六自由度機械手運動分析匯編

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

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

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

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

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

6、 motor, locking band. 目錄 目錄 4 1緒論 6 1.1 國內(nèi)機械手研狀 6 1.2 機械手的構成 7 1.3 機械手的發(fā)展趨勢 9 1.4 本設計課題的背景和意義 9 2機械手的總體方案設計 10 2.1 機械手基本形式的選擇 10 2.2 機械手的主要部件及運動 11 2.3 驅(qū)動機構的選擇 12 2.4 傳動機構的選擇 12 3機械手的數(shù)學建模 12 3.1 機器人數(shù)學基礎 12 3.2 機器人的運動學方程 13 4 機械手的整體設計計算 15 4.1 手部設計基本要求 15 4.2 典型的手部結(jié)構 16 4.3

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

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

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

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

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

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

13、關節(jié)（連桿）控制器兩種。對于前者，設計時應考慮穩(wěn)態(tài)誤差的補償問題 ： 對于后者，則應該考慮耦合慣量的補償問題。 變結(jié)構控制是在20世紀50年代被提出來的限于當時的技術條件和控制手段， 這種理論沒有得到迅速發(fā)展。近年來， 計算機技術的進步，使得變結(jié)構控制技術 能很方便的實現(xiàn)，并不斷充實和發(fā)展，成為非線性控制的一種簡單而又有效的方 法。 變結(jié)構控制系統(tǒng)的特點是，在動態(tài)控制過程中，系統(tǒng)的結(jié)構根據(jù)系統(tǒng)當時的 狀態(tài)偏差及其各階導數(shù)的變化，以躍變的方式按設定的規(guī)律作相應的改變， 它是 一類特殊的非線性控制系統(tǒng)[3]0 1 .2機械手的構成 現(xiàn)代機械手主要由手抓、傳動機構、動力部分、控制系統(tǒng)與其它部

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

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

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

17、向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速 機、檢測系統(tǒng)三位一體化：由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機； 國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PCL的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、 網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構：大大提高了系統(tǒng) 的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采 用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制多 傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已

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

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

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

21、設計與制作行列中來。再次，它主要是用來當作學校的示教 工具，具充分運用和綜合了我在大學四年中所學的機械內(nèi)容，能夠讓更多的同學 在今后的學習中對機械方面有更加深刻的理解。 2機械手的總體方案設計 本課題是型回轉(zhuǎn)型機械手的設計.本設計主要任務是完成機械手的結(jié)構方面 設計。在本章中對機械手的坐標形式、自由度、驅(qū)動機構等進行了確定。因此， 機械手的執(zhí)行機構、驅(qū)動機構是本次設計的主要任務。 2.1 機械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標形式大致可以分為以下4種: （1）直角坐標型機械手;（2）圓柱坐標型機械手；（3）球坐標（極坐標）型機械手； （4）多關節(jié)型機機械手

22、［1］。其中多關節(jié)型機械手結(jié)構簡單緊湊，定位精度較高，占 地面積小，因此本設計采用多關節(jié)型。由于本次是畢業(yè)設計考慮到綜合運用本科 階段所學知識周設計如圖1.1。這是本次畢業(yè)設計課題六自由度機械手的整體設 計示意圖。 圖2.1機械手整體示意圖 2.2 機械手的主要部件及運動 在多關節(jié)式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設計任務，為了滿足設計要求， 本設計關于機械手具有6個自由度既：手抓張合；手腕回轉(zhuǎn)；手動腕擺；小手臂 擺動；大手臂擺動；底座回轉(zhuǎn)6個主要運動。 本設計機械手主要由4個大部件和6個電機組成： 1）手部，采用一個小型步進電機，通過導軌機構運動實現(xiàn)手抓的張合。 2）腕部，

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

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

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

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

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

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

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

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

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

32、轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。 (2)移動型 移動型即兩手指相對支座作往復運動。 (3) 平面平移型[1] 4.3 機械手手指的設計計算 4.3.1 選擇手抓的類型和夾緊機構 本設計是設計六自由度機械手的設計， 考慮到所要達到的原始參數(shù)：手抓張 合角△了 = 600,夾取重量為1Kg。常用的工業(yè)機械手手部，按握持工件的原理，分 為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體， 不適合用于本方案。本設計機械手采用夾持式手指，夾持式機械手按運動形式可 分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，這種手指結(jié)構 簡單，適于夾持平板方料、棒料等，

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

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

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

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

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

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

54、 \ 0.1 60 ■二軸的直徑取d=5能夠滿足強度要求。 5總結(jié)與展望 歷經(jīng)一個學期的努力，六自由度機械手終于設計成功。在這段時間內(nèi)，我溫 習和鞏固了大學四年所學的專業(yè)知識，綜合運用了所學的機械和電子方面的知 識，極大的提高了我分析問題，解決問題的能力。回顧過去的兩個多月，感覺收 獲頗豐： 1）通過對機械手的整體方案設計，典型結(jié)構設計，使我對大學四年所學的 機械方面的知識以及專業(yè)方面的知識有了更深一步的了解和認識，而不像以前一 樣僅僅停留在書本的概念上。 2）掌握了機械結(jié)構整體方案設計的原則和要求，在設計過程中熟練的查取 了相關的設計手冊

55、，為以后工作上的需要打下了堅實的基礎。 3）通過對各個典型機構的設計，充分的理解和掌握了機械設計方面的知識， 并且也對專業(yè)上的智能控制和誤差控制方面有了更加深刻的認識。 由于論文的研究時間、本人的能力和知識范圍有限，本論文的研究工作還存 在著一些不足之處，存在一些需要完善和改進的地方： 1）因為六自由度機械手控制系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，所以機器手工作過 程中存在著丟步、失態(tài)問題，所以在時間和條件允許的情況下， 希望能做成閉環(huán) 系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)精度。 2）系統(tǒng)幾個主要模塊尚未進行過實際考核，在工作可靠性、抗干擾性能等 方面有待進一步完善和提高。此外系統(tǒng)在總體布局和結(jié)構設計上離實際應用還有

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

57、個過程中都給予了我悉心的指導。 我的設計較為復雜煩瑣， 但是黃老師仍然細心地糾正圖紙中的錯誤與論文中的誤點。除了敬佩黃老師的專 業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影 響我今后的學習和工作。 其次要感謝和我一組作畢業(yè)設計的其他同學，我們在本次設計中相互學習， 相互鼓勵。如果我們之間的相互幫助，此次設計的完成將變得非常困難。 然后還要感謝大學四年來所有的老師， 指導我們打下專業(yè)知識的基礎；同時 還要感謝所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設計才會順 利完成。感謝父母對我的關愛和教誨。 最后感謝機械與電氣工程學院和我的母校 一安徽建筑工業(yè)學

58、院四年來對我 的大力栽培。 ［參考文獻］ ［1］《工業(yè)機械手》編寫組.工業(yè)機械手［M］.上海：上?？茖W技術出版 社,1978.P38-89 ［2］高軍.多自由度機械手的氣動控制［D］.哈爾濱工業(yè)大學：機械電子工程學院， 2005 ［3］天津大學編.工業(yè)機械手設計基礎［M］.天津：天津科技出版社，1998.P53-72 ［4］楊柯楨，程光蘊.機械設計基礎（第四版）［M］.北京：高等教育出版 社,1999.P194-235 ［5］張善錘主編.精密儀器結(jié)構設計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社， 2001.P86-93 ［6］成大先.機械設計手冊（第三版 第5卷）［M］.北京：化學工業(yè)出

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

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

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

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

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

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

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

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