五自由度工業(yè)機械手結構設計【5自由度】

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At last static analysis and modal analysis for the key parts of the robot by FEM, compared the analytical results .The main work was as follows: On the basis of actual situation and similar structure, Designed the kinematics and Structural programs for the five-Dof assembly processing robot, and used 3-D software to devise the structure of main part of the second proposal, at last, framed the dimensional model. Complied the assembly processing robot analytical soft and kinematics analytical; calculate the kinematic equations and the positive & reverse solutions, and used the Monte Carlo method to calculate the workspace of the robot , and used the vector product method to construct the speed Jacobian matrix of the robot. At last , according to virtual prototyping technology, simulated the positive & reverse solutions and the speed Jacobian matrix in ADAMS, and compared the simulation results with the analytical results to verify the correctness of the resolution of kinematic. Used second-class Lagrangian method to create the robot model, and deduced the robot dynamics equation. According to compiling dynamics solver program by Mat lab software , The author simulated the inverse problem of dynamics and provided the basis for the control and trajectory planning in the future. The paper studied the five-Dof assembly processing robots and established the foundation for the research of the series of robots in the future. Key words：Assembly Robots；Scheme design； Kinematic Analysis；Dynamic Analysis；Lagrange Method；Finite element method；Modal analysis. 1 目 錄 引言 1 1 工業(yè)機械手簡介 2 1.1 機械手簡介 2 1.2 機械手研究現狀及發(fā)展趨勢 2 1.3 國內外機械手研究現狀 4 1.3.1 國外機械手研究現狀 4 1.3.2 國內機械手研究現狀 4 1.3.3 工業(yè)機械手運動學系統研究現狀 5 1.3.4 工業(yè)機械手軌跡規(guī)劃研究的現狀與意義 5 1.4 本文研究的意義及主要內容 5 2 機械手本體結構方案的設計 7 2.1 機械手的工作要求 7 2.2 機械手機械設計的特點 7 2.2.1 機械手獨特的結構特點 7 2.2.2 與機械手有關的概念 7 2.3 機械手手臂結構方案設計 8 2.3.1 方案功能設計與分析 8 2.3.2 步進電機 9 2.3.3 步進電機選用 9 2.3.4 步進電機型號、參數、尺寸 11 3 機械手的結構設計 14 3.1 腕部回轉關節(jié)的設計 14 3.1.1腕部設計的基本要求 14 3.1.2典型的腕部結構 14 3.1.3腕部回轉關節(jié)的設計 14 3.2 小臂回轉關節(jié)的設計 14 3.2.1小臂部設計的基本要求 14 3.2.2 小臂回轉關節(jié)步進電機和減速器的選擇 15 3.3 大臂回轉關節(jié)的設計 15 3.3.1大臂部設計的基本要求 15 3.3.2 大臂回轉關節(jié)步進及減速器的選擇 15 3.4 腰部回轉關節(jié)的設計 16 3.4.1 腰部回轉關節(jié)設計要求 16 3.4.2 腰部回轉關節(jié)步進電機及減速器的選擇 16 3.5 氣爪的選擇 16 致謝 18 參考文獻 19 外文翻譯 20 1 引言 工業(yè)機械手，一般指的是在工廠車間環(huán)境中，配合自動化生產的需要，代替人來完成材料或零件的搬運、加工、裝配等操作的一種機械手。國際標準化組織(ISO)在 對工業(yè)機械手所下的定義是“機械手是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用設備，以執(zhí)行種種任務” 。 隨著科學和技術的不斷發(fā)展，在過去的幾個世紀里，人類在許多方面都取得了重大的進展。機械手技術作為人類最偉大的發(fā)明之一，自20世紀60年代初問世以來，經歷了短短的40年，已取得長足的進步。工業(yè)機械手在經歷了誕生、成長、成熟期后，已成為制造業(yè)中必不可少的核心裝備，而且工業(yè)機械手不僅在工廠里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以驚人的速度向航空航天、軍事、服務、娛樂等人類生活的各個領域滲透。據聯合國經濟委員會和國際機械手聯合會去年關于世界機械手的報 告，僅2003年新投入使用的機械手接近10萬個，使世界目前使用的機械手總數超過75萬。世界使用機械手最多的國家是日本，約38 .9萬；其次為德國(9.1萬)、美國 (9萬)、意大利(3.9萬)、韓國(3.8萬)、法國(2.1萬)、西班牙(1.3萬)和英國(1.2 萬)，并且報告估計2004年，全世界使用的機械手總數將超過100萬。 我國的工業(yè)機械手發(fā)展的歷史已經有20多年，從“七五”科技攻關開始，正式列入國家計劃，在國家的組織和支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，不僅在機械手的基礎理論和關鍵技術方面取得重大突破，而且在工業(yè)機械手整機方面，己經陸續(xù)掌握了噴漆、弧焊、點焊、裝配和搬運等不同用途、典型的工業(yè)機械手整機技術，并成功的應用于生產，掌握了相關的應用工程知識。但總的看來，我國的工業(yè)機械手 技術及其工程應用的水平和國外的相比還有一定的距離。我國目前大約有 4000臺工業(yè)機械手，其中僅有1/5是國產的，其余的則是從40多個國外廠商進口的機械手。總之，各種各樣機械手的出現和應用是人類走向文明和發(fā)展的一個巨大進步和標志，在未來社會中，機械手的廣泛應用和發(fā)展是一個必然的發(fā)展趨勢。相信在不遠的將來，機械手技術將一定能夠為人類帶來更多的方便，為人類的文明和發(fā)展帶來更大的機會。 第 34 頁 共 40 頁 1 工業(yè)機械手簡介 1.1 機械手簡介 機械手是機器進化和科學技術發(fā)展的必然結果，機械手從問世到現在經過50多年的發(fā)展，在國民經濟，科學研究以至整個社會領域發(fā)揮著越來越顯著的作用，成為人們生活學習中的好幫手，近十年來各種用途的機械手得到了更廣泛的應用，如焊接、噴漆、搬運等用于制造車間的工業(yè)機械手。特別是在醫(yī)療，服務、外空、國防等人類極限以外的領域，發(fā)揮著無可替代的作用。正是因為如此，世界上許多國家投入巨資發(fā)展機械手技術。機械手技術已經形成了一門新學科—機械手學（Robotics），以微電子技術為主導涉及了工程力學、計算機科學技術、機械電子工程學、自動控制理論、人工智能和生物學等多門學科為一體，是一門綜合技術學科。 1.2 機械手研究現狀及發(fā)展趨勢 現代機械手技術的研究開始于20世紀50年代，當時計算機科學技術、機械電子技術，自動化控制技術的發(fā)展為現代機械手的發(fā)展提供了有利的條件。1960年到1970年是機械手技術的緩慢發(fā)展階段，許多科研院校和個人都對機械手技術進行了研究，投入了大量的人力，物力，材料但都沒有取得突破性進展，但還是取得了一些成果，主要成果是斯坦福研制的移動式機械手。到了80年代末期，對于傳統的機械手生產量供過于求，結果導致國際機械手產業(yè)出現不景氣，機械手產業(yè)進入了緩慢發(fā)展的時期。進入21世紀以來國際機械手處于比較穩(wěn)定的發(fā)展階段。 世界上第一臺機械手誕生于美國，美國研究機械手的時間比日本還早，現在已經成為世界上工業(yè)機械手技術研究的強國之一，在技術上遙遙領先。日本雖然比美國研究機械手的時間晚，但是發(fā)展很快，日本被稱為“機械手王國”，其工業(yè)機械手的數量遠遠超過世界上其他的國家，位于世界第一。到了20世紀80年代日本的機械手技術得到了迅速發(fā)展，處于鼎盛時期，機械手逐漸應用于各個生產部門，工業(yè)機械手有了巨大的發(fā)展，機械手制造業(yè)成為發(fā)展最快的和最好的經濟部門之一，帶動了國民經濟的發(fā)展。從上個世紀90年代中期開始，相比世界上其他國家和地區(qū)，歐洲和北美對機械手技術的研究進入了迅速發(fā)展時期。到了21世紀，國外機械手技術已經日趨成熟，被工業(yè)界廣泛采用，有的已經成為機械手設計方面的參照標準和設計標準。目前世界上著名的制造工業(yè)機械手公司主要有ABB Robotics、Yaskawa KUKARoboter等，這些公司成為當地的支柱性產業(yè)，帶動當地經濟快速發(fā)展。目前，機械手自動化生產線已經廣泛使用于汽車、電子、物流、倉儲行業(yè)，提高了生產效率和產品的質量。 我國于19世紀70年代年開始研制工業(yè)機械手，當時在許多科研單位和院校建立了研發(fā)中心，開始了機構學，計算機控制應用技術的研究，在應用方面，二汽建立的東風汽車駕駛室的噴漆生產線，已經成為國產機械手運行的一個窗口，并建立了點焊機械手工作站，成功研制了SCARAZ裝備機械手的樣機模型。相對于世界上其他國家服務型機械手，我國的服務型機械手發(fā)展比較慢，落后于其他國家服務型機械手研究技術?？茖W技術是第一生產力，為了加快我國在機械手研究方面的發(fā)展，特別是七五計劃，863計劃，在國家的重點技術支持下，我國的機械手在機械手基礎技術，機械手的單元技術、運動學，機械手控制裝置的研制，取得了重大發(fā)展，加速我國工業(yè)機械手技術的發(fā)展。 我國的機械手技術和國外相比起步比較晚，技術相對比較落后，目前主要研究用于生產線上工業(yè)機械手、為完成某項特定任務而專門開發(fā)的特種機械手、帶有自動識別系統的智能機械手，并在這些方面取得了顯著成就，為以后各種用途機械手的研究奠定了基礎。 如今機械手在很多方面被人們應用。尤其是在汽車制造、機械制造、集成電路、數字加工等主要依靠人工操作的大規(guī)模的生產企業(yè)、一些對人類具有很大危害性的行業(yè)、質量和要求比較高的行業(yè)，逐漸取代了人工操作，提高了效率，降低成本，工業(yè)機械手在越來越多的行業(yè)發(fā)揮著巨大的作用，得到了廣泛的應用。2005年，據不完全統計美洲地區(qū)汽車行業(yè)所需求的工業(yè)機械手占其他所有行業(yè)所需工業(yè)機械手總數的五分之三。當時在亞洲汽車行業(yè)零部件加工需求的機械手占其他所有行業(yè)所需機械手的三分之一，居于各行業(yè)之首。 我國對仿真機械手進行了大量的研究，例如對機械手魚的研究，國防科技大學、哈爾濱工業(yè)大學等各大院校和科研院所都對其進行了大量的研究，投入了大量的時間，取得了重大的成就。清華和哈爾濱工程大學分別設計了動態(tài)步行機械手和雙足機械手。我國的工業(yè)機械手主要是采取借鑒國外的先進技術，然后進行二次開發(fā)，創(chuàng)新比較少，制造基礎零部件的能力差，缺少自己的品牌，鼓勵性政策少，我國必須以市場為導向，發(fā)展一批具有核心競爭力的產品，對發(fā)展工業(yè)機械手專門立項，加速我國工業(yè)機械手的發(fā)展。 近幾年的我國的機械手自動化生產線已經出現，逐漸成為機械手自動化生產線的主要方式，國內制造裝配業(yè)正在由傳統的向機械手自動化生產轉型。我國現有工業(yè)機械手生產廠家由于技術條件、資金條件等客觀和主觀因素的影響，導致其生產規(guī)模較小，機械手的品種單一，性價比低，研發(fā)的高科技機械手比較少，遠遠不能滿足市場的要求。如果想占領國內市場，就必須采取相應的措施，發(fā)展科學技術，努力提高機械手的質量，提高機械手的穩(wěn)定性、可靠性及降低成本以適應現代競爭的社會。目前我國為了發(fā)展機械手技術，提高我國的競爭實力，逐步在上海、沈陽、北京經濟發(fā)達的地區(qū)開展機械手研究，建立了機械手及其自動化生產線產業(yè)基地，逐漸開發(fā)出一批以市場為導向的，適合我國發(fā)展的，擁有自主知識產權的機械手及其自動化生產線。 經過多年的發(fā)展，裝配機械手的發(fā)展也有了很大的進步，用于裝配的機械手占機械手總數的三分之一，并且這一趨勢將不斷擴大，專門設計的裝配加工機械手更具有效率。 目前我國在裝配機械手研制方面，掌握了機械設計，控制，驅動系統等關鍵技術，在基礎元件方面，引入了諧波減速器，傳感器，運動控制器。 近幾年來，我國已經研制出各種各樣的裝配機械手，如小型電器機械手自動裝配線，精密機芯機械手，開發(fā)了具有知識產權模塊化直角坐標系裝配機械手、CAD平臺、開發(fā)了3個系列的直線運動單元以及由此組成的直角坐標裝配機械手，“賢科”裝配機械手是國際上比較精密的裝配機械手。 裝配機械手按適應的環(huán)境不同分為普通型裝配機械手和精密裝配機械手，根據臂部的運動形式，分為平面關節(jié)型裝配機械手，直角坐標機械手，垂直多關節(jié)裝配機械手。 日本研究開發(fā)的平面關節(jié)（SCARA）裝配機械手，屬于精密型裝配機械手，具有定位精度高，柔性好、工作空間大等優(yōu)點，是目前比較常見的裝配機械手，廣泛用于電子、機械等相關的自動裝配、搬運、調試，可以滿足柔性自動化生產的要求。直角坐標裝配機械手，具有結構簡單，操作方面的優(yōu)點，廣泛用于零件的移送，插入，旋擰等。垂直多關節(jié)裝配機械手，一般具有6個自由度，可以達到空間任意位置，面向的對象是空間任意位置和姿態(tài)的作業(yè)。 如今，在研制裝配機械手方面，主要研究裝配機械手的共性技術及關鍵技術的研究，向多樣化和智能化發(fā)展。如直接裝配機械手，即不經過減速裝置，采用高扭矩低速電機直接驅動；裝配機械手結構靈巧，控制系統小，朝著機電一體化發(fā)展；智能裝配機械手，例如自主移動裝配機械手；并聯機械手；協作裝配機械手，多個機械手之間的協作，完成一系列任務，對于重型或精密裝配非常重要。 隨著現代科學技術的發(fā)展，各式各樣的機械手已經研制出來，工業(yè)機械手的應用越來越廣泛，不在僅僅用于制造業(yè)，擴大到建筑，農業(yè)，采礦，國防軍事，醫(yī)療，服務等領域，機械手技術將成為未來的研究熱點，近年來工業(yè)機械手技術正在從狹義的機械手概念向廣義的機械手技術轉移，向人機智能化、設計模塊化、高速化、微型化的方向發(fā)展。主要體現在以下幾個方面： (1) 隨著工業(yè)機械手應用領域的不斷擴大，人們對機械手的綜合性能指標的要求也越來越高，特別在某些超精密領域或重要領域，人們對工業(yè)機械手的柔性和控制精度和互換性提出了更高的要求，特別是性價比方面，于是開始研究可重構機械手，成為歷史的必然，成為時代的需要，結構的模塊化包括驅動部件、傳感器、控制器等?？芍貥嫽m合現代制造業(yè)中的柔性生產線，主要表現在探索新的高強度輕質材料和結構的模塊化。結構化的模塊也提高了互換性，提高了利用率，符合現代社會的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。 (2) 高速性，對于一般的室內機械手或者用于服務業(yè)的服務型的工業(yè)機械手，對于機械手的速度沒有特殊的要求，但是對于室外或者用于機械加工的機械手或其他特殊領域的機械手，比較高的運行速度可以提高生產效率，降低成本，而這就對機械手的定位精度與控制精度提出了更高的要求，要求向開放式控制系統發(fā)展，提高系統控制系統的穩(wěn)定性與可靠性，便于機械手的操作、 (3) 多種傳感器的綜合使用。各種傳感器對于機械手來說具有重要作用，利用傳感器可以對外界環(huán)境做出正確的響應來傳遞相關信息，來保證機械手不會誤操作，產生無法預測的后果，如果想讓機械手進行快速和正確的操作，這就要求機械手快速正確的處理各種信息。所以除了傳統的速度、加速度傳感器，還加了視覺導航，力傳感器等。 (4) 微型化和靈活性發(fā)展。這是未來機械手主要的方向，微型化主要體現在結構緊湊，運動方式，控制等方面提出了更高的要求，機械手的靈活性主要體現在隨著機械手技術的發(fā)展，各式各樣不同用途的工業(yè)機械手相繼研究出來被家庭和服務行業(yè)和其他行業(yè)采用，這就要求機械手能夠在不同的環(huán)境下安全，穩(wěn)定的執(zhí)行任務。 (5) 虛擬機械手技術。主要表現在機械手對作用的物體識別，軌跡規(guī)劃，自主導航完成操作任務，計算機多媒體技術的發(fā)展為此提供了技術支持。 (6) 仿人和仿生技術。仿人機械手具有和人類相似的部分，腰部，手臂，手腕等，可以和人類一樣靈活的適應各種環(huán)境，完成操作任務，具有很大的發(fā)展?jié)摿?，也是未來機械手發(fā)展方向。 (7) 產業(yè)化，只有被人們認可，被社會采用，才能被社會扶持，才有深遠的發(fā)展?jié)摿?，才能給社會帶來客觀的經濟效益。因此我們必須朝著機械手產業(yè)化的目標奮斗。 1.3 國內外機械手研究現狀 1.3.1 國外機械手研究現狀 國外目前機械手研究的重點主要有以下幾個方面: (1) 機械手操作機，通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現代設計方法的運用，機械手操作機己實現了優(yōu)化設計。以德國 KUKA 公司為代表的機械手公司，將機械手并聯平行四邊形結構改為開鏈結構，拓展了機械手的工作范圍，加之輕質鋁合金材料的應用大大提高了機械手的性能。 (2) 并聯機械手：采用并聯機構，利用機械手技術，實現高精度測量及加工，這是機械手技術向數控技術的拓展，為將來實現機械手和數控技術一體化奠定了基礎。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產品。 (3) 控制系統：控制系統的性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機械手發(fā)展到現在能夠控制21軸甚至27軸機械手，并且實現了軟件伺服和全數字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領域的離線編程已實現實用化。 (4) 傳感系統：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機械手系統中已得到成功應用，并實現了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機械手的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。日本 KAWASAKI, YASKAWA, FANUC和瑞典ABB、德國KUKA, REIS等公司皆推出了此類產品。 (5) 網絡通信功能：日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機械手控制器已實現了與 Canbus、Profibus 總線及一些網絡的聯接，使機械手由過去的獨立應用向網絡 化應用邁進了一大步，也使機械手由過去的專用設備向標準化設備有了發(fā)展。 (6) 可靠性：由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機械手系統的可靠性有了很大提高。過去機械手系統的可靠性一般為幾千小時，而現在已達到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求。 1.3.2 國內機械手研究現狀 隨著科學技術和世界各國機械手技術的發(fā)展，我國在機械手科學研究、技術開發(fā)和應用工程等方面取得了可喜的進步。從20世紀80年代末到20世紀90年代，國家863計劃把機械手列為自動化領域的重要研究課題，系統地開展了機械手基礎科學、關鍵技術與機械手元部件、先進機械手系統集成技術的研究及機械手在自動化工程上的應用。在工業(yè)機械手選型方面，確定以開發(fā)點焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運等機械手為主。這是中國機械手事業(yè)從研制到應用邁出的重要一步。一批從事機械手研究、開發(fā)、應用的人才和隊伍在實踐中成長、壯大，一批以機械手為主業(yè)的產業(yè)化基地已經破土而出。 我國近幾年機械手自動化生產線已經不斷出現，并給用戶帶來顯著效益。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，機械手自動化線的市場也會越來越大，并且逐漸成為自動化生產線的主要方式。我國機械手自動化生產線裝備的市場剛剛起步，而國內裝備制造業(yè)正處于由傳統裝備向先進制造裝備轉型的時期，這就給機械手自動化生產線研究開發(fā)者帶來巨大商機。但是，無論從工業(yè)機械手的數量上還是技術上，我們都是比較落后的。而我國作為一個工業(yè)大國，不能寄希望從其他國家得到真正的高技術，必須自主的發(fā)展我國的高技術，機械手作為高技術領域的一個重要分支，將成為21世紀各國爭奪的經濟技術制高點。如何在 21世紀加速我國機械手的發(fā)展，使我國早日進入機械手大國行列，已成為當務之急。由于目前我國機械手的基礎數量太低，以工業(yè)機械手為例，到了2010年我國機械手擁有量只能達到世界擁有量1.38%～2%，這與我國作為21世紀前半葉世界主要制造國的要求差距太大，如果這種差距只能以進口機械手來彌補，其巨大損失不是可以用貨幣損失來計算的。可見，無論從資金方面考慮，還是從長遠利益考慮，我們有必要自主地對機械手進行研究和開發(fā)。 但是由于國內機械手的科研與開發(fā)與國外尚有較大差距，雖然計劃開發(fā)的機械手基本上采用的是在國外基木成熟的技術，但國內各單位對這些技術的了解有相當部分還停留在文獻上或局部技術上。所以我們應該從基本做起，有必要研制少數型號的機械手和開展一批基礎技術研究作為機械手課題的主要研究與開發(fā)內容。 1.3.3 工業(yè)機械手運動學系統研究現狀 運動學正問題的研究目前主要是利用齊次坐標變換矩陣方法將位置和姿態(tài)統一描述，該法思路清晰，但運算速度較慢，隨著機械手機構自由度的增加對運動學逆問題的討論帶來很多不便。運動學逆問題比正問題復雜的多，主要表現在逆解的存在性和唯一性，存在性決定機械手的操作空間，逆解一般來說非唯一。目前對具有特殊形狀的機械手機構如球形手腕機械手機構，其逆解是封閉的，但并不唯一。對一般的機械手機構逆解必須使用數值計算方法，因而數值解的計算速度和精度受到人們的關注，同時機械手機構中常見的奇異狀態(tài)(不可解狀態(tài))在數值解中如何避免也是討論三維問題之一。 工業(yè)機械手運動學方程的計算過程需要解多元非線性方程組，數學上尚無完備的方法求其解析解，機構學研究者采用數值分析的方法，取得了一系列進展。但是多數或者算法不穩(wěn)定，或者過分依賴初值，且計算量大，求解速度慢。工業(yè)機械手機構位置正解的神經網絡解法也開始進行探討。利用神經網絡對于非線性映射的強大的逼近能力，采用 BP 網絡，利用位置逆解結果作為訓練樣本，通過大量樣本的訓練學習，實現機械手從關節(jié)變量空間到工作變量空間的非線性映射，從而取得并聯機械手運動學正解，避免了求位置正解時公式推導和編程計算等的繁雜性。 運動學方程的建立與求解是一個機械手系統的關鍵技術，一直受到廣泛的關注，但仍然是當今的一個研究熱點，有著一定的發(fā)展空間。 1.3.4 工業(yè)機械手軌跡規(guī)劃研究的現狀與意義 機械手軌跡規(guī)劃屬于機械手底層規(guī)劃，是在機械手的運動學的基礎上，討論在關節(jié)空間和笛卡爾空間中機械手運動過程中的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。所謂軌跡是指機械手在運動過程中的位移、速度和加速度。而軌跡規(guī)劃是根據作業(yè)任務的要求，計算出預期的運動軌跡。首先對機械手的任務、運動路徑和軌跡進行描述。例如，用戶給出手部的目標位姿，規(guī)劃所要完成的任務是:確定到該目標的路徑點、持續(xù)時間、運動速度等軌跡參數，并在計算機的內部描述所要求的軌跡，即選擇習慣給定及合理的軟件數據結構。最后，對內部描述的軌跡，實時計算機械手運動的位移、速度和加 速度，生成運動軌跡。 軌跡規(guī)劃既可在關節(jié)空間也可在直角空間進行，但是所規(guī)劃的軌跡函數都必須連續(xù)和平滑，使得操作臂的運動平穩(wěn)。用戶根據作業(yè)給出的各個路徑點后，路徑規(guī)劃的任務包含: 解變換方程(運動學正解)、進行運動學反解和插值運算等；在關節(jié)空間進行規(guī)劃時，大量工作是對關節(jié)變量的插值運算。因此，對于插值算法的研究是機械手 軌跡規(guī)劃的一個重要方面。 本文研究的裝配加工機械手，可以提高零件的質量和加工精度，降低工人誤操作帶來的殘次品的風險，提高了勞動生產率，加快了技術創(chuàng)新速度，提高在在同行業(yè)的競爭力。裝配加工領域將是未來機械手技術發(fā)展的焦點之一，其重要性在機械手應用中將躍居第一位。對促進我國機械手產業(yè)化進程，擴大機械手的應用領域具有重要的理論和實際意義。 1.4 本文研究的意義及主要內容 我們所設計的五自由度工業(yè)機械手，可以為進一步研究工業(yè)機械手的工作原理和工作過程奠定一定的基礎。將其作為《機械手學》 、《機械手技術基礎》及《機電一體化系統設計》課程及機械電子工程專業(yè)等機電結合的綜合教學實驗設備，不僅可以使學生在輕松愉快的氛圍中充分理解相關課程的專業(yè)知識，而且可以激發(fā)學生的專業(yè)學習興趣，樹立系統的工程概念，培養(yǎng)其獨立開展科學研究的能力。因此，本機械手的研制成功，對機電一體化專業(yè)教學及科研有著十分重要的意義。 學習了機械手技術知識，查閱了大量的文獻資料，對國內外機械手、主要是工業(yè)機械手的現狀有了比較詳細的了解。在此基礎上，結合本人的設想，和設計工作中需要解決的任務，本文主要研究機械手總體結構進行設計，主要進行以下工作: 本體結構設計，本機械手手臂結構方案確定后要運用AutoCAD把其平面裝配圖做出。 2 機械手本體結構方案的設計 2.1 機械手的工作要求 主要設計參數如下 自由度數目：5個 機械機構形式：立式關節(jié)型 作業(yè)半徑：580mm 負荷能力：3kg 重復定位精度：+/-1mm 驅動電機：步進電機 2.2 機械手機械設計的特點 2.2.1 機械手獨特的結構特點 (1) 關節(jié)型工業(yè)機械手操作機可以簡化成各連桿首尾相接、末端開放的一個開式連桿系。為實現要求的坐標運動，在大多數工作時間內，連桿系末端是無法加以支撐的，因而操作機的結構剛度差，并隨連桿系在空間位姿的變化而變化。 (2) 在組成操作機的開式連桿系中，每根連桿都具有獨立的驅動器，因而屬于主動連桿系。這和普通的連桿系不同，在普通連桿系中，所有的連桿運動都出自同一驅動源，各連桿間的運動是互相制約的。由于操作機連桿的運動各自獨立，不同連桿的運動之間沒有依從關系，故而操作機的運動更為靈活。 (3) 連桿驅動扭矩的瞬態(tài)過程在時域中的變化是非常復雜的，且和執(zhí)行件反饋信號有關。連桿的驅動屬于伺服控制型，因而對機械傳動系統的剛度、間隙和運動精度都有較高的要求。本文所用的三個關節(jié)驅動是步進電機驅動，屬于開環(huán)控制型。 (4) 連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化的，因此，極容易發(fā)生振動或出現其它不穩(wěn)定現象。 從以上特點可見，一個好的機械手設計應當使其機械系統的抓重——自重比盡量大，結構的靜動態(tài)剛度盡可能好，并盡量提高系統的固有頻率和改善系統的動態(tài)性能。人類的手臂是最優(yōu)秀的操作機，它的性能是機械手設計追求的目標。 2.2.2 與機械手有關的概念 以下是本文中涉及到的一些與機械手技術有關的概念。 (1) 自由度(Degrees Of Freedom , DOF)：工業(yè)機械手一般都為多關節(jié)的空間機構，其運動副通常有移動副和轉動副兩種。相應地，以轉動副相連的關節(jié)稱為轉動關節(jié)。以移動副相連的關節(jié)稱為移動關節(jié)。在這些關節(jié)中，單獨驅動的關節(jié)稱為主動關節(jié)。主動關節(jié)的數目稱為機械手的自由度。本文設計的機械手是5-DOF機械手。 (2) 工作空間(Work Space)：工作空間是指機械手臂桿的特定部位在一定條件下所能到達空間的位置集合。由于工作空間的形狀和大小反映了機械手工作能力的大小，因而它對于機械手的應用是十分重要的。 機械手的分類,機械手分類方法有多種。 首先，按機械手控制方法的不同，可分為點位控制型(PTP)，連續(xù)軌跡控制型(CP)： a) 點位控制型(Point to Point Control)：機械手受控運動方式為自一個點位目標向另一個點位目標移動，只在目標點上完成操作。例如機械手在進行點焊時的軌跡控制。本文的機械手就屬于PTP型。 b) 連續(xù)軌跡控制型(Continuous Path Control)：機械手各關節(jié)同時做受控運動，使機械手末端執(zhí)行器按預期軌跡和速度運動，為此各關節(jié)控制系統需要獲得驅動機的角位移和角速度信號，如機械手進行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時的軌跡控制。 其次，按機械手的結構分類，可分為四類： a) 直角坐標型：該型機械手前三個關節(jié)為移動關節(jié)，運動方向垂直，其控制方案與數控機床類似，各關節(jié)之間沒有耦合，不會產生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點是占地面積大、工作空間小。 b) 圓柱坐標型：該型機械手前三個關節(jié)為兩個移動關節(jié)和一個轉動關節(jié)，以θ, r, z為坐標，位置函數為P=f (θ, r, z)，其中，r是手臂徑向長度，z是垂直方向的位移，θ是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機械手占用空間小，結構簡單。 c) 球坐標型：具有兩個轉動關節(jié)和一個移動關節(jié)。以θ,φ,y 為坐標，位置函數為P =f (θ,φ,y)，該型機械手的優(yōu)點是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。 d) 關節(jié)坐標型：有垂直關節(jié)型和水平關節(jié)型(SCARA 型)機械手。前三個關節(jié)都是回轉關節(jié)，特點是動作靈活、工作空間大、占地面積小，缺點是剛度和精度較差。本文設計的機械手為關節(jié)坐標型。 第三，按驅動方式分類可分為：(a) 氣壓驅動；(b) 液壓驅動；(c) 電氣驅動。 電氣驅動是20世紀90年代后機械手系統應用最多的驅動方式。它有結構簡單、易于控制、使用方便、運動精度高、驅動效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點。本文設計的機械手三個關節(jié)均使用電氣驅動。 第四，按用途分類可分為搬運機械手、噴涂機械手、焊接機械手、裝配機械手、切削加工機械手和特種用途機械手等。 2.3 機械手手臂結構方案設計 手臂的總體設計是工業(yè)機械手設計的首要問題，主要有包括總體方案設計和基本技術參數設計。 2.3.1 方案功能設計與分析 2.3.1.1 機械手手臂自由度的分配和構形 手臂是執(zhí)行機構中的主要運動部件，它用來支承腕關節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運動。為了使手部能達到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個自由度，少數專用的工業(yè)機械手手臂自由度少于三個。手臂的結構形式有多種，常用的構形如圖1.1所示。 圖1.1幾種多自由度機械手手臂構形 本課題要求機械手手臂能達到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時要結構簡單，容易控制。綜合考慮后確定該機械手具有五個自由度，其中手臂三個自由度，手爪部分二個自由度，由于在同樣的體積條件下，關節(jié)型機械手比非關節(jié)型機械手有大得多的相對空間(手腕可達到的最大空間體積與機械手本體外殼體積之比)和絕對工作空間，結構緊湊，同時關節(jié)型機械手的動作和軌跡更靈活，因此該型機械手采用關節(jié)型機械手的結構。 旋轉關節(jié)相對平移關節(jié)來講，操作空間大，結構緊湊，重量輕，關節(jié)易于密封防塵。這里機械手手臂使用了三個旋轉關節(jié)，綜合各種手臂構形，最后確定其結構形式為圖1.1中的第一種形式，此手臂決定了末端執(zhí)行器在空間的位置。 關節(jié)型機械手手臂有三個轉動關節(jié)，通常腰關節(jié)的轉軸是鉛垂的，手臂在水平面內可繞腰關節(jié)軸轉動，肩關節(jié)和肘關節(jié)的轉軸平行，且都平行于水平面，故手臂可在垂直面內轉動。由三個轉動關節(jié)構成的關節(jié)組聯接在小臂桿的端部，模擬人的手腕，決定末端件的姿態(tài)。在運動學結構上，這類機械手最像人的手臂，因而結構最緊湊，柔性最好，可達空間最大，它甚至可以繞過障礙物到達目標點，因而是機械手中最有前途的一種。但由于三個關節(jié)都是轉動的，故臂端的分辨率完全取決于它在工作空間中的位置。另外，位置精度也較差。 2.3.1.2 機械手手臂結構方案的對比分析及選擇 參考國內外工業(yè)機械手的典型結構，初步對各個回轉關節(jié)的結構單獨分析。 圖1.2大臂﹑小臂﹑手腕和手爪回轉示意圖 大臂和小臂回轉都是通過EPL減速器減速后直接帶動來實現的，且結構簡單，通用性強，成本低，安裝方便。由于在同樣的體積條件下，關節(jié)型機械手比非關節(jié)型機械手有大得多的相對空間(手腕可達到的最大空間體積與機械手本體外殼體積之比)和絕對工作空間，結構緊湊，同時關節(jié)型機械手的動作和軌跡更靈活,結合本課題的實際條件，因此,大臂、小臂手腕和手爪回轉關節(jié)選擇方案是合理的。 2.3.2 步進電機 步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB）。 反應式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或1.5度；永磁式步進一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相、三相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度，混合式步進電機隨著相數（通電繞組數）的增加，步進角減小，精度提高，這種步進電機的應用最為廣泛。 2.3.3 步進電機選用 步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產品中關鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體化產品中，如：數控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統的負載轉矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應使步距角和機械系統匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過步進電機的細分驅動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。 選擇步進電機需要進行以下計算： （1）計算齒輪的減速比 根據所要求脈沖當量，齒輪減速比i計算如下: （2.1） 式中 φ ---步進電機的步距角（o/脈沖） S ---絲桿螺距（mm) Δ---(mm/脈沖） （2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt。 （2.2） 式中 Jt ---折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s2) J1、J2 ---齒輪慣量(Kg.cm.s2) Js ----絲桿慣量(Kg.cm.s2) W ---工作臺重量（N） S ---絲桿螺距（cm） （3）計算電機輸出的總力矩M （2.3） （2.4） 式中 Ma ---電機啟動加速力矩（N.m) Jm、Jt---電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2) n---電機所需達到的轉速（r/min） T---電機升速時間（s） （2.5） Mf---導軌摩擦折算至電機的轉矩（N.m) u---摩擦系數 η---傳遞效率 （2.6） Mt---切削力折算至電機力矩（N.m) Pt---最大切削力（N） （4）負載起動頻率估算。數控系統控制電機的啟動頻率與負載轉矩和慣量有很大關系，其估算公式為 （2.7） fq0---空載起動頻率 Ml---起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m) 若負載參數無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算。 （5）運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時，由矩頻特性的輸出力矩應能驅動負載，并留有足夠的余量。 （6）負載力矩和最大靜力矩Mmax。負載力矩可按上式計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應小于（0.2 ～0.4)Mmax. 2.3.4 步進電機型號、參數、尺寸 Y系列三相異步電動機是一般用途鼠籠型異步電動機基本系列，全國統一設計。它的中心高、功率等級、安裝尺寸均符合IEC國際電工委員會標準。產品可以和國內外各類機械設備配套。 Y系列電機中心高80－355mm。絕緣等級為B級，外殼防護等級IP44，冷卻方式IC411?；景惭b方式有IMB3、IMB5、IMB35、V1、V3等。工作方式：S1連續(xù)工作制，環(huán)境溫度－15— +40℃，海拔1000米以下。電壓380V，頻率50HZ。接法：3KW及以下為Y接，4KW及以上為△接。 Y系列電機具有效率高，能耗少、噪聲低、振動小、重量輕、體積小、性能優(yōu)良，運行可靠，維護方便等優(yōu)點。廣泛用于工業(yè)、農業(yè)、建筑、采礦行業(yè)的各種無特殊要求的機械設備。如風機、水泵、機床、起重及農副產品加工機械等。 電機型號： 1、Y、Y2 、YPT、YB、系列小電機；機座號：Y80-355、380V IP44。 2、YZ、YZR系列起重及冶金用電機；機座號：132-355、IP44、 IP54 380V。 3、JS、JR、JR2等、機座號：11#-15# 380V、 6KV 、10KV電機。 4、Y、 YR YKK、YRKK、機座號355-800、380V、60KV 10KV等各型大中型高低電機。 5、Z2、Z3、Z4、ZZJ、ZZY、ZYZ、及派生系列直流電機。 6、SF、SFW、TF、ZYS等發(fā)電機。 Y系列全程為全封閉自扇冷式三相鼠籠型異步電動機，使用非常普遍。 YS系列三相異步電動機功率較小，適用于小型機床、泵、壓縮機的驅動，接線盒均在電動機頂部。 YSF、YT系列區(qū)別不大，都是風機專用三相異步電動機，是根據風機行業(yè)的配套要求，電動機在結構上采取了一系列的降噪、減振措施。該系列電機具有高效節(jié)能、噪聲低，啟動性能好，運行可靠，使用安裝方便等特點。適用于風機安裝和使用，是風機的理想配套產品。 YD為多速三相異步電動機，一般有 4/2極 8/6極 8/4/2極 6/4極 12/6極 8/6/4極 8/4極 6/4/2極 12/8/6/4極 YL系列為雙值電容單相異步電動機，也就是有兩個電容 YC系列為單相電容起動異步電動機 YY系列為單相電容運轉異步電動 電機型號里的Y、YS、YSF、YT、YD、YL、YC分別是： SG系列為高防護等級三相異步電動機，可與Y系列互換，但性能均有所加強（如電磁方案的調整優(yōu)化，部分規(guī)格采用冷軋硅鋼片等），使該系列電機的振動和噪音（特別是負載噪音）明顯低于Y系列電機。實驗證明該系列電機的噪音達到I級標準，電機的振動值比Y系列標準低1個優(yōu)先級。軸伸端軸承增加了注油裝置，不需拆卸電機就可對軸承進行換油，維護簡單。 YCT系列為電磁調速電動機，是改變勵磁電流大小的方法來調節(jié)輸出軸力矩和轉速的一種調速電機。它可應用于恒轉矩負載的速度調節(jié)和張力控制的場合，更適合于鼓風機和泵類負載的場合。對于起動力矩高、慣性大的負載有緩沖起動的作用，同時有防止過載等保護作用。 YP2系列為變頻調速三相異步電動機，是以變頻器為供電電源的變頻調速三相異步電動機。通過改變電源頻率實現平滑地調節(jié)電動機的轉速，達到節(jié)能和控制自動化的目的。YP2系列電動機效率高，調速范圍廣，精度高，運行穩(wěn)定，操作和維修方便，其安裝尺寸符合國際電工委員會(IEC)標準，分為自扇冷卻和外置風扇冷卻兩種。 CXT系列為稀土永磁三相同步電動機，采用新型稀土永磁材料及其它優(yōu)質材料制造，在轉子結構設計和電磁參數選定方面有較大創(chuàng)新，使電機具有超高效率、功率因數的同時（功率因數達到95%以上），因而具有較高的起動性能、較高的牽入同步轉矩和較大的過載能力，并且電機效率曲線比較平直，低負荷時也具有很高的效率，能夠廣泛應用于石油、化工、冶金、礦山、紡織等長期負荷運行的設備。 YLZC系列為冷卻塔專用電機，電機外殼防護等級為IP45（或IP55），該系列電機在結構上采取—系列的降噪、減振、防水、防潮措施，具有噪音低、效率高、防水、防潮等有點。 YZS系列為注塑機專用電機，它除具有Y系列電機基本特性外，還具有過載能力強，噪聲低，尤其是額定負載和超載時噪聲低的特點。 YXF系列為高溫消防排煙風機專用電機，電機外殼與煙氣完全隔離，內置獨立的冷卻通路，具有連續(xù)輸送300C°高溫煙氣30MIN的超凡能力直流電機維修檢測設備，F級和H級真空壓力浸漆裝置，電機故障分析機，伏高壓耐壓臺；5/10噸行車吊機；高低壓電機空載試驗站；直流電機試驗臺及測振儀、紅外線測溫儀、測速儀、形雙臂電橋等檢測儀器儀表。 3 機械手的結構設計 3.1 腕部回轉關節(jié)的設計 3.1.1腕部設計的基本要求 (1) 力求結構緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均有臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。 (2) 結構考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 (3) 必須考慮工件條件 對于本設計，機械手臂的工作條件是在工作場合中夾取物體，因此，不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。 3.1.2典型的腕部結構 (1)具有一個自由度的回轉驅動的腕部結構。它具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣泛用于腕部設計，總力矩需要克服啟動慣性所用?；剞D角由動片和靜片之間允許回轉的角度來決定。 (2)齒條活塞驅動的腕部結構，在要求回轉角大于的情況下，可采用齒條活塞驅動的腕部結構，這種結構外形尺寸較大，一般適用于懸臂式臂部。 (3)具有兩個自由度的回轉驅動的腕部結構，它使腕部具有水平和垂直轉動兩個自由度。 (4)機液結合的腕部結構。 3.1.3腕部回轉關節(jié)的設計 步進電機的選擇： 腕部旋轉由步進電機直接驅動，設手爪及物體的最大當量回轉半徑R=200mm，手爪及物體的總重量m=3kg,則其轉動慣量 （3.1） 設機械手手部角速度W1從0加速到420/s所需要的時間t=2s,則其角加速度 （3.2） 負載啟動慣性矩（不計靜磨擦力矩） （3.3） 由于步進電機不具有瞬時過載能力，故取安全系數為2（不同），則步進電機輸出的啟動轉矩 （3.4） 由于必須小于步進電機的最大靜轉矩，所以選擇如下二相步進電機： 型號: 42BYG250C-SASSML-0151。最大步距角保持轉矩為0.54，步矩角1.8°，質量為0.36kg. 3.2 小臂回轉關節(jié)的設計 3.2.1小臂部設計的基本要求 (1) 小臂部應承載能力大、剛度好、自重輕 根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸，提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離，合理布