工件抓取毕业设计论文.doc

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 绪论11.1前言和意义11.2 工业机械手概述11.3 国内外研究现状和趋势3第二章 工业机械手的结构分析42.1执行机构分析42.2 驱动机构分析42.3传动结构分析52.4 机械手的基本形式分析62.5 本次材料搬运机械手的设计方案6第三章 机械手运动学分析83.1 D-H方法简介及坐标变换83.2 机械手的D-H方法求解10第四章 机械手参数设计及应力分析144.1 机械手手爪的设计计算144.1.1机械手爪橡胶块设计144.1.2 机械手爪各杆件尺寸设计154.1.3 机械手爪电机驱动力计算154.1.4 滑动丝杠校核164.2 机械手升降臂电机扭矩计算184.3 机械手主要零件的应力分析19第五章 机械手的三维设计275.1 机械爪设计275.2机械手腕设计295.2机械手臂设计305.3.1 手臂的回转结构设计305.3.2 手臂升降结构设计315.3.3 手臂伸缩结构设计325.4机械手相关设计图纸33第六章 总结36谢辞37参考文献38大连交通大学2015届本科生毕业设计（论文）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。 40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。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0360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300mm300mm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。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。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)其中:为坐标系i相对于i-1的旋转矩阵(方向) 为坐标系i与i-1点间的相对位置向量(位置) 和分别是连杆i-1的长度和扭角 di称为连杆和之间的偏置 称为连杆和之间的关节角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)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。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#a关节变量10000-36020L230mm900-300mm30300mm900-9040293.53nn00-360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： (3-3)带入D-H参数可得以下结果： (3-4) (3-5) (3-6) (3-7)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：=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100mm，通过公式计算可得以下结果： （3-8）所得到的机械手腕位置数据为，mm，mm。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。zyx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。yxz图3.5 机械手抓取空间范围第四章 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4.5kg8kg4、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。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。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Fnfmg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：Facos=Fn （4-1） Fbb=Faa （4-2） Fccos=Fb （4-3） Fcos=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F1000N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：许用拉应力为 设计手爪部分轻载，螺母材料使用耐磨铸铁。查阅机械手册可得许用的弯曲应力为， 取 ；许用剪应力为许用压强为，其中取现选用滑动丝杆长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F=1000N，=1.5， 经查表，=20，所以得到，所选耐磨性符合要求。（3）自锁性验算 由于是单头螺纹，导程为，故螺纹升角为 （4-6） 由机械手册查表可得耐磨铸铁和钢的，取，可得 （4-7） ，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） 代入以下公式可得： （4-9）（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 代入以下中的公式得 （4-10） （4-11）（6） 所需电机扭矩计算： 根据公式（4-12） 由回转运动转化为直线运动的效率为： （4-13） 所以，机械手的驱动电机扭矩应大于17.5Kgcm.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Kgcm，所以本次计算是用的单位皆为Kg和cm。36075图4.3 机械手直臂受力分析图由于F17.5=F36，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2Smin=7.5，则Smin=53mm，此时需要的电机扭矩为38.453=203.52Kgcm，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，230Kgcm，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。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100Kgcm，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=2r=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60Kgcm，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60Kgcm，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：50100mm 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:0-3604.3 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: 屈服强度:55.1485 N/mm2 张力强度:124.084 N/mm2 弹性模量:69000 N/mm2 泊松比:0.33 质量密度:2700 g/cm3 抗剪模量:26000 N/mm2 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加持材料）。由图4.4和图4.5可知底板中心最大形变量为0.18mm，最大屈服力为17.221N/屈服力55.148，符合设计要求。图4.4 机械手底板形变分析图4.5 机械手底板应力分析对机械手基座侧板进行力学分析，将侧板底部以及4个螺栓连接孔固定，给上顶面施加100N的均力，可得到最大形变量为0.00068mm，最大屈服力为0.531N/所以，该基座侧板符合设计要求。如图4.6和图4.7.图4.6 机械手基座侧板形变分析图4.7 机械手基座侧板应力分析图4.8 机械手横臂-直臂连接板应变分析图4.9 机械手横臂-直臂连接板形变分析图4.10 机械手横臂-直臂连接板应力分析图4.11 机械手手部丝杆螺母块应力分析图4.12 机械手手部丝杆螺母块应变分析图4.13 机械手手部丝杆螺母块形变分析对机械手的重要零部件施加均衡应力后进行分析，发现这三个受力相对较大的零部件的最大形变量仅为0.00026mm，所以我们可以认为该机械手各个零件均符合设计要求。所以无需对其他零部件进行强度校核。我对整个机械手结构分析后认为，最大的受力结构为机械手的直臂部分，由于该部分是由多个零件装配而成，单独对某一零件进行分析无法真实客观地反映出整体受力以及形变情况。所以，为了真实有效地反映出直臂的受力情况，我利用simulation对整个机械手直臂装配体进行了详细的应力分析，选取手臂与地面平行时，最大受力的情况，之后对旋转轴添加了固定约束，并且在另外两根轴添加了分别为100N和466N的力来使整个机械手直臂保持平衡。以下是机械手直臂结构体的受力分析报告。对机械手直臂整体进行3D建模，并添加约束，图4.14为机械手直臂的模型信息：图4.14 机械手直臂杆件结构体