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重载 搬运 机器人 本体 结构设计 全套 cad 图纸

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40 (2003) 616621in a H. 05a of in is to a in to of is to a On of is to as as to a or a to in to of 2003 of a of of of a to of of of on of of by at at of be by of as or to be an to it +82+H. to a by 1 in of of of 2 in of of of 3 in of is to of 4 as a in 6 in by a is in to of of to is to in to of on is as a On of to to 2003 09243)H. 40 (2003) 616621 617at of It is is in of of to is in to to to of on On of to a is to a of is is of of a be et 7 045o 8 052.5as of is by q. (1). A as q. (1) is (i)q. (3) 9 is +234)| =(i)2(2)i=3)of of be of an is q. (4) it is be 4)of 1. of a of by of in to of of to of of is up of in is up to a is to a by is of by to is q. (5) as in in 0:S(u,v) =Ni,p(u)Nj,q(v)wi,Ni,p(u)Nj,q(v)wi,j(5)i,as wi,u,p(u), Nj,q(u) q. (6):=u ,0 i,p(u) =upp(u)+ui+p+1p+1,p1(u)(6)In to a of on of H. 40 (2003) 6166212. of by a is of a on of to be to a is a to is by 2. is by is of a on q. (7) 3. is in = r, r )of a by is of is a is q. (8) 3. by N=)of a of of a of is LD be to of in D = AB (9)|i|4,B= 0)k=()(11)LD ; D = 1, is an of a D = 0, a of an is B is of is by to D to . of :4, be by = = 0.6 of is D D to on of is of or of is is to As 4, a is a of in an on of of of in to as q. (12):Vc=Vj/1/2)H. 40 (2003) 616621 6194. of on of an a in is a as 5 be to of In is to of of 7 of 7(a) at 5. 60% 0%00% 6. to 7. of (a) (b)(c) of of by It of to be . to of a to as 7(b). as 7(c)to of in D is D as 8. It is be as 9. In of is 2% of in be of a is In to of be in 20 H. 40 (2003) 61662120 40 60 80 100 120 140 160 0 60 80 100 120 140 160 a) (b) 8. D: (a) (b) to be in is to a is to be is an to a a of 10 is in to a as 11is in is a as 13of 0%of in of be to of 9. of to 10. of a 11. of a 12. of H. 40 (2003) 616621 62113. of is in of of in so or be of be or in It is is of as as N. A of 41(1983) 2945.2 of 55 (1986) 181197.3 P. A. A to 176(1999) 215229.4 A 3, 1982, 2934.5 of an J. 29 (1990) 15511567.6 on 31 (1989) 421426.7 E. J. A of 32 (1991) 849866.8 On of 11 (1992)307336.9 A. A 75 (2000) 507513.10 L. W. 2nd 997. 提高板材成形效率的坐标网分析法 H. 机械工程学院，韩国高级科学协会和技术科学镇 05韩 摘要 本篇文章是采用一种新推出的方法来对提高板材的成形效率进行分析 ,这种方法就是坐标网分析法。这种方法就是研究扭曲单体，即通过适当的研究规范，建立补片，包括修正后的单体。每一片都被扩展到一个三维的表面从而获得一个连续坐标的信息。在构造表面时，应包括每一个片， 均匀有理 B 样条 )表面被用来描述一个三维自由表面。以被构造表面为基础，每一个节点一般 被安排成一个非常接近正方形的单体元素。计算状态函数是从它原始的网格系统映射到新的网格之内，从而对成形进行下一阶段的分析或更进一步的分析。按网格方法的分析结果与没有坐标网方法直接成行的分析结果相比较来确定哪一种方法是更有效的。 2003 版权所有 . 关键词：坐标网；变形单体； 限元分析 1. 概述 随着计算机技术和数字技术的结合和快速发展，用数字模拟进行板材成形加工达到空前的繁荣。数字分析对复杂几何图形的板材成形和多级成形都可以做到。对于一个复杂的几何模型来说 ，尽管局部严重变形将会导致计算时间的增加和数据分析的减少。从而使分析结果更加不准确。几何网格的扭曲和严重变形对板材成形的质量有很大影响 ,特别是对于多级成形。当上一级成形的分析结果用于下一级成形分析时，几何网格的扭曲和变形对分析结果影响更大。这种被扭曲网格的错误表象可以通过整体的或自适应重啮合技术的网格系统的重建来避免。在模拟期间，减少单体扭曲，自适应重啮合技术被认为是一种有效的方法。但是，它仍然需要大量的计算，并且在单体的细分中也受到限制。 要构造一个网格系统的有效方法已经被许多研究人员提上日程。典型的方法可能是下面几种： 点被完全重排； 献 4和 献 5构造了一个晶格分析范围，它像一个连续的环，而且是从主要环中分离出的子环元素。献 6在整个晶格范围内构造了一个三角形元，并且通过合并邻近的三角形元而构造矩形元素。 本篇文章中的坐标 网方法是一种新推出的方法 ,它旨在用有限元分析提高板材成形效率。坐标网法根据一些规范可以自动地找出变形单体，并对这些片进行修正。然后，每一片都被扩展到一个三维表面用来获得在三维表面的连续坐标系的信息。这个包含了每一片的表面用来作为使用了 被构造表面为基础，每一个节点都被彻底改变，用来组成一个正方形的规则单体。状态函数的计算是从它原始几何网格映射到新的网格之内，从而进行下一阶段的成形分析。从得到的数据结果中证实使用坐标网方法的效率和结果的准确性。这也证实了此种方法在板材构件碰撞分 析的成形模拟中的有效性。 2. 体的规则化 之所以要介绍对变形体的修正使之成为一个规则化过程，是为了提高变形体在下一个有限元计算中的分析效率。在规则化过程中，变形体根据适当的搜索规范有选择的分配到各片。这些片通过分析 形后的每个节点为了得到一个新坐标将被调整为一个近似正方形的规则单体。 格变形标准 变形有两种几何标准可供选择：一是内角；另一个是单体纵横比。 角 从有限元计算中得到矩形元素的内角应是接近直角的。 et 文献 7给了这种元素一个合理的定义，就是当四个内角都是在 90 45 的范围内时。同时 献 8也提出了相同情况下的内角，角度在 90 围内。内角的网孔变形是由式（ 1）的构成所决定的。当式 (1)3 或 ( i)3) 9中大于 /6 网孔被认为是变形的。这个标准之所以相当严格是为了避免万一在限制区域应用规则化方法受到几何图形的限制： 体纵横比 四条边具有相同长度的理想单体的纵横比应该是一致的。纵横比被定 义如式（ 4），并且当变形小于 5即比严格标准少很多时，它也被定义： 此处 的设计 通过网格变形标准所选择的变形单体，根据它们在几何成形时外形的复杂程度被分不到各个不同的区域。这些单体被分配到各片，并用来构造算法效率。这些片的形状被拼凑成矩形，包括所有变形体，目的是扩大规则化和 个过程如图 1所示，当孔和边缘被设置在变形体中时，这些区域被填满，从而得到矩形片。 然后，这些片利用 个过程对于在三维表面上获得连续坐标的全部信息是非常重要的。 5)来表述，像 10: 此处 Pi, 向。 Wi,是基础函数通过式 (6)来表达： 为了把这些点映射到构造的表面上，一系列 连续的点在 一个用规则化方法移动过的节点都被定位，以至于在 些移动过的连续节点的信息都被存储，用来构造一个新的网格系统。 则化过程 规则化方法与形成矩形片单体一起完成的。规则化的有限元通过图 2所示次序被依次选择。每一个被选择的单体都被分成两个三角形元，并且这些三角形元通过圆心的重定位都由直角三角形元组成，圆的直径如式 (7)和图 3所示，从 这个过程结束的时候，相同的过程在另一方向被重复： 通过规则化方法对节点的重 定位，其最终位置被在 规则化过程完成后，为产生粗糙的区域，一个简单的缓和的过程通过式（ 8）被执行： 此处 近区域的元素的坐标， 近元素的质心。 形程度 作为一个变形因子，变形程度 (最新提出的 ， 此处 和 1之间浮动；当 时，单体是一个方形的理想单体，当 时，四边形元变成了三角形元。 时单体的四个内角，因此 的变化不那么敏感， 如，当单体侧面合理的长宽比是 1： 4时， 来调整，使函数 =果，当 的长宽比小于 大于 种方法可以调节内角和长宽比使它们在 态函数的映射 当坐标网系统用于下一步的成形分析或结构分析的计算时，状态函数的映射就 是非常必要的，通过映射，可以在考虑上一步成型过程的前提下得到更准确的分析。映射过程就是通过状态函数的计算把原来的网格系统映射到新的坐标网系统。如图 4所示，一个球面在一个新节点周围建立，将导致球面上节点的状态函数影响新节点的状态函数。新节点的状态函数是由球面上原来节点的状态函数所决定的，如 式 (12)所示，加权因子在两节点的距离上成反比。 此处 盘的成形分析 油盘在冲压车间一般要经过两个工序制作，而根据现在这 种方法，单工序冲压就可以完成。如图 5所示的凸模和模架。 不论什么时候有限元系统需要提高计算效率，规则化方法都可应用于其中。在这个范例中，这种方法应用于油盘成形分析中的两次成形间隙，如图 6所示。 图 7说明了规则化方法的过程。图 7（ a）所示为成形时凸模行程为 60%时的变形，有 3个地方发生了网格变形，也就是片的数量是 3。变形网格是根据 2个网格变形的几何规范来选取的。如图 7所示的包括所有变形体的矩形片的形成。最终补片中的单体被规则化，如图 7（ c）所示。 为了评价应用规则化系统后的单体质量的改进程度，应用规则化网格系统的果如图 8所示应用了规则化系统的 应用了一般网格系统的 就意味着在相同的变形程度下，应用规则化网格系统其质量提高了。结果如图 9 所示，应用了规则化网格系统的有限元计算明显领先于直接分析的。在油盘成形分析中，应用规则化网格系统可使计算时间减少了大约 12%甚至减少了 2倍，计算时间的减少量可能会随着更频繁的规则化调整而增加。 件主视图的断裂分析 碰撞分析通常是在不考虑成形结果的情况下采用网格系统完成的成形分析。如果考虑成形结果，即考虑分析结果的准确性和可靠性，那么用于成形分析的网格系统可能会直接应用于碰撞分析来分析其效率。成形分析后，在没有重组合的情况下直接进行碰撞分析从而导致网格系统有很多网格发生了严重的扭曲和变形。一种补救的方法就是创建一个新的网格系统，另一种方法就 是成形分析之后修正网格系统。如果重组合过程能够成功应用，应用后一种方法将非常有效。作为一种有效的重组合过程，规则化方法可以把变形网格转换成一个新的正方形中去。本例中，构件主板部分被命名为强化板，如图 10所示，它被选择来进行碰撞分析。在成形分析后的构件的局部变形区域，不规则的有限元通过如图 11所示的规则化方法修正成规则的单体，这个坐标网系统就用在碰撞分析中，如图 12所示。 使用坐标网系统的碰撞分析可以在不影响分析结果准确性的前提下通 过选择更大的时间间隔完成，如图 13所示。和原来的网格系统的计算时间比较，碰撞分析的时间减少了 40%， 分析结果在所用时间和计算结果的准确性方面都是较 好的，并且还证明了坐标网系统可以有效的提高数字分析效率。 4 结论 坐标网方法是一种新推出的用来提高有限元分析板材成形性能的方法。在板材成形分析中的网格变形如此严重，导致后来的分析困难或得到的结果不准确，但是现行的这种坐标网分析法对于重组合又最小作用，还可以避免上述情况。在逐渐增加的分析中或多级成形的下一级分析中，坐标 网格可以完成。从板材成形模拟中可以获得成形构件的断裂分析，当坐标网可以完成这些时，它也证明了使用坐标网分析性能得到很大提高。数字结果既证实了用坐标网分析法的有效性和效率性又证明了结果的准确性。 参考文献： 1 N. A of 41 (1983) 2945. 2 of 55 (1986) 181197. 3 P. A. A to 176 (1999) 215229. 4 A 3, 1982, 2934. 5 of an J. 29 (1990) 15511567. 6 on 31 (1989) 421426. 7 E. J. A to of J. 32 (1991) 849866. 8 On of in 11 (1992) 307336. 9 A. A 75 (2000) 507513. 10 L. W. 2nd 1997. 西安交通大学城市学院 本 科毕 业设计 （论文 ）任 务书 题 目 重载搬运机器人本体结构设计 姓 名 马壮 专 业 机械设计制造及其自 动化 学 号 11040041 文） 课题 的主要 任务 ： 近年来，机器人技术发展迅猛，各种用途的机器人在各个领域获得了广泛应用。我国在机器人的研究和应用方面与发达国家相比还存在一定的差距，因此研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人，如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人和搬运机器人等，对推广机器人的应用具有重要现实意义。重载搬运机器人搬运重量大，能有效减轻工 人的劳动强度，是物流自动化不可或缺的重要设备。 机器人是典型的机电一体化产品，重载搬运机器人本体结构设计需要综合应用机械设计制造及其自动化专业的基础理论和专业知识，要求学生能够熟练运用计算机进行设计分析、计算，并能够熟练运用 件绘制零件图和装配图，该课题的完成有助于培养和检验学生综合运用所学知识的能力。 本课题的主要任务是完成重 载 搬运机器人本体结构的设计，该重 载 搬运机器人用于在啤酒灌装线终端实现多个啤酒箱的搬运并码垛工作，在设计过程中还需进行技术经济分析。 原始数据、技术要 求、工作要求 ） ： 原始数据： (1) 每一次搬运啤酒 11 箱、每箱 12 瓶，搬运重量达 150(2) 搬运动作的时间周期为： 10 12 秒 /次。 (3) 码垛层数： 5 层。 技术要求： (1) 所设计的搬运机器人本体结构能够满足一次搬运重量大、动作周期短、高效、快捷，以及通用性、灵活性等性能要求 ， 同时满足结构工艺性、经济性等方面的要求。 (2) 装配图 、 零件图 的绘制 应严格按照机械制图国家标准进行，尺寸、公差、 形位公差、 技术要求等标注应合理、规范。 (3) 在机器人手臂末端便于实现与各种夹持器的配合联接。 (4) 论文书写要 求叙述清楚、符合规范，外文翻译正确。 工作要求： (1) 查阅文献资料 ，进行设计调查 ， 调研国内外重载搬运机器人的设计、研究和生产现状 ，总结现有各种设计方案与设计原则 。 (2) 构思重载搬运机器人本体结构设计方案，针对设计要求提出多个可实现方案，进行分析比较，确定最佳 设 计 方案。 (3) 应用 术完成重载搬运机器人本体结构设计、计算，绘制零件图、装配图 。 (4) 完成控制系统的方案设计。 (5) 撰写毕业设计 论文 ，翻译外文文献资料。 论文字数，图纸规格、数量，实物样品，外文翻译字数等）： (1) 总装配图 0图纸 1 张。主要零件的零件图若干，折合成 0图纸达 1 张。 (2) 毕业论文正文字数不少于 15,000 字。 (3) 外文翻译至少 2000 印刷符号。 1 张福学机器人技术及其应用 M北京：电子工业出版社， 2000 年 2 龚振邦等机器人机械设计 M北京：电子工业出版社， 1995 年 3 熊有伦 华中科技大学出版社 M， 1996 年 . 4 于殿勇等 120载工业机器人 的开发 J高技术通讯， 2002.(6)： 7982 5 物料搬运机器人 J 现代制造 2004， (28)： 30 33 6 曾孔庚 ， 王宏庆 ， 丁原彦 高速机器人搬运码垛系统构成及技术特点 J 机器人技术与应用 2001,(4)： 39 42 7 程军六自由度关节型机器人本体设计和控制系统的研究 D哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 2004 年 要求完成日期： 2015 年 5 月 31 日 指导教师（签名）： 白文杰 接受任务日期： 年 月 日 学生（签名）： 注：小四号宋体， 行距；双面打印。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 院 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 学 号： 学院 (系 ): 专 业 : 题 目 : 重载搬运机器人本体结构设计【六自由度机械手】 2015 年 5 月 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 毕业设计说明书（论文）中文摘要 机械手 是一种典型的机电一体化产品， 搬运机械手 是 机械手 研究领域的热点。研究 搬运机械手 需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。 本文对一种使用在 搬运机械手 的结构进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。要 求对 机械手 模型进行力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。 关键词： 结构设计， 机器臂， 关节型 机械手 ，结构分析 业设计说明书（论文）外文摘要 he is a is a of on a of at of In a of in of on of of 录 1 绪论 . 1 引言 . 3 运机械手研究概况 . 4 外研究现状 . 4 国内研究现状 . 5 运机械手的总体结构 . 6 要内容 . 6 2 总体方案设计 . 7 械手工程概述 . 7 业机械手总体设计方案论 述 . 8 机械手机械传动原理 . 9 械手总体方案设计 . 9 章小结 . 11 3 机械手大臂结构设计 . 1 臂部结构设计的基本要求 . 1 臂部结构设计 . 2 臂电机及减速器选型 . 2 速器参数的计算 . 3 载能力的计算 . 7 轮齿面的接触强度的计算 . 7 轮疲劳强度的计算 . 7 的计算校核 . 8 大臂的平衡设计 . 11 弹簧的受力分析 . 11 弹簧的设计计算 . 14 4 机械手小臂结构设计 . 18 腕部设计 . 18 臂部结构设计 . 31 臂电机及减速器选型 . 31 . 32 . 32 轮波发生器及其薄壁轴承的计算 . 33 轮齿面的接触强度的计算 . 34 轮疲劳强度的计算 . 35 结构尺寸设计 . 36 的受力分析及计算 . 36 承的寿命校核 . 37 5 机械手机身结构设计 . 错误 !未定义书签。 步进电机选择 . 40 齿轮设计与计算 . 45 轴的设计与计算 . 52 轴承的校核 . 60 键的选择和校核 . 63 身结构的设计 . 64 6 控制系统硬件设计 . 65 制系统模式的选择 . 65 制系统的搭建 . 65 7 控制系统软件设计 . 69 预期的功能 . 69 现方法 . 69 总结与展望 . 73 致 谢 . 74 参 考 文 献 . 75 1 2 3 1 绪论 引言 机械手 是一种典型的机电一体化产品， 搬运机械手 是 机械手 研究领域的热点。研究搬运机械手 需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。 机械手 是 搬运机械手 的一种。 1959 年，世界上诞生了第一台工业 机械手 ，开创了 机械手 发展的新纪元。随着科学技术的发展， 搬运机械手 的研究与应用迅猛发展。世界著名 机械手 专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过： 机械手 应当具有的最大特征之一是功能 。其中双足是方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生也曾说过这样一句话： 上帝创造人类，两条腿是最美妙的杰作 。系统具有非常丰富的动力学特性，对的环境要求很低，既能在平地上，也能在非结构性的复杂地面上，对环境有很好的适应性。功能的具备为扩大 机械手 的应用领域开 辟了无限广阔的前景。 研究 机械手 的原因和目的，主要有以下几个方面：希望研制出机构，使它们能在许多结构和非结构环境中，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；希望更多得了解和掌握人类得特性，并利用这些特性为人类服务，例如：人造假肢。系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及 机械手 的研究方向； 机械手 可以作为一种智能 机械手 在人工智能中发挥重要的作用。 ， 搬运机械手 的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国 机械手 协会给 搬运机械手 下的定义： 搬运机械手 是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对 搬运机械手 作如下定义： 搬运机械手 是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。 是可进行自动喷漆或 关节 其他涂料的 工业 机械手 。 搬运机械手 以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位 精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。 搬运机械手 是在计算机控制下可编程的自动机器。采用 搬运机械手 是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。机械手 的诞生和发展虽只有 30 多年的历史，但它已应用到国民经济，民事技术等众多的领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力 1 4 运机械手 研究概况 外研究现状 最早系统地研究人类和动物运动原理的是 发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在 1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照片。后来这种采用摄像机的方法又被 本世纪 30年代到50年代，苏联的 就运动作了非常形象化的描述。 真正全面、系统地开展 机械手 的研究是始于本世纪 60年代迄今，不仅形成了 机械手 一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态的 机械手 样机。这一部分，我们主要介绍队 60年代到 1985年这一时期，在 机械手 领域所取得的最重要进展 。 在 60年代和 70年代，对 机械手 控制理论的研究产生了 3种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这 3种控制方法对各种类型的 机械手 都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的 961年提出来的 ，模型参考控制是由美国的 975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗 鲍宾研究所著名的 机械手 学专家 969年至 1972年问提出来的。这 3种控制方法之间有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是 一种居中的情况 1。 在步态研究方面，苏联的 最优步态 ， 两种步态不仅适应于而且也适应于多足 机械手 。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么 机械手 在时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。 在 机械手 的稳定性研究方面，美国的 子 (倒摆 )，从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑， 械手 的 降阶模型 问题进行了研究。 前面我们曾指出 他仅限于导出各关节及整个系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题但在他的研究中， 姿态越平滑，类人型系统所消耗 5 的功率就越少。 国内研究现状 国内 机械手 的研制工作起步较晚，我国是从 20 世纪 80 年代开始 机械手 领域的研 究和应用的。 1986 年，我国开展了 七五 机械手 攻关计划， 1987 年，我国的 863高技术计划将 机械手 方面的研究开发列入其中。目前我国从事 机械手 研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国进行 机械手 技术研究的主要目的是跟踪国际先进的 机械手 技术，随后取得了一定的成就。 哈尔滨工业大学自 1986 年开始研究 机械手 ，先研制成功静态双足 机械手 110 70 10 个自由度，实现平地上的前进、左右侧行以及上下楼梯的运动，步幅 45速为 10秒 /步，后来又相继研制成功了 42 103 12 个自由度，实现了步长 24速 每秒的。目前正在研制的 械手 ，全身可有 52 个自由度，其在运动速度和平衡性方面都优于前三型 机械手 3 7。 国防科技大学在 1988年春成功地研制了一台平面型 6自由度的双足 机械手 能前进、后退和上下楼梯，最大步幅为 40速为 4 步每秒， 1989 年又研制出空间型 10 个自由度，高 69 13现进退、上下台阶的静态稳定以及左右的准动态。 1990 年在 平台上 增加两个垂直关节，发展成 12 个自由度，具备了转弯功能，实现了实验室环境的全方位。 1995 年实现动态，每秒，步长为 2022大斜坡角度达 13 度。 2000 年底在 基础上研制成功我国首台仿人形 机械手 先行者 ，动态，可在小偏差、不确定的环境，周期达每秒两步，高 20头、眼、脖、身躯、双臂、双足，且具备一定的语言功能 8 13。 此外，清华大学正在研制仿人形 机械手 13032 个自由度，在清华大学 985 计划的 支持下，项目也在不断取得进展。南京航空航天大学曾研制了一台 8 自由度空间型 机械手 ，实现静态功能 13,14。 本课题源于 第一届全国大学生机械创新设计大赛 中 机械手 。目前， 机械手 大多以轮子的形式实现功能阶段。真正模仿人类用腿走路的 机械手 还不多，虽有一些六足、四足 机械手 涌现，但是 机械手 还是凤毛麟角。我们这个课题，探索设计仅靠巧妙的机械装置和简单的控制系统就能实现模拟人类的 机械手 。其分功能有：交替迈腿、摇头、摆大臂、摆小臂。 6 运机械手 的总体结构 搬运机械手 的组成及各部分关系概述： 它主要由机械系统 (执 行系统、驱动系统 )、控制检测系统及智能系统组成。 (1) 执行系统：执行系统是 搬运机械手 完成 关节 工件，实现各种运动所必需 的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。 (a) 末端执行器 ： 机械手 为了进行作业而配置的操作机构，直接 喷漆 工件。 (b) 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变 末端执行器的工作方位。 (c) 臂部：联接机座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改变手部的空间位置，满足 机械手 的作业空间，将各种载荷传递到机座。 (d) 机身： 机械手 的基础部分，起支撑 作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。 (2) 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有 机械传动、 机电 传动、气压传动和电传动。 (3) 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。 (4) 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需 要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。 实践证明， 搬运机械手 可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工 人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用 机械手 是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途 4 要内容 第 1 章 绪论 主要介绍 机械手 的相关知识和本课题研究的任务和要求 . 第 2 章 总体方案设计 ,介绍该 机械手 各部分的相关知识和总体设计 . 第 3 章 机械手 各部分设计的介绍 第 4 章 机械手 结构设计 7 2 总体方案设计 械手 工程概述 机械手 工程是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学、机构学、机械设计、气动液压技术、传感技术、计算机技术和自动控制技术等学科领域。人们将已有学科分支中的知识有效地组合起来用以解决综合性的工程问题的技术称之为 系统工程学 。以 机械手 设计为例，系统工程学认为，应当将其作为一个系统来研究、开发和运用，从 机械手的整体出发来研究其系统内部各组成部分之间的有机联系和系统外部环境的相互关系的一种综合性的设计方法。 从系统功能的观点来看，将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起，是一个不可分 的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能。因此，在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发，这个系统应具有如下特性： （ 1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能。 （ 2） 相关性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性。 （ 3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能。 （ 4） 环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化。 因此，在进 行 机械手 设计时，不仅要重视组成 机械手 系统的各个部件、零件的设计，更应该按照系统工程学的观点，根据 机械手 的功能要求，将组成 机械手 系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设计出性能优良适于工作需要的 机械手 产品。在比较复杂的工业 机械手 系统中大致包括如下 :操作机，它是完成 机械手 工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、末端执行器和机构等。驱动系统，它包括作为动力源的驱动器，驱动单元，伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统。控制系统，它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置），人 机接口装置（键盘、示教盒等），各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入 /输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备 14。 工业 机械手 的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性，因而工业 机械手 能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料，进行装配或其他操作。在柔性制造系统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备）、辅助生产设备、 8 控制装置和工业 机械手 等一起形成了各种不同形式地工业 机械手 技术综合体地工业 机械手 系统。在其他非制造业地生产部门，如建筑 、采矿、交通运输等生产领域引用 机械手 系统亦是如此。 业 机械手 总体设计方案 论述 （一） 确定负载 目前，国内外使用的工业 机械手 中，负载能力的范围很大，最小的额定负载在 5N 以下，最大可达 9000N。负载大小的确定主要是考虑沿 机械手 各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括 机械手 末端执行器的重量、 关节 工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载。 （二） 驱动方式 由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响， 体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型 机械手 等特点，故本次设计采用了伺服电机驱动 （三）传动系统设计 机械手 传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高 机械手 的运动和位置控制精度。在 机械手 中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动。 （四）工作范 围 工业 机械手 的工作范围是根据工业 机械手 作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响 机械手 的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择 （五） 运动速度 机械手 操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用 m/s 或（ ） /s 表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行 比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。 9 机械手 机械传动原理 该方案结构设计与分析 该 搬运机械手 的本体结构组成如图 搬运机械手 本体组成 各部件组成和功能 描述如下： 底座部件： 底座部件包括底座、齿轮传动部件、轴承，步进电机等。机座作用是支撑部件，支承和转动大臂部件 ,承受 搬运机械手 的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证 搬运机械手 工作时的稳定运行。 搬运机械手 的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动 手臂分为大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齿轮传动部件，驱动电机。 小臂部件：包括小臂、传动轴、同步传动带等，在小臂一端固定驱动手腕运动的步进电机。手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。 械手 总体 方案 设计 工业 机械手 的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下 3。 (1) 直角坐标 机械手 结构 直角坐标 机械手 的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图 2-1(a)由 10 于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标 机械手 有可能达到很高的位置精度（ m 级）。但是，这种直角坐 标 机械手 的运动空间相对 机械手 的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标 机械手 的结构尺寸要比其他类型的 机械手 的结构尺寸大得多。 直角坐标 机械手 的工作空间为一空间长方体。直角坐标 机械手 主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标 机械手 有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。 (2) 圆柱坐标 机械手 结构 圆柱坐标 机械手 的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1(b)。这种 机械手 构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。 (3) 球坐标 机械手 结构 球坐标 机械 手 的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图 2-1(c)。这种 机械手 结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。 (4) 关节型 机械手 结构 关节型 机械手 的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 2-1(d)。关节型 机械手 动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对 机械手 本体尺寸，其工作空间比较大。此种 机械手 在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机械手 。 关节型 机械手 结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 (a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型 图 2四种 机械手 坐标形式 根据任务书要求和具体实际我们选择的是 (d) 关节型。 具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达 5时考虑到数控机床 11 布局的具体形式及对 机械手 的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。 该 机械手 手臂运动范围大 ,且有较高的定位准确度 ,要求设计的 机械手 为六个自由度，其中腰部有一个旋转自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度，手腕的俯仰、旋转自由度。在本论文中， 要求设计大小臂结构，所以，需要对实现大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度的机构进行详细设计。 机械手的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，结构较紧凑，能抓取靠近机座的物体 。协作单位根据其用途和特点提出如下技术参数 原始数据： (1) 每一次搬运啤酒 11 箱、每箱 12 瓶，搬运重量达 150(2) 搬运动作的时间周期为： 10 12 秒 /次。 (3) 码垛层数： 5 层。 技术要求： (1) 所设计的搬运机器人本体结构能够满足一次搬运重量大、动作周期短、高效、快捷，以及通用性、灵活性等性能要求 ， 同时满足结构工艺性、经 济性等方面的要求。 (2) 装配图 、 零件图 的绘制 应严格按照机械制图国家标准进行，尺寸、公差、形位公差、 技术要求等标注应合理、规范。 (3) 在机器人手臂末端便于实现与各种夹持器的配合联接。 (4) 论文书写要求叙述清楚、符合规范，外文翻译正确。 章小结 本章主要完成对 机械手 系统设计 ,通过多种方案的选择来确定最终要确定的方案 . 确定了 机械手 的总体设计 方案 后，就要针对 机械手 的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。 1 3 机械手大臂结构设计 臂部结构设计的基本要 求 臂部部件是搬运机械手的主要部件。它的作用是支承手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的 :把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态 (方位 )关节 ，则臂部自由度加以实现。因此，一般来说臂部设计基本要求 : （ 1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 臂部通常即受弯曲 (而且不仅是一个方向的弯曲 )，也受扭转，应选用弯和抗扭刚度较高的截面形状。很明显，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工 字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多。所以，搬运机械手常采用无缝钢管作为导向杆，用工字钢（如图 示 ）或槽钢作为支撑钢，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动装置以及管道，这样就使结构紧凑、外形整齐。 （ 2)臂部运动速度要高，惯性要小 在一般情况下，手臂的要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和振动。 为减少转动惯量，应采取以下措施 : (a) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料 ; (b) 减少手臂运