六自由度搬运机械手的设计（全套含CAD图纸）
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六自由度并联机器人基于 摘要 本文研究了奇异性条件大多数的 六自由度并联机器人在每一个腿上都有一个球形接头。首先 ,确定致动器螺丝在腿链中心。然后用凯莱代数和相关的分解方法用于确定哪些条件的导数 (或刚度矩阵 )包含这些螺丝是等级不足。这些工具是有利的 ,因为他们方便操纵坐标 从而使几何解释的奇异性条件是更容易获得。使用这些工具 ,奇异性条件 (至少 )144种这类的组合被划定在四个平面所相交的一个点上。这四个平面定义为这个零距螺丝球形关节的位置和 方向。指数 数，奇点，三条腿的机器。 一、 介绍 在过去的二十年里 ,许多研究人员广泛研究并联机器人的奇异性。不像串联机器人 ,失去在奇异配置中的自由度 ,尽管并联机器人的执行器都是锁着但是他们的的自由度还是可以获得的。因此 ,这些不稳定姿势的全面知识为提高机器人的设计和确定机器人的路径规划是至关重要的。 主要的方法之一 ,用于寻找奇异性并行机器人是基于计算雅可比行列式进行的。 安杰利斯 1分类奇异性的闭环机制通过考虑两个雅克比定义输入速度和输出速度之间的关系 。当圣鲁克和 减少了算术操作要求定义的雅可比行列式高夫斯图尔特平台 (从而使数值计算得到多项式。 另一个重要的工具 ,为分析螺旋理论中的奇异性 ,首先阐述了 1900的论文 6和开发机器人应用程序。几项研究已经应用这个理论找到并联机器人的奇异性 ,例如 ,11-14。特别注意到情况 ,执行机构是线性和代表螺丝是零投的。在这些情况下 ,奇异的配置是解决通过使用几何 ,寻找可能的致动器线依赖15-17。其他分类方法闭环机制可以被发现在 18-22。 在本文中 ,我们分析了奇异 点的一大类三条腿的机器人 ,在每个腿链有一个球形接头上的任何点。我们只关注了正运动学奇异性。首先 ,我们发现螺丝相关执行机构的每个链。因为每一个链包含一个球形接头 ,自致动器螺丝是相互联合的 ,他们是通过球形关节的零螺距螺杆螺丝。然后我们使用 它源于管理行机器人包含的刚度矩阵。直接和高效检索的几何意义的奇异配置是最主要的一个优点 ,在这里将介绍其方法。 虽然之前的研究 53分析 7架构普惠制 ,各有至少三条并发关节 ,本文扩展了奇点分析程度更广泛的一类机器人 有三条腿和一个球形关节。使用降低行列式和营商我们获得一个通用的条件 ,这些机器人的奇异性提供在一个简单的几何意义方式计算中。 本文的结构如下。第二节详细描述了运动学结构的并联机器人。第三节包含一个简短的在螺丝和大纲性质的背景下驱动器螺丝 ,零距螺丝作用于中心的球形关节。第四部分包含一个介绍 数的基本工具用于寻找奇异性条件。这部分还包括刚度矩阵 (或导数 )分解成坐标自由表达。第五节中一个常见的例子给出了这种方法。最后 ,第六章比较了使用本方法结果与结果 的其他技术。 二、 运动构架 本文阐述了 6自由度并联机器人有六间连通性基础和移动平台。肖海姆和罗斯 54提供了调查可能的结构 ,产生基于流动公式 6自由度的 他们寻找了所有的可能性 ,满足这个公式对关节的数目和任何链接。三条腿的机器人结构的一个子集所列出的 6自由度 罗斯。 一个类似的例子也证实了了 5,他发现了一个类的三条腿的对称并联机器人 ,球形关节、转动关节的平台在每个腿比其他结构潜在有利。正如上面所讨论的 ,大多数的报告 文献限制他们的分析结构和球形关节位于移动平台和棱柱关节作为驱动的关节。 在这个分类 ,我们包括五种类型的关节和更多的可选职位的球形关节。 我们处理机器人有三个链连接到移动平台 ,每个驱动有两个 1自由度关节或一个二自由度关节。这些链不一定是平等的 ,但都有移动和连接六个基地和之间的平台。除了球形接头 (S),关节考虑是棱镜 (P),转动 (R)、螺旋 (H)、圆柱 (C)和通用 (U),前三个是 1自由度关节和最后两个二自由度的关节。所有的可能性都显示在表 I 和 列表只包含机器人 ,有平等的连锁 ,总计 144种不同的结构 ,但是机器 人与任何可能的组合链也可以被认为是 类方法。组合的总数 ,大于 500 000,计算方式如下 : 三、 管理方法 本节涉及螺丝 和 平台运动 的确定 。 因为考虑机器人有三个串行链 ,每个驱动器螺丝的方向可以由其互惠到其他关节螺钉固定在链条。被动球形接头在每个链部队驱动器螺丝为零距 (行 )并且通过它的中心。因此 ,三个平面是创建中心位于自己的球形关节。 以下简要介绍了螺旋理论 ,广泛的解决 7,73,75;我们解决在第二节中列出相互的所有关节螺钉系统。 上述类的机器人的几何结果奇点现在相比其他方法获得的结果 要准确。首先 ,我们比较奇异条件在上述 3 台与结果报告线几何方法。 根据相对几何条件的他行方法区分不同的几种类型沿着棱镜致动器 81的奇异性。我们表明 ,所有这些奇异点是特定情况下的条件通过 (17 c)提供 ,这是有效的三条腿以及 6:3 台的机器人的考虑。这种结构的奇异的配置根据线几何分析包括五种类型 :3 c、 4 b、 4 d,5 a 和 5 b17,36。 四、 奇异性分析 本节确定奇异性条件定义在第二节的机器人。第一部分包括寻找方向的执行机构的行动路线 ,基于解释第三节中介绍。他 行通过球形接头中心 ,而他们的方向取决于关节的分布和位置。第二部分包括应用程序的方法使用了数在第四节定义奇点。因为每对线满足在一个点 (球形接头 ),所有例子的解决方案是象征性地平等 ,无论点位置的腿或腿的对称性。我们从文献中举例说明使用三个机器人的解决方案。 第一个例子是 3器人提出 1见图 3(a)。对于每个腿驱动螺丝躺在这家由球形接头中心和转动关节轴。特别是 ,致动器螺杆是垂直于轴的 ,和致动器螺杆是垂直于轴的 ,这些方向被描绘在图 3(b)。 第二个例子是 器人提出 et 66见图 4(a)。每条腿有驱动器螺丝躺在通过球形接头中心和包含转动关节轴中。驱动器螺丝穿过球形接头中心并与转动关节轴相连。这些方向被描绘在图 4(b)。 第三个例子是 3造的机器人和 65见图 5(一个 )。每条腿 ,驱动螺丝躺在飞机通过球形接头中心和正常的棱镜接头轴。驱动器螺丝垂直于轴的 ,和致动器螺杆是垂直于轴的 ,这些方向被描绘在图 5(b)。 图 3 (a)3器人提出 1 (b)飞机和致动器螺丝 图 4 (a)3自由度机器人提出 6 (b)飞机和致动器螺丝的 3自由度机器人 图 5 (a)3器人提出 5 (b)飞机和致动器螺丝 2、 雅克 (或 机器人是分解成普通支架 用麦克米兰的分解 ,即 (16)。解释部分 3 b 机器人，本文认为每个链有两个零距驱动器螺丝通过球形接头。拓扑 ,这个描述等于行 6:3 在 53),这三条线 ,每经过一个双球面上的接头平台 (见图 6)。这意 味着每对线共享一个公共点 (这些点在图 6中 )。因此类的机器人被认为是在本文中 ,我们可以使用相同的标记点的至于 6:3 线与相关各机器人通过双点 ,并且 ,用同样的方式在图 6。 图 6 6 - 3 、 结果 本文提出一个广义奇异性分析并联机器人组成元素。这些是有一个球形接头在每个腿链的三条腿的 6自由度机器人。因为球形关节需要驱动器，螺丝是纯粹的力量作用于他们的中心 ,他们的位置沿链是不重要的。组成元素包括 144机制不同类型的关节 ,每个都有不同的联合装置沿链。提出并建立描述几个机器人出现在列 表中。大量的机器人相关的分析组合不同被认为是。奇点的分析是由第一个找到的执行机构使用互惠的螺丝。然后 ,借助组合方法和 得到刚度矩阵行列式在一个可以操作的协调自由形式 ,可以翻译成一个简单的几何条件之后。其定义是几何条件由执行机构位置的线条和球形接头 ,至少有一个相交点。这个有效的奇异点条件考虑所有组成元素中的机器人。一个比较的结果与结果的奇点证明了其他技术所有先前描述奇异条件实际上是特殊情况下的几何条件的四架飞机交叉在一个点 ,一个条件获取的方法直接在这里提出。 of a of to or is of of to be at 144 of is to be of at by of of I. of of in of is of of is on of 1 of by 2 to of in et 35 to of in of is s 1900 6 79 et 10. to of 1114. to in In by 1517. to of be 1822. In we of a of a at in We on we of a to we to an of of of is of of 53 at of to a of a we in a of of is as I in of of II a on of on of V an is a of is I by 54 a of on to of to of SP a of A 55, a of at in to be As of in to on or as or 4 28 to or on In we of We to by or S), P), R), H), C), U), I. 44 of be as of , is 00 000, as of be by to in in to to at a to is 7, 7375; we of I. of of is by in we SP of to of he 81. We of 17c), is as as SP of to 3C, 4B, 4D, 5A, B 17, 36. of I. of of of on on of of V of at is of in or of We A. of he is as 61 3(a). on by In is to is to 3(b). is as et 66(a)on 4(b). is 65 5(a). on to is to is to 5(b). 3. (a) as 61. (b) 4. (a) as 66. (b) of 5. (a) 3as 65. (b) B. or of a is s 16). As of in of is to of or 53), of a on 6). of 6 , . of in we of as of in as 6. to of of of 16) 4). 6. 6 V. a of in to be on is 44 of a in in A of to if of by of of of of in a be a of by of at is in of by of of at a a by 开题报告表 课题名称 六自由度搬运机械手的设计 课题来源 自选 课题类型 导教师 学生姓名 学 号 专 业 机械设计 调研资料的准备 ： 查阅工程机械杂志、期刊、学报等，因特网搜索 国内外相关信息，借阅专业相关书籍、设计手册 图册等。 设计目的 ： 1 综合运用自己在大学里所学的专业 知识， 根据设计要求 设计出 六自由度搬运机械手的 结构 ； 2 学会 运用 机械原理及机械设计中所学到的 内容 ，进而熟练 掌握 大学所学知识 在现实生活中 的应用 ； 3 有效地把 机器人和机构设计 及 相关的软件统一起来，实现有机结合体，使 自己更深层 的 知道 机械 设计在前沿高新技术中的重要作用； 4 在现有的 六自由度搬运机械手 的 研究现状下， 运 用自己所学的专业知识 、 再根据其国内外发展现状来分析 六自由度搬运机械手 在这个领域里发展前景； 5 同时，也 为即将 踏入工作岗位做好 准备，以便 让 自己能够 尽 快地去适应社会，使自己所学得到很好的应用。 要 求 : 1 学习 六自由度搬运机械手 的基本原理及基本构造 ； 2 学习 结构设计 的原则和步骤，并对本 课题 进行总体设计，使其 达到预期的设计目的 ； 3 绘图软件 学习，并用该软件完成六自由度搬运机械手 的设计 ； 4 撰写毕业设计，查阅文献不少于 15 篇 ，其中外文不少于 3 篇 。 思 路 :分析 六自由度搬运机械手 发展 的 现状 ,趋势 ,联系所学的专业知识以及其在 机器人结构设计 方面的应用 . 预期成果： 确保 设计出的 六自由度搬运机械手的设计 能够安全可靠、有效地运行 ，达到预期设计目的。 任务完成的阶段内容及时间安排 : 1 4 周 ： 对 课题 进行 调研，完成文献综述、开题报告； 5 6 周 ： 分析课题设计目的与要求，拟定总体设计方案； 7 11 周 ： 根据设计要求对具体结构细节进行设计； 12 14 周 ： 对设计结构进行三维制图，并得出工程图，并完成相关电路原理图的设计； 15 16 周 ： 撰写毕业设计说明书，准备答辩。 完成设计 (论文 )所具备条件因素 : 在设计过程中，需要用到机械设计、机械制造、机械原理、自动机原理、 自动化控制 、智能仪器、 机构设计、优化设计等方面的知识。并要求具备 图和快速查找各种相关资料的能力。 指导教师签名： 日期： 2014 年 3 月 14 日 院 本科毕业设计（论文） 题 目 六自由度 搬运 机械手 的 设计 学生姓名 专业班级 机 械设计 学 号 院 （系） 学院 指导教师 (职称 ) 完成时间 六自由度搬运机械手的设计 目 录 摘 要 . 1 . 2 1. 绪言 . 错误 !未定义书签。 言 . 错误 !未定义书签。 械手概述 . 错误 !未定义书签。 械手的组成和分类 . 错误 !未定义书签。 手的组成 . 错误 !未定义书签。 手的分类 . 错误 !未定义书签。 械手国内外发展状况 . 错误 !未定义书签。 机器手发展趋势 . 错误 !未定义书签。 机器手研究现状 . 错误 !未定义书签。 械手应用的意义 . 错误 !未定义书签。 课题研究任务 . 错误 !未定义书签。 2. 六自由度搬运机械手的结构设计 . 错误 !未定义书签。 自由度搬运机械手的功能分析 . 错误 !未定义书签。 自由度 搬运 机械手的坐标形式和自由度 . 错误 !未定义书签。 自由度 搬运 机械手的坐标形式 . 错误 !未定义书签。 自由度搬运 机械手的自由度 . 错误 !未定义书签。 自由度 搬运 机械手的手臂结构设计 . 错误 !未定义书签。 自由度搬运 机械手的手臂作用 . 错误 !未定义书签。 自由度 搬运 机械手的手臂组成 . 错误 !未定义书签。 自由度 搬运 机械手的手臂设计要求 . 错误 !未定义书签。 自由度 搬运 机械手的手腕部结构设计 . 错误 !未定义书签。 自由度搬运 机械手的腕部作用 . 错误 !未定义书签。 自由度 搬运 机械手的腕部设计要点 . 错误 !未定义书签。 自由度 搬运 机械手的腕部运动选择 . 错误 !未定义书签。 自由度 搬运 机械手的手部结构设计 . 错误 !未定义书签。 六自由度搬运机械手的设计 械手手部概述 . 错误 !未定义书签。 钳式手部 . 错误 !未定义书签。 钳式手部设计要点 . 错误 !未定义书签。 自由度搬运 机械手的材质选择 . 错误 !未定义书 签。 自由度 搬运 机械手 的连接设计 . 错误 !未定义书签。 3. 电路模块的设计 . 错误 !未定义书签。 源开关控制模块 . 错误 !未定义书签。 写接口模块 . 错误 !未定义书签。 片机最小系统设计 . 错误 !未定义书签。 片 . 错误 !未定义书签。 位电路 . 错误 !未定义书签。 钟电路 . 错误 !未定义书签。 4. R/C 伺服电机程序编写 . 错误 !未定义书签。 !未定义书签。 !未定义书签。 3003 舵机介绍 . 错误 !未定义书签。 机控制流程 . 错误 !未定义书签。 5. 心得体会 . 错误 !未定义书签。 总 结 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 附 录 1. 错误 !未定义书签。 附 录 2. 错误 !未定义书签。 六自由度 搬运 机械手的设计 1 六自由度搬运机械手的设计 摘 要 本文主要针对六自由度机械手在国内外的发展现状， 并 结合 我国 在当前工资水平较低 的 制造业 中， 尽管仍属于劳动密集型 ， 但机械手的使用却相当普遍 这一现状，以及目前世界上对于机械手的整体研究，尤其是六自由度机械手的研究拥有深刻的意义 。 根据当前世界各先进国家对于机械手的应用情况及各先进国家对于机械手乃至机器人这一领域的深入研究，本文主要从六自由度搬运机械手的结构设计与制作，电路图的设计与绘制，控制系统的程序编写三个方面入手，并分别给予详细的介绍，从而让在校大学生或机器人爱好者能以此为基础，从而自己动手，一步步的从机械手 的结构设计与制作，电路图的设计与绘制，控制系统的程序 编写，来设计自己的机械手，从而为以后更 深层次的研究打下基础。 关键词 六自由度 /搬运 /机械手 /单片机 六自由度 搬运 机械手的设计 2 of of n of at s in a of is of a to in of of of of of in so as to or as in by of of of to of 文献综述 题 目 六自由度搬运机械手的设计 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 指导教师 (职称 ) 完成时间 年 3 月 10 日 1 六自由度搬运机械手的设计 摘要 : 众所周知，近 二十年来， 随着现代科技和现代工业的发展，工业的自动化程度越来越高。在工业的自动化中机械手发挥了相当大的作用，小到机床的自动换刀机械手，大到整个的全自动无人值守工厂，无一不能看到机械手的身影。；六自由度的机械手在工业中的应用不仅可以确保运转周期的连贯，提高品质。另外，由于六自由度机械手的控制精确，还可以提高零件的精度。 因此研究和设计 六自由度 机器手 特别是工业机器 手 应用是 非常有必要 的。 关键词 : 六自由度 /机械臂 /串联 /运动 在工资水平 较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交货周期缩短带来的挑战。机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定，而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的市场机会。可见随着科技的进步，市场的发展，机械手 的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。 1、理论意义 六自由度串联机械手是由六个关节组成，机械手安装在工作台上，这种结构使机械手拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动 性，并同时具有移动和操作功能，这使他优于普通的移动机器人和传统的机械手；另一方面，工作平台和机械手不但具有不同的动力学特性，同时考虑轨迹规划的不同特点，六自由度串联机械手在对固定机械手具有 优势的同时，在运用上存在诸多难点，如逆解优化、控制方法、路径规划、解决方案的选用等。因此，六自由度串联机械手复杂运动控制的研究有十分重要的理论意义。 2、应用价值 六自由度串联机械手具有 重量轻、运动速度快、空间通过能力强、完成空间范围大等特点，通 2 过在通用控制窗口上不同轴的控制上 ， 各个关节角度来实现不同的功能 ， 以完成各种示教及工作任务，由于其采用的控制方式为软件编程实现，对于国内工业发展各种机械手运用于现代工业焊接和汽车企业等的喷漆等方面有重要意义，因此对提高国家工业水平、实现其重要价值也具有十分重要的意义。 介 能模仿人手和某些动作功能，固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部工件（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。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 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。 国内外研究 现状 机器人主要分为两类：工业机器人以及其他特种机器人，自 1962 年美国推出世界上第一台 和 工业机器人以来，机器人在工业发达国家得到了迅速发展。根据国际工业机器人联合会 ( 几年的统计 3： 2000 年全世界工业机器人的总数达到 82 万台，比 1996 年增加 24。其中日本拥有 42 万台，占全世界机器人总数的 50左右，继续保持“机器人王国”的地位。除日本外，世界上还有许多工业发达国家，如美国、前苏联和西欧一些国家的机器人产业也发展得很快。例如，在美国， 1970 1980 年间的机器人台数增加 20 倍以上。尽管美国所拥有的机器人在台数上不如日本但其技术水平较高占有一定的优势。在亚洲，韩国的机器人产业发展也很迅速，现排名世界前列而日本、韩国和新加坡的机器人密度 (即制造业中每万名雇员占 有的工业机器人数量 )居世界第 1，包揽了前三名。西欧的意大利、法国、英国和东欧的匈牙利、波兰等，机器人制造业及应用机器人的情况都有很大发展。 其他特种机器人是国外近年来才迅速发展起来的，是机器人技术的 3 一个重要发展方向，主要研究方向有：空间机器人，医用机器人，水下机器人，建筑机器人和军用排爆机器人等等。 现在国外的机器人各个方面的技术发展现状为： 机械结构 以关节型为主流， 80 年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的 1 3。90 年代初开发的适应于窄小空间、快节奏、全工作空间 范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上、下料。应 3K 和汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。 控制技术 大多采用 32 位 制轴数多达 27 轴， 术、离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制。采用基于 开放结构的控制系统已成为一股潮流。 驱动技术 80 年代发展起来的 服驱动已成为主流驱动技术应用于工业机器人中。新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合已开发并用于工业机器人中：在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。 应用智能 化的传感器 装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种以上传感器，有些机器人留了多种机器人接口。 网络通讯方式 大部分机器人采用了 络通讯方式，占总量的 41 3，其他采用 232， 85 等通讯接口。 高速、高精度、多功能化 4 目前，最快的装配机器人最大合成速度为 16 5m s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达 80m s：而另一种并联结构的 器人，其位置重复精度达 190年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展。 集成化与系统化 当今机器 人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大群体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。 我国有组织有计划地发展机器人事业应该说是从“七五”期间的科技攻关及实施“ 863 计划”开始的。经过十几年来的研制、生产、和应用，有了长足的进步。目前在一些方面 6，如喷涂机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器 人、装配机器人、特种机器人 (水下、爬壁、管道、遥控等机器人 )，已掌握了机器人的设计制造技术，解决了控制、驱动系统的设计和配置、软件的设计和编制等关键技术；还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线 (工作站 )及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术。 现在，我国从事机器人研发的单位有 200 多家 7，专业从事机器人产业开发的企业有 50 家以上。“九五”期间，国家“ 863”高技术计划己将沈阳新松机器人自动化股份有限公司、啥尔滨博实自动化设备有限责任公司、一汽集团涂装技术开发中心、北京机械工业自动化所、上海机电一体工程有限公司、四川绵阳四维焊接自动化设备有限公司等确立为智能机器人主题产业化基地。大连组台机床所、上海富安工厂自动化公司、东风汽车公司、昆明船舶公司、哈尔滨焊接研究所、安川北科公司等单位，也都凭借自己开发生产的特色机器人或应用工程项目活跃在当今国内工业机器人市场上。此外，一些科研院所和大学也均在进行机器人技术及应用项日方面的研发工作。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已突破十亿元。 我国机器人技术主题发展的战略目标是 8：根据 2l 世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求， 瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有：第一，危险、恶劣环境作业机器人：主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人：第二，医用机器人：主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等；第三，仿生机器人：主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、离可靠性和易于集成。 我国的机器人研究开发与应用已经取得了一定的成绩，但是总的来看，我国的机器人技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离，无 论从机器人的数量上还是技术上，我们都有一定的差距。进入新世纪以后，国际竞争日益激烈，对机器人的需求越来越大，我国的机器人产业将面临新的发展机遇和来自国外的挑战，因此我们需要自主发展机器人高技术，解决产业化前期的关键 5 技术。积极推进我国的机器人产业化的进程。 六自由度机械手的研制是为了以机械手取代人对生产及危险场所工作，提高自动化水平及作业效率，更重要的是降低人在危险场所的事故发生。我国的机器人技术虽然在一些方面取得了很大成绩，但是我国机器人科研与开发和国外尚有较大差距。故本文从基础入手，对六自由度串 联机械手进行了研究。 通过本次文献综述的整理，不仅锻炼了自己查阅资料的能力，让我熟悉有关技术政策及国家标准和规范手册，而且对当今社会 机械手 的发展现状有了 很大的了解，对我以后的设计奠定了更扎实的基础，另外，更进一步锻炼了我独立思考和动手的能力 。 近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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有机结合。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 柔性制造单元 一个重要组成部分。 下一步更好的 把机床设备和机械手共同构成一个 完善的 柔性加工系统或柔性制造单元，使 它适应于中、小批量生产， 不仅 可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。 机械手 将会在日后的机械加工行业扮演主导性的作用。 总的来说， 机械手 的发展前景是十分乐观的，因此，加强对 机械手 的改进研究将十分重要， 机械手 将使我国及国际机械加工跨上一个新的台阶。 参考文献 1熊有伦机器人技术基础 M武汉：华中科技大学出版社， 1996:1. 2蔡自兴机器人学 M北京：清华大学出版社， 2000： 13蒋新松 J机器人 ,1996， 18(5):286 4莫海军，吴少炜排爆机器人及相关技术 J机器人技术与应用， 2005， 4维普资讯网 . 5金茂箐，曲忠萍，张桂华国外工业机器人发展态势分析 J机器人技术与应用 ,2001， 02 6赖维德对我国工业机器人的一些看法 J中国机械工程， 1998， 9(6) 7 徐方 J2007， 9： 2 6 8张杨林国内工业机器人市场及发展趋势 J大众科技， 2006， 6:191 9吴振彪 M中科技大学出版社， 110何发昌，邵远 北京 :高等教育出版社， 1996 11熊有伦，丁汉，刘恩沧 机械工业出版社， 1993， 10:70 一 71 12 索罗门采夫 . 工业机器人图册 . 北京 机械工业出版社， 1993 4 周伯 英 . 工业机器人设计 . 北京 机械工业出版社， 1995 13 郭洪红 贺继林 田宏宇 席巍 . 工业机器人技术 . 西安电子科技大学出版社， 2006 14 陈国联 王建华 夏建生 . 电子技术 . 西安交通大学出版社， 2002 15 罗建军 崔舒宁 杨琦 . 大学 +程序设计案例教程 . 北京：高等教育出版社， 2004 16 . 1999, 17 in of 4 18 of in of 41. 院 本科毕业设计（论文） 题 目 六 自由度 搬运 机械手 的 设计 学生姓名 专业班级 机 械设计 学 号 院 （系） 学院 指导教师 (职称 ) 完成时间 六自由度搬运机械手的设计 目 录 摘 要 . I . . 绪言 . 1 言 . 1 械手概述 . 2 械手的组成和分类 . 3 手的组成 . 3 手的分类 . 5 械手国内外发展状况 . 5 机器手发展趋势 . 6 机器手研究现状 . 6 械手应用的意义 . 7 课题研究任务 . 8 2. 六自由度搬运机械手的结构设计 . 9 自由度搬运机械手的功能分析 . 9 自由度 搬运 机械手的坐标形式和自由度 . 9 自由度 搬运 机械手的坐标形式 . 9 自由度搬运 机械手的自由度 . 13 自由度 搬运 机械手的手臂结构设计 . 14 自 由度搬运 机械手的手臂作用 . 14 自由度 搬运 机械手的手臂组成 . 15 自 由度 搬运 机械手的手臂设计要求 . 15 自由度 搬运 机械手的手腕部结构设计 . 16 自由度搬运 机械手的腕部作用 . 16 自由度 搬运 机械手的腕部设计要点 . 17 自由度 搬运 机械手的腕部运动选择 . 17 自由度 搬运 机械手的手部结构设计 . 18 六自由度搬运机械手的设计 械手手部概述 . 18 钳式手部 . 19 钳式手部设计要点 . 21 自由度搬运 机械手的材质选择 . 21 自由度 搬运 机械手 的连接设计 . 22 3. 电路模块的设计 . 23 源开关控制模块 . 23 写接口模块 . 24 片机最小系统设计 . 25 片 . 25 位电路 . 27 钟电路 . 28 4. R/C 伺服电机程序编写 . 29 ， 并 结合 我国 在当前工资水平较低 的 制造业 中， 尽管仍属于劳动密集型 ， 但机械手的使用却相当普遍 这一现状，以及目前世界上对于机械手的整体研究，尤其是六自由度机械手的研究拥有深刻的意义 。 根据当前世界各先进国家对于机械手 的应用情况及各先进国家对于机械手乃至机器人这一领域的深入研究， 本文 主要从六自由度搬运机械手的结构设计与制作，电路图的设计与绘制，控制系统的程序 编写 三个方面入手，并分别给予详细的介绍，从而让在校大学生或机器人爱好者能以此为基础，从而自己动手 ， 一步步的从 机械手 的结构设计与制作，电路图的设计与绘制，控制系统的程序 编写，来设计自己的机械手，从而为以后更深层次的研究打下基础。 关键词 六自由度 /搬运 /机械手 /单片机 六自由度 搬运 机械手的设计 of of n of at s in a of is of a to in of of of of of in so as to or as in by of of of to of 自由度 搬运 机械手的设计 1 1. 绪言 言 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定，而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步 ，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。 因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。 图 1业机器人 机器人技术作为 20 世纪人类最伟大的发明之一， 1954 年，美国人 （ 出了一个关于工业机器人的技术方案，随后注册成为专利。 1960 年推出的工业机器人的实验样机。 1961 年推出了定名为“ 第一台工业机器人，用于模铸生产。自 60 年代初问世以来，经历了 40 多年的发展才取得长足的进步。 六自由度 搬运 机械手的设计 2 在国家标准中，工业机器人被定义为 :“一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。”机器人赖以完成各种作业的机械实体 (称作操作机或操作器或机械手 )被定义为 :“具有和人手臂相似的动作功能，可以在空间抓放物体或者进行其他操作的机械装置。”可见，工业机器人是一个机电系统，机械手是它的执行机构。工业机器人在经历了诞生一成长一成熟期后，已成为制造业中不可缺少的核心装备。同时随着社会的发展和人们生活水平的提高，各种各样的机器人也被开发出来去适应制造领域以外 的各个行业。 这些机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。其中移动机器人成为机器人学发展中的一个重要分支。实际上早在 60 年代，国外就有了关于移动机器人的研究。发展到今天，移动机器人涉及到的各学科门类日益丰富，也给国内外的研究人员及学者提出了许多新的挑战，更由于其在军事侦察、排雷排险、防核污染等危险与恶劣环境具有广阔的应用，从而得到了普遍 的关注。 图 1国的“土拨鼠”和 “野牛” 图 1游者走出着陆装置 遥控电动排爆机 械手概述 机械手是机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它能模仿人的手和臂的某些动作功能，用以按照固定程序抓取、搬运物件或者操作工具的自动操作装置。在现代化生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术领域内、迅速发展起来的一门新的技术，它更加促进了机械手的发展，六自由度 搬运 机械手的设计 3 使得机械手能够更好地实现以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子灵活，但它具有不断重复工作和劳动，不知疲劳、不怕危险，抓取重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手也受到了许多部门的重视，并越来越广泛地得到应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气自动控制技术、传感器技术和许多计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能够自动化定位控制并可重复编写程序以变动的多功能机器，它有许多的自由度，可用来搬运物体以完成各个不同环境中的工作。 械手的组成和分类 手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置说组成。各系统相互关系如下方框图 1示。 图 1械手组成部分 （ 1）执行机构 包括 手 部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 即与物件接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可以分为夹持式和吸附式。在本课题中我们选用的是夹持式手部结构。夹持式手部由手指（或手抓）和传力机构组成。手指是与物体直接接触的构件，常用的 手指运动形式有回转型和平移型 。回转型手指结构简单、制造容易，故应用较广泛。平移型运用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物体的表面形状、被抓部位（是外廓还是内孔）和物体的重量及尺寸。常用的指型有平面的、 V 型面的和曲面的；手 指驱动机构 执行机构 控制机构 位置检测装置 六自由度 搬运 机械手的设计 4 有外夹式和内撑式；指数有双指、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生加紧力来完成夹放物体的任务。传力机构型式较多，时常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杆螺母弹簧式和重力式等。 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整抓取物件的方位（即姿势）。 手臂是支撑被抓取物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按照预定要求将其搬运到指定的位置。工业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。 立柱是支撑手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系，机械手的立柱因工作需要，有时也做横向运动，即称为可移式立柱。 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可以在基座上安装轮式行走机构，可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整体运动，滚轮式分为有轨和无轨的两种。驱动滚轮运动应另增设机械传动装置。 基座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件 和驱动系统均装在基座上。故能起到支撑和连接的作用。 （ 2）驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构的动力装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。控制系统是支配工业机械手按规定要求运动系统。目前机械手的控制系统一般由程序控制系统或电气定位（机械挡块定位）系统组成。 （ 3）控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按照规定的程序运动，并记忆 人们给予机械手六自由度 搬运 机械手的设计 5 的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度和时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生错误时发出报警信号。 （ 4）位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。 手的分类 机械手一般分为三类： 需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编写程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能以外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。 需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来探测月球等。工业上应用的锻造操作机也属于这一范畴。 专用机械手，其特点具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，所以主要附属于自动机床 或自动生产线上，用以解决机床上下料和运送工件。这种机械手在国外称为 它是为主机服务的，有主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 在我国，目前主要是采用第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题设计的是教学演示用关节式通用机械手。 械手国内外发展状况 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。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作， 改善劳动条件，保证人身安全 ， 因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 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。 六自由度 搬运 机械手的设计 6 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 ， 需有 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 。 机器手发展趋势 （ 1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从 1991 的 美元下降到 1997 年的 65 万美元。 （ 2）机械结构向模型化、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；国外已有模块化装配机器人产品问世。 （ 3）工业机器人控制系统向基于 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，控制规模越来越小巧，且采用规模化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修 性。 （ 4）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了视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 （ 5）虚拟现实技术在机器人中的作用已经从仿真、预演发展到过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操作机器人。 （ 6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统 构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室，进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的著名实例。 机器手研究现状 从 1994 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已经成为国际研究的六自由度 搬运 机械手的设计 7 热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，、运动学和轨迹规划技术，生产力部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机 器人；其中有 130 多台喷漆机器人在 20 余家企业的近 30 调生产线上获得规模应用，弧焊机器人以应用于汽车制造厂的装配焊接线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及工程应用和国外还是有一定的距离，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，生产线系统技术和国外比还有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200 台，约占全球已安装台数的万分之四。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”，品种规模多、批量小、零部件通用化程度降低、供货周期长 、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面的规划、搞好系列化、通用化、模块化设计、积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“ 863”计划的支持下，也取得了不少的成果。其中最为突出的是水下机器人， 6000m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、爬行机器人、管道机器人等好几种；在机器人的视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定基础的发展。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主型遥控机器人、智能装配 机器人、机器人化机械等开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距很大，需要在原有成绩上，有重点的系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期待在“十五”后期立于世界先进水平之列。 械手应用的意义 随着科学技术的发展，机械手也越来越多的被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀都有应用的实例。 在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： （ 1）可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件装卸、刀具的更换以及机械的装配等的机械化程度， 从而提高劳动生产率和降低劳动成本。 （ 2）可以改善劳动条件、避免人生事故 在高温、高压、低温、低压、有尘灰、噪音、臭味、有放射性和其他毒物污染，六自由度 搬运 机械手的设计 8 以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或者根本不可能的。而应用机械手即可部分或者全部代替人安全的完成作业，使劳动条件有所改善。在一些简单、重复，特别是较为笨重的作业中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于疲劳或疏忽造成的人身事故。 （ 3）可以减少人力，并便于有节奏地生产 应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续工作，这是减少人力的另外一个侧面。因此，在自动化和综合加工自动线上，目前基本上都设有机械手，用以减少人力和能更准确地控制生产节拍，便于有节奏的生产。 课题研究 任务 本课题主要从对机械手的认识及其概念初步入手， 了解机械手的定义、分类、作用、特征等，并由此进一步总结出机械手的主要组成部分 手臂、手指、手腕及机械手的传动系统， 电路与程序组成的控制系统， 分析机械手的工作原理和总体结构，针对机械手所要完成物品的抓取、移动和放 置等任务，进行相关外观结构设计，并针对机械手的传动系统以及驱动系统予以改进。在本课题中，此机械手主要从事于机械行业的教学任务，采用简单的结构设置 ， 从而让在校大学生或机器人爱好者能以此为基础，从而自己动手，一步步的从机械手 的结构设计与制作，电路图的设计与绘制，控制系统的程序 编写，来设计自己的机械手，从而为以后更深层次的研究打下基础 。所以本课题的主要任务是： （ 1） 利用 008 三维制图软件对该机构中的基座、 肩、 手臂、手腕、手指及其传动系统中的 齿轮啮合 予以建模设计，用三维图形展示该机构的具体机构 。 （ 2）用 制装配图以及主要的零件图。 （ 3） 用 件进行电路图的设计与绘制。 （ 4） 用 行 控制 程序的 设计与 编写 。 六自由度 搬运 机械手的设计 9 2. 六自由度 搬运 机械手的结构设计 根据 机械手的基本要求能快速、准确地拾起 就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任一位置都能自动定位等特征。设计原则是：充分分析作业对象（工件）的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺、并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对该机械手结构和运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转接和编程控制。本课题设计的是一种小型的 多关节式 六自由度 机械手，能够满足相应的动作要求，并对一些小质量工件 实现抓取、搬运等一些列动作 。 自由度 搬运 机械手的功能分析 该机械手 系统共有 6 个自由度，分别为 肩的回转与曲摆， 大臂的曲摆，小臂的曲摆，手腕的曲摆与回转，以及手抓的回转。 该系统中 基座固定，与基座相连的 肩 可以进行 360 度的回转 ；与肩 相 连接的大 臂可以进行 +90 度曲摆， 与大臂 相 连接的小 臂可以进行 +90 度曲摆， 大臂和小臂 动作幅度较大，可以满足俯仰要求。 手腕 可以进行 360 度的旋转，手腕也可以完成 +90 度的曲摆，末端的手爪部分可以 +90 度夹持 ， 手爪部分通过一对 齿轮 的啮合转动 ，及其四杆机构完成手爪的开合，可以满足夹持工件的要求。 通过预先编好的程序，下载到单片机内，从而使该六自由度搬运机械手能独立的完成一套指定的搬运动作，并一直重复进行下去！ 自由度 搬运 机械手的坐标形式和自由度 自由度 搬运 机械手的坐标形式 按机械手手臂的不同运动形式及组合情况，其坐标形式可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。 （ 1）直角坐标式机械手 直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可以伸缩，左右和上下移动，按照直角坐标形式 x、 y、 z 三个方向的直线运动，其工作范围可以是 1 个直线运动、 2 个直线运动或 3 个直线运动。如在 x、 y、 运 机械手的设计 10 三个直线运动方向上各有 A、 B、 C 3 个回转运动，即构成了 6 个自由度。如图 2角式坐标机械手具有以下优点： 产量大、节拍短，能满足高速的要求。 容易与生产线上 的传送带和加工装配机械相配合。 适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易改变。 定位精度高，可以达到 下，载重变化时不会影响精度。 易于实行数控，可于开环或闭环数控机械配合使用。 但是，直角坐标式机械手也有自身的缺点，这种机械手作业范围较小 图 2角式坐标机械手 （ 2）圆柱坐标式机械手 圆柱坐标式机械手是应用最多的一种形式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好、结构简单、本体占用空间较小的特点。其动作范围可以分为：一个旋转运动、一个直线运动加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，如 上 图 2示： 图 2柱直角坐标式机械手 圆柱坐标式机械手的基本动作 六自由度 搬运 机械手的设计 11 A. 手臂水平回转。 B. 手臂伸缩。 C. 手臂上下。 D. 手臂回转运动。 E. 手爪夹紧动作。 圆柱坐标式机械手的特征 圆柱坐标式机械手的特征是垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可以做上下直线运动 （ z） 和水平面内做圆弧状的左右摆动 （ ）。 （ 3）球坐标式机械手 球坐标式机械手是一种自由度较多、用途较广的机械手。它是由 x、 、 3 个方面的运动组成，如下图 2示： 图 2坐标式机械手 图中： X 手臂伸缩 上下俯仰 水平旋转 1 手腕摆动 手腕旋转 球坐标式机械手的工作范围包括一个旋转运动、两个旋转运动、两个旋转运动加一个直线运动。 球坐标式机械手的基本动作 俯仰运动。 回转运动。 伸缩运动。 六自由度 搬运 机械手的设计 12 球坐标机械手的特点 球坐标机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧上下俯仰运动，它的臂可以伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人手的动作相似。它的特点是能自动选择最合理的动作线路，所以工效高。另外，由于上下摆动，它的相对体积小。而动作范围大。以行程为 203工作油缸为例，其手臂的上下移动距离就能达到 2450采用圆柱坐标式则其高度就要达到2450坐标式机械手作业范围可以达到 9其他形式约大 3 5 倍。 （ 4）关节式机械手 关节式机械手是一种适合于靠近机体操作的传动形式。它像人手一样有关节，可以实现多个自由度，动作比较灵活，适合于窄空间工作。早在 20 实际 40 年代，关节式机械手就在原子能工业中得到应用，随后又应用于海洋开发，有一定的发展前途。 关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动，见下图 2 图 2节式机械手 关节式机械手具有上肢结构，可以实现近似人手操作的机能，表 2关节式机械手与人体上肢动作角度对比： 六自由度 搬运 机械手的设计 13 表 2 关节式机械手与人体上肢 动作角度对比 肩旋转 上臂曲摆 下臂曲摆 下臂旋转 手腕曲摆 手臂曲摆 手旋转 人体上肢 800 900 0 450 +650 +900 +900 关节式机械手 1800 900 900 1800 800 1800 为具有人手操作的机能，需要研制最合适的结构。关节式机械手的传动机构采用齿轮式、齿条式和摆动式。其传动机构采用哪一种形式，主要根据工件的轻重来决定。特别是靠近关节式前端的关节部位的重量对肩部影响很大。传动机构在承受负荷的同时必须承受自重，因此要合理进行其结构设计。 通常把传送机构的运动称为传送机构的自由度。人从手指到肩部共有 27 个自由度。而如将机械手的手臂也制成这样多的自由度，既有困难又不必要。从力学的角度分析，物件在空间只有 6 个自由度。因此为抓取和传送在空间不同位置和方位的物件，传送机构应具有 6 个自由度，三 个沿 x、 y、 z 坐标轴的移动和三个沿 x、 y、 z 轴的转动。 自由度搬运 机械手的自由度 自由度是指机械手各运动部件在三维空间坐标轴上说具有的独立运动数。它的构成和工作范围概括如下： （ 1）一个自由度 成直线。 成曲线。 （ 2）两个自由度 成平面。 成平面。 成圆柱曲面。 （ 3）三个自由度 成立方体。 成圆柱体。 成球体。 六自由度 搬运 机械手的设计 14 有上述可见，要达到空间任意一点，原则上需要 3 个运动轴，而把一件工具送到相应工件的一定位置时又需要 3 个运动轴。因此，一台通用机械手能够达到空间任意点，并将工具送到相对于工件的任意位置，最低限度需要 6 个运动轴，其中位置自由度为 3 个，姿态自由度为 3 个。 综合考虑，本课题设计采用多自由度关节式形式。相应的机械手具有 6 个自由度，包括： 转 曲摆 曲摆 转 其整体结构简图，如下图 2示： 图 2节式机械手结构简图 自由度 搬运 机械手的手臂结构设计 自由度搬运 机械手的手臂作用 手臂一般有三个运动，包括伸缩、旋转和升降，实现旋转、升降运动主要由横臂和立柱完成。手臂的基本作用是将手爪移动到所需位置和承受手爪抓取工件的最大重量，以及手臂自身的重量。 六自由度 搬运 机械手的设计 15 自由度 搬运 机械手的手臂组成 （ 1）运动元件，如：油缸、气缸、齿条、凸轮等是驱动手臂的主要运动部件。 （ 2）导向装置，是保证手臂运动的正确方向及承受由于工件的重量说产生的弯矩和扭矩的力矩。 （ 3）手臂，起着承接外力和连接的作用，手臂上的零部件，如：油缸、导向杆、控制件都安装在手臂上。 自由度 搬运 机械手的手臂设计要求 （ 1） 该系统中 手臂应承受能力较大，刚性好，自重轻 手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件的平稳性，运动的速度和定位精度。如果刚性差，则会引起手臂在垂直平面内弯曲变形或水平面内的扭转变形，手臂就会产生振动，或工作时工件卡死无法工作。因此，手臂一般都采用硬度高的材质来加大手臂的刚度，各支撑、连接件的刚性也有一定的要求，以保证能承受所需的驱动力。 （ 2）手臂的运动速度要适当，惯性要小 机械手的运动速度一般是根据产品的生产节拍要决定的，但是不要盲目追求高速。手臂由静止状态到达正常运动速度称为启动，由常速到停止不动为制动，其速
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