五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)

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目 錄摘 要 ． IAbstract ．．．．．．． ．．．．．．．． ．．．．．． ．．．．．．．．． ． ．．．．．．．．．． ．．．．．．． ．．．．．． ．．．．．．．．．． ． ． II1 緒論 11． 1研究背景及意義 11．2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 21． 2． 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21． 2． 2發(fā)展趨勢 41． 3存在問題的分析 41． 4研究內(nèi)容及章節(jié)安排 51． 4． 1主要研究內(nèi)容 51． 4． 2具體章節(jié)安排 52．1 設(shè)計(jì)原則 72． 2工況分析 82． 2． 1工作對象簡介 82． 2． 2大米搬運(yùn)流程 92． 2． 3工作空間參數(shù)設(shè)計(jì) ．． 102． 2． 4工作任務(wù)要求 ．． 102． 3機(jī)械手的組成 ． 1 12． 3． 1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 一1 12． 3． 2驅(qū)動機(jī)構(gòu) ．． 122． 3． 3控制系統(tǒng) ．． 133機(jī)械部分設(shè)計(jì) 143． 1運(yùn)動方案確定 ． 143． 2傳動與驅(qū)動方式的分析選擇 ． 163． 2． 1傳動方式的分析選擇 ．． 163． 2． 2步進(jìn)電機(jī)選型 一 203． 3． 1 手部 一233． 3． 2 腕音 B 273． 3． 3 臂部 ．．283． 3． 4腰部及機(jī)座 ．． 304運(yùn)動學(xué)仿真分析 32III五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)4．1 D．H表示法 ．324． 2建立 D． H坐標(biāo)系 334．3 正運(yùn)動學(xué)問題分析 ． 334． 4逆運(yùn)動學(xué)問題分析 354． 5工作空間仿真分析 ． 374． 5． 1工作空間求解方法 ． ． 374．5．2工作空間的求解 一 374．5．3工作空間仿真分析 一 385控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 415． 1 硬件設(shè)計(jì) ． 415． 2主控制器模塊 ． 415． 2． 1 TMS320F2812 芯片性能簡介 425． 2． 2芯片電源轉(zhuǎn)換電路 一 435．3 PVDF傳感器模塊 一445．4步進(jìn)電機(jī)模塊 ． 465． 4． 1 步進(jìn)電機(jī)簡介 ． ． 465． 4． 2 SR8驅(qū)動器簡介 一465． 4． 3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 ．． 485． 5機(jī)械手控制電路 ． 495． 6軟件設(shè)計(jì) ． 5 l5． 6． 1工作流程控制程序 ． ． 515． 6． 2抓取控制程序 ．． 525． 6． 3觸滑覺信號處理模塊 ． ． 545． 6． 4步進(jìn)電機(jī)控制模塊 ．． 55結(jié) 論 ． ． 57參考文獻(xiàn) 58攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果 一 60致 謝 ． ． 61IV1 緒 論近 幾 十 年 來 ， 工 業(yè) 機(jī) 械 手 發(fā) 展 成 為 一 種 高 科 技 自 動 化 生 產(chǎn) 設(shè) 備 ， 是 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 一 個 重 要 分 支 ， 它 綜 合 運(yùn) 用 多 學(xué) 科 的 最 新 研 究 成 果 ， 是 典 型 的 機(jī) 電 一 體 化 裝 置 ， 可 通 過 編 程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了 人 的 智 能 性 和 適 應(yīng) 性 。 機(jī) 械 手 作 業(yè) 的 準(zhǔn) 確 性 和 各 種 環(huán) 境 中 完 成 作 業(yè) 的 能 力 ， 在 國 民 經(jīng) 濟(jì) 各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。1． 1 研究背景及意義(1)研究背景我 國 工 業(yè) 機(jī) 器 人 主 要 用 于 汽 車 制 造 、 工 程 機(jī) 械 及 電 機(jī) 、 電 子 等 行 業(yè) ， 產(chǎn) 品 需 求 量 和 品種將逐年大幅度增加。據(jù)專家預(yù)測，到2012年，國內(nèi)市場實(shí)際擁有量將達(dá)到173000 臺，年銷售額為93．1億元。根據(jù)發(fā)達(dá)國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷程和工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢， 到2015年，國內(nèi)市場容量將增加到幾十萬臺[1]。國際機(jī)器人聯(lián)合會最新統(tǒng)計(jì)表明，目前全球能夠正常工作的機(jī)器人總量約在76至102萬臺之間 [5]。從宏觀的角度看工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢， 20世紀(jì)利用 50年 使 工 業(yè) 機(jī) 器人從萌芽時(shí)期進(jìn)入成熟時(shí)期， 20世紀(jì) 90年代需要大約 30年 培 育 下 一 代 機(jī) 器 人 ， 也 就 是 工業(yè)機(jī)器人有望在 2020年左右進(jìn)入成熟期。(2) 研究意義70年代初，我國工業(yè)機(jī)械手處于萌芽時(shí)期，經(jīng)過20余 年 的 努 力 ， 機(jī) 械 手 技 術(shù) 已 取得 重 要 進(jìn) 展 ， 縮 短 了 同 美 、 日 、 德 等 國 家 之 間 的 差 距 。 但 是 ， 同 發(fā) 達(dá) 國 家 相 比 ， 我 國 在 自主研究機(jī)械手核心技術(shù)、自主設(shè)計(jì)和制造高性能工藝裝備、系統(tǒng)集成與開發(fā)、生產(chǎn)高 可靠性基礎(chǔ)功能部件等方面，仍存在較大的差距。日本、美國等西方發(fā)達(dá)國家的工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如石油化工化業(yè)、 食 品 類 飲 料 行 業(yè) 等 ， 而 中 國 未 能 在 較 多 行 業(yè) 內(nèi) 使 用 工 業(yè) 機(jī) 器 人 ， 而 且 在 很 大 程 度 上 需 要 進(jìn) 口 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 正 處 于 迅 速 發(fā) 展 階 段 ， 掌 握 機(jī) 器 人 的 設(shè) 計(jì) 方 法 從 而 自 主 研 發(fā) 機(jī) 器 人 是 刻不容緩的事情。隨 著 科 學(xué) 技 術(shù) 的 迅 猛 發(fā) 展 ， 生 產(chǎn) 力 水 平 的 不 斷 提 高 ， 人 們 對 勞 動 強(qiáng) 度 和 工 作 環(huán) 境 的 要求也越來越高，石油化工、港口、食品等行業(yè)對搬運(yùn)質(zhì)量和效率的要求也越來越高， 然 而 效 率 低 下 的 人 工 搬 運(yùn) 阻 礙 了 這 些 行 業(yè) 產(chǎn) 量 的 提 高 ， 已 不 能 滿 足 企 業(yè) 的 需 要 ， 從 而 促進(jìn)了企業(yè)向現(xiàn)代化改造。目前國內(nèi)全自動碼垛、搬運(yùn)設(shè)備主要依靠進(jìn)口，國產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)廠 家 相 對 較 少 ， 搬 運(yùn) 機(jī) 器 人 技 術(shù) 不 很 成 熟 。 我 國 人 工 搬 運(yùn) 的 低 效 率 與 產(chǎn) 量 的 日 益 提 高 之 間的矛盾日益突出，因此，對搬運(yùn)機(jī)器人的研究具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和現(xiàn)實(shí)意義。本課題從技術(shù)實(shí)現(xiàn)和理論研究兩個方面著手，研究和開發(fā)一個性能優(yōu)良的機(jī)械手用以 實(shí) 現(xiàn) 可 靠 和 精 確 地 搬 運(yùn) 和 抓 取 。 結(jié) 構(gòu) 合 理 、 性 能 完 善 的 機(jī) 械 手 ， 可 以 改 善 工 人 的 勞 動 環(huán) 境 ， 降 低 工 人 的 勞 動 強(qiáng) 度 ， 大 大 提 高 勞 動 生 產(chǎn) 率 ， 將 加 速 產(chǎn) 品 化 的 進(jìn) 程 ， 意 味 著 生 產(chǎn) 的自動化。根據(jù)機(jī)器人手爪現(xiàn)有的研究成果，從理論上實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體進(jìn)行搬運(yùn)并抓取 的設(shè)計(jì)，有實(shí)際針對性，對用于抓取、搬運(yùn)目標(biāo)物體的機(jī)械手成品機(jī)的產(chǎn)業(yè)化研究有直 接的引導(dǎo)作用，也可以為其他機(jī)器人的研究提供有益的借鑒。1． 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1． 2． 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀(1)國外研究現(xiàn)狀工業(yè)機(jī)器人自60年代初問世以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域 ， 成 為 制 造 業(yè) 生 產(chǎn) 自 動 化 中 主 要 的 機(jī) 電 一 體 化 設(shè) 備 。 國 外 在 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 研 究 方 面 起 步 較 早 ， 研 究 初 期 主 要 從 學(xué) 術(shù) 角 度 研 究 室 外 機(jī) 器 人 的 體 系 結(jié) 構(gòu) 和 信 息 處 理 ， 并 建 立 實(shí) 驗(yàn) 系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，隨著技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人逐漸向?qū)嵱没l(fā)展。目 前 ， 國 外 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 技 術(shù) 已 經(jīng) 成 熟 ， 國 際 上 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 公 司 主 要 分 為 日 系 和 歐系，日系公司主要有安川、 OTC、 FANUC 等公司，歐系公司主要有德國的 KUKA、 瑞典的 ABB等公司 【6] 。2008年， KUKA公司研發(fā)的 6軸機(jī)器人 KRl000TITAN 的負(fù)載能力達(dá)到了 1000kg， 水平方向的工作行程為3200mm，垂直方向的工作行程為5000mm。從技術(shù)角度考慮， KRl000TITAN最顯著的特點(diǎn)是堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)剛結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方案，傳統(tǒng)上使用6個伺服電 機(jī)驅(qū)動 6個自由度機(jī)器人，而 KUKA公司使用了 9個伺服電機(jī)來驅(qū)動 6軸機(jī)器人KRl000TITA N E71。2011年， FANUC公司推出的小型機(jī)器人 R一 1000iA，負(fù)載能力為 80～ 100kg， 是 高 速、緊湊、柔性、智能機(jī)器人的代表。 R． 1000iA結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化的設(shè)計(jì)具有極高的性 價(jià)比，大大降低了安裝難度，利用 2D、 3D視覺功能可以模擬復(fù)雜的裝配環(huán)境。 R一 1000iA 非常適合焊接、搬運(yùn)汽車零部件、中小型金屬制品等 [8]，其箱狀零件的搬運(yùn)作業(yè)如圖 1． 1所示。圖 1． 1 FANUC R-1000iA 搬運(yùn)箱狀零件Fig． 1． 1 FANUC R一 1 000iA hands box typed parts(2) 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國工業(yè)機(jī)器人從 20世紀(jì) 80年代 “七五 ”科技攻關(guān)開始起步，在國家科技攻關(guān) 項(xiàng) 目支持下，僅過十幾年的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，使中國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)從無到有，跨出了 一大步。目前中國已經(jīng)成為世界上增長最迅速的工業(yè)機(jī)器人市場， “工業(yè)自動化世界”正在形成?？偟膩砜?，作為制造業(yè)大國，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平與國外相比還有一定的差距，而且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人很少。哈爾濱博實(shí)自動化設(shè)備有限公司自主研發(fā)了全自動包裝機(jī)器人， 1989年的碼垛生產(chǎn)能力達(dá)到 600袋／ h， 1993年的碼垛生產(chǎn)能力達(dá)到 800袋／ 11，后來研發(fā)了 FFS (Form． Fill． Seal)的高速高精度稱重包裝碼垛生產(chǎn)線， 2006年的生產(chǎn)能力達(dá)到 1600袋／ 11，稱重精度達(dá)到 ±0． 1％ g【l 。2011年， ABB公司的在華團(tuán)隊(duì)研制出全球速度最快的碼垛緊湊型 4軸機(jī)器人 IRB460，其實(shí)物如圖 1． 2所示。 IRB460的工作節(jié)拍最高循環(huán) 2190次／ h，作業(yè)范圍為 2． 4米 ， 主要用于生產(chǎn)線末端進(jìn)行高速碼垛作業(yè)。 IRB460占地面積比一般碼垛機(jī)器人節(jié)省 1／ 5，更適用于在狹小的空間內(nèi)進(jìn)行高速作業(yè) J。五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)二，遵 ≥ 薯蕾 ■● 搬 ‘舔，鴨。 !。鬻 i。 ≯。，，；， ’、，，／?騷 “ 。”蠢遴 ～善。、茹麓。。。警一、。 ∞p 5*= ?！?， —絮 ‘、 氍鍶。一知 —卜 ‰。。纛一圖 1． 2碼垛機(jī)器人 IRB 460 Fig． 1． 2 Palletizing robot IRB 460此外，高校在研究機(jī)器人碼垛機(jī)技術(shù)方面也取得了重要進(jìn)展。例如，哈工大機(jī)器人 研 究 所 研 制 了 采 用 雙 自 由 度 的 笛 卡 耳 坐 標(biāo) 式 的 機(jī) 器 人 碼 垛 機(jī) ， 并 成 功 地 應(yīng) 用 在 全 自 動 包裝 碼 垛 生 產(chǎn) 線 上 ， 取 得 了 良 好 的 經(jīng) 濟(jì) 效 益 ； 上 海 交 通 大 學(xué) 機(jī) 器 人 研 究 所 正 在 從 事 高 速 碼垛技術(shù)方面的研究，也取得了突破性進(jìn)展。1． 2． 2發(fā)展趨勢目 前 國 際 機(jī) 器 人 界 都 在 加 大 科 研 力 度 ， 進(jìn) 行 機(jī) 器 人 共 性 技 術(shù) 的 研 究 ， 并 朝 著 智 能 化和多樣化方向發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢主要為 【1 J：① 操作機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。②控制技術(shù)的開放化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化。③多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化。④ 多智能體協(xié)調(diào)化。⑤高速化、重載化、高精度化；⑥ 低成本、微型和輕量化。1． 3存在問題的分析通過國內(nèi)外的研究比較可以看出，我國的研究水平較低。和美日的工業(yè)機(jī)器人相比， 無論是在機(jī)器人的運(yùn)動性能還是制造工藝上都有很大差距。這就需要我們首先解決工業(yè)機(jī)器人的理論研究。(1) 結(jié)構(gòu)方面在 設(shè) 計(jì) 上 首 先 要 在 簡 化 機(jī) 構(gòu) 上 下 功 夫 。 越 是 簡 單 的 機(jī) 構(gòu) 帶 來 的 問 題 越 少 ， 特 別 是 在 運(yùn) 行 可 靠 性 上 、 重 量 上 、 維 護(hù) 上 、 造 價(jià) 上 等 ， 都 會 給 工 業(yè) 機(jī) 器 人 帶 來 質(zhì) 的 飛 躍 。 其 次 從 國外現(xiàn)階段研究的工業(yè)機(jī)器人可以發(fā)現(xiàn)，他們的機(jī)器人的肢體活動空間很大，這給工業(yè) 機(jī) 器 人 后 期 的 肢 體 完 成 工 作 提 供 了 有 力 的 支 持 。 最 后 就 是 關(guān) 節(jié) 的 靈 活 性 、 結(jié) 構(gòu) 的 堅(jiān) 固 性 和末端肢體的穩(wěn)定性。這三個方面決定了工業(yè)機(jī)器人可以完成任務(wù)的精密等級。(2) 控制方面在 以 后 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 研 究 上 ， 還 須 要 不 斷 提 高 電 子 芯 片 、 傳 感 器 的 穩(wěn) 定 性 ， 同 時(shí) 降 低 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 造 價(jià) ， 這 些 都 將 影 響 到 工 業(yè) 機(jī) 器 人 在 未 來 被 廣 泛 使 用 的 前 景 。 解 決 好 了以上兩方面的問題，一定會極大地推動我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。1． 4研究內(nèi)容及章節(jié)安排1．4．1 主要研究內(nèi)容根 據(jù) 應(yīng) 用 于 搬 運(yùn) 碼 垛 的 抓 取 機(jī) 械 手 的 特 點(diǎn) 和 性 能 ， 本 課 題 通 過 對 五 自 由 度 工 業(yè) 機(jī) 械 手在 機(jī) 、 電 、 控 制 一 體 化 的 基 礎(chǔ) 上 ， 首 先 通 過 對 設(shè) 計(jì) 功 能 和 任 務(wù) 的 分 析 ， 制 定 課 題 的 總 體 設(shè)計(jì) 方 案 并 對 機(jī) 械 手 的 各 個 部 件 進(jìn) 行 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) ， 使 其 能 達(dá) 到 預(yù) 定 功 能 要 求 ； 然 后 對 機(jī) 械 手 的運(yùn) 動 方 案 進(jìn) 行 正 、 逆 運(yùn) 動 學(xué) 分 析 ， 在 此 基 礎(chǔ) 上 用 MATLAB軟 件 對 其 工 作 空 間 進(jìn) 行 仿 真 ，為 進(jìn) 行 機(jī) 械 手 控 制 系 統(tǒng) 程 序 編 程 和 對 目 標(biāo) 物 體 穩(wěn) 定 抓 取 的 研 究 提 供 了 重 要 依 據(jù) ； 最 后 按照 穩(wěn) 定 抓 取 并 搬 運(yùn) 物 體 的 設(shè) 計(jì) 要 求 進(jìn) 行 機(jī) 械 手 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) ， 包 括 硬 件 設(shè) 計(jì) 和 軟 件 的 實(shí) 現(xiàn) ，理 論 上 實(shí) 現(xiàn) 對 物 體 的 抓 取 并 搬 運(yùn) 。 通 過 對 機(jī) 械 手 系 統(tǒng) 總 體 設(shè) 計(jì) 提 供 的 設(shè) 計(jì) 方 案 和 分 析 方 法 ，為 下 一 步 的 深 入 設(shè) 計(jì) 奠 定 了 理 論 基 礎(chǔ) 。1．4．2具體章節(jié)安排本 課 題 在 查 閱 國 內(nèi) 外 大 量 資 料 的 基 礎(chǔ) 上 ， 對 工 業(yè) 機(jī) 械 手 研 究 中 的 重 點(diǎn) 問 題 進(jìn) 行 了 較 為深 入 的 學(xué) 習(xí) 研 究 。 本 課 題 主 要 對 工 業(yè) 機(jī) 械 手 系 統(tǒng) 的 機(jī) 械 部 分 、 結(jié) 構(gòu) 仿 真 部 分 和 控 制 部 分三大部分的相關(guān)問題進(jìn)行了研究，具體安排如下：第 一 章 ， 概 要 性 地 說 明 了 本 課 題 的 研 究 背 景 和 研 究 意 義 、 國 內(nèi) 外 工 業(yè) 機(jī) 械 手 的 發(fā) 展 現(xiàn)狀 、 搬 運(yùn) 機(jī) 器 人 的 發(fā) 展 歷 程 及 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 發(fā) 展 趨 勢 ， 總 結(jié) 了 國 內(nèi) 機(jī) 器 人 發(fā) 展 需 要 解 決 的問 題 ， 最 后 介 紹 了 本 課 題 的 主 要 研 究 內(nèi) 容 。第二章，以米袋為對象，理論上分析工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)原則，研究機(jī)械手在抓取、搬運(yùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了機(jī)械手的工作狀況，最后簡述了工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、和控制系統(tǒng)三大部分的組成，完成機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)。五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)第 三 章 ， 首 先 根 據(jù) 常 用 于 碼 垛 、 搬 運(yùn) 等 的 機(jī) 械 手 類 型 確 定 了 機(jī) 械 手 的 運(yùn) 動 方 案 ， 然 后 根 據(jù) 設(shè) 計(jì) 要 求 ， 在 綜 合 分 析 的 基 礎(chǔ) 上 ， 完 成 機(jī) 械 手 的 手 部 、 腕 部 、 臂 部 、 腰 部 、 機(jī) 座 部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后根據(jù)驅(qū)動、傳動常用的方式確定各部分驅(qū)動、傳動方式方案。第四章，結(jié)合機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用常規(guī)的D—H法建立運(yùn)動學(xué)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行正、 逆 向 運(yùn) 動 學(xué) 分 析 求 解 ， 分 別 得 出 了 操 作 臂 末 端 在 基 坐 標(biāo) 系 下 的 位 置 關(guān) 系 式 和 各 關(guān) 節(jié) 的 參 數(shù)變量，在此基礎(chǔ)上用 MATLAB軟件對正運(yùn)動學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行了工作空間的仿真分析， 為下一步對目標(biāo)物體穩(wěn)定抓取的研究打下基礎(chǔ)。第五章，設(shè)計(jì)了以美國 TI公司推出的 TMS320F2812 芯片為控制核心，采集接近開 關(guān) 及 觸 滑 覺 傳 感 器 信 號 ， 通 過 反 饋 的 信 號 控 制 步 進(jìn) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 的 控 制 系 統(tǒng) 硬 件 結(jié) 構(gòu) ， 畫 出 了 硬 件 連 接 圖 ， 并 在 此 基 礎(chǔ) 上 設(shè) 計(jì) 軟 件 流 程 包 括 主 程 序 ， 觸 滑 覺 信 號 數(shù) 據(jù) 處 理 程 序 以 及步進(jìn)電機(jī)控制圖。最后，總結(jié)了本課題研究內(nèi)容的成果，并針對設(shè)計(jì)的不足，對以后機(jī)械手完善設(shè)計(jì)工作提出了建議，為下一步的深入研究提供了理論依據(jù)。2總體方案設(shè)計(jì)機(jī)械手是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，需采用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，立足全局，合理分配機(jī)械、 電子、硬件、軟件各部分所承擔(dān)的任務(wù)和功能，對提高系統(tǒng)的整體性能、結(jié)構(gòu)簡化、成 本 降 低 起 著 舉 足 輕 重 的 作 用 ， 可 以 實(shí) 現(xiàn) 功 能 互 補(bǔ) 。 因 此 ， 對 應(yīng) 用 于 搬 運(yùn) 、 碼 垛 的 機(jī) 械 手 采 用 系 統(tǒng) 的 觀 點(diǎn) 進(jìn) 行 整 體 功 能 分 析 設(shè) 計(jì) ， 可 以 實(shí) 現(xiàn) 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 ， 是 實(shí) 現(xiàn) 經(jīng) 濟(jì) 性 、 靈 活 性 和 高可靠性系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵步驟。一 個 完 整 的 工 業(yè) 機(jī) 械 手 可 以 分 為 三 部 分 ： 傳 感 部 分 、 控 制 部 分 和 機(jī) 械 部 分 ， 其 中 傳 感 部 分 包 括 感 知 系 統(tǒng) 和 機(jī) 器 人 與 環(huán) 境 交 互 系 統(tǒng) ， 控 制 部 分 由 人 機(jī) 交 互 系 統(tǒng) 和 控 制 系 統(tǒng) 構(gòu) 成，機(jī)械部分則包括機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)和具體機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。本 課 題 以 米 袋 的 抓 取 搬 運(yùn) 為 對 象 ， 研 究 機(jī) 械 手 在 系 統(tǒng) 中 的 應(yīng) 用 ， 確 定 機(jī) 械 手 的 任 務(wù) 要求和基本技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)。2。1 設(shè)計(jì)原則機(jī)械手，作為特殊機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)原則與一般機(jī)械設(shè)計(jì)相近，需滿足以下設(shè)計(jì)原則 【13’14J 。(1)剛度原則：合理選擇零部件形狀和尺寸，可以提高整個機(jī)構(gòu)的剛度，合理安排作用在機(jī)構(gòu)上的力和力矩，盡量減少零部件彎曲變形。(2)最小運(yùn)動慣量原則：機(jī)械手運(yùn)動狀態(tài)的改變引起沖擊和振動，因此，在滿足強(qiáng)度,uMIJ度 的 前 提 下 ， 盡 量 小 型 、 輕 量 化 ， 運(yùn) 動 部 件 對 轉(zhuǎn) 軸 的 質(zhì) 心 位 置 應(yīng) 盡 量 滿 足 整 個 機(jī) 構(gòu) 的 動 、 靜 平 衡 要 求 。 即 采 用 最 小 運(yùn) 動 慣 量 原 則 ， 這 樣 可 以 提 高 機(jī) 械 手 運(yùn) 動 平 穩(wěn) 性 和 動力學(xué)特性。(3)尺寸優(yōu)化原則：當(dāng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)滿足工作空間要求時(shí)，通過尺寸優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)更緊湊，有利于機(jī)械手剛度的提高。(4)工藝性原則：機(jī)械手在設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮其加工和裝配工藝性。良好的工藝性可以提高機(jī)械手性能的降低并降低生產(chǎn)成本。(5)材料選用原則：機(jī)械手的手部、腕部、臂部、腰部是依次作為負(fù)載起作用的， 因 此 ， 為 了 降 低 各 個 部 件 的 負(fù) 載 ， 在 選 用 材 料 時(shí) ， 盡 量 選 擇 輕 型 、 經(jīng) 濟(jì) 型 材 料 。 在 結(jié) 合 考慮了各種因素和工況的條件下，初步選用焊接件作為機(jī)械手臂構(gòu)件。(6)可靠性原則：一般來說，機(jī)械手的零件可靠性應(yīng)高于部件可靠性，更高于整機(jī) 可 靠 性 。 因 此 ， 零 件 可 靠 度 應(yīng) 先 滿 足 要 求 ， 然 后 通 過 綜 合 評 定 方 法 保 證 機(jī) 械 手 系 統(tǒng) 的可靠性。五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)綜 上 所 述 ， 在 機(jī) 械 手 設(shè) 計(jì) 過 程 中 ， 首 先 考 慮 其 作 業(yè) 要 求 ， 即 性 能 方 面 需 滿 足 負(fù) 荷 要 求 、 精 度 要 求 、 速 度 要 求 、 環(huán) 境 要 求 等 ， 幾 何 方 面 在 滿 足 空 間 姿 態(tài) 要 求 前 提 下 盡 量 使 結(jié) 構(gòu)緊湊。機(jī)械手是一種多自由度組成的高精度空間運(yùn)動機(jī)械，必須具有運(yùn)動的靈活性和 準(zhǔn) 確 性 ， 以 及 動 態(tài) 性 能 的 平 穩(wěn) 性 。 因 此 ， 機(jī) 械 手 與 普 通 機(jī) 械 設(shè) 備 相 比 ， 除 滿 足 強(qiáng) 度 、 剛 度等之外，還必須具有輕巧靈活的構(gòu)形和良好的動態(tài)性能。2． 2 工況分析在搬運(yùn)作業(yè)中，最常見的工作對象是袋裝物體或箱裝物品?！?來 說 ， 抓 取 外 形 整 齊 的 箱 裝 物 品 的 末 端 執(zhí) 行 器 多 用 吸 附 式 手 爪 ； 而 抓 取 容 易 發(fā) 生 變 形 的 袋 裝 物 品 的 末 端 執(zhí) 行器需根據(jù)物體特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)，常使用叉板式、夾鉗式或磁吸式結(jié)構(gòu)。使 用 搬 運(yùn) 機(jī) 械 手 作 為 米 袋 的 搬 運(yùn) 機(jī) ， 工 作 范 圍 廣 、 搬 運(yùn) 速 度 快 、 抓 放 準(zhǔn) 確 、 操 作 靈 活，減輕工人勞動強(qiáng)度，改善工作條件，并能降低大米生產(chǎn)的成本費(fèi)用。2．2．1 工作對象簡介米 袋 搬 運(yùn) 系 統(tǒng) 采 用 機(jī) 械 手 搬 運(yùn) 方 式 ， 其 任 務(wù) 是 將 傳 送 帶 運(yùn) 出 的 米 袋 按 預(yù) 定 的 要 求 搬 運(yùn)到指定位置。搬運(yùn)的對象是盛有大米的米袋，有 5kg和 10kg裝 兩 種 米 袋 ， 其 形 狀 如 同2．1所示，米袋外形尺寸如表2．1所 示 。 米 袋 由 搬 運(yùn) 機(jī) 械 手 放 置 在 托 板 上 ， 根 據(jù) 放 置 的 米袋不一樣，托板的尺寸也不一樣， 5kg米袋用托板尺寸為 1 100mmN 800mm X 110mm ，10kg 米袋用托板尺寸為 1200mm X 900mm X 1 10mm 。圖 2． 1米袋外形圖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 長／mm 寬／ mm 咼／mm5 400 260 6010 450 300 802． 2． 2大米搬運(yùn)流程經(jīng)脫粒篩選后的精米被送入精米儲藏罐后，由提升機(jī)將精米送至自動計(jì)量包裝機(jī)進(jìn) 行稱量包裝后，分裝成 5kg或 10kg兩種米袋，經(jīng)傳送帶將袋裝的米袋送入機(jī)械手搬運(yùn) 工 作 站 ， 由 叉 車 將 空 托 板 送 入 搬 運(yùn) 站 并 將 成 垛 托 板 送 入 立 體 倉 庫 ， 需 要 出 廠 的 產(chǎn) 品 由 叉 車送入裝車車間，從裝車車間運(yùn)出，搬運(yùn)流程如圖 2． 2所示。自 機(jī)功 械 叉 —L儲 —業(yè) 叉 裝二 米稱 手 至 體 奎 車 還且里搬 搬 倉 ——■ 搬 — 斗 查 — 斗 輸罐包 、 —— 、 —。 、 —J還廷 庫 還 問裝站機(jī)圖 2． 2米廠分裝搬運(yùn)流程圖Fig． 2． 2 The flowchart ofpackaging handling for rice factory為提高堆垛效率，設(shè)置 A和 B兩 個 碼 垛 位 ， 當(dāng) 機(jī) 器 人 在 一 個 位 置 上 碼 垛 時(shí) ， 叉 車 在另一個位置上作業(yè)，只有在安全門關(guān)閉后，機(jī)器人才能在關(guān)閉后的位置上碼垛，保證了設(shè)備及人身的安全。米袋搬運(yùn)機(jī)械手水平面內(nèi)的工作空間范圍如圖 2． 3所示。L竺三蓁門圖 2． 3機(jī)械手水平面內(nèi)工作空間Fig． 2． 3 The horizontal work space of the manipulator五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)2． 2． 3工作空間參數(shù)設(shè)計(jì)本課題研究的是 5kg米袋的抓取及搬運(yùn)過程。米袋搬運(yùn)系統(tǒng)工作流程中，搬運(yùn)機(jī)器人的工作能力須大于800袋／小時(shí)，其工作范圍可按如下方法確定：5kg的米袋用托板尺 寸為 1100mm×800mm×110mm ，使 A和 B兩 塊 托 板 在 機(jī) 器 人 動 作 范 圍 之 內(nèi) ， 機(jī) 器 人水平行程為 1 100mm，回轉(zhuǎn)角度 0弋 320。，假設(shè)每塊托板放 10層， 5kg的米袋的高度為 60mm，故堆放層數(shù)決定機(jī)器人垂直行程為 600mm 。表 2． 2機(jī)械手工作參數(shù)Tab ． 2． 2 The working parameters ofmanipulator抓取重量 回轉(zhuǎn)角度 水平行程 垂直行程 工作能力≤5kg ≤320 。 ≤1lOOmm ≤600mm ≥800 袋／ h2． 2． 4工作任務(wù)要求根 據(jù) 課 題 項(xiàng) 目 工 況 要 求 ， 設(shè) 計(jì) 具 有 空 間 搬 運(yùn) 、 碼 垛 功 能 的 機(jī) 械 手 ， 對 其 進(jìn) 行 運(yùn) 動 學(xué) 建 模 ， 并 將 機(jī) 械 手 的 手 爪 開 合 機(jī) 構(gòu) 送 到 待 抓 取 的 目 標(biāo) 物 體 處 。 機(jī) 械 手 距 離 目 標(biāo) 物 體 較 遠(yuǎn) 的時(shí)候設(shè)計(jì)機(jī)械手接近目標(biāo)物體，當(dāng)目標(biāo)物體距離機(jī)械手較近時(shí) (大約幾毫米的距離 ) 設(shè) 計(jì) 機(jī) 械 手 放 緩 抓 取 速 度 ， 以 較 慢 的 速 度 接 近 目 標(biāo) 物 體 然 后 通 過 觸 覺 和 滑 覺 傳 感 器 的 信 號反饋采用白適應(yīng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的穩(wěn)定抓取后并搬運(yùn)。該工業(yè)機(jī)械手的作業(yè)工序?yàn)椋何恢脵z測 ——抓取并夾持 ——搬運(yùn) (包括提升、翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)等動作)——放置——快速返程，其工作流程框圖如下圖2．4所示：圖 2． 4機(jī)械手工作流程圖Fig． 2． 4 Work flow chart of the manipulator2。 3機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手可以按照預(yù)先設(shè)定的程序去完成一定的作業(yè)，例如，搬運(yùn)物體、裝卸零件以及操持噴槍、焊把等工具，可在繁重、高溫和多粉塵等較差工作環(huán)境的作業(yè)中部分代替人工操作。工業(yè)機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即機(jī)械部分 )、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、和控制機(jī)構(gòu) (包括傳感檢測裝置 )三大部分組成 [15]。2．3．1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī) 械 手 的 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 可 以 分 為 手 部 、 腕 部 、 臂 部 、 腰 部 、 機(jī) 座 五 部 分 。 手 部 一 般 安 裝 在 機(jī) 械 手 末 端 模 仿 人 的 手 指 動 作 ； 腕 部 、 臂 部 、 腰 部 協(xié) 同 引 導(dǎo) 手 部 準(zhǔn) 確 抓 取 物 體 ， 共 同 將物體送到正確位置上；機(jī)座安裝手臂、動力源等，支撐整個機(jī)構(gòu)。通過對設(shè)計(jì)要求的分析，大體確定了機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，機(jī)械手的手爪部分，采用 的是回轉(zhuǎn)型夾鉗式，兩個配合夾爪上安裝觸滑覺傳感器和接近開關(guān)；手臂部分?jǐn)M采用三 自由度結(jié)構(gòu)形式，分別為兩個移動自由度和一個回轉(zhuǎn)自由度，以滿足搬運(yùn)作業(yè)的空間位 置要求；軀干部分采用腰部回轉(zhuǎn)方式；即四關(guān)節(jié)五自由度機(jī)械手，方案如圖2．5所示， 四個關(guān)節(jié)分別為腰關(guān)節(jié)、立臂關(guān)節(jié)、懸臂關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)，五個自由度分別為腰部回轉(zhuǎn)， 立臂豎直移動、懸臂水平移動、腕關(guān)節(jié)俯仰及手爪開合。圖 2． 5機(jī)械手臂構(gòu)型Fig． 2． 5 Arm configuration of the mechanical本課題根據(jù)抓取機(jī)械手工作任務(wù)特點(diǎn)和類型特征，為了使它具有一定的操作靈活性和 較 好 的 使 用 性 能 ， 同 時(shí) 考 慮 到 所 設(shè) 計(jì) 機(jī) 械 手 的 抓 取 精 度 不 高 ， 在 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 上 采 用 圓 柱 坐標(biāo)型的開鏈結(jié)構(gòu)即可滿足工作要求。五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)2． 3． 2驅(qū)動機(jī)構(gòu)機(jī) 械 手 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 往 往 要 受 到 作 業(yè) 環(huán) 境 條 件 的 限 制 ， 同 時(shí) 還 要 考 慮 價(jià) 格 因 素 的 影 響 以 及 所 能 達(dá) 到 的 技 術(shù) 水 平 。 機(jī) 器 人 常 用 的 方 式 主 要 有 ： 液 壓 驅(qū) 動 、 氣 壓 驅(qū) 動 和 電 氣 驅(qū)動三種基本類型[1 61。各種驅(qū)動的主要特點(diǎn)及應(yīng)用場合簡述如下：(1)液壓驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，剛度好，低速性能好，功率大，定位精度高；缺點(diǎn)：成本較高， 油 路 系 統(tǒng) 復(fù) 雜 ， 漏 油 和 油 性 變 化 影 響 系 統(tǒng) 特 性 。 常 用 于 驅(qū) 動 定 位 精 度 要 求 較 高 的 中 、 大 功率機(jī)器人。(2) 氣動驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu) 點(diǎn) ： 成 本 低 ， 控 制 簡 單 ， 可 靠 性 高 ； 缺 點(diǎn) ： 出 力 小 ， 噪 聲 大 。 由 于 空 氣 的 可 壓 縮 性，故不能在定位精度較高的場合中使用。(3)電氣驅(qū)動系統(tǒng)電氣驅(qū)動根據(jù)電動機(jī)的類型又分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、直流電機(jī)驅(qū)動、交流電機(jī)驅(qū)動三種方式。① 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動功率小，控制簡單，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)。但可能失步， 可以對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分控制，以提高定位精度。② 直流電機(jī)驅(qū)動功率較大，效率較高，調(diào)速性能好，但換向器的電刷易磨損， 限制了其應(yīng)用范圍。⑧ 交 流 電 機(jī) 驅(qū) 動 維 護(hù) 簡 單 ， 使 用 環(huán) 境 不 受 限 制 ， 但 交 流 電 機(jī) 都 采 用 閉 環(huán) 控 制 方 式，控制系統(tǒng)的復(fù)雜控制提高了成本。通常用于位置精度和速度要求高的機(jī)器人。綜合考慮控制的方便性、可靠性、各種驅(qū)動式的優(yōu)缺點(diǎn)以及系統(tǒng)整體上的經(jīng)濟(jì)性， 對機(jī)械手各關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式采用如圖2．6所示的步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的開環(huán)驅(qū)動控制方式。步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式，可以大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減輕計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，并且可以降低成本和提高可靠性。圖 2． 6機(jī)械手驅(qū)動方式Fig． 2． 6 Drive mode of the manipulator2。 3． 3控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是機(jī)械手的大腦，其結(jié)構(gòu)和功能的可靠劃分以及合理的設(shè)計(jì)在很大程度上 影 響 系 統(tǒng) 功 能 的 實(shí) 現(xiàn) 。 在 機(jī) 械 手 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 中 ， 應(yīng) 考 慮 系 統(tǒng) 可 靠 性 、 運(yùn) 行 速 度 和 性 價(jià)比?？刂葡到y(tǒng)是根據(jù)機(jī)器人發(fā)出的指令執(zhí)行相應(yīng)的動作，以及處理從傳感器收集來的 各個外部信息，經(jīng)過分析處理，支配執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動作和功能?？刂品绞街饕?分散式控制與集中式控制。根據(jù)機(jī)械手的抓取要求，采用 TMS320系列 DSP芯片控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)， 從而實(shí)現(xiàn)五自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。選用 SR8驅(qū)動器驅(qū)動兩相四線混合步進(jìn)電 機(jī) ， 選 用 接 近 覺 傳 感 器 和 觸 滑 覺 傳 感 器 作 為 反 饋 電 路 的 核 心 器 件 ， 接 近 覺 傳 感 器 用 于 檢 測前方是否有物體，從而反饋給核心控制器控制電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)直至接觸到物體，當(dāng)手 爪與物體接觸后，觸滑覺傳感器檢測到力的反饋，給 DSP芯片反饋一個信號， DSP芯 片分析這個信號后，發(fā)出控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動的信號，從而實(shí)現(xiàn)反饋控制。本章主要針對機(jī)械手抓取物體的性能要求和工作特點(diǎn)，對機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)、 驅(qū) 動 方 式 以 及 軟 硬 件 設(shè) 計(jì) 控 制 系 統(tǒng) 問 題 進(jìn) 行 了 整 體 分 析 介 紹 。 下 面 將 分 章 闡 述 機(jī) 械 手 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動學(xué)仿真分析、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)3機(jī)械部分設(shè)計(jì)機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 是 機(jī) 械 手 最 終 的 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) ， 是 機(jī) 械 手 賴 以 實(shí) 現(xiàn) 各 種 運(yùn) 動 的 實(shí) 體 。 機(jī) 械 產(chǎn) 品 的 可 靠 性 和 實(shí) 用 性 ， 在 很 大 程 度 上 取 決 于 機(jī) 械 部 分 的 運(yùn) 動 方 案 、 結(jié) 構(gòu) 、 傳 動 方 式 以 及 驅(qū) 動方式的設(shè)計(jì)。本 章 主 要 介 紹 機(jī) 械 手 的 運(yùn) 動 方 案 ， 各 部 分 的 結(jié) 構(gòu) 、 傳 動 及 驅(qū) 動 方 式 的 選 擇 ， 從 而 完 成機(jī)械手的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。3．1 運(yùn)動方案確定常 用 于 碼 垛 、 搬 運(yùn) 等 的 機(jī) 械 手 類 型 有 直 角 坐 標(biāo) 型 、 圓 柱 坐 標(biāo) 型 、 水 平 關(guān) 節(jié) 型 、 垂 直 關(guān)節(jié)型【5J。同一種運(yùn)動形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)，具體選用哪 種 形 式 ， 必 須 根 據(jù) 作 業(yè) 要 求 、 工 作 現(xiàn) 場 、 位 置 以 及 搬 運(yùn) 前 后 工 件 中 心 線 方 向 的 變 化 等 情況，分析比較并擇優(yōu)選取。直角坐標(biāo)型機(jī)械手的原理如圖 3． 1所示，它在 X、 Y、 Z軸上的運(yùn)動獨(dú)立，優(yōu)點(diǎn)是 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 直 觀 性 強(qiáng) ， 剛 度 高 ， 三 個 關(guān) 節(jié) 的 運(yùn) 動 相 互 獨(dú) 立 ， 運(yùn) 動 和 控 制 都 比 較 簡 單 ； 缺 點(diǎn)是占地面積大，動作范圍小，操作靈活性差。圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手的原理如圖 3． 1所示， R、 0、 Z為坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)，其中 R 是手臂的徑向長度， 0是手臂的角位置， Z是 垂 直 方 向 上 的 手 臂 位 置 。 圓 柱 坐 標(biāo) 型 機(jī) 械手結(jié)構(gòu)較簡單，直觀好，而且運(yùn)動控制計(jì)算量小，動作范圍大，編程簡單，運(yùn)行速度快， 定位精度比關(guān)節(jié)型機(jī)械手高，比直角坐標(biāo)型低，不過其移動關(guān)節(jié)不容易防護(hù)。Q Q直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型圖 3． 1用于搬運(yùn)的機(jī)械手類型 (a)Fig． 3． 1 Manipulator types for handling(a)水平關(guān)節(jié)型、垂直關(guān)節(jié)型機(jī)械手原理如圖3．2所示，它們均以各相鄰運(yùn)動部件之間 的相對角位移作為坐標(biāo)系的。這兩種機(jī)械手手臂可以達(dá)到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所 能達(dá)到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。關(guān)節(jié)型機(jī)械手占地面積小，動作范圍大， 空間速度快，但與直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手相比，其精度最低，控制計(jì)算量大， 安裝機(jī)械手時(shí)需要通過計(jì)算避免工作點(diǎn)在奇異點(diǎn)范圍內(nèi)。水平關(guān)節(jié)型 垂直關(guān)節(jié)型圖 3． 2用于搬運(yùn)的機(jī)械手類型 (b)Fig． 3． 2 Manipulator types for handling(b)本 課 題 根 據(jù) 抓 取 機(jī) 械 手 工 作 任 務(wù) 特 點(diǎn) 和 類 型 特 征 ， 為 了 使 它 具 有 一 定 的 操 作 靈 活 性 和 較 好 的 使 用 性 能 ， 在 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 上 采 用 圓 柱 坐 標(biāo) 型 即 可 滿 足 工 作 要 求 。 整 個 機(jī) 械 手 系 統(tǒng) 設(shè)計(jì)為四關(guān)節(jié)五個自由度，各部分的運(yùn)動方式及其尺寸如圖 3-3所示。弋 ／圖 3． 3機(jī)械手運(yùn)動方案Fig． 3． 3 Motion scheme of the manipulator五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)其中，連桿 b2用于確定機(jī)械手上下移動的最大距離；連桿 b3用 于 確 定 手 部 離 立 柱旋轉(zhuǎn)軸的距離的大?。贿B桿 a4表示夾持部分的偏置； L5用 于 抓 取 物 體 ， 尺 寸 取 決 于 物體的形狀大小。隨著 b2的升降、 b3的伸縮和 a1的 轉(zhuǎn) 動 實(shí) 現(xiàn) 物 體 位 置 的 變 換 。 據(jù) 上 述 分析，由末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的平面工作空間確定本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)立臂、懸臂和手腕的關(guān)節(jié)間距， 在滿足 “夠用原則 ”前提下，各結(jié)構(gòu)基本尺寸盡量取小值。3． 2傳動與驅(qū)動方式的分析選擇3． 2． 1 傳動方式的分析選擇傳 動 裝 置 的 作 用 主 要 是 將 驅(qū) 動 元 件 的 動 力 傳 遞 給 機(jī) 械 手 相 應(yīng) 的 執(zhí) 行 部 件 ， 以 實(shí) 現(xiàn) 各 種 預(yù) 定 的 運(yùn) 動 。 工 業(yè) 機(jī) 械 手 的 傳 動 系 統(tǒng) 要 求 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 、 質(zhì) 量 輕 、 轉(zhuǎn) 動 慣 量 和 體 積 小 ， 要 求消除傳動間隙，提高其運(yùn)動和位置精度。(1)傳動方式種類目 前 常 用 的 傳 送 動 力 方 式 有 ： 帶 傳 動 、 鏈 條 傳 動 、 齒 輪 傳 動 、 蝸 輪 蝸 桿 傳 動 、 諧 波 減速傳動及螺旋傳動等 【l 6|。① 皮帶傳動結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)無噪聲，可以實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，但不能保證準(zhǔn)確 的 傳 動 比 ， 傳 動 效 率 低 ， 外 形 尺 寸 大 ， 張 緊 力 大 ， 因 此 ， 常 用 于 傳 動 精 度 要 求 不 高 的 中 小功率傳動。② 鏈條傳動傳動比準(zhǔn)確，傳動效率高，傳遞功率較大，張緊力小，但鉸鏈磨損 后 ， 鏈 條 易 脫 落 ， 安 裝 和 維 護(hù) 要 求 較 高 。 適 合 遠(yuǎn) 距 離 傳 動 ， 能 在 低 速 重 載 和 高 溫 條 件 等 環(huán)境中工作。③ 齒輪傳動結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、效率高，壽命長， 但制造成本高，安裝要求高，噪音大，需要經(jīng)常潤滑。④ 蝸輪蝸桿傳動 結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比大，傳動平穩(wěn)、安全性能高，但制造成本較 高，傳動效率較低。常用于要求傳動比大且要求機(jī)構(gòu)自鎖的場合。⑤ 諧 波 減 速 傳 動 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 ， 傳 動 比 大 ， 承 載 能 力 高 ， 效 率 高 ， 傳 動 精 度 高 ， 但 制造復(fù)雜，成本較高，扭轉(zhuǎn)剛度較低，要求傳動比不能太小。⑥ 螺旋傳動傳動比大，傳動效率高，傳動平穩(wěn)，定位精度高，但摩擦損耗大， 制造成本較高。滾珠絲杠傳動廣泛應(yīng)用于要求較高的數(shù)控傳動系統(tǒng)中。(2) 腕部傳動方案方案 (a)，帶減速器的電機(jī)安裝在腕部，直接帶動腕部作俯仰運(yùn)動如圖 3． 4所示。懸臂腕部動機(jī)圖 3． 4腕部俯仰方案 (a)Fig． 3． 4 Pitch scheme of the wrist(a)方案 (b)，帶減速器的電機(jī)安裝在懸臂前端，電動機(jī)經(jīng)同步帶傳動后，把動力傳 遞到腕部，如圖 3． 5所示。同步帶 帶輪 懸臂電動機(jī) ＼腕部圖 3． 5腕部俯仰方案 (b)Fig． 3． 5 Pitch scheme of the wrist(b)方案 (c)，電機(jī)安裝在懸臂前端，經(jīng)過錐齒輪換向帶動腕部俯仰運(yùn)動，如圖 3． 6 所示。電動機(jī) 懸臂 錐齒輪組 腕部圖 3． 6腕部俯仰方案 (C)Fig． 3． 6 Pitch scheme of the wrist(C)五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)以上三種方案均可行，方案 (a)直 接 驅(qū) 動 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 易 于 控 制 ， 但 電 機(jī) 的 安 裝增大了腕部受力；方案 (b)結(jié) 構(gòu) 合 理 ， 但 同 步 帶 外 形 尺 寸 大 ， 制 造 、 安 裝 及 維 修 工 作比較麻煩；方案 (c)力經(jīng)傳動軸然后經(jīng)錐齒輪傳動換向后，帶動腕部俯仰，且電機(jī)安裝在懸臂最前端，減小了懸臂受力，所以選擇方案 (c)。(3)臂部傳動方案機(jī)械手的臂部傳動方案，包括立臂的豎直運(yùn)動和懸臂的水平運(yùn)動均采用如圖3．7所 示的傳動方案。直線型導(dǎo)軌滾珠絲杠臂部工作臺電動圖 3． 7臂部傳動方案圖Fig． 3． 7 Transmission scheme of the arm在傳動方案中，螺旋傳動形式主要有四種，(a)螺桿轉(zhuǎn)動并移動，螺母固定；(b)螺 桿轉(zhuǎn)動，螺母移動； (C)螺桿移動，螺母轉(zhuǎn)動； (d)螺桿固定，螺母轉(zhuǎn)動并移動。此 外 ， 還 有 差 動 傳 動 方 式 ， 絲 杠 上 有 螺 距 不 同 、 旋 向 相 同 的 兩 段 螺 紋 ， 如 果 兩 段 螺 紋的 基 本 導(dǎo) 程 大 小 相 差 較 少 ， 則 可 獲 得 較 小 的 位 移 ， 因 此 ， 這 種 傳 動 方 式 多 用 于 各 種 微 動機(jī)構(gòu)中。臂部傳動方案通過電動機(jī)直接驅(qū)動，采用(b)絲 杠 轉(zhuǎn) 動 、 螺 母 移 動 的 方 式 ， 其 結(jié) 構(gòu) 緊湊、絲杠剛性較好，工作行程大，需要采用直線型導(dǎo)軌作為導(dǎo)向裝置限制螺母的轉(zhuǎn)動， 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛。(4) 腰部傳動方案方案 (a)，電機(jī)直接連接腰部回轉(zhuǎn)軸，從而帶動整個腰部在基座上旋轉(zhuǎn)，這種傳 動方式結(jié)構(gòu)簡單，縮短了力的傳遞路線，腰部電機(jī)放置在腰部回轉(zhuǎn)基座的下方，如圖3 ． 8 所示。機(jī)座電動機(jī)圖 3． 8腰部回轉(zhuǎn)方案 (a)Fig． 3． 8 Waist turning scheme(a)方案 (b)，電機(jī)通過一對圓柱齒輪組減速后連接與從動齒輪同軸的腰部回轉(zhuǎn)軸， 從而帶動腰部回轉(zhuǎn)，這種傳動方式結(jié)構(gòu)比較簡單，腰部電機(jī)放置在基座下方，如圖3 ． 9 所示。_ j／ 輪組＼＼圖 3． 9腰部回轉(zhuǎn)方案 (b)Fig． 3． 9 Waist tuming scheme(b)這兩種方案都是可行的，方案 (a)方案結(jié)構(gòu)簡單，電機(jī)和旋轉(zhuǎn)軸直接相連，更方 便安裝，維修，還可以提高機(jī)械手的控制精度，定位更加準(zhǔn)確，但傳動比小。方案 (b) 經(jīng) 過 齒 輪 嚙 合 間 接 傳 遞 ， 齒 輪 嚙 合 的 誤 差 會 累 加 到 腰 部 回 轉(zhuǎn) 軸 上 ， 但 對 于 精 度 要 求 不 是 很高的搬運(yùn)機(jī)械手來說，能夠滿足精度要求，因此采用方案 (b)。綜上所述，本機(jī)械手各關(guān)節(jié)所采用的傳動方式分別為：①腰部回轉(zhuǎn)：步進(jìn)電機(jī)l——圓柱齒輪組——腰部；② 立臂豎直移動：步進(jìn)電機(jī) 2——絲杠螺母 ——立臂；③ 懸臂水平伸縮：步進(jìn)電機(jī) 3——絲杠螺母 ——懸臂；④ 腕部擺動：步進(jìn)電機(jī) 4——錐齒輪組 ——腕部；⑤ 手爪開合：步進(jìn)電機(jī) 5——絲杠螺母 ——手爪。五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)機(jī)械手傳動原理如圖3．10所示。65)4)l D3) 1 D1 ∞2)1 勛1)基座 2)從動圓柱齒輪 3)立臂 4)懸臂電機(jī) 5)腕部電機(jī) 6)立臂電機(jī) 7)立臂絲杠 8) 懸臂絲杠 9)主動錐齒輪 10) 從動錐齒輪 11) 懸臂 12) 腕部 13) 手爪電機(jī) 14) 手爪絲杠 15) 手爪 16) 主動圓柱齒輪 17) 腰部電機(jī)圖 3． 10機(jī)械手傳動原理圖Fig． 3． 1 0 Drive principle diagram of the manipulator3． 2． 2步進(jìn)電機(jī)選型根據(jù)電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)要求，以手部夾持電機(jī)為例，介紹步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選取。① 手爪步進(jìn)電機(jī)選型機(jī)械手手爪工作時(shí)速度較慢，電機(jī)主要克服搬運(yùn)時(shí)的米袋重力力矩，容許抓取質(zhì)量為 5kg、外形尺寸為 400mm X 260mm X 60mm 的 米 袋 。 機(jī) 械 手 穩(wěn) 定 抓 取 米 袋 是 依 靠 手指與米袋接觸部位的摩擦力與米袋重力相平衡來實(shí)現(xiàn)的。米袋受力的平衡條件是：yF=0 ，即 2F—G=0( 米袋與手指有 2處接觸 ) (3． 1)由于：F： Ⅳ ．廠， Ⅳ ： —坐 L (3． 2)2sina可得： Ⅳ1 ： 』(3． 3)1’sin Q式中， G=5 X 10N=50N 為米袋的重力； F為物體與手指接觸處的摩擦力； N為物件與手指接觸處的正壓力；f為米袋與手指接觸處的摩擦系數(shù)，廠取O．25；Ⅳl為單個手指應(yīng)具有的計(jì)算握力； a為手指的抓取半角， a取 30度。實(shí)際應(yīng)用中，為了安全起見，需要的握力為：Ⅳ^ ：叢 (3． 4)‘叩將式3．3代入，可得：Ⅳ^ ：坐 s1·n口 (3． 5)一 ／ ‘叩式中叩為手部機(jī)械效率，取0．85：K=K1·K：，K。為安全系數(shù)，取1．2；K：為 工 作情況系數(shù)，主要考慮慣性力等的影響，取2．3。由式 3． 4可得：M： !Q蘭 !： !Ⅳ ． =—— 30—411sin30 ”= 411． 8 N‘0． 25X0 ． 85根據(jù)手部實(shí)際需要的握力 M的大小，由手指的靜力矩平衡條件求出所需的傳動力量。假定傳動力只分別作用在兩個手指上，每個手指上所得到的傳動力為晏，由力矩平衡條件 ∑M ： 0(即冬．，一 Ⅳ2 ． L： o)，可得：#： 2__生 L． N2 (3． 6)由式3．5和3．6可得：P：蘭墨：莖：堡 sin口 (3． 7)。l’1‘77式 3． 7中， L為米袋中心到手指回轉(zhuǎn)中心的距離，取 L=400ram ；，為米袋中心到手指間的距離，即米袋的寬度的委，，： 130mm。五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)一經(jīng)計(jì)算得，只 =筆景糕 sin30。 Ⅳ=2534Ⅳ。下面根據(jù)傳動力只來計(jì)算所需要的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 M。 =M¨+Mf2 ，螺紋摩擦力矩為Mfl=，、 1_d2． F·tan(2+p) (3·8)式 3． 8中 F為螺旋傳動軸向載荷 (螺桿受的力 )，即傳動力墨； A為 螺 旋 線 升 角 ， P 為當(dāng)量摩擦角。根據(jù)選用的絲杠導(dǎo)程 s=3ram，螺紋中徑 d： =8． 5mm，由公式：A： arctan』÷ (3． 9)萬’d2計(jì)算可得：允=6．41。。根據(jù)手冊選取鋼和鋼的摩擦因素 f=o． 17， a取 30度，由公式：p=arctan去 (3·10)cosi2計(jì)算可得： P 9． 98。。經(jīng)計(jì)算可得： Mn=去 ×8． 5×2534×tan(6． 41。 +9． 98。 )Ⅳ 。 mm=3167． 6N‘mm。螺 桿 的 徑 向 支 撐 和 軸 向 支 撐 使 用 同 一 深 溝 球 軸 承 ， 而 螺 旋 傳 動 軸 向 支 撐 面 摩 擦 力 矩 公式為：M一生型 (3．1 1)式中，∥為深溝球軸承摩擦系數(shù)，取0．0022：F為 軸 承 載 荷 ， 由 于 徑 向 載 荷 比 較 小 可以忽略，則 F=只； d為軸承內(nèi)徑， d=lOmm。經(jīng)計(jì)算可得， M，： = Q：旦 Q三三蘭圣 !i蘭蘭 !Q N． m聊： 27． 9N． m聊 ， 故2Mg=3195． 5N‘mm≈3 ． 2N‘聊。設(shè)滾珠絲杠的傳遞效率 77=。． 92，則 M刪 =詈箋 =瓦 3．五 2Ⅳ·m=3． 48Ⅳ·m，同時(shí)，為了使機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中由更好的適用性，可將估算的轉(zhuǎn)動乘以一個系數(shù)旯=1．2，則 機(jī) 構(gòu) 的實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M=旯 ·M螄 =1． 2x 3． 48N‘m=4． 17N‘m綜合上述計(jì)算，我們選用兩相混合式 86BYG250BN 一 0401步進(jìn)電機(jī)。② 腕部步進(jìn)電機(jī)選型腕 部 電 機(jī) 主 要 克 服 手 爪 和 米 袋 俯 仰 時(shí) 的 摩 擦 力 矩 ， 根 據(jù) 腕 部 的 結(jié) 構(gòu) 可 知 ， 摩 擦 力 矩 由軸承的滾動摩擦產(chǎn)生。經(jīng)計(jì)算，選用兩相混合式 56 BYG250B一 0241步進(jìn)電機(jī)。③ 水平臂部步進(jìn)電機(jī)選型水平臂部選用有效直徑 d=33mm、導(dǎo)程 10ram的 絲 杠 ， 電 機(jī) 主 要 克 服 工 作 臺 運(yùn) 動 時(shí) 導(dǎo)軌和絲杠的摩擦力矩，經(jīng)計(jì)算，選用兩相混合式 56 BYG250B一 0241步進(jìn)電機(jī)。④ 垂直臂部步進(jìn)電機(jī)選型垂直臂部電機(jī)主要克服由工作臺重力產(chǎn)生的力矩、絲杠摩擦力矩，經(jīng)計(jì)算，選用兩相混合式 86BYG250BN ． 040 1步進(jìn)電機(jī)。⑤ 腰部步進(jìn)電機(jī)選型腰 部 電 機(jī) 主 要 克 服 機(jī) 器 人 臂 部 、 腕 部 和 手 部 及 其 持 重 旋 轉(zhuǎn) 時(shí) 的 滾 動 摩 擦 力 矩 和 齒 輪 摩擦力矩，經(jīng)計(jì)算，選用兩相混合式 86BYG250BN ． 0401步進(jìn)電機(jī)。選擇的步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表3．1所示。表 3． 1兩相混合式步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab． 3．1 Main technical parameters of the two phase hybrid stepping motor型號 步距角 相電流 保持轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動慣量 重量(。 ) (A) (N·m) (g·cm2) (Xg)56 BYG250B ． 0241 0． 9／ 1． 8 2．4 0．65 180 0．4886BYG250BN ． 040 l 0． 9／ 1． 8 4．0 5 1200 2．63． 3主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械手由機(jī)座、腰部、立臂、懸臂、手腕、末端執(zhí)行器、驅(qū)動裝置、傳動裝置組成， 共有五個自由度，依次為腰部回轉(zhuǎn)、立臂豎直方向移動、懸臂水平方向移動、手腕俯仰、手爪張合，能夠根據(jù)接收的指令，按要求進(jìn)行目標(biāo)物體的的抓取及搬運(yùn)工作。3．3．1 手 部 (1)手爪分類末 端 執(zhí) 行 器 俗 稱 手 爪 ， 由 手 指 、 傳 力 機(jī) 構(gòu) 、 驅(qū) 動 裝 置 等 組 成 ， 是 機(jī) 械 手 直 接 用 于 抓取 和 握 緊 工 件 或 夾 持 專 用 工 具 (如 噴 槍 、 扳 手 、 焊 接 工 具 )進(jìn) 行 操 作 的 部 件 ， 它 具 有 模五自由度機(jī)械手的抓取設(shè)計(jì)仿人手動作的功厶匕 12,【1 31。其結(jié)構(gòu)和尺寸根據(jù)不同作業(yè)任務(wù)要求來設(shè)計(jì)的，從而形成了多種多樣的結(jié)構(gòu)型式，一般可分為機(jī)械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具三類。① 機(jī)械式夾持器機(jī) 械 式 夾 持 器 是 工 業(yè) 機(jī) 器 人 最 常 用 的 一 種 末 端 執(zhí) 行 器 ， 在 裝 配 生 產(chǎn) 線 上 應(yīng) 用 的 最 多，一般由手指、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)