【正文】 機(jī)械手工程圖的設(shè)計及計算 8 直流伺服電機(jī)的選擇 8 機(jī)械手各關(guān)節(jié)的部件的詳細(xì)設(shè)計 10 腰部關(guān)節(jié)設(shè)計 11 大臂擺動關(guān)節(jié)設(shè)計 16 重要零件的受力分析與校核計算 22 機(jī)械手各部件靜態(tài)模型的建立 當(dāng)下科技日益繁榮，在眾多領(lǐng)域，機(jī)械手能模仿人手的部分動作，按人們給定的程序、預(yù)定的軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)或操作的功能。從此在前蘇聯(lián)、日本和美國為首的一些國家，開啟了重點研究和生產(chǎn)高質(zhì)量機(jī)械手的步伐，我國也 給與了高度關(guān)注。 它集和了接口技術(shù)系統(tǒng)，使不同的模塊組合構(gòu)成不同需求的功能，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍； ，逐步標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。本文設(shè)計的五自由度移動機(jī)械手以坐標(biāo)特性結(jié)構(gòu)形式來描述，這些坐標(biāo)結(jié)構(gòu)包括笛卡爾坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球面坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)式球面坐標(biāo)結(jié)構(gòu)等。缺點是其運(yùn)動和位置的坐標(biāo)比較復(fù)雜，難于控制，同時在直線驅(qū)動時，運(yùn)動裝置存在密封和工作死區(qū)問題。并且它的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，操作十分容易。綜合考慮選擇電氣式驅(qū)動。對于關(guān)節(jié) 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 7 6，由于其負(fù)載較小、運(yùn)動精度較高，則采用微型直 流減速電機(jī)。/s 小臂擺動關(guān)節(jié) 3: 0120~0 ，最高角速度 180176。 mxaon 直流伺服電機(jī)是一種高質(zhì)量高性能的驅(qū)動元件，它配有高性能的稀鋼，空心杯轉(zhuǎn)子（此機(jī)構(gòu)獲得了專利技術(shù)）和高精密的齒輪箱。 常規(guī)聯(lián)軸器的固定方式有四種。/s 執(zhí)行器擺動關(guān)節(jié) RE 25 φ25mm 20w 行星輪齒輪箱GP32A 160176。腰間立軸需要能承受較大的軸向力和徑向力，選擇圓錐滾子軸承可滿足使用條件，其余各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)都配以旋轉(zhuǎn)支撐部件，選用一般滾動軸承即可。按照公式（ 33），初算最小軸徑 mm16d ?小 ，考慮減速箱輸出軸軸直徑 mm12d? ，初步定最小軸徑 20d ?大 mm。 1小臂 2大臂 3小臂擺動驅(qū)動電機(jī) 圖 小臂擺動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 arm swinging joint structure 手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計 手腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，將驅(qū)動電機(jī)布置于小臂空腔內(nèi)，手腕與軸采用軸肩與圓螺母（加止動墊圈）進(jìn)行軸向固定與定位。 1執(zhí)行器安裝架 2手腕 3執(zhí)行器擺動驅(qū)動電機(jī) 圖 執(zhí)行器安裝架擺動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 Actuator mounting rack swing joint structure 機(jī)械手各臂及支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 底座采用鑄鐵 HT200 鑄造而成，各臂材料選用用鋁合金。同時還可以對仿真結(jié)果創(chuàng)建軌跡曲線與運(yùn)動包絡(luò)，在現(xiàn)代設(shè)計中運(yùn)用十分廣泛。如果將從基座到第一個關(guān)節(jié)，再依次把各個關(guān)節(jié)的所有變換結(jié)合起來，就得到了機(jī)械手運(yùn)動的總變換矩陣。以下是給每個關(guān)節(jié)指定本地參考坐標(biāo)系的步驟： 所有關(guān)節(jié)，無一例外的用 z 軸表示。 如圖 中的（ a）所示，通常兩關(guān)節(jié)不一定為平行或相交狀態(tài)，而是傾斜的斜線，但是之間會有唯一條距離 最短的公垂線，它正交于任意兩條斜線。 如果兩個相鄰關(guān)節(jié)的 z 軸是相交的，那么它們之間就沒有公垂線（或者說公垂線距離為零）。 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 27 （ 1）繞軸旋轉(zhuǎn)（如圖 中圖（ a）與圖（ b）所示），可使它們互相平行，因為和同時垂直于相同軸的，因此繞軸旋轉(zhuǎn)可以讓它們平行（或者共面）。 在 n+1 和 n+2 坐標(biāo)系間嚴(yán)格地按照上面所講的四種方式轉(zhuǎn)換，可以將一個坐標(biāo)變換到另一個坐標(biāo)系。 5 θ5 d5=0 a5=l5=80 α5=0176。根據(jù)設(shè)計需求，工作特點對機(jī)械手確定了合理尺寸，通過大量的計算校核確定了合適型號，并且通過三維實體建模軟件進(jìn)行零部件的模型建立，可直觀體現(xiàn)設(shè)計樣式，完成了設(shè)計要求。在此致以誠摯的敬意和深深的感 謝 ! 借此向所有幾個月來一直關(guān)心、幫助和支持我的各位老師、同學(xué)表示衷心感謝。在本次設(shè)計中遇到了相當(dāng)多的問題，尤其在部件的數(shù)據(jù)校核和軟件的建模建立與運(yùn)動仿真方面，對我的設(shè)計產(chǎn)生了很多的阻礙，導(dǎo)致時間的不足，最終沒有進(jìn)行模型的運(yùn)動仿真分析模塊，不是太完美，但是總體設(shè)計任務(wù)還是叫完美的完成了，達(dá)到了設(shè)計目的要求。 末端執(zhí)行器參考點的坐標(biāo) x=px， y=py, ， z=pz,，將坐標(biāo)變量對 θ1~θ5依次求偏導(dǎo)，即可得到機(jī)械手的雅克比矩陣。從參考坐標(biāo)系開始，我們可以將其轉(zhuǎn)換到機(jī)器人的基座，然后到第一個關(guān)節(jié)，第二個關(guān)節(jié) …… ，以此直至末端執(zhí)行器。因為和已經(jīng)平行并且垂直于，通過移動距離可使它們互相重疊在一起。也就是說，其公垂線是垂直于包含了兩條 z 軸的平面的直線，它也相當(dāng)于選取兩條 z 軸的叉積方向作為 x軸。如果 na 表示與 1?na 之間的公垂線，則 nx 的方向?qū)⒀?na 。如果關(guān)節(jié)是滑動的， z 軸為沿直線運(yùn)動的方向。 在圖 中（ a）的三個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)都是可以轉(zhuǎn)動或平移的。下 至圖圖 至圖 為各部件三維實體模型。從而滿足強(qiáng)度要求，安全。按照 a）中設(shè)計軸結(jié)構(gòu)步驟，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和孔徑要求選擇 mikipule 廠家生產(chǎn)的伺服電機(jī)，型號為 SFC025DA2。 1大臂 2腰部支架 3腰部驅(qū)動電機(jī) 4腰部旋轉(zhuǎn)大齒輪 圖 The arm swing joint structure 小臂擺動關(guān)節(jié)設(shè)計 小臂擺動關(guān)節(jié)同樣采取經(jīng)過調(diào)制處理的 45 鋼，硬度取 HBS240 ，傳動部件選軟面齒輪。 （ 2）軸上零件的定位 根據(jù)各種工藝要求，其他部位選擇圓錐滾子軸承，考慮到軸系位置調(diào)整和軸承游隙調(diào)整添加墊片組，腰部轉(zhuǎn)軸以同樣方式步驟設(shè)計，為增強(qiáng)支撐能力，增加推力球軸承。現(xiàn)代設(shè)計學(xué)要求一般所設(shè)計的傳動結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)緊湊、空間占比小、質(zhì)量輕、運(yùn)動慣量小、性能穩(wěn)定、運(yùn)動位置精度高、制造成本低等特點。綜合考慮，選擇夾緊螺絲的固定方式，該方式滿足普通軸、 D 型軸端的軸、鍵槽軸（加輪轂套）聯(lián)接方式，并且有很好的誤差補(bǔ)償能力，可將安放軸的機(jī)架和安放電機(jī)機(jī)架做成兩個部件，降低同軸度要求。其配合使用的驅(qū)動器能和直流電機(jī)構(gòu)成環(huán)回路，使電機(jī)能達(dá)到更為精準(zhǔn)的控制。/s 末端執(zhí)行器關(guān)節(jié) 5: 090~0 ，最高角速度 160176。擬定的機(jī)械手的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示 圖 機(jī)械手三維結(jié)構(gòu)示意圖 Schematic diagram of the threedimensional structure diagram of manipulator 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 8 第三章 機(jī)械 手工程圖的設(shè)計及計算 主要技術(shù)參數(shù)的確定 五自由度機(jī)械手主要技術(shù)參數(shù)包括各關(guān)節(jié)的尺寸、運(yùn)動空間角度、電機(jī)的型號、運(yùn)動軸與電機(jī)之間連接的連接裝置聯(lián)軸器的型號等。本設(shè)計為一般常規(guī)設(shè) 計，滿足所設(shè)計內(nèi)容即可，選擇常規(guī)的控制型電機(jī)可以達(dá)到要求。最終確定的機(jī)構(gòu)形勢如圖 所示。運(yùn)動狀態(tài)類似于人的手臂運(yùn)動，其手臂部分中大臂、小臂用機(jī)架來連接，它的關(guān)節(jié)全部可以旋轉(zhuǎn)，是工業(yè)機(jī)器人中最為常見的結(jié)構(gòu)，在控制方式上它也是比較簡單的，對于傳動裝置和驅(qū)動裝置的要求較低。 （ 1） 直角坐標(biāo)型機(jī)器人： 它的運(yùn)動方程可以獨(dú)立處理，是一種比較容易實現(xiàn)計算機(jī)控制的坐標(biāo)形式；它可以實現(xiàn)兩端支撐，并且剛性比較大；更為顯著的特點是它的定位精度和位置分辨率不隨工作場合而變化。 ，新型機(jī)器人不完全追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者和機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即通過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)，使傳統(tǒng)智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。目前我國主要還是從國外購買或引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人（工業(yè)機(jī)械手）技術(shù)，通過引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新等來發(fā)展自己的技術(shù)。眾多的優(yōu)點加速了人們對機(jī)械手的進(jìn)一步關(guān)注和研究，一時成為國家工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的顯著標(biāo)志。 13 小臂擺動關(guān)節(jié)設(shè)計 2 第二章 五自由度移動機(jī)械手總體方案設(shè)計 1 機(jī)械手發(fā)展史及發(fā)展現(xiàn)狀 畢業(yè)設(shè)計 五自由度移動機(jī)械手設(shè)計 姓 名： XXXXXX 學(xué) 號： XXXXXX 班 級： XXXXXXXXXXXX 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動化（數(shù)控技術(shù) 方向） 所在系： XXXXXXXXXX 指導(dǎo)老師： XXXXXX 指導(dǎo)老師 : 段 萍 五自由度移動機(jī)械手設(shè)計 摘 要 本課題來源于現(xiàn)實生活。 2 本次畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容 6 機(jī)械手結(jié)構(gòu)總體布局 25 運(yùn)動學(xué)方程式推導(dǎo) 它的出現(xiàn)代替人力勞動，改善勞動條件，避免人身事故 ,提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過程中的自動化程度，為社會經(jīng)濟(jì)增長帶來了顯著的效益。 我國較國外研究機(jī)械手領(lǐng)的域起步比較晚，同時由于其他各種原因，工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展也比較緩慢。 ，通過多傳感器的融合，運(yùn)用了視覺、力覺、聽覺、聲覺、觸覺等傳感技術(shù)來模擬 、仿真及預(yù)演環(huán)境和控制，可使用遙控機(jī)遠(yuǎn)程控制它工作，突破了傳統(tǒng)觀念中的現(xiàn)場操作。下面簡要介紹幾種較為常見的坐標(biāo)結(jié)構(gòu)機(jī)器人 。如圖 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 5 所示 圖 圓柱坐標(biāo)型 圖 球坐標(biāo)型 Cylindrical coordinate Spherical coordinate type （ 4） 關(guān)節(jié)型坐標(biāo)系機(jī)器人： 該機(jī)器人是由三個旋轉(zhuǎn)自由度組成。 其五個自由度依次為腰部的回轉(zhuǎn)、大臂的俯仰，小臂的前后擺動，手腕轉(zhuǎn)動，以及末端執(zhí)行器的擺動。 電氣式驅(qū)動電機(jī)一般有動力用電機(jī)和控制用電機(jī)兩大類。 表 驅(qū)動方式對比 parison ofdriving mode 種類 特點 優(yōu)點 缺點 電氣式 可用商用電源；信號與動力傳送方向相同；有交流和直流之分 操作簡單；編程容易；能實現(xiàn)定位伺服；響應(yīng)快、易于與 CPU相接 瞬時輸出功率大；過載差，卡住時易引起事故；易受外部噪音影響 液壓式 要求操作人員技術(shù)熟練；液壓源壓力在一定范圍 輸出功率大，速度快，動作平穩(wěn)，響應(yīng)快 設(shè)備占用空間大；液壓源要求高，且易泄露且有污染 氣壓式 要求操作人員技術(shù)熟練；氣壓源壓力在一定范圍 氣壓源方便、成本低；無泄露污染，操作簡單，速度快 功率小，體積大；工作噪音大，難于伺服控制 機(jī)械手結(jié)構(gòu)總體布局 針對選擇的驅(qū)動裝置和傳動裝置，對圖 中的五個關(guān)節(jié)，大臂擺動和手腕旋轉(zhuǎn)采用直流電機(jī)直接驅(qū)動，其它三個關(guān)節(jié)利用錐齒輪傳動。/s 手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 4: 0360~0 ， 最高角速度 100176。憑借與精密的齒輪箱可以獲得更寬的速度范圍和轉(zhuǎn)距范圍，高分辨率的模數(shù)字編碼器提供了運(yùn)動控制的保證。其中第一種為定位螺絲固定，該方式可能會損傷軸心而且拆卸困難；第二種為 通過夾緊螺絲來固定；第三種為鍵槽型；第四種為定位螺絲與鍵槽的復(fù)合固定形式，后兩種都較為復(fù)雜。/s 注：相關(guān)參數(shù)選自《 maxon產(chǎn)品目錄 08/09高精密驅(qū)動系統(tǒng)的頂級提供商》 圖 Coupling structure 機(jī)械手各關(guān)節(jié)的部件的詳細(xì)設(shè)計 腰間、小臂、大臂、手腕和末端的執(zhí)行結(jié)構(gòu)的驅(qū)動裝置都自