【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的慣性力和振動(dòng)，以保證被抓物體不至于產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 （ 2）手爪應(yīng)有一定的開閉度 手爪張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角，若加持不同直徑的物體，應(yīng)按最大直徑的被抓物考慮，對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。 （ 3）應(yīng)保證被抓物的準(zhǔn)確定位 為使手爪和被夾持物體保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置關(guān)系，必須根據(jù)物體的形狀，選擇相應(yīng)的手爪形狀。 （ 4）具有足夠的剛度和強(qiáng)度 手爪除了受到被抓物體的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的剛度和強(qiáng)度以防折斷或彎曲變形，同時(shí)還應(yīng)使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。 （ 5）應(yīng)考慮被抓物體的要求 包括抓取物體的部位、形狀、數(shù)量。 綜合考慮以上因素，本文確定手爪采用兩指面的旋轉(zhuǎn)式簡(jiǎn)單夾持器結(jié)構(gòu)。 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 7 在旋轉(zhuǎn)式夾持器結(jié)構(gòu)中為了得到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要有一個(gè)直線輸入單元，這就要求手爪的傳動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)⒅绷鳒p速電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)；為了能夠保證手爪在夾持物體時(shí)夾緊力保持不變以及在意外斷電時(shí)被夾持物體不致掉落，需要傳動(dòng)系統(tǒng)有自鎖裝置。根據(jù)以上要求，本文提出了兩種結(jié)構(gòu)方案 （ 1）螺母螺桿的傳動(dòng)方案 方案原理：電機(jī)將動(dòng)力傳給小齒輪，小齒輪再將動(dòng)力傳動(dòng)給與大齒輪固連的螺母，最后傳給螺桿帶動(dòng)手指開合。螺母兩端有止推墊片，可保證螺母只能轉(zhuǎn)動(dòng)；螺桿靠近電機(jī)的一側(cè)做成花鍵的形式，外花鍵固定在箱體上，這樣保證螺桿只能移動(dòng)而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。通過這個(gè)結(jié)構(gòu)可以將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng) 圖 1. 旋轉(zhuǎn)夾持器結(jié)構(gòu)原理圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 8 （ 2）蝸輪蝸 桿的手爪傳動(dòng)方案 電動(dòng)機(jī)減速器輸出軸與裝有蝸桿的傳動(dòng)軸連接，將動(dòng)力傳動(dòng)到蝸輪。蝸輪帶動(dòng)與蝸輪固連的指面的開合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)抓取和放下物體的功能，同時(shí)蝸輪蝸桿本身具花鍵 螺桿 螺母 電機(jī) 手指 圖 2. 螺母螺桿的手爪傳動(dòng)方案 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 9 有自鎖功能。蝸輪與指面通過螺紋連接能夠保證指面與渦輪的同步運(yùn)動(dòng)；蝸桿軸上的軸承定位通過軸承擋圈與手 爪后蓋來實(shí)現(xiàn)；在手爪后蓋中有與蝸桿軸配合的 O 型圈，從而達(dá)到對(duì)電機(jī)的密封。 比較上面兩種方案，方案一螺母螺桿本身具有自鎖作用，缺點(diǎn)：螺桿螺母不能直接與電機(jī)輸出軸相連；螺母螺桿本身不具有減速作用。螺母外面必須要加齒輪才能完成減速傳動(dòng)，造成了徑 向尺寸的加大；為防止螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)而在其后面增加的外花鍵，造成了方案整體軸向尺寸的加大。明顯看出方案一的整體結(jié)構(gòu)不如方案二結(jié)構(gòu)緊湊，綜合考慮之后最終確定了蝸輪蝸桿減速的手爪傳動(dòng)方案。 機(jī)械腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手腕式操作機(jī)的小臂和末端執(zhí)行器（手爪）之間的連接部件 [14]。其功用是利用自 直流減速電機(jī) 蝸桿軸 軸承 軸承擋圈 蝸桿 開口銷 蝸輪 蝸輪軸 指面 蝸輪安裝板 圖 3. 蝸輪蝸桿的手爪傳動(dòng)方案 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 10 身的活動(dòng)度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。 腕部的動(dòng)作有繞 X 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)成為回轉(zhuǎn)；繞 Y 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為俯仰；繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為左右擺動(dòng)；還有可沿 Y 軸方向移動(dòng)的自由度，圖 4 為其運(yùn)動(dòng)示意圖： 手腕的分類： （ 1）單自由度手腕：手腕在空間可具有三個(gè)自由度，也可以具備以下單一功能： 單一的翻轉(zhuǎn)功能：手腕的關(guān)節(jié)軸線與手臂的縱軸線共線，?；剞D(zhuǎn)角度不受結(jié)構(gòu)限制，可以回轉(zhuǎn) 360176。以上。該運(yùn)動(dòng)用翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（ R關(guān)節(jié)）實(shí)現(xiàn)。 單一的俯仰功能：手腕關(guān)節(jié)軸線與手臂及手的軸線相互垂直，轉(zhuǎn)角度受結(jié)構(gòu)限制，通常小于 360176。該運(yùn)動(dòng)用折曲關(guān)節(jié)（ B關(guān)節(jié)）實(shí)現(xiàn)。 單一的偏轉(zhuǎn)功能：手腕關(guān)節(jié)軸線與手臂及手的軸線在另一個(gè)方向上相互垂直；轉(zhuǎn)角度受結(jié)構(gòu)限制，通常小于 360176。該運(yùn)動(dòng)用折曲關(guān)節(jié)（ B關(guān)節(jié)）實(shí)現(xiàn)。 圖 4. 腕部運(yùn)動(dòng)示意圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 11 （ 2）兩自由度手腕 可以由一個(gè) R關(guān)節(jié)和一個(gè) B關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成 BR 關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，或由兩個(gè) B關(guān)節(jié)組成 BB關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，但不能由兩個(gè) RR 關(guān)節(jié)構(gòu)成二自由度手腕，因?yàn)閮蓚€(gè) R 關(guān)節(jié)的功能是重復(fù)的，實(shí)際上只起到單自由度的作用。 圖 5. 單自由度手腕示意圖 圖 6. 兩自由度手腕示意圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 12 （ 3）三自由度手腕 有 R關(guān)節(jié)和 B關(guān)節(jié)的組合構(gòu)成的三自由度手腕可以有多種型式，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)功能。 腕部設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求： （ 1）腕部的動(dòng)作要靈活、自重要輕。 在設(shè)計(jì)腕部時(shí)，應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，減輕結(jié)構(gòu)的重量。機(jī)械手配合 機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)腕部的動(dòng)作時(shí)間往往在幾秒鐘以內(nèi)，甚至不超過一秒，所以腕部一定要靈活，在保證構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度的條件下，回轉(zhuǎn)件盡量采用滾動(dòng)軸承或滾柱，以減少阻力，降低摩擦。 （ 2）腕部運(yùn)動(dòng)位置要準(zhǔn)確 手腕的回轉(zhuǎn)、俯仰與左右偏擺等運(yùn)動(dòng)位置都要求準(zhǔn)確，除對(duì)零部件配合精度嚴(yán)格要求以外，要采取措施消除傳動(dòng)件之間的間隙。 腕部單關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案分析： 水下機(jī)械手關(guān)節(jié)電機(jī)的布置方式有兩種，一種是電機(jī)和關(guān)節(jié)輸出軸平行放置，電機(jī)經(jīng)過減速器輸出轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，中間沒有其他齒輪傳動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)誤差小，結(jié)構(gòu)緊湊；缺點(diǎn)是導(dǎo)致整個(gè)關(guān)節(jié)外徑尺寸變大 。另外一種布置方式是電機(jī)和關(guān)節(jié)輸出軸垂直放置，中間需要力矩方向改變 90176。的方向轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，這樣會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)誤差加大，優(yōu)點(diǎn)是關(guān)節(jié)徑向尺寸減小，通過中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以增加關(guān)節(jié)的輸出力矩?？紤]到課題要求結(jié)構(gòu)盡可能緊湊的特點(diǎn)，徑向尺寸不宜過大，因此采用第二種傳動(dòng)方式。 圖 7. 三自由度手腕示意圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 13 軸交角為 90176。兩相交軸之間的傳動(dòng)主要有蝸輪蝸桿和錐齒輪兩種傳動(dòng)方式，錐齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)比恒定，具有不變的瞬時(shí)傳動(dòng)比，但是在同樣使用條件下，錐齒輪傳動(dòng)所需要空間尺寸比較大，且錐齒輪比較難以加工。而蝸輪蝸桿傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)是可以得到較大傳動(dòng)比，機(jī)構(gòu)緊湊 ，承載能力強(qiáng)，傳動(dòng)平穩(wěn)無噪聲，具有自鎖性。由于設(shè)計(jì)的六自由度水下機(jī)械手不需要較大的傳動(dòng)比，并且要求能夠斷電自鎖，因此選用蝸輪蝸桿的傳動(dòng)方案。 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 手臂是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中最重要的部件，它的作用是將被抓取的工件運(yùn)送到給定的位置上。因而，一般機(jī)器人手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過基座的立柱實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移，手臂的各種運(yùn) 動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，因此，它不僅要承受被抓取圖 8. 錐齒輪的傳動(dòng)方案 圖 9. 蝸輪蝸桿的傳動(dòng)方案 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 14 工件的重量，還要承受末端執(zhí)行器、手腕和手臂自 身的重量。 常用機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)如下 [1213,15]： 直角坐標(biāo)式用（ X、 Y、 Z）表示，機(jī)械手的臂部可做前后、左右、升降三個(gè)移動(dòng)，如圖 10 所示。這種坐標(biāo)形式直觀性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但慣性較大，占的空間也較大，一般多安裝在架空的梁上。 圓柱坐標(biāo)式用（ X、 Z、 C）表示，見圖 11，它有兩個(gè)移動(dòng)（伸縮和升降）和一個(gè)回轉(zhuǎn)。這種坐標(biāo)形式可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角，工作范圍可以擴(kuò)大，且計(jì)算簡(jiǎn)單；直線部分可以采用液壓驅(qū)動(dòng) ，可輸出較大動(dòng)力；能夠伸入型腔式機(jī)器內(nèi)部；所占空間較小，是應(yīng)用最多的一種。但是，它的手臂可以達(dá)到的空間受限制，不能達(dá)到近立柱或近地面的空間；直線部分驅(qū)動(dòng)難以密封防塵；后臂工作時(shí)，手臂后端會(huì)碰到工作范圍內(nèi)的其他物體。 球坐標(biāo)式用（ X、 B、 C）表示，見圖 12，它有一個(gè)移動(dòng)（手臂伸縮）和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種坐標(biāo)形式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但慣性不大，本體所占的空間較小，動(dòng)作范圍比圓柱坐標(biāo)更大，但也存在工作死區(qū) 多關(guān)節(jié)式機(jī)器人用（ C、 B B2），見圖四。它有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)（左右旋轉(zhuǎn)、兩個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)）。這種坐標(biāo)形式運(yùn)動(dòng)件的慣性較小，本體占空 間不大，而動(dòng)作范圍很大，并可以繞過障礙抓取工件。 結(jié)合本設(shè)計(jì)關(guān)于工作空間小的要求，采用類人手臂的多關(guān)節(jié)型的結(jié)構(gòu)作為手臂的最終方案。 總體結(jié)構(gòu)布局圖 圖 10. 直角坐標(biāo)機(jī)器人 圖 11. 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人 圖 12. 球坐標(biāo)機(jī)器人 圖 13. 多關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 1