【正文】 在新的方向抓住物體 ； 多個(gè)手指則具有更大的靈活性 ， 如能抓住和操縱多個(gè)物體 。 4)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高 ， 在保證自身剛度、強(qiáng)度的前提下 ， 盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 ， 以利于減輕手臂的負(fù)載 。 2)手指應(yīng)具有一定的開閉范圍 ， 手應(yīng)具有一定的開閉角度 (手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度 )或開閉 范圍 (對平移型手指從張開到閉合的直線移動(dòng)距離 )， 以便于抓取或退出物體 。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu) 機(jī)械手手部 (末端執(zhí)行器 )結(jié)構(gòu)形式多樣 ， 但總的設(shè)計(jì)都有如下幾點(diǎn)基本要求 : 1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力 ， 手指握力 (夾緊力 )大小要適宜 ， 力量過大則動(dòng)力消耗多結(jié)構(gòu)龐大 ， 不經(jīng)濟(jì) ， 甚至?xí)p壞抓取物體 ； 力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動(dòng)、脫落 。 利用電機(jī)帶動(dòng)連軸器 ， 連軸器再帶動(dòng)小臂前半段殼體旋 轉(zhuǎn) 。 本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu) ， 具有一個(gè)擺動(dòng)的自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度 ， 擺動(dòng)范圍為 0～ 90 度 ， 旋轉(zhuǎn)范圍為 0～ 360 度 。 手腕的運(yùn)動(dòng)形式可以有 :繞 X軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ； 繞 Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為上下擺動(dòng) ； 繞 Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為左右擺動(dòng) ； 有的甚至是沿 Y 軸或 Z 軸的橫向移動(dòng) 。 一般來說 ， 直角和圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手位置精度高 ； 關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制 ， 故精度差 ； 在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測機(jī)構(gòu) ， 能較好的控制位置精度 。 為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力 ， 盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦 。 (4)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置 。 (2)減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸 。 在一般情況下 ， 手臂的移動(dòng)和回轉(zhuǎn)、俯仰均要求勻速運(yùn)動(dòng) ， 但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間 ， 運(yùn)動(dòng)是變化的 ， 為了減少?zèng)_擊 ， 要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前減速度不能太大 ， 否則引起沖擊和振動(dòng) 。 所以 ， 機(jī)械手常采用無縫鋼管作為導(dǎo)向桿 ， 用工字鋼或槽鋼作為支承鋼 ， 這樣既提高了手臂的剛度 ， 又大大減輕了手臂的自重 ， 而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置以及管道 ， 這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊 。 臂部通常即受彎曲 (而且不僅是一個(gè)方向的彎曲 )， 也受扭轉(zhuǎn) ， 應(yīng)選用抗彎 和抗扭剛度較高的截面形狀 。 因此 ， 一般來說臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求 ， 即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降 (或俯仰 )運(yùn)動(dòng) 。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的 :把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn) 。 臂部結(jié)構(gòu) 手臂部件是機(jī)械手的主要部件 。 7)為了減輕機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的慣量 ， 提高機(jī)器人的控制精度 ， 一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的殼體是比重較小 的鋁合金材料制成 ， 而不運(yùn)動(dòng)的基座是鑄鐵或鑄鋼材料制成 。 腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準(zhǔn)面 ，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度 。 驅(qū)動(dòng)器一般帶有速度與位置傳感器 ， 以及制動(dòng)閘 。 因此 ， 機(jī)器人的基座與腰部結(jié)構(gòu)要便于電纜的通過 ，并要解決固定端與運(yùn)動(dòng)端的聯(lián)接問題 。 3)機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) ， 它對機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大 ， 因此 ， 在設(shè)計(jì)時(shí)特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度和剛度的保證 。 在設(shè)計(jì)機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時(shí) ， 要注意以下設(shè)計(jì)原則： 1)腰座要有足夠大的安裝基面 ， 以保證機(jī)器人在工作時(shí)的整體安裝的穩(wěn)定性 。 它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 。 下面分別是手部、腕部和臂部 結(jié)構(gòu) 的具體設(shè)計(jì) 。 本章小 結(jié) 本章擬定了機(jī)械手設(shè)計(jì)的總體方案 ， 確定了機(jī)械手結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方案 ,選擇 了制動(dòng)器 。 采用電氣制動(dòng)器 ， 其優(yōu)點(diǎn)在于：在不增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)又具有制動(dòng)功能 ，這是非常理想的情況 ， 而在機(jī)器人上安裝機(jī)械制動(dòng)器會(huì)使質(zhì)量有所增加 ， 故應(yīng)盡量避免 。 本文中 ， 該機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)未安裝機(jī)械制動(dòng)器 ， 因此機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候 ， 會(huì)因?yàn)橹亓σ蛩囟侣?。 換言之 ， 伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置 ， 可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能 ， 同時(shí)也能通過其反過程來達(dá)到制動(dòng)的目的 。 又因?yàn)檫@種制動(dòng)器常用于安全制動(dòng)場合 ， 所以也稱為安全制動(dòng)器 。 從原理上講 ， 這種制動(dòng)器就是用彈簧力制動(dòng)的盤式制動(dòng)器 ， 只有勵(lì)磁電流通過線圈時(shí)制動(dòng)器打開 ， 這時(shí)制動(dòng)器不起制動(dòng)作用 ， 而當(dāng)電源斷開線圈中無勵(lì)磁電流時(shí) ， 在彈簧力的作用下處于制動(dòng)狀態(tài)的常閉方式 。 其中最典型的是電磁制動(dòng)器 。 2)停電時(shí) ， 防止運(yùn)動(dòng)部分下滑而破壞其他裝置 。 制動(dòng)器 制動(dòng)器及其作用： 制動(dòng)器是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?， 從而使運(yùn)動(dòng) 的機(jī)械速度降低或者停止的裝置 ， 它大致可分為機(jī)械制動(dòng)器和電氣制動(dòng)器 兩類 。 表 列出了各種傳動(dòng)形式的傳動(dòng)效率： 表 主要傳動(dòng)形式的效率 傳動(dòng)方式 傳動(dòng)效率 帶傳動(dòng) ~ 鏈傳動(dòng) ~ 圓柱齒輪傳動(dòng) ~ 圓錐齒輪傳動(dòng) ~ 蝸桿傳動(dòng) ~ 諧波齒輪傳動(dòng) ~ 絲杠傳動(dòng) ~ 本次設(shè)計(jì)主要采用了齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng) 。 5)傳動(dòng)平穩(wěn)、無沖擊 ， 無噪音 ， 運(yùn)動(dòng)精度高 。 3)體積小、重量輕 。 諧波齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)如下： 1)承載能力高 諧波傳動(dòng)中 ， 齒與齒的嚙合是面接觸 ， 加上同時(shí)嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多 ， 因而單位面積載荷小 ， 承載能力較其他傳動(dòng)形式高 。 周長上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的 過渡狀態(tài) 。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 波發(fā)生器是使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形的構(gòu)件 。 圖 諧波傳動(dòng)原理圖 圖 諧波傳動(dòng)減速器機(jī)構(gòu)簡圖 波發(fā)生器 H是一個(gè)桿狀部件 ， 其兩端裝有滾動(dòng)軸承構(gòu)成滾輪 ， 與柔輪 1的內(nèi)壁相互壓緊 。 諧波傳動(dòng)主要用于軍工、精密儀器生產(chǎn)、醫(yī)療器械、起重機(jī)、機(jī)器人等 。 如下圖所示 。 齒形帶傳動(dòng)原理如圖 所示 。 為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程的沖擊和振動(dòng) ， 并且不降低控制精度 ， 采用了齒形帶傳動(dòng) 。 蝸桿傳動(dòng)通常用于中、小功率非長時(shí)間連續(xù)工作的應(yīng)用場合 。 蝸桿傳動(dòng)與圓柱齒輪傳動(dòng)和圓錐齒輪傳動(dòng)相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大 、傳動(dòng)平穩(wěn)和可以自鎖等顯著特點(diǎn) 。 齒輪傳動(dòng)的主要缺點(diǎn) 有 :對齒輪制造、安裝要求高 ； 齒輪制造常用插齒機(jī)和滾齒機(jī)等專用機(jī)床及專用工具 ； 通常的齒輪傳動(dòng)為閉式傳動(dòng) ， 需要良好的維護(hù)保養(yǎng) ， 因此齒輪傳動(dòng)成本和費(fèi)用高 ； 并且齒輪傳動(dòng)不適合中心距較大的兩軸間的動(dòng)力傳遞 。 齒輪傳動(dòng)：齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中 應(yīng)用最為廣泛的一類傳動(dòng) ， 常用的漸開線齒輪傳動(dòng)具有以下一些主要特點(diǎn) :傳動(dòng)效率高 ， 在常用的機(jī)械傳動(dòng)中 ， 齒輪傳動(dòng)的效率是最高的 。 鏈傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是 :在兩根平行軸間只能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動(dòng) ； 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能保持恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比 ； 磨損后易發(fā)生跳齒 ；工作時(shí)有噪聲 ； 不宜在速度變化很大和異速方向的運(yùn)動(dòng)中應(yīng)用 。 鏈傳動(dòng)是屬于帶有中間 撓 性件的嚙合傳動(dòng) 。 鏈傳動(dòng)：鏈傳動(dòng)是由鏈條和主、從動(dòng)鏈輪所組成的 。 帶傳動(dòng)具有的優(yōu)點(diǎn) :有良好的 撓 性和彈性 ， 有吸振和緩沖作用 ， 因而使帶傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小 ； 有過載保護(hù)作用 ， 當(dāng)過載時(shí)引起帶在帶輪上發(fā)生相對滑動(dòng) ， 可防止其他零件的損壞 ； 制造和安裝精度與齒輪傳動(dòng)相比較低 ， 結(jié)構(gòu)簡單 ， 制造、安裝、維護(hù)均較方便 ； 適合于中心距較大的兩軸間傳動(dòng) (中心距最大可達(dá) 15米 )帶傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)有 :由彈性滑動(dòng)的存在 ， 使得傳動(dòng)效率降低 ， 不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比 ； 由于帶 傳動(dòng)需要初始張緊 ， 此 時(shí) ， 當(dāng)傳遞同樣大的圓周力時(shí) ， 與嚙合傳動(dòng)相比軸上的壓力較大 :結(jié)構(gòu)尺寸較大 ， 不緊湊 ； 傳動(dòng)壽命較短 ； 傳動(dòng)帶與帶輪之間會(huì)產(chǎn)生摩擦放電現(xiàn)象 ； 不宜用于有爆炸危險(xiǎn)的場合 。 帶傳動(dòng) ：帶傳動(dòng)通常是由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和張緊在兩輪上的傳動(dòng)帶所組成的 。 機(jī)械傳動(dòng)又可分為嚙合傳動(dòng)、摩擦傳動(dòng)和流體傳動(dòng)三天類 。 傳動(dòng)方式 傳動(dòng)裝置是一種實(shí)現(xiàn)能量傳遞和兼有其他作用的裝置 ， 它的主要作用有 :能量的分配與傳遞 ； 運(yùn)動(dòng)形式的改變 ； 運(yùn)動(dòng)速度的改變 。 綜上所述 ， 本文選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式 。 功率 /質(zhì)量比大 ， 體積小 ， 結(jié)構(gòu)緊湊 ， 密封問題較大 結(jié)構(gòu)適當(dāng) ， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化 ， 易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng) 。 比較這些驅(qū)動(dòng)方黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 式的特點(diǎn) ， 從中選出適合移動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式 。 所以 ， 本文采用的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式為關(guān)節(jié)型 結(jié)構(gòu) 。 關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的機(jī)器人 在相同體積條件下比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有大得多的相對空間和絕對空間 。 4)關(guān)節(jié)型 （ 又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型 ）機(jī)器人的空間結(jié)構(gòu)由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的 ， 這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似 ， 其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) ， 這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成 ， 立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié) ， 大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié) ， 可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng) ， 小臂作俯仰擺動(dòng) 。 3)球坐標(biāo)型 （ 又稱極坐標(biāo)型 ）機(jī)器人的空間結(jié)構(gòu)是 由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)所組成 ， 即一個(gè)回轉(zhuǎn) ， 一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮 運(yùn)動(dòng)組成 ， 其工作空間圖形為一個(gè)球形 ， 它可以作上下俯仰運(yùn)動(dòng)并能夠抓取地面上或較低位置的工件 ， 具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點(diǎn) ， 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 。 2)圓柱坐標(biāo)型 機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的 。但機(jī)體所占空間體積大、靈活性較差 。 為實(shí)現(xiàn)以上要求 ， 可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合 ， 本課題的運(yùn)動(dòng)可以從以下四種方案中進(jìn)行選擇： 1)直角坐標(biāo)型 機(jī)器人的空間結(jié)構(gòu)是用 三個(gè)相互垂直的直線 運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的 。 下面分別對機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)方式以及機(jī)器人的各零部件材料作一一分析 。 工作機(jī)是機(jī)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu) ，用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)功能 ， 如機(jī)器人的末端執(zhí)行器就是工作機(jī) 。 任何一種機(jī)器都是由動(dòng)力 源 、傳動(dòng)裝置和 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 組成 。 為了滿足采摘高度等的要求該機(jī)器人具有 6 個(gè)自由度 ， 即腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)、大臂的擺動(dòng)、小臂的擺動(dòng)、腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)、腕部的俯仰、末端執(zhí)行器的剪切運(yùn)動(dòng) 。 機(jī)械手的總體方案 本次設(shè)計(jì)的機(jī) 械手 主要是用于采摘作業(yè) 。設(shè)計(jì)時(shí)要合理選擇材料和毛坯的形式、設(shè)計(jì)簡單合理的零件結(jié)構(gòu)、合理規(guī)定零件的加工的公差等級以及認(rèn)真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性 。 這些條件就是判斷零件工作能力的準(zhǔn)則 。 要求在預(yù)定的工作期限內(nèi)正?？煽康毓ぷ?， 從而保證機(jī)器的各種功能的正常實(shí)現(xiàn) 。 2)對零件設(shè)計(jì)的基本要求：機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本單元 ， 對機(jī)器的設(shè)計(jì)要求最終是通過對零件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的 。在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)要全面綜合的考慮 。 其次 ， 對機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性也有一定的 要求 。 1)對機(jī) 械手 整機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求：實(shí)現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機(jī)械設(shè)計(jì)的最基本要求 ，好的使用性能指標(biāo)是設(shè)計(jì)的主要目標(biāo) 。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第 2章 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì) 機(jī)械手設(shè)計(jì)的總體要求 機(jī) 械手 設(shè)計(jì)的總體要求 。 處于這種目的 ， 所以設(shè)計(jì)這樣相對實(shí)用的機(jī)械手 。 機(jī)械手也是最近流行的一種機(jī)械設(shè)備 ， 它在中國的發(fā)展也是很快的 ， 現(xiàn)在在各個(gè)行業(yè)都有機(jī)械手的應(yīng)用 。 設(shè)計(jì)完成的機(jī)器 手 包括腰部回轉(zhuǎn)、大臂擺動(dòng)、小 臂擺動(dòng)、腕部擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)1 2 3 4 5 6 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 以及末端執(zhí)行器的剪切運(yùn)動(dòng) ， 從而達(dá)到采摘的功能要求 。 針對五自由度機(jī)器 手 的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行設(shè)計(jì) 。 機(jī)械 手的工作原理 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)原理圖 1 基座 2 腰部 3 大臂 4 小臂 5 手腕 6 手指 圖 機(jī)械手的組成結(jié)構(gòu) 由于本次設(shè)計(jì)的 為 小漿果 采摘機(jī)器 手 。 就目前來看 ， 總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢： 1)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度 ， 減少重量和占用空 間 ， 加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化 ， 將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； 2)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合 ， 如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人 ， 以適應(yīng)不同的場合； 3)研制各類傳感器及檢測元器件 ， 如 ， 觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等 ， 用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測 。 其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī) (Manipulator)， 相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分 。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力 ， 傳動(dòng)系統(tǒng)則將驅(qū)動(dòng)力 轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力電、液或氣動(dòng)裝置 單關(guān)節(jié)伺服控制器 關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息交換計(jì)算機(jī) 手部 機(jī) 器 人 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng) 傳動(dòng)系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 腕部 臂部 基座部（固定或 移動(dòng) 控制系統(tǒng)（一） 控制系