六自由度簡易機械手臂

1、附件1：序號： 編碼： 第十三屆“挑戰(zhàn)杯”黑龍江省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽作品申報書 作品名稱： 六自由度簡易機械手臂 學(xué)校全稱： 佳木斯大學(xué) 申報者姓名 （集體名稱）： 創(chuàng)新之旅團(tuán)隊 類別： 自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文 哲學(xué)社會科學(xué)類社會調(diào)查報告和學(xué)術(shù)論文 科技發(fā)明制作A類þ 科技發(fā)明制作B類 說 明1申報者應(yīng)在認(rèn)真閱讀此說明各項內(nèi)容后按要求詳細(xì)填寫。2申報者在填寫申報作品情況時只需根據(jù)個人項目或集體項目填寫A1或A2表，根據(jù)作品類別（自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文、哲學(xué)社會科學(xué)類社會調(diào)查報告和學(xué)術(shù)論文、科技發(fā)明制作）分別填寫B(tài)1、B2或B3表。所有申報者可根據(jù)情況填寫C表。3表內(nèi)項目填寫時一律用鋼

2、筆或打印，字跡要端正、清楚，此申報書可復(fù)制。4“學(xué)校學(xué)籍管理部門意見”、序號、編碼由校團(tuán)委填寫。5學(xué)術(shù)論文、社會調(diào)查報告及所附的有關(guān)材料必須是中文（若是外文，請附中文本），請以4號楷體打印在A4紙上，附于申報書后，字?jǐn)?shù)在8000字左右（文章版面尺寸14.5×22cm左右）。A2申報者情況（集體項目）說明：1必須由申報者本人按要求填寫；2. 申報者代表必須是所有作者中學(xué)歷最高者，其余作者填寫按學(xué)歷由高到低排列；3本表中的學(xué)籍管理部門簽章視為對申報者情況的確認(rèn)。申報者代表情況姓名郭帥亮性別男出生年月1992.2學(xué)校佳木斯大學(xué)系別、專業(yè)、年級機械工程系機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)二年級學(xué)歷本

3、科學(xué)制四年入學(xué)時間2011.9作品名稱六自由度純機械手臂畢業(yè)論文題目通訊地址黑龍江省佳木斯市佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院機制四班郵政編碼154007辦公電住地通訊地址黑龍江省佳木斯市佳木斯大學(xué)一區(qū)B院3號樓郵政編碼154007住宅電他作者情況姓 名性別年齡學(xué)歷所在單位王玉爍男22本科佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院周亮男21本科佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院張利民男21本科佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院資格認(rèn)定學(xué)校學(xué)籍管理部門意見以上作者是否為2012年10月1日前正式注冊在校的全日制非成人教育、非在職的高等學(xué)校中國籍高職生、本科生、碩士研究生或博士研究生。R是否（部門簽章

4、）年 月 日院、系負(fù)責(zé)人或?qū)熞庖姳咀髌肥欠駷檎n外學(xué)術(shù)科技或社會實踐活動成果R是否負(fù)責(zé)人簽名：年 月 日B3申報作品情況（科技發(fā)明制作）說明：1.必須由申報者本人填寫;2.本部分中的科研管理部門簽章視為對申報者所填內(nèi)容的確認(rèn);3.本表必須附有研究報告,并提供圖表、曲線、試驗數(shù)據(jù)、原理結(jié)構(gòu)圖、外觀圖（照片），也可附鑒定證書和應(yīng)用證書；4.作品分類請按照作品發(fā)明點或創(chuàng)新點所在類別填報。作品全稱六自由度簡易機械手臂作品分類（A）A機械與控制（包括機械、儀器儀表、自動化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技術(shù)（包括計算機、電信、通訊、電子等） C數(shù)理（包括數(shù)學(xué)、物理、地球與空間科學(xué)等） D生命科學(xué)（包

5、括生物、農(nóng)學(xué)、藥學(xué)、醫(yī)學(xué)、健 康、衛(wèi)生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化學(xué)、化 工、生態(tài)、環(huán)保等）作品設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路，創(chuàng)新點，技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)發(fā)明目的：目前在機械制造業(yè)中機械手臂得到廣泛應(yīng)用，但是在多自由度機械手臂的控制以及手臂各個關(guān)節(jié)的靈活性、機械手的多功能應(yīng)用方面還不是十分成熟，此外一些小型多自由度、功能多樣、可以自由方便操作的示教類機械手臂更是處于接近空白的狀態(tài)。因此，我們的團(tuán)隊決定設(shè)計一款具有多自由度、多功能體驗性操作、靈活小巧、節(jié)能環(huán)保等特點的新一代機械手臂?；舅悸罚航?jīng)過分析，本示教機械手臂采取多關(guān)節(jié)式操作方式，便于分析界定操作與運動方式，采用更多的

6、關(guān)節(jié)則可以做到足夠多的自由度以實現(xiàn)更加細(xì)膩靈活的運動，在機械手臂動力源的選取上，決定放棄使用電動機，因為作為示教類小型機械手臂，如果在關(guān)節(jié)上加入過多的電動機將會因為機械手臂本身的重量而嚴(yán)重影響靈活性，過多的電動機還將會在控制上帶來很多的難題，從而間接影響機械手臂操作的準(zhǔn)確性，同時，基于節(jié)能環(huán)保、減少電能損失的考慮，在不影響機械手臂示教功能的前提下，利用人體天然的雙手作為動力源，這樣不僅可以實現(xiàn)人體本身的體驗性操作，讓操作者本身身臨其境，體會機械手臂的操作，而且控制起來十分方便，便于操作掌控，這樣才能使多自由度所帶來的應(yīng)用自由流暢變得更具實際意義，此外使用人手操作不必浪費過多的資源，節(jié)能環(huán)保。在

7、機械手臂的傳動方式上，主要采用齒輪傳動和柔性鋼線傳動兩種方式，齒輪傳動應(yīng)用于對機械臂的控制，齒輪傳動最主要的特點就是傳動平穩(wěn)、準(zhǔn)確，可以在很大的一段范圍內(nèi)實現(xiàn)傳動比的變化，基于這些優(yōu)點我們選擇齒輪作為控制系統(tǒng)的主要傳動方式，也就是機械臂的抬起、下降、前伸、收起。利用機械手臂主體和底座之間的腰部連接能夠?qū)崿F(xiàn)手臂主體與底座之間相對的自由旋轉(zhuǎn)，這樣更加有利于操作者的靈活操作和準(zhǔn)確定位。對于機械手的控制我們采取柔性鋼線傳動的方式，柔性傳動可以避免許多在裝配設(shè)計方面所產(chǎn)生的零件空間重疊問題，機構(gòu)簡單，直接作用于機械手，中間不需要任何復(fù)雜的零件組成，此外它還不會受機械臂在運動中所產(chǎn)生的影響。機械手方面為了

8、實現(xiàn)多種狀態(tài)多種功能的抓取，放棄了最原始的二指機構(gòu)，在保證機構(gòu)足夠簡潔的基礎(chǔ)上采取三指機構(gòu)，這樣在抓取普通塊狀物體時采取二指抓取的方式，而在抓取一些不易抓取物體，例如，球體時，采取柔性傳動三指并用的方式解決，這樣既實現(xiàn)了功能的最大化，又節(jié)約了材料降低了成本。大化又大大的降低了成本。創(chuàng)新點：（1）在機械手的控制方法上采用最直接也是非常簡單易行的柔性鋼線傳動，充分利用柔性傳動的優(yōu)勢，使得對機械手的控制更加易行、到位。（2）執(zhí)行機構(gòu)采用改進(jìn)的三指機構(gòu)，可以實現(xiàn)二指與三指的靈活切換，在抓取普通比較規(guī)則的塊狀物體時采取二指抓取的方式，而在抓取一些不易抓取的物體，例如，球體時，則采取柔性傳動三指并用的方式

9、進(jìn)行抓取移動。技術(shù)關(guān)鍵：柔性鋼線傳動、三指、二指可切換抓取機構(gòu)。主要技術(shù)指標(biāo)：整體尺寸長約120厘米、高約65厘米、寬40厘米左右。臂長約80厘米。工作半徑約100厘米。最大抓取質(zhì)量約1.5千克圖1簡易機械手臂建模仿真照片 圖2簡易機械手臂工作實物照片圖3簡易機械手臂靜止實物照片作品的科學(xué)性先進(jìn)性（必須說明與現(xiàn)有技術(shù)相比、該作品是否具有突出的實質(zhì)性技術(shù)特點和顯著進(jìn)步。請?zhí)峁┘夹g(shù)性分析說明和參考文獻(xiàn)資料）（2）科學(xué)性與先進(jìn)性：目前現(xiàn)狀：目前，隨著人們的生產(chǎn)需要，機械手臂的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，但是大多數(shù)對于機械臂的研究都是把機構(gòu)學(xué)、控制學(xué)、電腦編程、以及復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算結(jié)合在一起1，這樣就給機械

10、臂披上了一層神秘的外衣，使得很多初學(xué)者，特別是大學(xué)生等知識水平有限的群體望而卻步。（2）現(xiàn)有技術(shù)：現(xiàn)在的機械手臂大多數(shù)都是少自由度而且都是采用電機、液壓等輸出動力機構(gòu)與各手指放在一塊，而且移動角度受限，這樣無形中加重了手臂的負(fù)擔(dān)，限制了自由度的個數(shù)、抓取物品的質(zhì)量和抓取物品的區(qū)域，而且操作起來比較復(fù)雜（3）實質(zhì)性技術(shù)特點和顯著進(jìn)步:1）把操作桿與三個爪通過齒輪傳動2、柔性鋼線連接進(jìn)行肩、肘、腕、爪的復(fù)合運動，簡單手工操作就能夠?qū)ξ锲愤M(jìn)行準(zhǔn)確有力的抓取。利用齒輪的平穩(wěn)傳動和柔性鋼線通過對人們常用的自行車閘線進(jìn)行改造、設(shè)計，運用增大力矩裝置增大閘線的伸縮量，利用雙線單閘控制裝置，簡單、巧妙地實現(xiàn)一

11、手閘兩線兩爪控制，而且整體操作簡單、結(jié)構(gòu)巧妙，便于控制。2）利用柔性鋼線的伸縮傳遞力進(jìn)而把動力輸入部分與執(zhí)行部分進(jìn)行有效地分離3，并且實現(xiàn)360°自由旋轉(zhuǎn)的底盤（腰部）。這樣就大大的減輕了手臂的本身負(fù)載，使得該手臂可以實現(xiàn)多自由度較大圓環(huán)區(qū)域空間內(nèi)精確抓取較重物品的功能。3）兩爪抓取和三抓爪取的互換。針對不同的物品能夠靈活的進(jìn)行兩爪抓取和三抓爪取的互換，擴大了抓取物品的種類和形狀。參考文獻(xiàn)1 蔡自興機器人學(xué)M.北京：清華大學(xué)出版社，2000.2 孫恒,機械原理M 陜西，高等教育出版社，20113 孫恒,機械設(shè)計M 陜西，高等教育出版社，2011作品在何時、何地、何種機構(gòu)舉行的評審、鑒

12、定、評比、展示等活動中獲獎及鑒定結(jié)果無作品所處階 段（A）A實驗室階段 B中試階段 C生產(chǎn)階段D （自填）技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式非專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓作品可展示的形 式 þR實物、產(chǎn)品 模型 R圖紙 R磁盤 R現(xiàn)場演示 R圖片 R錄像 樣品使用說明及該作品的技術(shù)特點和優(yōu)勢，提供該作品的適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說明及市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)測使用說明：六自由度簡易機械手臂使用簡單、易于操作。左手操作左操作桿通過齒輪傳動帶動肘關(guān)節(jié)上下擺動，右手操作右操作桿通過另一齒輪組傳動帶動肩關(guān)節(jié)的上下擺動，另外左操作桿上安裝一個手動控制閘通過控制閘線的伸縮量進(jìn)行腕關(guān)節(jié)擺動實現(xiàn)三爪和兩爪的靈活轉(zhuǎn)換，右操作桿上安裝兩個手動

13、控制閘分別控制兩水平爪和第三個爪的加緊和松開，底部利用徑向軸承和軸向推力軸承配合使用實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實現(xiàn)兩手操控該裝置的腰、肩、肘、腕、爪 協(xié)調(diào)運動。技術(shù)特點和優(yōu)勢：該機械手臂采用人力為直接動力，操作精確到位，簡單易行，在普通的機械臂的基礎(chǔ)上增加一個肘關(guān)節(jié)，使得自由度增多，從而擁有六個自由度，同時各自由度之間相互聯(lián)系且獨立，動作時互不干涉。機身采用大量木制材料，節(jié)能環(huán)保，便于取材，減輕機身重量。整個機械臂安裝在一個回轉(zhuǎn)支座上，回轉(zhuǎn)角度范圍可以達(dá)到360度。該機構(gòu)是一個六自由度的機械手，能完成夾緊、旋轉(zhuǎn)、俯仰、機構(gòu)簡便、效率高，可控范圍大，承重量大，基座運用齒輪傳動，效率高，強度

14、高，大臂可做升降運動，與基座相連的俯仰機構(gòu)可進(jìn)行俯仰動作，可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)運動。在機械臂的控制方面，采取大量齒輪傳動，傳動平穩(wěn)，精確到位。機械手的運動充分利用柔性傳動的優(yōu)勢，避免了遠(yuǎn)距離傳送動力時零件之間發(fā)生的干涉，此外為了能讓機械手在不同狀態(tài)下實現(xiàn)相應(yīng)功能的抓取工作，考慮到普通機械手臂的二指抓取機構(gòu)功能過于單一，而四指抓取機構(gòu)又過于龐雜不易加工、操作，在此基礎(chǔ)上采用了三指抓取機構(gòu)，不同于普通三指機構(gòu)的是，在抓取普通相對規(guī)則的塊狀物體時可以簡單地采取二指抓取的方式，而在抓取一些形狀比較復(fù)雜的物體時，例如，球體，則采取柔性傳動三指并用的方式進(jìn)行抓取，這樣機構(gòu)緊湊，使用合理。適應(yīng)范圍：該作品結(jié)構(gòu)簡

15、單、設(shè)計巧妙、運用基本的原理和方法實現(xiàn)六自由度靈活準(zhǔn)確抓取物品，具有一定的示教意義，而且對于初學(xué)機械臂的人具有很大的啟蒙教育。當(dāng)然還可以作為教具也不失為一種很好的創(chuàng)意性演示平臺。推廣前景： 針對本團(tuán)隊設(shè)計的六自由度簡易機械手臂的自身特點，調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，本作品可以作為機械學(xué)科教學(xué)教具與兒童開發(fā)益智玩具。市場分析：在現(xiàn)今教學(xué)機械類教學(xué)中，灌輸給學(xué)生的多為概念性知識，學(xué)生對于實際機械類原件或標(biāo)準(zhǔn)件的理解甚少，同時由于各高校教學(xué)方式設(shè)置，學(xué)生缺少實踐環(huán)節(jié)，更加加深了對機械實質(zhì)感知力。因此，對于本團(tuán)隊設(shè)計的六自由度簡易機械手臂，可以讓機械類學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)知識時結(jié)合本作品，加深對機械的理解與認(rèn)知。同時

16、本作品中設(shè)計的機械類知識有：齒輪的模數(shù)、齒數(shù)計算與選擇，自由度的計算，軸承的使用，計算機三維建模與仿真，手閘的握力與夾力計算。本作品還可做成兒童益智類組裝玩具，兒童在組裝機械手臂時可以增強兒童的動手能力、開發(fā)兒童的智力與創(chuàng)新力，在童年期間加入兒童對機械知識的認(rèn)知。故本作品可以作為機械類教具與兒童智力開發(fā)組裝玩具。專利申報情況提出專利申報 申報號 申報日期 年 月 日已獲專利權(quán)批準(zhǔn) 批準(zhǔn)號 批準(zhǔn)日期 年 月 日 R未提出專利申請科研管理部門簽 章 年 月 日C.當(dāng)前國內(nèi)外同類課題研究水平概述 說明：1.申報者可根據(jù)作品類別和情況填寫；經(jīng)過人們幾十年來的不斷追求和探索，市場上已經(jīng)出現(xiàn)很多種機械臂，

17、因各自的特點不同而產(chǎn)生了不同的用途，下面分別對國外、國內(nèi)關(guān)于機械手的研究進(jìn)行分析。國外研究現(xiàn)狀：現(xiàn)在國外機械臂技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用，從而也形成了一批在國際上較有影響力的、著名的工業(yè)機械臂公司。主要有：瑞典的ABB Robotics，瑞士Staubli公司，日本的FANUC、Yaskawa，德國的KUKA Roboter，美國的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics，意大利COMAU，英國的AutoTech Robotics，加拿大的Jcd Intern

18、ational Robotics，以色列的Robogroup Tek公司等。以德國的KUKA Roboter和瑞士Staubli公司的產(chǎn)品為例做簡要分析。（1）德國KUKA Roboter的機械臂德國的KUKA Roboter Gmbh公司位于德國奧格斯堡，是世界幾家頂級工業(yè)機器人制造商之一，1973年研制開發(fā)了KUKA的第一臺工業(yè)機器人。該公司工業(yè)機器人年產(chǎn)量接近1萬臺，至今已在全球安裝了6萬臺工業(yè)機器人。這些機器人廣泛應(yīng)用在儀器、汽車、航天、食品、制藥、醫(yī)學(xué)、鑄造、塑料等工業(yè)上。主要應(yīng)用材料處理、機床裝料、裝配、包裝、堆垛、焊接、表面修整等領(lǐng)域。如圖1所示為KUKA Roboter生產(chǎn)的K

19、R 6 R900 sixx機械臂。 2.填寫此欄有助于評審。圖1 德國KUKA Roboter公司-KR 6 R900 sixx機械臂產(chǎn)品參數(shù)：最大負(fù)載能力： 6 kg；作用半徑：約 901 mm；軸數(shù)：6；重復(fù)精確度：<±0.03 mm；重量：52kg；安裝位置：地面；控制系統(tǒng)：KR C4 compact；防護(hù)等級：IP 54。適用領(lǐng)域：搬運與裝卸、包裝及揀選、金屬壓鑄機、鑄造設(shè)備、金屬壓鑄機、鑄造設(shè)備、涂膠水和密封材料、成型加工機床、測量、檢測或檢驗、裝貨盤、金屬切削機床等。（2）瑞士Staubli的機械臂史陶比爾將其在機械運動控制方面的經(jīng)驗和優(yōu)勢應(yīng)用在工業(yè)機器人上。先成功

20、開發(fā)并生產(chǎn)了以堅固、可靠和修正尺寸而著稱的TX、RX系列機器人手臂后，又擁有了高速、精確、安全的新一代SCARARS系列工業(yè)機器人。史陶比爾現(xiàn)在的工業(yè)機器人與過去相比，具有更快的速度，更高的精度，更好的靈活性和更友好的用戶環(huán)境。史陶比爾采用了創(chuàng)造性的專利技術(shù)，集成了無間隙的齒輪減速系統(tǒng)，結(jié)合了高性能的控制器，從而保證了精確的軌跡控制和最佳的過程參數(shù)管理。根據(jù)各行業(yè)的需求而設(shè)計出一系列不同應(yīng)用范圍的專業(yè)機器人，可以直接集成到各個生產(chǎn)設(shè)備中，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：鐳射和水注入切割，拋光打磨，裝配搬運，噴涂，精加工等。圖2為瑞士Staubli公司-RX160六軸工業(yè)機械臂。圖2 瑞士Staubli公司

21、-RX160六軸工業(yè)機械臂產(chǎn)品參數(shù)： 自由度：6； 額定負(fù)載：20kg； 最大負(fù)載：30kg； 工作行程：1710mm； 可重復(fù)精度：±0.05 mm； 保護(hù)等級: IP65 (*IP67)； 安裝方式：置地式或置頂式； 史陶比爾cs8系列控制器：CS8C。產(chǎn)品優(yōu)點與作用:1、封閉式結(jié)構(gòu)，清潔簡單，使用方便，適用于潔凈或嚴(yán)苛的環(huán)境。2、結(jié)構(gòu)堅固，動態(tài)性能更佳。3、多種安裝方式，具備適應(yīng)性和柔性，適用于工作單元。4、史陶比爾專利的減速齒輪系統(tǒng)，無可匹敵的精確度，靈活性和速度，減少了維護(hù)。5、大工作范圍，優(yōu)化工作區(qū)域的利用。由以上資料可知，國外機械臂具有 高速度、高精度、超大工

22、作范圍、高可靠性和靈活性等優(yōu)點。國內(nèi)研究現(xiàn)狀：國內(nèi)機械臂行業(yè)起步晚，但經(jīng)過不斷的努力追趕，也出現(xiàn)了一些小有名氣的機械臂生產(chǎn)公司，如首鋼莫托曼機器人有限公司、中國新松機器自動化股份有限公司等。下面是上述兩個公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。（1）首鋼莫托曼機器人有限公司機械臂首鋼莫托曼機器人有限公司由中國首鋼總公司、日本株式會社安川電機和日本巖谷產(chǎn)業(yè)株式會社共同投資組建，三方出資比例分別為45%、43%和12%，引進(jìn)日本株式會社安川電機最新UP系列機器人生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)“SG-MOTOMAN”機器人，并設(shè)計制造應(yīng)用于汽車、摩托車、工程機械、化工等行業(yè)的焊接、噴漆、裝配、研磨、切割和搬運等領(lǐng)域的機器人、機器人工作站等。

23、是目前國內(nèi)最大、最先進(jìn)的機器人生產(chǎn)基地，年生產(chǎn)能力為800臺。圖3為其生產(chǎn)的MPL碼垛專用機械臂。圖3 MOTOMAN MPL碼垛機械臂產(chǎn)品參數(shù)：負(fù)載：80kg；最大伸長度：2061mm；處理能力：80循環(huán)/小時；最大碼垛高度：1740mm。產(chǎn)品特點：1、借助高速低慣性AC伺服電機及最新控制技術(shù)，實現(xiàn)了最快速，縮短生產(chǎn)節(jié)拍。2、L臂與U臂的結(jié)合，實現(xiàn)了同級別中最大的碼垛范圍。（2）中國新松機器自動化股份有限公司機械臂沈陽新松機器人自動化股份有限公司由中國科學(xué)院沈陽自動化所為主發(fā)起人投資組建的高技術(shù)公司。是“機器人國家工程研究中心”、“國家八六三計劃智能機器人主題產(chǎn)業(yè)化基地”、“國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃成果產(chǎn)業(yè)化基地”、“國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃成果產(chǎn)業(yè)化基地”。該公司在國內(nèi)率先通過ISO9001國際質(zhì)量保證體系認(rèn)證的機器人企業(yè)，并在福布斯2005年最新發(fā)布的"中國潛力100榜"上名列第48位。其產(chǎn)品包括：rh6弧焊機器人、rd120點焊機器人及水切割、激光加工、排險、澆注等特種機器人。圖4是該公司生產(chǎn)的RH6弧焊機械臂。圖4 RH6弧焊機械臂產(chǎn)品參數(shù)：結(jié)構(gòu)形式：垂直多關(guān)節(jié)；負(fù)載能力：6KG