題 目 五自由度工業(yè)機械手結構設計 所在學院 年 月 日任 務 書院(系) 專業(yè)班級 學生姓名 一、畢業(yè)設計題目 五自由度工業(yè)機械手結構設計 二、畢業(yè)設計工作自 年 月_ __日 起至 年 月 日止三、畢業(yè)設計進行地點: 四、畢業(yè)設計內容要求：（1） ． 查閱國內外文獻資料，了解機械手結構的現(xiàn)狀與趨勢 （2） ． 熟悉計算機繪圖軟件的使用，能利用它對機械手零部件進行建模 （3） ． 確定機械手的本體結構，并對機械手的驅動機構進行設計計算 （4） ． 畫出所設計的重要零件圖和裝配圖 （5） ． 繪制傳動鏈簡圖 （6） ． 編寫設計說明書，具體要求見《XXXX 學院畢業(yè)設計論文（說明書）撰寫規(guī)范》 接 受 設 計 任 務 開 始 執(zhí) 行 日 期 學 生 簽 名 五自由度工業(yè)機械手結構設計[摘要]機械手是機器進化和科學技術發(fā)展的必然結果，機械手從問世到現(xiàn)在經過 50多年的發(fā)展，在國民經濟，科學研究以至整個社會領域發(fā)揮著越來越顯著的作用，成為人們生活學習中的好幫手，近十年來各種用途的機械手得到了更廣泛的應用，如焊接、噴漆、搬運等用于制造車間的工業(yè)機械手。學習了機械手技術知識，查閱了大量的文獻資料，對國內外機械手、主要是工業(yè)機械手的現(xiàn)狀有了比較詳細的了解。在此基礎上，結合本人的設想，和設計工作中需要解決的任務，本文主要研究機械手總體結構進行設計，主要進行以下工作:本體結構設計，本機械手手臂結構方案確定后要運用 AutoCAD 把其平面裝配圖做出。[關鍵詞]機械手、AutoCAD、機械手臂Five Degree of Freedom Industrial Robot Structure DesignAbstract: 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 質量 3.8kg。mN?5.83.5 氣爪的選擇計算夾持力：n 個手指的總夾持力產生的摩擦力 必須大于夾持工件的重力 mg ，考慮到搬Fn?運工件的加速度及沖擊力等，必須設定一個安全系數(shù) ，故因滿足?（3.12）g?既（3.13）mn???式中 —摩擦系數(shù)，橡膠與鑄鐵的摩擦系數(shù)為 ， —安全系數(shù)，取 =3。?8.0??所以，（3.14）NF5.37.21??所以，選擇平行型氣爪 6310系列產品，型號為 夾持力為 45N，因為 45NF,所.6C?第 16 頁 共 40 頁以 是合格的。.25.6310NC?第 17 頁 共 40 頁致謝本畢業(yè)設計是在指導教師 XXXX老師的悉心指導下完成的。從畢業(yè)設計開始到畢業(yè)完成，張老師淵博的學識、活躍的學術思想、對待研究的嚴謹態(tài)度和無私的奉獻精神都是學生的楷模，張老師平易近人的處世方式也為學生樹立了榜樣，學生所取得的每一點成績和每一次進步，無不凝聚著張老師大量的心血。在畢業(yè)設計完成之際，謹向尊敬的張老師致以崇高的敬意和由衷的感謝。 其次，感謝機械工程學院各位老師和同學提供的各方面幫助。 也感謝我的家人。他們的支持和理解是我完成學業(yè)的前提和動力。沒有他們的支持我不可能順利完成我的學業(yè)。再次，向所有給予我關心和幫助的老師、同學和親友致以深深的謝意和美好的祝福。第 18 頁 共 40 頁參考文獻[1] 江志.機械手歷史[J].中國青年科技,2003（11）：36-37[2] 張效祖.工業(yè)機械手的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].世界制造技術與裝備市場，2004(5) ：33-36[3] 蘭勇.移動式直角坐標機械手設計與研究[D].陜西科技大學，2009[4] 陳興云.焊接機械手二次開發(fā)技術應用與研究[D].東南大學, 2010[5] 肖鄭進.SCARA 平面關節(jié)式裝配機械手設計與精度分析[D].南京理工大學.2002.[6] 陳博.機械手技術的發(fā)展趨勢與最新發(fā)展[J].西安教育學院學報,2004，19(3)：85-87[7] 邢東升.六自由度噴涂機械手結構設計及控制[D].天津大學，2008[8] 王華.基于貴傳支持向量機的傳感器非線性校正方法[D],蘭州理工大學，2011[9] 董欣勝等.裝配機械手的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].組合機床與自動化加工技術.2007(8).2-4.[10] 黃建民等.服務機械手發(fā)展現(xiàn)狀[J].裝備機械，2007（4）：2-5[11] 劉冬梅等.國內步行爬坡機械手研究動態(tài)[J].機械手技術與應用，2008（4）：[12] 白民,劉遠江.從 2004中國國際機械手展覽看中國機械手產業(yè)的現(xiàn)狀和未來[J]:機械手技術與應用.2005.(1):20-24 [13] 王坤興.機械手技術的發(fā)展趨勢[J]:機械手技術與應用.1999.(6):10-12 [14] 國家 863 計劃智能機械手專家組,機械手博覽[M].合肥:中國科學技術出版社,2001 [15] 陳佩云.我國工業(yè)機械手發(fā)展狀況[J]:機械手技術與應用.2001, (1):2-5 [16] 劉進長.我國機械手發(fā)展戰(zhàn)略研究[J]:機械手技術與應用.2000, (3): 2-5 [17] 馬頌德.基礎技術研究與隊伍建設[J]:機械手技術與應用.2001, (5) : 2-5[18] 劉成良，張為公. RV12L6R 焊接機械手運動正解及計算機仿真系統(tǒng)[J]:東南大學學報.2003, 21(6):63-68 [19] 王啟智,徐心和. PUMA 機械手逆運動方程的推導方法及求解[J]:機械手.1998,3:81-87 [20] 蔡自興.機械手學[M].北京:清華大學出版社,2000 [21] Kim Jinwook, F.C.Park Kim Munsang. Geometric design tools for stiffness and vibration analysis of robotic mechanisms(C): International Conference on Robotics and Automation. Piscataway, NJ, USA: IEEE ,2000,2: 1942-1947 [22] Wang K, Lien T K. The structure design and kinematics of a robot manipulator[J]: Robotics and Computer-Integrated Manufacturing.1989, 1(5) :2-3,153-158 第 19 頁 共 35 頁外文翻譯現(xiàn)代機械工程,2011年,47-55http://dx.doi:10.4236/mme.2011.12007 在線發(fā)表在2011年11月(http://www.SciRP.org/journal/mme)設計和開發(fā)有競爭力的低成本的四自由度機械臂Ashraf Elfasakhany1'2, Eduardo Yanez2,Karen Baylon2, Ricardo Salgado21Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Taif University, Al-Haweiah, Saudi Arabia2Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad Juárez, Ciudad Juarez, Mexico郵箱: ashr12000@yahoo.com2011年10月19日收到；2011年11月7日修訂；2011年11月15日接受摘要這項工作的重點是設計，開發(fā)和實施有競爭力的機械手手臂的控制和粗短的成本提高。機械手手臂的設計具有四個自由度，才能完成準確的簡單的任務，如光材料處理，這將成為一個移動平臺，成為工業(yè)勞動力的助理。機械手配備有伺服電機做武器和執(zhí)行的手臂動作之間的聯(lián)系。伺服馬達包括編碼器，所以沒有控制器實現(xiàn)。我們使用LabVIEW控制機械手進行逆運動學計算，并將正確的角度對單片機的串行驅動伺服電機改變位置的能力，速度和加速度。機械手手臂的測試進行了驗證結果表明，它工作正常。關鍵詞：機械手手臂，成本低，設計，驗證，四個自由度，伺服電機，Arduino，機械手控制，Labview 機械手控制第 20 頁 共 35 頁1、簡介機械手實際上是術語定義為制造業(yè)研究，設計和使用機械手系統(tǒng) [1]。機械手通常被用于執(zhí)行不安全的，危險的，高度重復性的，和不愉快的任務。他們有許多不同的功能，如材料處理，組裝，焊接，電阻焊接，工具機的加載和卸載功能，繪畫，噴涂等。主要有兩種不同的機械手服務機械手和工業(yè)機械手。服務機械手是機械手操作半或全自動履行服務的人和設備的健康有益，不包括制造過程[2]。工業(yè)機械手，另一方面，正式定義的 ISO作為自動控制、多用途的機械手在三軸以上的[1]可編程。工業(yè)機械手是用來移動材料，零件，工具或專門的設備，通過各種編程動作執(zhí)行各種任務。工業(yè)機械手系統(tǒng)不僅包括工業(yè)機械手，而且任何設備和/或傳感器所需的機械手以及測序或監(jiān)控通信接口完成任務。在2007世界的市場增長了3%，約114000個新安裝的工業(yè)機械手。2007年底，大約有一百萬的工業(yè)機械手的使用，估計有50000的服務機械手工業(yè)用[3]比較。由于增加的工業(yè)機械手手臂的使用，一種進化的主題試圖模仿人類的運動開始在一個詳細的模式。例如，一組學生在韓國做了一個創(chuàng)新的機械臂以舞蹈方面，賬戶重設計，書法書寫和顏色分類[4]。另一組工程師在美國開發(fā)的八自由度機械手手臂。這個機械手是能夠從一筆一球的許多形狀掌握許多對象和模擬也人[5]手。在太空，航天飛機遙控操縱系統(tǒng)，稱為SSRMS或操控，和它的繼任者是實例的多自由度機械手手臂，已被用于執(zhí)行各種任務，如檢查使用一種專門部署的繁榮的航天飛機有照相機和傳感器安裝在端部執(zhí)行器和衛(wèi)星的部署和檢索從航天飛機的貨艙演習[6]。在墨西哥，科學家正在開發(fā)許多機械手手臂的設計，和墨西哥政府估計，墨西哥約有11000的機械臂，用于在不同的工業(yè)應用。然而，專家認為，機械手的手臂遠不僅是高質量的，但也準確，重復性，和粗短的成本。大多數(shù)的機械手是建立一個操作的教導和重復技術。在這種模式下，一個訓練有素的操作員（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（一種示教）教會機械手任務手動。機械手的速度在這些編程會話是緩慢的。目前的工作是一個兩相的項目的一部分，這需要一個移動機械手能夠運輸工具從儲藏室的工業(yè)電池。在這一階段的項目中，進行了在蒙特雷技術大學，墨西哥，主要是設計，一個工業(yè)機械手的手臂粗短的成本的開發(fā)和實施，準確和優(yōu)越的控制。這個機械手手臂的設計具有四個自由度，才能完成簡單的任務，如光材料處理，這將成為一個移動平臺，成為工業(yè)勞動力的助理。2、機械設計機械手手臂的機械設計是基于一個機械手具有類似功能的一個人類手臂[6-8]。這種機械手的鏈接的節(jié)點允許的旋轉運動和操縱器的鏈接的連接被認為是形成一個運動鏈。機械手的運動鏈的業(yè)務端稱為ARM工具末端或結束，這是類似于人類的手。圖1顯示了機械臂的機械設計的自由體圖。如圖所示，端部執(zhí)行器是不包括在設計因為商用夾具的使用。這是因為，末端是一個系統(tǒng)的最復雜的部分和，反過來，它是更容易和經濟地使用一個商業(yè)比建造它。第 21 頁 共 40 頁圖2顯示了機械手臂的工作區(qū)。這是四自由度機械手手臂的典型工作區(qū)（4自由度） 。機械設計是有限的4自由度主要是因為這樣的設計允許最必要的運動和保持成本和機械手的復雜競爭。因此，關節(jié)的旋轉運動被限制在旋轉是圍繞兩個軸在肩、肘、腕關節(jié)周圍只有一個，見圖1。機械手關節(jié)通常由電動機驅動的。伺服電機的選擇，因為它們包括編碼器可以自動提供反饋給電機和調整相應的位置。然而，這些電機的缺點是，旋轉范圍小于180?跨度，大大減少了區(qū)域達到的手臂和可能的位置[9]。伺服電機的資格是基于由結構和可能的負載所需的最大扭矩選擇。在目前的研究中，用于結構材料，丙烯酸。圖3顯示了用于負荷計算的內力圖。計算僅為具有最大負荷節(jié)點進行的，因為其他的節(jié)點具有相同的電機，即電機移動的鏈接沒有問題。計算中考慮了電機的重量，50克左右，除了在節(jié)點 B電機的重量，因為它是由連接壩進行了。圖4顯示的鏈接CB的內力圖，其中包含的節(jié)點（B 和 C）與最高負荷（帶鏈接的直流和 ED）并進行計算如下。用于轉矩的計算值：Wd = 0.011 kg (DE桿的負荷) Wc = 0.030 kg (CD桿的負荷) Wb = 0.030 kg (CB桿的負荷) L = 1 kg (負載) Cm = Dm = 0.050 kg (電機重量) LBC = 0.14 m (BC桿的長度) LCD = 0.14 m (CD桿的長度) LDE = 0.05 m (DE桿的長度)執(zhí)行在 Y軸力的總和，使用荷載如圖4所示，與 CY和 CB解決，看到方程(1)-(4)。同樣，執(zhí)行在 C點時刻的總和，方程(5） ，和 B點，方程(6)，在 B和 C獲得轉矩，方程(7)和(8)，分別為。根據(jù)計算，伺服電機被選中的是Hextronik HX12K，具有扭矩280盎司第 22 頁 共 40 頁/英寸。該電機被推薦是因為它比任何其它同規(guī)格的汽車便宜得多。自從我們在接頭 B需要更大的扭矩，見式（8)，我們使用兩個馬達在 B點遵守扭矩的要求；然而，一個電機是足夠的其他關節(jié)。在節(jié)點 B使用兩個電動機比使用一個大的電機560盎司/便宜多了。電機的相關特性，可以在圖5所示，是他們可以旋轉60度在130毫秒，他們有一個重量47.9克每。一旦確定了機械手手臂和電機的初始尺寸，設計使用 SolidWorks平臺上進行；設計應認真考慮的壓克力板，碎片會被連接到每個其他方式的厚度。用于使機械手的壓克力板材1 / 8厚，薄被選中是因為它容易加工，具有良好的耐量少。在設計過程中，我們面臨著一些困難由于連接薄丙烯酸部分強烈的方式。這是燒、加入丙烯酸部分和沒有和球隊認為基于螺釘和螺母的機械結會比其他的替代品很強的所需的工具，如膠為例。為了做到這一點，一個小的功能被設計允許緊固螺栓與螺母無須螺釘在薄的丙烯酸層。這個過程的結果如圖6所示的三維設計。最終的設計，每一部分是印刷在全規(guī)模的厚紙板，然后驗證這些尺寸和裝配的接口。反過來，我們建立了機械手的第一個原型。其次，機械手手臂的部分被加工從壓克力板使用圓鋸和真皮的工具。詳細的部分是在一個專業(yè)車間自做的機械手手臂的部分太小，為完成這些小的和準確的削減是不容易的。在發(fā)動機裝配機械手的零件時，彈出幾個問題。有臨界點，沒有抵抗的緊固，反過來，可能會破壞；因此，考慮在這些點援軍。機械手手臂的最終結果如圖7所示。3、機械手臂逆運動學為了驗證該機械臂逆運動學正確的定位，進行了計算。這樣的計算是用來從一個給定的位置使用笛卡爾坐標系統(tǒng)獲得各電機的角，如圖8所示。每個電機都有特定的功能：在 Y軸電機位于聯(lián)盟最后的元素的位置，電機 B和 C的位置最終元件在X軸和 Z軸。問題是利用 XZ平面簡化，如圖9所示。在以下的已知值被定義[ 9 ]：LAB：前臂長度。LBC：手臂的長度。Z：在 Z軸的位置。X：在 X軸的位置。Y：在 Y軸的位置。第 23 頁 共 40 頁利用三角關系，如圖9所示，得到電機角度 θ2和 θ1，如方程（9）和（10）電機 B要用 θ1和電機 C要用 θ2。用于電機的計算從方程的角度（11） 。這些計算，得到他們所采取的行動將整個結構的具體位置伺服電機的角。4、末端執(zhí)行器的選擇端部執(zhí)行器可能是一個最重要和最復雜的系統(tǒng)的一部分。明智的，它是更容易和經濟地使用一個商業(yè)比建造它。端部執(zhí)行器的變化主要是根據(jù)任務的機械手手臂完成應用程序；它可以是氣動，電動或液壓。由于我們的機械手臂的基礎電系統(tǒng)中，我們可以選擇末端執(zhí)行器的電氣基礎。此外，我們的系統(tǒng)的主要應用是處理，因此，我們的末端執(zhí)行器的推薦式夾持器，如圖10所示。請注意，端部執(zhí)行器是由一個伺服電機控制，反過來，用于我們的機械手臂總伺服電機5電機，將移動結構。第 24 頁 共 40 頁5、機械手手臂的控制機械手的手臂可以自動或手動控制。在手動模式下，一個訓練有素的操作員（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（一種示教）教會機械手手動完成其任務。機械手的速度在這些編程會話是緩慢的。在目前的工作，我們附上了兩種模式。針對所提出的機械手手臂的控制基本上由三個層次：一個微控制器，驅動器，和一個計算機用戶界面。該系統(tǒng)具有獨特的特性，允許靈活的編程和控制方法，它是用逆向運動學實現(xiàn)；另外它還可以在全手動模式的實現(xiàn)?？刂齐娮釉O計如圖11所示。微控制器是一個 ATMEGA 368配備開發(fā)/規(guī)劃委員會命名為“伊諾” ，如圖12所示。編程語言與 C語言非常相似但包括幾次有助于 I/O端口，控制，定時器，串行通信。該微控制器被選中是因為它有一個較低的價格，這是很容易的程序，編程語言是簡單的，和中斷是可以為這個特殊的芯片。該驅動程序使用的是一六通道微大師伺服控制板。它支持三種控制方式：USB直接連接到計算機，TTL 串口用于嵌入式系統(tǒng)，如 Arduino微處理器，和獨立的主機控制器的免費應用程序內部腳本。該控制器，如圖13所示，包括一個0.25μ 的位置、速度和加速度控制分辨率內置。用戶界面取決于使用的控制方法，即，逆運動學或全手動模式。在下面的，是描述每個接口：5.1、逆運動學控制在這種控制方法中，用戶輸入的坐標位置的夾持器應。作為結果，生成的界面與 LabVIEW通過可視化的用戶，如圖14所示。程序自動執(zhí)行逆運動學計算獲得的角度，每個電機應該然后發(fā)送命令到微控制器或直接驅動，將移動機械手到指定位置。通信與 RS-232協(xié)議的執(zhí)行。在下面，你可以看到的 LabVIEW用戶界面的輸入和輸出。LabVIEW用戶界面輸入：X軸的位置。Y軸的位置。Z軸的位置。夾口。夾持器攻角。