【正文】 所示。腰部的最終機構為圖 ，其中轉(zhuǎn)軸與齒輪采用過盈配合。聯(lián)軸器與軸配合長度11mm，最終確定旋轉(zhuǎn)關節(jié)結構如圖 所示。 圖 底座三維實體模型結構 A 3D model of structure 圖 The 3D input waist joint model 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 23 圖 腰部輸出關節(jié)三維實體模型 The 3D waist joint model output 圖 大臂三維實體模型 The 3D model of arm 圖 小臂擺動三維實體模型 The 3D model of swing arm 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 24 圖 小臂三維實體模型 The 3D model of small arms 圖 手腕三維實體模型 The 3D model of the wrist 圖 末端輸入三維實體模型 At the end of the input 3D model 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 25 圖 末端執(zhí)行器安裝架及軸系 The end effector mounting frame and shaft 圖 機械手總體結構三維實體模型 The 3D structure of manipulator model 移動機械手的運動分析 連桿參數(shù)及連桿坐標系的建立 假定機器人為若干個關節(jié)與連桿組成。不管在哪一種情況下，關節(jié) n處的 z 軸（以及該關節(jié)的本地參考坐標系）的下標為 n1。這也會使模型得以簡化。這里比較好的一點是，在任何兩個坐標系之間的變換均可采用與前面相同的運動步驟。經(jīng)過此次的設計，我對機械設計這門學科有了進一步的認識和理解，對一個新產(chǎn)品的開發(fā)、一個機械系統(tǒng) 的流程建立有了初步理解與認識，學到了很多新的知識。動力傳動裝置選擇了 maxon 公司生產(chǎn)的高性能高精準的直流伺服電機。至此，我們順利的從一個坐標系變換到了下一個坐標系。這時可挑選與前一關節(jié)的公垂線共線的一條公垂線，這樣做就可以簡化模型。此外， DH 表示法根本就不用 y 軸 。 Pro/ENGINEER 中的機構運動仿真模塊 Mechanism 可以分析與仿真機械裝配模型的運動學，運動仿真結果不但可以以動畫形式表現(xiàn)出來，還可以以參數(shù)的形式輸出，同時判斷零件之間是否發(fā)生干涉，干涉體積有多大和對仿真結果進行記錄。小臂擺動關節(jié)的最終結構圖如圖 所示。綜合考慮，可選擇錐齒輪傳動。 根據(jù)選取的電機，選擇 mikipule 廠家生產(chǎn)專用的伺服電機精密聯(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 , 能準確控制軸的旋轉(zhuǎn) , 可進行高精密控制。/s 大臂擺動關節(jié) 2: 090~0 ， 最高角速度 72176。 所以機械手必須要有很好的伺服控制能力運動的平穩(wěn)性能，再者要求機械手結構緊湊、活動靈活，同時結合工況條件。即機械手的工作原理是通過繞坐標系的 Z 軸的左右旋轉(zhuǎn)， Z 軸的水平軸 Y 上下擺動和 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。 、可重構化。 33 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 1 第一章 緒論 課題研究的意義 21 世紀是知識的世界，也是科學技術的世界，誰掌握了科技 的前沿方向，誰就能把握主導權，引領世界潮流，發(fā)展經(jīng)濟，帶動各行各業(yè)的發(fā)展。 此次設計主要研究五自由度機械手的主體結構部分（包括底座、腰部、大臂、小臂、手腕及末端執(zhí)行結構），其主要通過腰部 360 度回轉(zhuǎn)、大臂的俯仰，小臂的前后擺動，手腕 360 回轉(zhuǎn)，末端執(zhí)行器的擺動來實現(xiàn)空間中的五個自由度的運動。 機械手發(fā)展史及發(fā)展現(xiàn)狀 機械手的發(fā)展歸功于機器人技術的發(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)自動化程度的加高，工藝要求越來越復雜，相比人要求理想化環(huán)境和簡單化操作提出了挑戰(zhàn)，同時這些行業(yè)的工作對人類的安全威脅越來越大，隨時可能發(fā)生的危險讓人觸手不及，一些工作也不得不要求機器人來完成。多關節(jié)機械手具有 :工作靈活、運動慣性小、通用、能隨意抓取機座附近的工件，并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作等優(yōu)點 .伴隨著生產(chǎn)的需要，對多關節(jié)機械手的靈活性，定位精度和作業(yè)空間范圍等提出 越來越高的要求。力矩電機只能用于單向連續(xù)運轉(zhuǎn)，所以不選用。選擇電動機，根據(jù)驅(qū)動要求，需符合以下條件： 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 9 （ 1）需要的轉(zhuǎn)矩，這一轉(zhuǎn)矩下的速度 u； （ 2）不同負載下的持續(xù)工作時間 t； （ 3）需要的加速度 a； （ 4）負載的慣量 j。 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 10 表 DC servo motor selection parameters 電機 減速箱 關節(jié)最高角速度 腰部回轉(zhuǎn)關節(jié) RE 35 φ35mm 90w 行星輪齒 輪箱GP42A 120176。 （ 3）腰間齒輪設計 按使用條件，本設計中的運動結構屬低速運轉(zhuǎn)、輕載荷，重要性和可靠性一般的齒輪傳動。 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 16 1手腕 2小臂 3手腕旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機 圖 The rotating structure of wrist joint 執(zhí)行器擺動關節(jié)設計 執(zhí)行器擺動轉(zhuǎn)動關節(jié)，將驅(qū)動電機布置于手腕空腔內(nèi)，齒輪設計同小臂擺動關節(jié)齒輪。這些關節(jié)可能是滑動的，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度（關節(jié)偏移量），角表示兩個相鄰的 z 軸之間的角度（關節(jié)扭轉(zhuǎn)）。 圖 通用關節(jié) —連桿組合的 DH表示 Universal joint linkage bined DH 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 28 圖 五自由度運動參考坐標系 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 連桿長度 an 連桿扭角 αn 1 θ1 d1=0 a1=l1=148 α1=90176。同時在軟件運用方面，使我的能力得到了很好的提升和鍛煉，鍛煉了我的毅力，讓我認識到作什么，必要的相關準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，強度大，耐用的特點。這時坐標系 n 和 n+1完全相同（如圖 中（ g）所示）。 如果兩個關節(jié)的 z 軸平行，那么它們之間就有無數(shù)條公垂線。 因此，對于每個關節(jié)，都必須指定一個 z 軸和 x 軸，通常并不需要指定 y 軸，因為y 軸總是垂直于 x 軸和 z 軸的。 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 22 第四章 基于 Pro/ENGINEER 的模型建立與運動分析 Pro/ENGINEER 軟件是美國 PTC 公司基于單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、特征、全相關及工程數(shù)據(jù)再利用等概念的基礎上，開發(fā)出來的一款包括 CAD/CAE/CAM 強大功能的的三維繪圖軟件。聯(lián)軸器與 軸配合長度 12mm。具有安裝靈活性大、簡單、傳動平穩(wěn)、承載力強等優(yōu)點。而其他關節(jié)在掉電后都能處于平衡位置，故不予考慮。類比人體結構參數(shù)，在結合相關機器人的運動參數(shù)和優(yōu)化結果、工作環(huán)境的需要，定出該移動機械手的結構參數(shù)與運動參數(shù)如下： （ 1）結構尺寸參數(shù) : 腰部回轉(zhuǎn)半徑 1a ： 80mm 大臂長 2a :300mm 中臂加小臂長 3a :360mm （ 2） 運動參數(shù) : 最高角速度按公式 LVW? 計算，其中 W 角速度， V 為線速度， L 為臂的長度； 腰部回轉(zhuǎn)關節(jié) 1: 0360~0 ，最高角速度 120176。手腕部位關節(jié)的三個自由度能同時操作，運動相互獨立，不發(fā)生干涉。如圖 所示 （ 3） 球坐標型機器人： 由一個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度組成 。發(fā)展到如今具有如下幾個趨勢： 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 2 、高精度、高可靠性、便于操作和維修方向發(fā)展，同時單機價格逐漸降低，普及化程度加大。 15 執(zhí)行器擺動關節(jié)設計 要求機械手在原代替 工人繁重體力勞動和有害環(huán)境下操作的基礎上，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化、自動化、精密化和產(chǎn)量化，具有節(jié)能環(huán)保，使用壽命長，外形設計美觀合理和能后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量升級換代的特點，并廣泛應用于機械制造、冶金、電子、醫(yī)療和能源等領域。 4 移動機械手 的結構形式選擇 8 主要技術參數(shù)的確定 機械手出現(xiàn)于上世紀，是由國外機床、汽車等制造業(yè)的發(fā)展而興起的。針對這一現(xiàn)狀，本文主要為化學危險反應器泄露檢測和修補領域設計，作一課題，設計一款可以代替人操作的機械手。發(fā)展至今，多關節(jié)機器人的關節(jié)數(shù)量由傳統(tǒng)的三個發(fā)展到十幾個甚至更多，其外形多種多樣，可根據(jù)實際工作需求來改變，它的優(yōu)點顯而易見。步進電機不能用于正、反轉(zhuǎn)頻繁操作的場合，且其啟動和制動性能差，同時不能實行閉環(huán)控制，缺乏反饋作用，因此也不選用。 電動機的功率按一下公式估算： ? LPLPM MP ???? )~( (31) 式中： MP ——電動機功率 W LPM ——負載力矩 mmN? LP? ——負載轉(zhuǎn)速 sRad/ ?——傳動裝置的效率，初步估計 ?? 。/s 大臂擺動關節(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（長度可以為零），它可以被彎曲或扭曲，空間中任意位置可以實現(xiàn)。以這樣的方式可使我們很快地定義出所有關節(jié)的 z 軸。通常，只有和 D 是關節(jié)變量。 2 θ2 d2=300 a2=l2=300 α2=0176。 天津理工大學大學中環(huán)信息學院 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 31 參考文獻 [1] 郭洪紅，賀繼林，田宏宇等 . 工業(yè)機器人 . 西安：西安電子科技大學出版社， 2021 [2] 車仁煒，呂廣明，孫立寧 . 五自由度康復機械手臂的設計 [J]. 機械設計 . 2021， (4) [3] 蔡自興 . 機器人學 . 北京：清華大學出版社， 2021 [4] 鄒湘軍 . 機械產(chǎn)品的三維動態(tài)圖形模擬研究 [J]. 計算機仿真， 2021， (18) [5] 張玉蓮，談國華 . 三維實體造型概述 [J]. 電子機械工程， 2021， (3) [6] 梁喜鳳，王永為 . 番茄收獲機械手機構型綜合研究 [J]. 農(nóng)機化研究， 2021， (3) [7] 梁喜鳳，王永維，苗香雯 . 番茄收獲機械手避障運動規(guī) [J]. 農(nóng)業(yè)機械學報 . 2021， (12) [