工件抓取毕业设计论文

摘 要 本次设计的课题是共建加持机械手的结构设计 本论文确定了机械手的座标型 式和自由度 以及机械手的技术参数 机械手能代替人工操作 起到减轻工人劳动强度 节约加工时间 提高生产效 率 降低生产成本的特点 在实用基础上 对机械手直臂与夹持部件进行三维设计 其中分为三个部分 手爪 手腕 手臂 整体机械手为圆柱坐标型 驱动方式为电 机驱动 结构简单可靠 精度高 设计了两支点回转 平移型夹持手爪 传动结构为 滑动丝杆 手腕为回转型 转动角度为 0 360 传动结构为同步带传动 设计了机 械手的手臂结构 计算出了手臂升降时所需的驱动力矩 对工作机构和传动系统进 行设计计算 包括主要部件的设计计算 强度校核和运动分析 利用三维 solidworks 软件对主要零件进行实体设计和造型 并绘制了机械手的装配图和主要 零件图 关键词 直臂与夹持部件 机械手 CAD 二维设计 solid works 三维设计 Abstract This topic is designed to build a blessing robot design this paper identifies the type robot coordinates and freedom and the technical parameters of the robot Robot can replace manual operations reduce labor intensity of play save processing time increase productivity reduce production cost In practical basis the robot arm and the clamping member for three dimensional design which is divided into three parts the gripper wrist arm Overall cylindrical coordinates robot type drive motor driven simple and reliable structure high precision Designed a two point swing translation type clamping gripper transmission structure for a sliding screw wrist for transition back to the rotation angle of 0 360 transmission structure for belt drive designed robot arm structure calculated the driving torque required when lifting the arm the work organization and transmission design calculations including the calculation of the main components of the design strength check and motion analysis solidworks software using three dimensional solid parts of the main design and modeling and draw manipulator assembly drawings and the main parts diagram Key word Straight arm and clamping parts Manipulator CAD 2d design solid works 3d dsign 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 前言和意义 1 1 2 工业机械手概述 1 1 3 国内外研究现状和趋势 3 第二章第二章 工业机械手的结构分析工业机械手的结构分析 4 2 1 执行机构分析 4 2 2 驱动机构分析 4 2 3 传动结构分析 5 2 4 机械手的基本形式分析 6 2 5 本次材料搬运机械手的设计方案 6 第三章第三章 机械手运动学分析机械手运动学分析 8 3 1 D H 方法简介及坐标变换 8 3 2 机械手的 D H 方法求解 10 第四章第四章 机械手参数设计及应力分析机械手参数设计及应力分析 14 4 1 机械手手爪的设计计算 14 4 1 1 机械手爪橡胶块设计 14 4 1 2 机械手爪各杆件尺寸设计 15 4 1 3 机械手爪电机驱动力计算 15 4 1 4 滑动丝杠校核 16 4 2 机械手升降臂电机扭矩计算 18 4 3 机械手主要零件的应力分析 19 第五章第五章 机械手的三维设计机械手的三维设计 27 5 1 机械爪设计 27 5 2 机械手腕设计 29 5 2 机械手臂设计 30 5 3 1 手臂的回转结构设计 30 5 3 2 手臂升降结构设计 31 5 3 3 手臂伸缩结构设计 32 5 4 机械手相关设计图纸 33 第六章第六章 总结总结 36 谢辞谢辞 37 参考文献参考文献 38 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 0 第一章 绪论 1 1 前言和意义 在当今社会中 随着工业自动化的全面发展和科学技术的不断革新 对工作效率 提高的呼吁越来越高 纯粹的手工劳作已经满足不了工业自动化的需求 因此 利用 先进设备自动化生产机械以取代人的劳动力 满足工业自动化的需求势在必行 这之 中机械手是其发展过程当中的重要产物 它不仅提高了劳动生产率 还能代替人类完 成高强度 危险性高 重复枯燥的工作 同时减轻了人类的劳动强度 可以说是双向 受益 在机械行业中 机械手的应用越来越广泛 首先 它能够将生产过程中的自动 化程度提高 机械手可以实现传送材料 装卸工件 更换道具以及装配机器等 这样 使得生产线的自动化程度和劳动生产率得到提高 并降低了成本 其次它可以改善劳 动条件 避免安全事故的发生 目前的工业生产环境中 存在着高温 高压 低温 有灰尘 噪声 臭味 有放射性或其他有毒污染及狭窄的工作空间 在这些场合中 直接用人来操作危险性很大 或者根本不可能 这时机械手就可以代替工人进行工作 可以更安全的完成作业 改善劳动条件 工业机械手可以代替人类进行工作 这样直 接的减少了人为的操作 同时机械手可以连续工作 减少了人的劳作时间 因此 在 当今自动化生产线上 机械手的加入更为合适 并且机械手可以更准确地控制生产过 程中的节拍 方便有节奏的生产作业 1 2 工业机械手概述 在上世纪五十年代 美国的联控公司第一次研究开发出了工业机械手 该机械手 结构简单 运动精度低 但是确是人类工业史上最重要的一步 由此打开了全世界工 业机械手研究 学习 开发的先河 在上世纪六十年代初期 美国联控公司在原有机 械手的基础上 重新加大人力 财力 物力 研发出了新一代工业机械手 这个机械 手的手臂采用液压控制方案 共有 3 个自由度 分别为俯仰自由度 伸缩自由度 以 及回转自由度 同时 该机械手的研发工作 更是在工业机械手行业中掀起了一次浪 潮 由此往后 一种新型的机械手如雨后春笋般成长起来 那就是以它为蓝本 所研 发出的球坐标系机械手 美国联控所研发的这两个机械手 为美国在世界机械手行业 领域内 打下了坚实的基础 使美国的工业机械手在未来的几十年中 发芽 生根 成长 最终在如今结出了累累的硕果 同样是上世纪七十年代末期 美国的斯坦福大学 麻省理工大学和 Unimate 公司 和共同研究开发了一种被称为 Unimate Vicarm 的工业用机械手 该机械手最初是被用 来取代工人 完成装配工作 当时控制该的机械手的是小型 pc 机 运动控制系统相对 完善 运动精度误差能够达到正负一毫米 同年 德国的 KnKa 司研究开发出一种点 焊机械手 用于对汽车等大型工件的焊接工作 并且采用了关节式结构 如今在不同的工业生产过程中会使用机械手 这些机械手根据它们的使用而具有 不同的运动学原理 在此 机械手经常承担所谓的 拾取与放置 作业 在这些作业 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 1 中 机械手必须在一个地方抓取物体并在另一地方将其放下 在此希望快速地抓起物 体 货物 运送并在尽可能短的时间内在保持较高定位精度的前提下能够将该其在目 标地方放下 还希望使得机械手空载运行的比重尽可能的小 从以上描述可知 机械 手会根据作业不同而按照不同的方式和待作业物体 货物 进行接触 和物体的这种 接触通过机械手的至少一个执行器来实现 该执行器可以是任何抓取装置 所以 本 课题中需要研究用于驱动机械手的方法和机械手结构等问题 从而达到高效节能 成 本低廉 时间最优化的方式来运送货物 其中机械手的运送功能应当完成运送货物的 接收和放置或分类等工作 机械手从运动坐标形式和驱动方式两个方面 可以大致有以下几个方面的分类 按照机器人的运动坐标的形式 可以分为以下 4 个种类 分别是直角坐标系 圆 柱坐标系 球坐标系以及多关节式坐标系 其中最常见的是直角坐标系以及圆柱坐标 系 直角坐标系机械手的臂部可以分别沿着 x y z 三个坐标轴进行直线往复移动 当然 机械手臂的直线伸缩运动 也属于直角坐标系机械手的范畴之内 通常 我们 将 X 轴方向的运动称为伸缩运动 Y 轴方向的运动称为左右运动 而 Z 轴方向的运动 则被成为升降运动 圆柱坐标的机械手可以绕 Z 轴进行转动 转动范围根据不同的工 作需要可以自由地调节 通常圆柱坐标系机械手的基座旋转范围为 360 这样就能更 多地适应不同的工作环境 同时 在旋转的过程中 机械手臂同样可以进行伸缩 升 降和左右转动的运动方式 剩下还有两种坐标形式机械手 其中球坐标式机械手的臂部不仅能够在 X 轴上进 行直线往复运动 同时还能再运动过程中 围绕 Y 轴以及 Z 轴转动 在转动的过程中 机械臂同样能够完成伸缩 升降和左右转动的动作要求 相比之前两种坐标系 球坐 标的技术难度相对较高 运动相对复杂 空间路径规划比较难 但是 他的有点同样 是显而易见的 最后一种机械手被称为多关节式机械手 多关节机械手的手臂部分往 往被分为大臂和小臂两个部分 其中大臂和小臂的连接方式均为铰接连接 在保证左 右转动灵活方便的情况下 小臂能够相对于大臂绕肘部上下摆动 大臂可绕肩部多角 度自由摆动 整个机械手灵活度较高 如图 1 1 图 1 1 医疗多关节机械手 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 2 刚才我们讨论了按照坐标方式的不同对不同种类的机器人进行了详细地区分以及 介绍 接下来我将对机器人的不同驱动方式进行简单的讲解 首先比较常见的 2 种机 械手驱动方式分别为电力驱动机械手和气压驱动机械手 顾名思义 电力驱动机械手 就是依靠直流减速电机 交流减速电机 步进电机等电动机 将电能转化为机械能 来控制机械手的相关运动 其次是气压驱动机械手 依靠对空气进行过滤和压缩后 利用压缩空气的压强来使机械手实现张合 移动 升降等相关动作 由于气压机械手 有成本低 节能环保 加持力大等有点 所以在工业上有广泛运用 第三是液压驱动 机械手 液压驱动机械手和与气压驱动机械手的工作原理大同小异 只不过把压缩介 质将空气换成了液压油 目前虽有应用 但我认为 未来液压机械手 终会被气压与 电力驱动机械手赶出工业机械手的应用空间 1 3 国内外研究现状和趋势 目前 在国内外都将机器人和机械手的研发作为一项国家科研计划来大力发展和 实施 成为全球化的研究热点已经持续多年并未见疲态 经过多年来对机械手的研究 状况 我们可以大体找出目前世界上机械手的研究现状以及大体趋势 首先 随着科 学技术的不断发展 工业机械手的自身性能的到了不断地提高 这种提高不光体现在 高速度 高精度以及高可靠性上 而且在操作和维修方面 也得到了大量的改善 不 光如此 每台工业机械手的价格却在不断下降 目前已经可以大量代替工人进行相关 作业 其次 由于机械手在全球大范围的快速推广 机械手的机械结构正在向模块化 可重构化高速发展 这种模块花的发展 不仅仅只体现在机械结构上 而且还体现在 伺服电机 实时高精度传感器等 目前工业机械手的控制系统 正逐渐向标准化 小 型化 网络化迈进 由工业 PLC 进行精准集成控制 大大增加了操作系统的可靠性 便于操作性以及维修维护性 第三 工业机械手所用到的传感器也日益丰富 从最早的光栅码盘到如今的 6 轴 陀螺仪 从过去的位置传感器到如今的视觉系统 机械手正在将视觉 声觉 力觉 触觉等多传感器融合起来 通过多种传感器的相互配合 来对周围工作环境进行建模 以及决策控制 目前 由多传感器融合而成的机械手控制系统 已经有了成熟的产品 应用 最后 就是正在大力研发 可以在不久的将来实现的虚拟现实技术 虚拟现实技 术在工业机械手中的作用已从仿真 预演发展到用于过程控制 比如使机械手操作者 身于远端 就能对工作环境中机械手进行操控 完成高难度的工作 总的来说 机械手的发展大体是两个方向 其一是机器人的智能化 其二是与生 产加工相联系 满足相对具体的任务的工业机器人 虽然我国的机器人技术起步较晚 但是 我国在多年以前 就把工业机器人的研发 列入国家重点科研规划内容 在一 系列政策计划的支持下 机器人基础理论和基础元 器件研究全面展开 并且得到了 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 3 飞速的发展 在以后的机器人设计制造技术中 我国逐步缩小了与世界先进水平的差 距 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 4 第二章 工业机械手的结构分析 2 1 执行机构分析 1 手部是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件 分为钳爪式 和吸附式两种 机械手手部通常具有以下三个特点 第一 机械手手部是工业机器人 的末端执行器 它可以具备手指 也可以是进行专业操作的工具 例如吸盘 焊枪和 喷枪等 其次 机械手手部与腕部相连处通常被设计成可拆卸结构 机械手手部与腕 部往往不光有机械接口 经常也会存在汽 电 液接口 当工业机器人作业内容不同 时 可以方便的拆卸和更换手部 第三 手部的通用性较差 目前工业机器人的手部 通常装有专业工具 它无法非常地适应不同工作内容的转换 如果一种手爪往往只能 抓取一种或几种类似的工件 那么 它的功能性还有待提高 2 腕部是连接机械手爪部和机械手臂部的重要部件 能够起到支撑和改变手部 姿态的作用 机器人操作臂将位于手臂的末端的工具 移动到其工作空间内的任意位 置 至少需要有三个自由度 在实际工作中 至少它应该能够将工具移动至所要到达 的任意地方 不仅如此 我们还需要拥有一个机械手腕来完成三个自由度 分别为回 转 俯仰和摆动 机械手腕可以由不同的机械结构组成 根据不同的机械结构 就能 获得不同的自由度 通常腕部的自由度 是根据工业加持机械手的工内容来确定的 在多数情况下 腕部至少应当具有两个自由度 即回转和俯仰或摆动 腕部可用驱动 器直接驱动 也可以从底座动力源经机械结构远程驱动 直接驱动一般采用液压或气 动 这两种结构能够具有较高的驱动力和夹持强度 但由于结构累赘 自身质量大 反而增加了机械手的质量和惯性 造成了机械手在旋转时候的不稳定性 远程驱动可 降低工件夹持机械手的运动惯性 但需要传动装置 传动效率低 设计复杂 成本较 高 3 臂部是工业机械手的重要支撑部件 它不仅能够支撑机械手腕部和爪部 而 且还能带动他们做空间运动 使机械手腕部和手部到达所需要的空间位置 臂部最重 要的目的就是把腕部与手部送到空间运动范围内任意一点 如果但凭臂部无法满足受 不得姿态要求 那么为了改变手部的姿态 就必须用腕部的自由度来加以辅助实现 因此 一般的工业机器人的臂部至少应当拥有三个自由度 才能满足日常工作的基本 需求 即手臂的伸缩 旋转 和升降运动 手臂的各种运动通常用驱动机构 如液压 气压以及电机 和各种传动机构来实现 从臂部的受力情况分析 它在工作中 不仅 受到腕部 手部以及工件的静 动载荷 而且由于自身运动较为多 所以受力情况复 杂 因此 它的结构 工作范围 灵活性和定位精度 都将直接影响到整个工业机械 手的工作性能 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 5 2 2 驱动机构分析 工业机械手的驱动机构是机械手的重要组成部分 我们通常根据驱动机构的不同 动力源 来进行分类讨论 1 气压驱动机械手 气压驱动机械手是通过将压缩空气有序地释放 来对机械手进行控制 它的特点 是输出力大 保养方便 执行动作快捷 机械结构简单 成本低 但是 由于空气的 可压缩性非常明显 所以 气压驱动的机械手 在工作时 工作速度稳定性较差 而 且冲击性强 位置定位精度一般 抓取力小 2 液压驱动机械手 液压驱动机械手是将液压油压缩后 通过油液的压力来驱动机械手进行相应动作 它的特点是输出力大 传动平稳 机械结构紧密 动作灵敏 抓取力大 但是 液压 驱动机械手对于自身的密封性要求很高 而且不易保养与维护 液压油需要定期更换 并且还受到油液本身的属性影响 不宜在高温或者低温的环境下工作 如果液压油不 慎出现泄漏情况 就会会导致对其工作性能 工作环境产生很大的影响 而且油液对 过滤的要求非常高 这样就会增加成本 3 电力驱动机械手 电力驱动机械手是由电机通过联轴器等连接件 直接连到执行机构上 通过电机 的旋转来对机械手进行相应的控制 以达到运动目标 电力驱动机械手特点是运动相 应速度快 可用行程长 重复定位精度高 易于维护 便于使用 而且节能环保 不 会产生任何废弃物以及安全隐患 所以 目前大部分工业机械手都是采用电力驱动方 式来进行控制 机械手的动力驱动机构是机械手的重要组成部分 工业机械手的性价比在很大程度 上取决于驱动方案及其驱动装置 通过对实验室材料搬运机械手的工作环境以及各种 驱动的特点分析后 我决定采用电力驱动的方式来使机械手进行相关运动 2 3 传动结构分析 1 齿轮传动机 齿轮作为机械重要的一种传动机构 应用场合非常广泛 常见到的齿轮有圆柱齿 轮 伞齿轮 谐波齿轮 蜗轮蜗杆以及摆线针轮等 这些不同种类的齿轮 都是在工 业机械手中经常使用到的传动机构 其中谐波齿轮传动结构 具有机械结构简单 体 积小 重量轻 传动比大 几十到几百 传动精度高 回程误差小 噪音低 传动平 稳 承载能力强 效率高等一系列突出优点 所以在全世界的工业机械手系统中 都 得到了一致认可 并且迅速在全世界范围内广泛应用 谐波齿轮传动与少齿差行星齿 轮传动十分相似 它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 6 力与运动的 故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别 2 螺旋传动 螺旋传动以及丝杆螺母 它主要是将丝杆的旋转运动 转变为螺母的直线运动或 将直线运动变换为旋转运动 丝杆螺母传动分为滑动丝杆与滚珠丝杆两种 前者结构 简单 加工方便 具有自锁能力 但是摩擦阻力矩大 传动效率低 通常为 40 以下 而滚珠丝杆虽然结构复杂 制造成本高 但是其最大的优点是摩擦阻力小 传动效率 高 甚至能达到 98 以上 并且滚珠丝杆的运动平稳性好 灵活度高 通过预紧 就 能消除间隙 提高传动刚度 进给精度和重复定位的定位精度很高 并且没有回程差 滚珠丝杆的使用寿命长 而且同步性好 使用可靠 润滑简单 因此滚珠丝杠在工业 机械手中的应用很多 由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁 因此在垂直方向传动时 须附加自锁机构或制动装置 4 同步带传动 同步带传动是将普通带传动和齿轮传动的优点结合到一起的一种新型传动方式 它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿 通过带齿与轮齿的啮合 来进行力与运 动的传动 为保证带和带轮作无滑动的同步传动 齿形带往往采用承载后无弹性变形 的高强力材料 无弹性滑动 是为了保证两同步轮的节距不变 同步带的传动比准确 传动效率高 节能效果好 能吸振 噪声低 不需要润滑 传动平稳 在必要情况下 还能高速传动 最高可达 40m s 而且传动比可达 10 1 不光如此 同步带传动还具 有结构紧凑 维护方便等优点 故在工业机械手中有广泛应用 2 4 机械手的坐标系统分析 根据任务需求 经过查阅相关资料后 常见的工业机械手按坐标形式可以分为四 种坐标系 直角坐标型 圆柱坐标型 多关节型 球坐标型 图 2 1 机械手坐标系统 2 5 本次材料搬运机械手的设计方案 由于我所设计的是实验材料搬运机械手 所以我决定模仿并学习码垛机械手的相 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 7 关结构 经过分析 我决定选用圆柱坐标机械手 因为它的结构简单 外观紧凑 多 次重复运动后的定位精度高 完全能都满足此次实验材料搬运机械手的设计要求 在 圆柱坐标型机械手的基本方案选定后 我根据设计任务 在满足设计要求的前提下 初步决定实验室材料搬运机械手具有4个主要自由度 即 手腕的回转运动 直臂的升 降运动 横臂的平移运动 以及基座的旋转运动4个主要运动 本次材料搬运机械手主要由4个部分组成 其中机械手臂由2个电机组成 1 爪部 采用电机直连丝杆结构 通过电机带动丝杆的旋转 将螺母的直线运 动转换为机械手爪的旋转运动 并且通过机械结构 实现机械爪的平行张合功能 2 腕部 我决定采用一个五相步进电机带动同步带 来实现手部回转0 360 的全程精确控制 并且通过轴承 保证了腕部旋转灵活无阻力 3 臂部 采用动滑轮结构 和滑动丝杆结构 24V大扭矩电机带动动滑轮 动 滑轮另一端连接直臂的L角 当电机旋转向后拉动动滑轮时 就可以使直臂实现平行俯 仰运动 另一个电机带动滑动丝杆旋转 通过丝杆与固定螺母的相对运动和SBR导轨 的滑动导向支撑 就能够实现横臂的平移运动 4 基座 采用电机直连的方式 将电机固定在旋转基座上 将电机轴连接到固 定底板上 并且在旋转基座与底板间加装回转支承 这样 电机旋转便会带动整个机 械臂的旋转 并且因为加装了回转支撑 所以整个机械手的旋转运动都可以平稳进行 5 机械臂的安全性 首先对机械手基座旋转分析 由于机械手可以 360 全方位 旋转 所以在工作过程中 可能会发生机械臂与人体碰撞的情况 所以 我为了防止 此类情况的发生 我在机械臂的两侧加装了人体红外传感器与警报器 并且拥有最高 优先级 所以 在机械臂工作时 如果检测到有人体出现在机械臂的工作区域中或者 工作路径中时 便会紧急刹车 停止当前工作 并发出警报 只有当警报解除或者从 自动运动模式转变成人工控制模式时 机械手才可继续工作 这样就对机械臂增加了 人体保护装置 减少了事故发生的可能性 其次 对整个机械手臂进行分析 该手臂分别拥有两个滑动丝杆直线运动结构与 一个双动滑轮运动结构 所以 我在两个滑动丝杆的两端 以及动滑轮机构所连接的 旋转运动行程的两端安装限位开关 并且加装 LED 指示灯 这样 当机械手运动到最 大位移时 可以自动停止 并点亮 LED 指示灯 保护机械手以及人员安全 第三 对机械手整体分析 由于机械手爪距离基座回转中心较远 所以在运动的 过程中可能会出现倾覆现象 所以我将机械手底板设计成 300mm 300mm 的大面积底 板 并且在底板四周加装了 4 个边长为 40mm 的橡胶脚座来增大摩擦力 防止滑动 增加了机械手整体稳定性 同时 该处还可替换成 4 个真空吸盘 由一个电磁阀和 4 个真空发生器进行控制 那样就可以将机械手更加牢固地固定在桌面上 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 8 第三章 机械手运动学分析 3 1 D H 方法简介及坐标变换 机械手的运动学分析 是在不考虑产生运动的力或力矩情况下 来对运动物体的 位移 速度 加速度和位置变量等因素对时间的各阶导数问题 通过对这些因素进行 总结分析 从而得到机械手的运动规律 运动学主要研究两类问题 一类是给定机器 人各杆件的几何参数和关节角度 来求机器人的执行端相对于参考坐标系的位置与姿 态的正向运动学问题 另一类是已知几何参数 并给定末端执行器相对于参考系的期 望位姿 求机器人相应的关节角矢量的运动学逆问题 对于给定的关节位置和姿态 其解是唯一的 由于这次毕业设计的时间较短 所以我在这里只是简单地对机械手的 正向运动进行分析求解 实验室材料抓取机械手可以看成是一个开运动链 可以将它看成是由三个旋转结 构和一个平移结构串联而成 这个机械手的开链的一端位于机械手的底座 固连在桌 子上 另一端是自由的 用来夹持物料 机械臂的开链结构使得机械手爪子的位移方 程变得非常复杂 因此 我们就需要寻求一种更加简单 更加有效的分析方法来对工 业机械手的运动情况进行分析 并建立工业机械手的运动学方程 为了描述手臂各连 杆之间的相对位置和姿态关系 通常我们假定各连杆为刚体 在每个连杆上确定一个 独立的坐标系 称为连杆坐标系 在机械手的底板上也固接一个坐标系 称为基坐标系 通过相邻两连杆坐标系之间的齐次变换矩阵 就可以确定出机械手爪的位置和各个关 节变量之间的函数关系 以及机械爪相对于基坐标系的位置和姿态关系 这种分析方 法就是机械手运动分析的 Denvait Hartenberg 方法 早在上世纪五十年代中期 Denavit 和 Hartenberg 在 ASME Journal of Applied Mechanics 发表了一篇论文 后来利用这篇 论文 对机器人进行了位置表示和建模 并导出了它们的运动方程 这已成为表示机 器人 机械手和对机器人运动进行建模的标准方法 所以 关于机械手的运动学分析 必须要学会这部分内容 D H 模型表示了一种对机械手连杆和关节 进行快速位置建 模非常简单的方法 可用于任何机械手构型 而无需对机械手的自身结构顺序和复杂 程度有非常苛刻的要求 它也可用于表示已经讨论过的在任何坐标中的变换 例如直 角坐标 圆柱坐标 球坐标等 由于工业机械手是由一系列关节和连杆组成 这些关节可能是滑动 线性 的或 旋转 转动 的 它们可以按任意的顺序放置并处于任意的平面上 并且连杆也可以 是任意的长度 包括零 甚至于它可能是被弯曲或扭曲一起其他特殊形状 并且位于 任意平面上 所以 我们必须要有一个通式 一个可以包容所有工业机械手结构的通 用转换公式 图 3 1 就是通用关节 连杆组合的 D H 表示 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 9 图 3 1 通用关节 D H 表示 其优点是它能将运动 变换和映射与矩阵运算联系起来 齐次变换通式为 3 1 1000 0 10 1111 1111 1 11 1 iiiiiii iiiiiii iii i i i ii i cdcscss sdscccs asc PR T 其中 为坐标系 i 相对于 i 1 的旋转矩阵 方向 R 1 i i 为坐标系 i 与 i 1 点间的相对位置向量 位置 P i 1 i P i 1 i 和分别是连杆 i 1 的长度和扭角 1 i a 1 i a 1 i di 称为连杆和之间的偏置 1 i a i a 称为连杆和之间的关节角 i 1 i a i a 该通式综合表示了平移变换和旋转变换 描述了坐标系 i 相对于 i 1 的位置与方位 其中 由坐标系 i 1 变换到坐标系 i 的过程如图 3 2 到图 3 5 Denavit 和 Hartenberg 提 出一种通用方法 用一个 4x4 的齐次变换矩阵描述两连杆的空间关系 从而建立操作臂 的运动学方程 对操作臂进行一系列连杆变换 得到末端连杆坐标系 n 相对于基座坐标 系 0 的变换矩阵 3 2 n n n n nn qTqTqTTTTT 1 2 1 21 0 1 11 2 0 1 0 其中 qi 为关节变量 对于移动环节与转动环节各不相同 如果确定出这 n 个关节变 量 便可以计算出末端连杆相对于基坐标系的位姿 即建立了工具坐标系相对于基坐标 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 10 的位姿和关节变量之间的函数关系 公式 3 2 就是操作臂的运动学方程式 图 3 2 i 1 坐标系 x 轴旋转夹角 图 3 3 i 1 坐标系 z 轴平移距离 d 图 3 4 i 1 坐标系 x 轴平移距离 a 图 3 5 i 1 坐标系 z 轴旋转角度 3 2 机械手的 D H 方法求解 操作臂的正向运动学分析方法主要是运用 Denavit Hartenberg 方法规定连杆坐标系 确定连杆参数和关节变量 得出操作臂的运动学方程式 该机械手包括 4 个自由度 由 臂 L2 和腕部 O1 O2 O3 关节组成 其中各关节独立驱动 坐标不耦合 所以采用 D H 分析方法 如图 3 6 所示 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 11 图 3 6 机械手坐标系 建立坐标系及附体坐标系 确定各连杆 D H 参数 如表 3 1 表 3 1 D H 参数 da 关节变量 1 1 0000 360 20L230mm90 0 300mm 3 2 0300mm90 0 90 4 3 0293 53nn00 360 通过对四个运动的四个矩阵进行右乘 我们就可以得到一个变换矩阵 该矩阵表 示了四个依次的运动 由于所有的变换都是相对于当前坐标系的 即他们都是相对于 当前的本地坐标系来测量与执行 因此所有的矩阵都是右乘 从而得到结果如下 111111 0 0 0 0 nnnnnn n axRotaTrandTranzRotAT 1000 100 0010 0001 1000 0100 00 00 1 11 11 n nn nn d CS SC 1000 00 00 0001 1000 0100 0010 001 11 11 1 nn nn n CS SC a 3 3 1000 0 111 1111111 1111111 1 nnn nnnnnnn nnnnnnn n dCS SaSCCCS CaSSCSC A 带入 D H 参数可得以下结果 3 4 1000 0100 00C 00C 11 11 1 S S A 3 5 1000 010 0100 001 2 2 L a A 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 12 3 6 1000 0010 0 a0 2322 2322 3 SaCS CSC A 3 7 1000 0100 a0 a0 3433 3433 4 SCS CSC A 在机器人的基座上 可以从第一个关节开始变换到第二个关节 然后到第三 个 再到机器人的手 最终到末端执行器 通过公式 3 2 可得到夹持机械手手腕 在基坐标系中的位置 43214 3 3 2 2 1 1 AAAATTTTT R H R 1000 aa aaaa aaaa 334223232 341334221213132131321 314334221213211331321 LCSCSSCS SCCCSSSCCSCSSCCCS SSCCCSCSCCSCSSCCC 现假设机械手基座与底板之间的的夹角为 90 为 60 为 0 L 为 1 2 3 100mm 通过公式计算可得以下结果 3 8 H RT 1000 2 354 2 1 0 2 3 765 526 2 3 0 2 1 0010 所得到的机械手腕位置数据为 mm mm 0Px 765 526Py 2 354Pz 此公式可以用于对机械爪手腕位置的求解 接着通过 solidworks 对机械手运动空间范围进行模拟 其中图 3 4 中的浅灰色部分 为机械手横臂和直臂的空间运动范围 图中的边界分别为各个运动副的极限位移尺寸 将极限尺寸线条围绕基座进行 360 旋转 这样我们就得到了机械手的活动范围 通过 对该图形的观察 我们可以得知该机械臂的最大工作半径为 860mm 整个机械臂无碰 撞干涉 可以安全运行 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 13 图 3 4 机械臂活动空间范围 之后通过对机械爪抓取中心进行空间分析 就能得到整个的机械手的抓取点空间 范围 其中抓取范围最大高度差为 470mm 抓取范围半径为最小为 247mm 最大为 780mm 可见抓取空间开始比较大的 如图 3 5 图 3 5 机械手抓取空间范围 x y z z x y 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 14 第四章 机械手参数设计及应力分析 4 1 机械手手爪的设计计算 由于本次毕业设计题目是设计一个抓取圆柱形棒料的机械手 而常用的工业机械 手手爪按握持工件的原理 往往被分为吸附和夹持两大类 吸附式机械手常用于吸取 工件表面平整 面积较大的板状物体 比如玻璃板 所以吸附式机械手不适合用于本 此设计题目 所以 本设计机械手将采用夹持式手指 夹持式机械手按运动形式可分为 回转型和平移型 平移型手指的张开闭合 靠的是手指的平行移动 这种手指结构简单 适于夹持平板和圆柱类材料 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置 从而其理 论夹持误差为零 而回转式机械手手指 可以通过铰接连杆等方式增大力矩 并且应 用较广 相应的研究文献较多 稳定性较好 所以 通过综合考虑 本设计吸收了回 转型与平移型机械手的各自优点 重新设计了回转 平移型夹持式手爪 并采用滑动丝 杆这种传动方式 机械手的运行方式为电机带动丝杠旋转 从而带动螺母做直线移动 通过螺母与 铰接连杆的配合 带动手爪接触块围绕支点旋转 从而形成手爪的张合 当手爪抓到 零件时 通过薄膜压力传感器的压力信号反馈情况 在适当的时候电机停止转动 由 于采用的是滑动丝杆 所以机械手手爪可以产生自锁 然后在机械手臂的带动下 对 实验材料进行搬运工作 4 1 1 机械手爪橡胶块设计 1 实验材料尺寸 60mm 80mm 2 长度 小于等于 200mm 3 实验材料质量 约 4 5kg 8kg 4 装夹深度 约 25mm 手爪接触块为橡胶制品 橡胶具有定伸强度高 弹性大 电绝缘性优良和抗撕裂 性 加工性佳 耐磨性等特点 由于抓取实验材料可能为光滑圆柱 为了增大摩擦力 在陈勇老师的建议下 我在手爪接触块橡胶表面额外增加了防滑槽 同时 V 字型夹 头特别适合于圆柱体的抓取工作 因为这样能够做到自动对心 方便材料的抓取工作 橡胶夹块尺寸设计图图 4 1 以及橡胶夹块实物图 4 2 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 15 图 4 1 橡胶块尺寸 图 4 2 机械爪橡胶夹头 4 1 2 机械爪各杆件尺寸设计 根据机械手的整体尺寸和机械手爪的夹持范围 再配合丝杆螺母的行程 经过多 次绘制与反复修改 最终确定了机械手小臂固定铰接轴距为 80mm 其中 C 杆两端轴 心距为 60mm B 杆轴心距为 40mm A 杆轴心距为 70mm A B 两杆夹角为 120 此时 丝杆螺母的行程为 35mm 手爪张合范围为 50mm 到 115mm 满足抓取需求 4 1 3 机械爪电机驱动力计算 根据螺母的运动范围 从而确定了螺母位于始末两位置时 各个杆件的活动角度 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 16 假定在位置 1 时 需要夹持 100mm 钢材 在位置 2 时需要夹持 60mm 钢材 则根据公 式 m V V Sh 可得 在初始位置时 m 为 12 5Kg 在最末位置时 m 为 4 5Kg 根据 Fn f mg 可得 位置 1 需要 Fn1 为 196N 位置 2 需要 Fn2 为 79N 其中 Fn 为所需夹持力 f 为橡胶接触块摩擦系数取 0 75 m 为材料质量 g 为重力系数取 9 8N Kg 为安全系数取 1 2 根据以下力学计算公式 Fa cos Fn 4 1 Fb b Fa a 4 2 Fc cos Fb 4 3 F cos Fc 4 4 其中 为机械传动效率 取 0 9 其中 Fa Fb Fc 为各杆件受力 其中 为受力角 F 为螺母水平推力 如图 4 3 示 根据计算可得在位置 1 时 需要螺母水平推力 F 为 958 3N 在位置 2 时 需要螺 母水平推力为 918 3N 所以 丝杆螺母的水平推力 F 1000N 即可 图 4 3 机械爪活动范围及受力分解 4 1 4 滑动丝杠校核 1 丝杆的牙型 许用应力和材料 丝杆使用梯形单头螺纹 材质为调制处理 45 钢 查机械手册可得 2 360mmN s 许用拉应力为 2 72 120 5 3 mmN s p 设计手爪部分轻载 螺母材料使用耐磨铸铁 查阅机械手册可得 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 17 许用的弯曲应力为 取 2 60 50mmN bp 2 50mmN bp 许用剪应力为 2 40mmN p 许用压强为 其中取 2 8 6mmNPp 2 6mmNPp 现选用滑动丝杆长 50mm 外径 8mm 中径 7mm 螺距 P 2 h 1 导程 2mm 2 根据螺杆的中径 校核螺杆耐磨性 4 5 其中 p 2 p 8 0d F F 1000N 1 5 经查表 20 所以得到 所选耐磨性符合要求 ppmm62 4 d2 3 自锁性验算 由于是单头螺纹 导程为 故螺纹升角为mmPS2 4 6 125 714 3 2 arctanarctan 2 d S 由机械手册查表可得耐磨铸铁和钢的 取 可得12 0 10 0 f11 0 f 4 7 306 15cos 11 0 arctan 2 cos arctan f 所以自锁可靠 4 螺杆的强度校核 由机械手册查表可得 螺纹的摩擦力矩为 4 8 mmNFdM at 8 724 306 125tan 10007 2 1 tan 2 1 21 代入以下公式可得 4 9 p t ca mmN d M d F 22 3 2 2 2 3 3 2 3 8 45 62 0 8 724 3 614 3 10004 2 0 3 4 5 螺母螺纹的强度校核 由于螺母材料强度低于螺杆 所以只需校核螺母螺纹的强度即可 查机械手册可得 牙根宽度为 基本牙高为mmPH125 05 0 1 代入以下中的公式得 4 p mmN bnD F 2 4 44 5 6975 0 1014 3 1000 10 4 bpb mm nbD FH 2 22 4 1 N75 16 6975 0 1014 3 1100033 11 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 18 6 所需电机扭矩计算 根据公式 4 cmKgFdM at 3 7 306 125tan 10007 2 1 tan 2 1 21 12 由回转运动转化为直线运动的效率为 4 13 435 0 417 0 306 125tan 125tan 99 0 95 0 tan tan 99 0 95 0 所以 机械手的驱动电机扭矩应大于 17 5Kg cm 4 2 机械手升降臂电机扭矩计算 根据分析 机械手直臂在图 4 3 所示的情况中 需要升降电机提供最大拉力 F1 所以我们只要让所选电机满足这种情况下所需的扭矩便可 由于机械手直臂长 350mm 假设机械手抓取实验材料重心距离小臂 10mm 则实 验材料重心距机械手直臂回转中心则为 360mm 当机械手直臂与地面平行时 此刻从 动力臂达到最大值 此时主动力 F1 达到最大值 由于电机的扭矩单位为 Kg cm 所 以本次计算是用的单位皆为 Kg 和 cm 图 4 3 机械手直臂受力分析图 由于 F1 7 5 F 36 假设抓取最重实验材料直径 80mm 长度 200mm 的 45 号钢 棒 其质量为 8kg 所以此时 F1 应为 38 4kg 为了使小臂旋转 90 则电机摇杆 2 Smin 7 5 则 Smin 53mm 此时需要的电机扭矩为 2 38 4 53 203 52Kg cm 经查找 步进电机显然不满足该扭矩需求 之后通过查找蜗 轮蜗杆大扭矩直流减速电机 发下了可以满足该条件的电机 DC24V 10A 230Kg cm 但是价格偏高 600 元一台 而且安装尺寸过大 显然不 适合我所设计的桌面小型实验材料抓取机械手 所以我决定采用别的增力方式来实现 360 75 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 19 经过思考 我决定采用轱辘拉动钢丝绳的方式来带动机械臂的升降 经过搜索查 找 发现有两个电机可供我选择 第一个电机为三拓电机 DC24V 大扭矩蜗轮蜗杆减 速直流电机 1 2A 电流 空载转速 10r min 额定转速 8r min 扭矩 100Kg cm 假设 使用该电机 则轱辘的半径 r 100 38 4 2 6cm 由此得轱辘周长 S 2 r 16 35cm 若直 臂活动 60 则需要电机旋转 S 7 5 0 46 圈 需要 3 45s 若要使直臂活动 90 则需 旋转 0 65 圈 需要时间 4 9S 基本可以满足要求 第二款电机的型号与第一款相同 外形尺寸也相同 只是技术参数有所差别 它的空载转速为 28r min 额定转速 22r min DC24V 2 2A 扭矩为 60Kg cm 若采用该电机进行驱动 则可以使用一 组动滑轮作为增力结构 因为该电机的转速是第一个电机的 2 75 倍 扭矩为 0 6 倍 所以总性能是第一款电机的 1 65 倍 所以通过动滑轮可以调高整体效率 假设轱辘半 径 r 2 5cm 则 S 15 7cm 所以电机一分钟可以拉绳 345 4cm 由于动滑轮的减距效果 实际可以拉动小臂 172 77cm min 所以 若是小臂活动 90 仅需 3 68s 提高了 1 22s 因为电机扭矩为 60Kg cm 所以对钢丝绳的拉力为 24Kg 通过动滑轮的增力 效果 实际对直臂的拉力 F1 可达 48Kg 远大于所需 38 4Kg 经计算 理论可拉起 10Kg 重物 至此 机械手的所有结构参数均已确定 以下是相关数据汇总 1 自由度数 4个自由度 2 坐标型式 圆柱坐标型 3 直臂长度 350mm 4 直臂升降高度 500mm 5 直臂升降速度 150mm s 6 横臂长度 550mm 7 横臂位移行程 300mm 8 横臂位移速度 40mm s 9 机械手张合范围 50 100mm 10 机械手张合速度 10mm s 11 手腕回转范围 0 360 12 基座回转范围 0 360 4 3 机械手主要零件的应力分析 本机械手所使用的加工材料分别为 304 不锈钢和 6061 硬铝合金 其中只有机械手 腕垫板由于尺寸原因 采用了 2mm 厚的 304 不锈钢板 和钢轴选用了国标 40CrNiMoA 钢 其他零件均采用 5mm 厚 6061 硬铝合金 6061 铝合金力学性能如下 大连交通大学 2015 届本科生毕业设计 论文 20 屈服强度 55 1485 N mm 2 张力强度 124 084 N mm 2 弹性模量 69000 N mm 2 泊松比 0 33 质量密度 2700 g cm 3 抗剪模量 26000 N mm 2 通过 solidworks 自带应力分析插件 simulation 我对机械手的主要受力零部件进行 了应力仿真分析 并得到了零件形变小 符合设计要求的结论 以下是机械手部分重 要零件的力学分析图 首先对机械手底板进行力学分析 底板四脚可看成橡胶垫刚性支撑 中心以及螺 栓位置承重共 20kg 包含 6kg