螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含7張CAD圖

螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含7張CAD圖,螺栓,裝配,機(jī)械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),cad 附錄1：外文翻譯機(jī)械手的機(jī)械和控制系統(tǒng)摘要: 最近，全球內(nèi)帶有多指夾子或手的機(jī)械人系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來了，多種方法應(yīng)用其上，有擬人化的和非擬人化的。不僅調(diào)查了這些系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu),而且還包括其必要的控制系統(tǒng)。如同人手一樣，這些機(jī)械人系統(tǒng)可以用它們的手去抓不同的物體，而不用改換夾子。這些機(jī)械手具備特殊的運(yùn)動能力（比如小質(zhì)量和小慣性），這使被抓物體在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)做更復(fù)雜、更精確的操作變得可能。這些復(fù)雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉(zhuǎn)。本文概述了這種機(jī)械手的一般設(shè)計(jì)方法，同時(shí)給出了此類機(jī)械手的一個(gè)示例，如卡爾斯魯厄靈巧手。本文末介紹了一些新的構(gòu)想，如利用液體驅(qū)動器為類人型機(jī)器人設(shè)計(jì)一個(gè)全新的機(jī)械手。關(guān)鍵詞：多指機(jī)械手；機(jī)器人手；精操作；機(jī)械系統(tǒng)；控制系統(tǒng)1. 引言 2001年6月在德國卡爾斯魯厄開展的“人形機(jī)器人”特別研究，是為了開發(fā)在正常環(huán)境（如廚房或客廳）下能夠和人類合作和互動的機(jī)器人系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這些機(jī)器人系統(tǒng)是為了能夠在非專業(yè)、非工業(yè)的條件下（如身處多物之中），幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時(shí)，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強(qiáng)的靈活性只能通過一個(gè)適應(yīng)性極強(qiáng)的機(jī)械人手抓系統(tǒng)來獲得，即所謂的多指機(jī)械手或機(jī)器人手。上文提到的研究項(xiàng)目，就是要制造一個(gè)人形機(jī)器人，此機(jī)器人將裝備這種機(jī)器人手系統(tǒng)。這個(gè)新手將由兩個(gè)機(jī)構(gòu)合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學(xué)的IPR（過程控制和機(jī)器人技術(shù)研究院）和c（計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)研究院）。這兩個(gè)組織都有制造此種系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但是稍有不同的觀點(diǎn)。IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手（如圖1所示），是一個(gè)四指相互獨(dú)立的手爪，我們將在此文中詳細(xì)介紹。IAI制造的手（如圖17所示）是作為殘疾人的2.機(jī)器人手的一般結(jié)構(gòu)一個(gè)機(jī)器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)又可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進(jìn)一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。我們將對這兩大子系統(tǒng)的問題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手演示一下。3.機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)將描述這個(gè)手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動器（如電動機(jī)）、傳感器（如位置編碼器）的位置。3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將對機(jī)械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類型的物體以及能對被抓物體進(jìn)行何種操作。設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人手的時(shí)候，必須確定三個(gè)基本要素：手指的數(shù)量、手指的關(guān)節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。 為了能夠在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠?qū)Ρ蛔ノ矬w的操作獲得6個(gè)自由度（3個(gè)平移和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度），每個(gè)手指必須具備3個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是，為了能夠重抓一個(gè)物件而無需將它先釋放再拾取的話，至少需要4根手指。 要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機(jī)器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個(gè)手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費(fèi)用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，因?yàn)槊總€(gè)手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置，常采用非擬人化方法。因?yàn)橹恍杓庸ず蜆?gòu)建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費(fèi)用，同時(shí)也可是控制系統(tǒng)簡化。3.2 驅(qū)動系統(tǒng) 指關(guān)節(jié)的驅(qū)動器對手的靈活度也有很大的影響，因?yàn)樗鼪Q定潛在的力量、精度及關(guān)節(jié)運(yùn)動的速度。機(jī)械運(yùn)動的兩個(gè)方面需加以考慮：運(yùn)動來源和運(yùn)動方向。在這方面，文獻(xiàn)里描述了有幾種不同的方法，如文獻(xiàn)3中說可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運(yùn)動，或者，正如大部分情況一樣使用電動機(jī)。在多數(shù)情況下，運(yùn)動驅(qū)動器（如電機(jī)）太大而不能直接與相應(yīng)的指關(guān)節(jié)結(jié)合在一起，因此，這個(gè)運(yùn)動必須由驅(qū)動器（一般位于機(jī)器臂最后的連接點(diǎn)處）轉(zhuǎn)移過來。有幾種不同的方法可實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動方式，如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅(qū)動指關(guān)節(jié)的方法，或多或少地降低了整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度和精度，同時(shí)也使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，因?yàn)槊扛种傅牟煌P(guān)節(jié)常常是機(jī)械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨(dú)立控制。由于具有這些缺點(diǎn)，因此小型化的運(yùn)動驅(qū)動器與指關(guān)節(jié)的直接融合就顯得相當(dāng)必要。3.3 傳感系統(tǒng)機(jī)器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個(gè)閉環(huán)控制是很必要的。在機(jī)器手中使用了3種類型的傳感器： 1）手爪狀態(tài)傳感器確定指關(guān)節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會打破它。 2）抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺信息可在抓取過程中及時(shí)確定與物體第一次接觸的位置點(diǎn)，同時(shí)也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。3）物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測是否滑落。根據(jù)不同的驅(qū)動系統(tǒng)，有關(guān)指關(guān)節(jié)位置的幾何信息可以在運(yùn)動驅(qū)動器或直接在關(guān)節(jié)處出測量。例如，如在電動機(jī)和指關(guān)節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機(jī)軸上的一個(gè)角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測量關(guān)節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或者要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。3.4卡爾斯魯厄靈巧手的機(jī)械系統(tǒng)為了能夠獲得如重抓等更加復(fù)雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手（KDH）由4根手指組成，且每根手指由3個(gè)相互獨(dú)立的關(guān)節(jié)組成。設(shè)計(jì)該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個(gè)相同手指，將它們作對稱、非擬人化配置，且每個(gè)手指都能旋轉(zhuǎn)90（圖4所示）。鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設(shè)計(jì)中得到的經(jīng)驗(yàn)，比如因傳動帶而導(dǎo)致的機(jī)械問題以及較大摩擦因數(shù)導(dǎo)致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手采用了一些不同的設(shè)計(jì)決策。每根手指的關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3之間的直流電機(jī)被整合到手指前部肢體中（圖5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運(yùn)動傳遞到手指的關(guān)節(jié)處。處在電機(jī)軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時(shí)可作為一個(gè)精度很高的位置狀態(tài)傳感器。 為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個(gè)六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個(gè)傳感器可當(dāng)作手指末端肢體使用，且配有一個(gè)球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時(shí)也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測量X、Y和Z方向的力及繞相關(guān)軸的力矩。另外，3個(gè)共線的激光三角測量傳感器被安置在KDH的手掌上（圖5所示）。因?yàn)橛?個(gè)這樣的傳感器，因此不僅可以測量3單點(diǎn)之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率為1kHz，它能檢測和避免物體的滑落。4. 控制系統(tǒng)機(jī)器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實(shí)際利用，這些技能都是由機(jī)械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計(jì)算機(jī)即硬件和控制算法即軟件?？刂葡到y(tǒng)必須滿足以下幾個(gè)的條件：1) 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，具有9個(gè)自由度的低級手，其驅(qū)動器至少需要9路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個(gè)手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號好倍。2) 需具備對外部事件快速實(shí)時(shí)反應(yīng)的能力。例如，當(dāng)檢測到物體滑落時(shí)，能立即采取相應(yīng)的措施。3) 需具備較高的計(jì)算能力以應(yīng)對一些不同的任務(wù)。如可以對多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及閉環(huán)控制等任務(wù)。4) 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠?qū)⑵渲苯蛹傻讲僮飨到y(tǒng)當(dāng)中。5) 在控制系統(tǒng)與驅(qū)動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。4.1 控制硬件為了應(yīng)對系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個(gè)專門的處理器中。如可通過一個(gè)簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達(dá)和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計(jì)算能力，且需要一個(gè)靈活實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC機(jī)輕易地解決。因此，控制硬件常由一個(gè)非均勻的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個(gè)功能強(qiáng)大的處理器。不同的計(jì)算單元?jiǎng)t通過一個(gè)通信系統(tǒng)連接起來，比如總線系統(tǒng)。4.2 控制軟件機(jī)器人手的控制軟件是相當(dāng)復(fù)雜的。必須對要對手指進(jìn)行實(shí)時(shí)及平行控制，同時(shí)還要計(jì)劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復(fù)雜性，就有必要將此問題分成幾個(gè)子問題來處理。另一方面涉及軟件的開發(fā)。機(jī)器人手其實(shí)是一個(gè)研究項(xiàng)目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設(shè)施都必須十分強(qiáng)大和靈活。這些只能使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機(jī)械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過了修剪，以滿足機(jī)械手的特殊控制要求。4.3卡爾斯魯厄靈巧手的控制系統(tǒng)如在4.1節(jié)中所說，對于卡爾斯魯厄靈巧手的控制硬件，采用了一種分布式方法（圖7所示）。一個(gè)微控制器分別控制一個(gè)手指的驅(qū)動器和傳感器，另外一個(gè)微控制器用于控制物體狀態(tài)傳感器（激光三角傳感器）。這些微控制器（圖7左側(cè)和右側(cè)的外箱）直接安裝在手上，所以可以保證和驅(qū)動器及傳感器之間較短的電氣連接。這些微控制器都是使用串行總線系統(tǒng)和主控計(jì)算機(jī)連在一起的。這個(gè)主控計(jì)算機(jī)（圖7、圖8中的灰色方塊）是由六臺工業(yè)計(jì)算機(jī)組成的一個(gè)并行計(jì)算機(jī)。這些電腦都被排列在一個(gè)二維平面。相鄰電腦模塊（一臺電腦最多有8個(gè)相鄰模塊）使用雙端口RAM進(jìn)行快速通信（圖7中暗灰色方塊所示）。一臺電腦用于控制一個(gè)手指。另一臺用于控制物體狀態(tài)傳感器及計(jì)算物體之間的位置。其余的電腦被安在前面提到的電腦的周圍。這些電腦用于協(xié)調(diào)整個(gè)控制系統(tǒng)?？刂栖浖慕Y(jié)構(gòu)反映了控制硬件的架構(gòu)。如圖9所示。一個(gè)關(guān)于此手控制系統(tǒng)的三個(gè)最高層次的網(wǎng)上計(jì)劃正在規(guī)劃。理想的物體位移命令可由優(yōu)越的機(jī)器人控制系統(tǒng)得到，并可用作物體路徑的精確規(guī)劃。根據(jù)已產(chǎn)生的目標(biāo)路徑就可規(guī)劃可行的抓取行為（手指作用在物體上的可行抓取位置點(diǎn)）?，F(xiàn)在知道了物體的運(yùn)動計(jì)劃，就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個(gè)手指的運(yùn)動軌跡，并傳遞給系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力部分。如果一個(gè)物體被抓取了，那么其手指的運(yùn)動路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個(gè)控制器控制物體的姿態(tài)，它由手指和物體狀態(tài)傳感器所決定，用以獲得所需的物體姿態(tài)。如果一個(gè)手指沒有跟物體接觸，那么它的移動路徑將會直接傳遞給手控制器。這個(gè)手控制器將相關(guān)的預(yù)期手指位置傳遞給所有的手指控制器，以協(xié)調(diào)所有手指的運(yùn)動。這些在手指傳感器的幫助下又反過來驅(qū)動手指驅(qū)動器。5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證卡爾斯魯厄靈巧手的能力，我們選擇了兩個(gè)要求操作問題。一個(gè)問題是在網(wǎng)上對處于外部影響下的被抓物體姿態(tài)（位置和方向）的控制。另一個(gè)問題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉(zhuǎn)，這只能通過重抓才能實(shí)現(xiàn)。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手對復(fù)雜任務(wù)的操作能力。附錄2：外文原文一、選題依據(jù)1、研究領(lǐng)域機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，CAD。2、論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值機(jī)械手正處于一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段，它實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化與商品化，在先進(jìn)的工業(yè)發(fā) 達(dá)國家里，機(jī)械手的開發(fā)與研制正在形成一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)。機(jī)械手是自動執(zhí)行工作的 機(jī)器裝置，是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過 程中機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動生產(chǎn)線中，機(jī)械手的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi) 迅速發(fā)展起來的一門技術(shù)。機(jī)械手操作的準(zhǔn)確性和在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在 國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)用最多 的是汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機(jī)械制造等行業(yè)也有普遍應(yīng)用。 機(jī)械手的應(yīng)用可以改善勞動條件、避免人身事故；在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰 塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中應(yīng)用；可以 減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)，可以改善勞動條件、減少安全事故 ；可以提高經(jīng)濟(jì)效益，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)，減少人工勞動力引起的支出；可以提高生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量， 使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)高精度、高質(zhì)量的生產(chǎn)；可以增加產(chǎn)品的生產(chǎn)速度，提高生產(chǎn)過程的自動化程度，提高了生產(chǎn)效率。3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢在裝配線上，螺栓的裝配是一項(xiàng)很繁瑣的工作。對于裝配螺栓的機(jī)械工具，國內(nèi) 外研究成果顯著。包括手動扳手、電動扳手、液壓扳手、氣動扳手、 裝配機(jī)械手等工具，這些工具不僅節(jié)省人力，而且方便實(shí)用。眾多國內(nèi)外學(xué)者針對如何利用機(jī)械工 具代替人工完成螺栓連接的裝配這一繁瑣工作展開了深入研究。國內(nèi)對于擰螺栓工具 以及機(jī)械手的研究亦獲得了相當(dāng)多的成果。機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測 裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。機(jī)械手大致可以分為以下幾種，按用途分：專用 機(jī)械手、通用機(jī)械手；按主要功能分：操作機(jī)械手、移動機(jī)械手、信息機(jī)械手、人機(jī) 機(jī)械手；按坐標(biāo)系統(tǒng)來分：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型；按受控方 式分: 點(diǎn)位控制型、連續(xù)控制型；按驅(qū)動方式分: 液壓傳動機(jī)械手、氣壓傳動機(jī)械手、電力傳動機(jī)械手等。我國從第七個(gè)五年計(jì)劃開始，政府大大加大了機(jī)械手的重視程度，并且為此項(xiàng)目 投入大量的資金，在眾多學(xué)者及研究人員的參與下，研究開發(fā)并且制造一系列的機(jī)械16手，其中有北京機(jī)械自動化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)械手，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī) 床研究所合作設(shè)計(jì)的電焊機(jī)械手，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)械手，沈陽工 業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)械手等。這些機(jī)械手的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自 動化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的。與此同時(shí)，一系列的機(jī)械手關(guān)鍵部 件也被開發(fā)出來，如機(jī)械手專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)等，編碼器等。我國 機(jī)械手的起步較晚，相信在不久的將來，機(jī)械手在我國會被廣泛應(yīng)用。作為國產(chǎn)自主 創(chuàng)新品牌的廣東拓斯達(dá)機(jī)械手目前在國內(nèi)制造業(yè)市場中份額每年逐漸攀升，廣東拓斯 達(dá)機(jī)械手榮獲廣東省名牌產(chǎn)品，并且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，以及 戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)品。國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制模塊化、智能化的機(jī)械手。使它具有一定的 傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，既能更 正并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定的成績。視覺功 能即在機(jī)械手上安裝有點(diǎn)視照相機(jī)和光學(xué)測距儀以及微型計(jì)算機(jī)。觸覺功能是在機(jī)械 手上安裝有觸覺反饋控制裝置；隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一 步提高。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變 目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。目前裝配機(jī)械手的發(fā)展趨勢是：（1）向多元化、高精度發(fā)展；（2）向精密、自動化、智能化方向發(fā)展；（3）向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化方向發(fā)展；（4）機(jī)電一體化發(fā)展?？傊畤鴥?nèi)企業(yè)只有不斷引進(jìn)吸收國外先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行自主創(chuàng)新并在機(jī)械手機(jī)構(gòu) 加大研發(fā)力度，國內(nèi)螺栓裝配設(shè)備才能取得長足發(fā)展，才能走向世界。二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容1.重點(diǎn)解決的問題（1）螺栓裝配機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)（2）螺栓裝配機(jī)械手的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）（1）收集裝配機(jī)械手相關(guān)的文獻(xiàn)資料，掌握其機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成及工作原理， 各部件功能；（2）根據(jù)機(jī)械手的初始條件，確定了機(jī)械手的總體方案的設(shè)計(jì)，機(jī)械手的坐標(biāo) 形式和自由度的確定，運(yùn)動空間的計(jì)算等；螺栓裝配機(jī)械手的工作過程：1 基座2 立柱3 手臂4 手腕及手爪圖 1螺栓轉(zhuǎn)配機(jī)械手的方案簡圖手臂 3 繞立柱 2 轉(zhuǎn)動 90 度；手爪在抓取螺栓頭并保持夾緊狀態(tài)；手臂 3 繞著立柱 2 轉(zhuǎn)回 90；機(jī)械手整體沿著導(dǎo)軌水平運(yùn)動，手臂 3 在沿著立柱 2 移動；通過水平方向與垂直方向?qū)崿F(xiàn)對機(jī)械手的手抓位置調(diào)節(jié)，從而保證螺栓與螺栓孔的精確定位；手爪的旋轉(zhuǎn)帶動螺栓轉(zhuǎn)動，同時(shí)手臂沿著軸線方向進(jìn)給，將螺栓旋緊；手爪張開，手臂 3 回到初始位置，循環(huán)到下一個(gè)裝配動作。（3）對機(jī)械手的驅(qū)動方式、動力機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、移動機(jī)構(gòu)、手爪執(zhí)行機(jī)構(gòu)等 進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，包括電機(jī)的選型，軸承的選擇，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等做了具體計(jì) 算；（4）繪制裝配圖及主要零件圖，編寫設(shè)計(jì)說明書。3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果（1）一套完整的螺栓裝配機(jī)械手的裝配圖及零件圖；（2）一份螺栓裝配機(jī)械手的設(shè)計(jì)說明書；（3）一篇外文文獻(xiàn)翻譯。三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）(1) 根據(jù)螺栓裝配的工藝要求，設(shè)計(jì)一種四個(gè)自由度機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對螺母的抓取、定位、旋緊等一系列動作，確定機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而采用傳統(tǒng)的理論力 學(xué)計(jì)算方法和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法對機(jī)械手各組成部件完成設(shè)計(jì)。(2)機(jī)械手主要的參數(shù)夾持力：250N；機(jī)械手的移動速度：5m/min；手爪夾持螺母的尺寸范圍：M10-M40； 自由度：4個(gè)；機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型：采用圓柱坐標(biāo)式與直角坐標(biāo)式組合的形式。2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃第 1-4 周:根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，收集參考文獻(xiàn)資料，撰寫開題報(bào)告等；第 5 周:擬定螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；第 6-8 周:機(jī)械手的動力機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，移動機(jī)構(gòu)，夾持機(jī)構(gòu)及關(guān)鍵元器件的選擇計(jì)算；第 9-10 周:繪制機(jī)械手的裝配圖，各零部件的圖紙； 第 11-12 周:繪制裝配機(jī)械手組件或部件 3D 圖；第 13 周:書寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，翻譯與本設(shè)計(jì)相關(guān)的英文文獻(xiàn)；第 14 周:準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)1 王世偉，自抗擾控制器參數(shù)整定方法研究及其在螺栓裝配機(jī)械手中的應(yīng)用D. 蘭州交通大學(xué)碩士論文. 2015.2 舒志斌,謝福亮,鄭之開.專用機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析J.南京工業(yè)大學(xué),2013.3 張博,圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.北京大學(xué)工程訓(xùn)練中心,2014.4 汪新中.平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人擰螺釘手抓的研究J.機(jī)電工程,2015,25(9):18-20.5 楊育林, 包倩倩, 段昌生, 趙楠楠. 車輪裝配機(jī)械手氣動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J. 制造技術(shù)與機(jī)床,2017,(08):131-134.6 郭洪武.淺析機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展趨勢D.山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公司，2012.7 趙云偉,耿德旭.氣動柔性五指機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)及抓持能力 J. 機(jī)器, 2014,36(2):171-178.8 張兆陽. 一種適合狹窄空間下零部件裝配機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究D.燕山大學(xué),2013.9 陳國良,黃心漢,周祖德.微型裝配機(jī)器人系統(tǒng)J.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,45(2):288-293.10 羅璟,劉克定,陶湘廳等.工業(yè)機(jī)器人的控制策略探討J.機(jī)床與液壓,2016,36(10):95-100.11 楊帥, 鄒智慧. 多自由度 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系 統(tǒng)的研究 J. 制造業(yè) 自動化 ,2013, 35(5):117-121.12 陶珍軍, 陳坤, 螺栓裝配自動化的關(guān)鍵技術(shù)研究J. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014, 22 (4):36-39.13 李玉航,梅江平,劉松濤等. 一種新型 4 自由度高速并聯(lián)機(jī)械手動力尺度綜合J.機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2014,50(19):32-40.14 Alexander Winkler, Jozef Suchy. Robot Force/Torque Control in Assembly TasksJ. IFAC Proceedings Volumes, 2013,46(9):796-801.15 Afshin T, Jorge A, Larry L. Constraint-wrench analysis of robotic manipulatorsJ. Multibody System Dynamic, 2013, 29:139-168.16 Han Yuan, Zheng Li. Workspace analysis of cable-driven continuum manipulators based on static modelJ. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2017,49(2): 240-252.17 Han Y, Eric C, Dominique D. Static and dynamic stiffness analyses of cable -driven parallel robots with non-negligible cable mass and elasticityJ. Mechanism and Machine Theory, 2015, 85(12):64-81.附：文獻(xiàn)綜述文獻(xiàn)綜述1.機(jī)械手的目的與意義機(jī)械手是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編 排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務(wù)是協(xié)助或取代 人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。有些人認(rèn)為，最高級的機(jī) 械手要做的和人一模一樣，其實(shí)非也。實(shí)際上，機(jī)械手是利用機(jī)械傳動、現(xiàn)代微電子 技術(shù)組合而成的一種能模仿人某種技能的機(jī)械電子設(shè)備，他是在電子、機(jī)械及信息技 術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。然而，機(jī)械手的樣子不一定必須像人，只要能獨(dú)立完成一些 人類的技能或有一定危險(xiǎn)性的工作，就屬于機(jī)械手大家族的成員。機(jī)械手己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)用最多 的市汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機(jī)械制造等行業(yè)也有普遍應(yīng)用， 并逐漸向纖維加。食品工業(yè)、家用產(chǎn)品制造等行業(yè)發(fā)展。焊接作業(yè)包括點(diǎn)焊和弧焊， 是機(jī)械手用得最多的作業(yè)之一。機(jī)械手對于改善勞動條件、減少安全事故 ，減少人受危險(xiǎn)環(huán)境的傷害等方面都有顯著的效果。蘭州交通大學(xué)王世偉【1】提出鑒于螺栓裝 配與拆卸作業(yè)是制造業(yè)中重復(fù)性高、勞動強(qiáng)度大的一項(xiàng)工作,因此有必要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)螺栓 自動裝配的工業(yè)機(jī)器人。2 .機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)械手本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動副常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)械手的自由度數(shù)。出于擬人化的考慮，常將機(jī)械手本體 的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。驅(qū)動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動 力元件使機(jī)械手進(jìn)行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機(jī)械手使用 的驅(qū)動裝置主要是電力驅(qū)動裝置，此外也有采用液壓、氣動等驅(qū)動裝置。檢測裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測機(jī)械手的運(yùn)動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系 統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)械手的動作符合預(yù)定的 要求?？刂葡到y(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)械手的全部控制由一臺微型計(jì)算 機(jī)完成。另一種是分散式控制，即采用多臺微機(jī)來分擔(dān)機(jī)械手的控制。根據(jù)作業(yè)任務(wù) 要求的不同，機(jī)械手的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力控制。3. 機(jī)械手的分類（1）按用途分：專用機(jī)械手：它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。 專用機(jī)械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用 于大批量的自動化生產(chǎn)。南京工業(yè)大學(xué)舒志斌【2】等人指出專用機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 與分析。通用機(jī)械手：它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機(jī)械手。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變化生產(chǎn)品種的 中小批量自動化的生產(chǎn)。（2）按坐標(biāo)系統(tǒng)來分：直角坐標(biāo)型：只具有移動關(guān)節(jié)，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，適用于主機(jī) 位置成行排列的場合。但是由于占地面積大而工作范圍小以及靈活性差，限制了它的 使用范圍。圓柱坐標(biāo)型：具有一個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、其余為移動關(guān)節(jié)的機(jī)械手。它與直角坐標(biāo)式相 比較，占地面積小且活動范圍大，結(jié)構(gòu)較簡單，并能達(dá)到較高的定位精度，因此應(yīng)用 較廣泛。但由于機(jī)械手結(jié)構(gòu)的關(guān)系，移動的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的 物件。北京大學(xué)工程訓(xùn)練中心張博【3】指出了圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)。球坐標(biāo)型：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、其余為移動關(guān)節(jié)的機(jī)械手。這種機(jī)械手手臂的俯 仰運(yùn)動能抓取地面上的物件，為了使手部能適應(yīng)被抓取物件方位的要求，常常設(shè)有手 腕上下擺動，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種機(jī)械手具有動作靈活，占地面 積小而工作范圍大等特點(diǎn)，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)的傳動形式。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 此外手臂擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。關(guān)節(jié)型：具有三個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的機(jī)械手。它的特點(diǎn)是工作范圍大，動作靈活，通用 性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的物件，并能繞過機(jī)體和工作主機(jī)之間的障礙物去抓取物件。 但是關(guān)節(jié)式機(jī)械手的手指定位是由各個(gè)關(guān)節(jié)相互轉(zhuǎn)角來決定的，所以定位精度較差， 控制裝置和機(jī)械結(jié)構(gòu)比其它形式的機(jī)械手均復(fù)雜。杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汪 新中【4】設(shè)計(jì)了一種擰螺釘多關(guān)節(jié)機(jī)械手，其手部采用結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的機(jī)械夾持實(shí)現(xiàn)螺 釘?shù)膴A持，保證螺釘?shù)臏?zhǔn)確定位和高可靠性。（3）按受控方式分:點(diǎn)位控制型：它的運(yùn)動為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動，只能控制運(yùn)動過程中幾個(gè)點(diǎn)的 位置，不能控制其運(yùn)動軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。連續(xù)控制型：它的運(yùn)動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的， 整個(gè)移動過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動，并且使用范圍廣，但電氣 控制系統(tǒng)復(fù)雜。（4）按驅(qū)動方式分:液壓傳動機(jī)械手：其主要特點(diǎn)是抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、 動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機(jī)械手的工作性能有很大影響， 且不宜在高溫、低溫下工作。氣壓傳動機(jī)械手：其主要特點(diǎn)是介質(zhì)來源較方便、氣動動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、成 本低。但是由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，而且氣源壓力較低， 適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作；燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院楊育林 等【5】提出針對不同重量車輪的裝配問題,提出了一種新型機(jī)械手氣動控制系統(tǒng),該控制 系統(tǒng)通過對減壓閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良,僅用一個(gè)平衡回路完成空載和負(fù)載之間的無級切 換。電氣傳動機(jī)械手：即由特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū) 動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線 電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。4.國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r機(jī)械手首先是從美國開始研制的，美國聯(lián)合控制公司首先研制出第一臺機(jī)械手， 它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的，隨著計(jì)算機(jī)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機(jī)械將進(jìn)入高度自動化和智能 化時(shí)期，機(jī)械手機(jī)器人的應(yīng)用可以提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,改善勞動條件,解決勞 動力不足等問題構(gòu)成。從第七個(gè)五年計(jì)劃開始，我國政府大大加大了工業(yè)機(jī)器人的重視程度，并且為此 項(xiàng)目投入大量的資金，在眾多學(xué)者及研究人員的參與下，研究開發(fā)并且制造一系列的 工業(yè)機(jī)器人，其中有北京機(jī)械自動化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所 和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)的電焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器 人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國科 學(xué)院沈陽自動化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的。與此同時(shí)，一系列的機(jī) 器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)等，編碼 器等。我國機(jī)械手的起步較晚，相信在不久的將來，機(jī)械手在我國會被廣泛應(yīng)用。作 為國產(chǎn)自主創(chuàng)新品牌的廣東拓斯達(dá)機(jī)械手目前在國內(nèi)制造業(yè)市場中份額每年逐漸攀 升，廣東拓斯達(dá)機(jī)械手榮獲廣東省名牌產(chǎn)品，并且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、核心技術(shù)和關(guān) 鍵技術(shù)，以及戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)品。國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感 能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并 自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在 機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體 形象變成視頻信號，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并 發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。 工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作 用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達(dá) 到自動調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一 步提高。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變 目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公司郭洪武【6】指出 了機(jī)械手的概念,發(fā)展歷史,以及機(jī)械手在國內(nèi)外的研究動態(tài)。國外機(jī)械手的控制類型大致可分為四類：簡易控制型機(jī)械手，定位用機(jī)械制動 器或者行程開關(guān)，這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，在一般的上下料作業(yè)中較為適用；示教再現(xiàn)控制的機(jī)械手，UNIMATE 型機(jī)械手是示教再現(xiàn)的控制系統(tǒng)，日本川崎重工生產(chǎn)的川崎 UNIMATE 機(jī)械手也屬于此類；用電子計(jì)算機(jī)群控多臺機(jī)械手，若在一條生產(chǎn)線上使用多臺機(jī)械手，往往用一臺小型計(jì)算機(jī)控制幾臺機(jī)械手，這樣成本大 大降低，自動化程度反而提高；智能機(jī)械手，機(jī)械手具有視覺、觸覺、嗅覺等感覺 機(jī)能，還能識別圖形，進(jìn)行分析判斷，可以行走等。該類機(jī)械手目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段。 我國機(jī)械手的控制類型分為：全繼電器控制，控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都用繼電器進(jìn)行 控制，它適用于專用的或通用的具有固定程序或可變程序的機(jī)械手。定位方式采用機(jī) 械制動器，此類型控制形式都稱為簡易型，具有線路簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是動 作速度慢，體積較大，定位精度較差；無觸點(diǎn)程序控制的通用機(jī)械手，這種機(jī)械手 在國內(nèi)已經(jīng)有了比較成熟的制造經(jīng)驗(yàn)，研制單位甚多。優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)，程序變換簡 單可靠，循環(huán)周期短，提高機(jī)械手的工作效率；簡易數(shù)控機(jī)械手，簡易數(shù)控分為開 環(huán)和閉環(huán)兩種，優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，反應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)停留和連續(xù)軌跡的運(yùn)動 方式。國外機(jī)械手定位在發(fā)展初期，由于技術(shù)的不成熟，利用氣壓驅(qū)動的機(jī)械手的定位 精度很低，更無法實(shí)現(xiàn)在任意位置的起停，能靠氣缸兩個(gè)終點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的定 位，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在任意位置得起停。以早期的氣動機(jī)械手不能實(shí)現(xiàn)任意位置的定 位，因此大大限制氣動工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展隨著氣動技術(shù)的發(fā)展，氣動伺服技術(shù)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了氣缸在任意位置定位，世界上各國都相繼開發(fā)出了可在任意位置實(shí)現(xiàn)起停的氣 動工業(yè)機(jī)械手，且定位精度可以達(dá)到0.5mm，如日本 SMC 公司、德國 FESTO 公司等。氣動伺服技術(shù)的出現(xiàn)，大大提高了氣動機(jī)械手的定位精度，實(shí)現(xiàn)了氣動機(jī)械手在 任意位置的定位，擴(kuò)大了氣動機(jī)械手在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。國內(nèi)應(yīng)用的機(jī)械手定 位方法有機(jī)械方法，電氣控制方法，機(jī)械擋塊的方法。電氣定位方法可分為簡易型與 伺服型兩類。上海電器塑料廠 15 克立式注塑機(jī)采用簡易數(shù)控機(jī)械手，能達(dá)到給定精度約 5 毫米，重變定位精度1 毫米左右；一機(jī)部機(jī)械院機(jī)電所與北京汽車廠合制的CJS-1 機(jī)械手采用點(diǎn)位計(jì)檢測的定位方法，配合液壓節(jié)流緩沖，重復(fù)定位精度約為3 毫米。美國機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫 Versatran 機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是 示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基 礎(chǔ) 。 美 國 Unimate 公 司 和 斯 坦 福 大 學(xué) 、 麻 省 理 工 學(xué) 院 聯(lián) 合 研 制 一 種Unimate-Vic-arm 型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于1 毫米。美國還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。比如 Unimate 公司建立了 8 年機(jī)械手試驗(yàn)臺，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。把故障前平均時(shí)間，由 400 小時(shí)提高到 1500 小時(shí)，精度可提高到0.1 毫米。德國 KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。瑞士 RETAB 公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969 年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手。在數(shù)量上已占世界首位，約占 70%，并以每年 50%60% 的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。5.機(jī)械手未來的發(fā)展趨勢機(jī)械手在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實(shí)踐證明，它在提高生產(chǎn)自動化水平，提高勞動生 產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動條件等方面，有著令世人矚目的作用， 引起了世界各國和社會各層人士的廣泛興趣。在新的世紀(jì)，機(jī)械手工業(yè)必將得到更加 快速的發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用。山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公司郭洪武【6】淺析了機(jī) 械手的應(yīng)用與發(fā)展趨勢。從近年世界機(jī)械手推出的產(chǎn)品看，未來機(jī)械手具有如下的發(fā) 展趨勢：（1）重復(fù)高精度精度是指機(jī)械手達(dá)到指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有 關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)次數(shù)多，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度 比精度更重要，如果一個(gè)機(jī)械手定位不夠精確，通常會顯示一個(gè)固定的誤差，這個(gè)誤 差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范 圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)械手來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā) 展，機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè) 等。（2）模塊化有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼 裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的 安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手動作自如。模塊 化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用 范圍，是機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。（3）節(jié)能化為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不 加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料的出現(xiàn)，構(gòu)造 特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡 單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。（4）機(jī)電一體化由“可編程控制器傳感器液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技 術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān) 控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制” ；節(jié)省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越 來越小，而 PLC 的輸出功率在增大，由 PLC 直接控制線圈變得越來越可能。（5）控制智能化機(jī)械人的控制智能化由引導(dǎo)教向 NC，離線編程發(fā)展，進(jìn)而發(fā)展到進(jìn)一步應(yīng)用。隨著系統(tǒng)化、集成化生產(chǎn)的發(fā)展，基于 PC 的開放式控制系統(tǒng)將機(jī)械手控制和車間一級控制的發(fā)展方向。綜上所述，本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是通過對螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，并分 析常用機(jī)械手的特點(diǎn)，確定自己所設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)，運(yùn)用 CAD 的軟件把裝配圖及其原理圖繪制出。并進(jìn)行裝置的可實(shí)施性進(jìn)行分析判斷，最終完成本次螺栓裝配機(jī) 械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要本次的設(shè)計(jì)是螺栓裝配機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，螺栓裝配機(jī)械手作為工業(yè)機(jī)械手中的重要研究對象，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)裝配線中，有效地完成了零部件的裝配，高精度電子產(chǎn)品及其部件的組裝，可以代替人類完成一些繁瑣的工作。本次設(shè)計(jì)通過查閱互聯(lián)網(wǎng)，收集資料，根據(jù)任務(wù)書要求設(shè)計(jì)一款用于自動抓取并完成螺栓裝配的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中機(jī)械手的結(jié)構(gòu)確定了選用直角坐標(biāo)式和圓柱坐標(biāo)式結(jié)合的方案，整個(gè)機(jī)械手確定為4自由度，機(jī)械手的驅(qū)動方式采用步進(jìn)電機(jī)與同步帶驅(qū)動及絲杠機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其移動及升降運(yùn)動，采用回轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)行，采用旋轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)手腕對螺栓的擰緊。并對機(jī)械手的零部件等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)是能夠在短時(shí)間內(nèi)完成螺栓的裝配，提高效率，減少生產(chǎn)時(shí)間，無需休息，在適宜的條件下可以連續(xù)工作。機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)對在惡劣的工況條件下取代人類，減輕勞動強(qiáng)度，從而減少安全事故的發(fā)生。關(guān)鍵詞：螺栓裝配；機(jī)械手；步進(jìn)電機(jī)；絲杠機(jī)構(gòu)IABSTRACTThis design is the structural design of the bolt assembly manipulator. The bolt assembly manipulator, as an important research object in the hands of industrial machinery, has been widely used in the industrial assembly line, effectively completed the assembly of components, the assembly of high precision electronic products and their components, and can replace some of the tedious work in place of human beings.This design is designed by consulting the Internet, collecting data, and designing a mechanical hand for automatic grasping and completing the bolt assembly according to the requirements of the task book. The structure of the manipulator in the design determines the combination of rectangular coordinates and cylindrical coordinates. The whole manipulator is determined to be 4 degrees of freedom. The driving mode of the manipulator adopts the step motor and the synchronous belt drive and the screw mechanism to realize its movement and lifting movement, and the rotary cylinder is used to realize the rotary operation of the mechanical arm.The rotary cylinder is used to realize the tightening of the wrist to the bolt.It also designs the parts and components of the manipulator.The main feature of the design is that it can complete the assembly of bolts in a short time, improve the efficiency, reduce the production time, without rest, and can work continuously under the suitable conditions. The manipulator can replace human beings under severe working conditions and reduce labor intensity, thereby reducing safety accidents.Key Words：Bolt Assemble;Manipulator ;Stepper Motor;Screw MechanismII目錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1 本課題研究的背景及意義11.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成及分類11.3 裝配機(jī)械手的研究的概況和發(fā)展趨勢21.4 本文主要研究內(nèi)容32 螺栓裝配機(jī)械手的總體方案的設(shè)計(jì)42.1 機(jī)械手的功能要求42.2 機(jī)器手的總體運(yùn)動過程42.3 各運(yùn)動的傳動方案設(shè)計(jì)53 機(jī)械手的橫向（X軸）移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)63.1 X軸運(yùn)行機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)63.2 電機(jī)功率計(jì)算與選型63.3 同步帶的計(jì)算與選型83.4 導(dǎo)軌的計(jì)算與選型114 機(jī)械手的立柱及轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)164.1 立柱機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)164.2 絲杠機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算174.3 旋轉(zhuǎn)手臂的設(shè)計(jì)225 手腕及手爪設(shè)計(jì)265.1 腕部的設(shè)計(jì)要求265.2 腕部的結(jié)構(gòu)265.3 腕部的計(jì)算275.4 手部結(jié)構(gòu)技術(shù)要求306 結(jié) 論33參 考 文 獻(xiàn)34附錄1：外文翻譯35附錄2：外文原文39致 謝44II螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.緒論1.1本課題研究的背景及意義螺栓裝配機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人中的一種機(jī)械手，機(jī)械手是自動執(zhí)行設(shè)定好的程序工作的機(jī)器，它通過接受預(yù)先編寫的程序，或按照人工智能技術(shù)制定指令，完成相應(yīng)的動作。機(jī)械手任務(wù)是幫助或取代工人完成工作，如在工業(yè)制造、焊接、噴涂、建筑等工作。事實(shí)上，機(jī)械手是一種集成機(jī)械、電子、控制于一體的輔助系統(tǒng)，它通過機(jī)械傳動和現(xiàn)代微電子技術(shù)相結(jié)合來模仿人臂的技能。螺栓裝配機(jī)械手在工業(yè)、機(jī)械、航天航空和信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展迅速，在各個(gè)領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，尤其在工作環(huán)境惡劣，機(jī)械式重復(fù)性工作，機(jī)械手將逐漸取代人類。它能夠在短時(shí)間內(nèi)完成螺栓的裝配，提高效率。在惡劣環(huán)境中帶替人工作，避免危險(xiǎn)的發(fā)生。與人相比起來，機(jī)械手具有的優(yōu)點(diǎn)是：減少生產(chǎn)時(shí)間，無需休息，在適宜的條件下可以連續(xù)工作。機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)對惡劣的工況條件下取代人類，減輕勞動強(qiáng)度，從而減少安全事故的發(fā)生。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中，螺栓裝配機(jī)械手主要用于取代手動安裝螺栓，實(shí)現(xiàn)螺栓的自動拾取、自動定位以及自動旋緊。該機(jī)械手它按照編制的程序工作，具有高精度和高重復(fù)性。蘭州交通大學(xué)王世偉1提出鑒于螺栓裝配與拆卸動作是工業(yè)中使用頻繁、工作強(qiáng)度大的一項(xiàng)工作,所以有必要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)螺栓自動裝配的機(jī)械手。1.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成及分類1.2.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)械手本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動副常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)械手的自由度數(shù)。出于擬人化的考慮，常將機(jī)械手本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。 驅(qū)動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機(jī)械手進(jìn)行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機(jī)械手使用的驅(qū)動裝置主要是電力驅(qū)動裝置，此外也有采用液壓、氣動等驅(qū)動裝置。 檢測裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測機(jī)械手的運(yùn)動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)械手的動作符合預(yù)定的要求。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)械手的全部控制由一臺微型計(jì)算機(jī)完成。另一種是分散式控制，即采用多臺微機(jī)來分擔(dān)機(jī)械手的控制。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機(jī)械手的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力控制。1.2.2 機(jī)械手的分類（1）機(jī)械手按用途分：可分為通用機(jī)械手、專用機(jī)械手；如教學(xué)上使用的教學(xué)機(jī)械手、工廠里使用的焊接機(jī)械手、車間里使用的裝配機(jī)械手等。南京工業(yè)大學(xué)舒志斌2等人指出專用機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分。（2）機(jī)械手按坐標(biāo)系統(tǒng)來分：直角坐標(biāo)型機(jī)械手：只具有移動自由度的機(jī)械手。如二自由度門式機(jī)械手、桁架式機(jī)械手、懸臂式機(jī)械手等；圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手：只具有一個(gè)轉(zhuǎn)動自由度，其余都為移動自由度的機(jī)械手，此機(jī)械手活動范圍大，并具有很高的定位精度；北京大學(xué)工程訓(xùn)練中心張博3指出了圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。球坐標(biāo)型機(jī)械手：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動自由度、其余為移動自由度的機(jī)械手，這種機(jī)械手具有工作范圍大，動作靈活的特點(diǎn)，但是它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會引起誤差；關(guān)節(jié)型機(jī)械手：具有三個(gè)轉(zhuǎn)動自由度的機(jī)械手，動作靈活，但是定位精度較差。 杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汪新中4設(shè)計(jì)了一種擰螺釘多關(guān)節(jié)機(jī)械手，其手部采用結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的機(jī)械夾持實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)膴A持，保證螺釘?shù)臏?zhǔn)確定位和高可靠性。（3）按驅(qū)動方式分機(jī)械手：氣壓驅(qū)動機(jī)械手、液壓驅(qū)動機(jī)械手、電氣驅(qū)動機(jī)械手，也有采用多動驅(qū)動方式組合的機(jī)械手。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院楊育林等5提出針對不同重量車輪的裝配問題,提出了一種新型機(jī)械手氣動控制系統(tǒng),1.3裝配機(jī)械手的研究的概況和發(fā)展趨勢在工業(yè)流水線上，螺栓的裝配是一項(xiàng)繁瑣的工作。對于螺栓裝配的機(jī)械手，國內(nèi)外都有研究，研究成果顯著。這些機(jī)械手不僅節(jié)省人力，而且方便實(shí)用。國內(nèi)外許多學(xué)者對如何利用機(jī)械工具代替人工完成螺栓連接組裝進(jìn)行了深入研究。俄羅斯Geschke已經(jīng)完成了機(jī)械手中螺釘?shù)淖灾鞫ㄎ?，插入和擰緊操作。該系統(tǒng)通過鏡頭形成立體視覺。其特點(diǎn)是自動閾值調(diào)整，根據(jù)視覺采樣率調(diào)整位置環(huán)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的精確定位。2002年，日本工業(yè)技術(shù)綜合研究所等多家公司聯(lián)合開發(fā)了一款名為HRP-2P的施工機(jī)械手。該操縱器具有更精確的視覺系統(tǒng)，并可以按照說明使用螺栓來固定;在2010年，Pitipong等提出了使用視覺伺服系統(tǒng)的4自由度。國內(nèi)對螺栓工具和機(jī)械手的研究也取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。早在1960年，沉陽高壓開關(guān)廠杰寶駿工人就設(shè)計(jì)制造了電動螺絲機(jī)，解決了裝配工作中各種螺母的緊固問題，提高了工作效率; 王新忠設(shè)計(jì)了一種螺旋多關(guān)節(jié)機(jī)械手，其手部采用復(fù)雜的機(jī)械夾具固定螺釘，確保螺釘?shù)臏?zhǔn)確定位和高可靠性，并利用電力驅(qū)動機(jī)械手末端的螺絲刀在平面接合式螺絲，完成螺絲定位，壓緊和擰緊功能。對于不同類型的螺釘，可以更換相應(yīng)類型的螺絲刀。如上所述，各種螺桿組裝機(jī)械手只能實(shí)現(xiàn)單螺桿的定位和組裝任務(wù)。通過增加視覺等智能傳感器，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)智能自主定位和組裝螺絲。山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公司郭洪武6指出了機(jī)械手的定義,發(fā)展過程,以及機(jī)械手的研究動態(tài)。近年世界機(jī)械手的應(yīng)用越來越廣泛，未來工業(yè)機(jī)械手具有如下的發(fā)展趨勢：（1）感官功能研究內(nèi)容包括各種傳感器信息采集與融合處理，傳感器與驅(qū)動集成技術(shù)，感知功能傳承模塊等。其實(shí)質(zhì)與人體的五感和身體的全面感官功能相似。（2）控制智能化智能控制是把計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)為一體的多種綜合技術(shù)結(jié)合在一塊，隨著機(jī)械手控制的系統(tǒng)化，將開發(fā)機(jī)械手的智能化控制。（3）移動功能的智能化針對機(jī)械手的特定的功能需求，實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)場合的應(yīng)用需求，需要機(jī)械手具有運(yùn)動，例如滑動，滾動，沿設(shè)置程序軌跡行走，爬行，跳躍等。（4）系統(tǒng)應(yīng)用和集成為實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的集中自動化控制，遠(yuǎn)程化控制，解決遠(yuǎn)距離的信息傳輸與控制，開發(fā)自主移動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器協(xié)調(diào)功能，群體智能和多機(jī)通信協(xié)議。（5）安全性和可靠性為了實(shí)現(xiàn)智能可靠性，機(jī)械手必須能夠及時(shí)應(yīng)對各種事故，具有自動檢測、報(bào)警，包括硬件級別的自診斷和自修復(fù)故障的能力。（6）小型化機(jī)械手的功能實(shí)現(xiàn)智能化，也逐漸向小型化發(fā)展，針對小型化的機(jī)械手應(yīng)用主要在微加工，醫(yī)療設(shè)備，機(jī)械電子領(lǐng)域。（7）多傳感器信息融合和配置技術(shù)采用多傳感器配置與融合技術(shù)采用機(jī)械手各部件的信息，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件精確位置檢測與運(yùn)動定位。新型傳感器的開發(fā)適應(yīng)于生產(chǎn)過程機(jī)械手的控制，反饋信息的處理，然后向機(jī)械手輸出執(zhí)行指令。1.4本文主要研究內(nèi)容首先收集螺栓裝配機(jī)械手的相關(guān)文獻(xiàn)資料，掌握裝配機(jī)械手的工作原理與各部件的功能。根據(jù)機(jī)械手的條件，確定機(jī)械手的總體方案，坐標(biāo)形式，自由度及運(yùn)動空間的計(jì)算等。然后對機(jī)械手的驅(qū)動方式、移動機(jī)構(gòu)、動力機(jī)構(gòu)、手爪執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對機(jī)械手的腰關(guān)節(jié)、臂關(guān)節(jié)、手腕、夾持手爪等結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，包括對電機(jī)的選型，軸承的選擇及軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。- 45 -2.螺栓裝配機(jī)械手的總體方案的設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械手的功能要求根據(jù)螺栓裝配的工藝要求，設(shè)計(jì)一種四自由度機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對螺栓的抓取、定位、旋緊等一系列動作，以期替代人工作業(yè)，可有效提高自動化水平及生產(chǎn)效率。機(jī)械手主要的參數(shù)：（1）夾持力：250N；（2）移動速度為5m/min；（3）手爪夾持螺母的尺寸范圍：M10-M40；（4）自由度：4;（5）機(jī)械手選用類型：圓柱坐標(biāo)式與直角坐標(biāo)式組合。2.2機(jī)器手的總體運(yùn)動過程螺栓裝配機(jī)械手的工作過程：（1）手臂3繞立柱2轉(zhuǎn)動90度；（2）手爪在抓取螺栓頭并保持夾緊狀態(tài)；（3）手臂3繞著立柱2轉(zhuǎn)回90，并保持；（4）機(jī)械手整體沿著導(dǎo)軌水平運(yùn)動，手臂3在沿著立柱2移動；通過水平方向與垂直方向?qū)崿F(xiàn)對機(jī)械手的手抓位置調(diào)節(jié)，從而保證螺栓與螺栓孔的精確定位；（5）手爪的旋轉(zhuǎn)帶動螺栓轉(zhuǎn)動，同時(shí)手臂 沿著軸線方向進(jìn)給，將螺栓旋緊；（6）手爪張開，手臂3回到初始位置，循環(huán)到下一個(gè)裝配動作。1基座 2立柱 3手臂 4手腕及手爪圖2.1螺栓轉(zhuǎn)配機(jī)械手的方案簡圖2.3各運(yùn)動的傳動方案設(shè)計(jì)（1）X軸移動的傳動方案X軸的移動采用步進(jìn)電機(jī)通過同步帶驅(qū)動絲杠機(jī)構(gòu)，從而帶著整個(gè)機(jī)械手沿X軸往復(fù)運(yùn)動。（2）Z軸方向的升降與回轉(zhuǎn)運(yùn)動的傳動方案機(jī)械手臂沿Z軸方向的上下移動是采用同步電機(jī)經(jīng)過齒形帶傳動，從而驅(qū)動絲杠與螺母機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)其手臂的升降運(yùn)動。機(jī)械手的手臂做90的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)氣缸作為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。（3）機(jī)械手手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動及手爪夾緊運(yùn)動的方案 機(jī)械臂上手爪夾緊、松開以及擰緊的動作過程是實(shí)現(xiàn)螺栓裝配的執(zhí)行動作，即機(jī)械手先夾緊需要裝配螺栓，機(jī)械臂經(jīng)過一系列運(yùn)動，將螺栓放置在螺栓孔匹配位置，然后通過手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動將螺栓擰入到螺栓孔內(nèi)；此時(shí)，機(jī)械手爪在松開螺栓，機(jī)械臂在進(jìn)行下一次螺栓裝配動作的循環(huán)。這一系列的工作過程中，機(jī)械手的夾緊采用手爪氣缸，手腕采用伺服電機(jī)驅(qū)動。3 機(jī)械手的橫向（X軸）移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 X軸運(yùn)行機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)在驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)中，盡量選擇重量輕和小尺寸的材料。為了實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，機(jī)械手主要可以分為由齒輪齒條傳動，滾珠絲杠傳動，同步帶齒形皮帶傳動，氣缸等驅(qū)動。由于具備效率高，傳動比精確，構(gòu)造緊湊，工作可靠，使用壽命長等，所以設(shè)計(jì)采用同步帶和絲杠機(jī)構(gòu)。如圖3.1所示，X軸機(jī)架采用截面為矩形型材焊接而成，機(jī)架的作用是支承機(jī)械手本體，并將電機(jī)安裝在機(jī)架側(cè)面，各部件的聯(lián)接采用普通螺栓聯(lián)接。傳動方式采用步進(jìn)電機(jī)通過同步帶傳動將動力傳遞到絲杠機(jī)構(gòu)，絲杠帶動著螺母在直線導(dǎo)軌上運(yùn)動。圖3.1 X軸移動機(jī)構(gòu)方案3.2 電機(jī)功率計(jì)算與選型步進(jìn)電機(jī)的選用時(shí)，參數(shù)有步角距、運(yùn)行頻率、空載起動頻率和最大靜轉(zhuǎn)矩。負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為： （3.1）設(shè)計(jì)中同步帶輪的主動輪與從動輪節(jié)圓直徑相等，所以。是機(jī)械效率，移動時(shí)有同步帶和導(dǎo)軌平摩擦兩種傳動，同步帶傳動的=0.95，導(dǎo)軌的摩擦傳動的，取，有。軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；軸的摩擦轉(zhuǎn)矩（可以忽略）?？梢缘玫剑?（3.2）M總負(fù)載質(zhì)量，g重力加速度，導(dǎo)軌動摩擦的系數(shù)。表3-1 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算的參數(shù) Mi帶入公式求出負(fù)載轉(zhuǎn)矩：電動機(jī)在啟動的時(shí)候需要具有一定的轉(zhuǎn)矩來帶動負(fù)載，電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩要大于，所以電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩大于。步進(jìn)電機(jī)的選擇要參照脈沖當(dāng)量來確定電機(jī)的步距角的大小，精度要求?？扇∶}沖當(dāng)量，計(jì)算步距角： （3.3）依照實(shí)際情況選擇=的步進(jìn)電機(jī)，對其進(jìn)行細(xì)分析以達(dá)到控制精度的要求。為步距角，計(jì)算脈沖當(dāng)量： （3.4）根據(jù)以上設(shè)計(jì)中的計(jì)算選用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。表3-2 電機(jī)性能參數(shù)電機(jī)型號相數(shù)步距角度相電流保持力矩轉(zhuǎn)動慣量重量56BYG250D21kg3.3 同步帶的計(jì)算與選型3.3.1同步帶的傳動特點(diǎn)同步帶由與工作面上的齒和帶輪上嚙合的齒驅(qū)動。有較高的抗拉強(qiáng)度和非常小的伸長率，在傳遞基本過程中的分段線路的長度保持不變，傳輸過程中傳輸帶和傳輸帶滑動， 從而保證傳送過程中皮帶與皮帶之間的滑動。選用同步帶傳動能夠確保較好的傳動比，具有恒定的傳動比，維修保養(yǎng)方便，費(fèi)用低等。同步帶適用的溫度，運(yùn)行的速度，運(yùn)行時(shí)的傳動功率，傳動比。圖3.2 同步帶3.3.2同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算（1）電機(jī)的額定輸出功率估算為： 7.16W （3.5）（2）確定計(jì)算功率：機(jī)械手的工作制按8小時(shí)/天，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表4-1得，使用系數(shù)參數(shù)=1.7，則計(jì)算功率為: 12.17W （3.6）（3）小帶輪轉(zhuǎn)速：上式中：f為頻率，T為固定步進(jìn)角度，這里取1.8；X為細(xì)分倍數(shù)；即對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，可以通過輸入脈沖頻率對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)；本設(shè)計(jì)中f=3，細(xì)分倍數(shù)X取0.02；計(jì)算小帶輪轉(zhuǎn)速n為90r/min；（4）選定同步帶帶型和節(jié)距：設(shè)計(jì)中功率轉(zhuǎn)速比較小，帶的型號可以選取H型帶，節(jié)距（5）主動輪齒數(shù)：查表選取小帶輪齒數(shù)為41。（6）小帶輪節(jié)圓直徑確定： = （3.7）（7）大帶輪的計(jì)算 傳動比為，因此計(jì)算中的大帶輪與小帶輪的參數(shù)相同。齒數(shù)，節(jié)距 （8）帶速v計(jì)算 （3.8）（9）初定周間間距根據(jù)公式：得：現(xiàn)在選取軸間間距為250mm。表3-3小帶輪最小齒數(shù)表（10）同步帶帶長及其齒數(shù)確定=()= （3.9）（11）帶輪嚙合齒數(shù)計(jì)算傳動比為，因此嚙合的齒數(shù)恰好是帶輪齒數(shù)的一半，即。（12）額定功率的計(jì)算 （3.10）查表可知同步帶的許用工作壓力，單位長度質(zhì)量。同步帶的額定功率為：（13）計(jì)算作用在軸上力： （3.11）（14）同步帶的節(jié)線長度確定在同步帶傳動中，兩個(gè)帶輪之間的中心距離需要選擇合適，如果帶輪中心距太小，會直接造成齒和齒的正常嚙合。帶節(jié)線長度如表3-4所示。 帶接線長度表如下所示節(jié)距Pb：帶齒齒廓線與齒根廓線之間的距離。圖3.3 帶的標(biāo)準(zhǔn)尺寸表3-5梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸本設(shè)計(jì)中我們選用梯形帶。同步帶的尺寸如下：表3-6同步帶尺寸3.4導(dǎo)軌的計(jì)算與選型3.4.1直線導(dǎo)軌的工作原理導(dǎo)軌是滑塊運(yùn)行時(shí)的軌道，滑塊安裝在導(dǎo)軌上作直線運(yùn)動。直線導(dǎo)軌的應(yīng)用非常廣泛，例如在機(jī)床設(shè)備、精密自動化設(shè)備、各種動力傳輸、輸送線裝置、醫(yī)療和電子制造等領(lǐng)域。直線導(dǎo)軌的特性如下：（1）直線導(dǎo)軌具有高的定位精度；（2）裝配性能好，可互換，潤滑構(gòu)造簡單；（3）摩擦小，降低了所需驅(qū)動力，且適用于高速運(yùn)動；（4）承載能力強(qiáng)，能承受多個(gè)方向帶來的負(fù)荷；（5）滾動代替滑動；（6）使用壽命長。 圖3.4導(dǎo)軌零件圖3.4.2初選導(dǎo)軌型號及估算導(dǎo)軌長度選型中：X方向運(yùn)行機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌型號為；Y方向的運(yùn)行機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌型號為；導(dǎo)軌長度受到加工及安裝因素影響，會影響到整個(gè)傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)行精度。導(dǎo)軌長度其公式為：L=H+S+l-S1-S2 （3.12）其中： 導(dǎo)軌的總長度； 滑塊滑動的行程；滑塊的導(dǎo)向面上的長度；封閉的高度調(diào)節(jié)量；滑塊滑至最高點(diǎn)時(shí)導(dǎo)軌露出的長度；滑塊滑至最低點(diǎn)時(shí)導(dǎo)軌露出的長度。計(jì)算得軸上的導(dǎo)軌長度為：Lx=1530mm。3.4.3導(dǎo)軌副距離額定壽命X方向上選用的導(dǎo)軌型號是，所以導(dǎo)軌額定動載荷為，額定靜載荷為 ；機(jī)械手最大重量為:滑塊的載荷計(jì)算：（1）導(dǎo)軌行程額定壽命為： （3.13）以上：額定壽命； 硬度系數(shù)；導(dǎo)軌硬度不得低于，可取fh =1；導(dǎo)軌硬度值；導(dǎo)軌額定動載荷；當(dāng)量動載荷； 滑塊所受最大載荷；滑塊數(shù)量，這里為Z=4；指數(shù)，導(dǎo)軌體為滾珠時(shí)；為滾柱時(shí)；額定壽命單位，滾珠時(shí)K=50KM； 硬度系數(shù)；根究產(chǎn)品的要求規(guī)定，滾道的硬度不小于58HRC，故通?？扇h =1溫度系數(shù)，查表,得表3-7 溫度系數(shù)工作溫度接觸系數(shù)，查表；得表3-8 接觸系數(shù)精度系數(shù)，查表；取表3-9 精度系數(shù)載荷系數(shù)，查表；得表3-10載荷系數(shù)有：（2）壽命時(shí)間的計(jì)算： （3.14）有： 壽命時(shí)間； 額定壽命。 行程長度； 每分鐘往返次數(shù)。則：工作的情況：機(jī)械手的工作時(shí)間每天6小時(shí)，每年使用300天，則預(yù)計(jì)壽命年限為：同樣可計(jì)算出Y方向滾動導(dǎo)軌副額定壽命為：3.4.4導(dǎo)軌的技術(shù)要求刮研導(dǎo)軌：為了降低表面的粗糙度和提高耐磨性，需要對導(dǎo)軌的表面進(jìn)行刮研，最終是為了提高導(dǎo)軌接觸性、存油等。如表3-11：表3-11磨削導(dǎo)軌的表面粗糙度4 機(jī)械手的立柱及轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 立柱機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)在圖4.1中所示，機(jī)械手臂沿立柱（Z軸）方向的上下移動是采用同步電機(jī)經(jīng)過齒形帶傳動，從而驅(qū)動絲杠與螺母機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)其手臂的升降運(yùn)動。機(jī)械手的手臂做90的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，利用回動氣缸實(shí)現(xiàn)。圖4.1 立柱機(jī)構(gòu)三維立柱下部通過四個(gè)支座安裝在X軸機(jī)架上的直線導(dǎo)軌上，通過絲杠的形式與螺母機(jī)構(gòu)相連接，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂的直線上下運(yùn)動。本章對絲杠、螺母副機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。圖4.2 立柱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖4.2 絲杠機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算4.2.1絲桿機(jī)構(gòu)傳動特點(diǎn)在設(shè)計(jì)中，絲杠機(jī)構(gòu)是機(jī)械手的重要部件，通過螺紋驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的升降功能。選用絲杠機(jī)構(gòu)，因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)緊湊，高精度性等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)螺釘和螺母的運(yùn)動方式，絲杠傳動可分為以下幾種：（1）螺母是活動的，螺母被絲杠的旋轉(zhuǎn)帶動著在絲杠上移動，如圖（a）所示；（2）螺母旋轉(zhuǎn)帶動著螺桿作直線運(yùn)動，如圖（b）所示；（3）螺母沿直線運(yùn)動，由于絲杠固定，所以兩端支撐結(jié)構(gòu)較簡單，但精度不高。如圖（c）所示；（4）螺桿旋轉(zhuǎn)把螺母帶著直線運(yùn)動。適合長時(shí)間工作的絲杠。如圖（d）所示。 (a) (b) （c） （d）圖4.3 螺桿傳動的方式本次設(shè)計(jì)的螺栓裝配機(jī)械手是采用了上圖（a）的運(yùn)動方式，螺母固定不動。4.2.2螺旋傳動的設(shè)計(jì)和選材螺桿傳動時(shí)支撐的結(jié)構(gòu)會受剛度影響。當(dāng)螺桿的形狀短粗，且垂直布置時(shí)，力傳遞的提升和螺桿、螺母可作為支撐結(jié)構(gòu)用。當(dāng)螺桿的形狀細(xì)長且水平布置時(shí)，應(yīng)在螺桿的中間部位加上支撐點(diǎn)，這樣可以提高螺桿的剛性。絲杠和螺母的材料要求有高耐磨性、高強(qiáng)度性，也需要具有良好的切削性、便于制造。表4.1 絲杠與螺母常用的材料4.2.3絲杠的受力計(jì)算與尺寸確定（1）直徑確定保證螺母受到的力均勻，螺母螺紋通常的工作圈數(shù)取=1.22.5，本文取=2。螺桿材料用 45 鋼，螺母材料為青銅。根據(jù)公式： （4.1）上式中：；許用應(yīng)力為，取。代入計(jì)算得：;梯形螺紋的標(biāo)準(zhǔn)，所以螺紋公稱直徑為，螺距，升角y為3.87，當(dāng)量摩擦角為5.91。（2）螺桿強(qiáng)度計(jì)算運(yùn)用第四強(qiáng)度理論公式計(jì)算危險(xiǎn)截面的應(yīng)力： （4.2）扭矩： （4.3）y螺紋中徑處升角；當(dāng)量摩擦角；45鋼的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)，取3。 （4.4）故有： 上述參數(shù)滿足要求。（3）計(jì)算臨界載荷：查手冊表1-6，E取200GP。I= （4.5）因此：FC= （4.6）（4）自鎖性驗(yàn)算自鎖條件是 式中：為螺紋中徑處升角；為當(dāng)量摩擦系數(shù)： （4.7）螺紋工作面的牙形斜角；當(dāng)量摩擦角。查表得（取起動時(shí)計(jì)算用最大值）故所以自鎖性可保證。表4-2 螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)fV4.2.4絲杠螺母螺紋牙強(qiáng)度絲杠傳動機(jī)構(gòu)中，螺母零件的強(qiáng)度較低，而螺紋牙的失效形式主要是剪切和擠壓破壞，只需要對螺母螺紋牙的強(qiáng)度進(jìn)行校核。圖4.4 絲桿螺母螺紋牙的計(jì)算如下：螺紋牙危險(xiǎn)截面的剪切強(qiáng)度： ；螺紋牙危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度： 。牙根的厚度，且螺紋大徑；彎曲力, 梯形螺紋：，4.2.5軸承的選型選擇軸承需要考慮以下幾個(gè)因素：（1）允許空間；（2）載荷大小和方向；（3）軸承工作時(shí)的轉(zhuǎn)速；（4）軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)精度；（5）軸承的剛性；（6）軸承的軸向游動。本設(shè)計(jì)選用深溝球軸承，型號為。查得軸承的額定動載荷是以、可靠度為為依據(jù)的。軸承基本額定壽命L10為：C1=PL10 L10=(C/P)106r軸承工作轉(zhuǎn)速為，可求出額定壽命： （4.8）應(yīng)取， 是軸承的預(yù)期使用壽命。軸承的當(dāng)量動載荷 和預(yù)期使用壽命 ，可求出額定動載荷 ，它與所用的軸承型號的 值滿足： （4.9）故所選軸承滿足要求。4.3 旋轉(zhuǎn)手臂的設(shè)計(jì)4.3.1 手臂機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)手臂是在具有負(fù)載和速度下移動的。在設(shè)計(jì)中，遵循以下原則：（1）關(guān)節(jié)軸需要相互平行。（2）機(jī)械臂選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要符合機(jī)械手運(yùn)動空間的要求。（3）機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和材料的重量應(yīng)盡量最小，選擇輕質(zhì)的材料，這樣可以提高機(jī)械手的精度（4）機(jī)械手的機(jī)械臂要盡量的平衡重量。（5）機(jī)械臂需要具備具有緩沖能力的接頭限位開關(guān)和機(jī)械限位塊。結(jié)構(gòu)如圖4.5所示。圖4.5 手臂三維圖回轉(zhuǎn)氣缸和導(dǎo)向頭的進(jìn)排氣通道固定不動，但是缸體可以相對轉(zhuǎn)動。由氣缸蓋、缸體、活塞和活塞桿組成回轉(zhuǎn)氣缸。當(dāng)回轉(zhuǎn)氣缸運(yùn)動時(shí)，外力驅(qū)動氣缸體、氣缸蓋和導(dǎo)向頭轉(zhuǎn)動，而活塞和活塞桿只能用于往返直線運(yùn)動。圖4.6 回轉(zhuǎn)氣缸 機(jī)械臂上的手爪對螺栓進(jìn)行裝配的動作，即機(jī)械手先夾緊需要裝配的螺栓，機(jī)械臂經(jīng)過一系列運(yùn)動，將螺栓放置在螺栓孔匹配位置，然后通過手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動將螺栓擰入到螺栓孔內(nèi)；此時(shí)，機(jī)械手爪在把螺栓松開，然后機(jī)械臂在進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)動作。這一系列的工作過程中，機(jī)械手的夾緊采用手爪氣缸，手腕的旋轉(zhuǎn)采用伺服電機(jī)驅(qū)動。圖4.7 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)圖4.3.2手臂旋轉(zhuǎn)氣缸的計(jì)算與選型手臂繞立柱上部的銷軸轉(zhuǎn)動，這里考慮計(jì)算旋轉(zhuǎn)力矩與慣性力矩作用，需要保證力矩的平衡，按如下公式計(jì)算：得 ； （4.10） 整理得： （4.11） 運(yùn)動件的總重力； 重心到支撐點(diǎn)的距離 支撐點(diǎn)到重心的長度; 當(dāng)量摩擦系數(shù)。導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算手臂慣性力的計(jì)算：本設(shè)計(jì)要求手臂平動是，設(shè)啟動時(shí)間，啟動速度V=V=， 氣壓缸的工作壓力小于，采用型密封圈，。密封的摩擦阻力為：計(jì)算出氣壓缸的驅(qū)動力：5 手腕及手爪設(shè)計(jì)5.1 腕部的設(shè)計(jì)要求（1） 腕部的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕；（2） 結(jié)構(gòu)考慮合理布局；（3） 必須考慮工作條件。5.2 腕部的結(jié)構(gòu)（1） 自由度為1的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。回轉(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定。（2） 齒條活塞驅(qū)動式的腕部結(jié)構(gòu)。（3） 自由度為2的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中手腕的回轉(zhuǎn)角度是，腕部結(jié)構(gòu)可以選擇為自由度為1的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)。5.3 腕部的計(jì)算機(jī)械手可抓取的重物最大為，手腕可以回轉(zhuǎn)。腕部所需要的力矩，腕部的摩擦力矩。5.3.1 腕部的驅(qū)動力矩計(jì)算計(jì)算力矩：（1） 液壓缸轉(zhuǎn)動件近似一個(gè)圓柱，它的高為，直徑摩擦力矩。當(dāng)電機(jī)啟動時(shí)腕部轉(zhuǎn)過的角度為，等于。 （5.1）轉(zhuǎn)動慣量：代入數(shù)值得： 5.3.2 腕部驅(qū)動力的計(jì)算 表液壓缸的內(nèi)徑系列 （mm）設(shè)定腕部部分尺寸：根據(jù)表設(shè)缸體內(nèi)空半徑，外徑依表選澤，這是液壓缸壁最小厚度，其外徑為；動片寬度,輸出軸 .如圖5-1所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力：，選擇8Mpa圖5.1 腕部液壓缸的剖截面圖 表 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）5.3.3 液壓缸蓋的螺釘設(shè)計(jì)表 t與P之間的關(guān)系缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算，在螺釘?shù)倪B接中，每個(gè)螺釘承受的拉力應(yīng)為： （5.2）因此：液壓缸,所以螺釘,試選擇8個(gè)螺釘，所以螺釘數(shù)目選擇合適 Z=8 危險(xiǎn)截面有： (5.3) 所以 螺釘?shù)牟牧峡梢赃x擇，（）直徑： （5.4）因此直徑d=16mm.設(shè)計(jì)中選擇了自由度為1的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。對腕部回轉(zhuǎn)力與回轉(zhuǎn)缸連接螺釘?shù)闹睆竭M(jìn)行了計(jì)算。5.4手部結(jié)構(gòu)技術(shù)要求目前，根據(jù)工件的形狀及要求，工業(yè)中選用的手部機(jī)構(gòu)有多種，最常用的有爪型和吸氣型。選用不同的手機(jī)構(gòu)，夾緊力的大小也是不同的。通過立柱與懸臂之間銷軸的連接作用，手臂末端的手爪要求先夾緊螺栓，在繞手腕關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)，如圖5.3所示，腕關(guān)節(jié)通過獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動，繞組自身軸線旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)螺栓的擰緊。圖5.2 手結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)中機(jī)械手夾持的最大重量是250N,首先確定手爪夾取螺栓的尺寸是M10-M40，機(jī)械手爪可旋轉(zhuǎn)360度。根據(jù)上述中對機(jī)械手的要求，選用的是四桿機(jī)構(gòu)，如圖5.3所示。圖5.3 機(jī)械手的三維結(jié)構(gòu)圖根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求，以下圖5.4是螺栓裝配機(jī)械手的三維圖。圖5.4 螺栓裝配機(jī)械手三維6.結(jié)論畢業(yè)設(shè)計(jì)可能是我們大學(xué)生活的最后一次作業(yè)，本著一絲不茍的精神態(tài)度來完成了此次的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中首先對機(jī)械手的定義，發(fā)展及它的應(yīng)用，并對機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)進(jìn)行介紹。螺栓裝配機(jī)械手作為工業(yè)機(jī)械手中的重要研究對象，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)裝配線中，有效地完成了螺栓的裝配及其部件的組裝。根據(jù)任務(wù)書的要求我設(shè)計(jì)一款用于自動抓取并完成螺栓裝配的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。確定了設(shè)計(jì)中機(jī)械手采用直角坐標(biāo)式和圓柱坐標(biāo)式結(jié)合的方案，確定為4自由度，機(jī)械手的驅(qū)動方式采用步進(jìn)電機(jī)與同步帶驅(qū)動，采用絲杠機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其移動及升降運(yùn)動，采用回轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)行，并對滑軌，機(jī)械手手爪執(zhí)行機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型。本次設(shè)計(jì)過程中不僅僅是對螺栓裝配機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，還學(xué)到了很多新的知識，遇到了機(jī)械手其它方面的很多問題，在今后的工作學(xué)習(xí)中還得加以學(xué)習(xí)。通過平常在課堂中學(xué)到的CAD與SolidWorks的知識，讓我在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)畫圖模塊中得以應(yīng)用。還讓自己悟到了需要加強(qiáng)這些軟件的練習(xí)。在計(jì)算選型時(shí)，由于對公式的不熟悉造成了很大的困擾，我借助互聯(lián)網(wǎng)與圖書館的資源查閱了大量相關(guān)機(jī)械手的資料，并得到老師的指導(dǎo)與建議，再結(jié)合自己大學(xué)所學(xué)的專業(yè)知識和同學(xué)的幫助使自己完成了本次設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1 王世偉，自抗擾控制器參數(shù)整定方法研究及其在螺栓裝配機(jī)械手中的應(yīng)用D. 蘭州交通大學(xué)碩士論文. 2015.2 舒志斌,謝福亮,鄭之開.專用機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析J.南京工業(yè)大學(xué),2013.3 張博,圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.北京大學(xué)工程訓(xùn)練中心,2014.4 汪新中.平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人擰螺釘手抓的研究J.機(jī)電工程,2015,25(9):18-20.5 楊育林,包倩倩,段昌生,趙楠楠. 車輪裝配機(jī)械手氣動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J. 制造技術(shù)與機(jī) 床,2017,(08):131-134.6 郭洪武.淺析機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展趨勢D.山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公司，2012.7 趙云偉,耿德旭.氣動柔性五指機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)及抓持能力 J. 機(jī)器, 2014,36(2):171-178.8 張兆陽. 一種適合狹窄空間下零部件裝配機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究D.燕山大學(xué),2013.9 陳國良,黃心漢,周祖德.微型裝配機(jī)器人系統(tǒng)J.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,45(2):288-293.10 羅璟,劉克定,陶湘廳等.工業(yè)機(jī)器人的控制策略探討J.機(jī)床與液壓,2016,36(10):95-100.11 楊帥,鄒智慧.多自由度工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的研究J.制造業(yè)自動化,2013, 35(5):117-121.12 陶珍軍, 陳坤, 螺栓裝配自動化的關(guān)鍵技術(shù)研究J. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014, 22 (4):36-39.13 李玉航,梅江平,劉松濤等. 一種新型 4 自由度高速并聯(lián)機(jī)械手動力尺度綜合J.機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2014,50(19):32-40.14 Alexander 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Mechanism and Machine Theory, 2015, 85(12):64-81.附錄1：外文翻譯機(jī)械手的機(jī)械和控制系統(tǒng)摘要: 最近，全球內(nèi)帶有多指夾子或手的機(jī)械人系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來了，多種方法應(yīng)用其上，有擬人化的和非擬人化的。不僅調(diào)查了這些系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu),而且還包括其必要的控制系統(tǒng)。如同人手一樣，這些機(jī)械人系統(tǒng)可以用它們的手去抓不同的物體，而不用改換夾子。這些機(jī)械手具備特殊的運(yùn)動能力（比如小質(zhì)量和小慣性），這使被抓物體在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)做更復(fù)雜、更精確的操作變得可能。這些復(fù)雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉(zhuǎn)。本文概述了這種機(jī)械手的一般設(shè)計(jì)方法，同時(shí)給出了此類機(jī)械手的一個(gè)示例，如卡爾斯魯厄靈巧手。本文末介紹了一些新的構(gòu)想，如利用液體驅(qū)動器為類人型機(jī)器人設(shè)計(jì)一個(gè)全新的機(jī)械手。關(guān)鍵詞：多指機(jī)械手；機(jī)器人手；精操作；機(jī)械系統(tǒng)；控制系統(tǒng)1. 引言 2001年6月在德國卡爾斯魯厄開展的“人形機(jī)器人”特別研究，是為了開發(fā)在正常環(huán)境（如廚房或客廳）下能夠和人類合作和互動的機(jī)器人系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這些機(jī)器人系統(tǒng)是為了能夠在非專業(yè)、非工業(yè)的條件下（如身處多物之中），幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時(shí)，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強(qiáng)的靈活性只能通過一個(gè)適應(yīng)性極強(qiáng)的機(jī)械人手抓系統(tǒng)來獲得，即所謂的多指機(jī)械手或機(jī)器人手。上文提到的研究項(xiàng)目，就是要制造一個(gè)人形機(jī)器人，此機(jī)器人將裝備這種機(jī)器人手系統(tǒng)。這個(gè)新手將由兩個(gè)機(jī)構(gòu)合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學(xué)的IPR（過程控制和機(jī)器人技術(shù)研究院）和c（計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)研究院）。這兩個(gè)組織都有制造此種系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但是稍有不同的觀點(diǎn)。IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手（如圖1所示），是一個(gè)四指相互獨(dú)立的手爪，我們將在此文中詳細(xì)介紹。IAI制造的手（如圖17所示）是作為殘疾人的2.機(jī)器人手的一般結(jié)構(gòu)一個(gè)機(jī)器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)又可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進(jìn)一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。我們將對這兩大子系統(tǒng)的問題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手演示一下。3.機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)將描述這個(gè)手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動器（如電動機(jī)）、傳感器（如位置編碼器）的位置。3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將對機(jī)械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類型的物體以及能對被抓物體進(jìn)行何種操作。設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人手的時(shí)候，必須確定三個(gè)基本要素：手指的數(shù)量、手指的關(guān)節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。 為了能夠在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠?qū)Ρ蛔ノ矬w的操作獲得6個(gè)自由度（3個(gè)平移和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度），每個(gè)手指必須具備3個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是，為了能夠重抓一個(gè)物件而無需將它先釋放再拾取的話，至少需要4根手指。 要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機(jī)器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個(gè)手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費(fèi)用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，因?yàn)槊總€(gè)手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置，常采用非擬人化方法。因?yàn)橹恍杓庸ず蜆?gòu)建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費(fèi)用，同時(shí)也可是控制系統(tǒng)簡化。3.2 驅(qū)動系統(tǒng) 指關(guān)節(jié)的驅(qū)動器對手的靈活度也有很大的影響，因?yàn)樗鼪Q定潛在的力量、精度及關(guān)節(jié)運(yùn)動的速度。機(jī)械運(yùn)動的兩個(gè)方面需加以考慮：運(yùn)動來源和運(yùn)動方向。在這方面，文獻(xiàn)里描述了有幾種不同的方法，如文獻(xiàn)3中說可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運(yùn)動，或者，正如大部分情況一樣使用電動機(jī)。在多數(shù)情況下，運(yùn)動驅(qū)動器（如電機(jī)）太大而不能直接與相應(yīng)的指關(guān)節(jié)結(jié)合在一起，因此，這個(gè)運(yùn)動必須由驅(qū)動器（一般位于機(jī)器臂最后的連接點(diǎn)處）轉(zhuǎn)移過來。有幾種不同的方法可實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動方式，如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅(qū)動指關(guān)節(jié)的方法，或多或少地降低了整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度和精度，同時(shí)也使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，因?yàn)槊扛种傅牟煌P(guān)節(jié)常常是機(jī)械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨(dú)立控制。由于具有這些缺點(diǎn)，因此小型化的運(yùn)動驅(qū)動器與指關(guān)節(jié)的直接融合就顯得相當(dāng)必要。3.3 傳感系統(tǒng)機(jī)器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個(gè)閉環(huán)控制是很必要的。在機(jī)器手中使用了3種類型的傳感器： 1）手爪狀態(tài)傳感器確定指關(guān)節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會打破它。 2）抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺信息可在抓取過程中及時(shí)確定與物體第一次接觸的位置點(diǎn)，同時(shí)也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。3）物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測是否滑落。根據(jù)不同的驅(qū)動系統(tǒng)，有關(guān)指關(guān)節(jié)位置的幾何信息可以在運(yùn)動驅(qū)動器或直接在關(guān)節(jié)處出測量。例如，如在電動機(jī)和指關(guān)節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機(jī)軸上的一個(gè)角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測量關(guān)節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或者要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。3.4卡爾斯魯厄靈巧手的機(jī)械系統(tǒng)為了能夠獲得如重抓等更加復(fù)雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手（KDH）由4根手指組成，且每根手指由3個(gè)相互獨(dú)立的關(guān)節(jié)組成。設(shè)計(jì)該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個(gè)相同手指，將它們作對稱、非擬人化配置，且每個(gè)手指都能旋轉(zhuǎn)90（圖4所示）。鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設(shè)計(jì)中得到的經(jīng)驗(yàn)，比如因傳動帶而導(dǎo)致的機(jī)械問題以及較大摩擦因數(shù)導(dǎo)致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手采用了一些不同的設(shè)計(jì)決策。每根手指的關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3之間的直流電機(jī)被整合到手指前部肢體中（圖5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運(yùn)動傳遞到手指的關(guān)節(jié)處。處在電機(jī)軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時(shí)可作為一個(gè)精度很高的位置狀態(tài)傳感器。 為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個(gè)六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個(gè)傳感器可當(dāng)作手指末端肢體使用，且配有一個(gè)球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時(shí)也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測量X、Y和Z方向的力及繞相關(guān)軸的力矩。另外，3個(gè)共線的激光三角測量傳感器被安置在KDH的手掌上（圖5所示）。因?yàn)橛?個(gè)這樣的傳感器，因此不僅可以測量3單點(diǎn)之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率為1kHz，它能檢測和避免物體的滑落。4. 控制系統(tǒng)機(jī)器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實(shí)際利用，這些技能都是由機(jī)械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計(jì)算機(jī)即硬件和控制算法即軟件?？刂葡到y(tǒng)必須滿足以下幾個(gè)的條件：1) 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，具有9個(gè)自由度的低級手，其驅(qū)動器至少需要9路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個(gè)手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號好倍。2) 需具備對外部事件快速實(shí)時(shí)反應(yīng)的能力。例如，當(dāng)檢測到物體滑落時(shí)，能立即采取相應(yīng)的措施。3) 需具備較高的計(jì)算能力以應(yīng)對一些不同的任務(wù)。如可以對多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及閉環(huán)控制等任務(wù)。4) 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠?qū)⑵渲苯蛹傻讲僮飨到y(tǒng)當(dāng)中。5) 在控制系統(tǒng)與驅(qū)動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。4.1 控制硬件為了應(yīng)對系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個(gè)專門的處理器中。如可通過一個(gè)簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達(dá)和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計(jì)算能力，且需要一個(gè)靈活實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC機(jī)輕易地解決。因此，控制硬件常由一個(gè)非均勻的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個(gè)功能強(qiáng)大的處理器。不同的計(jì)算單元?jiǎng)t通過一個(gè)通信系統(tǒng)連接起來，比如總線系統(tǒng)。4.2 控制軟件機(jī)器人手的控制軟件是相當(dāng)復(fù)雜的。必須對要對手指進(jìn)行實(shí)時(shí)及平行控制，同時(shí)還要計(jì)劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復(fù)雜性，就有必要將此問題分成幾個(gè)子問題來處理。另一方面涉及軟件的開發(fā)。機(jī)器人手其實(shí)是一個(gè)研究項(xiàng)目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設(shè)施都必須十分強(qiáng)大和靈活。這些只能使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機(jī)械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過了修剪，以滿足機(jī)械手的特殊控制要求。4.3卡爾斯魯厄靈巧手的控制系統(tǒng)如在4.1節(jié)中