多自由度机械手的结构设计及分析-关节型工业机械手说明书.doc
多自由度机械手的结构设计及分析-关节型工业机械手含开题、SW三维仿真及8张CAD图
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多自由度机械手的结构设计及分析-关节型工业机械手含开题、SW三维仿真及8张CAD图,自由度,机械手,结构设计,分析,关节,工业,开题,SW,三维,仿真,CAD
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题目多自由度机械手结构设计及分析学院专业学生姓名学号指导教师职称 摘 要随着制造自动化和智能化技术的发展，工业机械手已成为智能化工装置的重要组成部分。在实际应用中，很多功能均由机械手实现。通过毕业选题，确定了本次的毕业设计的题目是“多自由度机械手的结构设计及分析”，本文通过一系列计算，和构思最终设计了一款以电机驱动的多自由度机械手，类型为关节式。本文对机械手大臂，机械手的小臂，底座等进行了设计与分析。而且完成了总体装配图和二维图纸的绘制并进行了动态仿真。对机械手得各零件进行力学计算来选择合适的零件，而且也用了很多计算过程来估算了某些部分的扭矩和功率，选择了合适的电机。最后通过有限元分析对选型的结果进行了核实。关键词：工业机械手；关节式；动态仿真；有限元分析 - I -ABSTRACTStructural design and analysis of multi-degree-of-freedom manipulatorABSTRACTWith the development of manufacturing automation and intelligent technology, industrial manipulator has become an important part of intelligent chemical plant. In practical application, all the functions are realized by the manipulator. The graduation project is structure design and analysis of multi DOF Manipulator, so this paper designs a motor-driven multi DOF Manipulator. In this paper, the manipulator arm, arm, base and so on are designed and analyzed. And completed the overall assembly drawing and two-dimensional drawing. The mechanical calculation of each part of the manipulator is carried out to select the appropriate part, In addition, a lot of calculation processes are used to estimate the torque and power of some parts and select the appropriate motor. Finally, the results of the model selection are verified by finite element analysis.Key Words：Industrial manipulator; Joint type; Dynamic simulation; finite element analysis- III -目 录目 录摘 要IIABSTRACTIII引 言6第1章 绪论71.1 机械手研究的背景及意义71.2 机械手研究概况81.2.1 国外研究现状81.2.2 国内研究现状81.3 本次课程设计的意义和目的10第2章 机械手总体初步设计102.1 机械手设计方案102.2 机械手的传动方案选择112.3 机械手的抓取及结构特点112.4 机械手控制方案设计13第3章 机械手零部件结构设计153.1 大臂部分结构设计分析153.1.1 大臂外壳设计153.1.2 大臂电机及减速器选型163.2 小臂部分设计183.2.1 小臂结构初步设计183.2.2 小臂步进电机选择193.2.3 设计小臂链传动方式203.2.4 设计小臂带轮主要尺寸223.2.5 设计小臂锥齿轮传动243.2.6 小臂部分设计图273.3 底座设计283.3.1 底座结构设计283.3.2 底座电机选择293.4 手爪设计323.5 机械手总装配图333.6 本章小结33第4章 机械手的关键零部件有限元分析344.1 有限元步骤及使用方法344.2 机器人主要零部件有限元分析364.2.1 轴的的有限元分析364.2.2 圆锥齿轮的有限元分析394.3 本章小结41第5章 总结与展望435.1总结435.2展望435.3机械手的经济性分析44参 考 文 献45致 谢47- 45 -东北电力大学本科毕业论文引 言机械手这种机械大都是机电一体化的产品，多自由度机械手是机械手这个大领域的研究对象中的重点。机械手的研究领域很多，包揽了机械领域、电子领域、信息理论、人工智能领域、生物领域、以及计算机科学领域1，它是这么多理论的结合，这些领域与机械手相符相承，早期这些领域的发展促进了机械手这门科学的发展对机械手的出现创造了条件，后来机械手的发展同样促进了这些领域的发展。为什么要研究机械手，我们研究机械手的目的又是什么，在时间的长河中，我们一直不断地探索，不断地去发现与研究，我们希望发展机械手，当人们处于危险的工作时，或者要求极其准确的工作方式时，机械手上阵来替代人类需要做的危险行为，或者精准行为。在这个时候 机械手很大程度上拓宽了人们的活动范围，使人们可以更好的认识世界改造世界，我们都希望人类能够利用自己的事务，改进和利用这些特性，从而实现机械化，为人类的福祉而努力。例如：假肢。机械手正在逐渐变得智能2。在人工智能发挥着重要作用的今天，操纵者与人工智能之间的联系正在不断深化。本文设计的这种关节新式的机械手，他的定义在全球范围内没有做到统一，这种机械手的分类也也有很多不同之处。与人类相比，关节机械手具有运动速度快、承载重物、定位精度高等优点。可根据外部信号自动进行各种操作。机械手是通过计算机编程来控制的机械装置，通过这种编程的机械手，我们在很大程度上提高了产品的质量，实现了生产的自动化，提高了生产效率。现在这个高新技术发达的时代，机械手的发展也需要不断加快脚步。机械手的诞生直至发展虽然只有短短的30年，然而它已近成熟渗透到国民经济、民用技术等诸多领域。具有十分广大的应用前景，甚至我们的生产生活已近完全离不开他。它已近具有了十分博大的生命力。XXX第1章 绪论机械手是近年来比较火热的谈论话题，随着科技技术的发展，机械手成为了技术高，产业密集的机电一体化产品。在许多的发达国家，比如美国德国。工业机械手已经获得了十分广泛的应用，智能的机械手可以使产业的生产实现自动化，改善劳动生产的环境，进而很大程度上提高生产的效率。机械手的发展水平，对一个国家的经济实力有着很大的影响。所以机械手的革命，亦是科技技术的革命。目前，机械手臂的引用前进不断地扩大，例如工业的上下料、国防安全建设、宇宙探索机械手臂、海洋开采机械手、医疗手术机械手等等。大到庞然大物，小到肉眼无法察觉。这就是时代赋予了机械手的特征与作用。1.1 机械手研究的背景及意义机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机 械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，来完成各种所下达操作的指令。机械手具备普通机械所拥有的属性外，还具备着记忆能力的智能机械人。第二类机械手需要人为操作，简称这种机械为操作机。这种机械手可以根据人的指令和操控来实现军事作业，或者月球探索等。第三类范畴是专用型机械手，这种机械手适用于机床工作，得以解决机床的上下料，或者对生产零部件的配送。这种机械手的作用是服务于主机，通过电脑主机来对机械手实现控制作业。本文主要设计一款机械手，并介绍了机械手的组成及各部件的作用、工作原理、国内外发展趋势、发展前景和方向、机械手的应用、机械手在工业中的使用意义。机械行业，重点是机械手的计算过程和机械手的可行性分析。1.2 机械手研究概况1.2.1 国外研究现状H Fujimoto2提出了一种基于采样间干扰抑的六自由度机械手视觉伺服控制方法。在控制器中，针对采样频率受限的一般数字控制系统，采用了作者提出的多速率采样间干扰抑制算法。所提出的具有开环估计和开关函数的前馈控制方案能够在不牺牲闭环特性的情况下抑制干扰。建立了视觉伺服系统中延迟问题的一个新的精确表达式，即图像处理延迟、摄像机信号采样周期与关节伺服系统控制周期之差以及内环关节伺服系统的延迟。通过引入新的多回路控制方案和深度辨识，提出的采样间干扰抑制控制器适用于具有运动目标点的六自由度机械手的复杂视觉伺服问题。SArima4对六自由度机械手进行研究通过运动学和力学分析、逆运动学仿真和数据分析、轨迹的正确规划与规划仿真分析。因为运动算法的正确性不能直观展现出来，他通过使用C+来分析机械手的运动轨迹和空间运动路径的规划，基于MFC和OpenGL图形库开发了3D运动仿真软件系统IDE。他使用正向运动学，和运动仿真中结合轨迹规划的算法，并根据多项式的求导计算等数学方法建立数学立模型轨迹规划，使机械手得到了很大程度上的优化和提升。AGJ Kouabon和Melingui5提出了一种求解高自由度冗余度机器手逆运动学问题的学习框架。这些有几种可能的组合来获得末端效应器（EE）姿势。因此，对于给定的EE姿势，可以关联多个关节角度向量。然而，对于给定的EE位姿，如果将一组关节角参数化，则冗余度机械手的IK问题可以归结为非冗余度机械手的IK问题，从而可以应用为非冗余度机械手开发的闭式解析方法来获得IK解。通过对冗余度机械臂的工作空间聚类和位形空间聚类，实现了冗余度机械臂关节的参数化。工作空间聚类采用生长型神经网络（GNG），配置空间聚类采用邻域函数（NF）。通过对冗余度机械手的仿真和实验，验证了该方法的有效性。1.2.2 国内研究现状XXX我国机械手在很晚的时候才发展机械手，所以我国机械手的研发相对落后。80年代我国的机械手才算启动。 1986年春天，我国正式启动了“七五”研究高新机械产品的规划，这成为解决我国对于机械手问题的关键步伐。在1987年的时候，我们国家研究人员将“863”高新技术计划列入了机械臂的研发项目。在当下，我国很多高校和研究机构都对机械手进行深度的研究，国家鼓励科技创新。我国机械手的研究在很短的时间里就取得了显著的成果。1988年，中国国防科技大学的两位学者成功的研发了平面空间内的双足机器人kdw-1，它有六个自由度，可上下楼梯、前后移动，最大步幅40厘米6，每秒步数为4。空间kdw-ii于1989年被开发，它甚至拥有惊人的10自由度，它全长69cm，重量为13kg，质量很轻。实现了前、后、上、和下楼梯时候的稳定状态和左右移动的稳定状态。在20世纪90年代科学家在kdw的平台卡座上多加了两组垂直接头零件，使机械手发展成为具有12个自由度和转弯功能的kdw，实现了机械手自由度的突破，并得到了长远的发展。 1996年科学家们使机械手实现了每秒0.8次的机械手抓取次数，步长20厘米-22厘米，最大工作坡度为19度。21世纪初期，我国第一台仿人机械手“先锋”在kdw-iii的基础上研制成功，可用于偏差小、不确定度小的动态环境，周期为每秒两步，高度1.4米，重量20公斤，具有头、眼、颈、身、臂、脚等功能，并具有一定的语音功能。老旧的机械手是欠驱动7，当抓取比较小的物体时。第一，物体很难被夹起，第二物体容易从手爪上面脱落。对于这个问题，马江涛提出一种新型的机械手结构，是一种欠驱动方式的夹取机器，对之前的机械手进行了优化和提升。他充分的介绍了他设计的欠定义型机械臂机械手抓和驱动机械手抓运动的伺服控制系统。创新了手爪的结构，通过对手指的静态分析，证实了手爪的灵活性和可操作性。他根据对刚度的计算公式，和矩阵势能模型，确定了机械手运行的合理范围，确定了机械手最佳抓取形状。通过多次的实验，他设计的机械手可以轻松的应对抓取物品的尺寸的变化。我们都知道，传统的机械手工作的范围十分的有限。通过团队的协作徐顶峰等人研究出了一款可变手掌机械手，这种机械手拥有双五杆滑块，滑块是并联安装的机构。,利用多目标遗传算法优化目标尺寸.结果表明曲柄的长度对机械手抓取范围影响最大,并确认了机构死点位置。近年来，著名的清华大学在研制一款高1.7m、重130公斤、自由度32度的人形机械手thbip-i。清华大学学生，在985项目科研工作计划的不断推动下，对于机械手的研究日新月异。1.3 本次课程设计的意义和目的在研究机械手的主要作用和结构时，穿插着机械手运动程序的确定，于东方向的选择。开关，继电器，伺服电机的选择，电路的设计和各零部件安装位置的确实都是十分有意义的。动作复杂的机械手的设计需要我们学习很多新知识并且结合已学知识，使得设计的成果能够更好的展现出来。机械手在我们的生活中已经占据了非常重要的地位，机械手的发展水平很大程度上决定了社会的发展水平。所以我在项目毕业的时候就选择了机械手。我希望我能学到知识，得到能力的培养。1.4 机械手的发展方向从上世纪七十年代第一台机械手问世以来，经过了接近五十年的发展，随着机械手的普及和越来越多的产业对机械手的需求，伴随着相关技术的成型和有关高新技术人才的努力，未来的搬运机械手可以在以下几个方面发展：（1）高性能即搬运机械手在负载能力8，控制精度，工作稳定性和操作的便利性等方面。随着理论与实践相结合的模式，搬运机械手的各项性能会持续升高。就负载能力来看，就是随着应用场合的增加，高负载的搬运机械手，更广泛的应用于各大生产制造厂间是必然的；另外在衡量一台搬运机械手的性能时，它的控制精度或则说工作时的稳定性对于机械手来说是一项重要指标，搬运机械手能否在高效稳定的情况下，将物料准确的运送到适合的场合，完成它该完成的行进路线具有相当大的应用价值，所以搬运机械手的稳定性也是未来的研究方向。（2）多模块化结合 近年来，随着人们生活水平的提高和生活方式的增加，给机械手的人性化的研发增加了挑战，怎样满足不同人群对机械手有不同的要求变得越来越重要。首先想到的便是将各种各样的模块赋予到机械手上，设计一些专业性和通用性相结合的机械手，然后行成批量化，系列化的生产模式。让这种组合式的模块更好的服务于人类，让人类与机械手之间建议一种和谐人机互动模式。（3）智能化 伴随电子技术的发展，自动化产业在机械手的应用越来越普遍，接下来机械手的发展将会越来越智能化，例如，我们可以在现有电子（反馈）控制的基础上，运用定位软件，成型技术的研究，实现长距离，跨区域式对机械手实行控制，让搬运机械手将最大化地实现智能化。第2章 机械手总体初步设计本文的重要任务是完成机械手的机械结构设计和机械手的受力分析,而本章内容是围绕机械手机构设计任务来展开,首先呈现机械手的总体设计方案图，再对机械手的传动方式和结构进行介绍，然后对本章内容进行总结归纳。2.1 机械手设计方案 本文在设计开始之前，为了清晰的展示本文所设计的机械手，先对机械手整体外形以及机械手的结构进行呈现，并且为以后计算分析做好准备。本文设计的如下图2.1所示：图2.1 机械手设计方案2.2 机械手的传动方案选择首先确定机械手的工作原理图，通过机械手的研究和学习，确定了机械手的大概组成基座部件包括基座、齿轮传动部件、轴承、步进电机等9。机械手的机座部分的作用是支撑部件，并且支承和转动大臂部件,承受关节机械手的全部重量和工作载荷，因此机座应该具有足够的强度、合适的弹性势能和良好力学效果。此外，底座的底盘应该保证足够的大，能够轻松的支撑起机械手，实现机械手伸张缩短，和实现机械手自由运动时候的抓取工作。图2.2为机械手的基本结构示意图。图2.2 机械手的结构设计示意图 绝大多数情况下，底座部分的电机可以实现自传，比能切带动着大臂运动，其次大臂电机带动着小臂运动，小臂的运动更加的灵活，还可以实现自身的转动。这样就可以实现手臂的各种运动。机械臂部分为大臂和前臂。动臂部件包括：动臂、齿轮传动部件和驱动电机。小臂零件：包括臂部、传动轴、同步传动带等。驱动手腕运动的步进电机固定在手臂的一端。手腕组成：包括手腕壳、齿轮传动组合，电机，轴等。XXX2.3 机械手的抓取及结构特点目前，机械手分类有很多种形式10，主流常见的机械手结构分类大体可以分为四类。他们是关节式机械手结构，直角坐标控制的机械手，柱坐标系机械手，求坐标机械手，下面来介绍各种机械手机械手的结构和功能特点。(1) 直角坐标机械手结构 直角坐标机械手结构，顾名思义就是在直角坐标系下控制的机械手，这种机械手属于比较常见的机械手类别。空间对这种机械手的影响较小，且这种机械手的尺寸远远大于其他机械手。所以一般适用于机床加工时的换刀操作，运动形式较为死板。对本次毕设不太实用。(2) 圆柱坐标机械手结构柱坐标控制的机械手可以实现以此旋转运动和两次直线运动，这是一种比较简单的控制方式，如2-1(b)图所展示的机械手结构。这种机械手的结构相对于其他机械手的结构来说是简单的，但是他的精度不错，可以很好地实现抓取的运动，工作的空间形状为圆柱形。(3) 球坐标机械手结构求坐标系机械手运动11，两次旋转，一次直线运动。这种工作形式的机械手结构也相对简单，然而机械手抓取的精度和其它的相比也相对较低，所以这种机械手不经常被人们所使用。其主要的作用是作一些简单的抓取工作，并且在一个球形的工作区域内工作。(4) 关节型机械手结构关节类型的机械手就向我们的手臂一样，通过大臂带动着小臂一起运动，由三个回转体组成，如图2-2(d)所示。关节类型的机械手活动十分的灵巧，他能很轻松的实现很多动作，而且他的体积很小，所以这种机械手的研究十分的热门。相对机械手本体尺寸，机械运作时候所需的空间大。这样的机械手适合被运用在机器制造业中。例如机械手焊接技术、自动汽车喷漆涂漆、快递搬运等。(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型图2.3 四种机械手坐标形式通过仔细的斟酌和考虑，选择了关节式的机械手。他的优点最多，可靠性很强，由于本次设计准备夹取的加工工件的质量为5KG，考虑到数控机床布局的具体形式以及对机械手的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，降低成本，提高机械手在实际生产中的应用效果12，和经济效益。其中腰部有一个旋转自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度，手腕的俯仰、旋转自由度。在本论文中，重点设计的是大臂小臂的具体结构。因此，需要着重的对大臂小臂进行精细的设计以及零件组合到一起时候的运动效果。2.4 机械手控制方案设计现在这个阶段，不管是国内还是国外机械手的负载重量的范围是很广泛的，其中最小的负载通过研究已经控制到了5N之下，最大负载高达9000N。机械的载荷的确定主要考虑的是机械手的材料，沿着机械手作用方向的力，以及抓取物的质量所决定的，而且还得充分考虑机械手工作时产生的力矩和扭矩，关节工件或工作物体的重量，以及规定速度和加速度条件下的惯性力。本设计给出的设计参数可以初步估计本设计属于小载荷。具体步骤如下：（1）选择驱动方式首先考虑选择的是伺服电机13，伺服电机在控制机械手的时候他的控制性能非常突出、操控的灵活性强、控制手臂运动的速度快反应灵敏、伺服电机在工作时需要保证对周围环境有较小的影响、并且具有所占的体积小、工作时候的效率高等特点。伺服电机适合室友在中小型的机械手臂上，应为这种手臂要求严格，本文的机械手臂属于中小型机械手，所以在设计时选择了伺服电机来控制机械手的运动与仿真。（2） 设计传动方式 由于在机械手工作的时候，运行的环境是一个高效率的环境，要求传动的准确性要十分的高，所以必须保证传动比的准确性，设计的机械手要有紧凑的结构，可靠的工作效率，有着较长的寿命。所以必须采用适当的方式消除传动链之间的间隙。本文机械手主要的传动方式为齿轮传动，依靠齿轮传动的精密性，来消除传动零件之间的间隙。已达到传动效率高，结构紧凑的特点。（3） 运作范围确定 机械手的运作空间范围根据工业机械手臂的工作范围，以及机械手本身的运作轨迹的变化而变化，用工作空间的大小来表示机械手运动范围。机械手在工作的时候会产生一个工作空间的形状，这个工作空间的形状影响着机械结构的坐标工作形式，也会影响机械手的自由度，大臂小臂的长度，以及关节变化角度和变化范围。（4）机械手运动的速度确定机械手手臂每个动作的最大行程确定后，可以根据周期时间表确定每个动作的时间，进一步确定每个动作的移动速度14，用m/s或()/s表示，每个动作的时间分配要考虑各种因素，如总周期时间的长短，动作是顺序进行还是同时进行等。尽量做好每个行动时间的分配计划表，进行对比。机械手没关节运动时间的分配除了需要考虑机械手的运动轨迹外，还要考虑转动惯量和机械手精度和行程等条件。2.5 本章小结 本章首先对整体的机械手的造型进行呈现，其次确定机械手的传动方案为关节式传动方案，对抓取及结构特点进行了初步的设计，以及对控制方案的设计。确定了驱动方式为伺服电机驱动。并且确定了机械手的运动范围和速度。本章在内容上引出下文对机械手零部件的精设计。第3章 机械手零部件结构设计本文的机械手由机械手底部支座、机械手推动大臂、机械手灵活前臂、电机和机械手爪组成，底座支撑机械手，大臂来控制小臂的运动，小臂来实现运动的反馈。并通过手爪来实现抓取。本章将对抓取机械手的机械零部件部分进行详细的设计说明。3.1 大臂部分结构设计分析 臂架部分是铰接式机械手的主要部件。它的作用是支撑前臂和爪子的作用，带动它们做空间运动。手臂运动的目的：使手在空间中的任何一点运动。如果改变手的姿势（方向）关节，就可以实现手臂的自由运动。因此，臂架部分的设计是必不可少的部分。3.1.1 大臂外壳设计大臂部分需要考虑的地方有臂部的承载能力，臂部的速度的考虑，臂部运动的灵活度，和臂部各零件的精度，所以大臂部分的基本要求如下: （1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻.臂部通常即受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲)，也受扭转，应选用弯和抗扭刚度较高的截面形状。机械手选用工字钢作为支撑钢15，和其它材料想比，在截面单位重量相同的情况下，获得了更大的志成路。既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动装置以及管道，这样就使结构紧凑、外形整齐。（2）机械手臂在运动时需要较高的速度，而且惯性力要控制的小，为了降低运动过程中各部件产生的冲击，要使启动的速度和加速度保持在合适的范围内，不然会引起很大的震动，以至于损坏机械手的各零部件。为了减小这种冲击，规避这样的风险，采取了以下的措施： (a) 控制材料来减轻部件重量 (b) 减少手臂运动件的轮廓尺寸 (c) 减少回转半径 (d) 驱动系统中设有缓冲装置（3）机械手在工作的时候手臂的运动要保持非常的灵活。机械手个零部件之间的摩擦阻力是不可避免的额，未来减少这种摩擦，可以通过用滚动的运动方式来代替滑动的运动方式。（4）要想准确的抓取物件，机械手各部件的定位要是十分的准确。通过直角坐标系来描述机械手的运动轨迹，通过直角坐标变化规律，来控制机械手的运动，这样可以精确的实现轨迹控制。并且在手臂上装了检查额装置，这样就可以更好的检测机械手的准确性。通过上述的总结，通过使用铝合金来设计机械臂的大臂，这样既使得机械臂变薄也可以得到较高的强度。原因之一是在很大程度上保证了机械手的刚度和强度，原因之二是减轻了机械手的总体质量。也可以提高机械臂在工作时的动态响应。通过思考和查阅资料，以及机械手的尺寸确定，设计出来如图 3.1所示的机械后大臂外壳结构，大臂材料为铝合金。图3.1大臂外壳样式3.1.2 大臂电机及减速器选型假设前臂和手腕围绕第二关节轴的重量：M2=2Kg， M3=4KgJ2=M2L42+M3L52 =10.0972+40.1942=0.16kg.m2 (3.1)臂架速度为 10r/min，旋转开始时的扭矩可表示为：要让机械手大臂从到机器人臂架到达所需的时间：则： (3.2)考虑到机械手在工作时各个零部件围绕中兴产生的摩擦力16，力矩和转动惯量，当机械手开始转动时，设机械手转动的启动力矩为10N。如果设其安全系数是2，则机械手减速器需要输出的最小力矩为20N.m如式3.3所示。 (3.3)由式3.3可以确定型号为：XB3-50-120 ,这种电机输出的力矩就是：20N.m ,当时，此时的机械手步进电机实际输出力矩为： (3.4)通过查表选择BF反应式步进电机,型号：55BF003,静转矩：0.686N.m,步距角：1.5，给电机添加外壳，并用轴与大臂相连，来实现大臂绕轴的旋转。如图3.2所示：图3.2 大臂链接电机3.2 小臂部分设计前臂可以连接手的上臂和手的爪子来支持和改变手的姿势。手腕设计要求是:结构紧凑，重量轻;运动灵活稳定，定位精度高。所用材料强度和刚度高;所述的与手臂和手的连接部分结构合理，所述的传感器和驱动装置还提供了合理的布局和安装。3.2.1 小臂结构初步设计根据自由度分类，工业机器人手腕可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。并非所有的手腕都必须有三个自由度，而是根据工业机器人的实际工作性能要求来确定的。本课题研究设计的喷涂机器人手腕有两个自由度:摆动和旋转。二自由度的手腕是通过两个关节来实现的，然而两个关节就会产生重复的麻烦，事实上只相当于一个关节在起作用。而且小臂重量全部由大臂来承受，就会带来非常大的负载，所以使用如图3.3所示的三自由度的手腕，使用电机来远程间接驱动手臂的运动，并且由两条链传动驱动17，一条用来控制手腕的摆动，一套驱动手腕的滑动。虽然这种情况会产生额外的传动，但是通过部进电机的合理控制可以干涉这种影响。图3.3 型手腕示意图 本次课设研究的机械手可以广泛的应用于工业生产当中。可以充当机床的上下料，也可以用来焊接和喷漆。而且这种结构紧凑的机械手也适合在狭窄的空间中标运作。为了满足机械手的这些特性，他的手腕部分的建议形状和尺寸设计如图3.4所示。图3.4 手腕厚度尺寸示意图3.2.2 小臂步进电机选择手腕偏转由放置在手臂底侧后面的步进电机驱动，由两级滑轮链驱动，然后由锥齿轮啮合传动换档。手腕的驱动力来自步进电机。首先计算手腕偏转所需的扭矩，然后计算电机的输出扭矩，确定步进电机的型号，从而计算链传动和锥齿轮传动的传动参数和相关尺寸。（1）选择步进电机机械手腕在工作时需要偏转，需要克服工件间的摩擦力矩，腕部在启动时也要克服惯性力矩，根据转矩的计算公式： （3.5） （3.6） （3.7） （3.8） （3.9） （3.10） （3.11） （3.12）如下列出已知条件：m/s，kg，m，m，m，s，假设手腕部分的材料为铝合金，密度kg/m3。将数据代入计算得： Nm， Nm， Nm因为腕部传动是通过两级带轮和一级锥齿轮实现的，所以查取手册得：弹性联轴器传动效率；滚子链传动效率；滚动轴承传动效率（一对）；锥齿轮传动效率；计算得传动的装置的总效率。电机在工作中实际要求转矩 Nm 依据计算好的机械手偏转力矩，结合电机的矩频特性曲线，如图3.5所示，选择出了90BG5200B-SAKML-0301型步进电机。图3.5 90BG5200B-SARML-0301型步进电机矩频特性曲线3.2.3 设计小臂链传动方式（1）计算、分配传动比步进电机的型号可有上文得知，根据上图的曲线，选择步进电机的实际工作转矩是4.4 Nm，所选择的步进电机的实际转速为r/分钟。通过上文计算确定的大臂小臂之间手腕的偏转角速度为r/s，通过在这个公式得出了角速度，由此计算大臂部分工作时偏转应有速度r/min，有n1与n2之比来计算出传动比为：。确定的手腕偏转传动方式是通过两级滑轮链传动和一级锥齿轮传动，需要分配总传动比。通过机械臂内部的空间结构18，充分的考虑齿轮的尺寸和机械手内部的结构模式，选取小臂内齿轮的传动比为，大臂内齿轮的传动比为，圆锥齿轮之间的传动比控制在，。（2）计算小臂链传动功率 kW （3.13） （3）选择带轮的齿数再小臂的结构中，未了使两个齿轮的结构配合更加精密，要控制传动比相对较小。而传动距离比较长，选择小带轮齿数，大带轮齿数，、取奇数，链节数为偶数，可使链条和带轮轮齿磨损均匀。（4）选择链条类型根据机械设计手册15进行链条传动的设计： kW （3.14） kW （3.15） mm ， （3.16） mm， （3.17） mm （3.18） mm （3.19） mm （3.20） mm （3.21） m/s （3.22） N （3.23） N （3.24）3.2.4 设计小臂带轮主要尺寸根据所选滚子链的型号规格确定一对带轮基本参数： ，mm，mm，mm。带轮主要尺寸： （3.25） （3.26） （3.27） （3.28） （3.29） 将数据代入计算得：mm mm mm mm mm mm mm mm mm3.2.5 设计小臂锥齿轮传动 根据工业机械手的工作具体要求19，手腕的传动由标准的直齿锥齿轮来进行传动，将其材质设置45钢。因为选用的齿轮是属于封闭式，齿面磨损和弯曲时齿轮的主要问题。因此，齿轮的设计需要依据弯曲曲疲劳强度的数值。为了使计算更加方便，选择的锥齿轮齿数较小，所以一，可取172015。（1）设计齿轮主要参数及尺寸齿数,：齿数比，所以选择,则。齿宽系数：，取。齿宽系数不宜取过大，避免引起小端齿顶过薄，齿根圆角半径过小，应力集中过大。根据手册，按齿面接触疲劳强度计算小齿轮大端分度圆直径和大端模数： （3.30） 查手册得到，,MPa。由于 Nm，,。将数据代入得到小齿轮大端分度圆直径mm。大臂的端面模数，可以通过标准的分度圆模数来确定，取。圆锥齿轮主要尺寸计算： （3.31） （3.32） （3.33） （3.34） （3.35） （3.36） （3.37） （2）按齿面接触疲劳强度进行校核计算接触用单位齿宽上的载荷 MPa （3.38） 查16手册，齿向载荷分布系数，=1.2。计算接触疲劳应力 MPa （3.39） 计算齿轮的接触疲劳极限应力 （3.40）查手册得到，。所以，MPa。计算接触安全系数，安全系数较高。所以，接触疲劳强度满足，参数合理。（3）按齿根弯曲疲劳强度的校核计算弯曲用单位齿宽上的载荷MPa变位系数取，则。应力集中校正系数由及可查表得，由及可查表得。齿形系数由，据及可查表得，由及可查表得，而，所以：，。弯曲计算应力根据公式： （3.41） （3.42） 将数据代入计算得：MPa MPa取安全系数查手册，得弯曲疲劳寿命系数，。查手册，得弯曲疲劳极限为MPa，MPa。许用应力： （3.43） （3.44）将数据代入计算得：MPa MPa因此、，弯曲疲劳强度满足，参数合理。3.2.6 小臂部分设计图 通过组合小臂部分电机，锥齿轮的啮合，和上文传动的方式设计出如下小臂结构20。如图3.6：图3.6 小臂装配图3.3 底座设计3.3.1 底座结构设计底座具有支撑机械手臂，以及控制机械手臂旋转的作用。它像是一个根基，很大程度上决定了机械手的稳定性。所以在底盘的选择上，选用质量大，而且强度硬度大的铸铁。底座部分的电机来实现手臂的旋转，已实现机械手在空间范围内的运动。基座的示意图如图3.7：图3.7 底座结构设计图3.3.2 底座电机选择首先计算输出轴的转矩 （3.45） （3.46） （3.47） （3.48） （3.49） （3.50）当大小臂位置关系如图3.1所示时，大小臂处于动作所能达到的极限位置，此时所需值最大。图3.9 大小臂处于极限位置由同组成员计算的臂架质量和相关臂架相对于中心线oa的垂直距离计算得出： =400mm，=30kg，代入式（3.45）得：=1.6kgm同组队员计算的前臂质量及相关前臂相对于oa线的垂直距离得出： =1000mm，m=20kg，代入式（3.45）得：=6.67kgmm计算相关机身设计数值得出：kg代入式（3.50）得：=5.75kgm代入（3.51）得到=44.86Nm 带入（3.1）得到=49.85Nm= =6.86Nm选择二级圆柱齿轮减速器i=9 （3.51）=0.99 联轴器传动效率=0.96 齿轮传动效率=0.98 轴承传动效率代入式（3.7）得到：0.807，表3.1 电机参数型号相数步距角(DEG.)电压(V)电流(A)静转矩(N.m)空载运行频率(KHZ)转动惯量(Kg.cm2)备注86BYG250AN20.9/1.81103.62.4150.5686BYG250BN20.9/1.811045.0151.286BYG250CN20.9/1.811057.0154.28根据表3.1选择86BYG250CN型步进电机，这种电机的简图如图3.10。图3.10 步进电机外形简图3.4 手爪设计 本设计采用连杆式爪21。驱动杆来回移动以打开或关闭爪。手指的最小开口由工件的直径来调整。爪形结构由连杆结构组成，如图3.11所示：图3.11手爪结构示意图3.5 机械手总装配图 通过对上文所设计的各部分结构进行整合，得到如下机械手三维结构图。图3.12 机械手总装配图由图3.13简化，得到下图的传输图。各轴从高速到低速设计为轴（输入轴）、轴（中间轴）、轴（输出轴）。3.6 本章小结本章主要设计了机械手的各部分结构和总体的装配，最后用总体的传动简图来校验电动机的选型以保证结构设计的可行性。主要包括大臂设计，小臂设计，底座设计，传动轴的设计以及手爪设计。最后完成了总体的装配图。第4章 机械手的关键零部件有限元分析通过上文对机械手的设计，我们初步的计算出设计的合理性，得出机械手部分材料的选择，本章将对前面的选型进行有限元分析，以证明设计的零件能够满足设计要求。4.1 有限元步骤及使用方法有限元方法的步骤22：对于不同的具体物理数学特征量的性质问题及其相应数学特征模型的构成问题，有限元代数求解计算方法的理论基础和计算步骤都应该是一样的，只是具体计算公式的逻辑推导与代数运算构成求解题的方法不一样。有限元问题求解法是问题的一个基础求解步骤一般可以定义如下为:第一步:对具体问题和其用于求解问题领域的模型定义:我们依据数学实践理论中的具体问题近似模型来定义确定其用于求解问题领域的具体物理现象特征与具体几何现象类型。第二步:对于求解域的网络离散化:我们将所要求解的零部件进行严格的网格划分，使得它们有着符合性能的形状并且相互之间有联系，习惯上被我们可以统称定义为对于每个有限元的整个网络空间进行离散划分。显然每个计算单元越小(它的网格就越细)则其对于每个离散域的近似性优化程度就一定会变得更好，计算的最终结果也就越准确，但是由于计算出来数据的准确质量及其中的误差程度都会逐渐性的增大，因此对于求解域的近似性以及离散域优化被广泛认为已经是有限元法中最重要的几个核心技术之一23。第三步:分析确定所在状态变量和其边界控制的基本方法:有一个微分物理边界的问题，这个问题通常都认为是问题可以通过使用其中一组基于包括一个问题所在状态变量的物理边界控制条件在内的多个微分方程式函数来进行表示，而通常为了得到适合一个有限元的物理求解，这个时候，一个完全等价的微分函数是完全可以很简单的简化出来的。第四步:进行单元矩阵推导:对一个单元矩阵进行直接构造一个数量相当于单元适合的简单近似数的求解，即通过单元推导有限多个单元的顺序排列，其中主要研究内容应该包括如何正确选择合理的一个单元作为坐标系，建立一个单元测试温度函数，以某些数学方法来作为理论基础的并给出一个单元各种不同状态变量之间的一种离散向量关系24，从而单元可以直接形成一个新的单元矩阵(在分子结构学和动力学中被广泛称为刚性柔度阵或简称柔度阵)。为了能够保证一个问题代数求解的正确收敛性，单元式方程中的代数推导计算方法中还有很多基本设计原则也都需要我们严格研究遵循。对于信息工程实际的教学应用来说，重要的一点问题就是我们是否应该充分地高度关心每一个解题单元的主要解题方法特性与其中的约束力。因此，单元的物理形状主要还是需要有严格的规则，不能拥有畸形，因为在单元畸形时不但计算精度较低，而且可能存在单元缺秩危险，将来也会直接影响造成单元无法及时进行正确求解。第五步:将一个离散单元的连续总装求解构造为基于离散域的一个集合函数矩阵求解方程(称为联合矩阵方程的数组)，反映了对于每个近似域的求解域中每个离散域的统一要求，即每个离散单元集合函数的各种连续性质都需要同时满足一定的连续求解条件。总装置的工作通常是在两个时间相邻的计算单元的连结点之间直接进行，状态变量和它们的时间导出函数(如果那么有可能)的连续性将会通过某些方法结合起来。第六步:联立方程组求解和结果解释25:通过有限元方法，一般我们都会得出一个联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭加替代变换方法和随机变换方法。其中所计算得到的状态求解变量结论定义为在一个单元件和构件的连结点中心位置上的一个状态变量近似。对于整个计算过程结果的处理精度和计算质量，将来都会直接通过跟工程设计质量准则所要求提供的较高容忍度数据进行定量比较，以便我们确定这些较高容忍度数据是否必须同时进行具有重复性的计算。简而言之，有限元分析主要分成了三个阶段，这三个阶段都有各自存在的意义，它们分别是前置处理、计算求解以及后置处理。前置处理就是本文之前所提到的网格划分，计算求解则顾名思义，通过软件进行计算，再用后置处理进行分析，使使用者得到需要的结果。也可以通过以下流程图反映：图4.1 有限元分析流程图4.2 机器人主要零部件有限元分析机械手主要的工作是实现抓取和递送26，机械手有很多零件会受力，比如轴、圆锥齿轮以及大小臂等等，其它机构相互连接，由于轴是传递的关键，所以对轴的有限元分析就极为重要，并且圆锥齿轮也是机械手的关节部分，所以本文主要选择了对轴和圆锥齿轮的有限元分析。4.2.1 轴的的有限元分析通过ANSYS对摇杆的静力学分析步骤如下：将轴的的几何模型导入ANSYS。首先打开SolidWorks将模型另存为x_t格式后导入ANSYS。定义材料属性。轴的材料为碳素钢，该材料轻，刚度高，具有很高的抗弯强度，并且坚固耐用，弹性模量E=20600MP。划分网格建立有限元模型。本文对摇杆的划分网格方法是自由划分，点击ANSYS中的mesh后，直接进行网格的划分，最终轮子的有限元模型如图4.1所示。定义约束。设置摇杆的一段为固定。施加载荷。在机械手工作的过程中，轴主要受到的力就是两链接部件之间产生的里，所以我们给轴外部加了一个10N的压力，并施加了载荷27。求解并分析结果。设置好上诉所需条件，我们对求解需要的结果中加入了总应变、等效弹性应变以及等效应力，在进行计算，可得到的结果如图4.3，图4.4，图4.4所示。图4.2 划分网格处理图4.3 轴总应变图4.4轴的弹性应变图4.5 轴的应力根据总应变图所示，轴最大应力发生在顶部附近，说明所选材料碳钢的变形能力很适合在此处阿hi应用，能有效地承受力28。根据轴应力图分析，轴最大应力为7.92MPa，远远小于材料的屈服应力7000MPa，轴的强度能满足要求。4.2.2 圆锥齿轮的有限元分析将圆锥齿轮的的几何模型导入ANSYS。首先打开SolidWorks将模型另存为x_t格式后导入ANSYS。定义材料属性。轴的材料为40Cr，该材料加工容易，经过适当的热处理后会得到一定的韧性、塑性和耐磨性29，并且坚固耐用，弹性模量达到200000MP。之后再次划分网格建立有限元模型。本文对摇杆的划分网格方法是自由划分，点击ANSYS中的mesh后，直接进行网格的划分，最终轮子的有限元模型如图4.6所示。然后定义约束。设置摇杆的一段为固定。 图4.6 圆锥齿轮生成网格 在机械手工作的过程中，锥齿轮主要受到的力就是两链接部件之间产生的里，所以我们给轴外部加了一个10N的压力，并施加了载荷。求解并分析结果。设置好上诉所需条件，我们对求解需要的结果中加入了总应变、等效弹性应变以及等效应力，在进行计算，可得到的结果如图4.7，4.8，4.9所示的结果。图4.7 锥齿轮总应变图4.8 锥齿轮的弹性应变图4.9 锥齿轮的应力分析 根据总应变图所示，锥齿轮最大变形量应该发生在顶部附近，最大变形值为0.43068mm，而此最大变形值很低，说明所选4Cr的变形能力很适合在此处经过，能有效地承受力。根据锥齿轮应力图分析，锥齿轮最大应力为7.43MPa，远远小于屈服应力，所以锥齿轮的强度能满足要求。4.3 本章小结本章主要是基于ANSYS，对机械手的轴和锥齿轮进行了静力学分析和模态分析，分析检查摇杆是否存在结构缺陷，以便于做出修改方案，最后通过分析结果，验证了设计的合理性。第5章 总结与展望5.1总结总结本文设计了机械手的机械臂结构系统，并对机械手的性能进行了分析。由于作者的水平有限，而且对有些相关学科，如传感器技术、控制技术等并不是很了解，仍有许多问题需要解决，还有许多问题值得进一步讨论和更加深入的研究与展望：本文设计的机械手结构简单，大量使用标准件进行各零件的连接，可靠性高，维护拆卸方便，成本低；工作时间长，无人体疲劳，重复连续劳动，维持流水线正常工作；本设计采用舵机驱动，节能环保，环境适应性强，可在多尘、易燃、易爆30、强放射性等恶劣环境下工作；工作效率高，提高了劳动生产率，同时也提高了经济效益。因此，本设计在自动化生产线或者物料运输行业具有较大的应用前景。5.2展望 (1)在机械手设计过程中，包括机械手在内，采用模块化设计，分别设计不同的功能结构，优化模块之间的连接。但是，在模块各部分的设计过程中，各种参数的计算和选择主要是根据结构强度和刚度的要求。许多零件比实际要求大得多才能匹配。包括一些非关键部分的设计，都是根据以往的经验设计的，尺寸是选定的。这种设计不仅提高了整个系统的质量，还增加了电机负载31，造成资源浪费。（2）在有限元分析的过程中，值分析了两个零件，这只能反映一部分规律与合理性，而且有限元的分析尚且停留在一个较浅的层面，不能更加深入的分析力学性能和其它的可行性。这是以后要不断学习的东西。 （3）尽量做出实体样机：本文的设计仅仅停留在三维模型的制作以及理论分析工作，若做不出实体样机，可能会有某些因素对轮腿式管道清洁机器人的性能造成影响，有样体机可以更好地对机器人进行改善。机械手将在未来的生活中得到越来越广泛的应用。包括在军事领域的应用将是发展的必然趋势，也是我国国防科技产业支持的方向之一。通过机械臂系统的设计，我们在整个系统的各个方面积累了丰富的设计经验。相信通过不断的发展和完善，机械手会变得成熟和实用。5.3机械手的经济性分析机械手的经济性在实际生产中也是十分重要的一环，决定机械手的经济性一般来说有机械手的材料、零件的选择等方面决定的。这几个因素将会决定机械手的寿命，通过寿命从而影响机械手的经济性。在材料方面，本文所设计的多自由度机械手的材料选择多采用铝合金32，铝合金本身价格不高，该材料不仅能很好地适应机器手的运作要求，还是一种很轻的材料，减小了对动力的需求。在零件方面，本文设计的机械手选择零件大多为标准件，而自己设计的零件也加工方便，减少了经济成本，同时，机携手好多部件可以进行更换，很大程度的延长了机械手的使用寿命。通过以上分析，得出机械手在能够保证正常运作的同时最大限度的降低了成本，延长了寿命，有很强的经济价值。致谢- 51 -参 考 文 献1 宋吉来，俞建成等轮桨腿一体化两栖机器人控制系统设计J北京：微计算机信息2011 ,10(30):25-27.2 张毅刚，赵光权，孙宁等.TMS320LF240X系列DSP原理、开发与应用J .哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2011 ,3(9):36-40.3 Jin Feng Sun,Xiao Yu Li,Wen Jun Li,Yong Zhang Zhu,Jun Wang,Quan Wang.Structure Design of Manipulator for Pot Seedling Transplanter andSimulation AnalysisJ. Applied Mechanics and Materials.J ,2014 ,6(20):35-58.4 Charlat, S. et al. Male-illing bacteria trigger a cycle of increasing male fatigue and female promiscuity. Curr.Biol.J ,2017 ,35(9):273-279.5 Hornett, E. A. et al. Evolution of male-killer supressionin a natural population. PLoS Biol.J , 2016 ,23(3):28-38.6 Jaenike, J Spontaneous emergence of a new Wolbachia phenotype.J ,2017 ,61(12): 2244-2252.7 Hurst, G. D., Johnson, A. P., Schulenburg,J. H. & Fuyama, Y. Malekilling Wolbachia in Drosophila: a temperature-sensitive trait with a threshold bacterial density.J，2015 ,56(1):699-709. 8 Hotopp,J.C.D.et al.Comparative genomics ofemerging human ehrlichiosis agents.PLoS Genet.2016 ,47(8):423-450.9 王建军.搬运机械手仿真设计和制作.J ,2012,9(23):98-102.10 高峰,冯培恩,高宇,周波,张强.挖掘机器人液压传动的伺服控制策略J. 北京：液压与气动.2018,7(3
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