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摘要
本次的設(shè)計(jì)是螺栓裝配機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，螺栓裝配機(jī)械手作為工業(yè)機(jī)械手中的重要研究對(duì)象，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)裝配線中，有效地完成了零部件的裝配，高精度電子產(chǎn)品及其部件的組裝，可以代替人類(lèi)完成一些繁瑣的工作。
本次設(shè)計(jì)通過(guò)查閱互聯(lián)網(wǎng)，收集資料，根據(jù)任務(wù)書(shū)要求設(shè)計(jì)一款用于自動(dòng)抓取并完成螺栓裝配的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中機(jī)械手的結(jié)構(gòu)確定了選用直角坐標(biāo)式和圓柱坐標(biāo)式結(jié)合的方案，整個(gè)機(jī)械手確定為4自由度，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式采用步進(jìn)電機(jī)與同步帶驅(qū)動(dòng)及絲杠機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其移動(dòng)及升降運(yùn)動(dòng)，采用回轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)行，采用旋轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)手腕對(duì)螺栓的擰緊。并對(duì)機(jī)械手的零部件等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
該設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)是能夠在短時(shí)間內(nèi)完成螺栓的裝配，提高效率，減少生產(chǎn)時(shí)間，無(wú)需休息，在適宜的條件下可以連續(xù)工作。機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)對(duì)在惡劣的工況條件下取代人類(lèi)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，從而減少安全事故的發(fā)生。
關(guān)鍵詞：螺栓裝配；機(jī)械手；步進(jìn)電機(jī)；絲杠機(jī)構(gòu)
I
ABSTRACT
This design is the structural design of the bolt assembly manipulator. The bolt assembly manipulator, as an important research object in the hands of industrial machinery, has been widely used in the industrial assembly line, effectively completed the assembly of components, the assembly of high precision electronic products and their components, and can replace some of the tedious work in place of human beings.
This design is designed by consulting the Internet, collecting data, and designing a mechanical hand for automatic grasping and completing the bolt assembly according to the requirements of the task book. The structure of the manipulator in the design determines the combination of rectangular coordinates and cylindrical coordinates. The whole manipulator is determined to be 4 degrees of freedom. The driving mode of the manipulator adopts the step motor and the synchronous belt drive and the screw mechanism to realize its movement and lifting movement, and the rotary cylinder is used to realize the rotary operation of the mechanical arm.The rotary cylinder is used to realize the tightening of the wrist to the bolt.It also designs the parts and components of the manipulator.
The main feature of the design is that it can complete the assembly of bolts in a short time, improve the efficiency, reduce the production time, without rest, and can work continuously under the suitable conditions. The manipulator can replace human beings under severe working conditions and reduce labor intensity, thereby reducing safety accidents.
Key Words：Bolt Assemble;Manipulator ;Stepper Motor;Screw Mechanism
II
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 本課題研究的背景及意義 1
1.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成及分類(lèi) 1
1.3 裝配機(jī)械手的研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 2
1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容 3
2 螺栓裝配機(jī)械手的總體方案的設(shè)計(jì) 4
2.1 機(jī)械手的功能要求 4
2.2 機(jī)器手的總體運(yùn)動(dòng)過(guò)程 4
2.3 各運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 5
3 機(jī)械手的橫向（X軸）移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
3.1 X軸運(yùn)行機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 6
3.2 電機(jī)功率計(jì)算與選型 6
3.3 同步帶的計(jì)算與選型 8
3.4 導(dǎo)軌的計(jì)算與選型 11
4 機(jī)械手的立柱及轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
4.1 立柱機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 16
4.2 絲杠機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
4.3 旋轉(zhuǎn)手臂的設(shè)計(jì) 22
5 手腕及手爪設(shè)計(jì) 26
5.1 腕部的設(shè)計(jì)要求 26
5.2 腕部的結(jié)構(gòu) 26
5.3 腕部的計(jì)算 27
5.4 手部結(jié)構(gòu)技術(shù)要求 30
6 結(jié) 論 33
參 考 文 獻(xiàn) 34
附錄1：外文翻譯 35
附錄2：外文原文 39
致 謝 44
III
螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.緒論
1.1本課題研究的背景及意義
螺栓裝配機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人中的一種機(jī)械手，機(jī)械手是自動(dòng)執(zhí)行設(shè)定好的程序工作的機(jī)器，它通過(guò)接受預(yù)先編寫(xiě)的程序，或按照人工智能技術(shù)制定指令，完成相應(yīng)的動(dòng)作。機(jī)械手任務(wù)是幫助或取代工人完成工作，如在工業(yè)制造、焊接、噴涂、建筑等工作。事實(shí)上，機(jī)械手是一種集成機(jī)械、電子、控制于一體的輔助系統(tǒng)，它通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)和現(xiàn)代微電子技術(shù)相結(jié)合來(lái)模仿人臂的技能。螺栓裝配機(jī)械手在工業(yè)、機(jī)械、航天航空和信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展迅速，在各個(gè)領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，尤其在工作環(huán)境惡劣，機(jī)械式重復(fù)性工作，機(jī)械手將逐漸取代人類(lèi)。
它能夠在短時(shí)間內(nèi)完成螺栓的裝配，提高效率。在惡劣環(huán)境中帶替人工作，避免危險(xiǎn)的發(fā)生。與人相比起來(lái)，機(jī)械手具有的優(yōu)點(diǎn)是：減少生產(chǎn)時(shí)間，無(wú)需休息，在適宜的條件下可以連續(xù)工作。機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)對(duì)惡劣的工況條件下取代人類(lèi)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，從而減少安全事故的發(fā)生。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中，螺栓裝配機(jī)械手主要用于取代手動(dòng)安裝螺栓，實(shí)現(xiàn)螺栓的自動(dòng)拾取、自動(dòng)定位以及自動(dòng)旋緊。該機(jī)械手它按照編制的程序工作，具有高精度和高重復(fù)性。蘭州交通大學(xué)王世偉[1]提出鑒于螺栓裝配與拆卸動(dòng)作是工業(yè)中使用頻繁、工作強(qiáng)度大的一項(xiàng)工作,所以有必要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)螺栓自動(dòng)裝配的機(jī)械手。
1.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成及分類(lèi)
1.2.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成
機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)械手本體，其臂部一般采用空間開(kāi)鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副常稱(chēng)為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)械手的自由度數(shù)。出于擬人化的考慮，常將機(jī)械手本體的有關(guān)部位分別稱(chēng)為基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。
驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于動(dòng)力元件使機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是電信號(hào)，輸出的是線、角位移量。機(jī)械手使用的驅(qū)動(dòng)裝置主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置，此外也有采用液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置。
檢測(cè)裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)械手的動(dòng)作符合預(yù)定的要求。
控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)械手的全部控制由一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)完成。另一種是分散式控制，即采用多臺(tái)微機(jī)來(lái)分擔(dān)機(jī)械手的控制。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機(jī)械手的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力控制。
1.2.2 機(jī)械手的分類(lèi)
（1）機(jī)械手按用途分：可分為通用機(jī)械手、專(zhuān)用機(jī)械手；如教學(xué)上使用的教學(xué)機(jī)械手、工廠里使用的焊接機(jī)械手、車(chē)間里使用的裝配機(jī)械手等。南京工業(yè)大學(xué)舒志斌[2]等人指出專(zhuān)用機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分。
（2）機(jī)械手按坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)分：
直角坐標(biāo)型機(jī)械手：只具有移動(dòng)自由度的機(jī)械手。如二自由度門(mén)式機(jī)械手、桁架式機(jī)械手、懸臂式機(jī)械手等；
圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手：只具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其余都為移動(dòng)自由度的機(jī)械手，此機(jī)械手活動(dòng)范圍大，并具有很高的定位精度；北京大學(xué)工程訓(xùn)練中心張博[3]指出了圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
球坐標(biāo)型機(jī)械手：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、其余為移動(dòng)自由度的機(jī)械手，這種機(jī)械手具有工作范圍大，動(dòng)作靈活的特點(diǎn)，但是它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)引起誤差；
關(guān)節(jié)型機(jī)械手：具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的機(jī)械手，動(dòng)作靈活，但是定位精度較差。 杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汪新中[4]設(shè)計(jì)了一種擰螺釘多關(guān)節(jié)機(jī)械手，其手部采用結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的機(jī)械夾持實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)膴A持，保證螺釘?shù)臏?zhǔn)確定位和高可靠性。
（3）按驅(qū)動(dòng)方式分機(jī)械手：氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手、液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手、電氣驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，也有采用多動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式組合的機(jī)械手。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院楊育林等[5]提出針對(duì)不同重量車(chē)輪的裝配問(wèn)題,提出了一種新型機(jī)械手氣動(dòng)控制系統(tǒng),
1.3裝配機(jī)械手的研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)
在工業(yè)流水線上，螺栓的裝配是一項(xiàng)繁瑣的工作。對(duì)于螺栓裝配的機(jī)械手，國(guó)內(nèi)外都有研究，研究成果顯著。這些機(jī)械手不僅節(jié)省人力，而且方便實(shí)用。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)如何利用機(jī)械工具代替人工完成螺栓連接組裝進(jìn)行了深入研究。
俄羅斯Geschke已經(jīng)完成了機(jī)械手中螺釘?shù)淖灾鞫ㄎ?，插入和擰緊操作。該系統(tǒng)通過(guò)鏡頭形成立體視覺(jué)。其特點(diǎn)是自動(dòng)閾值調(diào)整，根據(jù)視覺(jué)采樣率調(diào)整位置環(huán)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的精確定位。
2002年，日本工業(yè)技術(shù)綜合研究所等多家公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一款名為HRP-2P的施工機(jī)械手。該操縱器具有更精確的視覺(jué)系統(tǒng)，并可以按照說(shuō)明使用螺栓來(lái)固定;在2010年，Pitipong等提出了使用視覺(jué)伺服系統(tǒng)的4自由度。
國(guó)內(nèi)對(duì)螺栓工具和機(jī)械手的研究也取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。早在1960年，沉陽(yáng)高壓開(kāi)關(guān)廠杰寶駿工人就設(shè)計(jì)制造了電動(dòng)螺絲機(jī)，解決了裝配工作中各種螺母的緊固問(wèn)題，提高了工作效率; 王新忠設(shè)計(jì)了一種螺旋多關(guān)節(jié)機(jī)械手，其手部采用復(fù)雜的機(jī)械夾具固定螺釘，確保螺釘?shù)臏?zhǔn)確定位和高可靠性，并利用電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手末端的螺絲刀在平面接合式螺絲，完成螺絲定位，壓緊和擰緊功能。對(duì)于不同類(lèi)型的螺釘，可以更換相應(yīng)類(lèi)型的螺絲刀。如上所述，各種螺桿組裝機(jī)械手只能實(shí)現(xiàn)單螺桿的定位和組裝任務(wù)。通過(guò)增加視覺(jué)等智能傳感器，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)智能自主定位和組裝螺絲。山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公司郭洪武[6]指出了機(jī)械手的定義,發(fā)展過(guò)程,以及機(jī)械手的研究動(dòng)態(tài)。
近年世界機(jī)械手的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，未來(lái)工業(yè)機(jī)械手具有如下的發(fā)展趨勢(shì)：
（1）感官功能
研究?jī)?nèi)容包括各種傳感器信息采集與融合處理，傳感器與驅(qū)動(dòng)集成技術(shù)，感知功能傳承模塊等。其實(shí)質(zhì)與人體的五感和身體的全面感官功能相似。
（2）控制智能化
智能控制是把計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)為一體的多種綜合技術(shù)結(jié)合在一塊，隨著機(jī)械手控制的系統(tǒng)化，將開(kāi)發(fā)機(jī)械手的智能化控制。
（3）移動(dòng)功能的智能化
針對(duì)機(jī)械手的特定的功能需求，實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)場(chǎng)合的應(yīng)用需求，需要機(jī)械手具有運(yùn)動(dòng)，例如滑動(dòng)，滾動(dòng)，沿設(shè)置程序軌跡行走，爬行，跳躍等。
（4）系統(tǒng)應(yīng)用和集成
為實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的集中自動(dòng)化控制，遠(yuǎn)程化控制，解決遠(yuǎn)距離的信息傳輸與控制，開(kāi)發(fā)自主移動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器協(xié)調(diào)功能，群體智能和多機(jī)通信協(xié)議。
（5）安全性和可靠性
為了實(shí)現(xiàn)智能可靠性，機(jī)械手必須能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)各種事故，具有自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警，包括硬件級(jí)別的自診斷和自修復(fù)故障的能力。
（6）小型化
機(jī)械手的功能實(shí)現(xiàn)智能化，也逐漸向小型化發(fā)展，針對(duì)小型化的機(jī)械手應(yīng)用主要在微加工，醫(yī)療設(shè)備，機(jī)械電子領(lǐng)域。
（7）多傳感器信息融合和配置技術(shù)
采用多傳感器配置與融合技術(shù)采用機(jī)械手各部件的信息，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件精確位置檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)定位。新型傳感器的開(kāi)發(fā)適應(yīng)于生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械手的控制，反饋信息的處理，然后向機(jī)械手輸出執(zhí)行指令。
1.4本文主要研究?jī)?nèi)容
首先收集螺栓裝配機(jī)械手的相關(guān)文獻(xiàn)資料，掌握裝配機(jī)械手的工作原理與各部件的功能。根據(jù)機(jī)械手的條件，確定機(jī)械手的總體方案，坐標(biāo)形式，自由度及運(yùn)動(dòng)空間的計(jì)算等。然后對(duì)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、手爪執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)械手的腰關(guān)節(jié)、臂關(guān)節(jié)、手腕、夾持手爪等結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，包括對(duì)電機(jī)的選型，軸承的選擇及軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。
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2.螺栓裝配機(jī)械手的總體方案的設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械手的功能要求
根據(jù)螺栓裝配的工藝要求，設(shè)計(jì)一種四自由度機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓的抓取、定位、旋緊等一系列動(dòng)作，以期替代人工作業(yè)，可有效提高自動(dòng)化水平及生產(chǎn)效率。
機(jī)械手主要的參數(shù)：
（1）夾持力：250N；
（2）移動(dòng)速度為5m/min；
（3）手爪夾持螺母的尺寸范圍：M10-M40；
（4）自由度：4;
（5）機(jī)械手選用類(lèi)型：圓柱坐標(biāo)式與直角坐標(biāo)式組合。
2.2機(jī)器手的總體運(yùn)動(dòng)過(guò)程
螺栓裝配機(jī)械手的工作過(guò)程：
（1）手臂3繞立柱2轉(zhuǎn)動(dòng)90度；
（2）手爪在抓取螺栓頭并保持夾緊狀態(tài)；
（3）手臂3繞著立柱2轉(zhuǎn)回90°，并保持；
（4）機(jī)械手整體沿著導(dǎo)軌水平運(yùn)動(dòng)，手臂3在沿著立柱2移動(dòng)；通過(guò)水平方向與垂直方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械手的手抓位置調(diào)節(jié)，從而保證螺栓與螺栓孔的精確定位；
（5）手爪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)手臂 沿著軸線方向進(jìn)給，將螺栓旋緊；
（6）手爪張開(kāi)，手臂3回到初始位置，循環(huán)到下一個(gè)裝配動(dòng)作。
1基座 2立柱 3手臂 4手腕及手爪
圖2.1螺栓轉(zhuǎn)配機(jī)械手的方案簡(jiǎn)圖
2.3各運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
（1）X軸移動(dòng)的傳動(dòng)方案
X軸的移動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)絲杠機(jī)構(gòu)，從而帶著整個(gè)機(jī)械手沿X軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
（2）Z軸方向的升降與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方案
機(jī)械手臂沿Z軸方向的上下移動(dòng)是采用同步電機(jī)經(jīng)過(guò)齒形帶傳動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)絲杠與螺母機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)其手臂的升降運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的手臂做90°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)氣缸作為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
（3）機(jī)械手手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及手爪夾緊運(yùn)動(dòng)的方案
機(jī)械臂上手爪夾緊、松開(kāi)以及擰緊的動(dòng)作過(guò)程是實(shí)現(xiàn)螺栓裝配的執(zhí)行動(dòng)作，即機(jī)械手先夾緊需要裝配螺栓，機(jī)械臂經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)動(dòng)，將螺栓放置在螺栓孔匹配位置，然后通過(guò)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將螺栓擰入到螺栓孔內(nèi)；此時(shí)，機(jī)械手爪在松開(kāi)螺栓，機(jī)械臂在進(jìn)行下一次螺栓裝配動(dòng)作的循環(huán)。這一系列的工作過(guò)程中，機(jī)械手的夾緊采用手爪氣缸，手腕采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
3 機(jī)械手的橫向（X軸）移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 X軸運(yùn)行機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
在驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)中，盡量選擇重量輕和小尺寸的材料。為了實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手主要可以分為由齒輪齒條傳動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)，同步帶齒形皮帶傳動(dòng)，氣缸等驅(qū)動(dòng)。由于具備效率高，傳動(dòng)比精確，構(gòu)造緊湊，工作可靠，使用壽命長(zhǎng)等，所以設(shè)計(jì)采用同步帶和絲杠機(jī)構(gòu)。
如圖3.1所示，X軸機(jī)架采用截面為矩形型材焊接而成，機(jī)架的作用是支承機(jī)械手本體，并將電機(jī)安裝在機(jī)架側(cè)面，各部件的聯(lián)接采用普通螺栓聯(lián)接。
傳動(dòng)方式采用步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到絲杠機(jī)構(gòu)，絲杠帶動(dòng)著螺母在直線導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。
圖3.1 X軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案
3.2 電機(jī)功率計(jì)算與選型
步進(jìn)電機(jī)的選用時(shí)，參數(shù)有步角距、運(yùn)行頻率、空載起動(dòng)頻率和最大靜轉(zhuǎn)矩。負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：
（3.1）
設(shè)計(jì)中同步帶輪的主動(dòng)輪與從動(dòng)輪節(jié)圓直徑相等，所以。
是機(jī)械效率，移動(dòng)時(shí)有同步帶和導(dǎo)軌平摩擦兩種傳動(dòng)，同步帶傳動(dòng)的=0.95，導(dǎo)軌的摩擦傳動(dòng)的，取，有。
—軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；
—軸的摩擦轉(zhuǎn)矩（可以忽略）。
可以得到：
（3.2）
M—總負(fù)載質(zhì)量，g—重力加速度，—導(dǎo)軌動(dòng)摩擦的系數(shù)。
表3-1 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算的參數(shù)
M
i
帶入公式求出負(fù)載轉(zhuǎn)矩：
電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)的時(shí)候需要具有一定的轉(zhuǎn)矩來(lái)帶動(dòng)負(fù)載，電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩要大于，所以電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩大于。
步進(jìn)電機(jī)的選擇要參照脈沖當(dāng)量來(lái)確定電機(jī)的步距角的大小，精度要求。可取脈沖當(dāng)量，計(jì)算步距角：
（3.3）
依照實(shí)際情況選擇=的步進(jìn)電機(jī)，對(duì)其進(jìn)行細(xì)分析以達(dá)到控制精度的要求。為步距角，計(jì)算脈沖當(dāng)量：
（3.4）
根據(jù)以上設(shè)計(jì)中的計(jì)算選用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。
表3-2 電機(jī)性能參數(shù)
電機(jī)型號(hào)
相數(shù)
步距角度
相電流
保持力矩
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
重量
56BYG250D
2
1kg
3.3 同步帶的計(jì)算與選型
3.3.1同步帶的傳動(dòng)特點(diǎn)
同步帶由與工作面上的齒和帶輪上嚙合的齒驅(qū)動(dòng)。有較高的抗拉強(qiáng)度和非常小的伸長(zhǎng)率，在傳遞基本過(guò)程中的分段線路的長(zhǎng)度保持不變，傳輸過(guò)程中傳輸帶和傳輸帶滑動(dòng)， 從而保證傳送過(guò)程中皮帶與皮帶之間的滑動(dòng)。
選用同步帶傳動(dòng)能夠確保較好的傳動(dòng)比，具有恒定的傳動(dòng)比，維修保養(yǎng)方便，費(fèi)用低等。同步帶適用的溫度，運(yùn)行的速度，運(yùn)行時(shí)的傳動(dòng)功率，傳動(dòng)比。
圖3.2 同步帶
3.3.2同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）電機(jī)的額定輸出功率估算為：
7.16W （3.5）
（2）確定計(jì)算功率：機(jī)械手的工作制按8小時(shí)/天，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表4-1得，使用系數(shù)參數(shù)=1.7，則計(jì)算功率為:
12.17W （3.6）
（3）小帶輪轉(zhuǎn)速：
上式中：f為頻率，T為固定步進(jìn)角度，這里取1.8°；X為細(xì)分倍數(shù)；
即對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，可以通過(guò)輸入脈沖頻率對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)；本設(shè)計(jì)中f=3，
細(xì)分倍數(shù)X取0.02；計(jì)算小帶輪轉(zhuǎn)速n為90r/min；
（4）選定同步帶帶型和節(jié)距：設(shè)計(jì)中功率轉(zhuǎn)速比較小，帶的型號(hào)可以選取H型帶，節(jié)距
（5）主動(dòng)輪齒數(shù)：查表選取小帶輪齒數(shù)為41。
（6）小帶輪節(jié)圓直徑確定：
= （3.7）
（7）大帶輪的計(jì)算
傳動(dòng)比為，因此計(jì)算中的大帶輪與小帶輪的參數(shù)相同。齒數(shù)，節(jié)距
（8）帶速v計(jì)算
（3.8）
（9）初定周間間距
根據(jù)公式：
得：
現(xiàn)在選取軸間間距為250mm。
表3-3小帶輪最小齒數(shù)表
（10）同步帶帶長(zhǎng)及其齒數(shù)確定
=()= （3.9）
（11）帶輪嚙合齒數(shù)計(jì)算
傳動(dòng)比為，因此嚙合的齒數(shù)恰好是帶輪齒數(shù)的一半，即。
（12）額定功率的計(jì)算
（3.10）
查表可知同步帶的許用工作壓力，單位長(zhǎng)度質(zhì)量。同步帶的額定功率為：
（13）計(jì)算作用在軸上力：
（3.11）
（14）同步帶的節(jié)線長(zhǎng)度確定
在同步帶傳動(dòng)中，兩個(gè)帶輪之間的中心距離需要選擇合適，如果帶輪中心距太小，
會(huì)直接造成齒和齒的正常嚙合。帶節(jié)線長(zhǎng)度如表3-4所示。
帶接線長(zhǎng)度表
如下所示節(jié)距Pb：帶齒齒廓線與齒根廓線之間的距離。
圖3.3 帶的標(biāo)準(zhǔn)尺寸
表3-5梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸
本設(shè)計(jì)中我們選用梯形帶。同步帶的尺寸如下：
表3-6同步帶尺寸
3.4導(dǎo)軌的計(jì)算與選型
3.4.1直線導(dǎo)軌的工作原理
導(dǎo)軌是滑塊運(yùn)行時(shí)的軌道，滑塊安裝在導(dǎo)軌上作直線運(yùn)動(dòng)。直線導(dǎo)軌的應(yīng)用非常廣泛，例如在機(jī)床設(shè)備、精密自動(dòng)化設(shè)備、各種動(dòng)力傳輸、輸送線裝置、醫(yī)療和電子制造等領(lǐng)域。直線導(dǎo)軌的特性如下：
（1）直線導(dǎo)軌具有高的定位精度；
（2）裝配性能好，可互換，潤(rùn)滑構(gòu)造簡(jiǎn)單；
（3）摩擦小，降低了所需驅(qū)動(dòng)力，且適用于高速運(yùn)動(dòng)；
（4）承載能力強(qiáng)，能承受多個(gè)方向帶來(lái)的負(fù)荷；
（5）滾動(dòng)代替滑動(dòng)；
（6）使用壽命長(zhǎng)。
圖3.4導(dǎo)軌零件圖
3.4.2初選導(dǎo)軌型號(hào)及估算導(dǎo)軌長(zhǎng)度
選型中：X方向運(yùn)行機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌型號(hào)為；
Y方向的運(yùn)行機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌型號(hào)為；
導(dǎo)軌長(zhǎng)度受到加工及安裝因素影響，會(huì)影響到整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行精度。導(dǎo)軌長(zhǎng)度其公式為：
L=H+S+△l-S1-S2 （3.12）
其中：
導(dǎo)軌的總長(zhǎng)度；
滑塊滑動(dòng)的行程；
滑塊的導(dǎo)向面上的長(zhǎng)度；
封閉的高度調(diào)節(jié)量；
滑塊滑至最高點(diǎn)時(shí)導(dǎo)軌露出的長(zhǎng)度；
滑塊滑至最低點(diǎn)時(shí)導(dǎo)軌露出的長(zhǎng)度。
計(jì)算得軸上的導(dǎo)軌長(zhǎng)度為：Lx=1530mm。
3.4.3導(dǎo)軌副距離額定壽命
X方向上選用的導(dǎo)軌型號(hào)是，所以導(dǎo)軌額定動(dòng)載荷為，額定靜載荷為 ；
機(jī)械手最大重量為:
滑塊的載荷計(jì)算：
（1）導(dǎo)軌行程額定壽命為：
（3.13）
以上：
額定壽命；
硬度系數(shù)；導(dǎo)軌硬度不得低于，可取fh =1；
導(dǎo)軌硬度值；
—導(dǎo)軌額定動(dòng)載荷；
當(dāng)量動(dòng)載荷；
滑塊所受最大載荷；
滑塊數(shù)量，這里為Z=4；
指數(shù)，導(dǎo)軌體為滾珠時(shí)；為滾柱時(shí)；
額定壽命單位，滾珠時(shí)K=50KM；
硬度系數(shù)；
根究產(chǎn)品的要求規(guī)定，滾道的硬度不小于58HRC，故通常可取fh =1
溫度系數(shù)，查表,得
表3-7 溫度系數(shù)
工作溫度
接觸系數(shù)，查表；得
表3-8 接觸系數(shù)
精度系數(shù)，查表；取
表3-9 精度系數(shù)
載荷系數(shù)，查表；得
表3-10載荷系數(shù)
有：
（2）壽命時(shí)間的計(jì)算：
（3.14）
有： —壽命時(shí)間；
額定壽命。
行程長(zhǎng)度；
—每分鐘往返次數(shù)。
則：
工作的情況：機(jī)械手的工作時(shí)間每天6小時(shí)，每年使用300天，則預(yù)計(jì)壽命年限為：
同樣可計(jì)算出Y方向滾動(dòng)導(dǎo)軌副額定壽命為：
3.4.4導(dǎo)軌的技術(shù)要求
刮研導(dǎo)軌：為了降低表面的粗糙度和提高耐磨性，需要對(duì)導(dǎo)軌的表面進(jìn)行刮研，最終是為了提高導(dǎo)軌接觸性、存油等。如表3-11：
表3-11磨削導(dǎo)軌的表面粗糙度
4 機(jī)械手的立柱及轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 立柱機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
在圖4.1中所示，機(jī)械手臂沿立柱（Z軸）方向的上下移動(dòng)是采用同步電機(jī)經(jīng)過(guò)齒形帶傳動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)絲杠與螺母機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)其手臂的升降運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的手臂做90°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用回動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)。
圖4.1 立柱機(jī)構(gòu)三維
立柱下部通過(guò)四個(gè)支座安裝在X軸機(jī)架上的直線導(dǎo)軌上，通過(guò)絲杠的形式與螺母機(jī)構(gòu)相連接，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂的直線上下運(yùn)動(dòng)。本章對(duì)絲杠、螺母副機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
圖4.2 立柱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖
4.2 絲杠機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.2.1絲桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)特點(diǎn)
在設(shè)計(jì)中，絲杠機(jī)構(gòu)是機(jī)械手的重要部件，通過(guò)螺紋驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的升降功能。選用絲杠機(jī)構(gòu)，因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)緊湊，高精度性等優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)螺釘和螺母的運(yùn)動(dòng)方式，絲杠傳動(dòng)可分為以下幾種：
（1）螺母是活動(dòng)的，螺母被絲杠的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)著在絲杠上移動(dòng)，如圖（a）所示；
（2）螺母旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)著螺桿作直線運(yùn)動(dòng)，如圖（b）所示；
（3）螺母沿直線運(yùn)動(dòng)，由于絲杠固定，所以兩端支撐結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但精度不高。如圖（c）所示；
（4）螺桿旋轉(zhuǎn)把螺母帶著直線運(yùn)動(dòng)。適合長(zhǎng)時(shí)間工作的絲杠。如圖（d）所示。
(a) (b)
（c） （d）
圖4.3 螺桿傳動(dòng)的方式
本次設(shè)計(jì)的螺栓裝配機(jī)械手是采用了上圖（a）的運(yùn)動(dòng)方式，螺母固定不動(dòng)。
4.2.2螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)和選材
螺桿傳動(dòng)時(shí)支撐的結(jié)構(gòu)會(huì)受剛度影響。當(dāng)螺桿的形狀短粗，且垂直布置時(shí)，力傳遞的提升和螺桿、螺母可作為支撐結(jié)構(gòu)用。當(dāng)螺桿的形狀細(xì)長(zhǎng)且水平布置時(shí)，應(yīng)在螺桿的中間部位加上支撐點(diǎn)，這樣可以提高螺桿的剛性。絲杠和螺母的材料要求有高耐磨性、高強(qiáng)度性，也需要具有良好的切削性、便于制造。
表4.1 絲杠與螺母常用的材料
4.2.3絲杠的受力計(jì)算與尺寸確定
（1）直徑確定
保證螺母受到的力均勻，螺母螺紋通常的工作圈數(shù)取Φ=1.2~2.5，本文取Φ=2。螺桿材料用 45 鋼，螺母材料為青銅。
根據(jù)公式：
（4.1）
上式中：
；
許用應(yīng)力為，取。
代入計(jì)算得：;
梯形螺紋的標(biāo)準(zhǔn)，所以螺紋公稱(chēng)直徑為，螺距，升角y為3.87°，當(dāng)量摩擦角為5.91°。
（2）螺桿強(qiáng)度計(jì)算
運(yùn)用第四強(qiáng)度理論公式計(jì)算危險(xiǎn)截面的應(yīng)力：
（4.2）
扭矩：
（4.3）
y—螺紋中徑處升角；
—當(dāng)量摩擦角；
45鋼的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)，取3。
（4.4）
故有：
上述參數(shù)滿足要求。
（3）計(jì)算臨界載荷：
查手冊(cè)表1-6，E取200GP。
I== （4.5）
因此：
FC= （4.6）
（4）自鎖性驗(yàn)算
自鎖條件是
式中：為螺紋中徑處升角；
為當(dāng)量摩擦系數(shù)： （4.7）
—螺紋工作面的牙形斜角；
—當(dāng)量摩擦角。
查表得（取起動(dòng)時(shí)計(jì)算用最大值）
故
所以自鎖性可保證。
表4-2 螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)fV
4.2.4絲杠螺母螺紋牙強(qiáng)度
絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，螺母零件的強(qiáng)度較低，而螺紋牙的失效形式主要是剪切和擠壓破壞，只需要對(duì)螺母螺紋牙的強(qiáng)度進(jìn)行校核。
圖4.4 絲桿螺母
螺紋牙的計(jì)算如下：
螺紋牙危險(xiǎn)截面的剪切強(qiáng)度： ；
螺紋牙危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度： 。
牙根的厚度，且
螺紋大徑；
彎曲力,
梯形螺紋：，
4.2.5軸承的選型
選擇軸承需要考慮以下幾個(gè)因素：
（1）允許空間；
（2）載荷大小和方向；
（3）軸承工作時(shí)的轉(zhuǎn)速；
（4）軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)精度；
（5）軸承的剛性；
（6）軸承的軸向游動(dòng)。
本設(shè)計(jì)選用深溝球軸承，型號(hào)為。
查得軸承的額定動(dòng)載荷是以、可靠度為為依據(jù)的。
軸承基本額定壽命L10為：
Cε×1=Pε×L10 L10=(C/P)ε??106r
軸承工作轉(zhuǎn)速為，可求出額定壽命：
（4.8）
應(yīng)取， 是軸承的預(yù)期使用壽命。
軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷 和預(yù)期使用壽命 ，可求出額定動(dòng)載荷 ，它與所用的軸承型號(hào)的 值滿足：
（4.9）
故所選軸承滿足要求。
4.3 旋轉(zhuǎn)手臂的設(shè)計(jì)
4.3.1 手臂機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)
手臂是在具有負(fù)載和速度下移動(dòng)的。在設(shè)計(jì)中，遵循以下原則：
（1）關(guān)節(jié)軸需要相互平行。
（2）機(jī)械臂選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要符合機(jī)械手運(yùn)動(dòng)空間的要求。
（3）機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和材料的重量應(yīng)盡量最小，選擇輕質(zhì)的材料，這樣可以提高機(jī)械手的精度
（4）機(jī)械手的機(jī)械臂要盡量的平衡重量。
（5）機(jī)械臂需要具備具有緩沖能力的接頭限位開(kāi)關(guān)和機(jī)械限位塊。結(jié)構(gòu)如圖4.5所示。
圖4.5 手臂三維圖
回轉(zhuǎn)氣缸和導(dǎo)向頭的進(jìn)排氣通道固定不動(dòng)，但是缸體可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。由氣缸蓋、缸體、活塞和活塞桿組成回轉(zhuǎn)氣缸。當(dāng)回轉(zhuǎn)氣缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，外力驅(qū)動(dòng)氣缸體、氣缸蓋和導(dǎo)向頭轉(zhuǎn)動(dòng)，而活塞和活塞桿只能用于往返直線運(yùn)動(dòng)。
圖4.6 回轉(zhuǎn)氣缸
機(jī)械臂上的手爪對(duì)螺栓進(jìn)行裝配的動(dòng)作，即機(jī)械手先夾緊需要裝配的螺栓，機(jī)械臂經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)動(dòng)，將螺栓放置在螺栓孔匹配位置，然后通過(guò)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將螺栓擰入到螺栓孔內(nèi)；此時(shí)，機(jī)械手爪在把螺栓松開(kāi)，然后機(jī)械臂在進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)動(dòng)作。這一系列的工作過(guò)程中，機(jī)械手的夾緊采用手爪氣缸，手腕的旋轉(zhuǎn)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
圖4.7 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)圖
4.3.2手臂旋轉(zhuǎn)氣缸的計(jì)算與選型
手臂繞立柱上部的銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這里考慮計(jì)算旋轉(zhuǎn)力矩與慣性力矩作用，需要保證力矩的平衡，按如下公式計(jì)算：
得 ； （4.10）
整理得： （4.11）
運(yùn)動(dòng)件的總重力；
重心到支撐點(diǎn)的距離
支撐點(diǎn)到重心的長(zhǎng)度;
當(dāng)量摩擦系數(shù)。
導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵
將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算
手臂慣性力的計(jì)算：
本設(shè)計(jì)要求手臂平動(dòng)是，設(shè)啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)速度V=V=，
氣壓缸的工作壓力小于，采用型密封圈，。
密封的摩擦阻力為：
計(jì)算出氣壓缸的驅(qū)動(dòng)力：
5 手腕及手爪設(shè)計(jì)
5.1 腕部的設(shè)計(jì)要求
（1） 腕部的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕；
（2） 結(jié)構(gòu)考慮合理布局；
（3） 必須考慮工作條件。
5.2 腕部的結(jié)構(gòu)
（1） 自由度為1的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。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)式的腕部結(jié)構(gòu)。
（3） 自由度為2的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。
本設(shè)計(jì)中手腕的回轉(zhuǎn)角度是，腕部結(jié)構(gòu)可以選擇為自由度為1的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)。
5.3 腕部的計(jì)算
機(jī)械手可抓取的重物最大為，手腕可以回轉(zhuǎn)。腕部所需要的力矩，腕部的摩擦力矩。
5.3.1 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算
計(jì)算力矩：
（1） 液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件近似一個(gè)圓柱，它的高為，直徑
摩擦力矩。
當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)腕部轉(zhuǎn)過(guò)的角度為，等于。
（5.1）
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
代入數(shù)值得：
5.3.2 腕部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
表液壓缸的內(nèi)徑系列 （mm）
設(shè)定腕部部分尺寸：根據(jù)表設(shè)缸體內(nèi)空半徑，外徑依表選澤，這是液壓缸壁最小厚度，其外徑為；動(dòng)片寬度,輸出軸
.如圖5-1所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力：
，選擇8Mpa
圖5.1 腕部液壓缸的剖截面圖
表 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）
5.3.3 液壓缸蓋的螺釘設(shè)計(jì)
表 t與P之間的關(guān)系
缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算，在螺釘?shù)倪B接中，每個(gè)螺釘承受的拉力應(yīng)為：
（5.2）
因此：
液壓缸,所以螺釘,試選擇8個(gè)螺釘，，所以螺釘數(shù)目選擇合適 Z=8
危險(xiǎn)截面
有：
(5.3)
所以
螺釘?shù)牟牧峡梢赃x擇，（）
直徑： （5.4）
因此直徑d=16mm.
設(shè)計(jì)中選擇了自由度為1的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。對(duì)腕部回轉(zhuǎn)力與回轉(zhuǎn)缸連接螺釘?shù)闹睆竭M(jìn)行了計(jì)算。
5.4手部結(jié)構(gòu)技術(shù)要求
目前，根據(jù)工件的形狀及要求，工業(yè)中選用的手部機(jī)構(gòu)有多種，最常用的有爪型和吸氣型。選用不同的手機(jī)構(gòu)，夾緊力的大小也是不同的。
通過(guò)立柱與懸臂之間銷(xiāo)軸的連接作用，手臂末端的手爪要求先夾緊螺栓，在繞手腕關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)，如圖5.3所示，腕關(guān)節(jié)通過(guò)獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，繞組自身軸線旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)螺栓的擰緊。
圖5.2 手結(jié)構(gòu)圖
設(shè)計(jì)中機(jī)械手夾持的最大重量是250N,首先確定手爪夾取螺栓的尺寸是M10-M40，機(jī)械手爪可旋轉(zhuǎn)360度。
根據(jù)上述中對(duì)機(jī)械手的要求，選用的是四桿機(jī)構(gòu)，如圖5.3所示。
圖5.3 機(jī)械手的三維結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求，以下圖5.4是螺栓裝配機(jī)械手的三維圖。
圖5.4 螺栓裝配機(jī)械手三維
6.結(jié)論
畢業(yè)設(shè)計(jì)可能是我們大學(xué)生活的最后一次作業(yè)，本著一絲不茍的精神態(tài)度來(lái)完成了此次的設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)中首先對(duì)機(jī)械手的定義，發(fā)展及它的應(yīng)用，并對(duì)機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)進(jìn)行介紹。螺栓裝配機(jī)械手作為工業(yè)機(jī)械手中的重要研究對(duì)象，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)裝配線中，有效地完成了螺栓的裝配及其部件的組裝。根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求我設(shè)計(jì)一款用于自動(dòng)抓取并完成螺栓裝配的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。確定了設(shè)計(jì)中機(jī)械手采用直角坐標(biāo)式和圓柱坐標(biāo)式結(jié)合的方案，確定為4自由度，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式采用步進(jìn)電機(jī)與同步帶驅(qū)動(dòng)，采用絲杠機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其移動(dòng)及升降運(yùn)動(dòng)，采用回轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)行，并對(duì)滑軌，機(jī)械手手爪執(zhí)行機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型。
本次設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅僅是對(duì)螺栓裝配機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，還學(xué)到了很多新的知識(shí)，遇到了機(jī)械手其它方面的很多問(wèn)題，在今后的工作學(xué)習(xí)中還得加以學(xué)習(xí)。通過(guò)平常在課堂中學(xué)到的CAD與SolidWorks的知識(shí)，讓我在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)畫(huà)圖模塊中得以應(yīng)用。還讓自己悟到了需要加強(qiáng)這些軟件的練習(xí)。在計(jì)算選型時(shí)，由于對(duì)公式的不熟悉造成了很大的困擾，我借助互聯(lián)網(wǎng)與圖書(shū)館的資源查閱了大量相關(guān)機(jī)械手的資料，并得到老師的指導(dǎo)與建議，再結(jié)合自己大學(xué)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和同學(xué)的幫助使自己完成了本次設(shè)計(jì)。
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附錄1：外文翻譯
機(jī)械手的機(jī)械和控制系統(tǒng)
摘要: 最近，全球內(nèi)帶有多指夾子或手的機(jī)械人系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)了，多種方法應(yīng)用其上，有擬人化的和非擬人化的。不僅調(diào)查了這些系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu),而且還包括其必要的控制系統(tǒng)。如同人手一樣，這些機(jī)械人系統(tǒng)可以用它們的手去抓不同的物體，而不用改換夾子。這些機(jī)械手具備特殊的運(yùn)動(dòng)能力（比如小質(zhì)量和小慣性），這使被抓物體在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)做更復(fù)雜、更精確的操作變得可能。這些復(fù)雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉(zhuǎn)。本文概述了這種機(jī)械手的一般設(shè)計(jì)方法，同時(shí)給出了此類(lèi)機(jī)械手的一個(gè)示例，如卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ。本文末介紹了一些新的構(gòu)想，如利用液體驅(qū)動(dòng)器為類(lèi)人型機(jī)器人設(shè)計(jì)一個(gè)全新的機(jī)械手。
關(guān)鍵詞：多指機(jī)械手；機(jī)器人手；精操作；機(jī)械系統(tǒng)；控制系統(tǒng)
1. 引言
2001年6月在德國(guó)卡爾斯魯厄開(kāi)展的“人形機(jī)器人”特別研究，是為了開(kāi)發(fā)在正常環(huán)境（如廚房或客廳）下能夠和人類(lèi)合作和互動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這些機(jī)器人系統(tǒng)是為了能夠在非專(zhuān)業(yè)、非工業(yè)的條件下（如身處多物之中），幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時(shí)，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強(qiáng)的靈活性只能通過(guò)一個(gè)適應(yīng)性極強(qiáng)的機(jī)械人手抓系統(tǒng)來(lái)獲得，即所謂的多指機(jī)械手或機(jī)器人手。
上文提到的研究項(xiàng)目，就是要制造一個(gè)人形機(jī)器人，此機(jī)器人將裝備這種機(jī)器人手系統(tǒng)。這個(gè)新手將由兩個(gè)機(jī)構(gòu)合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學(xué)的IPR（過(guò)程控制和機(jī)器人技術(shù)研究院）和c（計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)研究院）。這兩個(gè)組織都有制造此種系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但是稍有不同的觀點(diǎn)。
IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（如圖1所示），是一個(gè)四指相互獨(dú)立的手爪，我們將在此文中詳細(xì)介紹。IAI制造的手（如圖17所示）是作為殘疾人的
2.機(jī)器人手的一般結(jié)構(gòu)
一個(gè)機(jī)器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
機(jī)械系統(tǒng)又可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進(jìn)一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。
我們將對(duì)這兩大子系統(tǒng)的問(wèn)題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ演示一下。
3.機(jī)械系統(tǒng)
機(jī)械系統(tǒng)將描述這個(gè)手看起來(lái)如何以及由什么元件組成。它決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動(dòng)器（如電動(dòng)機(jī)）、傳感器（如位置編碼器）的位置。
3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將對(duì)機(jī)械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類(lèi)型的物體以及能對(duì)被抓物體進(jìn)行何種操作。設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人手的時(shí)候，必須確定三個(gè)基本要素：手指的數(shù)量、手指的關(guān)節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。
為了能夠在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠?qū)Ρ蛔ノ矬w的操作獲得6個(gè)自由度（3個(gè)平移和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度），每個(gè)手指必須具備3個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過(guò)。但是，為了能夠重抓一個(gè)物件而無(wú)需將它先釋放再拾取的話，至少需要4根手指。
要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類(lèi)型。擬人化的安置方式很容易從人手到機(jī)器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個(gè)手指不同的尺寸和不對(duì)稱(chēng)的安置位置將增加加工費(fèi)用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，因?yàn)槊總€(gè)手指都必須分別加以控制。對(duì)于相同手指的對(duì)稱(chēng)布置，常采用非擬人化方法。因?yàn)橹恍杓庸ず蜆?gòu)建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費(fèi)用，同時(shí)也可是控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化。
3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
指關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器對(duì)手的靈活度也有很大的影響，因?yàn)樗鼪Q定潛在的力量、精度及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的速度。機(jī)械運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)方面需加以考慮：運(yùn)動(dòng)來(lái)源和運(yùn)動(dòng)方向。在這方面，文獻(xiàn)里描述了有幾種不同的方法，如文獻(xiàn)[3]中說(shuō)可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，或者，正如大部分情況一樣使用電動(dòng)機(jī)。在多數(shù)情況下，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器（如電機(jī)）太大而不能直接與相應(yīng)的指關(guān)節(jié)結(jié)合在一起，因此，這個(gè)運(yùn)動(dòng)必須由驅(qū)動(dòng)器（一般位于機(jī)器臂最后的連接點(diǎn)處）轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)。有幾種不同的方法可實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)方式，如使用鍵、傳動(dòng)帶以及活動(dòng)軸。使用這種間接驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)的方法，或多或少地降低了整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度和精度，同時(shí)也使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，因?yàn)槊扛种傅牟煌P(guān)節(jié)常常是機(jī)械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨(dú)立控制。由于具有這些缺點(diǎn)，因此小型化的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器與指關(guān)節(jié)的直接融合就顯得相當(dāng)必要。
3.3 傳感系統(tǒng)
機(jī)器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對(duì)手指或被抓物體建立一個(gè)閉環(huán)控制是很必要的。在機(jī)器手中使用了3種類(lèi)型的傳感器：
1）手爪狀態(tài)傳感器確定指關(guān)節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會(huì)打破它。
2）抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺(jué)信息可在抓取過(guò)程中及時(shí)確定與物體第一次接觸的位置點(diǎn)，同時(shí)也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺(jué)到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。
3）物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測(cè)是否滑落。
根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有關(guān)指關(guān)節(jié)位置的幾何信息可以在運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器或直接在關(guān)節(jié)處出測(cè)量。例如，如在電動(dòng)機(jī)和指關(guān)節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機(jī)軸上的一個(gè)角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來(lái)測(cè)量關(guān)節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或者要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。
3.4卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的機(jī)械系統(tǒng)
為了能夠獲得如重抓等更加復(fù)雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指組成，且每根手指由3個(gè)相互獨(dú)立的關(guān)節(jié)組成。設(shè)計(jì)該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個(gè)相同手指，將它們作對(duì)稱(chēng)、非擬人化配置，且每個(gè)手指都能旋轉(zhuǎn)90°（圖4所示）。
鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設(shè)計(jì)中得到的經(jīng)驗(yàn)，比如因傳動(dòng)帶而導(dǎo)致的機(jī)械問(wèn)題以及較大摩擦因數(shù)導(dǎo)致的控制問(wèn)題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設(shè)計(jì)決策。每根手指的關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3之間的直流電機(jī)被整合到手指前部肢體中（圖5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運(yùn)動(dòng)傳遞到手指的關(guān)節(jié)處。處在電機(jī)軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時(shí)可作為一個(gè)精度很高的位置狀態(tài)傳感器。
為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個(gè)六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個(gè)傳感器可當(dāng)作手指末端肢體使用，且配有一個(gè)球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時(shí)也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測(cè)量X、Y和Z方向的力及繞相關(guān)軸的力矩。另外，3個(gè)共線的激光三角測(cè)量傳感器被安置在KDHⅡ的手掌上（圖5所示）。因?yàn)橛?個(gè)這樣的傳感器，因此不僅可以測(cè)量3單點(diǎn)之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測(cè)出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率為1kHz，它能檢測(cè)和避免物體的滑落。
4. 控制系統(tǒng)
機(jī)器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實(shí)際利用，這些技能都是由機(jī)械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計(jì)算機(jī)即硬件和控制算法即軟件。
控制系統(tǒng)必須滿足以下幾個(gè)的條件：
1) 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，具有9個(gè)自由度的低級(jí)手，其驅(qū)動(dòng)器至少需要9路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個(gè)手指上的力傳感器、觸覺(jué)傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號(hào)好倍。
2) 需具備對(duì)外部事件快速實(shí)時(shí)反應(yīng)的能力。例如，當(dāng)檢測(cè)到物體滑落時(shí)，能立即采取相應(yīng)的措施。
3) 需具備較高的計(jì)算能力以應(yīng)對(duì)一些不同的任務(wù)。如可以對(duì)多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及閉環(huán)控制等任務(wù)。
4) 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠?qū)⑵渲苯蛹傻讲僮飨到y(tǒng)當(dāng)中。
5) 在控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對(duì)傳感器來(lái)說(shuō)，若沒(méi)有的話，很多的干擾信號(hào)將會(huì)干擾傳感器信號(hào)。
4.1 控制硬件
為了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個(gè)專(zhuān)門(mén)的處理器中。如可通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達(dá)和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計(jì)算能力，且需要一個(gè)靈活實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持。這可以通過(guò)PC機(jī)輕易地解決。
因此，控制硬件常由一個(gè)非均勻的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個(gè)功能強(qiáng)大的處理器。不同的計(jì)算單元?jiǎng)t通過(guò)一個(gè)通信系統(tǒng)連接起來(lái)，比如總線系統(tǒng)。
4.2 控制軟件
機(jī)器人手的控制軟件是相當(dāng)復(fù)雜的。必須對(duì)要對(duì)手指進(jìn)行實(shí)時(shí)及平行控制，同時(shí)還要計(jì)劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問(wèn)題的復(fù)雜性，就有必要將此問(wèn)題分成幾個(gè)子問(wèn)題來(lái)處理。
另一方面涉及軟件的開(kāi)發(fā)。機(jī)器人手其實(shí)是一個(gè)研究項(xiàng)目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設(shè)施都必須十分強(qiáng)大和靈活。這些只能使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機(jī)械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過(guò)了修剪，以滿足機(jī)械手的特殊控制要求。