(完整版)六自由度机械手

目录摘要 (2)第一章绪论 (3)1.1. 工业机器人概述 (3)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 (5)第二章机械手的设计方案 (7)2.1 机械手的“坐标形式”与“自由度” (7)2.2 机械手的主要参数 (8)第三章手部结构的设计 (9)3.1 末端执行器的设计 (9)3.1.1蜗杆蜗轮型号选择 (10)3.1.2 驱动电机型号选择 (10)3.1.3联轴器的选择 (11)3.2 手腕回转装置设计 (11)3.2.1 驱动电机的选择 (12)3.2.2 锥齿轮的设计 (13)第四章腕部结构设计 (16)4.1 腕部俯仰结构设计 (16)4.1.1 驱动电机的选择 (16)4.1.2 内啮合齿轮的设计 (17)4.2 手腕左右摆动结构设计 (18)第五章肘部与肩部的设计 (19)5.1 肘部结构设计 (19)5.1.1 驱动电机的选择 (20)5.1.2内啮合齿轮的设计 (21)5.2 肩部结构设计 (22)5.2.1驱动电机的选择 (22)5.2.2 锥齿轮的设计 (23)第六章底座的设计 (23)6.1 驱动电机的选择 (24)6.2 蜗轮蜗杆的选择 (24)第七章：ADAMS 模型的建立与仿真 (25)7.1 手部模型的建立 (25)致谢 (29)参考文献 (29)摘要本次所设计的作品是“六自由度机械手”。

六自由度即：腰部回转、肩部摆动、肘部摆动、腕部左右摆、腕部俯仰摆和腕部回转，最终实现“末端执行器”的夹持动作。

方案一：所有传动均选用“齿轮传动”或者“蜗轮蜗杆传动”。

总共需要7个伺服电机来驱动。

首先，腰部电机主轴通过联轴器与蜗杆连接，蜗杆旋转带动蜗轮回转，从而蜗轮再带动底座实现360度回转。

其次，肩部电机主轴通过联轴器与一个锥形齿轮连接，带动另外一个锥形齿轮进行双向旋转，从而实现肩部带动上臂的摆动动作。

再者，肘部电机通过联轴器与一“内啮合”小齿轮连接，而大齿轮与前臂的端部通过平键来周向连接定位。

从而电机带动小齿轮，小齿轮通过与大齿轮啮合旋转，带动前臂实现摆动动作。

在前臂的末端连接手腕处，电机轴与手部直接连接，通过电机的正反转实现手腕的左右摆动。

手腕的俯仰动作原理与肘部摆动原理类似，也是通过一对内啮合齿轮连接。

腕部的回转与肩部的摆动原理相同，通过一对锥齿轮来实现。

末端执行器通过蜗杆与一对扇形蜗轮进行双向旋转实现。

方案二：所有传动都通过“液压缸”来实现，其形式类似于挖掘机或推土机。

最终实现“夹持功能”相同。

这种方案优点是：可频繁换向，冲击小，可实现无级调速。

不过相比第一种方案：需要专门的一套液压装置，结构复杂，容易漏油污染，而且其摆动角度较小。

因此综合考虑，选用第一种方案。

第一章绪论1.1. 工业机器人概述机器人是近几年发展起来的能模仿人的动作的一种产品。

工业机器人由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感器装置构成，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生产设备。

特别适用于多品种、多批量的生产线中。

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。

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，既有人堆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，它也是机器进化过程的产物，它是工业以及产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

机械手是模仿人手的部分动作，按照给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或者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、有毒气和放射性等恶劣环境中，它可以代替人进行正常的工作，意义更为重大。

1.2机械手的组成和分类1.2.1. 机械手的组成机械手主要由：驱动系统、控制系统、执行机构以及位置检测系统装置等所组成。

各个系统互相之间的关系如方框图所示：（一）执行机构包括：手部、手腕、手臂与底座等机构。

１.手部：即与物体接触的部位。

由于接触形式的不同，可分为夹持式和吸附式，本次课题中采用的是“夹持式手部结构”。

夹持式手部又由手爪和传力机构构成。

手爪与物体直接接触，采用双手指式平行结构。

常用的传力结构又有回转型和平移型。

回转型结构简单、制造容易，因此广泛使用。

平移型虽然可夹持直径变化范围大的工件，但结构复杂，故应用较少。

２.手腕：手腕是连接手部和手臂的部件，并可以用来调整被抓取物件的方位和抓取姿势。

如：可左右旋转平移，也可以俯仰转动，并且可以沿着轴线做360度回转。

３.手臂：手臂是支撑被抓物件、手部、手腕的重要部件。

手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按照预定的要求将其搬运到指定的位置。

本次课题所用的机械手臂驱动及传动机构为：电机驱动，锥齿轮或者内啮合齿轮传动。

４.底座：底座是整个机械手的支撑部件，也是执行其腰部进行360度回转的机构。

而且机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于底座上。

（二）驱动系统驱动系统是机械手执行机构运动的动力和传动提供装置。

常用的驱动系统有：液压传动系统、气压传动系统、电力机械传动系统。

目前工业机械手一般采用液压和电力两种，但考虑到环境和机构复杂程度，本次课题采用：电力机械传动机构。

（三）控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。

目前工业机械手的控制多采用程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。

1.2.2. 机械手的分类（一）按用途分1.专用机械手：它是具有固定程序二五独立控制系统的机械装置。

专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单等特点。

适用于大批量自动化生产线。

2.通用机械手：它是一种具有独立控制系统、程序可变，动作灵活多样的机械手。

它的驱动装置与控制系统是独立的。

通用机械手工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化生产线。

（二）按驱动方式分1.液压传动机械手以液压来驱动执行机构的机械手。

主要特点是：抓重大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。

但对密封性要求严格，且易漏油污染，精度要求高，成本较高。

2.气压传动机械手以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。

主要特点是：动作迅速、结构简单、气源方便、成本低。

但输送力较小，冲击较大，结构较大，不适合于小型机构。

3.电力机械传动机械手以电机为驱动装置，并以机械传动机构（齿轮、蜗轮蜗杆、皮带轮等）来驱动机械手。

它的优点是：运动速度快、行程长、维护使用方便、运动准确可靠，且对环境无污染。

因此本次设计采用该种机械结构。

本次课题采用：（1）电机电力驱动；（2）机械结构传动；（3）夹持式手部结构；（4）专用机械手。

第二章机械手的设计方案2.1 机械手的“坐标形式”与“自由度”按照机械手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标形式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。

由于本次课题所设计的机器人的手臂与人体上肢类似，采用了2个回转关节和4个弯曲关节，因此采用了典型的“空间关节式”机械手。

如下图所示：（图1）平面关节式（图2）空间关节式综上可知，2个回转加上4个弯曲关节，总共有6个自由度。

因此为：6自由度机械手。

2.2 机械手的主要参数1.机械手的最大抓重：由于整体结构较小，又采用小型伺服电机驱动，因此考虑抓取物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，最终得出：本设计机械手抓取最大重量为：550克。

2.基本运动速度：电机最大回转速度为：545度/秒，最小回转速度为：261度/秒。

经过中途传动与减速，最终到执行部分：末端执行器最大回转速度为：109度/秒；腰部回转速度约为：60度/秒；肩部与肘部摆动速度约为：60度/秒。

3.机械手的技术参数列表：（一）用途：用于自动输送流水线的上下料。

（二）设计技术参数：1.坐标形式：空间关节式2.最大抓重：550克；3.最大工作半径：550mm4.基座高：200mm5.上臂长（肩到肘）：150mm6.前臂长（肘到腕）：200mm7.腕到手爪中心：200mm8.各回转范围：360度9各旋转范围（摆动）：180度10. 末端执行器最大回转速度为：109度/秒 ；11.腰部回转速度约为：60度/秒 ；12.肩部与肘部摆动速度约为：60度/秒；13.机械手自重：约 5000克；14.手指夹持范围：棒料：60120ϕϕ→15.手爪：内宽 80mm ；手长 100mm ；手指高 20mm 。

第三章 手部结构的设计3.1 末端执行器的设计本次设计末端执行器为“夹持式”，是双手指结构。

并且采用了“扇形蜗轮蜗杆”结构，电机可带动蜗杆进行双向回转，蜗杆带动左右两个扇形蜗轮进行旋转，从而再动动两根手指实现夹持或分开动作。

具体结构如下图所示：其中：两手指内侧之间距离：L = 80mm ；扇形蜗轮半径：R = 30 mm ；支点与手心距离：b=60 mm ；3.1.1 蜗杆蜗轮型号选择：由于两指间内侧距离为：L = 80 mm ；扇形蜗轮半径：R = 30 mm ；因此蜗杆分度圆直径应选取为：d = L-2R = 20 mm ；所以选取蜗杆为：模数：m = 1.6 mm ；分度圆直径：d = 20 mm ；蜗杆头数：1z 1= ；导程角：3426=4γ•”’； 蜗轮齿数：Z = 51； 扇形蜗轮中心角：90θ= .3.1.2 驱动电机型号选择： 所夹持重物：550 g ；即：G = 5.5 N ；橡胶与金属之间静摩擦系数：f=0.5 ； 因此所需的夹持力：G 5.5F 11()f 0.5N === ； 又因为：R F b F ⨯=⨯扇轴 ，故可得：22N F =轴 ；设 F ’ 为蜗杆圆周力，因此有：F sin cos F γγ⨯⨯=轴’ ，解得：F =N ’274 ;蜗杆半径：R=10mm = 0.01 m ，故有：'2.74()M=F R N M ⨯= 因此选用电机型号如下：内芯式805BB 系列电机：双滚珠轴承，定制内置式芯片；6.0伏扭矩：2.74N M ；6.0伏速率：429度/秒 ；尺寸：66X30X58毫米 ；重量：152克 .3.1.3 联轴器的选择：由于机器起动时的动载荷和运转中可能出现的过载现象，所以应该按照轴上的最大转矩作为计算转矩：ca A T =K T 。

其中：T = 2.74N M ； 经查表可知：A 1.5K = ；因此：ca A T =K T 2.74 1.5 4.11N M =⨯=（） ;又根据轴的直径、蜗杆直径，故选择的联轴器应为：承受至少4.5N M 转矩，且轴孔直径为d=22mm 的联轴器。