【正文】 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 05城建機(jī)械 2 班 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 05290070231 課 題 多自由度機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 摘 要 文中設(shè)計(jì)了一種六自由度機(jī)械手。該機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)控制。手臂的尺寸與人手臂的大小相當(dāng)。手臂的運(yùn)動(dòng)主要包括：腰部轉(zhuǎn)動(dòng)，大手臂擺動(dòng)，小手臂擺動(dòng)，手腕擺動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)，夾爪夾取。 此手臂的空間活動(dòng)半徑 ， 定位精度為 5mm.它能夠抓取重量較輕的物體，并放到預(yù)定位置。該機(jī)械手有過載保護(hù)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(duì) 機(jī)械手 進(jìn)行了正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 , 采用齊次坐標(biāo)變換法得到了 機(jī)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(jī)械結(jié)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)選型、蝸輪蝸桿及帶傳動(dòng)比的確定以及部分重要零件的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 ： 機(jī)械手 六自由度 步進(jìn)電機(jī) 同步帶 。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)（論文） 4 目錄 目錄 ???????????????????? ???????????? 4 1 緒論 ???????????????????? ??????????? 6 國內(nèi)機(jī)械手 研 狀 ???????????????????? ???? 6 機(jī)械手的 構(gòu) 成??????????????????? ?? ???? 7 機(jī)械手的發(fā)展 趨 勢 ? ???????????????????? ? 9 本設(shè)計(jì)課題的背景和意義 ??????????????????? 9 2 機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) ???????????????? ???? ?? 10 機(jī)械手基本形式的選擇 ???????????????????? 10 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng) ? ?????????????????? 11 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 ???????????????????? ??? 12 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 ???????????????????? ??? 12 3 機(jī)械手的數(shù)學(xué)建模 ???????????????????? ???? 12 機(jī)器人數(shù)學(xué)基 礎(chǔ) ???????????????????? ??? 12 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué) 方程 ? ???????????????????? 13 4 機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)計(jì)算 ???????????????????? ?? 15 手部設(shè)計(jì)基本要求 ???????????????????? ?? 15 典型的手部結(jié)構(gòu) ???????????????????? ?? ? 16 機(jī)械手手指的設(shè)計(jì)計(jì)算 ????????????????? ??? 16 選擇手抓的類型和加緊機(jī)構(gòu) ???????????????? 16 ? ????????????? 16 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 ?????????????? ????????? 17 手指張合電機(jī)的選擇 ????????????? ?????? 17 手腕電機(jī)的選擇 ?????????????????? ??? 19 大手臂擺動(dòng)電機(jī)的選擇 ?????????????????? 19 小手臂擺動(dòng)電機(jī)的選擇 ?????????????????? 20 手腕擺動(dòng)電機(jī)的選擇 ? ??????????? ??????? 20 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 底座轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的選擇 ??????????????????? 21 渦輪蝸桿 、 帶輪的選擇及傳動(dòng)比的確定 ???????????? ? 21 底座電機(jī)處渦輪蝸桿的傳動(dòng)的確定 ????????????? 21 大手臂電機(jī)處渦輪蝸桿及帶傳動(dòng)的確定 ??????????? 22 小手臂電機(jī)處渦輪蝸桿及帶傳動(dòng)的確定 ??????????? 23 手腕 擺動(dòng) 電機(jī)處渦輪蝸桿及帶傳動(dòng)的確定 ??? ??????? 24 小手臂擺動(dòng)處 軸的校核 ??????????????????? ? 25 5 總結(jié)與展望 ???????????????????? ?? ???? ? 29 謝辭 ???????????????????? ?????????? ? 30 [參考文獻(xiàn) ] ???????????????????? ???????? 31 附錄一 科技文獻(xiàn)翻譯 ???????????????????? ???? 32 附錄二 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 與開題報(bào)告 ????????????? ????? 46 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 多自由度 機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì) 1 緒 論 機(jī)械手 (manipulator)是一種能按給定的程序或要求，自動(dòng)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(jī)械裝置，它能部分地代替人來進(jìn)行繁重、危險(xiǎn)、重復(fù)等手工作業(yè)。 在工業(yè)生產(chǎn)中應(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。他的特點(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，在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間 [3]。 國內(nèi)外機(jī)械手研究現(xiàn)狀 現(xiàn)代機(jī)械手的研究開始于二十世紀(jì)中期，其技術(shù)背景是計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化的發(fā)展。 80 年代，工業(yè)機(jī)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(gè)領(lǐng)域。 80 年代末期，各國把發(fā)展的目標(biāo)調(diào)整到更現(xiàn) 實(shí)的基礎(chǔ)上來。 90 年代，機(jī)械手的發(fā)展已經(jīng)不再局限于機(jī)械手本身，而成為了新一代整個(gè)機(jī)器的發(fā)展方向?，F(xiàn)在的絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人是可編程控的機(jī)器人。這種系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于它的通用性和靈活性。目前，機(jī)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(jī)器人，爬臂機(jī)器人，爬管機(jī)器人，二足，四足和六足機(jī)器人，空間機(jī)器人以及各種人工假肢等，機(jī)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(xiàng)事業(yè)中，其本身己成為一個(gè)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(jì)算機(jī)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(gè)完整的體系 — 機(jī)器人學(xué) 121。近年來，機(jī)器人技術(shù)作為機(jī)電一體化的最高成就已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最活躍的領(lǐng)域之一，機(jī)器人的研究，創(chuàng)造和應(yīng)用水平也已成為一個(gè)國家的科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到越來越多國家的廣泛重視。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 機(jī)械手的控制問題是與其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題密切相關(guān)的。從控制觀點(diǎn)上看，機(jī)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(shí)又是復(fù)雜的耦合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。每個(gè)控制任務(wù)本身就是一個(gè)動(dòng)力學(xué)任務(wù)。在實(shí)際研究中，往往把機(jī)器人控制系統(tǒng)簡化為若干個(gè)低階子系統(tǒng)來描述。 機(jī)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(jī)器人控制器的選擇，是由機(jī)器人所執(zhí)行的任務(wù)決定的。中級(jí)技術(shù)水平以上的機(jī)器人，絕大多數(shù)采用計(jì)算機(jī)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(jī)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)控制任 務(wù)。 從關(guān)節(jié) (或連桿 )角度看，可把工業(yè)機(jī)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(duì)于前者，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮穩(wěn)態(tài)誤差的補(bǔ)償問題 :對(duì)于后者，則應(yīng)該考慮耦合慣量的補(bǔ)償問題。 變結(jié)構(gòu)控制是在 20世紀(jì) 50年代被提出來的限于當(dāng)時(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，使得變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)能很方便的實(shí)現(xiàn)，并不斷充實(shí)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(diǎn)是，在動(dòng)態(tài)控制過程中，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)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(jī)械手的構(gòu)成 現(xiàn)代機(jī)械手主要由手抓、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)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(jī)構(gòu)，包括手指、傳力機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置等，作用是直接抓取和放置工件 (或工具 )。 (2 )傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是起改變物件方位和位置的作用。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的不同，有機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括 :齒輪傳動(dòng)、絲杠傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、連桿傳安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 動(dòng)和凸輪傳動(dòng)等多種類型，以及液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)傳動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有較大的簡化 。 (3 )動(dòng)力部分 動(dòng)力部分是驅(qū)動(dòng)前兩部分的動(dòng)力，因此也稱動(dòng)力源。常用的有 :電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)三種基本類型。在電動(dòng)執(zhí)行裝置中，有直流 (DC)電機(jī)、交流(AC)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng) (DD)電機(jī)等實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，以及實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置有氣缸、氣動(dòng)馬達(dá)等，這些裝置具有重量輕、價(jià)格便宜等特點(diǎn) 。液壓驅(qū)動(dòng)裝置有液壓油缸、液壓