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第 1 页 附英语原文： is a 1 he by 993. is to a to a 995, an on of is D,3D), 997, a to do a a 2D 11 to a 00ms or to be by it is an of an of of to 50of of is to a of of on as An on as a “ 第 2 页 to is a ) to as a 2D of a in to do D no in on a a of a of in to 0 he of be 4900400 A of ). . 第 3 页 to as in 180 a 180mm be no 5cm on a an in by an C to as is to a m on is or is to C An C is to in of to C if of of is M at wo on a by if is on No by is to or in/ . 第 4 页 1. 5 n to by on 004 of 10A, A of in he SL at is a to by In we do or A to at a in SL be 1-2 m/s to a a in of as 000) to 001). . 第 5 页 be in F to in it is to A be in of It be in SL a of is to of it to of is a so to of to a if to be . 4 . a as a is a of If we a as a a of In a we a to of be as a of To to be as a To is to by 第 6 页 of to to of is of be of be is is to in a be as a in a In of at of of of of is to be an at a to in or of is is a is to of a of is as of of A/C, of of a GP in on is a is of a We a a 第 7 页 第 8 页 中文译文： 机器人杯是一个推动机器人基础科技研究的平台 1 机器人杯的起源，组织和比赛形式： 机器人杯的概念是 1993 年首先提出来的。机器人杯的主要目标是提出一个具有挑战性的研究课题，以便促进机器人学的发展。经过两年的可行性研究，在1995 年秋，人们发表了关于引入机器 人杯国际研讨会及国际足球赛的通告，现在机器人杯足球赛被分为这几部分比赛：模拟对抗赛（ 2D 模式， 3D 模式），小型机器人赛（ 中型机器人赛（ 四足机器人赛，类人机器人赛。在 1997 年 7 月首次官方会议和比赛在日本举行。一年一次的盛事吸引了许多参赛者和观众。 器人杯的 2D 模拟赛 机器人杯 2D 模拟赛用一个叫做足球服务器的模拟器去做足球赛的仿真。足球服务器提供了一个研究多终端系统的标准平台， 22 个终端 (每队 11 个 )与服务器交换信息，服务器以 2D 足球赛的模式模拟球员、足球及场地。每 100球服务器通过接口通讯方式从每个终端接收指令，终端向它所控制的模拟球员发送将要被执行的 (不完全 )的低级信息 (如冲，转，踢 )，终端只能以一种不可靠的窄带通讯信道相互交流信息。这个信道在服务器中是内置的。足球服务器模拟 (不完全的 )球员的感知，并每隔 150各个终端发送简要的分析（如目标，球队员和球，方向距离及相对速度），终端的场地视野仅限于整个场地的一部分。足球服务器实行大多数基本人类足球规则，其中包括越位，角球和射门，并模拟一些基本的球员限制，比如最大跑速及踢球力度，和耐力限制等 ( 每队一个 外加的终端可以以“教练”的身份与其他终端联系，“教授”的特点是可以看到整个场地并在比赛中止时 (如发任意球时 )向其他终端发送策略信息。 足球显示器 (图 2)作为又一个终端与足球服务器交换信息。并为人类提供一个二维的比赛视图，其他类型终端可以以相同的方式与服务器联系，完成一些功能，如三维视图，自动实况报道及统计分析。 在比赛中并没有实际的机器人，但观众可以通过大屏幕来观看比赛。这看起来有点像一个巨大的电脑游戏。每个模拟机器人可以拥有自己的踢球策略和特点，并且每个模拟足球队实际上由一组程序设计员组成。为使比赛能够顺 利完成，许多电脑以网络联接 了起来，比赛共持续 10 分钟，每个半场 5 分钟。 第 9 页 型机器人杯比赛 球场必须为矩形，大小包括边界线，标准长度： 4900度： 3400个小型的机器人杯比赛在两组机器人中进行，每组个人，每个机器人必须限制在一定的尺寸内，该尺寸规定在 规定中进行了详细的说明：机器人必须能放在直径为 180圆圈内，并且不高于 15非利用机载可视化系统。机 器人在一个铺有绿地毯的 的场地中踢球，球是一个桔黄色的高尔夫球。机器人分为两种类型，一种是有局部机载视觉传感器的机器人，一种是具有全局视觉的机器人。全局视觉机器人是现在最普及的类型。利用一个置顶的照相机和场外的 去判定和追踪在场内移动的机器人。置顶相机被固定在一个高出球场平面 3 米的一个相机杆上。局部视觉机器人拥有自己的传感器。视觉信息可以直接通过机器人本身处理，也可以传到场外的 上处理。场外 用来传达裁判指令，并在置顶视觉系统中传递位置信息给机器人，典型的场外 样做好许多协作和控制的处理工作即使它没有做全部的工作。最常用的通讯利用无线通讯方式，并图 4 小型机器人比赛 图 2 机器人杯 2 第 10 页 且通常用专用的商业化的 送 /接收装置，尽管至少有一支队成功地利用了 术。 型机器人比赛 两队带有全部机载传感器的球队在场地踢足球，每支队伍四个人，物体是通过颜色来辨别的。机器人之间的交流 (如果有的话 )是通过无线方式来交流的，比赛过程中没有人类的干预，除非从场地放入或移走机器人。 足机器人赛 四足机器人赛中参赛队伍必须用竞赛委员指定的没有任 何硬件改动的机器人。 在 2004 年机器人赛中人们可以选用以下三种方式其中一种组队： 乐机器人 10A 乐机器人 两种机器人混用。 四个与 关的主要技术问题如下所列： 坚实的机械结构 。一个能在 踢出好水平的机器人必须速度快，并且能够抵抗强烈的撞击，一般来说 器人能在从桌面上掉落下来的情况下仍能够继续踢球。近两年机器人结构设计方面有了一些新的重点，那就是方向选择性驱动和带有允许机器人控球的带球棍。 图 5 中型机器人比赛 第 11 页 可靠的无线通讯 。这个可能 是 单个未解决的最困难的问题。大多数队伍利用同样的 来进行通讯。并且在过去这导致了严重的干扰问题。因为同时安排两场比赛相当困难。联赛的时间变得很长。像 蓝牙技术模块将会在未来被开发出来。 对机器人行为的良好编程 。可以说大多数 队采用了具有简单策略目标的纯反应式设计。足球场地相对于机器人来说太小意味着为机器人计算复杂的策略并不值得。由于机器人相对于足球场地的运动速度过快，大多数系统的范围仅仅是对未来系统的一个简单框架。因此，如果想通过编程来实现更复杂的策略，就必须将扩大 场地的研究作为主要的问题。 2 把足球看作是一个多智能体的环境 从分布式人工智能和多智能体研究方面来看，机器人杯足球赛是一个特殊的但却非常吸引人的实时多智能体环境。如果我们把一个足球队看作多智能体的系统，许多有趣味的研究就会浮现出来。 图 6 四足机器人比赛 第 12 页 在一场比赛中，我们有两个竞争队伍，每个队伍有一个全队的共有目标，那就是赢得比赛。两队的目标是不相容的，对方的球队可以看作是动态的阻碍环境。这个环境可以妨碍全队 的目标实现。为了实现这个目标，每个队成员必须动作迅速，灵活并且能够互相协作，并把局部和全局环境考虑在内。 球队可能有一些全局 (整个球队范围内 )策略去实现共同目标，并且需要局部和全局的技巧来实现子目标。然而，考虑到如下所列的挑战： 比赛环境，也就是说队友和对手的动态程度非常高； 每个球员的感知可以被局部限制； 每个球员的角色可能不一样； 球员之间的交流是有限的，因此每个智能体必须在资源有限的环境下表现得非常灵活并且具有自主特性。 通过对这些问题的总结，我们可以认为机器人足球是一种基于高动态特性环境的 协作的分布式的实时计划方案。在为实现共同目标而实行的分布式协作计划中，重要任务包括在每个智能体上生成有潜力的局部计划，并协调这些局部变化，问题空间的动态变化，比如目标变化频率相对于每个计划者的性能来说是相当大的。轮流产生计划和执行语句的反应式计划被认作是一个有效的方法，至少对一个要处理这些动态问题的智能体来说。 对协作计划安排来说，现实中有许多经常性变化的问题空间或每个智能体存在能力被局部限制的问题。在通讯耗费和全局计划的准确性上有一个折中 (这被叫做预期 /执行折图 7 类人机器人比赛 第 13 页 中 )。通讯耗费是在协调智能体局部计划与全局计划 所必须的。通信耗费与处理耗费之间的关系的研究向我们展现了这个问题。这个研究关心的是 假设的可靠性和优化局部计划与全局计划准确性两者之间的关系。在动态问题空间中的反应式协作计划安排已经多次在基于追逐模式比赛 (捕猎者猎物模式 )中提出并评估。然而追逐赛是一个相对简单的比赛，这种比赛环境一般是为了便于单智能体结构的研究。 我们可以看出，机器人杯足球赛将会为分布式人工智能和多智能体研究提供一个更强劲，集成度更高的令人激动的先驱评价环境。 编号： （ ）字 号 本科生毕业设计（论文） 题目： 电动机械手结构设计 姓名： 学号： 班级： 中 国 矿 业 大 学 本科生毕业设 计 姓 名： 学 号 ： 学 院： 机电工程 学院 专 业： 机械工程及自动化 设计题目： 电动机械手结构设计 专 题： 指导教师： 职 称： 副 教授 2011 年 6 月 徐州 毕业设计任务书 学院 机电学院 专业年级 学生姓名 任务下达日期： 年 月 日 毕业设计日期： 年 月 日至 年 月 日 毕业设计题目： 毕业设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求： 院长签字： 指导教师签字：毕业设计指导教师评阅书 指导教师评语 （ 基础理论及基本技能的掌握； 独立解决实际问题的能力； 研究内容的 理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点； 工作态度 及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题； 是否同意答辩等）： 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语 （ 选题的意义； 基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题； 是否同意答辩等 ）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语 （ 选题的意义； 基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实 际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题； 是否同意答辩等 ）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 毕业设计答辩及综合成绩 答 辩 情 况 提 出 问 题 回 答 问 题 正 确 基本 正确 有一般性错误 有原则性错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字： 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩： 学院领导小组负责人： 年 月 日 摘 要 机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计过程 ，文章中介绍了机械手的设计理论与方法。 同 时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩 、 。设计了机械手的手臂结构。 关键词 ： 机械手 设计理论 驱动力矩 he to so on is an to in s in s At of he of of of of of of 目 录 1 绪论 1 动机械手的概述 1 械手的构成与分类 2 械手的构成 2 械手的分类 5 器人的应用与发展 7 业机器人在工业生产中的应用 7 器人的发展与前景 7 2 总体方案的设计 9 构类型的要求与确定 9 体方案的设计 10 3 机械手部分计算及分析 11 部计算与分析 11 部设计的基本要求 11 紧力的计算 11 爪夹持误差及分析 12 械手腕部分析 13 臂结构设计 14 1 设计参数 16 2 手臂伸缩的尺寸校核 16 部结构设计 19 轮齿条地设计计算 1 9 的设计计算 23 的选择 27 4 驱 动 系 统 设 计 27 械手的驱动方式 27 部驱动电机的选择 30 腕手爪驱动电机的选择 32 5 联轴器的选择 36 择标准联轴器 36 择联轴器的品种、形式 3 7 轴器转矩计算 37 选联轴器型号 37 择联接型式 37 6 单片机的选择 38 片机的概念 38 片机的硬件结构 38 机驱动芯片 理计应用 40 结论 41 参考文献 42 翻译部分 英文原文 43 中文译文 50 致谢 56 第 1 页 摘 要 机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计过程 ，文章中介绍了机械手的设计理论与方法。 同 时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩 、 。设计了机械手的手臂结构。 关键词 ： 机械手 设计理论 驱动力矩 第 2 页 he to so on is an to in s in s At of he of of of of of of 第 3 页 目 录 1 绪论 1 动机械手的概述 1 械手的构成与分类 2 械手的构成 2 械手的分类 5 器人的应用与发展 7 业机器人在工业生产中的应用 7 器人的发展与前景 7 2 总体方案的设计 9 构类型的要求与确定 9 体方案的设计 10 3 机械手部分计算及分析 11 部计算与分析 11 部设计的基本要求 11 紧力的计算 11 爪夹持误差及分析 12 械 手 腕 部分析 13 臂结构设计 14 1 设计参数 16 2 手臂伸缩的尺寸校核 16 部结构设计 19 轮齿条地设计计算 19 的设计计算 23 的选择 27 4 驱 动 系 统 设 计 27 械手的驱动方式 27 部驱动电机的选择 30 腕手爪驱动电机的选择 32 5 联 轴 器 的 选 择 36 择标准联轴器 36 择联轴器的品种、形式 37 第 4 页 轴器转矩计算 37 选联轴器型号 37 择 联 接 型 式 37 6 单片机的选择 38 片机的概念 38 片机的硬件结构 38 机驱动芯片 理计应用 40 结论 41 参考文献 42 翻译部分 英文原文 43 中文译文 50 致谢 56 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 1 页 摘 要 机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计过程 ，文章中介绍了机械手的设计理论与方法。同 时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩、。设计了机械手的手臂结构。 关键词 ： 机械手 设计理论 驱动力矩 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 2 页 he to so on is an to in s in s At of he of of of of of of 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 3 页 目 录 1 绪论 1 动机械手的概述 1 械手的构成与分类 2 械手的构成 2 械手的分类 5 器人的应用与发展 7 业机器人在工业生产中的应用 7 器人的发展与前景 7 2 总体方案的设计 9 构类型的要求与确定 9 体方案的设计 10 3 机械手部分计算及分析 11 部计算与分析 11 部设计的基本要求 11 紧力的计算 11 爪夹持误差及分析 12 械手腕部分析 13 臂结构设计 14 1设计参数 16 2 手臂伸缩的尺寸校核 16 部结构设计 19 轮齿条地设计计算 19 的设计计算 23 的选择 27 4 驱 动 系 统 设 计 27 械手的驱动方式 27 部驱动电机的选择 30 腕手爪驱动电机的选择 32 5 联 轴 器 的 选 择 36 择标准联轴器 36 择联轴器的品种、形式 37 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 4 页 轴器转矩计算 37 选联轴器型号 37 择 联 接 型 式 37 6 单片机的选择 38 片机的概念 38 片机的硬件结构 38 机驱动芯片 理计应用 40 结论 41 参考文献 42 翻译部分 英文原文 43 中文译文 50 致谢 56 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 5 页 1 绪论 业机械手的概述 工业机器手是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专 用机械装置；由计算机控制，是无人参与的自主自动化控制系统；他是可编程、具有柔性的自动化系统，可以允许进行人机联系。可以通俗的理解为 “ 机器人是技术系统的一种类别，它能以其动作复现人的动作和职能；它与传统的自动机的区别在于有更大的万能性和多目的用途，可以反复调整以执行不同的功能。 ” 工业机械手是人类创造的一种机器 ,更是人类创造的一项伟大奇迹 ,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的 0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 ,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术 ,控制系统硬件和软件设计技术 ,运动学和轨迹规划技术 ,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有 130多台喷漆机器人在二十余家企业的近 30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用 的水平和国外比还有一定距离。如：可靠性低于国外产品，机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。影响我国机械手发展的关键平台因素就是其软件，硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在制造业，其中汽车工业占第一位（占 ，电器制造业第二位（占 ，化工第三位（占 。发达国家汽车行业机械手应用占总保有量百分比为 53%，年产每万辆汽车所拥有的机械手数为（包括整车和零部件）：日本 国 国 国 国 大利 世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。 上料机械手与卸料机械手相比，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型铝棒料的搬运及高温材 料的自动上料作业，最大抓取棒料直径达 180大抓握重量可达 30公斤，最大行走距离为1200据作业要求及载荷情况，机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。电气控制系统采用 种作业的实现可以通过编程实现。 国内外实际使用的多是定位控制的机械手，没有“视觉”和“触觉”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手，使它能够对所抓取的工件进行分辨，能选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确地在机器上定位、定向。 为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零部件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 6 页 件。 为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法：一是检测把握物体手臂的变形，以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物件的滑动位移，来修正握力。 因此，这种机械手就具有以下 几个方面的性能： (1）能准确地抓住方位变化的物体； (2）能判断对象的重量； (3)能自动避开障碍物； (4)抓空或抓力不足时能检测出来。 这种具有感知能力并对感知的信息做出反映的工业机械手称之为“智能机械手”，它是有发展前途的。 现在，工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，其效用是代替从事繁重的工作，危险的工作，单调重复的工作，恶劣环境下的工作方面尤其明显。至于像汽车工业和电子工业之类的费工的工业部分，机械手的应用情况决不能说是好的。虽然这些工业部门工时不足的问题尖锐，但采用机械手 只限于一小部分工序，其原因是，工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围很狭小，这是主要原因。经济性问题当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看，不一定总是合算的。然而，利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题得到解决，机械手的应用必将会飞跃发展。 上料机械手和卸料机械手相对，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型机铝棒料的搬运及高温棒料的自动上料作业， 最大抓取棒料直径可达 180大抓握重量可达 30公斤，最大行走距离为 1200据作用要求和载荷情况，机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。电气控制系统采用 种作业的实现可以通过编程实现。 随着机电一体化技术和计算机技术的应用，其研究和开发水平获得了迅猛的发展并涉及到人类社会生产 及生活的各个领域，特别是工业机械手在生产加工中的广泛应用。轿车半轴加工上料机械手设计在综合多种机械手的设计原理和设计思想，根据轿车半轴加工的特点提出的，有一定的理论基础，设计水平和应用价值。 械手的构成与分类 械手的构成 机械人主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及人工智能等所组成。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 7 页 执 行 机 构机器人控 制 系 统驱 动 - 传 动 系 统手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 动 ）电 、 液 或 气 驱 动 装 置单 关 节 伺 服 控 制 器关 节 协 调 及 其 它 信 息 交 换计 算 机(一 )执行机构 包括末端执行器、手腕、手臂、底座等部件，有的还增设行走机构，一般视需要而定。 1、末端执行器 即与物件接触的部件。由 于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。 夹持式手部由手指 (或手爪 )和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，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。平移型应用较少，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件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔 )和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、 V 形面的和曲面的 :手指有外夹式和内撑式 ;指数有双指式、多指式和双手双指式 等。 而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有 :滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力 (如吸盘内形成负压或产生电磁力 )吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。 对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。 对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。 用负压吸盘 和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。 此外，根据特殊需要，手部还有勺式 (如浇铸机械手的浇包部分 )、托式 (如冷齿轮机床上下料机械手的手部 )等型式 . 2、手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位 (即姿势 )。 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置 . 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 8 页 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。 手臂可能实现的运动如下 : 手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装 置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件 受力状态简单。 导向装置结构形式，常用的有 :单圆柱、双圆柱、四圆柱和 尾槽等导向型式。 4、机座 机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安装于机 座上，故起支撑和连接的作用。 5、行走装置 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，可在机座上安 装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 (二 )驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节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、电力传动和机械传动。通常一台机械人只用一种驱动装置。 (三 )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，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间 )，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故障时即发出报警信号。 (四 )人工智能 触觉、视觉、听觉、嗅觉、力觉、压觉、接近觉、滑觉、语言识别、逻辑判断和学习等装置，根据机器人的智能程度决定。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 9 页 械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准， 在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 （一） 按机器人的机构特征来分 机器人的机械配置形式多种多样，典型机器人的机构运动特征是用其坐标特性来描述的。按机构运动特征，机器人通常可分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人和关节型机器人等类型。 1直角坐标机器人。 直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴（见图 7 1），通过直角坐标方向的 3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。主要用于印刷电路基板的元件插入、紧固螺丝等作业。 2柱面坐标机器人。 柱面坐标机器人的空间位置机构主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成（见图7 2），具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。这种机器人结构简单、刚性好，但缺点是在机器人的动作范围内，必须有沿轴线前后方向的移动空间，空间利用率较低。主要用于重物的装卸、搬运等作业。著名的 3球面坐标机器人。 其空间位置分别由旋转、摆 动和平移 3 个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。其机械手能够作前后伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。著名的是这种类型的机器人。其特点是结构紧凑，所占空间体积小于直角坐标和柱面坐标机器人，但仍大于多关节型机器人。 4、 多关节型机器人。由多个旋转和摆动机构组合而成。这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作最接近人的动作，对喷漆、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。不少著名的机器人都采用了这种型式，其摆动方向主要有铅垂方向和水平方向两种，因此这类机器人又可分为垂 直多关节机器人和水平多关节机器人。如美国 0 世纪 70 年代末推出的机器人 图 7 4）就是一种垂直多关节机器人，而日本山梨大学研制的机器人 图 7 5）则是一种典型的水平多关节机器人。 垂直多关节机器人模拟了人类的手臂功能，由垂直于地面的腰部旋转轴（相当于大臂旋转的肩部旋转轴）带动小臂旋转的肘部旋转轴以及小臂前端的手腕等构成。手腕通常由 2 3个自由度构成。其动作空间近似一个球体，所以也称多关节球面机器人。其优点是可以自由地实现三维空间的各种姿势，可以生成各种复杂形状 的轨迹。相对机器人的安装面积其动作范围很宽。缺点是结构刚度较低，动作的绝对位置精度磨较低。它广泛应用于代替人完成装配作业、货物搬运、电弧焊接、喷涂、点焊接等作业场合水平多关节机器人在结构上具有串联配置的二个能够在水平面内旋转的手臂，其自由度可以根据用途选择 2 4买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 10 页 个，动作空间为一圆柱体。水平多关节机器人的优点是在垂直方向上的刚性好，能方便地实现二维平面上的动作，在装配作业中得到普遍应用。 (二 )按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种 : 1、专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系 统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。 2、通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。 通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种 :简易型 以 “开一关”式控制定位，只能是点位控制 : 伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 (三 )按驱动方式分 1、 液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格， 成本高。 2、 气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 3、机械传动机械手 即由机械传动机构 (如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等 )驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特 点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。 4、电力传动机械手 即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。 (四 )按控制方式分 1、点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 11 页 运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用 工业机械手均属于此类。 2、连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。 器人的应用与发展 业机器人在工业生产中的应用 工业机械手在生产中的应用非常广泛，还可以归纳为以下的一些方面： 建造旋转零件体自动线方面 建造旋转零件体（轴类、盘类、环类零件）自动线，一般都采用机械手在机床之间传送工件。 在实现单机自动化方面 (1)各类半自动车床，有自行夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料，装上机械手，可实现全自动化生产。 (2)注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动取料，可实现全自动生产。 (3)冲床有自动上下冲压循环，机械手上下料可实现冲压上产自动化。 铸、锻、焊、热处理等方面 总的来说，由于工业机械手的特点满足了社会生产的需要，进而带来了经济效益。其特点： (1)对环境的适应性强，能代替人从事危险，有害的操作，在长时间对人体有害的场所，机械手不受影响。 (2)机械手能持 久、耐劳、可以把人从单调的繁重的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。 (3)动作准确，可保证稳定和提高产品的质量，同时可避免人为操作的错误。 (4)通用性灵活性好，特别是通用机械手，能适应产品品种迅速变化的要求，满足柔性生产的需要。 (5)采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。 器人的发展与前景 国际上第一台工业机器人产品诞生于 20世纪 60 年代，当时其作业能力仅限于上、下料这类简单的工作。此后机器人进人了一个缓慢的发展期，直到进人 20世纪 80年代，机器人产业才得到了巨大的发展 ，成为机器人发展的一个里程碑，这一时代被称为 “ 机器人元年 ” 。为了满足汽车行业蓬勃发展的需要，这个时期开发出的点焊机器人、弧焊机器人、喷涂机器人以及搬运机器人等四大类型的工业机器人系列产品已经成熟，并形成产业化规模，有利地推动了制造业的发展。为进一步提高产品质量和市场竞争能力，装配机器人及柔性装配线又相继开发成功。 20 世纪 90 年代以来，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展，工业机器人买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 12 页 技术也得到了飞速发展。现在工业机器人已发展成为一个庞大的家族，并与数控（ 可编程、控制器（ 起成为工业 自动化的三大技术支柱和基本手段，广泛应用于制造业的各个领域之中。工业机器人技术从机械本体、控制系统、传感系通行统，到可靠性、网络通信功能的拓展等方面都取得了突破性的进展。机械本体方面，通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国 将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的 机器人操作机几乎成为免维护系统。控制系统方面， 性能进一步提高，已由过去控制标准的 6轴机器人发展到现在能够控制 21轴甚至 27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。传感系统方面，激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日 本 国 络通信功能的拓展，日本 司的最新机器人控制器已实现了与 机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。另外，由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的机器人系统也有了长足的进展。农业生产环境的的复杂性和作业对象特殊性使得农业机器人研究难度更大，农业机器人的应用尚未达到商品化阶段，但农业机器人技术的研究已经在土地耕作、蔬菜嫁接、作物移栽、农药喷洒、作物收获、果蔬采摘等生产环节取得了一些突破性进展 。例如，日本的耕作拖拉机自动行走系统、联合收割机自动驾驶技术、无人驾驶农药喷洒机，英国的葡萄枝修剪机器人、蘑菇采摘机器人和挤牛奶机器人，我国的农业机器人自动引导行走系统、蔬菜嫁接机器人，法国的水果采摘机器人，以及荷兰开发的挤奶机器人等。 机器人技术用于海洋开发，特别是深海资源的开发，一直是的许多国家积极关注的目标。法国、美国、俄罗斯、日本、加拿大等国从 20世纪 70年代开始先后研制了几百台不同结构形式和性能指标的水下机器人。法国的 国的 罗斯的 水下机器人已用于海洋 石油开采、海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面。我国在 90年代中期研制的 “01” 水下机器人在太平洋深海试验成功，海深达 6000m 以上，使我国在深海探测和探索方面跃居世界先进水平。 近年来随着各种智能能机器人的研究与发展，能在宇宙空间作业的所谓空间机器人就成为新的研究领域，并已成为空间开发的重要组成部分。美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人，如美国 。 量为 寸 63048有 6 个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。 服务机器人是近年来发展很快的一个领域，已成功地应用于医疗、家用、娱乐等人类生活的方方面面。作为服务机器人的一个重要分支，医用机器人的主要运用在护理、康复、辅助诊断和外科手术等场合。 1998年 5月德、法两国医生成功利用机器人完成了一例心脏瓣膜修复手术，包括对病人心脏瓣膜的修整和再造。这次手术中使用的是美国直觉外科研究所研制的医用遥控机器人系统。 1998年 6月，机器人又完成了首例闭胸冠状动脉搭桥手买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 13 页 术。机器人技术与外科技术的结合，为病人带来福音。 可以 预见，在 21 世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生产、生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。 2 总体设计方案 构类型的要求和确定 机械结构设计的要求，包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互影响。 (1)对机器使用功能方面的要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本的要求，好的使用性能指标是设计的主要目标。另外操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。 对 机器经济性的要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。 (2)机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的设计来实现，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的，即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑。 要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正设计简单合理的零件结构 、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件。 任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机组成。动力机是机器工作的能量来源，可以直接利用自然资源（也称为一次能源）或二次能源转换为机械能，如内燃机、气轮机、电动机、电动马达、水轮机等。工作机是机器的执行机构，用来实现机器的动力和运动能力，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其它作用的装置。 为实现总体机构在空间的位置提供的 6 个自由度，可以有不同的运动组合，根据本 课题可以将其设计成以下 3种方案： 1圆柱坐标型 这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。 2直角坐标型 直角坐标型工业四自由度的工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 14 页 强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性较差。 又称 极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。 手部负重： 10取物体的形状为圆柱体，圆柱体半径、高度自定，密度 g 自由度数： 3个，沿 Z 轴的转动，沿 坐标型式：圆柱坐标 手臂运动参数： 伸缩行程（ X）： 450缩速度（ 1v ）： 2 5 0 / mm s 升降行程（ Z）： 150降速度（ 2v ）： 6 0 /mm s 回转范围（ ）： 000 180 定位方式：闭环伺服定位 重复定位精度： 驱动方式：电动 控制方式： 片微机 体设计方案 使用现在机械设计方法和电动传动技术进行设计，采用圆柱式坐标。各手臂结构选用封闭式空心截面形状传动方式，选用同步带，螺旋传动和齿轮传动三种传动方式，驱动装置采用步进电动机，控制系统选用单片机的点位控制方式 机的输出经过减速器变速后，通过齿轮传动使腰部绕垂直轴线旋转，其旋转角度为 270，大臂固定在腰部从动轮上，并随着腰部一起转动，从而实现手臂的整体旋转。 大臂的升降机构由腰部来实现，此结构为步进电动机带动蜗杆使蜗轮传动，依靠蜗轮内孔的螺纹带动丝杠升降运动，为防止丝杠转动，采用 了由丝杠上端的花键与固定箱体的花键套组成的导向装置 小臂通过一旋转轴固定在大臂末端，其驱动电机固定在大臂的另一端，通过同步带传买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 15 页 动带动小臂旋转，其旋转的角度为 300。 小臂内部安装有一个步进电动机，通过扇形齿轮齿条转化为实现手抓的开合 3 机械手部分计算及其分析 部计算与分析 1 手部设计的基本要求 (1)应具有适当的夹紧力和驱动力。 (2)手指应具有一定的开闭范围。 (3)应保证工件在手指内的夹持精度。 (4)要求结构紧凑，重量轻，效率高。 (5)应考虑通用性和特殊要求。 3. 夹紧力计算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。 其工件质量 G=10V 形手指的角度 2 =120 ， 1 2 0 2 4b m m R m m ，摩擦系数 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为： 2 根据手指加持工件的方位，可得握力计算公式： 0 . 5 t a n ( )0 . 5 5 t a n ( 6 0 5 4 2 )2 5 ( ) 所以 2 2 4 5 ( ) 实际驱动力： 1 2 因为传力机构为齿轮齿条传动，故 取 取 1K 为 被抓去工件的最大加速度为 3时 则： 2 14aK g 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 16 页 所以， 1 . 5 42 4 5 1 5 6 3 ( )0 . 9 4 所以夹持工件时所需夹紧的驱动力为 1563N。 爪的夹持误差及分析 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图 3而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过 1。手部的最终误差取决于手部装置加工精度和控制系统补偿能力。 图 3持不同工件时的夹持误差 图 31R 2R 为工件直径， 12 工件直径为 60寸偏差 ，则 m a x 4 2 m m ， m 7 m m ， 40 本设计为扇形齿条回转型夹持器，属于两点回转型手指夹持，如图 3示。图 3若把工件轴心位置 表示，根据几何关系有： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 17 页 22( ) 2 c o ss i n s i A l l a 简化为： 2 2 2 221 ( s i n c o s ) ( s i n )s i n A B A l l a 在设计中，希望给定的 确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大，另一方面可选取合适的偏转角 ，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径 为 0R 时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当 a 值较大时），偏转角 的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的 平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径 以 090为条件确定两支点回转型手爪的偏转角 ，即下式： 1 1c o s ( ) s i 其中 2 90a ， 86。 2 120 代入得出： 1 8 0 1c o s ( 4 5 ) 5 6 . 5 7s i n 6 0 8 6 则 0 s i n c o s 8 6 s i n 6 0 c o s 5 6 . 5 7 4 1 . 0 2l m m 则 m m a R ，此时定位误差为 1 和 2 中的最大值。 2 2 2 2 2 2m a xm i ) 2 c o s s i ns i n s i A B A l a l a 2 2 2 2 2 2m i n m i ) 2 c o s s i ns i n s i A B A l a l a 分别代入得： 1 9 1 6 2 9 2 5 所 以， 0 . 5 6 9 2 . 5m m m m ，夹持误差满足设计要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 第 18 页 械手腕部计算及其分析 手腕部件设置在手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度，此设计中要求有绕中轴的回转运动。 机器人手腕自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性
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