六自由度机械手运动分析

六自由度机械手毕业论文专 业 机械设计制造及其自动化 课 题 多自由度机械手机械设计 毕业论文- 2 -摘 要文中设计了一种六自由度机械手。该机械手主要由底座，腰部，主板，大手臂，小手臂，手腕，夹爪组成，采用步进电机驱动，单片机控制。手臂的尺寸与人手臂的大小相当。手臂的运动主要包括：腰部转动，大手臂摆动，小手臂摆动，手腕摆动，手腕转动，夹爪夹取。 此手臂的空间活动半径 0.5m，定位精度为 5mm.它能够抓取重量较轻的物体，并放到预定位置。该机械手有过载保护以及断电空间位置的自锁功能.可以用于教学演示，或者在有放射性的环境中完成特定工作。文中对机械手进行了正运动学分析, 采用齐次坐标变换法得到了机械手末端位置和姿态随关节夹角之间的变换关系,并完成了总体机械结计、步进电机选型、蜗轮蜗杆及带传动比的确定以及部分重要零件的设计。 关键词：机械手 六自由度 步进电机 同步带 。毕业论文- 3 -AbstractA kind of manipulator of six degrees of freedom has been designed in this paper. This manipulator is made up of the foundation, the waist, the big arm, the small arm, the wrist, and the claw; the manipulator is driven by stepper motor, and controlled by single chip. The size of the manipulator is equal in the size to the arms of people. Locomotion of the manipulator includes: waist turning, big arm swung, small arm swung, wrist swung, wrist rotating, claw fetching. The radius of action is 0.5m, and the accuracy is 5 mm. It can pick the light-weight object, and put it to the recalculated position. The manipulator has overload protection function, and space position self-lock function. This arm can be used in teaching, or in radioactive environments. In this paper, robot kinematic analysis is carried out using homogeneous coordinate transformation method was the end manipulator joint position and attitude with the changing relationship between the angle and stepper motor designing, physical construction designing had been completed. Keywords: manipulator, six degrees of freedom, stepper motor, locking band.毕业论文- 4 -目录目录41 绪论61.1 国内机械手研状61.2 机械手的构成71.3 机械手的发展趋势 91.4 本设计课题的背景和意义 92 机械手的总体方案设计 102.1 机械手基本形式的选择 102.2 机械手的主要部件及运动 112.3 驱动机构的选择 122.4 传动机构的选择 123 机械手的数学建模 123.1 机器人数学基础 123.2 机器人的运动学方程 134 机械手的整体设计计算 154.1 手部设计基本要求 154.2 典型的手部结构 164.3 机械手手指的设计计算 164.3.1 选择手抓的类型和加紧机构 164.3.2 手抓加紧力与驱动力的力学分析 164.4 驱动电机的选择 174.4.1 手指张合电机的选择 174.4.2 手腕电机的选择 194.4.3 大手臂摆动电机的选择 194.4.4 小手臂摆动电机的选择 204.4.5 手腕摆动电机的选择 20 4.4.6 底座转动电机的选择 21毕业论文- 5 -4.5 涡轮蜗杆、带轮的选择及传动比的确定 214.5.1 底座电机处涡轮蜗杆的传动的确定 214.5.2 大手臂电机处涡轮蜗杆及带传动的确定 224.5.3 小手臂电机处涡轮蜗杆及带传动的确定 234.5.4 手腕摆动电机处涡轮蜗杆及带传动的确定 244.6 小手臂摆动处轴的校核 25 5 总结与展望 29谢辞 30参考文献 31附录一 科技文献翻译32附录二 毕业设计任务书与开题报告46毕业论文- 6 -多自由度机械手机械设计1 绪 论机械手 (manipulator)是一种能按给定的程序或要求，自动地完成物体(材料 、工件、零件或工具等 )传送或操作作业的机械装置，它能部分地代替人来进行繁重、危险、重复等手工作业。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手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。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间 3。1.1 国内外机械手研究现状现代机械手的研究开始于二十世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展。80 年代，工业机械手产业得到了巨大的发展，应用范围遍及工业生产的各个领域。80 年代末期，各国把发展的目标调整到更现实的基础上来。90 年代，机械手的发展已经不再局限于机械手本身，而成为了新一代整个机器的发展方向。现在的绝大多数工业机器人是可编程控的机器人。这种系统的主要特点在于它的通用性和灵活性。目前，机器人的种类也越来越多，呈现了多元化的趋势，相继出现了水下机器人，爬臂机器人，爬管机器人，二足，四足和六足机器人，空间机器人以及各种人工假肢等，机器人技术也已深入到工业、农业、军事医学及公共服务各项事业中，其本身己成为一个非常广阔的研究领域，涉及力学、电子学、生物学、控制论、计算机科学、人工智能和系统工程等，成为一门综合了多学科的高技术，并逐渐形成了一个完整的体系 机器人学121。近年来，机器人技术作为机电一体化的最高成就已经成为当代科学技术发展的最活跃的领域之一，机器人的研究，创造和应用水平也已成为一个国家的毕业论文- 7 -科技水平和经济实力的象征，正受到越来越多国家的广泛重视。机械手的控制问题是与其运动学和动力学问题密切相关的。从控制观点上看，机器人系统代表冗余的，多变量和本质上非线性的控制系统，同时又是复杂的耦合动态系统。每个控制任务本身就是一个动力学任务。在实际研究中，往往把机器人控制系统简化为若干个低阶子系统来描述。机械手的控制器具有多种结构形式，包括非伺服控制，伺服控制，位置和速度控制，力(力矩)控制，基于传感器的控制，非线性的控制，分解加速度控制等等。机器人控制器的选择，是由机器人所执行的任务决定的。中级技术水平以上的机器人，绝大多数采用计算机控制，要求控制器有效而且灵活，能够处理工作任务指令和传感信息这两种输入。用户与系统间的接口，要求能够迅速地指明工作任务。技术水平更高的机器人，具有不同程度的“智能” ，其控制系统能够借助于传感信息与周围环境交互作用，并根据获取的信息，修正系统的状态，甚至能够自主地控制机器人实现控制任务。从关节(或连杆)角度看，可把工业机械手的控制器分为单关节(连杆) 控制器和多关节(连杆)控制器两种。对于前者，设计时应考虑稳态误差的补偿问题:对于后者，则应该考虑耦合惯量的补偿问题。变结构控制是在20世纪50年代被提出来的限于当时的技术条件和控制手段，这种理论没有得到迅速发展。近年来，计算机技术的进步，使得变结构控制技术能很方便的实现，并不断充实和发展，成为非线性控制的一种简单而又有效的方法。变结构控制系统的特点是，在动态控制过程中，系统的结构根据系统当时的状态偏差及其各阶导数的变化，以跃变的方式按设定的规律作相应的改变，它是一类特殊的非线性控制系统 3。1 .2 机械手的构成 现代机械手主要由手抓、传动机构、动力部分、控制系统与其它部分构成。(1)手爪手爪又称抓取机构，包括手指、传力机构和驱动装置等，作用是直接抓取和放置工件(或工具)。(2 )传动机构毕业论文- 8 -传动机构主要是起改变物件方位和位置的作用。传动机构根据结构和原理的不同，有机械传动机构，包括:齿轮传动、丝杠传动、带传动、链传动、连杆传动和凸轮传动等多种类型，以及液压传动机构、气动传动机构等。近年来，随着各类伺服系统，尤其是电气伺服系统的性能完善和成本降低，使运动传动机构有较大的简化。(3 )动力部分动力部分是驱动前两部分的动力，因此也称动力源。常用的有:电动驱动、气动驱动和液压驱动三种基本类型。在电动执行装置中，有直流(DC)电机、交流(AC)电机、步进电机和直接驱动(DD)电机等实现旋转运动的电动机，以及实现直线运动的直线电机。电动驱动装置由于其能源容易获得，使用方便，所以得到了广泛的应用;气动驱动装置有气缸、气动马达等，这些装置具有重量轻、价格便宜等特点;液压驱动装置有液压油缸、液压马达等，这些装置具有体积小、输出功率大等特点。(4 )控制系统控制系统是机械手的指挥系统，由它来控制动作的顺序(程序)、位置和时间(甚至速度和加速度)等;通过对动力部分的控制，使执行机构按照规定的要求进行工作。(5)其它部分其它部分包括机体、行走机构、检测装置和传感装置等:机体(也称机身)是用于支承和连接其他零件、部件的基础件。行走机构是为了扩大机械手的使用空间而设置的。它本身又包括动力源、传动(减速)机构、滚轮或连杆机构。目前大多数机械手还缺乏行走机构;检测装置是检测和控制机械手各运动行程(位置)的装置，主要是对位置、速度和力等各种外部和内部信息进行检测;传感装置其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反应手指与物件是否接触、物体有无滑下或脱落、物件的方位是否正确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应等 11。1.3 机械手的发展趋势(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。(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、减速毕业论文- 9 -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。(7)机器人化机械开始兴起。当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，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。1.4 设计课题的背景和意义随着科学技术的发展，机械手在我们生活中也扮演着越来越重要的角色。特别是在现代工业生产领域中，越来越多的机械手被用来代替人的实际劳动，更激发了我对机器人技术浓厚的兴趣，所以在这次毕业设计中，我选择了六自由度机机械手设计与制作这个题目。六自由度机械手设计分为机械部分与控制部分两大模块。机械部分主要是完成机构的设计与零件的加工，而控制部分主要完成的工作的是对六自由度机械手整个的动作流程进行设计，并通过硬件的连接和对 61 板编写合适的程序，以实现红外检测，电机驱动等功能。本次毕业设计负责机械部分的设计与制作。它应当实现的功能是：毕业论文- 10 -1) 大面积快速搜索和定位功能2) 满足空