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三自由度机械手 目
录 第一章
绪
论 论 ………………………………………………………………………… 1
1.1
前言………………………………………………………………………………1 1.2
工业机械手的简史………………………………………………………………2 1.3
机械手在工业生产中的应用……………………………………………………3 1.4
机械手的组成……………………………………………………………………4 1.4.1 执行机构……………………………………………………………………4 1.4.2 驱动系统……………………………………………………………………6 1.4.3 控制系统……………………………………………………………………6 1.4.4 位置检测装置………………………………………………………………6 1.5
工业机械手的分类………………………………………………………………7 1.5.1 按用途分……………………………………………………………………7 1.5.2 按驱动方式分………………………………………………………………7 1.5.3 按控制方式分………………………………………………………………8 1.6
工业机械手的发展趋势…………………………………………………………9 1.7
工业机械手的自由度和座标型式………………………………………………10 1.8
本文主要研究内容………………………………………………………………12 第二章
方案的确定与比较分析 ……………………………………………………12 2.1
机械手机械系统的比较与选择…………………………………………………12 2.2
机械手驱动系统的比较与选择…………………………………………………15 第三章
驱动源的选择与设计计算 …………………………………………………17 3.1
主要技术参数的确定……………………………………………………………17 3.2
各关节电机的选择计算…………………………………………………………18 3.2.1
大臂旋转电机的选择……………………………………………………19 3.2.2
小臂旋转电机的选择……………………………………………………20 第四章
机械手的基本设计方案 ……………………………………………………21 4.1
机械手基本形式的选择…………………………………………………………21 4.2
设计时考虑的几个问题…………………………………………………………21 4.3
机械手的主要部件和运动………………………………………………………22
-iv- 4.4
驱动机构的选择…………………………………………………………………22 4.5
机械手手爪的设计………………………………………………………………23 4.6
机械手手爪夹持精度的分析……………………………………………………23 第五章
臂部的设计及有关计算 ……………………………………………………24
5.1
臂部设计的基本要求……………………………………………………………24 5.2
手臂的典型机构以及结构的选择………………………………………………25 5.2.1 手臂的典型运动机构………………………………………………………25 5.2.2 手臂运动机构的选择………………………………………………………25 5.3
手臂直线运动的驱动力计算……………………………………………………25 5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算…………………………………………………26 5.3.2 手臂惯性力的计算…………………………………………………………27 5.3.3 连接部分的摩擦阻力………………………………………………………27 第六章
底座的设计计算 ……………………………………………………………27 6.1
底座的整体设计…………………………………………………………………28 6.2
机身回转机构的工作原理………………………………………………………28 第七章
各机械部件的设计选择与校核 …………………………………………29 7.1
轴的设计与校核…………………………………………………………………29 7.1.1
大臂旋转轴的设计………………………………………………………29 7.1.2
大臂轴的强度校核………………………………………………………29 7.2
键的选择与强度的校核…………………………………………………………33 7.2.1 大臂旋转轴键联接处键的强度校核………………………………………33 7.2.2 小臂旋转轴键联接处键的强度校核………………………………………34 7.3
轴承寿命的校核…………………………………………………………………35 第八章
结论 ……………………………………………………………………………37 参考文献 ……………………………………………………………………………………38 致 致
谢 谢 ………………………………………………………………………………………39
- 1 - 第一章
绪
论 1.1 前言 能够完整模拟人类手部动作的设备就是机器人。机器人是一种完全自动化的机器设备，能够模仿人类的运动模式进行跟踪从而达到让使用人满意的效果，处理或操作。给定程序..它广泛用于工业生产。机械手也就是全工业化的人手仿真模拟设备。
现代化的机械手设备在自动化领域是一项全新的创新科技。已经能够成为现如今生产环节中重要的组成部分，也是新兴科技快速发展的重要组成部分之一，能够作为全自动化机械设备中的最重要组成部分。机械手涵盖了包括力学以及自动控制技术在内的多项技术体系，还横跨了科学领域，因此这项设备也是一种跨学科综合科技体系。
工业机械手是我国最近几十年来创造出了的最先进技术产品。工业机械手是工业机器人中最重要的一个环节。它的特征是能够按照编程完成各种预期之内的工作，并且能够将机器人和机器之间的特质以及功能进行完善融合，特别是在人工智能的适应性标准上。机械手的操作便捷性以及工作稳定性均能够得到环境内的一致好评，也能够为我国的经济发展带来了无尽的发展空间。
机械手的快速发展是因为其良好的工作特质越来越受到人们的认可：首先，它可以部分替代手动操作；其次，它可以遵循生产过程中的某些要求，遵循一定的程序，时间和位置来完成转移和装卸；最后，它能够熟练的操作焊接工作以及组装操作，进而在一定程度帮助工人缓解了工作压力，大大加强了生产力，并且推进了我国工业生产以及自动化生产的脚步。所以，这项科技模式越来越能够得到众多国家的重视，并且对其投入了大量人力以及物力的支持。尤其是在温度高，压力高，粉尘多，噪音大以及放射性强的场所，它得到了更广泛的应用。近年来，中国也发展迅速，取得了一定成绩，受到了机械工业的高度评价。
该机械手是多功能机器，可以自动控制和重新编程以进行更改。它具有多个自由度，能够运作组件保障其在不同环境下都能够很好地完成工作。
机械手的组建原理变得相对容易，因为其特质极其明显。随着现阶段我国的工业发展逐渐完善，制造了具有范围广泛的应用的“程序控制的通用机械手”（称为通用机械手），其可以由程序独立地控制以实现重复操作。由于通用机械手能够快速完成工作进程并且有着较强的适应能力，因此在不断产生变化的生产体系中得到了完善的使用。
- 2 - 1.2 工业机械手的历史 现代工业机械手起源于1950年代初期，以教学复制和主从控制方法为基础，可适应产品类型的变化并具有具有多个自由度的灵活运动产品。
该操纵器最初是从美国开发的。
1958年，联合机器人公司开发了第一台操纵器。其结构构造为：在机体上面装又带有旋转功能的长手臂，并在末节安装了有着电磁体功能的设备以及放置装置。控制系统是教学型。
1962年，在如上机制的标准之下，美国机械铸造公司曾经尝试制作了机械手。商标名称是Unimate（即通用自动）。其运作原理的模仿坦克和炮台，手臂旋转，俯仰，使用的驱动形式是液压驱动；控制系统中使用磁鼓当做储存设备。并且在其概念标准上还发明出了多项机械手设备。还是这一年，该公司与Prumman合并，成立了Unimaton，是一家只生产机器人的公司。
1962年，美国机械铸造公司还对一款名为Versatran的机械手进行实验测试，这款机械手的特点为灵动性。机械手的桩柱能够进行自由旋转，手臂也能够旋转，进行升降，进行回缩以及液压化的驱动运作。控制系统也是教学再现类型。就算这两项机械手设备生产于1960年代初，但这两项设备在当时为工程建筑提升了不少效率。
1978年，美国Unimate公司，斯坦福大学和麻省理工学院联合开发了Unimate-Vic臂工业机械手，这款机械手内部配有小型的电脑处理器，并且十分方便于组装，在工作中产生的误差基本低于±1 mm 。
美国还特别关注机械手的稳定性提升，不断将其结构进行更改以实现缩减成本的预期。比如，Unimate建设出了一个历时八年的机械测试设备，能够用来进行各种机器的功能性测验。想要加强机器在产生故障前的使用时长（注：故障前的平均时长是测量设备稳定性的一种标准。它能够在第一次就计算出故障前的使用时长）从400小时增加到1500小时，其准确性的提升也达到了±0.1毫米以上。
德国机械制造业在1970年就开始全面使用机械手设备，主要使用机械手进行运输工作，进行焊接以及装备的卸载工作。德国KnKa公司还制作并且生产出了铰接式结构的机械手设备。瑞士RETAB公司制作了一种绘画机械手，对使用方式进行编程即可进行工作。瑞典Ansa公司使用机器人清洁铸铝齿轮箱的毛刺等。
日本是现阶段世界范围内最专注于提升工业生产质量并且能够加以最完善应用的国家。自1969年从美国最先引入两款经典机械手至今，对机械手的深入挖掘已经得到了越来越多的专家重视。按照相应统计能够知晓，1979年，有50多所学院以及机构均对机械手的研究投入了大量的精力。
1976年，各学院以及国家研究体系对此项技术的成本投入比达到了全国工业经济总值的42％。
1979年，日本机械手的产值达到443亿日元，产量为14,535台。当中，用以加强程序的使用宽广性的经济占比达到半数，已经提升至222亿日元，是1978年的两倍。有着记忆功能的机械手设备年产值基本能够达到67亿日元，比1978年平均加强了50％。机械手约为17亿日元，是1978年的6倍。截至1979年，
- 3 - 机械手的总生产数值已经达到了56,900台。现阶段位列世界第一，约占70％，并且在每年以50％至60％的速率不断攀升。当中最常见的机械手设备运用于汽车生产业，然后是电动设备以及家用电器行业。预计到1990年将有55万个机器人工作。
第二代机械手正在完善的投入建设。它装有为电子计算机的控制模式，具备基本的视觉以及触觉功能，甚至还能够做到简单的聆听功能与思考功能。研究并安装各种传感器一边与完美的接收到信息信号，更加方便与机械手建设感官系统。触觉和视觉的操作设备已经能够广泛的应用与国外众多发达国家。
第三代机械手（机器人）能够进行独立任务的完成。它与电子计算机和电视设备始终能够建立起完善的连接。并且慢慢的能够发展为柔性的FMS（Flexible Manufacturing system）和柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell）的重要组成部分。
随着工业机器人（robot）的实践工作不断加深，实际应用范围不断广阔，国际学术的交流以及发展十分完善，并且在众多发达国家已经展开了多次学术界的沟通。
1.3 工业机械手的应用在生产方面
机械手是工业自动生产范围中经常出现的设备。机械手能够独立完成多种任务类型，例如移动物体，组装，切割，喷涂和染色等，并且能够广泛的运用于工业生产中。
在现今工业体系之内，将自动化加入生产对于生产效率能够得到质的提升。并且每个行业的自动化水准都均有加强。现代加工车间基本上都配有机械手，目的为提升工人的工作效率以及将工人在工作中所受到的风险控制在最小。但是在机械生产业中，加工，组装和众多生产模式有着一定程度上的不连续性。根据相关资料，美国生产的所有工业零件中有 75％是进行小规模生产的；四分之三的金属加工生产批次少于 50 个零件，而机床上零件的真实加工市场仅占 5％。由此可见，装卸，运输及其他过程机械化的紧迫性，因此使用机械手能够加快完成这个过程自动化的进度。现阶段，我国机械手的基本任务为：能够迅速的在模具中进行商品提取，并且自动将商品记录并且完善的运转到下一个环节中；机械手再加工过程中所能够使用的一切原料；以及在铸造行业中提取高温熔融液等。此文章能够基本完善此类工作，并且将运输机械手为研究对象。
1.4 机械手的组成 机械手的主要组成部分为致动器，驱动系统，控制系统以及和位置检测装置。各系统之间的关系如下图所示。
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图 1.1 机械手的组成方框图
1.4.1 执行机构 其中涵盖手，手腕，手臂和直立部位，还添加了一项行走功能。
1、手部 因为手是和物体进行接触的不为。因为物体接触的方式不尽相同，它可以分为夹紧和吸手两种。
抓手由手指（或爪）以及力传导的模式进行组建。手指是与物体进行直接接触的部位，而且最为常见的手指一动模式为旋转以及横移。手指的设计既简单又高效，所以能够被广泛的加以使用。单中较少的翻译类型能够让其结构变得比较复杂。因此，当圆形手指握住圆形部分时，工件的直径不会随着其轴体进行转化，因此较为适合进行较大直径范围内的物体抓取。
手指的结构...