【正文】 器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置 身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。 設(shè)計(jì)課題的背景和意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手在我們生活中也扮演著越來越重要的角色。 六自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)分為機(jī)械部分與控制部分兩大模塊。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與制作。首先它是我第一次將四年所學(xué)知識(shí)的第一次綜合運(yùn)用，無論最初的設(shè)計(jì)，還是最終的全文完成，對(duì)我們來說都是極大的挑戰(zhàn)，開闊了我的視野，豐富了我的經(jīng)驗(yàn)，提高了我的實(shí)際動(dòng)手的能力。再次，它主要是用來當(dāng)作學(xué)校的示教工具，其充分運(yùn)用和綜合了 我 在大學(xué)四年中所學(xué)的機(jī)械內(nèi)容，能夠讓更多的同學(xué)在今后的學(xué)習(xí)中對(duì)機(jī)械方面有更加深刻的理解。在本章中對(duì)機(jī)械手的坐標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。 機(jī)械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài) ,按坐標(biāo) 形式大致可以分為以下 4種 : (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手 。 ( 3)球坐標(biāo) (極坐標(biāo) )型機(jī)械手 。其中多關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊 ,定位精度較高 ,占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用多關(guān)節(jié)型。 這 是 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題六自由度 機(jī)械手 的整體設(shè)計(jì)示意圖。 本設(shè)計(jì)機(jī)械手主要由 4個(gè)大部件和 6個(gè)電機(jī)組成： 1) 手部，采用一個(gè)小型步進(jìn)電機(jī)，通過導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手抓的張合。 3) 臂部，采用步進(jìn)電機(jī)，通過同步帶來實(shí)現(xiàn)手臂的上下擺動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分 , 工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方 案及其裝置。采用電動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 、 結(jié)構(gòu)安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 簡單、尺寸緊湊、設(shè)計(jì)方便、控制簡單與能綜合運(yùn)用本科階段所學(xué)知識(shí)等優(yōu)點(diǎn)。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 在現(xiàn)有的機(jī)械手系統(tǒng)中，所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有蝸輪蝸桿傳動(dòng)、行星輪系傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)等。在本次設(shè)計(jì)中，鑒于手臂傳動(dòng)中心距較大，傳動(dòng)要求相對(duì)高的精度，故相比較后選擇同步帶進(jìn)行傳動(dòng) [1]。而 通過在剛體上面固連一個(gè)坐標(biāo)系，再將該固連的坐標(biāo)系在空間表示出來。 空間任意一點(diǎn) P 在不同的坐標(biāo)系中的描述是不同的， 因此經(jīng)過 不同的坐標(biāo)變換P點(diǎn)的坐標(biāo)是不同的。 用四維向量表示三維空間一點(diǎn)的位置 P，即： xyP P P P z? ? ? ???? ?? 上式稱為點(diǎn)的齊次坐標(biāo)，式中 ? 為非零常數(shù)。 齊次變換矩陣可分解為平移變換和旋轉(zhuǎn)變換，即： ( ) ( , )AAB B OT T ran s P R ot k ??? 33() 01AA BOBO IPT r a n s P ???? ???? ? ?,0( , )01AB RkR o t k ?? ??? ???? 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 式中 . ()A BOTrans P 為平移變換矩陣， ( , )Rot k ? 為繞過原點(diǎn)的 K軸轉(zhuǎn) 動(dòng) ? 角的旋轉(zhuǎn)變換矩 陣。本論文采用 DH(Denavit和Harenberg)分析方法來描述機(jī)器 人相鄰兩連桿之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系 即用一個(gè) 4X4的齊次變換矩陣來描述相鄰兩連桿的位置與姿態(tài) (簡稱為位姿 )，以此推導(dǎo)出“手爪坐標(biāo)系”相對(duì)于“參考系”的齊次變換矩陣，從而建立操作臂的幾何模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。根據(jù)齊次變換矩陣的乘法規(guī)則有： 0 0 1 112 nnnT T T T?? 式中， 0nT 表示末端坐標(biāo)系 ??n 相對(duì)于基坐標(biāo)系 ??0 的位姿 [10]。） id （ mm） ia （ mm） i? （ 186。 典型的手部結(jié)構(gòu) （ 1） 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。 （ 3） 平面平移型 [1] 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 機(jī)械手手指的設(shè)計(jì)計(jì)算 選擇手抓的類型和夾緊機(jī)構(gòu) 本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)六自由度機(jī)械手的設(shè)計(jì)，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手抓張合角 ?? = 060 ，夾取重量為 1Kg。 吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體 ,不適合用于本方案。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動(dòng) ， 這種手指結(jié)構(gòu)簡單 , 適于夾持平板方料、棒料等 , 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置 , 其理論夾持誤差零。 通過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指平移型手抓，采用滑槽導(dǎo)軌這種結(jié)構(gòu)方式。 手抓夾緊力和驅(qū)動(dòng)力的力學(xué)分析 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。可近似按下式估abk ??12 其 中 a，重力方向的最大上升加速度； tva max響? maxv —— 運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度 t響 —— 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取 3K —— 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇 G—— 被抓取工件所受重力（ N） 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 取 k1=2， ????? abK k3 =， G=10N 根據(jù)公式，將已知條件帶入： ? ?FN ? ?? = 取 ? = 由驅(qū)動(dòng)力公式得： ? ?FF N?實(shí)際=設(shè) F 為驅(qū)動(dòng)力，則 ? ??? ?? tgF F實(shí)際 其中 ? 為螺紋傾斜角 =15， ? 為摩擦角 =30 ? F= ? ? Ntg 930159 ??? [6] 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 手指張合電機(jī)的 選擇 設(shè)前端手指的重量為 ，螺紋導(dǎo)程 hP =1mm， 則空載時(shí)，工作臺(tái)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 12 2 10 .2 2 4h iPJ m K g c m? ??? ??? ? ? ? ????? ????? 最大工作載荷下，工作臺(tái)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 2 2 422. 1. 1 2. 8 10 .2 2 3. 14hiPJ m Kg c m? ??? ??? ? ? ? ????? ????? （ 1）快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 1eqT ： 1 m a xe q fT T T?? 式中 maxT —— 快速空載起動(dòng)時(shí)折算到殿動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 fT —— 移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 551m a x 13551 m a x2 2 3. 14 2. 5 10 31. 57 10 .60 60 0. 50. 1 9. 8 0. 16 102. 5 10 .2 2 3. 14 14. 1 10 .mahfe q fJnT J N mtFPT N miT T T N m????????? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ?? ? ? ???? ? ? ? ?摩 （ 2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 2eqT ： 2e q t fT T T?? tT —— 折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ? ?33343212. 1 .1 9 .8 1 01 .7 1 0 .2 2 3 .1 4 1. 0 .1 9 .8 1 02 .7 1 0 .2 2 3 .1 4 12 1 0 ., 0 .0 0 2 .fhthfe q t fe q e q e qFPT N miFPT N miT T T N mT T T N m?????????? ? ? ?????? ? ? ???? ? ? ? ?? ? ?摩? 步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩： m a x . 2 .5 0 .0 0 2 0 .0 0 5 .j e qT K T N m? ? ? ? 查手冊(cè)得，可選用常州寶馬集團(tuán)前楊電機(jī)電器有限公司的 36BF003 型電機(jī) 其 maxjT = 能夠滿足機(jī)構(gòu)要求 [7]。 大手臂擺動(dòng)電機(jī)的選擇 初步估計(jì)整個(gè)手臂重量為 5Kg,設(shè)大手臂擺動(dòng)速度為 3r/min,手臂折算到外軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： ? ?2 2 2. 5 .2lJ m K g m??? ? ? ????? 2 2 T? ?? ? ? ? 整個(gè)手臂折算到外軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 0 . 4 5 0 . 3 1 4 0 . 1 4 1 3 .T J W N m? ? ? ? ? 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 maxjT 為： m a x . 2 . 5 0 . 1 4 1 3 0 . 4 1 6 .0 . 8 5j KTT N m? ?? ? ? ? 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 m a x . 2 . 5 0 . 1 4 1 3 0 . 4 1 6 .0 . 8 5j KTT N m? ?? ? ? ? 選用常州寶馬集團(tuán)前楊電機(jī)電器有限公司的 55BF003 型電機(jī) 其最大靜轉(zhuǎn)矩為 maxjT =,能夠滿足機(jī)構(gòu)要求 [7]。 手腕擺動(dòng)電機(jī)的選擇 初步估計(jì)手腕部分重量為 2Kg,設(shè)擺動(dòng)速度為 5r/min。 底座轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的選擇 初步估計(jì)機(jī)身重量為 15Kg,轉(zhuǎn)動(dòng)速度為 3r/min ? 折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 2 2 25 0 . 2 1 0 0 . 1 4 0 . 3 9 6 .J K g m? ? ? ? ? ? 折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩為： 2 3 .1 40 .3 9 6 0 .1 2 4 .20T J W N m?? ? ? ? ? 電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為： m a x . 2 . 5 0 . 1 2 4 0 . 3 0 7 .0 . 9 8j KTT N m? ?? ? ? ? 選用常州寶馬集團(tuán)前楊電機(jī)電器有限公司的 55BF003 型電機(jī) 其最大靜轉(zhuǎn)矩為 maxjT =[7] 蝸輪蝸桿、帶輪的選擇及傳動(dòng)比的確定 底座電機(jī)處蝸輪蝸桿傳動(dòng)的確定 由選用電機(jī)為 55BF003 可得，運(yùn)行頻率 f=18000HZ ? mn =75r/min 又 sn =3r/min ? i= msnn =25 蝸桿選用 40Cr, 4550HRC 蝸輪選用 103鋁青銅 估計(jì) sV =5m/s 查表得 ? ?H? =140Mpa 由式 2 1md ? ? ? 222500H KTZ ??????? 其中 K 為載荷系數(shù)，當(dāng)考慮載荷集中和動(dòng)載荷影響時(shí)， K取 — ? ? ? 2 22 1225 0 0 5 0 0 1 . 2 3 1 7 1 9 . 45 0 1 4 0Hm d K TZ ??? ??? ? ? ? ??? ??????? 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 查表得 m= 1d =20 q=16 大手臂電機(jī)處蝸輪蝸桿及帶傳動(dòng)的確 定 由選用 55BF003 電機(jī)運(yùn)行頻率 f=18000HZ ? mn =75r/min 由 sn =3r/min ? i= msnn =25 取蝸輪蝸桿傳動(dòng)比為 20 帶輪傳動(dòng)比為 （ 1）由傳動(dòng)比 i=20 查表得 1Z =2 ? 2Z =40 蝸桿 40Cr 45— 50HRC 蝸輪 103 鋁青銅 估計(jì) sV =5m/s 查表得 ? ?H? =140Mpa 由式 ? ? 22122500 Hm d KTZ ???? ????可得 221 500 666 140md ??? ? ? ?????? 查表得 m=2 1d = q= ? 2d =80 （ 2） 由 mn =75r/min 1i =20 ? 帶輪的 主動(dòng)論轉(zhuǎn)速為 1n =由式 1160dnV ?? V 一般在 5—— 25m/s 取 V=20m/s ?1 60 20 ???? 查表得：選帶輪為 Y型帶 1d =28 由式 ? ?2 2 i d ???