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【中文6450字】
機(jī)械手的機(jī)械和控制系統(tǒng)
文章來源: Dirk Osswald, Heinz W?rn. Department of Computer Science , Institute for Process Control and Robotics (IPR).,Engler-Bunte-Ring 8 - Building 40.28.
摘要: 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（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)給出了此類機(jī)械手的一個(gè)示例，如卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ。本文末介紹了一些新的構(gòu)想，如利用液體驅(qū)動(dòng)器為類人型機(jī)器人設(shè)計(jì)一個(gè)全新的機(jī)械手。
關(guān)鍵詞：多指機(jī)械手；機(jī)器人手；精操作；機(jī)械系統(tǒng)；控制系統(tǒng)
1. 引言
2001年6月在德國(guó)卡爾斯魯厄開展的“人形機(jī)器人”特別研究，是為了開發(fā)在正常環(huán)境（如廚房或客廳）下能夠和人類合作和互動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這些機(jī)器人系統(tǒng)是為了能夠在非專業(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)的靈活性只能通過一個(gè)適應(yīng)性極強(qiáng)的機(jī)械人手抓系統(tǒng)來獲得，即所謂的多指機(jī)械手或機(jī)器人手。
上文提到的研究項(xiàng)目，就是要制造一個(gè)人形機(jī)器人，此機(jī)器人將裝備這種機(jī)器人手系統(tǒng)。這個(gè)新手將由兩個(gè)機(jī)構(gòu)合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學(xué)的IPR（過程控制和機(jī)器人技術(shù)研究院）和c（計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)研究院）。這兩個(gè)組織都有制造此種系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但是稍有不同的觀點(diǎn)。
IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（如圖1所示），是一個(gè)四指相互獨(dú)立的手爪，我們將在此文中詳細(xì)介紹。IAI制造的手（如圖17所示）是作為殘疾人的假肢。
圖1.IPR的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ 圖2. IAI開發(fā)的流體手
2. 機(jī)器人手的一般結(jié)構(gòu)
一個(gè)機(jī)器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
機(jī)械系統(tǒng)又可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進(jìn)一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。
我們將對(duì)這兩大子系統(tǒng)的問題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ演示一下。
3. 機(jī)械系統(tǒng)
機(jī)械系統(tǒng)將描述這個(gè)手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動(dòng)器（如電動(dòng)機(jī)）、傳感器（如位置編碼器）的位置。
3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將對(duì)機(jī)械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類型的物體以及能對(duì)被抓物體進(jìn)行何種操作。設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人手的時(shí)候，必須確定三個(gè)基本要素：手指的數(shù)量、手指的關(guān)節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。
為了能夠在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠?qū)Ρ蛔ノ矬w的操作獲得6個(gè)自由度（3個(gè)平移和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度），每個(gè)手指必須具備3個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是，為了能夠重抓一個(gè)物件而無需將它先釋放再拾取的話，至少需要4根手指。
要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機(jī)器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個(gè)手指不同的尺寸和不對(duì)稱的安置位置將增加加工費(fèi)用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，因?yàn)槊總€(gè)手指都必須分別加以控制。對(duì)于相同手指的對(duì)稱布置，常采用非擬人化方法。因?yàn)橹恍杓庸ず蜆?gòu)建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費(fèi)用，同時(shí)也可是控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化。
3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
指關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器對(duì)手的靈活度也有很大的影響，因?yàn)樗鼪Q定潛在的力量、精度及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的速度。機(jī)械運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)方面需加以考慮：運(yùn)動(dòng)來源和運(yùn)動(dòng)方向。在這方面，文獻(xiàn)里描述了有幾種不同的方法，如文獻(xiàn)[3]中說可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，或者，正如大部分情況一樣使用電動(dòng)機(jī)。在多數(shù)情況下，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器（如電機(jī)）太大而不能直接與相應(yīng)的指關(guān)節(jié)結(jié)合在一起，因此，這個(gè)運(yùn)動(dòng)必須由驅(qū)動(dòng)器（一般位于機(jī)器臂最后的連接點(diǎn)處）轉(zhuǎn)移過來。有幾種不同的方法可實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)方式，如使用鍵、傳動(dòng)帶以及活動(dòng)軸。使用這種間接驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)的方法，或多或少地降低了整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度和精度，同時(shí)也使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，因?yàn)槊扛种傅牟煌P(guān)節(jié)常常是機(jī)械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨(dú)立控制。由于具有這些缺點(diǎn)，因此小型化的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器與指關(guān)節(jié)的直接融合就顯得相當(dāng)必要。
3.3 傳感系統(tǒng)
機(jī)器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對(duì)手指或被抓物體建立一個(gè)閉環(huán)控制是很必要的。在機(jī)器手中使用了3種類型的傳感器：
1. 手爪狀態(tài)傳感器確定指關(guān)節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會(huì)打破它。
2. 抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺信息可在抓取過程中及時(shí)確定與物體第一次接觸的位置點(diǎn)，同時(shí)也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。
3. 物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測(cè)是否滑落。
根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有關(guān)指關(guān)節(jié)位置的幾何信息可以在運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器或直接在關(guān)節(jié)處出測(cè)量。例如，如在電動(dòng)機(jī)和指關(guān)節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機(jī)軸上的一個(gè)角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測(cè)量關(guān)節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或著要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。
3.4卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的機(jī)械系統(tǒng)
為了能夠獲得如重抓等更加復(fù)雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指組成，且每根手指由3個(gè)相互獨(dú)立的關(guān)節(jié)組成。設(shè)計(jì)該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個(gè)相同手指，將它們作對(duì)稱、非擬人化配置，且每個(gè)手指都能旋轉(zhuǎn)90°（圖4所示）。
鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設(shè)計(jì)中得到的經(jīng)驗(yàn)，比如因傳動(dòng)帶而導(dǎo)致的機(jī)械問題以及較大摩擦因數(shù)導(dǎo)致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設(shè)計(jì)決策。每根手指的關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3之間的直流電機(jī)被整合到手指前部肢體中（圖5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運(yùn)動(dòng)傳遞到手指的關(guān)節(jié)處。處在電機(jī)軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時(shí)可作為一個(gè)精度很高的位置狀態(tài)傳感器。
圖3.工業(yè)機(jī)器人上的KDHⅡ 圖4. KDHⅡ的頂視圖
為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個(gè)六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個(gè)傳感器可當(dāng)作手指末端肢體使用，且配有一個(gè)球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時(shí)也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測(cè)量X、Y和Z方向的力及繞相關(guān)軸的力矩。另外，3個(gè)共線的激光三角測(cè)量傳感器被安置在KDHⅡ的手掌上（圖5所示）。因?yàn)橛?個(gè)這樣的傳感器，因此不僅可以測(cè)量3單點(diǎn)之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測(cè)出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率為1kHz，它能檢測(cè)和避免物體的滑落。
圖5. KDHⅡ的側(cè)視圖 圖6. 帶應(yīng)變計(jì)量傳感器的六自由度扭轉(zhuǎn)傳感器
4. 控制系統(tǒng)
機(jī)器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實(shí)際利用，這些技能都是由機(jī)械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計(jì)算機(jī)即硬件和控制算法即軟件。
控制系統(tǒng)必須滿足以下幾個(gè)的條件：
1. 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，一具有9個(gè)自由度的低級(jí)手，其驅(qū)動(dòng)器至少需要9路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個(gè)手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號(hào)幾倍。
2. 需具備對(duì)外部事件快速實(shí)時(shí)反應(yīng)的能力。例如，當(dāng)檢測(cè)到物體滑落時(shí)，能立即采取相應(yīng)的措施。
3. 需具備較高的計(jì)算能力以應(yīng)對(duì)一些不同的任務(wù)。如可以對(duì)多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及閉環(huán)控制等任務(wù)。
4. 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠?qū)⑵渲苯蛹傻讲僮飨到y(tǒng)當(dāng)中。
5. 在控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對(duì)傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號(hào)將會(huì)干擾傳感器信號(hào)。
4.1 控制硬件
為了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個(gè)專門的處理器中。如可通過一個(gè)簡(jiǎn)單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達(dá)和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計(jì)算能力，且需要一個(gè)靈活實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC機(jī)輕易地解決。
因此，控制硬件常由一個(gè)非均勻的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個(gè)功能強(qiáng)大的處理器。不同的計(jì)算單元?jiǎng)t通過一個(gè)通信系統(tǒng)連接起來，比如總線系統(tǒng)。
4.2 控制軟件
機(jī)器人手的控制軟件是相當(dāng)復(fù)雜的。必須對(duì)要對(duì)手指進(jìn)行實(shí)時(shí)及平行控制，同時(shí)還要計(jì)劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復(fù)雜性，就有必要將此問題分成幾個(gè)子問題來處理。
另一方面涉及軟件的開發(fā)。機(jī)器人手其實(shí)是一個(gè)研究項(xiàng)目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設(shè)施都必須十分強(qiáng)大和靈活。這些只能使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機(jī)械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過了修剪，以滿足機(jī)械手的特殊控制要求。
4.3卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制系統(tǒng)
如在4.1節(jié)中所說，對(duì)于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制硬件，采用了一種分布式方法（圖7所示）。一個(gè)微控制器分別控制一個(gè)手指的驅(qū)動(dòng)器和傳感器，另外一個(gè)微控制器用于控制物體狀態(tài)傳感器（激光三角傳感器）。這些微控制器（圖7左側(cè)和右側(cè)的外箱）直接安裝在手上，所以可以保證和驅(qū)動(dòng)器及傳感器之間較短的電氣連接。這些微控制器都是使用串行總線系統(tǒng)和主控計(jì)算機(jī)連在一起的。這個(gè)主控計(jì)算機(jī)（圖7、圖8中的灰色方塊）是由六臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)組成的一個(gè)并行計(jì)算機(jī)。這些電腦都被排列在一個(gè)二維平面。相鄰電腦模塊（一臺(tái)電腦最多有8個(gè)相鄰模塊）使用雙端口RAM進(jìn)行快速通信（圖7中暗灰色方塊所示）。一臺(tái)電腦用于控制一個(gè)手指。另一臺(tái)用于控制物體狀態(tài)傳感器及計(jì)算物體之間的位置。其余的電腦被安在前面提到的電腦的周圍。這些電腦用于協(xié)調(diào)整個(gè)控制系統(tǒng)。控制軟件的結(jié)構(gòu)反映了控制硬件的架構(gòu)。如圖9所示。
圖7. KDH II的控制硬件構(gòu)架 圖8.控制KDH II的平行主計(jì)算機(jī)
一個(gè)關(guān)于此手控制系統(tǒng)的三個(gè)最高層次的網(wǎng)上計(jì)劃正在規(guī)劃。理想的物體位移命令可由優(yōu)越的機(jī)器人控制系統(tǒng)得到，并可用作物體路徑的精確規(guī)劃。根據(jù)已產(chǎn)生的目標(biāo)路徑就可規(guī)劃可行的抓取行為（手指作用在物體上的可行抓取位置點(diǎn)）?，F(xiàn)在知道了物體的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)軌跡，并傳遞給系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力部分。如果一個(gè)物體被抓取了，那么其手指的運(yùn)動(dòng)路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個(gè)控制器控制物體的姿態(tài)，它由手指和物體狀態(tài)傳感器所決定，用以獲得所需的物體姿態(tài)。如果一個(gè)手指沒有跟物體接觸，那么它的移動(dòng)路徑將會(huì)直接傳遞給手控制器。這個(gè)手控制器將相關(guān)的預(yù)期手指位置傳遞給所有的手指控制器，以協(xié)調(diào)所有手指的運(yùn)動(dòng)。這些在手指?jìng)鞲衅鞯膸椭掠址催^來驅(qū)動(dòng)手指驅(qū)動(dòng)器。
圖9. KDHⅡ的手部控制系統(tǒng)
5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的能力，我們選擇了兩個(gè)要求操作問題。一個(gè)問題是在網(wǎng)上對(duì)處于外部影響下的被抓物體姿態(tài)（位置和方向）的控制。另一個(gè)問題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉(zhuǎn)，這只能通過重抓才能實(shí)現(xiàn)。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)?fù)雜任務(wù)的操作能力。
5.1 物體姿態(tài)控制
這個(gè)物體姿態(tài)控制器的目的是為了確定好被抓物體的位置和方向以適合給定的軌跡。此任務(wù)必須在實(shí)時(shí)條件通過在線獲得，盡管有內(nèi)部變化及外部干擾的存在。內(nèi)部變化比如在物體移動(dòng)過程中，球形指尖在被抓物體上的滾動(dòng)。這種狀況如圖10、圖11所示。這將導(dǎo)致物體的不必要的額外移動(dòng)和傾斜。這些錯(cuò)誤的物體姿勢(shì)很難預(yù)先估計(jì)。因此，物體狀態(tài)傳感器的輸入必須要修改這些錯(cuò)誤。對(duì)于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ來說，其上的三個(gè)激光三角傳感器就是用來糾正此種錯(cuò)誤的。圖12定量地說明了圖9中物體在沒有姿態(tài)控制情況下的傾斜情況。下圖顯示了在X方向上隨時(shí)間推移的預(yù)期軌跡，而上圖顯示了物體實(shí)際的旋轉(zhuǎn)（傾斜）結(jié)果情況。因?yàn)閱⒂昧宋矬w狀態(tài)控制，圖13中的物體傾斜得到了很大的減少。上圖物體的旋轉(zhuǎn)保持基本恒定，這和期望的一樣。
圖10.因滾動(dòng)產(chǎn)生的額外位移 圖12.沒有狀態(tài)控制的物體傾斜
圖11.因球形指尖在物體上的滾動(dòng)而產(chǎn)生 圖13.物體狀態(tài)控制下減少的物體
額外的不期望傾斜情況 傾斜情況
物體狀態(tài)控制器對(duì)補(bǔ)償外界干擾也是十分必要的。比如，機(jī)器人（手臂、手或手指）或被抓物體與外界的碰撞可能導(dǎo)致物體的滑落。這更有可能導(dǎo)致被抓物體的損耗，這是不能出現(xiàn)的情況。為了能夠避免物體在這種情況下的損失，就必須檢測(cè)出物體的滑落并迅速采取行動(dòng)以穩(wěn)定物體的狀態(tài)。
為了驗(yàn)證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ控制系統(tǒng)對(duì)這種干擾情況的處理能力，我們做了以下的實(shí)驗(yàn)：物件被抓后，將手指的接觸力恒定減少直至物體開始滑落。在激光三角傳感器檢測(cè)滑落后，物體狀態(tài)控制器采取措施將物體重新調(diào)控到所期望的位置。圖14和圖15展示了此種實(shí)驗(yàn)的一個(gè)例子。尤其是圖14，它顯示出物體滑落啟動(dòng)的相當(dāng)突然且相當(dāng)快。但是物體狀態(tài)控制器也能夠足夠快地檢測(cè)和補(bǔ)償滑落，這樣物體的位置（這里：特別是X方向，就是滑落的方向）和物體的方向能夠與最開始的期望值很快地相符。
圖14.滑落實(shí)驗(yàn)：X方向的實(shí)際物體 圖15.滑落實(shí)驗(yàn)：關(guān)于Z軸的實(shí)際
位置 物體方向
5.2 重抓
雖然卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ非常的靈活，但是它不能在第一次操作中就能得到每一個(gè)理想的對(duì)象操縱。這源于這樣一個(gè)事實(shí)：手指相對(duì)于正常的工業(yè)機(jī)器人來說是十分小的，因此所具備的工作范圍也是很有限的。如果物體被手指抓住，那么它第一次只能在所有手指的剩余空間內(nèi)被操縱。可行操作的條件是所有的接觸點(diǎn)必須長(zhǎng)期地處在相聯(lián)手指的工作范圍內(nèi)。這很大地限制了操作的可行性。為了能夠克服此種限制，一個(gè)叫做重抓的操作就必須執(zhí)行。即當(dāng)一個(gè)接觸點(diǎn)到達(dá)了相聯(lián)手指的限制區(qū)域時(shí)，這個(gè)手指就必須從物體上脫離，并移到一個(gè)新的接觸位置。這必須是多于3個(gè)手指的手才能使操作可靠。周期性的移動(dòng)這些手指，就能使任意的操作變得可行。關(guān)于此種操作有一個(gè)例子，就是在大角度旋轉(zhuǎn)被抓物體時(shí)，此時(shí)重抓動(dòng)作很有必要。圖16顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ在旋轉(zhuǎn)一個(gè)螺帽狀物體時(shí)的一系列圖片。這個(gè)物體是繞它的垂直軸旋轉(zhuǎn)的。在a到c圖中所有的手指都跟物體接觸，并且四個(gè)手指相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)才使物體旋轉(zhuǎn)。圖d到圖f顯示了一個(gè)手指的的重抓動(dòng)作。在d圖中這個(gè)手指已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到其工作范圍的極限位置，這時(shí)所有手指的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)也被終止。左前方的手指脫離物體并單獨(dú)移動(dòng)到另一個(gè)接觸點(diǎn)。在圖f中這個(gè)手指重新跟物體接觸，另一個(gè)手指此時(shí)可以重新定位（沒有顯示）。所有的手指重新定位之后，協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行。視具體情況而定，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ也可以同時(shí)進(jìn)行幾個(gè)手指的重抓動(dòng)作。這可以加速重抓過程，但是只能是被抓物體與外界接觸的條件下才有可能。比如說螺絲釘上的螺帽或孔里的一掛鉤。圖17顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)⒁粋€(gè)木柱從一個(gè)平方的基座孔內(nèi)拉出來的一系列圖片。圖a到圖b顯示木柱被拉出一半，然后左手指和右手指在同一時(shí)刻脫離物體并重新定位（圖c到圖e）。那之后，前面與后面的手指也重新定位（圖f）。那之后，整個(gè)木柱被拉出，從而可進(jìn)行進(jìn)一步的操作（沒有顯示）。
圖16.利用重抓旋轉(zhuǎn)螺帽狀物體 圖17.利用重抓從孔中拉出木柱
6.結(jié)論
為了使機(jī)械手能夠完成靈活精確的操作，一合適的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是必需的。這些介紹的標(biāo)準(zhǔn)是必需加以考慮的，正如文中所說?？査刽敹蜢`巧手Ⅱ表現(xiàn)的非常成功。這種機(jī)械手能夠抓取很大范圍的不同形狀、尺寸和重量的物體。被抓物體的姿態(tài)也能可靠地加以控制，即使在外部干擾的情況下。此外，由于此系統(tǒng)，復(fù)雜的精細(xì)操作（如重抓）也能實(shí)現(xiàn)。在人行機(jī)器人的特殊研究領(lǐng)域，基于一個(gè)不同的概念叫做流體化（圖2所示）的基礎(chǔ)上，小型機(jī)械手也具有擬人化和機(jī)械化。這概念是由卡爾斯魯厄研究中心的IAI所提出的。但是，這個(gè)控制軟件的主要結(jié)構(gòu)可經(jīng)過相應(yīng)修改而為此種小型機(jī)械手所用。
圖17：在IAI開發(fā)的流體手
4. 致謝
本文基于在過程控制和機(jī)器人研究所完成的研究。Prof. Dr.-Ing。 H.W?rn以及應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所教授Dr.-Ing。 G. Bretthauer。
5. 參考
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搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)
1、 結(jié)構(gòu)要求：一個(gè)底座，一個(gè)關(guān)節(jié)型機(jī)械手。其中，機(jī)械手的末端為夾板型，夾板的尺寸要求能夾起一箱伊利純牛奶（4×4盒），其他尺寸視情況自擬。
ps:就是這種夾板型
2、 動(dòng)作要求：機(jī)械手能完成夾取、提升、旋轉(zhuǎn)、下降、放下物品這幾個(gè)動(dòng)作。從而將一箱牛奶從一個(gè)傳送帶搬運(yùn)到另一個(gè)傳送帶，傳送帶的高度可自擬。
3、 用solidworks軟件設(shè)計(jì)繪圖，無版本要求（最好是2012版吧），并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。
4、 最后設(shè)計(jì)一個(gè)液壓控制系統(tǒng)，這一部分不需要很具體，稍微設(shè)計(jì)一個(gè)差不多的就可以了。
5、 說明書內(nèi)容：詳細(xì)的畫圖步驟和截圖、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析圖、液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟及總圖。（前面兩部分一定要詳細(xì)，因?yàn)槲也欢。?
6、 最后交貨：機(jī)械手三維圖、一份說明書。
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)
自動(dòng)化生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和控制
作 者:
學(xué) 號(hào)：
學(xué)院(系):
專 業(yè):
題 目:
搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)
2016 年 4 月
摘 要
機(jī)器人技術(shù)是機(jī)電一體化產(chǎn)品，搬運(yùn)機(jī)器人成為一個(gè)領(lǐng)先的研究課題。運(yùn)用在不同領(lǐng)域，如機(jī)械，電子，信息理論，人工智能，生物學(xué)和計(jì)算機(jī)，知識(shí)等諸多領(lǐng)域的發(fā)展機(jī)械接頭端的設(shè)計(jì)，機(jī)器人也導(dǎo)致了這些學(xué)科的發(fā)展。搬運(yùn)型機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，工藝多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)熱點(diǎn)手臂運(yùn)動(dòng)更多的領(lǐng)域進(jìn)行合作研究。機(jī)械，電子，信息理論，人工智能，知識(shí)和生物和計(jì)算機(jī)許多學(xué)科，但其發(fā)展的多機(jī)構(gòu)銜接所需組合搬運(yùn)也促成了這些學(xué)科的發(fā)展。
本文采用在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的搬運(yùn)型機(jī)器人，并完成圖紙和零件圖總裝配圖。為機(jī)器人模型的要求被分析以估計(jì)電機(jī)的每個(gè)搬運(yùn)，充分的設(shè)得所需要的轉(zhuǎn)矩和功率。完成搬運(yùn)型機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型操盤分析，檢查，分析機(jī)器人模型，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)機(jī)器人模型做的過程中強(qiáng)度的關(guān)鍵部件，繪制3D圖。
關(guān)鍵詞：機(jī)械臂，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，搬運(yùn)機(jī)械手，電機(jī)
Abstract
Robotics is mechatronics, articulated robot into a leading research. Used in different fields, such as machinery, electronics, information theory, artificial intelligence, biology and computer knowledge, and many other developments in the field of mechanical coupling end design, the robot also led to the development of these disciplines. Articulated robot is a typical mechatronic products, a hot process more articulation arm movement more areas of collaborative research. Many disciplines mechanics, electronics, information theory, artificial intelligence, knowledge and biological and computer, but its multi-agency convergence desired combination of joint development also contributed to the development of these disciplines.
In this paper, the structural design of the articulated robot and complete drawings and part drawings assembly drawing. Requirements for the robot model is analyzed to estimate the motor of each joint, full selection of the desired torque and power. Complete articulated robot programming, design, structural design, manipulator kinematics model analysis, inspection, analysis robot models, key components design and production process of doing robot model intensity, plotted in Fig. 3D.
Keywords: arm, structural design, articulated robot, motor
目 錄
摘 要 II
Abstract 1
1 緒論 1
1.1引言 1
1.2 搬運(yùn)機(jī)械手研究概況 2
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 2
1.3 搬運(yùn)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 3
2 總體方案設(shè)計(jì) 5
2.1 技術(shù)參考數(shù)據(jù) 5
2.2 搬運(yùn)機(jī)械手工程概述 5
2.3 工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述 6
2.4 機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理 7
2.5 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 8
2.6 本章小結(jié) 9
3 機(jī)械手大臂部結(jié)構(gòu) 10
3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 10
3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.3 大臂電機(jī)及減速器選型 11
3.4 減速器參數(shù)的計(jì)算 12
3.5承載能力的計(jì)算 16
3.5.1 柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 16
3.5.2 柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 16
4 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
4.1 手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算 21
4.2 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 21
4.3 結(jié)構(gòu)分析 23
4.4計(jì)算分析 23
4.5 腕部設(shè)計(jì) 24
4.5.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算 24
4.5.2 手腕俯仰驅(qū)動(dòng)計(jì)算 34
4.5.3 電動(dòng)機(jī)的設(shè)得 35
4.6 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 37
4.7 小臂電機(jī)及減速器選型 37
4.7.1.傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的設(shè)得 38
4.7.2.幾何參數(shù)的計(jì)算 38
4.8 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計(jì)算 39
4.8.1柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 39
4.8.2柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 40
4.9 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 41
4.10 軸的受力分析及計(jì)算 42
4.11 軸承的壽命校核 43
5 機(jī)身設(shè)計(jì) 46
5.1 步進(jìn)電機(jī)設(shè)得 46
5.1.1 計(jì)算輸出軸的轉(zhuǎn)矩 46
5.1.2 確定各軸傳動(dòng)比 48
5.1.3 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 48
5.2 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 51
5.2.1 高速級(jí)齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 51
5.2.2 低速級(jí)齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 55
5.3 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 58
5.3.1 輸入軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 58
5.3.2 中間軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 61
5.3.3 輸出軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 63
5.4 軸承的校核 65
5.4.1 輸入軸上軸承壽命計(jì)算 65
5.4.2 中間軸上軸承壽命計(jì)算 66
5.4.3 輸出軸上軸承壽命計(jì)算 67
5.5 鍵的設(shè)得和校核 69
5.5.1 鍵的設(shè)得 69
5.5.2 鍵的校核 69
6 液壓系統(tǒng)圖 70
7 搬運(yùn)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 71
7.1 搬運(yùn)機(jī)械手的工藝過程 71
7.2 PLC 控制系統(tǒng) 71
7.2.1 確定輸入/輸出點(diǎn)數(shù)并設(shè)得 PLC 型號(hào) 71
7.2.2 分配 PLC 的輸入/輸出端子 72
7.2.3 所需元器件明細(xì)表 72
7.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 73
總 結(jié) 77
參考文獻(xiàn) 78
致 謝 79
1 緒論
1.1引言
搬運(yùn)型機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，工藝多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)熱點(diǎn)手臂運(yùn)動(dòng)更多的領(lǐng)域進(jìn)行合作研究。機(jī)械，電子，信息理論，人工智能，知識(shí)和生物和計(jì)算機(jī)許多學(xué)科，但其發(fā)展的多機(jī)構(gòu)銜接所需組合治療也促成了這些學(xué)科的發(fā)展。多臂搬運(yùn)領(lǐng)導(dǎo)的多搬運(yùn)臂運(yùn)動(dòng)。
1959年成為世界上第一個(gè)工業(yè)多搬運(yùn)手臂運(yùn)動(dòng)的誕生，創(chuàng)造發(fā)展胳膊的新時(shí)代的多搬運(yùn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)營(yíng)研究部門的應(yīng)用多聯(lián)快速發(fā)展。加藤一郎，日本早稻田大學(xué)手臂搬運(yùn)和更多的世界知名專家，教授說：“一個(gè)很大的特點(diǎn)，多搬運(yùn)手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該有工作?！钡姆绞绞牵谧詣?dòng)化程度高的，電力系統(tǒng)更復(fù)雜。偉大的發(fā)明家愛迪生曾經(jīng)說過，“神造人的兩條腿是最美麗的杰作。”該系統(tǒng)具有豐富的動(dòng)態(tài)環(huán)境的要求非常低，無論是在地面上，而且在非結(jié)構(gòu)化地形復(fù)雜，適應(yīng)性良好的環(huán)境狀態(tài)。為了延長(zhǎng)多搬運(yùn)型機(jī)器人的功能和應(yīng)用開辟無限廣闊的發(fā)展前景。
研究搬運(yùn)型機(jī)器人的原因和目的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：機(jī)構(gòu)的發(fā)展，使他們對(duì)結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性的工作，許多圈子，而不是個(gè)人或更新和人類活動(dòng)的領(lǐng)域擴(kuò)展;希望更多的人有一個(gè)內(nèi)在的理解和認(rèn)識(shí)，并使用這些功能對(duì)個(gè)人服務(wù)，如假肢。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與在此領(lǐng)域豐富的研究，其研究和臂運(yùn)動(dòng)更加危險(xiǎn)的機(jī)器的擴(kuò)展，多搬運(yùn)臂的運(yùn)動(dòng)可以作為一個(gè)多搬運(yùn)臂的移動(dòng)智能播放在人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要的角色。
多搬運(yùn)臂的運(yùn)動(dòng)的定義，世界上唯一的格式是不一樣的。手臂運(yùn)動(dòng)協(xié)會(huì)與更多的企業(yè)的聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化最近在他的手臂采用了國(guó)際對(duì)美國(guó)帶來的多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)的定義：操作臂多聯(lián)合演習(xí)是一個(gè)多功能可編程的操作系統(tǒng)，你可以改變?cè)摮绦虻牟僮魍瓿筛鞣N各樣的工作，尤其是對(duì)物料輸送，傳動(dòng)部件。參照國(guó)際定義，和語(yǔ)言的組合的中國(guó)多臂搬運(yùn)的定義如下：
機(jī)械手的多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)獨(dú)立的行動(dòng)，更自由，靈活地改變程序，它可以放置在任何地方，自動(dòng)化程度高的機(jī)器的自動(dòng)化。汽車油漆或其他涂料行業(yè)鉸接多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)E'可用。
多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)臂高剛性臂，與其它可能的相比，必須要快，能夠進(jìn)行重的東西，且精度非常高，可以基于外部信號(hào)，各種自動(dòng)操作的。
處理的多搬運(yùn)臂的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)可編程的自動(dòng)控制裝置的控制下。使用的多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)操作臂是提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和工作的生產(chǎn)率，生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，改善了工作條件，并降低了勞動(dòng)強(qiáng)度的有效手段。誕生和多搬運(yùn)手臂運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，雖然只有30歲，但已經(jīng)應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多部門，民間的技術(shù)，應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景，顯示出強(qiáng)大的生命力[1-2]。
1.2 搬運(yùn)機(jī)械手研究概況
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
人類和動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)原理的第一個(gè)系統(tǒng)研究是邁布里奇發(fā)明了照相機(jī)跟單，即設(shè)定的觸發(fā)相機(jī)的電源，并在1877年他成功地參加了四足和連續(xù)運(yùn)行的許多照片。后來，這種方法使用的相機(jī)是用來研究人體運(yùn)動(dòng)Demeny。從1930年到1950年，蘇聯(lián)也伯恩斯坦從深入人類和動(dòng)物研究的生物動(dòng)力機(jī)制的角度看，并提出??的議案非常形象化的描述。
真正研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)多搬運(yùn)全面，系統(tǒng)于1960年推出至今，聯(lián)合多月的手臂比較完整的理論體系只有形成，并在一些國(guó)家，如日本，美國(guó)和“蘇聯(lián)已成功開發(fā)出可以是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的，多臂樞軸原型。在這一節(jié)中，我們介紹了1960年至1985年期間，臂多搬運(yùn)實(shí)地達(dá)到的運(yùn)動(dòng)的最重要的進(jìn)展的團(tuán)隊(duì)。
在20世紀(jì)60年代和70年代，武裝多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)控制理論產(chǎn)生三種類型的控制方法是非常重要的，這限制了國(guó)家控制，控制參考模型和控制算法。這三種控制的方法對(duì)所有類型的搬運(yùn)機(jī)械手都是適用的。國(guó)家控制是通過在1961年提出的模型的參考檢查于1975年由美國(guó)法恩斯沃思南斯拉夫托莫維奇限制，該算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊爾?羅多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)學(xué)專家鮑賓控制Vukobratovic博士1969 - 1972年的教堂中扣除。有這三種類型的控制方法之間的內(nèi)在關(guān)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)控制參考模型，并且該控制算法是這種情況[1]的中心。
在搜索步態(tài)，蘇聯(lián)Bessonov和Umnov定義“最佳步態(tài)”，Kugushev和Jaro-
shevskij定義自由的步伐。這兩種步態(tài)不僅能適應(yīng)，而且要適應(yīng)胳膊多條腿多企業(yè)的動(dòng)向。在這些中，對(duì)于自由路徑的步驟的條件的規(guī)則。如果地形是非常粗糙的，所以運(yùn)動(dòng)臂多搬運(yùn)，下一步應(yīng)放在哪里腳不能基于對(duì)步驟序列來加以考慮，但應(yīng)通過步驟以便攀登者去步驟通過一些優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)來確定哪個(gè)是所謂的自由速度。
穩(wěn)定性研究手臂動(dòng)作的多搬運(yùn)，美國(guó)Hemami，該提議的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的控制的簡(jiǎn)化模型作為振蕩器，反轉(zhuǎn)（倒立擺），它可以被解釋為在換能器存在的問題的向前運(yùn)動(dòng)。此外，減少了控制的考慮，Hemami，誰(shuí)也研究手臂運(yùn)動(dòng)的多搬運(yùn)“減少型”問題的復(fù)雜性進(jìn)行了研究。
此前我們指出了系統(tǒng)的Vukobratovic還人形能量分析，但它的力量是有限的搬運(yùn)和隨時(shí)間的整個(gè)系統(tǒng)的變化，并沒有太多涉及這個(gè)問題的最佳功耗的出口。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一個(gè)有用的結(jié)論，即平滑的姿態(tài)，類人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)前機(jī)器人起步較晚，我國(guó)自1980年以來，在體育領(lǐng)域的多臂共同研究和應(yīng)用。 1986年，國(guó)家啟動(dòng)了“規(guī)劃綱要”的研究多動(dòng)搬運(yùn)臂，中國(guó)的高科技“863”水平運(yùn)動(dòng)臂包括于1987年。目前聯(lián)合研發(fā)，中國(guó)移動(dòng)手臂多企業(yè)的研究和開發(fā)應(yīng)用單位主要與高校和科研院所。初步調(diào)查多搬運(yùn)型機(jī)器人技術(shù)的主要目的是更先進(jìn)的技術(shù)來跟蹤國(guó)際風(fēng)險(xiǎn)手臂的運(yùn)動(dòng)，然后取得了一些成績(jī)。
1986年哈爾濱工業(yè)大學(xué)，他開始研究最為搬運(yùn)臂，腳靜手臂運(yùn)動(dòng)HIT-I和110厘米高，體重70千克多的企業(yè)，率先成功開發(fā)進(jìn)度有10個(gè)自由度，以到達(dá)地面上的線，左，右，以及運(yùn)動(dòng)，上下樓梯，45厘米左右10秒/步，速度成功研制的HIT和HIT-II-III，重量為42千克，長(zhǎng)度103厘米，它是12個(gè)自由度，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)步驟每秒24厘米，2.3分速度。 HI目前正在開發(fā)第四樂章的下一個(gè)多搬運(yùn)臂，身體52度的自由，這是一個(gè)偉大的運(yùn)動(dòng)和速度的平衡三臂，多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)[3-7]。
在1988年春國(guó)防科技大學(xué)成功具有六個(gè)自由度的平面雙足運(yùn)動(dòng)臂多搬運(yùn)KDW-1，可以向前，向后和上下樓梯，每秒40厘米，四步開發(fā)的最大速度，在1989年今年的步伐，我們開發(fā)了一種空間KDW-II，具有10個(gè)自由度，最高的69厘米，重13公斤，包括更多的來回，上下樓梯和周圍的近靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。 1990年兩縱縫互聯(lián)網(wǎng)KDW-II，在KDW-Ⅲ開發(fā)的，有12個(gè)自由度，并添加函數(shù)曲線，以獲得完整的測(cè)試環(huán)境。 1995年在步驟20厘米0.8秒?22厘米，13度的最大角度動(dòng)態(tài)的步伐。 2000年KDW-III中國(guó)的第一個(gè)人形的手臂的“排頭兵”的成功結(jié)束的發(fā)展的基礎(chǔ)上，在一個(gè)不確定的環(huán)境下微小的變化動(dòng)態(tài)每秒，兩步周期，1.4男，為20 kg的多搬運(yùn)的動(dòng)作，有頭，眼睛，頸部，身體，手臂，腳，和一定程度的語(yǔ)言功能[8-13]中。
此外，清華大學(xué)正在開發(fā)一個(gè)人形的手臂培育更多升學(xué)銜接THBIP-I，高七米，體重130千克，32自由度的支持清華大學(xué)985項(xiàng)目，該項(xiàng)目是。南京航空航天大學(xué)有八個(gè)自由度機(jī)械手搬運(yùn)間隙靜態(tài)函數(shù)[13,14]的發(fā)展。
本文從“首屆全國(guó)研究生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”多搬運(yùn)手臂動(dòng)作。此時(shí)，單臂，多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)通常在車輪的形式是為了實(shí)現(xiàn)功能相。事實(shí)上，模仿人類行走手臂和腿部的多搬運(yùn)的動(dòng)作并不多，但也有六條腿，已經(jīng)出現(xiàn)四腿臂多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)，但多搬運(yùn)手臂運(yùn)動(dòng)尚不多見。我們的問題，簡(jiǎn)單地探索設(shè)計(jì)巧妙的機(jī)械設(shè)備和簡(jiǎn)單的控制來模擬人的手臂的多搬運(yùn)的動(dòng)作。子功能是：替代大步，搖搖頭，擺動(dòng)手臂，擺臂。
1.3 搬運(yùn)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)
搬運(yùn)型機(jī)器人和部分整體關(guān)系的概述：
它主要由機(jī)械系統(tǒng)（執(zhí)行系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)），探測(cè)系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。
1.執(zhí)行系統(tǒng)：公用部分的執(zhí)行系統(tǒng)管理部門，機(jī)械零件最全面的定義，以必要的各種運(yùn)動(dòng)，包括手，手腕，來獲得身體。
1.末端執(zhí)行用于執(zhí)行，并且配置的工作直接涂漆。
2.手腕，手和連接元件的臂，具有安排作為任務(wù)或工作的端部的方向的改變。
3.臂和連接基團(tuán)的手的手臂，手腕支撐體時(shí)，執(zhí)行負(fù)荷管理塊，手的空間位置，臂操作空間的變化滿足多個(gè)搬運(yùn)，在基座的任何類型的動(dòng)力傳輸。
D：機(jī)身，多鉸接臂基部，支撐輥，由臂部件支承，并具有使所述臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，起重或傾斜運(yùn)動(dòng)的任務(wù)。
2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：提供電力的各種組件的系統(tǒng)是活動(dòng)的，以及供應(yīng)單元設(shè)備。通用機(jī)械傳動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)和電氣，氣動(dòng)，電動(dòng)。
（3）操作系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的根據(jù)工作，故障報(bào)警或錯(cuò)誤的信號(hào)的要求執(zhí)行。
（4）檢測(cè)系統(tǒng)：經(jīng)由各種傳感裝置，控制器官運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，保證作用，如果有的話反饋到控制系統(tǒng)相對(duì)于該組的運(yùn)動(dòng)的要求。
實(shí)踐證明，該小組可以取代繁重的體力勞動(dòng)的多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)，顯著減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化。經(jīng)常處理和工業(yè)生產(chǎn)在長(zhǎng)期內(nèi)往往體積龐大件，單調(diào)的操作，單臂，多聯(lián)合動(dòng)作是有效的。此外，它可在高溫，低溫，深水，宇宙，環(huán)境條件和其他有毒放射性污染進(jìn)行操作，同時(shí)也表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景[4-8]。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 技術(shù)參考數(shù)據(jù)
一個(gè)底座，一個(gè)搬運(yùn)型機(jī)械手。式子里，，機(jī)械手的末端為夾板型，夾板的尺寸要求能夾起一箱伊利純牛奶（4×4盒），其他尺寸視情況自擬。
圖2.1 機(jī)械手
經(jīng)常測(cè)量市場(chǎng)上某一箱伊利純牛奶（4×4盒）的外形尺寸為220mmX220mm.
2.2 搬運(yùn)機(jī)械手工程概述
搬運(yùn)機(jī)械手是一個(gè)技術(shù)集成的跨學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的機(jī)器，機(jī)制，機(jī)械，氣動(dòng)，液壓技術(shù)，檢測(cè)技術(shù)等領(lǐng)域。在科人找出有效解決組合問題綜合工程被稱為“系統(tǒng)工程”。手臂多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，例如，系統(tǒng)工程，應(yīng)作為一個(gè)綜合的方法來系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)外關(guān)系的系統(tǒng)，并從整個(gè)有機(jī)聯(lián)系的手臂運(yùn)動(dòng)環(huán)境的研究，開發(fā)和應(yīng)用根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)部部分多接頭。
從復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，包括一定的規(guī)則的功能系統(tǒng)結(jié)合多個(gè)子系統(tǒng)，它是一個(gè)不可分割的整體。如果你失去了開放的系統(tǒng)，可根據(jù)特定的一組。因此，在一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)，概念啟動(dòng)機(jī)器，系統(tǒng)必須具有以下特征：
1.機(jī)械系統(tǒng)完整的完整性機(jī)械系統(tǒng)由幾個(gè)子系統(tǒng)具有不同的整體性能應(yīng)具有的特定功能。
2.作用的子系統(tǒng)之間的有機(jī)聯(lián)系，包括有機(jī)，相互關(guān)聯(lián)的。
（3）每個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)必須具有明確的目標(biāo)和系統(tǒng)的功能，結(jié)構(gòu)，功能，目標(biāo)和手段，決策系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)結(jié)合起來。
（4）系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)是適應(yīng)環(huán)境在某些情況下，我們必須能夠適應(yīng)變化的外部環(huán)境中。
所以，在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，不僅要注意搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的部件的整個(gè)多部件設(shè)計(jì)臂應(yīng)根據(jù)視工程系統(tǒng)的角度來看，這取決于一個(gè)單一的多搬運(yùn)臂的動(dòng)作的功能要求，子系統(tǒng)，多臂搬運(yùn)，合理，產(chǎn)品的性能，需要在多搬運(yùn)臂的動(dòng)作的作業(yè)的所有組件。一般來說，最復(fù)雜的行業(yè)手臂搬運(yùn)如下：在操作機(jī)器，是最大的，單臂多搬運(yùn)的運(yùn)動(dòng)來完成的任務(wù)，式子里，包括基地，手臂，手腕，副作用機(jī)構(gòu)。傳輸系統(tǒng)，式子里，包括幾個(gè)傳輸零點(diǎn)電源，控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)包括電子控制裝置的操作，記憶功能（計(jì)算機(jī)或其它版本控制裝置可編程），操作員接口裝置（鍵盤，學(xué)習(xí)盒等），數(shù)據(jù)處理裝置和各種傳感器，放大離線傳輸，傳感器編程接口設(shè)備通??信的I / O 14]內(nèi)部和外部傳感器和其他設(shè)備（一般或特別。
特征行業(yè)臂多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)是普遍的調(diào)整，靈活的臂工業(yè)多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)可有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的發(fā)送處理單元組件或材料或其它柔性制造系統(tǒng)（例如，機(jī)床，鍛壓，焊接，裝配等生產(chǎn)設(shè)備），輔助設(shè)備，控制系統(tǒng)，多搬運(yùn)臂運(yùn)動(dòng)，各種不同形式的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的組建多聯(lián)技術(shù)工藝機(jī)械行業(yè)其他生產(chǎn)部門。生產(chǎn)，如建筑，開采，生產(chǎn)和輸送臂移動(dòng)多搬運(yùn)是參考系統(tǒng)。
2.3 工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述
（一）確定負(fù)載
目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)用運(yùn)動(dòng)的多搬運(yùn)臂，負(fù)載能力，最小額定負(fù)載5N或更小范圍很大，最多的為9000N。這篇文章5公斤載荷。
負(fù)載的大小主要取決于由于運(yùn)動(dòng)的沿的作用力和夫婦的機(jī)械接口上的多搬運(yùn)臂的運(yùn)動(dòng)的方向。式子里，下臂應(yīng)該包括端部執(zhí)行器的更搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)（重量），和工件的重量或處理對(duì)象接縫預(yù)定速度和加速度的條件下，產(chǎn)生的慣性力等。該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)參考設(shè)計(jì)初步估算表明，這一項(xiàng)目可能屬于一個(gè)小負(fù)荷。
（二）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
由于伺服電機(jī)具有良好的控制性能，檢查的靈活性，允許速度，位置，環(huán)境，體積小，效率高，適用于更為苛刻的運(yùn)動(dòng)控制沒有影響的精確控制小臂運(yùn)動(dòng)多企業(yè)等特點(diǎn)，因此，該項(xiàng)目采用的是伺服電機(jī)。
（三）傳動(dòng)系統(tǒng)
動(dòng)臂多搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)可以緊湊，重量輕，慣性小，傳動(dòng)鏈條應(yīng)考慮采取措施縮小差距，提高手臂多的移動(dòng)和位置創(chuàng)業(yè)精密運(yùn)動(dòng)控制。臂傳遞機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)多搬運(yùn)通常使用齒輪，蝸桿，滾珠絲杠，皮帶，鏈條傳動(dòng)，行星齒輪，傳動(dòng)齒輪和諧波鋼等，由于傳動(dòng)齒輪具有效率高，準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，與大學(xué)學(xué)習(xí)和掌握更扎實(shí)的傳輸，所以這個(gè)設(shè)計(jì)設(shè)得的旅行。
（四）工作范圍
操作過程中的工業(yè)手臂動(dòng)作的工作范圍是多搬運(yùn)的多搬運(yùn)臂的運(yùn)動(dòng)取決于所述扇區(qū)的操作領(lǐng)域和確定的軌跡，用表示的工作空間。形狀和有關(guān)該結(jié)構(gòu)的工作空間的大小坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的多搬運(yùn)機(jī)械手，其大小和在數(shù)量和程度每個(gè)臂的自由操縱器公共軸線的長(zhǎng)度的變化程度和所設(shè)得的搬運(yùn)軸的每個(gè)角的
（五）運(yùn)動(dòng)速度
每個(gè)鉸接機(jī)械臂更堅(jiān)定的臂的最大行程，按照循環(huán)時(shí)間來確定每個(gè)操作的時(shí)間的運(yùn)動(dòng)后，可以進(jìn)一步確定每個(gè)動(dòng)作的速度，單位為米/秒（°）/ s的，時(shí)間每個(gè)運(yùn)動(dòng)分配考慮在順序地或同時(shí)地等進(jìn)行許多因素，如每個(gè)操作序列之間的周期的總時(shí)間長(zhǎng)度。表做他們的操作時(shí)間，操作時(shí)間分配之外的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較，以考慮分配請(qǐng)求有關(guān)的過程，它也必須考慮慣性的行程的大小和驅(qū)動(dòng)和控制，定位和精度要求。
2.4 機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理
搬運(yùn)機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)組成如圖：
圖2.2 搬運(yùn)機(jī)械手本體組成
本節(jié)描述的所有以下列方式的組件和功能。
基本單位：
基座構(gòu)件包括底座，齒輪傳動(dòng)件，軸承，步進(jìn)馬達(dá)。基本作用是支持構(gòu)件，所述支承構(gòu)件旋轉(zhuǎn)臂，承受的工作負(fù)載的總重量和搬運(yùn)機(jī)器人，所述堿必須具有足夠的強(qiáng)度，剛度和負(fù)荷能力。此外，該堿也需要一個(gè)足夠大的安裝基礎(chǔ)，以確保在工作場(chǎng)所搬運(yùn)機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行。
搬運(yùn)機(jī)器人臂，通常會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)（例如，液壓，氣動(dòng)或一個(gè)馬達(dá)）和一個(gè)驅(qū)動(dòng)源（例如，燃料箱，燃料箱，齒輪齒條機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)，螺旋機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)等各種運(yùn)動(dòng)臂組成的組件的）
手臂大臂和小臂。繁榮的成員如下：動(dòng)臂和齒輪件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在臂構(gòu)件：臂，驅(qū)動(dòng)軸，皮帶，定時(shí)等，以手腕運(yùn)動(dòng)用步進(jìn)固定臂的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的一端。腕部分：包含列表殼體，傳動(dòng)齒輪和軸，所述機(jī)械接口。
2.5 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)
搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式的機(jī)器人形結(jié)構(gòu)，并調(diào)整圓柱形結(jié)構(gòu)，球面坐標(biāo)的結(jié)構(gòu)，該多接頭結(jié)構(gòu)4。的結(jié)構(gòu)和它們的相應(yīng)特征中的每一個(gè)，如下所述[3]。
1.直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)
運(yùn)動(dòng)空間直角坐標(biāo)機(jī)器人，它是那么容易落實(shí)到閉環(huán)位置控制的線性運(yùn)動(dòng)，由于如圖2-1（一），直角坐標(biāo)機(jī)器人可以達(dá)到非常高的位置，實(shí)現(xiàn)各有三個(gè)其他存在的由垂直的直線運(yùn)動(dòng)精度（[μ]中號(hào)步驟）。然而，直角坐標(biāo)相對(duì)于空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)有關(guān)的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的尺寸，這是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)恒定的空間運(yùn)動(dòng)，大于機(jī)器人比其他類型的矩形機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸的組織尺寸坐標(biāo)。
直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作區(qū)是矩形空間。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于組裝和搬運(yùn)，直角坐標(biāo)機(jī)器人的業(yè)務(wù)，它具有懸臂門，三起重機(jī)類型的結(jié)構(gòu)。
2.圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)
如在圖2-1（B）中，空間氣缸所示，調(diào)整直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人。這種機(jī)器人的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且能夠在精度一般操作的處理中使用。它的工作空間是圓柱形的空間。
3.球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)
如圖2-1（c）中，該空間的運(yùn)動(dòng)是球形坐標(biāo)機(jī)器人組成的直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。這個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，成本低，精度不高。它將在主要業(yè)務(wù)的處理中使用。他們的工作空間是球形的空間。
4. 搬運(yùn)型結(jié)構(gòu)
如在2-1（d）所示，為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)空間移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人包括三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。多搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。規(guī)模相對(duì)機(jī)械手本體，其相對(duì)較大的工作空間。這種機(jī)械手是廣泛焊接，涂裝，搬運(yùn)，組裝，以及使其它操作被廣泛用于在這種類型的機(jī)器人的，它是在工業(yè)中使用。
搬運(yùn)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)，有水平搬運(yùn)型和垂直搬運(yùn)型兩種。
(a) 直角坐標(biāo)型 (b) 圓柱坐標(biāo)型 (c) 球坐標(biāo)型 (d) 搬運(yùn)型
圖2-1 四種機(jī)械手坐標(biāo)形式
根據(jù)任務(wù)書和具體要求，我們，事實(shí)上，設(shè)得了搬運(yùn)型（D）。
特定的形狀和特定的要求機(jī)器人數(shù)控機(jī)布局，設(shè)計(jì)要求兼顧處理工件到5KG質(zhì)量能夠簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低只要，由于考慮到會(huì)議系統(tǒng)的技術(shù)要求的前提下，以改善這種設(shè)計(jì)的可靠性和具體的成本。大機(jī)器人臂的運(yùn)動(dòng)范圍和更高的定位精度，用一個(gè)腰部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度六個(gè)自由度，以及自由設(shè)計(jì)的懸臂和臂腕音調(diào)的轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)距自由前臂，轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的機(jī)械手。在本文的臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求的尺寸，因此，需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)大熱潮，俯仰自由，在該臂的詳細(xì)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)的自由。
2.6 本章小結(jié)
為了確定解決方案，才能做出最終決定，通過設(shè)得多種方案，完成設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)，本章后面英寸如，以確定機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)，機(jī)器人，手臂，手腕，端部的腰部，中詳細(xì)做了的設(shè)計(jì)的各個(gè)部分。
3 機(jī)械手大臂部結(jié)構(gòu)
3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求
臂部件的主要成分是搬運(yùn)機(jī)器人。它的作用是支持的手，帶領(lǐng)他們騰出運(yùn)動(dòng)。臂移動(dòng)類型：任意點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)的空間范圍內(nèi)的一個(gè)手柄部。如果你已經(jīng)改變了手（方位）合資的態(tài)度，以手臂來實(shí)現(xiàn)的自由。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)成一般臂的基本要求。
1.手臂，能力，需要加載剛度好，重量輕
它通常是在臂，不僅彎曲（在一個(gè)方向上，而不是僅僅彎曲），由反向，由需要設(shè)得的高彎曲和橫截面形狀的抗扭剛度。顯然，基本相同的按橫截面，鋼鐵，工程單位重量的面積
字槽鋼和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，比圓形大得多。因此，在搬運(yùn)機(jī)器人的無縫鋼管，不僅提高了在許多情況下（如圖4.1和4.2）導(dǎo)桿，如工字鋼，或所述臂的剛度，非常減少臂的重量，中空只更確切地說，被用作支撐槽鋼，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器，因此，清爽使在緊湊，以及傳輸管道的外觀，它可以被放置。
2.在臂的速度高時(shí)，也有小的慣性
在統(tǒng)一的手臂一般，運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)求啟動(dòng)和力臂端，移動(dòng)的減速時(shí)間開始，否則，沖擊和振動(dòng)，加速度和終止請(qǐng)求之前沒有太大的影響為了減少，它已經(jīng)改變了。
為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，必須采取以下措施。
（A）成分，降低臂的重量以移動(dòng)使用鋁等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。
（B）以減少手臂運(yùn)動(dòng)部件的總體尺寸
（C）減少轉(zhuǎn)彎半徑
（D）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置
（3）的運(yùn)動(dòng)的臂應(yīng)該是靈活的。
為了減少摩擦和滑動(dòng)摩擦的運(yùn)動(dòng)部件之間的摩擦力盡可能臂滾動(dòng)代替。
（4）位置精度要高。
最困難的搬運(yùn)轉(zhuǎn)移機(jī)器人控制的位置，精度很差，通常是高直角坐標(biāo)加上設(shè)置裝置，用于搬運(yùn)機(jī)器人的圓筒形位精度，檢測(cè)臂上這意味著位置，可以控制一個(gè)更好的位置精度。
在本文中，其它機(jī)器人臂的剛度，減少了電機(jī)負(fù)載的底部接頭，減少了臂的重量，以確保它能夠提高機(jī)器人手臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，一方面，薄鋁設(shè)計(jì)合金構(gòu)件。鑄造鑄型砂的設(shè)計(jì)的最小厚度。最小壁厚：具有其鑄造合金，分別不同的鑄造合金鑄造的合適的厚度，“最小厚度可以是”澆鑄，取決于類型的尺寸和合金鑄件，相同是否，見表4.1所示：
鑄件尺寸
鑄鋼
灰鑄鐵
球墨鑄鐵
可鍛鑄鐵
鋁合金
銅合金
＜200×200
200×200~500×500
＞500×500
5~8
10~12
15~20
3~5
4~10
10~15
4~6
8~12
12~20
3~5
6~8
---
3~3.5
4~6
---
3~5
6~8
---
表4.1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計(jì)（mm）
它簡(jiǎn)單地砂鑄造廠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一個(gè)特殊的鑄造工藝，鑄造結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于每個(gè)不同的鑄件和特性應(yīng)根據(jù)來設(shè)計(jì)。在本文中，通過使用鑄鋁外殼手臂。具體尺寸，請(qǐng)參閱總裝圖。
3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。
3.3 大臂電機(jī)及減速器選型
假設(shè)小臂及腕部繞第二搬運(yùn)軸的重量：
M2=2Kg， M3=4Kg
J2=M2L42+M3L52 =1×0.0972+4×0.1942
=0.16kg.m2
大臂速度是10r/min ，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩用以下式表達(dá)：：
式子里，T - 旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩 N.m
J --- 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg.m2
--- 角加速度rad/s2
使機(jī)械手大臂從到需要的用時(shí)：則：
(3.4)
鑒于關(guān)于重心的機(jī)器人手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的摩擦轉(zhuǎn)矩軸的各個(gè)部分的，開始轉(zhuǎn)動(dòng)10N.m起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以假設(shè)2的安全指數(shù)，期望的輸出的諧波減速器最小轉(zhuǎn)矩為：
(3.5)設(shè)得諧波減速器：
⑴型號(hào)：XB3-50-120 （XB3型扁平式諧波減速器）
額定輸出轉(zhuǎn)矩：20N.m
減速比：i1=120
設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為：
(3.6)
設(shè)得BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)
型號(hào)：55BF003
靜轉(zhuǎn)矩：0.686N.m
步距角：1.5°
3.4 減速器參數(shù)的計(jì)算
剛輪、柔輪的材料都是鍛鋼，小齒輪用45＃的材質(zhì)，，硬度250HBS。
剛輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度220HBS。
1.齒數(shù)的確定
柔輪齒數(shù)：
剛輪齒數(shù)：
已知模數(shù)：，則
柔輪分度圓直徑：
鋼輪分度圓直徑：
柔輪齒圈處的厚度：
重載時(shí)，為了增大柔輪的剛性， 允許將δ1計(jì)算值增加20%，即
柔輪筒體壁厚：
為了提高柔輪的剛度，取
輪齒寬度：
輪轂凸緣長(zhǎng)度：取
柔輪筒體長(zhǎng)度：
輪齒過渡圓角半徑：
為了減少應(yīng)力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取
2.嚙合參數(shù)的計(jì)算
由于采用壓力角的漸開線齒廓，傳動(dòng)的嚙合參數(shù)請(qǐng)看以下式子。
因輪齒扭矩的因素，使輪齒間隙減小的值為：
（扭轉(zhuǎn)彈性模數(shù)G=80GPa）
式子里，：
W0／m=0.89＋8×10-5×Zr＋2Cnmax／m
為了消除在的情況下進(jìn)入嚙合的齒頂干涉，則必須使最大側(cè)隙大于由于齒輪扭轉(zhuǎn)減小的側(cè)隙后，還應(yīng)保證存在有側(cè)隙值。
式子里，：
徑向變形系數(shù)：
則：
徑向變形系數(shù)：
柔輪的變位系數(shù)：
剛輪的變位系數(shù)：
驗(yàn)算相對(duì)嚙入深度：
如果計(jì)算找出的，繼續(xù)計(jì)算，設(shè)得2。如果出現(xiàn)，為了傳遞動(dòng)力，應(yīng)適當(dāng)增加值重新計(jì)算，使。
柔輪齒根圓直徑：
式子里，齒頂高系數(shù);徑向間隙系數(shù)
柔輪齒頂圓直徑：
式子里，（找到相應(yīng)表格設(shè)出）
相對(duì)嚙入深度和輪齒過渡曲線深度系數(shù)之和應(yīng)符合兩個(gè)不等式驗(yàn)算公式。
即：
剛輪齒頂圓直徑：
剛輪齒根圓直徑：
設(shè)出插齒刀齒數(shù)，插齒刀變位系數(shù)，插齒刀原始齒形壓力角，則
剛輪和插齒刀的制造嚙合角：
找到漸開線函數(shù)表和三角函數(shù)的表格設(shè)出
那么剛輪和插齒刀的制造中心距：
插齒刀的齒頂圓直徑：
剛輪齒根圓直徑：
驗(yàn)算剛輪齒根圓和柔輪齒頂圓的徑向間隙：
即：
可見沿波發(fā)生器長(zhǎng)軸,在剛輪齒根圓與柔輪齒頂圓之間存在徑向間隙。
3.凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計(jì)算
滾珠直徑：
柔輪齒圈處的內(nèi)徑：
那么：
軸承外環(huán)厚度：由于工藝上的要求，可將外環(huán)做成無滾道的
軸承內(nèi)環(huán)厚度：
內(nèi)環(huán)滾道深度：
式子里的是考慮到外環(huán)無滾道而內(nèi)環(huán)滾道加深量。
軸承內(nèi)外環(huán)寬度：所用為滾珠軸承，近似等于齒寬
軸承外環(huán)外徑：
軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)徑：
為了便于制造，采用雙偏心凸輪波發(fā)生器。
則凸輪圓弧半徑：
式子里，ｅ是偏心距：
（---剛輪分度圓直徑，---柔輪分度圓直徑）
則凸輪圓弧半徑：
凸輪長(zhǎng)半軸：
凸輪短半軸：
3.5承載能力的計(jì)算
3.5.1 柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算
按照在非?？拷彷喼本€的諧波傳動(dòng)齒輪比特性和剛性輪比的齒數(shù)多的齒。因此，通過工作表面的齒側(cè)的最大接觸應(yīng)力，主要的負(fù)載能力的實(shí)際諧波驅(qū)動(dòng)的限制軟。因此，諧波傳動(dòng)齒輪齒的軟邊，應(yīng)符合下列條件的接觸強(qiáng)度。
接觸力計(jì)算公式：
---輸出轉(zhuǎn)矩
---柔輪節(jié)圓半徑
---柔輪輪齒寬
---剛輪壓力角
---接觸系數(shù)（0.4~0.9）
對(duì)于一般雙波傳動(dòng)，輪齒寬許用接觸應(yīng)力:
則：
所以滿足齒面的接觸強(qiáng)度要求。
3.5.2 柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算
柔輪材料采用 ,調(diào)制硬度229~269。
計(jì)算柔輪在反復(fù)彈性變形狀態(tài)下工作時(shí)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為:
截面處正應(yīng)力：
切應(yīng)力：
由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力：
式子里：
則：
驗(yàn)算安全系數(shù)：
疲勞極限應(yīng)力：
應(yīng)力安全系數(shù)：
式子里，抗拉屈服極限：
剪切應(yīng)力集中系數(shù)：
達(dá)到疲勞強(qiáng)度要求。
軸的計(jì)算校核
畫軸的受力分析圖，軸的受力圖請(qǐng)見下圖：
已知：作用在剛輪上的
圓周力
徑向力
法相力
1) 算出垂直面的支撐反力：
2) 水平面的支撐反力：
3） F在支撐點(diǎn)產(chǎn)生的反力：
外力F作用方向與傳動(dòng)的布置有關(guān)，在具體位置尚未確定前，可按最不利的情況考慮，見（7）的計(jì)算
4） 繪垂直面的彎矩圖：
5) 繪水平面的彎矩圖：
6) F產(chǎn)生的彎矩圖：
a-a截面F力產(chǎn)生的彎矩為：
7) 算出合成彎矩圖：
按最壞的狀態(tài)，把與直接相加
MA=+MAF=
+41.1=70.1 N.m
M'A=+MAF=
+41.1=62.57 N.m
8) 算出軸傳遞的轉(zhuǎn)矩：
N.mm
9) 算出危險(xiǎn)截面的當(dāng)量轉(zhuǎn)矩
請(qǐng)見下圖，a-a截面最危險(xiǎn)，其當(dāng)量轉(zhuǎn)矩為：
如認(rèn)為軸的扭切應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)變力，設(shè)折合系數(shù)a=0.6，帶入式子得出：
10） 算出危險(xiǎn)截面處軸的直徑
軸是45＃鋼材，調(diào)質(zhì)處理，從表格14-1找到并設(shè)出δB=650Mp,從表格 14-3找到并設(shè)出[δ-1b]=60Mpa,則：
考慮到鍵槽對(duì)軸的消弱，將d值加大5%，由此得出：
d=22.8*1.05=24mm<32mm
滿足條件
因a-a處剖面左側(cè)彎矩大，同時(shí)作用有轉(zhuǎn)矩，且有鍵槽，故a-a左側(cè)為危險(xiǎn)截面。
它的彎曲截面系數(shù)是：
抗扭截面系數(shù)為：
彎曲應(yīng)力為：
扭切應(yīng)力為：
按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，對(duì)于單向轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)矩按脈動(dòng)循環(huán)處理，故取折合系數(shù)a=0.6則當(dāng)量應(yīng)力為：
，
從表格找到并設(shè)出45鋼，調(diào)質(zhì)處理，抗拉強(qiáng)度極限=640Mpa，則從表格找到并設(shè)出軸的許用彎曲應(yīng)力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],強(qiáng)度滿足要求。
4 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算
除了當(dāng)滿足抓取要求的設(shè)計(jì)的手中，不僅滿足下列要求。
1.，從而使手指抓握的大小適合
確定握指（即夾緊力），它要么必須做緩慢的工作，以確保它不會(huì)脫落，但生產(chǎn)操作或發(fā)送工作過程中，應(yīng)考慮和振動(dòng)的重量和慣性力，握太浪費(fèi)，可能會(huì)傷害到工作。
2.，它必須確保它是可能的，或者離開工作進(jìn)入一個(gè)手指來平滑
伸縮手指容易抓地力，以確保有足夠的夾緊間隔為工件的釋放，其必須足夠大以容納直徑大的開口角的范圍。機(jī)動(dòng)顎足夠大范圍的移動(dòng)。
（3）具有其自身的重量和足夠的強(qiáng)度和剛性的光
當(dāng)由等于慣性力在工件運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)，被夾持在的反應(yīng)的影響，但有足夠的強(qiáng)度和剛度抵抗彎曲或斷裂，需要機(jī)器人，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，它必須是重量輕，并且手腕的扭轉(zhuǎn)力矩，以便最小化，并且集中在旋轉(zhuǎn)手腕軸。
（4），該操作是快速，靈活，精確，它也有必要容易地交換普遍機(jī)械手
這可以根據(jù)手，手吸附或把持類應(yīng)用的手的專用工具（噴槍，扳手，焊接工具）的種類進(jìn)行劃分。
您正在使用的夾式設(shè)計(jì)，這樣的分析和比較后的手中。手，從而形成結(jié)構(gòu)類型的多樣性，機(jī)器人直接抓取把手（或吸附）對(duì)象或特殊工具，部件應(yīng)基于任務(wù)的工作的要求來設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)，手的大小它是執(zhí)行把持作業(yè)的任務(wù)。手可以模仿動(dòng)作已被安裝在臂的前端。
握持手型
工件的夾手抓取形狀具有很大的適應(yīng)性，它已被廣泛使用。這將隨著鋼絲鉗或類似設(shè)備移動(dòng)。
二，結(jié)構(gòu)
剪輯手柄汽車，傳輸和手指（或腳），它意味著它是其它組分。最活塞筒驅(qū)動(dòng)單元。公共傳輸鏈路機(jī)構(gòu)，滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，齒條和小齒輪機(jī)構(gòu)或類似物可以被提及。兩個(gè)手指共同手指，并且有許多其它形式的裝置。手指的手指，工件和直接接觸，形狀結(jié)構(gòu)的一部分，或者根據(jù)工件的形狀被夾緊。通過模仿手指時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的手的人力資源結(jié)構(gòu)，可分為便攜形式。分析，并在此設(shè)計(jì)選定的移動(dòng)齒條 - 小齒輪手的比較。
4.2 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核
手爪類別分為：
1.連桿杠桿式手爪
夾緊夾具（放松）為該夾持器，連接桿的運(yùn)動(dòng)，杠桿發(fā)力由活塞推力放大，夾持器產(chǎn)生杠桿，以便能夠產(chǎn)生大的夾緊力。在一般情況下，它與彈簧結(jié)合使用。
2.楔塊杠桿式手爪
它是在為了實(shí)現(xiàn)爬行工作，以實(shí)現(xiàn)疏松夾持器，請(qǐng)使用楔和杠桿開啟。
3.齒輪齒條式手爪
活塞架，這種夾持器，以產(chǎn)生一個(gè)夾持器夾緊和松開的行為由齒條驅(qū)動(dòng)齒輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。
4.滑槽式手爪
當(dāng)活塞向前移動(dòng)時(shí)，推夾持器銷，當(dāng)活塞已經(jīng)移動(dòng)向后夾持器釋放，夾緊力和鉗位操作的結(jié)果，并通過合并滑動(dòng)。大為了應(yīng)付這種夾持器開口和不同尺寸的關(guān)閉行程的對(duì)象的抓取。
5.杠桿平行氣爪
軌比是在夾持導(dǎo)軌摩擦小得多平行移動(dòng)，因此，不需要能夠保證在兩個(gè)手指夾持器平行移動(dòng)的平行四邊形機(jī)構(gòu)。
與特定的工作條件相結(jié)合，可使用夾持器的連桿的類型?；钊鶑?fù)，活塞桿端的齒條，以驅(qū)動(dòng)手指以打開或關(guān)閉的中間機(jī)架和機(jī)架風(fēng)扇。它被設(shè)置為通過手指工件的最小孔徑。設(shè)計(jì)成根據(jù)與繩索綁使用50毫米設(shè)計(jì)的最大重量的直徑。
A.適當(dāng)?shù)膴A緊力
手在工作場(chǎng)所，不會(huì)對(duì)工件加工表面的損傷，以保證小的變形的一個(gè)穩(wěn)定可靠的抓地力，必須具有適當(dāng)?shù)膴A緊力。對(duì)于工件的夾緊力剛性差的大小應(yīng)該被認(rèn)為是一種安全自鎖裝置應(yīng)設(shè)計(jì)成可調(diào)笨重的工件。
B.有足夠的空間用于打開和關(guān)閉
操作上，手指張開，閉合位置打開和關(guān)閉被稱為范圍內(nèi)的最大變化量。手指握住手，你將有開閉裝置。可用的快門角度和表示的長(zhǎng)度的指握結(jié)束。開口和旋轉(zhuǎn)手手指閉范圍，在要求的相關(guān)的一些因素的手指的開閉范圍
C.它是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，請(qǐng)?jiān)谛?
運(yùn)動(dòng)以引導(dǎo)整個(gè)液壓機(jī)械手，重把持，影響定位精度，速度和其它性能，結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，不同的重量和體積時(shí)。由于在手腕的前沿手，在設(shè)計(jì)的手工作，它是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，必須是一個(gè)小的尺寸。
D.手指必須有一定的強(qiáng)度和剛度
從而饋送兩個(gè)的手指的最常用盒之外使用，單作用液壓缸中，當(dāng)釋放時(shí)，根據(jù)工件的形狀，液壓操縱夾具，其常閉彈簧夾具夾緊爪的方法。這樣的結(jié)構(gòu)是很容易簡(jiǎn)單的制造。
汽缸油的右腔室時(shí)，油被釋放到工件中，當(dāng)停止液壓缸右腔室。
4.3 結(jié)構(gòu)分析
機(jī)械手是最重要的執(zhí)行，并用于容納所述工件的部分。其原理可分為兩類的保持吸附類型，普通手柄，這個(gè)主題采用了夾持手。它抽搐，手牽手，你可以把Puropufukku和春季。抽搐選題是，它是工業(yè)機(jī)器人手的最常見形式。手旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器可分為平動(dòng)式及面包的類型。對(duì)象背部過渡的特征在于，所述夾持器夾緊，釋放手指旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)。改變捕獲的直徑的物體，以保持不變的對(duì)象的中心位置，如果有必要調(diào)整把持位置。翻譯類型平行四指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，夾持器夾持的功能，用于翻譯，被釋放的對(duì)象，相同的手指的手勢(shì)。和，旋轉(zhuǎn)夾緊器作為保持中心向?qū)ο蟮拇笮”粖A緊直徑的變化。翻譯類型是獨(dú)立的在特性的變化和時(shí)間的工件直徑工件保持夾具，以釋放手指的平移運(yùn)動(dòng)，它會(huì)繼續(xù)保持在固定的中心。為了便于麻煩固定中心的保持，如圖4-1，使用翻譯類型，翻譯槽是通過保持手指引導(dǎo)。
圖4-1 手部裝配圖
4.4計(jì)算分析
根據(jù)工件體重增加率由于夾緊力的計(jì)算的情況下
線性和機(jī)器人臂以基于狀態(tài)的停止的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合包括這樣的速度和加速度。工作的加速度按體重而變化，并且。在驅(qū)動(dòng)力的中心線的長(zhǎng)度方向機(jī)器人手部是P，讓我們應(yīng)用于Pη×使用壓力×=氣缸有效橫截面面積。 （沿著手指的移動(dòng)方向）作用在指尖夾緊力Q.你的手指，摩擦μQ，讓我們的工作重量G =毫克黛咪。拾取單個(gè)手指工件被計(jì)算，有必要強(qiáng)制問答
圖2-2，創(chuàng)建不對(duì)應(yīng)于式必須建立一個(gè)工作，顯示了工件的垂直加速度上升.
得
代入數(shù)據(jù)，得
設(shè)出活塞桿直徑d=0.5D,設(shè)得油缸工作壓力P=0.81MPa,
根據(jù)表4.1（JB826-66），設(shè)出液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm
則活塞桿內(nèi)徑為:
D=630.5=31.5mm，設(shè)出d=32mm
為了保證手抓張開角為，活塞桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為34mm。
手抓夾持范圍，手指長(zhǎng)100mm,當(dāng)手抓沒有張開角的時(shí)候，如圖3.2（a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑，當(dāng)張開時(shí)，如圖3.2（b）所示，最大夾持半徑計(jì)算如下：
機(jī)械手的夾持半徑從20-30mm。
4.5 腕部設(shè)計(jì)
手腕和手，并支持機(jī)械臂連接，改變手的態(tài)度。
手腕的設(shè)計(jì)要求如下。結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，動(dòng)作靈活，平穩(wěn)，定位精度高，材料強(qiáng)度，高剛度，手臂和搬運(yùn)的手結(jié)構(gòu)合理，傳感器和執(zhí)行器和設(shè)備的合理布局安裝。
4.5.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算
腕偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)偏壓的變化，通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，它設(shè)置在后臂的下方，并隨后通過一個(gè)錐齒輪傳動(dòng)接合兩個(gè)鏈條驅(qū)動(dòng)滑輪。從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的手腕力，需要的扭矩偏轉(zhuǎn)計(jì)算的第一腕部，并計(jì)算馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩，它計(jì)算與步進(jìn)電機(jī)式的驅(qū)動(dòng)器和鏈傳動(dòng)傘齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)聯(lián)的尺寸然后，它被確定。
1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)置
腕偏轉(zhuǎn)，摩擦力矩，以克服的工作負(fù)載電阻扭矩和手腕的啟動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式[15]：
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
（3.7）
（3.8）
式子里，
---手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩（N·m）；
---摩擦阻力矩（N·m）；
---負(fù)載阻力矩（N·m）；
---手腕偏轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)慣性阻力矩（N·m）；
---工件負(fù)載對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；
---手腕部分對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；
---手腕偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；
---手腕質(zhì)量（kg）；
---負(fù)載質(zhì)量（kg）；
---啟動(dòng)時(shí)間（s）；
---手腕部分材料密度（kg/m3）；
---手腕部分外徑和內(nèi)徑（m）；
---手腕的長(zhǎng)度（m）；
---手腕偏轉(zhuǎn)末端的線速度（m/s）。
前面已提到：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定為鑄鋼，密度kg/m3。
把數(shù)值代到式子算出：
kg
r/s
kg·m2
kg·m2
N·m
N·m
N·m
因?yàn)橥蟛總鲃?dòng)是通過兩級(jí)帶輪和一級(jí)錐齒輪實(shí)現(xiàn)的，所以找到對(duì)應(yīng)書本[15]得：
彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率：；
滾子鏈傳動(dòng)效率：；
滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率：（一對(duì)）；
錐齒輪傳動(dòng)效率：；
計(jì)算得傳動(dòng)的裝置的總效率：。
電機(jī)在工作中實(shí)際要求轉(zhuǎn)矩： N·m （3.9）
根據(jù)計(jì)算得出的手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩，結(jié)合90系列的五相混合型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線，如圖3.3和圖3.4所示,設(shè)得90BYG5200B-SAKRML-0301型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。
圖3.3 90BYG步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
圖3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線
2.設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)
（a） 計(jì)算、分配傳動(dòng)比
對(duì)照電機(jī)的數(shù)據(jù)，所選步進(jìn)電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩:4.5 N·m，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速：r/min。
由于腕部偏轉(zhuǎn)的角速度r/s，已經(jīng)算出，所以腕部末端偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速r/min，由此推出總的傳動(dòng)比。
手腕的偏轉(zhuǎn)是由極確定和驅(qū)動(dòng)滑輪的鏈條驅(qū)動(dòng)的傘齒輪必須是總比率分配。鑒于滑輪臂的內(nèi)部空間的大小和結(jié)構(gòu)，設(shè)小臂鏈傳動(dòng)比，大臂鏈傳動(dòng)比，錐齒輪傳動(dòng)比，。
（b） 算出小臂鏈傳動(dòng)功率
kW （3.10）
（c）設(shè)得帶輪的齒數(shù)
為使小臂中的兩個(gè)帶輪結(jié)構(gòu)更加緊湊，設(shè)得小帶輪齒數(shù)，大帶輪齒數(shù)，、取奇數(shù)，鏈節(jié)數(shù)為偶數(shù)，可使鏈條和帶輪輪齒磨損均勻。
（d）設(shè)得鏈條類型
從相關(guān)書本[15]進(jìn)行鏈傳動(dòng)計(jì)算：
kW （3.11）
kW （3.12）
mm
， （3.13）
mm， （3.14）
mm （3.15）
mm （3.16）
mm （3.17）
mm （3.18）
m/s （3.19）
N （3.20）
N （3.21）
式子里，
---工況系數(shù)；
---主動(dòng)帶輪齒數(shù)系數(shù)；