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【中文6450字】
機械手的機械和控制系統(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械人系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來了， 多種方法應用其上，有擬人化的和非擬人化的。不僅調(diào)查了這些系統(tǒng)的機械結構,而且還包括其必要的控制系統(tǒng)。如同人手一樣，這些機械人系統(tǒng)可以用它們的手去抓不同的物體，而不用改換夾子。這些機械手具備特殊的運動能力（比如小質(zhì)量和小慣性），這使被抓物體在機械手的工作范圍內(nèi)做更復雜、更精確的操作變得可能。這些復雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉(zhuǎn)。本文概述了這種機械手的一般設計方法，同時給出了此類機械手的一個示例，如卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ。本文末介紹了一些新的構想，如利用液體驅(qū)動器為類人型機器人設計一個全新的機械手。
關鍵詞：多指機械手；機器人手；精操作；機械系統(tǒng)；控制系統(tǒng)
1. 引言
2001年6月在德國卡爾斯魯厄開展的“人形機器人”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的機器人系統(tǒng)。設計這些機器人系統(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，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強的靈活性只能通過一個適應性極強的機械人手抓系統(tǒng)來獲得，即所謂的多指機械手或機器人手。
上文提到的研究項目，就是要制造一個人形機器人，此機器人將裝備這種機器人手系統(tǒng)。這個新手將由兩個機構合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學的IPR（過程控制和機器人技術研究院）和c（計算機應用科學研究院）。這兩個組織都有制造此種系統(tǒng)的相關經(jīng)驗，但是稍有不同的觀點。
IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（如圖1所示），是一個四指相互獨立的手爪，我們將在此文中詳細介紹。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. 機器人手的一般結構
一個機器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
機械系統(tǒng)又可分為結構設計、驅(qū)動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進一步介紹。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. 機械系統(tǒng)
機械系統(tǒng)將描述這個手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結構設計、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動器（如電動機）、傳感器（如位置編碼器）的位置。
3.1 結構設計
結構設計將對機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被抓物體進行何種操作。設計一個機器人手的時候，必須確定三個基本要素：手指的數(shù)量、手指的關節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。
為了能夠在機械手的工作范圍內(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個自由度（3個平移和3個旋轉(zhuǎn)自由度），每個手指必須具備3個獨立的關節(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器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復雜，因為每個手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置，常采用非擬人化方法。因為只需加工和構建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費用，同時也可是控制系統(tǒng)簡化。
3.2 驅(qū)動系統(tǒng)
指關節(jié)的驅(qū)動器對手的靈活度也有很大的影響，因為它決定潛在的力量、精度及關節(jié)運動的速度。機械運動的兩個方面需加以考慮：運動來源和運動方向。在這方面，文獻里描述了有幾種不同的方法，如文獻[3]中說可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運動，或者，正如大部分情況一樣使用電動機。在多數(shù)情況下，運動驅(qū)動器（如電機）太大而不能直接與相應的指關節(jié)結合在一起，因此，這個運動必須由驅(qū)動器（一般位于機器臂最后的連接點處）轉(zhuǎn)移過來。有幾種不同的方法可實現(xiàn)這種運動方式，如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅(qū)動指關節(jié)的方法，或多或少地降低了整個系統(tǒng)的強度和精度，同時也使控制系統(tǒng)復雜化，因為每根手指的不同關節(jié)常常是機械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨立控制。由于具有這些缺點，因此小型化的運動驅(qū)動器與指關節(jié)的直接融合就顯得相當必要。
3.3 傳感系統(tǒng)
機器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個閉環(huán)控制是很必要的。在機器手中使用了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確定與物體第一次接觸的位置點，同時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)測是否滑落。
根據(jù)不同的驅(qū)動系統(tǒng)，有關指關節(jié)位置的幾何信息可以在運動驅(qū)動器或直接在關節(jié)處出測量。例如，如在電動機和指關節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機軸上的一個角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測量關節(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的機械系統(tǒng)
為了能夠獲得如重抓等更加復雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指組成，且每根手指由3個相互獨立的關節(jié)組成。設計該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個相同手指，將它們作對稱、非擬人化配置，且每個手指都能旋轉(zhuǎn)90°（圖4所示）。
鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設計中得到的經(jīng)驗，比如因傳動帶而導致的機械問題以及較大摩擦因數(shù)導致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設計決策。每根手指的關節(jié)2和關節(jié)3之間的直流電機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動傳遞到手指的關節(jié)處。處在電機軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時可作為一個精度很高的位置狀態(tài)傳感器。
圖3.工業(yè)機器人上的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)明了一個六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個傳感器可當作手指末端肢體使用，且配有一個球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測量X、Y和Z方向的力及繞相關軸的力矩。另外，3個共線的激光三角測量傳感器被安置在KDHⅡ的手掌上（圖5所示）。因為有3個這樣的傳感器，因此不僅可以測量3單點之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測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，它能檢測和避免物體的滑落。
圖5. KDHⅡ的側(cè)視圖 圖6. 帶應變計量傳感器的六自由度扭轉(zhuǎn)傳感器
4. 控制系統(tǒng)
機器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實際利用，這些技能都是由機械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計算機即硬件和控制算法即軟件。
控制系統(tǒng)必須滿足以下幾個的條件：
1. 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，一具有9個自由度的低級手，其驅(qū)動器至少需要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)量將增加號幾倍。
2. 需具備對外部事件快速實時反應的能力。例如，當檢測到物體滑落時，能立即采取相應的措施。
3. 需具備較高的計算能力以應對一些不同的任務。如可以對多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標轉(zhuǎn)換及閉環(huán)控制等任務。
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)當中。
5. 在控制系統(tǒng)與驅(qū)動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。
4.1 控制硬件
為了應對系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個專門的處理器中。如可通過一個簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達和傳感器），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算能力，且需要一個靈活實時操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC機輕易地解決。
因此，控制硬件常由一個非均勻的分布式計算機系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個功能強大的處理器。不同的計算單元則通過一個通信系統(tǒng)連接起來，比如總線系統(tǒng)。
4.2 控制軟件
機器人手的控制軟件是相當復雜的。必須對要對手指進行實時及平行控制，同時還要計劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復雜性，就有必要將此問題分成幾個子問題來處理。
另一方面涉及軟件的開發(fā)。機器人手其實是一個研究項目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設施都必須十分強大和靈活。這些只能使用一個標準的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機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）。一個微控制器分別控制一個手指的驅(qū)動器和傳感器，另外一個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)和主控計算機連在一起的。這個主控計算機（圖7、圖8中的灰色方塊）是由六臺工業(yè)計算機組成的一個并行計算機。這些電腦都被排列在一個二維平面。相鄰電腦模塊（一臺電腦最多有8個相鄰模塊）使用雙端口RAM進行快速通信（圖7中暗灰色方塊所示）。一臺電腦用于控制一個手指。另一臺用于控制物體狀態(tài)傳感器及計算物體之間的位置。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)整個控制系統(tǒng)?？刂栖浖慕Y構反映了控制硬件的架構。如圖9所示。
圖7. KDH II的控制硬件構架 圖8.控制KDH II的平行主計算機
一個關于此手控制系統(tǒng)的三個最高層次的網(wǎng)上計劃正在規(guī)劃。理想的物體位移命令可由優(yōu)越的機器人控制系統(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）?，F(xiàn)在知道了物體的運動計劃，就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個手指的運動軌跡，并傳遞給系統(tǒng)的實時能力部分。如果一個物體被抓取了，那么其手指的運動路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個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)。如果一個手指沒有跟物體接觸，那么它的移動路徑將會直接傳遞給手控制器。這個手控制器將相關的預期手指位置傳遞給所有的手指控制器，以協(xié)調(diào)所有手指的運動。這些在手指傳感器的幫助下又反過來驅(qū)動手指驅(qū)動器。
圖9. KDHⅡ的手部控制系統(tǒng)
5. 實驗結果
為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的能力，我們選擇了兩個要求操作問題。一個問題是在網(wǎng)上對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現(xiàn)。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)碗s任務的操作能力。
5.1 物體姿態(tài)控制
這個物體姿態(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。此任務必須在實時條件通過在線獲得，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過程中，球形指尖在被抓物體上的滾動。這種狀況如圖10、圖11所示。這將導致物體的不必要的額外移動和傾斜。這些錯誤的物體姿勢很難預先估計。因此，物體狀態(tài)傳感器的輸入必須要修改這些錯誤。對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ來說，其上的三個激光三角傳感器就是用來糾正此種錯誤的。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方向上隨時間推移的預期軌跡，而上圖顯示了物體實際的旋轉(zhuǎn)（傾斜）結果情況。因為啟用了物體狀態(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)控制器對補償外界干擾也是十分必要的。比如，機器人（手臂、手或手指）或被抓物體與外界的碰撞可能導致物體的滑落。這更有可能導致被抓物體的損耗，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，就必須檢測出物體的滑落并迅速采取行動以穩(wěn)定物體的狀態(tài)。
為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ控制系統(tǒng)對這種干擾情況的處理能力，我們做了以下的實驗：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展示了此種實驗的一個例子。尤其是圖14，它顯示出物體滑落啟動的相當突然且相當快。但是物體狀態(tài)控制器也能夠足夠快地檢測和補償滑落，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.滑落實驗：X方向的實際物體 圖15.滑落實驗：關于Z軸的實際
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理想的對象操縱。這源于這樣一個事實：手指相對于正常的工業(yè)機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必須長期地處在相聯(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，一個叫做重抓的操作就必須執(zhí)行。即當一個接觸點到達了相聯(lián)手指的限制區(qū)域時，這個手指就必須從物體上脫離，并移到一個新的接觸位置。這必須是多于3個手指的手才能使操作可靠。周期性的移動這些手指，就能使任意的操作變得可行。關于此種操作有一個例子，就是在大角度旋轉(zhuǎn)被抓物體時，此時重抓動作很有必要。圖16顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ在旋轉(zhuǎn)一個螺帽狀物體時的一系列圖片。這個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，并且四個手指相互協(xié)調(diào)運動才使物體旋轉(zhuǎn)。圖d到圖f顯示了一個手指的的重抓動作。在d圖中這個手指已經(jīng)運動到其工作范圍的極限位置，這時所有手指的協(xié)調(diào)運動也被終止。左前方的手指脫離物體并單獨移動到另一個接觸點。在圖f中這個手指重新跟物體接觸，另一個手指此時可以重新定位（沒有顯示）。所有的手指重新定位之后，協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運動繼續(xù)進行。視具體情況而定，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ也可以同時進行幾個手指的重抓動作。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€木柱從一個平方的基座孔內(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，整個木柱被拉出，從而可進行進一步的操作（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.結論
為了使機械手能夠完成靈活精確的操作，一合適的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是必需的。這些介紹的標準是必需加以考慮的，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)，復雜的精細操作（如重抓）也能實現(xiàn)。在人行機器人的特殊研究領域，基于一個不同的概念叫做流體化（圖2所示）的基礎上，小型機械手也具有擬人化和機械化。這概念是由卡爾斯魯厄研究中心的IAI所提出的。但是，這個控制軟件的主要結構可經(jīng)過相應修改而為此種小型機械手所用。
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器人研究所完成的研究。Prof. Dr.-Ing。 H.W?rn以及應用計算機科學研究所教授Dr.-Ing。 G. Bretthauer。
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搬運機械手設計
1、 結構要求：一個底座，一個關節(jié)型機械手。其中，機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、 動作要求：機械手能完成夾取、提升、旋轉(zhuǎn)、下降、放下物品這幾個動作。從而將一箱牛奶從一個傳送帶搬運到另一個傳送帶，傳送帶的高度可自擬。
3、 用solidworks軟件設計繪圖，無版本要求（最好是2012版吧），并進行動力學和運動學分析。
4、 最后設計一個液壓控制系統(tǒng)，這一部分不需要很具體，稍微設計一個差不多的就可以了。
5、 說明書內(nèi)容：詳細的畫圖步驟和截圖、動力學和運動學分析圖、液壓控制系統(tǒng)設計步驟及總圖。（前面兩部分一定要詳細，因為我不懂?。?
6、 最后交貨：機械手三維圖、一份說明書。
畢業(yè)設計說明書(論文)
自動化生產(chǎn)線搬運機械手的設計和控制
作 者:
學 號：
學院(系):
專 業(yè):
題 目:
搬運機械手設計
2016 年 4 月
摘 要
機器人技術是機電一體化產(chǎn)品，搬運機器人成為一個領先的研究課題。運用在不同領域，如機械，電子，信息理論，人工智能，生物學和計算機，知識等諸多領域的發(fā)展機械接頭端的設計，機器人也導致了這些學科的發(fā)展。搬運型機器人是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，工藝多搬運運動的一個熱點手臂運動更多的領域進行合作研究。機械，電子，信息理論，人工智能，知識和生物和計算機許多學科，但其發(fā)展的多機構銜接所需組合搬運也促成了這些學科的發(fā)展。
本文采用在結構設計上的搬運型機器人，并完成圖紙和零件圖總裝配圖。為機器人模型的要求被分析以估計電機的每個搬運，充分的設得所需要的轉(zhuǎn)矩和功率。完成搬運型機器人的程序設計，總體設計，結構設計，運動學模型操盤分析，檢查，分析機器人模型，設計和生產(chǎn)機器人模型做的過程中強度的關鍵部件，繪制3D圖。
關鍵詞：機械臂，結構設計，搬運機械手，電機
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 搬運機械手研究概況 2
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2
1.3 搬運機械手的總體結構 3
2 總體方案設計 5
2.1 技術參考數(shù)據(jù) 5
2.2 搬運機械手工程概述 5
2.3 工業(yè)搬運機械手總體設計方案論述 6
2.4 機械手機械傳動原理 7
2.5 機械手總體方案設計 8
2.6 本章小結 9
3 機械手大臂部結構 10
3.1 大臂部結構設計的基本要求 10
3.2 大臂部結構設計 11
3.3 大臂電機及減速器選型 11
3.4 減速器參數(shù)的計算 12
3.5承載能力的計算 16
3.5.1 柔輪齒面的接觸強度的計算 16
3.5.2 柔輪疲勞強度的計算 16
4 小臂結構設計 21
4.1 手指的相關設計與計算 21
4.2 手爪結構設計與校核 21
4.3 結構分析 23
4.4計算分析 23
4.5 腕部設計 24
4.5.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動計算 24
4.5.2 手腕俯仰驅(qū)動計算 34
4.5.3 電動機的設得 35
4.6 小臂部結構設計 37
4.7 小臂電機及減速器選型 37
4.7.1.傳動結構形式的設得 38
4.7.2.幾何參數(shù)的計算 38
4.8 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計算 39
4.8.1柔輪齒面的接觸強度的計算 39
4.8.2柔輪疲勞強度的計算 40
4.9 軸結構尺寸設計 41
4.10 軸的受力分析及計算 42
4.11 軸承的壽命校核 43
5 機身設計 46
5.1 步進電機設得 46
5.1.1 計算輸出軸的轉(zhuǎn)矩 46
5.1.2 確定各軸傳動比 48
5.1.3 傳動裝置的運動和動力參數(shù) 48
5.2 齒輪設計與計算 51
5.2.1 高速級齒輪設計與計算 51
5.2.2 低速級齒輪設計與計算 55
5.3 軸的設計與計算 58
5.3.1 輸入軸的設計與計算 58
5.3.2 中間軸的設計與計算 61
5.3.3 輸出軸的設計與計算 63
5.4 軸承的校核 65
5.4.1 輸入軸上軸承壽命計算 65
5.4.2 中間軸上軸承壽命計算 66
5.4.3 輸出軸上軸承壽命計算 67
5.5 鍵的設得和校核 69
5.5.1 鍵的設得 69
5.5.2 鍵的校核 69
6 液壓系統(tǒng)圖 70
7 搬運機械手PLC控制系統(tǒng)設計 71
7.1 搬運機械手的工藝過程 71
7.2 PLC 控制系統(tǒng) 71
7.2.1 確定輸入/輸出點數(shù)并設得 PLC 型號 71
7.2.2 分配 PLC 的輸入/輸出端子 72
7.2.3 所需元器件明細表 72
7.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設計 73
總 結 77
參考文獻 78
致 謝 79
1 緒論
1.1引言
搬運型機器人是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，工藝多搬運運動的一個熱點手臂運動更多的領域進行合作研究。機械，電子，信息理論，人工智能，知識和生物和計算機許多學科，但其發(fā)展的多機構銜接所需組合治療也促成了這些學科的發(fā)展。多臂搬運領導的多搬運臂運動。
1959年成為世界上第一個工業(yè)多搬運手臂運動的誕生，創(chuàng)造發(fā)展胳膊的新時代的多搬運。隨著科學技術的發(fā)展和運營研究部門的應用多聯(lián)快速發(fā)展。加藤一郎，日本早稻田大學手臂搬運和更多的世界知名專家，教授說：“一個很大的特點，多搬運手臂運動應該有工作。”的方式是，在自動化程度高的，電力系統(tǒng)更復雜。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?！痹撓到y(tǒng)具有豐富的動態(tài)環(huán)境的要求非常低，無論是在地面上，而且在非結構化地形復雜，適應性良好的環(huán)境狀態(tài)。為了延長多搬運型機器人的功能和應用開辟無限廣闊的發(fā)展前景。
研究搬運型機器人的原因和目的，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：機構的發(fā)展，使他們對結構性和非結構性的工作，許多圈子，而不是個人或更新和人類活動的領域擴展;希望更多的人有一個內(nèi)在的理解和認識，并使用這些功能對個人服務，如假肢。系統(tǒng)動力學與在此領域豐富的研究，其研究和臂運動更加危險的機器的擴展，多搬運臂的運動可以作為一個多搬運臂的移動智能播放在人工智能領域的一個重要的角色。
多搬運臂的運動的定義，世界上唯一的格式是不一樣的。手臂運動協(xié)會與更多的企業(yè)的聯(lián)合國標準化最近在他的手臂采用了國際對美國帶來的多搬運運動的定義：操作臂多聯(lián)合演習是一個多功能可編程的操作系統(tǒng)，你可以改變該程序的操作完成各種各樣的工作，尤其是對物料輸送，傳動部件。參照國際定義，和語言的組合的中國多臂搬運的定義如下：
機械手的多搬運運動是一個獨立的行動，更自由，靈活地改變程序，它可以放置在任何地方，自動化程度高的機器的自動化。汽車油漆或其他涂料行業(yè)鉸接多搬運運動E'可用。
多搬運運動臂高剛性臂，與其它可能的相比，必須要快，能夠進行重的東西，且精度非常高，可以基于外部信號，各種自動操作的。
處理的多搬運臂的運動是一個計算機可編程的自動控制裝置的控制下。使用的多搬運運動操作臂是提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和工作的生產(chǎn)率，生產(chǎn)過程的自動化，改善了工作條件，并降低了勞動強度的有效手段。誕生和多搬運手臂運動的發(fā)展，雖然只有30歲，但已經(jīng)應用到國民經(jīng)濟的許多部門，民間的技術，應用，具有廣闊的發(fā)展前景，顯示出強大的生命力[1-2]。
1.2 搬運機械手研究概況
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
人類和動物的運動原理的第一個系統(tǒng)研究是邁布里奇發(fā)明了照相機跟單，即設定的觸發(fā)相機的電源，并在1877年他成功地參加了四足和連續(xù)運行的許多照片。后來，這種方法使用的相機是用來研究人體運動Demeny。從1930年到1950年，蘇聯(lián)也伯恩斯坦從深入人類和動物研究的生物動力機制的角度看，并提出??的議案非常形象化的描述。
真正研究機構運動多搬運全面，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，并在一些國家，如日本，美國和“蘇聯(lián)已成功開發(fā)出可以是靜態(tài)或動態(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，臂多搬運實地達到的運動的最重要的進展的團隊。
在20世紀60年代和70年代，武裝多搬運運動控制理論產(chǎn)生三種類型的控制方法是非常重要的，這限制了國家控制，控制參考模型和控制算法。這三種控制的方法對所有類型的搬運機械手都是適用的。國家控制是通過在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?羅多搬運運動學專家鮑賓控制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)在關系。有限狀態(tài)控制實質(zhì)上是一個控制參考模型，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，而且要適應胳膊多條腿多企業(yè)的動向。在這些中，對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，所以運動臂多搬運，下一步應放在哪里腳不能基于對步驟序列來加以考慮，但應通過步驟以便攀登者去步驟通過一些優(yōu)化標準來確定哪個是所謂的自由速度。
穩(wěn)定性研究手臂動作的多搬運，美國Hemami，該提議的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的控制的簡化模型作為振蕩器，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動。此外，減少了控制的考慮，Hemami，誰也研究手臂運動的多搬運“減少型”問題的復雜性進行了研究。
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和隨時間的整個系統(tǒng)的變化，并沒有太多涉及這個問題的最佳功耗的出口。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一個有用的結論，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 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)前機器人起步較晚，我國自1980年以來，在體育領域的多臂共同研究和應用。 1986年，國家啟動了“規(guī)劃綱要”的研究多動搬運臂，中國的高科技“863”水平運動臂包括于1987年。目前聯(lián)合研發(fā)，中國移動手臂多企業(yè)的研究和開發(fā)應用單位主要與高校和科研院所。初步調(diào)查多搬運型機器人技術的主要目的是更先進的技術來跟蹤國際風險手臂的運動，然后取得了一些成績。
1986年哈爾濱工業(yè)大學，他開始研究最為搬運臂，腳靜手臂運動HIT-I和110厘米高，體重70千克多的企業(yè)，率先成功開發(fā)進度有10個自由度，以到達地面上的線，左，右，以及運動，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，長度103厘米，它是12個自由度，以實現(xiàn)一個步驟每秒24厘米，2.3分速度。 HI目前正在開發(fā)第四樂章的下一個多搬運臂，身體52度的自由，這是一個偉大的運動和速度的平衡三臂，多搬運運動[3-7]。
在1988年春國防科技大學成功具有六個自由度的平面雙足運動臂多搬運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個自由度，并添加函數(shù)曲線，以獲得完整的測試環(huán)境。 1995年在步驟20厘米0.8秒?22厘米，13度的最大角度動態(tài)的步伐。 2000年KDW-III中國的第一個人形的手臂的“排頭兵”的成功結束的發(fā)展的基礎上，在一個不確定的環(huán)境下微小的變化動態(tài)每秒，兩步周期，1.4男，為20 kg的多搬運的動作，有頭，眼睛，頸部，身體，手臂，腳，和一定程度的語言功能[8-13]中。
此外，清華大學正在開發(fā)一個人形的手臂培育更多升學銜接THBIP-I，高七米，體重130千克，32自由度的支持清華大學985項目，該項目是。南京航空航天大學有八個自由度機械手搬運間隙靜態(tài)函數(shù)[13,14]的發(fā)展。
本文從“首屆全國研究生機械創(chuàng)新設計大賽”多搬運手臂動作。此時，單臂，多搬運運動通常在車輪的形式是為了實現(xiàn)功能相。事實上，模仿人類行走手臂和腿部的多搬運的動作并不多，但也有六條腿，已經(jīng)出現(xiàn)四腿臂多搬運運動，但多搬運手臂運動尚不多見。我們的問題，簡單地探索設計巧妙的機械設備和簡單的控制來模擬人的手臂的多搬運的動作。子功能是：替代大步，搖搖頭，擺動手臂，擺臂。
1.3 搬運機械手的總體結構
搬運型機器人和部分整體關系的概述：
它主要由機械系統(tǒng)（執(zhí)行系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)），探測系統(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，機械零件最全面的定義，以必要的各種運動，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，具有安排作為任務或工作的端部的方向的改變。
3.臂和連接基團的手的手臂，手腕支撐體時，執(zhí)行負荷管理塊，手的空間位置，臂操作空間的變化滿足多個搬運，在基座的任何類型的動力傳輸。
D：機身，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，起重或傾斜運動的任務。
2.驅(qū)動系統(tǒng)：提供電力的各種組件的系統(tǒng)是活動的，以及供應單元設備。通用機械傳動，機械傳動和電氣，氣動，電動。
（3）操作系統(tǒng)：驅(qū)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的根據(jù)工作，故障報警或錯誤的信號的要求執(zhí)行。
（4）檢測系統(tǒng)：經(jīng)由各種傳感裝置，控制器官運動檢測裝置，保證作用，如果有的話反饋到控制系統(tǒng)相對于該組的運動的要求。
實踐證明，該小組可以取代繁重的體力勞動的多搬運運動，顯著減輕勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化。經(jīng)常處理和工業(yè)生產(chǎn)在長期內(nèi)往往體積龐大件，單調(diào)的操作，單臂，多聯(lián)合動作是有效的。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行操作，同時也表現(xiàn)出優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景[4-8]。
2 總體方案設計
2.1 技術參考數(shù)據(jù)
一個底座，一個搬運型機械手。式子里，，機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 機械手
經(jīng)常測量市場上某一箱伊利純牛奶（4×4盒）的外形尺寸為220mmX220mm.
2.2 搬運機械手工程概述
搬運機械手是一個技術集成的跨學科，涉及計算機技術和自動化技術的機器，機制，機械，氣動，液壓技術，檢測技術等領域。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”。手臂多搬運運動設計，例如，系統(tǒng)工程，應作為一個綜合的方法來系統(tǒng)設計對外關系的系統(tǒng)，并從整個有機聯(lián)系的手臂運動環(huán)境的研究，開發(fā)和應用根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)部部分多接頭。
從復雜機械系統(tǒng)，包括一定的規(guī)則的功能系統(tǒng)結合多個子系統(tǒng)，它是一個不可分割的整體。如果你失去了開放的系統(tǒng)，可根據(jù)特定的一組。因此，在一個復雜的機械設計，概念啟動機器，系統(tǒng)必須具有以下特征：
1.機械系統(tǒng)完整的完整性機械系統(tǒng)由幾個子系統(tǒng)具有不同的整體性能應具有的特定功能。
2.作用的子系統(tǒng)之間的有機聯(lián)系，包括有機，相互關聯(lián)的。
（3）每個目標系統(tǒng)必須具有明確的目標和系統(tǒng)的功能，結構，功能，目標和手段，決策系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)結合起來。
（4）系統(tǒng)對環(huán)境的適應是適應環(huán)境在某些情況下，我們必須能夠適應變化的外部環(huán)境中。
所以，在設計機器人時，不僅要注意搬運運動系統(tǒng)的部件的整個多部件設計臂應根據(jù)視工程系統(tǒng)的角度來看，這取決于一個單一的多搬運臂的動作的功能要求，子系統(tǒng)，多臂搬運，合理，產(chǎn)品的性能，需要在多搬運臂的動作的作業(yè)的所有組件。一般來說，最復雜的行業(yè)手臂搬運如下：在操作機器，是最大的，單臂多搬運的運動來完成的任務，式子里，包括基地，手臂，手腕，副作用機構。傳輸系統(tǒng)，式子里，包括幾個傳輸零點電源，控制，驅(qū)動系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)包括電子控制裝置的操作，記憶功能（計算機或其它版本控制裝置可編程），操作員接口裝置（鍵盤，學習盒等），數(shù)據(jù)處理裝置和各種傳感器，放大離線傳輸，傳感器編程接口設備通??信的I / O 14]內(nèi)部和外部傳感器和其他設備（一般或特別。
特征行業(yè)臂多搬運運動是普遍的調(diào)整，靈活的臂工業(yè)多搬運運動可有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)關鍵部件的發(fā)送處理單元組件或材料或其它柔性制造系統(tǒng)（例如，機床，鍛壓，焊接，裝配等生產(chǎn)設備），輔助設備，控制系統(tǒng)，多搬運臂運動，各種不同形式的運動系統(tǒng)的組建多聯(lián)技術工藝機械行業(yè)其他生產(chǎn)部門。生產(chǎn)，如建筑，開采，生產(chǎn)和輸送臂移動多搬運是參考系統(tǒng)。
2.3 工業(yè)搬運機械手總體設計方案論述
（一）確定負載
目前，國內(nèi)工業(yè)用運動的多搬運臂，負載能力，最小額定負載5N或更小范圍很大，最多的為9000N。這篇文章5公斤載荷。
負載的大小主要取決于由于運動的沿的作用力和夫婦的機械接口上的多搬運臂的運動的方向。式子里，下臂應該包括端部執(zhí)行器的更搬運運動（重量），和工件的重量或處理對象接縫預定速度和加速度的條件下，產(chǎn)生的慣性力等。該項目的數(shù)據(jù)參考設計初步估算表明，這一項目可能屬于一個小負荷。
（二）驅(qū)動系統(tǒng)
由于伺服電機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動控制沒有影響的精確控制小臂運動多企業(yè)等特點，因此，該項目采用的是伺服電機。
（三）傳動系統(tǒng)
動臂多搬運運動可以緊湊，重量輕，慣性小，傳動鏈條應考慮采取措施縮小差距，提高手臂多的移動和位置創(chuàng)業(yè)精密運動控制。臂傳遞機構機械運動多搬運通常使用齒輪，蝸桿，滾珠絲杠，皮帶，鏈條傳動，行星齒輪，傳動齒輪和諧波鋼等，由于傳動齒輪具有效率高，準確，結構緊湊，工作可靠，壽命長等優(yōu)點，與大學學習和掌握更扎實的傳輸，所以這個設計設得的旅行。
（四）工作范圍
操作過程中的工業(yè)手臂動作的工作范圍是多搬運的多搬運臂的運動取決于所述扇區(qū)的操作領域和確定的軌跡，用表示的工作空間。形狀和有關該結構的工作空間的大小坐標運動的多搬運機械手，其大小和在數(shù)量和程度每個臂的自由操縱器公共軸線的長度的變化程度和所設得的搬運軸的每個角的
（五）運動速度
每個鉸接機械臂更堅定的臂的最大行程，按照循環(huán)時間來確定每個操作的時間的運動后，可以進一步確定每個動作的速度，單位為米/秒（°）/ s的，時間每個運動分配考慮在順序地或同時地等進行許多因素，如每個操作序列之間的周期的總時間長度。表做他們的操作時間，操作時間分配之外的運動進行比較，以考慮分配請求有關的過程，它也必須考慮慣性的行程的大小和驅(qū)動和控制，定位和精度要求。
2.4 機械手機械傳動原理
搬運機械手的本體結構組成如圖：
圖2.2 搬運機械手本體組成
本節(jié)描述的所有以下列方式的組件和功能。
基本單位：
基座構件包括底座，齒輪傳動件，軸承，步進馬達?；咀饔檬侵С謽嫾鲋С袠嫾D(zhuǎn)臂，承受的工作負載的總重量和搬運機器人，所述堿必須具有足夠的強度，剛度和負荷能力。此外，該堿也需要一個足夠大的安裝基礎，以確保在工作場所搬運機器人的穩(wěn)定運行。
搬運機器人臂，通常會導致驅(qū)動臂運動（例如，液壓，氣動或一個馬達）和一個驅(qū)動源（例如，燃料箱，燃料箱，齒輪齒條機構，連桿機構，螺旋機構或凸輪機構等各種運動臂組成的組件的）
手臂大臂和小臂。繁榮的成員如下：動臂和齒輪件，驅(qū)動電機。在臂構件：臂，驅(qū)動軸，皮帶，定時等，以手腕運動用步進固定臂的電動機驅(qū)動的一端。腕部分：包含列表殼體，傳動齒輪和軸，所述機械接口。
2.5 機械手總體方案設計
搬運機械手的結構形式的機器人形結構，并調(diào)整圓柱形結構，球面坐標的結構，該多接頭結構4。的結構和它們的相應特征中的每一個，如下所述[3]。
1.直角坐標結構
運動空間直角坐標機器人，它是那么容易落實到閉環(huán)位置控制的線性運動，由于如圖2-1（一），直角坐標機器人可以達到非常高的位置，實現(xiàn)各有三個其他存在的由垂直的直線運動精度（[μ]中號步驟）。然而，直角坐標相對于空間機器人的運動有關的機器人的結構的尺寸，這是比較小的。因此，為了實現(xiàn)恒定的空間運動，大于機器人比其他類型的矩形機器人結構尺寸的組織尺寸坐標。
直角坐標機器人的工作區(qū)是矩形空間。直角坐標機器人主要用于組裝和搬運，直角坐標機器人的業(yè)務，它具有懸臂門，三起重機類型的結構。
2.圓柱坐標結構
如在圖2-1（B）中，空間氣缸所示，調(diào)整直線運動的運動并實現(xiàn)兩個旋轉(zhuǎn)運動和機器人。這種機器人的結構相對簡單，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.球坐標結構
如圖2-1（c）中，該空間的運動是球形坐標機器人組成的直線運動實現(xiàn)兩個旋轉(zhuǎn)運動的。這個簡單的機器人結構，成本低，精度不高。它將在主要業(yè)務的處理中使用。他們的工作空間是球形的空間。
4. 搬運型結構
如在2-1（d）所示，為了實現(xiàn)一個空間移動搬運機器人包括三個旋轉(zhuǎn)運動。多搬運機器人的運動是一個靈活，結構緊湊，占地面積小。規(guī)模相對機械手本體，其相對較大的工作空間。這種機械手是廣泛焊接，涂裝，搬運，組裝，以及使其它操作被廣泛用于在這種類型的機器人的，它是在工業(yè)中使用。
搬運型機械手結構，有水平搬運型和垂直搬運型兩種。
(a) 直角坐標型 (b) 圓柱坐標型 (c) 球坐標型 (d) 搬運型
圖2-1 四種機械手坐標形式
根據(jù)任務書和具體要求，我們，事實上，設得了搬運型（D）。
特定的形狀和特定的要求機器人數(shù)控機布局，設計要求兼顧處理工件到5KG質(zhì)量能夠簡化結構，降低只要，由于考慮到會議系統(tǒng)的技術要求的前提下，以改善這種設計的可靠性和具體的成本。大機器人臂的運動范圍和更高的定位精度，用一個腰部轉(zhuǎn)動自由度六個自由度，以及自由設計的懸臂和臂腕音調(diào)的轉(zhuǎn)動節(jié)距自由前臂，轉(zhuǎn)動自由度的機械手。在本文的臂結構的設計要求的尺寸，因此，需要實現(xiàn)一個大熱潮，俯仰自由，在該臂的詳細設計的旋轉(zhuǎn)臂機構的自由。
2.6 本章小結
為了確定解決方案，才能做出最終決定，通過設得多種方案，完成設計的機器人系統(tǒng)，本章后面英寸如，以確定機器人的整體設計，機器人，手臂，手腕，端部的腰部，中詳細做了的設計的各個部分。
3 機械手大臂部結構
3.1 大臂部結構設計的基本要求
臂部件的主要成分是搬運機器人。它的作用是支持的手，帶領他們騰出運動。臂移動類型：任意點的運動的空間范圍內(nèi)的一個手柄部。如果你已經(jīng)改變了手（方位）合資的態(tài)度，以手臂來實現(xiàn)的自由。因此，我們設計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（在一個方向上，而不是僅僅彎曲），由反向，由需要設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)動慣量，比圓形大得多。因此，在搬運機器人的無縫鋼管，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，也有小的慣性
在統(tǒng)一的手臂一般，運動，請求啟動和力臂端，移動的減速時間開始，否則，沖擊和振動，加速度和終止請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)動慣量，必須采取以下措施。
（A）成分，降低臂的重量以移動使用鋁等輕質(zhì)高強度材料。
（B）以減少手臂運動部件的總體尺寸
（C）減少轉(zhuǎn)彎半徑
（D）驅(qū)動系統(tǒng)中設有緩沖裝置
（3）的運動的臂應該是靈活的。
為了減少摩擦和滑動摩擦的運動部件之間的摩擦力盡可能臂滾動代替。
（4）位置精度要高。
最困難的搬運轉(zhuǎn)移機器人控制的位置，精度很差，通常是高直角坐標加上設置裝置，用于搬運機器人的圓筒形位精度，檢測臂上這意味著位置，可以控制一個更好的位置精度。
在本文中，其它機器人臂的剛度，減少了電機負載的底部接頭，減少了臂的重量，以確保它能夠提高機器人手臂的動態(tài)響應，一方面，薄鋁設計合金構件。鑄造鑄型砂的設計的最小厚度。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
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表4.1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計（mm）
它簡單地砂鑄造廠的結構設計，一個特殊的鑄造工藝，鑄造結構對應于每個不同的鑄件和特性應根據(jù)來設計。在本文中，通過使用鑄鋁外殼手臂。具體尺寸，請參閱總裝圖。
3.2 大臂部結構設計
大臂殼體采用鑄鋁，方形結構，質(zhì)量輕，強度大。
3.3 大臂電機及減速器選型
假設小臂及腕部繞第二搬運軸的重量：
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)開始時的轉(zhuǎn)矩用以下式表達：：
式子里，T - 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩 N.m
J --- 轉(zhuǎn)動慣量 kg.m2
--- 角加速度rad/s2
使機械手大臂從到需要的用時：則：
(3.4)
鑒于關于重心的機器人手臂的轉(zhuǎn)動慣量的摩擦轉(zhuǎn)矩軸的各個部分的，開始轉(zhuǎn)動10N.m起動轉(zhuǎn)矩，可以假設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)設得諧波減速器：
⑴型號：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
設諧波減速器的的傳遞效率為：，步進電機應輸出力矩為：
(3.6)
設得BF反應式步進電機
型號：55BF003
靜轉(zhuǎn)矩：0.686N.m
步距角：1.5°
3.4 減速器參數(shù)的計算
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，為了增大柔輪的剛性， 允許將δ1計算值增加20%，即
柔輪筒體壁厚：
為了提高柔輪的剛度，取
輪齒寬度：
輪轂凸緣長度：取
柔輪筒體長度：
輪齒過渡圓角半徑：
為了減少應力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取
2.嚙合參數(shù)的計算
由于采用壓力角的漸開線齒廓，傳動的嚙合參數(shù)請看以下式子。
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)：
驗算相對嚙入深度：
如果計算找出的，繼續(xù)計算，設得2。如果出現(xiàn)，為了傳遞動力，應適當增加值重新計算，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，（找到相應表格設出）
相對嚙入深度和輪齒過渡曲線深度系數(shù)之和應符合兩個不等式驗算公式。
即：
剛輪齒頂圓直徑：
剛輪齒根圓直徑：
設出插齒刀齒數(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：
凸輪長半軸：
凸輪短半軸：
3.5承載能力的計算
3.5.1 柔輪齒面的接觸強度的計算
按照在非?？拷彷喼本€的諧波傳動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)的最大接觸應力，主要的負載能力的實際諧波驅(qū)動的限制軟。因此，諧波傳動齒輪齒的軟邊，應符合下列條件的接觸強度。
接觸力計算公式：
---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）
對于一般雙波傳動，輪齒寬許用接觸應力:
則：
所以滿足齒面的接觸強度要求。
3.5.2 柔輪疲勞強度的計算
柔輪材料采用 ,調(diào)制硬度229~269。
計算柔輪在反復彈性變形狀態(tài)下工作時所產(chǎn)生的交變應力幅和平均應力為:
截面處正應力：
切應力：
由扭矩產(chǎn)生的剪切應力：
式子里：
則：
驗算安全系數(shù)：
疲勞極限應力：
應力安全系數(shù)：
式子里，抗拉屈服極限：
剪切應力集中系數(shù)：
達到疲勞強度要求。
軸的計算校核
畫軸的受力分析圖，軸的受力圖請見下圖：
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在支撐點產(chǎn)生的反力：
外力F作用方向與傳動的布置有關，在具體位置尚未確定前，可按最不利的情況考慮，見（7）的計算
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) 算出危險截面的當量轉(zhuǎn)矩
請見下圖，a-a截面最危險，其當量轉(zhuǎn)矩為：
如認為軸的扭切應力是脈動循環(huán)應變力，設折合系數(shù)a=0.6，帶入式子得出：
10） 算出危險截面處軸的直徑
軸是45＃鋼材，調(diào)質(zhì)處理，從表格14-1找到并設出δB=650Mp,從表格 14-3找到并設出[δ-1b]=60Mpa,則：
考慮到鍵槽對軸的消弱，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，同時作用有轉(zhuǎn)矩，且有鍵槽，故a-a左側(cè)為危險截面。
它的彎曲截面系數(shù)是：
抗扭截面系數(shù)為：
彎曲應力為：
扭切應力為：
按彎扭合成強度進行校核計算，對于單向轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)矩按脈動循環(huán)處理，故取折合系數(shù)a=0.6則當量應力為：
，
從表格找到并設出45鋼，調(diào)質(zhì)處理，抗拉強度極限=640Mpa，則從表格找到并設出軸的許用彎曲應力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],強度滿足要求。
4 小臂結構設計
4.1 手指的相關設計與計算
除了當滿足抓取要求的設計的手中，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，以確保它不會脫落，但生產(chǎn)操作或發(fā)送工作過程中，應考慮和振動的重量和慣性力，握太浪費，可能會傷害到工作。
2.，它必須確保它是可能的，或者離開工作進入一個手指來平滑
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。機動顎足夠大范圍的移動。
（3）具有其自身的重量和足夠的強度和剛性的光
當由等于慣性力在工件運動，振動，被夾持在的反應的影響，但有足夠的強度和剛度抵抗彎曲或斷裂，需要機器人，結構簡單緊湊，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械手
這可以根據(jù)手，手吸附或把持類應用的手的專用工具（噴槍，扳手，焊接工具）的種類進行劃分。
您正在使用的夾式設計，這樣的分析和比較后的手中。手，從而形成結構類型的多樣性，機器人直接抓取把手（或吸附）對象或特殊工具，部件應基于任務的工作的要求來設計，結構，手的大小它是執(zhí)行把持作業(yè)的任務。手可以模仿動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性，它已被廣泛使用。這將隨著鋼絲鉗或類似設備移動。
二，結構
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)動單元。公共傳輸鏈路機構，滑動機構，齒條和小齒輪機構或類似物可以被提及。兩個手指共同手指，并且有許多其它形式的裝置。手指的手指，工件和直接接觸，形狀結構的一部分，或者根據(jù)工件的形狀被夾緊。通過模仿手指時，旋轉(zhuǎn)運動的手的人力資源結構，可分為便攜形式。分析，并在此設計選定的移動齒條 - 小齒輪手的比較。
4.2 手爪結構設計與校核
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，連接桿的運動，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，它與彈簧結合使用。
2.楔塊杠桿式手爪
它是在為了實現(xiàn)爬行工作，以實現(xiàn)疏松夾持器，請使用楔和杠桿開啟。
3.齒輪齒條式手爪
活塞架，這種夾持器，以產(chǎn)生一個夾持器夾緊和松開的行為由齒條驅(qū)動齒輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。
4.滑槽式手爪
當活塞向前移動時，推夾持器銷，當活塞已經(jīng)移動向后夾持器釋放，夾緊力和鉗位操作的結果，并通過合并滑動。大為了應付這種夾持器開口和不同尺寸的關閉行程的對象的抓取。
5.杠桿平行氣爪
軌比是在夾持導軌摩擦小得多平行移動，因此，不需要能夠保證在兩個手指夾持器平行移動的平行四邊形機構。
與特定的工作條件相結合，可使用夾持器的連桿的類型?；钊鶑?，活塞桿端的齒條，以驅(qū)動手指以打開或關閉的中間機架和機架風扇。它被設置為通過手指工件的最小孔徑。設計成根據(jù)與繩索綁使用50毫米設計的最大重量的直徑。
A.適當?shù)膴A緊力
手在工作場所，不會對工件加工表面的損傷，以保證小的變形的一個穩(wěn)定可靠的抓地力，必須具有適當?shù)膴A緊力。對于工件的夾緊力剛性差的大小應該被認為是一種安全自鎖裝置應設計成可調(diào)笨重的工件。
B.有足夠的空間用于打開和關閉
操作上，手指張開，閉合位置打開和關閉被稱為范圍內(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度的指握結束。開口和旋轉(zhuǎn)手手指閉范圍，在要求的相關的一些因素的手指的開閉范圍
C.它是一種結構簡單，重量輕，請在小
運動以引導整個液壓機械手，重把持，影響定位精度，速度和其它性能，結構的結構，不同的重量和體積時。由于在手腕的前沿手，在設計的手工作，它是一種結構簡單，重量輕，必須是一個小的尺寸。
D.手指必須有一定的強度和剛度
從而饋送兩個的手指的最常用盒之外使用，單作用液壓缸中，當釋放時，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。這樣的結構是很容易簡單的制造。
汽缸油的右腔室時，油被釋放到工件中，當停止液壓缸右腔室。
4.3 結構分析
機械手是最重要的執(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)機器人手的最常見形式。手旋轉(zhuǎn)致動器可分為平動式及面包的類型。對象背部過渡的特征在于，所述夾持器夾緊，釋放手指旋轉(zhuǎn)運動時。改變捕獲的直徑的物體，以保持不變的對象的中心位置，如果有必要調(diào)整把持位置。翻譯類型平行四指傳動機構，夾持器夾持的功能，用于翻譯，被釋放的對象，相同的手指的手勢。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。翻譯類型是獨立的在特性的變化和時間的工件直徑工件保持夾具，以釋放手指的平移運動，它會繼續(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。
圖4-1 手部裝配圖
4.4計算分析
根據(jù)工件體重增加率由于夾緊力的計算的情況下
線性和機器人臂以基于狀態(tài)的停止的旋轉(zhuǎn)運動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)動力的中心線的長度方向機器人手部是P，讓我們應用于Pη×使用壓力×=氣缸有效橫截面面積。 （沿著手指的移動方向）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。拾取單個手指工件被計算，有必要強制問答
圖2-2，創(chuàng)建不對應于式必須建立一個工作，顯示了工件的垂直加速度上升.
得
代入數(shù)據(jù)，得
設出活塞桿直徑d=0.5D,設得油缸工作壓力P=0.81MPa,
根據(jù)表4.1（JB826-66），設出液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm
則活塞桿內(nèi)徑為:
D=630.5=31.5mm，設出d=32mm
為了保證手抓張開角為，活塞桿運動長度為34mm。
手抓夾持范圍，手指長100mm,當手抓沒有張開角的時候，如圖3.2（a）所示，根據(jù)機構設計，它的最小夾持半徑，當張開時，如圖3.2（b）所示，最大夾持半徑計算如下：
機械手的夾持半徑從20-30mm。
4.5 腕部設計
手腕和手，并支持機械臂連接，改變手的態(tài)度。
手腕的設計要求如下。結構緊湊，重量輕，動作靈活，平穩(wěn)，定位精度高，材料強度，高剛度，手臂和搬運的手結構合理，傳感器和執(zhí)行器和設備的合理布局安裝。
4.5.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動計算
腕偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)偏壓的變化，通過步進電動機的驅(qū)動器，它設置在后臂的下方，并隨后通過一個錐齒輪傳動接合兩個鏈條驅(qū)動滑輪。從步進電動機驅(qū)動的手腕力，需要的扭矩偏轉(zhuǎn)計算的第一腕部，并計算馬達的輸出轉(zhuǎn)矩，它計算與步進電機式的驅(qū)動器和鏈傳動傘齒輪的設計參數(shù)相關聯(lián)的尺寸然后，它被確定。
1.步進電動機設置
腕偏轉(zhuǎn)，摩擦力矩，以克服的工作負載電阻扭矩和手腕的啟動的轉(zhuǎn)動慣量。
根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計算公式[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）；
---負載阻力矩（N·m）；
---手腕偏轉(zhuǎn)啟動時慣性阻力矩（N·m）；
---工件負載對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；
---手腕部分對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；
---手腕偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；
---手腕質(zhì)量（kg）；
---負載質(zhì)量（kg）；
---啟動時間（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
因為腕部傳動是通過兩級帶輪和一級錐齒輪實現(xiàn)的，所以找到對應書本[15]得：
彈性聯(lián)軸器傳動效率：；
滾子鏈傳動效率：；
滾動軸承傳動效率：（一對）；
錐齒輪傳動效率：；
計算得傳動的裝置的總效率：。
電機在工作中實際要求轉(zhuǎn)矩： N·m （3.9）
根據(jù)計算得出的手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩，結合90系列的五相混合型步進電機的技術數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線，如圖3.3和圖3.4所示,設得90BYG5200B-SAKRML-0301型號的步進電機。
圖3.3 90BYG步進電機技術數(shù)據(jù)
圖3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進電機矩頻特性曲線
2.設計鏈傳動
（a） 計算、分配傳動比
對照電機的數(shù)據(jù)，所選步進電機工作轉(zhuǎn)矩:4.5 N·m，對應的轉(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，由此推出總的傳動比。
手腕的偏轉(zhuǎn)是由極確定和驅(qū)動滑輪的鏈條驅(qū)動的傘齒輪必須是總比率分配。鑒于滑輪臂的內(nèi)部空間的大小和結構，設小臂鏈傳動比，大臂鏈傳動比，錐齒輪傳動比，。
（b） 算出小臂鏈傳動功率
kW （3.10）
（c）設得帶輪的齒數(shù)
為使小臂中的兩個帶輪結構更加緊湊，設得小帶輪齒數(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）設得鏈條類型
從相關書本[15]進行鏈傳動計算：
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)；
---主動帶輪齒數(shù)系數(shù)；