【正文】 1100CSST????????222022CSCaST???????? 333001CaSST???????4440101aSCST????????5 51001Td????????根據(jù)矩陣乘法法則，可以得出本課題六自由度機械手末端執(zhí)行器的位姿的齊次變換矩陣是：0501xxxxyyyyzzzznoaPT???????其中 123423141234xnCSCS???y234234234znSCSC???1111xo234232434yzCSSC???1xay0z?1234512345124351234512341234124xPCSdCSdCaSCaaa????14235123451324512345123412341342ySS?2435234523452345234234241zPCdCdSaCSaaa????4 機 械 手 的 整 體 設(shè) 計 計 算 手部設(shè)計基本要求（1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力，應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的；（2） 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度） ，以便于抓取工件；??（3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載；（4） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。????0（了書寫方便，將 改寫為 ）本課題要研究的六自由度機械手si,con?,nSC 模型如圖 有以上的坐標(biāo)系推導(dǎo)法,可得出本課題六自由度機械手的運動參數(shù)，如下：關(guān)節(jié)i （ 186。對于具有n個連桿的機械手，運動學(xué)方程是要確定與末端坐標(biāo)系 固聯(lián)的手??n爪相對于基座 的變換。 機器人的運動學(xué)方程本文研究的機械手是具有6個自由度的空間開鏈機構(gòu)，它由一系列連桿通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，關(guān)節(jié)的相對轉(zhuǎn)動導(dǎo)致連桿的運動。當(dāng)n維位置向量用n+l維位置向量表示時，稱為齊次坐標(biāo)表示式。坐標(biāo)變換包括平移變換、旋轉(zhuǎn)變換與復(fù)合變換。由于這個坐標(biāo)系一直固連在剛體上，所以這個坐標(biāo)系如果可以在空間表示出來，那么這個剛體相對于固定坐標(biāo)系的位姿也就已知了。3 機 械 手 的 數(shù) 學(xué) 模 型 機器人的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)為了描述機器人本身各連桿之間、機器人和環(huán)境之間的運動關(guān)系，通常將它們當(dāng)成剛體，進而研究各剛體之間的運動關(guān)系。帶傳動的主要優(yōu)點是：1）適用于中心距較大的傳動；2）帶具有良好的饒性，可緩和沖擊、吸收振動；3）過載時帶與帶輪間出現(xiàn)打滑，打滑雖使傳動失效，但可防止損壞其他零件；4）結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。因此，機械手的驅(qū)動方案選擇電動驅(qū)動。根據(jù)動力源的不同 , 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。4) 機身，采用一個步進電機和一對蝸輪蝸桿機構(gòu)來實現(xiàn)底座的回轉(zhuǎn)運動。2) 腕部，采用一個步進電機實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)180176。 圖 機械手整體示意圖 機械手的主要部件及運動在多關(guān)節(jié)式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計關(guān)于機械手具有6個自由度既：手抓張合；手腕回轉(zhuǎn)；手動腕擺；小手臂擺動；大手臂擺動；底座回轉(zhuǎn)6個主要運動。由于本次是畢業(yè)設(shè)計考慮到綜合運用本。 (4)多關(guān)節(jié)型機機械手 [1]。(2)圓柱坐標(biāo)型機械手。因此，機械手的執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)是本次設(shè)計的主要任務(wù)。2 機 械 手 的 總 體 方 案 設(shè) 計設(shè)計。其次，它的制作完成一定可以極大的激發(fā)同學(xué)們對機器人技術(shù)的熱愛，提高對機器人技術(shù)的濃厚興趣，并吸引更多的同學(xué)投入到機器人設(shè)計與制作行列中來。它應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)的功能是：1) 大面積快速搜索和定位功能2) 滿足空間定位精度5mm3) 自動抓取功能4) 過載保護功能5) 掉電保護功能從結(jié)構(gòu)和功能上來看，這個六自由度機械手確實稱不上復(fù)雜，但它卻具有很重要的意義。機械部分主要是完成機構(gòu)的設(shè)計與零件的加工，而控制部分主要完成的工作的是對六自由度機械手整個的動作流程進行設(shè)計，并通過硬件的連接和對 61 板編寫合適的程序，以實現(xiàn)紅外檢測，電機驅(qū)動等功能。特別是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，越來越多的機械手被用來代替人的實際勞動，更激發(fā)了我對機器人技術(shù)濃厚的興趣，所以在這次畢業(yè)設(shè)計中，我選擇了六自由度機機械手設(shè)計與制作這個題目。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。(7)機器人化機械開始興起。(6)當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機。 機械手的發(fā)展趨勢(1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降。③檢測裝置是檢測和控制機械手各運動行程(位置)的裝置，主要是對位置、速度和力等各種外部和內(nèi)部信息進行檢測。它本身又包括動力源、傳動(減速)機構(gòu)、滾輪或連桿機構(gòu)。(5)其它部分其它部分包括機體、行走機構(gòu)、檢測裝置和傳感裝置等:①機體(也稱機身)是用于支承和連接其他零件、部件的基礎(chǔ)件。(4 )控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是機械手的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序(程序)、位置和時間(甚至速度和加速度)等。氣動驅(qū)動裝置有氣缸、氣動馬達等，這些裝置具有重量輕、價格便宜等特點。在電動執(zhí)行裝置中，有直流(DC)電機、交流(AC)電機、步進電機和直接驅(qū)動(DD)電機等實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的電動機，以及實現(xiàn)直線運動的直線電機。(3 )動力部分動力部分是驅(qū)動前兩部分的動力，因此也稱動力源。傳動機構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的不同，有機械傳動機構(gòu)，包括:齒輪傳動、絲杠傳動、帶傳動、鏈傳動、連桿傳動和凸輪傳動等多種類型，以及液壓傳動機構(gòu)、氣動傳動機構(gòu)等。(1)手爪手爪又稱抓取機構(gòu)，包括手指、傳力機構(gòu)和驅(qū)動裝置等，作用是直接抓取和放置工件(或工具)。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的特點是，在動態(tài)控制過程中，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時的狀態(tài)偏差及其各階導(dǎo)數(shù)的變化，以躍變的方式按設(shè)定的規(guī)律作相應(yīng)的改變，它是一類特殊的非線性控制系統(tǒng) [3]。變結(jié)構(gòu)控制是在20世紀(jì)50年代被提出來的限于當(dāng)時的技術(shù)條件和控制手段，這種理論沒有得到迅速發(fā)展。從關(guān)節(jié)(或連桿)角度看，可把工業(yè)機械手的控制器分為單關(guān)節(jié)(連桿) 控制器和多關(guān)節(jié)(連桿)控制器兩種。用戶與系統(tǒng)間的接口，要求能夠迅速地指明工作任務(wù)。機器人控制器的選擇，是由機器人所執(zhí)行的任務(wù)決定的。在實際研究中，往往把機器人控制系統(tǒng)簡化為若干個低階子系統(tǒng)來描述。從控制觀點上看，機器人系統(tǒng)代表冗余的，多變量和本質(zhì)上非線性的控制系統(tǒng)，同時又是復(fù)雜的耦合動態(tài)系統(tǒng)。近年來，機器人技術(shù)作為機電一體化的最高成就已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最活躍的領(lǐng)域之一，機器人的研究，創(chuàng)造和應(yīng)用水平也已成為一個國家的科技水平和經(jīng)濟實力的象征，正受到越來越多國家的廣泛重視。這種系統(tǒng)的主要特點在于它的通用性和靈活性。90 年代，機械手的發(fā)展已經(jīng)不再局限于機械手本身，而成為了新一代整個機器的發(fā)展方向。80 年代，工業(yè)機械手產(chǎn)業(yè)得到了巨大的發(fā)展，應(yīng)用范圍遍及工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間 [3]。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。機械手涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為工業(yè)機械手。Abstract A kind of manipulator of six degrees of freedom has been designed in this paper. This manipulator is made up of the foundation, the waist, the big arm, the small arm, the wrist, and the claw。文中對機械手進行了正運動學(xué)分析, 采用齊次坐標(biāo)變換法得到了機械手末端位置和姿態(tài)隨關(guān)節(jié)夾角之間的變換關(guān)系,并完成了總體機械結(jié)計、步進電機選型、蝸輪蝸桿及帶傳動比的確定以及部分重要零件的設(shè)計。 此手臂的空間活動半徑 ，定位精度為 ，并放到預(yù)定位置。手臂的尺寸與人手臂的大小相當(dāng)。畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文)專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 摘 要文中設(shè)計了一種六自由度機械手。該機械手主要由底座，腰部，主板，大手臂，小手臂，手腕，夾爪組成，采用步進電機驅(qū)動，單片機控制。手臂的運動主要包括：腰部轉(zhuǎn)動，大手臂擺動，小手臂擺動，手腕擺動，手腕轉(zhuǎn)動，夾爪夾取。該機械手有過載，或者在有放射性的環(huán)境中完成特定工作。 關(guān)鍵詞：機械手 六自由度 步進電機 同步帶 。 the manipulator is driven by stepper motor, and controlled by single chip. The size of the manipulator is equal in the size to the arms of people. Lootion of the manipulator includes: waist turning, big arm swung, small arm swung, wrist swung, wrist rotating, claw fetching. The radius of action is , and the accuracy is 5 mm. It can pick the lightweight object, and put it to the recalculated position. The manipulator has overload protection function, and space position selflock function. This arm can be used in teaching, or in radioactive environments. In this paper, robot kinematic analysis is carried out using homogeneous coordinate transformation method was the end manipulator joint position and attitude with the changing relationship between the angle and stepper motor designing, physical construction designing had been pleted. Keywords: manipulator, six degrees of freedom, stepper motor, locking band.目錄目錄……………………………………………………………………………………41 緒論…………………………………………………………………………………6 國內(nèi)機械手研狀………………………………………………………………6 機械手的構(gòu)成…………………………………………………………………7 機械手的發(fā)展趨勢 …………………………………………………………9 本設(shè)計課題的背景和意義 …………………………………………………92 機械手的總體方案設(shè)計 …………………………………………………………10 機械手基本形式的選擇 ……………………………………………………10 機械手的主要部件及運動 …………………………………………………11 驅(qū)動機構(gòu)的選擇 ……………………………………………………………12 傳動機構(gòu)的選擇 ……………………………………………………………123 機械手的數(shù)學(xué)建模 ………………………………………………………………12 機器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ) ……………………………………………………………12 機器人的運動學(xué)方程 ………………………………………………………134 機械手的整體設(shè)計計算 …………………………………………………………15 手部設(shè)計基本要求 …………………………………………………………15 典型的手部結(jié)構(gòu) ……………………………………………………………16 機械手手指的設(shè)計計算 ……………………………………………………16 選擇手抓的類型和加緊機構(gòu) …………………………………………16 手抓加緊力與驅(qū)動力的力學(xué)分析 ……………………………………16 驅(qū)動電機的選擇 ……………………………………………………………17 手指張合電機的選擇 …………………………………………………17 手腕電機的選擇 ………………………………………………………19 大手臂擺動電機的選擇 ………………………………