串联型五自由度机械手的结构设计

0串联型五自由度机械手的结构设计摘要：随着科学技术的发展，人们的生活越来越趋于科技化。各种机械设备已经慢慢进入人们生活当中。同时，社会的各个领域，如农业、工业、建筑等也需要高科技机械设备来满足人们的需求，提高工作的效率，节省人们的体力劳动。本文主要以抓取大型较重物体为出发点，通过MATLAB软件计算出个手臂长度。通过对机械手的结构设计，设计出四关节(包括腰部、臂部、腕部、手部)五自由度的结构。其中五个自由度指腰部关节在绕回转轴转动时的转动自由度，立臂关节在垂直方向上进行升降运动的移动自由度，悬臂关节在水平方向上进行伸缩运动时的移动自由度、腕部关节在绕回转轴转动时的转动自由度以及手爪关节抓取重物时所绕固定点转动的转动自由度，以此来满足了工作空间要求，从而实现机械手的抓取。关键词：机械手，MATLAB，机械设计，结构1TheStructureoftheSeriesofFiveDofManipulatorDesignAbstract：Withthedevelopmentofscienceandtechnology,peopleslifetendtomorescientificandtechnical.Allkindsofmechanicalequipmenthavegraduallyenteredpeopleslife.Atthesametime,allareasofsociety,suchasagriculture,industry,constructionandsoon,alsoinneedofhigh-techmechanicalequipmenttomeetpeoplesneeds,improveworkefficiency,andsavingpeoplesphysicallabor.Thisarticlemainlyputfetchinglargeheavyobjectsasastartingpoint,throughtheMATLABsoftwaretocalculatethearmlength.Bydesignthestructureofthemanipulator,inordertodesignthestructureoffourjointsdesign(includingthewaist,arm,wrist,hand)andthefivedegreesoffreedom.Fivedegreesoffreedomreferstotherotationaldegreeoffreedomwhenthewaistjointsrotatesaroundtherotatingshaft,themovingdegreeoffreedomwhenverticalarmjointliftontheverticaldirection,themovingdegreeoffreedomwhencantileverjointisdoingtelescopicmotioninhorizontaldirection,therotationaldegreeoffreedomwhenthewristjointrotatesaroundtherotatingshaftandtherotationaldegreeoffreedomwhengripperjointsisfetchingweightsbyrotatingaroundthefixedpoint,whichisinordertomeettherequirementofworkspaceandgraspingofthemanipulator.Keywords:Robots,MATLAB,mechanicaldesign,structure2目录1绪论.11.1本课题的意义.11.2国内外研究进展.11.2.1本课题的意义.11.2.2国内外研究进展.22.机械手总体方案的设计.32.1机械手简介.32.2机械手设计原则.32.3机械手设计技术参数.32.4机械手形式.42.5机械手构型.52.5.1机械手组成部分.52.5.2机械手构型.53运动学仿真分析.73.1D-H表示法.73.2建立D-H坐标系.93.3正逆运动学问题分析.123.3.1正运动学问题分析.123.3.2逆运动学问题分析.143.4工作空间的求解.204.机械手传动系统设计.214.1机械手驱动系统设计.214.2传动方案的比较.214.3各关节传动方案设计.224.3.1腰部关节传动方案设计.224.3.2臂部关节传动方案设计.234.3.3腕部关节传动方案设计.244.3.4手爪传动方案设计.244.4机械手传动原理图.2635.主要部件结构设计.275.1机械手各部分重量.275.1.1机械手重心位置.275.1.2计算静摩檫力.285.2滚珠丝杠的选择.285.2.1确定滚珠丝杠副的导程.285.2.2计算预期额定动载荷.295.2.3确定允许的最小螺纹底径.305.2.5确定滚珠丝杠螺纹长度和全长.315.2.6确定滚珠丝杠副的规格代号.325.3确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格.325.3.1确定滚珠丝杠副预紧力.325.3.2预拉伸力.325.3.3确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格.335.4电机选择.335.5传动系统刚度.355.5.1丝杠抗压刚度.355.5.2支承轴承组合刚度.355.5.3刚度验算.365.6验算临界转速.37结论.38参考文献.39致谢.41附录.4201绪论1.1本课题的意义进入21世纪以来，国家之间的竞争表现在各个方面，尤其是科学技术。同时，这也直接关系到各行各业生产率的高低。而且，科学技术的发展也使得人们的劳动强度降低，工作环境改善，操作效率提高，然而效率低下的人工操作阻碍了这些行业产量的提高，已不能满足工厂的需要，从而促进和改善搬运技术成为我们不得不重视的事情。Error!Referencesourcenotfound.通过对机械手机械部分、驱动部分、控制部分进行研究，使机械手能够结构简单、控制灵敏、反应迅速、操作准确、成本低廉成为我们研究的目标。同时，对搬运工作也具有重要的意义。本课题主要研究机械手的俯仰和摆动。结构合理、操作简单的机械手，从而降低工人的劳动强度，改善工作环境，提高劳动生产率，使生产自动化。1.2国内外研究进展1.2.1本课题的意义进入21世纪以来，国家之间的竞争表现在各个方面，尤其是科学技术。同时，这也直接关系到各行各业生产率的高低。而且，科学技术的发展也使得人们的劳动强度降低，工作环境改善，操作效率提高，然而效率低下的人工操作阻碍了这些行业产量的提高，已不能满足工厂的需要，从而促进和改善搬运技术成为我们不得不重视的事情。Error!Referencesourcenotfound.通过对机械手机械部分、驱动部分、控制部分进行研究，使机械手能够结构简单、控制灵敏、反应迅速、操作准确、成本低廉成为我们研究的目标。同时，对搬运工作也具有重要的意义。本课题主要研究机械手的俯仰和摆动。结构合理、操作简单的机械手，从而降低工人的劳动强度，改善工作环境，提高劳动生产率，使生产自动化。1.2.2国内外研究进展1（1）国外研究现状机械手开始提出并研究是在美国。美国联合控制公司1958年开发出第一台机械手1。1962年又研制成名为Unimate（即万能自动）的机械手。1978年和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型高精度工业机械手。德国KnKa公司在1970年研制了用于起重、运输的抓取机械手。2008年研制出了可抓取重量为一千千克的重物，且在水平方向上伸缩的距离达到三千二百毫米，垂直方向的升降距离为五千毫米，拥有六个自由度的机器手。日本对于机械手的研制开发很快，截止1979年，生产的机械手已经达到将近六万台。且生产的机械手涉及到各个领域。2011年，FANUC公司研制出了结构紧凑、质量小、性价比高、安装简单、速度快、负载能力高的小型智能机器人R-1000iA，主要用于搬运、焊接大型零部件。（2）国内研究现状面对着国外机械手技术的迅猛发展，我国也在机械手技术方面取得了一些发展、从20世纪70到80年代，在“七五”、“八五”科技攻关下，我国通过十几年的研制、生产和应用，使中国的机器人产业从无到有2。目前，我国机械手约有4000台，并以每年8001000台迅速增长。中国机械手主要分布于华东地区。2011年，ABB公司在华团队研制出全球运行速度最快的工作效率可达将近每小时三千次，工作范围可达二点四米，适用于在小范围内进行快速运行的抓取重物的四轴机器人IRB4602机械手总体结构设计。22.机械手总体方案的设计2.1机械手简介机械手是用于再现人手的的功能的技术装置，是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置3。机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作4。机械手由机械部分、驱动部分和控制部分三部分组成。本片主要研究的是机械手的机械部分。2.2机械手设计原则（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。（2）强度原则：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。（3）稳定性原则：为了防止机械手因运动状态的改变引起冲击和振动，要使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。（4）高精度原则：在机械手满足工作空间时，应能快速、准确地拾放和搬运物件。（5）材料选用原则：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5。2.3机械手设计技术参数（1）工作对象：质量为，外形尺寸为的长方体。kg5m60240（2）自由度：5个。（3）各关节运动参数如表2.1所示：表2.1各关节运动参数关节工作方式行程范围速度3续表2.1腰部回转回转角度320s/9立臂垂直移动移动距离m18悬臂水平移动移动距离6/5腕部回转回转角度s2.4机械手形式机械手结构类型如表2.2所示：表2.2机械手结构类型表结构形式特点优缺点简图直角坐标型机械手X、Y、Z上有三个移动自由度。优点：结构简单，直观性强,操作方便缺点：体积大，工作空间范围小，动作不灵敏圆柱坐标型机械手R、Z上有两个移动自由度和一个转动自由度。优点：结构较简单，刚度好，控制简单，所需功率小，运行速度快，缺点：运动轨迹简单4球坐标型机械手有一个移动自由度和两个转动自由度优点：运动紧凑缺点：设计难度高，刚度低，结构复杂续表2.2关节型坐标型机械手类似人的关节，有三个转动自由度优点：运动紧凑缺点：运动轨迹复杂，不易控制，刚度低本课题要设计的机械手主要是抓取重物，并运送到空间的另一处。这就要求机械手结构较简单，控制简单，动作灵敏，由表2-2，我们可以选用圆柱坐标型机械手。2.5机械手构型2.5.1机械手组成部分机械手组成部分见图2.15机械手基座四大关节腰部（转动）1个转动自由度臂部腕部（转动）手部（转动）悬臂（移动）立臂（移动）图2.1机械手组成部分2.5.2机械手构型机械手构型见图2.2图2.2机械手构型63运动学仿真分析3.1D-H表示法在机器人学中，描述两个相邻连杆坐标系之间的几何关系，通常使用D-H参数。这种方法是由JacquesDenavit和Ri-chardS.Hargenberg两人在1955年发明的，因此，称为D-H参数，确定D-H参数的方法，称为D-H方法。在3维空间中，要确定一个3维的坐标系，只需要确定其中两个坐标轴，另一个坐标轴可以使用右手螺旋定则确定。D-H参数描述了两个坐标系中两个Z轴之间的相对关系和两个X轴之间的相对关系6。D-H参数名称及含义：1)：连杆长度。描述了两个相邻坐标系i和i-1的两个Z轴之间的距离。2)：连杆扭角。描述了两个相邻坐标系i和i-1的两个Z轴之间的夹角。特别注意夹角如何取值：坐标系i-1的Z轴的正方向，绕坐标系i的X轴的正方向，按右手螺旋法则旋转，使坐标系i和i-1的两个Z轴正方向一致。绕X轴正方向按右手螺旋法则旋转，角度为正值；绕X轴负方向按右手螺旋法则旋转，角度为负值。3)：关节距离。也称为连杆偏移。描述了两个相邻坐标系i和i-1的两个X轴之间的距离。4)：描述了两个相邻坐标系i和i-1的两个X轴之间的夹角。特别注意夹角如何取值：坐标系i-1的X轴的正方向，绕坐标系i-1的Z轴的正方向，按右手螺旋法则旋转，使坐标系i和i-1的两个X轴正方向一致。绕Z轴正方向按右手螺旋法则旋转，角度为正值；绕Z轴负方向按右手螺旋法则旋转，角度为负值。D-H参数描述了两个相邻坐标系i与固定参考坐标系i-1之间的几何位置关系。在机器人学中，通常用D-H参数表来描述机器人的几何结构。坐标系i到坐标系i-1齐次变换矩阵为：7方程左边的符号，表示坐标系i到i-1的齐次变换矩阵；方程右边，第1项表示沿坐标系i-1的Z轴，平移d的齐次变换矩阵；第2项表示沿坐标系i-1的Z轴，旋转角度的齐次变换矩阵；第3项表示沿坐标系i的X轴，平移a的齐次变换矩阵；第4项表示沿坐标系i的X轴，旋转角度的齐次变换矩阵。其中，因此，坐标系i中点的坐标变换到坐标系i-1中的坐标，公式为：这里，83.2建立D-H坐标系在机器人学中，使用D-H方法为机器人指定各个坐标系，并确定相邻两个坐标系之间的几何位置关系，即D-H参数。D-H方法包含两个内容：1指定坐标系2确定两个相邻坐标系D-H参数D-H方法：（1）编号方法：设机械臂有n个关节，则机械臂就有n个连杆和1个末端工具。因此需要为机械臂指定（n+1）个坐标系。1)关节编号：1n机械臂从下往上，关节编号为1n。共有n个关节编号。2)连杆编号：0n-1基座与关节1之间的部分连杆0；关节1与关节2之间的部分为连杆1；关节（n-1）与关节n之间的部分为连杆（n-1）。共有n个连杆编号。3)坐标系编号：0n为连杆0指定坐标系0；为连杆1指定坐标系1；为连杆n-1指定坐标系n-1；为末端工具指定坐标系n。（2）坐标系0的确定方法：坐标系0是整个机械臂的参考坐标系。机械臂的所有连杆以及末端工具的位置与朝向，都是以坐标系0作为参考的。1）先确定坐标系0的Z轴确定连杆坐标系Z轴的基本原则：连杆坐标系i的Z轴，就是关节i+1的运动轴线。Z轴的正方向，可以任意指定7。因此，坐标系0的Z轴，就是关节1的旋转轴线。Z轴的正方向可任意指定2）再确定坐标系0的原点O可以在坐标系0的Z轴上任取一点，作为坐标系0的原点。在实际中，则根据机械臂的实际情况，取一个合适的点作为原点。3）再确定坐标系0的X轴和Y轴。坐标系0的X轴和Y轴可以任意指定，但必须满足右手螺旋定则。用右手握住Z轴，大拇指指向Z轴的正方向，四指的绕向9即为X轴的正方向绕向Y轴的正方向，且绕过角度为90度。确定了坐标系0之后，就可以通过下一级坐标系i-1，来确定上一级坐标系i，然后再确定两个相邻坐标系的D-H参数。即，可以通过坐标系0来确定坐标系1；通过坐标系1，确定坐标系2，。（3）由下向上确定其余连杆坐标系1到n-1及其D-H参数：已知坐标系i-1，确定坐标系i。由于前面已经确定了坐标系0，使用下面的方法，就能确定剩余的所有连杆坐标系：坐标系1到坐标系n-1。1）先确定坐标系i的Z轴根据确定连杆坐标系Z轴的基本原则，坐标系i的Z轴，就是关节i+1的旋转轴线。Z轴的正方向可任意指定8。2）再确定坐标系i的原点O及X轴可分为3种情况：a)坐标系i和i-1的两个Z轴不共面（即不在一个平面）对于空间两条不共面的直线，有且只有一条直线与它们都垂直且相交，该直线称为这两条直线的法线。坐标系i的原点：坐标系i和i-1的两个Z轴的法线与坐标系i的Z轴的交点。坐标系i的X轴：坐标系i和i-1的两个Z轴的法线。正方向可以任意指定。b)坐标系i和i-1的两个Z轴相交坐标系i的原点：坐标系i和i-1的两个Z轴的交点。坐标系i的X轴：坐标系i和i-1的两个Z轴相交所确定的平面的法线（即平面的垂线），正方向可以任意指定。c)坐标系i和i-1的两个Z轴平行对于空间两条平行的直线，有无数条直线与它们都垂直且相交，这些直线称为这两条直线的法线。坐标系i的X轴：选择过坐标系i-1的原点，坐标系i和i-1的两个Z轴的法线，作为坐标系i的X轴。坐标系i的原点：坐标系i的X轴与Z轴的交点。3）再确定坐标系i的Y轴对于3维坐标系，只要确定了两个坐标轴，根据右手螺旋定则，即可以确定另一个坐标轴。104）根据D-H参数的定义，确定坐标系i的D-H参数。注意：对于旋转关节，关节角是变量，其余3个参数是常量；对于平移关节，关节距离d是变量，其余3个参数是常量。（4）确定末端工具的坐标系n末端工具坐标系n的确定，是非常自由的。但必须遵守DH方法的基本要求：坐标系i的X轴，必须与坐标系i-1的Z轴垂直且相交。对于末端工具是两个手指的夹子的情况，坐标系的建立如图3.1所示：图3.1机械手D-H坐标系机械手可分为3RPUMA机器手和Stanford机器手两种机械手，由第二章总体设计方案，选用的是圆柱型坐标系机械手，即Stanford机器手，则机械手参数和关节变量如表3.1所示表3.1机械手参数和关节变量113.3正逆运动学问题分析正运动学分析是指：已知各个关节变量的值，计算末端工具在固定参考坐标系中的位置与朝向（也称为姿态）。反过来，已知末端工具在固定参考坐标系中的位置与姿态，计算各个关节变量的值。这种分析称为逆运动学分析。机械手正逆运动学问题关系如图3.2所示图3.2机械手正逆运动学问题关系3.3.1正运动学问题分析（1）各关节长度或角度如图3.3图3.3各关节长度或角度（2）各连杆变换矩阵为12（3）将各连杆变换矩阵相乘，得到机械手的正向运动学方程为其中，。iiCcosiiSsn13机械手末端执行器，在杆的附体坐标系中的位置为,5O54其中为杆的长度。则机械手末端位置在基坐标系中的位置为：5l545O程序如图3.3所示：图3.3机械手程序3.3.2逆运动学问题分析在已知重物的前提下，使手爪中心位于预期的位姿，求解各关节的关节变量的值，机械手手爪末端执行器坐标系相对于基坐标系的位姿矢量表示为9：1410pzbonzyyxxT其中为法相向量，为滑动向量，为机械手接近向量，为机械手位置向量。no各连杆变换矩阵的逆矩阵为，其程序如图3.4所示：1iT图3.4机械手各连杆变换矩阵逆矩阵程序运行结果如图3.5所示图3.5机械手各连杆变换矩阵逆矩阵运行结果程序续图3.5若15机械手是一个6自由度的机械手，通过求解以下矩阵方程解决逆运动学问题102134156634501216602316601TTIT例如，考虑如图1所示的机械臂，坐标系分别为B0,B1,B2,B3，它的相邻坐标系之间的变换矩阵为10cossinic1110lT100sincossinci22221lT10cossinic3332T机械臂的正向运动学方程为(7)100)()(2323211132103slcscsclT其中，在点P的位置安装一个球型手腕，因此，增加一个in,cos坐标系B4，它与B3之间的变换关系为10343lT16所以，整个机械臂的正向运动学公式是(8)100)()()(2323132321111430slclcsssccllT设连杆长度分别为，末端位置代入上式得到89.,5.,321llTPd.0(9)1002.)()(32321140csscT上式两边同乘以得到，10432140T(10)10cossinic1110等式左边为(11)100.12)()(.323211410cscsscT等式右边为(12)10001)(2.)()(3323223321cscsscT由(11)和（12）的第3行，第4列相等，得到，将代入（11）得到.8329rad)1,.(2tan,0cos1.sin1.8329117（13）10012.)()(486323241csscT(13)两边同乘以得到，1243241(14)100cosin5.i2212T(14)左边为(15)1001sin486.cos2.cossin5.486ico233412T(14)右边为(16)101cos89.cossininico333432T分别求（15），（16）中第1行，第4列元素与第2行，第4列元素的平方和，并令其相等。得到，或。3.5sin.0co94.322rad756.rad809.42有了2，可以由（6），（7）的最后一列中求出3223sin486.1cos.00.4861ta或。rad-0.1983rd70.93解逆解的程序如图3.6所示：18图3.6逆运算程序经过左右两边矩阵元素相等有：经化简有19其中3.4工作空间的求解正运动学分析中，机械手末端位置为在基坐标系中的位置，即末端执行5O器的工作空间坐标为：由设计知通过逆运算得各关节变量范围如表3.2所示表3.2关节变量范围204机械手传动系统设计4.1机械手驱动系统设计要想使一台机械设备的运转，驱动系统是不可或缺的一部分，机械手驱动系统类型见表4.1表4.1机械手驱动系统类型驱动系统优缺点作用场合液压驱动系统优点：能够实现无级调速和无间隙调速，动作灵敏，响应速度快缺点：易泄漏，故障不易排除，传送效率低，不易远距离传输常用于定位精度较高的较大功率机器手。气动驱动系统优点：成本低，抗污染能力强缺点：出力小，噪声大。污染严重的场合步进电机驱动系统优点：抗干扰能力强，累积误差为零，控制简单缺点：精度较差常用于工业化机械产品直流电机驱动系统优点：功率较大，效率较高，调速性能好缺点：换向器的电刷易磨损适合于频繁启动、制动场合电气驱动系统交流电机驱动系统优点：波动性好，温升低，惯性大缺点：不易控制适合于精度高的场合本文所要设计的机械手，主要用于机械场所，且需要操作起来方便，所以我们选用步进电机驱动系统来对机械手进行控制。4.2传动方案的比较要想使一台机械设备的运转，传动系统同样是不可或缺的一部分，常用的机械21手传动系统见表4.2表4.2传动方案的选择传动系统优缺点适用场所皮带传动优点：传动平稳无噪声，可实现过载保护缺点：不能保证准确的传动比，易打滑常用于传动精度低的场所。链条传动优点：传动比准确缺点：链条易脱落适合于远距离传动场所齿轮传动优点：结构紧凑，传动平稳，传动比精确，效率高，寿命长缺点：轮齿易磨损适合传动比大的场合蜗轮蜗杆传动优点：结构紧凑缺点：制造成本较高，热量大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优点：结构紧凑，传动比大，承载能力高缺点：成本高常用于传动精度高的场合螺旋传动优点：传动比大，传动效率高，传动平稳，定位精度高缺点：摩擦损耗大应用于要求较高的数控传动系统4.3各关节传动方案设计4.3.1腰部关节传动方案设计腰部一方面与基座相接触，支撑着整个机械手；另一方面，与直臂相连，实现机构的回转运动。为了实现大传动比，低转速，可采用一对圆柱齿轮传动方案来减速。其中，小齿轮为主动圆柱齿轮，大齿轮为从动圆柱齿轮。电动机带动腰部回转轴，与小齿轮相连，通过与大齿轮配合，实现腰部的回转，如图4.1所示。22图4.1腰部关节传动方案设计4.3.2臂部关节传动方案设计臂部是由电机和众多连杆等构成，用来支撑腕部和手部，为了实现工作空间中任一点的抓取，可通过直臂的竖直方向的移动和悬臂的水平方向的移动来完成。由4.2的传动方案，我们了解到有三种传动方案实现平稳的直线运动，分别是齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动、螺旋传动。根据它们各自的优缺点，我们初步选定使用螺旋传动方案。对于螺旋传动的四种形式，我们选用螺杆转动，螺母移动的形式。通过电机与螺杆相连，将转动运动形式变为螺母移动的形式，从而实现直臂的竖直方向的升降运动和悬臂的水平方向的伸缩运动。其直臂简图和悬臂简图如图4.2和图4.3。图4.2直臂传动方案设计23图4.3悬臂传动方案设计4.3.3腕部关节传动方案设计腕部关节一方面与腰部关节、直臂关节、悬臂关节配合，通过回转运动来调节抓取物体的方位，另一方面与手关节相连，克服手关节和重物接触时的摩擦力矩。为了改变机构的运动方向，可采用一对直齿锥齿轮传动方案来完成。电动机带动腕部回转轴，与主动锥齿轮相连，通过与从动锥齿轮配合，实现腕部的回转，如图4.4所示。图4.4腕部传动方案设计244.3.4手爪传动方案设计手爪又称末端执行器，一方面，手爪应具有适当的夹紧力和驱动力以保证夹持的可靠性；另一方面，手指应具有一定的张开范围以便于抓取工件。典型的手部结构包括回转型、平动型、平移型三类，具体见表4.3表4.3典型的手部结构典型的手部结构图形特点回转型机械手包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。当手爪夹紧和松开物体时,手指作回转运动.当被抓物体的直径大小变化时,需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变10。平动型机械手移动型即两手指相对支座作往复运动。手指由平行四杆机构传动,当手爪夹紧和松开物体时,手指姿态不变,作平动10。平移型机械手当手爪夹紧和松开工件时,手指作平移运动,并保持夹持中心的固定不变,不受工件直径变化的影响。这种手指结构简单,适于夹持平板方料,且工件径向尺寸的变化25通过表4-3，我们可以选择回转型机械手来实现从工作空间的一个位置抓取物体后在工作空间的另一个位置放下物体。采用螺杆转动、螺母移动的运动形式的回转型机械手，通过螺母移动推动连杆运动，从而使手指绕固定点转动5。如图4.5所示。图4.5手爪传动方案4.4机械手传动原理图由以上分析可得出机械手传动原理图，见图4.626图4.6机械手传动原理图275主要部件结构设计我们以直臂为例，来介绍主要部件结构设计、5.1机械手各部分重量5.1.1机械手重心位置机械手各部分重力如图5.1图5.1机械手各部分重力28由设计知NGkgmg80432150/5立臂悬臂腕手爪工件5腰则最大轴向力（式5.1）NGF250max立臂悬臂腕手爪工件5.1.2计算静摩檫力机械手总重NGW305腰立臂悬臂腕手爪工件（式5.2）查手册有2.0则静摩檫力（式5.3）F15230.5.2滚珠丝杠的选择5.2.1确定滚珠丝杠副的导程（式5.4）nivPhmax：滚珠丝杠副的导程，单位是phm：工作台最大移动速度，单位是vmaxin/：电动机最大转速，单位是nai/r29：传动比，因电动机与滚珠丝杠直接连接，取。i1i由表1查得立臂的升降速度为，假设电动机最大转速为，sm/83min/50axr则滚珠丝杠副的导程为，故取mnivph96.501axph15.2.2计算预期额定动载荷（1）按预期工作时间估算（式5.5）fFLnCawhammx3ax60：预期额定动载荷am按机械手册查得：载荷性质系数2.1fw按机械手册查得：精度系数9.0a按机械手册查得：可靠性为时可靠性系数%1fc选工作寿命hLh20将数据代入得NafFnCcwham9.2374519.052503mx3ax66（2）拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax计算：（式5.6）feamax30按机械手册查得：预加载荷系数7.6fe将数据代入得NFfCeam150727.6ax取以上两种结果的最大值am9.237455.2.3确定允许的最小螺纹底径（1）估算丝杠允许的最大轴向变形量重复定位精度)413(m定位精度)5(：最大轴向变形量，单位是mm初步选用公称直径，导程为10mm，精度为3的丝杠。其中定位滚珠丝杠d40副公差为有效行程内平均形成偏差为，行程变动量，任意ep16mVp14内行程变动量，弧度内行程变动量，已知：重30Vp1230x62复定位精度为,定位精度为，则15由得mn由得6取两种结果的小值n3(2）估算最小螺纹底径丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式（式5.7）mmmLLFd00239.131:最小螺纹底径，单位是dm2mPhL）（行程140).1(静摩擦力（式5.8）WuF10已知：行程为600mm,，N2802.0u代入得m1304106)2,1(410)2,1(）（）（行程PhLNuF568.10LELmmmFd2.93105609.039.25.2.4确定精度任意300mm内的行程变动量（式5.9）定位精度8.03pV查手册有定位精度为，则m20m3.147.208.8.定位精度查课本机电一体化有：当丝杠精度取为3级时，Vp.1305.2.5确定滚珠丝杠螺纹长度和全长(1)丝杠螺纹长度：sL（式5.10）eanksL2由已经计算出的、在手册中取相应规格的滚珠丝杠副3.PhCamd2401FZD其中指内循环浮动式反向器法兰直筒组合双螺母型垫片预紧形式，40指公称FZD直径，10指导程。3指精度。d40h1032在手册中查滚珠丝杠副3知401FZDmLk0n5Pha31)42()(mLe0代入数据有mLeanks1290432152经设计有丝杠螺纹长度ms190两固定支承距离35行程起点离固定支承距离L0全长L1421015.2.6确定滚珠丝杠副的规格代号已确定的型号：内循环浮动式反向器法兰直筒组合双螺母型垫片预紧形式，公FZD称直径公称直径：导程：md40mPh10螺纹长度：Ls129丝杠全长：P类3级精度故滚珠丝杠型号为。12904/301FZD由机电一体化11查得，NNCma9.37456由机械标准-JBT9893-1999滚珠丝杠副滚珠螺母安装连接尺寸12查得螺纹中径md9.253.425.3确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格335.3.1确定滚珠丝杠副预紧力滚珠丝杠副预紧力（式5.11）3maxFP其中N250axP73max5.3.2预拉伸力（式5.12）dFtt295.1其中指温差，在此取取C5.代入数据得Ntt4.573.345.29.19.1225.3.3确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格（1）轴承所承受的最大轴向载荷（式5.13）FtBmaxmax代入数据得NtB4.7985204.573ax（2）轴承类型选用两端固定的支承形式，因为轴承既要承受径向力，又要承受轴向力，且轴向力很大，故选用的角接触球轴承。40（3）轴承内径由于略小于，故取。dm3.2md30由因为（式5.14）axFBP34代入数据得NFBP8.261（4）选轴承型号规格当,md30BP预加载荷所以选7406轴承预加负荷为NNBP8.261290预加载荷5.4电机选择丝杠旋转时，驱动转矩，螺纹摩擦力矩为Mttq21（式5.15）anFdt其中为螺旋传动轴向载荷（螺杆受的力），即；为螺旋线升角，FP1为当量摩擦角。根据选用的丝杠导程，螺纹中径，由公式：ms10m3.42（式5.16）d2arctn计算可得：3.5根据手册选取钢和钢的摩擦因素，由公式：17.0f3（式5.17）2cosartn计算可得：98.经计算可得：mNNMt8.105498.30.5tan34.21螺杆的径向支撑和轴向支撑使用同一角接触球轴承，而螺旋传动轴向支撑面摩擦力矩公式为：（式5.18）2dFt式中，为角接触球轴承摩擦系数，取0.0022；为轴承载荷，由于径向载荷比较35小，可以忽略，则；d为轴承内径，。PF1md30经计算可得，NMt25.74250.2故Nmq6.105.16设滚珠丝杠的传递效率，则9同时，为了使机构在实际应用中由更好的适用性，可将估算的转动乘以一个系数，则机构的负载转矩为2.1mNM84.135.2,实由表5.1可选用电机130BYG9100D表5.1两相混合式步进电机主要技术参数型号步距角（）相电压(A)保持转矩()转动惯量()cg2重量（Kg）56BYG250B-02410.9/1.82.40.651800.4886BYG250BN-04000.9/1.84.0512002.6130BYG9100D0.3/0.610016.020005.45.5传动系统刚度5.5.1丝杠抗压刚度1）丝杠最小抗压刚度（式5.19）12min60LdKs：最小抗压刚度单位是sinmN/：固定支承距离，查手册有1LL1350代入数据得ds/760212minq54.12.0实362）丝杠最大抗压刚度（式5.20）)(460012maxLdKs：最大抗压刚度，单位是saxmN/：行程起点离固定支承距离，经设计有0LL30mNLds/617)15(460)(462102max5.5.2支承轴承组合刚度1)一对预紧轴承的组合刚度（式5.21）35max20sin4.2QBFZdK：一对预紧轴承的组合刚度，单位是mN/：滚珠直径，查手册有Qd14.7：滚珠数，查手册有Z：最大轴向工作载荷maxF：轴承接触角，查手册有60由手册查出7406轴承NFa4.7985.2613mx预加载荷代入数据得2）mZdaQBK/37560sin.4.sin34.23525x20支承轴承组合刚度查表知两端固定支承轴承组合刚度（式5.22）mNBb/7503203）滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度（式5.23）31.0aPcCFK：滚珠和滚道的接触刚度，单位是cmN/：查样本上的刚度，由手册查得：1530cK/37：滚珠丝杠副预紧力，有计算得PFNFP750：额定动载荷，由手册查得：aCCa36代入数据得mFKaPc/9201.51.03135.5.3刚度验算（1）最小刚度（式5.24）cbsKK1minin代入数据得mNKcbs/231907511minin（2）最大刚度（式5.25）cbsK11maxax代入数据得mNKKcbs/387920175611maxax（3）验算传动系统刚度（式5.26）反向差值0min6.1FK已知反向差值或重复定位精度为1038则mNFK/160/241056.10min反向差值（4）传动系统刚度变化引起的定位误差（式5.27）mKF7.1657121maxin05.6验算临界转速（式5.28）7210CcLdfn:临界转速,单位为cmin/：与支承形式有关的系数，查手册有f9.21f：丝杠底径2d：临界转速计算长度，由表14得f=21.9CLmLC3205012代入数据有in/5in/43.9.10ax7272LdfnCc39结论本课题设计的机械手是四关节五自由度机械手，在对机器人的目的和要求研究后，确定总体设计方案并使用MATLAB软件编程，对机械手正逆运动计算，确定了各杆长度。又设计了机械手机械结构，并以立臂为例，详细地选择了滚珠丝杠、轴承、电动机等。在本文研究中，得出了以下几个主要结论：（1）本文通过设计圆柱型坐标系机器手，实现腰部的回转运动、立臂的竖直方向的升降运动、悬臂的水平方向的伸缩运动、腕部的俯仰运动以及手爪的开合运动，（2）运用D-H法写出机械手各个坐标系，建立运动学数学模型，进行正、逆向运动学分析求解各杆长度和转角，满足工作空间要求。（3）通过立臂杆和滚珠丝杠、联轴器、透盖、闷盖、法兰盘、机架的配合，可以实现直臂的竖直方向升降运动在本设计中，虽然完成了四关节五自由度机械手的设计，满足了各种技术要求，但很多细节仍需细细斟酌。例如，机械手的精度还是不够高，我觉得可以通过对机械手进行精准加工以及对机械手的螺纹赋予更适当的公差配合进度，也可以找一台动作灵敏的发电机。40参考文献1乐为.“项目化团队式”毕业设计的开题报告机械手的设计J.快乐阅读：下旬刊,2012（6）:18-192徐方.工业机器人产业现状与发展J.机器人技术与应用,2007（5）:2-43康立新，马建华.工业机械手的设计J.中小企业管理与科技,2009（24）：218-2184袁野.机械手功能实现及其控制方式设计J.装备制造技术,2012（3）：210-2115程丽艳.五自由度机械手的