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2011, 1, 47011 () 2011 of a rm , 9, 2011; , 2011; 5, 2011 he of to of of to as be a as an is do so no To we to a of of it . he is as of 1. to as of a an is a or to to of 2. on is SO as an in or 1. to or to a of An or to as as or 007 % 14,000 At 007 in an 0,000 3. to of an to to in a a of a of of 4. of SA of is to a of a to a of 5. In is of of to a of as of a at of 6. on to . 48 1,000 in of is of up an by In a a a to a is of a a to be to to In in to of an of to as be a as an 2. he of is on a to a 6 of a by of is to a of of is or it is to of As is in a is is is of . of of in it is to a of is of a of 4 a of of of is is in in . by to of is is 80 by 9. of on by In of 0 of at , it is by A. on B, B ) C D) as . of 2011 49A. . of . of B. of E) of D) of B) L = 1 of m (of C) m (of D) m (of E) of in as , B, 1)-(4). of , 5), , 6), to , 7) 8), 0 (1) .8 m s (2) 0 (3) .8 m s (4) 220E m CD D L M (5) 2202D c M (6) m 278.6 oz (7) m oz (8) on is a 80 oz/it is we at , 8), we at to is at is 60 oz/of be , 0 30 a 7.9 of be to to 2011 . 50 it a we to of It to t a on be as In to a to to in of . By of in in we of In we of of a on in a of it is an in in of is . 3. o of to of . D . a by as . a in in y in x z by xz as . In 9: z: in z x: in x y: in y as , 21as 9) 10). 2222180 BC x 2(9) 222122x z2(10) 0(11) is to 1 is to 2. is 2011 51A. . . 11). of in to to 4. he is of of it is to a to it be or is in an we of of is of is a as 0. is by a in 0. 5. he be or In a a a to a to do In we of a a a in it be in a of is 1. is 68 a as 2. is in of , it a it is to is is a It to a as as 3, a s 2011 . 52 1. of 2. 3. on or a In is n As is a as 4. to a to or to to is In x y z 1 2 by an so be in a is is a as 5. to In it a 4. 2011 53A. 5. of it an of be as A on is a 80. of is an in In of we of a of as a to In to a as 6, be to as an a in by a or a of we 6. to as 7. by by to on to a on or on by to of to We a to 6. 7. of is by a in it is by to by in to of an polarizati 外文翻译 of a rm 个具有竞争力的低成本的四自由度机械人手臂的设计与开发 院 、 部 ： 机械工程学院 专业名称： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导老师： 摘 要 这项工作的主要重点是设计，开发和实施具有竞争力的机器人手臂具有增强控制和粗短的成本。机器人手臂的设计采用四自由度和才华来完成精确简单的任务，如光材料处理，这将被整合到了作为一个助理为工业劳动力的移动平台。机器人手臂上配有数个伺服电机的臂之间做链接和执行的手臂动作。伺服电机编码器包括使没有控制器实施。控制我们使用 它执行逆运动学计算和串行通信的适当的角度，以一个微控制器，驱动伺服电机，修改的位置，速度和加速度的能力的机器人。机器人手臂的测试和验证，进行和结果表明，正 常工作。关键词：机器人手臂，低成本，设计，验证，四自由度，伺服电机， 机器人控制 目 录 1 引言 . 1 2 机械设计 . 1 3 机械手逆 运动 . 6 4 最终选择效应 . 6 5 机械手的控制 . 7 运动学控制 . 8 动 . 9 6 测试和验证 . 10 7 结果与讨论 . 11 服电机运动范围 . 11 流消耗 . 12 大负载 . 12 终位置 . 12 8 结论 . 13 参考文献 . 14 1 1 引言 机器人实际上是定义为研 究，设计和使用机器人系统的制造 1。机器人通常用于执行不安全的，危险的，高度重复的，和 单调 的任务。它们具有许多不同的功能，如材料处理，组装，电弧焊接，电阻焊接，机床的装载和卸载功能，刷涂，喷涂等。主要有两种不同类型的机器人：一个服务机器人以及工业机器人。服务机器人是机器人，工作半或完全自主地去履行服务，有用的福祉人类和设备，但不包括生产操作 2 。工业用机器人，在另一方面，被正式通过 义的自动控制和多用途可编程操纵器在三个或更多个轴 3。工业机器人是移动的材料，零件，工具，或通过可变的程式动作的 专门设备来执行各种任务。工业机器人系统不仅包括工业机器人，但也能够执行其任务以及测序或监视通信接口需要对机器人的任何设备和 /或传感器。 2007 年全球市场增长了 3，约 114,000 新安装的工业机器人。截至 2007 年底，全国共有大约一万个工业机器人的使用，估计有50,000 服务机器人用于工业用途比较 3 。由于增加使用工业机器人手臂，演变到该主题开始试图模仿人类动作的细节模式。例如一组学生在韩国做创新的设计，为舞蹈的手，举重，中国书法和颜色分类机械臂考虑 4 。另一组工程师在美国开发八个自由度机械臂。该机 器人是能够把握多个对象与很多从笔形状的一球，也模拟人类的手 5。在空间上，航天飞机遥控器系统，被称为 其继任者是例子多度已经用来执行各种使用专门部署热潮的任务，例如航天飞机的检查自由机械臂有摄像头和连接在末端执行器和卫星的部署和检索演习从货舱航天飞机传感器 6 。 在墨西哥，科学家们已经上了轨道设计和 发展 许多机器人的手臂，墨西哥政府估计，在墨西哥有在不同的工业应用中使用了大约 11,000 机械臂。不过，专家认为，机器人手臂的最高点，不仅质量更高，而且准确，可重复性和粗短的成本 。 大多数机器人都设置了一个操作的示教和重复技术。在这种模式下，一个训练有素的操作者（编程器）通常使用的便携式控制装置（示教）手动教机器人的任务。在这些编程会话机器人的速度很慢。 目前的工作是一个两阶段的项目，这需要一个移动机器人能够运送工具从存储室到工业单元的一部分。在这个阶段中的项目，该项目开展了在科技，墨西哥蒙特雷大学，主要的重点是设计， 制定和实施了工业机器人手臂粗短的成本，准确和优越的控制。这个机器人手臂的设计采用四自由度和才华来完成简单的任务，如光队友里亚尔处理，这将被整合到移动平台的形式，作为 一个助理为工业劳动力。 2 机械设计 机器人手臂的机械设计是基于一个机器人操作器具有类似功能的一个人的 2 手臂 6这样的操纵器的链接是由关节，允许旋转运动和操纵器的链接被认为形成一个运动链连接。机械手的运动链的业务最终被称为末端效应器或臂端的 - 工具，它是类似于人的手。图 1 显示了自由体图的机器人手臂的机械设计。 图 1 机械手的自由体图 如图所示，端部执行器不包括在设计，因为市售的夹持器被使用。这是因为端部执行器是系统中最复杂的部分之一，并且，反过来，这是很容易和经济地使用商业 化 生 产 它。 图 2 示 出了机器人手臂的工作区域。 图 2 机械手工作区域图 这是一个机器人臂具有四个自由度（ ）的典型的工作空间。机械设计仅限于 4 自由度，主要是因为，这样的设计允许大部分必要的运动，并保持 成本和机器人竞争的复杂性。因此，关节的旋转运动被限制，其中旋转的肩完成围绕两个轴和周围只有一个在肘和手腕上，参见图 1。 机器人手臂的关节通常是由驱动的电气马达。伺服电动机被选择，因为它们包括编码器，它可以自动提供 3 反馈给电动机并相应地调整位置。但是， 这些电动机的缺点是转动范围小于 180跨度，从而大大减小了臂和可能的 位置到达该区域的 9。的基础上，选定了伺服电机的资格 由结构和可能的负载所需的最大扭矩。在目前的研究中，用于构造的材料是丙烯酸树脂。 图 3 示出用于负载计算的力的图。的计算均只对具有最大负荷关节，由于其他关节将具有相同的电机，即电机可以移动的链接没有问题。计算考虑了权重 的电动机，约 50 克，除电机在关节 B 的重量，因为它是通过链接的 4 示出了力示意图上链路 包含接头（ B 和 C）具有最高的负载（携带了该书的 计算如下进行。 图 3 机械手负载分布图 图 4 负载分布图 用于 扭矩计算的值： 克（体重链接的 克（体重链接的 克（体重链路的 L = 1 千克（负载） 斤（重电机） （公元前链路的长度） 4 液晶显示屏为 （链接的 度） 斯 = （ E 的长度） 执行力之和在 Y 轴，用负载，如图 4 中，并求解 方程（ 1） - （ 4）。同样，执行的时刻周围的点 C 的总和，式（ 5），和点 B，方程 化（ 6），以获得在 C 和 B，等式（ 7）和（ 8），分别在转矩。 0)( y 4 2 0)( y 4 7 5 2 )()( 22 0)()( 0)()( 2)()( 2 0)()( 2 C （ 6） c / （ 7） / （ 8） 该被选择的基础上，计算在伺服马达，是 其具有 280盎司 /英寸的扭矩。该电动机被推荐，因为它比任何其他电机与同样规格便宜得多。由于我们需要更大的扭矩在关节 B，见公式（ 8） ，我们使用两个电动机在点 B 处，以符合扭矩要求 ;然而，一个马达是不够的其它关节。采用两台电机的合资 B 比使用一个大电机 560 盎司 /英寸便宜得多。 图 5 伺服电机 可以在图 5 中示出，其他有关的特征是，它们可以转动 60 度，在 130 毫秒 5 和它们有各自 的重量。一旦被定义为机器人手臂和电机的初始尺寸，设计进行 了使用 台 ;设计应仔细考虑丙烯酸类片材的厚度和该块将被彼此连接的方式。用于使机器人的聚丙烯酸酯片材是 1/8 厚度和该薄片的选择，因为它更容易加工和更轻的重量以良好的抗性。在设计过程中，我们面临着由于强烈的加盟薄亚克力部分的方式有些困难。它是需要工具来烧，并加入丙烯酸零件和未提供的和球队认为机械结基于螺钉和螺母会比其他的替代品，如胶如多强。为了做到这一点，一个小的特征，设计这允许紧固用螺母，螺栓，而不必在薄的丙烯酸层的螺丝。这个过程的结果是在图 6 所示立体设计。 图 6 机械手 3D 模型 按照设计的结束，每个部分被印在满刻度的硬纸板，然后我们核实了所有尺寸和组件的接口。反过来，我们建立了机器人手臂的第一个原型。接着，上述机器人手臂的部件从使用圆锯和皮肤的工具的聚丙烯酸酯片材进行机械加工。的详细说明在各部分被做在一个专业工场因为机器人手臂的部分太小，这并不是一件容易的实现这种小而准确的切割。在组装机器人部件的电机，几个问题弹出。有报道说，没有抵抗所述紧固，并且，反过来，可能会破裂的临界点 ;因此，在这些点援军进行了审议。机器人手臂的最终结果示于图 7。 图 7 机械手总体装配图 6 3 机械手 逆运动 为了验证机械臂的定位准确，逆运动学计算进行。这样的计算来获得每个电机从通过使用直角坐标系， 图 8 坐标系 如图 8 所示的位置上的角度各电动机将具有特定功能：位于 A 结合的位置的马达，在 y 的最终元件轴，马达 B 和 C 的位置在 x 和 z 轴的最后一个元件。该问题已经通过使用 面简化，如图 9 在其下面的已知值被定义在 9 ：前臂长度。 臂长。 Z：在 z 轴上的位置。 X：在 x 轴的位置。 Y：在 y 轴的位置。利用三角关系，如图 9 所示， 2 和 1 可以得到，如在方程（ 9）可见，（ 10）的马达角度。 图 9 面 马达 B 将使用 1和马达 C 被打算用 2。的角度为马达 A 的计算公式为 11）。通过这些计算，伺服电机的角度得到，从而他们采取的行动，整个结构移动到特定位置。 4 最终选择效应 端部执行器可能是该系统的最重要和最复杂的部分之一。 明显 的，它是非常 7 容易和经济地使用商业人比构建它。端部执行器主要是根据应用和机器人臂完成的任务而变化 ;它可 以是气动，电动或液压。由于我们的机器人手臂是基于在电力系统中，我们可以选择末端效应器的电基础。此外，本系统的主要应用是处理，因此，我们的末端执行器的推荐类型是一个夹持器，如图 10。 图 10 夹持器与伺服 5 机械手的控制 该机器人手臂能自动或手动控制。在手动模式下，训练有素的操作人员（程序员）通常使用的便携式控制装置（示教）教一个机器人做手工任务。在机器人的速度这些编程会话是缓慢的。在目前的工作中，我们所包围的两种模式。一个微控制器，一个驱动器和一个台电脑化用户界面：三个层次的呈现机器人手臂的控制基 本上由。该系统具有独特的特点，允许灵活的编程和控制方法，它是利用逆实施运动学 ;此外它也可以在全手动模式下实现。控制的电子设计示于图 11。 图 11 控制器的电子方案 8 用微控制器是一个的 68 ，它有一个名为 “ ”发展规划板，如图 12 。 图 12 微控制器板 图 13 伺服控制器驱动器 编程语言非常类似于 C ，但包括几个库，帮助在 I / O 端口，定时器的控制和串行通信。该微控 制器被选中因为它具有低的价格，这是很容易重新编程，该编程语言是简单的，并且中断可用于这个特定的芯片。所使用的驱动程序是一个六通道微大师伺服控制器板。它支持三种控制方式： 接连接到一台计算机， 口与嵌入式系统，如 微控制器和内部脚本中使用自包含和主机无需控制器的应用。这个控制器，如图 13 所示，包括位置和内置的速度和加速度控器 秒分辨率 用户界面取决于所使用的控制方法，即，逆运动学或全手动模式。在下文中，每个接口描述： 运动学控制 在这种控制方法中，用户输入的坐标系 统中的位置，其中夹爪应。至于后果，接口与 过一个可视化的用户生成的，如图 14 图 14 用户界面 9 程序将自动执行逆运动学的计算，以得到每个电机应具有的角度，然后发送一个命令要么到微控制器，或直接将机器人移动到指定的位置的驱动器。通信是通过 32 协议进行。在下文中，您可能会看到 用户界面的输入和输出。 用户界面输入： X 轴位置。 y 轴的位置。 Z 轴位置。夹持器打开。叼纸牙攻角。串行端口。 用户界面输出是： 电机 A 角。 电机 度。 电机 度。 电机 角。 攻角。 姿势角度 这样的输出变量进行处理，并通过适当的方式发送的，这样的信息可以在一个正确的方式来解释。该输出是通过其连通于控制器串行端口发送。当按钮 “移动 ”被点击时，一个过程将发生，如图 15 图 15 程序流程 在图 15 中，随着这个动作，所述机器人臂将根据所输入的值改变其位置。此外，它有一个待机按钮，停止该通信控制器。 这种方法的主要优点是，它使用移动的有效方法，并提供进一步的功能，可以实现，比如位置和顺序学习。的缺 点，另一方面，是使 具有有效的角度逆运动学计算之后可能的位置是非常有限的，因为伺服电机有180一个约束。 动 这种类型的控制是我们的系统，在特定的位置有用多了一种选择。在强制的情况下持仓逆运动学模式不能计算其有效的角度，我们可以用手动控制来代替。 10 基本上，手动控制包括一系列模拟输入，诸如电位器，一种是与这将解释该值并发送一个命令到伺服驱动器的微控制器相连。为了实现这一点，一个控制板，如图 16 图 16 电位器板 应该被构建为一个接口与用户的工作。可能实现包括教学功能，使微控制器存储在 内存中，并通过键盘或系列交换机，我们可能还记得这些职位的职位 。 6 测试和验证 若干 测试 是 验证该机器人臂和它的组件。 测验 涉及的特定元件和整个系统的，如图 17 所示。 图 17 机械手测试 微控制器测试是由软件发送不同的命令给单片机，检查这是连接到开启或关闭取决于命令伺服电机的输出发生变化。伺服电动机分别通过发送不同的直接脉冲到每个伺服电动机和验证移动到合适的位置的响应之后进行测试。我们使用的 11 标记知道在哪里的初始位置是和最终电机的位置是通过与微控制器发送信号，并且，反过来，它是由伺服解释和比较，由编码器提供的信 号，从而在旋转到所需的位置来确定。在测试过程中，伺服电动机是因为不正确的极化的不一致性与机器人臂系统。 伺服电机驱动器中使用 件发送命令到发送的特定命令其中有一台电机连接根据称道改变位置的驱动微控制器也测试。要注意到，在这一点很重要开始一个项目的不同的伺服电机驱动器被选中，但与他们和微控制器之间的通信几个问题都存在。所以，我们选择一个驱动器，允许数据被直接从计算机发送到它与只有一个 ，所以，微控制器将仅在箱子的使用实现手动控制。其他测试，以验证整个系统的功能， 图 18 机器人手臂的动作 如显示在图 18 中通过引入在 面中的特定位置和测量，以验证一个参考点和最后点之间的距离发生了那些测试：该从逆正确变换到正运动学，指定的角度和马达的转动之间的关系。机器人手臂的测试和验证是需要细长时间，因为需要几次迭代的任务之一。在我们的测试中，很多问题出现的：错误的角度计算，电机的错误校正，问题与物理角度和位置测量，因为这是没有预料过载烧毁伺服电机之一 。 7 结果与讨论 服电机运动范围 伺服电机的极限得到规范，因为这种类型的电机都包含有小于 180 度的跨 12 度。实际范围为所有 电机被发现是在范围 125 - 142 度，如表 1 所示的这清楚地表明，机器人手臂的实际操作是从机架的情况下不同。 表 1 电机角的范围 电动机 角度范围 电机 A 130 电机 135 电机 140 电机 142 电机攻击角度 125 流消耗 消耗电流取决于负载和机器人臂的运动的类型。在目前的研究中，有 4 个级别的电流消耗为： 低（从 0 到 200 这种消费发生时，机器人处于静止状态（不运动的情况下）。 正常（从 200 到 500 这件事发生时，机器人手臂移动与能力去目标没有很大的扭矩需求。 高（ 500 900 毫安）。达到按账面负载的开头这个范围。通过克服的惯性载荷的初始瞬间，在正常范围内发生的地方。 过电流（超过 900 负荷太重，电机不能动弹。为在此条件下被用于多于一分钟，将马达烧毁，也就是说，它是不可能使用的任何多 大负载 这些结果是用不同的权重得到的 ;一袋玉米被用于与规模来决定包的体重。结果进行了使用机器人手臂拿起袋子，并将其移动到特定位置。表 2电流消耗袋玉米的不同权重。从表 2 中可以看出，该机器人可在负载没有问题的移动超过 50 克以下。在负载 60 克，机器人手臂开始有困难，并通过 80 克后发生严重的情况，其中愤怒可逆的损害可发生在马达。 终位置 结果表明，该机器人臂的精度移动至不同的重量（ 50 克），结果列于表 3 ，如图所示，在机器人手臂能够执行移动到指定的位置。然而，这种移动不平滑，有时马达没有足够的力，尤其是当负载很重。此外，一些问题可能会由于同步两个底部的电机。两个电机的步骤是不重合而引起的丙烯酸部位张力，这在箱子被过多会破坏的部分。 13 表 2 负载与电流消耗 空载 电流损耗 20 克 低 40 克 正常 50 克 正常 60 克 高 80 克 过流 100 克 过流 表 3 精度上的所有轴 轴 精度（ + / - ） 1 厘米 2 厘米 1 厘米 8 结论 本文介绍了机器人手臂，具有天赋太一， 单的任务，如光材料处理的设计，开发和实施。机器人手臂的设计和建造从那里伺服电机被用来进行武器之间的联系和执行的手臂动作亚克力材质。伺服电机编码器包括使没有控制器实施 ;然而，电机的转动范围小于 180范围，从而大大减小了臂和可能的位置到达该区域。机器人手臂的设计，因为这是有限的四个自由度设计允许大多数必要的运动和保持成本和机器人竞争的复杂性。末端执行器是不包括在设计，因为市售的夹持器使用，因为它是更容易和经济地使用商业 1 比生成它。在设计过程中，我们面临着由于强烈的加盟薄亚克力部分的方式有些困难。根据螺钉和螺母的机械连接点被使用，并且，为了实现这一点，一个小的特征，设计这使与紧固螺母螺栓，而无需在薄亚克力层螺旋。到控制的机器人手臂，三种方法被执行：一个微控制器，一个驱动器，和一个基于计算机的用户界面。该系统具有独特的特点，允许在编程和控制方法的灵活性，它利用逆运动学实施 ;是 - 两侧也有可能是在全手动模式下实现 。这个机器人手臂是与他人的对比作为多比现有机器人手臂更便宜，还可以控制所有从一台计算机的动作，使用 接口。数进行测试，以验证上述机器人手臂其中睾丸不但涉及特定元素和整个系统 ;在不同的操作条件下的结果显示信任的机器人手臂呈现的。 14 参考文献 1 操作型工业机器人 - 词汇，国际标准化组织标准 8373 ， 1994 . 2 工业和服务机器人，机器人的 际联合会， 2010. 3 案例研究和投资的机器人，机器人协会统计部， 2008 年盈 利能力。 4 ， 人， “多重功能的智能机械臂， ” 志，韩国， 2009 年 8 月 20 ,1995。 5 ，米 人， “设计 8 自由度人型机器人手臂， ”国际智能与先进系统，吉隆坡， 2007 年 11 月 25 1069 6 丽酿， 罗伯茨， “介绍到航天飞行设计：太空机器人 ”太空机器人，马里兰大学巴尔的摩， 2002 年 3 月 26 日的研讨会。 7 职业安全与健康 管理局技术手册， 167 ，劳动， 1970 年美国国防部。 8 L. G “机器人，建模，规划与控制 ”，施普林格，伦敦， 2009 。 9 M. P. “工业机器人 ,可编程 的技术 应用 “西哥 1989 毕业设计（论文）任务书 专业：机械设计制造及其自动化 班： 1101 学生： 施天宇 毕业设计（论文）题目： 车床上料机械手的设计 毕业设计（论文）内容： 零件 成型 工艺性分析 ，机械手 结构类型、方案确定 ， 有关 零件 设计、计算 ， 成型零件的制造工艺设计 ， 零件相关 图纸 的绘制 。 毕业设计（论文）专题部分： 零件成型工艺分析，选择成型的零件，机械手结构方案的确定，主要零部件的设计计算，有关参数的校核。 起止时间： 导教师 签字 ： 年 月 日 摘要 本设计是关于车床的机械手设计，在日常工作生产中机械手的运用是非常广泛的可以说是一种必不可少的科技产品 ,机械手是一种模仿人手的结构而设计的一种零件 ,在日常工作中它可以根据人们发送的指令来完成一系列的工作，所以它的灵活度十分的高运用很广泛。与此同时，也说明了工业机械手可以完成人们完成不了或者很危险的工作，比如，工业机械手可以代替人们做一下复杂精密的工作，这不仅可以减少 失误 ,还可以大大提高了工作的效率 ,有利于社会更快的发展，与此同时，比如一些很危险的工作，比如在车床上切钢板，如果让人工来操作，那么就会显 的很危险，所以这时候让机械手来代替人工那么危险系数会大大的降低，所以机械手的运用必不可少。工业生产的大型工件的运用和操作，此时人工来操作的话会很困难，但是如果编写程序让机械手来操作那么工人只要按一下按钮就可以轻松的操作机械手来完成一系列复杂的工作了。与此同时，对于一些十分严酷的环境，如果人工操作的话会显十分的。更现实的优势 ,具有广阔的应用前景。流水线车床生产是未来生产行业的一个必然的趋势，如果把机械手运用到这个领域中那么就会大大降低工作时间，大大提高工作效率，所以在目前的这个领域里，对于机械手的开放利用，是 一个重大的商机，更是一个大的趋势，因为在目前的生产环境，该产品是必不可少的设备。所以就这点来说，我国要大力发展机械电子方面，这个领域在未来有着不可替代的作 用，如果大力发展了这个专业那么我国未来的机械电子行业，各种高科技行业都会有着更有力的发展。另一方面人才是这个领域的核心，所以 要大力培养相关方面的人才才有可能让我国在这个领域里越来越强大。并且通过发展自己的国家研究和开发，使其可成为机械行业的良好发展动力。 对于这个设计来说，手的设计是关键中的关键，人类的手可以完成大量超凡复杂的工作，所以我们所制作的机械手 也要这个方面的能力，有着超高的灵活度，那么机械手就可以完成一系列大量的工作，而且还进一步的开发了电子机器人可以执行许多操作。只有本发明，谁是从繁重的劳动中逐渐的工对于人类来说无法完成或者危险的工作，那么机械手是一个很好的代替。让更多的人解放出来了，加入了许多机械电子零件的部分，不仅减少了人力，还大大缩小了工作的时间，对于一个企业来说这个方面的创新不仅可以节约成本还可以提高效率，真是两全其美。我相信大部分的工厂都愿意做这件事情。因为这时不仅节省了时间，同时也降低了企成本。 这个主题的汽车计算机辅助设计技术的应 用 ,机械和液压原理设计的总体方案设计 ,已经清楚的坐标机械手和自由形式和机械手的技术参数。和设计夹紧机械手手结构 ,结构手腕、手臂结构。所以它可以执行实际生产自动上料运动 ,根据满足生产力的需求是机械手的运动速度。 关键词 ： 机械手；手部设计；结构设计； is of in of is a is a of is a of of a of a s it to in to to a of so its of At do be or as to do of at as as on if is so to so so of is of of to be if to a of At if of is an of if in so in so is of it is a in is as an in if in in of a On is of is to in in is of be a of of is of do a of so we a of a of of is be or is a to an is of I of to do at of of of of of of So it of to of is of of 阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章绪论 目 录 第一章绪论 . 1 业机械手概述 . 1 械手应用性 . 2 械手的先进性 . 3 内外的研 究现状以及趋势 . 3 计目的 . 3 题内容和设计要求 . 4 械手的组成和系统工作原理 . 6 第二章机械手整体设计方案 论证 . 8 料的机械手设计 . 8 整体车床上料机械手的结构和类型 . 8 械人手臂的坐标的形式以及多个自由度 . 9 臂设计的具体选用方案 . 10 械人手臂腰座结构设计 . 10 械人手臂腰座结构设计要求 . 10 计具体采用方案 . 12 械手手臂结构的设计 . 13 械臂的设计 . 13 械手腕部设计 . 14 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章绪论 器人手腕结构的设计要求 . 14 计具体采用方案 . 15 械手末端执行器（手爪）的结构设计 . 16 械手末端执行器的设计要求 . 16 器人夹持器的运动和驱动方式 . 17 器人夹持器的典型结构 . 17 计具体采用方案 . 19 械手的机械传动机构的设计 . 19 业机器人传动机构设 计应注意的问题 . 19 业机器人常用的传动机构形式 . 20 计具体采用方案 . 20 械手驱动系统的设计 . 21 器人各类驱动系统的特点 . 21 业机器人驱动系统的选择原则 . 21 器人液压驱动系统 . 22 器人电动驱动系统 . 23 计具体采用方案 . 25 第三章机械手设计计算 . 26 持式手抓的设计计算 . 26 抓部力的计算 . 26 部设计 . 27 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章绪论 部的设计要求 . 27 部设计要求 . 28 部回转运动 . 29 部升降运动 . 29 部升降油缸的计算 . 30 第四章机械手的其他部分设置 . 32 冲定位装置 . 32 第五章机械手总体方案总结 . 33 动方案的确定 . 33 格参数 . 33 第六章毕业设计的感想 . 34 参考文献 . 35 致谢 . 36 沈阳化工大学科亚学院 第一章绪论 1 第 一章绪论 在自动化生产过程中，自动化新技术发展迅速。它加速机器人技术的发展，机器人因科学的发展而发展，现代的科技以更好地实现约束力的机械化和自动化为目标。机器人的应用更加模块化，机器人可以提供各种帮助。如果普通车床加工单元可以包括大量的生产模式，可以节省巨大的成本，目前的机械业所制成的机械电子产品结构紧 凑，功能强大。目前，中国的机械应用水平和外国机器人工程学相比，还有不小的差距。产业化和应用也有不小差距，研究和开发机器人水平直接影响到中国的自动化，为了提高生产水平，考虑到经济和技术方面的问题，所以，我认为，机械手这项研究的设计是非常重要。 业机械手概述 可以先讨论一下机械手结构的起源。工业的机械手最开始从美利坚合众国开始的。一九五四年穿西奥率先给大家说出一个概念就是机械手概念。机器人的作用可以让人们行动示范操作可以实现从模拟运动到记录和回放。这就是机器人教学和再现。 优点是可以通过编程来 完成通过程序达到的预定的操作任务 ,同时在所有者和各自优势的结构和性能的机器。特别是反映人类的适应性和智慧。 可以根据使用的大小的范围可分为两种 :通用机械手 ,专用机械手 ;根据行走的轨迹控制方式可分为连续路径控制机械手和位置控制机械手等等。 沈阳化工大学科亚学院 第一章绪论 2 机械手的三个部分，包括控制系统，一方面，体育组织。一只手的一个组成部分（或工具）是由掌握工件 .状，重量，材料和基于抓取工件的要求，有多种结构形式，如类型，夹紧，吸附，等。任何旋转运动机构的建成将使手部结构（摆动），运动和复合运动来实现规定的前进，所以 调整对象的位置和姿态，抓住。电梯和运动机理，缩放，旋转等独立运动方式，称为机械手的自由。因为任何物体在空间的位置和方向被抓，共有六个自由度。该机械手设计的关键参数是自由，更灵活的汇率操纵国，更广泛的使用，和他的结构更复杂的结构。正常情况下，一个特殊的机器人有三个自由度。每一个自由度（自由度运动控制）是由机器人控制的实现特定的运动。同时接收来自传感器的信息反馈。稳定的闭环控制是控制系统的核心，由单片机和其他的微控制芯片，编程实现所要求的功能。 械手应用性 自动化的程度可以提高生产过程中传送机器人 改进材料的应用中，工件装载，和工具的变化和机械组件所需的自动化程度。进一步提高劳动生产率，降低生产成本，以加快生产的工业生产机械化和自动化。 其次，还可以提高劳动生产效率。避免人身伤害。而且， 如果应用机械手可以部分或全部完成人工的作业 ,保证人的人们的安全 ,改善工人的工作条件。 ,人们可以在一些简单动作的生产里，一些简单的生产操作里 ,使用机械手来代替。对于一些危险的环境，如果人工操作相对的危险，那么可以使用机械手来操作 。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章绪论 3 械手的先进性 来看一个国家的经济实力还有他的科学技术水平，就是看一个国家的机械发展水平。因此 ,所有国家发展机械行业作为经济发展的战略重点之一。人类不能单独将连接这些不连续的生产过程很好的链接到一起这样会很费时并且人类再也不能忍受一个个很复杂的工作。机械手的使用很好的解决这种情况 ,不仅降低了作业的错误度 ,还进一步减少了人员伤亡。 工业机器人是一种新技术，在现代自动控制领域，是现代机械制造系统的一个重要组成部分，要大力的发展。随着这种新技术的飞速发展，甚至是一些重复的动作更精确的操纵也可以达到高精度。如果机器人 的操作出现了错误。那么就可以从程序里找出原因。 内外的研究现状以及趋势 作为最早的工业机器人 ,也是第一个现代机器人。它取代了人可以胜任任何工作，让其在机械、冶金、电子、轻工和原子能等方面有了更好的发展。在未来发展的机械手主要是以下两个方面进行创新 :1实现高精度 。 2机械模块化，让其拥有更高的灵活度。 计目的 毕业学生把这个做为毕业设计，这本身就是个一个极为重要的最终实践教学。其基本理论作为学生综合运用基础知识和基本技能，以解决在专业领域的工程问沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章绪论 4 题，并进行了基础和专业训练。为学 生开展今后的工作提供了更好的机会，让其更好地参与今后的工作。 题内容和设计要求 （一）原始数据及资料 （ 1）原始数据： 100000件 （四个自由度） 手部转动 90 臂伸长（收缩） 500转动 180 臂上下运动 600 2）设计要求： 配图、各主要零件图（ 1套） 1份） （ 3）技术上要求 主要参数和确定： 直角坐标系 伸缩运动 500转运动 180 使生产 率满足；生产纲领的要求即可 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章绪论 5 始起止设定位置 3毫米 60 千克 液压驱动系统 （二）分析料槽形式及动作要求 （ 1）料槽的形式 工作的形状是一小部分的转子。因此，零件的这种形状是用来更好的活动。 例如，如图 1机械手的安装简易图所示。该装置结构简单。 图 1 机械手安装简易图 （ 2）动作要求的分析 动作： 1手臂伸长（小段距离）至料区 2手爪夹紧 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章绪论 6 3手臂上升 4手腕旋转 5手臂旋转（对准车床卡料区） 6小臂伸长（至车床卡料区） 7机座移动（ 棒料送入卡盘） 8手部松开 9小臂缩回 10手腕回转 11机座移回 12手臂回转 13手臂下降 械手的组成和系统工作原理 工作原理框图（机械手的系统） 如图 2所示 ： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章绪论 7 图 2 机械手的系统工作原理框图 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 8 第二章机械手整体设计方案论证 料的机械手设计 整体车床上料机械手的结构和类型 例如以下的几种结构 1.“直角坐标”机器手臂的结构 三个相互垂直的线性运动来实现笛卡尔机器人的空间运动。 然而，该空间为相对来说是很小的。 图 3 机械手总体结构类型 图 4 机械手手腕转动形式 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 9 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式（图 4）、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于车床上了机械手在上料时手臂具有升降、收缩及回转运动（图 5），因此，采用圆柱坐标式相应的机械手具有三个自由度。 图 5 机械手直角坐标系 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 10 对于机械手的基本要求是可以快速的进行作业，这就要求它要有更高的精度，并且有足够的灵活度，有大量的工作空间，有一定的刚 度和强度。而且可以轻松的编写程序来写出程序来控制机械手。 图 6 通用车床上料机械手整体结构 械人手臂腰座结构设计 机械手对于各个部分和位置都进行了详细的设计以及机构设计。 1 后座有一个足够大固定结构，以保证机器人在工作时整个系统的稳定性。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 11 2 后座承担全部重量和负载，因此，与基体的轴承结构和腰部具有足够的强度和刚度，以确保它的承载能力。 3 机械手的旋转接头，对机器人的运动和操作的准确性的影响最大，因此，要特别注意对这个部位进行更加精密的设计。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 12 通过摆动液压缸或液压马达，目前的趋势是使用这个。由于其精度高，结构紧凑，并且由电气控制，无需设计液压系统等辅助设备。考虑第一个旋转接头 ,腰座是影响机器人操作的最大因素，并且这个部位采用电机驱动实现旋转运动，一般不能直接驱动电动机 ,考虑到特定需求的速度和转矩 ,采用大型齿轮传动系统。 图 7 腰座具体结构 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 13 械手手臂结构的设计 根据工件的要求，机械手有三个自由度。臂和运动的向下转动通过柱实现，该动作是一个横臂横向运动，由油缸运动来实现。 要求机械手在一定载荷要以以一定的速度，实现预定的动作。在机械手臂的设计中，要考虑到下面的原则 ; 1 手臂应尽可能平行于关节轴，这样我们就可以做反向运动，简化操作，有助于控制机器人。 2 整个零件的尺寸应满足工作条件的要求。工作空间大小和机械臂关节旋转范围的形状和尺寸的长度 有密切的关系。 3 为了提高速度和运动控制精度机械臂应保证有足够的强度和刚度，所以可以采用一些高硬度的材料。 4 手臂要有一定的灵活度，因为在抓取零件时，手要有一定的灵活度，才会更好的去按照程序进行工作。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 14 械手腕部设计 纵臂运动和提升水平（低）伸缩运动为直线运动。考虑到重量的因数，考虑到30千克加工质量，同时，考虑到动态性能和机器人动作的稳定性，安全性，所以对对臂硬度有了更高的要求。与此同时，臂的驱动选择液压传动因为液压系统可以提供大量的驱动力，因此，电力和结构强度是相对容易实现的，关键是机器人的运动的稳定性和刚性。 同时，控制和具体工作要求，臂结构不能太长，如果只增刚度，不能满足系统刚度的要求。因此，附加的设计为导杆机构，前臂加入两个导杆，杆一起形成恒截面的等边三角形，试图以增加其刚性，臂可添加四个导杆，该正方形布局，减少使用中空导杆的素质结构。通过将引导杆，可显著改善刚性和机械手运动的稳定性，更好的结构解决了这个问题。 机器人的手臂运动，给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最 末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。 器人手腕结构的设计要求 1机器人手腕安装在机器人手臂 ,在设计机器人的手腕时 ,应该努力减少其重量和体积 ,结构紧凑。为了减少机器人手腕的重量 ,手腕机构的分离运用驱动。一般安装在手臂、手腕驱动不使用直接驱动 ,并选择高强度铝合金制造。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 15 2机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸。 3机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。 4要设有可靠的传动间隙 调整机构，提高传动精度。 通过数控机床的装载作业的详细分析，并考虑到数控机床的特定形式的具体要求和机器人装载操作，会议系统技术的需求，以提高安全性和可靠性的前提下，那么机器人手结构尽可能地简单，减少控制的难度，这样的设计不会增加手腕的自由度 ,实践证明它是完全可以满足的要求，可以实现机器下运动。特定的手指结构如图 所示。 图 8 车床上料机械手手指 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 16 械手末端执行器（手爪）的结构设计 机器人末端执行器被连接到用于特定的操作或任务的安装机器人的腕部装置。一种机器人末端执行器很多，以适应不同的工作要求和操作机器人。端可以分为运输，处理和测量等。上面的运输，是指被用来抓取或吸附对象处理各种方式操作。加工时用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。 在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题； 们可以添加一个新的机器人的应用领域。因此，根据需要和想像来创造新的机器人末端执行器，我们将继续扩大 机器人手臂的应用。 器人端的要求 量轻，结构紧凑。 构是非常复杂的结构，甚至难以实现，例如，普遍的人形机器手，还没有实用。目前，可用于生产是那些结构简单机器人手。从产业实践中，我们应该注重各种专用，高效的机械手的发展，再加上快速更换终端设备，以实现多种作业功能，而不是制造出一种专用的机械手，这样会提高成本。 遍是指一机多能，和有限的多功能装置的末端执行器，适用于不同的机器人，这需要 端部执行器具有标准机械接口（例如凸缘），端部执行器，以实现标准化和积木。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 17 便安装和维护，易于实现计算机控制。电脑控制的最方便的电动执行机构。因此，主流工业机器人致动器是电动，接着液压和气动。 该机器人抓取和夹持器的机器。一般工业机械爪，爪。根据手指的运动 ,可以分为运动和转换类型 ,根据夹紧方式 ,外夹式和内型两种。 机器人夹持 (爪子 )有三个主要类型的驾驶方式 1。该驱动系统的气动驱动方式是使用电磁阀来控制的运动方向爪 ,与空气调节器调整速度。气动驱 动系统 ,价格低所以气动夹具是在工业上得到广泛应用。此外 ,由于气体的可压缩性 ,迅速开始爪抓住运动具有一定的灵活性 ,这是把握行动是必要的。 2。电力驱动的电动驱动爪更广泛的应用。爪，一般的直流伺服或步进电机，减速机 ,需要足够的动力和力矩。 3。液压传动传动刚度大的液压传动系统 ,可实现连续的位置控制。 1。楔块杠杆式手爪 使用楔和杠杆实现爪抓取工件。 2。槽式夹具 当活塞向前，推针夹紧槽合并，从而产生夹紧作用和夹紧力，当活塞运动，夹爪松脱。钳子打开和关闭行程大 ,适应不同大小的现象 。 3。连杆杠杆爪子 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 18 在推力活塞时，连杆和杆夹（放松）的运动，这时电动控制杆可能会产生更大的夹紧力。通常与温度有关。 4。齿轮齿条式爪 钳子的活塞移动架、机架和齿轮旋转 ,产生夹紧和放松的行为。 5。平行夹杆 在平行四边形机构，以确保这两个手指爪可以平行运动，在导轨平行移动的摩擦要小得多。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 19 结合具体情况 ,设计采用连杆杠杆式的手爪。本设计根据工件的直径是 80 - 130毫米。夹具的具体结构如图 9所示 : 图 9 手爪的具体结构 械手的机械传动机构的设计 机器人是一个多层次的联系和关节空间自由移动机构。除了直接驱动机器人，该机器人是每个零件，每个关节运动由一个由各种机械传动机构驱动。使用机器人驱动机构和一般的机械传动机构是类似的。常见的机械传动机构包括螺旋齿轮，齿轮，皮带驱动，高速带，等等。由于驱动构件直接影响的机器人，稳定和快速反应能力的准确性，因此选择比较准确的驱动是十分重要的。 在设计机器人的传动机构时要注意以下问题： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 20 1。为了提高机器人的运动速度和控制精度 ,要求每个机器人移动部件轻。因此，机器人的驱动系统，力求结 构紧凑，重量轻，体积小。 2采用传动链和运动副间隙的调整机制 ,以减少造成的运动误差。 3。传动部件静摩擦力应该尽可能小 ,动态摩擦应该尽可能小 ,要求高精度的。因此，传动部件要与低摩擦导向轴承组件，诸如滚珠丝杠，滚动导轨轴承。 4。缩短传动链 ,提高轴承刚度 ;基于扭矩大 ,宽调速的直流或交流伺服电机直接连接螺母副 ,以减少中间传导机制 ;螺杆的轴承设计或与两端的轴向预加载轴承预拉伸结构 ,等等。 5。选择最佳的传动比 ,提高系统分辨率 ,减少相当于组件的输出轴的等效转动惯量 ,尽可能提高加速度的能力。 传动机构形式 机器人系统中齿轮传动设计一般在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。 具体到本设计中，因为使用了机器人臂在水平方向和垂直液压缸中，由于液压缸直接驱动。因此，没有中间传动机构，它简化了结构，提高了精度。腰部旋转运动机器人由马达驱动，该传动机构必须用来减缓并增加扭矩。通过分析和比较，选择圆柱齿轮，以确保高精确度，尽可能减小齿轮传动误差，而大大提高了转矩，同时降沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 21 低电机的速度，保持流畅的机器人的移动，良好的动 态性能。所以要使用高强度材料的齿轮。 械手驱动系统的设计 随着液压技术的发展，它具有功率大，响应速度快，直接驱动等容易实现的功能。适用于高负载能力，大惯量的工作和火灾和爆炸的环境中工作使用。然而，在液压系统需要的能量转换（电能被转换成液压能），在利用油门速度大多数情况下的速度控制，效率比电驱动系统高，液压系统对环境的污染高，工作噪音较高。 速度快，结构简单，维修方便，价格低廉。适用于小负载的工作环境。但是，因为它是难以实 现伺服控制，所以不经常使用。 机器人设计中，系统的选择，根据该机器人工作的要求，性能规格，机器人控制的难易程度，机器人的维护和操作，节约成本的因素。请注意，对上述因素，对于各种驱动系统其合理性，可行性，经济性和可靠性要进行考虑，最终选择合适的系统。在正常情况下 : 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手整体设计方案论证 22 1。过程控制机器人，重型液压驱动系统，介质负载可选电动机驱动系统，轻载可选气动驱动系统。冲压机械手采用气动驱动系统 . 2。点焊，弧焊和喷涂机器人，需要指向和路径控制功能，需要使用伺服驱动系统。仅使用 液压或电动伺服系统无法满足要求。重负载的工件，可以选择液压驱动系统。 液压系统自 1962年以来 ,世界上第一个机器人应用到现在 ,已广泛应用于工业机器人。目前，虽然在很多媒体，工业机器人加载电机驱动系统已有很大的比重，但是液压驱动系统十分的方便，成本低，其仍然是必不可少的一个系统。机器人的作用为被控制的电动液压系统将元件信号放大，液压动力机构，位置和速度控制都由程序来控制，运动控制动作基于
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