【正文】 。 (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]。 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。 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 9 (2)機械結構向模塊化、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品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化 。器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構 :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品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現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，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵 技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程。 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。特別是在現代工業(yè)生產領域中，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，以實現紅外檢測，電機驅動等功能。 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 10 本次畢業(yè)設計負責機械部分的設計與制作。它應當實現的功能是： 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，其充分運用和綜合了我在大學四年中所學的機械內容，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 本課題是型回轉型機械手的設計 .本設計主要任務是完成機械手的結構方面設計。在本章中對機械手的坐標形式、自由度、驅動機構等進行了確定。因此，機械手的執(zhí)行機構、驅動機構是本次設計的主要任務。 機械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據手臂的動作形 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 [1]。其中多關節(jié)型機械手結構簡單緊湊 ,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固設計如 圖 。 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。 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 11 圖 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；手動腕擺；小手臂擺動；大手臂擺動；底座回轉 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手抓的張合。 2) 腕部，采用一個步進電機實現手部回轉 180176。 。 3) 臂部，采用步進電機，通過同步帶來實現手臂的上下擺動。 4) 機身，采用一個步進電機和一對蝸輪蝸桿機構來實現底座的回轉運動。 驅動機構的選擇 驅動機構是工業(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 決于驅動方案及其裝置。根據動力源的不同 , 工業(yè)機械手的驅動機構安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 12 大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用電動機構驅動機械手 、結構簡單、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，機械手的驅動方案選擇電動驅動。 傳動機構的選擇 在現有的機械手系統(tǒng)中，所采用的傳動機構主要有蝸輪蝸桿傳動、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打滑，打滑雖使傳動失效，但可防止損壞其他 零件； 4）結構簡單、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]。 3 機械手的數學模型 機器人的數學基礎 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固連在剛體上，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： xyP P P P z? ? ? ???? ?? 上式稱為點的齊次坐標，式中 ? 為非零常數。 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變換，即： ( ) ( , )AAB B OT T rans P Rot k ??? 33() 01AA BOBO IPT r a n s P ???? ???? 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 13 ? ?,0( , )01AB RkR o t k ?? ??? ???? 式中 . ()ABOTrans P為平移變換矩陣， ( , )Rot k ? 為繞過原點的 K軸轉動 ? 角的旋轉變換矩 陣。 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動關節(jié)串聯而成，關節(jié)的相對轉動導致連桿的運動。本論文采用 DH(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 的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標系 ??n 固聯的手爪相對于基座 ??0 的變換。根據齊次變換矩陣的乘法規(guī)則有： 0 0 1 112 nnnT T T T?? 式中， 0nT 表示末端坐標系 ??n 相對于基坐標系 ??0 的位姿 [10]。 （了書寫方便，將 sin ,cosnn??改寫為 ,nnSC ） 本課題要研究的六自由度機械手 模型如圖 圖 DH模型 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 14 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，如下： 表 關節(jié) i i? （ 186。） id （ mm） ia （ mm） i? （ 186。） 1 θ1 0 0 90 2 θ2 0 a2 0 3 θ3 0 a3 0 4 θ4 0 a4 90 5 0 d5 0 90 其中， a2=a3=250mm,a4=90mm,d5=90mm 有上表可求出各連桿之間的齊次變換矩陣，如下 111000 1 0 00 0 0 1CSSCT???????? 2 2 2 22 2 2 22000 0 1 00 0 0 1C S C aS C S aT???????? 3 3 3 33 3 3 33000 0 1 00 0 0 1C S C aS C S aT???????? 4 4 4 44 4 4 44001 0 00 0 0 1C S C aS C S aT???????? 551 0 0 00 0 1 00 1 00 0 0 1T d????? ????? 根據矩陣乘法法則， 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換矩陣是： 0 50 0 0 1x x x xy y y yz z z zn o a Pn o a PTn o a P????????? 其中 12 34 14 23 12 34 12 3 4xn C C S C S C S? ? ? ? 1 23 4 12 3 4 13 4 2 12 4 3yn S C S C S C S C? ? ? ? 2 34 24 3 23 4 23 4zn S C C S S C S? ? ? ? 1 23 4 12 3 4 12 4 3 12 34xo C S C S C S C? ? ? ? 12 34 14 23 13 24 12 34yo S S C S C S C? ? ? ? 23 4 24 3 4 23 34 2zo C S C C S S C? ? ? ? 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 15 1xaS? 1yaC? 0za? 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 4 3 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 4 1 4 2 3 4 1 3 4 2 41 2 4 3 4 1 2 3 3 1 2 3 3 1 2 2xP C S d C S d C S d C d C a C S a S C aS C a S C a S a S C a? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? 1 4 2 3 5 1 2 3 4 5 1 3 2 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 4 1 2 3 4 4 1 3 4 2 41 2 4 3 4 1 2 3 3 1 2 3 3 1 2 2yP S C d S d S C d S C d S C a S C a S C aS C a S C a S a S C a? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? 2 4 3 5 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 4 2 4 3 4 2 3 4 42 3 4 4 2 3 2 3 1zP S C d C S d