【正文】 所示。腰部的最終機(jī)構(gòu)為圖 ，其中轉(zhuǎn)軸與齒輪采用過盈配合。聯(lián)軸器與軸配合長(zhǎng)度11mm，最終確定旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 底座三維實(shí)體模型結(jié)構(gòu) A 3D model of structure 圖 The 3D input waist joint model 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(jì)說明書 23 圖 腰部輸出關(guān)節(jié)三維實(shí)體模型 The 3D waist joint model output 圖 大臂三維實(shí)體模型 The 3D model of arm 圖 小臂擺動(dòng)三維實(shí)體模型 The 3D model of swing arm 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(jì)說明書 24 圖 小臂三維實(shí)體模型 The 3D model of small arms 圖 手腕三維實(shí)體模型 The 3D model of the wrist 圖 末端輸入三維實(shí)體模型 At the end of the input 3D model 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(jì)說明書 25 圖 末端執(zhí)行器安裝架及軸系 The end effector mounting frame and shaft 圖 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型 The 3D structure of manipulator model 移動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析 連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系的建立 假定機(jī)器人為若干個(gè)關(guān)節(jié)與連桿組成。不管在哪一種情況下，關(guān)節(jié) n處的 z 軸（以及該關(guān)節(jié)的本地參考坐標(biāo)系）的下標(biāo)為 n1。這也會(huì)使模型得以簡(jiǎn)化。這里比較好的一點(diǎn)是，在任何兩個(gè)坐標(biāo)系之間的變換均可采用與前面相同的運(yùn)動(dòng)步驟。經(jīng)過此次的設(shè)計(jì)，我對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)這門學(xué)科有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)一個(gè)新產(chǎn)品的開發(fā)、一個(gè)機(jī)械系統(tǒng) 的流程建立有了初步理解與認(rèn)識(shí)，學(xué)到了很多新的知識(shí)。動(dòng)力傳動(dòng)裝置選擇了 maxon 公司生產(chǎn)的高性能高精準(zhǔn)的直流伺服電機(jī)。至此，我們順利的從一個(gè)坐標(biāo)系變換到了下一個(gè)坐標(biāo)系。這時(shí)可挑選與前一關(guān)節(jié)的公垂線共線的一條公垂線，這樣做就可以簡(jiǎn)化模型。此外， DH 表示法根本就不用 y 軸 。 Pro/ENGINEER 中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模塊 Mechanism 可以分析與仿真機(jī)械裝配模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)，運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果不但可以以動(dòng)畫形式表現(xiàn)出來，還可以以參數(shù)的形式輸出，同時(shí)判斷零件之間是否發(fā)生干涉，干涉體積有多大和對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行記錄。小臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)的最終結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。綜合考慮，可選擇錐齒輪傳動(dòng)。 根據(jù)選取的電機(jī)，選擇 mikipule 廠家生產(chǎn)專用的伺服電機(jī)精密聯(lián)軸器，其本體采用碳素鋼材質(zhì)的板彈簧式聯(lián)軸器 , 該聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛性極高 , 能準(zhǔn)確控制軸的旋轉(zhuǎn) , 可進(jìn)行高精密控制。/s 大臂擺動(dòng)關(guān)節(jié) 2: 090~0 ， 最高角速度 72176。 所以機(jī)械手必須要有很好的伺服控制能力運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性能，再者要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊、活動(dòng)靈活，同時(shí)結(jié)合工況條件。即機(jī)械手的工作原理是通過繞坐標(biāo)系的 Z 軸的左右旋轉(zhuǎn)， Z 軸的水平軸 Y 上下擺動(dòng)和 X 軸的伸合合成，它的中心架附近的工作范圍大，覆蓋工作空間較廣。 、可重構(gòu)化。 33 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(jì)說明書 1 第一章 緒論 課題研究的意義 21 世紀(jì)是知識(shí)的世界，也是科學(xué)技術(shù)的世界，誰掌握了科技 的前沿方向，誰就能把握主導(dǎo)權(quán)，引領(lǐng)世界潮流，發(fā)展經(jīng)濟(jì)，帶動(dòng)各行各業(yè)的發(fā)展。 此次設(shè)計(jì)主要研究五自由度機(jī)械手的主體結(jié)構(gòu)部分（包括底座、腰部、大臂、小臂、手腕及末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)），其主要通過腰部 360 度回轉(zhuǎn)、大臂的俯仰，小臂的前后擺動(dòng)，手腕 360 回轉(zhuǎn)，末端執(zhí)行器的擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)空間中的五個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械手發(fā)展史及發(fā)展現(xiàn)狀 機(jī)械手的發(fā)展歸功于機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。 產(chǎn)品用途與使用范圍 隨著工業(yè)發(fā)展的需要，在石油化工、染料等行業(yè)自動(dòng)化程度的加高，工藝要求越來越復(fù)雜，相比人要求理想化環(huán)境和簡(jiǎn)單化操作提出了挑戰(zhàn)，同時(shí)這些行業(yè)的工作對(duì)人類的安全威脅越來越大，隨時(shí)可能發(fā)生的危險(xiǎn)讓人觸手不及，一些工作也不得不要求機(jī)器人來完成。多關(guān)節(jié)機(jī)械手具有 :工作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、通用、能隨意抓取機(jī)座附近的工件，并能繞過機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作等優(yōu)點(diǎn) .伴隨著生產(chǎn)的需要，對(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械手的靈活性，定位精度和作業(yè)空間范圍等提出 越來越高的要求。力矩電機(jī)只能用于單向連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以不選用。選擇電動(dòng)機(jī)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求，需符合以下條件： 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(jì)說明書 9 （ 1）需要的轉(zhuǎn)矩，這一轉(zhuǎn)矩下的速度 u； （ 2）不同負(fù)載下的持續(xù)工作時(shí)間 t； （ 3）需要的加速度 a； （ 4）負(fù)載的慣量 j。 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(jì)說明書 10 表 DC servo motor selection parameters 電機(jī) 減速箱 關(guān)節(jié)最高角速度 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) RE 35 φ35mm 90w 行星輪齒 輪箱GP42A 120176。 （ 3）腰間齒輪設(shè)計(jì) 按使用條件，本設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)屬低速運(yùn)轉(zhuǎn)、輕載荷，重要性和可靠性一般的齒輪傳動(dòng)。 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(jì)說明書 16 1手腕 2小臂 3手腕旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 圖 The rotating structure of wrist joint 執(zhí)行器擺動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 執(zhí)行器擺動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置于手腕空腔內(nèi)，齒輪設(shè)計(jì)同小臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)齒輪。這些關(guān)節(jié)可能是滑動(dòng)的，也可以旋轉(zhuǎn)的，它們可以以任意的順序相連，放置于任意的平面。即表示關(guān)節(jié) n+1 的 z 軸是。 在圖 中（ a）中， ? 表示繞 z 軸的旋轉(zhuǎn)角， D 表示在 z 軸上兩條相鄰的公垂線之間的距離， ? 表示每一條公垂線的長(zhǎng)度（關(guān)節(jié)偏移量），角表示兩個(gè)相鄰的 z 軸之間的角度（關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)）。 圖 通用關(guān)節(jié) —連桿組合的 DH表示 Universal joint linkage bined DH 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(jì)說明書 28 圖 五自由度運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系 Five degrees of freedom motion reference coordinate system 表 連桿參數(shù) Link parameters 連桿 轉(zhuǎn)角 θn 連桿間距 dn 連桿長(zhǎng)度 an 連桿扭角 αn 1 θ1 d1=0 a1=l1=148 α1=90176。同時(shí)在軟件運(yùn)用方面，使我的能力得到了很好的提升和鍛煉，鍛煉了我的毅力，讓我認(rèn)識(shí)到作什么，必要的相關(guān)準(zhǔn)備和專研精神是必要的。固定裝置為鋁合金的架子，具有質(zhì)量較輕，強(qiáng)度大，耐用的特點(diǎn)。這時(shí)坐標(biāo)系 n 和 n+1完全相同（如圖 中（ g）所示）。 如果兩個(gè)關(guān)節(jié)的 z 軸平行，那么它們之間就有無數(shù)條公垂線。 因此，對(duì)于每個(gè)關(guān)節(jié)，都必須指定一個(gè) z 軸和 x 軸，通常并不需要指定 y 軸，因?yàn)閥 軸總是垂直于 x 軸和 z 軸的。 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(jì)說明書 22 第四章 基于 Pro/ENGINEER 的模型建立與運(yùn)動(dòng)分析 Pro/ENGINEER 軟件是美國(guó) PTC 公司基于單一數(shù)據(jù)庫(kù)、參數(shù)化、特征、全相關(guān)及工程數(shù)據(jù)再利用等概念的基礎(chǔ)上，開發(fā)出來的一款包括 CAD/CAE/CAM 強(qiáng)大功能的的三維繪圖軟件。聯(lián)軸器與 軸配合長(zhǎng)度 12mm。具有安裝靈活性大、簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、承載力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。而其他關(guān)節(jié)在掉電后都能處于平衡位置，故不予考慮。類比人體結(jié)構(gòu)參數(shù)，在結(jié)合相關(guān)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和優(yōu)化結(jié)果、工作環(huán)境的需要，定出該移動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)如下： （ 1）結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) : 腰部回轉(zhuǎn)半徑 1a ： 80mm 大臂長(zhǎng) 2a :300mm 中臂加小臂長(zhǎng) 3a :360mm （ 2） 運(yùn)動(dòng)參數(shù) : 最高角速度按公式 LVW? 計(jì)算，其中 W 角速度， V 為線速度， L 為臂的長(zhǎng)度； 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 1: 0360~0 ，最高角速度 120176。手腕部位關(guān)節(jié)的三個(gè)自由度能同時(shí)操作，運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，不發(fā)生干涉。如圖 所示 （ 3） 球坐標(biāo)型機(jī)器人： 由一個(gè)移動(dòng)自由度和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度組成 。發(fā)展到如今具有如下幾個(gè)趨勢(shì)： 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(jì)說明書 2 、高精度、高可靠性、便于操作和維修方向發(fā)展，同時(shí)單機(jī)價(jià)格逐漸降低，普及化程度加大。 15 執(zhí)行器擺動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 要求機(jī)械手在原代替 工人繁重體力勞動(dòng)和有害環(huán)境下操作的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化、精密化和產(chǎn)量化，具有節(jié)能環(huán)保，使用壽命長(zhǎng)，外形設(shè)計(jì)美觀合理和能后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)換代的特點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、醫(yī)療和能源等領(lǐng)域。 4 移動(dòng)機(jī)械手 的結(jié)構(gòu)形式選擇 8 主要技術(shù)參數(shù)的確定 機(jī)械手出現(xiàn)于上世紀(jì)，是由國(guó)外機(jī)床、汽車等制造業(yè)的發(fā)展而興起的。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文主要為化學(xué)危險(xiǎn)反應(yīng)器泄露檢測(cè)和修補(bǔ)領(lǐng)域設(shè)計(jì)，作一課題，設(shè)計(jì)一款可以代替人操作的機(jī)械手。發(fā)展至今，多關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)數(shù)量由傳統(tǒng)的三個(gè)發(fā)展到十幾個(gè)甚至更多，其外形多種多樣，可根據(jù)實(shí)際工作需求來改變，它的優(yōu)點(diǎn)顯而易見。步進(jìn)電機(jī)不能用于正、反轉(zhuǎn)頻繁操作的場(chǎng)合，且其啟動(dòng)和制動(dòng)性能差，同時(shí)不能實(shí)行閉環(huán)控制，缺乏反饋?zhàn)饔茫虼艘膊贿x用。 電動(dòng)機(jī)的功率按一下公式估算： ? LPLPM MP ???? )~( (31) 式中： MP ——電動(dòng)機(jī)功率 W LPM ——負(fù)載力矩 mmN? LP? ——負(fù)載轉(zhuǎn)速 sRad/ ?——傳動(dòng)裝置的效率，初步估計(jì) ?? 。/s 大臂擺動(dòng)關(guān)節(jié) RE 35 φ35mm 90w 行星輪齒輪箱 GP42C 72176。選用一般軟齒面齒輪可滿足要求，需小齒輪的硬度比大齒輪大 HBS50~30 。按照公式（ 33），初步最小軸徑 10mm，初步定最小軸徑 12mm，為與聯(lián)軸器連接處直徑。連桿的尺寸任意（長(zhǎng)度可以為零），它可以被彎曲或扭曲，空間中任意位置可以實(shí)現(xiàn)。以這樣的方式可使我們很快地定義出所有關(guān)節(jié)的 z 軸。通常，只有和 D 是關(guān)節(jié)變量。 2 θ2 d2=300 a2=l2=300 α2=0176。 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(jì)說明書 31 參考文獻(xiàn) [1] 郭洪紅，賀繼林，田宏宇等 . 工業(yè)機(jī)器人 . 西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2021 [2] 車仁煒，呂廣明，孫立寧 . 五自由度康復(fù)機(jī)械手臂的設(shè)計(jì) [J]. 機(jī)械設(shè)計(jì) . 2021， (4) [3] 蔡自興 . 機(jī)器人學(xué) . 北京：清華大學(xué)出版社， 2021 [4] 鄒湘軍 . 機(jī)械產(chǎn)品的三維動(dòng)態(tài)圖形模擬研究 [J]. 計(jì)算機(jī)仿真， 2021， (18) [5] 張玉蓮，談國(guó)華 . 三維實(shí)體造型概述 [J]. 電子機(jī)械工程， 2021， (3) [6] 梁喜鳳，王永為 . 番茄收獲機(jī)械手機(jī)構(gòu)型綜合研究 [J]. 農(nóng)機(jī)化研究， 2021， (3) [7] 梁喜鳳，王永維，苗香雯 . 番茄收獲機(jī)械手避障運(yùn)動(dòng)規(guī) [J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) . 2021， (12) [