慧鱼模型工业机械手设计

摘要
慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件／电气元件／气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。

Abstract
Fischer creative combination model mainly include the combination packages, training mode , industrial model three series, covers the mechanical, pneumatic, automotive, electronics, control technology, energy technology and robot technology, and high and new disciplines, using industrial standard of the basic building blocks (mechanical components/electrical components, pneumatic components), supplemented by sensor, controller, actuator and software, using design and experimental analysis, can implement any reduction of technology process, more can realize industrial production and the simulation of large mechanical equipment operation for feasibility experiment teaching, scientific research and innovation and production lines provides a possible, world famous Germany Siemens, Germany's BMW, the United States a large number of famous companies such as IBM model is used to demonstrate the production assembly line.
目录
摘要 (I)
1 绪论 (1)
1.1慧鱼创意模型实验介绍 (1)
1.2机械手的组成和分类 (4)
1.2.1 机械手的组成 (4)
1.2.2 机械手的分类 (7)
1.3机器人领域的未来发展趋势 (8)
1.4课题的提出及主要任务 (9)
1.4.1 课题的提出 (9)
1.4.2 课题的主要任务 (10)
2 机械手的设计方案 (11)
2.1工作原理 (11)
2.1主要机构构件的介绍 (12)
2.2.ROBOP RO的介绍 (14)
2.3如何编程 (15)
3组装过程 (23)
6 结论 (26)
致谢 (28)
1 绪论
1.1 慧鱼创意模型实验介绍
1964年，慧鱼创意教学组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是由德国发明家Arthur Fischer 博士在 1964 年从其专利“六面拼接体”的基础上发明的。

它是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。

慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。

它由各种型号和规格的零件构成，类似于积木。

零件的种类很多，几乎包括了机械课程和日常生活中的所有零件，如机械零件：连杆、凸轮、齿轮（普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮等）、蜗轮、蜗杆、螺杆、铰链、带、链条、轴（直轴和曲轴）、联轴器、弹簧、减速器、齿轮箱、车轮等；电气零件：直流电机、灯泡、电磁气阀、行程开关、传感器（光敏、热敏、磁敏、触敏）、可调直流变压器、电脑接口板、PLC 接口板、红外线发射接收装置等；气动零件：储气罐、汽缸、活塞、气弯头、手动气阀、电磁气阀、气管等。

由这些零件的不同组合便可构造出各式各样的模型，这些模型主要可分为两大类：技术组和机器人组。

技术组又包括传感器技术组、气动技术组、汽车技术组、太阳能技术组、万能组合包。

机器人组又包括3D 机器人、计算机器人、实验机器人、工业机器人、移动机器人和气动机器人。

在慧鱼实验过程中，通过对各类模型的认识和组装，从而可以熟悉并掌握各类机械设备和自动化装置的常用结构和工作原理。

在模型的组建中，学生将运用到机械加工、气动技术、电子电路和软件编程等知识，从而加深了对这些相关课程的理解。

另外通过慧鱼模型的搭建和组装也培养了学生的实际动手的能力、解决实际问题的能力和创新设计的能力慧鱼机器人基本构件以及功能
机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。

生产中应用机械手可以提高生产的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；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用[1]。

经过二十世纪九十年代的迅猛发展，机器人的适应性更强了，被应用于多种行业。

80年代以来，国际机器人以平均25%到30%的年增长率发展。

这是由于工业自动健正向着“柔性生产”方向发展，以适应多品种、中小批量生产或混流生产的需要。

其次，一是在企业生产成本中，社会福利的完善使得工资所占比重越来越大，二是由于生活水平的提高，人们对工作环境的要求越开越高，人们都只愿意在安全愉悦的环境中工作；三是机器人可以确保产品质量的一致性、均匀性和稳定性。

到了80年代末，各国把发展的目标调整到以多传感器为基础的计算机辅助遥控节省原材料和能源，从而大大增强了产品的国际竞争力。

控加上局部自主功能，以此作为发展非结构环境下工作的机器人技术方向。

一千多年年以来，全球的机械人人数量稳定的增在，保持一种持续的高昂的发展势头。

到2000年，服役的机{宝勺有100万台机器人技术仍维持较好的发展势头，日新月异地跨入21世纪.
我国机器人技术大约起步于20世纪70年代，1975年日本川崎重工在北北展Unimatc - 2000型机器人，引发研制机器人的热潮。

总而言之，21世纪工业机器人的智能化程度将会更高。

工业机器人给我们带来许许多多的便捷，同时对产品各方面性能的得到了很大的提高，同时生产率得到了质的飞跃，同时也降低了许多危险事故发生的概率，从长远角度来看，降低了生产成本。

像一些对人体可能造成重大伤害的领域如压铸车间还有核工业等，以及在一些特殊作业场合或则极限作业场合如深海探测，火山喷发探险以及空间探索等我们难以企及的，这些全部只能靠机器人来帮我们完成。

还有在一些自动化产业方面以及搬运材料机器人，还有在成品在线检测以及喷绘喷涂方面。

总而言之，工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

对于产品结构复杂，且生产批量比较大的，工业机器人将发挥它独一无二的能力。

对产品的性能得到了质的提高，同时单位时间内加工合格产品的比率更高，最主要是人们的工作环境由于工业机器人的存在在本质上得到了提高。

机器人技术是尖端高新技术的结晶，反映了一个国家的综合能力，包括科研，军事，经济等等，他的普及率从侧面反应出一个国家的电子工业的兴衰以及综合国力的兴旺。

早期的时候由于技术等原因，由于他的专用性太强，只能进行某一类或则某一种的生产活动，随后随着科学技术发展水平的提高，机械手的通用性以及适应性得到了很大提高，也因此机械手的用途被更多人得到更对人认可，并且很多国家把它放在重点科研项目里面。

1.1.2 机器人的主要特点
机器人的主要特点体现在它的通用性和适应性等方面。

1．通用性
机器人的通用性是即它完成控制系统发出的指令时完成任务的实际能力；通用性也意味在结构上允许机器人以不同的方式执行任务。

大多数一般机器人都具有不同程度的通用性，包括控制系统的灵活性以及机械手的机动性。

有时候增加自由度在一定程度上能提高通用性，但同时必须考末端执行器的结构和能力，以及能否适应不同的作业工具等因素。

2．适应性
机器人的适应性是指具有对陌生复杂的环境具有自我调节能力，也就是在遇到突发事件时，机器人机械能够尽快解决。

它需要机器人具有很高的智能化，同时具备各种感官以及思考判断分辨的能力，在生产生活当中，适应性是指所编好的程序模式和运动速度能够适应工件尺寸和位置以及工作场地的变化。

1.2 机械手的组成和分类
1.2.1 机械手的组成
传递装置，末端执行部件以及控制和驱动装置共同组成了机械手。

他们的关系如图所示
图1.1机械手的组成方框图
(一)执行机构
包括传递装置，驱动装置，以及控制系统还有末端操作器。

1、手部
它是机械手的一个独立的执行部件。

由于工业机器人的手部通常是专用的装置，一种手抓往往只能夹取一种量上相近的工件，只能执行一种作业任务。

即与物件接触的部件。

由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。

夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。

手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。

回转型手指结构简单，制造容易构件，故应用较广泛平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。

手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。

常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指
数有双指式、多指式和双手双指式等。

而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。

传力机构型式较常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母多，式弹簧式和重力式等。

附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电吸磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。

对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。

造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。

对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。

电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。

用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。

此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式。

根据用途可分分为：手爪和工具。

1.手爪具有一定的通用性，主要用来抓住工件，握持工件和释放工件；
2.作为工具时，如喷绘枪和焊具。

按照机械原理可以分为：机械钳爪式和吸附式两大类。

同时，机械钳爪式可以分为：
（1）.齿轮齿条移动式手爪，
（2）.重力式钳爪，
（3）.平行连杆式钳爪，
（4）.拔杆杠杆式钳爪，
（5）.自动调整时钳爪，
（6）.特殊形式手指。

2、手腕
起到连接手部和手臂的作用，主要起支撑作用。

机器人一般要有要有6个自由度才能使末端操作器达到目标位置和处于期望
的状态。

3、手臂
臂部有大臂小臂或则多臂组成， 一般有2-3个自由度，即伸缩回转，俯仰或则升降。

同时再设计臂部的时候要考虑到臂部要有足够的承载能力和刚度，刚度小，影响手臂工作时运动的稳定性更严重的导致变形，导致臂部的承受载荷大小都发生变化，运动速度和定位精度也不行；运动平稳性要好，精度要高，它是机械手的重要指标；重量和转动惯量要小，为了提高运动运动速度，尽量减小臂部的重量，同时还要注意偏重力矩，也就是让臂部的重心与立柱的重心尽量靠近；导向性要好，一面手臂在直线运动过程中发生相对运动。

手臂运动分类如下:
手臂在进行伸缩或升降移动时，为了使手臂在直线运动过程中不致发生相对运动，以保证手部运动方向的正确性。

所以这就需要导向装置，同时在设计导向装置时要考虑到实际载荷的大小，手臂长度行程以及手臂安装方式的影响。

同时常用减小或则消除偏重力矩的方法有：尽可能减少臂部重量，还有就是尽量使臂部的重心和立柱的重心重合，再有就是配重的方法。

4、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。

5、机座
机械手的各执行机构部件和驱动系统都安装在机座上，主要起支撑和连接的作用。

(二)驱动机构
手臂运动
基本运动
复合运动 直线运动与回转运动的组合(即螺旋运动)
两直线运动的组合(即平面运动)
回转运动:如水平回转、左右摆动运动
直线运动:如伸缩、升降、横移运动
两回转运动的组合(即空间曲面运动)。

驱动机构用于把驱动原件的运动传递到机器人的各末端操作器，一般的常用的液压驱动，气压驱动和电气驱动。

（三）控制系统
控制系统也就给使机械手发出各种指令，让其能够再找要求完成各种任务的装置。

目前工业机械手的控制系统多半由电气定位系统和程序控制系统构成。

它使机械手按规定的程序运动，并同时机械手接受的指令信息被存储起来，同时按其控制系统的按照接收的信息对各末端操作器发出指令，还可对机械手的动作进行监视，当未按照预定轨迹工作或出现错误时就会发出报警。

(四)位置检测装置
位置检测装置由一个线铙电阻和一个滑动触电组成。

当被检测量的位置发生变化时，滑动触电也随之移动，从而改变了接入点路电阻值的大小，从而改变电压，来更清楚的反应位置的变化。

1.2.2 机械手的分类
按驱动方式可以分为几类机械手
1、液压传动机械手：
其主要特点是:液压驱动的机械手能够获得更大的抓举力，然后他自身所占空间为小，可以获得更大的推力和转矩；同时用油作为介质，它具有自我润滑和防锈性能。

但是油的粘度受温度影响，从而工作性能不稳定；采用电液伺服驱动系统，要求严格的滤油装置，成本高，但是他可以实现连续轨迹控制，并且使机械手的通用性扩大。

2、气压传动机械手：
与液压机械手相比同体积时功率较小，速度不易控制因此精度不是蛮高。

其主要特点是:空气粘度校，更容易达到高速度；不必其他的动力设备，同时对环境没污染，安全性能高，多用在易燃易爆等危险场所。

同时空气的气动软件工作压力相对低些，因此材料要求低些，自然成本也相对便宜；由于空气具有压缩性，所以启动机械手还具有过载保护功能。

3、机械传动机械手：
即动力由机械传动机构提供的机械手。

其运动精度高，动作频率大，但其体积大，而且动作单一。

主要用于上、下料。

4、电力传动机械手：
因为不需要其他的转换环节，所以这种机械手结构没有其他机械手那样的复杂，尽管这类机械手目前在市场还没得到推广，我相信以后有很大发展空间，今后会慢慢被人们认可和接受。

1.3 机器人领域的未来发展趋势
1．应用的广泛性和发展的迅速性
1）在工业领域得更广泛的应用，应用领域在不断大种类日趋增多。

2）像什么机器人舞蹈等，机器人不再是仅用于工业生产，他还人们的生活增添了乐趣。

3）它成了每个国家重点研究的高兴技术产业，目前有几百个国家不遗余力的在对其系统进行改性，让其产品更具竞争力。

2．技术纵向上的发展特征
1）目前它的系统在不断地改进和完善，是它更人性化了。

2）追求与人类环境的完美融人性，目标是“融人人生活，和人类一起协同工作，完成一些人类从事和无法从事的工，以更大的灵活性给人类社会创造更多的财富价。

2．机器人技术的应用前景
在以后的发展过程中，由于科学技术的发展，机器人将变得越来越智能化。

在经济发展的地区，他甚至成为了许多家庭不可或缺的一部分，它给人们带来的便捷不是三言两语就能说清楚的。

随着计算机技术以及人工智能化等技术的飞快法阵，机械手的更方面参数性能有了显著性提高，例如他们的感官就是最典型的例子，科学家们开始考虑如何能够赋予他们更多的感觉，以及自我判断思考，使其更加的智能化。

目前，在日本和欧美等发达国家的一些企业和工厂中，工业机械手已经被广泛地用在代替工人完成各类简单和复杂的工作。

这些工业机械手基本上是限定在特定的环境中完成单一的操作。

对于一些在繁杂、危险、恶劣、极限或一般的环境下需要人手才能完成的复杂作业而言，例如捏、夹、推、拉、插、按、剪、切、敲、打等，普通的工业机械手则显得无能为力。

由于和人手一样带有多个手指和手掌及分
布触觉机能的多指灵巧机械手具有极强的功能和很高的通用性，它完全可以代替或者帮助人类在各种场合下灵巧的完成各种复杂的作业。

例如，机械制造，化工生产，核电维修，军事战备，医疗手术，抢先救灾，科学考察，家务劳动等。

因此，个发达国家的工厂正迫切希望研制出高性能的通用型多指灵巧手来完车后上述作业。

3．机器人开始在军事中发挥越来越重要的作用
1）由于机器人越来智能化，更多感官效果，他开始被作为军工项目重点发展了，像扫雷机器人还是无人驾驶飞机等等其实都是用的智能人。

2）在不久的将来战争将不再靠血肉之躯了，而是集合各种尖端科技与一身的机器人了。

1.4 课题的提出及主要任务
1.4.1 课题的提出
进过时间的考验，现在人们越来越感觉到机器人对我们的生产生活的重要性了。

单位时间内加工次品的率越来越低了，同时我们上班的时候可以更加轻松了，只需控制好操作面板，也就是机器人的控制系统。

与此同时，生产出来的产品品质更加完美，这样可以显著节省成本开支。

鉴于其起着很大的作用，因此它被列入很多国家的高新技术产业。

同时，机器人是一门综合了机电子、电子计算机及仿生人工智能、等诸多专业的新兴学科，在许多领域得到了越来越广泛的重视，同时与机器人机械手等相关的课程被许多大学引入，并被作为重点学科，经过严格的考核，这样对推广机器人知识以及今后机器人产业化进程无疑会起到至关重要的作用器人为了满足高校的教学实验需求我们本着成本低功能全操作简单的原则自行研制了一套机器人实验教学装置。

下面介绍下液压传功机械手在长期的研究中普遍存在的下几个问题:
(1)由于液压传动存在许多能量损失(摩擦损失、泄露损失等):同时容易发生易泄漏事故，这样不仅会产生污染，限制了他的使用范围，更严重可能引起火灾，而端操作器的运动平稳性及正确性也会受到影响。

(2)环境温度对他的影响也很大。

由于其黏度会由于温度的变化而发生变化，这样会影响他的运动性能。

(3)不安全性由于油和空气混合容易产生爆炸。

(4)为了避免泄露产生的一些列问题，如污染环境还有爆炸事故等，所以液压传动对其各部件的密封性能要求相当高，也就是对其各部件的加工工艺要求高，自然成本也高了。

通过对液压机械手缺点的分析与改进，我们可以发现气压机械手的一些特性满足条件，下面来介绍下气动机械手的几个优点:
(1)由于压缩空气的粘度小，所以他的反应更迅速，更容易达到高速。

(2)气压驱动时不需要额外的动力源，直接利用工厂的空气压缩机就可以，而且介质无污染，安全环保。

同时气动驱动对环境要求低，这样他的适应性相对较强，可以在一些恶劣的环境中长时间工作。

(3)气动元件的工作压力较低，这样加工零件的工艺要求，也就相对较低，故可以节省成本。

(4)由于介质是气体的，其具有可可压缩性。

由于空气作为介质，人们普遍觉得启动的定位精度不是很准确，同时它的抓举力相对于液压较小。

尽管气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，并且相对简单的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的成果，没有做过多讲解，因此在工业自动化领域里，对气动机械手的实用性和前景存在不少疑虑[6]。

对于机械传动的机械手，其其运动精度高，而且传动有力，目前被大家广泛的认可。

1.4.2 课题的主要任务
本课题将要完成的主要任务如下:
(1)设计出一个通用性更强的机械手，使其有更好的适应性。

(2)选取机械手的座标型式和自由度。

(3)尤其手臂，手腕，手指等都要经过详细的计算过程。

为了使和谐手的通用性更强，手部在设计的时候可以设计可更换的接头，这样的机械手的通用性会更强
2 机械手的设计方案
2.1工作原理
通过电机1带动蜗杆传动，然后然后蜗杆带动机械手的旋转运动，再由另一个电机2带动蜗杆转动让手臂做垂直运动，再由另一个电机3通过导杆控制钳爪的左右运动，再由另一个电机4控制钳爪的闭合。

典型的摇臂式自动取料机械手,其运动由X,Y两个相互垂直方向的直线运动与一个摆动运动组合而成摇臂式自动取料机械手一般为小型机械手。

这种机械手的运动过程如下: (1)当执行下降取料命令后,机械手抓取装置沿Z轴方向垂直下降,抓取动作可以通过吸盘、气动手指和杠杆机构等完成; (2)抓取工件的机械手沿Z轴反方向运行到原点; (3)机械手绕Z轴旋转一定角度为下一次运动做准备, (4)机械手沿X轴方向将镀件运行到释放点上方,再通过Z轴的下降运动将镀件释放到指定地点; (5)机械手沿上述轨迹反方向运动到原点,开始下一个循环。

根据控制要求,旋转运动和X轴方向的直线运动可以同时进行。

此次机械手的工作流程如图1
图1。