【正文】 馬達(dá)等，這些裝置具有體積小、輸出功率大等 特點(diǎn) 。 (4 )控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，由它來(lái)控制動(dòng)作的順序 (程序 )、位置和時(shí)間(甚至速度和加速度 )等 。通過(guò)對(duì)動(dòng)力部分的控制，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作 。 (5)其它部分 其它部分包括機(jī)體、行走機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置和傳感裝置等 :①機(jī)體 (也稱機(jī)身 )是用于支承和連接其他零件、部件的基礎(chǔ)件。②行走機(jī)構(gòu)是為了擴(kuò)大機(jī)械手的使用空間而設(shè)置的。它本身又包括動(dòng)力源、傳動(dòng) (減速 )機(jī)構(gòu)、滾輪或連桿機(jī)構(gòu)。目前大多數(shù)機(jī)械手還缺乏行走機(jī)構(gòu) 。③檢測(cè)裝置是檢測(cè)和控制機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)行程(位置 )的裝置，主要是對(duì)位置、速度和力等各 種外部和內(nèi)部信息進(jìn)行檢測(cè) 。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(yīng)手指與物件是否接觸、物體有無(wú)滑下或脫落、物件的方位是否正確、手指對(duì)物件的握緊力是否與物件的重量相適應(yīng)等 [11]。 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) (1)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。 (2)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(wèn)市。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 (3)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(lái)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。 (5)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(guò)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(lái)操縱機(jī)器人。 (6)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。 (7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。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 。 設(shè)計(jì)課題的背景和意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手在我們生活中也扮演著越來(lái)越重要的角色。特別是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，越來(lái)越多的機(jī)械手被用來(lái)代替人的實(shí)際勞動(dòng)，更激發(fā)了我對(duì)機(jī)器人技術(shù)濃厚的興趣，所以在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我選擇了六自由度機(jī)機(jī)械手設(shè)計(jì)與制作這個(gè)題目。 六自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)分為機(jī)械部分與控制部分兩大模塊。機(jī)械部分主要是完成機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與零件的加工，而控制部分主要完成的工作的是對(duì)六自由度機(jī)械手整個(gè)的動(dòng)作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)硬件的連接和 對(duì) 61 板編寫合適的程序，以實(shí)現(xiàn)紅外檢測(cè)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)等功能。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與制作。它應(yīng)當(dāng)實(shí)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 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 3) 自動(dòng)抓取功能 4) 過(guò)載保護(hù)功能 5) 掉電保護(hù)功能 從結(jié)構(gòu)和功能上來(lái)看，這個(gè)六自由度機(jī)械手確實(shí)稱不上復(fù)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(xué)知識(shí)的第一次綜合運(yùn)用，無(wú)論最初的設(shè)計(jì)，還是最終的全文完成，對(duì)我們來(lái)說(shuō)都是極大的挑戰(zhàn)，開闊了我的視野，豐富了我的經(jīng)驗(yàn)，提高了我的實(shí)際動(dòng)手的能力。其次，它的制作完成一定可以極大的 激發(fā) 同學(xué)們對(duì)機(jī)器人技術(shù)的 熱愛， 提高 對(duì)機(jī)器人技術(shù)的濃厚興趣，并吸引更多的同學(xué)投入到機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作行列中來(lái)。再次，它主要是用來(lái)當(dāng)作學(xué)校的示教工具，其充分運(yùn)用和綜合了 我 在大學(xué)四年中所學(xué)的機(jī)械內(nèi)容，能夠讓更多的同學(xué)在今后的學(xué)習(xí)中對(duì)機(jī)械方面有更加深刻的理解。 2 機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 本課題是 型回轉(zhuǎn)型機(jī)械手的設(shè)計(jì) .本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)。在本章中對(duì)機(jī)械手的坐標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。因此，機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。 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 [1]。其中多關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊 ,定位精度較高 ,占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用多關(guān)節(jié)型。由于本次是畢業(yè)設(shè)計(jì)考慮到綜合運(yùn)用本科階段所學(xué)知識(shí)固設(shè)計(jì)如 圖 。 這 是 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題六自由度 機(jī)械手 的整體設(shè)計(jì)示意圖。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 整體 示意圖 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng) 在多關(guān)節(jié)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 6個(gè)自由度既：手抓張合；手腕回轉(zhuǎn)；手動(dòng)腕擺；小手臂擺動(dòng)；大手臂擺動(dòng)；底座回轉(zhuǎn) 6個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。 本設(shè)計(jì)機(jī)械手主要由 4個(gè)大部件和 6個(gè)電機(jī)組成： 1) 手部，采用一個(gè)小型步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手抓的張合。 2) 腕部，采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn) 180176。 3) 臂部，采用步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)同步帶來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的上下擺動(dòng)。 4) 機(jī)身，采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一對(duì)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)底座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 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。采用電動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 、 結(jié)構(gòu)安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、設(shè)計(jì)方便、控制簡(jiǎn)單與能綜合運(yùn)用本科階段所學(xué)知識(shí)等優(yōu)點(diǎn)。因此，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案選擇電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 在現(xiàn)有的機(jī)械手系統(tǒng)中，所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有蝸輪蝸桿傳動(dòng)、行星輪系傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)等。帶傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是： 1）適用于中心距較大的傳動(dòng)；2）帶具有良好的饒性，可緩和沖擊、吸收振動(dòng)； 3）過(guò)載時(shí)帶與帶輪間出現(xiàn)打滑，打滑雖使傳動(dòng)失效，但可防止損壞其他零件； 4） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉。在本次設(shè)計(jì)中，鑒于手臂傳動(dòng)中心距較大，傳動(dòng)要求相對(duì)高的精度，故相比較后選擇同步帶進(jìn)行傳動(dòng) [1]。 3 機(jī)械手的數(shù)學(xué)模型 機(jī)器人的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 為了描述機(jī)器人本身各連桿之間、機(jī)器人和環(huán)境之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通常將它們當(dāng)成剛體， 進(jìn)而 研究各剛體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。而 通過(guò)在剛體上面固連一個(gè)坐標(biāo)系，再將該固連的坐標(biāo)系在空間表示出來(lái)。由于這個(gè)坐標(biāo)系一直固連在剛體上，所以這個(gè)坐標(biāo)系 如果 可以在空間表示出來(lái)，那么這個(gè) 剛體 相對(duì)于固定坐標(biāo)系的位姿 也 就已知 了 。 空間任意一點(diǎn) P 在不同的坐標(biāo)系中的描述是不同的， 因此經(jīng)過(guò) 不同的坐標(biāo)變換P點(diǎn)的坐標(biāo)是不同的。坐標(biāo)變換包括平移變換、旋轉(zhuǎn)變換與復(fù)合變換。 用四維向量表示三維空間一點(diǎn)的位置 P，即： xyP P P P z? ? ? ???? ?? 上式稱為點(diǎn)的齊次坐標(biāo)，式中 ? 為非零常數(shù)。 當(dāng) n維位置向量用 n+l維位置向量表示時(shí)，稱為齊次坐標(biāo)表示式。 齊次變換矩陣可分解為平移變換和旋轉(zhuǎn)變換，即： ( ) ( , )AAB B OT T ran s P R ot k ??? 33() 01AA BOBO IPT r a n s P ???? ???? ? ?,0( , )01AB RkR o t k ?? ??? ???? 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 式中 . ()A BOTrans P 為平移變換矩陣， ( , )Rot k ? 為繞過(guò)原點(diǎn)的 K軸轉(zhuǎn) 動(dòng) ? 角的旋轉(zhuǎn)變換矩 陣。 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 本文研究的機(jī)械手是具有 6個(gè)自由度的空間開鏈機(jī)構(gòu)，它由一系列連桿通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致連桿的運(yùn)動(dòng)。本論文采用 DH(Denavit和Harenberg)分析方法來(lái)描述機(jī)器 人相鄰兩連桿之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系 即用一個(gè) 4X4的齊次變換矩陣來(lái)描述相鄰兩連桿的位置與姿態(tài) (簡(jiǎn)稱為位姿 )，以此推導(dǎo)出“手爪坐標(biāo)系”相對(duì)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(yùn)動(dòng)學(xué)方程。 對(duì)于具有 n個(gè)連桿的機(jī)械手， 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程是要確定與末端坐標(biāo)系 ??n 固聯(lián)的手爪相對(duì)于基座 ??0 的變換。根據(jù)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(biāo)系 ??n 相對(duì)于基坐標(biāo)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(jī)械手 模型如圖 圖 DH模型 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 有以上的坐標(biāo)系推導(dǎo)法 ,可得出本課題六自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如下： 表 關(guān)節(jié) i i? （ 186。） id （ mm） ia （ mm） i? （ 186。） 1 θ 1 0 0 90 2 θ 2 0 a2 0 3 θ 3 0 a3 0 4 θ 4 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(jù)矩陣乘法法則， 可以得出本課題六自由度機(jī)械手末端執(zhí)行器的位姿的齊次變換矩陣是：050 0 0 1x x x xy y y yz z z zn o a Pn o a PTn o a P????????? 其中 1 2 3 4 1 4 2 3 1 2 3 4 1 2 3 4xn C C S C S C S? ? ? ? 1 2 3 4 1 2 3 4 1 3 4 2 1 2 4 3yn S C S C S C S C? ? ? ? 2 3 4 2 4 3 2 3 4 2 3 4zn S C C S S C S? ? ? ? 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 4 3 1 2 3 4xo C S C S C S C? ? ? ? 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 1 2 3 4 1 4 2 3 1 3 2 4 1 2 3 4yo S S C S C S C? ? ? ? 2 3 4 2 4 3 4 2 3 3 4 2zo C S C C S S C? ? ? ? 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