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1、六自由度機(jī)械手畢業(yè)論文 專 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 課 題多自由度機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì) 摘要 文中設(shè)計(jì)了一種六自由度機(jī)械手。該機(jī)械手主要由底座，腰部，主板，大手 臂，小手臂，手腕，夾爪組成，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，單片機(jī)控制。手臂的尺寸與 人手臂的大小相當(dāng)。手臂的運(yùn)動主要包括：腰部轉(zhuǎn)動，大手臂擺動，小手臂擺動， 手腕擺動，手腕轉(zhuǎn)動，夾爪夾取。此手臂的空間活動半徑0.5m,定位精度為5mm. 它能夠抓取重量較輕的物體，并放到預(yù)定位置。該機(jī)械手有過載保護(hù)以及斷電空 間位置的自鎖功能.可以用于教學(xué)演示，或者在有放射性的環(huán)境中完成特定工作。 文中對機(jī)械手進(jìn)行了正運(yùn)動學(xué)分析，采用齊次坐標(biāo)變換法得到了機(jī)械手

2、末端位 置和姿態(tài)隨關(guān)節(jié)夾角之間的變換關(guān)系，并完成了總體機(jī)械結(jié)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)選型、 蝸輪蝸桿及帶傳動比的確定以及部分重要零件的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手 六自由度 步進(jìn)電機(jī) 同步帶。 Abstract A kind of manipulator of six degrees of freedom has been designed in this paper. This manipulator is made up of the foundation, the waist, the big arm, the small arm, the wrist, and the claw; the mani

3、pulator is driven by stepper motor, and controlled by single chip. The size of the manipulator is equal in the size to the arms of people. Locomotion of the manipulator includes: waist turning, big arm swung, small arm swung, wrist swung, wrist rotating, claw fetching. The radius of action is 0.5m,

4、and the accuracy is 5 mm. It can pick the light-weight object, and put it to the recalculated position. The manipulator has overload protection function, and space position self-lock function. This arm can be used in teaching, or in radioactive environments. In this paper, robot kinematic analysis i

5、s carried out using homogeneous coordinate transformation method was the end manipulator joint position and attitude with the changing relationship between the angle and stepper motor designing, physical construction designing had been completed Keywords:manipulator, six degrees of freedom, stepper

6、 motor, locking band. 目錄 目錄 4 1緒論 6 1.1 國內(nèi)機(jī)械手研狀 6 1.2 機(jī)械手的構(gòu)成 7 1.3 機(jī)械手的發(fā)展趨勢 9 1.4 本設(shè)計(jì)課題的背景和意義 9 2機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 10 2.1 機(jī)械手基本形式的選擇 10 2.2 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動 11 2.3 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 12 2.4 傳動機(jī)構(gòu)的選擇 12 3機(jī)械手的數(shù)學(xué)建模 12 3.1 機(jī)器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 12 3.2 機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程 13 4 機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)計(jì)算 15 4.1 手部設(shè)計(jì)基本要求 15 4.2 典型的手部結(jié)構(gòu) 16 4.3

7、機(jī)械手手指的設(shè)計(jì)計(jì)算 16 4.3.1 選擇手抓的類型和加緊機(jī)構(gòu) 16 4.3.2 手抓加緊力與驅(qū)動力的力學(xué)分析 16 4.4 驅(qū)動電機(jī)的選擇 17 4.4.1 手指張合電機(jī)的選擇 17 4.4.2 手腕電機(jī)的選擇 19 4.4.3 大手臂擺動電機(jī)的選擇 19 4.4.4 小手臂擺動電機(jī)的選擇 20 4.4.5 手腕擺動電機(jī)的選擇 20 4.4.6 底座轉(zhuǎn)動電機(jī)的選擇 21 4.5 渦輪蝸桿、帶輪的選擇及傳動比的確定 21 4.5.1 底座電機(jī)處渦輪蝸桿的傳動的確定 21 4.5.2 大手臂電機(jī)處渦輪蝸桿及帶傳動的確定 22 4.5.3 小手臂電機(jī)處渦輪蝸

8、桿及帶傳動的確定 23 4.5.4 手腕擺動電機(jī)處渦輪蝸桿及帶傳動的確定 24 4.6 小手臂擺動處軸的校核 25 5總結(jié)與展望 29 謝辭 30 ［參考文獻(xiàn)］ 31 附錄一科技文獻(xiàn)翻譯 32 附錄二畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書與開題報(bào)告 46 多自由度機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì) 1緒論 機(jī)械手(manipulator)是一種能按給定的程序或要求，自動地完成物體 (材 料、工件、零件或工具等)傳送或操作作業(yè)的機(jī)械裝置，它能部分地代替人來進(jìn) 行繁重、危險(xiǎn)、重復(fù)等手工作業(yè)。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。 工業(yè)機(jī)械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制 造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一

9、個重要組成部分， 這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的 學(xué)科一一機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技 術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也 是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作 業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。 機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力， 在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展 空間［3］。 1.1國內(nèi)外機(jī)械手研究現(xiàn)狀 現(xiàn)代機(jī)械手的研究開始于二十世紀(jì)中期， 其技術(shù)背景是計(jì)算機(jī)和自動化的發(fā) 展。

10、80年代，工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)業(yè)得到了巨大的發(fā)展，應(yīng)用范圍遍及工業(yè)生產(chǎn)的各 個領(lǐng)域。80年代末期，各國把發(fā)展的目標(biāo)調(diào)整到更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上來。90年代， 機(jī)械手的發(fā)展已經(jīng)不再局限于機(jī)械手本身，而成為了新一代整個機(jī)器的發(fā)展方 向?，F(xiàn)在的絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人是可編程控的機(jī)器人。這種系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于 它的通用性和靈活性。目前，機(jī)器人的種類也越來越多，呈現(xiàn)了多元化的趨勢， 相繼出現(xiàn)了水下機(jī)器人，爬臂機(jī)器人，爬管機(jī)器人，二足，四足和六足機(jī)器人， 空間機(jī)器人以及各種人工假肢等，機(jī)器人技術(shù)也已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事醫(yī)學(xué) 及公共服務(wù)各項(xiàng)事業(yè)中，其本身己成為一個非常廣闊的研究領(lǐng)域，涉及力學(xué)、 電 子學(xué)、生物學(xué)、控制論、

11、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能和系統(tǒng)工程等，成為一門綜合了 多學(xué)科的高技術(shù)，并逐漸形成了一個完整的體系一機(jī)器人學(xué)121。近年來，機(jī) 器人技術(shù)作為機(jī)電一體化的最高成就已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最活躍的領(lǐng) 域之一，機(jī)器人的研究，創(chuàng)造和應(yīng)用水平也已成為一個國家的科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí) 力的象征，正受到越來越多國家的廣泛重視。 機(jī)械手的控制問題是與其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)問題密切相關(guān)的。從控制觀點(diǎn)上 看，機(jī)器人系統(tǒng)代表冗余的，多變量和本質(zhì)上非線性的控制系統(tǒng)， 同時又是復(fù)雜 的耦合動態(tài)系統(tǒng)。每個控制任務(wù)本身就是一個動力學(xué)任務(wù)。在實(shí)際研究中， 往往 把機(jī)器人控制系統(tǒng)簡化為若干個低階子系統(tǒng)來描述。 機(jī)械手的控制器具有多種結(jié)

12、構(gòu)形式，包括非伺服控制，伺服控制，位置和 速度控制，力（力矩）控制，基于傳感器的控制，非線性的控制，分解加速度控制 等等。機(jī)器人控制器的選擇，是由機(jī)器人所執(zhí)行的任務(wù)決定的。 中級技術(shù)水平以 上的機(jī)器人，絕大多數(shù)采用計(jì)算機(jī)控制， 要求控制器有效而且靈活，能夠處理工 作任務(wù)指令和傳感信息這兩種輸入。 用戶與系統(tǒng)間的接口，要求能夠迅速地指明 工作任務(wù)。技術(shù)水平更高的機(jī)器人，具有不同程度的“智能”，其控制系統(tǒng)能 夠借助于傳感信息與周圍環(huán)境交互作用，并根據(jù)獲取的信息，修正系統(tǒng)的狀態(tài)， 甚至能夠自主地控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。 從關(guān)節(jié)（或連桿）角度看，可把工業(yè)機(jī)械手的控制器分為單關(guān)節(jié)（連桿）控制 器和多

13、關(guān)節(jié)（連桿）控制器兩種。對于前者，設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮穩(wěn)態(tài)誤差的補(bǔ)償問題 ： 對于后者，則應(yīng)該考慮耦合慣量的補(bǔ)償問題。 變結(jié)構(gòu)控制是在20世紀(jì)50年代被提出來的限于當(dāng)時的技術(shù)條件和控制手段， 這種理論沒有得到迅速發(fā)展。近年來， 計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，使得變結(jié)構(gòu)控制技術(shù) 能很方便的實(shí)現(xiàn)，并不斷充實(shí)和發(fā)展，成為非線性控制的一種簡單而又有效的方 法。 變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是，在動態(tài)控制過程中，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時的 狀態(tài)偏差及其各階導(dǎo)數(shù)的變化，以躍變的方式按設(shè)定的規(guī)律作相應(yīng)的改變， 它是 一類特殊的非線性控制系統(tǒng)[3]0 1 .2機(jī)械手的構(gòu)成 現(xiàn)代機(jī)械手主要由手抓、傳動機(jī)構(gòu)、動力部分、控制系統(tǒng)與其它部

14、分構(gòu)成。 （1）手爪 手爪又稱抓取機(jī)構(gòu)，包括手指、傳力機(jī)構(gòu)和驅(qū)動裝置等，作用是直接抓取和 放置工件（或工具）。 （2 ）傳動機(jī)構(gòu) 傳動機(jī)構(gòu)主要是起改變物件方位和位置的作用。傳動機(jī)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的 不同，有機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，包括：齒輪傳動、絲杠傳動、帶傳動、鏈傳動、連桿傳 動和凸輪傳動等多種類型，以及液壓傳動機(jī)構(gòu)、氣動傳動機(jī)構(gòu)等。近年來，隨著 各類伺服系統(tǒng)，尤其是電氣伺服系統(tǒng)的性能完善和成本降低， 使運(yùn)動傳動機(jī)構(gòu)有 較大的簡化。 （3 ）動力部分 動力部分是驅(qū)動前兩部分的動力，因此也稱動力源。常用的有：電動驅(qū)動、 氣動驅(qū)動和液壓驅(qū)動三種基本類型。在電動執(zhí)行裝置中，有直流（DC）電機(jī)、交

15、流 （AC）電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直接驅(qū)動（DD）電機(jī)等實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電動機(jī)，以及實(shí)現(xiàn)直 線運(yùn)動的直線電機(jī)。電動驅(qū)動裝置由于其能源容易獲得，使用方便，所以得到了 廣泛的應(yīng)用；氣動驅(qū)動裝置有氣缸、氣動馬達(dá)等，這些裝置具有重量輕、價格便 宜等特點(diǎn)；液壓驅(qū)動裝置有液壓油缸、液壓馬達(dá)等，這些裝置具有體積小、輸出 功率大等特點(diǎn)。 （4 ）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序（程序）、位置和時間 （甚至速度和加速度）等；通過對動力部分的控制，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照規(guī)定的要求進(jìn) 行工作。 （5）其它部分 其它部分包括機(jī)體、行走機(jī)構(gòu)、檢測裝置和傳感裝置等 ：①機(jī)體（也稱機(jī)身） 是用于支承和

16、連接其他零件、部件的基礎(chǔ)件。②行走機(jī)構(gòu)是為了擴(kuò)大機(jī)械手的使 用空間而設(shè)置的。它本身又包括動力源、傳動（減速）機(jī)構(gòu)、滾輪或連桿機(jī)構(gòu)。目 前大多數(shù)機(jī)械手還缺乏行走機(jī)構(gòu)；③檢測裝置是檢測和控制機(jī)械手各運(yùn)動行程 （位置）的裝置，主要是對位置、速度和力等各種外部和內(nèi)部信息進(jìn)行檢測；④傳 感裝置其中裝有某種傳感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反應(yīng)手指與物件 是否接觸、物體有無滑下或脫落、物件的方位是否正確、手指對物件的握緊力是 否與物件的重量相適應(yīng)等［11］。 1.3機(jī)械手的發(fā)展趨勢 （1）工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修）， 而單機(jī)價格不斷下降。 （2）機(jī)械結(jié)構(gòu)

17、向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速 機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化：由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)； 國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PCL的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、 網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)：大大提高了系統(tǒng) 的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等 傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采 用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制多 傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已

18、有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制如 使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。 (6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作 者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系 統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納” 機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 (7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一 客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期 長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫

19、切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān) 鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn) 業(yè)化進(jìn)程。 1.4設(shè)計(jì)課題的背景和意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手在我們生活中也扮演著越來越重要的角色。 特 別是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，越來越多的機(jī)械手被用來代替人的實(shí)際勞動， 更激 發(fā)了我對機(jī)器人技術(shù)濃厚的興趣， 所以在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我選擇了六自由度機(jī) 機(jī)械手設(shè)計(jì)與制作這個題目。 六自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)分為機(jī)械部分與控制部分兩大模塊。機(jī)械部分主要是完 成機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與零件的加工，而控制部分主要完成的工作的是對六自由度機(jī)械手 整個的動作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過硬件的連接和對61板編寫合適的程序，以

20、實(shí) 現(xiàn)紅外檢測，電機(jī)驅(qū)動等功能。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與制作。它應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)的功能是： 1)大面積快速搜索和定位功能 2)滿足空間定位精度5mm 3）自動抓取功能 4）過載保護(hù)功能 5）掉電保護(hù)功能 從結(jié)構(gòu)和功能上來看，這個六自由度機(jī)械手確實(shí)稱不上復(fù)雜， 但它卻具有很 重要的意義。首先它是我第一次將四年所學(xué)知識的第一次綜合運(yùn)用，無論最初的 設(shè)計(jì)，還是最終的全文完成，對我們來說都是極大的挑戰(zhàn)，開闊了我的視野，豐 富了我的經(jīng)驗(yàn)，提高了我的實(shí)際動手的能力。其次，它的制作完成一定可以極大 的激發(fā)同學(xué)們對機(jī)器人技術(shù)的熱愛，提高對機(jī)器人技術(shù)的濃厚興趣，并吸引更多 的同學(xué)投入到機(jī)器人

21、設(shè)計(jì)與制作行列中來。再次，它主要是用來當(dāng)作學(xué)校的示教 工具，具充分運(yùn)用和綜合了我在大學(xué)四年中所學(xué)的機(jī)械內(nèi)容，能夠讓更多的同學(xué) 在今后的學(xué)習(xí)中對機(jī)械方面有更加深刻的理解。 2機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 本課題是型回轉(zhuǎn)型機(jī)械手的設(shè)計(jì).本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面 設(shè)計(jì)。在本章中對機(jī)械手的坐標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。因此， 機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。 2.1 機(jī)械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: （1）直角坐標(biāo)型機(jī)械手;（2）圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；（3）球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)械手； （4）多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手

22、［1］。其中多關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度較高，占 地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用多關(guān)節(jié)型。由于本次是畢業(yè)設(shè)計(jì)考慮到綜合運(yùn)用本科 階段所學(xué)知識周設(shè)計(jì)如圖1.1。這是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題六自由度機(jī)械手的整體設(shè) 計(jì)示意圖。 圖2.1機(jī)械手整體示意圖 2.2 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動 在多關(guān)節(jié)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿足設(shè)計(jì)要求， 本設(shè)計(jì)關(guān)于機(jī)械手具有6個自由度既：手抓張合；手腕回轉(zhuǎn)；手動腕擺；小手臂 擺動；大手臂擺動；底座回轉(zhuǎn)6個主要運(yùn)動。 本設(shè)計(jì)機(jī)械手主要由4個大部件和6個電機(jī)組成： 1）手部，采用一個小型步進(jìn)電機(jī)，通過導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手抓的張合。 2）腕部，

23、采用一個步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)180°。 3）臂部，采用步進(jìn)電機(jī)，通過同步帶來實(shí)現(xiàn)手臂的上下擺動。 4）機(jī)身，采用一個步進(jìn)電機(jī)和一對蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)底座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。 2.3 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分 ，工業(yè)機(jī)械手的性能價格比在很大 程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大 致可分為液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類。采用電動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)械手、結(jié)構(gòu) 簡單、尺寸緊湊、設(shè)計(jì)方便、控制簡單與能綜合運(yùn)用本科階段所學(xué)知識等優(yōu)點(diǎn)。 因此，機(jī)械手的驅(qū)動方案選擇電動驅(qū)動。 2.4 傳動機(jī)構(gòu)的選擇 在現(xiàn)有的機(jī)械手系統(tǒng)中，所采用的傳動機(jī)構(gòu)主要有蝸輪

24、蝸桿傳動、行星輪系 傳動、鏈傳動、帶傳動等。帶傳動的主要優(yōu)點(diǎn)是：1）適用于中心距較大的傳動； 2）帶具有良好的饒性，可緩和沖擊、吸收振動；3）過載時帶與帶輪間出現(xiàn)打滑， 打滑雖使傳動失效，但可防止損壞其他零件；4）結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。在本次 設(shè)計(jì)中，鑒于手臂傳動中心距較大，傳動要求相對高的精度，故相比較后選擇同 步帶進(jìn)行傳動[1]o 3機(jī)械手的數(shù)學(xué)模型 3.1 機(jī)器人的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 為了描述機(jī)器人本身各連桿之間、機(jī)器人和環(huán)境之間的運(yùn)動關(guān)系，通常將它 們當(dāng)成剛體，進(jìn)而研究各剛體之間的運(yùn)動關(guān)系。而通過在剛體上面固連一個坐標(biāo) 系，再將該固連的坐標(biāo)系在空間表示出來。由于這個坐標(biāo)系一直周連在剛體上，

25、 所以這個坐標(biāo)系如果可以在空間表示出來，那么這個剛體相對于固定坐標(biāo)系的位 姿也就已知了。 空間任意一點(diǎn)P在不同的坐標(biāo)系中的描述是不同的，因此經(jīng)過不同的坐標(biāo)變換 P點(diǎn)的坐標(biāo)是不同的。坐標(biāo)變換包括平移變換、旋轉(zhuǎn)變換與復(fù)合變換。 用四維向量表示三維空間一點(diǎn)的位置 P,即： P-||「：PXPyPz A I Trans（ Pb。）= APbo1 1 上式稱為點(diǎn)的齊次坐標(biāo)，式中 °為非零常數(shù)。當(dāng)n維位置向量用n+l維位置向量 表示時，稱為齊次坐標(biāo)表示式。齊次變換矩陣可分解為平移變換和旋轉(zhuǎn)變換， 即: AT =Trans（APB。）Rot（k「） , 0 AR kJ Rot（k,。）

26、= 0 式中.Trans(APBo)為平移變換矩陣，Rot(k,e)為繞過原點(diǎn)的誨由轉(zhuǎn)動日角的 旋轉(zhuǎn)變換矩陣。 3.2 機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程 本文研究的機(jī)械手是具有6個自由度的空間開鏈機(jī)構(gòu)，它由一系列連桿通過轉(zhuǎn) 動關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，關(guān)節(jié)的相對轉(zhuǎn)動導(dǎo)致連桿的運(yùn)動。本論文采用D-H(Denavit和 Harenberg)分析方法來描述機(jī)器人相鄰兩連桿之間的運(yùn)動學(xué)關(guān)系即用一個4X4勺 齊次變換矩陣來描述相鄰兩連桿的位置與姿態(tài) (簡稱為位姿)，以此推導(dǎo)出“手爪 坐標(biāo)系”相對于“參考系”的齊次變換矩陣，從而建立操作臂的幾何模型和運(yùn)動 學(xué)方程。 對于具有n個連桿的機(jī)械手，運(yùn)動學(xué)方程是要確定與末端坐

27、標(biāo)系［n ］固聯(lián)的手 爪相對于基座101的變換。根據(jù)齊次變換矩陣的乘法規(guī)則有： 7 =%2丁111) 式中，nT表示末端坐標(biāo)系［用相對于基坐標(biāo)系［0］的位姿［10］。 (了書寫方便，將Sin6n,c0s曾改寫為Sn,Cn)本課題要研究的六自由度機(jī)械手 D.H模型如圖 圖3.5六自由度機(jī)械手的D-H模型 有以上的坐標(biāo)系推導(dǎo)法，可得出本課題六自由度機(jī)械手的運(yùn)動參數(shù)，如下: 表1.六自由度機(jī)械手各關(guān)節(jié)參數(shù)列表 關(guān)節(jié)i ei（ o） di (mm) ai (mm) ai (o) 1 91 0 0 90 2 9 2 0 a2 0 3 9 3 0

28、 a3 0 4 9 4 0 a4 90 5 0 d5 0 -90 其中，a2=a3=250mm,a4=90mm,d5=90mm S1 0 .0 0 0 1 0 S1 -Ci 01 0 0 1 c3 - S3 S3 0 C3 c3 a3 S3a3 c2 一S2 0 c2a2 S2 c2 0 S2 a2 0 0 1 0 .0 0 0 1 1 C4 0 S4 c4a4 S4 0 （4 S4a4 0 1 0 0 J 0 0 1 1 T4 = 根據(jù)矩陣乘法法則, 其中

29、 nx ny nz d5 1 可以得出本課題六自由度機(jī)械手末端執(zhí)行器的位姿的齊次變 -nx 1 Ox ax Px1 |ny 0y ay P v nz Oz az Pz 1。 0 0 1 1 換矩陣是：0T5; c1234 ~c14s23 ~c12s34 - c123S4 =S1c234 -S123c4 -S134c2 - S124c3 =S2c34 C24S3Y34 C23S4 有上表可求出各連桿之間的齊次變換矩陣，如下 Ox -c1 S234 -c123S4 - c124 S3 - c1234 oy ax =SI ay

30、 =C1 az 二 §234 - S14c23 一 §3C24 - S12c34 =C234 - S24C3 - C4 S?3 - S34C2 Px =C123s4d5 - C1S234d5G24S3d5C1234d5C1234a4 - G4s23a4 - S134c2a4 -SI24c3a4sle23a3 - SI23a3S1c2a2 Py=S14c23d5 -S1234d5'S13c24d5'SI2c34d5，S1c234a4-S123c4a4 -S134c2a4 -S124c3a4 , S1c23a3 - S123a3 , S1c2a2 P fC3d5c

31、2S34d5JC4d5 - C234d5S2C34a4Cz,S^ - S234 a4 C23s4a4S2c3ac2s3aS1a 4機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1 手部設(shè)計(jì)基本要求 (1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力，應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不 同的傳動機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的； (2)手指應(yīng)具有一定的張開范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度(手指 從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度)以便于抓取工件； (3)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下, 盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載； (4)應(yīng)保證手抓的夾持精度。 4.2 典型的手部結(jié)構(gòu) (1)回

32、轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。 (2)移動型 移動型即兩手指相對支座作往復(fù)運(yùn)動。 (3) 平面平移型[1] 4.3 機(jī)械手手指的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.3.1 選擇手抓的類型和夾緊機(jī)構(gòu) 本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)六自由度機(jī)械手的設(shè)計(jì)， 考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手抓張 合角△了 = 600,夾取重量為1Kg。常用的工業(yè)機(jī)械手手部，按握持工件的原理，分 為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體， 不適合用于本方案。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指，夾持式機(jī)械手按運(yùn)動形式可 分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，這種手指結(jié)構(gòu) 簡單，適于夾持平板方料、棒料等，

33、且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置 其理論夾持誤差零。通過采用典型的平移型手指，驅(qū)動力加在手指移動方向上， 這樣結(jié)構(gòu)比較簡單且體積適中。 通過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指平移型手抓，采用滑槽導(dǎo)軌這種結(jié)構(gòu)方式。 夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在電機(jī)的驅(qū)動力的作用下機(jī)械手手抓實(shí)現(xiàn)張開 和閉和［5］。 4.3.2 手抓夾緊力和驅(qū)動力的力學(xué)分析 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作 用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動 狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計(jì)算：Fn -KiK2K3G

34、 式中K1——安全系數(shù)，通常1.2--2.0 ; k2 ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式估 kz：1十%其 中a,重力方向的最大上升加速度；a = vmaX't響 vmax ——運(yùn)載時工件最大上升速度 t響一一系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間，一般選取 0.03--0.5S K3 一一方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇 G——被抓取工彳書聽受重力（N） 取 k1=2， K2=1+b/a=1+%5/9.8=1.02 k3=0.5, G=10N 根據(jù)公式，將已知條件帶入： -- f N _1.5 1.02 0.5 10=7.65N 取=0.85 由驅(qū)動力公

35、式得： 二 F 實(shí)際=FN廣=7.65/0.85=9N 設(shè)F為驅(qū)動力，則F=f實(shí)p^tg(C + P) 其中J為螺紋傾斜角=15, p為摩擦角=30 =F= 9 tg 15 30 =9N [6] 4.4 驅(qū)動電機(jī)的選擇 4.4.1 手指張合電機(jī)的選擇 設(shè)前端手指的重量為0.1Kg,螺紋導(dǎo)程R=1mm 則空載時，工作臺折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為： A Ph'2A 01、25 J =」-mi = -0父0.1=2.5父10 Kg .cm 1 ;2式)0 3.14 ) 最大工作載荷下，工作臺折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為: .mi 1.1 = 2.8 10 "4 Kg 2

36、 .cm (1)快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq" Teq1 T max Tf 式中Tmax ——，快速空載起動時折算到殿動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 T f——移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 Tmax = J1 2二 J1nm 2 3.14 2.5 10) 3 60ta 60 0.5 = 1.57 10)N.m Tf F摩Ph 一 一一 一 一 一 3 0.1 9.8 0.16 10 5KI = 2.5 10 N.m 2 3.14 1 =T , = T eq1 max Tf = 4.1 10‘N.m

37、 (2)最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2： Teq 2 Tt T f 折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tt F f .Ph 1.1 9.8 10 -3 Tf 2二 i F摩.Ph 2 3.14 1 =1.7 10 —3 N .m 一 一 一 一 3 0.1 9.8 10 — 2 3.14 1 4 ?? 2.7 10 N .m T = T 1 eq 2 Tt Tf = 2 10 -3 N .m t = It - eq eq 1 ,Teq 2 = 0.002 N .m eq 二 步進(jìn)電機(jī)的最大靜

38、轉(zhuǎn)矩: T K.Tea = 2.5 0.002 = 0.005N.m j maxeq 查手冊得，可選用常州寶馬集團(tuán)前楊電機(jī)電器有限公司的36BF003型電機(jī) 其Tjmax=0.078N.m能夠滿足機(jī)構(gòu)要求[7] 4.4.2 手腕電機(jī)的選擇 (1)空載時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量: Ji mD2 0.5 0.52 = 0.016

54、 \ 0.1 60 ■二軸的直徑取d=5能夠滿足強(qiáng)度要求。 5總結(jié)與展望 歷經(jīng)一個學(xué)期的努力，六自由度機(jī)械手終于設(shè)計(jì)成功。在這段時間內(nèi)，我溫 習(xí)和鞏固了大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)知識，綜合運(yùn)用了所學(xué)的機(jī)械和電子方面的知 識，極大的提高了我分析問題，解決問題的能力?；仡欉^去的兩個多月，感覺收 獲頗豐： 1）通過對機(jī)械手的整體方案設(shè)計(jì)，典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使我對大學(xué)四年所學(xué)的 機(jī)械方面的知識以及專業(yè)方面的知識有了更深一步的了解和認(rèn)識，而不像以前一 樣僅僅停留在書本的概念上。 2）掌握了機(jī)械結(jié)構(gòu)整體方案設(shè)計(jì)的原則和要求，在設(shè)計(jì)過程中熟練的查取 了相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊

55、，為以后工作上的需要打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 3）通過對各個典型機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，充分的理解和掌握了機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識， 并且也對專業(yè)上的智能控制和誤差控制方面有了更加深刻的認(rèn)識。 由于論文的研究時間、本人的能力和知識范圍有限，本論文的研究工作還存 在著一些不足之處，存在一些需要完善和改進(jìn)的地方： 1）因?yàn)榱杂啥葯C(jī)械手控制系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，所以機(jī)器手工作過 程中存在著丟步、失態(tài)問題，所以在時間和條件允許的情況下， 希望能做成閉環(huán) 系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)精度。 2）系統(tǒng)幾個主要模塊尚未進(jìn)行過實(shí)際考核，在工作可靠性、抗干擾性能等 方面有待進(jìn)一步完善和提高。此外系統(tǒng)在總體布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上離實(shí)際應(yīng)用還有

56、 一些待完善之處。 隨著科技和社會的進(jìn)步，智能機(jī)器人在人們生活的各個領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大 的作用。因此，了解機(jī)器人、研究機(jī)器人、并最終設(shè)計(jì)制造更先進(jìn)、更科學(xué)、更 人性化的機(jī)器人就成為我們機(jī)電專業(yè)最為重要的任務(wù)之一。 謝辭 經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢 業(yè)設(shè)計(jì)，由于所學(xué)知識有限，經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果 沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及同學(xué)們的支持，想要完成這個設(shè)計(jì)是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導(dǎo)師黃老師。 黃老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè) 設(shè)計(jì)的每個階段，從查閱資料，設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查答辯，后期詳 細(xì)設(shè)計(jì)，裝配草圖等整

57、個過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。 我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣， 但是黃老師仍然細(xì)心地糾正圖紙中的錯誤與論文中的誤點(diǎn)。除了敬佩黃老師的專 業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影 響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 其次要感謝和我一組作畢業(yè)設(shè)計(jì)的其他同學(xué)，我們在本次設(shè)計(jì)中相互學(xué)習(xí)， 相互鼓勵。如果我們之間的相互幫助，此次設(shè)計(jì)的完成將變得非常困難。 然后還要感謝大學(xué)四年來所有的老師， 指導(dǎo)我們打下專業(yè)知識的基礎(chǔ)；同時 還要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會順 利完成。感謝父母對我的關(guān)愛和教誨。 最后感謝機(jī)械與電氣工程學(xué)院和我的母校 一安徽建筑工業(yè)學(xué)

58、院四年來對我 的大力栽培。 ［參考文獻(xiàn)］ ［1］《工業(yè)機(jī)械手》編寫組.工業(yè)機(jī)械手［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版 社,1978.P38-89 ［2］高軍.多自由度機(jī)械手的氣動控制［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)：機(jī)械電子工程學(xué)院， 2005 ［3］天津大學(xué)編.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.天津：天津科技出版社，1998.P53-72 ［4］楊柯楨，程光蘊(yùn).機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第四版）［M］.北京：高等教育出版 社,1999.P194-235 ［5］張善錘主編.精密儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2001.P86-93 ［6］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第三版 第5卷）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出

59、版社， 1994.P607-644 ［7］尹志強(qiáng).機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書［M］.北京：機(jī)械工業(yè)大學(xué)出版， 2007.P55-67 ［8］龐振基，黃其圣.精密機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.P182-200 ［9］楊伯源.材料力學(xué)（I ）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.P51-84 ［10］（美）尼庫（Niku,S.B）著;孫富春等譯.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論［M］.北京：電子工業(yè)出 版社,2004.P26-74 ［11］秦衛(wèi)貞.四自由度教學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).東北大學(xué).2007 附錄一英文科技文獻(xiàn)翻譯 英文原文 Automated Tracking

60、 and Grasping of a Moving Object with a Robotic Hand-Eye System Abstract Most robotic grasping tasks assume a stationary or fixed object. In this paper, we explore the requirements for tracking and grasping a moving object. The focus of our work is to achieve a high level of interaction between a

61、real-time vision system capable of tracking moving objects in 3-D and a robot arm with gripper that can be used to pick up a moving object. There is an interest in exploring the interplay of hand-eye coordination for dynamic grasping tasks such asrasping of parts on a moving conveyor system, assembl

62、y of articulated parts, or for grasping from a mobile robotic system. Coordination between an organism's sensing modalities and motor control system is a hallmark of intelligent behavior, and we are pursuing the goal of building an integrated sensing and actuation system that can operate in dynamic

63、as opposed to static environments. The system we have built addresses three distinct problems in robotic hand-eye coordination for grasping moving objects: fast computation of 3-D motion parameters from vision, predictive control of a moving robotic arm to track a moving object, and interception an

64、d grasping. The system is able to operate at approximately human arm movement rates, and experimental results in which a moving model train is tracked is presented, stably grasped, and picked up by the system. The algorithms we have developed that relate sensing to actuation are quite general and ap

65、plicable to a variety of complex robotic tasks that require visual feedback for arm and hand control. I. INTRODUCTION The focus of our work is to achieve a high level of interaction between real-time vision systems capable of tracking moving objects in 3-D and a robot arm equipped with a dexterous

66、 hand that can be used to intercept, grasp, and pick up a moving object. We are interested in exploring the interplay of hand-eye coordination for dynamic grasping tasks such as grasping of parts on a moving conveyor system, assembly of articulated parts, or for grasping from a mobile robotic system. Coordination between an organism's sensing modalities and motor control system is a hallmark of intelligent behavior, and we are pursuing the goal of building an integrated sensing and actuation sy