三自由度机械手设计说明书

三自由度机械手 中文摘要 在工业上 自动控制系统有着广泛的应用 如工业自动化机床控制 计算机系统 机械手等 而机械手是相对较新的电子设备 它正开始广泛应用于各 个领域 本设计为三自由度直角坐标型下棋机器手 其工作方向为三个直线方向 在控制器的作用下 它实现的是将棋子从棋盘上 A 拿棋子到棋盘 B 位置这一简单的 动作 本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结 关键词 三自由度 直角坐标 机械手 爪部 丝杠 齿条 Robotic manipulator with Three Degree of Freedom Abstract Industrially automatic control systems are found in numerous applications such as automation machine tool control computer systems and robotics Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry This scheme introducedacylindricalrobot for three degree of freedom It is composed of three linear axes current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space perform relatively simple tasks This paper is more comprehensive introduction and summing up for the for the whole design work Key words three degrees of freedom cylindrical mechanical hand 陕西理工学院毕业设计说明书 第 I 页 目录 第一章绪论 1 1 1 概述 1 1 2 特点 1 1 3 国内外研究现状 2 第二章总体设计 4 2 1 机械手的组成及各部分关系概述 4 2 2 机械手的设计分析 7 2 2 1 设计要求 7 2 2 2 总体方案拟定 7 2 2 3 机械手主要技术性能参数 8 第三章机械手的机械系统设计 10 3 1 机械手的运动系统分析 10 3 1 1 机械手的运动概述 10 3 2 机械手的执行机构设计 11 3 2 1 末端执行机构 爪部 设计 11 3 2 2 手臂机构的设计 14 3 2 3 腰部和基底设计 16 3 2 4 步进电机和轴承的选取 19 第四章控制系统简述 22 4 1 控制流程 22 4 1 1 运动过程分析如下表 4 1 22 4 1 2 机械手的运动和执行过程如图 4 1 22 4 2 控制方式 23 第五章机械手运行时应采取的安全措施 24 5 1 操作以及安全要求 24 陕西理工学院毕业设计说明书 第 II 页 第六章整体评价以及心得体会 25 6 1 整体评价 25 6 2 心得体会 25 参考文献 26 陕西理工学院毕业设计说明书 第 1 页共 24 页 第一章绪论 1 1 概述 机械手工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科 它集中了机械工程 电子工 程 计算机工程 自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果 是当代科 学技术发展最活跃的领域之一 也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面 机 械手的研究 制造和应用水平 是一个国家科技水平和经济实力的象征 正受到许多 国家的广泛重视 目前 机械手的定义 世界各国尚未统一 分类也不尽相同 最近联合国国际标准 化组织采纳了美国机械手协会给机械手下的定义 机械手是一种可重复编程的多功能 操作装置 可以通过改变动作程序 来完成各种工作 主要用于搬运材料 传递棋子 参考国外的定义 结合我国的习惯用语 对机械手作如下定义 机械手是一种机体独立 动作自由度较多 程序可灵活变更 自动化程度高的自动 操作机械 主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸棋子 机械手以刚性高的手臂为主体 与人相比 可以有更快的运动速度 可以搬运东西 而且定位精度相当高 它可以根据外部来的信号 自动进行各种操作 机械手的发展 由简单到复杂 由初级到高级逐步完善 它的发展过程可分为三代 第一代机械手就是目前工业中大量使用的示教再现型机械手 它主要由手部 臂部 驱动系统和控制系统组成 它的控制方式比较简单 应用在线编程 即通过示教存贮 信息 工作时读出这些信息 向执行机构发出指令 执行机构按指令再现示教的操作 第二代机械手是带感觉的机械手 它具有力觉 触觉 视觉等进行反馈的能力 其 控制方式较第一代机械手要复杂得多 这种机械手从 1980 年开始进入了实用阶段 不 久即将普及应用 第三代机械手即智能机械手 这种机械手除了具有触觉 视觉等功能外 还能够根 据人给出的指令认识自身和周围的环境 识别对象的有无及其状态 再根据这一识别 自动选择程序进行操作 完成规定的任务 并且能跟踪工作对象的变化 具有适应工 作环境的功能 这种机械手还处于研制阶段 尚未大量投入工业应用 1 2 特点 机械手广泛应用于工业生产中 主要用来棋子在不同工位间的移动 动作主要是抓 取 移动位置 放置 实现棋子移位 在工业上 自动控制系统有着广泛的应用 如 工业自动化机床控制 计算机系统 机械手等 而机械手是相对较新的电子设备 它 正开始改变现代化工业面貌 虽然机械手的种类不尽相同 但其主要技术参数应包括以下几种 自由度 精度 工作范围 最大工作速度和承载能力 自由度是指机械手所具有的独立坐标轴运动的 数目 一般不包含末端执行器的开合自由度 在三维空间中表述一个物体的位置和姿 态需要 6 个自由度 但是 机械手可根据其用途而设计自身自由度 并且利用冗余的 陕西理工学院毕业设计说明书 第 2 页共 24 页 自由度增加灵活性 躲避障碍物改善动力性能 精度是指定位精度和重复定位精度 定位精度指机械手手部实际到达位置与目标位置之间的差异 重复定位精度是指机械 手重复定位手部于同一目标位置的能力 工作范围是指机械手手臂末端或手腕中心所 能到达的所有点的集合 承载能力是指机械手在工作范围内的任何位置上所能承受的 最大质量 最大工作速度指机械手自由度上最大的稳定速度 机械手是一种机体独立 动作自由度较多 程序可灵活变更 能任意定位 自动化 程度高的自动操作机械 主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸棋子或夹 具 机械手以刚性高的手臂为主体 与人相比 可以有更快的运动速度 可以搬运更重 的东西 而且定位精度相当高 它可以根据外部来的信号 自动进行各种操作 其工 作方向为两个直线方向和一个旋转方向 在控制器的作用下 它执行将棋子从 A 位置 移动到 B 位置这一简单的动作 鉴于机械手在工业中的广泛应用 也为了加强人机交互 本课题旨在设计一种能够 移动象棋棋子的下棋机械手 从而尝试着实现机械手在娱乐行业中一定程度的推广 为休闲娱乐生活带来一定的新鲜感与便捷 普遍意义上的六自由度机械手对工作环境 要求较高 但本课题是针对公园 大型娱乐场所等开放性场合 很难达到其所要求的 工作环境 而且 普遍意义上的机械手结构过于复杂 价格昂贵 所以将本课题定为 三自由度机械手 其具有结构简单 操作便捷 对工作环境要求不高等特点 很符合 实际情况 且机械手具有良好的空间转移性能和控制性能 该课题的成功研究不仅仅 可以应用在下棋这一项目上 其可应用在许多娱乐项目上 具有广阔的发展前景 1 3 国内外研究现状 目前 具有六自由度的并联机械手得到了广泛的研究 然而许多场合需要期望输出 运动为常量的少自由度的并联机械手 其中三自由度并联机械手是并联机构中一种很 有实用前景的机械手 它也是随着机械手技术的发展而发展起来的 Lee 和 Shah 研究 了空间三自由度并联机械手的设计 金琼和杨廷力等分析了一类新型三平移解耦并联 机构 李惠良等基于机构结构组成理论 综合出了一类完全解耦的一平移两转动的 3 自由度并联机构 杭鲁滨等基于解耦判定准则 构造了一种新型的三平移一转动解耦 并联机构 该机构既具有拓扑解耦特性 又具有尺度解耦特性 WeiminLi 提出了一种 完全解耦的三自由度移动并联机构 运动解耦的并联机构容易控制 而且可以达到很 高的精度 文中对这种三自由度并联机构进行了构型分析 建立该机构的运动学模型 验证了该机构具有运动解耦的特性 为该并联机构的动力学分析 有效控制和推广应 用等方面提供了一定的理论基础 在国外 机械手技术日趋成熟 已经成为一种标准设备被工业界广泛应用 从而 相继形成了一批具有影响力的 著名的机械手公司 主要包括 瑞典的 ABBRobotics 日本的 FANUC Yaskawa 德国的 KUKARooe etTcnlgAbtr 美国的 Adpehooy 英国的 AuoehRbtc OMAU tTcoois 加拿大的 JcdInternationalRobotics 以 色列的 RobogroupTek 公司 这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业 在国内 机 械手产业刚刚起步 但增长的势头非常强劲 如中国科学院沈阳自动化所投资组建的 陕西理工学院毕业设计说明书 第 3 页共 24 页 新松机械手公司 年利润增长在 40 左右 最近 全球内带有多指夹子或手的机械人系统已经发展起来了 多种方法应用其上 有拟人化的和非拟人化的 不仅调查了这些系统的机械结构 而且还包括其必要的控制 系统 如同人手一样 这些机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体 而不用改换 夹子 这些机械手具备特殊的运动能力 比如小质量和小惯性 这使被抓物体在机 械手的工作范围内做更复杂 更精确的操作变得可能 这些复杂的操作被抓物体绕任 意角度和轴旋转 本文概述了这种机械手的一般设计方法 同时给出了此类机械手的 一个示例 如卡尔斯鲁厄灵巧手 2001 年 6 月在德国卡尔斯鲁厄已开展的 人形机械手 特别研究 是为了开发在 正常环境 如厨房或客厅 下能够和人类合作和互动的机械手系统 设计这些机械手 系统是为了能够在非专业 非工业的条件下 如身处多物之中 帮我们抓取不同尺 寸 形状和重量的物体 同时 它们必须能够很好的操纵被抓物体 这种极强的灵活 性只能通过一个适应性极强的机械人手抓系统来获得 即所谓的多指机械手或机械手 手 机械手在许多生产领域的使用实践证明 它在提高生产自动化水平 提高劳动生产 率和产品质量以及经济效益 改善工人劳动条件等方面 有着令世人瞩目的作用 引 起了世界各国和社会各层人士的广泛关注 从近几年世界机械手推出的产品来看 机 械手技术正在向智能化 模块化和系统化的方向发展 其发展趋势主要为 结构的模 块化和可重构化 控制技术的开放化 Pc 化和网络化 伺服驱动技术的数字化和分散 化 多传感器融合技术的实用化 工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网 络化和智能化等方面 国外机械手技术已非常成熟 已走向产业化 目前已开发新型机械手为主 以应用 于更为广阔的市场 随着我国门户的逐渐开放 国内的机械手产业面临着越来越大的竞争与冲击 虽然 我国机械手的需求量逐年增加 但目前生产的机械手还很难达到所要求的质量 很多 机械手的关键部件还需要进口 所以目前来说 我国还处在一个机械手消费型的国家 我国现有的机械手研究开发和应用的工程单位超过 2000 家 其中从事机械手研究 和应用的超过 80 家基本掌握了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 目前生产的各类机械手中有 90 以上用于生产中来自中科院 沈阳自动化所专家课题组的预测表明 今年 我国机械手市场保有量将增至 486000 台 关于下棋机械手这一集合娱乐与工业于一体的新兴领域 国内外尚处于起步阶段 其中经查询文献 Autonomous Game Playing Robot 16 和 下棋机械人操作臂及手 爪的计算机辅助设计 10 的相关程度较高 尚可以观察得出 Autonomous Game Playing Robot 16 是对娱乐机械手进行了一个总体上的描述 而 下棋机械人操作臂 及手爪的计算机辅助设计 10 则重点对下棋机械手有了详尽的描述 该论文侧重于机 械手的手臂和手爪的设计与模拟仿真 综上 下棋机械手是一个较为新兴的领域 且前景广阔 非常具有研究价值 陕西理工学院毕业设计说明书 第 4 页共 24 页 第二章总体设计 2 1 机械手的组成及各部分关系概述 1 总体分析 首先应当进行机械手的总体设计对其有一个宏观的构思 然后机械手的组成及各部 分关系进行概述分析 上述两部完成后则按照设计要求和设计总体方案进行机械手的 机械系统设计 运动系统的分析以及机械传动装置设计 在机械手的诸多功能中 抓 取和移动是最主要的功能 这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好 的伺服控制驱动 本次设计就是在这一思维下展开的 陕西理工学院毕业设计说明书 第 5 页共 24 页 图 2 1 机械手的组成图 图 2 2 各部分关系图 它主要由机械系统 执行系统 驱动系统 控制检测系统及智能系统组成 A 执行系统 执行系统是机械手完成抓取棋子 实现各种运动所必需 的机械部件 它包括手部 腕部 机身等 1 手部 又称手爪或抓取机构 它直接抓取棋子或夹具 2 臂部 是支承手部的部件 作用是承受棋子的负荷 并把它传递到预定 的位置 3 机身 是支承手臂的部件 其作用是带动臂部运动 B 驱动系统 为执行系统各部件提供动力 并驱动其动力的装置 常用的 机械传动和电传动 C 控制系统 通过对驱动系统的控制 使执行系统按照规定的要求进行工作 当 发生错误或故障时发出报警信号 D 检测系统 作用是通过各种检测装置 传感装置检测执行机构的运动情况 根 据需要反馈给控制系统 与设定进行比较 以保证运动符合要求 2 机械系统概述 首先考虑其工作过程为 当检测到棋子时 机械手系统开始移动 直流电机控制开始 向下运动 同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动 伺服电机驱动机械手旋转到达 正好抓取棋子的方位处 然后撑开爪子 抓取棋子 电机驱动纵轴上升 另一个步进电机驱 动横轴开始向前走 转盘直流电机转动使机械手整体运动 转到棋子接收处 步进电机 再次驱动纵轴下降 抵达被指定的位置 放气瓣 系统回位准备下一次动作 圆柱坐标型为本设计所采用方案 这种运动形式是通过三个移动三个自由度组成的运 动系统 工作空间图形为直角坐标型 在相同的工作条件下 而运动范围大 陕西理工学院毕业设计说明书 第 6 页共 24 页 根据设计内容和需求确定三自由度机械手 利用步进电机驱动和齿轮传动来实现机 械手的运动 利用另一台步进电机驱动齿条 确定出臂长 手爪的结构设计 从而使 与丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下 抓取运动 最后按照工作要求对机械手的 计算机控制系统进行概述 分析 拟定出计算机控制系统的设计方案 其中 手臂 手爪部的设计是重点 手臂的设计应注意 1 手臂的结构和尺寸应满 足机械手完成作业任务提出的工作空间要求 2 根据手臂所受载荷和结构的特点 合 理选择手臂截面形状和材料 3 尽量减小手臂重量 以减小驱动装置的负荷 减少运 动的动载荷与冲击 提高手臂运动的响应速度 4 要设法提高运动的精确性 本设计 中手臂由滑动丝杠驱动实现上下运动 结构简单 装拆方便 还设计有根导柱导向 以防止手臂在滑动丝杠上转动 确保机身随螺母机构一起转动 手爪的设计应注意 1 末端执行机构应有足够的夹紧力 为使手指牢靠的夹紧棋子 2 末端执行机构应有一定的开闭范围 其大小不仅与棋子的尺寸有关 而且应注意手部 接近棋子的运动路线及其方位的影响 3 结构尽量紧凑重量轻 以利于腕部和臂部的结 构设计 夹持棋子的迅速 准确和牢靠程度都将直接影响到机械手的工作性能 手臂的设计 通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动机座转动 从 而实现机械手的旋转运动 通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滑动丝杠转动实 现手臂的上下移动 支撑梁的选材应以减轻重量和节省材料为原则 该种设计由电动 机直接驱动减速器 由减速器输出低速的回转运动带动实现手臂前后运动 齿轮传动 和位置传感器作为用来检测手臂的位移 3 控制系统概述 具有多个自由度 每个自由度一般包括一个伺服机构 它们必须协调起来 组成一 个多变量控制系统 这种多变量的控制系统 一般要用计算机来实现 因此 机械手 控制系统也是一个计算机控制系统 控制系统的功能是控制机械手操运动和操作以满 足作业的要求 在作业中机械手的工作任务是要求操作机的末端执行器按点位或轨迹 运动 并保持设定的姿态 在运动中或在规定的某点位执行作业规定的操作 对机械 手的控制功能大致有如下的基本要求和特点 A 实现对位姿 速度 加速度等的控制功能 在机械手的各类作业中 运动和控制方式主要有两种 1 点位控制方式 PTP 控制 这种控制方式考虑到末端执行器在运动过程中只在某些 规定的点上进行操作 因此只要求末端执行器在目标点处保证准确的位姿以满足作业 质量要求 而对达到目标点的运动轨迹 包括移动的路径和运动的姿态 则不作任何 规定 这种控制方式易于实现 但不易达到较高的定位精度 适用于上下料 搬运 点焊和在电路板上安插元件等只要求在目标点保持末端执行器准确的位姿的作业中 2 连续轨迹控制方式 CP 控制 这种控制方式要求末端执行器严格按规定的轨迹和速 度在一定精度要求内运动 以完成作业要求 这种必须保证机器人各关节连续 同步 地实现相应的运动 这种连续轨迹运动 可看成是若干密集轨迹曲线 若设定的点足 够密 就能用点位控制的方法实现所需精度的连续轨迹运动 B 存储和示教功能 要使机器人具有完成预定作业的功能 须先将要完成的作业示教给机器人 这个操 作过程称为示教 将示教内容记录下来 称为存储 使工业机器人按照存储的示教内 容进行动作 称为再现 所以工业机器人的动作是通过示教 存储 再现的过程实现 陕西理工学院毕业设计说明书 第 7 页共 24 页 的 C 对外部环境的检测和感觉功能 通过传感器来实现 机械手的控制主要包括 机械手动作的顺序控制 应实现的路径与位置控制 动作时 间间隔以及作用于对象物上的作用控制 其作用类似于人的大脑 是机械手的指挥系 统 控制驱动系统使执行机构按照要求工作 如果机械手不具备信息反馈特征 则该 控制系统称为开环控制系统 如果机械手具备信息反馈特征 则该控制系统称为闭环 控制系统 机械手控制系统是以机械手的单轴或多轴运动协调为目的的控制系统 其结构要比一 般自动机械复杂的多 有如下特点 1 传统的自动机械是以自身的动作为重点 而机 械手的控制系统更着重本体与操作对象的相互联系 无论多么高的精度控制手臂 机 械手必须能夹持并操作物体到达目的位置 2 机械手的控制与机构运动学及动力学密 切相关 机械手手足的状态可以在各种坐标下描述 且能根据需要选择不同的基准坐 标系 并做适当的坐标变换 3 即便一个简单的机械手 至少也有 3 个自由度 每个 自由度一般包含一个伺服机构 它们必须协调起来 组成一个多变量控制系统 4 描 述机械手状态和运动的数学模型是一个非线性模型 随着状态的不同和外力的变化 其参数也在变化 各变量之间还存在耦合 因此 不仅要利用位置闭环 还要利用速 度甚至加速度闭环 系统中经常使用重力补偿 解耦和基于传感信息的控制盒最优 PID 控制等方法 另外 机械手还有一种特有的控制方式 示教再现控制方式 即 是当需要机械手完成某作业时 可预先移动机械手的手臂 来示教该作业顺序 位置 以及其他信息 在执行时 依靠机械手的动作再现功能 可重复进行该作业 机械手 技术常用的控制策略有变结构控制 模糊控制神经网络控制 自适应控制和鲁棒控制 各种控制策略的应用范围不同 2 2 机械手的设计分析 2 2 1 设计要求 机械手广泛应用于工业生产中 主要用来工件在不同工位间的移动 动作主要是抓 取 移动位置 放置 实现工件移位 本课题旨在设计一种能够移动象棋棋子的下棋 机械手 下棋机械手 要能够实现棋子移动 完成对棋子的识别 抓取 移动 放置 收回到 起始位置 三自由度控制 设计任务需要老师讲解 1 主要设计内容 计一种能够移动象棋棋子的下棋机械手 实现棋子移动 完成对棋 子的识别 抓取 移动 放置 收回到起始位置功能 2 具体任务 机械系统设计 1 下棋机械手总体方案设计 以象棋子为对象 2 确定棋子抓取 移动 放置机构 棋子识别 移动控制方案设计 3 三自由度机械手机械结构设计 绘制装配图 主要的零件图 2 2 2 总体方案拟定 在机械手的功能中 抓取和移动是最主要的功能 这两项功能实现的技术基础是精 巧的机械结构设计和良好的控制驱动 本次设计就是在这一思维下展开的 根据设计 内容和需求确定直角坐标型机械手 利用步进电机驱动齿轮齿条传动来实现机械手的 陕西理工学院毕业设计说明书 第 8 页共 24 页 X 轴运动 利用另一台步进电机驱动丝杠旋转 从而使与丝杠螺母副固连在一起的实 现 Y 轴运动 末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器 用小型直流电机驱动夹紧 棋盘设计成可伸缩式 在箱体上开两条小槽 安装滚轮在槽内 滚轮连接在棋盘上棋 盘在不使用时放在箱体内 使用时拉出棋盘 在棋盘的顶端设计折叠支撑架 用以支 撑棋盘 使棋盘在下棋过程中平稳 此设计理念旨在是整个结构更加紧凑 方便使用 与放置 图 2 3 外形结构示意图 2 2 3 机械手主要技术性能参数 A 抓取重量 抓取重量是用来表明机械手负荷能力的技术参数 这是一项主要参数 这项参 数与机械手的运动速度有关 一般是指在正常速度下所抓取的重量 妻子质量 为 20g B 的极限尺寸 抓取棋子的极限尺寸是用来表明机械手抓取功能的技术参数 它是设计手部的 基础 期限尺寸为 54 4 C 坐标形式和自由度 说明机械手机身 手部 腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征 设 计成三自由度直角坐标式工业机器人 具有结构简单 方便操作的特点 D 运动行程范围 根据运动行程范围和坐标形式就可确定机械手的工作范围 工作空间范围见图 3 2 E 运动速度 是反映机械手性能的重要参数 通常所指的运动速度是机械手的最大运动速度 它与抓取重量 定位精度等参数密切有关 互相影响 速度设计 1 Y 轴方向移动速度 最长距离 800mm maxmin 5 3Ts Ts maxminmaxmin 286 160 n 3432r min n 1920r minvmm s vmm s 电机转速 2 X 轴方向移动速度 最长距离 686mm maxmin 2 1 5Ts Ts 343 457 3 n 457 3r s n 842r svmm s vmm s 伸收伸收 电机转速 陕西理工学院毕业设计说明书 第 9 页共 24 页 F 编程方式和存储容量 本设计中的三自由度圆柱坐标型机械手的有关技术参数见表 2 1 表 2 1 机械手类型三自由度直角坐标型 抓取重量 20g 自由度3 个 底部机构长 800mm 直线运动 步进电机驱动 单片机控制 腰部机构高 72 5mm 手臂机构长 704mm 伸缩运动 步进电机驱动 单片机控制 末端夹持器微型直流电机驱动 可夹持 54 4 的棋子 单片机控制 2 3 3 象棋盘与棋子参数 象棋盘的尺寸为 541 495mm 象棋的尺寸为 54 15mm 陕西理工学院毕业设计说明书 第 10 页共 24 页 第 3 章机械手的机械系统设计 3 1 机械手的运动系统分析 3 1 1 机械手的运动概述 机械手的运动 可从机械手的自由度 工作空间和机械结构类型等三方面来讨论 如图 3 1 所示 为机械手机构的简图 图 3 1 运动简图 A 机械手的运动自由度 所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手操作位置时所需要的独立运动参数的 数目 它是表示机械手动作灵活程度的参数 本设计机械手具有手爪升降 机身左右移动 手臂前后往复这三个自由度 B 机械手的工作空间和机械结构类型 1 工作空间是指机械手正常运行时 手部参考点能在空间活动的最大范围 是 机械手的主要技术参数 工作空间图如图 3 2 陕西理工学院毕业设计说明书 第 11 页共 24 页 图 3 2 工作空间图 3 2 机械手的执行机构设计 3 2 1 末端执行机构 爪部 设计 机械手的末端执行机构是用来抓持棋子部件 手部夹持工件的迅速 准确和牢靠程 度都将直接影响到机械手的工作性能 它是机械手的关键部件之一 1 设计时要注意的问题 A 末端执行机构应有足够的夹紧力 为使手指牢靠的夹紧工件 除考虑夹持工件 的重力外 还应考虑工件在传送过程中的动载荷 B 末端执行机构应有一定的开闭范围 其大小不仅与工件的尺寸有关 而且应注 意手部接近工件的运动路线及其方位的影响 C 应能保证工件在末端执行机构内准确定位 D 结构尽量紧凑重量轻 以利于臂部的结构设计 E 根据应用条件考虑通用性 2 总体结构设计 A 采用内撑连杆杠杆式夹持器 用小型直流电机夹紧 它的结构形式如图 3 4 内 撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力 该种夹持器亦可用于内孔薄壁零件 的夹持 机器人手爪部拟采用连杆杠杠式钳爪 原理等同于雨伞 上段带一个小型电机 轴 的上下移动控制爪部张开 闭合 为其设计四只爪钳 因为 此种设计从任何位置任 何角度皆可很好的在不碰触其他棋子的同时来抓取选定棋子 初步选定的本是气动或 液压式爪钳 由于气动式或液压式需要气泵和液压缸 在公共场合应用不便 故摒弃 陕西理工学院毕业设计说明书 第 12 页共 24 页 二次确定使用磁吸式 如此对棋子要求较高 必须使用金属制棋子 故摒弃 最终确 定采用机械式爪钳 在初步的设计中 本采用內撑板式结构 但是手抓中间部位连接件难以实现四个铰 链在限制转动自由度的情况下同时运动 以实现爪部张开与夹紧棋子 否定此方案 最终确定采用内撑连杆杠杆式夹持器 用小型直流电机夹紧 它的结构形式如图 3 3 内撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力 该种夹持器亦可用于内孔薄 壁零件的夹持 图 3 3 结构形式图 此机械手部以结构紧凑 小型作为设计要素 由棋子大小来确定爪子张开与闭合的 大小 确定为 54 4 考虑到棋盘各个棋子之间间距 同时 四只卡爪分布情况如图 3 5 所示 爪部的升降本采用钢丝 滑轮机构 但是此种设计方案不能限制爪部的 Z 轴 旋转自由度 功能不能满足要求 故采用小螺杆来实现 螺杆的公称直径为 6 由一 部微型直流电机来驱动 a 爪部结构的设计 卡爪连杆长为 52mm 撑杆长 26 5mm 爪子长 62mm 其张开角度为 5 b 驱动力计算如下 陕西理工学院毕业设计说明书 第 13 页共 24 页 1 手抓的力学分析 由 0 得 X F 1 F 2 F 0 得 y F 1 F a F cos2 1 F 1 F 由 得0 01 FMhFF X 1 h h a a cos F 3 1 x aF a b 2 cos 式中 a 手指的回转支点到对称中心的距离 mm 工件被夹紧时手指的撑杆与两回转支点的夹角 由分析可知 当驱动力一定时 角增大 则握力也随之增大 但角 F N F 过大会导致拉杆行程过大 以及手部结构增大 因此最好 30 到 40 2 该爪钳的当量夹紧力为 查 工业机器人 表 2 2 3 最小驱动力计算 查 工业机器人 式 2 10 2 7 74 Nbd PN dy 4 实际驱动力计算 查 工业机器人 式 2 12 其中 K1 为 1 5 K2 为 1 1 取 0 9 12 K K 141 9 NPP 实际计算 5 传动机构的选择 选取爪子传动机构的丝杠的直径为 6mm 导程为 2mm 长度为 40mm 则传动转矩为 15N mm 0 015N m 2 5 实际 FT 0 5 50 98 NGGN f 陕西理工学院毕业设计说明书 第 14 页共 24 页 选用微型直流电机驱动电机选择OT FK K10 符合传动要求在丝杠旁设置一光杆 作为圆柱导轨 限制其转动自由度 顶部有 25 基座 用 M3 螺栓与顶部相连接 另一微型直流电机放置于基座上 利用正反转 和内螺纹来控制连接柱上下运动从而控制爪部开闭 为限制撑杆的转动自由度 将其 设计为长方体 利用铰链杆件来连接撑杆和爪子 运动过程为 A 电机正传 爪部下 降 至指定位置 A 电机停转 B 电机正传 撑杆下降 爪子张开 B 点击反转 撑 杆上升 爪子夹紧棋子 A 电机反转 爪部上升 图 3 4 卡爪位置分布图 B 棋子为木制 自重为 20g 故只需保持卡爪对棋子的最大静摩擦力大于等于 即可 手爪部夹紧力计算 0 02Gmg 0 5 50 98 NGGN f 0 98 0 196 符合要求 3 2 2 手臂机构的设计 1 手臂的设计要求 A 手臂的结构和尺寸应满足机械手完成作业任务提出的工作空间要求 B 根据手臂所受载荷和结构的特点 合理选择手臂截面形状和轻质材料 C 尽量减小手臂重量以减小驱动装置的负荷 减少运动的动载荷与冲击 提高手臂 运动的响应速度 D 要设法减小机械间隙引起的运动误差 提高运动的精确性和运动刚度 陕西理工学院毕业设计说明书 第 15 页共 24 页 起初手臂部分项设计成桁架结构 目的是为了减轻重量 且美观 爪部安装变幅小 车来实现其 X 轴方向水平移动 查找资料得出臂部长宽高均超过 40mm 尺寸结构过大 与此设计理念相悖 故舍弃 本设计中手臂由齿轮齿条驱动实现上下运动 结构简单 装拆方便 它的结构如图 3 5 图 3 5 齿轮齿条机构 末端为支承板 末端执行机构 爪部 通过螺杆和光杆与臂部练接 控制爪部的 升降运动的电机和光杆与支承板连接 2 手臂部结构计算 A 齿条以及末端支承版的整体计算 齿条长为 L 704 3mm 宽为 B 6mm 高为 H 6mm 齿条基座材料为铸造铝合金合金牌号为 ZAlCu5MnCdA 合金代号为 ZL204A 其 密度为 2 69 20 g cm 3 齿条材料为 45 钢 镶嵌在齿条基座上 故齿条其体积为 V 25354 8mm 25 35cm 质量为 M V 69 56g 末端为支承板体积为 V 1 26cm 质量为 M 3 39g 爪部整体结构估算总量为 150g 爪部主要尺寸零件全部采用铝合金制造 故齿轮齿条以及末端执行机构的整体质量为 69 56 3 39 150 222 95gM总 由于齿条镶嵌于机身内壁 故其有摩擦力 当齿条的驱动力大于最大静摩擦力时 齿条方可运动 B 齿轮齿条的选型与计算 一 齿轮 1 选定齿轮类型 精度等级 材料以及齿数 1 齿轮材料为 45 钢 硬度为 240HBS 2 选齿轮的齿数为 Z 11 齿条齿数为 Z 3 速度不高 选 7 级精度 GB 10095 88 4 选直齿圆柱齿轮 2 按齿面接触强度计算 1 由设计计算公式 10 9a 进行试算 即 陕西理工学院毕业设计说明书 第 16 页共 24 页 2 1 3 1 1 2 32 E t dH KTZu d u 2 试选载荷系数1 0 t K 3 计算小齿轮的传递转矩 1 230 TN mm 4 10 7 齿宽系数0 5 d 5 10 6 材料的弹性影响系数 1 2 173 9 E ZMPa 6 由图 10 21d 按齿面硬度查的小齿轮接触疲劳强度极限 lim1 420 H MPa 7 由图 10 19 取接触疲劳寿命系数 1 0 9 HW K 8 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 S 1 由式 10 12 得 1lim1 378 HN H K MPa S 3 计算 1 试选小齿轮分度圆直径 带入中较小的值 H 2 1 3 1 1 2 3210 6 E t dH KTZu dmm u 2 计算尺宽 1 5 3 t bdmm 3 计算齿宽与齿高之比 模数 1 1 0 96 t t d mmm Z 齿高 h 2 25 2 25 t m 2 4 b h 20 二 齿条 1 齿条模数选 m 1 2 压力角 查 机械设计师手册 表 17 1 20 3 齿顶高 查 机械设计师手册 表 17 1 1 01 ap hm 陕西理工学院毕业设计说明书 第 17 页共 24 页 4 齿根高 查 机械设计师手册 表 17 1 1 251 25 fp hm 5 有效高度 查 机械设计师手册 表 17 1 22 wp hm 6 顶隙 查 机械设计师手册 表 17 1 0 250 25 p Cm 7 全齿高 查 机械设计师手册 表 17 1 2 252 25 p hm 8 齿距 查 机械设计师手册 表 17 1 Pm 9 齿厚 查 机械设计师手册 表 17 1 0 51 57 p SP 10 齿根圆半径 查 机械设计师手册 表 17 1 0 380 38 fp m 3 2 3 腰部和基底设计 1 腰部的设计 A 腰部的结构和尺寸应满足机械手完成作业任务提出的工作空间要求 B 根据腰部所受载荷和结构的特点 应选择钢材作为腰部的制造材料 C 要设法减小机械间隙引起的运动误差 提高运动的精确 腰部主要用于承载 则设计成空心筒状 壁厚 3mm 内部镶嵌有齿条 齿轮位于中部 与齿条啮合 外形结构见图 3 6 陕西理工学院毕业设计说明书 第 18 页共 24 页 图 3 6 腰部结构图 腰部高为 72 5mm 腰部底座由四个 M3 螺纹固定于支承溜板上 腰部最初设计为升 降台式机构 其原理采用旋转螺母起重 即螺旋千斤顶 但是由于底部升降方向难于 实现 用蜗轮蜗杆机构实现 且蜗轮结构特殊 必须设计成空心 以和腰部杆件配合 鉴于此种机构难于实现 所以舍弃此种设计方案 其顶部用步进电机 电机带动输入轴转动 轴顶端通过键连接一小齿轮 与齿条啮 合 以实现齿条的水平移动 2 基底 丝杠圆柱导轨 设计 与底座连接的溜板为一 35 72 3 的钢板 钢板上部与腰部底部利用螺栓连接 钢 板下部与丝杠螺母以及圆柱导轨滑动机构焊接 丝杠是传动件 控制其 Y 轴水平移动 以步进电机控制丝杠转速来控制其 Y 轴移动速度 A 丝杠设计 由于部件工作载荷较小 且考虑到其便携性和易于制造性 故丝杠拟采用滑动螺旋 传动 螺杆拟采用两端铰支的端部结构方式 其长度系数1 1 螺杆材料 陕西理工学院毕业设计说明书 第 19 页共 24 页 45 钢 2 螺杆中径 2 12dmm 查 机械设计师手册 表 19 3 设计计算公式得出该螺杆可承受 2 F d p 5200 N 的轴向载荷力 3 螺母高度 螺母拟采用整体式螺母 查 机械设计师手册 表 19 3 得出1 5 2 18Hdmm 4 螺距 查 机械设计师手册 表 19 17 螺距选 P 5mm 5 螺纹工作高度 查 机械设计师手册 表 19 3 螺纹工作高度 h 0 5p 2 5mm 6 螺杆长度 L 820mm 7 余程 查 机械设计师手册 图 19 2 10 e Lmm 8 有效长度 2800 ue LLLmm B 圆柱导轨设计 光杆是主要的承载件 其直径为 15 长度为 820mm 材料选用 45 钢 丝杠与光杆 都采用角接触球轴承代号为 7200AC 可承受一定的径向载荷 丝杠和光杆的设计示意图如图 3 7 3 支承溜板设计 该溜板材料选用 45 钢 长为 72 7mm 宽为 35 25mm 厚为 3mm 的钢板 这是整个机械 手的主要承载件 其固定在光杆上 可在 y 轴上移动 其主要通过丝杠传动 如图 3 7 图 3 7 溜板示意图 陕西理工学院毕业设计说明书 第 20 页共 24 页 图 3 7 丝杠光杆结构示意图 3 2 4 步进电机和轴承的选取 1 步进电机的选取 机械手的左右和前后移动采用了步进电机驱动 下面就给出各种驱动方式的比较 以作为选取步进电机作为驱动方式的依据 表 3 1 各种驱动方式比较 驱动方式 电机 驱动 比较内容 机械传动 异步电机 直流电机 步进或伺服 电机 气压传动液压传动 输出力矩 输出力矩较 大 输出力可 较大 输出力矩较 小 气体压力小 输出力矩小 如需输出力 矩较大 结 构尺寸过大 液体压力高 可 以获得较大的输 出力 控制性能 速度可高 速度和加速 度均由机构 控制 定位 精度高 可 与主机严格 控制性能 较差 惯 性大 步 易精确定 位 控制性能好 可精确定位 但控制系统 复杂 可高速 气 体压缩性大 阻力效果差 冲击较严重 精确定位较 困难 低速 油液压缩性小 压力流量均容易 控制 可无级调 速 反应灵敏 可实现连续轨迹 控制 陕西理工学院毕业设计说明书 第 21 页共 24 页 同步易控制 应用范围 适用于自由 度少的专用 机械手 高 速低速均能 适用 适用于抓 取重量大 和速度低 的专用机 械手 可用于程序 复杂和运动 轨迹要求严 格的小型通 用机械手 中小型专用 通用机械手 都有 中小型专用通用 机械手都有 特 别时重型机械手 多用 由上表可知步进电机应用于驱动该机构有着许多无可替代的优点 如控制性能好 可精确定位 体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等 下 面就对步进电机的型号进行选取 A 丝杠部分步进电机选取 查 机械制造装备设计 式 1 21 max 12 2000 h MLff FP TTTT 1 计算最大轴向载荷力 14N max F 2 丝杠导程 5mm h P 3 机械效率 0 9 4 螺母附加摩擦转矩 2 1 tan 0 95 2 f d TFF 5 轴承摩擦转矩可忽略 则可得出 14N mm L T 扭矩过小可容易满足要求 根据速度要求选择型号为 42BYG4503 步进电机 其最大速度根据输入得电脉冲频率而定 其转速与移动速度的关系为vP n B 齿轮齿条步进电机选取 手臂部以及末端爪钳的总重量估算为 223g 其摩擦力矩可忽略不计 根据速度要 求选电动机 为 39BYG4501 步进电机 2 轴承的选取 丝杠与光杆都采用角接触球轴承 角接触球轴承具有以径向载荷为主的径向轴向联 合载荷 能在较高的转速下正常工作 一般成对使用 在此设计中正向安装 表 3 2 轴承特性 陕西理工学院毕业设计说明书 第 22 页共 24 页 基本额定 极限转速 r min 轴承代号 动载荷 Ca KN 静载荷 C0a KN 脂润滑油润滑 7200AC5 582 821800026000 陕西理工学院毕业设计说明书 第 23 页共 24 页 第四章控制系统简述 4 1 控制流程 其运动控制方式为 1 由直流电机驱动开闭的机械手 2 由步进电机驱动丝杠组件 使机械手沿 X 轴移动 有 x 轴限位开关 3 由步进电机驱动齿轮齿条组件使机械手沿 Y 轴移动 有 Y 轴限位开关 4 基座主要支撑以上 3 部分 5 机械手的张合由直流电 机控制 正转时机械手抓紧 反转时机械手松开 4 1 1 运动过程分析如下表 4 1 表 4 1 处于 A 位工步一 Y 轴移动至工作位置 B工步二 X 轴手臂伸出至工作位置 C工步三 爪部下降工步四 工步十 夹紧棋子工步五 爪部上升工步六 工步十二 X 轴手臂收缩工步七 工步十三 Y 轴移动至放置位置工步八 X 轴手臂伸出至放置位置工步九 爪部放松工步十一 4 1 2 机械手的运动和执行过程如图 4 1 陕西理工学院毕业设计说明书 第 24 页共 24 页 图 4 1 机械手的运动和执行过程图 实现运动执行过程中的各工步是由机械手的控制系统和各种检测原件来实现的 这 里尤其要强调的是机械手对工件的定位夹紧的准确性 这是本次设计关键所在 4 2 控制方式 拟采用通用微机控制系统 编写控制程序 并于智能下棋程序相连 从而实现对机 械手在智能下棋程序的引导下来对运动 执行过程进行控制 其基本控制过程是通过 凹槽式棋盘的凹槽内安装的传感器来识别棋子 并将棋子的总体布局情况传递给智能 识别系统 通过程序的运算 来确定下一步棋子的走法 再将命令传递给控制系统 控制系统通过驱动步进电机和直流电机来实现棋子的运动 棋盘旁设有凹槽 以放置 被吃掉的棋子 凹槽内安装有传感器 来识别被吃掉的棋子 棋子上设置磁性编码 按 1 16 编码 以识别棋子的名称 和阵营 以确定棋子的摆放位置 移动规则和敌 我阵营 在棋盘上设置 9 10 点阵 采用凹槽内传感器来识别棋子名称和位置 并传 递至智能下棋系统来判断下棋方略 同时手部应设置识别器 用以识别棋子的位置 或者使用单片机程序独立控制 陕西理工学院毕业设计说明书 第 25 页共 24 页 第五章机械手运行时应采取的安全措施 在下棋机械手应用中 保证娱乐性的同时也要参照有关规程 规范机械手的说明资 料 落实安全措施 杜绝发生机器人伤人或其它事故 5 1 操作以及安全要求 下棋机械手带给人娱乐的同时又给人另一种危险 即机械手伤人事故 这是机械手 安全管理的最为重要的一条原则 此外 除了通用的工业安全规程外 还要注意机械 手的特殊性 采取相应可靠的对策 1 对机械手应用工程的安全要求有如下几条 A 必须为机械手和周边设备安装护罩 以防止人碰触造成伤害 机械手的动作范 围不能超越规定范围 B 在机盖上上必须设置机械开关 以及电开关 其插座有导线与控制系统的电路 连接 C 只有拔下开关的插头 才能打开对应的机盖 这时 机械手及周边设备停止运 转并且将机械手固定在某一位置 D 在操作者的位置设置紧急停止开关 按下此开关 机械手和有关的设备立即停 止运转 在人机结合部设置传感器 当操作者在此处下棋 取棋子时 控制系 统要有相