【正文】 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。 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。 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。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)。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]。 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。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。在實(shí)際研究中，往往把機(jī)器人控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化為若干個(gè)低階子系統(tǒng)來描述。用戶與系統(tǒng)間的接口，要求能夠迅速地指明工作任務(wù)。 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。 (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 )。 (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。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) 。 (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。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) 。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) 。 (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。 (7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。特別是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，越來越多的機(jī)械手被用來代替人的實(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。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) 過載保護(hù)功能 5) 掉電保護(hù)功能 從結(jié)構(gòu)和功能上來看，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。 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)。(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手 。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 。 2) 腕部，采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn) 180176。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。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。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，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 。 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。 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。） 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 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 S C d C d S C a C S a S aC S a S C a C S a S a? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? 4 機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)計(jì)算 手部設(shè)計(jì)基本要求 （ 1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的； （ 2） 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度） ? ? ，以便于抓取工件； （ 3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載； （ 4） 應(yīng)保證 手抓的夾持精度。 常用的工業(yè)機(jī)械手手部 ， 按握持工件的原理 ， 分為夾持和吸附兩大類。 通過 采用典型的平移型手指 , 驅(qū)動(dòng)力加在手指移動(dòng)方向上 ,這樣結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單且體積適中。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。 手腕電機(jī)的選擇 （ 1）空載時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量： 22 21 0 . 5 0 . 5 0 . 0 1 6 .88mDJ K g c m?? ? ? 快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 1eqT 1 m a xe q fT T T?? 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 33. . 1 . 5 9 . 8 1 0 1 . 5 9 . 8 0 . 1 6 1 0 0 . 0 0 2 7 .2 2 2 3 . 1 4 1fh hFP FP Nmii????? ? ? ? ? ?? ? ? ???摩 ? ?12m a x , 0 .0 0 2 7 .e q e q e qT T T N m? ? ? m a x . 3 0. 00 27 0. 00 8 .j e qT K T N m? ? ? ? ? 查手冊(cè)得，選用常州寶馬集團(tuán)前楊電機(jī)電器有限公司的 36BF003 型電機(jī) 其最靜轉(zhuǎn)矩 maxjT = 能夠滿足機(jī)構(gòu)的要求 [6]。 則手腕部分折算到外軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 2 22. 3 .2lJ m K g m??? ? ? ????? ? 手腕部分折算到外軸上的轉(zhuǎn)矩為： 2 2 3 .1 40 .0 0 5 0 .0 2 6 .12T J W J N mT? ?? ? ? ? ? ? 手腕部分?jǐn)[動(dòng)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為： m a x . 2 . 5 0 . 0 0 2 6 0 . 0 1 .0 . 6j KTT N m? ?? ? ? ? 選用常州寶馬集團(tuán)前楊電機(jī)電器有限公司的 36BF003 型電機(jī) 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 其最大靜轉(zhuǎn)矩為 maxjT =，能夠滿足機(jī)構(gòu)要求 [7]。i =30 查表得： 蝸桿頭數(shù) 1Z =2 ? 39。i =18 查表得： 蝸桿頭數(shù) 1Z =2 ? 39。回顧過去的兩個(gè)多月，感覺收獲頗豐： 1) 通過對(duì)機(jī)械手的整體方案設(shè)計(jì)，典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使我對(duì)大學(xué)四年所學(xué)的機(jī)械方面的知識(shí)以及專業(yè)方面的知識(shí)有了更深一步的了解和認(rèn)識(shí)，而不像以前一樣僅僅停留在書本的概念上。 2) 系 統(tǒng)幾個(gè)主要模塊尚未進(jìn)行過實(shí)際考核，在工作可靠性、抗干擾性能等方面有待進(jìn)一步完善和提高。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 謝 辭 經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于 所學(xué)知識(shí)有限， 經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo) ，以及同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。除了敬佩 黃 老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。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 as opposed to static environments. The system we have built addresses three distinct problems in robotic handeye coordination for grasping moving objects: fast putation of 3D motion parameters from vision, predictive control of a moving robotic arm to track a moving object, and interception and 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