2. 六自由度搬运机械手的结构设计
根据机械手的基本要求能快速、准确地拾起-放下搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任一位置都能自动定位等特征。设计原则是：充分分析作业对象（工件）的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺、并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对该机械手结构和运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转接和编程控制。本课题设计的是一种小型的多关节式六自由度机械手，能够满足相应的动作要求，并对一些小质量工件实现抓取、搬运等一些列动作。
2.1 六自由度搬运机械手的功能分析
该机械手系统共有6个自由度，分别为肩的回转与曲摆，大臂的曲摆，小臂的曲摆，手腕的曲摆与回转，以及手抓的回转。
该系统中基座固定，与基座相连的肩可以进行360度的回转；与肩相连接的大臂可以进行-90～+90度曲摆，与大臂相连接的小臂可以进行-90～+90度曲摆，大臂和小臂动作幅度较大，可以满足俯仰要求。手腕可以进行360度的旋转，手腕也可以完成-90～+90度的曲摆，末端的手爪部分可以-90～+90度夹持，手爪
部分通过一对齿轮的啮合转动，及其四杆机构完成手爪的开合，可以满足夹持工件的要求。
通过预先编好的程序，下载到单片机内，从而使该六自由度搬运机械手能独立的完成一套指定的搬运动作，并一直重复进行下去！
2.2 六自由度搬运机械手的坐标形式和自由度
2.2.1 六自由度搬运机械手的坐标形式
按机械手手臂的不同运动形式及组合情况，其坐标形式可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。
（1）直角坐标式机械手
直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或传送带配合使用的一种机
械手。它的手臂可以伸缩，左右和上下移动，按照直角坐标形式x、y、z三个方
向的直线运动，其工作范围可以是1个直线运动、2个直线运动或3个直线运动。如在x、y、z三个直线运动方向上各有A、B、C 3个回转运动，即构成了6个自由度。如图2-1所示，直角式坐标机械手具有以下优点：
①产量大、节拍短，能满足高速的要求。
②容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合。
③适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易改变。
④定位精度高，可以达到±0.5mm以下，载重变化时不会影响精度。
⑤易于实行数控，可于开环或闭环数控机械配合使用。
但是，直角坐标式机械手也有自身的缺点，这种机械手作业范围较小
图2-1 直角式坐标机械手
（2）圆柱坐标式机械手
圆柱坐标式机械手是应用最多的一种形式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好、结构简单、本体占用空间较小的特点。其动作范围可以分为：一个旋转运动、一个直线运动加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，如上图2-2所示：
图2-2 圆柱直角坐标式机械手
①圆柱坐标式机械手的基本动作
A. 手臂水平回转。
B. 手臂伸缩。
C. 手臂上下。
D. 手臂回转运动。
E. 手爪夹紧动作。
②圆柱坐标式机械手的特征
圆柱坐标式机械手的特征是垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可以做上下直线运动（z）和水平面内做圆弧状的左右摆动（Φ）。
（3）球坐标式机械手
球坐标式机械手是一种自由度较多、用途较广的机械手。它是由x、θ、Φ3
个方面的运动组成，如下图2-3所示：
图2-3 球坐标式机械手
图中：X—手臂伸缩θ—上下俯仰Φ—水平旋转θ1—手腕摆动
ω—手腕旋转
球坐标式机械手的工作范围包括一个旋转运动、两个旋转运动、两个旋转运动加一个直线运动。
①球坐标式机械手的基本动作
A.手臂上下运动，即俯仰运动。
B.手臂左右运动，即回转运动。
C.手臂前后运动，即伸缩运动。
D.手腕上下弯曲。
E.手腕左右摆动。
F.手腕旋转运动。
G.手爪夹紧运动。
H.机械手整体移动。
②球坐标机械手的特点
球坐标机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧上下俯仰运动，它的臂可以伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人手的动作相似。它的特点是能自动选择最合理的动作线路，所以工效高。另外，由于上下摆动，它的相对体积小。而动作范围大。以行程为203mm 的工作油缸为例，其手臂的上下移动距离就能达到2450mm。若采用圆柱坐标式则其高度就要达到2450mm。球坐标式机械手作业范围可以达到9m3，较其他形式约大3～5倍。
（4）关节式机械手
关节式机械手是一种适合于靠近机体操作的传动形式。它像人手一样有关节，可以实现多个自由度，动作比较灵活，适合于窄空间工作。早在20实际40年代，关节式机械手就在原子能工业中得到应用，随后又应用于海洋开发，有一定的发展前途。
关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动，见下图
2-4所示：
图2-4 关节式机械手
关节式机械手具有上肢结构，可以实现近似人手操作的机能，表2-1为关节式机械手与人体上肢动作角度对比：
表2-1：关节式机械手与人体上肢动作角度对比
为具有人手操作的机能，需要研制最合适的结构。关节式机械手的传动机构采用齿轮式、齿条式和摆动式。其传动机构采用哪一种形式，主要根据工件的轻重来决定。特别是靠近关节式前端的关节部位的重量对肩部影响很大。传动机构在承受负荷的同时必须承受自重，因此要合理进行其结构设计。
通常把传送机构的运动称为传送机构的自由度。人从手指到肩部共有27个自由度。而如将机械手的手臂也制成这样多的自由度，既有困难又不必要。从力学的角度分析，物件在空间只有6个自由度。因此为抓取和传送在空间不同位置和方位的物件，传送机构应具有6个自由度，三个沿x、y、z坐标轴的移动和三个沿x、y、z轴的转动。
2.2.2 六自由度搬运机械手的自由度
自由度是指机械手各运动部件在三维空间坐标轴上说具有的独立运动数。它的构成和工作范围概括如下：
（1）一个自由度
A.一个直线运动，构成直线。
B.一个旋转运动，构成曲线。
（2）两个自由度
A.两个直线运动，构成平面。
B.一个直线运动加一个在直线运动所在平面的旋转运动，构成平面。
C.一个直线运动加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，构成圆柱曲面。
（3）三个自由度
A.三个直线运动，构成立方体。
B.两个直线运动和一个旋转运动，构成圆柱体。
C.一个直线运动和两个旋转运动构成球体。
D.三个旋转运动，构成球体。
有上述可见，要达到空间任意一点，原则上需要3个运动轴，而把一件工具送到相应工件的一定位置时又需要3个运动轴。因此，一台通用机械手能够达到空间任意点，并将工具送到相对于工件的任意位置，最低限度需要6个运动轴，其中位置自由度为3个，姿态自由度为3个。
综合考虑，本课题设计采用多自由度关节式形式。相应的机械手具有6个自由度，包括：1.肩的旋转2.大臂的曲摆3.小臂的曲摆4.手腕的曲摆5.手腕的旋转6.手部的夹持。其整体结构简图，如下图2-5所示：
图2-5 关节式机械手结构简图
2.3 六自由度搬运机械手的手臂结构设计
2.3.1 六自由度搬运机械手的手臂作用
手臂一般有三个运动，包括伸缩、旋转和升降，实现旋转、升降运动主要由横臂和立柱完成。手臂的基本作用是将手爪移动到所需位置和承受手爪抓取工件的最大重量，以及手臂自身的重量。
2.3.2 六自由度搬运机械手的手臂组成
（1）运动元件，如：油缸、气缸、齿条、凸轮等是驱动手臂的主要运动部件。
（2）导向装置，是保证手臂运动的正确方向及承受由于工件的重量说产生的弯矩和扭矩的力矩。
（3）手臂，起着承接外力和连接的作用，手臂上的零部件，如：油缸、导
向杆、控制件都安装在手臂上。
2.3.3 六自由度搬运机械手的手臂设计要求
（1）该系统中手臂应承受能力较大，刚性好，自重轻
手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件的平稳性，运动的速度和定位精度。如果刚性差，则会引起手臂在垂直平面内弯曲变形或水平面内的扭转变形，手臂就会产生振动，或工作时工件卡死无法工作。因此，手臂一般都采用硬度高的材质来加大手臂的刚度，各支撑、连接件的刚性也有一定的要求，以保证能承受所需的驱动力。
（2）手臂的运动速度要适当，惯性要小
机械手的运动速度一般是根据产品的生产节拍要决定的，但是不要盲目追求高速。手臂由静止状态到达正常运动速度称为启动，由常速到停止不动为制动，其速度变化过程为速度特征曲线。手臂要满足自重轻，自身的惯性矩小，其启动和停止的平稳性就好。
（3）手臂动作要灵活
手臂的结构要紧凑小巧，才能使手臂运动轻快、灵活。此外，对于悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂的布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降和支撑中心的偏重力矩。偏重力矩对对手臂的运动不利，偏重力矩过大，会引起手臂的震动，在升降时还会发生一种沉头现象，会影响运动的灵活性，严重时手臂与立柱会卡死。所以在设计中要尽量使手臂重心通过回转中心，或者离回转中心尽量接近，以减小偏重力矩。对于双臂同时操作的机械，则应使两臂的分布尽量对称于中心，以达平衡。
（4）通用性强，能够适应多种作业；工艺性好，便于维修调整
以上的种种要求，有时往往相互矛盾，刚性好、载重大，结构往往粗大，增加手臂自重；转动惯量增加，冲击力就大，位置精度就越低。因此，设计手臂时，需要根据机械手抓取速度、自身重量、抓取重量、自由度、工作范围及机械手的整体布局和工作条件等各种因素考虑，以达到动作精准、可靠、灵活、结构紧凑、刚度大、自重小，从而保证一定的位置精度和适应快速动作。此外，对于热加工的机械手，还要考虑热辐射、手臂要较长，远离热源，并须装冷却装置。
综合考虑，确定其大臂和小臂三维模型如下图2-6所示：
图2-6 机械手大臂（左），小臂（右）三维模型图（附舵机）
2.4 六自由度搬运机械手的手腕部结构设计
2.4.1 六自由度搬运机械手的腕部作用
工业机械手的手腕部件设置于手部和手臂之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。
工业机械手是否设置腕部，需要根据具体情况而定。对于那些动作较简单的专用机械手，为简化结构，可以不设置腕部，而直接由臂部的运动驱使手部实现搬运工件或操作工具。但有时单靠臂部运动往往行动不便，或者显得很不经济，这就有必要设置腕部。尤其在运动空间受控制，不可能由臂部运动来完成动作要求的情况下，更有必要设置腕部。显然，对于课题所研究的通用机械手来说，要求动作的适应性较广，是有必要设置腕部的。
2.4.2 六自由度搬运机械手的腕部设计要点
（1）力求结构紧凑、重量轻
腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承受。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，对于六自由度机械手系统中，在腕部设计时，必须力求结构、重量轻。从现有的腕部结构看来，用机械传动的腕部，已有三个活动度，腕部的旋转和其他部件的运动配合，可以完成整个机械手的多方位工作，完成其操作任务。
（2）综合考虑，合理布局
腕部作为机械手的执行机构，又承担着连接和支撑作用。不仅要保证力和运动的要求，而且要具有足够的强度和刚度。
（3）必须考虑工作条件
对于高温作业和在腐蚀介质中工作的机械手，其腕部与手部经常在高温区域或腐蚀介质中停留与作业，直接受高温辐射的影响或易于腐蚀。因此，在设计时应充分估算对机械手腕部的不良影响（如：热膨胀、压力油的燃点及其粘度、有关材料及电控电测元件的耐热性能等），采取相应的措施，保证机械手腕部仍有良好的工作性能和较长的使用寿命。由于本课题研究的机械手属于教学演示型，工作条件可以不予考虑。
2.4.3 六自由度搬运机械手的腕部运动选择
多关节型机械手腕部工作的情况和直线型机械手不完全相同。如果没有腕部的运动，手部在提取水平安放的工件后做水平回转时，工件的轴线方向每一瞬间都在改变（沿着手臂回转的圆周切线方向）。如果在臂部水平回转的情况下能够根据要求改变工件方向，必须增加腕部摆动这一自由度。这样，从表面上看，似乎腕部的摆动和臂部的水平回转动作重复了，而实际上臂部的水平回转主要是实现工件的移位，腕部的曲摆是为了实现工件在水平面内不同位置时的定向运动，不能互相替代。
如果要将水平放置的工件改变为垂直放置，必须要有腕部绕自身轴轴的旋转运动才能实现（转90度）。也就是说有了腕部的旋转运动，就可以实现工件的调头和翻身。如果腕部同时具有旋转和曲摆这两个自由度，那么手部既可以水平提取工件，也可以垂直提取工件。
因此，通过软件SolidWorks三维建模，得到如下手腕的结构模型，如图2-7所示：此模型中腕部具有两个运动，一个是使手部绕本身轴线的自转运动（简称自转）；另一个是使手部绕ζ轴轴线的摆动（简称腕部的曲摆），这样也就可以满足工件水平和垂直的抓取。
图2-7 机械手腕部三维模型图（附电机）
2.5 六自由度搬运机械手的手部结构设计
2.5.1 机械手手部概述
工业机械手的手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件。由于被握持工件的形状、尺寸大小、轻重和材料性能，表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构都是根据特定的工件要求专门设计的。各种手部的结构，不仅结构形式不完全相同，而且他们的工作原理也并不一样。归纳起来，常用的手部，按照其握持工件的原理，大致可以分为夹持式和吸附式两大类。
本课题的关节式机械手根据抓取工件形状，采用夹持式手部，在此，主要介绍夹持式手部的几种主要形式。如下图2-8所示：
（a）夹持式手部
（b）移动式手部
（c）回转型外夹式
图2-8 手部的种类
2.5.2 夹钳式手部
夹持式中最常见的主要形式有夹钳式，此外还有钩托式和弹簧式，夹持类手部按照其手指夹持工件时的运动不同，又可分为手指回转型和手指平移型两种。如上图中所示。
夹钳式手部是夹持类机械手部中最常见的一种。它的动作与钢丝钳或台虎钳相似。
夹钳式手部一般由以下几个部分组成：
（1）手指
它是直接与工件接触的构件。手部松开和夹紧工件就是通过手指的张开和闭合来实现的。一般情况下，机械手手部只用两个手指。很少为三指或多指。它们的结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。
（2）传动机构
它是向手指传递运动和力，以实现夹紧和松开动作的机构。
（3）驱动装置
它是向传动机构提供动力的装置，按照驱动方式的不同，有液压、气动、电动和机械之分。
此外，尚有连接与支撑元件，将上述有关部分连成一个整体，使手部与机械手的腕部（或臂部）连接。
由于夹持式手部适应性强，故在生产中应用最多。其中回转型手部一般都具有结构简单、动作灵活、制造容易等优点，在生产上应用比平移型手部多。而且通常以双支点回转型作为夹钳式手部的基本形式。
本课题的手部设计主要参考回转形外夹式夹钳手部，通过步进电机带动蜗杆的旋转，使之相啮合的蜗轮运动，带动连杆、手指运动，完成对工件的抓取任务。其模型如下图2-9所示：
图2-9 机械手手部平面模型图（附电机）
2.5.3 夹钳式手部设计要点
（1）手指应具有一定的开闭范围
夹持式手部的手指开闭范围就是从张开到闭合（夹紧）时，每个手指的变动量。显然，为了让手指闭合时能够夹紧工件，张开时能使手指顺利的接近工件，而不和其他设备等相碰，手指必须具有一定的开闭范围，其大小直接与工件和手指的形状、尺寸、及手部如何接近工件的路线等有关，同时还要注意经过路线的周围环境。
手指的开闭范围，应根据实际情况进行分析后加以确定。一般来说，如果工作环境允许，采用较大的开闭范围，可以降低对工件的尺寸公差、位置精度的要求，且有利于手部顺利地夹持工件，但会增大驱动装置的行程和结构尺寸，增加手指开闭时间，所以手指开闭范围不宜设计过大。
（2）应具有适当的夹紧力和驱动力
为了使手指能夹紧工件，并保证在运动过程中不脱落，因此要求手指在夹紧工件时应有足够的夹紧力，而对手部的驱动装置来说，就应该具有足够的驱动力。应当指出，在保证一定的夹紧力条件下，采用不同的传动机构，其所需驱动力的大小是不同的。
除此之外，考虑夹紧力时，还应注意工件在运动过程中由于运动状态的改变所产生的惯性力矩的影响，特别在运动速度变化较大的情况下，尤应如此。以免
在惯性力作用下，因夹紧力不足而松动或甩脱。当然，过大的夹紧力是没有必要的，尤其对于那些精密的或易碎、易变形、易损坏的工作，过大的夹紧力不但应该避免，而且尚应采取适当措施，以保护工件表面不受损伤。
（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高
手部处于腕部和臂部的最前端，运动状态多变。其结构、重量和动力负荷直接影响到腕部和臂部的结构、重量和运转性能。因此在手部设计时，必须力求结构紧凑、重量轻、效率高。
2.6 六自由度搬运机械手的材质选择
综合考虑，机械手的手臂、手腕以及手部一般都采用硬度高的材质来加大其刚度，适当的添加些支撑，整个机械手自身重量要轻，其惯性矩也很小，手臂在旋转或曲摆的时候也便于控制，能够精确、平稳定位。
因此，基于综合考虑，机械手选用高强度45号钢厚度小，总体重量轻，能够满足以上各设计需求。
2.7 六自由度搬运机械手的连接设计
连接套模型示意图如下图2-11所示：
图2-11 机械手连接套模型
机械手整体连接主要是各个关节处的连接，考虑到钣金件薄，如果旋转或曲摆关节处直接与电机的连接，其电机轴不好定位，电机的驱动力不能有效地通过轴传递到各机械手关节来带动其旋转或曲摆。
因此，在电机轴与机械手关节处通过连接套进行连接，驱动力通过连接套间接地
将力有效传递给各关节，再顺利地通过电路控制各电机，完成机械手各关节的旋转和曲摆。
机械与装备工程学院 课程设计说明书（2016/2017学年第 1学期） 课程名称：机械设计课程设计 题目：搬运机械手的设计 专业班级：机械设计制造及其自动化学生： 学号： 130200216 指导教师： 设计周数： 2周 设计成绩： 2016年 12月 31日
第一章绪论 (1) 1.1 机械手的应用现状 (1) 1.2 机械手研究的目的、意义 (1) 1.3 设计时要解决的几个问题 (1) 第二章机械手总体方案的设计 (3) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (3) 2.2 机械手的基本结构及工作流程 (3) 第三章机械手的方案设计及其主要参数 (5) 3.1 坐标形式和自由度选择 (5) 3.2 执行机构 (5) 3.3 驱动系统 (6) 3.4 控制系统 (7) 第四章结构设计及优化 (8) 4.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.2 确定气缸直径 (9) 4.1.3 气缸作用力的计算及校核 (9) 4.1.4 缸筒壁厚的设计 (10) 4.1.5 气缸的基本组成部分及工作原理 (10) 4.2手臂结构优化设计 (10) 4.2.1问题描述 (10) 4.2.2设计分析 (10) 4.2.3建立数学模型 (12) 4.2.4优化计算 (13) 4.2.5优化结果分析 (16) 第五章 Adams运动仿真 (17) 总结与展望 (20)
机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备，它对稳定、提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用，随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 本设计中的搬运机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。 本文中对机械手臂运用MATLAB算法进行优化设计，它使得优化过程变得非常简单、容易理解和掌握，从而避免编写各种复杂的运算程序，提高了设计效率。 用 ADAMS 软件建立虚拟样机进行仿真并优化参数，得出了机械手的运动过程的演示动画，发现设计结构能有机地结合在一起，工作平稳，并在指定的速度和负载等参数下得出了所需要的驱动力和结构参数等。虚拟样机代替物理样机对工程机械进行创新设计、测试和评估，可以降低设计成本，缩短开发周期，而且设计质量和效率都可以得到提高。 关键词:机械手，气动，优化设计，仿真
湖北理工学院毕业设计（论文） “慧鱼模型”三自由度机械手 设 计 小 册 学院：机电工程学院 班级：机械设计与制造 指导老师： 姓名：学号：201030120130 湖北理工学院毕业设计（论文） 一、概述 ............................................................ 1 1.1机电一体化技术 ................................................... 1 1.1.1机电一体化技术的定义和内容 (1) 1.1.2机电一体化系统组成 (1) 1.2. 慧鱼机器人 ..................................................... 2 1.2.1慧鱼创意教学组合模型简介 (2) 二、机器人的组成 .....................................................
2.1组成构件 ......................................................... 3 2.2慧鱼机器人分析 ................................................... 6 2.2.1机器人机构组成 (6) 2.2.2主要成分构成及功能 (7) 2.3. 机器人的工作空间形式 ............................................ 9 2.4机器人的机械运动形态和变换控制 .................................. 11 2.5机器人的位移、速度、方向的控制方法 (13) 湖北理工学院毕业设计（论文） 一、概述 1.1机电一体化技术 1.1.1机电一体化技术的定义和内容 机电一体化技术综合应用了机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术,接口技术及系统总体技术等群体技术,从系统的观点出发,根据系统功能目标和优化组织结构目标,以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础,对各组成要素及相互之间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下,形成物质和能量的有规则 运动,在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。 1.1.2机电一体化系统组成 1.机械本体机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。 2.检测传感部分检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。 3.电子控制单元电子控制单元是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地进行。 4.执行器执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。 5.动力源动力源是机电一体化产品能量供应部分，是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压
机械设计课程设计说明书 六自由度机械手 TOPWORK 上海交通大学机械与动力工程学院专业机械工程与自动化 设计者： 李晶(5030209252) 李然(5030209316) 潘楷 (5030209345) 彭敏勤 (5030209347) 童幸 (5030209349) 指导老师：高雪官 2006616
、八— 刖言 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业 的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自 动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、 华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越 来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交 货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另 外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定， 而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手 提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将 被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机 械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
目录 一.设计要求和功能分析 4 - ?- ■基座旋转机构轴的设计及强度校核 5 三.液压泵俯仰机构零件设计和强度校核 8 四.左右摇摆机构零件设计和强度校核 11五.连腕部俯仰机构零件设计和强度校核 14六.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核 19七.机构各自由度的连接过程 25八.设计特色 28九.心得体会 28十.参考文献30 一. 任务分工31 十二.附录（零件及装配图）31
全套设计通过答辩优秀CAD图纸QQ 36396305 XX学院 毕业设计说明书(论文) 作者: 学号： 学院(系): 专业: 题目: 重载搬运机器人本体结构设计【六自由 度机械手】 2015 年5月
全套设计通过答辩优秀CAD图纸QQ 36396305 毕业设计说明书（论文）中文摘要 机械手是一种典型的机电一体化产品，搬运机械手是机械手研究领域的热点。研究搬运机械手需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。 本文对一种使用在搬运机械手的结构进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。要求对机械手模型进行力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。 关键词：结构设计，机器臂，关节型机械手，结构分析
毕业设计说明书（论文）外文摘要
目录 1 绪论 (1) 1.1 引言 (2) 1.2 搬运机械手研究概况 (3) 1.2.1 国外研究现状 (3) 1.2.2 国内研究现状 (4) 1.4 搬运机械手的总体结构 (5) 1.5 主要内容 (5) 2 总体方案设计 (6) 2.1 机械手工程概述 (6) 2.2 工业机械手总体设计方案论述 (7) 2.3 机械手机械传动原理 (8) 2.4 机械手总体方案设计 (8) 2.5 本章小结 (10) 3 机械手大臂结构设计 (1) 3.1 大臂部结构设计的基本要求 (1) 3.2 大臂部结构设计 (2) 3.3 大臂电机及减速器选型 (2) 3.4 减速器参数的计算 (3) 3.5承载能力的计算 (7) 3.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算 (7) 3.5.2 柔轮疲劳强度的计算 (7) 3.6 轴的计算校核 (8) 3.7 大臂的平衡设计 (11) 3.7.1 弹簧的受力分析 (11) 3.7.2 弹簧的设计计算 (14) 4机械手小臂结构设计 (18) 4.1 腕部设计 (18) 4.2 小臂部结构设计 (31)
六自由度工业机器人 对于工业机器人的设计与大多数机械设计过程相同;首先要知道为什么要设计机器人机器人能实现哪些功能活动空间（有效工作范围）有多大了解基本的要求后，接下来的工作就好作了。 首先是根据基本要求确定机器人的种类，是行走的提升（举升）机械臂、还是三轴的坐标机器人、还是六轴的机器人等。选定了机器人的种类也就确定了控制方式，也就有了在有限的空间内进行设计的指导方向。 接下来的要做的就是设计任务的确定。这是一个相对复杂的过程，在实现这一复杂过程的第一步是将设计要求明确的规定下来;第二步是按照设计要求制作机械传动简图，分析简图，制定动作流程表（图），初步确定传动功率、控制流程和方式;第三步是明确设计内容，设计步骤、攻克点、设计计算书、草图绘制，材料、加工工艺、控制程序、电路图绘制;第四步是综合审核各方面的内容，确认生产。 下面我将以六轴工业机器人作为设计对象来阐明这一设计过程： 在介绍机器人设计之前我先说一下机器人的应用领域。机器人的应用领域可以说是非常广泛的，在自动化生产线上的就有很多例子，如垛码机器人、包装机器人、转线机器人;在焊接方面也有很例子，如汽车生产线上的焊接机器人等等;现在机器人的发展是非常的迅速，机器人的应用也在民用企业的各个行业得以延伸。机器人的设计人才需求也越来越大。 六轴机器人的应用范筹不同，设计形式也各不相同。现在世界上生产机器人的公司也很多，结构各有特色。在中国应用最多的如：ABB、Panasonic、FANUK、莫托曼等国外进口的机器人。 既然机器人的应用那么广泛，在我国却没有知名的生产公司。对于作为中国机械工程技术人员来说是一个值得思考的问题！有关机器人技术方面探讨太少了从业人员还不能成群体虽然在很多地方可以看到机器的论术，可是却没有真正形成普及的东西。 即然是要说设计，那我就从头一点一点的说起。力求讲的通俗简明一些，讲得不对的地方还请各位指正！ 六轴机器人是多关节、多自由度的机器人，动作多，变化灵活;是一种柔性技术较高的工业机器人，应用面也最广泛。那么怎样去从头开始的设计它呢工作范围又怎样去确定动作怎样去编排呢位姿怎样去控制呢各部位的关节又是有怎么样的要求呢等等。。。。。。让我们带着众多的疑问慢慢的往下走吧！ 首先我们设定：机器人是六轴多自由度的机器人，手爪夹持二氧气体保护焊标准焊枪;完成点焊、连续焊等不同要求的焊接部件，工艺要求、工艺路线变化快的自动生线上。最大伸长量：1700mm;转动270度;底座与地平线水平固定;全电机驱动。 好了，有了这样的基本要求我们就可以做初步的方案的思考了。 首先是全电机驱动的，那么我们在考虑方案的时候就不要去考虑液压和气压的各种结构了，也就是传动机构只能用齿轮齿条、连杆机构等机械机构了。 机器人是用于焊接方面的，那么我们就去考察有人工行为下的各种焊接手法和方法。这里就有一个很复杂的东西在里面，那就是焊接工艺;即然焊艺定不下来，我们就给它区分一下，在常用焊接里有单点点焊、连续断点点焊、连续平缝焊接、填角焊接、立缝焊接、仰焊、环缝焊等等。。。。。。 搞清了各种焊方法，也就明白了要实现这些复杂的动作就要有一套可行的控制方式才行;在机械没有完全设计出来之前可以不做太多的控制方案思考，有一个大概的轮廓概念就行了，待机械结构做完，各方面的驱动功率确定下来之后再做详细的程序。 焊枪是用常用的标准的焊枪，也就是说焊枪是随时可以更换下来的，也就要求我们要做到对焊枪的夹持部分进行快速锁定与松开。
具有五个自由度的机械手设计 摘要 随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计计算过程。 首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体座标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。机械手采用液压传动，使传动系统简单可靠；选用可编程控制器对机械手的动作进行控制，使控制程序简单，系统维护方便。设计过程中，对机械手和液压缸部分做了详细的设计计算。同时，对机械手的通用性主要是采用可更换式手部结构来实现，通过更换手部，可使机械手抓取外圆零件和内圆零件，从而实现了系统的多功能化。机械手总体结构能够实现手臂的水平伸缩、垂直升降、旋转和抓取等功能，这些动作都是可编程控制器控制，用液压缸驱动机械手来完成的。 文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。 最后使用软件对机械手PLC控制仿真。 关键词：机械手；液压传动；液压缸；PLC仿真；
Abstract The applying of the manipulators are more and more important in the industry, with the development of industrial automation. The paper mainly narrated the design and calculation of light and transfer manipulator. The first，The paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator. Manipulator use system can be simple and reliable. The manipulator and in this paper. The movements of mechanical be convenient. And the universal ability of manipulator is based on the interchangeability of the grasp cylindrical parts and inner parts through the replacement of and captures the semifinished materials. All those movements are controlled by programmable controller and realized by industry manipulator's design theory and method. The comprehensive exhaustive discussion ,which the major structural design computation. Finally uses the software to carry out the PLC control simulation for manipulator's ； Hydraulic cylinder；Programmable logic Controller simulation;
第一章引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 1.1 机械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
专业课程设计说明书
目录 第1章课题规划 (1) 1.1 课题背景分析 (1) 1.2 设计任务书 (3) 第2章功能分析 (4) 2.1 设计任务功能分析 (4) 2.1.1 总功能提炼 (4) 2.1.2 功能分解 (4) 2.1.3 功能结构分析及功能结构图绘制 (4) 2.2 本章小结 (5) 第3章系统原理方案设计 (7) 3.1 功能单元求解 (7) 3.1.1 分功能求解 (7) 3.1.2 系统原理方案综合求解 (7) 3.1.3 方案优化及评价 (7) 3.2 本章小结 (7) 第4章总体设计 (9) 4.1 系统总体结构草图 (9) 4.2 本章小结 (14) 第5章总结 (15) 参考文献 (17)
第1章课题规划 1.1课题背景分析 从1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机械手至今，机械手已经发展了三代。通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，则会自动重复进行作业的示教再现型机械手被称为第一代机械手，而能利用传感器获取的信息控制机械手被称为第二代机械手。而第三代机械手就是智能机器人。对于智能机器人，尽管欧美和日本等许多国家都投入了大量人力和物力，但现在其仍然处于发展阶段。目前对我国而言发展第一、第二代机器人更具有实际意义。我国机械手的发展是从20世纪50年代的固定动作机械手开始的，然后经历了60年代的数控机械手，在1978年时机械手才‘真正开始得到研究和应用，到现在工业机械手与智能机器人愈来愈受到各届的的关注，并已经纳入了我国高科技规划及科技发展计划之中。伴随着人类社会的不断发展，科学和技术的不断进步，人类对资源的依赖也越来越大，最终将不可避免的要向陆地以外甚至是地球以外的地方扩展，而在这些对人类来说恶劣的环境里，机械手的发展就显得尤为重要了。作为新生产力代表的劳动工具，机械手能代替人类在恶劣的环境中完成人类无法完成又不得不做的工作。由于机械手的应用不得不向更广的范围延伸，这就要求机械手有更好的通用性，更高的适应能力，更加专业化，当然在这个基础上还有考虑到机械手的经济性要求。所以发展在能满足基本功能要求的基础上，实现结构模块化、方便修改设计、通用性强并且可靠性高的的机械手是市场所需，社会发展的必然。作为一门发展迅速的前沿学科，机械手一方面涉及的领域广泛，交叉着多门学科;另一方面其自身的发展也相当迅速，不断出现需要研究的新问题。在自动化程度要求越来越高的现代世界经济中，机械手的应用也因此变得越来越广泛；已经由科学和技术的研究领域扩展到了人们日常生活的民用领域。这对机械手性能和功能的进一步改善和提高提出了更高的要求。 随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车
设计说明书 课题：凸轮轴加工自动线机械手 班级：数控69902 设计：沈晓春 审核： 二00五年九月
目录 一、目录 (2) 二、前言 (3) （一）机械手的用途说明 (3) （二）设计机械手的目的、意义 (3) （三）设计指导思想应达到的技术性能要求 (4) 三、设计方案论证 (5) （一）机械手的原始依据 (5) （二）机械手的运动方案论证 (6) 四、机械手各组成部件设计计算 (8) （一）抓取机械设计 (8) （二）手腕机构 (12) （三）手臂设计 (14) （四）缓冲装置设计 (22) （五）定位机构设计 (25) （六）机械手驱动系统设计 (25) 五、机械手控制系统设计 (25) 六、设计总结 (26) 七、参考文献 (27)
二、前言 （一）机械手的用途说明 机械手是模仿人手工作的机械设备。实验用机械手的设计，是指机械手臂在一定范围内的摆动，手臂的垂直方向的上下移动及手爪的伸缩运动组成。由启动系统实现各运动的驱动。它的主要作用是将工件按预定的程序自动地搬运到需要的位置，或者保持工具进行工作。机械手是利用PLC控制整个系统实现各种运动的自动化控制，且能用于教学演示。 （二）机械手的目的、意义 机械手是模仿人手的动作，生产中应用机械手可以提高自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度，保证产品质量，实现安全生产，尤其在恶劣的劳动条件下，它代替人作业的意义更加重大。因此，在机械加工中得到越来越广泛的应用。 目的是，我们对机械手的设计步骤有一定的平衡了解；也能基本掌握机械设计的方法；综合运用学过的理论知识；全面复习绘图技巧，并较好的运用于毕业设计绘图上。通过这次设计，使我了解到，自动控制的对象主要是单机或某个生产过程，智能控制则包括控制对象及整个工作环境或整个生产过程；自动控制的目标是使在系统控制的某个状态下，尽量消除环境对系统的影响，智能控制关心的使最终状态或现行状态是否合乎要求。因此，要充分考虑环境的影响；自动控制的学习来源重要是对象的状态的反馈，所以智能控制需要一个庞大的数据库；自动控制理论着重描述对象的数学模型，然后，通过各
四自由度搬运机械手的设计毕业论文 1引言 1.1机械手研究的背景及其意义 机械手是当今世界的科技革命发展飞速变革的必然产物，它的出现标志着现今的工业、制造业水平发展到了前所未有高水平阶段。最初出现的机械手只是应用在航空航天和海洋勘探等高端科技领域，随着近几十年来计算机在科技领域全面应用，科技革命的变革也加速了科学技术的蓬勃发展。在此背景下机械手技术也在飞速发展，并且在其应用领域也不断地深入、飞速地拓宽，特别是近些年来机械手在现代制造业领域更是得到了非常广泛的应用。由于机械手是通过预先编写好的程序来控制其动作次序和轨迹，所以机械手可以代替人力去完成那些单调的、重复的、特别是对于人类来说毫无意义的工作，除此之外机械手还能够在恶劣的环境中完成那些人类不想完成的或不能完成的工作，特别是在一些危险的工作环境或者是对精度要求较高的工作条件之下，机械手相比较人力有得天独厚的优势——机械手在某些邻域能够完全替代人力，将人类从脏、乱、差的工作环境中解放出来，这是人类社会几千年来的又一次变革和人类生活方式的又一次蜕变。特别是近几十年来工业、制造业领域在机械手的广泛应用下发生了伟大的变革，在此背景下整个社会的生产力水平、产品生产质量和生产效率大大提高，与此同时在工业生产中现代工人的劳动强度也大大降低。 机械手技术虽然发展迅猛，但现在市场上的机械手大多还处在高端应用领域，价格也相对昂贵，不能满足低成本、低层次应用领域的需求。所以本课题希望设计出一种成本低、应用层次相对较低的机械手，填补这一领域市场的空白，这对
于工业、制造业领域以及人类社会的发展都具有及其重要的意义和价值。在机械手技术领域中，机械手在模型设计上，四自由度机械手是机械手产品中的典型设计模型，在技术上，四自由度机械手技术门槛相对较低——四自由度便于设计和实现，在应用层面上，四自由度机械手对于一般的重复性工作条件完全满足，在成本上，四自由度机械手在满足一些复杂动作的工作条件下便于实现低成本，也就说其性价比相对较高，所以本论文以《四自由度搬运机械手》为课题进行研究旨在设计出一个比较实用的、成本低的、具有一定的实际应用价值的机械手。1.2机械手的研究现状和发展前景 机械手是现代工业革命变革、现代工业水平高度提高催生的一种新技术产品，从较高应用层次来说，机械手是集机械设计、计算机程序控制等多领域知识和多种设计方法于一身的一种新型自动化装备，特别是近年来互联网、大数据的出现和应运机械手已开始从自动化向智能化领域迈进。机械手虽然在近几十年来才出现，其发展历史并不算太长，机械手最早起源于美国，接着又在德国、日本等工业发达国得到了飞速发展，然而我国近十年来虽然工业发展迅猛，可机械手在工业领域的应用才刚刚起步，机械手设计的技术水平同国外仍有很大差距，特别实是在机械手的高端应用领域，主要体现在机械手的可靠性和精度指标上面。 近年来机械手在工业、制造业领域的应用突飞猛进，这对于工业文明的进步产生了“雪崩式效应”，越来越多的无人化工厂随着机械手的发展如春笋般涌现。随着进入21世纪以来，互联网技术飞速发展，工业、制造业领域正发生着一场伟大的变革，从美国的“工业互联网”到德国的“工业 4.0”，再到“中国制造2025”，世界工厂已经开始由“无人化工厂”向“智能化工厂”转变，在此历
六自由度机器人说明书 专业：机械制造与自动化 班级： 成员：
目录 一、打开气源 二、机器人的快速操作入门 1、坐标系的选择 2、手动速度调整 3、伺服电源接通 4、接通主电源 5、接通伺服电源 三、伺服电源切断 1、切断伺服电源 2、切断主电源 四、轴操作
一、打开气源 请确认系统进气气源已进行供气，未供气或气压不足将会导致系统无法正常工作，系统运行中如断开气源，可能导致设备损坏，甚至造成人员伤害。 打开下图气泵，将开关拨到“I”，再打开气阀
拨到“开”，即 “Ⅰ” 往上拨，打开气阀
二、机器人的快速操作入门 1、坐标系的选择 在示教模式下，选择机器人运动坐标系：按手持操作示教器上的【坐标系】键，每按一次此键，坐标系按以下顺序变化，通过状态区的显示来确认。 2、手动速度调整 示教模式下，选择机器人运动速度：按手持操作示教器上【高速】键或【低速】键，每按一次，手动速度按以下顺序变化，通过状态区的速度显示来确认。 ?按手动速度【高速】键，每按一次，手动速度按以下顺序变化：微动1%→微动2%→低5%→低10%→中25%→中50%→高75%→高100%。 ?按手动速度【低速】键，每按一次，手动速度按以下顺序变化：高100%→高75%→中50%→中25%→低10%→低5%→微动2%→微动1%。 3、伺服电源接通 打开上电控柜上的主电源开关时，应确认在机器人动作 范围内无任何人员。
忽视此提示可能会发生与机器人的意外接触而造成人身伤害。如有任何问题发生，应立即按动急停键，急停键位于 电控柜前门的右上方。 4、接通主电源 ●把电控柜侧板上的主电源开关扳转到接通(ON) 的位置，此 时主电源接通。 ●按下电控柜面板上的绿色伺服启动按钮。
六自由度机械手设计说明书
设计参数
摘要 随着现代科技和现代工业的发展，工业的自动化程度越来越高。工业的自动化中机械手发挥了相当大的作用，小到机床的自动换刀机械手，大到整个的全自动无人值守工厂，无一不能看到机械手的身影。 机械手在工业中的应用可以确保运转周期的连贯，提高品质。另外，由于机械手的控制精确，还可以提高零件的精度。机械手在工业中的应用十分广泛，如：一、以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 二、以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 应用前景 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用
六自由度转动关节工业机器人调查报告 一 ,定义 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。 戴沃尔提出的工业机器人有以下特点:将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构联接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作，示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。
1962年美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形主要由类似人的手和臂组成。后来，出现了具有视觉传感器的、能识别与定位的工业机器人系统。 当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。目前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位。 具体的特点如下： （1）技术先进工业机器人集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，实现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业自动化水平的最高体现。 （2）技术升级工业机器人与自动化成套装备具备精细制造、精细加工以及柔性生产等技术特点，是继动力机械、计算机之后，出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能化的重要手段。 （3）应用领域广泛工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版
机电工程学院 机电一体化系统设计 课程设计 设计题目： 专业： 学号： 姓名： 指导老师：
毕业论文（设计）任务书 一、题目：搬运机械手的结构和控制系统设计 二、研究容与目标： 本设计主要的研究容是 1. 用proe绘制搬运机械手三维立体图 2. 用proe转配搬运机械手及制作仿真动画并生成仿真视频制作 3. 利用PLC实现控制系统设计 4. 设计说明书（1份） 目标：让搬运机械手能搬运物品，掌握机械手的设计原理和控制过程三、研究方法：通过不断地查找资料，研究工业机械手的作用，并不断分析最后制作出工业上需要的机械手。 四、主要参考文献：(5篇以上) [1]明保，吕春红等主编.机械手的组成机构及技术指标的确定.高等专科学 校学报，2004.120-134 [2]超主编.气动通用上下料机械手的研究与开发.科技大学，2003.103-121 [3]陆祥生，绣莲主编.机械手.中国铁道,1985.56-58 [4]建编.工业机械人.：理工大学,1992.76-79 [5]允文主编.工业机械手设计.机械工业,1996. [6]蔡自兴主编.机械人学的发展趋势和发展战略.机械人技术,2001.12-15 [7]金茂青，曲忠萍，桂华等主编.国外工业机械人发展的态势分析.机械人 技术与应用,2001.23-24 [8]王雄耀主编.近代气动机械人（机械手）的发展及应用.液压气动与密 封,1999.31-32 [9]明主编.单臂回转机械手设计.制造技术与机床，2004. 64-66 [10]军，封志辉主编.多工步搬运机械手的设计.机械设计,2004.27-28
目录 第一章绪论 (2) 1.1工业机器人的简介 (2) 1.2机械手概述 (3) 1.3工业机械手的发展趋势 (4) 1.4 国外研究现状和趋势 (5) 1.6 液压系统传动原理 (7) 第二章电机驱动和液压驱动混合式搬运机械手方案设计 (8) 2.1电动驱动和液压驱动式搬运机械手的组成及各部分关系概述 (8) 2.2液压式搬运机械手方案设计 (8) 2.3机械手的系统工作原理及组成 (9) 2.4机械手手臂的结构设计 (13) 第三章尺寸设计与校核 (18) 3.1手臂伸缩液压缸的尺寸设计与校核 (18) 3.2手臂升降液压缸的尺寸设计与校核 (19) 3.3 腰部传动负载作回转运动的设计与校核 (20) 第四章机械手的PLC控制系统设计 (22) 4.1 PLC的工作原理 (22) 4.2 可编程序控制器的选择及工作过程 (23) 4.3 可编程序控制器的使用步骤 (24) 4.4 机械手可编程序控制器控制方案 (25) 第五章四自由度机械手运动仿真 (27) 5.1运动学仿真过程及定义分析 (27) 结论 (30) 致 (30)
本文以示教型六自由度串联机械手为试验设备，进行机械手的复杂运动控制，使机械手完成各种复杂轨迹的运动控制等功能，能够在现代工业焊接、喷漆等方面的任务。 本文从运动学分析的基础上着手研究轨迹控制的问题，利用运动学逆解的方式分析复杂轨迹运动的可行性和实用性。目前，六自由度机械手的复杂运动控制已经有了比较好的逆解算法，也有一些针对欠自由度机械手的逆解算法。逆解算法求出的解不是唯一的，它能使机械手达到更多位姿，完成大部分的原计划任务，但其中的一些解并不是最优化的，因此必须讨论其反解的存在性和唯一性。 本文通过建立机械手的笛卡尔坐标系，推导出机械手的正、逆运动学矩阵方程，并研究了正、逆运动学方程的解；在此基础上建立机械手的工作空间，并讨论其工作空间的灵活性和存在可能性。因此本文的另一种方式对六自由度串联机械手的复杂运动控制问题进行研究，提出以机械手示教手柄引导末端执行器对复杂运动轨迹进行预设计。然后通过记录程序进行复杂轨迹的再实现，再对记录程序进行预修改，最终通过现有的程序进行设计编程完成复杂轨迹设计任务。并利用MATLAB对轨迹进行仿真，对比其实际与计算的正确性。 最后本设计通过六自由度串联机械手实现平面文字轨迹，得出其设计的方式。即首先利用示教手柄实现轨迹预设，记录预设轨迹程序，然后再对比程序初始化坐标进行手动编程。 关键词：六自由度机械手，笛卡尔坐标系，运动学方程，仿真，示教手柄ABSTRACT
In this paper, mechanical hand control the complex movement based on the series of six degrees of freedom manipulator so that the mechanical hand complete the complex trajectory of the movement control functions. In modern industrial welding, painting, and other aspects of the mandate can be used. This article based on the analysis of kinematics to study the trajectory control problems, use of inverse kinematics of the complex mode of tracking movement of the feasibility and practicality. At present, the six degrees of freedom manipulator complex movement has been relatively good control of the inverse algorithm.There are also some less freedom for the inverse of the manipulator algorithm. Solutions sought by inverse algorithm is not the only solution, it can reach more manipulator Pose, originally planned to complete most of the task.But some of these solutions is not the most optimal, it is necessary to discuss their anti-the existence of solutions and uniqueness. Through the establishment of the manipulator Cartesian coordinates, derived manipulator is the inverse kinematics matrix equation and the study is the inverse kinematics of the equation solution on the basis of this establishment manipulator working space. And discuss their work space The flexibility and the possibility exists. So in another way to the six degrees of freedom series manipulator motion control the complex issues of research, to handle the machinery Shoushi guide for the implementation of the end of the complex pre-designed trajectory. Then track record of the complicated procedure to achieve, and then record the pre-amended procedures.The eventual adoption of the existing procedures designed trajectory design of complex programming tasks. And using MATLAB simulation of the track, compared with its actual calculation is correct. The final design through six degrees of freedom series manipulator track to achieve flat text, draw their design approach. That is, first of all use of teaching handle achieve trajectory default the track record of default procedures, and then compared to manual procedures initialized coordinate programming. key words：Six degree-of-freedom manipulators，Cartesian coordinates，Equations of motion，Simulation，Demonstration handle.