五自由度机械手的抓取设计

目 录摘 要 IAbstract II1 绪论 11 1研究背景及意义 112 国内外研究现状及发展趋势 21 2 1 国内外研究现状 21 2 2发展趋势 41 3存在问题的分析 41 4研究内容及章节安排 51 4 1主要研究内容 51 4 2具体章节安排 521 设计原则 72 2工况分析 82 2 1工作对象简介 82 2 2大米搬运流程 92 2 3工作空间参数设计 102 2 4工作任务要求 102 3机械手的组成 1 12 3 1 执行机构 一1 12 3 2驱动机构 122 3 3控制系统 133机械部分设计 143 1运动方案确定 143 2传动与驱动方式的分析选择 163 2 1传动方式的分析选择 163 2 2步进电机选型 一 203 3 1 手部 一233 3 2 腕音 B 273 3 3 臂部 283 3 4腰部及机座 304运动学仿真分析 32III五自由度机械手的抓取设计41 DH表示法 324 2建立 D H坐标系 3343 正运动学问题分析 334 4逆运动学问题分析 354 5工作空间仿真分析 374 5 1工作空间求解方法 37452工作空间的求解 一 37453工作空间仿真分析 一 385控制系统设计 415 1 硬件设计 415 2主控制器模块 415 2 1 TMS320F2812 芯片性能简介 425 2 2芯片电源转换电路 一 4353 PVDF传感器模块 一4454步进电机模块 465 4 1 步进电机简介 465 4 2 SR8驱动器简介 一465 4 3步进电机驱动电路 485 5机械手控制电路 495 6软件设计 5 l5 6 1工作流程控制程序 515 6 2抓取控制程序 525 6 3触滑觉信号处理模块 545 6 4步进电机控制模块 55结 论 57参考文献 58攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果 一 60致 谢 61IV1 绪 论近 几 十 年 来 ， 工 业 机 械 手 发 展 成 为 一 种 高 科 技 自 动 化 生 产 设 备 ， 是 工 业 机 器 人 的 一 个 重 要 分 支 ， 它 综 合 运 用 多 学 科 的 最 新 研 究 成 果 ， 是 典 型 的 机 电 一 体 化 装 置 ， 可 通 过 编 程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了 人 的 智 能 性 和 适 应 性 。 机 械 手 作 业 的 准 确 性 和 各 种 环 境 中 完 成 作 业 的 能 力 ， 在 国 民 经 济 各领域有着广阔的发展前景。1 1 研究背景及意义(1)研究背景我 国 工 业 机 器 人 主 要 用 于 汽 车 制 造 、 工 程 机 械 及 电 机 、 电 子 等 行 业 ， 产 品 需 求 量 和 品种将逐年大幅度增加。据专家预测，到2012年，国内市场实际拥有量将达到173000 台，年销售额为931亿元。根据发达国家产业发展的历程和工业机器人产业化发展趋势， 到2015年，国内市场容量将增加到几十万台1。国际机器人联合会最新统计表明，目前全球能够正常工作的机器人总量约在76至102万台之间 5。从宏观的角度看工业机器人的发展趋势， 20世纪利用 50年 使 工 业 机 器人从萌芽时期进入成熟时期， 20世纪 90年代需要大约 30年 培 育 下 一 代 机 器 人 ， 也 就 是 工业机器人有望在 2020年左右进入成熟期。(2) 研究意义70年代初，我国工业机械手处于萌芽时期，经过20余 年 的 努 力 ， 机 械 手 技 术 已 取得 重 要 进 展 ， 缩 短 了 同 美 、 日 、 德 等 国 家 之 间 的 差 距 。 但 是 ， 同 发 达 国 家 相 比 ， 我 国 在 自主研究机械手核心技术、自主设计和制造高性能工艺装备、系统集成与开发、生产高 可靠性基础功能部件等方面，仍存在较大的差距。日本、美国等西方发达国家的工业机器人广泛应用于各行各业，如石油化工化业、 食 品 类 饮 料 行 业 等 ， 而 中 国 未 能 在 较 多 行 业 内 使 用 工 业 机 器 人 ， 而 且 在 很 大 程 度 上 需 要 进 口 。 工 业 机 器 人 正 处 于 迅 速 发 展 阶 段 ， 掌 握 机 器 人 的 设 计 方 法 从 而 自 主 研 发 机 器 人 是 刻不容缓的事情。随 着 科 学 技 术 的 迅 猛 发 展 ， 生 产 力 水 平 的 不 断 提 高 ， 人 们 对 劳 动 强 度 和 工 作 环 境 的 要求也越来越高，石油化工、港口、食品等行业对搬运质量和效率的要求也越来越高， 然 而 效 率 低 下 的 人 工 搬 运 阻 碍 了 这 些 行 业 产 量 的 提 高 ， 已 不 能 满 足 企 业 的 需 要 ， 从 而 促进了企业向现代化改造。目前国内全自动码垛、搬运设备主要依靠进口，国产设备生产五自由度机械手的抓取设计厂 家 相 对 较 少 ， 搬 运 机 器 人 技 术 不 很 成 熟 。 我 国 人 工 搬 运 的 低 效 率 与 产 量 的 日 益 提 高 之 间的矛盾日益突出，因此，对搬运机器人的研究具有重大的经济意义和现实意义。本课题从技术实现和理论研究两个方面着手，研究和开发一个性能优良的机械手用以 实 现 可 靠 和 精 确 地 搬 运 和 抓 取 。 结 构 合 理 、 性 能 完 善 的 机 械 手 ， 可 以 改 善 工 人 的 劳 动 环 境 ， 降 低 工 人 的 劳 动 强 度 ， 大 大 提 高 劳 动 生 产 率 ， 将 加 速 产 品 化 的 进 程 ， 意 味 着 生 产 的自动化。根据机器人手爪现有的研究成果，从理论上实现对目标物体进行搬运并抓取 的设计，有实际针对性，对用于抓取、搬运目标物体的机械手成品机的产业化研究有直 接的引导作用，也可以为其他机器人的研究提供有益的借鉴。1 2 国内外研究现状及发展趋势1 2 1 国内外研究现状(1)国外研究现状工业机器人自60年代初问世以来，经过多年的发展，已经广泛应用于各个工业领域 ， 成 为 制 造 业 生 产 自 动 化 中 主 要 的 机 电 一 体 化 设 备 。 国 外 在 工 业 机 器 人 的 研 究 方 面 起 步 较 早 ， 研 究 初 期 主 要 从 学 术 角 度 研 究 室 外 机 器 人 的 体 系 结 构 和 信 息 处 理 ， 并 建 立 实 验 系统进行验证，随着技术的进步，工业机器人逐渐向实用化发展。目 前 ， 国 外 的 工 业 机 器 人 技 术 已 经 成 熟 ， 国 际 上 的 工 业 机 器 人 公 司 主 要 分 为 日 系 和 欧系，日系公司主要有安川、 OTC、 FANUC 等公司，欧系公司主要有德国的 KUKA、 瑞典的 ABB等公司 【6 。2008年， KUKA公司研发的 6轴机器人 KRl000TITAN 的负载能力达到了 1000kg， 水平方向的工作行程为3200mm，垂直方向的工作行程为5000mm。从技术角度考虑， KRl000TITAN最显著的特点是坚实的基础刚结构和驱动方案，传统上使用6个伺服电 机驱动 6个自由度机器人，而 KUKA公司使用了 9个伺服电机来驱动 6轴机器人KRl000TITA N E71。2011年， FANUC公司推出的小型机器人 R一 1000iA，负载能力为 80 100kg， 是 高 速、紧凑、柔性、智能机器人的代表。 R 1000iA结构紧凑、轻量化的设计具有极高的性 价比，大大降低了安装难度，利用 2D、 3D视觉功能可以模拟复杂的装配环境。 R一 1000iA 非常适合焊接、搬运汽车零部件、中小型金属制品等 8，其箱状零件的搬运作业如图 1 1所示。图 1 1 FANUC R-1000iA 搬运箱状零件Fig 1 1 FANUC R一 1 000iA hands box typed parts(2) 国内研究现状我国工业机器人从 20世纪 80年代 “七五 ”科技攻关开始起步，在国家科技攻关 项 目支持下，仅过十几年的研制、生产和应用，使中国的机器人产业从无到有，跨出了 一大步。目前中国已经成为世界上增长最迅速的工业机器人市场， “工业自动化世界”正在形成。总的来看，作为制造业大国，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平与国外相比还有一定的差距，而且具有自主知识产权的工业机器人很少。哈尔滨博实自动化设备有限公司自主研发了全自动包装机器人， 1989年的码垛生产能力达到 600袋 h， 1993年的码垛生产能力达到 800袋 11，后来研发了 FFS (Form Fill Seal)的高速高精度称重包装码垛生产线， 2006年的生产能力达到 1600袋 11，称重精度达到 0 1 g【l 。2011年， ABB公司的在华团队研制出全球速度最快的码垛紧凑型 4轴机器人 IRB460，其实物如图 1 2所示。 IRB460的工作节拍最高循环 2190次 h，作业范围为 2 4米 ， 主要用于生产线末端进行高速码垛作业。 IRB460占地面积比一般码垛机器人节省 1 5，更适用于在狭小的空间内进行高速作业 J。五自由度机械手的抓取设计二，遵 薯蕾 搬 舔，鸭。 !。鬻 i。 。，；， 、，?骚 “ 。”蠢遴 善。、茹麓。警一、。 p 5*= 。#， 絮 、 氍锶。一知 卜 。纛一图 1 2码垛机器人 IRB 460 Fig 1 2 Palletizing robot IRB 460此外，高校在研究机器人码垛机技术方面也取得了重要进展。例如，哈工大机器人 研 究 所 研 制 了 采 用 双 自 由 度 的 笛 卡 耳 坐 标 式 的 机 器 人 码 垛 机 ， 并 成 功 地 应 用 在 全 自 动 包装 码 垛 生 产 线 上 ， 取 得 了 良 好 的 经 济 效 益 ； 上 海 交 通 大 学 机 器 人 研 究 所 正 在 从 事 高 速 码垛技术方面的研究，也取得了突破性进展。1 2 2发展趋势目 前 国 际 机 器 人 界 都 在 加 大 科 研 力 度 ， 进 行 机 器 人 共 性 技 术 的 研 究 ， 并 朝 着 智 能 化和多样化方向发展，工业机器人发展趋势主要为 【1 J： 操作机的结构优化。探索新的高强度轻质材料，进一步提高负重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。控制技术的开放化、模块化、标准化和网络化。多传感器融合技术的实用化。 多智能体协调化。高速化、重载化、高精度化； 低成本、微型和轻量化。1 3存在问题的分析通过国内外的研究比较可以看出，我国的研究水平较低。和美日的工业机器人相比， 无论是在机器人的运动性能还是制造工艺上都有很大差距。这就需要我们首先解决工业机器人的理论研究。(1) 结构方面在 设 计 上 首 先 要 在 简 化 机 构 上 下 功 夫 。 越 是 简 单 的 机 构 带 来 的 问 题 越 少 ， 特 别 是 在 运 行 可 靠 性 上 、 重 量 上 、 维 护 上 、 造 价 上 等 ， 都 会 给 工 业 机 器 人 带 来 质 的 飞 跃 。 其 次 从 国外现阶段研究的工业机器人可以发现，他们的机器人的肢体活动空间很大，这给工业 机 器 人 后 期 的 肢 体 完 成 工 作 提 供 了 有 力 的 支 持 。 最 后 就 是 关 节 的 灵 活 性 、 结 构 的 坚 固 性 和末端肢体的稳定性。这三个方面决定了工业机器人可以完成任务的精密等级。(2) 控制方面在 以 后 的 工 业 机 器 人 的 研 究 上 ， 还 须 要 不 断 提 高 电 子 芯 片 、 传 感 器 的 稳 定 性 ， 同 时 降 低 工 业 机 器 人 的 造 价 ， 这 些 都 将 影 响 到 工 业 机 器 人 在 未 来 被 广 泛 使 用 的 前 景 。 解 决 好 了以上两方面的问题，一定会极大地推动我国工业机器人的发展。1 4研究内容及章节安排141 主要研究内容根 据 应 用 于 搬 运 码 垛 的 抓 取 机 械 手 的 特 点 和 性 能 ， 本 课 题 通 过 对 五 自 由 度 工 业 机 械 手在 机 、 电 、 控 制 一 体 化 的 基 础 上 ， 首 先 通 过 对 设 计 功 能 和 任 务 的 分 析 ， 制 定 课 题 的 总 体 设计 方 案 并 对 机 械 手 的 各 个 部 件 进 行 结 构 设 计 ， 使 其 能 达 到 预 定 功 能 要 求 ； 然 后 对 机 械 手 的运 动 方 案 进 行 正 、 逆 运 动 学 分 析 ， 在 此 基 础 上 用 MATLAB软 件 对 其 工 作 空 间 进 行 仿 真 ，为 进 行 机 械 手 控 制 系 统 程 序 编 程 和 对 目 标 物 体 稳 定 抓 取 的 研 究 提 供 了 重 要 依 据 ； 最 后 按照 稳 定 抓 取 并 搬 运 物 体 的 设 计 要 求 进 行 机 械 手 控 制 系 统 设 计 ， 包 括 硬 件 设 计 和 软 件 的 实 现 ，理 论 上 实 现 对 物 体 的 抓 取 并 搬 运 。 通 过 对 机 械 手 系 统 总 体 设 计 提 供 的 设 计 方 案 和 分 析 方 法 ，为 下 一 步 的 深 入 设 计 奠 定 了 理 论 基 础 。142具体章节安排本 课 题 在 查 阅 国 内 外 大 量 资 料 的 基 础 上 ， 对 工 业 机 械 手 研 究 中 的 重 点 问 题 进 行 了 较 为深 入 的 学 习 研 究 。 本 课 题 主 要 对 工 业 机 械 手 系 统 的 机 械 部 分 、 结 构 仿 真 部 分 和 控 制 部 分三大部分的相关问题进行了研究，具体安排如下：第 一 章 ， 概 要 性 地 说 明 了 本 课 题 的 研 究 背 景 和 研 究 意 义 、 国 内 外 工 业 机 械 手 的 发 展 现状 、 搬 运 机 器 人 的 发 展 历 程 及 工 业 机 器 人 的 发 展 趋 势 ， 总 结 了 国 内 机 器 人 发 展 需 要 解 决 的问 题 ， 最 后 介 绍 了 本 课 题 的 主 要 研 究 内 容 。第二章，以米袋为对象，理论上分析工业机械手的设计原则，研究机械手在抓取、搬运系统中的应用，介绍了机械手的工作状况，最后简述了工业机械手执行机构、驱动机构、和控制系统三大部分的组成，完成机械手的总体方案设计。五自由度机械手的抓取设计第 三 章 ， 首 先 根 据 常 用 于 码 垛 、 搬 运 等 的 机 械 手 类 型 确 定 了 机 械 手 的 运 动 方 案 ， 然 后 根 据 设 计 要 求 ， 在 综 合 分 析 的 基 础 上 ， 完 成 机 械 手 的 手 部 、 腕 部 、 臂 部 、 腰 部 、 机 座 部分的结构设计，最后根据驱动、传动常用的方式确定各部分驱动、传动方式方案。第四章，结合机械手的结构特点，用常规的DH法建立运动学数学模型，进行正、 逆 向 运 动 学 分 析 求 解 ， 分 别 得 出 了 操 作 臂 末 端 在 基 坐 标 系 下 的 位 置 关 系 式 和 各 关 节 的 参 数变量，在此基础上用 MATLAB软件对正运动学分析结果进行了工作空间的仿真分析， 为下一步对目标物体稳定抓取的研究打下基础。第五章，设计了以美国 TI公司推出的 TMS320F2812 芯片为控制核心，采集接近开 关 及 触 滑 觉 传 感 器 信 号 ， 通 过 反 馈 的 信 号 控 制 步 进 电 机 转 速 的 控 制 系 统 硬 件 结 构 ， 画 出 了 硬 件 连 接 图 ， 并 在 此 基 础 上 设 计 软 件 流 程 包 括 主 程 序 ， 触 滑 觉 信 号 数 据 处 理 程 序 以 及步进电机控制图。最后，总结了本课题研究内容的成果，并针对设计的不足，对以后机械手完善设计工作提出了建议，为下一步的深入研究提供了理论依据。2总体方案设计机械手是典型的机电一体化产品，需采用系统的观点，立足全局，合理分配机械、 电子、硬件、软件各部分所承担的任务和功能，对提高系统的整体性能、结构简化、成 本 降 低 起 着 举 足 轻 重 的 作 用 ， 可 以 实 现 功 能 互 补 。 因 此 ， 对 应 用 于 搬 运 、 码 垛 的 机 械 手 采 用 系 统 的 观 点 进 行 整 体 功 能 分 析 设 计 ， 可 以 实 现 结 构 优 化 ， 是 实 现 经 济 性 、 灵 活 性 和 高可靠性系统设计的重要环节和关键步骤。一 个 完 整 的 工 业 机 械 手 可 以 分 为 三 部 分 ： 传 感 部 分 、 控 制 部 分 和 机 械 部 分 ， 其 中 传 感 部 分 包 括 感 知 系 统 和 机 器 人 与 环 境 交 互 系 统 ， 控 制 部 分 由 人 机 交 互 系 统 和 控 制 系 统 构 成，机械部分则包括机械驱动系统和具体机械结构系统。本 课 题 以 米 袋 的 抓 取 搬 运 为 对 象 ， 研 究 机 械 手 在 系 统 中 的 应 用 ， 确 定 机 械 手 的 任 务 要求和基本技术参数，进行机械手的总体方案设计。2。1 设计原则机械手，作为特殊机械设计结构，其设计原则与一般机械设计相近，需满足以下设计原则 【1314J 。(1)刚度原则：合理选择零部件形状和尺寸，可以提高整个机构的刚度，合理安排作用在机构上的力和力矩，尽量减少零部件弯曲变形。(2)最小运动惯量原则：机械手运动状态的改变引起冲击和振动，因此，在满足强度,uMIJ度 的 前 提 下 ， 尽 量 小 型 、 轻 量 化 ， 运 动 部 件 对 转 轴 的 质 心 位 置 应 尽 量 满 足 整 个 机 构 的 动 、 静 平 衡 要 求 。 即 采 用 最 小 运 动 惯 量 原 则 ， 这 样 可 以 提 高 机 械 手 运 动 平 稳 性 和 动力学特性。(3)尺寸优化原则：当机械手的设计满足工作空间要求时，通过尺寸优化，使结构更紧凑，有利于机械手刚度的提高。(4)工艺性原则：机械手在设计时，还应考虑其加工和装配工艺性。良好的工艺性可以提高机械手性能的降低并降低生产成本。(5)材料选用原则：机械手的手部、腕部、臂部、腰部是依次作为负载起作用的， 因 此 ， 为 了 降 低 各 个 部 件 的 负 载 ， 在 选 用 材 料 时 ， 尽 量 选 择 轻 型 、 经 济 型 材 料 。 在 结 合 考虑了各种因素和工况的条件下，初步选用焊接件作为机械手臂构件。(6)可靠性原则：一般来说，机械手的零件可靠性应高于部件可靠性，更高于整机 可 靠 性 。 因 此 ， 零 件 可 靠 度 应 先 满 足 要 求 ， 然 后 通 过 综 合 评 定 方 法 保 证 机 械 手 系 统 的可靠性。五自由度机械手的抓取设计综 上 所 述 ， 在 机 械 手 设 计 过 程 中 ， 首 先 考 虑 其 作 业 要 求 ， 即 性 能 方 面 需 满 足 负 荷 要 求 、 精 度 要 求 、 速 度 要 求 、 环 境 要 求 等 ， 几 何 方 面 在 满 足 空 间 姿 态 要 求 前 提 下 尽 量 使 结 构紧凑。机械手是一种多自由度组成的高精度空间运动机械，必须具有运动的灵活性和 准 确 性 ， 以 及 动 态 性 能 的 平 稳 性 。 因 此 ， 机 械 手 与 普 通 机 械 设 备 相 比 ， 除 满 足 强 度 、 刚 度等之外，还必须具有轻巧灵活的构形和良好的动态性能。2 2 工况分析在搬运作业中，最常见的工作对象是袋装物体或箱装物品。般 来 说 ， 抓 取 外 形 整 齐 的 箱 装 物 品 的 末 端 执 行 器 多 用 吸 附 式 手 爪 ； 而 抓 取 容 易 发 生 变 形 的 袋 装 物 品 的 末 端 执 行器需根据物体特点专门设计，常使用叉板式、夹钳式或磁吸式结构。使 用 搬 运 机 械 手 作 为 米 袋 的 搬 运 机 ， 工 作 范 围 广 、 搬 运 速 度 快 、 抓 放 准 确 、 操 作 灵 活，减轻工人劳动强度，改善工作条件，并能降低大米生产的成本费用。221 工作对象简介米 袋 搬 运 系 统 采 用 机 械 手 搬 运 方 式 ， 其 任 务 是 将 传 送 带 运 出 的 米 袋 按 预 定 的 要 求 搬 运到指定位置。搬运的对象是盛有大米的米袋，有 5kg和 10kg装 两 种 米 袋 ， 其 形 状 如 同21所示，米袋外形尺寸如表21所 示 。 米 袋 由 搬 运 机 械 手 放 置 在 托 板 上 ， 根 据 放 置 的 米袋不一样，托板的尺寸也不一样， 5kg米袋用托板尺寸为 1 100mmN 800mm X 110mm ，10kg 米袋用托板尺寸为 1200mm X 900mm X 1 10mm 。图 2 1米袋外形图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 长mm 宽 mm 呙mm5 400 260 6010 450 300 802 2 2大米搬运流程经脱粒筛选后的精米被送入精米储藏罐后，由提升机将精米送至自动计量包装机进 行称量包装后，分装成 5kg或 10kg两种米袋，经传送带将袋装的米袋送入机械手搬运 工 作 站 ， 由 叉 车 将 空 托 板 送 入 搬 运 站 并 将 成 垛 托 板 送 入 立 体 仓 库 ， 需 要 出 厂 的 产 品 由 叉 车送入装车车间，从装车车间运出，搬运流程如图 2 2所示。自 机功 械 叉 L储 业 叉 装二 米称 手 至 体 奎 车 还且里搬 搬 仓 搬 斗 查 斗 输罐包 、 、 。 、 J还廷 库 还 问装站机图 2 2米厂分装搬运流程图Fig 2 2 The flowchart ofpackaging handling for rice factory为提高堆垛效率，设置 A和 B两 个 码 垛 位 ， 当 机 器 人 在 一 个 位 置 上 码 垛 时 ， 叉 车 在另一个位置上作业，只有在安全门关闭后，机器人才能在关闭后的位置上码垛，保证了设备及人身的安全。米袋搬运机械手水平面内的工作空间范围如图 2 3所示。L竺三蓁门图 2 3机械手水平面内工作空间Fig 2 3 The horizontal work space of the manipulator五自由度机械手的抓取设计2 2 3工作空间参数设计本课题研究的是 5kg米袋的抓取及搬运过程。米袋搬运系统工作流程中，搬运机器人的工作能力须大于800袋小时，其工作范围可按如下方法确定：5kg的米袋用托板尺 寸为 1100mm800mm110mm ，使 A和 B两 块 托 板 在 机 器 人 动 作 范 围 之 内 ， 机 器 人水平行程为 1 100mm，回转角度 0弋 320。，假设每块托板放 10层， 5kg的米袋的高度为 60mm，故堆放层数决定机器人垂直行程为 600mm 。表 2 2机械手工作参数Tab 2 2 The working parameters ofmanipulator抓取重量 回转角度 水平行程 垂直行程 工作能力5kg 320 。 1lOOmm 600mm 800 袋 h2 2 4工作任务要求根 据 课 题 项 目 工 况 要 求 ， 设 计 具 有 空 间 搬 运 、 码 垛 功 能 的 机 械 手 ， 对 其 进 行 运 动 学 建 模 ， 并 将 机 械 手 的 手 爪 开 合 机 构 送 到 待 抓 取 的 目 标 物 体 处 。 机 械 手 距 离 目 标 物 体 较 远 的时候设计机械手接近目标物体，当目标物体距离机械手较近时 (大约几毫米的距离 ) 设 计 机 械 手 放 缓 抓 取 速 度 ， 以 较 慢 的 速 度 接 近 目 标 物 体 然 后 通 过 触 觉 和 滑 觉 传 感 器 的 信 号反馈采用白适应控制技术实现对目标物体的稳定抓取后并搬运。该工业机械手的作业工序为：位置检测 抓取并夹持 搬运 (包括提升、翻转、旋转等动作)放置快速返程，其工作流程框图如下图24所示：图 2 4机械手工作流程图Fig 2 4 Work flow chart of the manipulator2。 3机械手的组成工业机械手可以按照预先设定的程序去完成一定的作业，例如，搬运物体、装卸零件以及操持喷枪、焊把等工具，可在繁重、高温和多粉尘等较差工作环境的作业中部分代替人工操作。工业机械手主要由执行机构 (即机械部分 )、驱动机构、和控制机构 (包括传感检测装置 )三大部分组成 15。231 执行机构机 械 手 的 执 行 机 构 可 以 分 为 手 部 、 腕 部 、 臂 部 、 腰 部 、 机 座 五 部 分 。 手 部 一 般 安 装 在 机 械 手 末 端 模 仿 人 的 手 指 动 作 ； 腕 部 、 臂 部 、 腰 部 协 同 引 导 手 部 准 确 抓 取 物 体 ， 共 同 将物体送到正确位置上；机座安装手臂、动力源等，支撑整个机构。通过对设计要求的分析，大体确定了机械手的设计方案，机械手的手爪部分，采用 的是回转型夹钳式，两个配合夹爪上安装触滑觉传感器和接近开关；手臂部分拟采用三 自由度结构形式，分别为两个移动自由度和一个回转自由度，以满足搬运作业的空间位 置要求；躯干部分采用腰部回转方式；即四关节五自由度机械手，方案如图25所示， 四个关节分别为腰关节、立臂关节、悬臂关节、腕关节，五个自由度分别为腰部回转， 立臂竖直移动、悬臂水平移动、腕关节俯仰及手爪开合。图 2 5机械手臂构型Fig 2 5 Arm configuration of the mechanical本课题根据抓取机械手工作任务特点和类型特征，为了使它具有一定的操作灵活性和 较 好 的 使 用 性 能 ， 同 时 考 虑 到 所 设 计 机 械 手 的 抓 取 精 度 不 高 ， 在 结 构 设 计 上 采 用 圆 柱 坐标型的开链结构即可满足工作要求。五自由度机械手的抓取设计2 3 2驱动机构机 械 手 驱 动 系 统 的 设 计 往 往 要 受 到 作 业 环 境 条 件 的 限 制 ， 同 时 还 要 考 虑 价 格 因 素 的 影 响 以 及 所 能 达 到 的 技 术 水 平 。 机 器 人 常 用 的 方 式 主 要 有 ： 液 压 驱 动 、 气 压 驱 动 和 电 气 驱动三种基本类型1 61。各种驱动的主要特点及应用场合简述如下：(1)液压驱动系统优点：结构简单，刚度好，低速性能好，功率大，定位精度高；缺点：成本较高， 油 路 系 统 复 杂 ， 漏 油 和 油 性 变 化 影 响 系 统 特 性 。 常 用 于 驱 动 定 位 精 度 要 求 较 高 的 中 、 大 功率机器人。(2) 气动驱动系统优 点 ： 成 本 低 ， 控 制 简 单 ， 可 靠 性 高 ； 缺 点 ： 出 力 小 ， 噪 声 大 。 由 于 空 气 的 可 压 缩 性，故不能在定位精度较高的场合中使用。(3)电气驱动系统电气驱动根据电动机的类型又分为步进电机驱动、直流电机驱动、交流电机驱动三种方式。 步进电机驱动功率小，控制简单，响应速度快，抗干扰能力强。但可能失步， 可以对步进电机驱动系统进行细分控制，以提高定位精度。 直流电机驱动功率较大，效率较高，调速性能好，但换向器的电刷易磨损， 限制了其应用范围。 交 流 电 机 驱 动 维 护 简 单 ， 使 用 环 境 不 受 限 制 ， 但 交 流 电 机 都 采 用 闭 环 控 制 方 式，控制系统的复杂控制提高了成本。通常用于位置精度和速度要求高的机器人。综合考虑控制的方便性、可靠性、各种驱动式的优缺点以及系统整体上的经济性， 对机械手各关节的驱动方式采用如图26所示的步进电机构成的开环驱动控制方式。步 进电机驱动方式，可以大大简化系统结构，减轻计算机的运算负担，并且可以降低成本和提高可靠性。图 2 6机械手驱动方式Fig 2 6 Drive mode of the manipulator2。 3 3控制系统控制系统是机械手的大脑，其结构和功能的可靠划分以及合理的设计在很大程度上 影 响 系 统 功 能 的 实 现 。 在 机 械 手 控 制 系 统 设 计 中 ， 应 考 虑 系 统 可 靠 性 、 运 行 速 度 和 性 价比。控制系统是根据机器人发出的指令执行相应的动作，以及处理从传感器收集来的 各个外部信息，经过分析处理，支配执行机构完成相应的动作和功能。控制方式主要有 分散式控制与集中式控制。根据机械手的抓取要求，采用 TMS320系列 DSP芯片控制步进电机的运动状态， 从而实现五自由度机械手控制系统的设计。选用 SR8驱动器驱动两相四线混合步进电 机 ， 选 用 接 近 觉 传 感 器 和 触 滑 觉 传 感 器 作 为 反 馈 电 路 的 核 心 器 件 ， 接 近 觉 传 感 器 用 于 检 测前方是否有物体，从而反馈给核心控制器控制电机的运动状态直至接触到物体，当手 爪与物体接触后，触滑觉传感器检测到力的反馈，给 DSP芯片反馈一个信号， DSP芯 片分析这个信号后，发出控制步进电机运动的信号，从而实现反馈控制。本章主要针对机械手抓取物体的性能要求和工作特点，对机械手的机械结构参数、 驱 动 方 式 以 及 软 硬 件 设 计 控 制 系 统 问 题 进 行 了 整 体 分 析 介 绍 。 下 面 将 分 章 阐 述 机 械 手 的结构设计、运动学仿真分析、控制系统的设计。五自由度机械手的抓取设计3机械部分设计机 械 结 构 是 机 械 手 最 终 的 执 行 机 构 ， 是 机 械 手 赖 以 实 现 各 种 运 动 的 实 体 。 机 械 产 品 的 可 靠 性 和 实 用 性 ， 在 很 大 程 度 上 取 决 于 机 械 部 分 的 运 动 方 案 、 结 构 、 传 动 方 式 以 及 驱 动方式的设计。本 章 主 要 介 绍 机 械 手 的 运 动 方 案 ， 各 部 分 的 结 构 、 传 动 及 驱 动 方 式 的 选 择 ， 从 而 完 成机械手的机械部分的设计。31 运动方案确定常 用 于 码 垛 、 搬 运 等 的 机 械 手 类 型 有 直 角 坐 标 型 、 圆 柱 坐 标 型 、 水 平 关 节 型 、 垂 直 关节型【5J。同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构，具体选用哪 种 形 式 ， 必 须 根 据 作 业 要 求 、 工 作 现 场 、 位 置 以 及 搬 运 前 后 工 件 中 心 线 方 向 的 变 化 等 情况，分析比较并择优选取。直角坐标型机械手的原理如图 3 1所示，它在 X、 Y、 Z轴上的运动独立，优点是 结 构 简 单 ， 直 观 性 强 ， 刚 度 高 ， 三 个 关 节 的 运 动 相 互 独 立 ， 运 动 和 控 制 都 比 较 简 单 ； 缺 点是占地面积大，动作范围小，操作灵活性差。圆柱坐标型机械手的原理如图 3 1所示， R、 0、 Z为坐标系的三个坐标，其中 R 是手臂的径向长度， 0是手臂的角位置， Z是 垂 直 方 向 上 的 手 臂 位 置 。 圆 柱 坐 标 型 机 械手结构较简单，直观好，而且运动控制计算量小，动作范围大，编程简单，运行速度快， 定位精度比关节型机械手高，比直角坐标型低，不过其移动关节不容易防护。Q Q直角坐标型 圆柱坐标型图 3 1用于搬运的机械手类型 (a)Fig 3 1 Manipulator types for handling(a)水平关节型、垂直关节型机械手原理如图32所示，它们均以各相邻运动部件之间 的相对角位移作为坐标系的。这两种机械手手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所 能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。关节型机械手占地面积小，动作范围大， 空间速度快，但与直角坐标型、圆柱坐标型机械手相比，其精度最低，控制计算量大， 安装机械手时需要通过计算避免工作点在奇异点范围内。水平关节型 垂直关节型图 3 2用于搬运的机械手类型 (b)Fig 3 2 Manipulator types for handling(b)本 课 题 根 据 抓 取 机 械 手 工 作 任 务 特 点 和 类 型 特 征 ， 为 了 使 它 具 有 一 定 的 操 作 灵 活 性 和 较 好 的 使 用 性 能 ， 在 结 构 设 计 上 采 用 圆 柱 坐 标 型 即 可 满 足 工 作 要 求 。 整 个 机 械 手 系 统 设计为四关节五个自由度，各部分的运动方式及其尺寸如图 3-3所示。弋 图 3 3机械手运动方案Fig 3 3 Motion scheme of the manipulator五自由度机械手的抓取设计其中，连杆 b2用于确定机械手上下移动的最大距离；连杆 b3用 于 确 定 手 部 离 立 柱旋转轴的距离的大小；连杆 a4表示夹持部分的偏置； L5用 于 抓 取 物 体 ， 尺 寸 取 决 于 物体的形状大小。随着 b2的升降、 b3的伸缩和 a1的 转 动 实 现 物 体 位 置 的 变 换 。 据 上 述 分析，由末端执行机构的平面工作空间确定本体结构设计立臂、悬臂和手腕的关节间距， 在满足 “够用原则 ”前提下，各结构基本尺寸尽量取小值。3 2传动与驱动方式的分析选择3 2 1 传动方式的分析选择传 动 装 置 的 作 用 主 要 是 将 驱 动 元 件 的 动 力 传 递 给 机 械 手 相 应 的 执 行 部 件 ， 以 实 现 各 种 预 定 的 运 动 。 工 业 机 械 手 的 传 动 系 统 要 求 结 构 紧 凑 、 质 量 轻 、 转 动 惯 量 和 体 积 小 ， 要 求消除传动间隙，提高其运动和位置精度。(1)传动方式种类目 前 常 用 的 传 送 动 力 方 式 有 ： 带 传 动 、 链 条 传 动 、 齿 轮 传 动 、 蜗 轮 蜗 杆 传 动 、 谐 波 减速传动及螺旋传动等 【l 6|。 皮带传动结构简单，传动平稳无噪声，可以实现过载保护，但不能保证准确 的 传 动 比 ， 传 动 效 率 低 ， 外 形 尺 寸 大 ， 张 紧 力 大 ， 因 此 ， 常 用 于 传 动 精 度 要 求 不 高 的 中 小功率传动。 链条传动传动比准确，传动效率高，传递功率较大，张紧力小，但铰链磨损 后 ， 链 条 易 脱 落 ， 安 装 和 维 护 要 求 较 高 。 适 合 远 距 离 传 动 ， 能 在 低 速 重 载 和 高 温 条 件 等 环境中工作。 齿轮传动结构紧凑，传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高，寿命长， 但制造成本高，安装要求高，噪音大，需要经常润滑。 蜗轮蜗杆传动 结构紧凑，传动比大，传动平稳、安全性能高，但制造成本较 高，传动效率较低。常用于要求传动比大且要求机构自锁的场合。 谐 波 减 速 传 动 结 构 紧 凑 ， 传 动 比 大 ， 承 载 能 力 高 ， 效 率 高 ， 传 动 精 度 高 ， 但 制造复杂，成本较高，扭转刚度较低，要求传动比不能太小。 螺旋传动传动比大，传动效率高，传动平稳，定位精度高，但摩擦损耗大， 制造成本较高。滚珠丝杠传动广泛应用于要求较高的数控传动系统中。(2) 腕部传动方案方案 (a)，带减速器的电机安装在腕部，直接带动腕部作俯仰运动如图 3 4所示。悬臂腕部动机图 3 4腕部俯仰方案 (a)Fig 3 4 Pitch scheme of the wrist(a)方案 (b)，带减速器的电机安装在悬臂前端，电动机经同步带传动后，把动力传 递到腕部，如图 3 5所示。同步带 带轮 悬臂电动机 腕部图 3 5腕部俯仰方案 (b)Fig 3 5 Pitch scheme of the wrist(b)方案 (c)，电机安装在悬臂前端，经过锥齿轮换向带动腕部俯仰运动，如图 3 6 所示。电动机 悬臂 锥齿轮组 腕部图 3 6腕部俯仰方案 (C)Fig 3 6 Pitch scheme of the wrist(C)五自由度机械手的抓取设计以上三种方案均可行，方案 (a)直 接 驱 动 ， 结 构 简 单 、 易 于 控 制 ， 但 电 机 的 安 装增大了腕部受力；方案 (b)结 构 合 理 ， 但 同 步 带 外 形 尺 寸 大 ， 制 造 、 安 装 及 维 修 工 作比较麻烦；方案 (c)力经传动轴然后经锥齿轮传动换向后，带动腕部俯仰，且电机安装在悬臂最前端，减小了悬臂受力，所以选择方案 (c)。(3)臂部传动方案机械手的臂部传动方案，包括立臂的竖直运动和悬臂的水平运动均采用如图37所 示的传动方案。直线型导轨滚珠丝杠臂部工作台电动图 3 7臂部传动方案图Fig 3 7 Transmission scheme of the arm在传动方案中，螺旋传动形式主要有四种，(a)螺杆转动并移动，螺母固定；(b)螺 杆转动，螺母移动； (C)螺杆移动，螺母转动； (d)螺杆固定，螺母转动并移动。此 外 ， 还 有 差 动 传 动 方 式 ， 丝 杠 上 有 螺 距 不 同 、 旋 向 相 同 的 两 段 螺 纹 ， 如 果 两 段 螺 纹的 基 本 导 程 大 小 相 差 较 少 ， 则 可 获 得 较 小 的 位 移 ， 因 此 ， 这 种 传 动 方 式 多 用 于 各 种 微 动机构中。臂部传动方案通过电动机直接驱动，采用(b)丝 杠 转 动 、 螺 母 移 动 的 方 式 ， 其 结 构 紧凑、丝杠刚性较好，工作行程大，需要采用直线型导轨作为导向装置限制螺母的转动， 在机电一体化系统中应用较广泛。(4) 腰部传动方案方案 (a)，电机直接连接腰部回转轴，从而带动整个腰部在基座上旋转，这种传 动方式结构简单，缩短了力的传递路线，腰部电机放置在腰部回转基座的下方，如图3 8 所示。机座电动机图 3 8腰部回转方案 (a)Fig 3 8 Waist turning scheme(a)方案 (b)，电机通过一对圆柱齿轮组减速后连接与从动齿轮同轴的腰部回转轴， 从而带动腰部回转，这种传动方式结构比较简单，腰部电机放置在基座下方，如图3 9 所示。_ j 轮组图 3 9腰部回转方案 (b)Fig 3 9 Waist tuming scheme(b)这两种方案都是可行的，方案 (a)方案结构简单，电机和旋转轴直接相连，更方 便安装，维修，还可以提高机械手的控制精度，定位更加准确，但传动比小。方案 (b) 经 过 齿 轮 啮 合 间 接 传 递 ， 齿 轮 啮 合 的 误 差 会 累 加 到 腰 部 回 转 轴 上 ， 但 对 于 精 度 要 求 不 是 很高的搬运机械手来说，能够满足精度要求，因此采用方案 (b)。综上所述，本机械手各关节所采用的传动方式分别为：腰部回转：步进电机l圆柱齿轮组腰部； 立臂竖直移动：步进电机 2丝杠螺母 立臂； 悬臂水平伸缩：步进电机 3丝杠螺母 悬臂； 腕部摆动：步进电机 4锥齿轮组 腕部； 手爪开合：步进电机 5丝杠螺母 手爪。五自由度机械手的抓取设计机械手传动原理如图310所示。65)4)l D3) 1 D1 2)1 勋1)基座 2)从动圆柱齿轮 3)立臂 4)悬臂电机 5)腕部电机 6)立臂电机 7)立臂丝杠 8) 悬臂丝杠 9)主动锥齿轮 10) 从动锥齿轮 11) 悬臂 12) 腕部 13) 手爪电机 14) 手爪丝杠 15) 手爪 16) 主动圆柱齿轮 17) 腰部电机图 3 10机械手传动原理图Fig 3 1 0 Drive principle diagram of the manipulator3 2 2步进电机选型根据电机的静态转矩的设计要求，以手部夹持电机为例，介绍步进电机的计算和选取。 手爪步进电机选型机械手手爪工作时速度较慢，电机主要克服搬运时的米袋重力力矩，容许抓取质量为 5kg、外形尺寸为 400mm X 260mm X 60mm 的 米 袋 。 机 械 手 稳 定 抓 取 米 袋 是 依 靠 手指与米袋接触部位的摩擦力与米袋重力相平衡来实现的。米袋受力的平衡条件是：yF=0 ，即 2FG=0( 米袋与手指有 2处接触 ) (3 1)由于：F： 厂， ： 坐 L (3 2)2sina可得： 1 ： (3 3)1sin Q式中， G=5 X 10N=50N 为米袋的重力； F为物体与手指接触处的摩擦力； N为物件与手指接触处的正压力；f为米袋与手指接触处的摩擦系数，厂取O25；l为单个手指应具有的计算握力； a为手指的抓取半角， a取 30度。实际应用中，为了安全起见，需要的握力为： ：丛 (3 4)叩将式33代入，可得： ：坐 s1n口 (3 5)一 叩式中叩为手部机械效率，取085：K=K1K：，K。为安全系数，取12；K：为 工 作情况系数，主要考虑惯性力等的影响，取23。由式 3 4可得：M： !Q兰 !： ! = 30411sin30 ”= 411 8 N0 25X0 85根据手部实际需要的握力 M的大小，由手指的静力矩平衡条件求出所需的传动力量。假定传动力只分别作用在两个手指上，每个手指上所得到的传动力为晏，由力矩平衡条件 M ： 0(即冬，一 2 L： o)，可得：#： 2_生 L N2 (3 6)由式35和36可得：P：兰墨：茎：堡 sin口 (3 7)。l177式 3 7中， L为米袋中心到手指回转中心的距离，取 L=400ram ；，为米袋中心到手指间的距离，即米袋的宽度的委，： 130mm。五自由度机械手的抓取设计一经计算得，只 =笔景糕 sin30。 =2534。下面根据传动力只来计算所需要的电机转矩。丝杠旋转时，驱动转矩 M。 =M+Mf2 ，螺纹摩擦力矩为Mfl=，、 1_d2 Ftan(2+p) (38)式 3 8中 F为螺旋传动轴向载荷 (螺杆受的力 )，即传动力墨； A为 螺 旋 线 升 角 ， P 为当量摩擦角。根据选用的丝杠导程 s=3ram，螺纹中径 d： =8 5mm，由公式：A： arctan (3 9)万d2计算可得：允=641。根据手册选取钢和钢的摩擦因素 f=o 17， a取 30度，由公式：p=arctan去 (310)cosi2计算可得： P 9 98。经计算可得： Mn=去 8 52534tan(6 41。 +9 98。 ) 。 mm=3167 6Nmm。螺 杆 的 径 向 支 撑 和 轴 向 支 撑 使 用 同 一 深 沟 球 轴 承 ， 而 螺 旋 传 动 轴 向 支 撑 面 摩 擦 力 矩 公式为：M一生型 (31 1)式中，为深沟球轴承摩擦系数，取00022：F为 轴 承 载 荷 ， 由 于 径 向 载 荷 比 较 小 可以忽略，则 F=只； d为轴承内径， d=lOmm。经计算可得， M，： = Q：旦 Q三三兰圣 !i兰兰 !Q N m聊： 27 9N m聊 ， 故2Mg=3195 5Nmm3 2N聊。设滚珠丝杠的传递效率 77=。 92，则 M删 =詈笺 =瓦 3五 2m=3 48m，同时，为了使机构在实际应用中由更好的适用性，可将估算的转动乘以一个系数旯=12，则 机 构 的实际负载转矩 M=旯 M蛳 =1 2x 3 48Nm=4 17Nm综合上述计算，我们选用两相混合式 86BYG250BN 一 0401步进电机。 腕部步进电机选型腕 部 电 机 主 要 克 服 手 爪 和 米 袋 俯 仰 时 的 摩 擦 力 矩 ， 根 据 腕 部 的 结 构 可 知 ， 摩 擦 力 矩 由轴承的滚动摩擦产生。经计算，选用两相混合式 56 BYG250B一 0241步进电机。 水平臂部步进电机选型水平臂部选用有效直径 d=33mm、导程 10ram的 丝 杠 ， 电 机 主 要 克 服 工 作 台 运 动 时 导轨和丝杠的摩擦力矩，经计算，选用两相混合式 56 BYG250B一 0241步进电机。 垂直臂部步进电机选型垂直臂部电机主要克服由工作台重力产生的力矩、丝杠摩擦力矩，经计算，选用两相混合式 86BYG250BN 040 1步进电机。 腰部步进电机选型腰 部 电 机 主 要 克 服 机 器 人 臂 部 、 腕 部 和 手 部 及 其 持 重 旋 转 时 的 滚 动 摩 擦 力 矩 和 齿 轮 摩擦力矩，经计算，选用两相混合式 86BYG250BN 0401步进电机。选择的步进电机的主要技术参数如表31所示。表 3 1两相混合式步进电机主要技术参数Tab 31 Main technical parameters of the two phase hybrid stepping motor型号 步距角 相电流 保持转矩 转动惯量 重量(。 ) (A) (Nm) (gcm2) (Xg)56 BYG250B 0241 0 9 1 8 24 065 180 04886BYG250BN 040 l 0 9 1 8 40 5 1200 263 3主要部件结构设计机械手由机座、腰部、立臂、悬臂、手腕、末端执行器、驱动装置、传动装置组成， 共有五个自由度，依次为腰部回转、立臂竖直方向移动、悬臂水平方向移动、手腕俯仰、手爪张合，能够根据接收的指令，按要求进行目标物体的的抓取及搬运工作。331 手 部 (1)手爪分类末 端 执 行 器 俗 称 手 爪 ， 由 手 指 、 传 力 机 构 、 驱 动 装 置 等 组 成 ， 是 机 械 手 直 接 用 于 抓取 和 握 紧 工 件 或 夹 持 专 用 工 具 (如 喷 枪 、 扳 手 、 焊 接 工 具 )进 行 操 作 的 部 件 ， 它 具 有 模五自由度机械手的抓取设计仿人手动作的功厶匕 12,【1 31。其结构和尺寸根据不同作业任务要求来设计的，从而形成了多种多样的结构型式，一般可分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具三类。 机械式夹持器机 械 式 夹 持 器 是 工 业 机 器 人 最 常 用 的 一 种 末 端 执 行 器 ， 在 装 配 生 产 线 上 应 用 的 最 多，一般由手指、驱动机构、传动机