【正文】 五自由度移動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì) 摘 要 本課題來(lái)源于現(xiàn)實(shí)生活。近現(xiàn)代以來(lái)，機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)生著翻天覆地的變化，尤其在各工業(yè)生產(chǎn)制造行業(yè)的今天，它變得越來(lái)越智能、普及、常見(jiàn)化、平民化，在其他行業(yè)它的發(fā)展帶動(dòng)了各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)經(jīng)濟(jì)的提高帶來(lái)顯著作用。當(dāng)下對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域研究提出了新一代的技術(shù)要求：包括性能、質(zhì)量、生產(chǎn)效率、工作條件以及后期的產(chǎn)品換代升級(jí)等方面。 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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)空間中的五個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。 1 產(chǎn)品用途與使用范圍 2 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 4 移動(dòng)機(jī)械手 的結(jié)構(gòu)形式選擇 4 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式選擇 6 機(jī)械手結(jié)構(gòu)總體布局 8 主要技術(shù)參數(shù)的確定 8 機(jī)械總體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 16 機(jī)械手各臂及支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 移動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析 25 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式推導(dǎo) 28 總 結(jié) 30 參考文獻(xiàn) 31 致 謝 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(shuō)明書(shū) 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(shuí)掌握了科技 的前沿方向，誰(shuí)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。它的出現(xiàn)代替人力勞動(dòng)，改善勞動(dòng)條件，避免人身事故 ,提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶來(lái)了顯著的效益。研究經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用型、高可靠型的移動(dòng)機(jī)械手，設(shè)計(jì)相關(guān)機(jī)械手具有廣泛的社會(huì)現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。機(jī)械手出現(xiàn)于上世紀(jì)，是由國(guó)外機(jī)床、汽車(chē)等制造業(yè)的發(fā)展而興起的。在之后的生產(chǎn)實(shí)踐中人們認(rèn)識(shí)到機(jī)械手的便利，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)質(zhì)量性能得到了保證，獲得了普遍的認(rèn)同，引起了人們廣泛的關(guān)注。 我國(guó)較國(guó)外研究機(jī)械手領(lǐng)的域起步比較晚，同時(shí)由于其他各種原因，工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展也比較緩慢。截止到 21 世紀(jì) 20 年代，我國(guó)機(jī)械手已發(fā)展了三代技術(shù)；第一代機(jī)械手主要還是工人來(lái)控制，是通過(guò)降低成本和提高精度來(lái)改進(jìn)；第二代機(jī)械手已在研制中，它進(jìn)一步的智能化，具有視覺(jué)、觸覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)、思考的綜合能力。 國(guó)外技術(shù)發(fā)展的比較早，也比較完善，尤其在與機(jī)器人領(lǐng)域技，逐步進(jìn)入高端領(lǐng)域。 、可重構(gòu)化。 ，通過(guò)多傳感器的融合，運(yùn)用了視覺(jué)、力覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、聲覺(jué)、觸覺(jué)等傳感技術(shù)來(lái)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(chǎng)操作。 ，隨著新型材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型材料的出現(xiàn)，可以使結(jié)構(gòu)特殊、用自潤(rùn)滑材料制造的無(wú)潤(rùn)滑原件得到利用，不僅節(jié)省潤(rùn)滑油，無(wú)污染，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單，摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長(zhǎng)； ，由 “可編程控制器 ——傳感器 ——液壓元件 ”組成的控制 系統(tǒng)是自動(dòng)化的重要方面，與電子元件的組合使控制操作步驟得到了簡(jiǎn)化，方便了操作管理，提高精度要求和反饋。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。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 五自由度移動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)包含的主要內(nèi)容有一下幾方面： 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(shuō)明書(shū) 3 Pro/ENGINEER 的機(jī)械手模型建立和運(yùn)動(dòng)分析 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(shuō)明書(shū) 4 第二章 五自由度移動(dòng)機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 移動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式選擇 隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)器人機(jī)械手領(lǐng)域也延伸出各種各樣的機(jī)械手。下面簡(jiǎn)要介紹幾種較為常見(jiàn)的坐標(biāo)結(jié)構(gòu)機(jī)器人 。缺點(diǎn)是 其操作范圍為一個(gè)長(zhǎng)方體空間，有一定局限性，同時(shí)占地面積較大，運(yùn)動(dòng)速度較低。缺點(diǎn)是手臂可以達(dá)到的空間會(huì)受到一定的限制，不能達(dá)到近地面空間；尤其是直線驅(qū)動(dòng)密封性差，工作時(shí)，手臂后端會(huì)碰到工作范圍內(nèi)其它物體，容易出現(xiàn)危險(xiǎn)事故。即機(jī)械手的工作原理是通過(guò)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。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(jì)說(shuō)明書(shū) 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(gè)旋轉(zhuǎn)自由度組成。它的工作范圍一般是一個(gè)中空的幾個(gè)不完全球體相貫組成。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(lái)改變，它的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)。這種機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡都要求基于某個(gè)固定的平面，其運(yùn)動(dòng)具有可控性，追蹤性。 其五個(gè)自由度依次為腰部的回轉(zhuǎn)、大臂的俯仰，小臂的前后擺動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)，以及末端執(zhí)行器的擺動(dòng)。 1底座， 2腰部， 3大臂， 4小臂， 5手腕， 6末端執(zhí)行器安裝架 圖 五自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式 Five DOF Manipulator Structure 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式選擇 設(shè)計(jì)中的機(jī)械手，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式均為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)實(shí)中常用的驅(qū)動(dòng)方式有電氣式、液壓式、氣壓式。的旋轉(zhuǎn)，無(wú)波動(dòng)回轉(zhuǎn)；要求 肩、肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)手臂的上下或左右的直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滿足在整個(gè)機(jī)器人靜止的情況下，不改變手臂的方向和位置，實(shí)現(xiàn)正確繞過(guò)障礙物和調(diào)整手臂的無(wú)效位置，使手臂運(yùn)動(dòng)具有較高靈活。 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。 電氣式驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般有動(dòng)力用電機(jī)和控制用電機(jī)兩大類。常規(guī)控制型電機(jī)又分為步進(jìn)電機(jī)、力矩電機(jī)和伺服電機(jī)三種。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?，因此也不選用。 對(duì)于關(guān)節(jié) 4 選用 maxon 型直流伺服電機(jī)，其該產(chǎn)品含有與電機(jī)相互配合的各種型號(hào)的減速箱、編碼器及其它附件等，可以更好地實(shí)現(xiàn)控制功能。 表 驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比 parison ofdriving mode 種類 特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 電氣式 可用商用電源；信號(hào)與動(dòng)力傳送方向相同；有交流和直流之分 操作簡(jiǎn)單；編程容易；能實(shí)現(xiàn)定位伺服；響應(yīng)快、易于與 CPU相接 瞬時(shí)輸出功率大；過(guò)載差，卡住時(shí)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(dòng)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(wú)泄露污染，操作簡(jiǎn)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(duì)選擇的驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)裝置，對(duì)圖 中的五個(gè)關(guān)節(jié)，大臂擺動(dòng)和手腕旋轉(zhuǎn)采用直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，其它三個(gè)關(guān)節(jié)利用錐齒輪傳動(dòng)。一系列相關(guān)參數(shù)的選定是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵，是評(píng)定設(shè)計(jì)合理與科學(xué)的依據(jù)。從人類身體特點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)解刨學(xué)可知，人手臂中小臂和大臂長(zhǎng)度分別是人身高 的 倍和 倍。/s 大臂擺動(dòng)關(guān)節(jié) 2: 090~0 ， 最高角速度 72176。/s 手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 4: 0360~0 ， 最高角速度 100176。/s 直流伺服電機(jī)的選擇 根據(jù)創(chuàng)建的三維模型下的各部件物理參數(shù)，根據(jù)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，角速度，從而預(yù)估算出各關(guān)節(jié)傳動(dòng)所需的功率和轉(zhuǎn)矩。 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) ?? 。本系統(tǒng)電 機(jī)組件全部選用 mxaon 直流伺服電機(jī)。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(dòng)控制的保證。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手擁有五個(gè)自由度，所以共選用了五套 mxaon 直流電機(jī)組件，分別安裝在機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)上，其基本參數(shù)如下表 所示。需在大臂關(guān)節(jié)的電機(jī)上加上制動(dòng)器，在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)前使制動(dòng)器掉電失去作用，當(dāng)機(jī)械手回到零位時(shí)，先給制動(dòng)器上電，然后再關(guān)閉機(jī)械手電源。 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。其中第一種為定位螺絲固定，該方式可能會(huì)損傷軸心而且拆卸困難；第二種為 通過(guò)夾緊螺絲來(lái)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。聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)如圖 所示。/s 大臂擺動(dòng)關(guān)節(jié) RE 35 φ35mm 90w 行星輪齒輪箱 GP42C 72176。/s 手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) RE 25 φ25mm 20w 行星輪齒輪箱GP32A 100176。/s 注：相關(guān)參數(shù)選自《 maxon產(chǎn)品目錄 08/09高精密驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的頂級(jí)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(jì) 腰間、小臂、大臂、手腕和末端的執(zhí)行結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置都自帶減速裝置，從而不必考慮增加減速裝置。滿足設(shè)計(jì)空間結(jié)構(gòu)緊湊、占比小、精度高的機(jī)械手傳動(dòng)裝置主要有蝸桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)兩種方式。 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(shuō)明書(shū) 11 錐齒輪傳動(dòng)，其軸交角 ? 可根據(jù)傳動(dòng)要求任意選擇，一般為 90 度。綜合考慮，可選擇錐齒輪傳動(dòng)。以下為各部件詳細(xì)設(shè)計(jì)及計(jì)算： 腰部關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) （ 1）軸的尺寸確定 根據(jù)傳動(dòng)軸傳遞的功率大小計(jì)算最小軸徑，公式如下： ? ?td np ?? ???3tt 9 5 5 0 0 0 0WT （ 32） 式中： t? ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， MPa； T——軸所受到的扭矩， N. 3mm ； P——軸傳遞的功率， km； N——軸的轉(zhuǎn)速， r/min； D——軸的直徑， mm； ??t? ——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， ： 由式（ 31）得軸的直徑 ?d ? ? ? ? 30333 t 50 00 50 00 0 npAnPn P t ???? ?? (33) 其中，材料系數(shù) ? ?3t0 9550 000??A ， p= n=32r/min 帶入數(shù)據(jù)求得 d=,該軸上有一個(gè)鍵槽，相應(yīng)軸徑增加 6%，取整 d=計(jì)軸如下圖 所示。腰部的最終機(jī)構(gòu)為圖 ，其中轉(zhuǎn)軸與齒輪采用過(guò)盈配合。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 。 圖 腰部傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu) 圖 The structure diagram of transmission shaft 1腰部支撐架 2大齒輪 3底座 4軸承座 5電機(jī)座 圖 structure diagram 初步計(jì)算齒輪模數(shù)時(shí)，按彎曲疲勞強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算： 322mFaFaDft