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山西工程技術學院
畢業(yè)設計說明書
畢業(yè)生姓名
：
許小濤
專業(yè)
：
機械電子工程
學號
：
180533032
指導教師
：
張忠杰
所屬系（部）
：
機械電子工程系
二〇二〇年五月
山西工程技術學院――畢業(yè)設計說明書
摘 要
隨著工廠自動化程度越來越高，工廠內(nèi)使用機械手進行搬運物料是十分常見的，本課題通過對一個五自由度機械手進行結構設計，使其能夠滿足實際使用需求。并且使用三維軟件進行建模處理，使其直觀表達。通過對本機械手的設計與仿真，使得機械手的自由度能夠滿足實際使用要求，對其自由度使用路徑進行設計，并且完成機械手動力傳遞設計，根據(jù)本次的機械手設計，對機械手的使用范圍以及轉角進行了詳細說明，同時通過對傳動結構的設計與校核，保證本機械手在使用的過程之中，不會出現(xiàn)使用問題。并且使用仿真軟件進行仿真，對其末端的執(zhí)行結構是否能夠滿足使用要求進行驗證。
首先，本文介紹機械手的作用，機械手的組成和分類，說明了自由度和機械手整體座標的形式。同時，本文給出了這臺機械手的主要性能規(guī)格參量。深入了解機械手的功能、分類以及使用范圍，對機械手的結構有著更為深入的了解，
并且對此關節(jié)型機器人的二指平動手爪進行結構設計與優(yōu)化，提高設計技能
關鍵詞： 機械手；搬運；結構設計
ABSTRACT
With the increasing degree of factory automation, it is very common to use mechanical hands to carry materials in factories. This topic is designed by a five degree of freedom manipulator, so that it can meet the actual needs. And the 3D software is used for modeling and processing, so that it is intuitively expressed. Through the design and Simulation of the manipulator, the manipulator's degree of freedom can meet the actual requirements of the degree of freedom using path design, and complete the mechanical manual force transmission design, according to the design of the manipulator, the manipulator and the use range of rotation angle in detail, at the same time through the design and check the drive structure, guarantee the mechanical hand in the use of the process, will not appear use. And simulation software is used to verify whether the execution structure of its end can meet the requirements of use.
First of all, this paper introduces the role of the manipulator, the composition and classification of the manipulator, and explains the form of the degree of freedom and the coordinate of the manipulator. At the same time, the main performance specification parameters of this manipulator are given in this paper. In depth understanding of the function, classification and scope of the manipulator, we have a deeper understanding of the structure of the manipulator.
Key words: manipulator; handling; structural design
iii
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 4
1.1 工業(yè)機器人的歷史、現(xiàn)狀及應用 4
1.2 我國的工業(yè)機器人 6
1.3 機器人發(fā)展趨勢 7
1.4 本課題研究的目的與意義 7
1.5 機械手簡介 8
1.6運動學分析的常用方法 9
1.7 本課題主要研究內(nèi)容 9
2 機械手的總體結構設計 10
2.1 引言 10
2.2 機械手主要技術指標 10
2.3 執(zhí)行機構 10
2.3 本章小結 11
3 機械手的三維建模 12
3.1 軟件介紹 12
3.2 機械人總體外形設計 12
3.3 諧波減速器的設計 13
3.3.1 諧波減速器 13
3.3.2 腰部結構設計 16
3.3.3 大臂結構設計 17
3.3.4 連桿結構設計 18
3.3.5 小臂結構設計 20
3.1 機械手前端結構的設計 22
3.5 本章小結 23
4 機械手手爪的設計計算 24
4.1 手爪設計基本要求 24
4.2 典型的手爪結構 24
4.3 機械手手抓的設計計算 24
4.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置 24
4.3.2 手抓的力學分析 24
4.3.3 夾緊力及驅(qū)動力的計算 25
4.3.4 手爪夾持范圍計算 27
4.4 機械手手爪夾持精度的分析計算 27
4.5 手指夾緊液壓缸的尺寸參數(shù)的確定 28
4.6 本章小結 29
5 運動學與動力學分析 30
5.1 引言 30
5.2 關節(jié)型機器人二指平動手爪運動學仿真 30
5.3 機械手UG仿真 35
5.4 本章小結 35
6 技術經(jīng)濟分析 37
6.1 技術分析 37
6.2 經(jīng)濟分析 38
結論 40
參考文獻 42
外文文獻 44
中文翻譯 48
致謝 51
山西工程技術學院――畢業(yè)設計說明書
1 緒論
1.1 工業(yè)機器人的歷史、現(xiàn)狀及應用
機器人首先是從美國開始研制的，1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結構特點是機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。
目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機器人正在加緊研制，它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。
第三代機器人則能獨立地完成工作過程中的任務，它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一環(huán)。目前，我國機器人已得到極大的發(fā)展。KUKA、哈工大機器人研究所等眾多企業(yè)、研究結構對機械手的研究，使得機械手得以大發(fā)展。機械手有著很多分類，按照功能分，可以分為：簡易型、記憶型、智能等多種類型機械手。按照用途分，可以分為：專用機械手和通用機械手。按照規(guī)格分可以分為：微型、小型、中型以及大型機械手。
隨著現(xiàn)代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（CIM）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起[1]。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結構和集成各種外部傳感器的能力。
美國工業(yè)機器人技術的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段：
1）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年，萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為1900型；
2）1968-1970年為實際應用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件；
3）1970年至今一直處于推廣應用和技術發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機器人處于技術發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據(jù)當時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機器人的系統(tǒng)[2]。又如，萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學院研制了具有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。
目前，制造業(yè)仍是我國國民經(jīng)濟的主體，是工業(yè)化和現(xiàn)代化的主導力量，是衡量一個國家經(jīng)濟綜合實力和國際競爭力的重要標志。我國大力發(fā)展制造業(yè)，實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展和加快經(jīng)濟轉型具有十分重要的戰(zhàn)略意義。而智能制造[1]是引領“第三次工業(yè)革命”發(fā)展的核心，在以德國提出的工業(yè)“4.0”計劃、日本的新產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造戰(zhàn)略、美國的先進制造國家戰(zhàn)略計劃、歐盟的智能系統(tǒng)路線圖計劃等背景下，中國提出了“中國制造 2025”，充分認識到智能制造裝備的重要戰(zhàn)略地位，努力從制造大國轉變?yōu)橹圃鞆妵?
當代科學技術發(fā)展的特點之一就是機械技術，電子技術和信息技術的結合，機器人就是這種結合的產(chǎn)物之一。現(xiàn)代機器人都是由機械發(fā)展而來。與傳統(tǒng)的機器的區(qū)別在于，機器人有計算機控制系統(tǒng)，因而有一定的智能，人類可以編制動作程序，使它們完成各種不同的動作。隨著計算機技術和智能技術的發(fā)展，極大地促進了機器人研究水平的提高?，F(xiàn)在機器人已成為一個龐大的家族，科學家們?yōu)榱藵M足不同用途和不同環(huán)境下作業(yè)的需要，把機器人設計成不同的結構和外形，以便讓他們在特殊條件下出色地完成任務。機器人成了人類最忠實可靠的朋友，在生產(chǎn)建設和科研工作中發(fā)揮著越來越大的作用。
搬運機器人不但能夠代替人的某些功能，有時還能超過人的體力能力?？梢?4小時甚至更長時間連續(xù)重復運轉，還可以承受各種惡劣環(huán)境。 因此，搬運機器人是人體局部功能的延長和發(fā)展。 21世紀是敏捷制造的時代，搬運機器人在敏捷制造系統(tǒng)中應用廣泛。
1.2 我國的工業(yè)機器人
我國工業(yè)機器人是從二十世紀八十年代開始起步，經(jīng)過二十多年的努力，已經(jīng)形成了一些具有競爭力的工業(yè)機器人研究機構和企業(yè)。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、搬運、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機器人。近幾年，我國工業(yè)機器人及含工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線相關的產(chǎn)品的年銷售額已突破10億元。目前國內(nèi)市場年需求量在3000臺左右，年銷售額在20億元以上。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國市場上工業(yè)機器人總共擁有量盡萬臺，占全球總量的0.56%，其中完全國產(chǎn)工業(yè)機器人(行業(yè)規(guī)模比較大的前三家工業(yè)機器人企業(yè))行業(yè)集中度占30%左右，其余都是從日本、美國、瑞典、德國、意大利等20多個國家引進的。國產(chǎn)工業(yè)機器人目前主要以國內(nèi)市場應用為主，年出口量為100臺左右，年出口額為0.2億元以上。
???目前，工業(yè)機器人的應用領域主要有弧焊、點焊、裝配、搬用、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復雜作業(yè)。
在我國，工業(yè)機器人的最初應用是在汽車和工程機械行業(yè)，主要用于汽車及工程機械的噴涂及焊接。目前，由于機器人技術及研發(fā)的落后，工業(yè)機器人還主要應用在制造業(yè)，非制造業(yè)使用的較少。據(jù)不完全統(tǒng)計，近幾年國內(nèi)廠家所生產(chǎn)的哦工業(yè)機器人有超過一半是提供給汽車行業(yè)。由此可見，汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國工業(yè)機器人增長的原動力之一。
我國制造業(yè)的發(fā)展主要是從工業(yè)技術的發(fā)展得以體現(xiàn)，其中最核心的是工業(yè)機器人技術。近些年我國工業(yè)機器人發(fā)展迅速，并逐步從示范應用轉向大規(guī)模推廣,大大減少了生產(chǎn)制造對勞動力的依賴。目前我國研制的工業(yè)機器人已經(jīng)達到工業(yè)應用水平，尤其是在汽車制造業(yè)中有更廣泛的應用，比如電焊、裝配、噴涂機器人等。我國工業(yè)機器人技術正在向更智能化、現(xiàn)代化和科學化的方向發(fā)展。
搬運機器人在實際的工作中就是一個機械手，機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。
1.3 機器人發(fā)展趨勢
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術的提高，機器人設計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。
就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢：
1)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結構不同的機器人；
2)開發(fā)各種新型結構用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構用以保證精度；開發(fā)多關節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合；
3)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進
1.4 本課題研究的目的與意義
機械手的出現(xiàn)有限的提高了工廠工作效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，在很多場合，使用機械手能夠替代工人工作，按照指定的程序進行工作，如果結合柔性生產(chǎn)車間，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性生產(chǎn)，按質(zhì)按量完成生產(chǎn)任務，使得工人工作的環(huán)境得以大幅度改善，特別在中國智造2025、國外的工業(yè)4.0等發(fā)展情況來看，機械手的發(fā)展是不容忽視的，國家通過對機械手的重要，提高國內(nèi)生產(chǎn)的智能化，能夠加大產(chǎn)品的自動化步伐。我國對其投入了不少的人力物力來發(fā)展機械手，目前成果顯著，在工廠內(nèi)部可以看到很多機械手代替人工進行作業(yè)，且機械手能夠通過更改PLC編程，實現(xiàn)對機械手動作的改變，使其能夠滿足生產(chǎn)的需要，所以機械手的使用范圍十分廣泛，基本上能夠做到人工能做的事情，機械手就能夠處理。
本課題通過對搬運機械手的設計與仿真,了解一般機械手設計過程,對機械手自由度的設計有著更好的掌控,且通過大學期間所學的知識進行綜合處理,使得所學的知識能夠充分利用，為以后的工作打好堅定的基礎。因此，在自動機床的自動加工線上，幾乎沒有機器人操作，以更精確地減少人力，更精確地控制生產(chǎn)節(jié)奏，便于生產(chǎn)節(jié)奏的生產(chǎn)。
1.5 機械手簡介
機械手是具備重復編程，能夠按照編程程序進行工作的一種機器。能夠適應不同的工作環(huán)境，是代替人工作業(yè)很好的一種方式，機械手的主要組成部分包括以下幾個方面：執(zhí)行機構、驅(qū)動機構、控制系統(tǒng)等，如圖1-1所示。指向機構主要由：手爪、腕部、臂部和行走機構構成，這些機構構成機械手主體部分。驅(qū)動系統(tǒng)為機械手提供自由度，通過合理的驅(qū)動系統(tǒng)能夠提高機械手工作效率。控制系統(tǒng)主要是通過編程程序完成機械手的動作需求，而在工作之中，通過位置檢測裝置能夠?qū)C械手在使用過程之中產(chǎn)生的偏差進行校正。使其按照正規(guī)路線進行運行。
圖1-1 機械手的主要組成部分
目前，我國機械手已得到極大的發(fā)展。KUKA、哈工大機器人研究所等眾多企業(yè)、研究結構對機械手的研究，使得機械手得以大發(fā)展。機械手有著很多分類，按照功能分，可以分為：簡易型、記憶型、智能等多種類型機械手。按照用途分，可以分為：專用機械手和通用機械手。按照規(guī)格分可以分為：微型、小型、中型以及大型機械手。
1.6運動學分析的常用方法
機器人逆運動學問題是機器人運動學、動力學和控制的重要組成部分，它直接關系到控制的快速性和準確性。逆運動學問題是根據(jù)末端執(zhí)行機構的位置(位置和姿態(tài))來求解相應的關節(jié)變量。
現(xiàn)有三種機器人運動學逆解方法：
（1）幾何法 研究一種基于精確的手臂幾何模型的運動方程求解方法。該法只適用于特殊結構機器人。
（2）齊次變換法 在機器人的雅可比矩陣已知的前提下，通常用其逆矩陣來求解運動學逆解。
（3）是智能解法 這種方法具有以下特點：基于學習的算法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡的算法；基于擴散方程的算法
1.7 本課題主要研究內(nèi)容
本課題是通過利用本人現(xiàn)學的UG、以及ADAMS技術而設計的工業(yè)送料機械臂手。其本身為四個自由度的機械手，主要作用于工業(yè)制造的流線中。物體按特定的位置放在生產(chǎn)線上。當機械手靠近物體時，待機械手抓取取出后，重新回到原來的位置。工序完成后，。課題中對機械手的建模在UG中完成，仿真則在ADAMS中完成。
2 機械手的總體結構設計
2.1 引言
工業(yè)生產(chǎn)流線主要從事零件的轉移過程，是使零件獲得具有一定機械性能、一定形狀和尺寸零件的加工方法。本課題的主要研究方向就是利用機械手抓取零件放置到某個平臺一中后，待第一個某個過程完成后，機械手將其抓取送到某個平臺二中。以此類推待工件完成某個工藝后機械手再將其抓取放到傳送帶的機械過程。
自由度是機器人的一個重要技術指標，它是由機器人的結構決定的，并直接影響到機器人的機動性。機器人的運動自由度是指各運動部件在三維空間相當于固定坐標系所具有的獨立運動數(shù)，對于一個構件來說，它有幾個運動坐標就稱其有幾個自由度。各運動部件自由度的總和為機器人的自由度數(shù)。機器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因為人的手指、掌、腕、臂由19個關節(jié)組成，共有27個自由度。而生產(chǎn)實踐中不需要機器人的手有這么多的自由度一般為3-6個（不包括手部）。
工業(yè)機械手工作環(huán)境一般都是處于高溫中、多灰塵、多污染的地方、有時可能具有腐蝕性地方。
2.2 機械手主要技術指標
根據(jù)機械手的工作要求，其應滿足以下技術指標：
1：工件負載>0.5Kg;
2：自由度數(shù)：5；
3：末端抓取定位精度<3mm; 4：各關節(jié)轉速<5rpm。
本課題研究的機械手是五自由度的機械手，有三部分組成包含執(zhí)行機構、驅(qū)動機構、控制機構。運動包含手抓張合、手爪回轉、手臂伸縮、手臂回轉、手臂升降5個主要運動。
2.3 執(zhí)行機構
機械手執(zhí)行機構主要由手爪、腕部、行走機構組成。
1. 手爪：手爪是工具或者工件與其直接結合的部分，一般分為平轉型或者平動型。根據(jù)需求可以分為內(nèi)抓和外抓兩種，對于一些輕載的工件可以采用負壓或者真空吸盤。
2. 腕部：腕部是用于連接機械手和機械臂的部件，機械手腕部分為三種運動，上下運動、回轉運動以及左右擺動。在工業(yè)上對于一些稍微復雜的一些機械運動我們通常選用一個回轉運動再加上一個上下運動既可以滿足所需要求；為了簡化機械手機構以及節(jié)約成本對于一些結構比較簡單的單一的運動，我們可以設置用臂部直接來控制機械手的運動。
3. 前端機構：行走機構在我國發(fā)展還不是很具有代表性，目前我國的發(fā)展正處于仿真階段。
4. 臂部：顧名思義，臂部是機械底座和手重要連接部位，通過改變機械手臂部設計可以靈活的改變機械手的運動，通常在工業(yè)中，機械手臂部一般擁有三個自由的，手臂的伸縮、左右的旋轉運動以及升降運動。
工業(yè)上任何的運動都離不開驅(qū)動機構的執(zhí)行，通過驅(qū)動機構我們可以控制機械的各個運動。根據(jù)動力源的不同，驅(qū)動機構可以分為氣動驅(qū)動、液壓驅(qū)動、機械驅(qū)動以及電動驅(qū)動四種
機械控制上主要分為連續(xù)控制和點動控制兩種形式，兩種控制形式主要控制其坐標位置以及加速度的控制。其中還有計算機控制或者可編程控制器等。
2.3 本章小結
本章主要通過對工業(yè)機械手的工作環(huán)境、作業(yè)內(nèi)容及性能要求的分析，提出了工業(yè)機械手機械本體的總體方案，包括工業(yè)機械手的總體構成、及其自由度的分配等。在本章后續(xù)又利用 D-H 參數(shù)法進行了連桿坐標系的建立和連桿參數(shù)的確定。并通過對機械手各連桿的位姿矩陣變換為后續(xù)機械手的建模做好前提工作 。
3 機械手的三維建模
3.1 軟件介紹
UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一個產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設計及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段。Unigraphics NX針對用戶的虛擬產(chǎn)品設計和工藝設計的需求，提供了經(jīng)過實踐驗證的解決方案。UG同時也是用戶指南（user guide）和普遍語法（Universal Grammar）的縮寫。
這是一個交互式CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機輔助制造)系統(tǒng)，它功能強大，可以輕松實現(xiàn)各種復雜實體及造型的建構。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著PC硬件的發(fā)展和個人用戶的迅速增長，在PC上的應用取得了迅猛的增長，已經(jīng)成為模具行業(yè)三維設計的一個主流應用。
UG的開發(fā)始于1969年，它是基于C語言開發(fā)實現(xiàn)的。UG NX是一個在二維和三維空間無結構網(wǎng)格上使用自適應多重網(wǎng)格方法開發(fā)的一個靈活的數(shù)值求解偏微分方程的軟件工具。
為了有效地模擬的應用領域（自然或工程科學），數(shù)學（數(shù)值分析和數(shù)學）和計算機科學的一個給定的工藝要求。然而，所有這些技術在復雜的應用中的使用也不是很容易。這是因為所有這些方法都需要復雜性和跨學科的豐富知識相結合。科技方程偏微分方程的一些解決方案非常成功，尤其是它正在研究的數(shù)學家自適應網(wǎng)格細化（adaptivemeshrefinement），并在過去十年多重網(wǎng)格方法，并與計算機技術的巨大進步，特別是并行計算機的主要發(fā)展有帶來許多新的機遇。
3.2 機械人總體外形設計
根據(jù)機械手的所要達到的自由度數(shù)、工作環(huán)境要求、各自由度關節(jié)所要達到的指標、及各關節(jié)連桿的布置方案和機械手長度要求設計的機械手的總體外形如圖3-1所示。
1、 底座; 2、腰部支座; 3、大臂;4、連桿機構 ;5、轉向臺; 6、小臂; 7、前端機構
圖3-1 機械手正二測結構圖
3.3 諧波減速器的設計
3.3.1 諧波減速器
本次畢業(yè)設計是基于諧波齒輪減速器的機械手設計及其運動學仿真，諧波減速器和普通的減速器相比較具有傳遞精度高、承載能力大等優(yōu)點。通過諧波減速器來使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，之后柔性齒輪和剛性齒輪嚙合來傳遞運動和動力。具體諧波減速器優(yōu)點如下：
1. 承載能力高 諧波傳動中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動形式高
2. 傳動比大 單級諧波齒輪傳動的傳動比，可達 i=60～400。
3. 體積小、重量輕。
4. 傳動效率高、壽命長。
5. 傳動平穩(wěn)、無沖擊，無噪音，運動精度高。
6. 由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對柔輪材料的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高，工藝復雜。
7. 齒側間隙可以調(diào)整。
8. 傳動效率高。
9. 同軸性好。
10. 可實現(xiàn)向密閉空間傳遞運動及動力。
諧波減速是由剛輪，柔輪，波發(fā)生器這三個主要的零件構成。諧波減速器的剛輪相當于行星系中的中心輪。其柔輪相當于行星齒輪，諧波發(fā)生器相當于行星架剛輪和柔輪之間的齒差使得來自電動機的傳動速度能夠降低不少，諧波齒輪傳動的柔輪和剛輪的齒距相同，但齒數(shù)不等，通常采用剛輪與柔輪齒數(shù)差等于波數(shù)，即z2－z1=n式中 z2、z1--分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)。當剛輪固定、發(fā)生器主動、柔輪從動時，諧波齒輪傳動的傳動比為i=z1/(z2-z1)
雙波傳動中，z2－z1=2，柔輪齒數(shù)很多。上式負號表示柔輪的轉向與波發(fā)生器的轉向相反。由此可看出，諧波減速器可獲得很大的傳動比。結構圖如圖3-2所示
圖3-2 結構圖
根據(jù)上述可知，對于具體的選型我們需要依據(jù)圖3-3所示的數(shù)據(jù)，這里的數(shù)據(jù)都已經(jīng)進行參數(shù)化了
圖3-3 諧波減速器的參數(shù)
根據(jù)以上的理解我們畫圖諧波齒輪的模型如圖3-4，3-5,3-6所示，我們需要具體的情況可以根據(jù)圖3-3的尺寸對其選擇內(nèi)齒和外齒的數(shù)量，求得諧波齒輪的傳動比，在此不多介紹了
圖3-4
圖3-5 諧波齒輪減速器的正二等側圖
圖3-6 諧波齒輪減速器正視圖
3.3.2 腰部結構設計
機械手腰部的設計是機械手各關節(jié)中設計中較為重要的一步。腰部體結構起到上連接機械手連接機械手的底座。所以腰部體的設計首先要考慮的就是與底座主軸的連接，具體的配合和連接方式，其次要考慮的就是如何設計才能有效的連接機械手的大臂部分。能使機械手大臂部分較為平穩(wěn)的運動。
圖3-7 腰部結構示意圖
如圖3-7所示此腰部結構與底部通過沉頭孔用螺栓來連接，沉頭孔均勻的分布這樣有利于腰部體的受力均勻減輕了長時間運動對腰部體的損傷。腰部體的左右端面通過螺紋孔來連接軸承座。腰部體與大臂和連桿機構及底座的具體連接參考如圖3-8所示。
1、底座; 2、連桿機構; 3、大臂; 4、軸承座; 5、電機
圖3-8 腰部體與各關節(jié)連接示意圖
3.3.3 大臂結構設計
操縱器臂與肩體之間的身體的腰部和臂的杠桿臂而動作的基礎上假定的運動可以傳遞關于肩部過渡中間臂相連。所謂臂肩關節(jié)之間的連接臂和吊桿操縱臂如圖3-9所示。
（a） 正面
（b） 側面
圖3-9 機械臂大臂結構示意圖
3.3.4 連桿結構設計
連桿機構是本機械臂的第三個自由度組成，本次設計是通過三個類似連桿機構來構成機械臂的肩部。鑒于連桿機構具有使用的連桿機構，以便肩部的如此多的優(yōu)點。腰身上在一起。它由電動機功率驅(qū)動旋轉接頭，旋轉接頭傳遞前。驅(qū)動桿通過電力傳輸鏈路站轉向驅(qū)動。設計的各連桿如圖3-10所示。
（a） 連桿1
(b) 連桿2
（c）連桿3
圖3-10 連桿機構設計
如圖3-7所示連桿1是驅(qū)動連桿，連桿2是從動連桿，連桿3是轉向臺連桿。連桿1與腰部體的連接靠銷釘定位，連接靠螺釘。連桿1將旋轉關節(jié)傳遞的運動傳遞給從動連桿。從動連桿與轉向臺連接，因此轉向臺會在從動連桿的推動下進行旋轉。轉向臺的旋轉基點為大臂的上端面孔的軸線，因此轉向臺和大臂之間的連接應充分考慮到配合、定位和運動關系。
根據(jù)以上設計準則和要求得到此機械臂連桿機構如圖3-11所示。
圖3-11 連桿機構連接設計
3.3.5 小臂結構設計
機械臂的小臂部分是連接機械臂手抓部分和連桿部分的載體。小臂的長度很大程度上決定了此機械臂的橫向工作范圍，傳統(tǒng)意義上的機械臂小臂關節(jié)往往采用液壓驅(qū)動。具體設計如圖3-12所示。
圖3-12 小臂的設計
如圖3-12所示是小臂的模型，它是通過小臂后面的電機通過齒輪傳動來帶動小臂進行旋轉的，如圖3-13所示通過兩個個電機和兩個個不同的齒輪相互作用，使得和齒輪相連接的軸轉動，不同的齒輪大小有不同的速度，通過使用不同的電機使得速度能夠有變化，這個對于在生產(chǎn)中，需要根據(jù)不同的速度來適應生產(chǎn)，有非常大的意義，為了能觀察清楚這個齒輪傳動的結構我們可以通過圖3-14所示。相同的電機通過不同的齒輪進行嚙合。
圖3-13 電機和齒輪的分布
圖3-14 齒輪嚙合
3.1 機械手前端結構的設計
機械手的主要作用是通過前端結構進行抓取東西，本文我們主要設計前端結構，能夠讓它和不同的機械爪進行配合，安裝，以滿足不同的生產(chǎn)實際要求，如圖3-15是前端的結構，主要是為了配合其它的爪進行運動的，它的作用不言而喻，為了使它能夠運動起來，我們在它的中間處安裝了一對錐齒輪，軸則是通過小臂中心線部位的。通過在小臂后端的電機和軸配合，電機啟動之后，通過齒輪帶動軸進行旋轉，然后軸又帶動小錐齒輪旋轉，和安裝在前端的大錐齒輪進行配合，完成前端的旋轉運動。整個前端結構是通過螺栓鏈接的，安裝的大錐齒輪則是通過軸承和軸與前端機構相連接的，為了整體的結構美觀實在，我們需要設計外殼進行包裝。因此此處的手爪軸應和手爪達到過盈配合精度或者通過某固定件將其和手爪固定在一起。具體設計如圖3-16所示。
圖3-15 手爪設計圖
圖3-16 前端部分示意圖
考慮到固定，本次手爪的固定方式如下：通過螺栓將手爪軸套與手爪軸固定在一起，再利用傳統(tǒng)的銷釘定位和螺釘連接將手爪軸套和手爪固定在一起。這樣既能解決了前端軸和軸蓋的定位又能將電機的動力通過手爪軸和手爪軸套傳遞給手爪。具體參見3-17 前端部分傳動部分所示。
1-電機 2-齒輪 3-軸 4-錐齒輪 5-前端部分
圖3-17 前端部分傳動
3.5 本章小結
本章主要介紹了機械手的整體的結構，并且逐一詳細介紹了機械臂各關節(jié)的組成，與內(nèi)部結構。通過各關節(jié)機構與傳統(tǒng)機構的對比確定了現(xiàn)有關節(jié)結構的創(chuàng)新點。并驗證了機械臂的關節(jié)運動合理性。驗證了機械手的設計合理性。
4 機械手手爪的設計計算
4.1 手爪設計基本要求
（1） 應具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需的驅(qū)動力大小是不同的。
（2） 手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度），以便于抓取工件。
（3） 要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。
（4） 應保證手抓的夾持精度。
4.2 典型的手爪結構
（1） 回轉型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。
（2） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復運動。
（3）平面平移型。
4.3 機械手手抓的設計計算
4.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置
本設計平動搬運機械手的設計，考慮到所要達到的原始參數(shù)：手抓張合角=，夾取重量為0.5Kg。常用的工業(yè)機械手手爪,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。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。本設計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結構簡單, 適于夾持平板方料, 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。若采用典型的平移型手指, 驅(qū)動力需加在手指移動方向上,這樣會使結構變得復雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。
通過綜合考慮，本設計選擇二指回轉型手抓，采用滑槽杠桿這種結構方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置。
4.3.2 手抓的力學分析
下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿 圖4-1（a）為常見的滑槽杠桿式手爪結構。
(a) (b)
圖4-1 滑槽杠桿式手爪結構、受力分析
1——手指 2——銷軸 3——杠桿
在杠桿3的作用下，銷軸[GB/T882-2000]2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點，交和的延長線于A及B。
由=0 得
=0 得
由=0 得
（4.1）
式中 a——手指的回轉支點到對稱中心的距離（mm）.
——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。
由分析可知，當驅(qū)動力一定時，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會導致拉桿行程過大，以及手爪結構增大，因此最好=。
4.3.3 夾緊力及驅(qū)動力的計算
手指加在工件上的夾緊力，是設計手爪的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。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動狀態(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)。
手指對工件的夾緊力可按公式計算 （4.2）
式中 ——安全系數(shù)，通常1.2-2.0；
——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋，重力方向的最大上升加速度；
——運載時工件最大上升速度
——系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.03-0.5s
——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇。
G——被抓取工件所受重力（N）。
表4-1 液壓缸的工作壓力
作用在活塞上外力F（N）
液壓缸工作壓力Mpa
作用在活塞上外力F（N）
液壓缸工作壓力Mpa
小于5000
50000以上
計算：設a=100mm,b=50mm,<<;機械手達到最高響應時間為0.5s，求夾緊力和驅(qū)動力和 驅(qū)動液壓缸的尺寸。
(1) 設
==1.02
根據(jù)公式，將已知條件帶入：
（2）根據(jù)驅(qū)動力公式得：
（3）取
（4）確定液壓缸的直徑D
選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.8-1MPa,
根據(jù)表4-1（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=10mm,但為了擴大機械手的工作范圍，選取液壓缸內(nèi)徑D=16mm
則活塞桿內(nèi)徑為:
D=160.5=8mm，選取d=8mm
4.3.4 手爪夾持范圍計算
為了保證手抓張開角為，活塞桿運動長度為34mm。手抓夾持范圍，手指夾持有效長度為100mm,當手抓沒有張開角的時候，如圖4-2（a）所示，根據(jù)機構設計，它的最小夾持半徑，當張開時，如圖4-2（b）所示，最大夾持半徑計算如下：
機械手的夾持半徑從
（a） (b)
圖4-2 手抓張開示意圖
4.4 機械手手爪夾持精度的分析計算
機械手的精度設計要求工件定位準確,抓取精度高,重復定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能。
機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進行機械手的夾持誤差。
圖4-3 手抓夾持誤差分析示意圖
該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。
機械手的夾持范圍為。
一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：
工件的平均半徑：
手指長,取V型夾角
偏轉角按最佳偏轉角確定：
計算 =72.14
當S時帶入有：
夾持誤差滿足設計要求。
4.5 手指夾緊液壓缸的尺寸參數(shù)的確定
根據(jù)夾緊力和驅(qū)動力的計算，初步確定了液壓缸的內(nèi)徑為16mm，行程為34mm；下面要確定液壓缸的缸筒長度L。缸筒長度L由最大工作行程長度加上各種結構需要來確定，即：
L=l+B+A+M+C
式中：l為活塞的最大工作行程；B為活塞寬度，一般為(0.6-1)D;A為活塞桿導向長度，取(0.6-1.5)D;M為活塞桿密封長度，由密封方式定；C為其他長度，在此由于定位方式為定位塊式，需要保留一定的缸體冗余長度作為緩沖，以免在運動過程中損傷到缸體，所以C取32.8mm。一般缸筒的長度最好不超過內(nèi)徑的20倍。另外，液壓缸的結構尺寸還有最小導向長度H。
所以：L=34+0.8D+D+0.9D+C=120mm
液壓缸缸底厚度計算，本液壓缸選用平行缸底，且缸底無油孔時，其中h為缸底厚度；為液壓缸內(nèi)徑；為實驗壓力；為缸底材料的許用應力，液壓缸選用缸體材料為45號鋼，。
，
所以選取厚度。
4.6 本章小結
通過本章的設計計算，先對滑槽杠桿式的手爪結構進行力學分析，然后分別對滑槽杠桿式手爪結構的夾緊力、夾緊用的彈簧、驅(qū)動力進行計算，在滿足基本要求后，對手爪的夾持精度進行分析計算。不過由于手指的設計工作載荷只有5N，所以手指零部件的載荷導致的應力都能達到設計要求，故校核可以省略。
5 運動學與動力學分析
5.1 引言
運動學分析是機器人動力學、軌跡規(guī)劃和位置控制的重要基礎。機器人手臂 運動學研究的是手臂各連桿間的位移關系、速度關系和加速度關系。有第三章我們通過D-H參數(shù)法為建立機械手做了相關分析；有第四章通過對機械手各關節(jié)的內(nèi)部結構進行分析以及對關鍵結構零件的強度與剛度校核驗證了機械手符合硬件指標。而本章主要通過對機械手進行模型簡化后將建立的模型導入UG和ADAMS中后通過兩大軟件的強大運動學與動力學分析功能。重點分析機械手各關節(jié)之間的唯一變化、速度變化、加速度變化等。通過對機械手位移、速度、加速度等函數(shù)圖像的曲率分析，驗證機械手各關節(jié)運動時是否符合穩(wěn)定性要求。
5.2 關節(jié)型機器人二指平動手爪運動學仿真
首先利用UG的強大建模功能對已經(jīng)設計好的五自由度采摘機機械手進行三維空間實體建模，然后通過 UG 和 ADAMS 良好的數(shù)據(jù)接口將模型數(shù)據(jù)直接導人 ADAMS， 根據(jù)實際設計要求添加相關約束，在此基礎上進行運動仿真，研究機械手各機構 關節(jié)的運動，測量各個關節(jié)的角位移、角速度和角加速度的變化情況，通過觀察 各機構的運動軌跡以及相關曲線的變化趨勢確定設計中存在的問題。如果變化趨勢達不到應有的穩(wěn)定性要求，則考慮對機械手進行重新設計，直至設計出能達到符合要求的機械手為止。
利用UG軟件對機械手建立簡單模型。在這里之所以要建立簡單的三維模型是因為如果要使用原機械手進行運動學分析會出現(xiàn)很多約束麻煩，以及計算機在分析計算時會大大增添解算時間，這樣會造成工作量增大而且工作效率低下。而建立簡單的模型是指在保證原機械手的各連桿參數(shù)不變的同時省去各種軸承、軸蓋、軸、驅(qū)動機構等。這樣既不會造成效率低下，也能大量的簡化約束，而且研究效果與意義和原機械手一樣。具體簡單模型參考如圖5-1所示。
1、輸送帶; 2、送料源; 3、殼體； 4、機械手模型； 5、支承座
圖5-1 基于UG軟件的機械手仿真模型
2．將仿真模型導入 ADAMS
將 UG 環(huán)境下的機械手模型以 ADAMS 能較好識別的 Para-solid 格式導出。
三維仿真模型導入ADAMS的具體步驟如下：
（1）在UG中選擇下拉菜單“文件”一“導出”命令，選擇Para-solid格式，點擊后出現(xiàn)導出對話框，然后選擇整個要輸出的圖形，點擊“確定”，選擇適當?shù)穆窂?，選擇格式*．x_t并命名為arm。
（2）啟動ADAMS軟件，在ADAMS中選擇下拉菜單“文件”一“導入”命令，將仿真模型導入ADAMS并命名為arm。ADAMS環(huán)境下機械手的仿真模型如圖5-2所示。
圖5-2 ADAMS 環(huán)境下機械手的仿真模型
（3）ADAMS 運動仿真
機械手在運動過程中要盡量平滑、平穩(wěn)，否則會使機械部件的磨損加劇，并導致機器手的振動和沖擊，因此在仿真過程中要測量各個關節(jié)的角位移、角速度 和角加速度的變化情況。
將模型導人 ADAMS 軟件中后，各構件之間還沒有任何約束，因此須添加 約束和驅(qū)動。ADAMS 中提供了 3 種類型的約束：運動副約束、基本約束和驅(qū)動約束。
機械手的五個關節(jié)有四個旋轉關節(jié)和一個滑動關節(jié)，定義為四個旋轉副和一個滑動副，底座與大地之間、大臂與底座之間、連桿機構與大臂之間、手爪與小臂之間均為旋轉副；小臂與連桿機構為滑動副。采摘機爐一、采摘機爐二、送料源、輸送帶與大地均為固定副。添加運動約束后的機械手模型如圖5-3所示、添加驅(qū)動約束后的機械手模型如圖5-4所示。
圖5-3 機械手添加運動約束
圖5-4 機械手添加驅(qū)動約束
機械手的驅(qū)動使用ADAMS軟件中的STEP函數(shù)進行添加驅(qū)動。STEP函數(shù)的表達式是，其中x為自變量，在這里表示時間的變量。x0為自變量的初始值；h0為對應x0的變量值，變量值如果是角度，在值的后面加d表示單位度；x1為自變量的終值；h1為對應x1的變量值。
下面取0-3s期間所生成的各旋轉關節(jié)即關節(jié)1、2、3、5的角位移變化曲線、角速度變化曲線、角加速度變化曲線來進行觀察，分別對應如圖5-5、5-6、5-7。
圖5-5 各關節(jié)角位移變化曲線
圖5-6 各關節(jié)角速度變化曲線
圖5-7 各關節(jié)角加速度變化曲線
通過觀察各個關節(jié)的角位移、角速度和角加速度的變化曲線可以看出，各關節(jié)的角位移、角加速度、角加速度平穩(wěn)，驗證了所設計的五自由度采摘機機械手的合理性。
5.3 機械手UG仿真
前面一個小節(jié)利用運動學分析軟件ADAMS分析了機械手的仿真，并且通過得到的函數(shù)圖像分析出此設計合理。下面將在本小節(jié)利用UG仿真模塊，簡單的模擬出采摘機機械手抓取物料進行采摘機的過程，本過程只模擬出機械手將物料從采摘機爐一中抓取放到采摘機爐二中的過程。此處的物料以小球來表示。UG模型如圖5-8所示。
1、采摘機爐二；2、模型機械手；3、物料；4、采摘機爐一
圖5-8 UG仿真模型圖
類似于ADAMS中那樣驅(qū)動，此處UG中的機械手模型的驅(qū)動也使用STEP函數(shù)進行添加驅(qū)動。STEP函數(shù)的表達式是，其中x為自變量，在這里表示時間的變量。x0為自變量的初始值；h0為對應x0的變量值，變量值如果是角度，在值的后面加d表示單位度；x1為自變量的終值；h1為對應x1的變量值。
5.4 本章小結
本章通過對采摘機機械手進行簡單模型建立，通過導入動力學分析軟件ADAMS中獲得各個關節(jié)的速度、角速度、角加速度函數(shù)圖像分析出此機械手的各關節(jié)符合運動要求。又通過UG強大的仿真功能模擬出了采摘機過程的抓取放置物料過程。并分析了在抓取過程中手爪部分的速度與位移圖像再次說明了抓取過程的運動平穩(wěn)性；也再次驗證了此采摘機機械手各關節(jié)的設計合理性。
6 技術經(jīng)濟分析
技術經(jīng)濟學是研究技術和經(jīng)濟矛盾關系的科學，具體說它是專門研究技術方案經(jīng)濟效益和經(jīng)濟效