【正文】 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)。 (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手 [1]。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)。其次，它的制作完成一定可以極大的 激發(fā) 同學(xué)們對機(jī)器人技術(shù)的 熱愛， 提高 對機(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。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)，并通過硬件的連接和 對 61 板編寫合適的程序，以實(shí)現(xiàn)紅外檢測，電機(jī)驅(qū)動(dòng)等功能。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(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 。 (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。 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 。 機(jī)械手的發(fā)展趨勢 (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。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)。 (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 。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)。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。 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]。 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。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。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)。這種系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于它的通用性和靈活性。 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。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。 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。文中 對 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)。手臂的尺寸與人手臂的大小相當(dāng)。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。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。 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)。 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。 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?，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。 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。 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。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)。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。 (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。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。液壓驅(qū)動(dòng)裝置有液壓油缸、液壓馬達(dá)等，這些裝置具有體積小、輸出功率大等 特點(diǎn) 。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。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(yīng)等 [11]。國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 (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)境中的感覺來操縱機(jī)器人。當(dāng)前我國的機(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、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。 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。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，無論最初的設(shè)計(jì)，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(jīng)驗(yàn)，提高了我的實(shí)際動(dòng)手的能力。在本章中對機(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。 ( 3)球坐標(biāo) (極坐標(biāo) )型機(jī)械手 。 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。 3) 臂部，采用步進(jìn)電機(jī)，通過同步帶來實(shí)現(xiàn)手臂的上下擺動(dòng)。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 簡單、尺寸緊湊、設(shè)計(jì)方便、控制簡單與能綜合運(yùn)用本科階段所學(xué)知識(shí)等優(yōu)點(diǎn)。在本次設(shè)計(jì)中，鑒于手臂傳動(dòng)中心距較大，傳動(dòng)要求相對高的精度，故相比較后選擇同步帶進(jìn)行傳動(dòng) [1]。 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 不同的坐標(biāo)變換P點(diǎn)的坐標(biāo)是不同的。 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 ? 為繞過原點(diǎn)的 K軸轉(zhuǎn) 動(dòng) ? 角的旋轉(zhuǎn)變換矩 陣。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 相對于基坐標(biāo)系 ??0 的位姿 [10]。 典型的手部結(jié)構(gòu) （ 1） 回轉(zhuǎn)型