（机械制造及其自动化专业论文）五自由度机械手的抓取设计.pdf

五自由度机械手的抓取设计 a b s t r a c t s i n c e 觚e n t y f l r s tc e n 仰y ，r o b o tt e c h n o l o g yd e v e l 叩sr a p i d l ya so n e o ft h ef o r e f r o n to f 1 1 i g h t e c h n o l o g y ，a n dr o b o t sa r ew i d e l yu s e dm a uw a l k so fl i f e 1 1 1i n d u s t r y ，i ti sm a i l l l yu s e d f o rw e l d i l l g ，a s s e m b l y ，h a l l m i i l g ，p r o c e s s i n 吕s p r a y i n g ，p a l l e t i z i n ga 1 1 do t h e rc o r n p l e x o p e r a t i o n s r o b o tt e c h n o l o g yi st h ei n n o v a t i v ea 1 1 d1 1 i 曲t e c h n 0 1 0 9 y ，w 1 1 i c h c o m b i n e s m u l t i d i s c i p l i n a r i a n s ，s u c ha sc o m p u t e r ，c o n t r o l 1 e o r y ，m e c h 越s m ，i n f o r m a t i o na n ds e n s o r t e c h n 0 1 0 9 y ，a n i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，b i o i l i c s t h e 印p l i c a t i o no f r o b o tr 印r e s e n t san a t i o n a l h j g h - t e c hl e v e la 1 1 dt h ed e g r e eo fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n a tp r e s e m ，t h ed o m e s t i ca u t o m a t i cp a l l e t i z i n ga 1 1 dh a i l d l i n ge q u i p m e n tm a i l l l yr e l yo n i i n p o r t s ，d o m e s t i ce q u i p m e n tm 甜m f a c t u r e r si sr e l a t i v e l yf e wa n dh a n d l i n gr o b o tt e c l u l o l o g yi s n o tv e 珂m a n l r e t h ec o n t r a d i c t i o nb e t 、) l ，e e nl o we m c i e n c ya 1 1 dy i e l di n c r e a s i n go fo u rm a n u a l i sp r o m i i l e n ti n c r e a s i n 9 1 y ，t h e r e f o r et h er e s e a r c ho ft h er o b o th a s 留e a te c o n o m i cm e a i l i n ga n d t h ep r a c t i c a ls i g i l i f i c a n c e t h es y s t e m 印p l i c a t i o no fm e c h a i l i c a lh a n di su s e di nm o v i n g r a s p i n gw i t hr i c ea st h e o b je c ts t u d i e si nt 1 1 i st o p i c m e c h 砌c a lp a n ，血v ep a na 1 1 dc o n t r o lp a n o ft h er o b o ta r e d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er i c eh a l l d l i n gc o n d i t i o n b a s e do nm em e c h a n j c a ls t m c t u r ed e s i g n ， w o f b n gs p a c ea 1 1 a l y s i si ss i m u l a t e db o r r o w i n gf 如mt h ef o r w a r d k i l l e m a t i c sr e s u l t su s i n g m a t l a bs o 胁a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wm a t ，t h ed e s i g no fm o t i o ns c h e m ef o r m 撕p u l a t o rm e e t st h es p a c er e q u i r e m e m si nt h i ss u b je c t ，t h a ti sm 砌p u l a t o rm o v e m e m s m e e t t h er e q u i r e m e n t sf o rr a l l g eo fm o t i o n ，i n c l u d i n gw a i s t 俩n g ，b 噜a mv e n i c a ld i r e c t i o n ， s m a l la r n lh o r i z o n t a lt e l e s c o p i c ，w r i s tp i t c hm o v e m e n ta n dt h e 鲥p p e ro p e l l i n ga n dc l o s i n g m o v e m e n t t h ec h i pd s pt m s 3 2 0 f 2 812i su s e df o rm a i nc o n t r 0 1 ，s t 印p e rm o t o rm o t i o ns t a t e i sc o n 扛o l l e db yt h ec l l i p 缸o u 曲t h ec o l l e c t e ds i 9 1 1 a 1f e e d b a c ko ft h ep r o x i r n i t ys w i t c ha n da t a c t i l es e n s o r o nt h eb a s i s ，h a r d w a r ec o l l i l e c t i o nd i a g r 锄，m a 工l i p u l a t o rc o n t r 0 1m a i l lp r o 伊锄， t a c t i l ea n ds l i ps i g n a ld a t ap r o c e s s i n gp r o g r 锄a n dc o n t r o lc h a r to ft h es t e p p e rm o t o ra r e d e s i g n e d ，c o n l p l e t i n gt h ec o n 仃0 1s e c t i o nd e s i g no fm e c h a l l i c a lh a n d t h ed e s i g no fg r a s p i n g o b je c t sf o rm e c h 疵c a lh a l l di sc o m p l e t e dt h e o r e t i c a l l yt h r o u g ht h ed e s i g no fm e c h a n j c a l s y s t 锄，d r i v es y s t e ma 1 1 dc o n 仃0 1p a no ft h e r o b o ti nt h i sp r e s e n tp a p e r k e yw o r d s ：g r a b b i l l gm a n i p u l a t o r ；m a t l a bs i m u l a t i o n ；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；s t 印p e r m o t o r i i 西华大学硕士学位论文 1绪论 近几十年来，工业机械手发展成为一种高科技自动化生产设备，是工业机器人的一 个重要分支，它综合运用多学科的最新研究成果，是典型的机电一体化装置，可通过编 程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了 人的智能性和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济 各领域有着广阔的发展前景。 1 1 研究背景及意义 ( 1 ) 研究背景 我国工业机器人主要用于汽车制造、工程机械及电机、电子等行业，产品需求量和 品种将逐年大幅度增加。据专家预测，到2 0 1 2 年，国内市场实际拥有量将达到1 7 3 0 0 0 台，年销售额为9 3 1 亿元。根据发达国家产业发展的历程和工业机器人产业化发展趋势， 到2 0 1 5 年，国内市场容量将增加到几十万台 1 。 国际机器人联合会最新统计表明，目前全球能够正常工作的机器人总量约在7 6 至 1 0 2 万台之间 5 。从宏观的角度看工业机器人的发展趋势，2 0 世纪利用5 0 年使工业机器 人从萌芽时期进入成熟时期，2 0 世纪9 0 年代需要大约3 0 年培育下一代机器人，也就是 工业机器人有望在2 0 2 0 年左右进入成熟期。 ( 2 ) 研究意义 7 0 年代初，我国工业机械手处于萌芽时期，经过2 0 余年的努力，机械手技术已取 得重要进展，缩短了同美、日、德等国家之间的差距。但是，同发达国家相比，我国在 自主研究机械手核心技术、自主设计和制造高性能工艺装备、系统集成与开发、生产高 可靠性基础功能部件等方面，仍存在较大的差距。 日本、美国等西方发达国家的工业机器人广泛应用于各行各业，如石油化工化业、 食品类饮料行业等，而中国未能在较多行业内使用工业机器人，而且在很大程度上需要 进口。工业机器人正处于迅速发展阶段，掌握机器人的设计方法从而自主研发机器人是 刻不容缓的事情。 随着科学技术的迅猛发展，生产力水平的不断提高，人们对劳动强度和工作环境的 要求也越来越高，石油化工、港口、食品等行业对搬运质量和效率的要求也越来越高， 然而效率低下的人工搬运阻碍了这些行业产量的提高，已不能满足企业的需要，从而促 进了企业向现代化改造。目前国内全自动码垛、搬运设备主要依靠进口，国产设备生产 五自由度机械手的抓取设计 厂家相对较少，搬运机器人技术不很成熟。我国人工搬运的低效率与产量的日益提高之 间的矛盾日益突出，因此，对搬运机器人的研究具有重大的经济意义和现实意义。 本课题从技术实现和理论研究两个方面着手，研究和开发一个性能优良的机械手用 以实现可靠和精确地搬运和抓取。结构合理、性能完善的机械手，可以改善工人的劳动 环境，降低工人的劳动强度，大大提高劳动生产率，将加速产品化的进程，意味着生产 的自动化。根据机器人手爪现有的研究成果，从理论上实现对目标物体进行搬运并抓取 的设计，有实际针对性，对用于抓取、搬运目标物体的机械手成品机的产业化研究有直 接的引导作用，也可以为其他机器人的研究提供有益的借鉴。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 ( 1 ) 国外研究现状 工业机器人自6 0 年代初问世以来，经过多年的发展，已经广泛应用于各个工业领 域，成为制造业生产自动化中主要的机电一体化设备。国外在工业机器人的研究方面起 步较早，研究初期主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验 系统进行验证，随着技术的进步，工业机器人逐渐向实用化发展。 目前，国外的工业机器人技术已经成熟，国际上的工业机器人公司主要分为日系和 欧系，日系公司主要有安川、o t c 、f a n u c 等公司，欧系公司主要有德国的k u k a 、 瑞典的a b b 等公司【6 。 2 0 0 8 年，k u k a 公司研发的6 轴机器人u 0 0 0 t i t a n 的负载能力达到了1 0 0 0 埏， 水平方向的工作行程为3 2 0 0 m m ，垂直方向的工作行程为5 0 0 0 n 1 i n 。从技术角度考虑， k 砌0 0 0 t i t a n 最显著的特点是坚实的基础刚结构和驱动方案，传统上使用6 个伺服电 机驱动6 个自由度机器人，而k u k a 公司使用了9 个伺服电机来驱动6 轴机器人 k i u 0 0 0 t i t a n 7 1 。 2 0 1 1 年，f a n u c 公司推出的小型机器人r 一1 0 0 0 i a ，负载能力为8 0 l o o k g ，是高 速、紧凑、柔性、智能机器人的代表。r 1 0 0 0 认结构紧凑、轻量化的设计具有极高的性 价比，大大降低了安装难度，利用2 d 、3 d 视觉功能可以模拟复杂的装配环境。r 一1 0 0 0 i a 非常适合焊接、搬运汽车零部件、中小型金属制品等 8 ，其箱状零件的搬运作业如图1 1 所示。 西华大学硕士学位论文 图1 1 f a n u cr - 1 0 0 0 i a 搬运箱状零件 f i g 1 1 f a j u cr 一1 0 0 0 i ah a n d sb o xt y p e dp a r t s ( 2 ) 国内研究现状 我国工业机器人从2 0 世纪8 0 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家科技攻关项 目支持下，仅过十几年的研制、生产和应用，使中国的机器人产业从无到有，跨出了 一大步。目前中国已经成为世界上增长最迅速的工业机器人市场，“工业自动化世界” 正在形成。总的来看，作为制造业大国，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平与 国外相比还有一定的差距，而且具有自主知识产权的工业机器人很少。 哈尔滨博实自动化设备有限公司自主研发了全自动包装机器人，1 9 8 9 年的码垛生产 能力达到6 0 0 袋l l ，1 9 9 3 年的码垛生产能力达到8 0 0 袋l l ，后来研发了f f s ( f o m f i l l s e a l ) 的高速高精度称重包装码垛生产线，2 0 0 6 年的生产能力达到1 6 0 0 袋 1 1 ，称重精度达到0 1 g 【1 0 】。 2 0 1 1 年，a b b 公司的在华团队研制出全球速度最快的码垛紧凑型4 轴机器人m 4 6 0 ，其实物如图1 2 所示。础4 6 0 的工作节拍最高循环2 1 9 0 次m ，作业范围为2 4 米， 主要用于生产线末端进行高速码垛作业。刀r b 4 6 0 占地面积比一般码垛机器人节省1 5 ， 更适用于在狭小的空间内进行高速作业【1 1 】。 五自由度机械手的抓取设计 。攀 。，；， ” 溢。二。 一。i 一。淼。 图1 2 码垛机器人i r b4 6 0 此外，高校在研究机器人码垛机技术方面也取得了重要进展。例如，哈工大机器人 研究所研制了采用双自由度的笛卡耳坐标式的机器人码垛机，并成功地应用在全自动包 装码垛生产线上，取得了良好的经济效益；上海交通大学机器人研究所正在从事高速码 垛技术方面的研究，也取得了突破性进展。 1 2 2 发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化 和多样化方向发展，工业机器人发展趋势主要为【1 ： 操作机的结构优化。探索新的高强度轻质材料，进一步提高负重比，同时机构 向着模块化、可重构方向发展。 控制技术的开放化、模块化、标准化和网络化。 多传感器融合技术的实用化。 多智能体协调化。 高速化、重载化、高精度化； 低成本、微型和轻量化。 1 3 存在问题的分析 通过国内外的研究比较可以看出，我国的研究水平较低。和美日的工业机器人相比， 无论是在机器人的运动性能还是制造工艺上都有很大差距。这就需要我们首先解决工业 机器人的理论研究。 ( 1 ) 结构方面 西华大学硕士学位论文 在设计上首先要在简化机构上下功夫。越是简单的机构带来的问题越少，特别是在 运行可靠性上、重量上、维护上、造价上等，都会给工业机器人带来质的飞跃。其次从 国外现阶段研究的工业机器人可以发现，他们的机器人的肢体活动空间很大，这给工业 机器人后期的肢体完成工作提供了有力的支持。最后就是关节的灵活性、结构的坚固性 和末端肢体的稳定性。这三个方面决定了工业机器人可以完成任务的精密等级。 ( 2 ) 控制方面 在以后的工业机器人的研究上，还须要不断提高电子芯片、传感器的稳定性，同时 降低工业机器人的造价，这些都将影响到工业机器人在未来被广泛使用的前景。解决好 了以上两方面的问题，一定会极大地推动我国工业机器人的发展。 1 4 研究内容及章节安排 1 4 1 主要研究内容 根据应用于搬运码垛的抓取机械手的特点和性能，本课题通过对五自由度工业机械 手在机、电、控制一体化的基础上，首先通过对设计功能和任务的分析，制定课题的总 体设计方案并对机械手的各个部件进行结构设计，使其能达到预定功能要求；然后对机 械手的运动方案进行正、逆运动学分析，在此基础上用m a t l a b 软件对其工作空间进 行仿真，为进行机械手控制系统程序编程和对目标物体稳定抓取的研究提供了重要依 据；最后按照稳定抓取并搬运物体的设计要求进行机械手控制系统设计，包括硬件设计 和软件的实现，理论上实现对物体的抓取并搬运。通过对机械手系统总体设计提供的设 计方案和分析方法，为下一步的深入设计奠定了理论基础。 1 4 2 具体章节安排 本课题在查阅国内外大量资料的基础上，对工业机械手研究中的重点问题进行了较 为深入的学习研究。本课题主要对工业机械手系统的机械部分、结构仿真部分和控制部 分三大部分的相关问题进行了研究，具体安排如下： 第一章，概要性地说明了本课题的研究背景和研究意义、国内外工业机械手的发展 现状、搬运机器人的发展历程及工业机器人的发展趋势，总结了国内机器人发展需要解 决的问题，最后介绍了本课题的主要研究内容。 第二章，以米袋为对象，理论上分析工业机械手的设计原则，研究机械手在抓取、 搬运系统中的应用，介绍了机械手的工作状况，最后简述了工业机械手执行机构、驱动 机构、和控制系统三大部分的组成，完成机械手的总体方案设计。 五自由度机械手的抓取设计 第三章，首先根据常用于码垛、搬运等的机械手类型确定了机械手的运动方案，然 后根据设计要求，在综合分析的基础上，完成机械手的手部、腕部、臂部、腰部、机座 部分的结构设计，最后根据驱动、传动常用的方式确定各部分驱动、传动方式方案。 第四章，结合机械手的结构特点，用常规的d h 法建立运动学数学模型，进行正、 逆向运动学分析求解，分别得出了操作臂末端在基坐标系下的位置关系式和各关节的参 数变量，在此基础上用m a t l a b 软件对正运动学分析结果进行了工作空间的仿真分析， 为下步对目标物体稳定抓取的研究打下基础。 第五章，设计了以美国t i 公司推出的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片为控制核心，采集接近 开关及触滑觉传感器信号，通过反馈的信号控制步进电机转速的控制系统硬件结构，画 出了硬件连接图，并在此基础上设计软件流程包括主程序，触滑觉信号数据处理程序以 及步进电机控制图。 最后，总结了本课题研究内容的成果，并针对设计的不足，对以后机械手完善设计 工作提出了建议，为下一步的深入研究提供了理论依据。 西华大学硕士学位论文 2 总体方案设计 机械手是典型的机电一体化产品，需采用系统的观点，立足全局，合理分配机械、 电子、硬件、软件各部分所承担的任务和功能，对提高系统的整体性能、结构简化、成 本降低起着举足轻重的作用，可以实现功能互补。因此，对应用于搬运、码垛的机械手 采用系统的观点进行整体功能分析设计，可以实现结构优化，是实现经济性、灵活性和 高可靠性系统设计的重要环节和关键步骤。 一个完整的工业机械手可以分为三部分：传感部分、控制部分和机械部分，其中传 感部分包括感知系统和机器人与环境交互系统，控制部分由人机交互系统和控制系统构 成，机械部分则包括机械驱动系统和具体机械结构系统。 本课题以米袋的抓取搬运为对象，研究机械手在系统中的应用，确定机械手的任务 要求和基本技术参数，进行机械手的总体方案设计。 2 。1设计原则 机械手，作为特殊机械设计结构，其设计原则与一般机械设计相近，需满足以下设 计原则【1 3 ，1 4 j 。 ( 1 ) 刚度原则：合理选择零部件形状和尺寸，可以提高整个机构的刚度，合理安 排作用在机构上的力和力矩，尽量减少零部件弯曲变形。 ( 2 ) 最小运动惯量原则：机械手运动状态的改变引起冲击和振动，因此，在满足 强度和刚度的前提下，尽量小型、轻量化，运动部件对转轴的质心位置应尽量满足整个 机构的动、静平衡要求。即采用最小运动惯量原则，这样可以提高机械手运动平稳性和 动力学特性。 ( 3 ) 尺寸优化原则：当机械手的设计满足工作空间要求时，通过尺寸优化，使结 构更紧凑，有利于机械手刚度的提高。 ( 4 ) 工艺性原则：机械手在设计时，还应考虑其加工和装配工艺性。良好的工艺 性可以提高机械手性能的降低并降低生产成本。 ( 5 ) 材料选用原则：机械手的手部、腕部、臂部、腰部是依次作为负载起作用的， 因此，为了降低各个部件的负载，在选用材料时，尽量选择轻型、经济型材料。在结合 考虑了各种因素和工况的条件下，初步选用焊接件作为机械手臂构件。 ( 6 ) 可靠性原则：一般来说，机械手的零件可靠性应高于部件可靠性，更高于整 机可靠性。因此，零件可靠度应先满足要求，然后通过综合评定方法保证机械手系统的 可靠性。 五自由度机械手的抓取设计 综上所述，在机械手设计过程中，首先考虑其作业要求，即性能方面需满足负荷要 求、精度要求、速度要求、环境要求等，几何方面在满足空间姿态要求前提下尽量使结 构紧凑。机械手是一种多自由度组成的高精度空间运动机械，必须具有运动的灵活性和 准确性，以及动态性能的平稳性。因此，机械手与普通机械设备相比，除满足强度、刚 度等之外，还必须具有轻巧灵活的构形和良好的动态性能。 2 2工况分析 在搬运作业中，最常见的工作对象是袋装物体或箱装物品。般来说，抓取外形整 齐的箱装物品的末端执行器多用吸附式手爪；而抓取容易发生变形的袋装物品的末端执 行器需根据物体特点专门设计，常使用叉板式、夹钳式或磁吸式结构。 使用搬运机械手作为米袋的搬运机，工作范围广、搬运速度快、抓放准确、操作灵 活，减轻工人劳动强度，改善工作条件，并能降低大米生产的成本费用。 2 2 1 工作对象简介 米袋搬运系统采用机械手搬运方式，其任务是将传送带运出的米袋按预定的要求搬 运到指定位置。搬运的对象是盛有大米的米袋，有5 埏和1 0 埏装两种米袋，其形状如同 2 1 所示，米袋外形尺寸如表2 1 所示。米袋由搬运机械手放置在托板上，根据放置的米 袋不一样，托板的尺寸也不一样，5 埏米袋用托板尺寸为1 1 0 0 m m 8 0 0 m m 1 1 0 m m ， 1 0 k g 米袋用托板尺寸为1 2 0 0 m m 9 0 0 m m 1 1 0 m m 。 图2 1 米袋外形图 f i g 2 1 t h es h a p eo fr i c eb a g 表2 1 米袋外形尺寸 t a b 2 1t h es i z eo fr i c eb a g 米袋重量k g 长m m 宽m m 品m m 54 0 02 6 06 0 1 04 5 03 0 08 0 西华大学硕士学位论文 2 2 2 大米搬运流程 经脱粒筛选后的精米被送入精米储藏罐后，由提升机将精米送至自动计量包装机进 行称量包装后，分装成5 k g 或1 0 k g 两种米袋，经传送带将袋装的米袋送入机械手搬运 工作站，由叉车将空托板送入搬运站并将成垛托板送入立体仓库，需要出厂的产品由叉 车送入装车车间，从装车车间运出，搬运流程如图2 2 所示。 自 机 功 械 叉 、， 叉装 困 储 称 手 至 体 奎盘 米 邑 里 搬 搬 仓 搬 斗 奎 f 米 。啼 罐 、。 、j 包 廷库 还问还 装 蚰 机 图2 2 米厂分装搬运流程图 f i g 2 2 t h ef l o w c h a no fp a c k a g i n gh a n d l i n gf o rr i c ef 犯t o r y 为提高堆垛效率，设置a 和b 两个码垛位，当机器人在一个位置上码垛时，叉车 在另一个位置上作业，只有在安全门关闭后，机器人才能在关闭后的位置上码垛，保 证了设备及人身的安全。米袋搬运机械手水平面内的工作空间范围如图2 3 所示。 厂口，o 1 圣兰e 举 门 图2 3 机械手水平面内工作空问 f i g 2 3 t h eh o d z o n t a lw o r ks p a c eo fm em a n i p u l a t o r 五自由度机械手的抓取设计 2 2 3 工作空间参数设计 本课题研究的是5 埏米袋的抓取及搬运过程。米袋搬运系统工作流程中，搬运机器 人的工作能力须大于8 0 0 袋小时，其工作范围可按如下方法确定：5 k g 的米袋用托板尺 寸为1 1 0 0 m m 8 0 0 m m 1 1 0 m m ，使a 和b 两块托板在机器人动作范围之内，机器人 水平行程为1 1 0 0 m m ，回转角度o 3 2 0 。，假设每块托板放1 0 层，5 k g 的米袋的高度 为6 0 m m ，故堆放层数决定机器人垂直行程为6 0 0 m m 。 表2 2 机械手工作参数 t a b 2 2t h ew o r k i n gp a r 锄e t e r so f m a n i p u l a t o r 抓取重量回转角度水平行程垂直行程工作能力 5 k g 3 2 0 。1 1 0 0 m m6 0 0 m m 8 0 0 袋h 2 2 4 工作任务要求 根据课题项目工况要求，设计具有空间搬运、码垛功能的机械手，对其进行运动学 建模，并将机械手的手爪开合机构送到待抓取的目标物体处。机械手距离目标物体较远 的时候设计机械手接近目标物体，当目标物体距离机械手较近时( 大约几毫米的距离) 设计机械手放缓抓取速度，以较慢的速度接近目标物体然后通过触觉和滑觉传感器的信 号反馈采用白适应控制技术实现对目标物体的稳定抓取后并搬运。 该工业机械手的作业工序为：位置检测抓取并夹持搬运( 包括提升、翻转、 旋转等动作) 放置快速返程，其工作流程框图如下图2 4 所示： 图2 4 机械手工作流程图 f 培2 4 w o r kn o wc h a i to ft h em a n i p u l a t o r 西华大学硕士学位论文 2 。3 机械手的组成 工业机械手可以按照预先设定的程序去完成一定的作业，例如，搬运物体、装卸 零件以及操持喷枪、焊把等工具，可在繁重、高温和多粉尘等较差工作环境的作业中 部分代替人工操作。工业机械手主要由执行机构( 即机械部分) 、驱动机构、和控制机 构( 包括传感检测装置) 三大部分组成【l 5 | 。 2 3 1执行机构 机械手的执行机构可以分为手部、腕部、臂部、腰部、机座五部分。手部一般安装 在机械手末端模仿人的手指动作；腕部、臂部、腰部协同引导手部准确抓取物体，共同 将物体送到正确位置上；机座安装手臂、动力源等，支撑整个机构。 通过对设计要求的分析，大体确定了机械手的设计方案，机械手的手爪部分，采用 的是回转型夹钳式，两个配合夹爪上安装触滑觉传感器和接近开关；手臂部分拟采用三 自由度结构形式，分别为两个移动自由度和一个回转自由度，以满足搬运作业的空间位 置要求；躯干部分采用腰部回转方式；即四关节五自由度机械手，方案如图2 5 所示， 四个关节分别为腰关节、立臂关节、悬臂关节、腕关节，五个自由度分别为腰部回转， 立臂竖直移动、悬臂水平移动、腕关节俯仰及手爪开合。 图2 5 机械手臂构型 f i g 2 5 a m l c o n 矗g u r a t i o no fm em e c h a n i c a l 本课题根据抓取机械手工作任务特点和类型特征，为了使它具有一定的操作灵活性 和较好的使用性能，同时考虑到所设计机械手的抓取精度不高，在结构设计上采用圆柱 坐标型的开链结构即可满足工作要求。 五自由度机械手的抓取设计 2 3 2 驱动机构 机械手驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制，同时还要考虑价格因素的 影响以及所能达到的技术水平。机器人常用的方式主要有：液压驱动、气压驱动和电气 驱动三种基本类型 16 1 。各种驱动的主要特点及应用场合简述如下： ( 1 ) 液压驱动系统 优点：结构简单，刚度好，低速性能好，功率大，定位精度高；缺点：成本较高， 油路系统复杂，漏油和油性变化影响系统特性。常用于驱动定位精度要求较高的中、大 功率机器人。 ( 2 ) 气动驱动系统 优点：成本低，控制简单，可靠性高；缺点：出力小，噪声大。由于空气的可压缩 性，故不能在定位精度较高的场合中使用。 ( 3 ) 电气驱动系统 电气驱动根据电动机的类型又分为步进电机驱动、直流电机驱动、交流电机驱动三 种方式。 步进电机驱动功率小，控制简单，响应速度快，抗干扰能力强。但可能失步， 可以对步进电机驱动系统进行细分控制，以提高定位精度。 直流电机驱动功率较大，效率较高，调速性能好，但换向器的电刷易磨损， 限制了其应用范围。 交流电机驱动维护简单，使用环境不受限制，但交流电机都采用闭环控制方 式，控制系统的复杂控制提高了成本。通常用于位置精度和速度要求高的机器人。 综合考虑控制的方便性、可靠性、各种驱动式的优缺点以及系统整体上的经济性， 对机械手各关节的驱动方式采用如图2 6 所示的步进电机构成的开环驱动控制方式。步 进电机驱动方式，可以大大简化系统结构，减轻计算机的运算负担，并且可以降低成本 和提高可靠性。 西华大学硕士学位论文 图2 6 机械手驱动方式 f 迦2 6 d r i v em o d eo f t h em a n i p u l a t o r 2 。3 3 控制系统 控制系统是机械手的大脑，其结构和功能的可靠划分以及合理的设计在很大程度 上影响系统功能的实现。在机械手控制系统设计中，应考虑系统可靠性、运行速度和性 价比。控制系统是根据机器人发出的指令执行相应的动作，以及处理从传感器收集来的 各个外部信息，经过分析处理，支配执行机构完成相应的动作和功能。控制方式主要有 分散式控制与集中式控制。 根据机械手的抓取要求，采用t m s 3 2 0 系列d s p 芯片控制步进电机的运动状态， 从而实现五自由度机械手控制系统的设计。选用s r 8 驱动器驱动两相四线混合步进电 机，选用接近觉传感器和触滑觉传感器作为反馈电路的核心器件，接近觉传感器用于检 测前方是否有物体，从而反馈给核心控制器控制电机的运动状态直至接触到物体，当手 爪与物体接触后，触滑觉传感器检测到力的反馈，给d s p 芯片反馈一个信号，d s p 芯 片分析这个信号后，发出控制步进电机运动的信号，从而实现反馈控制。 本章主要针对机械手抓取物体的性能要求和工作特点，对机械手的机械结构参数、 驱动方式以及软硬件设计控制系统问题进行了整体分析介绍。下面将分章阐述机械手的 结构设计、运动学仿真分析、控制系统的设计。 五自由度机械手的抓取设计 3 机械部分设计 机械结构是机械手最终的执行机构，是机械手赖以实现各种运动的实体。机械产品 的可靠性和实用性，在很大程度上取决于机械部分的运动方案、结构、传动方式以及驱 动方式的设计。 本章主要介绍机械手的运动方案，各部分的结构、传动及驱动方式的选择，从而完 成机械手的机械部分的设计。 3 1运动方案确定 常用于码垛、搬运等的机械手类型有直角坐标型、圆柱坐标型、水平关节型、垂直 关节型 5 。同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构，具体选用 哪种形式，必须根据作业要求、工作现场、位置以及搬运前后工件中心线方向的变化等 情况，分析比较并择优选取。 直角坐标型机械手的原理如图3 1 所示，它在x 、y 、z 轴上的运动独立，优点是 结构简单，直观性强，刚度高，三个关节的运动相互独立，运动和控制都比较简单；缺 点是占地面积大，动作范围小，操作灵活性差。 圆柱坐标型机械手的原理如图3 - 1 所示，r 、e 、z 为坐标系的三个坐标，其中r 是手臂的径向长度，o 是手臂的角位置，z 是垂直方向上的手臂位置。圆柱坐标型机械 手结构较简单，直观好，而且运动控制计算量小，动作范围大，编程简单，运行速度快， 定位精度比关节型机械手高，比直角坐标型低，不过其移动关节不容易防护。 q 直角坐标型圆柱坐标型 图3 1 用于搬运的机械手类型( a ) f i g 3 1m a n i p u l a t o rt y p e sf o rh a n d l i n g ( a ) q 西华大学硕士学位论文 水平关节型、垂直关节型机械手原理如图3 2 所示，它们均以各相邻运动部件之间 的相对角位移作为坐标系的。这两种机械手手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所 能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。关节型机械手占地面积小，动作范围大， 空间速度快，但与直角坐标型、圆柱坐标型机械手相比，其精度最低，控制计算量大， 安装机械手时需要通过计算避免工作点在奇异点范围内。 水平关节型垂直关节型 图3 2 用于搬运的机械手类型( b ) f i g 3 2m a n i p u l a t o rt y p e sf o r h a n d l i n g ( b ) 本课题根据抓取机械手工作任务特点和类型特征，为了使它具有一定的操作灵活性 和较好的使用性能，在结构设计上采用圆柱坐标型即可满足工作要求。整个机械手系统 设计为四关节五个自由度，各部分的运动方式及其尺寸如图3 - 3 所示。 图3 3 机械手运动方案 f i g 3 3 m o t i o ns c h e m eo ft h em a n i p u l a t o r 五自由度机械手的抓取设计 其中，连杆b 2 用于确定机械手上下移动的最大距离；连杆b 3 用于确定手部离立柱 旋转轴的距离的大小；连杆a 4 表示夹持部分的偏置；l 5 用于抓取物体，尺寸取决于物 体的形状大小。随着b 2 的升降、b 3 的伸缩和a 1 的转动实现物体位置的变换。据上述分 析，由末端执行机构的平面工作空间确定本体结构设计立臂、悬臂和手腕的关节间距， 在满足“够用原则”前提下，各结构基本尺寸尽量取小值。 3 2 传动与驱动方式的分析选择 3 2 1传动方式的分析选择 传动装置的作用主要是将驱动元件的动力传递给机械手相应的执行部件，以实现各 种预定的运动。工业机械手的传动系统要求结构紧凑、质量轻、转动惯量和体积小，要 求消除传动间隙，提高其运动和位置精度。 ( 1 ) 传动方式种类 目前常用的传送动力方式有：带传动、链条传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、谐波 减速传动及螺旋传动等 16 | 。 皮带传动结构简单，传动平稳无噪声，可以实现过载保护，但不能保证准确 的传动比，传动效率低，外形尺寸大，张紧力大，因此，常用于传动精度要求不高的中 小功率传动。 链条传动传动比准确，传动效率高，传递功率较大，张紧力小，但铰链磨损 后，链条易脱落，安装和维护要求较高。适合远距离传动，能在低速重载和高温条件等 环境中工作。 齿轮传动结构紧凑，传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高，寿命长， 但制造成本高，安装要求高，噪音大，需要经常润滑。 蜗轮蜗杆传动结构紧凑，传动比大，传动平稳、安全性能高，但制造成本较 高，传动效率较低。常用于要求传动比大且要求机构自锁的场合。 谐波减速传动结构紧凑，传动比大，承载能力高，效率高，传动精度高，但 制造复杂，成本较高，扭转刚度较低，要求传动比不能太小。 螺旋传动传动比大，传动效率高，传动平稳，定位精度高，但摩擦损耗大， 制造成本较高。滚珠丝杠传动广泛应用于要求较高的数控传动系统中。 ( 2 ) 腕部传动方案 方案( a ) ，带减速器的电机安装在腕部，直接带动腕部作俯仰运动如图3 4 所示。 西华大学硕士学位论文 悬臂 腕部 动机 图3 4 腕部俯仰方案( a ) f i g 3 4 p i t c hs c h e m eo ft h e 、r i s t ( a ) 方案( b ) ，带减速器的电机安装在悬臂前端，电动机经同步带传动后，把动力传 递到腕部，如图3 5 所示。 同步带带轮悬臂 图3 5 腕部俯仰方案( b ) f i g 3 5 p i t c hs c h e m eo ft h e 、砌s t ( b ) 部 方案( c ) ，电机安装在悬臂前端，经过锥齿轮换向带动腕部俯仰运动，如图3 6 所示。 电动机 悬臂 锥齿轮组 腕部 图3 6 腕部俯仰方案( c ) f i g 3 6 p i t c hs c h e m eo ft h ew r i s t ( c ) 五自由度机械手的抓取设计 以上三种方案均可行，方案( a ) 直接驱动，结构简单、易于控制，但电机的安装 增大了腕部受力；方案( b ) 结构合理，但同步带外形尺寸大，制造、安装及维修工作 比较麻烦；方案( c ) 力经传动轴然后经锥齿轮传动换向后，带动腕部俯仰，且电机安 装在悬臂最前端，减小了悬臂受力，所以选择方案( c ) 。 ( 3 ) 臂部传动方案 机械手的臂部传动方案，包括立臂的竖直运动和悬臂的水平运动均采用如图3 7 所 示的传动方案。 臂部 电动 直线型导轨 滚珠丝杠 工作台 图3 7 臂部传动方案图 f i 2 3 7t r a n s m i s s i o ns c h e m eo ft h e 猢 在传动方案中，螺旋传动形式主要有四种，( a ) 螺杆转动并移动，螺母固定；( b ) 螺 杆转动，螺母移动；( c ) 螺杆移动，螺母转动；( d ) 螺杆固定，螺母转动并移动。 此外，还有差动传动方式，丝杠上有螺距不同、旋向相同的两段螺纹，如果两段螺 纹的基本导程大小相差较少，则可获得较小的位移，因此，这种传动方式多用于各种微 动机构中。 臂部传动方案通过电动机直接驱动，采用( b ) 丝杠转动、螺母移动的方式，其结构 紧凑、丝杠刚性较好，工作行程大，需要采用直线型导轨作为导向装置限制螺母的转动， 在机电一体化系统中应用较广泛。 ( 4 ) 腰部传动方案 方案( a ) ，电机直接连接腰部回转轴，从而带动整个腰部在基座上旋转，这种传 动方式结构简单，缩短了力的传递路线，腰部电机放置在腰部回转基座的下方，如图3 8 所示。 西华大学硕士学位论文 机座 电动机 图3 8 腰部回转方案( a ) f 嘻3 8w a i s tt u m i n gs c h e i i l e ( a ) 方案( b ) ，电机通过一对圆柱齿轮组减速后连接与从动齿轮同轴的腰部回转轴， 从而带动腰部回转，这种传动方式结构比较简单，腰部电机放置在基座下方，如图3 9 所示。 _ 4 i 图3 9 腰部回转方案( b ) f i g 3 9w a i s tt i l m i n gs c h e m e ( b ) 轮组 这两种方案都是可行的，方案( a ) 方案结构简单，电机和旋转轴直接相连，更方 便安装，维修，还可以提高机械手的控制精度，定位更加准确，但传动比小。方案( b ) 经过齿轮啮合间接传递，齿轮啮合的误差会累加到腰部回转轴上，但对于精度要求不是 很高的搬运机械手来说，能够满足精度要求，因此采用方案( b ) 。 综上所述，本机械手各关节所采用的传动方式分别为： 腰部回转：步进电机1 圆柱齿轮组腰部； 立臂竖直移动：步进电机2 丝杠螺母立臂； 悬臂水平伸缩：步进电机3 丝杠螺母悬臂； 腕部摆动：步进电机4 锥齿轮组腕部； 手爪开合：步进电机5 丝杠螺母手爪。 五自由度机械手的抓取设计 机械手传动原理如图3 1 0 所示。 6 5 ) 4 ) 3 ) 2 ) 1 ) 基座2 ) 从动圆柱齿轮3 ) 立臂4 ) 悬臂电机5 ) 腕部电机6 ) 立臂电机7 ) 立臂丝杠8 ) 悬臂丝杠9 ) 主动锥齿轮1 0 ) 从动锥齿轮1 1 ) 悬臂1 2 ) 腕部1 3 ) 手爪电机1 4 ) 手爪丝杠1 5 ) 手爪1 6 ) 主动圆柱齿轮1 7 ) 腰部电机 图3 1 0 机械手传动原理图 f i g 3 10 d r i v ep r i n c i p l ed i a 矿a mo fm em a n i p u l a t o r 3 2 2 步进电机选型 根据电机的静态转矩的设计要求，以手部夹持电机为例，介绍步进电机的计算和 选取。 手爪步进电机选型 机械手手爪工作时速度较慢，电机主要克服搬运时的米袋重力力矩，容许抓取质 量为5 埏、外形尺寸为4 0 0 m m 2 6 0 m m 6 0 m m 的米袋。机械手稳定抓取米袋是依靠手 指与米袋接触部位的摩擦力与米袋重力相平衡来实现的。 米袋受力的平衡条件是： y f = o ，即2 f g = o ( 米袋与手指有2 处接触) ( 3 1 ) 由于： d 勋 l 1 1 1 西华大学硕士学位论文 f ：厂，：型l( 3 2 ) 2s l n a 可得： 1 ： g ( 3 3 ) s ma 式中，g = 5 1 0 = 5 0 为米袋的重力；f 为