三自由度搬運(yùn)機(jī)械手之機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【立柱回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角180°大臂臂長(zhǎng)700mm轉(zhuǎn)角120°小臂臂長(zhǎng)500mm轉(zhuǎn)角120°搬運(yùn)重物5KG】
三自由度搬運(yùn)機(jī)械手之機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【立柱回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角180°大臂臂長(zhǎng)700mm轉(zhuǎn)角120°小臂臂長(zhǎng)500mm轉(zhuǎn)角120°搬運(yùn)重物5KG】,立柱回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角180°,,大臂臂長(zhǎng)700mm,轉(zhuǎn)角120°,,小臂臂長(zhǎng)500mm,轉(zhuǎn)角120°,,搬運(yùn)重物5KG,三自由度搬運(yùn)機(jī)械手之機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【立柱回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角180°,,大臂臂長(zhǎng)700mm,轉(zhuǎn)角120°,,小臂臂長(zhǎng)500mm,轉(zhuǎn)角120°,,搬運(yùn)重物5KG】,自由度
湖 南 科 技 大 學(xué)
開題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)及班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化四班
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
2015年 3 月 12日
湖南科技大學(xué) 2015 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題 目
三自由度搬運(yùn)機(jī)械手之機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
作者姓名
學(xué)號(hào)
所學(xué)專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
1、 研究的意義，同類研究工作國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、存在問題（列出主要參考文獻(xiàn)）
研究的意義：在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，無論是單機(jī)還是組合機(jī)床，以及自動(dòng)生產(chǎn)流水線，都要用到機(jī)械手來完成工件的取放。
業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，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)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀：機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。
工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)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。
機(jī)械手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)械手還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)械手則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì);柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā);
焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究;以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。
存在問題：價(jià)格昂貴，實(shí)時(shí)性不理想，設(shè)備笨重并且大都停留在實(shí)驗(yàn)階段。
2、 研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題（根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)一步具體化）
研究目標(biāo)：三自由度搬運(yùn)機(jī)械手之機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
研究的主要內(nèi)容：1）傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖；
2）大、小臂步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算；
3）立柱回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算；
4）總體裝配圖的設(shè)計(jì)；
5）控制原理圖的設(shè)計(jì)
關(guān)鍵問題：整體機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)。
3、 特色與創(chuàng)新之處
可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，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)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
4、 擬采取的研究方法、步驟、技術(shù)路線
1)研究方法：基于solidworks三維設(shè)計(jì)制圖軟件，以現(xiàn)有文件、技術(shù)、資料、理論為基礎(chǔ)建立優(yōu)化模型，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；
2)步驟：（1）傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖；（2）大、小臂步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算；（3）立柱回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算；（4）總體裝配圖的設(shè)計(jì)；（5）控制原理圖的設(shè)計(jì)
5、 擬使用的主要設(shè)計(jì)、分析軟件及儀器設(shè)備
Solid Works三維設(shè)計(jì)制圖軟件
6、參考文獻(xiàn)：?
[1]??鞏云鵬、田萬祿等主編.?機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 沈陽：東北大學(xué)出版社?2000?
[2]??孫志禮，冷興聚，魏嚴(yán)剛等主編.?機(jī)械設(shè)計(jì) 沈陽：東北大學(xué)出版社?2000?
[3]??劉鴻文主編.??材料力學(xué)?北京：高等教育出版社1991?
[4]??哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研組編.?理論力學(xué) 北京：高等教育出版社?1997?
[5]??大連理工大學(xué)工程畫教研室編.?機(jī)械制圖 北京：高等教育出版社??1993?
[6]??孫?桓，陳作模主編.?機(jī)械原理 北京：高等教育出版社?2000?
[7]??高澤遠(yuǎn)，王?金主編.?機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 沈陽：東北工學(xué)院出版社?1987?
[8]??張?玉，劉?平主編.?幾何量公差與測(cè)量技術(shù) 沈陽：東北大學(xué)出版社?1999?
[9]??成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(減(變)速器.電機(jī)與電器) 化學(xué)工業(yè)出版社
注：
1、開題報(bào)告是本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的一個(gè)重要組成部分。學(xué)生應(yīng)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書的要求和文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，在開始撰寫論文之前寫出開題報(bào)告。
2、參考文獻(xiàn)按下列格式（A為期刊，B為專著）
A：[序號(hào)]、作者（外文姓前名后，名縮寫，不加縮寫點(diǎn)，3人以上作者只寫前3人，后用“等”代替。）、題名、期刊名（外文可縮寫，不加縮寫點(diǎn)）年份、卷號(hào)（期號(hào)）：起止頁碼。
B：[序號(hào)]、作者、書名、版次、（初版不寫）、出版地、出版單位、出版時(shí)間、頁碼。
3、 表中各項(xiàng)可加附頁。
湖 南 科 技 大 學(xué)
英文文獻(xiàn)翻譯
學(xué) 生 姓 名： 張 杰
學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)及班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化四班
學(xué) 號(hào)： 1103010422
指導(dǎo)教師： 李 鵬 南
2015年 5 月 28日
Robot skills for manufacturing: From concept to industrial deployment
Author: Mikkel Rath Pedersen,?,?Lazaros Nalpantidis,?Rasmus Skovgaard Andersen,?Casper Schou,?Simon B?gh,?Volker Krüger,?Ole Madsen
Reference: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0736584515000575
Due to a general shift in manufacturing paradigm from mass production towards mass customization, reconfigurable automation technologies, such as robots, are required. However, current industrial robot solutions are notoriously difficult to program, leading to high changeover times when new products are introduced by manufacturers. In order to compete on global markets, the factories of tomorrow need complete production lines, including automation technologies that can effortlessly be reconfigured or repurposed, when the need arises. In this paper we present the concept of general, self-asserting robot skills for manufacturing. We show how a relatively small set of skills are derived from current factory worker instructions, and how these can be transferred to industrial mobile manipulators. General robot skills can not only be implemented on these robots, but also be intuitively concatenated to program the robots to perform a variety of tasks, through the use of simple task-level programming methods. We demonstrate various approaches to this, extensively tested with several people inexperienced in robotics. We validate our findings through several deployments of the complete robot system in running production facilities at an industrial partner. It follows from these experiments that the use of robot skills, and associated task-level programming framework, is a viable solution to introducing robots that can intuitively and on the fly be programmed to perform new tasks by factory workers.
In order to remain competitive in a globalized environment, manufacturing companies need to constantly evolve their production systems and accommodate the changing demands of markets. Currently, production is experiencing a paradigm shift from mass production to mass customization of products. The impact of this trend on production systems is that they should adapt to handle more product variation, smaller life cycles, and smaller batch sizes – ideally batch size 1. Today, robot-based production is an essential part of the industrial manufacturing backbone. However, the concept of an industrial robot statically placed in a cell and continuously repeating a carefully predefined sequence of actions has remained practically unchanged for many decades. Contrary to traditional robot macros, our skills are characterized as being general, in that they can handle a variety of objects, and self-asserting, in that they contain pre- and postcondition checks. Finally, this set of skills for a given industry can be naturally extracted from a careful analysis of industrial standard operating procedures (SOP).
Robotics is expected to be one of the main enablers of this transition to the transformable factory of tomorrow. To reach the demanded level of flexibility robots, or more generally mobile manipulators, need to be able to move autonomously, cope with uncertainty in interactions with humans and partially known environments, handle a variety of different tasks, and be able to be reprogrammed fast by non-robot experts when a new task in the factory arises.
As mentioned earlier, mobile manipulators can be one of the enablers in robotics to accommodate the higher demand for flexibility in future industrial production. We argue that the use of robot skills is the key to making this happen. We will begin by showing how robot skills have been identified from the current work procedures in the industry.
This work has been focused on developing robotic systems suitable for the envisioned transformable factories of tomorrow. We have presented a conceptual model for object-centered robot skills that are similar to the abstraction level used when instructing tasks to human workers. We have shown how task-level programming can be combined with our notion of robot skills. This combination effectively acts as a higher abstraction layer, freeing the user from having to specify details such as cartesian coordinates, reference frames, or action specific parameters. The fact that skills are applied on objects, coupled with condition checks in our skills, makes it possible to use very intuitive HRI interfaces, such as kinesthetic teaching and gesture-based teaching for the definition of tasks. As a result, the notion of skills, the way we described and tested it in this work, allows non-robot experts to intuitively interact with and program a complex robotic system, such as an industrial mobile manipulator, with only minor training. Finally, as any other system intended for industrial use, robots equipped with our skills have been deployed and tested in real industrial scenarios, showing their robustness and effectiveness. We believe that our robot skills constitute a significant step towards achieving transformable robots, and that such an approach can ultimately increase competitiveness of manufacturing companies.
機(jī)器人制造技能:從概念到工業(yè)部署
作者: Mikkel Rath Pedersen,?,?Lazaros Nalpantidis,?Rasmus Skovgaard Andersen,?Casper Schou,?Simon B?gh,?Volker Krüger,?Ole Madsen
參考來源: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0736584515000575
由于制造業(yè)的總體轉(zhuǎn)變范式由大規(guī)模生產(chǎn)走向大規(guī)模定制和可重構(gòu)的自動(dòng)化技術(shù),所以，機(jī)器人成為必須的發(fā)展趨勢(shì)。為了在全球市場(chǎng)更好地競(jìng)爭(zhēng),未來的工廠將需要完整的生產(chǎn)線,包括在需要的時(shí)候，自動(dòng)化技術(shù)可以毫不費(fèi)力地重新配置或改造。我們目前通用的概念是self-asserting機(jī)器人制造技能，它主要展示一組相對(duì)較小的技能是來自當(dāng)前工人指令,和如何轉(zhuǎn)移到這些工業(yè)移動(dòng)機(jī)械手。一般機(jī)器人技能通過使用簡(jiǎn)單的任務(wù)級(jí)別的編程方法可以直觀地連接到程序執(zhí)行各種任務(wù)的機(jī)器人。我們驗(yàn)證的結(jié)果通過一些部署完整的機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)行生產(chǎn)設(shè)施的工業(yè)合作伙伴。它遵循從這些實(shí)驗(yàn),包括機(jī)器人的使用技能,和相關(guān)的任務(wù)級(jí)別的編程框架。引入機(jī)器人,可以直觀和動(dòng)態(tài)被編程來執(zhí)行新任務(wù)由工廠工人，是一個(gè)可行的解決方案。
為了在全球化的環(huán)境下保持競(jìng)爭(zhēng)力,制造企業(yè)需要不斷發(fā)展他們的生產(chǎn)系統(tǒng)和適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)需求。機(jī)器人將是可變形的未來工廠的主要推動(dòng)者之一，然而達(dá)到要求的靈活性的機(jī)器人,或更普遍的移動(dòng)機(jī)械手,需要能夠自主移動(dòng),并且在應(yīng)對(duì)不確定性與人類互動(dòng)和部分已知的環(huán)境中,處理各種不同的任務(wù),并且能夠被重新編程快速non-robot專家在工廠發(fā)生當(dāng)一個(gè)新的任務(wù)。與傳統(tǒng)機(jī)器人相比,我們的技能具有一般性,他們可以處理各種各樣的對(duì)象，包含前置和后置條件檢查。最后,這個(gè)技能對(duì)于一個(gè)給定的行業(yè)可以從仔細(xì)分析自然提取的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作程序(SOP)。
如前所述,移動(dòng)機(jī)械手可以是機(jī)器人技術(shù)的推動(dòng)者之一,適應(yīng)未來的工業(yè)生產(chǎn)對(duì)靈活性的需求就越高。我們認(rèn)為,機(jī)器人的使用技能是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的關(guān)鍵。我們將開始通過展示機(jī)器人技術(shù)已確定從當(dāng)前的工作程序。定義的能力依賴于行動(dòng)和感知序列,但動(dòng)作本身是適應(yīng)特定的任務(wù)的一組參數(shù),從而使通用的技能在一定范圍內(nèi)。每個(gè)技能都有一個(gè)或多個(gè)直觀的參數(shù)作為輸入,這與所有的工廠工人有關(guān)，而這些參數(shù)對(duì)象的相關(guān)技能,和執(zhí)行的技能是密切基于該參數(shù)的。
在執(zhí)行階段,機(jī)器人執(zhí)行預(yù)定程序的感知和行動(dòng)操作根據(jù)輸入?yún)?shù)完成技能。這些操作在理想情況下應(yīng)以這樣一種方式實(shí)現(xiàn),由指定的技能集成器來處理所有與參數(shù)相關(guān)的工廠。此外,重要的是，內(nèi)部的操作技能并不是盲目地執(zhí)行,而是依賴于傳感器的反饋,以確保穩(wěn)定,例如運(yùn)動(dòng)期間規(guī)劃避碰運(yùn)動(dòng)。操作員是從未接觸過內(nèi)的個(gè)人操作技能,但只有與完整的技巧和其直觀的參數(shù)。
在現(xiàn)實(shí)世界中，每個(gè)技能用于檢查程序之前都有關(guān)聯(lián)的一組前提條件和預(yù)測(cè)其執(zhí)行的結(jié)果。這些根據(jù)不同的條件可以從相關(guān)的世界模型驗(yàn)證或通過特殊感應(yīng)操作來獲得。此外,隨著技能STRIPS-like配方先決條件和預(yù)測(cè)上啟用任務(wù)規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域,只有任務(wù)規(guī)范所需的目標(biāo)狀態(tài),考慮到機(jī)器人都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的世界模型,從中可以提取當(dāng)前狀態(tài)的規(guī)劃問題。
定義的能力依賴于行動(dòng)和感知序列,但動(dòng)作本身是適應(yīng)特定的任務(wù)的一組參數(shù),從而使通用的技能在一定范圍內(nèi)。每個(gè)技能都有一個(gè)或多個(gè)直觀的參數(shù)作為輸入,這是所有的這些工作都集中在開發(fā)機(jī)器人系統(tǒng)適合明天的設(shè)想可變形的工廠。一個(gè)概念模型object-centered機(jī)器人被提出，它是類似于抽象層次使用的技能指導(dǎo)任務(wù)時(shí)對(duì)人類工人，它展示了如何結(jié)合我們的任務(wù)級(jí)別編程機(jī)器人的概念技能。這種組合有效地充當(dāng)一個(gè)更高的抽象層,讓用戶不必指定細(xì)節(jié),如笛卡兒坐標(biāo)參考框架,或行動(dòng)的具體參數(shù)。技能應(yīng)用于對(duì)象,加上條件檢查在我們的技能,可以使用非常直觀HRI接口,如動(dòng)覺教學(xué)和手勢(shì)的定義的教學(xué)任務(wù)。因此,技能的概念包括我們描述和測(cè)試它的工作方式,允許non-robot專家直觀地與和程序復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)交互,如一個(gè)工業(yè)移動(dòng)機(jī)械手,只有輕微的訓(xùn)練。最后,正如其他系統(tǒng)用于工業(yè)使用,機(jī)器人配備我們的技能已經(jīng)被部署和測(cè)試在實(shí)際工業(yè)場(chǎng)景中,顯示他們的魯棒性和有效性。相信我們的機(jī)器人技能將成為現(xiàn)可變形的機(jī)器人的重要舉措,最終,可以提高制造企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）
題目
三自由度搬運(yùn)機(jī)械手之機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
作者
學(xué)院
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)
學(xué)號(hào)
指導(dǎo)教師
二〇一五年 五 月 二十八 日
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
機(jī)電工程學(xué) 院 機(jī)械制造 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日
學(xué)生姓名: 學(xué)號(hào): 專業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
1 設(shè)計(jì)（論文）題目及專題： 三自由度搬運(yùn)機(jī)械手之機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2 學(xué)生設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：自 2015年 3 月 8日開始至 2015 年 5 月 29 日止
3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料：
1. 立柱回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角180°，大臂臂長(zhǎng)700mm，轉(zhuǎn)角120°，小臂臂長(zhǎng)500mm，轉(zhuǎn)角120°，搬運(yùn)重物5KG。
2.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)及其相關(guān)資料
4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
1.傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
2.大、小臂步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算
3.立柱回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算
4.總體裝配圖的設(shè)計(jì)
5 提交設(shè)計(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說明與圖紙或論文等）及要求：
1．轉(zhuǎn)配圖、控制原理圖、主要零件的零件圖（不少于3張A0圖紙）；2.設(shè)計(jì)說明書（不少于40頁）；3.一片不少于1500漢字的外文文獻(xiàn)翻譯；
6 發(fā)題時(shí)間： 2015 年 3 月 8 日
指導(dǎo)教師： （簽名）
學(xué) 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)人評(píng)語
[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作態(tài)度，研究?jī)?nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實(shí)用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)]
指導(dǎo)人： （簽名）
年 月 日
指導(dǎo)人評(píng)定成績(jī)：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)語
[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究?jī)?nèi)容與方法，實(shí)用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)]
評(píng)閱人： （簽名）
年 月 日
評(píng)閱人評(píng)定成績(jī)：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄
日期：
學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)：
題目：
提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)下列材料：
1 設(shè)計(jì)（論文）說明書 共 頁
2 設(shè)計(jì)（論文）圖 紙 共 頁
3 指導(dǎo)人、評(píng)閱人評(píng)語 共 頁
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語：
[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的研究思路，設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）的介紹，回答問題情況等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)]
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摘 要
隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展的需要，機(jī)械手在工業(yè)應(yīng)用中越來越重要。文章主要敘述了機(jī)械手設(shè)計(jì)及計(jì)算過程。首先，本文介紹機(jī)械手的作用，機(jī)械手的組成和分類，說明了自由度和機(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)格參量以及介紹了搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)理論和方法，全面詳盡的討論了搬運(yùn)機(jī)械手的手部、手臂以及機(jī)身等主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后使用軟件對(duì)機(jī)械手的手部實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)仿真。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；運(yùn)動(dòng)仿真；機(jī)械傳動(dòng)；
ABSTRACT
With the needs of the development of industrial automation, robots are becoming increasingly important in industrial applications. This paper mainly describes the design and the calculation process of the manipulator. First, the role of the manipulator, the composition and classification of the manipulator are introduced as well as the degree of freedom and ordinates of the manipulator. Meanwhile, in this thesis, the main performance specifications and parameters of the manipulators are mentioned. Besides,this article introduces the design theory and methods of carrying manipulator and also comprehensive and detailed information which discusses the carrying manipulator hand,, arm, and the fuselage structure design of main parts. Finally, it states the using software of manipulator hand movement stimulation.
Key Words: Manipulator; movement stimulation; mechanical transmission
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湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
目 錄
第一章 緒 論…………………………………………………………………………1
1.1 前言………………………………………………………………………………1
1.2 工業(yè)機(jī)械手的簡(jiǎn)史………………………………………………………………2
1.3 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用……………………………………………………3
1.4 機(jī)械手的組成……………………………………………………………………4
1.4.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)……………………………………………………………………4
1.4.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)……………………………………………………………………6
1.4.3控制系統(tǒng)……………………………………………………………………6
1.4.4位置檢測(cè)裝置………………………………………………………………6
1.5 工業(yè)機(jī)械手的分類………………………………………………………………7
1.5.1按用途分……………………………………………………………………7
1.5.2按驅(qū)動(dòng)方式分………………………………………………………………7
1.5.3按控制方式分………………………………………………………………8
1.6 工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)…………………………………………………………9
1.7 工業(yè)機(jī)械手的自由度和座標(biāo)型式………………………………………………10
1.8 本文主要研究?jī)?nèi)容………………………………………………………………12
第二章 方案的確定與比較分析……………………………………………………12
2.1 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的比較與選擇…………………………………………………12
2.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較與選擇…………………………………………………15
第三章 驅(qū)動(dòng)源的選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………17
3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定……………………………………………………………17
3.2 各關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇計(jì)算…………………………………………………………18
3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇……………………………………………………19
3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇……………………………………………………20
第四章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案…………………………………………………………21
4.1 機(jī)械手基本形式的選擇…………………………………………………………21
4.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題…………………………………………………………21
4.3 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng)………………………………………………………22
4.4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇…………………………………………………………………22
4.5 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)………………………………………………………………23
4.6 機(jī)械手手爪夾持精度的分析……………………………………………………23
第五章 臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算……………………………………………………24
5.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求……………………………………………………………24
5.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇………………………………………………25
5.2.1 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)………………………………………………………25
5.2.2 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇………………………………………………………25
5.3 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算……………………………………………………25
5.3.1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算…………………………………………………26
5.3.2 手臂慣性力的計(jì)算…………………………………………………………27
5.3.3 連接部分的摩擦阻力………………………………………………………27
第六章 底座的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………27
6.1 底座的整體設(shè)計(jì)…………………………………………………………………28
6.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理………………………………………………………28
第七章 各機(jī)械部件的設(shè)計(jì)選擇與校核…………………………………………29
7.1 軸的設(shè)計(jì)與校核…………………………………………………………………29
7.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)………………………………………………………29
7.1.2 大臂軸的強(qiáng)度校核………………………………………………………29
7.2 鍵的選擇與強(qiáng)度的校核…………………………………………………………33
7.2.1大臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強(qiáng)度校核………………………………………33
7.2.2小臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強(qiáng)度校核………………………………………34
7.3 軸承壽命的校核…………………………………………………………………35
第八章 結(jié)論……………………………………………………………………………37
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………38
致 謝………………………………………………………………………………………39
-vi-
第一章 緒 論
1.1前言
用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為機(jī)械手。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(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(dòng)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)中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為了一門新興的學(xué)科——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(dòng)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(dòng)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(gè)重要分支。它的特點(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，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。
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)：首先、它能部分的代替人工操作；其次、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸；最后、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)械手是一種能自動(dòng)控制并可從新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，他有多個(gè)自由度，可以搬運(yùn)工件以完成在不同環(huán)境中的工作。
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)性比較強(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。
1.2 工業(yè)機(jī)械手的簡(jiǎn)史
現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。
機(jī)械手首先是從美國(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)械手。他的結(jié)構(gòu)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。
1962年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動(dòng)公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。
1962年美國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是當(dāng)時(shí)國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。
美國(guó)還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到±0.1毫米。
德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等等。
日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年個(gè)大學(xué)和國(guó)家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長(zhǎng)50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已經(jīng)占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長(zhǎng)。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。
第二代的機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。
第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(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(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多。
1.3工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用
? 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作?？稍跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國(guó)機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個(gè)生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運(yùn)機(jī)械手為研究對(duì)象。
1.4 機(jī)械手的組成
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1.1所示。
圖1.1機(jī)械手的組成方框圖
1.4.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)
包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。
1、手部
手部即與物件接觸的部分。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。
夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適合夾持直徑變化范圍大的工件。
手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多，常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。
吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。
對(duì)于輕小片狀零件和光滑薄板材料這類工件，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。
對(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。
此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式.
2、手腕
手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))。
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.
工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。
手臂可能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)如下:
手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝
置，以保證手指可以按正確方向運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，這樣能使運(yùn)動(dòng)部件
受力狀態(tài)簡(jiǎn)單。
導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。
4、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立往通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。
5、行走機(jī)構(gòu)
當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)的距離操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安
裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾滾輪輪式式布行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。
6、機(jī)座
機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)
座上，故起支撐和連接的作用。
1.4.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。
1.4.3控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。
控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(比如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可以對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
1.4.4位置檢測(cè)裝置
控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制
系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)
以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。
1.5工業(yè)機(jī)械手的分類
工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國(guó)內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。
1.5.1按用途分
機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:
1、專用機(jī)械手
它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械
手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大
批量的自動(dòng)化生產(chǎn)，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手和“加口工中心”附屬的自動(dòng)換刀機(jī)械手。
2、通用機(jī)械手
它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和
控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于
不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。
通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種:簡(jiǎn)易型以 “開一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制: 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類
型。
1.5.2按驅(qū)動(dòng)方式分
1、 液壓傳動(dòng)機(jī)械手
是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾
百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油
的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械
手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是
電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。
2、 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手
是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。
3、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手
即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。它常被用于工作主機(jī)的上、下料。
4、電力傳動(dòng)機(jī)械手
即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。
1.5.3按控制方式分
1、點(diǎn)位控制
它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。
2、連續(xù)軌跡控制
它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。
1.6工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)
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(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。
機(jī)械結(jié)構(gòu)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(cè)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(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。
工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)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)中已有成熟應(yīng)用。
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。
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(guó)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。
機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品:機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)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(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)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.我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺、力覺、觸有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在最短的時(shí)間內(nèi)立于世界先進(jìn)行列之中。
1.7工業(yè)機(jī)械手的自由度和座標(biāo)型式
1 工業(yè)機(jī)械手的自由度
自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，每一個(gè)構(gòu)件（即運(yùn)動(dòng)件）相對(duì)固定坐標(biāo)系所
具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)稱為自由度。每一個(gè)構(gòu)件相對(duì)固定坐標(biāo)系最多可有六個(gè)自由度即沿X、Y、Z三個(gè)方向獨(dú)立的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和繞X、Y、Z軸的三個(gè)獨(dú)立的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)構(gòu)件組成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接稱為運(yùn)動(dòng)副，對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)加以限制的條件即為約束條件。因?yàn)?，組成運(yùn)動(dòng)副的各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)是受到約束的，不能任意運(yùn)動(dòng)，必須按照人們預(yù)定的規(guī)律而運(yùn)動(dòng)。分析機(jī)械手的手臂、手腕、手指等部件的本身和它們之間的關(guān)系，不外乎是由一組相互聯(lián)系著的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副所組成，這些運(yùn)動(dòng)副又可以分為只有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副或有三個(gè)自由度的球面副。
所謂工業(yè)機(jī)械手的自由度就是整機(jī)、手臂和手腕相對(duì)于固定坐標(biāo)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。有幾個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)就有幾個(gè)自由度。手指的抓取動(dòng)作或吸盤的吸放動(dòng)作一般不記在自由度數(shù)目?jī)?nèi)。
工業(yè)機(jī)械手自由度數(shù)的多少，決定著工業(yè)機(jī)械手動(dòng)作多樣化的程度。一般為了確定被抓取對(duì)象在空間的位置和方位（即姿勢(shì)）需要有六個(gè)自由度。但實(shí)際上由于有些工件或工具具有對(duì)稱性或放置狀態(tài)一定，往往并不需要工業(yè)機(jī)械手都具有六個(gè)自由度。
工業(yè)機(jī)械手的自由度數(shù)越多。它的動(dòng)作越靈活，應(yīng)用越廣，但同時(shí)也使控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，定位精度難以保證，整機(jī)的造價(jià)高，自重大。所以，在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械手時(shí)，應(yīng)按照生產(chǎn)實(shí)際需要選用最少的自由度數(shù)。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)械手的自由度數(shù)目多數(shù)為2—5個(gè)。
2 座標(biāo)型式
按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可以分為下列幾種：
（1）直角坐標(biāo)式：其手臂的運(yùn)動(dòng)系由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)所組成，即沿直角座標(biāo)系的X軸的伸縮、沿Z軸的升降、沿Y軸的橫移。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱為直角座標(biāo)式機(jī)械手。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高，適用于主機(jī)位置成行排列的場(chǎng)合。但是由于占地面積大而工作范圍小以及靈活性差，限制了它的使用范圍。
（2）圓柱座標(biāo)式：其手臂的運(yùn)動(dòng)系由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)所組成，即沿直角座標(biāo)系的X軸的伸縮、沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱為圓柱座標(biāo)式機(jī)械手。它與直角坐標(biāo)式相比較，占地面積小而活動(dòng)范圍小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，因此應(yīng)用較廣泛，但是由于機(jī)械手結(jié)構(gòu)的關(guān)系，沿Z軸方向移動(dòng)的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。
（3）球座標(biāo)式：其手臂的運(yùn)動(dòng)系由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)所組成，即沿X軸的伸縮、繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱為）球座標(biāo)式機(jī)械手。
這種機(jī)械手手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)能抓取地面上的物件，為了使手部能適應(yīng)被抓取物件方位的要求，常常設(shè)有手腕上下擺動(dòng)，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種型式的機(jī)械手手臂具有動(dòng)作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點(diǎn)，它使用于沿軸伸縮方向外作業(yè)的傳動(dòng)形式。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此外，手臂擺角的誤差通過手臂會(huì)引起手部中心處的誤差放大。
（4）關(guān)節(jié)式：其機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)類似人的手臂可作幾個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，它由大小兩臂和立柱等組成，大小兩臂之間的聯(lián)動(dòng)為肘關(guān)節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)均由鉸鏈構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，手臂的運(yùn)動(dòng)系由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成，即大臂的俯仰、小臂俯仰和大臂的回轉(zhuǎn)。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱為關(guān)節(jié)式機(jī)械手。它的特點(diǎn)是工作范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的物件，并能繞過機(jī)體和工作主機(jī)之間的障礙物去抓取物件，此為其它型式的機(jī)械手不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是關(guān)節(jié)式機(jī)械手的手指定位是由各個(gè)關(guān)節(jié)相互轉(zhuǎn)角來決定的，所以定位精度較差，另外，控制裝置和機(jī)械機(jī)構(gòu)比其它型式的機(jī)械手均復(fù)雜。
機(jī)械手座標(biāo)型式的正確選擇，要通過座標(biāo)型式方案的比較來確定。在擬定座標(biāo)型式方案時(shí)，又須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體生產(chǎn)情況和工藝、精度、安裝空間的要求，結(jié)合各種座標(biāo)型式的特點(diǎn)來分析比較，確定比較合理的座標(biāo)型。
1.8本文主要研究?jī)?nèi)容
本文研究了國(guó)內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運(yùn)機(jī)械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的力學(xué)模型分析，完成了機(jī)械手機(jī)械方面的設(shè)計(jì)工作（包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分）的設(shè)計(jì)工作。
第二章 方案的確定與比較分析
本畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種：
結(jié)構(gòu)形式方案
特點(diǎn)
優(yōu)缺點(diǎn)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
直角坐標(biāo)型
操作機(jī)的手臂具有三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按直角坐標(biāo)配置
結(jié)構(gòu)剛度較好，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為簡(jiǎn)單，但其占空間較大，且運(yùn)動(dòng)軌跡單一，使用過程中效率較低
圓柱坐標(biāo)型
操作機(jī)的手臂至少有一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按圓柱坐標(biāo)系配置
結(jié)構(gòu)剛度較好，運(yùn)動(dòng)所需功率較小，控制難度較小，但運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)單，使用過程中效率不高
球坐標(biāo)型
操作機(jī)的手臂具有兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標(biāo)系配置
結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定難度，且機(jī)械手臂的剛度不足，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜
關(guān)節(jié)型
操作機(jī)的手臂類似人的上肢關(guān)節(jié)動(dòng)作，具有三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)
運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，結(jié)構(gòu)最為緊湊，但控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度大，機(jī)械手臂的剛度差
表2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)選型表
2.1 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的比較與選擇
1. 直角坐標(biāo)型機(jī)械手
直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動(dòng)，按直角坐標(biāo)形式X、Y、Z三個(gè)方向的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見表2.1。
其工作范圍可以使一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。如在X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)方向上各具有A、B、C三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成六個(gè)自由度。但在實(shí)際上是很少有的。缺點(diǎn)是這種機(jī)械手作業(yè)范圍較小，占空比大，靈活性差。
2. 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手適用于搬運(yùn)和測(cè)量工作。 具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而動(dòng)作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由X、Z、φ三個(gè)運(yùn)動(dòng)組成。它的工作范圍可分為：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見表2-1.
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個(gè)基本動(dòng)作：
(1) 手臂水平回轉(zhuǎn)；
(2) 手臂伸縮；
(3) 手臂上下；
(4) 手臂回轉(zhuǎn)動(dòng)作；
(5) 手爪夾緊動(dòng)作。
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動(dòng)套筒、手臂裝在滑動(dòng)套筒上，手臂可作上下直線運(yùn)動(dòng)（Z）和在水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動(dòng)（φ）。
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)龐大，兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，難于其他設(shè)備協(xié)調(diào)工作。
3 球坐標(biāo)型機(jī)械手
球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。它是由X、θ、φ三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見表2.1。球坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍包括：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。
球坐標(biāo)式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)以下八個(gè)動(dòng)作：
(1) 手臂上下動(dòng)作，即俯仰動(dòng)作；
(2) 手臂左右動(dòng)作，即回轉(zhuǎn)動(dòng)作；
(3) 手臂前后動(dòng)作，即伸縮動(dòng)作；
(4) 手腕上下彎曲；
(5) 手腕左右擺動(dòng)；
(6) 手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；
(7) 手爪夾緊動(dòng)作；
(8) 機(jī)械手整體移動(dòng)。
球坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)做圓弧狀上下俯仰運(yùn)動(dòng)，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動(dòng)，工作范圍和人手的動(dòng)作類似。它的特點(diǎn)是能自動(dòng)選擇最合理的動(dòng)作路線。所以工效高。另外由于上下擺動(dòng)，它的相對(duì)體積小，動(dòng)作范圍大。其缺點(diǎn)是壁障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長(zhǎng)成正比，控制難度大。
4 關(guān)節(jié)型機(jī)械手
又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，分為垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面（水平）關(guān)節(jié)坐標(biāo)，機(jī)械手由立柱和大小臂組成，立柱與大臂通過肩關(guān)節(jié)相連接，立柱繞z軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，大臂與小臂形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)和俯仰，小臂作俯仰。機(jī)械手工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，避障性好，能抓取靠近機(jī)座的物體，其缺點(diǎn)是位置精度較低，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來越多。
本次設(shè)計(jì)的是實(shí)驗(yàn)用三自由度機(jī)械手，要求體積小，重量輕，靈活性強(qiáng)，對(duì)精度要求不高，抓取重量較輕，上述4種類型機(jī)械手中關(guān)節(jié)式械手結(jié)構(gòu)最為緊湊，占空比最小，適合中小負(fù)載，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，所以本次設(shè)計(jì)選擇關(guān)節(jié)式機(jī)械手。
2.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較與選擇
工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)可分為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三種基本類型。
1 液壓驅(qū)動(dòng)
液壓傳動(dòng)機(jī)械手有很大的抓取能力，抓取力可高達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá)7Mpa，液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封性要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)場(chǎng)工作，需配備一套液壓系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)龐大。
液壓驅(qū)動(dòng)有以下特點(diǎn)：
(1) 輸出功率很大，壓力范圍為50-140N/cm2。
(2) 控制性能較強(qiáng)，利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。
(3) 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大。
(4) 液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑，過載保護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。
液壓驅(qū)動(dòng)需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄漏而影響運(yùn)動(dòng)精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因。
(5) 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手和托運(yùn)機(jī)械手。
2 氣壓驅(qū)動(dòng)
氣壓傳動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，價(jià)格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩(wěn)定性差，氣壓一般為0.7Mpa，因而抓取力小，只有幾十牛到百牛力。
氣壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)：
(1) 輸出功率不大，壓力范圍為48-60N/cm2，最高可達(dá)100N/cm2
(2) 可控性不強(qiáng)，氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制。
(3) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題比液壓小。
(4) 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)，精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)械手本體的氣動(dòng)平衡和及裝配機(jī)械手氣動(dòng)夾具。
3 電力驅(qū)動(dòng)
這種驅(qū)動(dòng)是目前在機(jī)器手中用的最多的一種。早期多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（SM）驅(qū)動(dòng)，后來發(fā)展了直流伺服電動(dòng)機(jī)（DC），現(xiàn)在交流伺服電動(dòng)機(jī)（AC）驅(qū)動(dòng)也開始廣泛應(yīng)用。上述驅(qū)動(dòng)單元有的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，有的通過減速器裝置來減速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。
電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手，如AC伺服噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、裝配機(jī)械手等。
電力驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：
(1) 普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)械手。
(2) 直流伺服電動(dòng)機(jī)：直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可很方便地在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑的無級(jí)調(diào)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適應(yīng)頻繁啟動(dòng)、反向、制動(dòng)等工作狀況。直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式不同，有永磁式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速高低及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小，有高速、小慣量（小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有多種：無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)，繞組鐵芯細(xì)長(zhǎng)，故轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，靈敏度更高，功率較??；印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)，可承受頻繁的起動(dòng)、換向，切率中等。這類電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，電感小，故換向性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，快速性能好，低速無爬行。）和低速、大慣量（大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式和電磁式兩種，其中永磁式用得較多，它的低速性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)子慣量大，受負(fù)載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過載、重載能力強(qiáng)。）之分。
(3) 交流伺服電動(dòng)機(jī)：交流伺服電動(dòng)機(jī)幾乎具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維護(hù)簡(jiǎn)單，具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更好等技術(shù)特點(diǎn)，可達(dá)到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。
(4) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由電脈沖信號(hào)控制的，它可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便、價(jià)格較低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無漂移、無積累定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡(jiǎn)單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個(gè)數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡(jiǎn)便。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。純硬件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成，它的作用就是把脈沖串分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。若采用微機(jī)技術(shù)，用軟件與硬件相結(jié)合，則控制器不僅可在硬件上簡(jiǎn)化線路，降低成本，而且又提高可靠性。
綜上所述，由于本次設(shè)計(jì)機(jī)械手負(fù)載較小，對(duì)體積有一定要求，又考慮到機(jī)械手的特點(diǎn)和各驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)體積小，控制精度高，與傳動(dòng)系統(tǒng)配合結(jié)構(gòu)最為緊湊，故本設(shè)計(jì)選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)
第三章 驅(qū)動(dòng)源的選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定
1. 大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為650mm，質(zhì)量為M1(6kg左右)，重心在距離第一關(guān)節(jié)軸350mm處，L1=350mm。
2. 小臂的第二關(guān)節(jié)軸和手爪前部之間的距離為450mm，質(zhì)量為M2(5kg左右)，重心在距第二關(guān)節(jié)軸250mm處，L2=350+250=700mm。
如圖3.2所示，設(shè)計(jì)機(jī)械手開口盤質(zhì)量和尺寸如下：
旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)盤中心距離為160mm，轉(zhuǎn)盤質(zhì)量為5Kg。
本次設(shè)計(jì)機(jī)械手的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
負(fù)載5kg；大臂回轉(zhuǎn)：0~，；小臂回轉(zhuǎn)：0~，； 腰部旋轉(zhuǎn)：0~，600/s；手爪夾持半徑10mm～300mm。
3.2 各關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇計(jì)算
當(dāng)機(jī)械手手臂旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)臂伸開呈一條直線時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時(shí)可產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。如圖3-1所示，設(shè)兩臂繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2，根據(jù)平行軸定理可得繞大臂軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為[14]：
J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （3-1）
其中：M1，M2，分別為6Kg，7Kg；L1，L2，分別為220mm，677mm。JG1M1L12、JG2M2L22，故可忽略不計(jì)，所以繞大臂軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
J1= M1L12+M2L22 (3-2)
=6×0.22+7×0.6772
=3.45kg.m2
同理可得小臂繞小臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
M2=7Kg，L4=280mm。
J2=M2L42 (3-3)
=7×0.282
=0.5488kg.m2
腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加上大臂與小臂繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和。
設(shè)開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J3，所以同理可得腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
M3=15Kg，L5=160mm。
（3-4）
3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇
設(shè)大臂速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下：
（3-5）
式中：T ——旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩，N.m。
J —— 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2。
——角加速度，rad/s。
設(shè)機(jī)械手大臂從到所需的時(shí)間為：，由式（3-5）有：
若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：
選擇減速機(jī)：
型號(hào)：APEX-AE235 （同軸式行星減速機(jī)）
額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m
減速比：i1=100
諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為：
(3-6)
選擇小型直流伺服電機(jī)：
型號(hào)：MAXON-EC118896
額定轉(zhuǎn)矩：0.7N.m
額定電壓：24V
額定電流：1.5A
額定轉(zhuǎn)速：1000rpm
最高轉(zhuǎn)速：1200rpm
額定功率：40w
電機(jī)尺寸：L=93mm D=46mm
3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇
原理同上，設(shè)小臂轉(zhuǎn)速，設(shè)角速度從0加到所需加速時(shí)間，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下：
（3-7）
式中：T ——旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩，N.m。
J ——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2。
——角加速度，rad/s2。
由式（3-7）有：
若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：
（3-8)
選擇減速機(jī)：
型號(hào)：APEX-AE235 （同軸式行星減速機(jī)）
額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m
減速比：i2=100
諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為：
(3-9)
選擇小型步進(jìn)電機(jī)：
型號(hào)：MAXON-EC118896
額定轉(zhuǎn)矩：0.7N.m
額定電壓：24V
額定電流：1.5A
額定轉(zhuǎn)速：1000rpm
最高轉(zhuǎn)速：1200rpm
額定功率：40w
電機(jī)尺寸：L=93mm D=46mm
第四章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案
對(duì)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是搬運(yùn)機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。
4.1 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(dòng)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。
4.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題
1. 具有足夠的握力(即夾緊力)
在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。
2. 手指間應(yīng)具有一定的開閉角
兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。
3. 保證工件準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。
4. 具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。
5. 考慮被抓取對(duì)象的要求
根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn) 兩指回轉(zhuǎn)型，故在夾持臂頭上凸起一部分以防工件滑落。
4.3機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng)
在圓柱坐標(biāo)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3個(gè)自由度既：大臂回轉(zhuǎn)；小臂回轉(zhuǎn)；底座回轉(zhuǎn)3個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。
本設(shè)計(jì)機(jī)械手主要由4個(gè)大部件組成：（1）手部，采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手抓的張合。（2） 大臂，采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)大臂的回轉(zhuǎn)（3）小臂，采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)小臂的回轉(zhuǎn)（4）底座，采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)底座的回轉(zhuǎn)
4.4驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
驅(qū)動(dòng)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(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)。因此，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
4.5機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)是設(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=90°，夾取重量為5Kg。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。
通過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用齒輪嚙合這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在電機(jī)的作用下機(jī)械手手抓閉合和張開。
4.6 機(jī)械手手爪夾持精度的分析
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,并有足夠的抓取能力。
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
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。
第五章 臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算
手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。，手臂運(yùn)動(dòng)為回轉(zhuǎn)。
臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)，通過手臂的回轉(zhuǎn)及底座的回轉(zhuǎn)可以達(dá)到這目的。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。
5.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求
1 、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。
合理布置作用力的位置和方向。
注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。
提高配合精度。
2 、臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小
機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在內(nèi)，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有2個(gè)途徑：
減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金材料。
減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。
3、手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活
為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動(dòng)盡可能平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件
總結(jié)：以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計(jì)出完美的、性能良好的機(jī)械手。
5.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇
5.2.1 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：
雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)：
雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)；
雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)；
活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)；
大臂小臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
5.2.2 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
通過以上綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇大臂小臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，使用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)。
5.3 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸
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