【正文】 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 ) 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 05城建機械 2 班 學(xué)生姓名 學(xué) 號 課 題 多自由度機械手機械設(shè)計 指導(dǎo)教師 2020 年 5 月 28 日 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 摘 要 文中設(shè)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 ，定位精度為 ，并放到預(yù)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(xué)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(xué)分析 , 采用齊次坐標變換法得到了機械手末端位置和姿態(tài)隨關(guān)節(jié)夾角之間的變換關(guān)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(shè)計。 關(guān)鍵詞 ： 機械手 六自由度 步進電機 同步帶 。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 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 manipulator 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. Lootion of the manipulator includes: waist turning, big arm swung, small arm swung, wrist swung, wrist rotating, claw fetching. The radius of action is , and the accuracy is 5 mm. It can pick the lightweight object, and put it to the recalculated position. The manipulator has overload protection function, and space position selflock function. This arm can be used in teaching, or in radioactive environments. In this paper, robot kinematic analysis is 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 pleted. Keywords: manipulator, six degrees of freedom, stepper motor, locking band. 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 目錄 目錄 ???????????????????? ????????????4 1 緒論 ???????????????????? ???????????6 國內(nèi)機械手研狀????????????? ??????????? 6 機械手的構(gòu)成 ???????????????????? ?????7 機械手的發(fā)展趨勢 ???????????????????? ??9 本設(shè)計課題的背景和意義 ??????????????????? 9 2 機械手的總體方案設(shè)計 ??????????? ???????????10 機械手基本形式的選擇 ???????????????????? 10 機械手的主要部件及運動 ???????????????????1 1 驅(qū)動機構(gòu)的選擇 ???????????????????? ???12 傳動機構(gòu)的選擇 ???????????????????? ???12 3 機械手的數(shù)學(xué)建模 ???????????????????? ????12 機器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ) ???????????????????? ??? 12 機器 人的運動學(xué)方程 ? ???????????????????? 13 4 機械手的整體設(shè)計計算 ???????????????????? ?? 15 手部設(shè)計基本要求 ???????????????????? ??15 典型的手部結(jié)構(gòu) ???????????????????? ???16 機械手手指的設(shè)計計算 ???????????????????? 16 選擇手抓的類型和加緊機構(gòu) ????????????????16 手抓加緊力與驅(qū)動力的力學(xué)分析 ? ?????????????16 驅(qū)動電機的選擇 ???????????????????? ???17 手指張合電機的選擇 ???????????????????1 7 手腕電機的選擇 ???????????????????? ?19 大手臂擺動電機的選擇 ??????????????????19 小手臂擺動電機的選擇 ??????????????????20 手腕擺動電機 的選擇 ???????????????????2 0 底座轉(zhuǎn)動電機的選擇 ???????????????????2 1 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 渦輪蝸桿、帶輪的選擇及傳動比的確定 ???????????? ? 21 底座電機處渦輪蝸桿的傳動的確定 ?????????????21 大手臂電機處渦輪蝸桿及帶傳動的確定 ???????????22 小手臂電機處渦輪蝸桿及帶傳動的確定 ???????????23 手腕擺動電機處渦輪蝸桿及帶傳動的確 定 ??????????24 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(shè)計任務(wù)書與開題報告 ??????????????????46 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 多自由度機械手機械設(shè)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(fù)等手工作業(yè)。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)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(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科 —— 機械手工程。機械手涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一 門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)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(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)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(yīng)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(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間 [3]。 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(shù)背景是計算機和自動化的發(fā)展。 80 年代，工業(yè)機械手產(chǎn)業(yè)得到了巨大的發(fā)展，應(yīng)用范圍遍及工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)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(chǔ)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(shù)也已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事醫(yī)學(xué)及公共服務(wù)各項事業(yè)中，其本身己成為一個非常廣闊的研究領(lǐng)域，涉及力學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、控制論、計算機科學(xué)、人工智能和系統(tǒng)工程等，成為 一門綜合了多學(xué)科的高技術(shù)，并逐漸形成了一個完整的體系 — 機器人學(xué) 121。近年來，機器人技術(shù)作為機電一體化的最高成就已經(jīng)成為當代科學(xué)技安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 術(shù)發(fā)展的最活躍的領(lǐng)域之一，機器人的研究，創(chuàng)造和應(yīng)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(xué)和動力學(xué)問題密切相關(guān)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(fù)雜的耦合動態(tài)系統(tǒng)。每個控制任務(wù)本身就是一個動力學(xué)任務(wù)。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)構(gòu)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(wù)決定的。中級技術(shù)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(wù)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(wù)。技術(shù)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(wù)。 從關(guān)節(jié) (或連桿 )角度看，可把工業(yè)機械手的控制器分為單關(guān)節(jié) (連桿 ) 控制器和多關(guān)節(jié) (連桿 )控制器兩種。對于前者，設(shè)計時應(yīng)考慮穩(wěn)態(tài)誤差的補償問題 :對于后者，則應(yīng)該考慮耦合慣量的補償問題。 變結(jié)構(gòu)控制是在 20 世紀 50 年代被提出來的限于當時的技術(shù)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(shù)的進步，使得變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)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(gòu)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(gòu)根據(jù)系統(tǒng)當時的狀態(tài)偏差及其各階導(dǎo)數(shù)的變化，以 躍變的方式按設(shè)定的規(guī)律作相應(yīng)的改變，它是一類特殊的非線性控制系統(tǒng) [3]。 1 .2 機械手的構(gòu)成 現(xiàn)代機械手主要由手抓、傳動機構(gòu)、動力部分、控制系統(tǒng)與其它部分構(gòu)成。 (1)手爪 手爪又稱抓取機構(gòu)，包括手指、傳力機構(gòu)和驅(qū)動裝置等，作用是直接抓取和放置工件 (或工具 )。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 (2 )傳動機構(gòu) 傳動機構(gòu)主要是起改變物件方位和位置的作用。傳動機構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的不同，有機械傳動機構(gòu)，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(gòu)、氣動傳動機構(gòu)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(gòu)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(yīng)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