四自由度棒料搬运机械手

目录摘要:本设计的机械手是基于提高劳动生产率、产品质量和经济效益，减轻工人劳动强度而设计的。

在某些劳动条件极其恶劣的条件下，工人难以用手工工作，可用本机械手代替人力劳动。

本设计为四自由度圆柱坐标型工业机械手，其工作向为两个直线向和两个旋转向。

本设计中的四自由度棒料搬运机械手，主要是针对质量少于2KG的圆形棒料的搬运。

通过气爪手指的不同选择可满足直径小于60mm的棒料的搬运。

在控制器的作用下，机械手执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线并把工件翻转过来这一简单的动作.关键词：四自由度；机械手；搬运；工业机器人The Four Degrees-of-freedom Bar Manipulator DesignsAbstract:This paper design for enhances the labor productivity, product quality, economic efficiency and reduces the worker labor intensity. Some job working at extremely bad environment, that people can’t work in hand, so the robots can replace worker to do it.This scheme introduced a cylindrical robot for four degree of freedom. It is composed of two linear axes and two rotary axis currentThis paper mainly use at the transporting of circular good material that quality is short to 2KG. The different fingernail finger was Choice for transporting the good material that diameter is smaller than 60mm.Under controller function the robot move the components from one assembly line to other assembly line and turn over it in space, perform relatively simple takes.Key words: four degrees of freedom; robot; transporting; Industrial robot1 前言1.1 工业机器人的概述与发展机器人（又称机械手，机械人，英文名称：Robot），在人类科技发展史上其来有自，早在三国时代，诸亮发明的木牛流马即是古代中国人的智能结晶。

随着近代的工业革命，机器产业的不断发展成为近代工业的主要支柱。

机器人的研究从一开始就是拟人化的，所以才有机械手、机械臂的开发与制作，也是为了以机械来代替人去做人力所无法完成的劳作或探险。

但近十几年来，机器人的开发不仅越来越优化，而且涵盖了多领域，应用的畴十分广阔。

工业机器人是典型的机电一体化高技术产品。

在多生产领域，它对于提高生产自动化水平，提高劳动生产率、产品质量和经济效益，改善工人劳动条件的作用日见显著。

不少劳动条件恶劣、生产要求苛刻的场合，工业机器人代替人力劳动已是必然的趋势。

工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。

主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。

工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。

工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：第一代工业机器人就是目前工业量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。

它的控制式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。

第二代工业机器人是带感觉的机器人。

它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。

其控制式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。

第三代工业机器人即智能机器人。

这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。

并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。

这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。

世界上工业机器人萌芽于50年代的美国，经过40多年的发展，已被不断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式。

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3/4。

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。

从机器人的应用与发展来看，在很多面工业机器人代替人力劳动已是必然的趋势，工业机器人将来必定有广阔的发展前景[2]。

1.2 本设计中的四自由度棒料搬运机械手所实现的功能本设计中的四自由度棒料搬运机械手，主要是针对质量少于2KG的圆形棒料的搬运。

本设计中的机械手有四个自由度，由底座的旋转，手臂的升降，手臂的伸缩，手爪的旋转组成。

本设计中的机械手是一种通用型棒料搬运机械手。

通过气爪手指的不同选择可满足小于直径60mm的棒料的搬运。

通过示教再现或程序的直接控制可实现在机械手工作围把棒料从指定点搬运到另一指定点，并把棒料翻转过来。

通过对机械手的相应控制还可实现对棒料的排列。

1.3 本设计中的四自由度棒料搬运机械手设计的意义机器人工程是近二十多年迅速发展起来的，目前已应用与多生产领域。

由目前的发展状况看，在可预见的将来它将在生产中扮演越来越重要的角色。

本机械手就是基于此并为提高劳动生产率、产品质量和经济效益，减轻工人劳动强度而设计的。

在某些劳动条件极其恶劣的条件下，工人难以用手工工作，可用本机械手代替人力劳动。

在社会不断发展的今天，机器人在工业现场中的应用也越来越广泛，用机器的力量代替人力，而将人类从繁重的体力劳动中解放出来是历史发展的趋势[4]。

2 机械手的总体设计2.1 设计要求要求：本毕业设计要求学生掌握机器人或工业机械手的结构及工作原理，实现机械手的上升、下移、左移、右移抓紧和放松等多个自由度，完成一四自由度搬运机器人设计，要求所设计机器人能抓取一定质量的工件并到达规定的地点。

2.2 机器手的组成图1 机械手的组成图Fig1 The composition diagram of the robotic机械系统：本机械手由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统组成。

2.2.1 执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括气爪、手臂升降、手臂伸缩、底座旋转。

2.2.2 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。

本设计选用机械传动、气压传动和电机驱动。

控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。

2.3 总体案拟定由设计要求本设计机械手实现的作用：自动线上有Ａ，Ｂ两条输送带，之间距离为0.7m，现设计机械手将一棒料工件从A带送到B带并将棒料翻转过来。

确定为四自由度的机械手。

其中2个为旋转，2个为平移。

在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。

这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。

本次设计就是在这一思维下展开的。

根据设计容和需求确定机械手，利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机械手工作围不大，故利用气缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则选用气爪来做夹持器，用小型气缸驱动夹紧。

气爪的旋转则由与气爪连接的摆动气缸实现[7]。

其外观与工作移动位如图2。

图2 机器人外形图Fig2 Robot Outline Drawings2.4 机器人的工作空间本机械手底座采用圆柱坐标型结构，其工作空间是一个具有一定角度的绕机械手转动轴的扇形体立体空间。

机器人具有较大的相对工作空间和绝对工作空间，所谓相对工作空间是指手腕端部可抵达的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比，绝对工作空间是指手腕端部可抵达的最大空间体积，只要工件搬运点都在此围即可实现搬运。

下图3描述了本机械手的工作空间，是顶视图。

高度即为手臂可升降的高度。

图3 工作空间图Fig3 Workspace map2.5 机械手驱动系统设计2.5.1 机械手驱动器机械手驱动系统包括驱动器和传动机构,它们常和执行器联成一体,驱动臂，杆和载荷完成指定的运动。

常用的驱动器有电机、液压和气动等驱动装置，其中采用电机驱动器是最常用的驱动式，包括直流伺服电机，交流伺服电机及其步进电机等。

本设计中底座的旋转与手臂升降都是采用步进电机作为驱动器（在第5章计算说明步进电机的选择），而手臂的伸缩则选用七缸作为驱动器。

气爪的翻转是通过摆动气缸来作为驱动器[6]。

2.5.2 机械手传动机构手臂的升降是步进电机通过联轴器直接与丝杆连接。

手臂上安装丝杆螺母副，从而驱动手臂的升降。

手臂的伸缩是通过气缸杆直接连接装有摆动气缸的摆动气缸安装板，从而实现伸缩运动的。

气爪的旋转是摆动气缸通过气爪的连接附件直接相连接。

如下图4。

图4 气爪连接示图Fig4 Gripper connection diagram底座的旋转是通过步进电机联接谐波齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机械手的旋转运动。

如下图5。

1—支座，2—电机，3—轴承，4—带传动，5—壳体6—位置传感器，7—柔轮，8—波发生器，9—刚轮图5 机械手底座传动示图Fig5 Robot base transmission diagram本设计中的四自由度棒料搬运机械手的有关技术参数见表1。