三自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、三自由度機(jī)械手 【中文摘要】在工業(yè)上，自動(dòng)控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化機(jī)床控制，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)械手等。而機(jī)械手是相對(duì)較新的電子設(shè)備，它正開(kāi)始廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)為三自由度直角坐標(biāo)型下棋機(jī)器手，其工作方向?yàn)槿齻€(gè)直線(xiàn)方向。在控制器的作用下，它實(shí)現(xiàn)的是將棋子從棋盤(pán)上A拿棋子到棋盤(pán)B位置這一簡(jiǎn)單的動(dòng)作,本文是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作較全面的介紹和總結(jié)?！娟P(guān)鍵詞】三自由度，直角坐標(biāo)，機(jī)械手，爪部，絲杠，齒條。Robotic manipulator with Three-Degree-of-FreedomAbstract: Industrially, automatic control systems

2、 are found in numerous applications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This scheme introducedacylindricalrobot for three degree of free

3、dom. It is composed of three linear axes current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple tasks. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work.Key words：three degrees of f

4、reedom, cylindrical, mechanical hand.目錄第一章緒論11.1概述11.2特點(diǎn)11.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2第二章總體設(shè)計(jì)42.1 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述42.2機(jī)械手的設(shè)計(jì)分析72.2.1 設(shè)計(jì)要求72.2.2總體方案擬定72.2.3機(jī)械手主要技術(shù)性能參數(shù)8第三章機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)103.1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析103.1.1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)概述103.2機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)113.2.1 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)（爪部）設(shè)計(jì)113.2.2手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)143.2.3 腰部和基底設(shè)計(jì)163.2.4步進(jìn)電機(jī)和軸承的選取19第四章控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述224.1 控制流程224.1.

5、1 運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析如下表4-1224.1.2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和執(zhí)行過(guò)程如圖4-1224.2 控制方式23第五章機(jī)械手運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取的安全措施245.1 操作以及安全要求24第六章整體評(píng)價(jià)以及心得體會(huì)256.1 整體評(píng)價(jià)256.2 心得體會(huì)25參考文獻(xiàn)26第II頁(yè)第一章緒論1.1概述機(jī)械手工程是近二十多年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國(guó)科技界跟蹤國(guó)際高科技發(fā)展的重要方面。機(jī)械手的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個(gè)國(guó)家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國(guó)家的廣泛重視。目前，機(jī)械手的

6、定義，世界各國(guó)尚未統(tǒng)一，分類(lèi)也不盡相同。最近聯(lián)合國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)械手協(xié)會(huì)給機(jī)械手下的定義：機(jī)械手是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過(guò)改變動(dòng)作程序，來(lái)完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞棋子。參考國(guó)外的定義，結(jié)合我國(guó)的習(xí)慣用語(yǔ)，對(duì)機(jī)械手作如下定義：機(jī)械手是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，自動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械。主要用于加工自動(dòng)線(xiàn)和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸棋子。機(jī)械手以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動(dòng)速度，可以搬運(yùn)東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來(lái)的信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作。機(jī)械手的發(fā)展，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由初級(jí)到高級(jí)逐步完善，它的發(fā)展過(guò)程可分為

7、三代：第一代機(jī)械手就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型機(jī)械手，它主要由手部、臂部、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用在線(xiàn)編程，即通過(guò)示教存貯信息，工作時(shí)讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。第二代機(jī)械手是帶感覺(jué)的機(jī)械手。它具有力覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)等進(jìn)行反饋的能力。其控制方式較第一代機(jī)械手要復(fù)雜得多，這種機(jī)械手從1980年開(kāi)始進(jìn)入了實(shí)用階段，不久即將普及應(yīng)用。第三代機(jī)械手即智能機(jī)械手。這種機(jī)械手除了具有觸覺(jué)、視覺(jué)等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識(shí)自身和周?chē)沫h(huán)境，識(shí)別對(duì)象的有無(wú)及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識(shí)別自動(dòng)選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對(duì)象的

8、變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機(jī)械手還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用。1.2特點(diǎn)機(jī)械手廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，主要用來(lái)棋子在不同工位間的移動(dòng)。動(dòng)作主要是抓取、移動(dòng)位置、放置，實(shí)現(xiàn)棋子移位。在工業(yè)上，自動(dòng)控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化機(jī)床控制，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)械手等。而機(jī)械手是相對(duì)較新的電子設(shè)備，它正開(kāi)始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。雖然機(jī)械手的種類(lèi)不盡相同，但其主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)包括以下幾種：自由度，精度，工作范圍，最大工作速度和承載能力。自由度是指機(jī)械手所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，一般不包含末端執(zhí)行器的開(kāi)合自由度。在三維空間中表述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)需要6個(gè)自由度，但是，機(jī)械手可根據(jù)其用途而設(shè)

9、計(jì)自身自由度，并且利用冗余的自由度增加靈活性，躲避障礙物改善動(dòng)力性能。精度是指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度指機(jī)械手手部實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異，重復(fù)定位精度是指機(jī)械手重復(fù)定位手部于同一目標(biāo)位置的能力。工作范圍是指機(jī)械手手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合。承載能力是指機(jī)械手在工作范圍內(nèi)的任何位置上所能承受的最大質(zhì)量。最大工作速度指機(jī)械手自由度上最大的穩(wěn)定速度。機(jī)械手是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械。主要用于加工自動(dòng)線(xiàn)和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸棋子或夾具。機(jī)械手以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動(dòng)速度，可以搬運(yùn)更重

10、的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來(lái)的信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作。其工作方向?yàn)閮蓚€(gè)直線(xiàn)方向和一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。在控制器的作用下，它執(zhí)行將棋子從A位置移動(dòng)到B位置這一簡(jiǎn)單的動(dòng)作。鑒于機(jī)械手在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，也為了加強(qiáng)人機(jī)交互，本課題旨在設(shè)計(jì)一種能夠移動(dòng)象棋棋子的下棋機(jī)械手，從而嘗試著實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在娛樂(lè)行業(yè)中一定程度的推廣，為休閑娛樂(lè)生活帶來(lái)一定的新鮮感與便捷。普遍意義上的六自由度機(jī)械手對(duì)工作環(huán)境要求較高，但本課題是針對(duì)公園，大型娛樂(lè)場(chǎng)所等開(kāi)放性場(chǎng)合，很難達(dá)到其所要求的工作環(huán)境。而且，普遍意義上的機(jī)械手結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，價(jià)格昂貴。所以將本課題定為三自由度機(jī)械手，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作便捷，對(duì)工作環(huán)境要求

11、不高等特點(diǎn)，很符合實(shí)際情況。且機(jī)械手具有良好的空間轉(zhuǎn)移性能和控制性能，該課題的成功研究不僅僅可以應(yīng)用在下棋這一項(xiàng)目上，其可應(yīng)用在許多娛樂(lè)項(xiàng)目上，具有廣闊的發(fā)展前景。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，具有六自由度的并聯(lián)機(jī)械手得到了廣泛的研究，然而許多場(chǎng)合需要期望輸出運(yùn)動(dòng)為常量的少自由度的并聯(lián)機(jī)械手，其中三自由度并聯(lián)機(jī)械手是并聯(lián)機(jī)構(gòu)中一種很有實(shí)用前景的機(jī)械手，它也是隨著機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。Lee和Shah 研究了空間三自由度并聯(lián)機(jī)械手的設(shè)計(jì)；金瓊和楊廷力等分析了一類(lèi)新型三平移解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)；李惠良等基于機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成理論，綜合出了一類(lèi)完全解耦的一平移兩轉(zhuǎn)動(dòng)的3 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；杭魯濱等基于解耦判定準(zhǔn)

12、則，構(gòu)造了一種新型的三平移一轉(zhuǎn)動(dòng)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)既具有拓?fù)浣怦钐匦裕志哂谐叨冉怦钐匦?；WeiminLi提出了一種完全解耦的三自由度移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)解耦的并聯(lián)機(jī)構(gòu)容易控制，而且可以達(dá)到很高的精度。文中對(duì)這種三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了構(gòu)型分析，建立該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)解耦的特性，為該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析、有效控制和推廣應(yīng)用等方面提供了一定的理論基礎(chǔ)。在國(guó)外，機(jī)械手技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的機(jī)械手公司，主要包括：瑞典的ABBRobotics，日本的FANUC、Yaskawa，德國(guó)的KUKARooe，etTcnl

13、gAbtr美國(guó)的Adpehooy，英國(guó)的AuoehRbtc，OMAU，tTcoois加拿大的JcdInternationalRobotics，以色列的RobogroupTek公司，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。在國(guó)內(nèi)，機(jī)械手產(chǎn)業(yè)剛剛起步，但增長(zhǎng)的勢(shì)頭非常強(qiáng)勁，如中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所投資組建的新松機(jī)械手公司，年利潤(rùn)增長(zhǎng)在40左右。最近，全球內(nèi)帶有多指夾子或手的機(jī)械人系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)了，多種方法應(yīng)用其上，有擬人化的和非擬人化的。不僅調(diào)查了這些系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu),而且還包括其必要的控制系統(tǒng)。如同人手一樣，這些機(jī)械人系統(tǒng)可以用它們的手去抓不同的物體，而不用改換夾子。這些機(jī)械手具備特殊的運(yùn)動(dòng)能力

14、（比如小質(zhì)量和小慣性），這使被抓物體在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)做更復(fù)雜、更精確的操作變得可能。這些復(fù)雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉(zhuǎn)。本文概述了這種機(jī)械手的一般設(shè)計(jì)方法，同時(shí)給出了此類(lèi)機(jī)械手的一個(gè)示例，如卡爾斯魯厄靈巧手。2001年6月在德國(guó)卡爾斯魯厄已開(kāi)展的“人形機(jī)械手”特別研究，是為了開(kāi)發(fā)在正常環(huán)境（如廚房或客廳）下能夠和人類(lèi)合作和互動(dòng)的機(jī)械手系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這些機(jī)械手系統(tǒng)是為了能夠在非專(zhuān)業(yè)、非工業(yè)的條件下（如身處多物之中），幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時(shí)，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強(qiáng)的靈活性只能通過(guò)一個(gè)適應(yīng)性極強(qiáng)的機(jī)械人手抓系統(tǒng)來(lái)獲得，即所謂的多指機(jī)械手或機(jī)械手手。機(jī)械手在

15、許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實(shí)踐證明，它在提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動(dòng)條件等方面，有著令世人矚目的作用，引起了世界各國(guó)和社會(huì)各層人士的廣泛關(guān)注。從近幾年世界機(jī)械手推出的產(chǎn)品來(lái)看，機(jī)械手技術(shù)正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開(kāi)放化、Pc化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化；工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。國(guó)外機(jī)械手技術(shù)已非常成熟，已走向產(chǎn)業(yè)化，目前已開(kāi)發(fā)新型機(jī)械手為主，以應(yīng)用于更為廣闊的市場(chǎng)。隨著我國(guó)門(mén)戶(hù)的逐漸開(kāi)放國(guó)內(nèi)的機(jī)械手產(chǎn)業(yè)面臨著越來(lái)越大的

16、競(jìng)爭(zhēng)與沖擊。雖然我國(guó)機(jī)械手的需求量逐年增加。但目前生產(chǎn)的機(jī)械手還很難達(dá)到所要求的質(zhì)量很多機(jī)械手的關(guān)鍵部件還需要進(jìn)口。所以目前來(lái)說(shuō)我國(guó)還處在一個(gè)機(jī)械手消費(fèi)型的國(guó)家我國(guó)現(xiàn)有的機(jī)械手研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的工程單位超過(guò)2000家其中從事機(jī)械手研究和應(yīng)用的超過(guò)80家基本掌握了操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)。目前生產(chǎn)的各類(lèi)機(jī)械手中有90以上用于生產(chǎn)中來(lái)自中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所專(zhuān)家課題組的預(yù)測(cè)表明今年。我國(guó)機(jī)械手市場(chǎng)保有量將增至486000臺(tái)。關(guān)于下棋機(jī)械手這一集合娛樂(lè)與工業(yè)于一體的新興領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外尚處于起步階段。其中經(jīng)查詢(xún)文獻(xiàn)，Autonomous Game Playing

17、Robot16和下棋機(jī)械人操作臂及手爪的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)10的相關(guān)程度較高，尚可以觀察得出，Autonomous Game Playing Robot16是對(duì)娛樂(lè)機(jī)械手進(jìn)行了一個(gè)總體上的描述。而下棋機(jī)械人操作臂及手爪的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)10則重點(diǎn)對(duì)下棋機(jī)械手有了詳盡的描述，該論文側(cè)重于機(jī)械手的手臂和手爪的設(shè)計(jì)與模擬仿真。綜上，下棋機(jī)械手是一個(gè)較為新興的領(lǐng)域，且前景廣闊，非常具有研究?jī)r(jià)值。第二章總體設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述(1) 總體分析首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)行機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)對(duì)其有一個(gè)宏觀的構(gòu)思，然后機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系進(jìn)行概述分析。上述兩部完成后則按照設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)總體方案進(jìn)行機(jī)械手的機(jī)械

18、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的分析以及機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)，在機(jī)械手的諸多功能中，抓取和移動(dòng)是最主要的功能。這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)就是在這一思維下展開(kāi)的。圖2-1 機(jī)械手的組成圖圖2-2 各部分關(guān)系圖它主要由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))、控制檢測(cè)系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。A、 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是機(jī)械手完成抓取棋子，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身等。（1）手部：又稱(chēng)手爪或抓取機(jī)構(gòu)，它直接抓取棋子或夾具。（2）臂部：是支承手部的部件，作用是承受棋子的負(fù)荷，并把它傳遞到預(yù)定的位置。（3）機(jī)身：是支承手臂的部件，其作用是帶動(dòng)臂部運(yùn)動(dòng)。B、 驅(qū)動(dòng)

19、系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的機(jī)械傳動(dòng)和電傳動(dòng)。C、 控制系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。D、 檢測(cè)系統(tǒng)：作用是通過(guò)各種檢測(cè)裝置、傳感裝置檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求。(2) 機(jī)械系統(tǒng)概述首先考慮其工作過(guò)程為：當(dāng)檢測(cè)到棋子時(shí),機(jī)械手系統(tǒng)開(kāi)始移動(dòng)，直流電機(jī)控制開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng),同時(shí)另一路步進(jìn)電機(jī)控制橫軸開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到達(dá)正好抓取棋子的方位處,然后撐開(kāi)爪子,抓取棋子。電機(jī)驅(qū)動(dòng)縱軸上升,另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫軸開(kāi)始向前走，轉(zhuǎn)盤(pán)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)

20、械手整體運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)到棋子接收處，步進(jìn)電機(jī)再次驅(qū)動(dòng)縱軸下降,抵達(dá)被指定的位置，放氣瓣，系統(tǒng)回位準(zhǔn)備下一次動(dòng)作。圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計(jì)所采用方案，這種運(yùn)動(dòng)形式是通過(guò)三個(gè)移動(dòng)三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間圖形為直角坐標(biāo)型，在相同的工作條件下，而運(yùn)動(dòng)范圍大。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定三自由度機(jī)械手，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，利用另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒條，確定出臂長(zhǎng)，手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從而使與絲杠螺母副固連在一起的手臂實(shí)現(xiàn)上下，抓取運(yùn)動(dòng)。最后按照工作要求對(duì)機(jī)械手的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行概述，分析，擬定出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。其中，手臂，手爪部的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)，手臂的設(shè)計(jì)應(yīng)注意：1、手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸

21、應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)械手完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求。2、根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和材料。3、盡量減小手臂重量，以減小驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷；減少運(yùn)動(dòng)的動(dòng)載荷與沖擊，提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度。4、要設(shè)法提高運(yùn)動(dòng)的精確性。本設(shè)計(jì)中手臂由滑動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，還設(shè)計(jì)有根導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滑動(dòng)絲杠上轉(zhuǎn)動(dòng)，確保機(jī)身隨螺母機(jī)構(gòu)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。手爪的設(shè)計(jì)應(yīng)注意：1.末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊棋子。2.末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)有一定的開(kāi)閉范圍。其大小不僅與棋子的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近棋子的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)及其方位的影響。3.結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

22、。夾持棋子的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到機(jī)械手的工作性能。手臂的設(shè)計(jì)，通過(guò)安裝在支座上的步進(jìn)電機(jī)和諧波齒輪直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)安裝在頂部的步進(jìn)電機(jī)和聯(lián)軸器帶動(dòng)滑動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的上下移動(dòng)。支撐梁的選材應(yīng)以減輕重量和節(jié)省材料為原則，該種設(shè)計(jì)由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)減速器，由減速器輸出低速的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂前后運(yùn)動(dòng)。齒輪傳動(dòng)和位置傳感器作為用來(lái)檢測(cè)手臂的位移。(3) 控制系統(tǒng)概述具有多個(gè)自由度，每個(gè)自由度一般包括一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來(lái)，組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，機(jī)械手控制系統(tǒng)也是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)

23、的功能是控制機(jī)械手操運(yùn)動(dòng)和操作以滿(mǎn)足作業(yè)的要求。在作業(yè)中機(jī)械手的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的末端執(zhí)行器按點(diǎn)位或軌跡運(yùn)動(dòng)，并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運(yùn)動(dòng)中或在規(guī)定的某點(diǎn)位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。對(duì)機(jī)械手的控制功能大致有如下的基本要求和特點(diǎn)。A、實(shí)現(xiàn)對(duì)位姿、速度、加速度等的控制功能在機(jī)械手的各類(lèi)作業(yè)中，運(yùn)動(dòng)和控制方式主要有兩種。(1)點(diǎn)位控制方式（PTP控制）這種控制方式考慮到末端執(zhí)行器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只在某些規(guī)定的點(diǎn)上進(jìn)行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標(biāo)點(diǎn)處保證準(zhǔn)確的位姿以滿(mǎn)足作業(yè)質(zhì)量要求。而對(duì)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡（包括移動(dòng)的路徑和運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)）則不作任何規(guī)定，這種控制方式易于實(shí)現(xiàn)，但不易達(dá)到較高的定位精度，適用于上

24、下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊和在電路板上安插元件等只要求在目標(biāo)點(diǎn)保持末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的位姿的作業(yè)中。(2)連續(xù)軌跡控制方式（CP控制）這種控制方式要求末端執(zhí)行器嚴(yán)格按規(guī)定的軌跡和速度在一定精度要求內(nèi)運(yùn)動(dòng)，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機(jī)器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。這種連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)，可看成是若干密集軌跡曲線(xiàn)。若設(shè)定的點(diǎn)足夠密，就能用點(diǎn)位控制的方法實(shí)現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)。B、存儲(chǔ)和示教功能 要使機(jī)器人具有完成預(yù)定作業(yè)的功能，須先將要完成的作業(yè)示教給機(jī)器人，這個(gè)操作過(guò)程稱(chēng)為示教，將示教內(nèi)容記錄下來(lái)，稱(chēng)為存儲(chǔ)。使工業(yè)機(jī)器人按照存儲(chǔ)的示教內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)作，稱(chēng)為再現(xiàn)。所以工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作是通過(guò)示教存儲(chǔ)再現(xiàn)的過(guò)程

25、實(shí)現(xiàn)的。C、對(duì)外部環(huán)境的檢測(cè)和感覺(jué)功能。通過(guò)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手的控制主要包括：機(jī)械手動(dòng)作的順序控制，應(yīng)實(shí)現(xiàn)的路徑與位置控制；動(dòng)作時(shí)間間隔以及作用于對(duì)象物上的作用控制。其作用類(lèi)似于人的大腦，是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照要求工作。如果機(jī)械手不具備信息反饋特征則該控制系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，如果機(jī)械手具備信息反饋特征，則該控制系統(tǒng)稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。機(jī)械手控制系統(tǒng)是以機(jī)械手的單軸或多軸運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)為目的的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)要比一般自動(dòng)機(jī)械復(fù)雜的多。有如下特點(diǎn)：1傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)械是以自身的動(dòng)作為重點(diǎn)，而機(jī)械手的控制系統(tǒng)更著重本體與操作對(duì)象的相互聯(lián)系。無(wú)論多么高的精度控制手臂，機(jī)械手必須能夾持并

26、操作物體到達(dá)目的位置。2機(jī)械手的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。機(jī)械手手足的狀態(tài)可以在各種坐標(biāo)下描述，且能根據(jù)需要選擇不同的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，并做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。3即便一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械手，至少也有3個(gè)自由度。每個(gè)自由度一般包含一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來(lái)，組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。4描述機(jī)械手狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線(xiàn)性模型，隨著狀態(tài)的不同和外力的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在耦合。因此，不僅要利用位置閉環(huán)，還要利用速度甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中經(jīng)常使用重力補(bǔ)償、解耦和基于傳感信息的控制盒最優(yōu)PID控制等方法。另外，機(jī)械手還有一種特有的控制方式示教再現(xiàn)控制方式。即是當(dāng)需要機(jī)械手完成某作業(yè)時(shí)，

27、可預(yù)先移動(dòng)機(jī)械手的手臂，來(lái)示教該作業(yè)順序、位置以及其他信息，在執(zhí)行時(shí)，依靠機(jī)械手的動(dòng)作再現(xiàn)功能，可重復(fù)進(jìn)行該作業(yè)。機(jī)械手技術(shù)常用的控制策略有變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制和魯棒控制，各種控制策略的應(yīng)用范圍不同。2.2機(jī)械手的設(shè)計(jì)分析2.2.1 設(shè)計(jì)要求機(jī)械手廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，主要用來(lái)工件在不同工位間的移動(dòng)。動(dòng)作主要是抓取、移動(dòng)位置、放置，實(shí)現(xiàn)工件移位。本課題旨在設(shè)計(jì)一種能夠移動(dòng)象棋棋子的下棋機(jī)械手。下棋機(jī)械手，要能夠?qū)崿F(xiàn)棋子移動(dòng)，完成對(duì)棋子的識(shí)別、抓取、移動(dòng)、放置、收回到起始位置，三自由度控制。（設(shè)計(jì)任務(wù)需要老師講解）1主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：計(jì)一種能夠移動(dòng)象棋棋子的下棋機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)棋

28、子移動(dòng)，完成對(duì)棋子的識(shí)別、抓取、移動(dòng)、放置、收回到起始位置功能。2具體任務(wù)（機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)）：（1）下棋機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)（以象棋子為對(duì)象）；（2）確定棋子抓取、移動(dòng)、放置機(jī)構(gòu)，棋子識(shí)別、移動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)；（3）三自由度機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制裝配圖、主要的零件圖；2.2.2總體方案擬定在機(jī)械手的功能中，抓取和移動(dòng)是最主要的功能。這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的控制驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)就是在這一思維下展開(kāi)的。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定直角坐標(biāo)型機(jī)械手，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的X軸運(yùn)動(dòng)；利用另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與絲杠螺母副固連在一起的實(shí)現(xiàn)Y軸運(yùn)動(dòng)；末端夾持

29、器則采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)夾緊。棋盤(pán)設(shè)計(jì)成可伸縮式，在箱體上開(kāi)兩條小槽，安裝滾輪在槽內(nèi)，滾輪連接在棋盤(pán)上棋盤(pán)在不使用時(shí)放在箱體內(nèi)，使用時(shí)拉出棋盤(pán)。在棋盤(pán)的頂端設(shè)計(jì)折疊支撐架，用以支撐棋盤(pán)，使棋盤(pán)在下棋過(guò)程中平穩(wěn)。此設(shè)計(jì)理念旨在是整個(gè)結(jié)構(gòu)更加緊湊，方便使用與放置。圖2-3 外形結(jié)構(gòu)示意圖2.2.3機(jī)械手主要技術(shù)性能參數(shù)A、 抓取重量：抓取重量是用來(lái)表明機(jī)械手負(fù)荷能力的技術(shù)參數(shù)，這是一項(xiàng)主要參數(shù)。這項(xiàng)參數(shù)與機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，一般是指在正常速度下所抓取的重量。妻子質(zhì)量為20g。B、 的極限尺寸：抓取棋子的極限尺寸是用來(lái)表明機(jī)械手抓取功能的技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計(jì)手部的基礎(chǔ)。期限尺

30、寸為54.4C、 坐標(biāo)形式和自由度：說(shuō)明機(jī)械手機(jī)身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標(biāo)系特征。設(shè)計(jì)成三自由度直角坐標(biāo)式工業(yè)機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便操作的特點(diǎn)。D、 運(yùn)動(dòng)行程范圍：根據(jù)運(yùn)動(dòng)行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機(jī)械手的工作范圍。工作空間范圍見(jiàn)圖3-2。E、 運(yùn)動(dòng)速度：是反映機(jī)械手性能的重要參數(shù)。通常所指的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的最大運(yùn)動(dòng)速度。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關(guān)，互相影響。速度設(shè)計(jì)：1) Y軸方向移動(dòng)速度最長(zhǎng)距離800mm，2) X軸方向移動(dòng)速度最長(zhǎng)距離686mm，F(xiàn)、 編程方式和存儲(chǔ)容量。本設(shè)計(jì)中的三自由度圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2-1。表2-1機(jī)械手類(lèi)型三自

31、由度直角坐標(biāo)型抓取重量20g自由度3個(gè)底部機(jī)構(gòu)長(zhǎng)800mm，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制腰部機(jī)構(gòu)高72.5mm手臂機(jī)構(gòu)長(zhǎng)704mm，伸縮運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制末端夾持器微型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可夾持54.4的棋子 單片機(jī)控制2.3.3 象棋盤(pán)與棋子參數(shù)象棋盤(pán)的尺寸為：541×495mm象棋的尺寸為：54×15mm第3章機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析3.1.1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)概述機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，可從機(jī)械手的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型等三方面來(lái)討論。如圖3-1所示，為機(jī)械手機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。圖3.1 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖A機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度所謂機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度是指確定

32、一個(gè)機(jī)械手操作位置時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，它是表示機(jī)械手動(dòng)作靈活程度的參數(shù)。本設(shè)計(jì)機(jī)械手具有手爪升降，機(jī)身左右移動(dòng)，手臂前后往復(fù)這三個(gè)自由度。B機(jī)械手的工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型（1）工作空間是指機(jī)械手正常運(yùn)行時(shí)，手部參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)，工作空間圖如圖3-2。圖3-2工作空間圖3.2機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)（爪部）設(shè)計(jì)機(jī)械手的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用來(lái)抓持棋子部件。手部夾持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到機(jī)械手的工作性能，它是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。（1）設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題：A. 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾

33、持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過(guò)程中的動(dòng)載荷。B. 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)有一定的開(kāi)閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)及其方位的影響。C. 應(yīng)能保證工件在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)準(zhǔn)確定位。D. 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E. 根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。（2）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)A.采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型直流電機(jī)夾緊，它的結(jié)構(gòu)形式如圖3-4。內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器采用四連桿機(jī)構(gòu)傳遞撐緊力。該種夾持器亦可用于內(nèi)孔薄壁零件的夾持。機(jī)器人手爪部擬采用連桿杠杠式鉗爪，原理等同于雨傘，上段帶一個(gè)小型電機(jī)，軸的上下移動(dòng)控制爪部張開(kāi)，閉合。為其設(shè)計(jì)四只爪鉗，因?yàn)椋朔N設(shè)計(jì)從任

34、何位置任何角度皆可很好的在不碰觸其他棋子的同時(shí)來(lái)抓取選定棋子。初步選定的本是氣動(dòng)或液壓式爪鉗，由于氣動(dòng)式或液壓式需要?dú)獗煤鸵簤焊?，在公共?chǎng)合應(yīng)用不便，故摒棄。二次確定使用磁吸式，如此對(duì)棋子要求較高，必須使用金屬制棋子，故摒棄。最終確定采用機(jī)械式爪鉗。在初步的設(shè)計(jì)中，本采用內(nèi)撐板式結(jié)構(gòu)，但是手抓中間部位連接件難以實(shí)現(xiàn)四個(gè)鉸鏈在限制轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的情況下同時(shí)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)爪部張開(kāi)與夾緊棋子。否定此方案。最終確定采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型直流電機(jī)夾緊，它的結(jié)構(gòu)形式如圖3-3。內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器采用四連桿機(jī)構(gòu)傳遞撐緊力。該種夾持器亦可用于內(nèi)孔薄壁零件的夾持。圖3-3結(jié)構(gòu)形式圖此機(jī)械手部以結(jié)構(gòu)緊湊，小

35、型作為設(shè)計(jì)要素。由棋子大小來(lái)確定爪子張開(kāi)與閉合的大小，確定為54.4，考慮到棋盤(pán)各個(gè)棋子之間間距。同時(shí)，四只卡爪分布情況如圖3-5所示。爪部的升降本采用鋼絲，滑輪機(jī)構(gòu)，但是此種設(shè)計(jì)方案不能限制爪部的Z軸旋轉(zhuǎn)自由度，功能不能滿(mǎn)足要求。故采用小螺桿來(lái)實(shí)現(xiàn)，螺桿的公稱(chēng)直徑為6，由一部微型直流電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。a) 爪部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：卡爪連桿長(zhǎng)為52mm，撐桿長(zhǎng)26.5mm，爪子長(zhǎng)62mm，其張開(kāi)角度為5°b) 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算如下：1) 手抓的力學(xué)分析由=0 得 =0 得=由 得h= F= （3.1）式中a手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心的距離（mm）.工件被夾緊時(shí)手指的撐桿與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。由分析可知，當(dāng)驅(qū)

36、動(dòng)力一定時(shí)，角增大，則握力也隨之增大，但角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=30°到40°。2) 該爪鉗的當(dāng)量夾緊力為：查工業(yè)機(jī)器人表2-2，3) 最小驅(qū)動(dòng)力計(jì)算：查工業(yè)機(jī)器人式2-10，4) 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力計(jì)算查工業(yè)機(jī)器人式2-12，其中K1為1.5，K2為1.1，取0.95) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 選取爪子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的絲杠的直徑為6mm，導(dǎo)程為2mm長(zhǎng)度為40mm 則傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩為=15Nmm=0.015Nm選用微型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇OT-FK-K10。符合傳動(dòng)要求在絲杠旁設(shè)置一光桿，作為圓柱導(dǎo)軌，限制其轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。頂部有25基座，用M3螺栓與頂部相連接，另一微型直

37、流電機(jī)放置于基座上，利用正反轉(zhuǎn)和內(nèi)螺紋來(lái)控制連接柱上下運(yùn)動(dòng)從而控制爪部開(kāi)閉。為限制撐桿的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，將其設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體。利用鉸鏈桿件來(lái)連接撐桿和爪子。運(yùn)動(dòng)過(guò)程為，A電機(jī)正傳，爪部下降，至指定位置，A電機(jī)停轉(zhuǎn)。B電機(jī)正傳，撐桿下降，爪子張開(kāi)，B點(diǎn)擊反轉(zhuǎn)，撐桿上升，爪子夾緊棋子，A電機(jī)反轉(zhuǎn)，爪部上升。圖3-4卡爪位置分布圖B.棋子為木制，自重為20g，故只需保持卡爪對(duì)棋子的最大靜摩擦力大于等于即可。手爪部夾緊力計(jì)算0.98>0.196符合要求。3.2.2手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（1）手臂的設(shè)計(jì)要求A、手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)械手完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求B、根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂

38、截面形狀和輕質(zhì)材料。C、盡量減小手臂重量以減小驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷；減少運(yùn)動(dòng)的動(dòng)載荷與沖擊，提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度。D、要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度。起初手臂部分項(xiàng)設(shè)計(jì)成桁架結(jié)構(gòu)，目的是為了減輕重量，且美觀。爪部安裝變幅小車(chē)來(lái)實(shí)現(xiàn)其X軸方向水平移動(dòng)，查找資料得出臂部長(zhǎng)寬高均超過(guò)40mm，尺寸結(jié)構(gòu)過(guò)大，與此設(shè)計(jì)理念相悖，故舍棄。本設(shè)計(jì)中手臂由齒輪齒條驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便。它的結(jié)構(gòu)如圖3-5。圖3-5 齒輪齒條機(jī)構(gòu) 末端為支承板，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)（爪部）通過(guò)螺桿和光桿與臂部練接，控制爪部的升降運(yùn)動(dòng)的電機(jī)和光桿與支承板連接。（2）手臂部結(jié)構(gòu)計(jì)算A.齒條以及末端支

39、承版的整體計(jì)算： 齒條長(zhǎng)為L(zhǎng)=704.3mm，寬為B=6mm，高為H=6mm；齒條基座材料為鑄造鋁合金合金牌號(hào)為ZAlCu5MnCdA合金代號(hào)為ZL204A，其密度為=2.69 (20)/(g/cm3)齒條材料為45鋼，鑲嵌在齒條基座上。 故齒條其體積為：V=25354.8mm³=25.35cm³ 質(zhì)量為：M=V×=69.56g 末端為支承板體積為：V=1.26cm³ 質(zhì)量為：M=3.39g爪部整體結(jié)構(gòu)估算總量為150g（爪部主要尺寸零件全部采用鋁合金制造）故齒輪齒條以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整體質(zhì)量為：由于齒條鑲嵌于機(jī)身內(nèi)壁，故其有摩擦力。當(dāng)齒條的驅(qū)動(dòng)力大于最

40、大靜摩擦力時(shí)，齒條方可運(yùn)動(dòng)。B.齒輪齒條的選型與計(jì)算一.齒輪1. 選定齒輪類(lèi)型，精度等級(jí)，材料以及齒數(shù)1) 齒輪材料為45鋼，硬度為240HBS；2) 選齒輪的齒數(shù)為Z11，齒條齒數(shù)為Z=。3) 速度不高，選7級(jí)精度（GB 1009588）4) 選直齒圓柱齒輪 2. 按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算1) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）進(jìn)行試算，即2) 試選載荷系數(shù)3) 計(jì)算小齒輪的傳遞轉(zhuǎn)矩4) 10-7齒寬系數(shù)5) 10-6材料的彈性影響系數(shù)6) 由圖10-21d按齒面硬度查的小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限7) 由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)8) 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1，安全系數(shù)S=1,由式10-12得

41、 3.計(jì)算1) 試選小齒輪分度圓直徑，帶入中較小的值。2) 計(jì)算尺寬3) 計(jì)算齒寬與齒高之比模數(shù)：齒高h(yuǎn)=2.252.2520°二. 齒條1) 齒條模數(shù)選m=12) 壓力角查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表17-1，20°3) 齒頂高查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表17-1，4) 齒根高查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表17-1，5) 有效高度查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表17-1，6) 頂隙查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表17-1，7) 全齒高查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表17-1，8) 齒距查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表17-1，9) 齒厚查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表17-1，10) 齒根圓半徑查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表17-1，3.2.3 腰部和基底設(shè)計(jì)（1） 腰部的設(shè)計(jì)A、腰部

42、的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)械手完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求B、根據(jù)腰部所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，應(yīng)選擇鋼材作為腰部的制造材料。C、要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精確腰部主要用于承載，則設(shè)計(jì)成空心筒狀，壁厚3mm，內(nèi)部鑲嵌有齒條，齒輪位于中部與齒條嚙合。 外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3-6圖3-6 腰部結(jié)構(gòu)圖 腰部高為72.5mm，腰部底座由四個(gè)M3螺紋固定于支承溜板上。腰部最初設(shè)計(jì)為升降臺(tái)式機(jī)構(gòu)，其原理采用旋轉(zhuǎn)螺母起重，即螺旋千斤頂，但是由于底部升降方向難于實(shí)現(xiàn)。用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，且蝸輪結(jié)構(gòu)特殊，必須設(shè)計(jì)成空心，以和腰部桿件配合。鑒于此種機(jī)構(gòu)難于實(shí)現(xiàn)，所以舍棄此種設(shè)計(jì)方案。其頂部用步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)輸

43、入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，軸頂端通過(guò)鍵連接一小齒輪，與齒條嚙合，以實(shí)現(xiàn)齒條的水平移動(dòng)。（2）基底（絲杠圓柱導(dǎo)軌）設(shè)計(jì)與底座連接的溜板為一35×72×3的鋼板，鋼板上部與腰部底部利用螺栓連接，鋼板下部與絲杠螺母以及圓柱導(dǎo)軌滑動(dòng)機(jī)構(gòu)焊接。絲杠是傳動(dòng)件，控制其Y軸水平移動(dòng)，以步進(jìn)電機(jī)控制絲杠轉(zhuǎn)速來(lái)控制其Y軸移動(dòng)速度A.絲杠設(shè)計(jì)由于部件工作載荷較小，且考慮到其便攜性和易于制造性，故絲杠擬采用滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)，螺桿擬采用兩端鉸支的端部結(jié)構(gòu)方式，其長(zhǎng)度系數(shù)1) 螺桿材料45鋼2) 螺桿中徑查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表19-3，設(shè)計(jì)計(jì)算公式得出該螺桿可承受5200（N）的軸向載荷力。3) 螺母高度螺母擬采用整體式螺母

44、，查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表19-3得出4) 螺距查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表19-17，螺距選P=5mm5) 螺紋工作高度查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表19-3，螺紋工作高度h=0.5p=2.5mm6) 螺桿長(zhǎng)度L=820mm7) 余程查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)圖19-2，8) 有效長(zhǎng)度B.圓柱導(dǎo)軌設(shè)計(jì)光桿是主要的承載件，其直徑為15，長(zhǎng)度為820mm，材料選用45鋼。絲杠與光桿都采用角接觸球軸承代號(hào)為7200AC，可承受一定的徑向載荷。絲杠和光桿的設(shè)計(jì)示意圖如圖3-7。（3）支承溜板設(shè)計(jì)該溜板材料選用45鋼，長(zhǎng)為72.7mm，寬為35.25mm，厚為3mm的鋼板，這是整個(gè)機(jī)械手的主要承載件，其固定在光桿上，可在y軸上移動(dòng)，其主要

45、通過(guò)絲杠傳動(dòng)。如圖3-7圖3-7 溜板示意圖圖3-7 絲杠光桿結(jié)構(gòu)示意圖3.2.4步進(jìn)電機(jī)和軸承的選?。?）步進(jìn)電機(jī)的選取機(jī)械手的左右和前后移動(dòng)采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，下面就給出各種驅(qū)動(dòng)方式的比較，以作為選取步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方式的依據(jù)表3-1 各種驅(qū)動(dòng)方式比較比較內(nèi)容驅(qū)動(dòng)方式機(jī)械傳動(dòng)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)氣壓傳動(dòng)液壓傳動(dòng)異步電機(jī)，直流電機(jī)步進(jìn)或伺服電機(jī)輸出力矩輸出力矩較大輸出力可較大輸出力矩較小氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大液體壓力高，可以獲得較大的輸出力控制性能速度可高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步控制性能較差，慣性大，步易精確定位控制性能好，可精確定位，但

46、控制系統(tǒng)復(fù)雜可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速易控制油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制應(yīng)用范圍適用于自由度少的專(zhuān)用機(jī)械手，高速低速均能適用適用于抓取重量大和速度低的專(zhuān)用機(jī)械手可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手中小型專(zhuān)用通用機(jī)械手都有中小型專(zhuān)用通用機(jī)械手都有，特別時(shí)重型機(jī)械手多用由上表可知步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)該機(jī)構(gòu)有著許多無(wú)可替代的優(yōu)點(diǎn)，如控制性能好，可精確定位，體積較小可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手等，下面就對(duì)步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)進(jìn)行選取。A.絲杠部分步進(jìn)電機(jī)選取查機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)式1-211) 計(jì)

47、算最大軸向載荷力=14N2) 絲杠導(dǎo)程=5mm3) 機(jī)械效率=0.94) 螺母附加摩擦轉(zhuǎn)矩5) 軸承摩擦轉(zhuǎn)矩可忽略則可得出=14N.mm扭矩過(guò)小可容易滿(mǎn)足要求，根據(jù)速度要求選擇型號(hào)為42BYG4503步進(jìn)電機(jī)。其最大速度根據(jù)輸入得電脈沖頻率而定。其轉(zhuǎn)速與移動(dòng)速度的關(guān)系為B.齒輪齒條步進(jìn)電機(jī)選取 手臂部以及末端爪鉗的總重量估算為223g，其摩擦力矩可忽略不計(jì)，根據(jù)速度要求選電動(dòng)機(jī)。為39BYG4501步進(jìn)電機(jī)。（2）軸承的選取絲杠與光桿都采用角接觸球軸承，角接觸球軸承具有以徑向載荷為主的徑向軸向聯(lián)合載荷，能在較高的轉(zhuǎn)速下正常工作。一般成對(duì)使用。在此設(shè)計(jì)中正向安裝。表3-2軸承特性軸承代號(hào)基本額定

48、極限轉(zhuǎn)速r/min動(dòng)載荷Ca/KN靜載荷C0a/KN脂潤(rùn)滑油潤(rùn)滑7200AC5.582.821800026000第四章控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述4.1 控制流程其運(yùn)動(dòng)控制方式為：(1)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)閉的機(jī)械手 (2)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠組件使機(jī)械手沿X軸移動(dòng)(有x軸限位開(kāi)關(guān))(3) 由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條組件使機(jī)械手沿Y軸移動(dòng)(有Y軸限位開(kāi)關(guān)) (4)基座主要支撐以上3部分，(5)機(jī)械手的張合由直流電機(jī)控制(正轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)械手抓緊,反轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)械手松開(kāi))。4.1.1 運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析如下表4-1表4-1處于A位工步一Y軸移動(dòng)至工作位置B工步二X軸手臂伸出至工作位置C工步三爪部下降工步四，工步十夾緊棋子工步五爪部上升工步六

49、，工步十二X軸手臂收縮工步七，工步十三Y軸移動(dòng)至放置位置工步八X軸手臂伸出至放置位置工步九爪部放松工步十一4.1.2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和執(zhí)行過(guò)程如圖4-1圖4-1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和執(zhí)行過(guò)程圖實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行過(guò)程中的各工步是由機(jī)械手的控制系統(tǒng)和各種檢測(cè)原件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這里尤其要強(qiáng)調(diào)的是機(jī)械手對(duì)工件的定位夾緊的準(zhǔn)確性，這是本次設(shè)計(jì)關(guān)鍵所在。4.2 控制方式擬采用通用微機(jī)控制系統(tǒng)，編寫(xiě)控制程序，并于智能下棋程序相連，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手在智能下棋程序的引導(dǎo)下來(lái)對(duì)運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行控制。其基本控制過(guò)程是通過(guò)凹槽式棋盤(pán)的凹槽內(nèi)安裝的傳感器來(lái)識(shí)別棋子，并將棋子的總體布局情況傳遞給智能識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)程序的運(yùn)算，來(lái)確定下一步

50、棋子的走法。再將命令傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)棋子的運(yùn)動(dòng)。棋盤(pán)旁設(shè)有凹槽，以放置被吃掉的棋子，凹槽內(nèi)安裝有傳感器，來(lái)識(shí)別被吃掉的棋子。棋子上設(shè)置磁性編碼，按116編碼，以識(shí)別棋子的名稱(chēng)，和陣營(yíng)，以確定棋子的擺放位置，移動(dòng)規(guī)則和敵我陣營(yíng)。在棋盤(pán)上設(shè)置9×10點(diǎn)陣，采用凹槽內(nèi)傳感器來(lái)識(shí)別棋子名稱(chēng)和位置，并傳遞至智能下棋系統(tǒng)來(lái)判斷下棋方略。同時(shí)手部應(yīng)設(shè)置識(shí)別器，用以識(shí)別棋子的位置?；蛘呤褂脝纹瑱C(jī)程序獨(dú)立控制。第五章機(jī)械手運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取的安全措施在下棋機(jī)械手應(yīng)用中，保證娛樂(lè)性的同時(shí)也要參照有關(guān)規(guī)程、規(guī)范機(jī)械手的說(shuō)明資料，落實(shí)安全措施，杜絕發(fā)生機(jī)器人傷人或其它事故。

51、5.1操作以及安全要求下棋機(jī)械手帶給人娛樂(lè)的同時(shí)又給人另一種危險(xiǎn)，即機(jī)械手傷人事故。這是機(jī)械手安全管理的最為重要的一條原則。此外，除了通用的工業(yè)安全規(guī)程外，還要注意機(jī)械手的特殊性，采取相應(yīng)可靠的對(duì)策。1) 對(duì)機(jī)械手應(yīng)用工程的安全要求有如下幾條：A.必須為機(jī)械手和周邊設(shè)備安裝護(hù)罩，以防止人碰觸造成傷害。機(jī)械手的動(dòng)作范圍不能超越規(guī)定范圍。B.在機(jī)蓋上上必須設(shè)置機(jī)械開(kāi)關(guān)，以及電開(kāi)關(guān)，其插座有導(dǎo)線(xiàn)與控制系統(tǒng)的電路連接。C.只有拔下開(kāi)關(guān)的插頭，才能打開(kāi)對(duì)應(yīng)的機(jī)蓋。這時(shí)，機(jī)械手及周邊設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)并且將機(jī)械手固定在某一位置。D.在操作者的位置設(shè)置緊急停止開(kāi)關(guān)。按下此開(kāi)關(guān)，機(jī)械手和有關(guān)的設(shè)備立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。在人機(jī)結(jié)合部設(shè)置傳感器。當(dāng)操作者在此處下棋，取棋子時(shí)，控制系統(tǒng)要有相應(yīng)的安全對(duì)策。E.在生產(chǎn)設(shè)備旁邊的顯著位置用指示燈表示生產(chǎn)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。如運(yùn)轉(zhuǎn)、停止等。F.設(shè)置機(jī)械手的作業(yè)原點(diǎn)，并在生產(chǎn)系統(tǒng)的操作盤(pán)上設(shè)置相應(yīng)的指示燈，使操作者容易判斷機(jī)械手本體的位置狀態(tài)。G.當(dāng)機(jī)械臂伸出時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度要相對(duì)較慢，一旦發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即停機(jī)。H.機(jī)械