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方糖
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方糖包装用真空吸头机械手结构设计,方糖,包装,真空,吸头,机械手,结构设计
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!【包含文件如下】【机械类设计类需要定做代做的咨询购买企鹅97666224】.bat1.txt全部图纸.dwg设计说明书.doc摘要随着工业生产规模的扩大，工人易发生安全事故，某公司方糖生产线上，方糖制作 成功后需将方糖放到包装机中，因方糖数目多，工人搬运效率低，所需人员多，高温， 噪声大,所以生产线的自动化水平须大力提高.本文设计了一个 2 自由度的真空吸头机械 手，用做方糖的搬运，此机械手应用到生产线上可以缩短生产周期, 提高生产效率，避 免工人了重复性劳动，并使生产更加可靠。本文介绍了搬运类机械手的发展现况。展开了一个应用在方糖包装生产线的机械手 的机构设计。本文运用机械原理知识解决了从电动机到真空吸头传动机构的方案设计。 运用机械设计知识解决了机构的构件的尺寸，位置问题。再运用材料力学，理论力学知 识完成了机构的强度校核。最后运用 CAD 软件完成了机构的装配图，零件图。本文完成了方糖包装生产线上机械手的结构设计，实现了预定功能需求，达到了高 效、灵活的目的。关键词：机械手；真空；结构设计ABSTRACTWith the scale of industrial production becomes bigger, security accidents are more likely happened to workers. At a company of sugar production line, the sugar need to be put into the packaging machine after being made. Due to low efficiency, the required personnel, the high temperature, noise annulus large adsorption while the number of workers carrying sugar. This paper designs a 2 degree of freedom. the level of automation of production lines need to be improved urgently. Thist ype manipulator applied in the production line can shorten production cycle, improve production efficiency, avoid duplication of labor workers, and make the production more reliable.This paper introduces the development of portable manipulator. The mechanism design of a manipulator used in packaging production line of sugar. In this paper, the mechanical principle is used to solve the design of the drive mechanism from the motor to the vacuum suction head. The mechanical design knowledge is used to solve the problem of the size and position of the components of the mechanism. Then the strength checking of the mechanism is completed by using the theory of material mechanics and theory mechanics. Finally, the assembly drawings and parts drawings of the mechanism are finished by using CAD software.This paper completed the design of mechanical structure of sugar packaging production line in hand, to achieve the intended function requirements, to achieve the efficient and flexible objective.Keywords: Manipulator; Vacuum; Configuration design目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1选题背景11.2国内外的发展现状11.3发展趋势22真空吸头机械手方案的选择42.1 机械手设计方案分析42.2方案确定73机械手结构设计83.1电机的选择83.2摇杆滑块结构设计93.3齿轮传动结构设计103.4偏心轮的结构设计113.5真空吸头的设计134机械手主要部件的强度校核174.1电机校核174.2偏心轮上传动键的校核184.3偏心轮上的轴承校核184.4齿轮的强度校核194.5传动轴的强度校核214.6销的强度校核224.7整体结构的稳定性校核225结论及展望23参 考 文 献24附录 1：外文翻译25附录 2：外文原文33致谢39摘要随着工业生产规模的扩大，工人易发生安全事故，某公司方糖生产线上，方糖制作 成功后需将方糖放到包装机中，因方糖数目多，工人搬运效率低，所需人员多，高温， 噪声大,所以生产线的自动化水平须大力提高.本文设计了一个 2 自由度的真空吸头机械 手，用做方糖的搬运，此机械手应用到生产线上可以缩短生产周期, 提高生产效率，避 免工人了重复性劳动，并使生产更加可靠。本文介绍了搬运类机械手的发展现况。展开了一个应用在方糖包装生产线的机械手 的机构设计。本文运用机械原理知识解决了从电动机到真空吸头传动机构的方案设计。 运用机械设计知识解决了机构的构件的尺寸，位置问题。再运用材料力学，理论力学知 识完成了机构的强度校核。最后运用 CAD 软件完成了机构的装配图，零件图。本文完成了方糖包装生产线上机械手的结构设计，实现了预定功能需求，达到了高 效、灵活的目的。关键词：机械手；真空；结构设计IABSTRACTWith the scale of industrial production becomes bigger, security accidents are more likely happened to workers. At a company of sugar production line, the sugar need to be put into the packaging machine after being made. Due to low efficiency, the required personnel, the high temperature, noise annulus large adsorption while the number of workers carrying sugar. This paper designs a 2 degree of freedom. the level of automation of production lines need to be improved urgently. Thist ype manipulator applied in the production line can shorten production cycle, improve production efficiency, avoid duplication of labor workers, and make the production more reliable.This paper introduces the development of portable manipulator. The mechanism design of a manipulator used in packaging production line of sugar. In this paper, the mechanical principle is used to solve the design of the drive mechanism from the motor to the vacuum suction head. The mechanical design knowledge is used to solve the problem of the size and position of the components of the mechanism. Then the strength checking of the mechanism is completed by using the theory of material mechanics and theory mechanics. Finally, the assembly drawings and parts drawings of the mechanism are finished by using CAD software.This paper completed the design of mechanical structure of sugar packaging production line in hand, to achieve the intended function requirements, to achieve the efficient and flexible objective.Keywords: Manipulator; Vacuum; Configuration designII目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1选题背景11.2国内外的发展现状11.3发展趋势22真空吸头机械手方案的选择42.1 机械手设计方案分析42.2方案确定73机械手结构设计83.1电机的选择83.2摇杆滑块结构设计93.3齿轮传动结构设计103.4偏心轮的结构设计113.5真空吸头的设计134机械手主要部件的强度校核174.1电机校核174.2偏心轮上传动键的校核184.3偏心轮上的轴承校核184.4齿轮的强度校核194.5传动轴的强度校核214.6销的强度校核224.7整体结构的稳定性校核225结论及展望23参 考 文 献24附录 1：外文翻译25附录 2：外文原文33致谢39l方糖包装用真空吸头机械手机构设计1绪论1.1选题背景随着人们对商品包装要求越来越高，包装机械行业成为包装工业的重要组成部分。 包装机械化可以使生产自动化，解放人力，大大提高生产效率，降低企业成本。而包装 用机械手可以用于人体不能接触的洁净产品如药品、食品，特别是生物制品和微生物制 剂的包装，避免了二次污染。如今电子计算机的迅速发展更加促进了机械手的发展，机械手可以跟计算机紧密结 合，并发展成柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 的一个不可或缺的部分，可以进 行中批量，小批量的生产，结构紧凑，有很强的适应性。当拾取对象改变时，机械手也 能改变，有利于企业更换生产品种，拓宽销售途径。而就目前而言，我国无论在食品包 装生产线上，还是其他产品生产线上，自动化水平都比较低。而机械手的发展直接决定 了自动化水平的高低，从经济还是技术讲，开发机械手刻不容缓。因此本文针对方糖包 装生产线上设计一个搬运类的机械手。本次设计的方糖包装用真空吸头机械手是包装过程中运输方糖的机构，其顺利的工 作直接影响产品包装的生产效率。在方糖制造过程中，由于真空吸附机械手属于一种小 型零件，所以对应的包装机构属于小型制造装备。此装置不仅可以用于方糖包装生产线， 还可以用于轻工食品包装业，其中包括各种半自动或全自动的包装生产线，例如，煤气 罐装，酒类，油类，香烟类等。在方糖包装真空吸头机械手设计完成并应用到生产线上 可以提高生产过程的自动化程度，降低生产成本，减少人力，改善劳动条件，并使生产 有节奏的进行。1.2国内外的发展现状国内：我国第一台机械手于 1972 年在上海被研制出来，随后五年计划时，我国在 机械手项目投入了大量的资金。同时一系列机械手的重要部件也被开发出来，如减震齿 轮，专用轴承等等。包装用机械手在食品领域还没有被广泛地应用。我国包装用机械手符合机械手发展 的大趋势，自动化程度不够高。但是开发出包装用机械手很必要。因为，我国包装机械 手要满足我国食品迅速发展的需求，要积极参与国际市场竞争，就必须向“尖精高”的 方向前进，而需打破“小而散”的趋势，就必须积极研发机械手。业内专家认为，未来 包装业将配合产业自动化的发展趋势，向着结构设计标准化，机械功能多元化，模块化， 控制智能化，结构高精度化等几个方向发展。然后，食品产品已趋向多元化精细化的发9展方向，也就是说，大批量的单品种的产品越来越少，而小批量的多品种的产品日益成 为主流。在这样的趋势下，多功能化，能适应多种食品包装的机械手才能满足市场需求。近几年，机械手在中国包装业中的应用获得了大幅度的增长。其中，以码垛、装箱 以及拾取和放置领域中机械手术的应用最为普遍，其在食品包装行业主要用于后端包装。 此外，随着包装行业自动化需求以及机械手技术的成熟和产业化发展的实现，包装业领 域中应用机械手的范围越来越广。而包装用机械手被越来越多的企业所知悉，未来将有 更多行业因其灵活和可靠而使用，机器人将替代许多传统的设备，成为包装领域的重要 助手。据调查，在 2008 年时，只有 20%的厂家用机械手包装搬运代替人工包装搬运产品， 迄今为止，有 75%的最终用户在生产线某一环节运用机械手技术，并且对食品和药品而 言，其工艺技术能力得到很大的发展和进步。国外：机械手是在第二次世界大战期间发展起来的。从那以后，各种功用的机械手，例如焊接，喷漆，上下料，搬运类的机械迅速的发展起来。1958 年美国联合控制公司研 制出来了第一台机械手，结构是一个长臂，可做回转运动，通过电磁铁抓取工件。1962 年，美国联合公司进一步研究出机械手，长臂不仅可以回转，还可以伸缩，俯仰。由此 球面机械手迅速发展起来。1962 年美国研制出一种叫 Versatran 的机械手，意思是灵活 搬运，此时机械手可以用点位和轨迹控制了。应用到生产线，可以实现较高精度的定位。 如今的机械手，运动方式没有太大变化，而控制系统却有很大进展，多用 PLC 可以实现 精准的定位。美国、日本、德国、意大利是世界上包装机械四大强国。美国的包装用机械手发展 历史悠久，且现在较为成熟。 10 多年来，美国不仅是包装用机械手的生产强国，更是 包装用机械手的生产大国。其产品以高、大、精、尖产品居多，机械手与计算机结合， 实现机电一体化控制。德国的包装用机械手制造精度高，技术也处于尖端，特别是啤酒、 饮料机械手设备具有高速、自动化程度高、可靠性好等特点，享誉全球。一些大公司生 产的包装机械手采用传感器，采用光电感应，以光标控制，并配有防静电装置。且包装 机械手加了无污染要求不加润滑脂的不供油润滑原件，不仅不污染环境，保障了食品， 药品等的安全，且减少了摩擦，工作效率大大提高。德国是世界上最大的包装用机械手 出口国。德国研制出来在饮料罐装行业的机械手，可由 PLC 控制，而且工作高效。灌装 速度可达 1100 瓶/h，香烟搬运速度达到 11000/min，且精度很高，大大缩短了生产周期， 提高了生产效率。意大利是仅次于德国的第二大包装用机械手出口国。意大利生产的包 装用机械手具有结构简单，价格经济的特点。目前，世界各国对包装机械手的发展都十 分重视，集机、电、气、光、生、磁为一体的高新技术产品不断涌现。1.3发展趋势（1）.包装用机械手机械机构向模块化，可重构化发展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 重组方式构造机械手整机;国外已有模块化包装用搬运机械手产品问市。（2）控制系统向基于 PC 机开放型控制器方向发展。工业机械手向基于 PC 机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，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和 可维修性。（3）多传感器融合配置技术。 随着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、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、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。（4）数字伺服驱动技术 当代遥控机械手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械手的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使包装用机械 手走出实验室进入实用化阶段。（5）视觉技术 虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。2. 真空吸头机械手方案的选择2.1机械手设计方案分析机械手的形式比较多，按照运动形式分有圆柱坐标式机械手，球坐标机械手，关 节机械手，直角坐标机械手。本次课题设计的方糖包装用机械手是两个自由度的直角坐 标机械手，应满足的标准如下：（1）可让真空吸头实现沿着 x，y 坐标轴的移动，自由度为 2。这样可以从两个位置存取方糖。（2）在能够满足一定强度和刚度条件下，应该尽量选择重量小，占地面积小的结 构，以降低成本，节约空间。（3）应该尽量选择噪声小的传动机构及驱动机构，以减少噪音污染。（4）在一定经济要求下，应该选运动平稳性高的，寿命较长的装置。 2.1.1 真空机械手的整体结构真空机械手整体结构的选择，主要在于传动机构的选择。因为传动机构是整个机械 手最重要的部分，决定了执行机构的行程范围，同时间接决定了方糖生产线的效率。目 前常见的真空机械手分为两种，一种是凸轮链条式的，一种是曲柄连杆式的。二者的优 缺点对比如下:表 2.1 凸轮链条式机械手与曲柄连杆式机械手的对比类型特点凸轮链条式优点：制造成本低，强度刚度较好。缺点：凸轮加工精度有限，有冲击现象，在使用中容易把糖块冲坏，成品率低。结构比较复杂，稳定性差。曲柄连杆式优点：结构简单，便于根据轨迹设计结构，运行平稳，强度刚度比较好，运用的标准件较多。缺点：制造成本高，维修和保养费较高。2.1.2 执行机构真空吸头的运动真空吸头的运动要求时，可以在平面内实现 x 轴方向 y 轴方向的间歇运动。而实现 该间歇运动可用槽轮机构，也可以用摇杆滑块机构。摇杆滑块机构与槽轮机构的性能对比如下表：表 2.2 摇杆滑块机构与槽轮性能对比表摇杆滑块机构槽轮机构构件形式简单较复杂冲击不存在冲击存在柔性冲击传动过程.较平稳平稳尺寸参数可自行设计标准件综上，摇杆滑块机构构件较简单，且安装，维修比较方便，本设计真空吸头执行机 构选择摇杆滑块机构传动。2.1.3 机械手传动结构运动方案设计 齿轮传动可用来传递任意两轴间的运动和力，圆周速度可达 300m/s，传递功率可达105Kw，齿轮直径可从 1mm 到 150mm 变化，是现代机械中应用最广的一种传动。 本设计可以用一直径较小的齿轮代替短杆，要传递两个平行轴的之间的周传转动，可用齿轮传动。同步带同样是啮合传动，同样可以实现两个平行轴间的周向传动。但是 齿轮传动有它独有的优点。齿轮传动与同步带传动对比如下：表 2.3 齿轮传动与同步带传动对比图传动类型同步带传动齿轮齿条传动稳定性有冲击，不稳定平稳传动效率一般高传动精确性一般高成本低高传动距离长短从表可得，为了节省空间，节约成本，提高稳定性，齿轮传动的综合性能较优，所 以选齿轮传动。由于实现的往复的间歇机构，不可以将电动机和齿轮或者摇杆滑块机构直接相连， 须有另外的一个机构将电动机的单向运动转换成往复运动，故引用偏心轮推杆机构。偏心轮推杆运动可以将单向电动机转动转换成往复直线运动。而凸轮推杆也可以实 现该运动，对比偏心轮推杆和凸轮推杆运动：表 2.4 偏心轮推杆与凸轮推杆运动对比偏心轮推杆运动凸轮推杆运动运动稳定性平稳运动时有冲击寿命较长因有磨损寿命短造价高低推杆质量较低较高综合考虑可以用偏心轮推杆运动。同时可以在偏心轮和推杆上打适当数量的分布均 匀的孔，以减少材料，降低成本。2.1.4 真空吸头的运动轨迹 真空吸头的运动轨迹有两种，直线运动型和曲线运动型。表 2.5 真空吸头运行轨迹类型和特点类型特点直线运动型优点：直线运动型运动速度高，在特别要求生产 率高，周期短的场合应用广泛。 缺点：直线运动工作范围较小。曲线运动型优点：可以实现较大范围的运动。 缺点：速度较低，在要求搬运方糖迅速的场合少 用。由于曲线运动可以不通过使机座运动就能使方糖实现 2 个自由度的运动，比较方便， 因此本设计选用曲线运动。2.1.5 机械手驱动方式的选择机械手主要的驱动方式有三种，气压驱动，电机驱动和液压驱动。其特点如表 2.1.5 所示：表 2.6 机械手驱动方式的类型和特点类型特点电机驱动优点：电机可以精准调速，造价低，可以实现一定推力的驱动。缺点：推力较小，若增加推力则会加大成本。液压驱动优点：液压驱动推力大，自身带润滑，可以实现无级变速。缺点：不易紧急换向制动，成本高，维修比较困难。气压驱动优点：气压传动比较环保，气体可以从空气中提取，不发热。缺点：无级调速差。因为电机驱动经济实惠，易于购买和使用，且可以通过调变速档轻松变速，精度高。 因此本设计选用电机驱动。2.2方案确定综上，选择电机驱动的方式，传动机构选择齿轮传动，摇杆滑块传动。偏心轮传动。 电机先连接偏心轮，偏心轮将电机的回转运动转化成带摆角的直线往复运动，偏心轮通 过销连接连到齿轮上，齿轮回转带动摇杆滑块机构。要在最长杆的上方安装一平行等长 的长杆，以保持吸头垂直。方糖重量约为 5g/个，设计一个最大可以吸附 20 个方糖的吸头。由于方糖重量轻， 为了提高生产效率，可增加吸头数量，本设计采用 3 个吸头联动的设计，运动范围在 100mm 到 200mm 之间，总体机构的一部分安装在一个 655*720*800 的箱体里。箱体用于 承重，密封作用。至此，根据基本常识设计的机械手已经基本确定。主要技术参数如下：表 2.7 本设计机械手的技术参数吸盘吸持力100g运动形式直角坐标手臂升降行程范围85mm手臂水平运动行程范围200mm驱动方式电动机自由度数23 机械手结构设计3.1 电机的选择吸头往复为一个周期。此时电动机转动一周。由于整个装置重量轻，为了保持吸附 的稳定性，周期不易太长，且周期跟电机转速是同步的，所以应选择小功率中低转速的 电机。为了使生产周期可调，应在电动机是上安装变速装置。YE2 电机性能介绍：YE2-90355 系列（IP55）是三相异步电动机，它效率很高。 是自扇冷鼠笼型，密闭性强的三相异步电动机。该系列电动机的效率指标到达中国 GB18613-2012中小型三相异步电动机能限定值及能效等级中的 3 级能效等级。 YE2-90355 系列高效率三相异步电动机工作效率优良，各项性能指标达到国际先进水平。 YE2 电动机可以用于驱动吹风设备，泵类等长期运行的负载，并能节约可观的电能，对 环境保护有好处。YE2-90355 系列（IP55）高效率三相异步电动机的安装尺寸功率等级符合国际电 工委员会 IEC72-1 标准，中心高 H160 及以上电机设有不停机注排油装置，并安装了防 潮装置，方便用户选用。电动机定子采用 F 级绝缘， K，电动机温升范围比较广，因此 使用时间久；转子采用铸铝加工制造，运动时具有平稳性。本系列电动机功率范围：0.75315KW；机座号中心高：H90355 转速从 0.83rmin300rmin。对比 YE2 电机和普通电机：表 3.1 YE2 电机与普通电机性能对比电机YE2 电机普通电机额定功率0.75315KW一般大于 0.75KW额定转速0.83r/min300r/min一般大于 750r/min额定转矩约为 5.2NM一般小于 3.0NM减速比自带减速器无所以基于以上的对比，选择广东省东莞市电机有限公司生产的 YE2-90S-2 系列齿轮 减速电机。功率为 0.75KW,总重量约为 2kg，其中电机转速为 13r/min,电机额定转矩 M=5.2NM.3.2 摇杆滑块机构设计首先根据吸头升降长度为 85mm，吸头水平运动长度为 200mm，画出吸头的两个位置。 然后初步拟定最长杆为 350mm，滑道位置。然后以吸头的两个位置为圆心，以最长杆长 度为直径，作圆，交滑道于两点，这两点就是滑块的两个位置。接着定义摇杆与最长杆连接的位置，以滑块两个位置为中心，以一定长度为半径作 圆，交两杆两个位置于两点，过这两点作一个有适当半径长度的圆，圆心距这两点的位 置就是摇杆长度。再确定滑道长度，可以定义此机构的极限位置。可初步设定方案如下图：图 3.1 摇杆滑块机构3.3 齿轮传动结构设计初步拟定齿轮传动比为 1:4。机身重量不大，选取输入功率为 0.75Kw。大小齿轮参 数设计如下：(1)材料选择 由机械设计表 10-1 选择大齿轮材料为 Q235，齿面硬度为 240HBS， 小齿轮材料为 Q235，齿面硬度为 280HBS。小齿轮齿数z1=32，所以大齿轮齿数为z2 = 32 i =128按齿面接触强度设计，由设计计算公式进行试算，即d 3 2TKt d1. (ZHZEu+1 uH)2）(2)说明：式中，由于外啮合，所以 u+1确定公式内的各计算数值6试选载荷系数Kt = 1.6计算齿轮转矩 T = 9.5510n选择齿宽系数d = 0.1 P = 550961N mm由机械设计图 10-30 选取区域系数ZH = 2.244由机械设计图 10-26 查得1 = 0.75，,2 = 0.83，则 = 1 + 2 = 1.58 由机械设计图 10-6 查得材料的弹性影响系数ZE = 179.8MPa0.5 由机械设计表 1021d 按齿面硬度查得小齿轮接触疲劳极限Hlim1 = 600Mpa，大齿轮的接触疲劳极限Hlim2 = 550Mpa由机械设计图 10-19 取接触疲劳寿命系数KHN1 = 0.92，KHN2 = 0.88计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%，安全系数 S=1,得KHN1Hlim119同理【 】H2H1 =484Mpa= 0.92 600 = 552MpaS因此应按照小齿轮的接触强度设计，先计算小齿轮直径，再计算大齿轮直径。（3）计算试算小齿轮分度圆直径d 3 2TKt d2. (ZHZE )2u+1 uH计算圆周速度= 96mmdn计算齿宽 b 及模数v = 60 1000 = 0.05m/sb = d d = 0.1 96 = 9.6mmd96m = 3z32h = 2.25 m = 2.25 3 = 6.75b96=h6.75= 14.22计算载荷系数,根据 v=0.05mm/s，由机械设计图 10-8 查得动载荷系数Kv = 1.12 由机械设计表 10-3KH = KF = 1.5 由机械设计表 10-2 查得使用系数KA = 1由机械设计表 10-4 查得KH = 1.622由机械设计表 10-13 查得KF = 1.44因此强度载荷系数为K = KAKVKHKH = 1.12 1 1.622 1.44 = 2.616（4）.按照实际的载荷系数所算得的分度圆直径为：3 Kd = dKt= 96 3 2.6161.6= 106mm（5）根据齿根弯曲强度设计32KTYCOS2dz1aYFaYSaF式中：载荷系数为ma K = KAKVKFKF = 1 1.12 1.5 1.44 = 2.42根据重合度，由机械设计图 10-28 查得螺旋角影响系数Y = 0.88由机械设计查得齿形系数YFa1 = 2.45，YFa2 = 2.85应力校正 2 系数 Ysa1 = 1.62，Ysa2 = 1.92由机械设计图 10-20C 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限为 500Mpa，大齿轮的弯曲疲劳强度极限为 380Mpa。由机械设计图 10-18 取弯曲疲劳强度极限，KFN1 = 0.93，KFN2 = 0.95可以取安全系数为 1.5【 】F1【 】F2= KFN1 FE1S= KFN2 FE2S= 306.67Mpa= 221.67Mpa计算齿轮，齿条的YFaYSa,并进行比较FYFa1YSa1 = 0.01546 F1YFa2YSa2 = 0.01847 F2代入模数计算公式，得ma = 2.354对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于齿根弯曲计算的法面模数，应该选轮齿较大的，即选模数较大的，m=3,已经可以满足弯曲强度，同时满足接触疲劳 强度，需要按照接触疲劳强度算得的分度圆直径，d=85mm 来计算应有的齿数，dcos几何尺寸计算：计算分度圆直径：d = mzZ2 =ma= 31.11齿轮宽度：b = d d齿轮结构如图：图 3.2 小齿轮图图 3.3 大齿轮图齿轮参数如下：表 3.2 齿轮参数表模数 m3齿数 z32齿形角20齿顶高系数高系数h1齿隙系数C0.25螺旋角0变位系数 x0精度等级 Q7FL齿圆径向跳动公差Fr0.05公法线长度偏差0.028基节极限偏差 0.013齿形公差0.011公法线长度极限偏差21.48+0.01050.155跨齿数3注：扇形齿条的轮廓线设计：下轮廓线设计为不规则曲线，设计原则是避免干涉。3.4 偏心轮的设计该偏心轮的推杆与齿轮以 5mm 直径的销连接。偏心轮由键，轴，轴承组成。由设计的摇杆滑块机构知。设为。测量得 = 150。设计大齿轮的半径为 192mm， 销连接的位置为 R=144mm,设计偏心距 e=35mm，再设计推杆的摆动角度，可设摆动角度为15，画出推杆的两个极限位置。因此可以推断出推杆的最短长度。为了避免干涉，将曲柄长度略微取大些，为 360mm。由此可知，偏心轮的圆心位置。3.5 真空吸头部分的设计3.5.1 真空吸盘的设计： 吸盘直径的确定：真空吸盘是执行元件，本课题设计的吸盘最多吸附方糖数目为 200 个，方糖质量约 为 5g/个。吸盘是工作时是水平的，分析吸盘受力时不仅要考虑方糖的重力，还要考虑 运动时水平的惯性力对吸盘吸力的影响。方糖可以受力分析如下：图 3.4 吸盘吸方糖受力分析为了保证吸盘能够吸附足够的方糖，需要添加安全系数。可将安全系数取作 2。许 用提升重力为理论提升重力与安全系数的比值。如下表：表 3.3 吸盘直径，面积，垂直提升力参数表吸盘直 径/cm1013162025324050吸盘面积/cm20.781.332.013.144.918.0412.6019.60垂直提 升力（N）3.239.3520.5818.6532.3530.2560.5688.44由表可知，当吸附方糖的重量为 1Kg 时，许用提升重量为 10N，则许用提升重量为 20N,则直径取 16mm 即可满足要求。吸盘在吸附方糖的过程中吸盘会变小，变形程度与吸盘的材质，吸盘的形状有关， 另外方糖与真空吸盘的接触表面的摩擦系数也影响吸附面积。总之，有效吸附面积小于 吸盘面积，所以在实际计算中，要将实际的吸盘直径相对于理论吸附直径增加 10%。或者在确定真空吸盘的面积时，其先决条件是吸附力，可以根据简单的力学公式：W = P A 求得吸盘面积。公式中 F吸附力，A吸盘面积，P吸附压力。中W = mg n = 1N,而吸盘直径可以由下公式进行计算：D =4 1 W t 1000 =4 1 10 4 1000 = 16.2(mm)3.14p3.14503其中D吸盘直径；p真空度 kpa ；n吸盘数量；W吸附力 N ;t安全系数3.5.2 负压真空泵的选择负压真空泵，有一进一出两个气嘴，一个用来抽气，一个用来排气，进气嘴能形成 真空。而不需要真空时，排气嘴可以形成正压。抽气的负压真空泵可以被分为两类：分 别是气体采样泵和微型真空泵。我们可以统称他们为微型真空泵，但二者从结构还是有 区别的，选型时更要特别注意。它们的区别是，气体采样泵只能带气体阻力不大的小负载，但价格比较经济；严格 意义上的微型真空泵可以带气体阻力大的大负载，但价格昂贵。本设计选用气体采样泵。气体采样泵有：PM 系列，有一些型号比如：PM950.2、 PM850.5、PM8001、PM7002、PM6503；微型的真空泵有： VM 系列、VAA 系列、PK 系列、 PC 系列、VCA 系列、VCC 系列、VCH 系列、PH 系列、FM 系列、FAA 系列、PCF 系列，这 些气泵属于真正的微型泵，如 VM7002、VAA6005、PC3025 等。该设计排气阻力较小，负载小，对且真空吸附回路不必太长，控制阀不必太多，管 道没有太多曲折的点，于排气阻力小，负载小的系统，选型范围是：VM 系列、VAA 系列、 PK 系列、PC 系列、VCA 系列、VCC 系列、VCH 系列、PH 系列。我们已经可以确定微型泵 的选型范围了。在划定的几个可选系列中，再根据我们对流量和真空度的要求就可以确 定具体的型号了，本设计根据方糖进给不必太快，所以流量不必选的太高。方糖是小重 量物体，真空度也不宜太高。要注意参数选择要设计安全系数，特别是流量参数。因为泵接入气路系统后，由于 管道、阀门等气路元件有摩擦力，要造成压力损失，流量会减少，因此得到的流量小于 泵的理论流量。初选气泵 VAA5008,参数如下：表 3.4气泵 VAA5008 参数表电压12V流量8L/min真空度（绝对压力）50负载电流0.44A负压（相对压力）-50对比大气压，真空度为 101Kpa。4机械手主要部件的强度校核机械的组成部分和工程的结构，如，机床的传动轴，建筑物的梁，都是构件。当机 械件或工程结构工作时，会受到一定的载荷在载荷作用下，物体有抵抗破坏的能力，也 就是具备一定的强度，但是这种强度是有限的。物体还有具备抵抗变形的能力，也就是 具备一定刚度。也有限。因此为了满足工程上机械上构件的使用要求，必须满足一定的 不变形不破坏的条件，所以进行强度校核。对于真空吸附式机械手来讲，要对其重要的几个部件进行校核，其中包括偏心轮上 键的强度校核，偏心轮上轴承的寿命校核，3 个传动轴的弯曲强度校核，齿轮齿条的强 度校核。销的强度校核。4.1 电机的校核本装置选用的周期是 4s,5s,6s 三个档次的周期。对应的是有三档的变速电机。4s对应的转速为 60 4 = 12r/min，同理 5s 周期对应的电动机转速为 12r/min，6s 对应 的转速为 10r/min。因此应选用低转速电机。偏心轮和扇形齿轮的质量和约为m1 = 5kg L 型杆与滑道的摩擦系数 f = 0.5 推杆，吸头等装置的总质量约为m2 = 5kg 水平方向的阻力:F = m2 g f = 2.5N 需要的转矩：M = m1ge + FD = 4.25NM经过以上设计数据对比，确定符合技术要求。4.2 偏心轮传动键的校核：键是标准件，用于连接轴和轴上零件，起到传递力矩的作用。键的强度对于整个机 构很重要，所以要进行键的强度校核。本课题选用普通平键传动。普通平键有国家标准 GB/T 1096-2003 制定的尺寸规格.键的长度 L 由轮毂的长度而定，键长应等于或略小于 轮毂长度，。一般轮毂的长度为轴直径为 1.5 倍到 2 倍之间。该键属于静链接，其主要失效形式是工作面被挤溃，因此应按照工作面挤压应力进 行强度校核。设计轴径为 26.5mm，根据机械设计P106 页表 6-1 可选键宽 b 为 8mm，键高 h 为 7mm 的尺寸。电机的最大驱动力矩为 15Nm。键的工作长度取 25mm。 假设载荷在键的工作面分布均匀，则普通平键的强度条件为4000Tp = 【P】hld其中【p】为键，轴，轮毂三者中许用压力最小的。4000T400015计算p =12.93Mpa.hld72526.5而键连接属于静连接，根据机械设计P106 页表 6-2 可查得钢的许用应力为120Mpa150Mpa，p 150000h,所以选用 6340 轴承是可行的。主要校核齿轮的弯曲疲劳强度和齿轮的接触疲劳强度。初步设定齿轮的模数 m=3，设计分度圆直径为 106mm。由 d = mz，可得齿数 z=32。图 4.1 齿轮受力原理图作用在齿轮的转矩设定为 1Nm，由此计算轴向力，径向力。2T2 1Ft = 25Nd80 103Fr = Ft tan = 25 tan20 = 9N齿面最大的接触应力发生在理论接触线上，根据赫兹公式，最大接触应力为：H =FnL 1 2(1E111 2+2 )E2= ZEFnL公式中：综合曲率半径，mm L接触线长度，mm1，2 俩齿轮材料的泊松比E1，E2 俩齿轮材料的弹性模量ZE-弹性影响系数配对齿轮材料设计成铸钢和锻钢，根据机械设计表 10-5，可查得对应的ZE =4a 3178.9 Mpa因为本设计是齿轮齿条的啮合传动，因此重合度a为 1。ZE = 1ZH 的值可以查图 10-20，可得其值为 2.5;KH 为接触疲劳强度计算的载荷系数; 齿面的接触疲劳强度需要满足：H =u 1KHFtbd1ZHZEZ Hu2 1.2 149H = 2.5 188.9 1 = 0.56Mpa 10 80 10948查表 H = 430Mpa，而实际的接触应力小于理论接触应力，所以齿轮的接触疲劳强度合格。继续校核齿轮的弯曲疲劳强度：根据分析，在啮合时，齿根产生的弯曲应力最大。齿根弯曲应力的危险截面可用30 切线法来确定。如图，作与齿轮对称线成 30的俩条线，并与齿根过渡曲线相切，切点设定为 A,B。连接 AB,AB 即为齿根的危险截面。作用于齿顶的法向力Fn可以分解为Fncos和Fnsin俩个力。由于Fncos产生的剪应 力和Fnsin产生的压应力比Fncos产生的弯曲应力小很多，因此可以忽略不计。该处的弯曲应力为= M =F0W6Fncoshbs2其中 h 为力臂，b 为齿宽，s 为危险截面齿厚直齿轮的弯曲疲劳强度条件是2KTF = bdm YsaYYFa 【F】Mpa 其中：YFa为齿形系数，与齿制，变位系数和齿数有关，与模数无关，部分数据见图 10-17，图中 x 为变位系数，根据齿数 Z 查表。其中对于齿条来说YFa=1.856.Ysa为载荷作用于齿顶时的应力修正系数，数据见图 10-18，x 为变位系数。对于齿 条来说Ysa = 1.650.75Y为弯曲疲劳强度计算的重合度系数。Y = 0.25 +a其值为 1。将以上数据代入齿根弯曲强度疲劳公式可得：2 1.2 1.1 1，对于齿轮齿条传动来说，F = 10 80 2.5 106 = 0.153Mpa查表知，铸钢许用弯曲应力为 320Mpa，所以齿轮弯曲疲劳强度合格。综上，齿轮的选择同时符合弯曲疲劳强度和接触疲劳强度的要求，因此合理。4.5 传动轴的强度校核：传动轴一的受力分析：箱体作为支撑件，传动轴与箱体接触的点为支持力作用点。 受力分析图如下：图 4.2 受力分析图（1）首先验算剪切力:如图，F 为齿轮所受切向力，Ft=25N。且F1r1 + F2r2 = Ftr其中将截面直径值设定为 r = 96mm,r1 = 35mm,r2 = 35mm,解得F1 + F2 = 68.6N图 4.3 扭矩图如图，由于轴径变化不大，把此轴简化成横截面不变的直圆轴。则抗扭截面系数为D33.14 0.03333Wt = 16 =该轴扭转的强度条件是= 0.000007m1622Tmax 2.4 2max =Wt= 342857.1N/m 0.000007 【】查表得 45 钢的许用切应力为 355Mpa,因此该轴选用 45 钢则可以满足要求。然后验算弯曲强度，假设支持力都垂直向上，受力分析图如下：图 4.4受力分析图（2）其中Fb + Fc = Fa,对左端点取矩：0.6Fc 0.65Fa = 0 其中Fa为齿轮径向力，大小为 9N。解上述方程，可得Fb = 0.05，Fc = 0.95 由此可知Fb方向与假设的方向相反，应为垂直向下。剪力及弯矩图如下：图 4.5剪力图图 4.6弯矩图3截面的抗弯截面系数为 W = D= 0.0330.00000433232Mmax2弯曲正应力的强度条件是max = 75000N/mW 【】查表知，45 钢的许用弯曲应力为 600Mpa,故满足条件，可以选用该材料。4.6 销的强度校核用来连接曲柄与扇形齿轮是一个特殊的直径不等的螺栓，但是其作用相当于销，其 受力分析可将当成简支梁来分析。由于长度较短，只需要进行抗剪强度的验算。16Qmax = 【】3d3其中 Q 为把销轴当成简支梁分析求得的最大剪力，【】为许用切应力。将销的材料选用 45 号钢，其许用切应力为 125Mpa，将最大剪力估算为 10N,考虑一定的安全因素，将剪力考虑成 20N。直径为最小直径，设计成了 5mm,经过计算，该销满足强度要求。4.7 整个系统的稳定性校核本设计的方糖的总重量约为 2 公斤，而机械手的总质量约为 15 公斤，整体受力分 析图如下：图 4.7 整体受力分析图其中 mg 表示方糖的总量，G 表示机械手的总体重量。 若整个结构稳定，不会侧翻，则方糖在 A 点的产生的力矩要小于机械手整体重量在 A 点产生的力矩。因为MB = 30 10 0.05 0.15 4 10 = 9 0，即 A 点的力矩方向向上的，则系统结构稳定且不会侧翻。5.结论及展望随着经济社会的发展，我国更加注重在环境方面的保护。绿色发展是新世纪五大发 展理念之一，发展中注意环保，节约能源才是使经济发展稳定的长久之策。因此，设计 者在设计产品时，要注意节约资源，保护环境，否则将会遭到淘汰。本产品的设计从环保来说，都是用节约的材料，尽量选用造价低的材料，经济合理 的传动方式。不仅使得效率提高，降低了开发成本，也使得节约了现实的材料。且进行 了强度校核，使得所用的材料都是在合理情况下最节约的。目前我国包装产业发展不够完善，自动化不够全面，因此在实际生产线开发出能够 普及的自动化尤为重要。本文通过结合国内外包装机械手的发展状况，设计了一个在方 糖生产线搬运类的机械手，并用机械设计知识进行了产品的尺寸，位置设计。最后运用 材料力学，理论力学知识对产品的主要部件进行强度校核，结果符合强度要求。本课题完成了开题报告的任务，但时间有限，有些计算过程简化了，而有些细节需 要进一步探讨。通过本次设计，我复习了并学到了很多东西，我在毕业设计中锻炼了自 己独立解决问题的能力，运动基本知识能力，文献检索能力，外语能力，计算机能力， 为以后的学习加强了基础。参考文献1 濮良贵.机械设计M.北京：高等教育出版社.20062 陈作模.机械原理M.北京：高等教育出版社.2006.3 尹章伟.包装机械M. 北京：化学工业出版社.2006.4 黄颖为.包装机械结构与设计M.北京：化学工业出版社.2007.5 司震鹏，曹西京，姜小放. 真空吸附式机械手系统设计.包装与食品机械.J. 2009(06):26-306 高德.包装机械设计. M.北京：化学工业出版社.2004.7 华大年.连杆机构设计运用与创新M.机械工业出版社 2008.8 朱理.机械原理M. 北京:高等教育出版社.2004.9 马纲,王之栎.工业机器人常用手部典型结构分析J. 机器人技术与应用,2001(2):31-32.10 李学威.新型真空传输机械手设计研究J.机械设计与制造,2013(06): 197-19911 姜小放.真空吸附式机械手系统设计J.包装与食品机械 2009(06): 27-3012 范孝良.基于真空吸盘的饮水桶自动套袋设备结构设计J.包装工程 2014(09):77-8113 李彦彬.一种平板玻璃生产线上机械手吸盘的设计J.机械制造 2014(11):70-7314 丛海鹰.吸盘式上下板料机械手关键结构设计J.机械制造与自动化 2008(03):76-7815 侯博.芯片搬运机械手设计J.机械设计与制造 2011(10): 35-3616 D.B.Shakayawar. Low-stress mechanical properties of pashmina shawls prepared from pure hand spun machine spun and pashmina-wool blend yarnJ.The Journal of The Textile Institute, 2015,106 (3):327-333.17 Wernersson. A Comparison of Hand and Machine Dishwashing from a Hygienic 6 StandpointJ.Food Protection Trends, 2009, 29 (5):272-27818J.L.Raheja.Intelligent. Approaches to interact with Machines using Hand Gesture Recognition in Natural way: A SurveyJ.International Journal of Computer Science and Engineering Survey.2011,2(1):122 19 Ming-Chang Teng*.Mechanical Design and Kinematic Analysis of a 10 D.O.F. Robot ManipulatorJ. The International Federation of Automatic Control,2013,4:10-1229附录 1：外文翻译一个 10 自由度机器人机械手的设计及运动分析Ming-Chang Teng, Yi-Jeng Tsai, Chin-Chi Hsiao 台湾工业技术研究所机械系统研究所（电话：886-3-5916577；电子邮件：dmc.tw）（电话：886-3-5918789；电子邮件：yijengtsai.tw）（电话：886-3-5913896；电子邮件：hsiao_cc.tw）摘要：在本文中，分析阐述了一个 10 自由度（DOF）的机械手的形态，包含 6 自由度机器人轻型臂和 4 自由度手。这个机器人，Roppie，已经被台湾的科技工业调查机构开发为一个服务机器人.其主要特点是有 10 个自由度，重量轻的设计，灵活运动控制与视觉特征识别相结合的目标操作。其重量为 5.7 公斤，其有效载荷为 1.2 公斤，其尖端点速度可达 1 米/秒。关键词：机械手，轻量化，仿人，运动学1.简介在 20 世纪 60 年代左右机器人最初被设计为执行预先命令的操作者。随着微处理器 的发展，机器人不仅被认作一个简单的执行者，但也被认作自动多功能机。即将到来的 机器人将与人类共存，在医学、福利和家庭领域，机器人会支持改善人类的生活。其中 一个关键问题是设计一个灵巧和安全机器人机械手时，其由于友好的感觉，设计规格与 人类的手臂相似。最近仿人机器人机械手已被广泛研究并作为服务机器人应用于服务行业。创建实现 它的运动的方法是能够采用不同的组件或它们的组合，如马达，气动或液压驱动或人工 肌肉。在事实上，基于电机驱动的机械手通常很重和相对低的有效载荷总重量比。尽管 如此，由于其可控性高，重量轻，他们更可能实现人形机器人。用特殊的发动机，几家 知名团队研发了高性能机器人。本田研发公司公司 1 展示了一个 9 自由度机器人机 械手，并应用到 ASIMO。其机械手可以执行灵巧的运动，它可以抓住一个 0.3 公斤的物 体和抬起一个 1 公斤物体与其他机械手配合。由于安全问题，森田和野 2 设计了一 种机械阻抗调节器安装在机械手上。此外，粘弹性关节的设计，使机械手更紧凑和兼容 3 。机器人，叫 Twendy-One 的，被设计并演示成跟人很像的并能灵活的抓取。拟人机器人机械手的另一个重要问题是仿人机械手设计。近年来多指机器人手发展 起来。一般来说,多指手的设计分为两个类别.一个是设计一个多指手为了容易和简单控 制，能可靠地抓取物品，例如 Domo 机器人手 5 。二是设计仿人机械手，它有很高的敏捷性。然而，这种典型的人形机器人手系统是由复杂的，沉重的机制组成。用复杂的 控制方法，如犹他麻省理工学院 6 ，Gifu Hand III 7 、 8 和 DLR 手 II。这 些机械手具有良好的可控性，以满足安全要求。然而，他们的成本太昂贵以至于不能普 及到人类日常生活中。最近，一些研究人员设计重量轻的仿人机器人操作系统。在本文中，紧凑型机器人 机械手的设计考虑了其重量轻，高灵巧，几乎全方位移动就像人体手臂一样。这个机器 人的运动是基于 D-H 模型符号。反转运动学与最小二乘解几种几何优化方法约束。有这 种目的性的设计和运动学方法，10 自由度机器人已经成功地发展为一个服务机器人， Roppie，由台湾的工业台湾研发机构设计，用来服务人类。图 1 显示了服务机器人的外 形，Roppie。图 1：服务型机器人的外形，Roppie2.人体手臂形态分析通迪 12 提出了一种 9 自由度机器人手臂模型包括锁骨运动，模拟人体手臂全范围的运动。一般来说，一个 7 自由度机器人手臂足够执行日常任务。在这项研究中，机 器人手臂基于 Tondu 的锁骨运动被排除的简化模型，如图 2 所示。人类的肩可以被视为 球和窝的连接。有力地，精准地驱动通过球和窝的链接是不容易的。一般来说，机器人 的肩膀被模拟作为一个组合的万向节转动关节。人的肘无疑是一个转动关节，以执行肱 骨与桡骨之间的屈伸运动。肱骨与桡骨的相关运动可以建模为一个转动关节。人体手腕 是典型的万向节。在这项研究中，机器人手腕被建模为一个单一的旋转接头。出于驱动 模块限位空间的考虑机器人手臂出现了。机器人手被模拟为一个 4 自由度的手抓一些国内物体.总的来说，在文章中机器人机械手包括 6 自由度的手臂和 4 自由度。人类手臂和机器人手臂的活动范围在表 1 中进行比较。机器人的长度和重量的设计涉参照了来自职业安全与健康研究所台湾 13 的人手臂数据库。假如成年男性为 170 厘米，平均手臂长度就为 75.82 厘米，平均手臂重量超出肩膀 4.01 公斤。机器人外观设计试图接近 规格人的手臂。图 2:人手的动态模型【12】 表 1.人手和机械手的比较运动人手（角度）机械手（角度）人的 AB/AD 1-401801090人的灵活性/外部 2-40180-100190人的外部/内部 旋转3-3090-4590胳膊肘的灵活度/外部401400120径向/尺的 sup-8080-9090手腕的灵活/外部 6-6060060手腕 AB/BD 7-3535-三.机械手机械设计机器人机械手的目标是接近人类手臂，并把握一些重量低于 1.5 公斤的国内物体. 通过考虑机器人机械手的外观及其性能，细长型直流电机适用于机械手。本研究，无刷 直流微电机、减速器、编码器和控制器被选择组成的驱动模块表 2 列出。ie2-512 编码 器和 MCDC 3003 / 6c 控制器被选择为精确和高带宽控制系统。表 2:机械手的发动机型号发动机减速器（型号，齿轮传动比）发动机型号#13863A024C38/2，246：1发动机型号#2386A024C38/2,134：1发动机型号#3ꚡW024CR30/1，246:1发动机型号#52342W024CR23/1，246：1发动机型号#62224U024S20/1，159：1发动机型号#7#101717T024SR15A，369:13.1 肩关节机构肩部结构由两组电动机构成如图 3 所示。电机组 1 #提供动力用于肩关节外展运动。 一对斜齿轮被用来传输动力到上臂。本设计中没有源头传感器。二块是用来限制肩关节 的运动。集成了编码器信息和检测了通过电流，当机器人机械手触及了机械极限时，源头位置可作为参考而记录。电动机组 2 #被用来控制肩关节的屈伸的灵活运动。这种运动通常需要承受较大的载荷，所以皮带传动机构用于放大电机组# 2 的输出。同时，一个抵传动比的齿轮减速器被选择用来恢复皮带轮结构损失的速度。一个在电机套筒# 1 限制肩部的屈伸运动，如图 4 所示。类似的找源头的位置的方法如上所述。结合电机组# 1 和# 2，肩部机构可 以提供超过 30Nm 的输出扭矩和达 120/秒的角速度，因此肩可以承受整个手臂的自重 和 1.5 公斤的家用的物体。图三：肩部机械手的机械设计图四：肩部灵活延展性的机械限制3.2 上臂机构用来内外部肩部的旋转驱动单元被放在上臂上。如图 5 所示，上臂的轴，内外部旋 转肩，是由电机组 3，皮带轮机构传动的。此外，一个弯曲的插槽如图 6 所示的，是在 轴承外壳用来限制外肩部内外部的旋转。电机组# 4 安装在上臂轴上，用来控制一对锥齿轮以控制肘关节屈伸运动。此外， 两个块被用来限制肘关节屈伸运动。提到的两个控制器电机组设置在上臂旁边。因此，信号衰减的问题可以被避免。用这种设计，肘关节可提供 6Nm 的扭矩和高达150/t 的角速度输出。因此肘部可以承受前臂的自重和家用的 1.5 公斤物体。3.3 前臂机制基于上臂机构相同的概念，前臂的机械设计如图 7 所示。这个电机组# 5 是用皮带 传动机构控制前臂的旋前旋后位。此外，弯曲槽置于轴承内部用于限制桡尺关节运动。 电机集# 6 安装在前臂，由一对斜齿轮作手腕的屈伸运动。另外，两块用于限制伸 腕动。有了这个设计，手腕就可以提供扭矩超过 0.7Nm 的输出，角速度达 180/s，因此手腕可以承受和 1.5kg 的家用物体。图五：上部的机械手图 6：肩关节旋转的外部内部机械极限设计图七：前臂的机械结构3.4 机械手机制为了采取经济的执行器并考虑抓取的性能，电缆驱动的机器人手如图 8 所示。四个 电机组被采用来控制机器人手的所有动作。（1）在拇指和手掌之间的动作由电机#7 驱动 一四连杆机构完成。拇指和 8#电机同时转动，电机#7 设置在 0 至 90 度范围。（2）拇指 被电机组# 8 两个传递关节的闭合运动的电缆控制。在本设计中，大部分的传动元件都很小，所以直径为 0.5 毫米的钓线用于发射功率，而代替钢丝。因为钓线长时间使用后 会疲劳，两电缆张紧调节装置可用于可用来把钓线控制在合适的松紧度中 14 。（3） 食指和中指是由电机# 9 用两电缆同步驱动。一个导向机构是用来连接两个手指和改变电缆的方向。（4）中指及小手指是由电机 10 驱动。有三个手指关节。每个关节的旋转角度是高达 90 度，并会根据需要自动调整抓取时物体的形状。有了这个设计，机器人手可抓取达 1.5 公斤的物体。图八:机械手结构3.5 完整的机械手机构机器人机械手的完整模型如图 9 所示。机器人在最大工作参数下可以抓住和举起一个 1.2 公斤的物体。4.机械手的动态分析通过使用机器人机械手的运动学分析 Denavit Hartenberg 的方法。坐标系机器人 机械手如图 10 所示。这个 Denavit Hartenberg 列出的相应参数表 3。框架 0 到 5 定义 了机器人的关节前面提到的机械手。框架 6 定义机器人手的姿势。X 轴和 Y 轴分别位于 食指和手掌的方向。图九：ITRI 机械手的完整模型图十：ITRI 机械手的 D-H 模型表 3：Roppie 的右手臂 D-H 参数1（rad）a1（mm）d1（mm）1（rad）直线 1 /2001直线 2 /20-14.52 + /2直线 3 /203023 + /2直线 4 /20-24直线 5 /20298.55直线 6 /210006 /2因此，可以推导出的正向和逆运动学。这个两个连续链接之间的转换是手和肩传动的变换矩阵可以由派生3200 12 3 4 5Ai1 iT6 = A1A2A3A4A5A66（i）是各关节的变换矩阵，T0是从机器肩膀到手的最终变换矩阵。正的运动学可以从给定角度里获得。但于连接件#2，#3 和#4，#5 之间的偏移没有分析解决方案给逆运动学。然而，用一个完整的定义的手部姿势解决逆运动学问题还是有优点的。最 优化反转运动学的问题的陈述如下：最小值 :f = T21 v1 2 + T22 v2 2 + T23 v3 222+ T31 1 2 + T32 2 2 + T33 3 2+ T41p1P+ T12p2P2+ （T13 p3）/P）对象：t i aii等式（3）中的目标函数是完全约束的机器人手的条件。5.机器人机械手控制系统为了实现一个灵巧和精确的机器人，控制带宽是一个重要因素。CAN 总线控制器 MCDC 3003 / 6c 是串联控制可用高带宽的 Mbps 控制机器人操作系统。太多电缆的问题也可以 被处理。这个编码器 ie2-512 有 2 通道，每转有 512 线。每转的脉冲为 2048，即最小可 控角度为 0.0007 度，齿轮比 246:1。这个 PCM-CAN200-D 通信模块用于连接系统 MCDC3003/ 6c控制器和 PC。逆运动学与控制算法的结合，硬件和软件体系结构如图 11 所示。 由于在本设计中没有源头传感器，第一步机器人操作控制是操作每个关节沿一方向，直到发现机械限制。当关节到机械极限位置时过电信号将会触发。控制程序记录最近的编码器作为首页位置的参考信息。然后，使用逆运动学，机器人机械手可以被控制来执 行期望的动作6.实验结果图十：硬件和软件的体系结构图 11 描述了机器人机械手的可用性，可抓取各种日常用品，如饼干，瓶子，和滚 子。这些对象被用来验证机器人机械手能掌握不同范围的尺寸、形状和质量。这个抓取 力和尖端速度已经被测试。一个装满螺钉的瓶子被用来抓取，就如图 12 所示。瓶子的重量可以由螺钉的数量来控制.实验结果表明，该机器人机械手能抓住并举起约 1.2 公 斤的瓶子。对于尖端速度的测试，逆运动学中一个直线路径产生了。增加电机的加速度 和速度，在一个可接受的振动水平下，叶尖速度可以达到 1 米/秒的。图十一：机械手的抓取在不同日常物体中的展现七.结论与未来工作图十二:ITRI 机械手的抓取实验本文设计了一个由包含 6 个自由度的轻型臂和 4 个自由度绳驱动手的 10 自由度的机械手。其主要特点是有 10 个自由度，重量轻的设计，和通过整合运动控制和视觉特征识别来操纵物体。它被设计出现作为人的手臂，也有高性能.它能抓住并举起一个 1.2公斤的瓶子。当最大尖端点速度为 1 米/秒时，它也有高流动性。我们未来的工作将是 改善其结构，以同时抑制振动和提高有效载荷比-总重量。致谢作者感谢他们的匿名审稿和有益的意见和建议，他们帮助了论文的发表。这项工作被财政工业技术部，台湾经济部资助。附录2：外文原文6th IFAC Symposium on Mechatronic Systems The International Federation of Automatic Control April 10-12, 2013. Hangzhou, ChinaMechanical Design and Kinematic Analysis of a 10 D.O.F. Robot ManipulatorMing-Chang Teng*, Yi-Jeng Tsai*, Chin-Chi Hsiao * Mechanical and System Research Laboratories, Industrial Technology Research Institute, Taiwan*(Tel: 886-3-5916577; e-mail:DMC.tw)*(Tel: 886-3-5918789; e-mail:YiJengTsai.tw)*(Tel: 886-3-5913896; e-mail:hsiao_cc.tw)Abstract: In this paper, a 10 degree-of-freedom (D.O.F.) robot manipulator consisting of a 6 D.O.F. light-weight arm and a 4 D.O.F. cable driven hand is presented with the morphological analysis. The robot manipulator, Roppie, has been developed as a service robot by Industrial Technology Research Institute (ITRI) in Taiwan. Its main features are 10 degrees of freedom, light-weight design, and flexible object manipulation by integrating motion control and vision feature recognition. Its weight is 5.7 kg, its payload is 1.2 kg, and its tip point velocity is up to 1 m/s.Keywords: robot manipulator, light-weight, humanoid, kinematics INTRODUCTIONRobots were first designed to appear as manipulators to perform the pre-ordered commands around the 1960s. With the development of microprocessors, the robots are appreciated not only as a simple action performer but also as an autonomous multi-purpose machine. The oncoming robots will coexist with humans for supporting and enhancing humans life in the fields of medicine, welfare and household activities. One key issue is to design a dexterous and safe robot manipulator when its specifications are similar to real human arm ones due to friendly feeling.Humanoid robot manipulators have been extensively studied and applied to service industry as a service robot recently. The approach to create its motion is able to be designed by adopting different components or their combinations, such as motor, pneumatic, or hydraulic drives or artificial muscle. In fact, the motor drive based robot manipulators are usually heavy and have relatively low ratio of payload to total weight. Nonetheless, they are more likely realized as humanoid robot due to its high controllability but low weight. With specially made motors, several well-known research teams developed the high performance robot manipulators. Honda R&D Co. Ltd. 1 presented and incorporated a 9 D.O.F. robot manipulator into ASIMO. Its manipulator can perform dexterous motion when it can grasp a 0.3 kg object and lift a 1 kg object in cooperation with the other manipulator. Morita and Sugano 2 designed a mechanical impedance adjuster to be mounted on the robot manipulator due to a safety issue. Furthermore, a visco-elastic joint was designed to make the manipulator more compact and compliant 3. The robot, called Twendy-One, was designed and performed highly human-following and dexterously grasping.Another important issue for humanoid robot manipulator is the design of humanoid robotic hand. Many multi-fingered robotic hands have been developed in recent years. In general,the design of multi-fingered hand is classified into two categories. One is to design a multi-fingered hand for easy and simple controllability with enough capability of reliable grasping, such as the BarrettHand 4, and DOMO Robot hand 5. The other is to design a humanoid robotic hand, which has high dexterity. However, this typical humanoid robotic hand system is made of complex, heavy mechanisms with a complicated control method, such as the Utah/MIT hand 6, Gifu Hand III 7, and DLR-Hand II 8. These robot manipulators show good controllability to meet a safety requirement. However, their costs are too expensive to prevent popularizing robots into human daily life.Recently, numbers of researchers have designed light-weight and humanoid robot manipulators 9-11. In this paper, the compact design of the robot manipulator is presented with considerations of its light-weight, high-dexterity, and nearly full range movement similar to the human arm one. The kinematics of robot manipulator is modelled based on D-H notation. The inverse kinematics is solved with the least- square optimization method under several geometric constraints. With the proposed design and kinematic approach, the 10 D.O.F robot manipulator is successfully developed as a service robot, Roppie, by Industrial Taiwan Research Institute in Taiwan to serve humankind. Fig. 1 shows the appearance of the service robot, Roppie.Fig. 1. The appearance of service robot, Roppie.978-3-902823-31-1/13/$20.00 2013 IFAC3310.3182/20130410-3-CN-2034.00022IFAC Mechatronics 13April 10-12, 2013. Hangzhou, China MORPHOLOGICAL ANALYSIS OF HUMAN ARMTondu 12 presented a robot arm model of 9 D.O.F. including the clavicular motion to simulate the full range movement of human arm. In general, a 7 D.O.F. robot arm is enough to execute the daily tasks. In this study, a robot arm based on the simplified model of Tondus where the clavicular motion is excluded as shown in Fig. 2. The human shoulder can be treated as a ball-and-socket joint. It is not easy to drive a link through a ball-and-socket joint powerfully and precisely. In general, the robot shoulder is modelled as a combination of universal joint and revolute joint. The human elbow is undoubtedly a revolute joint to perform the flexion and extension motion between the humerus and the radial. The related motion between the radial and the ulnar could be modelled as a revolute joint. The human wrist is a typical universal joint. In this study, the robot wrist is modelled as a single revolute joint with consideration of a limited placement space of driving module due to the appearance of robot arm. The robot hand is modelled as a 4 D.O.F. hand for grasping some domestic objects. On the whole, the robot manipulator included a 6D.O.F. arm and a 4 D.O.F. hand is presented in this paper. The active ranges of human arm and the presented robot arm are compared in Table 1. The length and weight of robot manipulator design are referred to the statistic of human arm from the Institute of Occupational Safety and Health in Taiwan 13. For an adult male of 170 cm, the average arm length is 75.82 cm and the average arm weight beyond the shoulder is 4.01 kg. The appearance design of robot manipulator is attempted to approach the specification of human arm.Fig. 2. Kinematic model of the human arm 12.Table 1. The comparison of human arm and robot armMotionHuman arm (Degree)Robot arm (Degree)Humeral AB/AD q1-401801090Humeral Flex/Ext q2-40180-100190Humeral ext/int Rotation q3-3090-4590Elbow Flex/Ext q401400120Radial-Ulnar Pron/Sup q5-8080-9090Wrist Flex/Ext q6-6060060Wrist AB/AD q7-3535- MECHANICAL DESIGN OF ROBOT MANIPULATORThe goals of the robot manipulator are to approach the human arm and grasp some domestic objects below the weight of 1.5 kg. By considering both of the appearance of the robot manipulator and its performance, the slender shaped DC motors are suitable for the robot manipulator. In this study, Faulhaber DC micro-motors, speed reducers, encoders and controllers are selected to compose the driving modules as listed in Table 2. IE2-512 encoders and MCDC 3003/6C controllers are selected for a precise and high bandwidth control system.Table 2. Motor sets for the robot manipulatorMotorSpeed Reducer (Type, Gear Ratio)Motor Set #13863A024C38/2, 246:1Motor Set #23863A024C38/2, 134:1Motor Set #3 & #42657W024CR30/1, 246:1Motor Set #52342W024CR23/1, 246:1Motor Set #62224U024S20/1, 159:1Motor Set #7#101717T024SR15A, 369:1 Shoulder MechanismThe shoulder structure as shown in Fig. 3 consists of two motor sets. The motor set #1 provides the power for abduction-adduction motion of the shoulder mechanism. A couple of bevel gears are used to transmit the power to the upper arm. There is no home sensor used in this design. Two blocks are adopted to restrict the motion of the abduction- adduction of the shoulder. Integrating the encoder information and the over-current detection, the home position can be recorded as the reference when the robot manipulator touches the mechanical limit.The motor set #2 is adopted to control the flexion- extension motion of the shoulder mechanism. This motion usually needs to take larger loads, so a belt transmission mechanism is used to amplify the output torque of motor set #2. Also, a speed reducer of lower gear ratio is selected to retrieve to the lost speed reduced by the belt mechanism. There is a salient on the sleeve of motor set #1 to restrict the flexion-extension motion of the shoulder as shown in Fig. 4. A similar method to find the home position is used as mentioned above. Combing the motor sets #1 and #2, the shoulder mechanism can provide a torque output more than 30 Nm and an angular3438velocity up to 120 deg/s. Thus the shoulder can take the self- weight of the whole arm and the domestic object of 1.5 kg.Fig. 3. The mechanical design of the shoulder mechanism.Fig. 4. The mechanical limit of flexion-extension of the shoulder. Upper Arm MechanismThe driving unit for the external-internal rotation of the shoulder is placed at the upper arm. As shown in Fig. 5, the axle of the upper arm, the external-internal rotation of the shoulder, is transmitted by the motor set #3 by a belt transmission mechanism. Also, a curved slot as shown in Fig. 6 is designed in the bearing housing to restrict the external- internal rotation of the shoulder.The motor set #4 is installed in the axle of the upper arm to control the flexion-extension motion of the elbow by a couple of bevel gears. Also, two blocks are used to restrict the flexion-extension motion of the elbow. The controllers of the two mentioned motor sets are set beside of the upper arm. Thus, the problem of signal decay can be avoided. With this design, the elbow can provide a torque output more than 6 Nm and an angular velocity up to 150 deg/s. Thus the elbow can take the self-weight of the forearm and the domestic object of 1.5 kg. Forearm MechanismBased on the same concept of the upper arm mechanism, the mechanical design of the forearm is shown in Fig. 7. The motor set #5 is applied to control the pronation-supination of the forearm by a belt transmission mechanism. Also, a curved slot is built in the bearing housing to restrict the pronation- supination motion of the radial-ulnar link.The motor set #6 is mounted on the forearm to perform the flexion-extension motion of the wrist by a couple of bevel gears. Also, two blocks are used to restrict the flexion- extension motion of the wrist. With this design, the wrist can provide a torque output more than 0.7 Nm and an angular velocity up to 180 deg/s. Thus the wrist can take the self- weight of the hand and the domestic object of 1.5 kg.Fig. 5. The upper arm mechanism.Fig. 6. The mechanical limit design of external-internal rotation of the shoulder.Fig. 7. The forearm mechanism. Hand MechanismTo take both economization of the actuators and the grasping functionality into consideration, a cable driven robot hand as shown in Fig. 8 is presented. Four motor sets are adopted to control all the motions of robot hand. (1) The motion between the thumb finger and the palm is actuated by motor set #7 via a four bar linkage mechanism. The thumb and motor set#8 are simultaneously rotated by motor set#7 in a range of 0 to 90 degree. (2) The thumb finger is driven by motor set #8 with two cables which controlled spread and shut motions of each knuckle, respectively. In this design, most of the transmission components are small, and so the fishing line of 0.5 mm diameter is used to transmit the power instead of steel wire. Since the fishing lines will be fatigued and elongated after long time usage, two cable tension adjusters are used to keep the fishing lines with appropriate tightness 14. (3) The index finger and the middle finger are driven synchronously by motor set #9 with two cables. A guiding mechanism is used to connect two fingers and to change the direction of cables. (4) The middle finger and the little finger are actuated by motor set #10. There are three knuckles in each finger. The rotating angle of each knuckle is up to 90 degree and will automatically adjust according to the shape of the object when grasping. With this design, the robot hand can grasp the object up to 1.5 kg.Fig. 8. The hand mechanism. Complete Robot Manipulator MechanismThe complete model of robot manipulator is shown in Fig. 9. The robot manipulator could grasp and lift a 1.2 kg object under the maximum operating parameters. KINEMATIC ANALYSIS OF ROBOT MANIPULATORThe kinematics of the robot manipulator is analyzed by using Denavit-Hartenberg method. The coordinate systems of the robot manipulator are established as shown in Fig. 10. The corresponding Denavit-Hartenberg parameters are listed in Table 3. The frames 0 to 5 define the joints of the robot manipulator mentioned in the previous section. The frame 6 defines the posture of the robot hand. The x and y axes are in the direction of the index finger and palm, respectively.Fig. 9. The complete model of ITRI robot manipulator.Fig. 10. D-H model of ITRI robot manipulator.Table 3. D-H parameters of Roppies right manipulatorobjective function is minimized, the results can be categorized into two types. If the result is approaching to zero, it means that the robot hand is close to the target. If the result is far from zero, it means the target is unreachable. According to our experiences, the inverse kinematics could be treated asai(rad)ai(mm)di(mm)qi(rad)Link 1-p / 200q1Link 2-p / 20-14.5q + p / 22Link 3-p / 20302q + p / 23Link 4p / 20-2q4Link 5-p / 20298.5q5Link 601000q - p / 26-8solved when the objective function is converged to 10 .Thus, the forward and inverse kinematics can be derived. The transformation between two consecutive links is CONTROL SYSTEM OF ROBOT MANIPULATORTo perform a dexterous and precise robot manipulation, the control bandwidth is an important factor. The CAN bus controllers MCDC 3003/6C are series connected to control the robot manipulator system with a high bandwidth of 1 Mbps. The problem of too many cables is also dealt. The encoder IE2-512 has 2 channels and 512 lines per revolution.Ai -1 (q ) = Rot(z,q )Trans(0,0, d )Trans(a ,0,0)Rot(x ,a )The pulse per revolution is 2048, i.e. the minimumiicosqi-1i- sinq cosaiisinq sinaiia cosq controllable angle is 0.0007 degree with the gear ratio 246:1.iiiiiii sinqcosq cosa- cosq sinaa sinq (1)The PCM-CAN200-D communication module is used to= i 0 iiisinaiiicosaii d i connect the MCDC 3003/6C controllers and the PC.Combing the inverse kinematics and the control algorithm,L 0001Jthe hardware and software architecture is as shown in Fig. 11.The transformation matrix between the hand and the shoulder could be derived bySince there is no home sensor in this design, the first step of robot manipulation control is to operate each joint along one direction to find its mechanical limitations. Over currentT6 = A1 A 2 A3 A 4 A5 A6(2)signal will tiger when the joint touches the mechanical00 12 3 4 5limitation. The control program records the recent encoderswhere Ai-1 (q ) is the transformation matrix of each joint, T0information as a reference for home position. Then, using theii6is the final transformation matrix from the shoulder to the robot hand. The forward kinematics can be obtained by the given angles. But there is no analytical solution for the inverse kinematics because of the offsets between joint #2 and #3, joint #4 and #5. However, it is advantageous for solving the inverse kinematics with a completely definite hand posture. The statement of the optimization problem for the inverse kinematics is as follows:inverse kinematics, the robot manipulator can be controlledRobot Manipulatorlnverse KinematicsControl AlgorithmCAN Bus DriverPCM-CAN200-DMCDC3003/6CControllerlE2-512Encoderto perform a desired motion.f = (T- v )2 + (T- v )2 + (T- v )22211222233Minimize:+ (T31 - w1 )+ (T32 - w2 )+ (T33 - w3 )22+ (T- p ) / P)2 + (T- p ) / P)24111222DC Motor + Speed Reducer+ (T13 - p3 ) / P)Fig. 11. The hardware and the software architecture.iiSubject to: q l q q u i(3)where f is the objective function which sums up the differences between the target information and the calculated EXPERIMENTAL RESULTSFig. 11 depicts the usability of the robot manipulator forresults. Tijis the element of the transformation matrix Tgrasping various everyday objects, such as cracker, bottle,and roller. These objects were used to verify that robotiiwhich in terms of q . vare the components of the unitmanipulator can grasp the range of size, shape, and mass. Thevector in y direction of the robot hand. wi is the componentgrasping force and the tip velocity have been tested. A bottleof the unit vector in z direction of the robot hand.pi is thefilled with screws is used to be grasped as shown in Fig. 12.icomponent of the target position. P is the norm of the target pos
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