一种轮式移动机械手的结构设计与建模

济南大学毕业设计- -目 录摘要. .IABSTRACT.II第一章 绪论.11.1 机器人概述.11.2 机器人的历史、现状.31.3 机器人的发展趋势.51.4 课题的提出及主要研究内容.61.4.1 课题的提出.61.4.2 主要研究内容.6第二章 轮式移动机械手的总体设计方案.72.1 机械手总体设计.72.2 机械手的主要部件及选择.82.2.1 执行机构.82.2.2 驱动机构.82.2.3 走行机构.92.2.4 控制系统.102.2.5 位置检测装置.102.3 搭载平台的选择.102.4 机械手主要参数.10第三章 机械手机构设计.113.1 机械手手部结构设计.112.2.1 手部的设计.112.2.1 设计机械手应考虑的问题.123.2 机械手腕部结构设计.122.2.1 回转机构设计.132.2.1 腕部设计的基本要求.133.3 机械手臂部结构设计.13济南大学毕业设计- I -2.2.1 机械臂机构设计.142.2.1 手臂设计基本要求.14第四章 移动机械手机构计算与选择.154.1 电机的选择与驱动力的计算.154.2 齿轮的设计.164.2.1 材料选择.164.2.2 按接触疲劳强度设计.164.2.3 主要尺寸计算.164.3 轴的设计.174.4 键的选择.194.5 联轴器的选择.194.6 车载平台.194.7 控制单元.20第五章 机械手机构计算与选择.225.1 移动机械手.225.2 移动机械手运动学.245.3 移动机械手动力学.25结论.27参考文献.28致谢.29济南大学毕业设计- 0 -第一章第一章 绪论绪论1.1 机器人概述用于再现人手的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿人手的部分动作，按照预先给定程序、轨迹和要求，来实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为 “工业机械手”。机械手是工业机器人最重要的组成部分。工业机械人是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机器人技术是机器人的设计、制造和应用的技术。它是电子技术、机械技术、光电技术、声学、传感器技术、电子计算机技术、自动控制技术等相关技术相互渗透、相互结合的综合性技术。一、发展机器人技术可以提高综合国力。二、发展机器人技术可以提高国防实力。三、机器人可以形成一个巨大的产业。四、发展机器人可以提高国家的国际地位。由于工业的发展，人力的缺乏，迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是社会发展本身的一个需求，另一方面它也是生产力发展需求的必然结果，还是人类自身发展的必然结果。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般认为：机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。 ” “工业机器人” （Industrial Robot）：多数是指可编程序的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置。一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化操作装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统。 机器人大体上可分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元济南大学毕业设计- 1 -机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator） 。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand” ，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此他又是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉一样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。机器人执行机构手部驱动传动系统控制系统腕部臂部基座部（固定或移动）电、液或气驱动装置伺服控制器关节协调及其他信息交换计算机图 1.1 机器人的一般组成对于现代智能机器人而言，应该还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等各类检测装置。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛” ，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各济南大学毕业设计- 2 -自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个完整的机器人。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图 1-2 所示。控制系统智能系统位置检测装置驱动传动装置执行机构工作对象图 1.2 机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又称作操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。1.2 机器人的历史、现状1927 年，美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱” ，并在纽约举行的世界博览会上展出，它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是在机器的机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的抓放机构，控制系统是示教型的。 日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使济南大学毕业设计- 3 -机器人具有感觉机能。 第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：（1）1963-1967 年为试验定型阶段。1963-1966 年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967 年，该公司生产的工业机器人定型为 1900 型。（2）1968-1970 年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台工业机器人；1969 年该公司又自行研制出 SAM 新工业机器人，并用 21 组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司 32 条冲压自动线上的 448 台冲床都用工业机器人传递工件。（3）1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972 年，工业机器人处于技术发展阶段。1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约 200 台工业机器人，工作时间共达 60 万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制 50 台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由 25 台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从 1967，1968 年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司 引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate” ，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约 10 年的实用化时期以后，从 1980年开始进入广泛的普及时代。目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的） 、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在 EPROM 中，这种专用系济南大学毕业设计- 4 -统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。1.3 机器人发展趋势国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从上个世纪90年代的10.3万美元降至本世纪初的6.5万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等各类传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前，已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机济南大学毕业设计- 5 -器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.4 课题的提出及主要研究内容1.4.1 课题的提出随着工业自动化程度的提高，人口老龄化的加大，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场所不适宜人体本身的接触，这些必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率，因此就需要大量使用机器人机械手来帮助人们来完成工作。目前，在工业领域内大多采用液压传动来实现机械手的运作，但是随着社会发展的进步，液压传动和气压传动却存在着诸多的缺点，例如：（1）液压传动和气压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等)液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。气压传动的气体有着较高的压缩比不易实现，（2）工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。（3）因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。气压传动在排气的时候有较大噪音。（4）为了减少泄漏，液压元件和气压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。鉴于以上存在的诸多缺点，本次设计采用电机传动来实现工作要求。1.4.2 主要研究内容移动机械手由移动平台及安装于平台多关节机械手组成，通过合理选择移动平台的驱动方式、关节驱动方式，设计移动机械手实验平台，通过运动学、动力学分析，建立轮式移动机械手的数学模型，通过软件对移动机械手的运动过程仿真，实现对移动机械手运动过程及结构进行优化。通过对本课题的完成，训练学生对机械设计、运动仿真、计算机等知识的综合运用能力，学生将初步掌握机器人、机构设济南大学毕业设计- 6 -计与仿真方面的知识和方法，提高结构设计、优化等方面能力。第二章第二章 轮式移动机械手的总体设计方案轮式移动机械手的总体设计方案本课题是轮式移动机械手的设计。本设计主要任务是完成机械手的结构以及传动方面设计和对机械手的驱动机构等进行了确定 图 2.1 轮式移动机械手方案设计总图2.1 机械手的总体设计 对电机驱动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计电机驱动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是多工位冲床专用机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的和操作单调频繁的生产场合。济南大学毕业设计- 7 -控制系统驱动机构走行机构执行机构位置检测装置图 2.2 机械手方案设计原理图2.2 机械手的主要运动部件及选择机械手主要由执行机构、驱动机构、走行机构、控制系统以及反馈装置等所组成。2.2.1 执行机构（1）手部 既直接与工件接触的那一部分，一般是回转型或平动型两种（多为回转型，因其结构简单） 。手部多为两指（也有多指） ；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传递力矩的机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具） ，并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位） ，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。2.2.2 驱动机构（1）液压传动机械手济南大学毕业设计- 8 -是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。（2）气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。（3）机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是传动比一定，运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变，对工作机器有冲击。（4）电机传动机械手有特殊结构的感应电动机、伺服电机，直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。由于电机传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失小和没有泄漏，成本低廉，因此本机械手采用电机传动方式。通常对机器人的驱动系统的要求有：（1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；（2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；（3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；（4）安全可靠；（5）操作和维护方便；（6）对环境无污染，噪声要小；（7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。2.2.3 走行机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，就需要加装一些济南大学毕业设计- 9 -行走装置来帮助机器人到达预定目标。走形系统有分为：（1）履带式（2）轮胎式（3）步行式（4）导轨式 本次设计的机械手要具有轻便，灵活移动应采用轮胎式走行机构。2.2.4 控制系统对于控制方式的选择有点位控制和连续轨迹控制。（1）点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。（2）连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。本次设计的机械手为非完整约束的方式，应该采用连续轨迹控制。利用计算机的辅助来实现复杂的过程控制。2.2.5 位置检测装置随着工业技术的提高，人们对工业生产的精度有着越来越高的要求，必须在这些上产环节之中加入一些检测装置，来提高上产精度。有光电传感器，温度传感器，触觉传感器等检测装置。2.3 搭载平台的选择本次设计轮式移动机械手的主要的运动部件都是搭载在移动小车上，对于机械手的工作位置有着特殊的效果，对于小车平台的设计有着至关重要的作用。轮式移动机械手要有移动功能就必须要有底座来支撑整个机械手的重量，达到保持平衡和移动的能力。2.4 机械手的主要参数移动机械手结构设计参数要求：（1）移动平台尺寸为 800600350mm，整体框架焊接结构。（2）机械手臂为两关节，长度分别为 400mm 和 300mm。（3）手臂末端带有末端执行器，执行器抓取范围 50100mm。济南大学毕业设计- 10 -（4）移动平台承载重量 20Kg。（5）末端执行器抓取物体质量最大 1Kg。（6）移动平台的最大移动速度 60m/min。第三章第三章 机械手结构设计机械手结构设计3.1 机械手手部结构设计机器人的手又称为末端执行器，是整个机械的执行机构，它具有模仿人手动作的功能，也可以是不具备手指的手；可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。目前，大多数的机械手抓取物品部分都用夹持式手部结构，夹持式手部机构手指(或手爪)和传力机构所组成。其传递力的方式结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。图 3.1 机械手手部结构图3.1.1 手部的设计手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，通过传动机构向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。一般手指的形状与被抓取的物件的外观形状一样。机械手抓取物件时由直流电机提供驱动力，带动滚珠丝杠的旋转，手指的后端连接在丝杠螺母上，通过滚珠丝杠的旋转转化为螺母的前后移动，使手指张开和闭济南大学毕业设计- 11 -合。执行器抓取范围 50100mm。末端执行器抓取物体质量最大 1Kg。因此，设计的手抓不宜过大，根据已知参数选取手抓的大小。3.1.2 设计机械手应考虑的问题（1）应具有适当的夹紧力和驱动力； 根据被抓取的物件的大小调整合适的夹紧力，确保有足够的夹紧力，防止物件掉落。选取合适的电机来提供相应的驱动力。（2）手指应具有一定的开闭范围； 根据物件的外形大小来设计手指所能张开的最大夹角。（3）应保证工件在手指内的夹持精度； 在设计时要保证工件在手抓内被完全禁锢，防止有滑动，影响抓取的准确度。（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高；（5）应考虑通用性和特殊要求。 设计时应该考虑机械手的件维修和更换方便。3.2 机械手腕部结构设计工业机器人的腕部是联接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。机器人一般具有六个自由度才能使手部(末端操作器)达到目标位置和处于期望的姿态，手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴 X、Y、Z 的转动，即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度。腕部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。在有些情况下，腕部具有两个自由度：翻转和俯仰或翻转和偏转。本次设计的机械手腕部就是具有单自由度。济南大学毕业设计- 12 -图 3.2 机械手腕部结构运动简图考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求，因此，手腕设计成回转结构。手腕部分由齿轮传动机构，轴，轴承紧固螺钉等部件组成。3.2.1 回转机构设计 一般手腕要有灵活的实现转动，就必须设计一些转动装置，本次设计的转动部分机构是机械机构传动来实现的，由锥齿轮传动来实现机械手的上下翻转，因为锥齿轮啮合时轴线是互成 90o ,由电机带动锥齿轮转动来实现机械手手腕的上下回转，可以迅速的调整手抓的工作位置。3.2.2 腕部设计的基本要求（1） 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的中间部位，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3）必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的工件，因此不太受济南大学毕业设计- 13 -环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。3.3 机械手臂部结构设计手臂是机器人执行机构中重要的部件, 它的作用是将被抓取的工件运送到给定的位置上。因而,一般机器人手臂有 3 个自由度, 即手臂的伸缩、 左右回转和升降(或俯仰)运动。图 3.3 机械手手臂3.3.1 机械臂机构设计本次设计的机械手有两个手臂构成，其中第一个臂与手抓相连，两个手臂之间机械手的腕部相连，利用齿轮传动来改变转动，第二个手臂的一端固连在车载平台上。机械手臂为两关节，长度分别为 400mm 和 300mm。半径 45mm臂部采用铝合金材料，这样可以减少手臂运动件的重量，可以减少臂部的惯量。臂部通过焊接与腕部相连，保证具有足够的强度。3.3.2 手臂设计基本要求臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。同时,设计时必须考虑到手臂的受力情况，油(气)缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。就必须要遵循：(1）刚度要求高(2）导向性要好(3) 重量要轻(4) 运动要平稳、定位精度要高,因此，除了臂部设计上要力求结构紧凑、重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措济南大学毕业设计- 14 -第四章第四章 移动机械手结构计算与选择移动机械手结构计算与选择 机械手各个部件的设计计算都为小功率设备，所需用的动力一般都不大，因此所选的机构的强度都满足设计要求。4.1 电机的选择与驱动力的计算其工件重量G=1kg，两根手指之间夹角为，,摩擦系数为60mmRmmb248010. 0f(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: Rbp2(2)根据手指夹持工件的方位 ，可得握力计算公式:)(5 . 0tgN)(3 .27)42560(15 . 0N所以 Rbp2N)(182 N (3)实际驱动力: 21KKpp实际I,因为传动机构为滚珠丝杠传动，故取，并取。若被抓取工件94. 05 . 11K的最大加速度取时，则:ga3412gaK济南大学毕业设计- 15 -所以 )(116194. 045 . 1182Np实际所以夹持工件时所需夹紧的驱动力为。N1161因为整个机械手随车载平台一块运动，最大速度为60m/min所需功率为)(161. 11000111611000kwFVP所选电机 )(26. 198. 094. 0161. 1kwPP选取电机型号为：ZN17-SZ系列微型直流电动机，额定功率1.4KW，扭矩366.620NM额定电压12V，转速1r/min750r/min4.2 齿轮的设计4.2.1 材料选择输出齿轮材料为 40MnB 钢调质处理，HBS=241-286；传动齿轮材料用 45 钢调质处理，HBS=197-255，精度等级 8 级。取输出齿轮齿数Z1=30，因为传动比为 1:1因此，配合齿轮也为 Z2=304.4.2 按接触疲劳强度设计（1）接触疲劳极限应力；MPaH7001lim=，MPaH6002lim=。MPaMPaH5406009 . 02lim=（2）齿宽系数。4 . 0=R（3）综合系数 KK=1.4。（4）确定输出齿轮大端分度圆直径1d3222115 . 0-181.1190HlinRRiKTd济南大学毕业设计- 16 - mm76.4154034 . 00.40.5-132.104 . 181.11903224.2.3 主要尺寸计算（1）模数，取 m=2mm。mmZdm088. 22076.4111（2）大端分度圆直径1d；mmmzd4020211（3）节锥角与12；02114520/20arctgzzarctg（4）锥距 RmmdR3 .2845sin240sin2011（5）齿宽 bmmRbR59.113 .284 . 0图 4.2 锥齿轮另一齿轮与设计齿轮一样。4.3 轴的设计济南大学毕业设计- 17 -轴的设计，是传动机构不可或缺一部分，它起着传递扭矩和动力的机构。各轴段的设计应当根据轴所受的弯曲强度来计算。这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果还受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。在做轴的机构设计时，通常用这种方法初步估算轴径，也可以作为最后计算结果。轴的扭转强度条件为2 . 0105 .95T35dnPWTTT=式中：-扭转切应力，MPa；T T-轴所受的扭矩，N.mm； -轴的抗扭截面系数，；TW3mm n-轴的转速，r/min； P-轴传递的功率，Kw； d-计算截面处轴的直径，mm；由上式可以得轴的直径 30335352 . 0105 .952 . 0105 .95nPAnPnpdTT式中，。 302 . 09550000TA如果轴截面上开有键槽时，应当再增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径的轴，由一个键槽时，轴径增大 5%7%；有两个键槽时，应增mmd100大 10%15%。然后将轴径圆整为标准直径。应当注意，这样求出的直径，只能作为承受扭矩作用的轴端的最小直径。mind输出轴的设计计算对于连接在微型直流电机上的输出轴来说，主要受到扭矩。因此可用公式初步估算直径。 30335352 . 0105 .952 . 0105 .95nPAnPnpdTT在输出轴上开有一个键槽，输出轴的材料选用 45 号钢，。输出轴的最1200=A低转速 n=30r/min。济南大学毕业设计- 18 -mmnPAd226.1310161. 112030因此，轴的外径不小于 14mm。图 4.3 输出轴又因为传动的另一根轴与与输出轴配合输出，又因为两个齿轮传动比相等，在不考虑损耗的情况下，所以，轴的转速相等。4.4 键的选择高速轴与带轮连接选用键 A4412=dhlTP4124201032.1043 100MPa43MPaP故，该键满足强度要求。4.5 联轴器的选择计算转矩TKTAca根据工作情况，查表得KA=1.3，则 =1.310.32=13.62NmTKTACA所以考虑选用弹性柱销联轴器 LX1 GB/T 5014-200320122014YAZA4.6 车载平台本次设计的车载平台是一辆三轮小车，小车本体由 30mm 的方管焊接而成，济南大学毕业设计- 19 -图 4.4 车身结构简图两个前轮为驱动轮，驱动轮上安装轮毂电机，转向由电机差速控制，后轮为万向轮，车轮承载整个车身的重量，要使整个车载平台和机械手按照预先设计的动作进行运动的话，就必须建立控制系统。4.7 控制单元整个控制系统由图像采集系统、显示器、轮毂电机驱动器、码盘测速系统、液压系统控制器、蓄电池组、计算机输入设备、逆变器、工控机 IPC610 、数据采集系统、微型液压驱动系统、编码器等组成。济南大学毕业设计- 20 -工控机数据采集器端子板电路外部设备电池组图 4.5 控制简图济南大学毕业设计- 21 -第五章第五章 轮式移动机械手建模与运动分析轮式移动机械手建模与运动分析5.1 移动机械手建模运动学方程 根据系统组成原理，本文所采用的机器人系统为轮式双关节旋转关节移动机械手。其原理图为：L2L3L4YXEIFPLRF图 5.1 移动机械手几何模型 移动平台由两个前轮通过差动驱动，并假定其在水平面上移动。那么移动机械手的主要参数如下： E机械手末端效应器； F机械手和移动平台的联接点；P两驱动轮之间的距离； b两个驱动轮之间的距离； r驱动轮的半径； LF点 P 与点 F 之间的距离； L1，L2，L3,L4机械手臂的杆长 ，分别为连杆 L2，L3的旋转角度；12 ，分别为左右驱动轮的转角；LR 移动机械手的航向角。p济南大学毕业设计- 22 - 取和分别为移动平台上 P 点的速度及航向角的变化率，那么，驱动轮角速pp度与 p 之间的关系可以表示为： （6.1）)(2lrrp驱动轮角速度和之间的关系可以表示为：p (6.2)(LRbrp点 P 和点 F 之间的位置关系： (6.3)PFpFPFpFPFzzLyyLxxsincos因此，移动平台的运动学方程可以表示为： (6.4)FFyxPPsincosPPcossinblFrr21blFrr21LR机械手和移动平台的联系点 F 与末端执行器 E 之间的位置关系： (6.5)sin()(sinsin)cos()(cos(cos)cos()(cos(214312214312214312LLLzzLLLyyLLLxxFEPFEPFE机械手和引动平台的联接点 F 与末端执行器 E 之间的速度关系可以表示为：= (6.6)FFyxFFyxPPsincosPPcossin2111JJ2211JJ2313JJLRP其中) ( cos )L (L cos L J), ( L4)cos (L J ), (sin )L (LsinL J 0, J J J214 31221213132 1431 3122322 11因此，移动机械手的运动学方程可以描述为：= FFEEyxyx00sincosPP00cossinPPPPsincos00PPcossin00济南大学毕业设计- 23 - (6.7)blFbrFrrJlr212121)(blFbrFrrJlr212121)(00021J00012J00013J21PLR末端执行器 E 在高度方向的速度： （6.8）0(Ez 00)cos()()sin()(cos2143214312LLLLL21PLR这里，是虚拟输入参数，其大小有，根据公式（6-2）确定。因此，移动机PLR械手的运动学方程可以简化为： (6.9)aRJP 这里，定义为差动驱动式移动机械手的广义雅克比矩阵。aRJP 5.2 移动机械手运动学 选取机械手与移动平台的链接点 F 点在坐标系 XOY 中的位置及方向来表示实际移动机械手的运动情况。 为机器人当前状态。其中（x，y）为点Fxq FyTPF 在坐标系 XOY 中的坐标，为机器人运动方向角。则点 F 与驱动轮轴中心点 P 的P关系为： （6.10）pFPFpFPFLyyLxxsincos（xp，yp）为两差动轮轴的中点 P 在 XOY 坐标系中的坐标。设机械手的移动速度为，则有： （6.11）PPPPyxsincos则由此可知， (6.12)PPPPyxcossin代入公式可得： (6.13)0sincosFPPPPlxy济南大学毕业设计- 24 -此公式又称为移动机械手非完整约束方程。5.3 移动机械手动力学 移动平台的动能为： (6.14)20220021)(21PPPIyxmT其中，m0 为移动平台的质量，I0 为移动平台的转动惯量。 （6.15）ghmV00其中，h 是移动平台的质心高度，第一节机械臂的动能为： （6.16）22121212111cos21)(21PIzyxmT其中，m1 为第一节机械臂的质量，x1，y1，z1 分别是机械臂的坐标，I1 为机械臂的转动惯量。 第一节机械臂的势能为： （6.17）)sin(11111lhgmV 第二节机械臂的动能为： （6.18）2212222222222)(cos21)(21PIzyxmT 其中，m2为第二节机械臂的质量，x2，y2，z2分别是机械臂的坐标，I2为机械臂的转动惯量。第二节机械臂的势能为： （6.19）)sin(sin(21211122llhgmVL21 是第二节机械臂质心到旋转中心的距离。所以，机械手的动能为： （6.20）221222222222221212121120220210)(cos21)(21cos21)(2121)(21PPPPPIzyxmIzyxmIyxmTTTT机械手势能为： )sin(sin()sin(212111211110210llhgmlhgmghmVVVV（6.21）速度与位置建立中心点 P 的运动速度为：PpFFPPpFFPLyyLxxcossin第一节机械臂的质心坐标为：济南大学毕业设计- 25 -1111111111sinsincoscoscoslhzLyylxxpFFpF速度为：111111111111111111111coscoscossinsinsincossincoslzllyyllxxPPpFPPpF第二节机械臂的质心坐标为：)sin(sinsin)cos(sincoscos)cos(coscos212111221211122121112llhzllyyllxxPpFPpF速度为：221211212111221211122121121211122121112212112121112)cos()cos(coscos)cos(cossin)sin(sin)sin(sinsin)sin(sincos)sin(cos)sin(sinlllzlllllyylllllxxppPpFppPpF所以，移动机械手的动能可表示为：221222221211122221212212211212211221212121112212112121112212111221211212111222121122112121111111112111111121222220210)(cos21)cos(cos()cos2)cos2()cos)cos(cos(sin)sin(sin)sin(sin(2)sin)cos(cos(cos)sin(cos)sin(sin(2(21cos21)cos)coscossinsin( 2)sincoscossin( 2(21021)cos2sin2(21ppFppPPFFppPPFPpFPPPFFPPPFPpFPPFFFPPFFFIlllll ll lllylllllyxlllllxmIllyllyxllxmIllxylxxmTTTT