小型夾持式機械手及手臂設(shè)計

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1、1 緒論 機器人是人類很早就夢想制造的、具有仿生性且處處聽命于人的自動化機器，它可 以幫助人類完成很多危險、繁重、重復(fù)的體力勞動。機器人技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度集 成和交融的產(chǎn)物，它涉及機械、控制、電子、傳感器、計算機、人工智能、知識庫系統(tǒng) 以及認識科學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，是當(dāng)代最具有代表性的機電一體化技術(shù)之一。人類文明 的發(fā)展、科技的進步已和機器人的研究、應(yīng)用產(chǎn)生了密不可分的關(guān)系。為了適應(yīng)社會的 需求，各院校都比較重視機器人技術(shù)和控制技術(shù)等課程在機械設(shè)計及其自動化專業(yè)的開 設(shè)，使培養(yǎng)的學(xué)生懂得機器人設(shè)計方面的技術(shù)。經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，現(xiàn)代機器人技術(shù) 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、航空航天、商業(yè)、旅游、

2、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公自動化及生活服務(wù)等眾 多領(lǐng)域獲得了越來越普遍的應(yīng)用。機器人技術(shù)不斷進步與創(chuàng)新，所到之處使整個制造業(yè) 乃至整個社會都發(fā)生了和正在發(fā)生著翻天覆地的變化。 機器人是最具代表性的現(xiàn)代多種 高新技術(shù)的綜合體，它可以從某個角度折射出一個國家的科學(xué)水平和綜合國力。由于社 會的需求，造就了一批從事設(shè)計、 開發(fā)和使用機器人的高級人才。 而設(shè)計和開發(fā)的基礎(chǔ)， 是對機器人機械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等的理解和掌握，才能較好的使用其中的資 源來進行設(shè)計。故此本文介紹了機器人設(shè)計的基本理論，討論了機器人本體基本結(jié)構(gòu)的 相關(guān)內(nèi)容，描述了機器人控制器和傳感器等的基本原理，然后再介紹機器人軌跡規(guī)劃和 靜力分析方

3、面的知識，使學(xué)生既懂得怎樣設(shè)計一個機器人，同時能熟練地運用此設(shè)計理 論。 機器人技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度集成和交融的產(chǎn)物， 計算機技術(shù)的不斷肩部和發(fā)展 使機器人技術(shù)的發(fā)展一次次達到一個新的水平。 機器人涉及機械、 控制、電子、傳感器、 計算機、知識庫系統(tǒng)以及認識科學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域， 成為高科技中極為重要的組成部分。 人類文明的發(fā)展、科技的進步已和機器人的研究、應(yīng)用產(chǎn)生了不可分的關(guān)系。機器人技 術(shù)是當(dāng)代最具代表性的機電一體化技術(shù)之一。 機器人已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、 國防、科技、 生活等各個領(lǐng)域。機器人在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用得特別廣泛，而其與外界環(huán)境直接接觸的部 分是機械手，它可以代替人手，與外界環(huán)境

4、中有毒以及有害的物質(zhì)直接接觸以減少對人 的危害，它具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手 大等特點。人類社會的發(fā)展已離不開機器人技術(shù)，而機器人技術(shù)的進步又對推動科技發(fā) 展起著不可代替的作用。因此，設(shè)計機械手有特別重要的意義。 目前，對全球機器人技術(shù)發(fā)展最有影響的國家應(yīng)該是美國和日本。美國在機器人技 術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的機器人在數(shù)量、種類方面則居世界 首位。機器人技術(shù)的發(fā)展推動了機器人學(xué)的建立，許多國家成立了機器人協(xié)會，美國、 日本、英國、瑞典等國家設(shè)立了機器人學(xué)學(xué)位。 20 世紀(jì) 70 年代以來，許多大學(xué)開設(shè)了機器人課程，開展了機器人學(xué)

5、的研究工作， 如美國的 MIT 、RPI、Stanford 、Carnegie-Mellon 、Conell 、Purdue 、Univ of California 等大學(xué)都是研究機器人學(xué)富有成果的著名學(xué)府。隨著機器人學(xué)的發(fā)展，相關(guān)的國際學(xué)術(shù) 交流活動也日漸增多，目前最有影響的國際會議是 IEEE 每年舉行的機器人學(xué)及自動化 國際會議，此外還有國際工業(yè)機器人會議 （ISIR）和國際工業(yè)機器人技術(shù)會議（CIRT）等。 出版的相關(guān)期刊有 “ Robot Today ”、“ Robotics Research ”、“ Robotics and Automation ”等多種。 我國的機器人技術(shù)起

6、步較晚，約于 20 世紀(jì) 70 年代末、 80 年代初開始。 20 世紀(jì) 90年代中期，6000 m以下深水作業(yè)機器人試驗成功，以后的近 10年中，在步行機器 人、精密裝配機器人、多自由度關(guān)節(jié)機器人的研制等國際前沿領(lǐng)域逐步縮小了與世界先 進水平的差距 機械手最顯著的特點有以下幾個 : （ 1） 可編程 生產(chǎn)自動化的進一步發(fā)展是柔性自動化。機械手可隨其工作 環(huán)境變化的需要而再編程， 因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能 發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)中的一個重要組成部分。 （ 2） 擬人化 能模仿人手和手臂的某些動作功能，用來按固定程序抓取、 搬運物件或操作工具的自動

7、操作裝置。 它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自 動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全 （ 3） 通用性 除了專門設(shè)計的專用機械手外，一般機械手在執(zhí)行不同的作 業(yè)任務(wù)時具有較好的通用性。比如，更換機械手部末端操作器 （手爪、工具等 ）便可執(zhí)行 不同的作業(yè)任務(wù)。 作為一個系統(tǒng)，一般來說，機械手由三部分、六個子系統(tǒng)組成。這三部分是機械部 分、傳感部分、控制部分；六個子系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、人機交互系 統(tǒng)、機械手 - 環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。 （ 1） 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)主要指驅(qū)動機械系統(tǒng)的驅(qū)動裝置。根據(jù)驅(qū)動源的不同，驅(qū)動系統(tǒng)可分為電 動、液壓、氣動以及把它們結(jié)合起來應(yīng)

8、用的綜合系統(tǒng)。 （ 2） 機械系統(tǒng) 機械系統(tǒng)又稱操作機或執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)，它由一系列連桿、關(guān)節(jié)或其他形式的 運動副所組成。機械系統(tǒng)通常包括臂關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手爪等，構(gòu)成一個多自由度 的機械系統(tǒng)。 （ 3） 感知系統(tǒng) 感知系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成， 獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有 用的信息。 （ 4） 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機械手的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配 機械手的執(zhí)行機構(gòu)完成規(guī)定的引動和功能。 （5） 機械手 -環(huán)境交互系統(tǒng) 工業(yè)機械手 - 環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)機械手與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系 統(tǒng)。 （ 6） 人機交互系統(tǒng) 人機交互系統(tǒng)

9、是使操作人員參與機械手控制并與機械手進行聯(lián)系的裝置，一般來 說，人機交互系統(tǒng)可分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。 2 總體方案設(shè)計 設(shè)計機械手的第一步是進行總體方案設(shè)計，即在充分調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，進行可行 性分析論證， 確定夾持機械手的使用范圍、 夾持方法、初選各部件的結(jié)構(gòu)和總體布局等。 這是整臺機器技術(shù)設(shè)計的依據(jù)。因此，在擬定總體方案時，必須全面地考慮，使確定的 方案既先進有經(jīng)濟效益高。 本設(shè)計要求機械手能實現(xiàn)對 5kg 以內(nèi)物品的夾持， 同時實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)， 抬起運動。 為了 滿足設(shè)計要求，首先要考慮所要設(shè)計的機械手的自由度。在三維空間描述一個物體的位 置和位姿需要 6 個自由度。

10、機械手的自由度是根據(jù)用途而設(shè)計的， 可能小于也可能大于 6 個自由度。本次設(shè)計的機械手具有兩個自由度，即機械手的翻轉(zhuǎn)、抬起運動，不包括 手爪（末端執(zhí)行器）的開合自由度。如圖 2.1 所示： 圖 2.1 機械手動作規(guī)劃示意圖 傳動方案反映運動和動力傳遞路線和各部件的組成和聯(lián)接關(guān)系。 合理的傳動方案首 先要滿足機器的功能要求，例如傳動功率的大小，轉(zhuǎn)速和運動形式。此外還要適應(yīng)工作 條件（工作環(huán)境、場地、工作制度等） ，滿足工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、傳動效 率高、使用維護便利、工藝性和經(jīng)濟性合理等要求。同時滿足這些要求是比較困難的， 因此要通過分析比較多種方案，來選擇能保證重點要求的較好的傳

11、動方案。 手部方案的確定 手部最重要的部分是機械夾持器，首先它應(yīng)具有夾持和松緊的功能。夾持器夾持工 件是，應(yīng)有一定的力約束和形狀約束，以保證被夾持工件在移動、停留和裝入過程中， 不改變姿態(tài)。當(dāng)需要松開工件時，應(yīng)完全松開，另外它還應(yīng)保證工件夾持姿態(tài)在現(xiàn)幾何 偏差在給定的公差帶內(nèi)。機械夾持器可分為圓弧開合型、圓弧平行開合型和直線平行開 合型。本次設(shè)計選用圓弧開合型，這種類型在傳動機構(gòu)帶動下，手指指端的運動軌跡為 圓弧，兩手指繞支點做圓弧運動，同時在對工件進行加緊和定心。這類夾持器對工件被 夾持部位的尺寸有嚴(yán)格要求，否則可能會造成工件狀態(tài)失常。其結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示。 圖 2.2 手爪示意圖

12、 手臂回轉(zhuǎn)方案的確定 手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)有回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動機構(gòu)組成。驅(qū)動機構(gòu)有直接驅(qū)動和間接驅(qū)動等 形式。如圖 2.3 所示，驅(qū)動機構(gòu)和回轉(zhuǎn)軸同軸， 這種形式直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)軸， 回轉(zhuǎn)軸通過軸 承的支撐和導(dǎo)向作用，帶動手臂回轉(zhuǎn)，這種結(jié)構(gòu)有較高的定位精度。 圖 2.3 手臂回轉(zhuǎn)運動示意圖 回轉(zhuǎn)機構(gòu)中軸承起著相當(dāng)重要的作用，用于轉(zhuǎn)到關(guān)節(jié)的軸承有多種形式，球軸承是 機械手結(jié)構(gòu)中最常用的軸承。球軸承能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對軸承和軸承 座的剛度不敏感。至于手臂回轉(zhuǎn)軸承的選擇將在以下章節(jié)用介紹。 手臂俯仰方案的確定 機械手手臂俯仰運動通常采用擺臂油（氣）缸驅(qū)動、鉸鏈連桿機構(gòu)傳動實現(xiàn)手臂的

13、俯仰，本次設(shè)計采用油缸驅(qū)動。 如圖 2.4 所示，手臂俯仰運動用的活塞缸位于手臂下方， 其活塞桿和手臂用鉸鏈連接，缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱連接。 圖 2.4 手臂俯仰運動示意圖 3 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 對小型夾持機械手及手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi)容為：手部設(shè)計、手臂回轉(zhuǎn)設(shè)計和手臂 俯仰設(shè)計。 機械手的手部也叫做末端執(zhí)行器， 它是裝在機械手手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè) 的部件。手部主要具有以下特點： （1） 手部和腕部相連處可拆卸。 （2） 手部是機器人末端執(zhí)行器。 （3） 手部的通用性比較差。 4） 手部是一個獨立的部件 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。如需要完整

14、說明書和設(shè) 計在線扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機械畢業(yè)設(shè)計下 載！全部設(shè)計都已通過答辯 結(jié)論 本文結(jié)合目前國內(nèi)外機械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向， 具體闡述了一種小型夾持式機 械手的設(shè)計和開發(fā)過程。理論和實踐證明，本課題所研制的小型夾持式機械手系統(tǒng)可以 實現(xiàn)預(yù)期的功能要求。本人在課題研究過程中獲取了大量的實驗數(shù)據(jù)和一定的研究經(jīng) 驗，為夾持式機械手的產(chǎn)品化提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)。論文的主要工作如下： 1、進行了小型夾持式機械手總體方案設(shè)計。 2、進行了小型夾持式機械手機構(gòu)的機械本體設(shè)計。 3、進行了機械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計了機械手姿態(tài)控制的驅(qū)動系統(tǒng)，擬定了液壓 控制系統(tǒng)原理

15、圖。 4、進行了機械手的軌跡規(guī)劃。主要對機械手回轉(zhuǎn)運動軌跡進行了規(guī)劃。建立機械手運 動的軌跡方程。 5 、運用 Solidworks 三維軟件建立了機械手結(jié)構(gòu)模型， 并進行了虛擬裝配， 結(jié)果證明所 設(shè)計的機械手結(jié)構(gòu)合理，可以實現(xiàn)預(yù)期的動作要求。 本次設(shè)計的小型夾持式機械手及手臂結(jié)構(gòu)合理，布局比較完善，各項性能指標(biāo)也達 到了設(shè)計要求。但是還有不足和尚需完善之處： 1、為了提高機械手的定位精度和響應(yīng)速度，還需要增加傳感器控制系統(tǒng)。 2、隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，適當(dāng)引入反饋控制技術(shù)，以便適時的監(jiān)控外界環(huán)境的變化， 以求達到更好的適應(yīng)能力。 3 、為了使機械手的動作更加靈活，應(yīng)適當(dāng)增加機械手

16、的自由度，使機械手能進行空間 復(fù)雜曲線的作業(yè)。 小型夾持式機械手的研制已經(jīng)取得了階段性成果，還需要進一步的發(fā)展和完善，使 之逐步產(chǎn)業(yè)化。 致謝 本論文是在楊漢嵩講師的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)下完成的，恩師嚴(yán)謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵 博的學(xué)識、誨人不倦的精神給學(xué)生留下了深刻的印象，使學(xué)生終身受益。籍此論文完成 之際，謹向恩師致以最崇高的敬意和最由衷的感謝！ 感謝我的師兄、師弟們，他們在方方面面都給了我許多關(guān)心幫助，使得我在這里的 學(xué)習(xí)生活充滿了樂趣。這期間和他們結(jié)下的深厚誼將是我今后的人生中一筆豐厚的財 富，無論何時何地都不會忘記 ! 感謝所有幫助過我的老師、同學(xué)和朋友！ 感謝對論文進行評審、

17、提出寶貴意見的各位專家！ 感謝我的母校為我們提供了一個良好的學(xué)習(xí)環(huán)境！ 最后，我要對我的父母表示深深的感謝，感謝他們的養(yǎng)育和教導(dǎo)，感謝他們長期的 支持和鼓勵以及他們給予我的無私的愛！ 參考文獻 [1] 劉鴻文?材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1997 : 27. [2] 曹玉平. 液壓傳動與控制 [M]. 天津：天津大學(xué)出版社， 2003 ： 85-89. [3] 濮良貴，紀(jì)名剛 .機械設(shè)計 [M]. 北京：高等教育出版社， 2001 ： 300-344. [4] 劉極峰. 機器人技術(shù)基礎(chǔ) [M]. 北京：高等教育出版社， 2006：1-130，148-165. [5]

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