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山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
畢業(yè)生姓名
：
許小濤
專業(yè)
：
機(jī)械電子工程
學(xué)號(hào)
：
180533032
指導(dǎo)教師
：
張忠杰
所屬系（部）
：
機(jī)械電子工程系
二〇二〇年五月
山西工程技術(shù)學(xué)院――畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
摘 要
隨著工廠自動(dòng)化程度越來(lái)越高，工廠內(nèi)使用機(jī)械手進(jìn)行搬運(yùn)物料是十分常見(jiàn)的，本課題通過(guò)對(duì)一個(gè)五自由度機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能夠滿足實(shí)際使用需求。并且使用三維軟件進(jìn)行建模處理，使其直觀表達(dá)。通過(guò)對(duì)本機(jī)械手的設(shè)計(jì)與仿真，使得機(jī)械手的自由度能夠滿足實(shí)際使用要求，對(duì)其自由度使用路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且完成機(jī)械手動(dòng)力傳遞設(shè)計(jì)，根據(jù)本次的機(jī)械手設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械手的使用范圍以及轉(zhuǎn)角進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，同時(shí)通過(guò)對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核，保證本機(jī)械手在使用的過(guò)程之中，不會(huì)出現(xiàn)使用問(wèn)題。并且使用仿真軟件進(jìn)行仿真，對(duì)其末端的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是否能夠滿足使用要求進(jìn)行驗(yàn)證。
首先，本文介紹機(jī)械手的作用，機(jī)械手的組成和分類，說(shuō)明了自由度和機(jī)械手整體座標(biāo)的形式。同時(shí)，本文給出了這臺(tái)機(jī)械手的主要性能規(guī)格參量。深入了解機(jī)械手的功能、分類以及使用范圍，對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)有著更為深入的了解，
并且對(duì)此關(guān)節(jié)型機(jī)器人的二指平動(dòng)手爪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)技能
關(guān)鍵詞： 機(jī)械手；搬運(yùn)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
ABSTRACT
With the increasing degree of factory automation, it is very common to use mechanical hands to carry materials in factories. This topic is designed by a five degree of freedom manipulator, so that it can meet the actual needs. And the 3D software is used for modeling and processing, so that it is intuitively expressed. Through the design and Simulation of the manipulator, the manipulator's degree of freedom can meet the actual requirements of the degree of freedom using path design, and complete the mechanical manual force transmission design, according to the design of the manipulator, the manipulator and the use range of rotation angle in detail, at the same time through the design and check the drive structure, guarantee the mechanical hand in the use of the process, will not appear use. And simulation software is used to verify whether the execution structure of its end can meet the requirements of use.
First of all, this paper introduces the role of the manipulator, the composition and classification of the manipulator, and explains the form of the degree of freedom and the coordinate of the manipulator. At the same time, the main performance specification parameters of this manipulator are given in this paper. In depth understanding of the function, classification and scope of the manipulator, we have a deeper understanding of the structure of the manipulator.
Key words: manipulator; handling; structural design
iii
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 4
1.1 工業(yè)機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀及應(yīng)用 4
1.2 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人 6
1.3 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 7
1.4 本課題研究的目的與意義 7
1.5 機(jī)械手簡(jiǎn)介 8
1.6運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的常用方法 9
1.7 本課題主要研究?jī)?nèi)容 9
2 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
2.1 引言 10
2.2 機(jī)械手主要技術(shù)指標(biāo) 10
2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 10
2.3 本章小結(jié) 11
3 機(jī)械手的三維建模 12
3.1 軟件介紹 12
3.2 機(jī)械人總體外形設(shè)計(jì) 12
3.3 諧波減速器的設(shè)計(jì) 13
3.3.1 諧波減速器 13
3.3.2 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
3.3.3 大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
3.3.4 連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.3.5 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20
3.1 機(jī)械手前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 22
3.5 本章小結(jié) 23
4 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
4.1 手爪設(shè)計(jì)基本要求 24
4.2 典型的手爪結(jié)構(gòu) 24
4.3 機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
4.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置 24
4.3.2 手抓的力學(xué)分析 24
4.3.3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 25
4.3.4 手爪夾持范圍計(jì)算 27
4.4 機(jī)械手手爪夾持精度的分析計(jì)算 27
4.5 手指夾緊液壓缸的尺寸參數(shù)的確定 28
4.6 本章小結(jié) 29
5 運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析 30
5.1 引言 30
5.2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人二指平動(dòng)手爪運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 30
5.3 機(jī)械手UG仿真 35
5.4 本章小結(jié) 35
6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 37
6.1 技術(shù)分析 37
6.2 經(jīng)濟(jì)分析 38
結(jié)論 40
參考文獻(xiàn) 42
外文文獻(xiàn) 44
中文翻譯 48
致謝 51
山西工程技術(shù)學(xué)院――畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
1 緒論
1.1 工業(yè)機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀及應(yīng)用
機(jī)器人首先是從美國(guó)開始研制的，1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。
目前工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機(jī)器人正在加緊研制，它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺(jué)機(jī)能。
第三代機(jī)器人則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)，它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一環(huán)。目前，我國(guó)機(jī)器人已得到極大的發(fā)展。KUKA、哈工大機(jī)器人研究所等眾多企業(yè)、研究結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械手的研究，使得機(jī)械手得以大發(fā)展。機(jī)械手有著很多分類，按照功能分，可以分為：簡(jiǎn)易型、記憶型、智能等多種類型機(jī)械手。按照用途分，可以分為：專用機(jī)械手和通用機(jī)械手。按照規(guī)格分可以分為：微型、小型、中型以及大型機(jī)械手。
隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來(lái)越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起[1]。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。
美國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：
1）1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年，萬(wàn)能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900型；
2）1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時(shí)期，工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國(guó)通用汽車公司1968年訂購(gòu)了68臺(tái)工業(yè)機(jī)器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動(dòng)線；又如，美國(guó)克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動(dòng)線上的448臺(tái)沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件；
3）1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國(guó)在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國(guó)工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)大約200臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá)60萬(wàn)小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(jí)機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺(tái)機(jī)器人的系統(tǒng)[2]。又如，萬(wàn)能自動(dòng)公司制成了由25臺(tái)機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動(dòng)線。麻省理工學(xué)院研制了具有“手眼”系統(tǒng)的高識(shí)別能力微型機(jī)器人。
目前，制造業(yè)仍是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是工業(yè)化和現(xiàn)代化的主導(dǎo)力量，是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志。我國(guó)大力發(fā)展制造業(yè)，實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展和加快經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型具有十分重要的戰(zhàn)略意義。而智能制造[1]是引領(lǐng)“第三次工業(yè)革命”發(fā)展的核心，在以德國(guó)提出的工業(yè)“4.0”計(jì)劃、日本的新產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造戰(zhàn)略、美國(guó)的先進(jìn)制造國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃、歐盟的智能系統(tǒng)路線圖計(jì)劃等背景下，中國(guó)提出了“中國(guó)制造 2025”，充分認(rèn)識(shí)到智能制造裝備的重要戰(zhàn)略地位，努力從制造大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國(guó)。
當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)之一就是機(jī)械技術(shù)，電子技術(shù)和信息技術(shù)的結(jié)合，機(jī)器人就是這種結(jié)合的產(chǎn)物之一?，F(xiàn)代機(jī)器人都是由機(jī)械發(fā)展而來(lái)。與傳統(tǒng)的機(jī)器的區(qū)別在于，機(jī)器人有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，因而有一定的智能，人類可以編制動(dòng)作程序，使它們完成各種不同的動(dòng)作。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了機(jī)器人研究水平的提高。現(xiàn)在機(jī)器人已成為一個(gè)龐大的家族，科學(xué)家們?yōu)榱藵M足不同用途和不同環(huán)境下作業(yè)的需要，把機(jī)器人設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)和外形，以便讓他們?cè)谔厥鈼l件下出色地完成任務(wù)。機(jī)器人成了人類最忠實(shí)可靠的朋友，在生產(chǎn)建設(shè)和科研工作中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。
搬運(yùn)機(jī)器人不但能夠代替人的某些功能，有時(shí)還能超過(guò)人的體力能力。可以24小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，還可以承受各種惡劣環(huán)境。 因此，搬運(yùn)機(jī)器人是人體局部功能的延長(zhǎng)和發(fā)展。 21世紀(jì)是敏捷制造的時(shí)代，搬運(yùn)機(jī)器人在敏捷制造系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。
1.2 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人
我國(guó)工業(yè)機(jī)器人是從二十世紀(jì)八十年代開始起步，經(jīng)過(guò)二十多年的努力，已經(jīng)形成了一些具有競(jìng)爭(zhēng)力的工業(yè)機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機(jī)器人。近幾年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人及含工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)線相關(guān)的產(chǎn)品的年銷售額已突破10億元。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)年需求量在3000臺(tái)左右，年銷售額在20億元以上。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)市場(chǎng)上工業(yè)機(jī)器人總共擁有量盡萬(wàn)臺(tái)，占全球總量的0.56%，其中完全國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人(行業(yè)規(guī)模比較大的前三家工業(yè)機(jī)器人企業(yè))行業(yè)集中度占30%左右，其余都是從日本、美國(guó)、瑞典、德國(guó)、意大利等20多個(gè)國(guó)家引進(jìn)的。國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人目前主要以國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用為主，年出口量為100臺(tái)左右，年出口額為0.2億元以上。
???目前，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要有弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬用、噴漆、檢測(cè)、碼垛、研磨拋光和激光加工等復(fù)雜作業(yè)。
在我國(guó)，工業(yè)機(jī)器人的最初應(yīng)用是在汽車和工程機(jī)械行業(yè)，主要用于汽車及工程機(jī)械的噴涂及焊接。目前，由于機(jī)器人技術(shù)及研發(fā)的落后，工業(yè)機(jī)器人還主要應(yīng)用在制造業(yè)，非制造業(yè)使用的較少。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近幾年國(guó)內(nèi)廠家所生產(chǎn)的哦工業(yè)機(jī)器人有超過(guò)一半是提供給汽車行業(yè)。由此可見(jiàn)，汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人增長(zhǎng)的原動(dòng)力之一。
我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展主要是從工業(yè)技術(shù)的發(fā)展得以體現(xiàn)，其中最核心的是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)。近些年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展迅速，并逐步從示范應(yīng)用轉(zhuǎn)向大規(guī)模推廣,大大減少了生產(chǎn)制造對(duì)勞動(dòng)力的依賴。目前我國(guó)研制的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)達(dá)到工業(yè)應(yīng)用水平，尤其是在汽車制造業(yè)中有更廣泛的應(yīng)用，比如電焊、裝配、噴涂機(jī)器人等。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向更智能化、現(xiàn)代化和科學(xué)化的方向發(fā)展。
搬運(yùn)機(jī)器人在實(shí)際的工作中就是一個(gè)機(jī)械手，機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到很多國(guó)家的重視，投入大量的人力物力來(lái)研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國(guó)外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。
1.3 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。
就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：
1)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人；
2)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場(chǎng)合，如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合；
3)研制各類傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)
1.4 本課題研究的目的與意義
機(jī)械手的出現(xiàn)有限的提高了工廠工作效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，在很多場(chǎng)合，使用機(jī)械手能夠替代工人工作，按照指定的程序進(jìn)行工作，如果結(jié)合柔性生產(chǎn)車間，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性生產(chǎn)，按質(zhì)按量完成生產(chǎn)任務(wù)，使得工人工作的環(huán)境得以大幅度改善，特別在中國(guó)智造2025、國(guó)外的工業(yè)4.0等發(fā)展情況來(lái)看，機(jī)械手的發(fā)展是不容忽視的，國(guó)家通過(guò)對(duì)機(jī)械手的重要，提高國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的智能化，能夠加大產(chǎn)品的自動(dòng)化步伐。我國(guó)對(duì)其投入了不少的人力物力來(lái)發(fā)展機(jī)械手，目前成果顯著，在工廠內(nèi)部可以看到很多機(jī)械手代替人工進(jìn)行作業(yè)，且機(jī)械手能夠通過(guò)更改PLC編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手動(dòng)作的改變，使其能夠滿足生產(chǎn)的需要，所以機(jī)械手的使用范圍十分廣泛，基本上能夠做到人工能做的事情，機(jī)械手就能夠處理。
本課題通過(guò)對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與仿真,了解一般機(jī)械手設(shè)計(jì)過(guò)程,對(duì)機(jī)械手自由度的設(shè)計(jì)有著更好的掌控,且通過(guò)大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行綜合處理,使得所學(xué)的知識(shí)能夠充分利用，為以后的工作打好堅(jiān)定的基礎(chǔ)。因此，在自動(dòng)機(jī)床的自動(dòng)加工線上，幾乎沒(méi)有機(jī)器人操作，以更精確地減少人力，更精確地控制生產(chǎn)節(jié)奏，便于生產(chǎn)節(jié)奏的生產(chǎn)。
1.5 機(jī)械手簡(jiǎn)介
機(jī)械手是具備重復(fù)編程，能夠按照編程程序進(jìn)行工作的一種機(jī)器。能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境，是代替人工作業(yè)很好的一種方式，機(jī)械手的主要組成部分包括以下幾個(gè)方面：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等，如圖1-1所示。指向機(jī)構(gòu)主要由：手爪、腕部、臂部和行走機(jī)構(gòu)構(gòu)成，這些機(jī)構(gòu)構(gòu)成機(jī)械手主體部分。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)械手提供自由度，通過(guò)合理的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠提高機(jī)械手工作效率?？刂葡到y(tǒng)主要是通過(guò)編程程序完成機(jī)械手的動(dòng)作需求，而在工作之中，通過(guò)位置檢測(cè)裝置能夠?qū)C(jī)械手在使用過(guò)程之中產(chǎn)生的偏差進(jìn)行校正。使其按照正規(guī)路線進(jìn)行運(yùn)行。
圖1-1 機(jī)械手的主要組成部分
目前，我國(guó)機(jī)械手已得到極大的發(fā)展。KUKA、哈工大機(jī)器人研究所等眾多企業(yè)、研究結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械手的研究，使得機(jī)械手得以大發(fā)展。機(jī)械手有著很多分類，按照功能分，可以分為：簡(jiǎn)易型、記憶型、智能等多種類型機(jī)械手。按照用途分，可以分為：專用機(jī)械手和通用機(jī)械手。按照規(guī)格分可以分為：微型、小型、中型以及大型機(jī)械手。
1.6運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的常用方法
機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制的重要組成部分，它直接關(guān)系到控制的快速性和準(zhǔn)確性。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題是根據(jù)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(位置和姿態(tài))來(lái)求解相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量。
現(xiàn)有三種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解方法：
（1）幾何法 研究一種基于精確的手臂幾何模型的運(yùn)動(dòng)方程求解方法。該法只適用于特殊結(jié)構(gòu)機(jī)器人。
（2）齊次變換法 在機(jī)器人的雅可比矩陣已知的前提下，通常用其逆矩陣來(lái)求解運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。
（3）是智能解法 這種方法具有以下特點(diǎn)：基于學(xué)習(xí)的算法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法；基于擴(kuò)散方程的算法
1.7 本課題主要研究?jī)?nèi)容
本課題是通過(guò)利用本人現(xiàn)學(xué)的UG、以及ADAMS技術(shù)而設(shè)計(jì)的工業(yè)送料機(jī)械臂手。其本身為四個(gè)自由度的機(jī)械手，主要作用于工業(yè)制造的流線中。物體按特定的位置放在生產(chǎn)線上。當(dāng)機(jī)械手靠近物體時(shí)，待機(jī)械手抓取取出后，重新回到原來(lái)的位置。工序完成后，。課題中對(duì)機(jī)械手的建模在UG中完成，仿真則在ADAMS中完成。
2 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 引言
工業(yè)生產(chǎn)流線主要從事零件的轉(zhuǎn)移過(guò)程，是使零件獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸零件的加工方法。本課題的主要研究方向就是利用機(jī)械手抓取零件放置到某個(gè)平臺(tái)一中后，待第一個(gè)某個(gè)過(guò)程完成后，機(jī)械手將其抓取送到某個(gè)平臺(tái)二中。以此類推待工件完成某個(gè)工藝后機(jī)械手再將其抓取放到傳送帶的機(jī)械過(guò)程。
自由度是機(jī)器人的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，它是由機(jī)器人的結(jié)構(gòu)決定的，并直接影響到機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指各運(yùn)動(dòng)部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)，對(duì)于一個(gè)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，它有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)就稱其有幾個(gè)自由度。各運(yùn)動(dòng)部件自由度的總和為機(jī)器人的自由度數(shù)。機(jī)器人的手部要像人手一樣完成各種動(dòng)作是比較困難的，因?yàn)槿说氖种浮⒄?、腕、臂?9個(gè)關(guān)節(jié)組成，共有27個(gè)自由度。而生產(chǎn)實(shí)踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為3-6個(gè)（不包括手部）。
工業(yè)機(jī)械手工作環(huán)境一般都是處于高溫中、多灰塵、多污染的地方、有時(shí)可能具有腐蝕性地方。
2.2 機(jī)械手主要技術(shù)指標(biāo)
根據(jù)機(jī)械手的工作要求，其應(yīng)滿足以下技術(shù)指標(biāo)：
1：工件負(fù)載>0.5Kg;
2：自由度數(shù)：5；
3：末端抓取定位精度<3mm; 4：各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速<5rpm。
本課題研究的機(jī)械手是五自由度的機(jī)械手，有三部分組成包含執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)包含手抓張合、手爪回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂回轉(zhuǎn)、手臂升降5個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。
2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由手爪、腕部、行走機(jī)構(gòu)組成。
1. 手爪：手爪是工具或者工件與其直接結(jié)合的部分，一般分為平轉(zhuǎn)型或者平動(dòng)型。根據(jù)需求可以分為內(nèi)抓和外抓兩種，對(duì)于一些輕載的工件可以采用負(fù)壓或者真空吸盤。
2. 腕部：腕部是用于連接機(jī)械手和機(jī)械臂的部件，機(jī)械手腕部分為三種運(yùn)動(dòng)，上下運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及左右擺動(dòng)。在工業(yè)上對(duì)于一些稍微復(fù)雜的一些機(jī)械運(yùn)動(dòng)我們通常選用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再加上一個(gè)上下運(yùn)動(dòng)既可以滿足所需要求；為了簡(jiǎn)化機(jī)械手機(jī)構(gòu)以及節(jié)約成本對(duì)于一些結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的單一的運(yùn)動(dòng)，我們可以設(shè)置用臂部直接來(lái)控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。
3. 前端機(jī)構(gòu)：行走機(jī)構(gòu)在我國(guó)發(fā)展還不是很具有代表性，目前我國(guó)的發(fā)展正處于仿真階段。
4. 臂部：顧名思義，臂部是機(jī)械底座和手重要連接部位，通過(guò)改變機(jī)械手臂部設(shè)計(jì)可以靈活的改變機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，通常在工業(yè)中，機(jī)械手臂部一般擁有三個(gè)自由的，手臂的伸縮、左右的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及升降運(yùn)動(dòng)。
工業(yè)上任何的運(yùn)動(dòng)都離不開驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行，通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)我們可以控制機(jī)械的各個(gè)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)動(dòng)力源的不同，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以分為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)以及電動(dòng)驅(qū)動(dòng)四種
機(jī)械控制上主要分為連續(xù)控制和點(diǎn)動(dòng)控制兩種形式，兩種控制形式主要控制其坐標(biāo)位置以及加速度的控制。其中還有計(jì)算機(jī)控制或者可編程控制器等。
2.3 本章小結(jié)
本章主要通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)械手的工作環(huán)境、作業(yè)內(nèi)容及性能要求的分析，提出了工業(yè)機(jī)械手機(jī)械本體的總體方案，包括工業(yè)機(jī)械手的總體構(gòu)成、及其自由度的分配等。在本章后續(xù)又利用 D-H 參數(shù)法進(jìn)行了連桿坐標(biāo)系的建立和連桿參數(shù)的確定。并通過(guò)對(duì)機(jī)械手各連桿的位姿矩陣變換為后續(xù)機(jī)械手的建模做好前提工作 。
3 機(jī)械手的三維建模
3.1 軟件介紹
UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一個(gè)產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過(guò)程提供了數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段。Unigraphics NX針對(duì)用戶的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的需求，提供了經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證的解決方案。UG同時(shí)也是用戶指南（user guide）和普遍語(yǔ)法（Universal Grammar）的縮寫。
這是一個(gè)交互式CAD/CAM(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造)系統(tǒng)，它功能強(qiáng)大，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著PC硬件的發(fā)展和個(gè)人用戶的迅速增長(zhǎng)，在PC上的應(yīng)用取得了迅猛的增長(zhǎng)，已經(jīng)成為模具行業(yè)三維設(shè)計(jì)的一個(gè)主流應(yīng)用。
UG的開發(fā)始于1969年，它是基于C語(yǔ)言開發(fā)實(shí)現(xiàn)的。UG NX是一個(gè)在二維和三維空間無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上使用自適應(yīng)多重網(wǎng)格方法開發(fā)的一個(gè)靈活的數(shù)值求解偏微分方程的軟件工具。
為了有效地模擬的應(yīng)用領(lǐng)域（自然或工程科學(xué)），數(shù)學(xué)（數(shù)值分析和數(shù)學(xué)）和計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)給定的工藝要求。然而，所有這些技術(shù)在復(fù)雜的應(yīng)用中的使用也不是很容易。這是因?yàn)樗羞@些方法都需要復(fù)雜性和跨學(xué)科的豐富知識(shí)相結(jié)合?？萍挤匠唐⒎址匠痰囊恍┙鉀Q方案非常成功，尤其是它正在研究的數(shù)學(xué)家自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化（adaptivemeshrefinement），并在過(guò)去十年多重網(wǎng)格方法，并與計(jì)算機(jī)技術(shù)的巨大進(jìn)步，特別是并行計(jì)算機(jī)的主要發(fā)展有帶來(lái)許多新的機(jī)遇。
3.2 機(jī)械人總體外形設(shè)計(jì)
根據(jù)機(jī)械手的所要達(dá)到的自由度數(shù)、工作環(huán)境要求、各自由度關(guān)節(jié)所要達(dá)到的指標(biāo)、及各關(guān)節(jié)連桿的布置方案和機(jī)械手長(zhǎng)度要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手的總體外形如圖3-1所示。
1、 底座; 2、腰部支座; 3、大臂;4、連桿機(jī)構(gòu) ;5、轉(zhuǎn)向臺(tái); 6、小臂; 7、前端機(jī)構(gòu)
圖3-1 機(jī)械手正二測(cè)結(jié)構(gòu)圖
3.3 諧波減速器的設(shè)計(jì)
3.3.1 諧波減速器
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是基于諧波齒輪減速器的機(jī)械手設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，諧波減速器和普通的減速器相比較具有傳遞精度高、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)諧波減速器來(lái)使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，之后柔性齒輪和剛性齒輪嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。具體諧波減速器優(yōu)點(diǎn)如下：
1. 承載能力高 諧波傳動(dòng)中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時(shí)嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動(dòng)形式高
2. 傳動(dòng)比大 單級(jí)諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比，可達(dá) i=60～400。
3. 體積小、重量輕。
4. 傳動(dòng)效率高、壽命長(zhǎng)。
5. 傳動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)沖擊，無(wú)噪音，運(yùn)動(dòng)精度高。
6. 由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對(duì)柔輪材料的抗疲勞強(qiáng)度、加工和熱處理要求較高，工藝復(fù)雜。
7. 齒側(cè)間隙可以調(diào)整。
8. 傳動(dòng)效率高。
9. 同軸性好。
10. 可實(shí)現(xiàn)向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力。
諧波減速是由剛輪，柔輪，波發(fā)生器這三個(gè)主要的零件構(gòu)成。諧波減速器的剛輪相當(dāng)于行星系中的中心輪。其柔輪相當(dāng)于行星齒輪，諧波發(fā)生器相當(dāng)于行星架剛輪和柔輪之間的齒差使得來(lái)自電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)速度能夠降低不少，諧波齒輪傳動(dòng)的柔輪和剛輪的齒距相同，但齒數(shù)不等，通常采用剛輪與柔輪齒數(shù)差等于波數(shù)，即z2－z1=n式中 z2、z1--分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)。當(dāng)剛輪固定、發(fā)生器主動(dòng)、柔輪從動(dòng)時(shí)，諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為i=z1/(z2-z1)
雙波傳動(dòng)中，z2－z1=2，柔輪齒數(shù)很多。上式負(fù)號(hào)表示柔輪的轉(zhuǎn)向與波發(fā)生器的轉(zhuǎn)向相反。由此可看出，諧波減速器可獲得很大的傳動(dòng)比。結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示
圖3-2 結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)上述可知，對(duì)于具體的選型我們需要依據(jù)圖3-3所示的數(shù)據(jù)，這里的數(shù)據(jù)都已經(jīng)進(jìn)行參數(shù)化了
圖3-3 諧波減速器的參數(shù)
根據(jù)以上的理解我們畫圖諧波齒輪的模型如圖3-4，3-5,3-6所示，我們需要具體的情況可以根據(jù)圖3-3的尺寸對(duì)其選擇內(nèi)齒和外齒的數(shù)量，求得諧波齒輪的傳動(dòng)比，在此不多介紹了
圖3-4
圖3-5 諧波齒輪減速器的正二等側(cè)圖
圖3-6 諧波齒輪減速器正視圖
3.3.2 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械手腰部的設(shè)計(jì)是機(jī)械手各關(guān)節(jié)中設(shè)計(jì)中較為重要的一步。腰部體結(jié)構(gòu)起到上連接機(jī)械手連接機(jī)械手的底座。所以腰部體的設(shè)計(jì)首先要考慮的就是與底座主軸的連接，具體的配合和連接方式，其次要考慮的就是如何設(shè)計(jì)才能有效的連接機(jī)械手的大臂部分。能使機(jī)械手大臂部分較為平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。
圖3-7 腰部結(jié)構(gòu)示意圖
如圖3-7所示此腰部結(jié)構(gòu)與底部通過(guò)沉頭孔用螺栓來(lái)連接，沉頭孔均勻的分布這樣有利于腰部體的受力均勻減輕了長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)對(duì)腰部體的損傷。腰部體的左右端面通過(guò)螺紋孔來(lái)連接軸承座。腰部體與大臂和連桿機(jī)構(gòu)及底座的具體連接參考如圖3-8所示。
1、底座; 2、連桿機(jī)構(gòu); 3、大臂; 4、軸承座; 5、電機(jī)
圖3-8 腰部體與各關(guān)節(jié)連接示意圖
3.3.3 大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
操縱器臂與肩體之間的身體的腰部和臂的杠桿臂而動(dòng)作的基礎(chǔ)上假定的運(yùn)動(dòng)可以傳遞關(guān)于肩部過(guò)渡中間臂相連。所謂臂肩關(guān)節(jié)之間的連接臂和吊桿操縱臂如圖3-9所示。
（a） 正面
（b） 側(cè)面
圖3-9 機(jī)械臂大臂結(jié)構(gòu)示意圖
3.3.4 連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
連桿機(jī)構(gòu)是本機(jī)械臂的第三個(gè)自由度組成，本次設(shè)計(jì)是通過(guò)三個(gè)類似連桿機(jī)構(gòu)來(lái)構(gòu)成機(jī)械臂的肩部。鑒于連桿機(jī)構(gòu)具有使用的連桿機(jī)構(gòu)，以便肩部的如此多的優(yōu)點(diǎn)。腰身上在一起。它由電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)接頭，旋轉(zhuǎn)接頭傳遞前。驅(qū)動(dòng)桿通過(guò)電力傳輸鏈路站轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)的各連桿如圖3-10所示。
（a） 連桿1
(b) 連桿2
（c）連桿3
圖3-10 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖3-7所示連桿1是驅(qū)動(dòng)連桿，連桿2是從動(dòng)連桿，連桿3是轉(zhuǎn)向臺(tái)連桿。連桿1與腰部體的連接靠銷釘定位，連接靠螺釘。連桿1將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳遞的運(yùn)動(dòng)傳遞給從動(dòng)連桿。從動(dòng)連桿與轉(zhuǎn)向臺(tái)連接，因此轉(zhuǎn)向臺(tái)會(huì)在從動(dòng)連桿的推動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向臺(tái)的旋轉(zhuǎn)基點(diǎn)為大臂的上端面孔的軸線，因此轉(zhuǎn)向臺(tái)和大臂之間的連接應(yīng)充分考慮到配合、定位和運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
根據(jù)以上設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和要求得到此機(jī)械臂連桿機(jī)構(gòu)如圖3-11所示。
圖3-11 連桿機(jī)構(gòu)連接設(shè)計(jì)
3.3.5 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械臂的小臂部分是連接機(jī)械臂手抓部分和連桿部分的載體。小臂的長(zhǎng)度很大程度上決定了此機(jī)械臂的橫向工作范圍，傳統(tǒng)意義上的機(jī)械臂小臂關(guān)節(jié)往往采用液壓驅(qū)動(dòng)。具體設(shè)計(jì)如圖3-12所示。
圖3-12 小臂的設(shè)計(jì)
如圖3-12所示是小臂的模型，它是通過(guò)小臂后面的電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)小臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的，如圖3-13所示通過(guò)兩個(gè)個(gè)電機(jī)和兩個(gè)個(gè)不同的齒輪相互作用，使得和齒輪相連接的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，不同的齒輪大小有不同的速度，通過(guò)使用不同的電機(jī)使得速度能夠有變化，這個(gè)對(duì)于在生產(chǎn)中，需要根據(jù)不同的速度來(lái)適應(yīng)生產(chǎn)，有非常大的意義，為了能觀察清楚這個(gè)齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)我們可以通過(guò)圖3-14所示。相同的電機(jī)通過(guò)不同的齒輪進(jìn)行嚙合。
圖3-13 電機(jī)和齒輪的分布
圖3-14 齒輪嚙合
3.1 機(jī)械手前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
機(jī)械手的主要作用是通過(guò)前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行抓取東西，本文我們主要設(shè)計(jì)前端結(jié)構(gòu)，能夠讓它和不同的機(jī)械爪進(jìn)行配合，安裝，以滿足不同的生產(chǎn)實(shí)際要求，如圖3-15是前端的結(jié)構(gòu)，主要是為了配合其它的爪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的，它的作用不言而喻，為了使它能夠運(yùn)動(dòng)起來(lái)，我們?cè)谒闹虚g處安裝了一對(duì)錐齒輪，軸則是通過(guò)小臂中心線部位的。通過(guò)在小臂后端的電機(jī)和軸配合，電機(jī)啟動(dòng)之后，通過(guò)齒輪帶動(dòng)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，然后軸又帶動(dòng)小錐齒輪旋轉(zhuǎn)，和安裝在前端的大錐齒輪進(jìn)行配合，完成前端的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)前端結(jié)構(gòu)是通過(guò)螺栓鏈接的，安裝的大錐齒輪則是通過(guò)軸承和軸與前端機(jī)構(gòu)相連接的，為了整體的結(jié)構(gòu)美觀實(shí)在，我們需要設(shè)計(jì)外殼進(jìn)行包裝。因此此處的手爪軸應(yīng)和手爪達(dá)到過(guò)盈配合精度或者通過(guò)某固定件將其和手爪固定在一起。具體設(shè)計(jì)如圖3-16所示。
圖3-15 手爪設(shè)計(jì)圖
圖3-16 前端部分示意圖
考慮到固定，本次手爪的固定方式如下：通過(guò)螺栓將手爪軸套與手爪軸固定在一起，再利用傳統(tǒng)的銷釘定位和螺釘連接將手爪軸套和手爪固定在一起。這樣既能解決了前端軸和軸蓋的定位又能將電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)手爪軸和手爪軸套傳遞給手爪。具體參見(jiàn)3-17 前端部分傳動(dòng)部分所示。
1-電機(jī) 2-齒輪 3-軸 4-錐齒輪 5-前端部分
圖3-17 前端部分傳動(dòng)
3.5 本章小結(jié)
本章主要介紹了機(jī)械手的整體的結(jié)構(gòu)，并且逐一詳細(xì)介紹了機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的組成，與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過(guò)各關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的對(duì)比確定了現(xiàn)有關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新點(diǎn)。并驗(yàn)證了機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)合理性。驗(yàn)證了機(jī)械手的設(shè)計(jì)合理性。
4 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 手爪設(shè)計(jì)基本要求
（1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)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(guò)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 典型的手爪結(jié)構(gòu)
（1） 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。
（2） 移動(dòng)型 移動(dòng)型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
（3）平面平移型。
4.3 機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置
本設(shè)計(jì)平動(dòng)搬運(yùn)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=，夾取重量為0.5Kg。常用的工業(yè)機(jī)械手手爪,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(dòng)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(dòng),這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 適于夾持平板方料, 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。若采用典型的平移型手指, 驅(qū)動(dòng)力需加在手指移動(dòng)方向上,這樣會(huì)使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。
通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置。
4.3.2 手抓的力學(xué)分析
下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿 圖4-1（a）為常見(jiàn)的滑槽杠桿式手爪結(jié)構(gòu)。
(a) (b)
圖4-1 滑槽杠桿式手爪結(jié)構(gòu)、受力分析
1——手指 2——銷軸 3——杠桿
在杠桿3的作用下，銷軸[GB/T882-2000]2向上的拉力為F，并通過(guò)銷軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點(diǎn)，交和的延長(zhǎng)線于A及B。
由=0 得
=0 得
由=0 得
（4.1）
式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離（mm）.
——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。
由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力一定時(shí)，角增大，則握力也隨之增大，但角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大，以及手爪結(jié)構(gòu)增大，因此最好=。
4.3.3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手爪的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)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(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算 （4.2）
式中 ——安全系數(shù)，通常1.2-2.0；
——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋，重力方向的最大上升加速度；
——運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度
——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取0.03-0.5s
——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇。
G——被抓取工件所受重力（N）。
表4-1 液壓缸的工作壓力
作用在活塞上外力F（N）
液壓缸工作壓力Mpa
作用在活塞上外力F（N）
液壓缸工作壓力Mpa
小于5000
50000以上
計(jì)算：設(shè)a=100mm,b=50mm,<<;機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為0.5s，求夾緊力和驅(qū)動(dòng)力和 驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸。
(1) 設(shè)
==1.02
根據(jù)公式，將已知條件帶入：
（2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得：
（3）取
（4）確定液壓缸的直徑D
選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.8-1MPa,
根據(jù)表4-1（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=10mm,但為了擴(kuò)大機(jī)械手的工作范圍，選取液壓缸內(nèi)徑D=16mm
則活塞桿內(nèi)徑為:
D=160.5=8mm，選取d=8mm
4.3.4 手爪夾持范圍計(jì)算
為了保證手抓張開角為，活塞桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為34mm。手抓夾持范圍，手指夾持有效長(zhǎng)度為100mm,當(dāng)手抓沒(méi)有張開角的時(shí)候，如圖4-2（a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑，當(dāng)張開時(shí)，如圖4-2（b）所示，最大夾持半徑計(jì)算如下：
機(jī)械手的夾持半徑從
（a） (b)
圖4-2 手抓張開示意圖
4.4 機(jī)械手手爪夾持精度的分析計(jì)算
機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確,抓取精度高,重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能。
機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件來(lái)決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差。
圖4-3 手抓夾持誤差分析示意圖
該設(shè)計(jì)以棒料來(lái)分析機(jī)械手的夾持誤差精度。
機(jī)械手的夾持范圍為。
一般夾持誤差不超過(guò)1mm,分析如下：
工件的平均半徑：
手指長(zhǎng),取V型夾角
偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：
計(jì)算 =72.14
當(dāng)S時(shí)帶入有：
夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。
4.5 手指夾緊液壓缸的尺寸參數(shù)的確定
根據(jù)夾緊力和驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算，初步確定了液壓缸的內(nèi)徑為16mm，行程為34mm；下面要確定液壓缸的缸筒長(zhǎng)度L。缸筒長(zhǎng)度L由最大工作行程長(zhǎng)度加上各種結(jié)構(gòu)需要來(lái)確定，即：
L=l+B+A+M+C
式中：l為活塞的最大工作行程；B為活塞寬度，一般為(0.6-1)D;A為活塞桿導(dǎo)向長(zhǎng)度，取(0.6-1.5)D;M為活塞桿密封長(zhǎng)度，由密封方式定；C為其他長(zhǎng)度，在此由于定位方式為定位塊式，需要保留一定的缸體冗余長(zhǎng)度作為緩沖，以免在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中損傷到缸體，所以C取32.8mm。一般缸筒的長(zhǎng)度最好不超過(guò)內(nèi)徑的20倍。另外，液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸還有最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H。
所以：L=34+0.8D+D+0.9D+C=120mm
液壓缸缸底厚度計(jì)算，本液壓缸選用平行缸底，且缸底無(wú)油孔時(shí)，其中h為缸底厚度；為液壓缸內(nèi)徑；為實(shí)驗(yàn)壓力；為缸底材料的許用應(yīng)力，液壓缸選用缸體材料為45號(hào)鋼，。
，
所以選取厚度。
4.6 本章小結(jié)
通過(guò)本章的設(shè)計(jì)計(jì)算，先對(duì)滑槽杠桿式的手爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，然后分別對(duì)滑槽杠桿式手爪結(jié)構(gòu)的夾緊力、夾緊用的彈簧、驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，在滿足基本要求后，對(duì)手爪的夾持精度進(jìn)行分析計(jì)算。不過(guò)由于手指的設(shè)計(jì)工作載荷只有5N，所以手指零部件的載荷導(dǎo)致的應(yīng)力都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，故校核可以省略。
5 運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析
5.1 引言
運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃和位置控制的重要基礎(chǔ)。機(jī)器人手臂 運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的是手臂各連桿間的位移關(guān)系、速度關(guān)系和加速度關(guān)系。有第三章我們通過(guò)D-H參數(shù)法為建立機(jī)械手做了相關(guān)分析；有第四章通過(guò)對(duì)機(jī)械手各關(guān)節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析以及對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零件的強(qiáng)度與剛度校核驗(yàn)證了機(jī)械手符合硬件指標(biāo)。而本章主要通過(guò)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行模型簡(jiǎn)化后將建立的模型導(dǎo)入U(xiǎn)G和ADAMS中后通過(guò)兩大軟件的強(qiáng)大運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析功能。重點(diǎn)分析機(jī)械手各關(guān)節(jié)之間的唯一變化、速度變化、加速度變化等。通過(guò)對(duì)機(jī)械手位移、速度、加速度等函數(shù)圖像的曲率分析，驗(yàn)證機(jī)械手各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)是否符合穩(wěn)定性要求。
5.2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人二指平動(dòng)手爪運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真
首先利用UG的強(qiáng)大建模功能對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的五自由度采摘機(jī)機(jī)械手進(jìn)行三維空間實(shí)體建模，然后通過(guò) UG 和 ADAMS 良好的數(shù)據(jù)接口將模型數(shù)據(jù)直接導(dǎo)人 ADAMS， 根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求添加相關(guān)約束，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，研究機(jī)械手各機(jī)構(gòu) 關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，測(cè)量各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移、角速度和角加速度的變化情況，通過(guò)觀察 各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及相關(guān)曲線的變化趨勢(shì)確定設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。如果變化趨勢(shì)達(dá)不到應(yīng)有的穩(wěn)定性要求，則考慮對(duì)機(jī)械手進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，直至設(shè)計(jì)出能達(dá)到符合要求的機(jī)械手為止。
利用UG軟件對(duì)機(jī)械手建立簡(jiǎn)單模型。在這里之所以要建立簡(jiǎn)單的三維模型是因?yàn)槿绻褂迷瓩C(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析會(huì)出現(xiàn)很多約束麻煩，以及計(jì)算機(jī)在分析計(jì)算時(shí)會(huì)大大增添解算時(shí)間，這樣會(huì)造成工作量增大而且工作效率低下。而建立簡(jiǎn)單的模型是指在保證原機(jī)械手的各連桿參數(shù)不變的同時(shí)省去各種軸承、軸蓋、軸、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。這樣既不會(huì)造成效率低下，也能大量的簡(jiǎn)化約束，而且研究效果與意義和原機(jī)械手一樣。具體簡(jiǎn)單模型參考如圖5-1所示。
1、輸送帶; 2、送料源; 3、殼體； 4、機(jī)械手模型； 5、支承座
圖5-1 基于UG軟件的機(jī)械手仿真模型
2．將仿真模型導(dǎo)入 ADAMS
將 UG 環(huán)境下的機(jī)械手模型以 ADAMS 能較好識(shí)別的 Para-solid 格式導(dǎo)出。
三維仿真模型導(dǎo)入ADAMS的具體步驟如下：
（1）在UG中選擇下拉菜單“文件”一“導(dǎo)出”命令，選擇Para-solid格式，點(diǎn)擊后出現(xiàn)導(dǎo)出對(duì)話框，然后選擇整個(gè)要輸出的圖形，點(diǎn)擊“確定”，選擇適當(dāng)?shù)穆窂剑x擇格式*．x_t并命名為arm。
（2）啟動(dòng)ADAMS軟件，在ADAMS中選擇下拉菜單“文件”一“導(dǎo)入”命令，將仿真模型導(dǎo)入ADAMS并命名為arm。ADAMS環(huán)境下機(jī)械手的仿真模型如圖5-2所示。
圖5-2 ADAMS 環(huán)境下機(jī)械手的仿真模型
（3）ADAMS 運(yùn)動(dòng)仿真
機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要盡量平滑、平穩(wěn)，否則會(huì)使機(jī)械部件的磨損加劇，并導(dǎo)致機(jī)器手的振動(dòng)和沖擊，因此在仿真過(guò)程中要測(cè)量各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移、角速度 和角加速度的變化情況。
將模型導(dǎo)人 ADAMS 軟件中后，各構(gòu)件之間還沒(méi)有任何約束，因此須添加 約束和驅(qū)動(dòng)。ADAMS 中提供了 3 種類型的約束：運(yùn)動(dòng)副約束、基本約束和驅(qū)動(dòng)約束。
機(jī)械手的五個(gè)關(guān)節(jié)有四個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)，定義為四個(gè)旋轉(zhuǎn)副和一個(gè)滑動(dòng)副，底座與大地之間、大臂與底座之間、連桿機(jī)構(gòu)與大臂之間、手爪與小臂之間均為旋轉(zhuǎn)副；小臂與連桿機(jī)構(gòu)為滑動(dòng)副。采摘機(jī)爐一、采摘機(jī)爐二、送料源、輸送帶與大地均為固定副。添加運(yùn)動(dòng)約束后的機(jī)械手模型如圖5-3所示、添加驅(qū)動(dòng)約束后的機(jī)械手模型如圖5-4所示。
圖5-3 機(jī)械手添加運(yùn)動(dòng)約束
圖5-4 機(jī)械手添加驅(qū)動(dòng)約束
機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)使用ADAMS軟件中的STEP函數(shù)進(jìn)行添加驅(qū)動(dòng)。STEP函數(shù)的表達(dá)式是，其中x為自變量，在這里表示時(shí)間的變量。x0為自變量的初始值；h0為對(duì)應(yīng)x0的變量值，變量值如果是角度，在值的后面加d表示單位度；x1為自變量的終值；h1為對(duì)應(yīng)x1的變量值。
下面取0-3s期間所生成的各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)即關(guān)節(jié)1、2、3、5的角位移變化曲線、角速度變化曲線、角加速度變化曲線來(lái)進(jìn)行觀察，分別對(duì)應(yīng)如圖5-5、5-6、5-7。
圖5-5 各關(guān)節(jié)角位移變化曲線
圖5-6 各關(guān)節(jié)角速度變化曲線
圖5-7 各關(guān)節(jié)角加速度變化曲線
通過(guò)觀察各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移、角速度和角加速度的變化曲線可以看出，各關(guān)節(jié)的角位移、角加速度、角加速度平穩(wěn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的五自由度采摘機(jī)機(jī)械手的合理性。
5.3 機(jī)械手UG仿真
前面一個(gè)小節(jié)利用運(yùn)動(dòng)學(xué)分析軟件ADAMS分析了機(jī)械手的仿真，并且通過(guò)得到的函數(shù)圖像分析出此設(shè)計(jì)合理。下面將在本小節(jié)利用UG仿真模塊，簡(jiǎn)單的模擬出采摘機(jī)機(jī)械手抓取物料進(jìn)行采摘機(jī)的過(guò)程，本過(guò)程只模擬出機(jī)械手將物料從采摘機(jī)爐一中抓取放到采摘機(jī)爐二中的過(guò)程。此處的物料以小球來(lái)表示。UG模型如圖5-8所示。
1、采摘機(jī)爐二；2、模型機(jī)械手；3、物料；4、采摘機(jī)爐一
圖5-8 UG仿真模型圖
類似于ADAMS中那樣驅(qū)動(dòng)，此處UG中的機(jī)械手模型的驅(qū)動(dòng)也使用STEP函數(shù)進(jìn)行添加驅(qū)動(dòng)。STEP函數(shù)的表達(dá)式是，其中x為自變量，在這里表示時(shí)間的變量。x0為自變量的初始值；h0為對(duì)應(yīng)x0的變量值，變量值如果是角度，在值的后面加d表示單位度；x1為自變量的終值；h1為對(duì)應(yīng)x1的變量值。
5.4 本章小結(jié)
本章通過(guò)對(duì)采摘機(jī)機(jī)械手進(jìn)行簡(jiǎn)單模型建立，通過(guò)導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中獲得各個(gè)關(guān)節(jié)的速度、角速度、角加速度函數(shù)圖像分析出此機(jī)械手的各關(guān)節(jié)符合運(yùn)動(dòng)要求。又通過(guò)UG強(qiáng)大的仿真功能模擬出了采摘機(jī)過(guò)程的抓取放置物料過(guò)程。并分析了在抓取過(guò)程中手爪部分的速度與位移圖像再次說(shuō)明了抓取過(guò)程的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性；也再次驗(yàn)證了此采摘機(jī)機(jī)械手各關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)合理性。
6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)是研究技術(shù)和經(jīng)濟(jì)矛盾關(guān)系的科學(xué)，具體說(shuō)它是專門研究技術(shù)方案經(jīng)濟(jì)效益和經(jīng)濟(jì)效