)械手研究現(xiàn)狀 4
1.3.2 國(guó)內(nèi)機(jī)械手研究現(xiàn)狀 4
1.3.3 工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 5
1.3.4 工業(yè)機(jī)械手軌跡規(guī)劃研究的現(xiàn)狀與意義 5
1.4 本文研究的意義及主要內(nèi)容 5
2 機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 7
2.1 機(jī)械手的工作要求 7
2.2 機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 7
2.2.1 機(jī)械手獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 7
2.2.2 與機(jī)械手有關(guān)的概念 7
2.3 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 8
2.3.1 方案功能設(shè)計(jì)與分析 8
2.3.2 步進(jìn)電機(jī) 9
2.3.3 步進(jìn)電機(jī)選用 9
2.3.4 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)、參數(shù)、尺寸 11
3 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.1 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 14
3.1.1腕部設(shè)計(jì)的基本要求 14
3.1.2典型的腕部結(jié)構(gòu) 14
3.1.3腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 14
3.2 小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 14
3.2.1小臂部設(shè)計(jì)的基本要求 14
3.2.2 小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)和減速器的選擇 15
3.3 大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 15
3.3.1大臂部設(shè)計(jì)的基本要求 15
3.3.2 大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)步進(jìn)及減速器的選擇 15
3.4 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 16
3.4.1 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)要求 16
3.4.2 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)及減速器的選擇 16
3.5 氣爪的選擇 16
致謝 18
參考文獻(xiàn) 19
外文翻譯 20
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引言
工業(yè)機(jī)械手，一般指的是在工廠車間環(huán)境中，配合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，代替人來(lái)完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)械手。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在 對(duì)工業(yè)機(jī)械手所下的定義是“機(jī)械手是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專用設(shè)備，以執(zhí)行種種任務(wù)” 。
隨著科學(xué)和技術(shù)的不斷發(fā)展，在過(guò)去的幾個(gè)世紀(jì)里，人類在許多方面都取得了重大的進(jìn)展。機(jī)械手技術(shù)作為人類最偉大的發(fā)明之一，自20世紀(jì)60年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷了短短的40年，已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。工業(yè)機(jī)械手在經(jīng)歷了誕生、成長(zhǎng)、成熟期后，已成為制造業(yè)中必不可少的核心裝備，而且工業(yè)機(jī)械手不僅在工廠里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以驚人的速度向航空航天、軍事、服務(wù)、娛樂(lè)等人類生活的各個(gè)領(lǐng)域滲透。據(jù)聯(lián)合國(guó)經(jīng)濟(jì)委員會(huì)和國(guó)際機(jī)械手聯(lián)合會(huì)去年關(guān)于世界機(jī)械手的報(bào) 告，僅2003年新投入使用的機(jī)械手接近10萬(wàn)個(gè)，使世界目前使用的機(jī)械手總數(shù)超過(guò)75萬(wàn)。世界使用機(jī)械手最多的國(guó)家是日本，約38 .9萬(wàn)；其次為德國(guó)(9.1萬(wàn))、美國(guó) (9萬(wàn))、意大利(3.9萬(wàn))、韓國(guó)(3.8萬(wàn))、法國(guó)(2.1萬(wàn))、西班牙(1.3萬(wàn))和英國(guó)(1.2 萬(wàn))，并且報(bào)告估計(jì)2004年，全世界使用的機(jī)械手總數(shù)將超過(guò)100萬(wàn)。
我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的歷史已經(jīng)有20多年，從“七五”科技攻關(guān)開始，正式列入國(guó)家計(jì)劃，在國(guó)家的組織和支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，不僅在機(jī)械手的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破，而且在工業(yè)機(jī)械手整機(jī)方面，己經(jīng)陸續(xù)掌握了噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配和搬運(yùn)等不同用途、典型的工業(yè)機(jī)械手整機(jī)技術(shù)，并成功的應(yīng)用于生產(chǎn)，掌握了相關(guān)的應(yīng)用工程知識(shí)。但總的看來(lái)，我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手 技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外的相比還有一定的距離。我國(guó)目前大約有 4000臺(tái)工業(yè)機(jī)械手，其中僅有1/5是國(guó)產(chǎn)的，其余的則是從40多個(gè)國(guó)外廠商進(jìn)口的機(jī)械手?？傊?，各種各樣機(jī)械手的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類走向文明和發(fā)展的一個(gè)巨大進(jìn)步和標(biāo)志，在未來(lái)社會(huì)中，機(jī)械手的廣泛應(yīng)用和發(fā)展是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，機(jī)械手技術(shù)將一定能夠?yàn)槿祟悗?lái)更多的方便，為人類的文明和發(fā)展帶來(lái)更大的機(jī)會(huì)。
第 34 頁(yè) 共 40 頁(yè)
1 工業(yè)機(jī)械手簡(jiǎn)介
1.1 機(jī)械手簡(jiǎn)介
機(jī)械手是機(jī)器進(jìn)化和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，機(jī)械手從問(wèn)世到現(xiàn)在經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)，科學(xué)研究以至整個(gè)社會(huì)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越顯著的作用，成為人們生活學(xué)習(xí)中的好幫手，近十年來(lái)各種用途的機(jī)械手得到了更廣泛的應(yīng)用，如焊接、噴漆、搬運(yùn)等用于制造車間的工業(yè)機(jī)械手。特別是在醫(yī)療，服務(wù)、外空、國(guó)防等人類極限以外的領(lǐng)域，發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。正是因?yàn)槿绱?，世界上許多國(guó)家投入巨資發(fā)展機(jī)械手技術(shù)。機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)形成了一門新學(xué)科—機(jī)械手學(xué)（Robotics），以微電子技術(shù)為主導(dǎo)涉及了工程力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、機(jī)械電子工程學(xué)、自動(dòng)控制理論、人工智能和生物學(xué)等多門學(xué)科為一體，是一門綜合技術(shù)學(xué)科。
1.2 機(jī)械手研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
現(xiàn)代機(jī)械手技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、機(jī)械電子技術(shù)，自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代機(jī)械手的發(fā)展提供了有利的條件。1960年到1970年是機(jī)械手技術(shù)的緩慢發(fā)展階段，許多科研院校和個(gè)人都對(duì)機(jī)械手技術(shù)進(jìn)行了研究，投入了大量的人力，物力，材料但都沒(méi)有取得突破性進(jìn)展，但還是取得了一些成果，主要成果是斯坦福研制的移動(dòng)式機(jī)械手。到了80年代末期，對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械手生產(chǎn)量供過(guò)于求，結(jié)果導(dǎo)致國(guó)際機(jī)械手產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)不景氣，機(jī)械手產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了緩慢發(fā)展的時(shí)期。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)國(guó)際機(jī)械手處于比較穩(wěn)定的發(fā)展階段。
世界上第一臺(tái)機(jī)械手誕生于美國(guó)，美國(guó)研究機(jī)械手的時(shí)間比日本還早，現(xiàn)在已經(jīng)成為世界上工業(yè)機(jī)械手技術(shù)研究的強(qiáng)國(guó)之一，在技術(shù)上遙遙領(lǐng)先。日本雖然比美國(guó)研究機(jī)械手的時(shí)間晚，但是發(fā)展很快，日本被稱為“機(jī)械手王國(guó)”，其工業(yè)機(jī)械手的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)世界上其他的國(guó)家，位于世界第一。到了20世紀(jì)80年代日本的機(jī)械手技術(shù)得到了迅速發(fā)展，處于鼎盛時(shí)期，機(jī)械手逐漸應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)部門，工業(yè)機(jī)械手有了巨大的發(fā)展，機(jī)械手制造業(yè)成為發(fā)展最快的和最好的經(jīng)濟(jì)部門之一，帶動(dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。從上個(gè)世紀(jì)90年代中期開始，相比世界上其他國(guó)家和地區(qū)，歐洲和北美對(duì)機(jī)械手技術(shù)的研究進(jìn)入了迅速發(fā)展時(shí)期。到了21世紀(jì)，國(guó)外機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，被工業(yè)界廣泛采用，有的已經(jīng)成為機(jī)械手設(shè)計(jì)方面的參照標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上著名的制造工業(yè)機(jī)械手公司主要有ABB Robotics、Yaskawa KUKARoboter等，這些公司成為當(dāng)?shù)氐闹е援a(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)快速發(fā)展。目前，機(jī)械手自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)廣泛使用于汽車、電子、物流、倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。
我國(guó)于19世紀(jì)70年代年開始研制工業(yè)機(jī)械手，當(dāng)時(shí)在許多科研單位和院校建立了研發(fā)中心，開始了機(jī)構(gòu)學(xué)，計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用技術(shù)的研究，在應(yīng)用方面，二汽建立的東風(fēng)汽車駕駛室的噴漆生產(chǎn)線，已經(jīng)成為國(guó)產(chǎn)機(jī)械手運(yùn)行的一個(gè)窗口，并建立了點(diǎn)焊機(jī)械手工作站，成功研制了SCARAZ裝備機(jī)械手的樣機(jī)模型。相對(duì)于世界上其他國(guó)家服務(wù)型機(jī)械手，我國(guó)的服務(wù)型機(jī)械手發(fā)展比較慢，落后于其他國(guó)家服務(wù)型機(jī)械手研究技術(shù)?？茖W(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，為了加快我國(guó)在機(jī)械手研究方面的發(fā)展，特別是七五計(jì)劃，863計(jì)劃，在國(guó)家的重點(diǎn)技術(shù)支持下，我國(guó)的機(jī)械手在機(jī)械手基礎(chǔ)技術(shù)，機(jī)械手的單元技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)，機(jī)械手控制裝置的研制，取得了重大發(fā)展，加速我國(guó)工業(yè)機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展。
我國(guó)的機(jī)械手技術(shù)和國(guó)外相比起步比較晚，技術(shù)相對(duì)比較落后，目前主要研究用于生產(chǎn)線上工業(yè)機(jī)械手、為完成某項(xiàng)特定任務(wù)而專門開發(fā)的特種機(jī)械手、帶有自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的智能機(jī)械手，并在這些方面取得了顯著成就，為以后各種用途機(jī)械手的研究奠定了基礎(chǔ)。
如今機(jī)械手在很多方面被人們應(yīng)用。尤其是在汽車制造、機(jī)械制造、集成電路、數(shù)字加工等主要依靠人工操作的大規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)、一些對(duì)人類具有很大危害性的行業(yè)、質(zhì)量和要求比較高的行業(yè)，逐漸取代了人工操作，提高了效率，降低成本，工業(yè)機(jī)械手在越來(lái)越多的行業(yè)發(fā)揮著巨大的作用，得到了廣泛的應(yīng)用。2005年，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)美洲地區(qū)汽車行業(yè)所需求的工業(yè)機(jī)械手占其他所有行業(yè)所需工業(yè)機(jī)械手總數(shù)的五分之三。當(dāng)時(shí)在亞洲汽車行業(yè)零部件加工需求的機(jī)械手占其他所有行業(yè)所需機(jī)械手的三分之一，居于各行業(yè)之首。
我國(guó)對(duì)仿真機(jī)械手進(jìn)行了大量的研究，例如對(duì)機(jī)械手魚的研究，國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等各大院校和科研院所都對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，投入了大量的時(shí)間，取得了重大的成就。清華和哈爾濱工程大學(xué)分別設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)步行機(jī)械手和雙足機(jī)械手。我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手主要是采取借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，然后進(jìn)行二次開發(fā)，創(chuàng)新比較少，制造基礎(chǔ)零部件的能力差，缺少自己的品牌，鼓勵(lì)性政策少，我國(guó)必須以市場(chǎng)為導(dǎo)向，發(fā)展一批具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，對(duì)發(fā)展工業(yè)機(jī)械手專門立項(xiàng)，加速我國(guó)工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展。
近幾年的我國(guó)的機(jī)械手自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)出現(xiàn)，逐漸成為機(jī)械手自動(dòng)化生產(chǎn)線的主要方式，國(guó)內(nèi)制造裝配業(yè)正在由傳統(tǒng)的向機(jī)械手自動(dòng)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型。我國(guó)現(xiàn)有工業(yè)機(jī)械手生產(chǎn)廠家由于技術(shù)條件、資金條件等客觀和主觀因素的影響，導(dǎo)致其生產(chǎn)規(guī)模較小，機(jī)械手的品種單一，性價(jià)比低，研發(fā)的高科技機(jī)械手比較少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)的要求。如果想占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，就必須采取相應(yīng)的措施，發(fā)展科學(xué)技術(shù)，努力提高機(jī)械手的質(zhì)量，提高機(jī)械手的穩(wěn)定性、可靠性及降低成本以適應(yīng)現(xiàn)代競(jìng)爭(zhēng)的社會(huì)。目前我國(guó)為了發(fā)展機(jī)械手技術(shù)，提高我國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，逐步在上海、沈陽(yáng)、北京經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)開展機(jī)械手研究，建立了機(jī)械手及其自動(dòng)化生產(chǎn)線產(chǎn)業(yè)基地，逐漸開發(fā)出一批以市場(chǎng)為導(dǎo)向的，適合我國(guó)發(fā)展的，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)械手及其自動(dòng)化生產(chǎn)線。
經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，裝配機(jī)械手的發(fā)展也有了很大的進(jìn)步，用于裝配的機(jī)械手占機(jī)械手總數(shù)的三分之一，并且這一趨勢(shì)將不斷擴(kuò)大，專門設(shè)計(jì)的裝配加工機(jī)械手更具有效率。
目前我國(guó)在裝配機(jī)械手研制方面，掌握了機(jī)械設(shè)計(jì)，控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，在基礎(chǔ)元件方面，引入了諧波減速器，傳感器，運(yùn)動(dòng)控制器。
近幾年來(lái)，我國(guó)已經(jīng)研制出各種各樣的裝配機(jī)械手，如小型電器機(jī)械手自動(dòng)裝配線，精密機(jī)芯機(jī)械手，開發(fā)了具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊化直角坐標(biāo)系裝配機(jī)械手、CAD平臺(tái)、開發(fā)了3個(gè)系列的直線運(yùn)動(dòng)單元以及由此組成的直角坐標(biāo)裝配機(jī)械手，“賢科”裝配機(jī)械手是國(guó)際上比較精密的裝配機(jī)械手。
裝配機(jī)械手按適應(yīng)的環(huán)境不同分為普通型裝配機(jī)械手和精密裝配機(jī)械手，根據(jù)臂部的運(yùn)動(dòng)形式，分為平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)械手，直角坐標(biāo)機(jī)械手，垂直多關(guān)節(jié)裝配機(jī)械手。
日本研究開發(fā)的平面關(guān)節(jié)（SCARA）裝配機(jī)械手，屬于精密型裝配機(jī)械手，具有定位精度高，柔性好、工作空間大等優(yōu)點(diǎn)，是目前比較常見的裝配機(jī)械手，廣泛用于電子、機(jī)械等相關(guān)的自動(dòng)裝配、搬運(yùn)、調(diào)試，可以滿足柔性自動(dòng)化生產(chǎn)的要求。直角坐標(biāo)裝配機(jī)械手，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方面的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于零件的移送，插入，旋擰等。垂直多關(guān)節(jié)裝配機(jī)械手，一般具有6個(gè)自由度，可以達(dá)到空間任意位置，面向的對(duì)象是空間任意位置和姿態(tài)的作業(yè)。
如今，在研制裝配機(jī)械手方面，主要研究裝配機(jī)械手的共性技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)的研究，向多樣化和智能化發(fā)展。如直接裝配機(jī)械手，即不經(jīng)過(guò)減速裝置，采用高扭矩低速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)；裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)小，朝著機(jī)電一體化發(fā)展；智能裝配機(jī)械手，例如自主移動(dòng)裝配機(jī)械手；并聯(lián)機(jī)械手；協(xié)作裝配機(jī)械手，多個(gè)機(jī)械手之間的協(xié)作，完成一系列任務(wù)，對(duì)于重型或精密裝配非常重要。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各式各樣的機(jī)械手已經(jīng)研制出來(lái)，工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不在僅僅用于制造業(yè)，擴(kuò)大到建筑，農(nóng)業(yè)，采礦，國(guó)防軍事，醫(yī)療，服務(wù)等領(lǐng)域，機(jī)械手技術(shù)將成為未來(lái)的研究熱點(diǎn)，近年來(lái)工業(yè)機(jī)械手技術(shù)正在從狹義的機(jī)械手概念向廣義的機(jī)械手技術(shù)轉(zhuǎn)移，向人機(jī)智能化、設(shè)計(jì)模塊化、高速化、微型化的方向發(fā)展。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1) 隨著工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)機(jī)械手的綜合性能指標(biāo)的要求也越來(lái)越高，特別在某些超精密領(lǐng)域或重要領(lǐng)域，人們對(duì)工業(yè)機(jī)械手的柔性和控制精度和互換性提出了更高的要求，特別是性價(jià)比方面，于是開始研究可重構(gòu)機(jī)械手，成為歷史的必然，成為時(shí)代的需要，結(jié)構(gòu)的模塊化包括驅(qū)動(dòng)部件、傳感器、控制器等?？芍貥?gòu)化適合現(xiàn)代制造業(yè)中的柔性生產(chǎn)線，主要表現(xiàn)在探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)的模塊化。結(jié)構(gòu)化的模塊也提高了互換性，提高了利用率，符合現(xiàn)代社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
(2) 高速性，對(duì)于一般的室內(nèi)機(jī)械手或者用于服務(wù)業(yè)的服務(wù)型的工業(yè)機(jī)械手，對(duì)于機(jī)械手的速度沒(méi)有特殊的要求，但是對(duì)于室外或者用于機(jī)械加工的機(jī)械手或其他特殊領(lǐng)域的機(jī)械手，比較高的運(yùn)行速度可以提高生產(chǎn)效率，降低成本，而這就對(duì)機(jī)械手的定位精度與控制精度提出了更高的要求，要求向開放式控制系統(tǒng)發(fā)展，提高系統(tǒng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，便于機(jī)械手的操作、
(3) 多種傳感器的綜合使用。各種傳感器對(duì)于機(jī)械手來(lái)說(shuō)具有重要作用，利用傳感器可以對(duì)外界環(huán)境做出正確的響應(yīng)來(lái)傳遞相關(guān)信息，來(lái)保證機(jī)械手不會(huì)誤操作，產(chǎn)生無(wú)法預(yù)測(cè)的后果，如果想讓機(jī)械手進(jìn)行快速和正確的操作，這就要求機(jī)械手快速正確的處理各種信息。所以除了傳統(tǒng)的速度、加速度傳感器，還加了視覺導(dǎo)航，力傳感器等。
(4) 微型化和靈活性發(fā)展。這是未來(lái)機(jī)械手主要的方向，微型化主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)方式，控制等方面提出了更高的要求，機(jī)械手的靈活性主要體現(xiàn)在隨著機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，各式各樣不同用途的工業(yè)機(jī)械手相繼研究出來(lái)被家庭和服務(wù)行業(yè)和其他行業(yè)采用，這就要求機(jī)械手能夠在不同的環(huán)境下安全，穩(wěn)定的執(zhí)行任務(wù)。
(5) 虛擬機(jī)械手技術(shù)。主要表現(xiàn)在機(jī)械手對(duì)作用的物體識(shí)別，軌跡規(guī)劃，自主導(dǎo)航完成操作任務(wù)，計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的發(fā)展為此提供了技術(shù)支持。
(6) 仿人和仿生技術(shù)。仿人機(jī)械手具有和人類相似的部分，腰部，手臂，手腕等，可以和人類一樣靈活的適應(yīng)各種環(huán)境，完成操作任務(wù)，具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ彩俏磥?lái)機(jī)械手發(fā)展方向。
(7) 產(chǎn)業(yè)化，只有被人們認(rèn)可，被社會(huì)采用，才能被社會(huì)扶持，才有深遠(yuǎn)的發(fā)展?jié)摿Γ拍芙o社會(huì)帶來(lái)客觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此我們必須朝著機(jī)械手產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)奮斗。
1.3 國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究現(xiàn)狀
1.3.1 國(guó)外機(jī)械手研究現(xiàn)狀
國(guó)外目前機(jī)械手研究的重點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面:
(1) 機(jī)械手操作機(jī)，通過(guò)有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，機(jī)械手操作機(jī)己實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以德國(guó) KUKA 公司為代表的機(jī)械手公司，將機(jī)械手并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)械手的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用大大提高了機(jī)械手的性能。
(2) 并聯(lián)機(jī)械手：采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)械手技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及加工，這是機(jī)械手技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。
(3) 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過(guò)去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)械手發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸機(jī)械手，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機(jī)界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問(wèn)世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
(4) 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機(jī)械手系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)械手的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。日本 KAWASAKI, YASKAWA, FANUC和瑞典ABB、德國(guó)KUKA, REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。
(5) 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本 YASKAWA 和德國(guó) KUKA 公司的最新機(jī)械手控制器已實(shí)現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)械手由過(guò)去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)
化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)械手由過(guò)去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備有了發(fā)展。
(6) 可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)械手系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過(guò)去機(jī)械手系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)，幾乎可以滿足任何場(chǎng)合的需求。
1.3.2 國(guó)內(nèi)機(jī)械手研究現(xiàn)狀
隨著科學(xué)技術(shù)和世界各國(guó)機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)在機(jī)械手科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用工程等方面取得了可喜的進(jìn)步。從20世紀(jì)80年代末到20世紀(jì)90年代，國(guó)家863計(jì)劃把機(jī)械手列為自動(dòng)化領(lǐng)域的重要研究課題，系統(tǒng)地開展了機(jī)械手基礎(chǔ)科學(xué)、關(guān)鍵技術(shù)與機(jī)械手元部件、先進(jìn)機(jī)械手系統(tǒng)集成技術(shù)的研究及機(jī)械手在自動(dòng)化工程上的應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)械手選型方面，確定以開發(fā)點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)等機(jī)械手為主。這是中國(guó)機(jī)械手事業(yè)從研制到應(yīng)用邁出的重要一步。一批從事機(jī)械手研究、開發(fā)、應(yīng)用的人才和隊(duì)伍在實(shí)踐中成長(zhǎng)、壯大，一批以機(jī)械手為主業(yè)的產(chǎn)業(yè)化基地已經(jīng)破土而出。
我國(guó)近幾年機(jī)械手自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來(lái)顯著效益。隨著我國(guó)工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，機(jī)械手自動(dòng)化線的市場(chǎng)也會(huì)越來(lái)越大，并且逐漸成為自動(dòng)化生產(chǎn)線的主要方式。我國(guó)機(jī)械手自動(dòng)化生產(chǎn)線裝備的市場(chǎng)剛剛起步，而國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進(jìn)制造裝備轉(zhuǎn)型的時(shí)期，這就給機(jī)械手自動(dòng)化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來(lái)巨大商機(jī)。但是，無(wú)論從工業(yè)機(jī)械手的數(shù)量上還是技術(shù)上，我們都是比較落后的。而我國(guó)作為一個(gè)工業(yè)大國(guó)，不能寄希望從其他國(guó)家得到真正的高技術(shù)，必須自主的發(fā)展我國(guó)的高技術(shù)，機(jī)械手作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，將成為21世紀(jì)各國(guó)爭(zhēng)奪的經(jīng)濟(jì)技術(shù)制高點(diǎn)。如何在 21世紀(jì)加速我國(guó)機(jī)械手的發(fā)展，使我國(guó)早日進(jìn)入機(jī)械手大國(guó)行列，已成為當(dāng)務(wù)之急。由于目前我國(guó)機(jī)械手的基礎(chǔ)數(shù)量太低，以工業(yè)機(jī)械手為例，到了2010年我國(guó)機(jī)械手擁有量只能達(dá)到世界擁有量1.38%～2%，這與我國(guó)作為21世紀(jì)前半葉世界主要制造國(guó)的要求差距太大，如果這種差距只能以進(jìn)口機(jī)械手來(lái)彌補(bǔ)，其巨大損失不是可以用貨幣損失來(lái)計(jì)算的?？梢?，無(wú)論從資金方面考慮，還是從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益考慮，我們有必要自主地對(duì)機(jī)械手進(jìn)行研究和開發(fā)。
但是由于國(guó)內(nèi)機(jī)械手的科研與開發(fā)與國(guó)外尚有較大差距，雖然計(jì)劃開發(fā)的機(jī)械手基本上采用的是在國(guó)外基木成熟的技術(shù)，但國(guó)內(nèi)各單位對(duì)這些技術(shù)的了解有相當(dāng)部分還停留在文獻(xiàn)上或局部技術(shù)上。所以我們應(yīng)該從基本做起，有必要研制少數(shù)型號(hào)的機(jī)械手和開展一批基礎(chǔ)技術(shù)研究作為機(jī)械手課題的主要研究與開發(fā)內(nèi)容。
1.3.3 工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題的研究目前主要是利用齊次坐標(biāo)變換矩陣方法將位置和姿態(tài)統(tǒng)一描述，該法思路清晰，但運(yùn)算速度較慢，隨著機(jī)械手機(jī)構(gòu)自由度的增加對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題的討論帶來(lái)很多不便。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題比正問(wèn)題復(fù)雜的多，主要表現(xiàn)在逆解的存在性和唯一性，存在性決定機(jī)械手的操作空間，逆解一般來(lái)說(shuō)非唯一。目前對(duì)具有特殊形狀的機(jī)械手機(jī)構(gòu)如球形手腕機(jī)械手機(jī)構(gòu)，其逆解是封閉的，但并不唯一。對(duì)一般的機(jī)械手機(jī)構(gòu)逆解必須使用數(shù)值計(jì)算方法，因而數(shù)值解的計(jì)算速度和精度受到人們的關(guān)注，同時(shí)機(jī)械手機(jī)構(gòu)中常見的奇異狀態(tài)(不可解狀態(tài))在數(shù)值解中如何避免也是討論三維問(wèn)題之一。
工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的計(jì)算過(guò)程需要解多元非線性方程組，數(shù)學(xué)上尚無(wú)完備的方法求其解析解，機(jī)構(gòu)學(xué)研究者采用數(shù)值分析的方法，取得了一系列進(jìn)展。但是多數(shù)或者算法不穩(wěn)定，或者過(guò)分依賴初值，且計(jì)算量大，求解速度慢。工業(yè)機(jī)械手機(jī)構(gòu)位置正解的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解法也開始進(jìn)行探討。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于非線性映射的強(qiáng)大的逼近能力，采用 BP 網(wǎng)絡(luò)，利用位置逆解結(jié)果作為訓(xùn)練樣本，通過(guò)大量樣本的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手從關(guān)節(jié)變量空間到工作變量空間的非線性映射，從而取得并聯(lián)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，避免了求位置正解時(shí)公式推導(dǎo)和編程計(jì)算等的繁雜性。
運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立與求解是一個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，一直受到廣泛的關(guān)注，但仍然是當(dāng)今的一個(gè)研究熱點(diǎn)，有著一定的發(fā)展空間。
1.3.4 工業(yè)機(jī)械手軌跡規(guī)劃研究的現(xiàn)狀與意義
機(jī)械手軌跡規(guī)劃屬于機(jī)械手底層規(guī)劃，是在機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上，討論在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間中機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。所謂軌跡是指機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移、速度和加速度。而軌跡規(guī)劃是根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求，計(jì)算出預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡。首先對(duì)機(jī)械手的任務(wù)、運(yùn)動(dòng)路徑和軌跡進(jìn)行描述。例如，用戶給出手部的目標(biāo)位姿，規(guī)劃所要完成的任務(wù)是:確定到該目標(biāo)的路徑點(diǎn)、持續(xù)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度等軌跡參數(shù)，并在計(jì)算機(jī)的內(nèi)部描述所要求的軌跡，即選擇習(xí)慣給定及合理的軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最后，對(duì)內(nèi)部描述的軌跡，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的位移、速度和加 速度，生成運(yùn)動(dòng)軌跡。
軌跡規(guī)劃既可在關(guān)節(jié)空間也可在直角空間進(jìn)行，但是所規(guī)劃的軌跡函數(shù)都必須連續(xù)和平滑，使得操作臂的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。用戶根據(jù)作業(yè)給出的各個(gè)路徑點(diǎn)后，路徑規(guī)劃的任務(wù)包含: 解變換方程(運(yùn)動(dòng)學(xué)正解)、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解和插值運(yùn)算等；在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，大量工作是對(duì)關(guān)節(jié)變量的插值運(yùn)算。因此，對(duì)于插值算法的研究是機(jī)械手 軌跡規(guī)劃的一個(gè)重要方面。
本文研究的裝配加工機(jī)械手，可以提高零件的質(zhì)量和加工精度，降低工人誤操作帶來(lái)的殘次品的風(fēng)險(xiǎn)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快了技術(shù)創(chuàng)新速度，提高在在同行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。裝配加工領(lǐng)域?qū)⑹俏磥?lái)機(jī)械手技術(shù)發(fā)展的焦點(diǎn)之一，其重要性在機(jī)械手應(yīng)用中將躍居第一位。對(duì)促進(jìn)我國(guó)機(jī)械手產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的理論和實(shí)際意義。
1.4 本文研究的意義及主要內(nèi)容
我們所設(shè)計(jì)的五自由度工業(yè)機(jī)械手，可以為進(jìn)一步研究工業(yè)機(jī)械手的工作原理和工作過(guò)程奠定一定的基礎(chǔ)。將其作為《機(jī)械手學(xué)》 、《機(jī)械手技術(shù)基礎(chǔ)》及《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程及機(jī)械電子工程專業(yè)等機(jī)電結(jié)合的綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不僅可以使學(xué)生在輕松愉快的氛圍中充分理解相關(guān)課程的專業(yè)知識(shí)，而且可以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，樹立系統(tǒng)的工程概念，培養(yǎng)其獨(dú)立開展科學(xué)研究的能力。因此，本機(jī)械手的研制成功，對(duì)機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)及科研有著十分重要的意義。
學(xué)習(xí)了機(jī)械手技術(shù)知識(shí)，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)械手、主要是工業(yè)機(jī)械手的現(xiàn)狀有了比較詳細(xì)的了解。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本人的設(shè)想，和設(shè)計(jì)工作中需要解決的任務(wù)，本文主要研究機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行以下工作:
本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)方案確定后要運(yùn)用AutoCAD把其平面裝配圖做出。
2 機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械手的工作要求
主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下
自由度數(shù)目：5個(gè)
機(jī)械機(jī)構(gòu)形式：立式關(guān)節(jié)型
作業(yè)半徑：580mm
負(fù)荷能力：3kg
重復(fù)定位精度：+/-1mm
驅(qū)動(dòng)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)
2.2 機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
2.2.1 機(jī)械手獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
(1) 關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手操作機(jī)可以簡(jiǎn)化成各連桿首尾相接、末端開放的一個(gè)開式連桿系。為實(shí)現(xiàn)要求的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，在大多數(shù)工作時(shí)間內(nèi)，連桿系末端是無(wú)法加以支撐的，因而操作機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度差，并隨連桿系在空間位姿的變化而變化。
(2) 在組成操作機(jī)的開式連桿系中，每根連桿都具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，因而屬于主動(dòng)連桿系。這和普通的連桿系不同，在普通連桿系中，所有的連桿運(yùn)動(dòng)都出自同一驅(qū)動(dòng)源，各連桿間的運(yùn)動(dòng)是互相制約的。由于操作機(jī)連桿的運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立，不同連桿的運(yùn)動(dòng)之間沒(méi)有依從關(guān)系，故而操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)更為靈活。
(3) 連桿驅(qū)動(dòng)扭矩的瞬態(tài)過(guò)程在時(shí)域中的變化是非常復(fù)雜的，且和執(zhí)行件反饋信號(hào)有關(guān)。連桿的驅(qū)動(dòng)屬于伺服控制型，因而對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙和運(yùn)動(dòng)精度都有較高的要求。本文所用的三個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，屬于開環(huán)控制型。
(4) 連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動(dòng)態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化的，因此，極容易發(fā)生振動(dòng)或出現(xiàn)其它不穩(wěn)定現(xiàn)象。
從以上特點(diǎn)可見，一個(gè)好的機(jī)械手設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)使其機(jī)械系統(tǒng)的抓重——自重比盡量大，結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)剛度盡可能好，并盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。人類的手臂是最優(yōu)秀的操作機(jī)，它的性能是機(jī)械手設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)。
2.2.2 與機(jī)械手有關(guān)的概念
以下是本文中涉及到的一些與機(jī)械手技術(shù)有關(guān)的概念。
(1) 自由度(Degrees Of Freedom , DOF)：工業(yè)機(jī)械手一般都為多關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)副通常有移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副兩種。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。以移動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱為移動(dòng)關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)中，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)稱為主動(dòng)關(guān)節(jié)。主動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目稱為機(jī)械手的自由度。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手是5-DOF機(jī)械手。
(2) 工作空間(Work Space)：工作空間是指機(jī)械手臂桿的特定部位在一定條件下所能到達(dá)空間的位置集合。由于工作空間的形狀和大小反映了機(jī)械手工作能力的大小，因而它對(duì)于機(jī)械手的應(yīng)用是十分重要的。
機(jī)械手的分類,機(jī)械手分類方法有多種。
首先，按機(jī)械手控制方法的不同，可分為點(diǎn)位控制型(PTP)，連續(xù)軌跡控制型(CP)：
a) 點(diǎn)位控制型(Point to Point Control)：機(jī)械手受控運(yùn)動(dòng)方式為自一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)向另一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移動(dòng)，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。例如機(jī)械手在進(jìn)行點(diǎn)焊時(shí)的軌跡控制。本文的機(jī)械手就屬于PTP型。
b) 連續(xù)軌跡控制型(Continuous Path Control)：機(jī)械手各關(guān)節(jié)同時(shí)做受控運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動(dòng)機(jī)的角位移和角速度信號(hào)，如機(jī)械手進(jìn)行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時(shí)的軌跡控制。
其次，按機(jī)械手的結(jié)構(gòu)分類，可分為四類：
a) 直角坐標(biāo)型：該型機(jī)械手前三個(gè)關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)方向垂直，其控制方案與數(shù)控機(jī)床類似，各關(guān)節(jié)之間沒(méi)有耦合，不會(huì)產(chǎn)生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點(diǎn)是占地面積大、工作空間小。
b) 圓柱坐標(biāo)型：該型機(jī)械手前三個(gè)關(guān)節(jié)為兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，以θ, r, z為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P=f (θ, r, z)，其中，r是手臂徑向長(zhǎng)度，z是垂直方向的位移，θ是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機(jī)械手占用空間小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
c) 球坐標(biāo)型：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。以θ,φ,y 為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P =f (θ,φ,y)，該型機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。
d) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型(SCARA 型)機(jī)械手。前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動(dòng)作靈活、工作空間大、占地面積小，缺點(diǎn)是剛度和精度較差。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手為關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。
第三，按驅(qū)動(dòng)方式分類可分為：(a) 氣壓驅(qū)動(dòng)；(b) 液壓驅(qū)動(dòng)；(c) 電氣驅(qū)動(dòng)。
電氣驅(qū)動(dòng)是20世紀(jì)90年代后機(jī)械手系統(tǒng)應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式。它有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、使用方便、運(yùn)動(dòng)精度高、驅(qū)動(dòng)效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手三個(gè)關(guān)節(jié)均使用電氣驅(qū)動(dòng)。
第四，按用途分類可分為搬運(yùn)機(jī)械手、噴涂機(jī)械手、焊接機(jī)械手、裝配機(jī)械手、切削加工機(jī)械手和特種用途機(jī)械手等。
2.3 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
手臂的總體設(shè)計(jì)是工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題，主要有包括總體方案設(shè)計(jì)和基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)。
2.3.1 方案功能設(shè)計(jì)與分析
2.3.1.1 機(jī)械手手臂自由度的分配和構(gòu)形
手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，它用來(lái)支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運(yùn)動(dòng)。為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個(gè)自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機(jī)械手手臂自由度少于三個(gè)。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖1.1所示。
圖1.1幾種多自由度機(jī)械手手臂構(gòu)形
本課題要求機(jī)械手手臂能達(dá)到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時(shí)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制。綜合考慮后確定該機(jī)械手具有五個(gè)自由度，其中手臂三個(gè)自由度，手爪部分二個(gè)自由度，由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)械手比非關(guān)節(jié)型機(jī)械手有大得多的相對(duì)空間(手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)械手本體外殼體積之比)和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)械手的動(dòng)作和軌跡更靈活，因此該型機(jī)械手采用關(guān)節(jié)型機(jī)械手的結(jié)構(gòu)。
旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對(duì)平移關(guān)節(jié)來(lái)講，操作空間大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，關(guān)節(jié)易于密封防塵。這里機(jī)械手手臂使用了三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，綜合各種手臂構(gòu)形，最后確定其結(jié)構(gòu)形式為圖1.1中的第一種形式，此手臂決定了末端執(zhí)行器在空間的位置。
關(guān)節(jié)型機(jī)械手手臂有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，通常腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸是鉛垂的，手臂在水平面內(nèi)可繞腰關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸平行，且都平行于水平面，故手臂可在垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。由三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的關(guān)節(jié)組聯(lián)接在小臂桿的端部，模擬人的手腕，決定末端件的姿態(tài)。在運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)上，這類機(jī)械手最像人的手臂，因而結(jié)構(gòu)最緊湊，柔性最好，可達(dá)空間最大，它甚至可以繞過(guò)障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，因而是機(jī)械手中最有前途的一種。但由于三個(gè)關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動(dòng)的，故臂端的分辨率完全取決于它在工作空間中的位置。另外，位置精度也較差。
2.3.1.2 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)方案的對(duì)比分析及選擇
參考國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)械手的典型結(jié)構(gòu)，初步對(duì)各個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)單獨(dú)分析。
圖1.2大臂﹑小臂﹑手腕和手爪回轉(zhuǎn)示意圖
大臂和小臂回轉(zhuǎn)都是通過(guò)EPL減速器減速后直接帶動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，成本低，安裝方便。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)械手比非關(guān)節(jié)型機(jī)械手有大得多的相對(duì)空間(手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)械手本體外殼體積之比)和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)械手的動(dòng)作和軌跡更靈活,結(jié)合本課題的實(shí)際條件，因此,大臂、小臂手腕和手爪回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)選擇方案是合理的。
2.3.2 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。
反應(yīng)式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或1.5度；永磁式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相、三相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度，混合式步進(jìn)電機(jī)隨著相數(shù)（通電繞組數(shù)）的增加，步進(jìn)角減小，精度提高，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。
2.3.3 步進(jìn)電機(jī)選用
步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。
步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。
選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過(guò)程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說(shuō)最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。
選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。
選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動(dòng)的需要。
選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計(jì)算：
（1）計(jì)算齒輪的減速比
根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，齒輪減速比i計(jì)算如下:
（2.1）
式中 φ ---步進(jìn)電機(jī)的步距角（o/脈沖）
S ---絲桿螺距（mm)
Δ---(mm/脈沖）
（2）計(jì)算工作臺(tái)，絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量Jt。
（2.2）
式中 Jt ---折算至電機(jī)軸上的慣量(Kg.cm.s2)
J1、J2 ---齒輪慣量(Kg.cm.s2)
Js ----絲桿慣量(Kg.cm.s2)
W ---工作臺(tái)重量（N）
S ---絲桿螺距（cm）
（3）計(jì)算電機(jī)輸出的總力矩M
（2.3）
（2.4）
式中 Ma ---電機(jī)啟動(dòng)加速力矩（N.m)
Jm、Jt---電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s2)
n---電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min）
T---電機(jī)升速時(shí)間（s）
（2.5）
Mf---導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（N.m)
u---摩擦系數(shù)
η---傳遞效率
（2.6）
Mt---切削力折算至電機(jī)力矩（N.m)
Pt---最大切削力（N）
（4）負(fù)載起動(dòng)頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為
（2.7）
fq0---空載起動(dòng)頻率
Ml---起動(dòng)頻率下由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩（N.m)
若負(fù)載參數(shù)無(wú)法精確確定,則可按fq=1/2fq0進(jìn)行估算。
（5）運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算。由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時(shí)，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并留有足夠的余量。
（6）負(fù)載力矩和最大靜力矩Mmax。負(fù)載力矩可按上式計(jì)算，電機(jī)在最大進(jìn)給速度時(shí)，由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來(lái)說(shuō)，Mf與Mt之和應(yīng)小于（0.2 ～0.4)Mmax.
2.3.4 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)、參數(shù)、尺寸
Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)是一般用途鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)基本系列，全國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)。它的中心高、功率等級(jí)、安裝尺寸均符合IEC國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品可以和國(guó)內(nèi)外各類機(jī)械設(shè)備配套。
Y系列電機(jī)中心高80－355mm。絕緣等級(jí)為B級(jí)，外殼防護(hù)等級(jí)IP44，冷卻方式IC411。基本安裝方式有IMB3、IMB5、IMB35、V1、V3等。工作方式：S1連續(xù)工作制，環(huán)境溫度－15— +40℃，海拔1000米以下。電壓380V，頻率50HZ。接法：3KW及以下為Y接，4KW及以上為△接。
Y系列電機(jī)具有效率高，能耗少、噪聲低、振動(dòng)小、重量輕、體積小、性能優(yōu)良，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、采礦行業(yè)的各種無(wú)特殊要求的機(jī)械設(shè)備。如風(fēng)機(jī)、水泵、機(jī)床、起重及農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械等。
電機(jī)型號(hào)：
1、Y、Y2 、YPT、YB、系列小電機(jī)；機(jī)座號(hào)：Y80-355、380V IP44。
2、YZ、YZR系列起重及冶金用電機(jī)；機(jī)座號(hào)：132-355、IP44、 IP54 380V。
3、JS、JR、JR2等、機(jī)座號(hào)：11#-15# 380V、 6KV 、10KV電機(jī)。
4、Y、 YR YKK、YRKK、機(jī)座號(hào)355-800、380V、60KV 10KV等各型大中型高低電機(jī)。
5、Z2、Z3、Z4、ZZJ、ZZY、ZYZ、及派生系列直流電機(jī)。
6、SF、SFW、TF、ZYS等發(fā)電機(jī)。
Y系列全程為全封閉自扇冷式三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，使用非常普遍。
YS系列三相異步電動(dòng)機(jī)功率較小，適用于小型機(jī)床、泵、壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)，接線盒均在電動(dòng)機(jī)頂部。
YSF、YT系列區(qū)別不大，都是風(fēng)機(jī)專用三相異步電動(dòng)機(jī)，是根據(jù)風(fēng)機(jī)行業(yè)的配套要求，電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上采取了一系列的降噪、減振措施。該系列電機(jī)具有高效節(jié)能、噪聲低，啟動(dòng)性能好，運(yùn)行可靠，使用安裝方便等特點(diǎn)。適用于風(fēng)機(jī)安裝和使用，是風(fēng)機(jī)的理想配套產(chǎn)品。
YD為多速三相異步電動(dòng)機(jī)，一般有 4/2極 8/6極 8/4/2極 6/4極 12/6極 8/6/4極 8/4極 6/4/2極 12/8/6/4極
YL系列為雙值電容單相異步電動(dòng)機(jī)，也就是有兩個(gè)電容
YC系列為單相電容起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)
YY系列為單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)
電機(jī)型號(hào)里的Y、YS、YSF、YT、YD、YL、YC分別是：
SG系列為高防護(hù)等級(jí)三相異步電動(dòng)機(jī)，可與Y系列互換，但性能均有所加強(qiáng)（如電磁方案的調(diào)整優(yōu)化，部分規(guī)格采用冷軋硅鋼片等），使該系列電機(jī)的振動(dòng)和噪音（特別是負(fù)載噪音）明顯低于Y系列電機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明該系列電機(jī)的噪音達(dá)到I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，電機(jī)的振動(dòng)值比Y系列標(biāo)準(zhǔn)低1個(gè)優(yōu)先級(jí)。軸伸端軸承增加了注油裝置，不需拆卸電機(jī)就可對(duì)軸承進(jìn)行換油，維護(hù)簡(jiǎn)單。
YCT系列為電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)，是改變勵(lì)磁電流大小的方法來(lái)調(diào)節(jié)輸出軸力矩和轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速電機(jī)。它可應(yīng)用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的速度調(diào)節(jié)和張力控制的場(chǎng)合，更適合于鼓風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的場(chǎng)合。對(duì)于起動(dòng)力矩高、慣性大的負(fù)載有緩沖起動(dòng)的作用，同時(shí)有防止過(guò)載等保護(hù)作用。
YP2系列為變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，是以變頻器為供電電源的變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)。通過(guò)改變電源頻率實(shí)現(xiàn)平滑地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能和控制自動(dòng)化的目的。YP2系列電動(dòng)機(jī)效率高，調(diào)速范圍廣，精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作和維修方便，其安裝尺寸符合國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)，分為自扇冷卻和外置風(fēng)扇冷卻兩種。
CXT系列為稀土永磁三相同步電動(dòng)機(jī)，采用新型稀土永磁材料及其它優(yōu)質(zhì)材料制造，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電磁參數(shù)選定方面有較大創(chuàng)新，使電機(jī)具有超高效率、功率因數(shù)的同時(shí)（功率因數(shù)達(dá)到95%以上），因而具有較高的起動(dòng)性能、較高的牽入同步轉(zhuǎn)矩和較大的過(guò)載能力，并且電機(jī)效率曲線比較平直，低負(fù)荷時(shí)也具有很高的效率，能夠廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、礦山、紡織等長(zhǎng)期負(fù)荷運(yùn)行的設(shè)備。
YLZC系列為冷卻塔專用電機(jī)，電機(jī)外殼防護(hù)等級(jí)為IP45（或IP55），該系列電機(jī)在結(jié)構(gòu)上采取—系列的降噪、減振、防水、防潮措施，具有噪音低、效率高、防水、防潮等有點(diǎn)。
YZS系列為注塑機(jī)專用電機(jī)，它除具有Y系列電機(jī)基本特性外，還具有過(guò)載能力強(qiáng)，噪聲低，尤其是額定負(fù)載和超載時(shí)噪聲低的特點(diǎn)。
YXF系列為高溫消防排煙風(fēng)機(jī)專用電機(jī)，電機(jī)外殼與煙氣完全隔離，內(nèi)置獨(dú)立的冷卻通路，具有連續(xù)輸送300C°高溫?zé)煔?0MIN的超凡能力直流電機(jī)維修檢測(cè)設(shè)備，F(xiàn)級(jí)和H級(jí)真空壓力浸漆裝置，電機(jī)故障分析機(jī)，伏高壓耐壓臺(tái)；5/10噸行車吊機(jī)；高低壓電機(jī)空載試驗(yàn)站；直流電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)振儀、紅外線測(cè)溫儀、測(cè)速儀、形雙臂電橋等檢測(cè)儀器儀表。
3 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)
3.1.1腕部設(shè)計(jì)的基本要求
(1) 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕
腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均有臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。
(2) 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局
腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。
(3) 必須考慮工件條件
對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手臂的工作條件是在工作場(chǎng)合中夾取物體，因此，不太受環(huán)境影響，沒(méi)有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒(méi)有太多不利因素。
3.1.2典型的腕部結(jié)構(gòu)
(1)具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于腕部設(shè)計(jì)，總力矩需要克服啟動(dòng)慣性所用。回轉(zhuǎn)角由動(dòng)片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定。
(2)齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)，在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸臂式臂部。
(3)具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)，它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度。
(4)機(jī)液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。
3.1.3腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)的選擇：
腕部旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，設(shè)手爪及物體的最大當(dāng)量回轉(zhuǎn)半徑R=200mm，手爪及物體的總重量m=3kg,則其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
（3.1）
設(shè)機(jī)械手手部角速度W1從0加速到420/s所需要的時(shí)間t=2s,則其角加速度
（3.2）
負(fù)載啟動(dòng)慣性矩（不計(jì)靜磨擦力矩）
（3.3）
由于步進(jìn)電機(jī)不具有瞬時(shí)過(guò)載能力，故取安全系數(shù)為2（不同），則步進(jìn)電機(jī)輸出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩
（3.4）
由于必須小于步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，所以選擇如下二相步進(jìn)電機(jī)：
型號(hào): 42BYG250C-SASSML-0151。最大步距角保持轉(zhuǎn)矩為0.54，步矩角1.8°，質(zhì)量為0.36kg.
3.2 小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)
3.2.1小臂部設(shè)計(jì)的基本要求
(1) 小臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕
根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸，提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離，合理布