20六自由度機(jī)械手畢業(yè)論文

.PAGE.六自由度機(jī)械手畢業(yè)論文專(zhuān)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化課題六自由度機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)摘要文中設(shè)計(jì)了一種六自由度機(jī)械手。該機(jī)械手主要由底座,腰部,主板,大手臂,小手臂,手腕,夾爪組成,采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),單片機(jī)控制。手臂的尺寸與人手臂的大小相當(dāng)。手臂的運(yùn)動(dòng)主要包括：腰部轉(zhuǎn)動(dòng),大手臂擺動(dòng),小手臂擺動(dòng),手腕擺動(dòng),手腕轉(zhuǎn)動(dòng),夾爪夾取。此手臂的空間活動(dòng)半徑0.5m,定位精度為5mm.它能夠抓取重量較輕的物體,并放到預(yù)定位置。該機(jī)械手有過(guò)載保護(hù)以及斷電空間位置的自鎖功能.可以用于教學(xué)演示,或者在有放射性的環(huán)境中完成特定工作。文中對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,采用齊次坐標(biāo)變換法得到了機(jī)械手末端位置和姿態(tài)隨關(guān)節(jié)夾角之間的變換關(guān)系,并完成了總體機(jī)械結(jié)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)選型、蝸輪蝸桿及帶傳動(dòng)比的確定以及部分重要零件的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：機(jī)械手六自由度步進(jìn)電機(jī)同步帶。AbstractAkindofmanipulatorofsixdegreesoffreedomhasbeendesignedinthispaper.Thismanipulatorismadeupofthefoundation,thewaist,thebigarm,thesmallarm,thewrist,andtheclaw;themanipulatorisdrivenbysteppermotor,andcontrolledbysinglechip.Thesizeofthemanipulatorisequalinthesizetothearmsofpeople.Locomotionofthemanipulatorincludes:waistturning,bigarmswung,smallarmswung,wristswung,wristrotating,clawfetching.Theradiusofactionis0.5m,andtheaccuracyis5mm.Itcanpickthelight-weightobject,andputittotherecalculatedposition.Themanipulatorhasoverloadprotectionfunction,andspacepositionself-lockfunction.Thisarmcanbeusedinteaching,orinradioactiveenvironments.Inthispaper,robotkinematicanalysisiscarriedoutusinghomogeneouscoordinatetransformationmethodwastheendmanipulatorjointpositionandattitudewiththechangingrelationshipbetweentheangleandsteppermotordesigning,physicalconstructiondesigninghadbeencompleted.Keywords:manipulator,sixdegreesoffreedom,steppermotor,lockingband.目錄目錄……………………41緒論…………………61.1國(guó)內(nèi)機(jī)械手研狀………………61.2機(jī)械手的構(gòu)成…………………71.3機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)…………91.4本設(shè)計(jì)課題的背景和意義…………………92機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)…………102.1機(jī)械手基本形式的選擇……………………102.2機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng)…………………112.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇……………122.4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇……………123機(jī)械手的數(shù)學(xué)建模………………123.1機(jī)器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ)……………123.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程………134機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)計(jì)算…………154.1手部設(shè)計(jì)基本要求…………154.2典型的手部結(jié)構(gòu)……………164.3機(jī)械手手指的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………164.3.1選擇手抓的類(lèi)型和加緊機(jī)構(gòu)…………164.3.2手抓加緊力與驅(qū)動(dòng)力的力學(xué)分析……164.4驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇……………174.4.1手指張合電機(jī)的選擇…………………174.4.2手腕電機(jī)的選擇………194.4.3大手臂擺動(dòng)電機(jī)的選擇………………194.4.4小手臂擺動(dòng)電機(jī)的選擇………………204.4.5手腕擺動(dòng)電機(jī)的選擇…………………204.4.6底座轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的選擇…………………214.5渦輪蝸桿、帶輪的選擇及傳動(dòng)比的確定…………………214.5.1底座電機(jī)處渦輪蝸桿的傳動(dòng)的確定…………………214.5.2大手臂電機(jī)處渦輪蝸桿及帶傳動(dòng)的確定……………224.5.3小手臂電機(jī)處渦輪蝸桿及帶傳動(dòng)的確定……………234.5.4手腕擺動(dòng)電機(jī)處渦輪蝸桿及帶傳動(dòng)的確定…………244.6小手臂擺動(dòng)處軸的校核……………………255總結(jié)與展望………………………29謝辭…………………30[參考文獻(xiàn)]…………31附錄一科技文獻(xiàn)翻譯………………32附錄二畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)與開(kāi)題報(bào)告………………46多自由度機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)1緒論機(jī)械手<manipulator>是一種能按給定的程序或要求,自動(dòng)地完成物體<材料、工件、零件或工具等>傳送或操作作業(yè)的機(jī)械裝置,它能部分地代替人來(lái)進(jìn)行繁重、危險(xiǎn)、重復(fù)等手工作業(yè)。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱(chēng)為工業(yè)機(jī)械手。工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù),并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分,這種新技術(shù)發(fā)展很快,逐漸成為一門(mén)新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域,是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè),在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn),尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間[3]。1.1國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究現(xiàn)狀現(xiàn)代機(jī)械手的研究開(kāi)始于二十世紀(jì)中期,其技術(shù)背景是計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化的發(fā)展。80年代,工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)業(yè)得到了巨大的發(fā)展,應(yīng)用范圍遍及工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。80年代末期,各國(guó)把發(fā)展的目標(biāo)調(diào)整到更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上來(lái)。90年代,機(jī)械手的發(fā)展已經(jīng)不再局限于機(jī)械手本身,而成為了新一代整個(gè)機(jī)器的發(fā)展方向?，F(xiàn)在的絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人是可編程控的機(jī)器人。這種系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于它的通用性和靈活性。目前,機(jī)器人的種類(lèi)也越來(lái)越多,呈現(xiàn)了多元化的趨勢(shì),相繼出現(xiàn)了水下機(jī)器人,爬臂機(jī)器人,爬管機(jī)器人,二足,四足和六足機(jī)器人,空間機(jī)器人以及各種人工假肢等,機(jī)器人技術(shù)也已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事醫(yī)學(xué)及公共服務(wù)各項(xiàng)事業(yè)中,其本身己成為一個(gè)非常廣闊的研究領(lǐng)域,涉及力學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、控制論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能和系統(tǒng)工程等,成為一門(mén)綜合了多學(xué)科的高技術(shù),并逐漸形成了一個(gè)完整的體系—機(jī)器人學(xué)121。近年來(lái),機(jī)器人技術(shù)作為機(jī)電一體化的最高成就已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最活躍的領(lǐng)域之一,機(jī)器人的研究,創(chuàng)造和應(yīng)用水平也已成為一個(gè)國(guó)家的科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征,正受到越來(lái)越多國(guó)家的廣泛重視。機(jī)械手的控制問(wèn)題是與其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題密切相關(guān)的。從控制觀點(diǎn)上看,機(jī)器人系統(tǒng)代表冗余的,多變量和本質(zhì)上非線性的控制系統(tǒng),同時(shí)又是復(fù)雜的耦合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。每個(gè)控制任務(wù)本身就是一個(gè)動(dòng)力學(xué)任務(wù)。在實(shí)際研究中,往往把機(jī)器人控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化為若干個(gè)低階子系統(tǒng)來(lái)描述。機(jī)械手的控制器具有多種結(jié)構(gòu)形式,包括非伺服控制,伺服控制,位置和速度控制,力<力矩>控制,基于傳感器的控制,非線性的控制,分解加速度控制等等。機(jī)器人控制器的選擇,是由機(jī)器人所執(zhí)行的任務(wù)決定的。中級(jí)技術(shù)水平以上的機(jī)器人,絕大多數(shù)采用計(jì)算機(jī)控制,要求控制器有效而且靈活,能夠處理工作任務(wù)指令和傳感信息這兩種輸入。用戶(hù)與系統(tǒng)間的接口,要求能夠迅速地指明工作任務(wù)。技術(shù)水平更高的機(jī)器人,具有不同程度的"智能",其控制系統(tǒng)能夠借助于傳感信息與周?chē)h(huán)境交互作用,并根據(jù)獲取的信息,修正系統(tǒng)的狀態(tài),甚至能夠自主地控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。從關(guān)節(jié)<或連桿>角度看,可把工業(yè)機(jī)械手的控制器分為單關(guān)節(jié)<連桿>控制器和多關(guān)節(jié)<連桿>控制器兩種。對(duì)于前者,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮穩(wěn)態(tài)誤差的補(bǔ)償問(wèn)題:對(duì)于后者,則應(yīng)該考慮耦合慣量的補(bǔ)償問(wèn)題。變結(jié)構(gòu)控制是在20世紀(jì)50年代被提出來(lái)的限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件和控制手段,這種理論沒(méi)有得到迅速發(fā)展。近年來(lái),計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,使得變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)能很方便的實(shí)現(xiàn),并不斷充實(shí)和發(fā)展,成為非線性控制的一種簡(jiǎn)單而又有效的方法。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是,在動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)偏差及其各階導(dǎo)數(shù)的變化,以躍變的方式按設(shè)定的規(guī)律作相應(yīng)的改變,它是一類(lèi)特殊的非線性控制系統(tǒng)[3]。1.2機(jī)械手的構(gòu)成現(xiàn)代機(jī)械手主要由手抓、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力部分、控制系統(tǒng)與其它部分構(gòu)成。<1>手爪手爪又稱(chēng)抓取機(jī)構(gòu),包括手指、傳力機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置等,作用是直接抓取和放置工件<或工具>。<2>傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是起改變物件方位和位置的作用。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的不同,有機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu),包括:齒輪傳動(dòng)、絲杠傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、連桿傳動(dòng)和凸輪傳動(dòng)等多種類(lèi)型,以及液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。近年來(lái),隨著各類(lèi)伺服系統(tǒng),尤其是電氣伺服系統(tǒng)的性能完善和成本降低,使運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有較大的簡(jiǎn)化。<3>動(dòng)力部分動(dòng)力部分是驅(qū)動(dòng)前兩部分的動(dòng)力,因此也稱(chēng)動(dòng)力源。常用的有:電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)三種基本類(lèi)型。在電動(dòng)執(zhí)行裝置中,有直流<DC>電機(jī)、交流<AC>電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)<DD>電機(jī)等實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī),以及實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置由于其能源容易獲得,使用方便,所以得到了廣泛的應(yīng)用;氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置有氣缸、氣動(dòng)馬達(dá)等,這些裝置具有重量輕、價(jià)格便宜等特點(diǎn);液壓驅(qū)動(dòng)裝置有液壓油缸、液壓馬達(dá)等,這些裝置具有體積小、輸出功率大等特點(diǎn)。<4>控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng),由它來(lái)控制動(dòng)作的順序<程序>、位置和時(shí)間<甚至速度和加速度>等;通過(guò)對(duì)動(dòng)力部分的控制,使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作。<5>其它部分其它部分包括機(jī)體、行走機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置和傳感裝置等:①機(jī)體<也稱(chēng)機(jī)身>是用于支承和連接其他零件、部件的基礎(chǔ)件。②行走機(jī)構(gòu)是為了擴(kuò)大機(jī)械手的使用空間而設(shè)置的。它本身又包括動(dòng)力源、傳動(dòng)<減速>機(jī)構(gòu)、滾輪或連桿機(jī)構(gòu)。目前大多數(shù)機(jī)械手還缺乏行走機(jī)構(gòu);③檢測(cè)裝置是檢測(cè)和控制機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)行程<位置>的裝置,主要是對(duì)位置、速度和力等各種外部和內(nèi)部信息進(jìn)行檢測(cè);④傳感裝置其中裝有某種傳感器,使手指具有敏感性和自控性,用以反應(yīng)手指與物件是否接觸、物體有無(wú)滑下或脫落、物件的方位是否正確、手指對(duì)物件的握緊力是否與物件的重量相適應(yīng)等[11]。1.3機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)<1>工業(yè)機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降。<2>機(jī)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(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)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(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。<3>工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)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(jiàn)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(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器,而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)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。<5>虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。<6>當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng),而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)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(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的"索杰納"機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。<7>機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶(hù)的要求,"一客戶(hù),一次重新設(shè)計(jì)",品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃,搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì),積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。1.4設(shè)計(jì)課題的背景和意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械手在我們生活中也扮演著越來(lái)越重要的角色。特別是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中,越來(lái)越多的機(jī)械手被用來(lái)代替人的實(shí)際勞動(dòng),更激發(fā)了我對(duì)機(jī)器人技術(shù)濃厚的興趣,所以在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中,我選擇了六自由度機(jī)機(jī)械手設(shè)計(jì)與制作這個(gè)題目。六自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)分為機(jī)械部分與控制部分兩大模塊。機(jī)械部分主要是完成機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與零件的加工,而控制部分主要完成的工作的是對(duì)六自由度機(jī)械手整個(gè)的動(dòng)作流程進(jìn)行設(shè)計(jì),并通過(guò)硬件的連接和對(duì)61板編寫(xiě)合適的程序,以實(shí)現(xiàn)紅外檢測(cè),電機(jī)驅(qū)動(dòng)等功能。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與制作。它應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)的功能是：大面積快速搜索和定位功能滿(mǎn)足空間定位精度5mm自動(dòng)抓取功能過(guò)載保護(hù)功能掉電保護(hù)功能從結(jié)構(gòu)和功能上來(lái)看,這個(gè)六自由度機(jī)械手確實(shí)稱(chēng)不上復(fù)雜,但它卻具有很重要的意義。首先它是我第一次將四年所學(xué)知識(shí)的第一次綜合運(yùn)用,無(wú)論最初的設(shè)計(jì),還是最終的全文完成,對(duì)我們來(lái)說(shuō)都是極大的挑戰(zhàn),開(kāi)闊了我的視野,豐富了我的經(jīng)驗(yàn),提高了我的實(shí)際動(dòng)手的能力。其次,它的制作完成一定可以極大的激發(fā)同學(xué)們對(duì)機(jī)器人技術(shù)的熱愛(ài),提高對(duì)機(jī)器人技術(shù)的濃厚興趣,并吸引更多的同學(xué)投入到機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作行列中來(lái)。再次,它主要是用來(lái)當(dāng)作學(xué)校的示教工具,其充分運(yùn)用和綜合了我在大學(xué)四年中所學(xué)的機(jī)械內(nèi)容,能夠讓更多的同學(xué)在今后的學(xué)習(xí)中對(duì)機(jī)械方面有更加深刻的理解。2機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)本課題是型回轉(zhuǎn)型機(jī)械手的設(shè)計(jì).本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)。在本章中對(duì)機(jī)械手的坐標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。因此,機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。2.1機(jī)械手基本形式的選擇常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)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(jī)械手;<2>圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手;<3>球坐標(biāo)<極坐標(biāo)>型機(jī)械手;<4>多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手[1]。其中多關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,定位精度較高,占地面積小,因此本設(shè)計(jì)采用多關(guān)節(jié)型。由于本次是畢業(yè)設(shè)計(jì)考慮到綜合運(yùn)用本科階段所學(xué)知識(shí)固設(shè)計(jì)如圖1.1。這是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題六自由度機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)示意圖。圖2.1機(jī)械手整體示意圖2.2機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng)在多關(guān)節(jié)式機(jī)械手的基本方案選定后,根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù),為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,本設(shè)計(jì)關(guān)于機(jī)械手具有6個(gè)自由度既：手抓張合；手腕回轉(zhuǎn)；手動(dòng)腕擺；小手臂擺動(dòng)；大手臂擺動(dòng)；底座回轉(zhuǎn)6個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)機(jī)械手主要由4個(gè)大部件和6個(gè)電機(jī)組成：手部,采用一個(gè)小型步進(jìn)電機(jī),通過(guò)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手抓的張合。腕部,采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)180°。臂部,采用步進(jìn)電機(jī),通過(guò)同步帶來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的上下擺動(dòng)。機(jī)身,采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一對(duì)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)底座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分,工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同,工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類(lèi)。采用電動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、設(shè)計(jì)方便、控制簡(jiǎn)單與能綜合運(yùn)用本科階段所學(xué)知識(shí)等優(yōu)點(diǎn)。因此,機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案選擇電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。2.4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇在現(xiàn)有的機(jī)械手系統(tǒng)中,所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有蝸輪蝸桿傳動(dòng)、行星輪系傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)等。帶傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：1適用于中心距較大的傳動(dòng)；2帶具有良好的饒性,可緩和沖擊、吸收振動(dòng)；3過(guò)載時(shí)帶與帶輪間出現(xiàn)打滑,打滑雖使傳動(dòng)失效,但可防止損壞其他零件；4結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉。在本次設(shè)計(jì)中,鑒于手臂傳動(dòng)中心距較大,傳動(dòng)要求相對(duì)高的精度,故相比較后選擇同步帶進(jìn)行傳動(dòng)[1]。3機(jī)械手的數(shù)學(xué)模型3.1機(jī)器人的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)為了描述機(jī)器人本身各連桿之間、機(jī)器人和環(huán)境之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,通常將它們當(dāng)成剛體,進(jìn)而研究各剛體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。而通過(guò)在剛體上面固連一個(gè)坐標(biāo)系,再將該固連的坐標(biāo)系在空間表示出來(lái)。由于這個(gè)坐標(biāo)系一直固連在剛體上,所以這個(gè)坐標(biāo)系如果可以在空間表示出來(lái),那么這個(gè)剛體相對(duì)于固定坐標(biāo)系的位姿也就已知了。空間任意一點(diǎn)P在不同的坐標(biāo)系中的描述是不同的,因此經(jīng)過(guò)不同的坐標(biāo)變換P點(diǎn)的坐標(biāo)是不同的。坐標(biāo)變換包括平移變換、旋轉(zhuǎn)變換與復(fù)合變換。用四維向量表示三維空間一點(diǎn)的位置P,即：上式稱(chēng)為點(diǎn)的齊次坐標(biāo),式中為非零常數(shù)。當(dāng)n維位置向量用n+l維位置向量表示時(shí),稱(chēng)為齊次坐標(biāo)表示式。齊次變換矩陣可分解為平移變換和旋轉(zhuǎn)變換,即：式中.為平移變換矩陣,為繞過(guò)原點(diǎn)的K軸轉(zhuǎn)動(dòng)角的旋轉(zhuǎn)變換矩陣。3.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程本文研究的機(jī)械手是具有6個(gè)自由度的空間開(kāi)鏈機(jī)構(gòu),它由一系列連桿通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成,關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致連桿的運(yùn)動(dòng)。本論文采用D-H<Denavit和Harenberg>分析方法來(lái)描述機(jī)器人相鄰兩連桿之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系即用一個(gè)4X4的齊次變換矩陣來(lái)描述相鄰兩連桿的位置與姿態(tài)<簡(jiǎn)稱(chēng)為位姿>,以此推導(dǎo)出"手爪坐標(biāo)系"相對(duì)于"參考系"的齊次變換矩陣,從而建立操作臂的幾何模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。對(duì)于具有n個(gè)連桿的機(jī)械手,運(yùn)動(dòng)學(xué)方程是要確定與末端坐標(biāo)系固聯(lián)的手爪相對(duì)于基座的變換。根據(jù)齊次變換矩陣的乘法規(guī)則有：式中,表示末端坐標(biāo)系相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿[10]?！擦藭?shū)寫(xiě)方便,將改寫(xiě)為本課題要研究的六自由度機(jī)械手D.H模型如圖圖3.5六自由度機(jī)械手的D-H模型有以上的坐標(biāo)系推導(dǎo)法,可得出本課題六自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)參數(shù),如下：表1.六自由度機(jī)械手各關(guān)節(jié)參數(shù)列表關(guān)節(jié)i〔o〔mm〔mm〔o1θ100902θ20a203θ30a304θ40a49050d50-90其中,a2=a3=250mm,a4=90mm,d5=90mm有上表可求出各連桿之間的齊次變換矩陣,如下根據(jù)矩陣乘法法則,可以得出本課題六自由度機(jī)械手末端執(zhí)行器的位姿的齊次變換矩陣是：其中4機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)計(jì)算4.1手部設(shè)計(jì)基本要求〔1應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力,應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下,不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的；〔2手指應(yīng)具有一定的張開(kāi)范圍,手指應(yīng)該具有足夠的開(kāi)閉角度〔手指從張開(kāi)到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度,以便于抓取工件；〔3要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高,在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下,盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕,以利于減輕手臂的負(fù)載；〔4應(yīng)保證手抓的夾持精度。4.2典型的手部結(jié)構(gòu)〔1回轉(zhuǎn)型包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種?！?移動(dòng)型移動(dòng)型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。〔3平面平移型[1]4.3機(jī)械手手指的設(shè)計(jì)計(jì)算4.3.1選擇手抓的類(lèi)型和夾緊機(jī)構(gòu)本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)六自由度機(jī)械手的設(shè)計(jì),考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手抓張合角=,夾取重量為1Kg。常用的工業(yè)機(jī)械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類(lèi)。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開(kāi)閉合靠手指的平行移動(dòng),這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適于夾持平板方料、棒料等,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。通過(guò)采用典型的平移型手指,驅(qū)動(dòng)力加在手指移動(dòng)方向上,這樣結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單且體積適中。通過(guò)綜合考慮,本設(shè)計(jì)選擇二指平移型手抓,采用滑槽導(dǎo)軌這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常開(kāi)式夾緊裝置,它在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力的作用下機(jī)械手手抓實(shí)現(xiàn)張開(kāi)和閉和[5]。4.3.2手抓夾緊力和驅(qū)動(dòng)力的力學(xué)分析手指加在工件上的夾緊力,是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來(lái)說(shuō),需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷,以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算：式中——安全系數(shù),通常1.2--2.0；——工作情況系數(shù),主要考慮慣性力的影響。可近似按下式估其中a,重力方向的最大上升加速度；——運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度————方位系數(shù),根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇G——被抓取工件所受重力〔N取=2,=0.5,G=10N根據(jù)公式,將已知條件帶入：1.5=7.65N取=0.85由驅(qū)動(dòng)力公式得：=7.65/0.85=9N設(shè)F為驅(qū)動(dòng)力,則其中為螺紋傾斜角=15,為摩擦角=30F=[6]4.4驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇4.4.1手指張合電機(jī)的選擇設(shè)前端手指的重量為0.1Kg,螺紋導(dǎo)程=1mm,則空載時(shí),工作臺(tái)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：最大工作載荷下,工作臺(tái)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：〔1快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：式中——快速空載起動(dòng)時(shí)折算到殿動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩——移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩〔2最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：——折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩：查手冊(cè)得,可選用XX寶馬集團(tuán)前楊電機(jī)電器的36BF003型電機(jī)其=0.078N.m能夠滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)要求[7]。4.4.2手腕電機(jī)的選擇〔1空載時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩查手冊(cè)得,選用XX寶馬集團(tuán)前楊電機(jī)電器的36BF003型電機(jī)其最靜轉(zhuǎn)矩=0.078能夠滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)的要求[6]。4.4.3大手臂擺動(dòng)電機(jī)的選擇初步估計(jì)整個(gè)手臂重量為5Kg,設(shè)大手臂擺動(dòng)速度為3r/min,手臂折算到外軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：整個(gè)手臂折算到外軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩選用XX寶馬集團(tuán)前楊電機(jī)電器的55BF003型電機(jī)其最大靜轉(zhuǎn)矩為=0.666N.m,能夠滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)要求[7]。4.4.4小手臂擺動(dòng)電機(jī)的選擇初步估計(jì)小手臂重量為3Kg,設(shè)擺動(dòng)速度為3r/min則小手臂折算到中軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為小手臂折算到中軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：小手臂擺動(dòng)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為選用XX寶馬集團(tuán)前楊電機(jī)電器的45BF003型電機(jī)其最大靜轉(zhuǎn)矩為=0.196N.m,能夠滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)的要求[7]。4.4.5手腕擺動(dòng)電機(jī)的選擇初步估計(jì)手腕部分重量為2Kg,設(shè)擺動(dòng)速度為5r/min。則手腕部分折算到外軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為手腕部分折算到外軸上的轉(zhuǎn)矩為：手腕部分?jǐn)[動(dòng)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為：選用XX寶馬集團(tuán)前楊電機(jī)電器的36BF003型電機(jī)其最大靜轉(zhuǎn)矩為=0.078N.m,能夠滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)要求[7]。4.4.6底座轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的選擇初步估計(jì)機(jī)身重量為15Kg,轉(zhuǎn)動(dòng)速度為3r/min折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩為：電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為：選用XX寶馬集團(tuán)前楊電機(jī)電器的55BF003型電機(jī)其最大靜轉(zhuǎn)矩為=0.666N.m[7]4.5蝸輪蝸桿、帶輪的選擇及傳動(dòng)比的確定4.5.1底座電機(jī)處蝸輪蝸桿傳動(dòng)的確定由選用電機(jī)為55BF003可得,運(yùn)行頻率f=18000HZ=75r/min又=3r/mini==25蝸桿選用40Cr,45-50HRC蝸輪選用10-3鋁青銅估計(jì)=5m/s查表得=140Mpa由式其中K為載荷系數(shù),當(dāng)考慮載荷集中和動(dòng)載荷影響時(shí),K取1.1—1.3查表得m=1.25=20q=164.5.2大手臂電機(jī)處蝸輪蝸桿及帶傳動(dòng)的確定由選用55BF003電機(jī)運(yùn)行頻率f=18000HZ=75r/min由=3r/mini==25取蝸輪蝸桿傳動(dòng)比為20帶輪傳動(dòng)比為1.25〔1由傳動(dòng)比i=20查表得=2=40蝸桿40Cr45—50HRC蝸輪10-3鋁青銅估計(jì)=5m/s查表得=140Mpa由式可得查表得m=2=22.4q=11.2=80〔2由=75r/min=20帶輪的主動(dòng)論轉(zhuǎn)速為=3.75r/min由式V一般在5——25m/s取V=20m/s查表得：選帶輪為Y型帶=28由式其中為V帶傳動(dòng)的滑動(dòng)率,一般為0.01—0.02查表得：取=35.5取V帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度查表得：取=280由帶輪滿(mǎn)足要求[8]。4.5.3小手臂電機(jī)處蝸輪蝸桿、帶傳動(dòng)比的確定由小手臂擺動(dòng)選用電機(jī)為45BF003型可得,運(yùn)行頻率為f=27000HZ=112.5r/min又=3r/min總傳動(dòng)比i==37.5由大手臂擺動(dòng)電機(jī)確定的一級(jí)帶輪傳動(dòng)比為=1.25取二級(jí)帶輪傳動(dòng)比為=1小手臂擺動(dòng)電機(jī)蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比為由傳動(dòng)比為=30查表得：蝸桿頭數(shù)=2=60蝸桿40Cr45—50HRC蝸輪10-3鋁青銅估計(jì)=5m/s查表得=140Mpa由式可得查表得：m=1=18q=18=60〔1由=112.5r/min=30=1.25帶輪的主動(dòng)論轉(zhuǎn)速為=3r/min由式V一般在5——25m/s取V=20m/s查表得：選帶輪為Y型帶=20又=1取V帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度查表得：取=200[8]4.5.4手腕擺動(dòng)電機(jī)處蝸輪蝸桿、帶傳動(dòng)比的確定由手腕擺動(dòng)處選用電機(jī)為36BF003型可得,運(yùn)行頻率為f=27000HZ=112.5r/min又=5r/min總傳動(dòng)比i==22.5又大手臂擺動(dòng)電機(jī)確定的一級(jí)帶輪傳動(dòng)比為=1.25小手臂擺動(dòng)電機(jī)確定的二級(jí)帶輪傳動(dòng)比為=1取三級(jí)傳動(dòng)比為=1蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比為由傳動(dòng)比為=18查表得：蝸桿頭數(shù)=2=36蝸桿40Cr45—50HRC蝸輪10-3鋁青銅估計(jì)=5m/s查表得=140Mpa由式可得查表得：m=1=18q=18=36[8]4.6小手臂擺動(dòng)處軸的強(qiáng)度較核〔1小手臂擺動(dòng)軸的受力分析圖如下：圖4.1小手臂擺動(dòng)軸的受力分析圖[9]其中：〔1繪制垂直面內(nèi)的彎矩圖由式垂直面內(nèi)彎矩圖如下所示：圖4.2垂直面內(nèi)彎矩圖[9]繪制水平面內(nèi)的彎矩圖由式可得水平面內(nèi)的彎矩圖如下所示：圖4.3水平面內(nèi)的彎矩圖[9]〔2繪制合成彎矩圖在C和D處在E處在C處在E處在D處軸的合成彎矩圖如下所示：圖4.4軸的合成彎矩圖[9]軸的扭矩圖如下所示：圖4.5軸的扭矩圖[9]軸的危險(xiǎn)截面為中心E點(diǎn)當(dāng)量彎矩為軸的材料選用45鋼,調(diào)質(zhì)處理查表得：軸的直徑取d=5能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。5總結(jié)與展望歷經(jīng)一個(gè)學(xué)期的努力,六自由度機(jī)械手終于設(shè)計(jì)成功。在這段時(shí)間內(nèi),我溫習(xí)和鞏固了大學(xué)四年所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí),綜合運(yùn)用了所學(xué)的機(jī)械和電子方面的知識(shí),極大的提高了我分析問(wèn)題,解決問(wèn)題的能力?；仡欉^(guò)去的兩個(gè)多月,感覺(jué)收獲頗豐：通過(guò)對(duì)機(jī)械手的整體方案設(shè)計(jì),典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使我對(duì)大學(xué)四年所學(xué)的機(jī)械方面的知識(shí)以及專(zhuān)業(yè)方面的知識(shí)有了更深一步的了解和認(rèn)識(shí),而不像以前一樣僅僅停留在書(shū)本的概念上。掌握了機(jī)械結(jié)構(gòu)整體方案設(shè)計(jì)的原則和要求,在設(shè)計(jì)過(guò)程中熟練的查取了相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè),為以后工作上的需要打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)各個(gè)典型機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),充分的理解和掌握了機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí),并且也對(duì)專(zhuān)業(yè)上的智能控制和誤差控制方面有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。由于論文的研究時(shí)間、本人的能力和知識(shí)范圍有限,本論文的研究工作還存在著一些不足之處,存在一些需要完善和改進(jìn)的地方：因?yàn)榱杂啥葯C(jī)械手控制系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),所以機(jī)器手工作過(guò)程中存在著丟步、失態(tài)問(wèn)題,所以在時(shí)間和條件允許的情況下,希望能做成閉環(huán)系統(tǒng),以提高系統(tǒng)精度。系統(tǒng)幾個(gè)主要模塊尚未進(jìn)行過(guò)實(shí)際考核,在工作可靠性、抗干擾性能等方面有待進(jìn)一步完善和提高。此外系統(tǒng)在總體布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上離實(shí)際應(yīng)用還有一些待完善之處。隨著科技和社會(huì)的進(jìn)步,智能機(jī)器人在人們生活的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。因此,了解機(jī)器人、研究機(jī)器人、并最終設(shè)計(jì)制造更先進(jìn)、更科學(xué)、更人性化的機(jī)器人就成為我們機(jī)電專(zhuān)業(yè)最為重要的任務(wù)之一。謝辭經(jīng)過(guò)半年的忙碌和工作,本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲,作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì),由于所學(xué)知識(shí)有限,經(jīng)驗(yàn)的匱乏,難免有許多考慮不周全的地方,如果沒(méi)有導(dǎo)師的督促指導(dǎo),以及同學(xué)們的支持,想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。在這里首先要感謝我的導(dǎo)師黃老師。黃老師平日里工作繁多,但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段,從查閱資料,設(shè)計(jì)草案的確定和修改,中期檢查答辯,后期詳細(xì)設(shè)計(jì),裝配草圖等整個(gè)過(guò)程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣,但是黃老師仍然細(xì)心地糾正圖紙中的錯(cuò)誤與論文中的誤點(diǎn)。除了敬佩黃老師的專(zhuān)業(yè)水平外,他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣,并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。其次要感謝和我一組作畢業(yè)設(shè)計(jì)的其他同學(xué),我們?cè)诒敬卧O(shè)計(jì)中相互學(xué)習(xí),相互鼓勵(lì)。如果我們之間的相互幫助,此次設(shè)計(jì)的完成將變得非常困難。然后還要感謝大學(xué)四年來(lái)所有的老師,指導(dǎo)我們打下專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們,正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。感謝父母對(duì)我的關(guān)愛(ài)和教誨。最后感謝機(jī)械與電氣工程學(xué)院和我的母?！猉X建筑工業(yè)學(xué)院四年來(lái)對(duì)我的大力栽培。[參考文獻(xiàn)][1]《工業(yè)機(jī)械手》編寫(xiě)組.工業(yè)機(jī)械手[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1978.P38-89[2]高軍.多自由度機(jī)械手的氣動(dòng)控制[D].XX工業(yè)大學(xué)：機(jī)械電子工程學(xué)院,2005[3]天津大學(xué)編.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].天津：天津科技出版社,1998.P53-72[4]楊柯楨,程光蘊(yùn).機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)<第四版>[M].北京：高等教育出版社,1999.P194-235[5]張善鍾主編.精密儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2001.P86-93[6]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)<第三版第5卷>[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1994.P607-644[7]尹志強(qiáng).機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)[M].北京：機(jī)械工業(yè)大學(xué)出版,2007.P55-67[8]龐振基,黃其圣.精密機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.P182-200[9]楊伯源.材料力學(xué)<Ⅰ>[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.P51-84[10]<美>尼庫(kù)<Niku,S.B>著；孫富春等譯.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.P26-74[11]秦衛(wèi)貞.四自由度教學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).東北大學(xué).2007附錄一英文科技文獻(xiàn)翻譯英文原文AutomatedTrackingandGraspingofaMovingObjectwithaRoboticHand-EyeSystemAbstractMostroboticgraspingtasksassumeastationaryorfixedobject.Inthispaper,weexploretherequirementsfortrackingandgraspingamovingobject.Thefocusofourworkistoachieveahighlevelofinteractionbetweenareal-timevisionsystemcapableoftrackingmovingobjectsin3-Dandarobotarmwithgripperthatcanbeusedtopickupamovingobject.Thereisaninterestinexploringtheinterplayofhand-eyecoordinationfordynamicgraspingtaskssuchasgraspingofpartsonamovingconveyorsystem,assemblyofarticulatedparts,orforgraspingfromamobileroboticsystem.Coordinationbetweenanorganism'ssensingmodalitiesandmotorcontrolsystemisahallmarkofintelligentbehavior,andwearepursuingthegoalofbuildinganintegratedsensingandactuationsystemthatcanoperateindynamicasopposedtostaticenvironments.Thesystemwehavebuiltaddressesthreedistinctproblemsinrobotichand-eyecoordinationforgraspingmovingobjects:fastcomputationof3-Dmotionparametersfromvision,predictivecontrolofamovingroboticarmtotrackamovingobject,andinterceptionandgrasping.Thesystemisabletooperateatapproximatelyhumanarmmovementrates,andexperimentalresultsinwhichamovingmodeltrainistrackedispresented,stablygrasped,andpickedupbythesystem.Thealgorithmswehavedevelopedthatrelatesensingtoactuationarequitegeneralandapplicabletoavarietyofcomplexrobotictasksthatrequirevisualfeedbackforarmandhandcontrol.I.INTRODUCTIONThefocusofourworkistoachieveahighlevelofinteractionbetweenreal-timevisionsystemscapableoftrackingmovingobjectsin3-Dandarobotarmequippedwithadexteroushandthatcanbeusedtointercept,grasp,andpickupamovingobject.Weareinterestedinexploringtheinterplayofhand-eyecoordinationfordynamicgraspingtaskssuchasgraspingofpartsonamovingconveyorsystem,assemblyofarticulatedparts,orforgraspingfromamobileroboticsystem.Coordinationbetweenanorganism'ssensingmodalitiesandmotorcontrolsystemisahallmarkofintelligentbehavior,andwearepursuingthegoalofbuildinganintegratedsensingandactuationsystemthatcanoperateindynamicasopposedtostaticenvironments.Therehasbeenmuchresearchinroboticsoverthelastfewyearsthataddresseithervisualtrackingofmovingobjectsorgeneralizedgraspingproblems.However,therehavebeenfeweffortsthattrytolinkthetwoproblems.Itisquiteclearthatcomplexrobotictaskssuchasautomatedassemblywillneedtohaveintegratedsystemsthatusevisualfeedbacktoplan,execute,andmonitorgrasping.Thesystemwehavebuiltaddressesthreedistinctproblemsinrobotichand-eyecoordinationforgraspingmovingobjects:fastcomputationof3-Dmotionparametersfromvision,predictivecontrolofamovingroboticarmtotrackamovingobject,andinterceptionandgrasping.Thesystemisabletooperateatapproximatelyhumanarmmovementrates,usingvisualfeedbacktotrack,intercept,stablygrasp,andpickupamovingobject.Thealgorithmswehavedevelopedthatrelatesensingtoactuationarequitegeneralandapplicabletoavarietyofcomplexrobotictasksthatrequirevisualfeedbackforarmandhandcontrol.Ourworkalsoaddressesaveryfundamentalandlimitingproblemthatisinherentinbuildingintegratedsensingactuationsystems;integrationofsystemswithdifferentsamplingandprocessingrates.Mostcomplexroboticsystemsareactuallyamalgamsofdifferentprocessingdevices,connectedbyavarietyofmethods.Forexample,oursystemconsistsofthreeseparatecomputationsystems:aparallelimageprocessingcomputer;ahostcomputerthatfilters,triangulates,andpredicts3-Dpositionfromtherawvisiondata;andaseparatearmcontrolsystemcomputerthatperformsinversekinematictransformationsandjoint-levelservicing.Eachofthesesystemshasitsownsamplingrate,noisecharacteristics,andprocessingdelays,whichneedtobeintegratedtoachievesmoothandstablereal-timeperformance.Inourcase,thisinvolvesovercomingvisualprocessingnoiseanddelayswithapredictivefilterbaseduponaprobabilisticanalysisofthesystemnoisecharacteristics.Inaddition,real-timearmcontrolneedstobeabletooperateatfastservoratesregardlessofwhethernewpredictionsofobjectpositionareavailable.Thesystemconsistsoftwofixedcamerasthatcanimageascenecontainingamovingobject<Fig.1>.APUMA-560withaparalleljawgripperattachedisusedtotrackandpickuptheobjectasitmoves<Fig.2>.Thesystemoperatesasfollows:1>Theimagingsystemperformsastereoscopicoptic-flowcalculationateachpixelintheimage.Fromtheseoptic-flowfields,amotionenergyprofileisobtainedthatformsthebasisforatriangulationthatcanrecoverthe3-Dpositionofamovingobjectatvideorates.2>The3-Dpositionofthemovingobjectcomputedbystep1isinitiallysmoothedtoremovesensornoise,andanonlinearfilterisusedtorecoverthecorrecttrajectoryparameterswhichcanbeusedforforwardprediction,andtheupdatedpositionissenttothetrajectory-planner/arm-controlsystem.3>Thetrajectoryplannerupdatesthejoint-levelservosofthearmviakinematictransformequations.Anadditionalfixed-gainfilterisusedtoprovideservo-levelcontrolincaseofmissedordelayedcommunicationfromthevisionandfilteringsystem.4>Oncetrackingisstable,thesystemcommandsthearmtointerceptthemovingobjectandthehandisusedtograsptheobjectstablyandpickitup.Thefollowingsectionsofthepaperdescribeeachofthesesubsystemsindetailalongwithexperimentalresults.П.PREVIOUSWORKPreviouseffortsintheareasofmotiontrackingandreal-timecontrolaretoonumeroustoexhaustivelylisthere.Weinsteadlistsomenotableeffortsthathaveinspiredustousesimilarapproaches.Burtetal.[9]havefocusedonhigh-speedfeaturedetectionandhierarchicalscalingofimagesinordertomeetthereal-timedemandsofsurveillanceandotherroboticapplications.Relatedworkhasbeenreportedby.LeeandWohn[29]andWiklundandGranlund[43]whousesimagedifferencingmethodstotrackmotion.Corke,Paul,andWohn[13]reportafeature-basedtrackingmethodthatusesspecial-purposehardwaretodriveaservocontrollerofanarm-mountedcamera.Goldenbergetal.[16]havedevelopedamethodthatusestemporalfilteringwithvisionhardwaresimilartoourown.Luo,Mullen,andWessel[30]reportareal-timeimplementationofmotiontrackingin1-DbasedonHornandSchunk’smethod.Vergheseetul.[41]Reportreal-timeshort-rangevisualtrackingofobjectsusingapipelinedsystemsimilartoourown.Safadi[37]usesatrackingfiltersimilartoourownandapyramid-basedvisionsystem,butfewresultsarereportedwiththissystem.RaoandDurrant-Whyte[36]haveimplementedaKalmanfilter-baseddecentralizedtrackingsystemthattracksmovingobjectswithmultiplecameras.Miller[31]hasintegratedacameraandarmforatrackingtaskwheretheemphasisisonlearningkinematicandcontrolparametersofthesystem.Weissetal.[42]alsousevisualfeedbacktodevelopcontrollawsformanipulation.Brown[8]hasimplementedagazecontrolsystemthatlinksarobotic"head"containingbinocularcameraswithaservocontrollerthatallowsonetomaintainafixedgazeonamovingobject.ClarkandFerrier[12]alsohaveimplementedagazecontrolsystemforamobilerobot.Avariationofthetrackingproblemsisthecaseofmovingcameras.Someofthepapersaddressingthisinterestingproblemare[9],[15],[44],and[18].Themajorityofliteratureonthecontrolproblemsencounteredinmotiontrackingexperimentsisconcernedwiththeproblemofgeneratingsmooth,up-to-datetrajectoriesfromnoisyanddelayedoutputsfromdifferentvisionalgorithms.Ourpreviouswork[4]copedwiththatprobleminasimilarwayasin[38],usingancy-p-yfilter,whichisaformofsteady-stateKalmanfilter.Otherapproachescanbefoundinpapersby[33],[34],[28],[6].IntheworkofPapanikolopoulosetal.[33],[34],visualsensorsareusedinthefeedbacklooptoperformadaptiveroboticvisualtracking.SophisticatedcontrolschemesaredescribedwhichcombineaKalmanfilter’sestimationandfilteringpowerwithanoptimal<LQG>controllerwhichcomputestherobot’smotion.Thevisionsystemusesanoptic-flowcomputationbasedontheSSD<sumofsquareddifferences>methodwhich,whiletimeconsuming,appearstobeaccurateenoughforthetrackingtask.Efficientuseofwindowsintheimagecanimprovetheperformanceofthismethod.Theauthorshavepresentedgoodtrackingresults,aswellasstatedthatthecontrollerisrobustenoughsotheuseofmorecomplex<time-varyingLQG>methodsisnotjustified.ExperimentalresultswiththeCMUDirectDriveArmПshowthatthemethodsarequiteaccurate,robust,andpromising.TheworkofLeeandKay[28]addressestheproblemofuncertaintyofcamerasintherobot’scoordinateframe.Thefactthatcamerashavetobestrictlyfixedinrobot’sframemightbequiteannoyingsinceeachtimetheyare<mostoftenincidentally>displaced;onehastoundertakeatediousjoboftheirrecalibration.Again,theestimationofthemovingobject’spositionandorientationisdoneintheCartesianspaceandasimpleerrormodelisassumed.Andersenetal.[6]adopta3rd-orderKalmanfilterinordertoallowaroboticsystem<consistingoftwodegreesoffreedom>toplaythelabyrinthgame.AsomewhatdifferentapproachhasbeenexploredintheworkofHoushangi[24]andKoivoetal.[27].Intheseworks,theautoregressive<AR>andautograssiermoving-averagewithexogenousinput<ARMAX>modelsareinvestigatedforvisualtracking.Ш.VISIONSYSTEMInavisualtrackingproblem,motionintheimagingsystemhastobetranslatedinto3-Dscenemotion.Ourapproachistoinitiallycomputelocaloptic-flowfieldsthatmeasureimagevelocityateachpixelintheimage.Avarietyoftechniquesforcomputingoptic-flowfieldshavebeenusedwithvaryingresultsincludingmatching-basedtechniques[5],[10],[39],gradient-basedtechniques[23],[32],[113,andpatio-temporal,energymethods[20],[2].Optic-flowwaschosenastheprimitiveuponwhichtobasethetrackingalgorithmforthefollowingreasons.·Theabilitytotrackanobjectinthreedimensionsimpliesthattherewillbemotionacrosstheretinas<imageplanes>thatareimagingthescene.Byidentifyingthismotionineachcamera,wecanbegintofindtheactual3-Dmotion.·Theprincipalconstraintintheimagingprocessishighcomputationalspeedtosatisfytheupdateprocessfortheroboticarmparameters.Hence,weneededtobeabletocomputeimagemotionquicklyandrobustly.TheHom-Schunckoptic-flowalgorithm<describedbelow>iswellsuitedforreal-timecomputationonourPIPEimageprocessingengine.·Wehavedevelopedanewframeworkforcomputingoptic-flowrobustlyusinganestimation-theoreticframework[40].Whilethisworkdoesnotspecificallyusetheseideas,wehavefutureplanstotrytoadaptthisalgorithmtosuchaframework.OurmethodbeginswithanimplementationoftheHorn-Schunckmethodofcomputingoptic-flow[22].Theunderlyingassumptionofthismethodistheoptic-flowconstraintequation,whichassumesimageirradianceattimetandt+σtwillbethesame:IfweexpandthisconstraintviaaTaylorseriesexpansion,anddropsecond-andhigher-orderterms,weobtaintheformoftheconstraintweneedtocomputenormalvelocity:WhereuandUarethevelocitiesinimagespace,andIx,Iy,andItarethespatialandtemporalderivativesintheimage.Thisconstraintlimitsthevelocityfieldinanimagetolieonastraightlineinvelocityspace.Theactualvelocitycannotbedetermineddirectlyfromthisconstraintduetotheapertureproblem,butonecanrecoverthecomponentofvelocitynormaltothisconstraintlineAsecond,iterativeprocessisusuallyemployedtopropagatevelocitiesinimageneighborhoods,baseduponavarietyofsmoothnessandheuristicconstraints.Theseaddedneighborhoodconstraintsallowforrecoveryoftheactualvelocitiesu,vintheimage.Whilecomputationallyappealing,thismethodofdeterminingoptic-flowhassomeinherentproblems.First,thecomputationisdoneonapixel-by-pixelbasis,creatingalargecomputationaldemand.Second,theinformationonopticflowisonlyavailableinareaswherethegradientsdefinedaboveexist.WehaveovercomethefirstoftheseproblemsbyusingthePIPEimageprocessor[26],[7].ThePIPEisapipelinedparallelimageprocessingcomputercapableofprocessing256x256x8bitimagesatframeratespeeds,anditsupportstheoperationsnecessaryforoptic-flowcomputationinapixelparallelmethod<atypicalimageoperationsuchasconvolution,warping,additionsubtractionofimag