机械设计制造及其自动化大专论文

1、福建船政交通学院福建船政交通学院毕 业 设 计 (论 文)专专 业业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 班班 级级 1414 机械制造与自动化机械制造与自动化 学生姓名学生姓名 邓瑞祥邓瑞祥 学学 号号 143507107143507107 课课 题题 关于多自由度机械手机械设计关于多自由度机械手机械设计 指导教师指导教师 谢祖华谢祖华 20172017 年年 5 5 月月 2828 日日福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 2 -摘摘 要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

2、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。 关键词关键词：机械手 六自由度 步进电机 同步带 。福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 3 -Abstract

3、A 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 eq

4、ual 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 positi

5、on. 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 posit

6、ion 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.福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 4 -目录目录目录41 绪论6 1.1 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

7、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 10 2.2 机械手的主要部件及运动 11 2.3 驱动机构的选择 12 2.4 传动机构的选择 123 机械手的数学建模 12 3.1 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 16 4.3.2 手抓加紧力与驱动力的力学分析 164.4 驱动电机的选择 17 4.4.1 手指张合电机的选择 174.4.2 手腕电机的选择 194.4.3 大手

8、臂摆动电机的选择 19 4.4.4 小手臂摆动电机的选择 20福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 5 - 4.4.5 手腕摆动电机的选择 20 4.4.6 底座转动电机的选择 214.5 涡轮蜗杆、带轮的选择及传动比的确定 21 4.5.1 底座电机处涡轮蜗杆的传动的确定 21 4.5.2 大手臂电机处涡轮蜗杆及带传动的确定 22 4.5.3 小手臂电机处涡轮蜗杆及带传动的确定 23 4.5.4 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福建船政交通职

9、业学院毕业设计（论文）- 6 -多自由度机械手机械设计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

10、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。1.11.1 国内外机械手研究现状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

11、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 机器人学福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 7 -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

12、，机器人的研究，创造和应用水平也已成为一个国家的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

13、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

14、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 1 .2.2 机械手的构成机械手的构成 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，作用是直接抓取福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 8 -和放置工件(或工具)。(2 )传动机构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:

15、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

16、、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

17、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。1.31.3 机械手的发展趋势机械手的发展趋势(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 9 -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

18、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

19、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。1.41.4 设计课题的背景和意义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

20、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，福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 10 -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：1) 大面积快速搜索和定位功能2) 满足空间定位精度5mm3) 自动抓取功能4) 过载保护功能5) 掉电保护功能从结构和功能上来看，这个六自由度机械手确实称不上复杂，但它却具有

21、很重要的意义。首先它是我第一次将四年所学知识的第一次综合运用，无论最初的设计，还是最终的全文完成，对我们来说都是极大的挑战，开阔了我的视野，丰富了我的经验，提高了我的实际动手的能力。其次，它的制作完成一定可以极大的激发同学们对机器人技术的热爱，提高对机器人技术的浓厚兴趣，并吸引更多的同学投入到机器人设计与制作行列中来。再次，它主要是用来当作学校的示教工具，其充分运用和综合了我在大学四年中所学的机械内容，能够让更多的同学在今后的学习中对机械方面有更加深刻的理解。2 机械手的总体方案设计本课题是型回转型机械手的设计.本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计。在本章中对机械手的坐标形式、自由度、驱动

22、机构等进行了确定。因此，机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。2.2.1 1 机械手基本形式的选择机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手1。其中多关节型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用多关节型。由于本次是毕业设计考虑到综合运用本科阶段所学知识固设计如图1.1。 这是本次毕业设计课题六自由度机械手的整体设计示意图。福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 11 - 图 2.1 机械手整体示意图2.22.

23、2 机械手的主要部件及运动机械手的主要部件及运动在多关节式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有6个自由度既：手抓张合；手腕回转；手动腕摆；小手臂摆动；大手臂摆动；底座回转6个主要运动。本设计机械手主要由4个大部件和6个电机组成：1) 手部，采用一个小型步进电机，通过导轨机构运动实现手抓的张合。2) 腕部，采用一个步进电机实现手部回转180。3) 臂部，采用步进电机，通过同步带来实现手臂的上下摆动。4) 机身，采用一个步进电机和一对蜗轮蜗杆机构来实现底座的回转运动。2.2.3 3 驱动机构的选择驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手

24、的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用电动机构驱动机械手、福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 12 -结构简单、尺寸紧凑、设计方便、控制简单与能综合运用本科阶段所学知识等优点。因此，机械手的驱动方案选择电动驱动。2.2.4 4 传动机构的选择传动机构的选择在现有的机械手系统中，所采用的传动机构主要有蜗轮蜗杆传动、行星轮系传动、链传动、带传动等。带传动的主要优点是：1）适用于中心距较大的传动；2）带具有良好的饶性，可缓和冲击、吸收振动；3）过载时带与带轮间出现打滑，打滑虽使传动失效，但可防止损坏

25、其他零件；4）结构简单、成本低廉。在本次设计中，鉴于手臂传动中心距较大，传动要求相对高的精度，故相比较后选择同步带进行传动1。3 机械手的数学模型3.13.1 机器人的数学基础机器人的数学基础为了描述机器人本身各连杆之间、机器人和环境之间的运动关系，通常将它们当成刚体，进而研究各刚体之间的运动关系。而通过在刚体上面固连一个坐标系，再将该固连的坐标系在空间表示出来。由于这个坐标系一直固连在刚体上，所以这个坐标系如果可以在空间表示出来，那么这个刚体相对于固定坐标系的位姿也就已知了。空间任意一点 P 在不同的坐标系中的描述是不同的，因此经过不同的坐标变换 P 点的坐标是不同的。坐标变换包括平移变换、

26、旋转变换与复合变换。用四维向量表示三维空间一点的位置P，即： xyPPPPz上式称为点的齐次坐标，式中为非零常数。当n维位置向量用n+l维位置向量表示时，称为齐次坐标表示式。齐次变换矩阵可分解为平移变换和旋转变换，即： ()( , )AABBOTTransPRot k 3 3()01AABOBOIPTransP福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 13 - ,0( , )01ABR kRot k式中. 为平移变换矩阵，为绕过原点的K轴转动角的()ABOTransP( , )Rot k旋转变换矩阵。3.23.2 机器人的运动学方程机器人的运动学方程本文研究的机械手是具有6个自由度的空间开链机构

27、，它由一系列连杆通过转动关节串联而成，关节的相对转动导致连杆的运动。本论文采用D-H(Denavit和Harenberg)分析方法来描述机器人相邻两连杆之间的运动学关系即用一个4X4的齐次变换矩阵来描述相邻两连杆的位置与姿态(简称为位姿)，以此推导出“手爪坐标系”相对于“参考系”的齐次变换矩阵，从而建立操作臂的几何模型和运动学方程。对于具有n个连杆的机械手，运动学方程是要确定与末端坐标系固联的手 n爪相对于基座的变换。根据齐次变换矩阵的乘法规则有： 0 001112nnnTT TT式中，表示末端坐标系相对于基坐标系的位姿10。0nT n 0（了书写方便，将改写为）本课题要研究的六自由度机械手s

28、in,cosnn,nnS CD.H 模型如图 图3.5六自由度机械手的D-H模型福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 14 -有以上的坐标系推导法,可得出本课题六自由度机械手的运动参数，如下：表1.六自由度机械手各关节参数列表关节i（）i（mm）id（mm）ia（）i110090220a20330a30440a49050d50-90其中，a2=a3=250mm,a4=90mm,d5=90mm有上表可求出各连杆之间的齐次变换矩阵，如下 11111000001000001CSSCT2222222220000100001CSC aSCS aT 3333333330000100001CSC aSCS

29、 aT4444444440001000001CSC aSCS aT55100000100100001Td根据矩阵乘法法则，可以得出本课题六自由度机械手末端执行器的位姿的齐次变换矩阵是：050001xxxxyyyyzzzznoaPnoaPTnoaP其中1234142312341234xnCC SC SCS1234123413421243ynS CSCSCSC福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 15 -234243234234znS CC SSC S1234123412431234xoC SCSCSC1234142313241234yoSS CS CS C234243423342zoCS CC

30、 SS C1xaS1yaC0za 123451234512435123451234414234134241243412331233122xPCS dC SdCS dCdCaC S aSC aSC aS C aSaS C a142351234513245123451234412344134241243412331233122yPS C dSdS C dS C dS CaSC aSC aSC aS C aSaS C a2435234523452345234424342344234423231zPS C dC S dS C dCdS C aC S aSaC S aS C aC S aS a4 机械手

31、的整体设计计算4.14.1 手部设计基本要求手部设计基本要求（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力，应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的；（2） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件；（3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载；（4） 应保证手抓的夹持精度。4.24.2 典型的手部结构典型的手部结构 （1） 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。（2） 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。福建船政交通职业学院毕业设计（论

32、文）- 16 -（3） 平面平移型1 4.34.3 机械手手指的设计计算机械手手指的设计计算4.3.1 选择手抓的类型和夹紧机构本设计是设计六自由度机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角=，夹取重量为1Kg。常用的工业机械手手部，按握持工件的原理，060分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单, 适于夹持平板方料、棒料等, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。通过采用典型的平移型手指,

33、 驱动力加在手指移动方向上,这样结构比较简单且体积适中。通过综合考虑，本设计选择二指平移型手抓，采用滑槽导轨这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在电机的驱动力的作用下机械手手抓实现张开和闭和5 。4.3.2 手抓夹紧力和驱动力的力学分析手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计算： 123NFK K K G式中 安全系数，通常 1.2-2.0；1K 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估2k其ab

34、k12中 a，重力方向的最大上升加速度；tvamax响运载时工件最大上升速度maxv系统达到最高速度的时间，一般选取 0.03-0.5st响方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择3K福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 17 -G被抓取工件所受重力（N）取 =2，k102. 18 . 95 . 01 . 0112abK=0.5，G=10Nk3根据公式，将已知条件带入： 1.5=7.65NFN105 . 002. 1取=0.85由驱动力公式得： =7.65/0.85=9NFFN实际设 F 为驱动力，则tgFF实际 其中为螺纹倾斜角=15，为摩擦角=30 F=6Ntg9301594.44.4

35、驱动电机的选择驱动电机的选择4.4.1 手指张合电机的选择设前端手指的重量为 0.1Kg，螺纹导程=1mm，hP则空载时，工作台折算到电机轴上的转动惯量为：122520.10.12.5 10.223.14hiPJmKg cm最大工作载荷下，工作台折算到电机轴上的转动惯量为：224220.1.1.12.8 10.223.14hiPJmKg cm（1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：1eqT 1maxeqfTTT式中 快速空载起动时折算到殿动机转轴上的最大加速转矩maxT 移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩fT福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 18 -551max13551

36、max22 3.14 2.5 1031.57 10.6060 0.50.1 9.8 0.16 102.5 10.22 3.14 14.1 10.mahfeqfJ nTJN mtF PTN miTTTN m摩（2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：2eqT 2eqtfTTT折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩tT33343212.1.19.8 101.710.223.141.0.19.8 102.710.223.141210.,0.002.fhthfeqtfeqeqeqF PTN miFPTN miTTTN mTTTN m摩步进电机的最大静转矩： max.2.5 0.0020.005

37、 .jeqTK TN m查手册得，可选用常州宝马集团前杨电机电器有限公司的 36BF003 型电机其 =0.078N.m 能够满足机构要求7。maxjT4.4.2 手腕电机的选择（1）空载时折算到电动机转轴上的转动惯量： 22210.5 0.50.016.88mDJKg cm快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩1eqT福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 19 -1maxeqfTTT 33.1.5 9.8 101.5 9.8 0.16 100.0027 .222 3.14 1fhhF PF PN mii摩12max,0.0027 .eqeqeqTTTN mmax.3 0.00270.00

38、8 .jeqTK TN m 查手册得，选用常州宝马集团前杨电机电器有限公司的 36BF003 型电机其最静转矩 =0.078 能够满足机构的要求6。maxjT4.4.3 大手臂摆动电机的选择初步估计整个手臂重量为 5Kg,设大手臂摆动速度为 3r/min,手臂折算到外轴上的转动惯量为：222.50.30.45.2lJmKg m223.140.31420WT 整个手臂折算到外轴上的转动惯量为： 0.45 0.3140.1413 .TJWN m 电动机的转矩为：maxjT max.2.5 0.14130.416.0.85jK TTN m 电动机的转矩 max.2.5 0.14130.416.0.8

39、5jK TTN m 选用常州宝马集团前杨电机电器有限公司的 55BF003 型电机福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 20 - 其最大静转矩为=0.666N.m,能够满足机构要求7。maxjT4.4.4 小手臂摆动电机的选择 初步估计小手臂重量为 3Kg,设摆动速度为 3r/min则小手臂折算到中轴上的转动惯量为222.30.180.0972.2lJmKg m小手臂折算到中轴上的转动惯量为：22 3.140.09720.03 .20TJWJN mT小手臂摆动电机的最大静转矩为max.2.50.030.107.0.7jK TTN m选用常州宝马集团前杨电机电器有限公司的 45BF003 型电

40、机 其最大静转矩为 =0.196N.m ，能够满足机构的要求7。maxjT4.4.5 手腕摆动电机的选择初步估计手腕部分重量为 2Kg,设摆动速度为 5r/min。则手腕部分折算到外轴上的转动惯量为222.30.050.005.2lJmKg m手腕部分折算到外轴上的转矩为： 22 3.140.0050.026 .12TJWJN mT手腕部分摆动电机的最大静转矩为： max.2.50.00260.01 .0.6jK TTN m福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 21 -选用常州宝马集团前杨电机电器有限公司的 36BF003 型电机 其最大静转矩为 =0.078N.m，能够满足机构要求7。ma

41、xjT4.4.6 底座转动电机的选择初步估计机身重量为 15Kg,转动速度为 3r/min折算到电机转轴上的转动惯量为： 2225 0.210 0.140.396.JKg m 折算到电机轴上的转矩为： 2 3.140.3960.124.20TJWN m电机的最大静转矩为： max.2.5 0.1240.307.0.98jK TTN m选用常州宝马集团前杨电机电器有限公司的 55BF003 型电机其最大静转矩为 =0.666N.m7maxjT4.54.5 蜗轮蜗杆、带轮的选择及传动比的确定蜗轮蜗杆、带轮的选择及传动比的确定4.5.1 底座电机处蜗轮蜗杆传动的确定由选用电机为 55BF003 可得

42、，运行频率 f=18000HZ =75r/minmn又 =3r/min i=25snmsnn蜗杆选用 40Cr, 45-50HRC 蜗轮选用 10-3 铝青铜估计 =5m/s 查表得 =140MpasVH由式 21m d222500HKTZ其中 K 为载荷系数，当考虑载荷集中和动载荷影响时，K 取 1.11.3福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 22 -2221225005001.2 31719.450 140Hm dKTZ查表得 m=1.25 =20 q=161d4.5.2 大手臂电机处蜗轮蜗杆及带传动的确定由选用 55BF003 电机运行频率 f=18000HZ =75r/minmn由

43、=3r/min i=25snmsnn取蜗轮蜗杆传动比为 20 带轮传动比为 1.25（1）由传动比 i=20 查表得 =2 =401Z2Z 蜗杆 40Cr 4550HRC 蜗轮 10-3 铝青铜 估计 =5m/s 查表得 =140MpasVH由式 可得22122500Hm dKTZ2215001.266671.3640 140m d查表得 m=2 =22.4 q=11.2 =801d2d （2） 由 =75r/min =20mn1i带轮的主动论转速为=3.75r/min1n由式 V 一般在 525m/s1 160d nV取 V=20m/s 160 20263.14 3.75d查表得：选带轮为

44、Y 型带=281d由式 其中为 V 带传动的滑动率，一般为 0.010.02221.1di d21.25 28 0.9834.3d福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 23 -查表得：取=35.5 2d2135.51.2628did120120.72ddadd取0121.595.25addV 带基准长度 221001202290.524ddLadda查表得： 取 =280dL00872dLLaa由 21118057.3175120oooodda 带轮满足要求8。4.5.3 小手臂电机处蜗轮蜗杆、带传动比的确定由小手臂摆动选用电机为 45BF003 型可得，运行频率为 f=27000HZ=11

45、2.5r/minmn又 =3r/min 总传动比 i=37.5snmsnn由大手臂摆动电机确定的一级带轮传动比为=1.251i取二级带轮传动比为=12i小手臂摆动电机蜗轮蜗杆的传动比为 1237.530.1.25 1iii i由传动比为 =30 查表得： 蜗杆头数=2 i1Z=6021ZZ i蜗杆 40Cr 4550HRC 蜗轮 10-3 铝青铜 估计 =5m/s 查表得 =140MpasVH福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 24 -由式 可得22122500Hm dKTZ2215001.2 1968.360 140m d查表得： m=1 =18 q=181d =602d（1）由 =11

46、2.5r/min =30 =1.25mni1i带轮的主动论转速为=3r/min1n由式 V 一般在 525m/s1 160d nV取 V=20m/s 1602012.73.143d查表得：选带轮为 Y 型带=201d又=1 2i220d120120.72ddadd取0121.560addV 带基准长度 221001202182.824ddLadda查表得： 取 =200dL 80068.52dLLaa4.5.4 手腕摆动电机处蜗轮蜗杆、带传动比的确定由手腕摆动处选用电机为 36BF003 型可得，运行频率为 f=27000HZ=112.5r/minmn又 =5r/min 总传动比 i=22.5

47、snmsnn又大手臂摆动电机确定的一级带轮传动比为=1.251i福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 25 -小手臂摆动电机确定的二级带轮传动比为=12i取三级传动比为=13i蜗轮蜗杆的传动比为 12322.518. .1.25 1 1iii i i 由传动比为 =18 查表得： 蜗杆头数=2 i1Z=3621ZZ i蜗杆 40Cr 4550HRC 蜗轮 10-3 铝青铜 估计 =5m/s 查表得 =140MpasVH由式 可得22122500Hm dKTZ2215001.2789.236 140m d查表得： m=1 =18 q=18 =3681d2d4.64.6 小手臂摆动处轴的强度较核

48、小手臂摆动处轴的强度较核（1）小手臂摆动轴的受力分析图如下：图 4.1 小手臂摆动轴的受力分析图9其中： 3 9.830GmgN 福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 26 - 11196 .19.6102TN mmFNdmm2278 .7.8102TN mmFNdmm 12152VVGFFN 157 19.67.8 1912.7576HFN 27.8 57 19.6 190.9576HFN（1）绘制垂直面内的弯矩图由式 115 38570 .2avvLMFN m垂直面内弯矩图如下所示：图 4.2 垂直面内弯矩图9（1） 绘制水平面内的弯矩图由式 可得1122.242.25 .4.18.05

49、 .4aHHaHHLMFN mmLMFN mm水平面内的弯矩图如下所示：福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 27 -图 4.3 水平面内的弯矩图9（2） 绘制合成弯矩图在 C 和 D 处 15 19285 .avMN mm 在 E 处 12.75 38 19.6 19 112.1 .aHMN mm 在 C 处 22285242.25374.aMN mm 在 E 处 22570112.1581 .aMN mm 在 D 处 2228518.05286.aMN mm 轴的合成弯矩图如下所示：图 4.4 轴的合成弯矩图9轴的扭矩图如下所示：福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 28 -图 4.5

50、 轴的扭矩图9轴的危险截面为中心 E 点 当量弯矩为 22eaMMT 225810.6 196593 .N mm轴的材料选用 45 钢，调质处理查表得： 650BMpa160bMpa3315934.650.10.1 60ebMd轴的直径取 d=5 能够满足强度要求。福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 29 -5 总结与展望经过这么久的努力，六自由度机械手终于设计成功。在这段时间内，我温习和巩固了大学三年所学的专业知识，综合运用了所学的机械和电子方面的知识，极大的提高了我分析问题，解决问题的能力。回顾过去的几个月，感觉收获颇丰：1) 通过对机械手的整体方案设计，典型结构设计，使我对大学四年所

51、学的机械方面的知识以及专业方面的知识有了更深一步的了解和认识，而不像以前一样仅仅停留在书本的概念上。2) 掌握了机械结构整体方案设计的原则和要求，在设计过程中熟练的查取了相关的设计手册，为以后工作上的需要打下了坚实的基础。3) 通过对各个典型机构的设计，充分的理解和掌握了机械设计方面的知识，并且也对专业上的智能控制和误差控制方面有了更加深刻的认识。由于论文的研究时间、本人的能力和知识范围有限，本论文的研究工作还存在着一些不足之处，存在一些需要完善和改进的地方：1) 因为六自由度机械手控制系统是一个开环控制系统，所以机器手工作过程中存在着丢步、失态问题，所以在时间和条件允许的情况下，希望能做成闭

52、环系统，以提高系统精度。2) 系统几个主要模块尚未进行过实际考核，在工作可靠性、抗干扰性能等方面有待进一步完善和提高。此外系统在总体布局和结构设计上离实际应用还有一些待完善之处。随着科技和社会的进步，智能机器人在人们生活的各个领域发挥着越来越大的作用。因此，我相信我们国家以后一定可以制造出更先进、更科学、更人性化的机器人。福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 30 -谢谢 辞辞经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业设计，由于所学知识有限，经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 首先要感谢和

53、我一组作毕业设计的其他同学，我们在本次设计中相互学习，相互鼓励。如果我们之间的相互帮助，此次设计的完成将变得非常困难。 然后还要感谢大学三年来所有的老师指导我们打下专业知识的基础特别是我的指导老师谢祖华老师在这次的毕业设计中他给了我很多的灵感和建议，同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。感谢父母对我的关爱和教诲。 最后感谢我的母校福建船政交通学院三年来对我的大力栽培。 参参考考文文献献 1 工业机械手编写组.工业机械手M.上海:上海科学技术出版社,福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 31 -1978.P38-892 高军.多自由度机械手的气动控制

54、D.哈尔滨工业大学：机械电子工程学院，20053 天津大学编.工业机械手设计基础M.天津：天津科技出版社，1998.P53-724 杨柯桢，程光蕴.机械设计基础(第四版)M.北京：高等教育出版社,1999.P194-2355 张善锺主编.精密仪器结构设计手册M.北京：机械工业出版社，2001.P86-936 成大先.机械设计手册(第三版 第 5 卷)M.北京：化学工业出版社，1994.P607-6447 尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书M.北京：机械工业大学出版，2007.P55-678 庞振基，黄其圣.精密机械设计M.北京：机械工业出版社，2000.P182-2009 杨伯源.材料力

55、学()M. 北京：机械工业出版社，2002.P51-8410 (美)尼库(Niku,S.B)著；孙富春等译.机器人学导论M.北京:电子工业出版社,2004.P26-7411 秦卫贞.四自由度教学机器人控制系统的研究与设计.东北大学.2007福建船政交通职业学院毕业设计（论文）- 32 -附录一 英文科技文献翻译英文原文英文原文Automated Tracking and Grasping of a Moving Object with a Robotic Hand-Eye SystemAbstractMost robotic grasping tasks assume a stationary

56、 or fixed object. In this paper, we explore the requirements for tracking and grasping a moving object. The focus of our work is to achieve a high level of interaction between a real-time vision system capable of tracking moving objects in 3-D and a robot arm with gripper that can be used to pick up

57、 a moving object. There is an interest in exploring the interplay of hand-eye coordination for dynamic grasping tasks such as grasping of parts on a moving conveyor system, assembly of articulated parts, or for grasping from a mobile robotic system. Coordination between an organisms sensing modaliti

58、es and motor control system is a hallmark of intelligent behavior, and we are pursuing the goal of building an integrated sensing and actuation system that can operate in dynamic as opposed to static environments.The system we have built addresses three distinct problems in robotic hand-eye coordina

59、tion for grasping moving objects: fast computation of 3-D motion parameters from vision, predictive control of a moving robotic arm to track a moving object, and interception and grasping. The system is able to operate at approximately human arm movement rates, and experimental results in which a mo

60、ving model train is tracked is presented, stably grasped, and picked up by the system. The algorithms we have developed that relate sensing to actuation are quite general and applicable to a variety of complex robotic tasks that require visual feedback for arm and hand control.I. INTRODUCTIONThe foc