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湖 南 科 技 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）
題目
三自由度搬運機械手之機構(gòu)設(shè)計
作者
學(xué)院
機電工程學(xué)院
專業(yè)
學(xué)號
指導(dǎo)教師
二〇一五年 五 月 二十八 日
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
機電工程學(xué) 院 機械制造 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日
學(xué)生姓名: 學(xué)號: 專業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化
1 設(shè)計（論文）題目及專題： 三自由度搬運機械手之機構(gòu)設(shè)計
2 學(xué)生設(shè)計（論文）時間：自 2015年 3 月 8日開始至 2015 年 5 月 29 日止
3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：
1. 立柱回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角180°，大臂臂長700mm，轉(zhuǎn)角120°，小臂臂長500mm，轉(zhuǎn)角120°，搬運重物5KG。
2.機械設(shè)計手冊及其相關(guān)資料
4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
1.傳動系統(tǒng)簡圖
2.大、小臂步進電機驅(qū)動傳動機構(gòu)的設(shè)計和計算
3.立柱回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計和計算
4.總體裝配圖的設(shè)計
5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：
1．轉(zhuǎn)配圖、控制原理圖、主要零件的零件圖（不少于3張A0圖紙）；2.設(shè)計說明書（不少于40頁）；3.一片不少于1500漢字的外文文獻翻譯；
6 發(fā)題時間： 2015 年 3 月 8 日
指導(dǎo)教師： （簽名）
學(xué) 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻應(yīng)用，創(chuàng)新性，實用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價]
指導(dǎo)人： （簽名）
年 月 日
指導(dǎo)人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進行綜合評價]
評閱人： （簽名）
年 月 日
評閱人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄
日期：
學(xué)生： 學(xué)號： 班級：
題目：
提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料：
1 設(shè)計（論文）說明書 共 頁
2 設(shè)計（論文）圖 紙 共 頁
3 指導(dǎo)人、評閱人評語 共 頁
畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語：
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價]
答辯委員會主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績：
總評成績：
摘 要
隨著工業(yè)自動化的發(fā)展的需要，機械手在工業(yè)應(yīng)用中越來越重要。文章主要敘述了機械手設(shè)計及計算過程。首先，本文介紹機械手的作用，機械手的組成和分類，說明了自由度和機械手整體座標(biāo)的形式。同時，本文給出了這臺機械手的主要性能規(guī)格參量以及介紹了搬運機械手的設(shè)計理論和方法，全面詳盡的討論了搬運機械手的手部、手臂以及機身等主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。最后使用軟件對機械手的手部實現(xiàn)了運動仿真。
關(guān)鍵詞：機械手；運動仿真；機械傳動；
ABSTRACT
With the needs of the development of industrial automation, robots are becoming increasingly important in industrial applications. This paper mainly describes the design and the calculation process of the manipulator. First, the role of the manipulator, the composition and classification of the manipulator are introduced as well as the degree of freedom and ordinates of the manipulator. Meanwhile, in this thesis, the main performance specifications and parameters of the manipulators are mentioned. Besides,this article introduces the design theory and methods of carrying manipulator and also comprehensive and detailed information which discusses the carrying manipulator hand,, arm, and the fuselage structure design of main parts. Finally, it states the using software of manipulator hand movement stimulation.
Key Words: Manipulator; movement stimulation; mechanical transmission
-ii-
湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
目 錄
第一章 緒 論…………………………………………………………………………1
1.1 前言………………………………………………………………………………1
1.2 工業(yè)機械手的簡史………………………………………………………………2
1.3 工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用……………………………………………………3
1.4 機械手的組成……………………………………………………………………4
1.4.1執(zhí)行機構(gòu)……………………………………………………………………4
1.4.2驅(qū)動系統(tǒng)……………………………………………………………………6
1.4.3控制系統(tǒng)……………………………………………………………………6
1.4.4位置檢測裝置………………………………………………………………6
1.5 工業(yè)機械手的分類………………………………………………………………7
1.5.1按用途分……………………………………………………………………7
1.5.2按驅(qū)動方式分………………………………………………………………7
1.5.3按控制方式分………………………………………………………………8
1.6 工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢…………………………………………………………9
1.7 工業(yè)機械手的自由度和座標(biāo)型式………………………………………………10
1.8 本文主要研究內(nèi)容………………………………………………………………12
第二章 方案的確定與比較分析……………………………………………………12
2.1 機械手機械系統(tǒng)的比較與選擇…………………………………………………12
2.2 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的比較與選擇…………………………………………………15
第三章 驅(qū)動源的選擇與設(shè)計計算…………………………………………………17
3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定……………………………………………………………17
3.2 各關(guān)節(jié)電機的選擇計算…………………………………………………………18
3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇……………………………………………………19
3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇……………………………………………………20
第四章 機械手的設(shè)計方案…………………………………………………………21
4.1 機械手基本形式的選擇…………………………………………………………21
4.2 設(shè)計時考慮的幾個問題…………………………………………………………21
4.3 機械手的主要部件及運動………………………………………………………22
4.4 驅(qū)動機構(gòu)的選擇…………………………………………………………………22
4.5 機械手手爪的設(shè)計………………………………………………………………23
4.6 機械手手爪夾持精度的分析……………………………………………………23
第五章 臂部的設(shè)計及有關(guān)計算……………………………………………………24
5.1 臂部設(shè)計的基本要求……………………………………………………………24
5.2 手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇………………………………………………25
5.2.1 手臂的典型運動機構(gòu)………………………………………………………25
5.2.2 手臂運動機構(gòu)的選擇………………………………………………………25
5.3 手臂直線運動的驅(qū)動力計算……………………………………………………25
5.3.1 手臂摩擦力的分析與計算…………………………………………………26
5.3.2 手臂慣性力的計算…………………………………………………………27
5.3.3 連接部分的摩擦阻力………………………………………………………27
第六章 底座的設(shè)計計算……………………………………………………………27
6.1 底座的整體設(shè)計…………………………………………………………………28
6.2 機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作原理………………………………………………………28
第七章 各機械部件的設(shè)計選擇與校核…………………………………………29
7.1 軸的設(shè)計與校核…………………………………………………………………29
7.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計………………………………………………………29
7.1.2 大臂軸的強度校核………………………………………………………29
7.2 鍵的選擇與強度的校核…………………………………………………………33
7.2.1大臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強度校核………………………………………33
7.2.2小臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強度校核………………………………………34
7.3 軸承壽命的校核…………………………………………………………………35
第八章 結(jié)論……………………………………………………………………………37
參考文獻……………………………………………………………………………………38
致 謝………………………………………………………………………………………39
-vi-
第一章 緒 論
1.1前言
用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的機械手被稱為工業(yè)機械手。
工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為了一門新興的學(xué)科——機械手工程。機械手涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。
工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在我國國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。
機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識：首先、它能部分的代替人工操作；其次、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；最后、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。
機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運工件以完成在不同環(huán)境中的工作。
機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性比較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
1.2 工業(yè)機械手的簡史
現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標(biāo)式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。
1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是當(dāng)時國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。
美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準(zhǔn)備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。
德國機器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等等。
日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學(xué)和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已經(jīng)占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到1990年將有55萬機器人在工作。
第二代的機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。
第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應(yīng)用的擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。
1.3工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用
? 機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運機械手為研究對象。
1.4 機械手的組成
機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1.1所示。
圖1.1機械手的組成方框圖
1.4.1執(zhí)行機構(gòu)
包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。
1、手部
手部即與物件接觸的部分。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。
夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適合夾持直徑變化范圍大的工件。
手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較多，常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。
吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。
對于輕小片狀零件和光滑薄板材料這類工件，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。
對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。
此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式.
2、手腕
手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置.
工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。
手臂可能實現(xiàn)的運動如下:
手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝
置，以保證手指可以按正確方向運動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，這樣能使運動部件
受力狀態(tài)簡單。
導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。
4、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
5、行走機構(gòu)
當(dāng)工業(yè)機械手需要完成較遠(yuǎn)的距離操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安
裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾滾輪輪式式布行走機構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機械傳動裝置。
6、機座
機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機
座上，故起支撐和連接的作用。
1.4.2驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。
1.4.3控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。
控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(比如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可以對機械手的動作進行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
1.4.4位置檢測裝置
控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制
系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)
以一定的精度達到設(shè)定位置。
1.5工業(yè)機械手的分類
工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。
1.5.1按用途分
機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:
1、專用機械手
它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械
手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大
批量的自動化生產(chǎn)，如自動機床、自動線的上、下料機械手和“加口工中心”附屬的自動換刀機械手。
2、通用機械手
它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和
控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于
不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。
通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以 “開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制: 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類
型。
1.5.2按驅(qū)動方式分
1、 液壓傳動機械手
是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾
百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油
的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械
手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是
電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。
2、 氣壓傳動機械手
是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。
3、機械傳動機械手
即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準(zhǔn)確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。
4、電力傳動機械手
即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。
1.5.3按控制方式分
1、點位控制
它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。
2、連續(xù)軌跡控制
它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。
1.6工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢
工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。
機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。
工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。
機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在最短的時間內(nèi)立于世界先進行列之中。
1.7工業(yè)機械手的自由度和座標(biāo)型式
1 工業(yè)機械手的自由度
自由度是機械手設(shè)計的主要參數(shù)，每一個構(gòu)件（即運動件）相對固定坐標(biāo)系所
具有的獨立運動稱為自由度。每一個構(gòu)件相對固定坐標(biāo)系最多可有六個自由度即沿X、Y、Z三個方向獨立的往復(fù)運動和繞X、Y、Z軸的三個獨立的回轉(zhuǎn)運動。兩個構(gòu)件組成相對運動的聯(lián)接稱為運動副，對相對運動加以限制的條件即為約束條件。因為，組成運動副的各構(gòu)件的運動是受到約束的，不能任意運動，必須按照人們預(yù)定的規(guī)律而運動。分析機械手的手臂、手腕、手指等部件的本身和它們之間的關(guān)系，不外乎是由一組相互聯(lián)系著的構(gòu)件和運動副所組成，這些運動副又可以分為只有一個自由度的回轉(zhuǎn)副和移動副或有三個自由度的球面副。
所謂工業(yè)機械手的自由度就是整機、手臂和手腕相對于固定坐標(biāo)所具有的獨立運動。有幾個獨立運動就有幾個自由度。手指的抓取動作或吸盤的吸放動作一般不記在自由度數(shù)目內(nèi)。
工業(yè)機械手自由度數(shù)的多少，決定著工業(yè)機械手動作多樣化的程度。一般為了確定被抓取對象在空間的位置和方位（即姿勢）需要有六個自由度。但實際上由于有些工件或工具具有對稱性或放置狀態(tài)一定，往往并不需要工業(yè)機械手都具有六個自由度。
工業(yè)機械手的自由度數(shù)越多。它的動作越靈活，應(yīng)用越廣，但同時也使控制系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，定位精度難以保證，整機的造價高，自重大。所以，在設(shè)計工業(yè)機械手時，應(yīng)按照生產(chǎn)實際需要選用最少的自由度數(shù)。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的工業(yè)機械手的自由度數(shù)目多數(shù)為2—5個。
2 座標(biāo)型式
按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可以分為下列幾種：
（1）直角坐標(biāo)式：其手臂的運動系由三個直線運動所組成，即沿直角座標(biāo)系的X軸的伸縮、沿Z軸的升降、沿Y軸的橫移。這種座標(biāo)型式的機械手稱為直角座標(biāo)式機械手。它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，適用于主機位置成行排列的場合。但是由于占地面積大而工作范圍小以及靈活性差，限制了它的使用范圍。
（2）圓柱座標(biāo)式：其手臂的運動系由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)所組成，即沿直角座標(biāo)系的X軸的伸縮、沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種座標(biāo)型式的機械手稱為圓柱座標(biāo)式機械手。它與直角坐標(biāo)式相比較，占地面積小而活動范圍小，結(jié)構(gòu)簡單，并能達到較高的定位精度，因此應(yīng)用較廣泛，但是由于機械手結(jié)構(gòu)的關(guān)系，沿Z軸方向移動的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。
（3）球座標(biāo)式：其手臂的運動系由一個直線運動和兩個回轉(zhuǎn)所組成，即沿X軸的伸縮、繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種座標(biāo)型式的機械手稱為）球座標(biāo)式機械手。
這種機械手手臂的俯仰運動能抓取地面上的物件，為了使手部能適應(yīng)被抓取物件方位的要求，常常設(shè)有手腕上下擺動，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種型式的機械手手臂具有動作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點，它使用于沿軸伸縮方向外作業(yè)的傳動形式。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此外，手臂擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。
（4）關(guān)節(jié)式：其機械手的運動類似人的手臂可作幾個方向的轉(zhuǎn)動，它由大小兩臂和立柱等組成，大小兩臂之間的聯(lián)動為肘關(guān)節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)均由鉸鏈構(gòu)成以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，手臂的運動系由三個回轉(zhuǎn)運動所組成，即大臂的俯仰、小臂俯仰和大臂的回轉(zhuǎn)。這種座標(biāo)型式的機械手稱為關(guān)節(jié)式機械手。它的特點是工作范圍大，動作靈活，通用性強，能抓取靠近機座的物件，并能繞過機體和工作主機之間的障礙物去抓取物件，此為其它型式的機械手不可比擬的優(yōu)點。但是關(guān)節(jié)式機械手的手指定位是由各個關(guān)節(jié)相互轉(zhuǎn)角來決定的，所以定位精度較差，另外，控制裝置和機械機構(gòu)比其它型式的機械手均復(fù)雜。
機械手座標(biāo)型式的正確選擇，要通過座標(biāo)型式方案的比較來確定。在擬定座標(biāo)型式方案時，又須根據(jù)現(xiàn)場具體生產(chǎn)情況和工藝、精度、安裝空間的要求，結(jié)合各種座標(biāo)型式的特點來分析比較，確定比較合理的座標(biāo)型。
1.8本文主要研究內(nèi)容
本文研究了國內(nèi)外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機械手的工作原理，熟悉了搬運機械手的運動機理。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運機械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運機械手的運動進行了簡單的力學(xué)模型分析，完成了機械手機械方面的設(shè)計工作（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）的設(shè)計工作。
第二章 方案的確定與比較分析
本畢業(yè)設(shè)計的機械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種：
結(jié)構(gòu)形式方案
特點
優(yōu)缺點
結(jié)構(gòu)簡圖
直角坐標(biāo)型
操作機的手臂具有三個移動關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按直角坐標(biāo)配置
結(jié)構(gòu)剛度較好，控制系統(tǒng)的設(shè)計最為簡單，但其占空間較大，且運動軌跡單一，使用過程中效率較低
圓柱坐標(biāo)型
操作機的手臂至少有一個移動關(guān)節(jié)和一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按圓柱坐標(biāo)系配置
結(jié)構(gòu)剛度較好，運動所需功率較小，控制難度較小，但運動軌跡簡單，使用過程中效率不高
球坐標(biāo)型
操作機的手臂具有兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標(biāo)系配置
結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制系統(tǒng)的設(shè)計有一定難度，且機械手臂的剛度不足，機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜
關(guān)節(jié)型
操作機的手臂類似人的上肢關(guān)節(jié)動作，具有三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)
運動軌跡復(fù)雜，結(jié)構(gòu)最為緊湊，但控制系統(tǒng)的設(shè)計難度大，機械手臂的剛度差
表2.1 機械手結(jié)構(gòu)選型表
2.1 機械手機械系統(tǒng)的比較與選擇
1. 直角坐標(biāo)型機械手
直角坐標(biāo)式機械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動，按直角坐標(biāo)形式X、Y、Z三個方向的直線進行運動。結(jié)構(gòu)簡圖見表2.1。
其工作范圍可以使一個直線運動；二個直線運動或三個直線運動。如在X、Y、Z三個直線運動方向上各具有A、B、C三個回轉(zhuǎn)運動，即構(gòu)成六個自由度。但在實際上是很少有的。缺點是這種機械手作業(yè)范圍較小，占空比大，靈活性差。
2. 圓柱坐標(biāo)型機械手
圓柱坐標(biāo)式機械手適用于搬運和測量工作。 具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，而動作范圍較大等優(yōu)點。
圓柱坐標(biāo)式機械手由X、Z、φ三個運動組成。它的工作范圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運動，一個直線運動，加一個不在直線運動所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動；二個直線運動加一個旋轉(zhuǎn)運動。結(jié)構(gòu)簡圖見表2-1.
圓柱坐標(biāo)式機械手有五個基本動作：
(1) 手臂水平回轉(zhuǎn)；
(2) 手臂伸縮；
(3) 手臂上下；
(4) 手臂回轉(zhuǎn)動作；
(5) 手爪夾緊動作。
圓柱坐標(biāo)式機械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒、手臂裝在滑動套筒上，手臂可作上下直線運動（Z）和在水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動（φ）。
圓柱坐標(biāo)式機械手的缺點是結(jié)構(gòu)龐大，兩個移動軸的設(shè)計比較復(fù)雜，難于其他設(shè)備協(xié)調(diào)工作。
3 球坐標(biāo)型機械手
球坐標(biāo)式機械手是一種自由度較多，用途較廣的機械手。它是由X、θ、φ三個方向的運動組成。結(jié)構(gòu)簡圖見表2.1。球坐標(biāo)式機械手的工作范圍包括：一個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動加一個直線運動。
球坐標(biāo)式機械手可實現(xiàn)以下八個動作：
(1) 手臂上下動作，即俯仰動作；
(2) 手臂左右動作，即回轉(zhuǎn)動作；
(3) 手臂前后動作，即伸縮動作；
(4) 手腕上下彎曲；
(5) 手腕左右擺動；
(6) 手腕旋轉(zhuǎn)運動；
(7) 手爪夾緊動作；
(8) 機械手整體移動。
球坐標(biāo)式機械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)做圓弧狀上下俯仰運動，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，工作范圍和人手的動作類似。它的特點是能自動選擇最合理的動作路線。所以工效高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，動作范圍大。其缺點是壁障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長成正比，控制難度大。
4 關(guān)節(jié)型機械手
又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，分為垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面（水平）關(guān)節(jié)坐標(biāo)，機械手由立柱和大小臂組成，立柱與大臂通過肩關(guān)節(jié)相連接，立柱繞z軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，大臂與小臂形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)和俯仰，小臂作俯仰。機械手工作空間范圍大，動作靈活，避障性好，能抓取靠近機座的物體，其缺點是位置精度較低，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來越多。
本次設(shè)計的是實驗用三自由度機械手，要求體積小，重量輕，靈活性強，對精度要求不高，抓取重量較輕，上述4種類型機械手中關(guān)節(jié)式械手結(jié)構(gòu)最為緊湊，占空比最小，適合中小負(fù)載，能夠達到設(shè)計要求且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，所以本次設(shè)計選擇關(guān)節(jié)式機械手。
2.2 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的比較與選擇
工業(yè)機械手的驅(qū)動可分為液壓，氣動和電動三種基本類型。
1 液壓驅(qū)動
液壓傳動機械手有很大的抓取能力，抓取力可高達上百公斤，液壓力可達7Mpa，液壓傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封性要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)場工作，需配備一套液壓系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)龐大。
液壓驅(qū)動有以下特點：
(1) 輸出功率很大，壓力范圍為50-140N/cm2。
(2) 控制性能較強，利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。
(3) 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大。
(4) 液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護方便，使用壽命長。
液壓驅(qū)動需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄漏而影響運動精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因。
(5) 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機械手、點焊機械手和托運機械手。
2 氣壓驅(qū)動
氣壓傳動機械手結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速，價格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩(wěn)定性差，氣壓一般為0.7Mpa，因而抓取力小，只有幾十牛到百牛力。
氣壓驅(qū)動具有以下特點：
(1) 輸出功率不大，壓力范圍為48-60N/cm2，最高可達100N/cm2
(2) 可控性不強，氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制。
(3) 執(zhí)行機構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題比液壓小。
(4) 適用于中小負(fù)載驅(qū)動，精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機械手本體的氣動平衡和及裝配機械手氣動夾具。
3 電力驅(qū)動
這種驅(qū)動是目前在機器手中用的最多的一種。早期多采用步進電動機（SM）驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服電動機（DC），現(xiàn)在交流伺服電動機（AC）驅(qū)動也開始廣泛應(yīng)用。上述驅(qū)動單元有的直接驅(qū)動機構(gòu)運動，有的通過減速器裝置來減速，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。
電動驅(qū)動的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機械手，如AC伺服噴涂機械手、點焊機械手、弧焊機械手、裝配機械手等。
電力驅(qū)動可分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動。
各種電機驅(qū)動的特點：
(1) 普通交、直流電動機驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機械手。
(2) 直流伺服電動機：直流伺服電動機具有良好的啟動、制動和調(diào)速特性，可很方便地在較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，動態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適應(yīng)頻繁啟動、反向、制動等工作狀況。直流伺服電動機按勵磁方式不同，有永磁式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速高低及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量大小，有高速、小慣量（小慣量直流伺服電動機有多種：無槽電樞直流伺服電動機，繞組鐵芯細(xì)長，故轉(zhuǎn)動慣量小，其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動機，轉(zhuǎn)動慣量很小，靈敏度更高，功率較??；印制繞組直流伺服電動機，可承受頻繁的起動、換向，切率中等。這類電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，電感小，故換向性能好，動態(tài)響應(yīng)快，快速性能好，低速無爬行。）和低速、大慣量（大慣量直流伺服電動機有永磁式和電磁式兩種，其中永磁式用得較多，它的低速性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)子慣量大，受負(fù)載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過載、重載能力強。）之分。
(3) 交流伺服電動機：交流伺服電動機幾乎具有直流伺服電動機的所有優(yōu)點，且結(jié)構(gòu)簡單，制造、維護簡單，具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高，動態(tài)響應(yīng)特性更好等技術(shù)特點，可達到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。
(4) 步進電動機：步進電動機是由電脈沖信號控制的，它可將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種。步進電動機結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便、價格較低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無漂移、無積累定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路。步進電動機輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡便。步進電動機系統(tǒng)主要由步進控制器、功率放大器及步進電動機組成。純硬件的步進電動機控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成，它的作用就是把脈沖串分配給步進電動機的各個繞組，使步進電動機按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。若采用微機技術(shù)，用軟件與硬件相結(jié)合，則控制器不僅可在硬件上簡化線路，降低成本，而且又提高可靠性。
綜上所述，由于本次設(shè)計機械手負(fù)載較小，對體積有一定要求，又考慮到機械手的特點和各驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，步進電機體積小，控制精度高，與傳動系統(tǒng)配合結(jié)構(gòu)最為緊湊，故本設(shè)計選擇步進電機驅(qū)動
第三章 驅(qū)動源的選擇與設(shè)計計算
3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定
1. 大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為650mm，質(zhì)量為M1(6kg左右)，重心在距離第一關(guān)節(jié)軸350mm處，L1=350mm。
2. 小臂的第二關(guān)節(jié)軸和手爪前部之間的距離為450mm，質(zhì)量為M2(5kg左右)，重心在距第二關(guān)節(jié)軸250mm處，L2=350+250=700mm。
如圖3.2所示，設(shè)計機械手開口盤質(zhì)量和尺寸如下：
旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)盤中心距離為160mm，轉(zhuǎn)盤質(zhì)量為5Kg。
本次設(shè)計機械手的基本設(shè)計參數(shù)如下：
負(fù)載5kg；大臂回轉(zhuǎn)：0~，；小臂回轉(zhuǎn)：0~，； 腰部旋轉(zhuǎn)：0~，600/s；手爪夾持半徑10mm～300mm。
3.2 各關(guān)節(jié)電機的選擇計算
當(dāng)機械手手臂旋轉(zhuǎn)時，當(dāng)臂伸開呈一條直線時轉(zhuǎn)動慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn)生電機的轉(zhuǎn)矩不足。如圖3-1所示，設(shè)兩臂繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2，根據(jù)平行軸定理可得繞大臂軸的轉(zhuǎn)動慣量為[14]：
J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （3-1）
其中：M1，M2，分別為6Kg，7Kg；L1，L2，分別為220mm，677mm。JG1M1L12、JG2M2L22，故可忽略不計，所以繞大臂軸的轉(zhuǎn)動慣量為：
J1= M1L12+M2L22 (3-2)
=6×0.22+7×0.6772
=3.45kg.m2
同理可得小臂繞小臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量：
M2=7Kg，L4=280mm。
J2=M2L42 (3-3)
=7×0.282
=0.5488kg.m2
腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量加上大臂與小臂繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和。
設(shè)開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為J3，所以同理可得腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量：
M3=15Kg，L5=160mm。
（3-4）
3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇
設(shè)大臂速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下：
（3-5）
式中：T ——旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩，N.m。
J —— 轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2。
——角加速度，rad/s。
設(shè)機械手大臂從到所需的時間為：，由式（3-5）有：
若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：
選擇減速機：
型號：APEX-AE235 （同軸式行星減速機）
額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m
減速比：i1=100
諧波減速器的的傳遞效率為：，步進電機應(yīng)輸出力矩為：
(3-6)
選擇小型直流伺服電機：
型號：MAXON-EC118896
額定轉(zhuǎn)矩：0.7N.m
額定電壓：24V
額定電流：1.5A
額定轉(zhuǎn)速：1000rpm
最高轉(zhuǎn)速：1200rpm
額定功率：40w
電機尺寸：L=93mm D=46mm
3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇
原理同上，設(shè)小臂轉(zhuǎn)速，設(shè)角速度從0加到所需加速時間，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下：
（3-7）
式中：T ——旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩，N.m。
J ——轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2。
——角加速度，rad/s2。
由式（3-7）有：
若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：
（3-8)
選擇減速機：
型號：APEX-AE235 （同軸式行星減速機）
額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m
減速比：i2=100
諧波減速器的的傳遞效率為：，步進電機應(yīng)輸出力矩為：
(3-9)
選擇小型步進電機：
型號：MAXON-EC118896
額定轉(zhuǎn)矩：0.7N.m
額定電壓：24V
額定電流：1.5A
額定轉(zhuǎn)速：1000rpm
最高轉(zhuǎn)速：1200rpm
額定功率：40w
電機尺寸：L=93mm D=46mm
第四章 機械手的設(shè)計方案
對機械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.
本次設(shè)計的機械手是搬運機械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設(shè)備，動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。
4.1 機械手基本形式的選擇
常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機械手;(2)圓柱坐標(biāo)型機械手; ( 3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機械手; (4)多關(guān)節(jié)型機機械手。
4.2 設(shè)計時考慮的幾個問題
1. 具有足夠的握力(即夾緊力)
在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。
2. 手指間應(yīng)具有一定的開閉角
兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。
3. 保證工件準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。
4. 具有足夠的強度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。
5. 考慮被抓取對象的要求
根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點 兩指回轉(zhuǎn)型，故在夾持臂頭上凸起一部分以防工件滑落。
4.3機械手的主要部件及運動
在圓柱坐標(biāo)式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計關(guān)于機械手具有3個自由度既：大臂回轉(zhuǎn)；小臂回轉(zhuǎn)；底座回轉(zhuǎn)3個主要運動。
本設(shè)計機械手主要由4個大部件組成：（1）手部，采用一個步進電機，通過機械運動實現(xiàn)手抓的張合。（2） 大臂，采用一個步進電機，通過機械運動實現(xiàn)大臂的回轉(zhuǎn)（3）小臂，采用一個步進電機，通過機械運動實現(xiàn)小臂的回轉(zhuǎn)（4）底座，采用一個步進電機，通過機械運動實現(xiàn)底座的回轉(zhuǎn)
4.4驅(qū)動機構(gòu)的選擇
驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用步進電機驅(qū)動機械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動力大等優(yōu)點。因此，機械手的驅(qū)動方案選擇步進電機驅(qū)動。
4.5機械手手爪的設(shè)計
本設(shè)計是設(shè)計平動搬運機械手的設(shè)計，考慮到所要達到的原始參數(shù)：手抓張合角=90°，夾取重量為5Kg。常用的工業(yè)機械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設(shè)計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移
型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結(jié)構(gòu)簡單, 適于夾持平板方料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型手指, 驅(qū)動力需加在手指移動方向上,這樣會使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。
通過綜合考慮，本設(shè)計選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用齒輪嚙合這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在電機的作用下機械手手抓閉合和張開。
4.6 機械手手爪夾持精度的分析
機械手的精度設(shè)計要求工件定位準(zhǔn)確,抓取精度高,重復(fù)定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能力。
機械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的
小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進行機械手的夾持誤差。
第五章 臂部的設(shè)計及有關(guān)計算
手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。，手臂運動為回轉(zhuǎn)。
臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點，通過手臂的回轉(zhuǎn)及底座的回轉(zhuǎn)可以達到這目的。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。
5.1 臂部設(shè)計的基本要求
1 、臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕
根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。
提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離。
合理布置作用力的位置和方向。
注意簡化結(jié)構(gòu)。
提高配合精度。
2 、臂部運動速度要高，慣性要小
機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械手,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在內(nèi)，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有2個途徑：
減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料。
減少臂部運動件的輪廓尺寸。
驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。
3、手臂動作應(yīng)該靈活
為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件
總結(jié)：以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計出完美的、性能良好的機械手。
5.2 手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇
5.2.1 手臂的典型運動機構(gòu)
常見的手臂伸縮機構(gòu)有以下幾種：
雙導(dǎo)桿手臂伸縮機構(gòu)：
雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)；
雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)；
活塞桿和齒輪齒條機構(gòu)；
大臂小臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
5.2.2 手臂運動機構(gòu)的選擇
通過以上綜合考慮，本設(shè)計選擇大臂小臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，使用步進電機作為動力驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)。
5.3 手臂直線運動的驅(qū)動力計算
先進行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)的主要尺寸