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机械手说明书
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通用机械臂设计说明书
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3秒自动关闭窗口本科毕业设计（论文）一种可调式上下料机械手结构 设计与分析XXX燕 山 大 学2014 年 6 月 本科毕业设计（论文）一种可调式上下料机械手结 构设计与分析学 专院：机械工程学院 业：机械电子工程学生姓名：XXX 学 号：XXX指导教师：XXX 答辩日期： 2014 年 6 月 26 日 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：机械工程学院 学 XXX 号 题目名称 题目性质 题目类型 题目来源 学生 姓名 XXX 系级教学单位：机械电子工程系 专 业 10 机电 3 班 班 级一种可调式上下料机械手结构设计与分析1.理工类：工程设计 （ √ ） ；工程技术实验研究型（ ） ； ） ） 理论研究型（ 2.文管理类（ ） ；计算机软件型（ ） ；3.外语类（ ） ；综合型（题 目） ；4.艺术类（1.毕业设计（ √ ） 科研课题（ ）2.论文（） ）生产实际（）自选题目（ √主 要 内 容1.完成机械人手臂的总体设计。 2.完成机械人手臂连接模块的基本结构以及大、小臂的结构设计。 3.对机械人手臂进行三维实体建模。 4.编写设计说明书。基 本 要 求 参 考 资 料 周 次 应 完 成 的 内 容1.零号图纸三张。 2.设计说明书一份。1.《工业机械手设计基础》 2.《工业机械手图册》 3.《机械设计手册》 1 ～4 周 收集资料， 调 研 ； 确 定 完成连接模 完成机械手 完成机械手 完成关键零 的总体设计 方案 系级教学单位审批： 年 月 日 年 月 日 设计 计 计 图 撰写说明 辩 机 械 人 手 臂 块基本结构 大臂结构设 小臂结构设 部件的二维 书，准备答 5 ～ 6周 7～ 10 周 11～13 周 14～15 周 16 ～17 周指导教师： 职称：
摘要摘要近年来，机器人技术逐渐走向成熟，而作为其中非常重要的一种：工业 机械手也一步步的走入人们的生活， 为大家尤其是处在工业生产岗位上的人 们所熟知。 它的特点是能够智能地完成各种预期的作业任务，在构造和性能 上兼有机器和人各自的优点。 机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的 能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化 生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的 运用于自动生产线中， 机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展 起来的一门新兴的技术， 它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地 实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活， 但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比 人手力大的特点。 本次毕设主要针对如何实现机械加工车间工件的上下料， 并同时实现可 调，也就是在同一工况下改变机械臂的长短，改变机械手的工作空间，不仅 增大了机械手的工作效率， 而且可以节约成本，使得更多的中小型企业可以 接受。 关键词 上下料；可调式；机械手I AbstractIn recent years, robot technology mature gradually, and as one of the very important kind of: industrial manipulator is step by step into people's lives, especially in industrial production post for you known. Its characteristic is able to complete all homework tasks, expected in intelligent on the structure and performance of both machines and their respective advantages. The accuracy of the manipulator operation and all kinds of environment's ability to finish the homework, in the national economy in various fields have broad prospects for development. Manipulator is the mechanization, automation production process developed a new type of device. In the modern production process, the manipulator is widely used in automatic production line, development and production of robot has become a high technology within the neighborhood of a new technology developed rapidly, it promoted the development of the manipulator, the manipulator can achieve better with the combination of mechanization and automation. Manipulator, although at present as well as flexible hands, it can have repeated work and labor, I do not know fatigue, is not afraid of danger, snatch the characteristics of the power of the weight is bigger than one hand. This project is aimed at how to realize the workpiece machining workshop of up-down material, under the same conditions to change the length of the mechanical arm, change the working space of the manipulator, not only increases the working efficiency of the manipulator, but also can save costs, allowing more of the small and medium-sized enterprises are acceptable.KeywordsU manipulatorII 目 录摘要 ........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................. II 第 1 章 绪论 ..........................................................................................................1 1.1 课题背景 ....................................................................................................1 1.2 机器人的现状与趋势 ................................................................................2 1.2.1 机器人现状 .........................................................................................2 1.2.2 机器人发展趋势 .................................................................................3 1.3 机器人的分类 ............................................................................................4 1.3.1 按机器人的几何结构来分 .................................................................4 1.3.2 按机器人的控制方式分 .....................................................................5 1.3.3 按机器人的智能程度分 .....................................................................5 1.3.4 按机器人的用途分 .............................................................................5 1.4 该课题的研究目的和意义 ........................................................................6 1.4.1 课题的研究目的 .................................................................................6 1.4.2 课题的研究意义 .................................................................................6 第 2 章 机械手的总体设计 ..................................................................................8 2.1 机械手的工作流程 ....................................................................................8 2.2 机械手的设计思想 ....................................................................................9 2.3 机械手主要结构的设计与分析 ..............................................................10 2.3.1 手爪部分 ...........................................................................................10 2.3.2 小臂部分 ........................................................................................... 11 2.3.3 大臂部分 ...........................................................................................12 2.3.4 底座部分 ...........................................................................................13 2.4 谐波减速器概述 .....................................................................................13 2.5 驱动方式的选择 ......................................................................................17 2.6 本章小结 ..................................................................................................20 第 3 章 机械手运动学分析 ................................................................................21 3.1 引言 ..........................................................................................................21 3.2 运动学理论 ..............................................................................................21 3.2.1 位姿描述 ...........................................................................................21 3.2.2 连杆变换矩阵 ...................................................................................23 3.3 机械手运动学分析 ..................................................................................24 3.3.1 机械手运动方程的建立 ...................................................................24 3.4 本章小结 ..................................................................................................26 第 4 章 各模块的结构设计计算 ........................................................................27III 4.1 引言........................................................................................................... 27 4.2 手爪关节的设计计算 ............................................................................. 27 4.2.1 手爪关节的模型 ............................................................................ 27 4.2.3 小臂关节的计算 ............................................................................ 28 4.3 大臂关节的设计计算 ........................................................................... 31 4.3.1 大臂关节计算 ................................................................................ 31 4.3.2 大臂关节三维模型 ........................................................................ 31 4.4 腰部关节设计计算 ............................................................................... 32 4.4.1 腰部关节计算 ................................................................................ 32 4.4.2 腰部关节虚拟设计 ........................................................................ 33 4.5 本章小结 ............................................................................................... 33 结论.................................................................................................................... 345 参考文献............................................................................................................ 356 致谢...................................................................................................................... 37 附录 1................................................................................................................... 38 附录 2................................................................................................................... 45 附录 3................................................................................................................... 53II 第 1 章 绪论第 1 章 绪论1.1 课题背景自从 20 世纪 60 年代人类制造了第一台工业机器人以来， 机器人就显示 出了极强的生命力。经过几十年的飞速发展，在工业发达国家，机器人已经 广泛应用于汽车工业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食 品工业、物流、制造业等诸多领域中。 据相关统计数据表明，工业机器人主要用于汽车工业及汽车零部件工 业，占整个机器人市场的 61％，金属制品业占 8％、橡胶及塑料工业和电子 电气行业分别占 7％，食品工业占 2％，其他工业占 15％。 据了解， 国际上工业机器人技术日趋成熟，已成为装备制造业的一种标 准设备而得到工业界的广泛应用。 比较著名的工业机器人公司有瑞典 ABB、 日本的 FANUC、德国的 KUKA、意大利的 COMAU，这些公司已成为其所 在地区的支柱性企业。 机器人是当今工业的重要组成部分， 它们能够精确地执行各种各样的任 务和操作，并且无需人们工作时所需的安全措施和舒适的工作条件[1]。工业 机器人由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人 操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自 动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对系统的稳定、 提高产品质量、 提高生产效率、 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十 分重要的作用 。然而，要使机器人更好的为我们工作绝非易事。目前，机 器人在工业、国防、科技、生活等很多领域都取得了不错的成果，但是，随 着人们对机器人的期望和要求不断提高， 机器人的发展并未能很好的同我们 的需求同步， 在很多领域， 其发展相对缓慢甚至停滞不前。 比如在工业领域， 尽管有成千上万的机器人用于工业生产，但他们并没有全部替代操作工人， 机器人只能用在适合使用它们的一些地方。再比如机器人尚且属于高新产 业，对于一些中小型企业，他们无力来支付一台机器人的工作费用。[2]1 燕山大学本科生毕业设计（论文）工业大学机器人研究所副所长李瑞峰教授对我国工业机器人产业化发 展战略进行了探讨并提出了建设性的意见。李瑞峰说： “我们必须在民族产 业链上应用自己的机器人产品， 摆脱国外的垄断。特别是新一代的工业机器 人要我们自己的器件来做，降低成本”[3]。 因此降低成本， 让机器人在中小型企业的加工车间得到广泛的应用，确 实是我国机器人发展必须要解决的一个问题。 目前设计出的机器人能够满足 预定要求， 但是成本却十分昂贵使得很多企业因为效益和利润问题不去选择 应用机器人，严重影响产品的推广和普及，大大的缩小了机器人的市场，从 而进一步制约了机器人的创新与发展。当前，国内的中小型企业占了绝大多 数[4]。 因此， 发展机器人技术， 降低成本以满足绝大多数中小型企业的需求， 将成为越来越受关注的热点。1.2 机器人的现状与趋势1.2.1 机器人现状现阶段，世界上生产工业机器人较多技术、水平较高的地区有：日本、 欧洲、北美。其中，日本和欧洲的产品无论从数量还是种类都占据了主导地 位。 在日本，生产工业机器人的厂家有：安川、OTC、松下、FANUC、不 二越、 川崎等公司。 其中川崎公司每年生产的工业机器人有 15％销售到中国； 在欧洲，德国的 KUKA、瑞典的 ABB、意大利的 COMAU 及奥地利的 IGM 公司，都是著名的工业机器人生产企业；在美洲，主要以美国的各科研机构 和几大汽车公司的研发为主。 目前， 国内工业机器人技术及其工程应用的水 平和国外相比还有不小的距离，如：可靠性低于国外产品、机器人应用工程 起步较晚、应用领域窄、生产线系统技术与国外比有差距等。以上原因主要 是没有形成机器人产业。 当前我国的机器人生产都是应用户的要求， 一客户、 一次重新设计，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、 成本高，而且质量大、可靠性不稳定。因此，迫切需要解决产业化前期的关 键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进 产业化进程[5]。2 第 1 章 绪论1.2.2 机器人发展趋势（1）重复高精度 精度是指机器人、 机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率 以及反馈装置有关。 重复精度是指如果动作重复多次, 机械手到达同样位置 的精确程度。 重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常 会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以 校正。 重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行 机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度 将越来越高, 它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等。 （2）模块化 有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术, 而 把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。 模块化拼装的机械手比组合导向 驱动装置更具灵活的安装体系。 它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装 置, 使机械手运动自如。 模块化机械手使同一机械手可能由于应用不同的模 块而具有不同的功能, 扩大了机械手的应用范围, 是机械手的一个重要的 发展方向。 （3）无给油化 为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污 染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新 型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无 润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、 成本低、寿命长。 （4）机电一体化 由 “可编程序控制器- 传感器- 液压元件”组成的典型的控制系统仍然 是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件, 使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”; 省配线的复合集 成系统, 不仅减少配线、 配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可 靠性。而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而 PLC 的输出功率在增大, 由 PLC 直接控制线圈变得越来越可能[5]。3 燕山大学本科生毕业设计（论文）随着科学与技术的发展, 机械手的应用领域也不断扩大。 目前, 机械手 不仅应用于传统制造业如采矿,冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始 扩大到核能,航空,航天,医药,生化等高科技领域以及家庭清洁,医疗康复等 服务业领域中。如,水下机器人,抛光机器人,打毛刺机器人,擦玻璃机器人, 高压线作业机器人,服装裁剪机器人,制衣机器人,管道机器人等特种机器人 以及扫雷机器人,作战机器人,侦察机器人,哨兵机器人,排雷机器人,布雷机 器人等军用机器人都是机械手应用的典型。机械手广泛应用于各行各业.而 且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服 务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺[6]。1.3 机器人的分类机器人的分类方法众多，标准不一，这里参照相关资料，介绍四种较常 见分类方法，分别按机器人的几何结构、机器人的控制方式、机器人的智能 程度以及机器人的用途来分。1.3.1 按机器人的几何结构分类机器人机械手的机械配置形式多种多样。 最常见的结构形式是用其坐标 特性来描述的。这些坐标结构包括笛卡儿坐标结构、柱面坐标结构、极坐标 结构、球面坐标结构和关节式球面坐标结构等。这里简单介绍柱面、球面和 关节式球面坐标结构等三种最常见的机器人。 （1）柱面坐标机器人。柱面坐标机器人主要由垂直柱子、水平手臂(或 机械手)和底座构成。水平机械手装在垂直柱子上，能自由伸缩，并可沿垂 直柱子上下运动。 垂直柱子安装在底座上，并与水平机械手一起能在底座上 移动。这样，这种机器人的工作包迹(区间)就形成一段圆柱面。因此，把这 种机器人叫做柱面坐标机器人。 （2）球面坐标机器人。这种机器人像坦克的炮塔一样。机械手能够作 里外伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。因此，这种 机器人的工作包迹形成球面的一部分，被称为球面坐标机器人。4 第 1 章 绪论（3）关节式球面坐标机器人。这种机器人主要由底座 (或躯干)、上臂 和前臂三部分构成。 这种机器人的工作包迹形成球面的大部分，称这种机器 人为关节式球面机器人[7]。1.3.2 按机器人的控制方式分类按照控制方式可把机器人分为非伺服机器人和伺服控制机器人两种。 （1）非伺服机器人(non．scrvo robots) 非伺服机器人工作能力比较有限， 它们往往涉及那些叫做 “终点” 、 “抓 放”或“开关”式机器人，尤其是“有限顺序”机器人。这种机器人按照预 先编好的程序顺序进行工作，使用终端限位开关、制动器、插销板和定序器 来控制机器人机械手的运动。 （2）伺服控制机器人(servo-controlled robots) 伺服控制机器人比非伺服机器人有更强的工作能力，因而价格较贵，但 在某些情况下不如简单的机器人可靠。 伺服系统的被控制量(即输出)可为机 器人端部执行装置(或工具)的位置、速度、加速度和力等[8]。1.3.3 按机器人的智能程度分类（1）一般机器人，不具有智能，即只具有一般编程能力和相对简单的 操作功能； （2）智能机器人，具有不同程度的智能，又可分三类：传感型机器人、 交互型机器人和自主型机器人。 传感型机器人具有利用传感信息进行传感信息处理、 实现控制与操作的 能力； 交互型机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人机对话，实现 对机器人的控制与操作； 自主型机器人在设计制作之后，机器人无需人的干 预，能够在各种环境下自动完成各项拟人任务[9]。1.3.4 按机器人的用途分类（1）工业机器人或产业机器人，应用在工业生产和农业生产中，其中， 主要应用在一些制造业部门，进行焊接、喷漆、装配、搬运、检验、农产品 加工等作业；5 燕山大学本科生毕业设计（论文）（2）探索机器人，用于进行太空或海洋检索，也可以用于地面或地下 探险和探索； （3）服务机器人，一种半自主或全自主工作的机器人，其所从事的服 务工作可使人生存得更好，使制造业以外的设备工作得更好； （4）军事机器人，用于军事目的，或进攻性的，或防御性的。1.4 该课题的研究目的和意义1.4.1 课题的研究目的目前， 数控机床在中小型企业的自动化程度不高，很多企业还需要大量 的人力来保证数控机床的运行。为了提高工作效率，节省人力，并使工人远 离可能存在危险的环境，本文设计出可调式机械手，通过一次装夹，配合数 控机床加工工件， 实现了数控机床的无人加工，从而促进了中小型企业普通 数控机床加工的自动化。1.4.2 课题的研究意义工业机器人自诞生到现在近半个世纪以来， 已广泛应用于国民经济各个 领域。特别是在当今，随着科学技术的高速发展，能源的日益紧张，工作环 境的不断改善，制造企业技术的不断进步，对工业机器人的需求越来越大， 因而工业机器人技术在制造业应用范围也越来越广，其标准化、模块化、网 络化和智能化的程度越来越高， 功能也越来越强，正在向着成套技术和装备 的方向发展。 在国外，工业机器人相对比较成熟，已有相当规模的产业模式。然而， 国内的情形不容乐观， 国内很难找到能独立完成机器人生产的企业，很多零 部件无法生产， 只能到国外去购买， 这和国内基础产业相对比较落后有很大 关系；其次，即使产品生产出来，但是不能满足企业的要求，也是国内机器 人产业发展缓慢的原因。 必须保证产品有足够的销售份额，才能使工业机器 人形成一定的产业规模。所以，尽量满足客户需求，快速响应市场变化，就 显得尤为重要。 数控机床在工业机器人应用领域中一直占有相当的比例，所以，让工业 机器人更多的应用到数控机床(特别是经济型数控机床)上， 就能让更多的企6 第 1 章 绪论业(特别是中小型企业)实现自动化[9]。机器作业，一方面在很大程度上减轻 了人们的体力劳动，让工人可以把所节省下来的时间用到工作的其他方面， 来创造更大的价值；另一方面，由于是机器作业，故而可以在比较恶劣的条 件下进行工作，而人们由于自身的条件所限，在某些环境下不易工作，甚至 不能工作。在高温、高空和空气质量比较差甚至有毒的环境下，就应该减少 人直接参与进行工作。而机械手这时就可以大显神通，由于是机器作业，故 能适应很多复杂而又危险的环境。 本研究课题顺应时代发展， 紧密结合实际所需，拟研制可调式上下料机 械手。机械手采用交流伺服电机驱动，小臂通过电动推杆实现可调，通过一 次装夹完成上料、加工、下料整个过程。可调式机械手的成本虽低，但仍能 保证足够的装夹精度和可靠性， 并具有适当的通用扩展性，从而让部分中小 型企业达到省时省工省力的目的。因此，本课题具有一定的工程应用价值。7 燕山大学本科生毕业设计（论文）第 2 章 机械手的总体设计2.1 机械手的工作流程可调式机械手的设计涉及三个方面：执行机构、驱动机构和控制系统。 本课题重点是设计机械手执行机构，执行机构直接关系到机械手外形结构、 工作空间及轨迹规划等，本文所研究的机械手主要包括底座、大臂、小臂、 手爪几个部分。下面将详细介绍执行机构的设计。 本课题选择力姆泰克的 LAM5-150 电动推杆，来实现机械手小臂的长 度，从而改变手爪的工作空间，来达到可调的目的。这是在综合考虑了其它 驱动构件的优缺点后得出的。电动推杆设计新颖精致、体积小、精度高、完 全同步、自锁性能好、卫生，电机直接驱动，不需要管道的气源、油路，现 已大量用于生产线、汽车、透气窗开启、军工、舞台、纺织、污水处理等各 个行业设备上。 而且电动推杆的价格较低， 这也是中小型企业所看重的理由。 它的精度较高， 工业精度完全能满足中小型企业和经济型数控机床上的装夹 机械手的控制精度要求。因此，只要将误差控制在工作条件允许的范围内， 电动推杆是最合适的选择。 对于控制系统，对比综合考虑各种控制系统的特点，最终选定以 PLC 作为可调式机械手的控制系统。相对于其他控制系统，PLC 具有如下优点： (1) 抗干扰能力强，可靠性高； (2) 控制系统结构简单，通用性强； (3) 编程方便，使用简易； (4) 功能完善； (5) 设计、施工和调试的周期短； (6) 体积小，维护操作方便同[10]。 本研究课题拟制的可调式机械手的结构简单实用，因此，控制操作也比 较方便； 同时， 作为以适用于中小型企业经济型数控机床为目标的机械手来 说，成本越低，则越有价值。以 PLC 作为可调式机械手控制系统，是一个 较合理的选择。8 第 2 章 机械手的总体设计2.2 机械手的设计思想图 2-1 为机械手的工作流程图，A，B，C，D，E 分别为机械手工作时 依次经过的位置(其中，B，D 同指过渡位置，为按字母顺序方便描述机械 手工作流程而分成两个字母)。这是一个平面俯视简图，以下是机械手的动 作骤：图 2-1 机械手工作流程图(1)机械手在初始位置(A)抓取毛坯件； (2)抓取完毕后，机械手继续运动，到达过渡位置(B)。这里特别解释下 过渡位置， 可将其看成是毛坯件在被送入三爪卡盘前的一个准备位置，为了 将工件准确地置入三爪卡盘， 在 3 自由度情况下，机械手最好先预设一个过 渡位置，以确保末端执行器将毛坯件准确置入卡盘； (3)机械手末端执行器从过渡位置 (B)运动到恰好与数控机床上三爪卡 盘(C)所在中心轴线 mn 重合，同时将工件置入三爪卡盘； (4)末端执行器从三爪卡盘(C)重新回到过渡位置(D)，机床关门加工； (5)加工完毕后，机械手末端执行器重复步骤(3)，将加工完毕的工件取 出； (6)零件从过渡位置(D)送到最终位置(E)，至此，机械手完成一次工作。9 燕山大学本科生毕业设计（论文）2.3 机械手主要结构的设计与分析机械手的各部分结构外形设计以及选材等都尤为关键，综合可靠性、经 济性、实用性及美观等因素，结合图示，下面将详细介绍机械手各个主要结 构的设计过程。2.3.1 手爪部分1、气压缸 2、连杆 3、手指 4、驱动连杆 5、导轨 6、橡胶垫图 2-2 手爪装配简图末端执行器是机械手最为关键的结构之一， 本研究课题的可调式机械手 以夹持轴类零件为主，最终设计出的手爪部分结构如图 2-2 所示，通过一个 气缸推动手爪滑块运动，从而让手指来回张合，实现对工件的夹紧与放松。 手指的夹紧与放松，主要通过手爪滑块的来回移动来实现。如图 2-2 所示， 当连杆右移时，带动驱动连杆张开，驱动连杆又迫使手指绕着手指轴转动， 手指张开，从而实现对工件的释放；反之，当连杆向左移动时，会带动驱动 连杆闭合，驱动连杆又带动手指绕手指轴转动，手指闭合，从而实现对工件 的夹紧。所夹取工件的直径大小主要受制于同手爪连杆相连接的气缸的行 程，以及手爪与前臂之间的安装间距。 手指要经常夹持和释放工件， 所以手指与工件的接触处需要较高的耐磨 性和一定的强度，可选取 45 号钢，加热处理来满足其性能，手爪与工件的 接触处进行渗碳处理； 连杆受力比较复杂，所以仍可以选择力学性能比较好10 第 2 章 机械手的总体设计的 45 钢；导轨表面必须比较光滑且要有一定的耐磨性，此外，在满足性能 的前提下，手爪部分整体的质量可以适当减轻，综合考虑选取 ZLl02；驱动 滑块部分作为伸缩气缸的第一执行构件，要承受较大拉力与压力，所以本身 必须具有一定的强度， 同时与手爪底座配合形成移动副，因此侧面和底面也 应有较高的耐磨性，综合考虑，选用合金材料 ZCuZn38Mn2pb2。2.3.2 小臂部分小臂部分的装配简图如图 2-3 所示，分成四个部分： 1 、旋转驱动， 2、小臂可调驱动，3、小臂轴，4、输出部分。图 2-3 小臂装配简图考虑小臂部分设计成可调式结构，因为小臂相比于大臂来说更轻便敏 捷， 仅通过改变小臂的长短就可以很容易的实现臂长的可调，从而改变手爪 的相对位置， 来达到改变机械手工作空间实现可调的目的。旋转驱动部分由 交流伺服电机来带动， 通过谐波减速器连接小臂轴， 首先实现小臂轴的转动， 有关谐波减速器的简介后面还会有所介绍。 将小臂的输出部分设计成花键轴 的形式，花键轴可以传递转动，而花键轴的右端连接手爪，从而带动手爪的 旋转。为了实现花键轴的左右移动，这里应用电动推杆作为驱动，因为电动 推杆设计新颖精致、体积小、精度高、完全同步、自锁性能好、卫生，电机 直接驱动，不需要管道的气源、油路，现已大量用于生产线、汽车、透气窗 开启、军工、舞台、纺织、污水处理等各个行业设备上 [11]。电动推杆内置 24V/12V 直流永磁电机，最大推力可达到 40kg，而推杆输出轴连接花键轴， 通过推杆提供的动力可以使花键轴进行左右移动。11 燕山大学本科生毕业设计（论文）材料确定，小臂承接手爪部分，并通过小臂座和大臂进行连接，在满足 强度的前提下，应适当地减轻小臂的质量，因此，考虑铝合金件作为小臂的 材料。2.3.3 大臂部分1、小臂座 2、连杆 3、连杆轴 4、交流伺服电机 5、减速器 6、大臂 大臂部分的结构简图如图 2-4 所示， 主要分为六个部分： 1、 小臂座， 2、 。图 2-4 大臂装配件图大臂部分在整个机械手中起到支撑作用，通过小臂座与小臂轴进行连 接，通过电机和减速器的输出来带动连杆轴，从而带动小臂座的旋转，改变 小臂轴的角度。 其中一个电机可以带动大臂进行转动，同样可以改变小臂座 的位置。 图中我们可以直接看到一个平行四边形机构， 当平行四边形机构的四个 杆处于一直线位置时﹐从动件的运动不确定﹐为了避免发生这种现象﹐平 行四边形机构中常增加一平行杆（图中连杆）。这种机构的特点之一是相对 杆始终保持平行﹐且两连杆的角位移﹑角速度和角加速度也始终相等， 它既 能帮助渡过运动不确定位置﹐又能增加最大启动牵引力[12]。12 第 2 章 机械手的总体设计2.3.4 底座部分图 2-5 底座部分装配简图底座需支撑整个机械手，必须要有足够的强度，基本装配简图如图 2-5 所示：1、轴承法兰，2、涡轮箱，3、底座，4、电机，5、十字交叉滚子轴 承，6、涡轮轴，7、蜗轮蜗杆。 涡轮箱与底座通过凹凸槽进行定位，采用螺纹连接，简单地直接设计成 一矩形截面（但是为了更好的可靠性，也可以设计成等腰梯形截面）。在底 座外圈安装地脚螺栓， 将其尽可能的均衡分布， 保证了机械手底座的稳定性。 由于底座要承受整个机械手的载荷，所以选择 HT200 作为底座材料。 底座部分由一电机输入，通过蜗轮蜗杆减速，将转动传递给涡轮轴，涡 轮轴与大臂座通过螺栓进行连接， 从而电机的输出最终转化成大臂在水平面 内的转动，实现一定的方为改变。涡轮轴下端应用圆柱滚子轴承，可以承受 一定的轴向力， 但是轴的上端采用十字交叉滚子轴承，是考虑到该轴承有以 下的优点：具有很高的旋转精度、安装操作简化、承受很大的轴向和径向载 荷、大幅节省安装空间以及转速能力高。通过调研搜寻资料，现今十字交叉 滚子轴承在机器人的生产制造有着广泛的应用[13]。2.4 谐波减速器概述谐波减速机是一种动力传达减速机构，利用齿轮的速度转换器，将电动 机的回转数减速到所要的回转数， 并且可以得到较大转矩的机构。减速机一 般用于低转速大扭矩的传动设备， 把电动机，内燃机或其它高速运转的动力13 燕山大学本科生毕业设计（论文）通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速 的目的。 谐波齿轮传动主要构件有三个， 刚轮 （Circular Spline） 、 柔轮(Flex spline) 和波发生器(Wave generator)固定其中一件，其余两件，一为主动，另一为从 动，其相互关系可以根据需要变换，一般均以波发生器为主动。图 2-6 谐波减速器的构成波发生器是一个安装于椭圆形轮毅上的薄壁球轴承， 而椭圆形轮毅一般 安装在谐波减速器的输入轴上作为减速器的扭矩发生器。 柔轮在自然状态下是一个柔性的薄壁杯形圆柱筒，筒外壁上有轮齿，节 圆直径略小于刚轮齿节圆直径。 柔轮贴装于波发生器上并发生变形，变形后 的形状由波发生器的外轮廓决定，一般为椭圆筒。 刚轮是一个有内齿的刚性环，内齿在波发生器的长轴方向与柔轮的外 齿啮合，且齿数比柔轮多 2 个。刚轮一般安装于壳体上，作为谐波减速器的 固定元件。当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就近使柔轮及薄壁轴 承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮 合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短 轴方向的齿就处在完全的脱开。 波发生器通常成椭圆形的凸轮， 将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入14 第 2 章 机械手的总体设计柔轮内。 此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配 合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。 这是啮合区， 一般有 30%左右的齿处在啮合状态； 椭圆短轴两端的柔轮齿与 刚轮齿处于完全脱开状态， 简称脱开； 在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿， 沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之 为啮出。 波发生器在柔轮内转动时， 迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生 器的连续转动， 就使柔轮齿的啮入—啮合—啮出—脱开这四种状态循环往复 不断地改变各自原来的啮合状态。 这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运 动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。 对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动 1/8 周时，柔 轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态， 而原来脱开状态就成为啮 入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动 （角位移）了 1/4 齿；同理，波发生器再转动 1/8 周时，重复上述过程，这 时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对 刚轮的位移为两个齿距。 柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环 一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。由于柔轮比刚轮在 节圆周长上少了两个齿距， 所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两 个齿距的角位移， 这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的 目的。 波发生器的连续转动， 迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮 的节圆的任一点， 随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的 和谐波，故称之为：“谐波”[14]。 谐波减速器的主要优点： （1）结构简单，体积小，重量轻。谐波齿轮传动的主要构件只有三个： 波发生器、柔轮、刚轮。它与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少 50%，体积和重量均减少 1/3 左右或更多；15 燕山大学本科生毕业设计（论文）（2）传动比范围大。单级谐波减速器传动比可在 50—300 之间，优选 在 75—250 之间； 双级谐波减速器传动比可在
之间；复波谐波 减速器传动比可在 200—140000 之间； （3）同时啮合的齿数多。双波谐波减速器同时啮合的齿数可达 30%， 甚至更多些。而在普通齿轮传动中，同时啮合的齿数只有 2—7%，对于直齿 圆柱渐开线齿轮同时啮合的齿数只有 1—2 对。正是由于同时啮合齿数多这 一独特的优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大，进而实现大速比、 小体积； （4）承载能力大。谐波齿轮传动同时啮合齿数多，即承受载荷的齿数 多，在材料和速比相同的情况下，受载能力要大大超过其它传动。其传递的 功率范围可为几瓦至几十千瓦； （5）运动精度高。由于多齿啮合，一般情况下，谐波齿轮与相同精度 的普通齿轮相比，其运动精度能提高四倍左右； （6）运动平稳，无冲击，噪声小。齿的啮入、啮出是随着柔轮的变形， 逐渐进入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合过程中齿面接触，滑移速度小，且无 突然变化； （7）齿侧间隙可以调整。谐波齿轮传动在啮合中，柔轮和刚轮齿之间 主要取决于波发生器外形的最大尺寸，及两齿轮的齿形尺寸，因此可以使传 动的回差很小，某些情况甚至可以是零侧间隙； （8）传动效率高。与相同速比的其它传动相比，谐波传动由于运动部 件数量少，而且啮合齿面的速度很低，因此效率很高，随速比的不同 （u=60-250)，效率约在 65—96%左右（谐波复波传动效率较低），齿面的磨 损很小； （9）同轴性好。 谐波齿轮减速器的高速轴、 低速轴位于同一轴线上； （10）可实现向密闭空间传递运动及动力。采用密封柔轮谐波传动减速 装置，可以驱动工作在高真空、有腐蚀性及其它有害介质空间的机构，谐波 传动这一独特优点是其它传动机构难于达到的；16 第 2 章 机械手的总体设计（11）方便的实现差速传动。由于谐波齿轮传动的三个基本构件中，可 以任意两个主动， 第三个从动， 那么如果让波发生器、 刚轮主动， 柔轮从动， 就可以构成一个差动传动机构，从而方便的实现快慢速工作状况。 谐波减速器的主要缺点： （1）传动比的下限值高，齿数不能太少，当波发生器为主动时，传动 比不小于 35； （2）柔轮和波发生器的制造复杂，需要专门设备，造成单件生产和维 修困难，但批量生产时谐波传动装置的价格低于行星传动装置； （3）柔轮周期性变形，易于疲劳损坏； （4）起动力矩大； （5）在承载初始阶段，刚度较小，变刚度特性是属于带条件性的缺点； （6）不能做成交叉轴和交错轴的结构形式[15]。2.5 驱动方式的选择这里所说的驱动即执行装置。 执行装置就是按照电信号的指令，将输入 的各种形式的能量转换成所需要的机械能，如旋转运动或直线运动等方式。 通常，根据驱动方式的不同，可以将执行元件分为以下几种类型 (1)电气式 电气式是将电能转化成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构运动。这是 伺服系统最常用的一类执行元件， 主要包括直流伺服电机、交流伺服电机以 及步进电机等。 电气式又包括直流电机、交流伺服电机、步进电机、超声波电机、直接 驱动电机等。 直流电机的特点： 优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩 大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。 缺点：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，噪音比交流 电机大。 交流伺服电机的特点：17 燕山大学本科生毕业设计（论文）优点：无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低；定子绕 组散热比较方便；惯量小，易于提高系统的快速性；适应于高速大力矩工作 状态。 缺点：比直流电机的驱动电路复杂、价格高。 步进电机的特点： 优点：控制系统简单可靠，成本低； 缺点：控制精度受步距角限制，高负载或高速度时易失步，低速运行时 会产生步进运行现象。 直接驱动电机特点： 优点：不用齿轮减速器直接驱动，因此具有无间隙、摩擦小、机械刚度 高等优点，可以实现高速、高精度的位置控制和微小力控制。 缺点：因为没有减速机构，所以容易受载荷的影响，且体积较大。 (2)液压式 液压式是将电能转换成液压能并用电磁阀改变压力油的流向， 使液压执 行元件驱动运行机构运动，主要包括液压缸、液压马达等。 这类执行元件的优点是容易获得比较大的扭矩和功率； 功率/重量比大， 可以减小执行装置的体积；刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制；通 过流量控制可以实现无级变速。 其缺点是需要相应的液压源，占地面积大，而且容易漏油，污染环境。 一般用在重工业设备领域或需要较大输出转矩的场合，如挖掘机等。 (3)气压式 气压式与液压式的原理基本相同，只是将介质由油改为气体，主要包括 气缸、气压马达等。 这类执行元件的优点是利用气缸可以实现高速直线运动； 利用空气的 可压缩性容易实现力控制和缓冲控制；无火灾危险和环境污染；系统结构简 单，价格低。 其缺点是由于空气的可压缩性， 高精度的位置控制和速度控制都比较困 难，驱动刚性比较差；虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止 的动作速度很慢；噪音大[16]。18 第 2 章 机械手的总体设计对于上下料机器人这类产品， 其伺服系统通常对执行元件有以下几点要 求: (1)惯量小、输出转矩大 为使伺服系统具有良好的快速响应性和足够的承受负载能力， 要求执行 元件具有较小的惯量并且输出较大的转矩。 (2)体积小、重量轻 为了使执行元件易于安装， 易与机械系统相联接并且使伺服系统结构紧 凑，既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时也要增大其输出转矩。 (3)便于计算机控制 机电一体化产品通常采用计算机控制， 因此要求伺服系统及其执行元件 能够采用计算机统一控制。 基于这一要求，使得伺服电机在机电一体化伺服 系统中得到极为广泛的应用[17]。 (4)成本低、可靠性好，便于安装和维修 结合实际工程经验， 综合考虑三种执行元件的优缺点和伺服系统对执行 元件的要求，采用电气式执行元件驱动机械臂各关节较为合理。 而在电气式执行元件中对于本设计伺服电机（如图 2-7）相对于步进电 机更加具有优势：图 2-7 伺服电机（1）实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问 题；19 燕山大学本科生毕业设计（论文）（2）高速性能好，一般额定转速能达到
转； （3）抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波 动和要求快速起动的场合特别适用； （4）低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行 现象。适用于有高速响应要求的场合； （5）电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内； （6）发热和噪音明显降低[18]。2.6 本章小结本章重点讨论了可调式机械手的总体设计思想， 分析了机械手在实际生 产中的工作流程， 并详细介绍了机械手各主要零部件的结构设计及各零部件 材料的选择， 一并给出了所选构件的合理解释。 本次设计应用了谐波减速器， 在本章中也给出了详尽的介绍， 让大家对其有一个基本的认识了解，然后通 过优缺点的分析比较， 考虑到各种实际情况来决定是否使用谐波减速器。对 于机械手驱动方式，应用电气驱动，保证了机械手的一个工作状态。最后通 过对机械手各个部分的分析， 确定出了可调式机械手的整体装配模型。本章 属于基础部分，为后续进行运动学分析和三维建模等做好铺垫。20 第 3 章 机械手运动学分析第 3 章 机械手运动学分析3.1 引言机械手是由一系列的关节连接起来的连杆机构， 运动学研究的是机械手 各坐标系之间的运动关系。 为了方便描述连杆之间的关系，并得到末端执行 器相对于参考坐标系的位姿，文中求得了运动学方程正解。3.2 运动学理论研究操作机器人的运动， 不仅涉及机械手本身，而且涉及各物体间以及 物体与机械手的关系。在描述物体(如零件、工具或机械手)间关系时，要用 到位置矢量、平面和坐标系等概念。下面将建立这些概念及其表示方法，为 后面进行运动学分析打下基础。3.2.1 位姿描述位置描述 在建立坐标系后，我们就能用某个 3?1 位置矢量来确定空间内任一点A 的位置。对于直角坐标系{A}，空间任一点 P 的位置可用 3?1 的列矢量 P表示。A? Px ? ? ? P ? ? Py ? ?P ? ? z?A其中，Px，Py(3-1)， Pz 是点 P 在坐标系中的三个坐标分量。 P 的上标 A 代A 表参考坐标系{A}。称 P 为位置矢量，如图 3-1 所示：图 3-1 位置表示 21 燕山大学本科生毕业设计（论文）（1）方位描述 在研究机器人的运动和操作的过程当中， 不仅需要表示空间某个点的位 置，而且需要表示物体的方位(orientation)。物体的方位可由某个固接于此 物体的坐标系描述。设空间存在一个刚体，用 B 表示，为了规定空间某刚 体 B 的方位，设置一个直角坐标系{B}与此刚体固接。用坐标系{B}的三个 x y z 单位主矢量 b ， b ， b 相对于参考坐标系{A}的方向余弦组成的矩阵来表示 刚体 B 相对于坐标系{A}的方位。A BR?? ? xBAAyBA? r11 ? zB ? ? ? ? r21 ? ? r31r12 r22 r32r13 ? r23 ? ? r33 ? ?(3-2)R 称为旋转矩阵，表示刚体 B 相对于坐标系{A}的方位。式中，上标 A B R 共有九个元素， A 代表参考坐标系{A}， 下标 B 代表被描述的坐标系{B}。A B但只有三个是独立的[19]。 对应于轴 x，y 或 z 作转轴为 ? 的旋转变换，其旋转矩阵分别为 0 ? ?1 0 ? R( x,? ) ? ?0 c? ? s? ? ? ? ? 0 s ? ? c ? ? ?? c? R( y, ? ) ? ? ? 0 ? ? ? s? ?c? R( z,? ) ? ? ? s? ? ?0 0 s? ? 1 0? ? 0 c? ? ? ? s? c? 0 0? 0? ? 1? ?(3-3)(3-4)(3-5)式中，s 代表 sin,c 代表 cos。 （3） 位姿描述 位置矢量描述点的位置，旋转矩阵描述物体的方位。要完全描述刚体 B 在空间的位姿，通常将物体 B 与某一坐标系{B}相固接。{B}的坐标原点一 般选在物体 B 的特征点上。相对{A}，{B}的原点位置和坐标轴的方位，分22 第 3 章 机械手运动学分析A 别由位置矢量 PB 和旋转矩 B R 描述。这样，刚体 B 的位姿可由{B}来描述， A即：?B? ? ? BA R A PBo ?A(3-6)当表示位置时， 式(3-6)中的旋转矩阵 B R ? I (单位矩阵)； 当表示方位时， A P ?0 式(3-6)中的位置矢量 B0 。3.2.2 连杆变换矩阵（1） 广义连杆 相邻坐标系间及其相应连杆可以用齐次变换矩阵来表示。要求出操作 手所需要的变换矩阵， 每个连杆都需要广义连杆来描述。在求得相应的广义 变换矩阵之后，可对其加以修正，以适合每个具体的连杆。机器人机械手是 由一系列连接在一起的连杆(杆件)构成的。图 3-2 转动关节连杆参数示意图α d ε i， i ， 如图 3-2 所示，共需四个相应参数对连杆进行描述，分别为 i ， θi ε α α i 是公共法线距离， i 为垂直于 i 所在平面内两轴的夹角，用这两个参 。 θ 数来描述一个连杆； d i 表示两连杆的相对位置， i 表示两连杆法线的夹角，这两个参数描述相邻两杆的关系。 每个连杆两端的轴线各有一条法线(第一个连杆和最后一个连杆除外)， d 分别为前、后相邻连杆的公共法线。这两法线之间的距离即为 i 。如图 3-2 ε d θ α 所示，我们称 i 为连杆长度， i 为连杆扭角， i 为两连杆之间的距离， i 为 两连杆夹角[20]。23 燕山大学本科生毕业设计（论文）机器人机械手上坐标系的配置取决于机械手连杆连接的类型。 有两种连 接：转动关节和棱柱联轴节。对于转动关节， θ i 为关节变量。连杆 i 的坐标 系原点位于关节 i 和 i+1 的公共法线与关节 i+1 轴线的交点上。如果两相邻 连杆的轴线相交于一点，那么原点就在这一交点上。如果两轴线互相平行， 那么就选择原点使对下一连杆(其坐标原点已确定)的距离 d i ?1 为零。连杆 i 的 z 轴与关节 i+1 的轴线在一直线上，而 x 轴则在连杆 i 和 i+1 的公共法线 上，其方向从 i 指向 i+1，如图 3-2。当两关节轴线相交时，x 轴的方向与两 矢量的交积 zi ?1 ? zi 平行或反向平行，x 轴的方向总是沿着公共法线从转轴 n 指向 i+1。当两轴 xi ?1 和 xi 平行且同向时，第 i 个转动关节的 θ i 为零。 （2） 广义变换矩阵建立规则[21] 在全部连杆规定坐标系后，本文按照如下顺序来建立相邻两连杆 i-1 与 i 之间的相对关系： a. 绕 xi ?1 轴旋转 ? i ?1 角， 为 Rot ( xi ?1 , ai ?1 ) ； b. 沿 xi ?1 轴平移一距离 ai ?1 ，记作 Trans( xi ?1 , ai ?1 ) ； c. 沿 zi 轴平移一距离 di ，记作 Trans( zi , di ) ； θ ，记作 Rot ( zi ,?i ) 。 d. 绕 zi 轴旋转角i这种关系可由表示连杆 i 对连杆 i-1 相对位置的四个齐次变换来描述， i ?1 称为矩阵 iT 。此关系式为：i ?1 iT ? Rot ( xi ?1,?i ?1 )Trans( xi ?1, ai ?1 )Trans( zi , di )Rot ( zi ,?i ) ? s?i 0 ai ?1 ? ? c?i ?c? s? c? c? ? s? ?di s? i ?1 ? i ?1 i i ?1 i i ?1 ? ? ? ? s? i ?1 s? i ?1c?i c? i ?1 di c? i ?1 ? ? ? 0 0 1 ? ? 0(3-7)3.3 机械手运动学分析3.3.1 机械手运动方程的建立24 第 3 章 机械手运动学分析为了确定机器人各连杆之间相对运动关系， 在各连杆上分别固接一个坐 标系，与基座固接的坐标系记为{0}，与连杆 i 固接的坐标系记为{i}， zi 轴 即为第 i 关节轴线，如图 3-3 所示。 根据建立的坐标系得出本文的机械手 D-H 参数，如表 3-1 所示表 3-1 机械手的 D-H 参数图 3-3 机械手 D-H 坐标系机械臂运动学分析是机械臂运动控制及动力学分析的基础。 正向运动学 主要解决机器人运动方程的建立及手部位姿的求解问题， 是分析轨迹规划的 基础。由建立的连杆 D-H 参数坐标系和 D-H 参数。可推导出连杆的 D-H 坐 标变换矩阵为:25 燕山大学本科生毕业设计（论文）?c?1 ? s?1 ? s? 0 ? 1 c?1 T ? 1 ?0 0 ? 0 ?0 ?c?3 ? s? 3 ? s? 2 ? 3 c?3 T ? 3 ? 0 0 ? 0 ? 00 0 1 0 0 0 1 00? 0? ? 0? ? 1? l 2 ? 0? ? l3 ? ? 0?? c? 2 ? s? 2 ? 0 0 1 ? T ? 2 ? ? s? ?c? 2 ? 0 ? 0 ? c? 4 ? s? 4 ? 0 0 3 ? T ? 4 ? ? s? 4 ?c? 4 ? 0 ? 00 1 0 0 0 1 0 00? 0? ? 0? ? 1? l1 ? 0? ? 0? ? 1?（3-8）各连杆变换矩阵相乘，最终求得机器人的总变换矩阵为：?0 ?0 0 ? T ? 4 ? ?1 ? ?00 40 ?1 ?(l1 ? l2 ? l3 ) ? ? 1 0 0 ? ? 0 0 l0 ? 0 0 1 ?（3-9）上式即为总变换矩阵 T ，描述了末端连杆坐标系相对于基坐标系的位 姿，是后面进行运动分析的基础。3.4 本章小结本章前面介绍了描述机械手运动的相关概念和基本理论， 包括机械手位 置和姿态的描述方法和坐标变换； 在建立了可调式机械手连杆坐标系后，通 过对任务参数的分析，得出机械手各个连杆的 D-H 参数，然后再利用齐次 变换， 得到机械手运动学方程， 为以后研究机械手的空间轨迹运动分析奠定 了基础。26 第 4 章 各模块的结构设计计算第 4 章 各模块的结构设计计算4.1 引言根据任务书给定的主要涉及参数表 4-1 所示：表 4-1 机械手主要参数 项目 载荷 重复定位精度 S 轴（旋转） 动作 L 轴（大臂） 范围 U 轴（小臂） 小臂可调尺寸范围 机器人臂展 参数 3 自由度 60kg ±0.8mm ±360° ±45° ±75° 项目 S 轴（旋转） 最大速度 L 轴（大臂） U 轴（小臂） 本体重量 末端执行器重量 负载 0mm~150mm 1600mm 参数 90°/s 85°/s 85°/s ≤350kg ≤10kg 0.5kg~1kg首先， 本章对各个关节进行了对电机选型， 减速器选型， 机械结构设计， 轴承，轴等的较为详细的设计计算。由于是串联机构，本文采用自下而上的 设计顺序，分别先后对手爪关节、小臂关节、大臂关节和腰关节进行了初步 设计计算。4.2 手爪关节的设计计算4.2.1 手爪关节的模型根据以上的设计计算结果，基于 SolidWorks 对手爪进行虚拟设计。设 计结果如下：图 4-1 手爪装配外形图 27 燕山大学本科生毕业设计（论文）图 4-2 手抓机构原理图4.2.2 小臂关节的计算基于 SolidWorks 对设计出的手爪进行参数进行分析总结，其具体步骤 如下： 1、利用 Solidworks 软件计算手爪各个部件的质量，其结果近似等于 10kg，满足设计参数的要求； 2、建立如图所示的坐标系 1（如图 4-3）；图 4-3 小臂部分坐标系3、利用 Solidworks 分析其对于小臂驱动关节的转动惯量。 手爪关节与模拟抓取的工件的总体质量特性： 输出坐标系 : 坐标系 1 质量 = 65 千克 体积 = 0. 立方米28 第 4 章 各模块的结构设计计算表面积 = 2.407433 平方米 重心 : ( 米 ) X = -0.186006 由重心决定。 Ix = (1.000, -0.000,-0.003) Iy = (0.000, 1.000, 0.009) Iz = (0.003, -0.009, 1.000) Px = 0. Py = 8. Pz = 8. Y = -0.114328 Z = -0.001097 惯性主轴和惯性力矩 : ( 千克 * 平方米 )惯性张量 : ( 千克 * 平方米 ) 由重心决定，并且对齐输出的坐标系。 Lxx = 0. Lyx = -0. Lzx = -0. 由输出座标系决定。 Ixx = 1. Iyx = 1. Ixy = 1. Ixz = -0. Izz = 11. Iyy = 11. Iyz = 0. Lxy = -0. Lyy = 8. Lzy = 0. Lxz = -0. Lyz = 0. Lzz = 8.惯性张量: ( 千克 * 平方米 )Izx = -0. Izy = 0. J= Ixx = 1. kg.m2 4、任务参数：得出手爪及工件对坐标系 1 X 轴的转动惯量:启动时间：启动时间 t ? 0.15s ；运动范围±75°；运动速度 85°/s图 4-4 计算小臂关节简图 29 燕山大学本科生毕业设计（论文）根据运动速度可以求得该关节的角速度为： ? ? 85 /180 ? ? ? 1.5rad / s 进而可以求得角加速度：? ? ? / t ? 10rad / s2其转速为：N? ? 85 / 360 ? 60 ? 14.2r / min由上一节可知该关节处负载的转动惯量为： J=1.227 kg.m2 则 可求得：T? ? J ?? ? 1.23?10 ? 12.3N ? m P ? ? (T ? ? N? ) / 9550 ? 0.020Kw轴承η 1=0.98；减速器η 2=0.97；Pd ?P 0.02 ? ? ? 0.022 kw ? ??2 0.982 ? 0.972 1选取电机功率 P≥0.022 kw 根据查询交流伺服电机规格参数表，选择如下交流伺服电机：规格型号 JSF 60-40-30-DF-1000 额定功率(W) 400 额定转矩(N?m) 1.3 额定转速(rpm) 3000根据表 2-2 SHD 型谐波减速器选型，选择宏远皓轩公司 XBHY 型谐波减 速器：SIZE 20；减速比 100 由该关节的额的转速和功率可以计算出该关节输出轴的最小轴径：d ?C3 Pd ? 11.2mm N?30 第 4 章 各模块的结构设计计算4.3 大臂关节的设计计算4.3.1 大臂关节计算利用 Solidworks 得出大臂所支撑部分的质量 M=190kg,以及其对 x 轴的 转动惯量 J=10.639kg.m2（由于此步骤在各个环节均相同，本文在求得参数 的具体步骤方面不再赘述，只给出分析结果） 任务参数：启动时间 t=0.15s；运动范围：±45°；运动速度：85°/s； 根据运动速度可求得大臂关节的角速度： ? ? 85 /180 ? ? ? 1.5rad / s 进而可求得角加速度：? ? ? / t ? 10rad / s2其转速为：N? ? 85 / 360 ? 60 ? 14.2r / min则大臂转动所需转矩： T? ? J ?? ? 1.639 ?10 ? 16.39N ? m 需要的额定功率：P ? ? (T ? ? N? ) / 9550 ? 0.158Kw 所以选取电机额定功率 P ? 0.158Kw ，额定转速 T ? T? / 2 ? 8.2 N ? m 。根据查询交流伺服电机规格参数表，选择如下交流伺服电机：规格型号 SM 130-100-25-LFB 额定功率(W) 1500 额定转矩(N?m) 10 额定转速(rpm) 1500由于该机械手大臂转矩较大功率较高， 普通的谐波减速器已经不适合于 此处关节，所以选用北极减速机公司的 RV 摆线针轮减速器。选用的 RV 摆 线针轮减速器的型号为：PA-150。4.3.2 大臂关节三维模型机械手手大臂部分三维模型装配见图（4-5）31 燕山大学本科生毕业设计（论文）图 4-5 大臂部分三维装配4.4 腰部关节设计计算4.4.1 腰部关节计算任务参数：启动时间 t=0.4s；运动范围±360°；运动速度 90°/s； 根据运动速度可以求得该关节的角速度为： ? ? 90 /180 ? ? ? 1.57rad / s 进而可以求得角加速度：? ? ? / t ? 3.93rad / s2其转速为：N? ? 90 / 360 ? 60 ? 15r / min由上一节可知该关节处负载的转动惯量为： J ? 44.84584kg ? m2 则 可求得：T? ? J ?? ? 176.24N ? m P ? ? (T ? ? N? ) / 9550 ? 0.28Kw选取电机功率 P≥0.28kw 根据查询交流伺服电机规格参数表，选择如下交流伺服电机：32 第 4 章 各模块的结构设计计算 规格型号 260HX15FS 额定功率(W) 15000 额定转矩(N?m) 180 额定转速(rpm) 15004.4.2 腰部关节虚拟设计腰部关节的整体外形见图 3-6（左），腰关节内部结构见图 3-6（右）。腰部底盘整体外形图底盘腰部结构装配图 图 4-6 腰部关节三维模型图4.5 本章小结本章采用自下而上的设计方法依次对可调式上下料机械手的各个关节 进行了设计计算， 对各个关节的伺服电机进行了较为详尽的选型，对减速机 构也进行了较为详细的表述。本章完成了机械手设计的全部虚拟设计工作。 下表是对各关节电机的选型情况汇总。表 3-1 各关节电机选型 关节 小臂 大臂 腰部 规格型号 JSF 60-40-30-DF-1000 SM 130-100-25-LFB 260HX15FS 额定功率(W) 400
额定转矩 (N·m) 1.3 10 180 额定转速(rpm) 0033 燕山大学本科生毕业设计（论文）结论本文完成了可调式机械手的结构设计，在此基础上，建立了机械手三维 实体模型， 并进行了运动学分析， 并运用软件分析了机械手局部关键部件的 受力情况。主要工作如下： 概述了机器人的分类及发展趋势， 指出了当前国内机器人发展存在的一 些问题，并阐述了可调式机械手工作原理。根据制造企业所需，对比各种设 计方案，综合可行性、合理性、经济性等因素，详细地设计了可调式上下料 机械手的各个部件，以及整合到一起机械手的整体结构； 利用 Solidworks 软件建立了可调式机械手各个零部件的模型，在Solidworks 中对机械手进行了整机装配，保证了装配的正确性；对可调式机械手进行运动学建模， 采用经典的 D-H 法， 建立了可调式机 械手的杆件坐标系， 确定了机械手的结构参量和关节变量，其运动学正解符 合机械手实际工作的情况，为后续的设计计算奠定了基础； 文章对可调式机械手进行了理论研究， 提出一种新型可调式机械手整体 结构， 验证了机械手运动学特性的正确性的和力学性能的可靠性，为后续研 究提供一定得参考。 可调式机械手紧密结合制造企业的实际需求，具有较好 的市场前景。34 参考文献参考文献[1]孙富春，朱纪洪，刘国栋．机器人学导论[M].北京：电子工业出版 社，2004. [2]顾水恒， 常红.机器人现状与前景分析[J].现代商贸工业，2010(8)： 327-328. [3]蔡自兴.机器人学基础[M]．北京：机械工业出版社[M]，2009. [4]程玉华.西门子 S7-200 工程应用实例分析[M]．北京：电子工业出版 社，2008. [5]蒋文平.五自由度串联型机械手运动轨迹多目标优化[D].武汉： 武汉 理工大学，2009. [6]宋伟刚.机器人学- 运动学、动力学与控制 [M]北京：科学出版社， . [7]贾卫平.机械手运动学仿真的实现[J]。机械设计与制造，2005. [8]李伦兴,辛丽.机械手在数控车床上的应用[A].沈阳市委、沈阳市人 民政府 . 第八届沈阳科学学术年会论文集 [C]. 沈阳市委、沈阳市人民政 府:,2011:3. [9]陈婷婷.4R 多关节轮毂加工上下料机械手的运动分析与研究 [D]沈 阳工业大学，2012. [10]张俊.基于视觉定位的自动上下料机械手系统研究[D].石家庄铁道 大学,2012. [11]Dynamic Feedforward Control of a Novel 3-PSP3-DOF Parallel Manipulator[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering,684. [12]王战中,张俊,季红艳,赵赛,臧丽超.自动上下料机械手运动学分析 及仿真[J].机械设计与制造,-246. [13]白 平 , 薛 佟 . 数 控 机 床 上 下 料 机 械 手 设 计 的 流 程 [J]. 科 技 传 播,. [14]Reciprocal Screw Theory Based Singularity Analysisofa35 燕山大学本科生毕业设计（论文）Novel3-DOF Parallel Manipulator[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,-653. [15]Design Schemesand Comparison Researchof the End-effectorof Large Space Manipulator[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,-687. [16]王学良.机械手上下料控制系统关键技术研究[D].江南大学,2012. [17]邢婷婷.上下料机械手的运动学及动力学分析与仿真[D].青岛科技 大学,2012. [18]胡 旭 兰 . 生 产 线 组 合 机 床 自 动 上 下 料 机 械 手 [J]. 机 械 制 造,-34. [19]赵碧,巴鹏,徐英凤.气动上下料机械手手部结构的设计与分析[J]. 沈阳理工大学学报,-60. [20]丛海鹰,毛承志,刘北英.吸盘式上下板料机械手关键结构设计[J]. 机械制造与自动化,-78. [21]宋 娟 . 上 下 料 机 械 手 PLC 控 制 系 统 设 计 [J]. 装 备 制 造 技 术,-55.36 参考文献致谢在此我诚挚地感谢所有给了我无私支持和帮助的老师同学们。 首先，我要衷心的感谢我的指导老师 XXX 老师，在整个毕设期间，X 老 师的耐心指导给了我极大的帮助和心理上的鼓舞， 在课题研究学习没有进展 的时候，我总是想到和 X 老师谈一谈，X 老师虽不会直接的告诉我该怎么样 继续做下去，但他和我一起分析方案，提出很多建议和意见，使我能够更明 确的了解毕设下一步的工作安排。X 老师态度随和，而且每周都会抽出很多 时间来检查督促我们的毕设进程， 他这种无私奉献、敬业职守的精神让我终 身难忘。 其次，我要感谢各位答辩组的指导老师，XXX 老师的提醒、XXX 老师的 批评、XXX 老师的耐心查图等等都给了我极大的帮助，在此，我表示衷心的 感谢。 最后，我想我的舍友、同学同样给了我很多的帮助，我们一起讨论过三 维图的画法、 我们一起研究了说明书的版式、我们曾经不分白天黑夜的修改 着 CAXA 图?? 携手一路走来，我想再一次为所有提供过帮助的人们道一声谢谢。37 燕山大学本科生毕业设计（论文）附录 1燕 山 大 学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称： 一种可调式上下料 机械手的结构设计与分析 学院（系） ：机械工程学院 年级专业：10 级机电 3 班 学生姓名：XXX 指导教师：XXX 完成日期：38 附录 1 开题报告一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1.1 国内外研究动态 机械手是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物 件或操持工具完成某些特定操作。机械手简单来说即为机械和手爪的结合， 它是工业自动化发展的产物， 是在实际生产过程中使用的一种具有抓取和移 动工件功能的自动化装置。机械手的出现对于人类的工作发生重大的改善， 它不仅能代替人类完成危险工作环境的任务， 还可以不知疲倦的重复枯燥的 工作。机械手减轻了人类劳动强度，提高劳动生产力，降低了生产加工的成 本，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门，特别是 在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍[1]。 1.2 选题的依据和意义 目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的 距离， 应用规模和产业化水平低， 机械手的研究和开发直接影响到我国自动 化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。本课题：一种 可调式上下料机械手的结构和设计便是针对车间工件上下料的研究分析有 着重大深远的意义。 对于大部分中小型企业来说，加工工件有着各种各样的 需求， 由此对于机械手所需要的工作空间也就变得更加广泛。为了实现对各 种工况的需求， 可调式上下料的机械手其中的“可调”成为了一项非常重要的 问题。而研究可调的主要方案有两个方向，一是机械臂的可调，二是机械手 手爪的可调。将机械臂设计成可调式的，可以扩大机械手的工作空间，而且 机械臂的承载能力大、 刚性好， 将其设计成可调式的依然可以保持很高的位 置精度，只要避免卡死的状况，便可动作灵活地适应各种作业工况。而且， 机械臂设计成可调式， 便于维修调整和拆装更换部件。倘若把手爪设计成可 调式，不仅很难实现较大的工作范围，而且手爪的承载不大，经常地装卸会 大大降低手爪的工作寿命[2]。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题 经过一步步的分析研究 ，此次毕业设计一种可调式上下料机械手需要 完成的任务是： 在设置好的原点进行取料→经过一定合理的轨迹运动将工件 进行装卡→回到原点（为下一次取料做好准备） ，在此过程中需要避免出现39 燕山大学本科生毕业设计（论文）机械臂运动卡死的问题， 而且根据工作环境可以顺利的改变臂长，实现可调 式的功能[3]。由此该课题需解决的主要问题有： （1）机械手工作系统的设计方案，其中包括机械手整体的机械结构设计， 机械手驱动方案设计； （2）经过分析计算，确定机械手基本尺寸参数，确定各零部件的结构设计 及各零部件的材料选择； （3）根据确定的尺寸参数，用 SolidWorks 画出机械手的三维实体图，并进 行运动学分析； （4）对机械手进行仿真，分析其关键部位受力情况，验证所定参数是否合 理，并对不合理参数进行修改； （5）通过进一步确定的机械手参数，用 CAD 软件来绘制其工程图。 三、研究步骤、方法及措施 1. 机械手整体的机械结构方案设计图 1 机械手结构简图通过阅读相关资料， 确定机械臂、 机械手爪以及如何实现可调式的合理 方案，根据方案绘制出机械手的结构简图（如图 1：其中 1 底座、2 旋转台、 3 大臂、4 平行四边形机构、5 小臂、6 气压缸、7 手爪） ，其中底座固定， 大臂和底座通过转动副连接， 在水平面内可以旋转；大臂和小臂通过转动副 连接，实现小臂在竖直平面内的转动；小臂和手爪通过气压缸连接，通过气40 附录 1 开题报告压缸的伸长缩短，可以改变手爪的工作空间，从而达到“可调”的目的；气 压缸和手爪之间有一个转动副，使手爪能够轴向转动。 2. 机械手驱动方案设计 机械手所用的驱动机构主要有 4 种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和 机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动应用最为广泛，下面便对液压驱动方 式和气压驱动方式进行比较，来确定最为合理的驱动方案[4]。 a、液压驱动式 液压驱动式机械手通常由液动机（各种油缸、油马达） 、伺 服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机械手执行机构进行工作。通常 它的具有很大的抓举能力（高达几百千克以上） ，其特点是结构紧凑、动作 平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好，但液压元件要求有较高的制造精度和密 封性能，否则漏油将污染环境； b、气压驱动式 其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特 点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速 度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。 机械手抓料质量为 500 克-1000 克，若选用液压驱动式则造成成本上的 浪费，因此我们选用气压驱动式即可，这样不仅能完成抓料的任务，而且其 结构简单、维修方便，对于中小型企业是一种很理想的选择。 3. 绘制三维图并进行仿真分析 通过之后计算确定的尺寸，用 SolidWorks 绘制三维实体图，并对三维 图进行运动学分析，不合理的参数进行修改，然后用 CAD 绘制工程图。 四、研究工作进度 1、开题阶段（1-4 周） 第一周：仔细阅读毕设题目，上网和去图书馆查找与课题相关的资料， 明确毕业设计的主要任务，和老师讨论总体的设计方案； 第二周：对查找资料进行阅读整理，了解课题背景，完成文献综述； 第三周：确定机械手总体的设计方案，并完成开题报告，请老师指导不 合理的地方，并进行修改； 第四周：绘制机械手的模型图，做出开题报告的 PPT，准备开题。 2、中期阶段（5-10 周）41 燕山大学本科生毕业设计（论文）第五周：参考相关资料，选用合适的计算方法，计算机械手（手臂和手 爪）的机械结构参数； 第六周：计算机械手零部件参数，并进行选型； 第七周：对计算所得的数据进行验证，对机械手强度校核，完成各连接 模块的基本结构设计； 第八周：应用完成的计算数据，用 SolidWorks 绘制机械手的三维实体 图； 第九周：通过三维实体图，应用 CAXA 绘制总体的装配图； 第十周：整理近一段时间完成的工作，做出 PPT，准备中期答辩。 3、终期阶段（11-17 周） 第十一周：绘制零部件的工程图； 第十二周：选择某一零件，手绘其工程图纸，完成手绘图纸的要求； 第十三周：应用软件对三维模型进行仿真，制作相应的动画； 第十四周：翻译一篇于本课题关系密切的英文文献； 第十五周：重新检查二维图、三维图，并请老师查看，将不合理的地方 做出改正； 第十六周：整理所做的全部工作，撰写说明书； 第十七周：制作出最终的 PPT，准备终期答辩。 五、主要参考文献[1] Dynamic Feedforward Control of a Novel 3-PSP3-DOF Parallel Manipulator [J].ChineseJournalofMechanicalEngineering,-684. [2] 王战中,张俊 ,季红艳,赵赛 ,臧丽超.自动上下料机械手运动学分析及仿真 [J].机械设计与制造,-246. [3] 白 平 , 薛 佟 . 数 控 机 床 上 下 料 机 械 手 设 计 的 流 程 [J]. 科 技 传 播,+60. [4] Reciprocal Screw Theory Based Singularity Analysisofa Novel3-DOF Parallel Manipulator[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,-653. [5] Design Schemesand Comparison Researchof the End-effectorof Large Space Manipulator[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,-687. 42 附录 1 开题报告[6] 王学良.机械手上下料控制系统关键技术研究[D].江南大学,2012. [7] 邢婷婷 . 上下料机械手的运动学及动力学分析与仿真 [D]. 青岛科技大 学,2012. [8] 胡旭兰.生产线组合机床自动上下料机械手[J].机械制造,-34. [9] 赵碧,巴鹏,徐英凤.气动上下料机械手手部结构的设计与分析[J].沈阳理工 大学学报,-60. [10] 丛海鹰,毛承志,刘北英.吸盘式上下板料机械手关键结构设计[J].机械制造 与自动化,-78. [11] 宋娟.上下料机械手 PLC 控制系统设计[J].装备制造技术,-55. [12] 张 波 , 李 卫 民 , 尚 锐 . 多 功 能 上 下 料 用 机 械 手 液 压 系 统 [J]. 液 压 与 气 动,-32. [13] 李伦兴,辛丽.机械手在数控车床上的应用[A].沈阳市委、沈阳市人民政府. 第八届沈阳科学学术年会论文集[C].沈阳市委、沈阳市人民政府:,2011:3. [14] 陈婷婷.4R 多关节轮毂加工上下料机械手的运动分析与研究[D]沈阳工业 大学，2012. [15] 张俊 . 基于视觉定位的自动上下料机械手系统研究 [D]. 石家庄铁道大 学,2012.43 燕山大学本科生毕业设计（论文）六、指导教师意见指导教师签字： 年 七、系级教学单位审核意见： 月 日审查结果： □ 通过□ 完善后通过□ 未通过负责人签字： 年44月日 附录 1 开题报告附录 2燕 山 大 学本科毕业设计（论文）文献综述课题名称： 一种可调式上下料 机械手的结构设计与分析 学院（系） ： 机械工程学院 年级专业： 10 级机械电子工程 学生姓名： XXX 指导教师： XXX 完成日期： 45 燕山大学本科生毕业设计（论文）一、课题国内外现状 机械手是一种模拟人手操作的自动机械,它可按固定程序抓取、搬运物 件或操持工具完成某些特定操作。机械手简单来说即为机械和手爪的结合， 它是工业自动化发展的产物， 是在实际生产过程中使用的一种具有抓取和移 动工件功能的自动化装置。机械手的出现对于人类的工作发生重大的改善， 它不仅能代替人类完成危险工作环境的任务， 还可以不知疲倦的重复枯燥的 工作。机械手减轻了人类劳动强度，提高劳动生产力，降低了生产加工的成 本，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门，特别是 在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍[1]。 机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的 部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构 形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆 动） 、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。 运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了 抓取空间中任意位置和方位的物体，需 6 个自由度 。自由度是机械手设计 的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越 复杂。一般专用机械手有 2～3 个自由度。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机 械手； 按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方 式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等[2]。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置， 如在自动机床或自动生产 线上装卸和传递工件， 在加工中心中更换刀具等， 一般没有独立的控制装置。 有些操作装置需要由人直接操纵， 如用于原子能部门操持危险物品的主从式 操作手也常称为机械手。 20 世纪 40 年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射 性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50 年代以后，机械 手逐步推广到工业生产部门， 用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸 材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用， 完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。 现今国际上46 附录 2 参考文献的工业机器人公司主要分为日系和欧系[3]。日系中主要有安川、OTC、松下、 FANUC、 川崎等公司的产品。 欧系中主要有德国的 KUKA、 CLOOS、 瑞典的 ABB、 意大利的 COMAU 以及奥地利的 IGM 公司。工业机器人己成为柔性制造系统 （FMS） 、工厂自动化(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动工具。据专家 预测, 机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。[1]而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离， 应用规模和产业化水平低， 机械手的研究和开发直接影响到我国自动 化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。本课题：一种 可调式上下料机械手的结构和设计便是针对车间工件上下料的研究分析有 着重大深远的意义。 二、研究主要成果 自机器人诞生至今， 已经发展了半个多世纪，目前世界著名的机器人公 司有日本发那科、德国库卡、瑞士 ABB、意大利柯马以及国内发展较为成熟 的沈阳新松等等。 下面简单介绍以上公司的尖端产品，以便我们了解学习现 阶段机器人的一个历史现状。图 1 全球工业机器人各国保有量占比（2011）图 2 FANUC 机器人对于机器人的发展， 首先我们要提到的是日本，虽然工业机器人不是诞 生在日本， 但日本确是当今最大的工业机器人王国，既是最大制造国又是最 大消费国（图 1） ，在机器人领域日本发那科公司的产品研究则是首屈一指。 发那科成立于 1956 年，是世界上最大的专业数控系统生产厂家，占据了全 球 70%的市场份额。目前，发那科机器人（图 2）产品系列多达 240 种，负47 燕山大学本科生毕业设计（论文）重从 0.5 公斤到 1.35 吨，广泛应用在装配、搬运、焊接、铸造、喷涂、码 垛等不同生产环节，满足客户的不同需求[4]。 而对于焊接机器人，研究较有成果的应该说是德国库卡（KUKA）公司。 库卡于 1898 年在德国奥格斯堡成立。而在 1971 年，为 Daimler-Benz 建成 欧洲第一台焊接传输线。库卡机器人公司在全球拥有 20 多个子公司，其中 大部分是销售和服务中心。库卡的机器人产品(图 3)最通用的应用范围包括 工厂焊接、操作、码垛、包装、加工或其他自动化作业，同时还适用于医院， 比如脑外科及放射造影。 库卡工业机器人的用户包括： 通用汽车、 克莱斯勒、 福特、保时捷、宝马、奥迪、奔驰、大众、法拉利、哈雷戴维森、一汽-大 众、波音、西门子、宜家、施华洛世奇、沃尔玛、百威啤酒、BSN Medical、可口可乐等等。图 3 库卡机器人 图 4 ABB 机器人在电力和自动化技术，ABB 是全球领导厂商致力于为工业和电力行业为 客户提供解决方案，帮助客户提高生产效率，同时降低对环境的影响。ABB 集团总部位于瑞士苏黎世，由两个历史 100 多年 的国际性企业——瑞典的 阿西亚公司（ASEA）和瑞士的布朗勃法瑞公司（BBC Brown Boveri）在 1988 年合并而成。目前，ABB 机器人产品（图 4）和解决方案已广泛应用于汽车 制造、食品饮料、计算机和消费电子等众多行业的焊接、装配、搬运、喷涂、 精加工、包装和码垛等不同作业环节，帮助客户大大提高其生产率。 而进年来，机器人在我国国内的发展也产生了巨大的变化，据调查
年间，中国工业机器人的年均销售增长率到达 25%到 2012 年底，48 附录 2 参考文献中国超越韩国成为仅次于日本的全球第二大机器人市场，占全球市场的 15%。在中国机器人企业当中，较被广泛认 可的当属沈阳新松机器人 （图 5） 。 沈阳新松 机器人自动化股份有限公司是以机器人及 自动化技术为核心， 致力于数字化高端装备 制造的高技术企业。 新松公司现已成为中国 最大的机器人产业化基地， 在杭州投资建设 的新松南方研究创新中心及产业化基地将 重点发展激光自动化装备和洁净机器人。 当前，新松公司在工业机器人、智能物 流、自动化成套装备、洁净装备、激光技术装备、轨道交通、节能环保装备 特种装备及图 5 沈阳新松机器人智能服务机器人等领域呈产业群组化发展。三、发展趋势 1．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、 减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器 人整机； 2． 工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标 准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大 大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性； 3．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速 度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机 器人则采用视觉、 声觉、 力觉、 触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制； 多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术； 4．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、 模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发， 仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； 5．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用49 燕山大学本科生毕业设计（论文）化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真[5]。 总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控 制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系， 满足相对具体的任务的工业机器人， 主要采用性价比高的模块，在满足工作 要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场 化、模块化的元件。 四、存在问题 工业机器人自诞生至今半个多世界以来，发生了翻天覆地的变化，机器 人的应用从国家军事领域逐步延伸到国民经济，对航空航天、核工业等高端 产业有着突出的贡献，也对于汽车生产、工厂加工扮演着去足轻重的角色。 在当今社会，随着科学技术的迅速发展，自然资源的日益紧张，加工制造企 业技术的不断进步， 人类对于工业机器人的需求越来越大，工业机器人在加 工制造业上的应用范围越来越广泛。 在国外， 工业机器人的研究已经比较成熟，而对于我国国内的情形却不 容乐观， 虽然有几家企业对工业机器人的研究和应用发展不错，像沈阳新松 和深圳雷柏科技有限公司，但是这些公司应用的机器人主要依靠进口欧美、 日本等国家。这就很大程度上限制了我国工业机器人的产业化、普遍化，对 于一些中小型企业来说， 安装配备一条自动化的机器人加工生产线仍然是遥 不可及的。 4.1 国内生产的机器人在工作精度上和其他国家有着很大的不足， 也就 是我们经常会提及到的重复高精度， 精度是指机器人、机械手通过对工件的 抓取、 装夹， 到达指定点的精确程度, 它主要与反馈装置的性能以及驱动器 的分辨率有关。 重复高精度是指如果动作重复多次循环工作, 机械手到达同 样位置依旧保持较高的精确程度。 在工业生产领域，重复精度比精度更加重 要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差 , 这个误 差是可以预测的, 从而可以通过编程控制予以校正修复。 重复精度限定的是 一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定； 4.2 对于大部分中小型企业来说，加工工件有着各种各样的需求，由此 对于机械手所需要的工作空间也就变得更加广泛。 为了实现对各种工况的需50 附录 2 参考文献求，可调式上下料的机械手其中的“可调”成为了一项非常重要的问题。而 研究可调的主要方案有两个方向， 一是机械臂的可调，二是机械手手爪的可 调。将机械臂设计成可调式的，可以扩大机械手的工作空间，而且机械臂的 承载能力大、刚性好，将其设计成可调式的依然可以保持很高的位置精度， 只要避免卡死的状况，便可动作灵活地适应各种作业工况。而且，机械臂设 计成可调式，便于维修调整和拆装更换部件。倘若把手爪设计成可调式，不 仅很难实现较大的工作范围， 而且手爪的承载不大，经常地装卸会大大降低 手爪的工作寿命。 五、主要参考文献[1] Dynamic Feedforward Control of a Novel 3-PSP3-DOF Parallel Manipulator [J].ChineseJournalofMechanicalEngineering,-684. [2] 王战中,张俊,季红艳,赵赛,臧丽超.自动上下料机械手运动学分析及仿真 [J].机 械设计与制造,-246. [3] 白平,薛佟.数控机床上下料机械手设计的流程[J].科技传播,+60. [4] Reciprocal Screw Theory Based Singularity Analysisofa Novel3-DOF Parallel Manipulator[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,-653. [
