目 錄摘 要 IAbstract II1 緒論 11 1研究背景及意義 112 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 21 2 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21 2 2發(fā)展趨勢 41 3存在問題的分析 41 4研究內(nèi)容及章節(jié)安排 51 4 1主要研究內(nèi)容 51 4 2具體章節(jié)安排 521 設(shè)計(jì)原則 72 2工況分析 82 2 1工作對象簡介 82 2 2大米搬運(yùn)流程 92 2 3工作空間參數(shù)設(shè)計(jì) 102 2 4工作任務(wù)要求 102 3機(jī)械手的組成 1 12 3 1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 一1 12 3 2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 122 3 3控制系統(tǒng) 133機(jī)械部分設(shè)計(jì) 143 1運(yùn)動(dòng)方案確定 143 2傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)方式的分析選擇 163 2 1傳動(dòng)方式的分析選擇 163 2 2步進(jìn)電機(jī)選型 一 203 3 1 手部 一233 3 2 腕音 B 273 3 3 臂部 283 3 4腰部及機(jī)座 304運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析 32III五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)41 DH表示法 324 2建立 D H坐標(biāo)系 3343 正運(yùn)動(dòng)學(xué)問題分析 334 4逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題分析 354 5工作空間仿真分析 374 5 1工作空間求解方法 37452工作空間的求解 一 37453工作空間仿真分析 一 385控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 415 1 硬件設(shè)計(jì) 415 2主控制器模塊 415 2 1 TMS320F2812 芯片性能簡介 425 2 2芯片電源轉(zhuǎn)換電路 一 4353 PVDF傳感器模塊 一4454步進(jìn)電機(jī)模塊 465 4 1 步進(jìn)電機(jī)簡介 465 4 2 SR8驅(qū)動(dòng)器簡介 一465 4 3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 485 5機(jī)械手控制電路 495 6軟件設(shè)計(jì) 5 l5 6 1工作流程控制程序 515 6 2抓取控制程序 525 6 3觸滑覺信號處理模塊 545 6 4步進(jìn)電機(jī)控制模塊 55結(jié) 論 57參考文獻(xiàn) 58攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果 一 60致 謝 61IV1 緒 論近 幾 十 年 來 ， 工 業(yè) 機(jī) 械 手 發(fā) 展 成 為 一 種 高 科 技 自 動(dòng) 化 生 產(chǎn) 設(shè) 備 ， 是 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 一 個(gè) 重 要 分 支 ， 它 綜 合 運(yùn) 用 多 學(xué) 科 的 最 新 研 究 成 果 ， 是 典 型 的 機(jī) 電 一 體 化 裝 置 ， 可 通 過 編 程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，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)了 人 的 智 能 性 和 適 應(yīng) 性 。 機(jī) 械 手 作 業(yè) 的 準(zhǔn) 確 性 和 各 種 環(huán) 境 中 完 成 作 業(yè) 的 能 力 ， 在 國 民 經(jīng) 濟(jì) 各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。1 1 研究背景及意義(1)研究背景我 國 工 業(yè) 機(jī) 器 人 主 要 用 于 汽 車 制 造 、 工 程 機(jī) 械 及 電 機(jī) 、 電 子 等 行 業(yè) ， 產(chǎn) 品 需 求 量 和 品種將逐年大幅度增加。據(jù)專家預(yù)測，到2012年，國內(nèi)市場實(shí)際擁有量將達(dá)到173000 臺(tái)，年銷售額為931億元。根據(jù)發(fā)達(dá)國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷程和工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢， 到2015年，國內(nèi)市場容量將增加到幾十萬臺(tái)1。國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)最新統(tǒng)計(jì)表明，目前全球能夠正常工作的機(jī)器人總量約在76至102萬臺(tái)之間 5。從宏觀的角度看工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢， 20世紀(jì)利用 50年 使 工 業(yè) 機(jī) 器人從萌芽時(shí)期進(jìn)入成熟時(shí)期， 20世紀(jì) 90年代需要大約 30年 培 育 下 一 代 機(jī) 器 人 ， 也 就 是 工業(yè)機(jī)器人有望在 2020年左右進(jìn)入成熟期。(2) 研究意義70年代初，我國工業(yè)機(jī)械手處于萌芽時(shí)期，經(jīng)過20余 年 的 努 力 ， 機(jī) 械 手 技 術(shù) 已 取得 重 要 進(jìn) 展 ， 縮 短 了 同 美 、 日 、 德 等 國 家 之 間 的 差 距 。 但 是 ， 同 發(fā) 達(dá) 國 家 相 比 ， 我 國 在 自主研究機(jī)械手核心技術(shù)、自主設(shè)計(jì)和制造高性能工藝裝備、系統(tǒng)集成與開發(fā)、生產(chǎn)高 可靠性基礎(chǔ)功能部件等方面，仍存在較大的差距。日本、美國等西方發(fā)達(dá)國家的工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如石油化工化業(yè)、 食 品 類 飲 料 行 業(yè) 等 ， 而 中 國 未 能 在 較 多 行 業(yè) 內(nèi) 使 用 工 業(yè) 機(jī) 器 人 ， 而 且 在 很 大 程 度 上 需 要 進(jìn) 口 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 正 處 于 迅 速 發(fā) 展 階 段 ， 掌 握 機(jī) 器 人 的 設(shè) 計(jì) 方 法 從 而 自 主 研 發(fā) 機(jī) 器 人 是 刻不容緩的事情。隨 著 科 學(xué) 技 術(shù) 的 迅 猛 發(fā) 展 ， 生 產(chǎn) 力 水 平 的 不 斷 提 高 ， 人 們 對 勞 動(dòng) 強(qiáng) 度 和 工 作 環(huán) 境 的 要求也越來越高，石油化工、港口、食品等行業(yè)對搬運(yùn)質(zhì)量和效率的要求也越來越高， 然 而 效 率 低 下 的 人 工 搬 運(yùn) 阻 礙 了 這 些 行 業(yè) 產(chǎn) 量 的 提 高 ， 已 不 能 滿 足 企 業(yè) 的 需 要 ， 從 而 促進(jìn)了企業(yè)向現(xiàn)代化改造。目前國內(nèi)全自動(dòng)碼垛、搬運(yùn)設(shè)備主要依靠進(jìn)口，國產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)廠 家 相 對 較 少 ， 搬 運(yùn) 機(jī) 器 人 技 術(shù) 不 很 成 熟 。 我 國 人 工 搬 運(yùn) 的 低 效 率 與 產(chǎn) 量 的 日 益 提 高 之 間的矛盾日益突出，因此，對搬運(yùn)機(jī)器人的研究具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和現(xiàn)實(shí)意義。本課題從技術(shù)實(shí)現(xiàn)和理論研究兩個(gè)方面著手，研究和開發(fā)一個(gè)性能優(yōu)良的機(jī)械手用以 實(shí) 現(xiàn) 可 靠 和 精 確 地 搬 運(yùn) 和 抓 取 。 結(jié) 構(gòu) 合 理 、 性 能 完 善 的 機(jī) 械 手 ， 可 以 改 善 工 人 的 勞 動(dòng) 環(huán) 境 ， 降 低 工 人 的 勞 動(dòng) 強(qiáng) 度 ， 大 大 提 高 勞 動(dòng) 生 產(chǎn) 率 ， 將 加 速 產(chǎn) 品 化 的 進(jìn) 程 ， 意 味 著 生 產(chǎn) 的自動(dòng)化。根據(jù)機(jī)器人手爪現(xiàn)有的研究成果，從理論上實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體進(jìn)行搬運(yùn)并抓取 的設(shè)計(jì)，有實(shí)際針對性，對用于抓取、搬運(yùn)目標(biāo)物體的機(jī)械手成品機(jī)的產(chǎn)業(yè)化研究有直 接的引導(dǎo)作用，也可以為其他機(jī)器人的研究提供有益的借鑒。1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1 2 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀(1)國外研究現(xiàn)狀工業(yè)機(jī)器人自60年代初問世以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域 ， 成 為 制 造 業(yè) 生 產(chǎn) 自 動(dòng) 化 中 主 要 的 機(jī) 電 一 體 化 設(shè) 備 。 國 外 在 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 研 究 方 面 起 步 較 早 ， 研 究 初 期 主 要 從 學(xué) 術(shù) 角 度 研 究 室 外 機(jī) 器 人 的 體 系 結(jié) 構(gòu) 和 信 息 處 理 ， 并 建 立 實(shí) 驗(yàn) 系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，隨著技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人逐漸向?qū)嵱没l(fā)展。目 前 ， 國 外 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 技 術(shù) 已 經(jīng) 成 熟 ， 國 際 上 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 公 司 主 要 分 為 日 系 和 歐系，日系公司主要有安川、 OTC、 FANUC 等公司，歐系公司主要有德國的 KUKA、 瑞典的 ABB等公司 【6 。2008年， KUKA公司研發(fā)的 6軸機(jī)器人 KRl000TITAN 的負(fù)載能力達(dá)到了 1000kg， 水平方向的工作行程為3200mm，垂直方向的工作行程為5000mm。從技術(shù)角度考慮， KRl000TITAN最顯著的特點(diǎn)是堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)剛結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方案，傳統(tǒng)上使用6個(gè)伺服電 機(jī)驅(qū)動(dòng) 6個(gè)自由度機(jī)器人，而 KUKA公司使用了 9個(gè)伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng) 6軸機(jī)器人KRl000TITA N E71。2011年， FANUC公司推出的小型機(jī)器人 R一 1000iA，負(fù)載能力為 80 100kg， 是 高 速、緊湊、柔性、智能機(jī)器人的代表。 R 1000iA結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化的設(shè)計(jì)具有極高的性 價(jià)比，大大降低了安裝難度，利用 2D、 3D視覺功能可以模擬復(fù)雜的裝配環(huán)境。 R一 1000iA 非常適合焊接、搬運(yùn)汽車零部件、中小型金屬制品等 8，其箱狀零件的搬運(yùn)作業(yè)如圖 1 1所示。圖 1 1 FANUC R-1000iA 搬運(yùn)箱狀零件Fig 1 1 FANUC R一 1 000iA hands box typed parts(2) 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國工業(yè)機(jī)器人從 20世紀(jì) 80年代 “七五 ”科技攻關(guān)開始起步，在國家科技攻關(guān) 項(xiàng) 目支持下，僅過十幾年的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，使中國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)從無到有，跨出了 一大步。目前中國已經(jīng)成為世界上增長最迅速的工業(yè)機(jī)器人市場， “工業(yè)自動(dòng)化世界”正在形成。總的來看，作為制造業(yè)大國，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平與國外相比還有一定的差距，而且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人很少。哈爾濱博實(shí)自動(dòng)化設(shè)備有限公司自主研發(fā)了全自動(dòng)包裝機(jī)器人， 1989年的碼垛生產(chǎn)能力達(dá)到 600袋 h， 1993年的碼垛生產(chǎn)能力達(dá)到 800袋 11，后來研發(fā)了 FFS (Form Fill Seal)的高速高精度稱重包裝碼垛生產(chǎn)線， 2006年的生產(chǎn)能力達(dá)到 1600袋 11，稱重精度達(dá)到 ±0 1 g【l 。2011年， ABB公司的在華團(tuán)隊(duì)研制出全球速度最快的碼垛緊湊型 4軸機(jī)器人 IRB460，其實(shí)物如圖 1 2所示。 IRB460的工作節(jié)拍最高循環(huán) 2190次 h，作業(yè)范圍為 2 4米 ， 主要用于生產(chǎn)線末端進(jìn)行高速碼垛作業(yè)。 IRB460占地面積比一般碼垛機(jī)器人節(jié)省 1 5，更適用于在狹小的空間內(nèi)進(jìn)行高速作業(yè) J。五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)二，遵 薯蕾 搬 舔，鴨。 !。鬻 i。 。，；， 、，?騷 “ ?！贝厘?善。、茹麓。警一、。 p 5*= 。#， 絮 、 氍鍶。一知 卜 。纛一圖 1 2碼垛機(jī)器人 IRB 460 Fig 1 2 Palletizing robot IRB 460此外，高校在研究機(jī)器人碼垛機(jī)技術(shù)方面也取得了重要進(jìn)展。例如，哈工大機(jī)器人 研 究 所 研 制 了 采 用 雙 自 由 度 的 笛 卡 耳 坐 標(biāo) 式 的 機(jī) 器 人 碼 垛 機(jī) ， 并 成 功 地 應(yīng) 用 在 全 自 動(dòng) 包裝 碼 垛 生 產(chǎn) 線 上 ， 取 得 了 良 好 的 經(jīng) 濟(jì) 效 益 ； 上 海 交 通 大 學(xué) 機(jī) 器 人 研 究 所 正 在 從 事 高 速 碼垛技術(shù)方面的研究，也取得了突破性進(jìn)展。1 2 2發(fā)展趨勢目 前 國 際 機(jī) 器 人 界 都 在 加 大 科 研 力 度 ， 進(jìn) 行 機(jī) 器 人 共 性 技 術(shù) 的 研 究 ， 并 朝 著 智 能 化和多樣化方向發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢主要為 【1 J： 操作機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。控制技術(shù)的開放化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化。多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化。 多智能體協(xié)調(diào)化。高速化、重載化、高精度化； 低成本、微型和輕量化。1 3存在問題的分析通過國內(nèi)外的研究比較可以看出，我國的研究水平較低。和美日的工業(yè)機(jī)器人相比， 無論是在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能還是制造工藝上都有很大差距。這就需要我們首先解決工業(yè)機(jī)器人的理論研究。(1) 結(jié)構(gòu)方面在 設(shè) 計(jì) 上 首 先 要 在 簡 化 機(jī) 構(gòu) 上 下 功 夫 。 越 是 簡 單 的 機(jī) 構(gòu) 帶 來 的 問 題 越 少 ， 特 別 是 在 運(yùn) 行 可 靠 性 上 、 重 量 上 、 維 護(hù) 上 、 造 價(jià) 上 等 ， 都 會(huì) 給 工 業(yè) 機(jī) 器 人 帶 來 質(zhì) 的 飛 躍 。 其 次 從 國外現(xiàn)階段研究的工業(yè)機(jī)器人可以發(fā)現(xiàn)，他們的機(jī)器人的肢體活動(dòng)空間很大，這給工業(yè) 機(jī) 器 人 后 期 的 肢 體 完 成 工 作 提 供 了 有 力 的 支 持 。 最 后 就 是 關(guān) 節(jié) 的 靈 活 性 、 結(jié) 構(gòu) 的 堅(jiān) 固 性 和末端肢體的穩(wěn)定性。這三個(gè)方面決定了工業(yè)機(jī)器人可以完成任務(wù)的精密等級。(2) 控制方面在 以 后 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 研 究 上 ， 還 須 要 不 斷 提 高 電 子 芯 片 、 傳 感 器 的 穩(wěn) 定 性 ， 同 時(shí) 降 低 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 造 價(jià) ， 這 些 都 將 影 響 到 工 業(yè) 機(jī) 器 人 在 未 來 被 廣 泛 使 用 的 前 景 。 解 決 好 了以上兩方面的問題，一定會(huì)極大地推動(dòng)我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。1 4研究內(nèi)容及章節(jié)安排141 主要研究內(nèi)容根 據(jù) 應(yīng) 用 于 搬 運(yùn) 碼 垛 的 抓 取 機(jī) 械 手 的 特 點(diǎn) 和 性 能 ， 本 課 題 通 過 對 五 自 由 度 工 業(yè) 機(jī) 械 手在 機(jī) 、 電 、 控 制 一 體 化 的 基 礎(chǔ) 上 ， 首 先 通 過 對 設(shè) 計(jì) 功 能 和 任 務(wù) 的 分 析 ， 制 定 課 題 的 總 體 設(shè)計(jì) 方 案 并 對 機(jī) 械 手 的 各 個(gè) 部 件 進(jìn) 行 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) ， 使 其 能 達(dá) 到 預(yù) 定 功 能 要 求 ； 然 后 對 機(jī) 械 手 的運(yùn) 動(dòng) 方 案 進(jìn) 行 正 、 逆 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 分 析 ， 在 此 基 礎(chǔ) 上 用 MATLAB軟 件 對 其 工 作 空 間 進(jìn) 行 仿 真 ，為 進(jìn) 行 機(jī) 械 手 控 制 系 統(tǒng) 程 序 編 程 和 對 目 標(biāo) 物 體 穩(wěn) 定 抓 取 的 研 究 提 供 了 重 要 依 據(jù) ； 最 后 按照 穩(wěn) 定 抓 取 并 搬 運(yùn) 物 體 的 設(shè) 計(jì) 要 求 進(jìn) 行 機(jī) 械 手 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) ， 包 括 硬 件 設(shè) 計(jì) 和 軟 件 的 實(shí) 現(xiàn) ，理 論 上 實(shí) 現(xiàn) 對 物 體 的 抓 取 并 搬 運(yùn) 。 通 過 對 機(jī) 械 手 系 統(tǒng) 總 體 設(shè) 計(jì) 提 供 的 設(shè) 計(jì) 方 案 和 分 析 方 法 ，為 下 一 步 的 深 入 設(shè) 計(jì) 奠 定 了 理 論 基 礎(chǔ) 。142具體章節(jié)安排本 課 題 在 查 閱 國 內(nèi) 外 大 量 資 料 的 基 礎(chǔ) 上 ， 對 工 業(yè) 機(jī) 械 手 研 究 中 的 重 點(diǎn) 問 題 進(jìn) 行 了 較 為深 入 的 學(xué) 習(xí) 研 究 。 本 課 題 主 要 對 工 業(yè) 機(jī) 械 手 系 統(tǒng) 的 機(jī) 械 部 分 、 結(jié) 構(gòu) 仿 真 部 分 和 控 制 部 分三大部分的相關(guān)問題進(jìn)行了研究，具體安排如下：第 一 章 ， 概 要 性 地 說 明 了 本 課 題 的 研 究 背 景 和 研 究 意 義 、 國 內(nèi) 外 工 業(yè) 機(jī) 械 手 的 發(fā) 展 現(xiàn)狀 、 搬 運(yùn) 機(jī) 器 人 的 發(fā) 展 歷 程 及 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 發(fā) 展 趨 勢 ， 總 結(jié) 了 國 內(nèi) 機(jī) 器 人 發(fā) 展 需 要 解 決 的問 題 ， 最 后 介 紹 了 本 課 題 的 主 要 研 究 內(nèi) 容 。第二章，以米袋為對象，理論上分析工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)原則，研究機(jī)械手在抓取、搬運(yùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了機(jī)械手的工作狀況，最后簡述了工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、和控制系統(tǒng)三大部分的組成，完成機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)。五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)第 三 章 ， 首 先 根 據(jù) 常 用 于 碼 垛 、 搬 運(yùn) 等 的 機(jī) 械 手 類 型 確 定 了 機(jī) 械 手 的 運(yùn) 動(dòng) 方 案 ， 然 后 根 據(jù) 設(shè) 計(jì) 要 求 ， 在 綜 合 分 析 的 基 礎(chǔ) 上 ， 完 成 機(jī) 械 手 的 手 部 、 腕 部 、 臂 部 、 腰 部 、 機(jī) 座 部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后根據(jù)驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)常用的方式確定各部分驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)方式方案。第四章，結(jié)合機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用常規(guī)的DH法建立運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行正、 逆 向 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 分 析 求 解 ， 分 別 得 出 了 操 作 臂 末 端 在 基 坐 標(biāo) 系 下 的 位 置 關(guān) 系 式 和 各 關(guān) 節(jié) 的 參 數(shù)變量，在此基礎(chǔ)上用 MATLAB軟件對正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行了工作空間的仿真分析， 為下一步對目標(biāo)物體穩(wěn)定抓取的研究打下基礎(chǔ)。第五章，設(shè)計(jì)了以美國 TI公司推出的 TMS320F2812 芯片為控制核心，采集接近開 關(guān) 及 觸 滑 覺 傳 感 器 信 號 ， 通 過 反 饋 的 信 號 控 制 步 進(jìn) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 的 控 制 系 統(tǒng) 硬 件 結(jié) 構(gòu) ， 畫 出 了 硬 件 連 接 圖 ， 并 在 此 基 礎(chǔ) 上 設(shè) 計(jì) 軟 件 流 程 包 括 主 程 序 ， 觸 滑 覺 信 號 數(shù) 據(jù) 處 理 程 序 以 及步進(jìn)電機(jī)控制圖。最后，總結(jié)了本課題研究內(nèi)容的成果，并針對設(shè)計(jì)的不足，對以后機(jī)械手完善設(shè)計(jì)工作提出了建議，為下一步的深入研究提供了理論依據(jù)。2總體方案設(shè)計(jì)機(jī)械手是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，需采用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，立足全局，合理分配機(jī)械、 電子、硬件、軟件各部分所承擔(dān)的任務(wù)和功能，對提高系統(tǒng)的整體性能、結(jié)構(gòu)簡化、成 本 降 低 起 著 舉 足 輕 重 的 作 用 ， 可 以 實(shí) 現(xiàn) 功 能 互 補(bǔ) 。 因 此 ， 對 應(yīng) 用 于 搬 運(yùn) 、 碼 垛 的 機(jī) 械 手 采 用 系 統(tǒng) 的 觀 點(diǎn) 進(jìn) 行 整 體 功 能 分 析 設(shè) 計(jì) ， 可 以 實(shí) 現(xiàn) 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 ， 是 實(shí) 現(xiàn) 經(jīng) 濟(jì) 性 、 靈 活 性 和 高可靠性系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵步驟。一 個(gè) 完 整 的 工 業(yè) 機(jī) 械 手 可 以 分 為 三 部 分 ： 傳 感 部 分 、 控 制 部 分 和 機(jī) 械 部 分 ， 其 中 傳 感 部 分 包 括 感 知 系 統(tǒng) 和 機(jī) 器 人 與 環(huán) 境 交 互 系 統(tǒng) ， 控 制 部 分 由 人 機(jī) 交 互 系 統(tǒng) 和 控 制 系 統(tǒng) 構(gòu) 成，機(jī)械部分則包括機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和具體機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。本 課 題 以 米 袋 的 抓 取 搬 運(yùn) 為 對 象 ， 研 究 機(jī) 械 手 在 系 統(tǒng) 中 的 應(yīng) 用 ， 確 定 機(jī) 械 手 的 任 務(wù) 要求和基本技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)。2。1 設(shè)計(jì)原則機(jī)械手，作為特殊機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)原則與一般機(jī)械設(shè)計(jì)相近，需滿足以下設(shè)計(jì)原則 【1314J 。(1)剛度原則：合理選擇零部件形狀和尺寸，可以提高整個(gè)機(jī)構(gòu)的剛度，合理安排作用在機(jī)構(gòu)上的力和力矩，盡量減少零部件彎曲變形。(2)最小運(yùn)動(dòng)慣量原則：機(jī)械手運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變引起沖擊和振動(dòng)，因此，在滿足強(qiáng)度,uMIJ度 的 前 提 下 ， 盡 量 小 型 、 輕 量 化 ， 運(yùn) 動(dòng) 部 件 對 轉(zhuǎn) 軸 的 質(zhì) 心 位 置 應(yīng) 盡 量 滿 足 整 個(gè) 機(jī) 構(gòu) 的 動(dòng) 、 靜 平 衡 要 求 。 即 采 用 最 小 運(yùn) 動(dòng) 慣 量 原 則 ， 這 樣 可 以 提 高 機(jī) 械 手 運(yùn) 動(dòng) 平 穩(wěn) 性 和 動(dòng)力學(xué)特性。(3)尺寸優(yōu)化原則：當(dāng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)滿足工作空間要求時(shí)，通過尺寸優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)更緊湊，有利于機(jī)械手剛度的提高。(4)工藝性原則：機(jī)械手在設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮其加工和裝配工藝性。良好的工藝性可以提高機(jī)械手性能的降低并降低生產(chǎn)成本。(5)材料選用原則：機(jī)械手的手部、腕部、臂部、腰部是依次作為負(fù)載起作用的， 因 此 ， 為 了 降 低 各 個(gè) 部 件 的 負(fù) 載 ， 在 選 用 材 料 時(shí) ， 盡 量 選 擇 輕 型 、 經(jīng) 濟(jì) 型 材 料 。 在 結(jié) 合 考慮了各種因素和工況的條件下，初步選用焊接件作為機(jī)械手臂構(gòu)件。(6)可靠性原則：一般來說，機(jī)械手的零件可靠性應(yīng)高于部件可靠性，更高于整機(jī) 可 靠 性 。 因 此 ， 零 件 可 靠 度 應(yīng) 先 滿 足 要 求 ， 然 后 通 過 綜 合 評 定 方 法 保 證 機(jī) 械 手 系 統(tǒng) 的可靠性。五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)綜 上 所 述 ， 在 機(jī) 械 手 設(shè) 計(jì) 過 程 中 ， 首 先 考 慮 其 作 業(yè) 要 求 ， 即 性 能 方 面 需 滿 足 負(fù) 荷 要 求 、 精 度 要 求 、 速 度 要 求 、 環(huán) 境 要 求 等 ， 幾 何 方 面 在 滿 足 空 間 姿 態(tài) 要 求 前 提 下 盡 量 使 結(jié) 構(gòu)緊湊。機(jī)械手是一種多自由度組成的高精度空間運(yùn)動(dòng)機(jī)械，必須具有運(yùn)動(dòng)的靈活性和 準(zhǔn) 確 性 ， 以 及 動(dòng) 態(tài) 性 能 的 平 穩(wěn) 性 。 因 此 ， 機(jī) 械 手 與 普 通 機(jī) 械 設(shè) 備 相 比 ， 除 滿 足 強(qiáng) 度 、 剛 度等之外，還必須具有輕巧靈活的構(gòu)形和良好的動(dòng)態(tài)性能。2 2 工況分析在搬運(yùn)作業(yè)中，最常見的工作對象是袋裝物體或箱裝物品。般 來 說 ， 抓 取 外 形 整 齊 的 箱 裝 物 品 的 末 端 執(zhí) 行 器 多 用 吸 附 式 手 爪 ； 而 抓 取 容 易 發(fā) 生 變 形 的 袋 裝 物 品 的 末 端 執(zhí) 行器需根據(jù)物體特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)，常使用叉板式、夾鉗式或磁吸式結(jié)構(gòu)。使 用 搬 運(yùn) 機(jī) 械 手 作 為 米 袋 的 搬 運(yùn) 機(jī) ， 工 作 范 圍 廣 、 搬 運(yùn) 速 度 快 、 抓 放 準(zhǔn) 確 、 操 作 靈 活，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作條件，并能降低大米生產(chǎn)的成本費(fèi)用。221 工作對象簡介米 袋 搬 運(yùn) 系 統(tǒng) 采 用 機(jī) 械 手 搬 運(yùn) 方 式 ， 其 任 務(wù) 是 將 傳 送 帶 運(yùn) 出 的 米 袋 按 預(yù) 定 的 要 求 搬 運(yùn)到指定位置。搬運(yùn)的對象是盛有大米的米袋，有 5kg和 10kg裝 兩 種 米 袋 ， 其 形 狀 如 同21所示，米袋外形尺寸如表21所 示 。 米 袋 由 搬 運(yùn) 機(jī) 械 手 放 置 在 托 板 上 ， 根 據(jù) 放 置 的 米袋不一樣，托板的尺寸也不一樣， 5kg米袋用托板尺寸為 1 100mmN 800mm X 110mm ，10kg 米袋用托板尺寸為 1200mm X 900mm X 1 10mm 。圖 2 1米袋外形圖Fig 2 1 The shape office bag表 2 1米袋外形尺寸Tab 2 1 The size ofrice bag米袋重量kg 長mm 寬 mm 咼mm5 400 260 6010 450 300 802 2 2大米搬運(yùn)流程經(jīng)脫粒篩選后的精米被送入精米儲(chǔ)藏罐后，由提升機(jī)將精米送至自動(dòng)計(jì)量包裝機(jī)進(jìn) 行稱量包裝后，分裝成 5kg或 10kg兩種米袋，經(jīng)傳送帶將袋裝的米袋送入機(jī)械手搬運(yùn) 工 作 站 ， 由 叉 車 將 空 托 板 送 入 搬 運(yùn) 站 并 將 成 垛 托 板 送 入 立 體 倉 庫 ， 需 要 出 廠 的 產(chǎn) 品 由 叉 車送入裝車車間，從裝車車間運(yùn)出，搬運(yùn)流程如圖 2 2所示。自 機(jī)功 械 叉 L儲(chǔ) 業(yè) 叉 裝二 米稱 手 至 體 奎 車 還且里搬 搬 倉 搬 斗 查 斗 輸罐包 、 、 。 、 J還廷 庫 還 問裝站機(jī)圖 2 2米廠分裝搬運(yùn)流程圖Fig 2 2 The flowchart ofpackaging handling for rice factory為提高堆垛效率，設(shè)置 A和 B兩 個(gè) 碼 垛 位 ， 當(dāng) 機(jī) 器 人 在 一 個(gè) 位 置 上 碼 垛 時(shí) ， 叉 車 在另一個(gè)位置上作業(yè)，只有在安全門關(guān)閉后，機(jī)器人才能在關(guān)閉后的位置上碼垛，保證了設(shè)備及人身的安全。米袋搬運(yùn)機(jī)械手水平面內(nèi)的工作空間范圍如圖 2 3所示。L竺三蓁門圖 2 3機(jī)械手水平面內(nèi)工作空間Fig 2 3 The horizontal work space of the manipulator五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)2 2 3工作空間參數(shù)設(shè)計(jì)本課題研究的是 5kg米袋的抓取及搬運(yùn)過程。米袋搬運(yùn)系統(tǒng)工作流程中，搬運(yùn)機(jī)器人的工作能力須大于800袋小時(shí)，其工作范圍可按如下方法確定：5kg的米袋用托板尺 寸為 1100mm×800mm×110mm ，使 A和 B兩 塊 托 板 在 機(jī) 器 人 動(dòng) 作 范 圍 之 內(nèi) ， 機(jī) 器 人水平行程為 1 100mm，回轉(zhuǎn)角度 0弋 320。，假設(shè)每塊托板放 10層， 5kg的米袋的高度為 60mm，故堆放層數(shù)決定機(jī)器人垂直行程為 600mm 。表 2 2機(jī)械手工作參數(shù)Tab 2 2 The working parameters ofmanipulator抓取重量 回轉(zhuǎn)角度 水平行程 垂直行程 工作能力5kg 320 。 1lOOmm 600mm 800 袋 h2 2 4工作任務(wù)要求根 據(jù) 課 題 項(xiàng) 目 工 況 要 求 ， 設(shè) 計(jì) 具 有 空 間 搬 運(yùn) 、 碼 垛 功 能 的 機(jī) 械 手 ， 對 其 進(jìn) 行 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 建 模 ， 并 將 機(jī) 械 手 的 手 爪 開 合 機(jī) 構(gòu) 送 到 待 抓 取 的 目 標(biāo) 物 體 處 。 機(jī) 械 手 距 離 目 標(biāo) 物 體 較 遠(yuǎn) 的時(shí)候設(shè)計(jì)機(jī)械手接近目標(biāo)物體，當(dāng)目標(biāo)物體距離機(jī)械手較近時(shí) (大約幾毫米的距離 ) 設(shè) 計(jì) 機(jī) 械 手 放 緩 抓 取 速 度 ， 以 較 慢 的 速 度 接 近 目 標(biāo) 物 體 然 后 通 過 觸 覺 和 滑 覺 傳 感 器 的 信 號反饋采用白適應(yīng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的穩(wěn)定抓取后并搬運(yùn)。該工業(yè)機(jī)械手的作業(yè)工序?yàn)椋何恢脵z測 抓取并夾持 搬運(yùn) (包括提升、翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作)放置快速返程，其工作流程框圖如下圖24所示：圖 2 4機(jī)械手工作流程圖Fig 2 4 Work flow chart of the manipulator2。 3機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手可以按照預(yù)先設(shè)定的程序去完成一定的作業(yè)，例如，搬運(yùn)物體、裝卸零件以及操持噴槍、焊把等工具，可在繁重、高溫和多粉塵等較差工作環(huán)境的作業(yè)中部分代替人工操作。工業(yè)機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即機(jī)械部分 )、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、和控制機(jī)構(gòu) (包括傳感檢測裝置 )三大部分組成 15。231 執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī) 械 手 的 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 可 以 分 為 手 部 、 腕 部 、 臂 部 、 腰 部 、 機(jī) 座 五 部 分 。 手 部 一 般 安 裝 在 機(jī) 械 手 末 端 模 仿 人 的 手 指 動(dòng) 作 ； 腕 部 、 臂 部 、 腰 部 協(xié) 同 引 導(dǎo) 手 部 準(zhǔn) 確 抓 取 物 體 ， 共 同 將物體送到正確位置上；機(jī)座安裝手臂、動(dòng)力源等，支撐整個(gè)機(jī)構(gòu)。通過對設(shè)計(jì)要求的分析，大體確定了機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，機(jī)械手的手爪部分，采用 的是回轉(zhuǎn)型夾鉗式，兩個(gè)配合夾爪上安裝觸滑覺傳感器和接近開關(guān)；手臂部分?jǐn)M采用三 自由度結(jié)構(gòu)形式，分別為兩個(gè)移動(dòng)自由度和一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，以滿足搬運(yùn)作業(yè)的空間位 置要求；軀干部分采用腰部回轉(zhuǎn)方式；即四關(guān)節(jié)五自由度機(jī)械手，方案如圖25所示， 四個(gè)關(guān)節(jié)分別為腰關(guān)節(jié)、立臂關(guān)節(jié)、懸臂關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)，五個(gè)自由度分別為腰部回轉(zhuǎn)， 立臂豎直移動(dòng)、懸臂水平移動(dòng)、腕關(guān)節(jié)俯仰及手爪開合。圖 2 5機(jī)械手臂構(gòu)型Fig 2 5 Arm configuration of the mechanical本課題根據(jù)抓取機(jī)械手工作任務(wù)特點(diǎn)和類型特征，為了使它具有一定的操作靈活性和 較 好 的 使 用 性 能 ， 同 時(shí) 考 慮 到 所 設(shè) 計(jì) 機(jī) 械 手 的 抓 取 精 度 不 高 ， 在 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 上 采 用 圓 柱 坐標(biāo)型的開鏈結(jié)構(gòu)即可滿足工作要求。五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)2 3 2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī) 械 手 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 往 往 要 受 到 作 業(yè) 環(huán) 境 條 件 的 限 制 ， 同 時(shí) 還 要 考 慮 價(jià) 格 因 素 的 影 響 以 及 所 能 達(dá) 到 的 技 術(shù) 水 平 。 機(jī) 器 人 常 用 的 方 式 主 要 有 ： 液 壓 驅(qū) 動(dòng) 、 氣 壓 驅(qū) 動(dòng) 和 電 氣 驅(qū)動(dòng)三種基本類型1 61。各種驅(qū)動(dòng)的主要特點(diǎn)及應(yīng)用場合簡述如下：(1)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，剛度好，低速性能好，功率大，定位精度高；缺點(diǎn)：成本較高， 油 路 系 統(tǒng) 復(fù) 雜 ， 漏 油 和 油 性 變 化 影 響 系 統(tǒng) 特 性 。 常 用 于 驅(qū) 動(dòng) 定 位 精 度 要 求 較 高 的 中 、 大 功率機(jī)器人。(2) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu) 點(diǎn) ： 成 本 低 ， 控 制 簡 單 ， 可 靠 性 高 ； 缺 點(diǎn) ： 出 力 小 ， 噪 聲 大 。 由 于 空 氣 的 可 壓 縮 性，故不能在定位精度較高的場合中使用。(3)電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣驅(qū)動(dòng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的類型又分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種方式。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率小，控制簡單，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)。但可能失步， 可以對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分控制，以提高定位精度。 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率較大，效率較高，調(diào)速性能好，但換向器的電刷易磨損， 限制了其應(yīng)用范圍。 交 流 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 維 護(hù) 簡 單 ， 使 用 環(huán) 境 不 受 限 制 ， 但 交 流 電 機(jī) 都 采 用 閉 環(huán) 控 制 方 式，控制系統(tǒng)的復(fù)雜控制提高了成本。通常用于位置精度和速度要求高的機(jī)器人。綜合考慮控制的方便性、可靠性、各種驅(qū)動(dòng)式的優(yōu)缺點(diǎn)以及系統(tǒng)整體上的經(jīng)濟(jì)性， 對機(jī)械手各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式采用如圖26所示的步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的開環(huán)驅(qū)動(dòng)控制方式。步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，可以大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減輕計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，并且可以降低成本和提高可靠性。圖 2 6機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式Fig 2 6 Drive mode of the manipulator2。 3 3控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是機(jī)械手的大腦，其結(jié)構(gòu)和功能的可靠劃分以及合理的設(shè)計(jì)在很大程度上 影 響 系 統(tǒng) 功 能 的 實(shí) 現(xiàn) 。 在 機(jī) 械 手 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 中 ， 應(yīng) 考 慮 系 統(tǒng) 可 靠 性 、 運(yùn) 行 速 度 和 性 價(jià)比?？刂葡到y(tǒng)是根據(jù)機(jī)器人發(fā)出的指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，以及處理從傳感器收集來的 各個(gè)外部信息，經(jīng)過分析處理，支配執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作和功能?？刂品绞街饕?分散式控制與集中式控制。根據(jù)機(jī)械手的抓取要求，采用 TMS320系列 DSP芯片控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 從而實(shí)現(xiàn)五自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。選用 SR8驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩相四線混合步進(jìn)電 機(jī) ， 選 用 接 近 覺 傳 感 器 和 觸 滑 覺 傳 感 器 作 為 反 饋 電 路 的 核 心 器 件 ， 接 近 覺 傳 感 器 用 于 檢 測前方是否有物體，從而反饋給核心控制器控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直至接觸到物體，當(dāng)手 爪與物體接觸后，觸滑覺傳感器檢測到力的反饋，給 DSP芯片反饋一個(gè)信號， DSP芯 片分析這個(gè)信號后，發(fā)出控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的信號，從而實(shí)現(xiàn)反饋控制。本章主要針對機(jī)械手抓取物體的性能要求和工作特點(diǎn)，對機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)、 驅(qū) 動(dòng) 方 式 以 及 軟 硬 件 設(shè) 計(jì) 控 制 系 統(tǒng) 問 題 進(jìn) 行 了 整 體 分 析 介 紹 。 下 面 將 分 章 闡 述 機(jī) 械 手 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)3機(jī)械部分設(shè)計(jì)機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 是 機(jī) 械 手 最 終 的 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) ， 是 機(jī) 械 手 賴 以 實(shí) 現(xiàn) 各 種 運(yùn) 動(dòng) 的 實(shí) 體 。 機(jī) 械 產(chǎn) 品 的 可 靠 性 和 實(shí) 用 性 ， 在 很 大 程 度 上 取 決 于 機(jī) 械 部 分 的 運(yùn) 動(dòng) 方 案 、 結(jié) 構(gòu) 、 傳 動(dòng) 方 式 以 及 驅(qū) 動(dòng)方式的設(shè)計(jì)。本 章 主 要 介 紹 機(jī) 械 手 的 運(yùn) 動(dòng) 方 案 ， 各 部 分 的 結(jié) 構(gòu) 、 傳 動(dòng) 及 驅(qū) 動(dòng) 方 式 的 選 擇 ， 從 而 完 成機(jī)械手的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。31 運(yùn)動(dòng)方案確定常 用 于 碼 垛 、 搬 運(yùn) 等 的 機(jī) 械 手 類 型 有 直 角 坐 標(biāo) 型 、 圓 柱 坐 標(biāo) 型 、 水 平 關(guān) 節(jié) 型 、 垂 直 關(guān)節(jié)型【5J。同一種運(yùn)動(dòng)形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)，具體選用哪 種 形 式 ， 必 須 根 據(jù) 作 業(yè) 要 求 、 工 作 現(xiàn) 場 、 位 置 以 及 搬 運(yùn) 前 后 工 件 中 心 線 方 向 的 變 化 等 情況，分析比較并擇優(yōu)選取。直角坐標(biāo)型機(jī)械手的原理如圖 3 1所示，它在 X、 Y、 Z軸上的運(yùn)動(dòng)獨(dú)立，優(yōu)點(diǎn)是 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 直 觀 性 強(qiáng) ， 剛 度 高 ， 三 個(gè) 關(guān) 節(jié) 的 運(yùn) 動(dòng) 相 互 獨(dú) 立 ， 運(yùn) 動(dòng) 和 控 制 都 比 較 簡 單 ； 缺 點(diǎn)是占地面積大，動(dòng)作范圍小，操作靈活性差。圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手的原理如圖 3 1所示， R、 0、 Z為坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)，其中 R 是手臂的徑向長度， 0是手臂的角位置， Z是 垂 直 方 向 上 的 手 臂 位 置 。 圓 柱 坐 標(biāo) 型 機(jī) 械手結(jié)構(gòu)較簡單，直觀好，而且運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算量小，動(dòng)作范圍大，編程簡單，運(yùn)行速度快， 定位精度比關(guān)節(jié)型機(jī)械手高，比直角坐標(biāo)型低，不過其移動(dòng)關(guān)節(jié)不容易防護(hù)。Q Q直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型圖 3 1用于搬運(yùn)的機(jī)械手類型 (a)Fig 3 1 Manipulator types for handling(a)水平關(guān)節(jié)型、垂直關(guān)節(jié)型機(jī)械手原理如圖32所示，它們均以各相鄰運(yùn)動(dòng)部件之間 的相對角位移作為坐標(biāo)系的。這兩種機(jī)械手手臂可以達(dá)到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所 能達(dá)到區(qū)域的形狀取決于兩個(gè)臂的長度比例。關(guān)節(jié)型機(jī)械手占地面積小，動(dòng)作范圍大， 空間速度快，但與直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手相比，其精度最低，控制計(jì)算量大， 安裝機(jī)械手時(shí)需要通過計(jì)算避免工作點(diǎn)在奇異點(diǎn)范圍內(nèi)。水平關(guān)節(jié)型 垂直關(guān)節(jié)型圖 3 2用于搬運(yùn)的機(jī)械手類型 (b)Fig 3 2 Manipulator types for handling(b)本 課 題 根 據(jù) 抓 取 機(jī) 械 手 工 作 任 務(wù) 特 點(diǎn) 和 類 型 特 征 ， 為 了 使 它 具 有 一 定 的 操 作 靈 活 性 和 較 好 的 使 用 性 能 ， 在 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 上 采 用 圓 柱 坐 標(biāo) 型 即 可 滿 足 工 作 要 求 。 整 個(gè) 機(jī) 械 手 系 統(tǒng) 設(shè)計(jì)為四關(guān)節(jié)五個(gè)自由度，各部分的運(yùn)動(dòng)方式及其尺寸如圖 3-3所示。弋 圖 3 3機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方案Fig 3 3 Motion scheme of the manipulator五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)其中，連桿 b2用于確定機(jī)械手上下移動(dòng)的最大距離；連桿 b3用 于 確 定 手 部 離 立 柱旋轉(zhuǎn)軸的距離的大?。贿B桿 a4表示夾持部分的偏置； L5用 于 抓 取 物 體 ， 尺 寸 取 決 于 物體的形狀大小。隨著 b2的升降、 b3的伸縮和 a1的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 實(shí) 現(xiàn) 物 體 位 置 的 變 換 。 據(jù) 上 述 分析，由末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的平面工作空間確定本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)立臂、懸臂和手腕的關(guān)節(jié)間距， 在滿足 “夠用原則 ”前提下，各結(jié)構(gòu)基本尺寸盡量取小值。3 2傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)方式的分析選擇3 2 1 傳動(dòng)方式的分析選擇傳 動(dòng) 裝 置 的 作 用 主 要 是 將 驅(qū) 動(dòng) 元 件 的 動(dòng) 力 傳 遞 給 機(jī) 械 手 相 應(yīng) 的 執(zhí) 行 部 件 ， 以 實(shí) 現(xiàn) 各 種 預(yù) 定 的 運(yùn) 動(dòng) 。 工 業(yè) 機(jī) 械 手 的 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 要 求 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 、 質(zhì) 量 輕 、 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 和 體 積 小 ， 要 求消除傳動(dòng)間隙，提高其運(yùn)動(dòng)和位置精度。(1)傳動(dòng)方式種類目 前 常 用 的 傳 送 動(dòng) 力 方 式 有 ： 帶 傳 動(dòng) 、 鏈 條 傳 動(dòng) 、 齒 輪 傳 動(dòng) 、 蝸 輪 蝸 桿 傳 動(dòng) 、 諧 波 減速傳動(dòng)及螺旋傳動(dòng)等 【l 6|。 皮帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)平穩(wěn)無噪聲，可以實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，但不能保證準(zhǔn)確 的 傳 動(dòng) 比 ， 傳 動(dòng) 效 率 低 ， 外 形 尺 寸 大 ， 張 緊 力 大 ， 因 此 ， 常 用 于 傳 動(dòng) 精 度 要 求 不 高 的 中 小功率傳動(dòng)。 鏈條傳動(dòng)傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高，傳遞功率較大，張緊力小，但鉸鏈磨損 后 ， 鏈 條 易 脫 落 ， 安 裝 和 維 護(hù) 要 求 較 高 。 適 合 遠(yuǎn) 距 離 傳 動(dòng) ， 能 在 低 速 重 載 和 高 溫 條 件 等 環(huán)境中工作。 齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，工作可靠、效率高，壽命長， 但制造成本高，安裝要求高，噪音大，需要經(jīng)常潤滑。 蝸輪蝸桿傳動(dòng) 結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比大，傳動(dòng)平穩(wěn)、安全性能高，但制造成本較 高，傳動(dòng)效率較低。常用于要求傳動(dòng)比大且要求機(jī)構(gòu)自鎖的場合。 諧 波 減 速 傳 動(dòng) 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 ， 傳 動(dòng) 比 大 ， 承 載 能 力 高 ， 效 率 高 ， 傳 動(dòng) 精 度 高 ， 但 制造復(fù)雜，成本較高，扭轉(zhuǎn)剛度較低，要求傳動(dòng)比不能太小。 螺旋傳動(dòng)傳動(dòng)比大，傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)平穩(wěn)，定位精度高，但摩擦損耗大， 制造成本較高。滾珠絲杠傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于要求較高的數(shù)控傳動(dòng)系統(tǒng)中。(2) 腕部傳動(dòng)方案方案 (a)，帶減速器的電機(jī)安裝在腕部，直接帶動(dòng)腕部作俯仰運(yùn)動(dòng)如圖 3 4所示。懸臂腕部動(dòng)機(jī)圖 3 4腕部俯仰方案 (a)Fig 3 4 Pitch scheme of the wrist(a)方案 (b)，帶減速器的電機(jī)安裝在懸臂前端，電動(dòng)機(jī)經(jīng)同步帶傳動(dòng)后，把動(dòng)力傳 遞到腕部，如圖 3 5所示。同步帶 帶輪 懸臂電動(dòng)機(jī) 腕部圖 3 5腕部俯仰方案 (b)Fig 3 5 Pitch scheme of the wrist(b)方案 (c)，電機(jī)安裝在懸臂前端，經(jīng)過錐齒輪換向帶動(dòng)腕部俯仰運(yùn)動(dòng)，如圖 3 6 所示。電動(dòng)機(jī) 懸臂 錐齒輪組 腕部圖 3 6腕部俯仰方案 (C)Fig 3 6 Pitch scheme of the wrist(C)五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)以上三種方案均可行，方案 (a)直 接 驅(qū) 動(dòng) ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 易 于 控 制 ， 但 電 機(jī) 的 安 裝增大了腕部受力；方案 (b)結(jié) 構(gòu) 合 理 ， 但 同 步 帶 外 形 尺 寸 大 ， 制 造 、 安 裝 及 維 修 工 作比較麻煩；方案 (c)力經(jīng)傳動(dòng)軸然后經(jīng)錐齒輪傳動(dòng)換向后，帶動(dòng)腕部俯仰，且電機(jī)安裝在懸臂最前端，減小了懸臂受力，所以選擇方案 (c)。(3)臂部傳動(dòng)方案機(jī)械手的臂部傳動(dòng)方案，包括立臂的豎直運(yùn)動(dòng)和懸臂的水平運(yùn)動(dòng)均采用如圖37所 示的傳動(dòng)方案。直線型導(dǎo)軌滾珠絲杠臂部工作臺(tái)電動(dòng)圖 3 7臂部傳動(dòng)方案圖Fig 3 7 Transmission scheme of the arm在傳動(dòng)方案中，螺旋傳動(dòng)形式主要有四種，(a)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)，螺母固定；(b)螺 桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)； (C)螺桿移動(dòng)，螺母轉(zhuǎn)動(dòng)； (d)螺桿固定，螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)。此 外 ， 還 有 差 動(dòng) 傳 動(dòng) 方 式 ， 絲 杠 上 有 螺 距 不 同 、 旋 向 相 同 的 兩 段 螺 紋 ， 如 果 兩 段 螺 紋的 基 本 導(dǎo) 程 大 小 相 差 較 少 ， 則 可 獲 得 較 小 的 位 移 ， 因 此 ， 這 種 傳 動(dòng) 方 式 多 用 于 各 種 微 動(dòng)機(jī)構(gòu)中。臂部傳動(dòng)方案通過電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，采用(b)絲 杠 轉(zhuǎn) 動(dòng) 、 螺 母 移 動(dòng) 的 方 式 ， 其 結(jié) 構(gòu) 緊湊、絲杠剛性較好，工作行程大，需要采用直線型導(dǎo)軌作為導(dǎo)向裝置限制螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)， 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛。(4) 腰部傳動(dòng)方案方案 (a)，電機(jī)直接連接腰部回轉(zhuǎn)軸，從而帶動(dòng)整個(gè)腰部在基座上旋轉(zhuǎn)，這種傳 動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡單，縮短了力的傳遞路線，腰部電機(jī)放置在腰部回轉(zhuǎn)基座的下方，如圖3 8 所示。機(jī)座電動(dòng)機(jī)圖 3 8腰部回轉(zhuǎn)方案 (a)Fig 3 8 Waist turning scheme(a)方案 (b)，電機(jī)通過一對圓柱齒輪組減速后連接與從動(dòng)齒輪同軸的腰部回轉(zhuǎn)軸， 從而帶動(dòng)腰部回轉(zhuǎn)，這種傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)比較簡單，腰部電機(jī)放置在基座下方，如圖3 9 所示。_ j 輪組圖 3 9腰部回轉(zhuǎn)方案 (b)Fig 3 9 Waist tuming scheme(b)這兩種方案都是可行的，方案 (a)方案結(jié)構(gòu)簡單，電機(jī)和旋轉(zhuǎn)軸直接相連，更方 便安裝，維修，還可以提高機(jī)械手的控制精度，定位更加準(zhǔn)確，但傳動(dòng)比小。方案 (b) 經(jīng) 過 齒 輪 嚙 合 間 接 傳 遞 ， 齒 輪 嚙 合 的 誤 差 會(huì) 累 加 到 腰 部 回 轉(zhuǎn) 軸 上 ， 但 對 于 精 度 要 求 不 是 很高的搬運(yùn)機(jī)械手來說，能夠滿足精度要求，因此采用方案 (b)。綜上所述，本機(jī)械手各關(guān)節(jié)所采用的傳動(dòng)方式分別為：腰部回轉(zhuǎn)：步進(jìn)電機(jī)l圓柱齒輪組腰部； 立臂豎直移動(dòng)：步進(jìn)電機(jī) 2絲杠螺母 立臂； 懸臂水平伸縮：步進(jìn)電機(jī) 3絲杠螺母 懸臂； 腕部擺動(dòng)：步進(jìn)電機(jī) 4錐齒輪組 腕部； 手爪開合：步進(jìn)電機(jī) 5絲杠螺母 手爪。五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)機(jī)械手傳動(dòng)原理如圖310所示。65)4)l D3) 1 D1 2)1 勛1)基座 2)從動(dòng)圓柱齒輪 3)立臂 4)懸臂電機(jī) 5)腕部電機(jī) 6)立臂電機(jī) 7)立臂絲杠 8) 懸臂絲杠 9)主動(dòng)錐齒輪 10) 從動(dòng)錐齒輪 11) 懸臂 12) 腕部 13) 手爪電機(jī) 14) 手爪絲杠 15) 手爪 16) 主動(dòng)圓柱齒輪 17) 腰部電機(jī)圖 3 10機(jī)械手傳動(dòng)原理圖Fig 3 1 0 Drive principle diagram of the manipulator3 2 2步進(jìn)電機(jī)選型根據(jù)電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)要求，以手部夾持電機(jī)為例，介紹步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選取。 手爪步進(jìn)電機(jī)選型機(jī)械手手爪工作時(shí)速度較慢，電機(jī)主要克服搬運(yùn)時(shí)的米袋重力力矩，容許抓取質(zhì)量為 5kg、外形尺寸為 400mm X 260mm X 60mm 的 米 袋 。 機(jī) 械 手 穩(wěn) 定 抓 取 米 袋 是 依 靠 手指與米袋接觸部位的摩擦力與米袋重力相平衡來實(shí)現(xiàn)的。米袋受力的平衡條件是：yF=0 ，即 2FG=0( 米袋與手指有 2處接觸 ) (3 1)由于：F： 廠， ： 坐 L (3 2)2sina可得： 1 ： (3 3)1sin Q式中， G=5 X 10N=50N 為米袋的重力； F為物體與手指接觸處的摩擦力； N為物件與手指接觸處的正壓力；f為米袋與手指接觸處的摩擦系數(shù)，廠取O25；l為單個(gè)手指應(yīng)具有的計(jì)算握力； a為手指的抓取半角， a取 30度。實(shí)際應(yīng)用中，為了安全起見，需要的握力為： ：叢 (3 4)叩將式33代入，可得： ：坐 s1·n口 (3 5)一 叩式中叩為手部機(jī)械效率，取085：K=K1·K：，K。為安全系數(shù)，取12；K：為 工 作情況系數(shù)，主要考慮慣性力等的影響，取23。由式 3 4可得：M： !Q蘭 !： ! = 30411sin30 ”= 411 8 N0 25X0 85根據(jù)手部實(shí)際需要的握力 M的大小，由手指的靜力矩平衡條件求出所需的傳動(dòng)力量。假定傳動(dòng)力只分別作用在兩個(gè)手指上，每個(gè)手指上所得到的傳動(dòng)力為晏，由力矩平衡條件 M ： 0(即冬，一 2 L： o)，可得：#： 2_生 L N2 (3 6)由式35和36可得：P：蘭墨：莖：堡 sin口 (3 7)。l177式 3 7中， L為米袋中心到手指回轉(zhuǎn)中心的距離，取 L=400ram ；，為米袋中心到手指間的距離，即米袋的寬度的委，： 130mm。五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)一經(jīng)計(jì)算得，只 =筆景糕 sin30。 =2534。下面根據(jù)傳動(dòng)力只來計(jì)算所需要的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 M。 =M¨+Mf2 ，螺紋摩擦力矩為Mfl=，、 1_d2 F·tan(2+p) (3·8)式 3 8中 F為螺旋傳動(dòng)軸向載荷 (螺桿受的力 )，即傳動(dòng)力墨； A為 螺 旋 線 升 角 ， P 為當(dāng)量摩擦角。根據(jù)選用的絲杠導(dǎo)程 s=3ram，螺紋中徑 d： =8 5mm，由公式：A： arctan÷ (3 9)萬d2計(jì)算可得：允=641。根據(jù)手冊選取鋼和鋼的摩擦因素 f=o 17， a取 30度，由公式：p=arctan去 (3·10)cosi2計(jì)算可得： P 9 98。經(jīng)計(jì)算可得： Mn=去 ×8 5×2534×tan(6 41。 +9 98。 ) 。 mm=3167 6Nmm。螺 桿 的 徑 向 支 撐 和 軸 向 支 撐 使 用 同 一 深 溝 球 軸 承 ， 而 螺 旋 傳 動(dòng) 軸 向 支 撐 面 摩 擦 力 矩 公式為：M一生型 (31 1)式中，為深溝球軸承摩擦系數(shù)，取00022：F為 軸 承 載 荷 ， 由 于 徑 向 載 荷 比 較 小 可以忽略，則 F=只； d為軸承內(nèi)徑， d=lOmm。經(jīng)計(jì)算可得， M，： = Q：旦 Q三三蘭圣 !i蘭蘭 !Q N m聊： 27 9N m聊 ， 故2Mg=3195 5Nmm3 2N聊。設(shè)滾珠絲杠的傳遞效率 77=。 92，則 M刪 =詈箋 =瓦 3五 2·m=3 48·m，同時(shí)，為了使機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中由更好的適用性，可將估算的轉(zhuǎn)動(dòng)乘以一個(gè)系數(shù)旯=12，則 機(jī) 構(gòu) 的實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M=旯 ·M螄 =1 2x 3 48Nm=4 17Nm綜合上述計(jì)算，我們選用兩相混合式 86BYG250BN 一 0401步進(jìn)電機(jī)。 腕部步進(jìn)電機(jī)選型腕 部 電 機(jī) 主 要 克 服 手 爪 和 米 袋 俯 仰 時(shí) 的 摩 擦 力 矩 ， 根 據(jù) 腕 部 的 結(jié) 構(gòu) 可 知 ， 摩 擦 力 矩 由軸承的滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生。經(jīng)計(jì)算，選用兩相混合式 56 BYG250B一 0241步進(jìn)電機(jī)。 水平臂部步進(jìn)電機(jī)選型水平臂部選用有效直徑 d=33mm、導(dǎo)程 10ram的 絲 杠 ， 電 機(jī) 主 要 克 服 工 作 臺(tái) 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) 導(dǎo)軌和絲杠的摩擦力矩，經(jīng)計(jì)算，選用兩相混合式 56 BYG250B一 0241步進(jìn)電機(jī)。 垂直臂部步進(jìn)電機(jī)選型垂直臂部電機(jī)主要克服由工作臺(tái)重力產(chǎn)生的力矩、絲杠摩擦力矩，經(jīng)計(jì)算，選用兩相混合式 86BYG250BN 040 1步進(jìn)電機(jī)。 腰部步進(jìn)電機(jī)選型腰 部 電 機(jī) 主 要 克 服 機(jī) 器 人 臂 部 、 腕 部 和 手 部 及 其 持 重 旋 轉(zhuǎn) 時(shí) 的 滾 動(dòng) 摩 擦 力 矩 和 齒 輪 摩擦力矩，經(jīng)計(jì)算，選用兩相混合式 86BYG250BN 0401步進(jìn)電機(jī)。選擇的步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表31所示。表 3 1兩相混合式步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab 31 Main technical parameters of the two phase hybrid stepping motor型號 步距角 相電流 保持轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 重量(。 ) (A) (N·m) (g·cm2) (Xg)56 BYG250B 0241 0 9 1 8 24 065 180 04886BYG250BN 040 l 0 9 1 8 40 5 1200 263 3主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械手由機(jī)座、腰部、立臂、懸臂、手腕、末端執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置組成， 共有五個(gè)自由度，依次為腰部回轉(zhuǎn)、立臂豎直方向移動(dòng)、懸臂水平方向移動(dòng)、手腕俯仰、手爪張合，能夠根據(jù)接收的指令，按要求進(jìn)行目標(biāo)物體的的抓取及搬運(yùn)工作。331 手 部 (1)手爪分類末 端 執(zhí) 行 器 俗 稱 手 爪 ， 由 手 指 、 傳 力 機(jī) 構(gòu) 、 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 等 組 成 ， 是 機(jī) 械 手 直 接 用 于 抓取 和 握 緊 工 件 或 夾 持 專 用 工 具 (如 噴 槍 、 扳 手 、 焊 接 工 具 )進(jìn) 行 操 作 的 部 件 ， 它 具 有 模五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)仿人手動(dòng)作的功厶匕 12,【1 31。其結(jié)構(gòu)和尺寸根據(jù)不同作業(yè)任務(wù)要求來設(shè)計(jì)的，從而形成了多種多樣的結(jié)構(gòu)型式，一般可分為機(jī)械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具三類。 機(jī)械式夾持器機(jī) 械 式 夾 持 器 是 工 業(yè) 機(jī) 器 人 最 常 用 的 一 種 末 端 執(zhí) 行 器 ， 在 裝 配 生 產(chǎn) 線 上 應(yīng) 用 的 最 多，一般由手指、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)