【正文】 ................................................. 19 五自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 ........................................................................ 21 機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的逆解 ................................................................................... 25 本章小結(jié) ................................................................................................................... 29 4 機(jī)械臂的建模 ................................................................................................................. 30 虛擬設(shè)計(jì)的概念、意義及特點(diǎn) ............................................................................... 30 虛擬設(shè)計(jì)的意義 ................................................................................................ 30 虛擬設(shè)計(jì)的概念 ................................................................................................ 31 虛擬設(shè)計(jì)的特點(diǎn) ................................................................................................ 31 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r ................................................................................ 31 五自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì) VIII Solidworks 零件的創(chuàng)建方法 .................................................................................... 32 機(jī)械臂裝配 ................................................................................................................ 43 本章小節(jié) .................................................................................................................... 44 5 經(jīng)濟(jì)性分析 ..................................................................................................................... 45 6 結(jié)論 ................................................................................................................................. 46 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 48 致 謝 ................................................................................................................................. 50 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前言 世界上機(jī)器人工業(yè)萌芽于 50 年代的美國，經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，已被不斷地應(yīng)用于人類社會(huì)很多領(lǐng)域，正如計(jì)算機(jī)技術(shù)一樣，機(jī)器人技術(shù)正在日益改變著我們的生產(chǎn)方式，以至今后的生活方式。 進(jìn)入 90 年代，世界機(jī)器人工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步增長，每年增長率保持在 10%左右，世界上已擁有機(jī)器人數(shù)量達(dá)到 70 萬臺(tái)左右， 199 1993 年世界機(jī)器人市場曾一 度出現(xiàn)小的低谷，近年除日本外，歐美機(jī)器人市場也開始復(fù)蘇，并日益興旺。目前全國約有機(jī)器人用戶 500 家，擁有的工業(yè)機(jī)器人總臺(tái)數(shù)約為 1200 臺(tái)，其中從 40 家外國公司進(jìn)口的各類機(jī)器人占 2/3 以上，并每年以 100～150 臺(tái)的速度增加。第一汽車集團(tuán)公司是我國最早的機(jī)器人用戶之一，已在其汽車生產(chǎn)線上應(yīng)用了 20 多臺(tái)機(jī)器人，“八五”期間開發(fā)了 2 臺(tái)高功能點(diǎn)焊機(jī)器人，此外還在進(jìn)一步開發(fā)弧焊、打磨、涂膠等機(jī)器人。濟(jì)南第二機(jī)床廠在與美國 ISI 機(jī)器人公司等合作完成了第一條沖壓自動(dòng)生 產(chǎn)線后，又自行開發(fā)了全自動(dòng)薄板沖壓生產(chǎn)線，并投入應(yīng)用。在國內(nèi)大公司、大企業(yè)紛紛發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，國內(nèi)的科研院所、高校在工業(yè)機(jī)器人的研制和發(fā)展中也取得了長足的進(jìn)步，尤其是一些領(lǐng)先的機(jī)器人科研生產(chǎn)單位。而機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)乃是機(jī)器人的主要理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，也是現(xiàn)代機(jī)械原理研究的重要內(nèi)容。美國機(jī)器人人協(xié)會(huì)（ RIA）認(rèn)為，機(jī)器人是一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或者專用裝置，通過可編程序動(dòng)作來執(zhí)行各種任務(wù)，并且具有編程能力的多功能機(jī)械手（ Manipulator）。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ ISO）給出的定義是，機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行多種任務(wù)。 機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，為機(jī)器人學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。 本章重點(diǎn)在于對機(jī)器人的基本特征進(jìn)行分析，研究其特點(diǎn)及其分類形式并按不同分類方法對其進(jìn)行分類，進(jìn)一步研究機(jī)器人的機(jī)理。 2)程控型機(jī)器人 能 按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 4)數(shù)控型機(jī)器人 不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過數(shù)值、語言 等對機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。 6)適應(yīng)控制型機(jī)器人 機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動(dòng)。 8)智能機(jī)器人 以人工智能決定其行動(dòng)的機(jī)器人。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。在特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨(dú)立成體系的趨勢，如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。 機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 一個(gè)機(jī)械人系統(tǒng)，一般由下列四個(gè)互相作用的部分組成：機(jī)械手、環(huán)境、任務(wù)和控制器，如圖 所示： 五自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 4 執(zhí)行裝置交互作用環(huán)境執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置任務(wù)內(nèi)傳感信息關(guān)節(jié)式機(jī)械系統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)語言內(nèi)傳感器控制器外傳感信息外傳感器12 43 圖 . 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 The structure of the robot system 機(jī)械手是具有傳動(dòng)執(zhí)行裝置的機(jī)械，它由臂關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置（工具等）構(gòu)成，組合為一個(gè)互相連接和互相依賴的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。不同的機(jī)械手具有不同的結(jié)構(gòu)類型。大多數(shù)機(jī)械手是具有幾個(gè)自由度的關(guān)節(jié)式機(jī)械結(jié)構(gòu)。其中，頭三個(gè)自由度引導(dǎo)夾手裝置至所需位置，而后三個(gè)自由度用來決定末端執(zhí)行裝置的方向。環(huán) 境不僅由幾何條件（可達(dá)空間）所決定，而且由環(huán)境和它所包括的每個(gè)事物的全部自然特性所決定。 我們把任務(wù)定義為環(huán)境的兩種狀態(tài)（初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)）間的差別。這種描述必須能為計(jì)算機(jī)所理解。 計(jì)算機(jī)是機(jī)器人的控制器或腦子。 機(jī)器人的執(zhí)行裝置 機(jī)械手是機(jī)器人的重要組成部分，它能模仿人手的動(dòng)作，完成各種各樣的工作。工業(yè)機(jī)器人的手爪主要有鉗爪式、磁吸式、氣吸式三種。 機(jī)械手正在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域大顯身手。而且讓機(jī)械手處理高溫、有毒產(chǎn)品等，它比人手更能適應(yīng)工作。 本設(shè)計(jì)的任務(wù)是研制適用水下作業(yè)的機(jī)械臂裝置。 機(jī)械臂的作業(yè)能力 1） 機(jī)械臂的坐標(biāo)形式和自由度 坐標(biāo)形式：關(guān)節(jié)式坐標(biāo)形式 自由度： 5 個(gè) 2） 抓舉重量： 10Kg 3）手爪開合度： 有效夾持長度： 95mm 有效夾持寬度： 85mm 4）安全范圍 五自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 6 以底座中心為圓心，正前方半徑 2m，177。扇區(qū)； 運(yùn)動(dòng)速度： 5） 定位精度 位置精度： 3cm 重復(fù)精度： 2cm 本設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容 1) 根據(jù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)能力指標(biāo)，比較現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)，確定移動(dòng)機(jī)構(gòu)的最佳移動(dòng)方式。 3) 對機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。 本章小結(jié) 本章主要講了機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程、分類、 機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和機(jī)器人的執(zhí)行裝置 —— 機(jī)械手臂。并對本課題的研究方向及內(nèi)容給予了系統(tǒng)的詮釋。大臂和小臂采用中空型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅抗彎扭能力強(qiáng)。如圖 21 所示的是機(jī)械手臂。 2）大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動(dòng)作。 4）小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動(dòng)作。 機(jī)械手臂由 5 自由度機(jī)械臂與夾鉗式手爪構(gòu)成。該機(jī)為液壓驅(qū)動(dòng)的主從隨動(dòng)及示教再現(xiàn)式操作機(jī)械手。 五自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 8 手爪的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析 在水下作業(yè)中 ,機(jī)械手起著重要的作用 ,如完成水下物體上的安裝和修理、沉船打撈、物體的抓取、轉(zhuǎn)移、水下對接等作業(yè) ,都需要水下機(jī)械手的參與。本文設(shè)計(jì)了一種二指機(jī)械手爪 ,該手爪可上下開合 以完成對水下物體的抓取。 在手爪張開的狀態(tài)下，部件 1 向左側(cè)移動(dòng)，牽動(dòng)零件 2 小連桿移動(dòng)，零件 2 小連桿帶動(dòng)零件 3 內(nèi)連桿同時(shí)向中間移動(dòng)，使外連桿帶動(dòng)零件 4 同時(shí)向中間移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手爪的合過程，同時(shí)夾緊物體。液壓自動(dòng)對接腕是機(jī)械手的手腕，是機(jī)器人在水下自動(dòng)換接作業(yè)工具的關(guān)鍵部件。每把工具都要有自己的驅(qū)動(dòng)部件，液壓缸或液壓馬達(dá)等，因此，液壓自動(dòng)對接腕需要具備兩個(gè)功能： 1）機(jī)械對接功能，即與工具配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手和工具的聯(lián)接。除了凸對接 頭外，要實(shí)現(xiàn)油路對接，還需要工具上與之相配合的油路自封接頭（凹對接頭）。如圖 23 和圖 24 所示，液壓自動(dòng)對接腕上 的鎖緊機(jī)構(gòu)有三個(gè)鎖緊油缸，液壓油缸突出的活塞桿為鎖緊銷，與工具上三個(gè)對應(yīng)的孔配合實(shí)現(xiàn)鎖緊。 2） 其中一腔通油路，另一腔設(shè)置一個(gè)彈簧，不通油路，這樣鎖緊銷向一個(gè)方向的動(dòng)作由油路控制，向另一個(gè)方向的動(dòng)作由彈簧完成。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是鎖緊和縮回時(shí)出力較大。機(jī)械手?jǐn)y帶工具作業(yè)完成返回到工具庫后，鎖緊銷縮回，工具庫下降，工具與機(jī)械手脫離。 大臂、小臂和腕的機(jī)構(gòu)分析 具有位置控制功能的水下作業(yè)機(jī)械手 ,一般常用液壓伺服系統(tǒng)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng) ,主要原因是因?yàn)樗哂畜w積小、重量輕、慣性小以及出力大等突出的優(yōu)點(diǎn)。 肘關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)之間為小臂，肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)之間為大臂。 本文機(jī)械手的動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用對稱閥控單出桿液壓缸的形式 ,由于單出桿液壓缸兩腔活塞面積不同 ,這使得它在兩個(gè)相反運(yùn)動(dòng)方向上的控制性能不一致 ,另外這樣的動(dòng)力機(jī)構(gòu)在零位附近表現(xiàn)出的平穩(wěn)性較差。動(dòng)力機(jī)構(gòu)是零開口四通閥控的單出桿液壓缸，零開口四通閥為 4 個(gè)節(jié)流窗口面積梯度相等的對稱閥，國內(nèi)外廠家生產(chǎn)的伺服閥大都是這種結(jié)構(gòu)。由下式給出伺服閥 兩個(gè)不同方向開口時(shí)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。 對于位置伺服系統(tǒng)來說，通常沒有彈贊負(fù)載，即 0sK? 。對于任何機(jī)構(gòu)而言，要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，選擇合適的動(dòng)力源是必不可少的步驟。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器從 80 年代開始被應(yīng)用于機(jī)器人上，它由電能產(chǎn)生動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人各關(guān)節(jié)動(dòng)作。 2）借助液壓缸、液壓馬達(dá)等流體動(dòng)力組件，通過液壓 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)自由度。 3）借助氣缸、氣閥和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成氣動(dòng)控制系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)自由度。氣動(dòng)方式受空氣可壓縮性影響，穩(wěn)定性差，定位精度低，目前應(yīng)用較少。同時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積會(huì)比較緊湊。而如果通過一些機(jī)械設(shè)計(jì)將電機(jī)負(fù)載的影響減小的話，往往又會(huì)加大機(jī)構(gòu)自生的復(fù)雜性，對可靠性和維護(hù)帶來一定不利影響。同時(shí)在需要保持一定空間位置或者姿態(tài)時(shí)，液壓系統(tǒng)由于其剛度較大，也可以在一定程度上克服干擾的影響。其次，液壓系統(tǒng)需要除了需要相應(yīng)的控制管線外還需布置能夠承受工作壓強(qiáng)的液壓管路和閥門，這些也對于小體積的機(jī)械系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)。 第三種氣壓驅(qū)動(dòng)的方案，其優(yōu)點(diǎn)在于：相比電機(jī)系統(tǒng)，由于氣動(dòng)系統(tǒng)較少借助中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，而是直接通過氣缸驅(qū)動(dòng)，所以輸出功率較高。而氣動(dòng)系統(tǒng)由于工作介質(zhì)為空氣，所以管路的要求沒有液壓系統(tǒng)那么高，提供壓縮空氣的氣源（氣泵）的體積也小于液壓油箱占用的空間體積。而且氣動(dòng)系統(tǒng)對于空 氣質(zhì)量（濕度、溫度）等有一定要求，對于在水下作業(yè)機(jī)械臂系統(tǒng)來說，會(huì)減少可用場合。液壓執(zhí)行元件選用液壓缸比選用液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)出的機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊、受力條件好 ,因此目前大多數(shù)水下作業(yè)機(jī)械手采用伺服閥控