五自由度机械手臂设计说明书.docx
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五自由度机械手臂设计说明书
五自由度机械手臂设计
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5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。
我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。
典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合项目的要求，设计了机械手爪，可用于搜索、抓取水下管件、缆线等细长物体，也可用于抓取其它形状的物体，具有一定的通用性。
机器人能自动控制，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。
由于是根据课题任务而研制出的最实用、最经济的机器手臂，所以在机械手臂的自主化和智能化方面有所欠缺。
一种小型的、用与水下操作的五自由度机械手臂。
该机械手臂主要由说手爪、腕、小臂、大臂和基座组成。
同吋用Solidworks对其进行了三维建模。
关键词：
机器人；机械手臂；Solidworks;三维建模
Abstract
About20inthelastyears,therobottechniquedevelopsveryquicklyandtherobotofvarioususeextensivelyacquiresanapplicationineachreaIm・Ourcountry'sresearchandappIiedaspectandindustriaIizationnationintherobotcomparetostillhaveacertainmargin,soresearchanddesigntherobotespeciallyindustrialrobotofvarioususeandexpandtheapplicationofrobottohavereaIisticmeaning.
TheindustrialrobotoftypicalmodeIforexampIeweIdrobot,spraypaintrobotandassembIerobot'setc.mostlyisfixedintheproductionlineorprocessanequipmentsafIankhomework,inmakingrefereneetothefoundationofagreatdeaIofculturalheritagedata,thethisthesisauthorcombinestherequestofitem,designedamachinehandcIaw,canusedforsearch,grabbingatunderwatertubepiece,cabIe・・・etc.thinlongobject,canaIsousedfortheobjectwhichgrabsatothershapes,havecertainingeneraIuse・TherobotcanautomaticaIIycontroI,multi-function,thereisafewfreedomdegree,canfixorexercise,usedforareIatedautomationin・InviewofthefactaccordingtotopicmissiondevelopthemostpracticaIthemosteconomicmachinearmof,sointhemachinearmoftheindependenceturntoturnaspecttohaveaIackwithinteIIigenee.
AkindofsmaIIseaIed,usewiththemachinearmoffivefreedomdegreesofunderwateroperation・TheSolidworksinthemearitimeastoit'scarryon3Dsetupamold・Keywords:
robot;machinearm;Solidworks:
3DmodeIing
前言1
1机器人的综合槪述2
1.1机器人的分类2
1.2机器人系统的结构3
1.3机器人的执行装置5
1.4本课题的研究方向与容5
1.4.1机械臂的作业能力5
1.4.2本设计的研究容6
1.5本章小结6
2机械臂的设计7
2.1手爪的运动结构分析8
2.2自动对接腕的动作分析8
2.3大臂、小臂和腕的机构分析10
2.4驱动器的选用14
2.5本章小结16
3五自由度机械臂机构及运动学模型简介17
3.1五自由度机械臂机构简介17
3.2机器人运动学方程的表示18
3.2.1机械臂的运动分析18
3.2.2机械臂的综合运动轨迹研究19
3.2.3五自由度机械臂的运动学方程21
3.3机械手臂运动学方程的逆解25
3.4本章小结29
4机械臂的建模30
4.1虚拟设计的槪念、意艾及特点30
4.1.1虚拟设计的意义30
4.1.2虚拟设计的概念31
4.1.3虚拟设计的特点31
4.1.4虚拟设计技术的发展状况31
4.2Solidworks零件的创建方法32
4.3机械臂装配43
4.4本章小节44
5经济性分析45
6结论46
参考文献4850
前言
世界上机器人工业萌芽于50年代的美国，经过40多年的发展，已被不斷地应用于人类社会很多领域，正如计算机技术一样，机器人技术正在日益改变着我们的生产方式，以至今E的生活方式。
我们有必要以极大的兴趣关注它的发展，研究它的未来，迎接它给我们带来的机遇。
进入90年代，世界机器人工业继续稳步增长，每年增长率保持在10%左右，世界上已拥有机器人数量达到70万台左右，1992、1993年世界机器人市场曾一度出现小的低谷，近年除日本外，欧美机器人市场也开始复，并日益兴旺。
与全球机器人市场一样，中国机器人市场也逐渐活跃，1997年上半年，我国从事机器人及相关技术产品研制、生产的单位已达200家，研制生产的各类工业机器人约有410台，其中已用于生产的约占3/4o目前全国约有机器人用户500家，拥有的工业机器人总台数约为1200台，其中从40家外国公司进口的各类机器人占2/3以上，并每年以100〜150台的速度增加。
进入''九五”计划第一年—些大型工厂、公司正在调整机器人的应用和发展策略，由应用机器人大户转向成为开发机器人大户，力求推进中国机器人的产业化。
第一汽车集团公司是我国最早的机器人用户之一，已在其汽车生产线上应用了20多台机器人，“八五”期间开发了2台高功能点焊机器人，此外还在进一步开发弧焊、打磨、涂胶等机器人。
东风汽车集团公司是我国第一条国产机器人喷涂生产线应用单位，1996年在引进德国KUKA公司90年代机器人技术的基础上，用KUKA散件组装成功点焊机器人，即将投产，1997年又引进KUKA公司的焊装线，用于驾驶室焊装并做工程应用研究。
第二机床厂在与美国ISI机器人公司等合作完成了第一条冲压自动生产线后，又自行开发了全自动薄板冲压生产线，并投入应用。
1996年首钢集团公司与日本安川电机（株）、岩谷产业（株）合资成立首钢莫托曼机器人，引进日本安川公司的产品和技术，生产和销售各类工业机器人，预计生产能力可达800台/年，年销售额可达4.6亿元。
在国大公司、大企业纷纷发展机器人产业的同时，国的科研院所、高校在工业机器人的研制和发展中也取得了长足的进步，尤其是一些领先的机器人科研生产单位。
机器人技术涉及生物学、力学、机械学、电气液压技术、自控技术、传感技术和计算机等学科领域，是一门跨学科的综合技术。
而机器人机构学乃是机器人的主要理论基础和关键技术，也是现代机械原理研究的重要容。
1机器人的综合概述
机器人的定狡处在不断发展变化之中。
美国机器人人协会（RIA）认为，机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或者专用装置，通过可编程序动作来执行各种任务，并且具有编程能力的多功能机械手（Manipulator）o日本工业机器人协会（JIRA）认为，工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器（EndEffector）,能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。
国际标准化组织（ISO）给出的定义是，机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行多种任务。
所以现在普遍认为机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能、可以代替人完成特定任务的一种自动化机电装置。
机器人技术的快速发展，为机器人学的建立奠定了基础。
机器人学时综合运用数学、力学、机械、电子、计算机、自动控制、人工智能等多学科知识，对机器人的体系结构、机构、控制、智能、传感、编程语言以及机器人应用等进行研究的一门综合新兴交叉学科。
本章重点在于对机器人的基本特征进行分析，研究其特点及其分类形式并按不同分类方法对其进行分类，进一步研究机器人的机理。
1.1机器人的分类
关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，一般的分类方式如下：
1）操作型机器人
能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。
2）程控型机器人
能按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。
3）示教再现型机器人
通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。
4）数控型机器人
不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。
5）感觉控制型机器人
利用传感器获取的信息控制机器人的动作。
6）适应控制型机器人
机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。
7）学习控制型机器人
机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所"学”的经验用于工中。
8）智能机器人
以人工智能决定其行动的机器人。
我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。
所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。
而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：
服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。
在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋妙，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。
目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：
制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。
1.2机器人系统的结构
一个机械人系统，一般由下列四个互相作用的部分组成：
机械手、环境、任务和控制器，如图1.1所示：
图1.1.机器人系统结构图
Fig.1.1Thestruetureoftherobotsystem
机械手是具有传动执行装置的机械，它由臂关节和末端执行装置（工具等）构成,组合为一个互相连接和互相依赖的运动结构。
机械手用于执行指定的作业任务。
不同的机械手具有不同的结构类型。
在一些文献中，称机械手为操作机、机械臂或操作手。
大多数机械手是具有几个自由度的关节式机械结构。
一般具有六个自由度。
其中，头三个自由度引导夹手装置至所需位置，而后三个自由度用来决定末端执行装置的方向。
环境既指机器人所处的周围环境。
环境不仅由几何条件（可达空间）所决定，而且由环境和它所包括的每个事物的全部自然特性所决定。
机器人的固有特性，由这些自然特性及其环境间的互相作用所决定。
我们把任务定狡为环境的两种状态（初始状态和目标状态）间的差别。
必须用适当的程序设计语言来描述这些任务，并把他们存入机器人系统的控制计算机中去。
这种描述必须能为计算机所理解。
随着所用系统的不同，语言描述方式可为图形的、口语的（语音的）或书面文字的。
计算机是机器人的控制器或脑子。
机器人接收来自传感器的信号，对之进行数据处理，并按照预存信息、机器人的状态及其环境情况等，产生出控制信号去驰动机器人的各个关节。
1・3机器人的执行装置
机械手是机器人的重要组成部分，它能模仿人手的动作，完成各种各样的工作。
机械手由手臂和手爪组成。
工业机器人的手爪主要有钳爪式、磁吸式、气吸式三种。
钳爪式的手爪与人手最为相似，它具有两个、三个或多个机械手指，能抓取不同形状的物体；电離式吸附手爪是靠通电线圈产生的电嫌力吸住物体的，像濮铁能吸住铁钉等金属一样；气吸式手抓则靠大气压力把吸附头与物体压在一起，实现物体的抓取。
机械手正在工业生产的各个领域大显身手。
它们被用于搬运物品、装卸材料、组装睿件等，或握住不同的工具，完成不同的工作，如：
让机械手握住焊枪，可进行焊接；握住喷枪，可进行喷漆。
而且让机械手处理高温、有毒产品等，它比人手更能适应工作。
机器人技术发展到智能化阶段，机械手也越来越灵巧了，它们已能完成握笔写字、弹奏乐器、抓起鸡蛋、甚至穿针引线等精细复杂的工作。
本设计的任务是研制适用水下作业的机械臂装置。
1.4本课题的研究方向与容
本课题主要是围绕着当前世界上比较关注的话题——机器人来展开的，并针对机器人的执行装置，更深一步的研究，设计一种适用于水下作业的五自由度的机械手臂。
1.4.1机械臂的作业能力
1）机械臂的坐标形式和自由度
坐标形式：
关节式坐标形式
自由度：
5个
2）抓举重量:
10Kg
3）手爪开合度：
有效夹持长度：
95mm
有效夹持宽度：
85mm
4）安全围
以底座中心为圆心，正前方半径2m,±905扇区：
运动速度：
0.1m/s
5）定位精度
位置精度：
3cm
重复精度：
2cm
1.4.2本设计的研究容
1）根据移动机构的移动能力指标，比较现有移动机构的性能特点，确定移动机构的最佳移动方式。
2）设计一个5自由度关节式机械臂。
3）对机械臂进行运动学分析。
4）对机械臂进行运动学与动力学分析。
1.5本章小结
本章主要讲了机器人的发展进程、分类、机器人系统的结构和机器人的执行装置——机械手臂。
作者系统学习了机器人技术的知识，查阅了大量的文献资料，对国外机器人，主要是工业机器人的现状有了比较详细的了解。
并对本课题的研究方向及容给予了系统的诠释。
2机械臂的设计
机械臂从肩部到手部的部件规格及质量依次递减，这有利于机器人的稳定性。
大臂和小臂釆用中空型结构，这种结构不仅抗弯扭能力强。
而且重量轻。
如图2-1所示的是机械手臂。
手爪腕小臂大臂基座
///
图2.1•机械手臂
Fig・2.1ThemechanicaIarm
机械手臂的设计构想是以人的手为基础，以机械形式来实现人的动作，它的动作由以下五部分来实现：
1）肩的前后动作。
2）大臂回转关节的动作。
3）肘的上下动作。
4）小臂回转关节的动作。
5）腕（手）的璇转动作
驱动-传动机构与执行机构是相辅相成的，在驱动系统中可以分：
机械式、电气式、液压式和复合式，其中液压操作力最大。
机械手臂由5自由度机械臂与夹钳式手爪构成。
机械臂有三个典型关节，肩关节，肘关节及腕关节，在肩关节与肘关节之间为大臂，肘关节与腕关节之间为小臂，与肩关节下端相连的是一使整个机械臂回转的大臂回转关节，在肘关节与腕关节之间有一使小臂回转的回转关节。
该机为液压驱动的主从随动及示教再现式操作机械手。
有5个自由度，除腕部回转关节的液压马达外，其余动力部件为伺服液压缸。
2.1手爪的运动结构分析
在水下作业中，机械手起着重要的作用，如完成水下物体上的安装和修理、沉船打捞、物体的抓取、转移、水下对接等作业，都需要水下机械手的参与。
由于水下环境的限制，水下机械手的手爪结构都较为简单，通常只有一个自由度。
本文设计了一种二指机械手爪，该手爪可上下开合以完成对水下物体的抓取。
如图2.2:
Fig・2.2Thegripper
如图部件1向右侧夥动，牵动零件2小连杆移动，零件2小连杆带动零件3连杆分别向上下两侧移动，使外连杆带动零件4向上下移动，实现手爪的开过程。
在手爪开的状态下，部件1向左侧移动，牵动零件2小连杆移动，零件2小连杆带动零件3连杆同时向中间務动，使外连杆带动零件4同时向中间移动，实现手爪的合过程，同吋夹紧物体。
2.2自动对接腕的动作分析
水下作业机械手和水下作业工具的对接系统由液压自动对接腕和为工具提供动力的油路系统组成。
液压自动对接腕是机械手的手腕，是机器人在水下自动换接作业工具的关键部件。
水下作业工具需完成不同的动作，如，夹持器、切割器等需要直线运动，而冲击钻.冲击扳手则需要回转运动。
每把工具都要有自己的驱动部件，液压缸或液压马达等，因此，液压自动对接腕需要具备两个功能：
1）机械对接功能，即与工具配合，实现机械手和工具的联接。
2）油路对接功能，即使机械手上的油源通过对接腕与工具上的油缸接通，为工具提供动力，这一功能靠安在对接腕上的油路自封接头（凸对接头）。
除了凸对接头外，要实现油路对接，还需要工具上与之相配合的油路自封接头（凹对接头）。
图2.3.液压自动对接腕截面分布示意图
Fig・2.3AutomateddockingwristhydrauIicschematiccross-sectiondistribution
Fig.2.4Thelocking,body-orienteddiagram
机械对接机构集中在液压自动对接腕上，包括锁紧机构和导向机构。
如图2-3和图2-4所示，液压自动对接腕上的锁紧机构有三个锁紧油缸，液压油缸突出的活寒杆为锁紧销，与工具上三个对应的孔配合实现锁紧。
锁紧油缸的驱动油路可以设计成两种：
1）活寒分开的两腔都通油路，使锁紧销两个方向的动作都由油路控制。
2）其中一腔通油路，另一腔设置一个弹簧，不通油路，这样锁紧销向一个方向的动作由油路控制，向另一个方向的动作由弹簧完成。
锁紧销相当于一个双作用油缸的活寒杆，因此其锁紧和脱开均由液压力来驰动。
这种结构优点是锁紧和缩回时出力较大。
对接实验中经常会发现，手腕和工具对接到还差3mm至4mm时就不能继续对接了，此时，由于工具上与锁紧销对应的孔有一定的锥度，当伸出三个缩紧销，锁紧销很大的力会使锁紧销沿着工具上孔的锥面进入孔，从而使手腕和工具完全对接上。
机械手携带工具作业完成返回到工具库锁紧销缩回，工具库下降，工具与机械手脱离。
但是由于工具很重，销与孔之间有一定的压力，会在锁紧销与工具、锁紧缸端盖之间产生磨擦力，液压动力的锁紧销缩回力很大，能够满足。
2.3大臂、小臂和腕的机构分析
具有位置控制功能的水下作业机械手，一般常用液压伺服系统来进行驱动，主要原因是因为它具有体积小、重量轻、惯性小以及出力大等突出的优点。
液压执行元件选用液压缸比选用液压马达设计出的机械手结构紧凑、受力条件好，因此目前大多数水下作业机械手采用伺服阀控液压缸所构成的液压伺服系统。
肘关节与腕关节之间为小臂，肘关节与肩关节之间为大臂。
如图2-5所示：
小臂1大臂
2对称阀控对称阀控
单出杆液单出杆液
压缸压缸
因2・5・大臂、小臂
Fig.2.5Thegreatarm,forearm
液压缸分单出杆液压缸（即不对称缸）和双出杆液压缸（即对称缸）两种，由于目前商品化的伺服阀大都是四个节流窗口而积梯度相等的零开口对称阀，这样就出现两种不同形式的液压伺服系统，即对称阀控单出杆液压缸和对称阀控双出杆液压缸。
本文机械手的动力机构采用对称阀控单出杆液压缸的形式，由于单出杆液压缸两腔活寒面积不同，这使得它在两个相
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