毕业设计（论文）-螺栓装配机械手结构设计

.绪论1.1本课题研究的背景及意义螺栓装配机械手是工业机器人中的一种机械手，机械手是自动执行设定好的程序工作的机器，它通过接受预先编写的程序，或按照人工智能技术制定指令，完成相应的动作。机械手任务是帮助或取代工人完成工作，如在工业制造、焊接、喷涂、建筑等工作。事实上，机械手是一种集成机械、电子、控制于一体的辅助系统，它通过机械传动和现代微电子技术相结合来模仿人臂的技能。螺栓装配机械手在工业、机械、航天航空和信息技术的基础上发展迅速，在各个领域已广泛应用，尤其在工作环境恶劣，机械式重复性工作，机械手将逐渐取代人类。它能够在短时间内完成螺栓的装配，提高效率。在恶劣环境中带替人工作，避免危险的发生。与人相比起来，机械手具有的优点是：减少生产时间，无需休息，在适宜的条件下可以连续工作。机械手可以实现对恶劣的工况条件下取代人类，减轻劳动强度，从而减少安全事故的发生。目前，在工业生产中，螺栓装配机械手主要用于取代手动安装螺栓，实现螺栓的自动拾取、自动定位以及自动旋紧。该机械手它按照编制的程序工作，具有高精度和高重复性。兰州交通大学王世伟[1]提出鉴于螺栓装配与拆卸动作是工业中使用频繁、工作强度大的一项工作,所以有必要设计实现螺栓自动装配的机械手。1.2机械手的结构组成及分类1.2.1机械手的结构组成机械手一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。执行机构即机械手本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副常称为关节，关节个数通常即为机械手的自由度数。出于拟人化的考虑，常将机械手本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机械手进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机械手使用的驱动装置主要是电力驱动装置，此外也有采用液压、气动等驱动装置。检测装置的作用是实时检测机械手的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机械手的动作符合预定的要求。控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机械手的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散式控制，即采用多台微机来分担机械手的控制。根据作业任务要求的不同，机械手的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力控制。1.2.2机械手的分类（1）机械手按用途分：可分为通用机械手、专用机械手；如教学上使用的教学机械手、工厂里使用的焊接机械手、车间里使用的装配机械手等。南京工业大学舒志斌[2]等人指出专用机械手控制系统设计与分。（2）机械手按坐标系统来分：直角坐标型机械手：只具有移动自由度的机械手。如二自由度门式机械手、桁架式机械手、悬臂式机械手等；圆柱坐标型机械手：只具有一个转动自由度，其余都为移动自由度的机械手，此机械手活动范围大，并具有很高的定位精度；北京大学工程训练中心张博[3]指出了圆柱坐标型机械手结构与控制系统的设计。球坐标型机械手：具有两个转动自由度、其余为移动自由度的机械手，这种机械手具有工作范围大，动作灵活的特点，但是它的结构复杂，会引起误差；关节型机械手：具有三个转动自由度的机械手，动作灵活，但是定位精度较差。杭州电子科技大学机械工程学院汪新中[4]设计了一种拧螺钉多关节机械手，其手部采用结构较复杂的机械夹持实现螺钉的夹持，保证螺钉的准确定位和高可靠性。（3）按驱动方式分机械手：气压驱动机械手、液压驱动机械手、电气驱动机械手，也有采用多动驱动方式组合的机械手。燕山大学机械工程学院杨育林等[5]提出针对不同重量车轮的装配问题,提出了一种新型机械手气动控制系统,1.3装配机械手的研究的概况和发展趋势在工业流水线上，螺栓的装配是一项繁琐的工作。对于螺栓装配的机械手，国内外都有研究，研究成果显着。这些机械手不仅节省人力，而且方便实用。国内外许多学者对如何利用机械工具代替人工完成螺栓连接组装进行了深入研究。俄罗斯Geschke已经完成了机械手中螺钉的自主定位，插入和拧紧操作。该系统通过镜头形成立体视觉。其特点是自动阈值调整，根据视觉采样率调整位置环，实现机械手的精确定位。2002年，日本工业技术综合研究所等多家公司联合开发了一款名为HRP-2P的施工机械手。该操纵器具有更精确的视觉系统，并可以按照说明使用螺栓来固定;在2010年，Pitipong等提出了使用视觉伺服系统的4自由度。国内对螺栓工具和机械手的研究也取得了相当大的进展。早在1960年，沉阳高压开关厂杰宝骏工人就设计制造了电动螺丝机，解决了装配工作中各种螺母的紧固问题，提高了工作效率;王新忠设计了一种螺旋多关节机械手，其手部采用复杂的机械夹具固定螺钉，确保螺钉的准确定位和高可靠性，并利用电力驱动机械手末端的螺丝刀在平面接合式螺丝，完成螺丝定位，压紧和拧紧功能。对于不同类型的螺钉，可以更换相应类型的螺丝刀。如上所述，各种螺杆组装机械手只能实现单螺杆的定位和组装任务。通过增加视觉等智能传感器，机器人可以实现智能自主定位和组装螺丝。山西华电广灵风力发电有限公司郭洪武[6]指出了机械手的定义,发展过程,以及机械手的研究动态。近年世界机械手的应用越来越广泛，未来工业机械手具有如下的发展趋势：（1）感官功能研究内容包括各种传感器信息采集与融合处理，传感器与驱动集成技术，感知功能传承模块等。其实质与人体的五感和身体的全面感官功能相似。（2）控制智能化智能控制是把计算机技术、电子技术、控制技术为一体的多种综合技术结合在一块，随着机械手控制的系统化，将开发机械手的智能化控制。（3）移动功能的智能化针对机械手的特定的功能需求，实现特点场合的应用需求，需要机械手具有运动，例如滑动，滚动，沿设置程序轨迹行走，爬行，跳跃等。（4）系统应用和集成为实现机械手的集中自动化控制，远程化控制，解决远距离的信息传输与控制，开发自主移动系统实现了机器协调功能，群体智能和多机通信协议。（5）安全性和可靠性为了实现智能可靠性，机械手必须能够及时应对各种事故，具有自动检测、报警，包括硬件级别的自诊断和自修复故障的能力。（6）小型化机械手的功能实现智能化，也逐渐向小型化发展，针对小型化的机械手应用主要在微加工，医疗设备，机械电子领域。（7）多传感器信息融合和配置技术采用多传感器配置与融合技术采用机械手各部件的信息，实现各个部件精确位置检测与运动定位。新型传感器的开发适应于生产过程机械手的控制，反馈信息的处理，然后向机械手输出执行指令。1.4本文主要研究内容首先收集螺栓装配机械手的相关文献资料，掌握装配机械手的工作原理与各部件的功能。根据机械手的条件，确定机械手的总体方案，坐标形式，自由度及运动空间的计算等。然后对机械手的驱动方式、移动机构、动力机构、手爪执行机构进行设计。对机械手的腰关节、臂关节、手腕、夹持手爪等结构进行设计与计算，包括对电机的选型，轴承的选择及轴的结构设计等。2.螺栓装配机械手的总体方案的设计2.1机械手的功能要求根据螺栓装配的工艺要求，设计一种四自由度机械手实现对螺栓的抓取、定位、旋紧等一系列动作，以期替代人工作业，可有效提高自动化水平及生产效率。机械手主要的参数：（1）夹持力：250N；（2）移动速度为5m/min；（3）手爪夹持螺母的尺寸范围：M10-M40；（4）自由度：4;（5）机械手选用类型：圆柱坐标式与直角坐标式组合。2.2机器手的总体运动过程螺栓装配机械手的工作过程：（1）手臂3绕立柱2转动90度；（2）手爪在抓取螺栓头并保持夹紧状态；（3）手臂3绕着立柱2转回90°，并保持；（4）机械手整体沿着导轨水平运动，手臂3在沿着立柱2移动；通过水平方向与垂直方向实现对机械手的手抓位置调节，从而保证螺栓与螺栓孔的精确定位；（5）手爪的旋转带动螺栓转动，同时手臂沿着轴线方向进给，将螺栓旋紧；（6）手爪张开，手臂3回到初始位置，循环到下一个装配动作。1基座2立柱3手臂4手腕及手爪图2.1螺栓转配机械手的方案简图2.3各运动的传动方案设计（1）X轴移动的传动方案X轴的移动采用步进电机通过同步带驱动丝杠机构，从而带着整个机械手沿X轴往复运动。（2）Z轴方向的升降与回转运动的传动方案机械手臂沿Z轴方向的上下移动是采用同步电机经过齿形带传动，从而驱动丝杠与螺母机构，实现其手臂的升降运动。机械手的手臂做90°的回转运动，回转气缸作为回转机构来实现。（3）机械手手腕的回转运动及手爪夹紧运动的方案机械臂上手爪夹紧、松开以及拧紧的动作过程是实现螺栓装配的执行动作，即机械手先夹紧需要装配螺栓，机械臂经过一系列运动，将螺栓放置在螺栓孔匹配位置，然后通过手腕的回转运动将螺栓拧入到螺栓孔内；此时，机械手爪在松开螺栓，机械臂在进行下一次螺栓装配动作的循环。这一系列的工作过程中，机械手的夹紧采用手爪气缸，手腕采用伺服电机驱动。3机械手的横向（X轴）移动机构设计3.1X轴运行机构方案设计在驱动装置设计中，尽量选择重量轻和小尺寸的材料。为了实现直线运动，机械手主要可以分为由齿轮齿条传动，滚珠丝杠传动，同步带齿形皮带传动，气缸等驱动。由于具备效率高，传动比精确，构造紧凑，工作可靠，使用寿命长等，所以设计采用同步带和丝杠机构。如图3.1所示，X轴机架采用截面为矩形型材焊接而成，机架的作用是支承机械手本体，并将电机安装在机架侧面，各部件的联接采用普通螺栓联接。传动方式采用步进电机通过同步带传动将动力传递到丝杠机构，丝杠带动着螺母在直线导轨上运动。图3.1X轴移动机构方案3.2电机功率计算与选型步进电机的选用时，参数有步角距、运行频率、空载起动频率和最大静转矩。负载转矩计算公式为：（3.1）设计中同步带轮的主动轮与从动轮节圆直径相等，所以。是机械效率，移动时有同步带和导轨平摩擦两种传动，同步带传动的=0.95，导轨的摩擦传动的，取，有。—轴的负载转矩；—轴的摩擦转矩（可以忽略）。可以得到： （3.2）M—总负载质量，g—重力加速度，—导轨动摩擦的系数。表3-1负载转矩计算的参数Mi带入公式求出负载转矩：电动机在启动的时候需要具有一定的转矩来带动负载，电机的最大静态转矩要大于，所以电机最大静转矩大于。步进电机的选择要参照脉冲当量来确定电机的步距角的大小，精度要求。可取脉冲当量，计算步距角：（3.3）依照实际情况选择=的步进电机，对其进行细分析以达到控制精度的要求。为步距角，计算脉冲当量：（3.4）根据以上设计中的计算选用两相混合式步进电机。表3-2电机性能参数电机型号相数步距角度相电流保持力矩转动惯量重量56BYG250D21kg3.3同步带的计算与选型3.3.1同步带的传动特点同步带由与工作面上的齿和带轮上啮合的齿驱动。有较高的抗拉强度和非常小的伸长率，在传递基本过程中的分段线路的长度保持不变，传输过程中传输带和传输带滑动，从而保证传送过程中皮带与皮带之间的滑动。选用同步带传动能够确保较好的传动比，具有恒定的传动比，维修保养方便，费用低等。同步带适用的温度，运行的速度，运行时的传动功率，传动比。图3.2同步带3.3.2同步带的设计计算（1）电机的额定输出功率估算为：7.16W（3.5）（2）确定计算功率：机械手的工作制按8小时/天，查机械设计手册表4-1得，使用系数参数=1.7，则计算功率为:12.17W（3.6）（3）小带轮转速：上式中：f为频率，T为固定步进角度，这里取1.8°；X为细分倍数；即对步进电机进行控制时，可以通过输入脉冲频率对转速进行调节；本设计中f=3，细分倍数X取0.02；计算小带轮转速n为90r/min；（4）选定同步带带型和节距：设计中功率转速比较小，带的型号可以选取H型带，节距（5）主动轮齿数：查表选取小带轮齿数为41。（6）小带轮节圆直径确定：=（3.7）（7）大带轮的计算传动比为，因此计算中的大带轮与小带轮的参数相同。齿数，节距（8）带速v计算（3.8）（9）初定周间间距根据公式：得：现在选取轴间间距为250mm。表3-3小带轮最小齿数表（10）同步带带长及其齿数确定=()=（3.9）（11）带轮啮合齿数计算传动比为，因此啮合的齿数恰好是带轮齿数的一半，即。（12）额定功率的计算（3.10）查表可知同步带的许用工作压力，单位长度质量。同步带的额定功率为：（13）计算作用在轴上力：（3.11）（14）同步带的节线长度确定在同步带传动中，两个带轮之间的中心距离需要选择合适，如果带轮中心距太小，会直接造成齿和齿的正常啮合。带节线长度如表3-4所示。带接线长度表如下所示节距Pb：带齿齿廓线与齿根廓线之间的距离。图3.3带的标准尺寸表3-5梯形齿标准同步带的齿形尺寸本设计中我们选用梯形带。同步带的尺寸如下：表3-6同步带尺寸3.4导轨的计算与选型3.4.1直线导轨的工作原理导轨是滑块运行时的轨道，滑块安装在导轨上作直线运动。直线导轨的应用非常广泛，例如在机床设备、精密自动化设备、各种动力传输、输送线装置、医疗和电子制造等领域。直线导轨的特性如下：（1）直线导轨具有高的定位精度；（2）装配性能好，可互换，润滑构造简单；（3）摩擦小，降低了所需驱动力，且适用于高速运动；（4）承载能力强，能承受多个方向带来的负荷；（5）滚动代替滑动；（6）使用寿命长。图3.4导轨零件图3.4.2初选导轨型号及估算导轨长度选型中：X方向运行机构导轨型号为；Y方向的运行机构导轨型号为；导轨长度受到加工及安装因素影响，会影响到整个传动机构的运行精度。导轨长度其公式为：L=H+S+△l-S1-S2（3.12）其中：导轨的总长度；滑块滑动的行程；滑块的导向面上的长度；封闭的高度调节量；滑块滑至最高点时导轨露出的长度；滑块滑至最低点时导轨露出的长度。计算得轴上的导轨长度为：Lx=1530mm。3.4.3导轨副距离额定寿命X方向上选用的导轨型号是，所以导轨额定动载荷为，额定静载荷为；机械手最大重量为:滑块的载荷计算：（1）导轨行程额定寿命为：（3.13）以上：额定寿命；硬度系数；导轨硬度不得低于，可取fh=1；导轨硬度值；—导轨额定动载荷；当量动载荷；滑块所受最大载荷；滑块数量，这里为Z=4；指数，导轨体为滚珠时；为滚柱时；额定寿命单位，滚珠时K=50KM；硬度系数；根究产品的要求规定，滚道的硬度不小于58HRC，故通常可取fh=1温度系数，查表,得表3-7温度系数工作温度接触系数，查表；得表3-8接触系数精度系数，查表；取表3-9精度系数载荷系数，查表；得表3-10载荷系数有：（2）寿命时间的计算：（3.14）有：—寿命时间；额定寿命。行程长度；—每分钟往返次数。则：工作的情况：机械手的工作时间每天6小时，每年使用300天，则预计寿命年限为：同样可计算出Y方向滚动导轨副额定寿命为：3.4.4导轨的技术要求刮研导轨：为了降低表面的粗糙度和提高耐磨性，需要对导轨的表面进行刮研，最终是为了提高导轨接触性、存油等。如表3-11：表3-11磨削导轨的表面粗糙度4机械手的立柱及转臂机构设计4.1立柱机构方案设计在图4.1中所示，机械手臂沿立柱（Z轴）方向的上下移动是采用同步电机经过齿形带传动，从而驱动丝杠与螺母机构，实现其手臂的升降运动。机械手的手臂做90°的回转运动，利用回动气缸实现。图4.1立柱机构三维立柱下部通过四个支座安装在X轴机架上的直线导轨上，通过丝杠的形式与螺母机构相连接，将丝杠的旋转运动转化为机械臂的直线上下运动。本章对丝杠、螺母副机构进行设计计算。图4.2立柱机构的结构图4.2丝杠机构的设计计算4.2.1丝杆机构传动特点在设计中，丝杠机构是机械手的重要部件，通过螺纹驱动，实现机械臂的升降功能。选用丝杠机构，因为它具有结构紧凑，高精度性等优点。根据螺钉和螺母的运动方式，丝杠传动可分为以下几种：（1）螺母是活动的，螺母被丝杠的旋转带动着在丝杠上移动，如图（a）所示；（2）螺母旋转带动着螺杆作直线运动，如图（b）所示；（3）螺母沿直线运动，由于丝杠固定，所以两端支撑结构较简单，但精度不高。如图（c）所示；（4）螺杆旋转把螺母带着直线运动。适合长时间工作的丝杠。如图（d）所示。(a)(b)（c）（d）图4.3螺杆传动的方式本次设计的螺栓装配机械手是采用了上图（a）的运动方式，螺母固定不动。4.2.2螺旋传动的设计和选材螺杆传动时支撑的结构会受刚度影响。当螺杆的形状短粗，且垂直布置时，力传递的提升和螺杆、螺母可作为支撑结构用。当螺杆的形状细长且水平布置时，应在螺杆的中间部位加上支撑点，这样可以提高螺杆的刚性。丝杠和螺母的材料要求有高耐磨性、高强度性，也需要具有良好的切削性、便于制造。表4.1丝杠与螺母常用的材料4.2.3丝杠的受力计算与尺寸确定（1）直径确定保证螺母受到的力均匀，螺母螺纹通常的工作圈数取Φ=1.2~2.5，本文取Φ=2。螺杆材料用45钢，螺母材料为青铜。根据公式：（4.1）上式中：；许用应力为，取。代入计算得：;梯形螺纹的标准，所以螺纹公称直径为，螺距，升角为3.87°，当量摩擦角为5.91°。（2）螺杆强度计算运用第四强度理论公式计算危险截面的应力：（4.2）扭矩：（4.3）—螺纹中径处升角；—当量摩擦角；45钢的屈服强度，安全系数，取3。（4.4）故有：上述参数满足要求。（3）计算临界载荷：查手册表1-6，E取200GP。I==（4.5）因此：FC=（4.6）（4）自锁性验算自锁条件是式中：为螺纹中径处升角；为当量摩擦系数：（4.7）—螺纹工作面的牙形斜角；—当量摩擦角。查表得（取起动时计算用最大值）故所以自锁性可保证。表4-2螺旋副的当量摩擦系数fV4.2.4丝杠螺母螺纹牙强度丝杠传动机构中，螺母零件的强度较低，而螺纹牙的失效形式主要是剪切和挤压破坏，只需要对螺母螺纹牙的强度进行校核。图4.4丝杆螺母螺纹牙的计算如下：螺纹牙危险截面的剪切强度：；螺纹牙危险截面的弯曲强度：。牙根的厚度，且螺纹大径；弯曲力,梯形螺纹：，4.2.5轴承的选型选择轴承需要考虑以下几个因素：（1）允许空间；（2）载荷大小和方向；（3）轴承工作时的转速；（4）轴承旋转时精度；（5）轴承的刚性；（6）轴承的轴向游动。本设计选用深沟球轴承，型号为。查得轴承的额定动载荷是以、可靠度为为依据的。轴承基本额定寿命L10为：Cε×1=Pε×L10L10=(C/P)ε

106r轴承工作转速为，可求出额定寿命：（4.8）应取，是轴承的预期使用寿命。轴承的当量动载荷和预期使用寿命，可求出额定动载荷，它与所用的轴承型号的值满足：（4.9）故所选轴承满足要求。4.3旋转手臂的设计4.3.1手臂机构的方案设计手臂是在具有负载和速度下移动的。在设计中，遵循以下原则：（1）关节轴需要相互平行。（2）机械臂选型和结构设计要符合机械手运动空间的要求。（3）机械臂结构和材料的重量应尽量最小，选择轻质的材料，这样可以提高机械手的精度（4）机械手的机械臂要尽量的平衡重量。（5）机械臂需要具备具有缓冲能力的接头限位开关和机械限位块。结构如图4.5所示。图4.5手臂三维图回转气缸和导向头的进排气通道固定不动，但是缸体可以相对转动。由气缸盖、缸体、活塞和活塞杆组成回转气缸。当回转气缸运动时，外力驱动气缸体、气缸盖和导向头转动，而活塞和活塞杆只能用于往返直线运动。图4.6回转气缸机械臂上的手爪对螺栓进行装配的动作，即机械手先夹紧需要装配的螺栓，机械臂经过一系列运动，将螺栓放置在螺栓孔匹配位置，然后通过手腕的回转运动将螺栓拧入到螺栓孔内；此时，机械手爪在把螺栓松开，然后机械臂在进行下一个循环动作。这一系列的工作过程中，机械手的夹紧采用手爪气缸，手腕的旋转采用伺服电机驱动。图4.7机械手臂结构图4.3.2手臂旋转气缸的计算与选型手臂绕立柱上部的销轴转动，这里考虑计算旋转力矩与惯性力矩作用，需要保证力矩的平衡，按如下公式计算：得；（4.10）整理得：（4.11）运动件的总重力；重心到支撑点的距离支撑点到重心的长度;当量摩擦系数。导向支撑选择铸铁将有关数据代入进行计算手臂惯性力的计算：本设计要求手臂平动是，设启动时间，启动速度V=V=，气压缸的工作压力小于，采用型密封圈，。密封的摩擦阻力为：计算出气压缸的驱动力：5手腕及手爪设计5.1腕部的设计要求（1）腕部的结构紧凑、重量轻；（2）结构考虑合理布局；（3）必须考虑工作条件。5.2腕部的结构（1）自由度为1的回转驱动的腕部结构。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定。（2）齿条活塞驱动式的腕部结构。（3）自由度为2的回转驱动的腕部结构。本设计中手腕的回转角度是，腕部结构可以选择为自由度为1的回转驱动腕部结构。5.3腕部的计算机械手可抓取的重物最大为，手腕可以回转。腕部所需要的力矩，腕部的摩擦力矩。5.3.1腕部的驱动力矩计算计算力矩：（1）液压缸转动件近似一个圆柱，它的高为，直径摩擦力矩。当电机启动时腕部转过的角度为，等于。（5.1）转动惯量：代入数值得：5.3.2腕部驱动力的计算表液压缸的内径系列（mm）设定腕部部分尺寸：根据表设缸体内空半径，外径依表选泽，这是液压缸壁最小厚度，其外径为；动片宽度,输出轴.如图5-1所示。则回转缸工作压力：，选择8Mpa图5.1腕部液压缸的剖截面图表标准液压缸外径（JB1068-67）（mm）5.3.3液压缸盖的螺钉设计表t与P之间的关系缸盖螺钉的计算，在螺钉的连接中，每个螺钉承受的拉力应为： （5.2）因此：液压缸,所以螺钉,试选择8个螺钉，，所以螺钉数目选择合适Z=8危险截面有：(5.3)所以螺钉的材料可以选择，（）直径：（5.4）因此直径d=16mm.设计中选择了自由度为1的回转驱动的腕部结构。对腕部回转力与回转缸连接螺钉的直径进行了计算。5.4手部结构技术要求目前，根据工件的形状及要求，工业中选用的手部机构有多种，最常用的有爪型和吸气型。选用不同的手机构，夹紧力的大小也是不同的。通过立柱与悬臂之间销轴的连接作用，手臂末端的手爪要求先夹紧螺栓，在绕手腕关键旋转，如图5.3所示，腕关节通过独立电机驱动，绕组自身轴线旋转，实现螺栓的拧紧。图5.2手结构图设计中机械手夹持的最大重量是250N,首先确定手爪夹取螺栓的尺寸是M10-M40，机械手爪可旋转360度。根据上述中对机械手的要求，选用的是四杆机构，如图5.3所示。图5.3机械手的三维结构图根据本次设计要求，以下图5.4是螺栓装配机械手的三维图。图5.4螺栓装配机械手三维6.结论毕业设计可能是我们大学生活的最后一次作业，本着一丝不苟的精神态度来完成了此次的设计。设计中首先对机械手的定义，发展及它的应用，并对机械手的主要结构组成及特点进行介绍。螺栓装配机械手作为工业机械手中的重要研究对象，已广泛应用于工业装配线中，有效地完成了螺栓的装配及其部件的组装。根据任务书的要求我设计一款用于自动抓取并完成螺栓装配的机械手的结构设计。确定了设计中机械手采用直角坐标式和圆柱坐标式结合的方案，确定为4自由度，机械手的驱动方式采用步进电机与同步带驱动，采用丝杠机构实现其移动及升降运动，采用回转气缸实现机械手臂的回转运行，并对滑轨，机械手手爪执行机构等进行了设计选型。本次设计过程中不仅仅是对螺栓装配机械手的结构进行了选型设计，还学到了很多新的知识，遇到了机械手其它方面的很多问题，在今后的工作学习中还得加以学习。通过平常在课堂中学到的CAD与SolidWorks的知识，让我在这次的毕业设计画图模块中得以应用。还让自己悟到了需要加强这些软件的练习。在计算选型时，由于对公式的不熟悉造成了很大的困扰，我借助互联网与图书馆的资源查阅了大量相关机械手的资料，并得到老师的指导与建议，再结合自己大学所学的专业知识和同学的帮助使自己完成了本次设计。参考文献[1]王世伟，自抗扰控制器参数整定方法研究及其在螺栓装配机械手中的应用[D].兰州交通大学硕士论文.2015.[2]舒志斌,谢福亮,郑之开.专用机械手控制系统设计与分析[J].南京工业大学,2013.[3]张博,圆柱坐标型机械手结构与控制系统设计[J].北京大学工程训练中心,2014.[4]汪新中.平面关节型装配机器人拧螺钉手抓的研究[J].机电工程,2015,25(9):18-20.[5]杨育林,包倩倩,段昌生,赵楠楠.车轮装配机械手气动控制系统设计[J].制造技术与机床,2017,(08):131-134.[6]郭洪武.浅析机械手的应用与发展趋势[D].山西华电广灵风力发电有限公司，2012.[7]赵云伟,耿德旭.气动柔性五指机械手的运动学及抓持能力[J].机器,2014,36(2):171-178.[8]张兆阳.一种适合狭窄空间下零部件装配机械手的设计与研究[D].燕山大学,2013.[9]陈国良,黄心汉,周祖德.微型装配机器人系统[J].机械工程学报,2014,45(2):288-293.[10]罗璟,刘克定,陶湘厅等.工业机器人的控制策略探讨[J].机床与液压,2016,36(10):95-100.[11]杨帅,邹智慧.多自由度工业机器人运动控制系统的研究[J].制造业自动化,2013,35(5):117-121.[12]陶珍军,陈坤,螺栓装配自动化的关键技术研究[J].华南理工大学学报，2014,22(4):36-39.[13]李玉航,梅江平,刘松涛等.一种新型4自由度高速并联机械手动力尺度综合[J].机械工程学报,2014,50(19):32-40.[14]AlexanderWinkler,JozefSuchy.RobotForce/TorqueControlinAssemblyTasks[J].IFACProceedingsVolumes,2013,46(9):796-801.[15]AfshinT,JorgeA,LarryL.Constraint-wrenchanalysisofroboticmanipulators[J].MultibodySystemDynamic,2013,29:139-168.[16]HanYuan,ZhengLi.Workspaceanalysisofcable-drivencontinuummanipulatorsbasedonstaticmodel[J].RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing,2017,49(2):240-252.[17]HanY,EricC,DominiqueD.Staticanddynamicstiffnessanalysesofcable-drivenparallelrobotswithnon-negligiblecablemassandelasticity[J].MechanismandMachineTheory,2015,85(12):64-81.附录1：外文翻译机械手的机械和控制系统摘要:最近，全球内带有多指夹子或手的机械人系统已经发展起来了，多种方法应用其上，有拟人化的和非拟人化的。不仅调查了这些系统的机械结构,而且还包括其必要的控制系统。如同人手一样，这些机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体，而不用改换夹子。这些机械手具备特殊的运动能力（比如小质量和小惯性），这使被抓物体在机械手的工作范围内做更复杂、更精确的操作变得可能。这些复杂的操作被抓物体绕任意角度和轴旋转。本文概述了这种机械手的一般设计方法，同时给出了此类机械手的一个示例，如卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ。本文末介绍了一些新的构想，如利用液体驱动器为类人型机器人设计一个全新的机械手。关键词：多指机械手；机器人手；精操作；机械系统；控制系统引言2001年6月在德国卡尔斯鲁厄开展的“人形机器人”特别研究，是为了开发在正常环境（如厨房或客厅）下能够和人类合作和互动的机器人系统。设计这些机器人系统是为了能够在非专业、非工业的条件下（如身处多物之中），帮我们抓取不同尺寸、形状和重量的物体。同时，它们必须能够很好的操纵被抓物体。这种极强的灵活性只能通过一个适应性极强的机械人手抓系统来获得，即所谓的多指机械手或机器人手。上文提到的研究项目，就是要制造一个人形机器人，此机器人将装备这种机器人手系统。这个新手将由两个机构合作制造，它们是卡尔斯鲁厄大学的IPR（过程控制和机器人技术研究院）和c（计算机应用科学研究院）。这两个组织都有制造此种系统的相关经验，但是稍有不同的观点。IPR制造的卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ（如图1所示），是一个四指相互独立的手爪，我们将在此文中详细介绍。IAI制造的手（如图17所示）是作为残疾人的2.机器人手的一般结构一个机器人手可以分成两大主要子系统：机械系统和控制系统。机械系统又可分为结构设计、驱动系统和传感系统，我们将在第三部分作进一步介绍。在第四部分介绍的控制系统至少由控制硬件和控制软件组成。我们将对这两大子系统的问题作一番基本介绍，然后用卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ演示一下。3.机械系统机械系统将描述这个手看起来如何以及由什么元件组成。它决定结构设计、手指的数量及使用的材料。此外，还确定驱动器（如电动机）、传感器（如位置编码器）的位置。3.1结构设计结构设计将对机械手的灵活度起很大的作用，即它能抓取何种类型的物体以及能对被抓物体进行何种操作。设计一个机器人手的时候，必须确定三个基本要素：手指的数量、手指的关节数量以及手指的尺寸和安置位置。为了能够在机械手的工作范围内安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。为了能够对被抓物体的操作获得6个自由度（3个平移和3个旋转自由度），每个手指必须具备3个独立的关节。这种方法在第一代卡尔斯鲁厄灵巧手上被采用过。但是，为了能够重抓一个物件而无需将它先释放再拾取的话，至少需要4根手指。要确定手指的尺寸和安置位置，可以采用两种方法：拟人化和非拟人化。然后将取决与被操作的物体以及选择何种期望的操作类型。拟人化的安置方式很容易从人手到机器人手转移抓取意图。但是每个手指不同的尺寸和不对称的安置位置将增加加工费用，并且是其控制系统变得更加复杂，因为每个手指都必须分别加以控制。对于相同手指的对称布置，常采用非拟人化方法。因为只需加工和构建单一的“手指模块”，因此可减少加工费用，同时也可是控制系统简化。3.2驱动系统指关节的驱动器对手的灵活度也有很大的影响，因为它决定潜在的力量、精度及关节运动的速度。机械运动的两个方面需加以考虑：运动来源和运动方向。在这方面，文献里描述了有几种不同的方法，如文献[3]中说可由液压缸或气压缸产生运动，或者，正如大部分情况一样使用电动机。在多数情况下，运动驱动器（如电机）太大而不能直接与相应的指关节结合在一起，因此，这个运动必须由驱动器（一般位于机器臂最后的连接点处）转移过来。有几种不同的方法可实现这种运动方式，如使用键、传动带以及活动轴。使用这种间接驱动指关节的方法，或多或少地降低了整个系统的强度和精度，同时也使控制系统复杂化，因为每根手指的不同关节常常是机械地连在一起，但是在控制系统的软件里却要将它们分别独立控制。由于具有这些缺点，因此小型化的运动驱动器与指关节的直接融合就显得相当必要。3.3传感系统机器手的传感系统可将反馈信息从硬件传给控制软件。对手指或被抓物体建立一个闭环控制是很必要的。在机器手中使用了3种类型的传感器：1）手爪状态传感器确定指关节和指尖的位置以及手指上的作用力情况。知道了指尖的精确位置将使精确控制变得可能。另外，知道手指作用在被抓物体上的力，就可以抓取易碎物件而不会打破它。2）抓取状态传感器提供手指与被抓物体之间的接触状态信息。这种触觉信息可在抓取过程中及时确定与物体第一次接触的位置点，同时也可避免不正确的抓取，如抓到物体的边缘和尖端。另外还能察觉到已抓物体是否滑落，从而避免物体因跌落而损坏。3）物体状态或姿态传感器用于确定手指内物体的形状、位置和方向。如果在抓取物体之前并不清楚这些信息的情况下，这种传感器是非常必要的。如果此传感器还能作用于已抓物体上的话，它也能控制物体的姿态（位置和方向），从而监测是否滑落。根据不同的驱动系统，有关指关节位置的几何信息可以在运动驱动器或直接在关节处出测量。例如，如在电动机和指关节之间有一刚性联轴器，那么就可以用电机轴上的一个角度编码器（在齿轮前或齿轮后）来测量关节的位置。但是如果此联轴器刚度不够或者要获得很高的精度的话，就不能用这种方法。3.4卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ的机械系统为了能够获得如重抓等更加复杂的操作，卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指组成，且每根手指由3个相互独立的关节组成。设计该手是为了能够在工业环境中应用（图3所示）和操纵箱、缸及螺钉螺帽等物体。因此，我们选用四个相同手指，将它们作对称、非拟人化配置，且每个手指都能旋转90°（图4所示）。鉴于从第一代卡尔斯鲁厄灵巧手设计中得到的经验，比如因传动带而导致的机械问题以及较大摩擦因数导致的控制问题，卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ采用了一些不同的设计决策。每根手指的关节2和关节3之间的直流电机被整合到手指前部肢体中（图5所示）。这种布置可使用很硬的球轴齿轮将运动传递到手指的关节处。处在电机轴上的角度编码器（在齿轮前）此时可作为一个精度很高的位置状态传感器。为了感知作用在物体上的手指力量，我们发明了一个六维力扭矩传感器（图6所示）。这个传感器可当作手指末端肢体使用，且配有一个球形指尖。它可以抓取较轻的物体，同时也能抓取3-5kg相近的较重物体。此传感器能测量X、Y和Z方向的力及绕相关轴的力矩。另外，3个共线的激光三角测量传感器被安置在KDHⅡ的手掌上（图5所示）。因为有3个这样的传感器，因此不仅可以测量3单点之间的距离，如果知道物体的形状，还能测出被抓物体表面之间的距离和方向。物体状态传感器的工作频率为1kHz，它能检测和避免物体的滑落。4.控制系统机器人手的控制系统决定哪些潜在的灵巧技能能够被实际利用，这些技能都是由机械系统所提供的。如前所述，控制系统可分为控制计算机即硬件和控制算法即软件。控制系统必须满足以下几个的条件：1)必须要有足够的输入输出端口。例如，具有9个自由度的低级手，其驱动器至少需要9路模拟输出端口，且要有9路从角度编码器的输入端口。如再加上每个手指上的力传感器、触觉传感器及物体状态传感器的话，则端口数量将增加号好倍。2)需具备对外部事件快速实时反应的能力。例如，当检测到物体滑落时，能立即采取相应的措施。3)需具备较高的计算能力以应对一些不同的任务。如可以对多指及物体并行执行路径规划、坐标转换及闭环控制等任务。4)控制系统的体积要小，以便能够将其直接集成到操作系统当中。5)在控制系统与驱动器及传感器之间必须要电气短接。特别是对传感器来说，若没有的话，很多的干扰信号将会干扰传感器信号。4.1控制硬件为了应对系统的要求，控制硬件一般分布在几个专门的处理器中。如可通过一个简单的微控制器处理