基于框架式三自由度机械手设计及控制

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英国电讯公司未来学部门研究员曾因准确预测手机短讯、垃圾电邮及网上搜寻引擎的出 现而闻名，在最近公布的科技展望五十年的预测中，其中就有数条是关于机械手的。
1.2 国内外研究现状与发展趋势
1.2.1 国外机械手技术的发展概况 如今世界许多发达国家高度重视机器人技术的研究，各种用途的机械手越来越多地
1.1 机械手的概述
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，它可以根据任务的 需要编制程序，以完成各项规定的操作。其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[6]。第二类是需要人工操作的，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。 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。它是为主机服务的，由主机驱动；工作程序一般是固定的。
应用于现代化的工业生产以及作业中。 说到第一台机械手可以追溯 1985 年，美国联合控制公司研制出第一台机械手。它
的机构是机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁快的工件抓放机构。80 年代，美国 政府和企业界对机器人开始重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应 用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国 再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。80 年代中后期，随着各大厂家应用机 器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，美国开始生 产带有视觉、力觉的第二代机器人，其功能以及控制系统也一代比一代先进。可见美国 的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位[8]。
位置。
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（4）机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。 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。常用的机械传动、液压 传动、气压传动和电传动。 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。 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反 馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求
1.3 本课题设计要求
本课题将要完成的主要任务如下: （1）机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。 （2）选取机械手的座标型式和自由度。 （3）设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手臂等部件的设计。为了使通用性更强， 手部设计成夹持式手指来抓取棒料工件。 （4）传动系统的设计 本课题将设计出机械手的传动系统，包括丝杠的选取，气动夹具的设计。 （5）机械手的控制系统的设计 本机械手拟采用可单片机对机械手进行控制，本课题将要选取单片机型号并且绘制出电 气图。
用途:用于车间搬运 在工业生产线中，机械手具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个重要组 成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。机械 手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产品质量和生产效率。
图 2­3
图 2­4
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中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示 范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。目前工业机械手主要用于机床 加工，铸造，热处理等方面，无论数量，品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。 在我国范围内机械手重点发展于铸造、热处理方面，以减轻劳动强度及作业条件。在应 用专业机械手的同时相应的发展同用机械手，有条件的情况下研制示教机械手，计算机 控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、升降、横移、俯仰等机构 以及根据不同类型的加紧机构设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择 不同类型的加紧机构，即可组成不同用途的机械手。这样既便于设计制造又便源自文库跟换工 件，这样便夸大了机械手应用范围。此外我国还在大力研究伺服型、记忆再现型，以及 有触觉、视觉等性能的机械手。
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负载重量：3kg 自由度：3
(1) 大臂的升降 (2) 大臂的伸缩 (3) 腰轴 各轴的最大运动范围： （1） 垂直直线运动由步进电机与垂直丝杠实现，其伸缩长度约为 200m （2） 水平旋转位移由电机实现，其旋转角度为 90° （3） 水平直线运动步进电机与水平丝杠实现，其伸缩长度约为 100mm 各轴的运动速度： （1） 大臂升降速度 100mm/s （2） 滑块伸缩速度 40mm/s 控制系统的设计分析：本课题采用单片机对机械手进行控制，预定工作流程如下：
行预拉伸的补偿的膨胀，因此，可以达到较高的定位精度和重复定位精度。 （6） 同步性好——用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件。可以得到
较好的同运动。 （7） 可靠性高——润滑密封装置结构简单，维修方便。 （8） 不自锁——用于垂直运动，必须在系统中附加自锁或制动装置。
2.5 设计技术参数
滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦，丝 杠传动是带动滚珠沿螺纹轨道滚动[13]。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或者其他直线运
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动相比，有以下特点： （1） 传动效率高——一般滚之丝杠副的传动效率达到 85%—98%，为滑动丝杠副的
3­4 倍。 （2） 运动平稳——滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动无冲
图 2-1 机械手的执行系统
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 包括手部、腕部、机身等。 （1）手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。 （2）腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方 位。 （3）臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的
图 2­2 工业机器人的组成图
2.3 工作要求：
机械手的工艺流程： 机械手原位→机械手前伸→机械手上升→机械手抓取并夹紧→机械手后退→机械手前
进→停止→左转 90°→机械手前伸→机械手松开→机械手后退→机械手下降→机械手 右转 90°→机械手后退→退至原位
2.4 总体方案拟定
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。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用大扭矩电机控制旋转运动； 利用两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 上下及其前后运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。
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1 绪论
机械手装置在工业生产中以得到广泛使用，列如在机械加工、冲压、铸、锻、焊 接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面有也得到越来越广泛的 使用。本课题旨在掌握机械手装置及其控制，可见该项目的研发具有重要的现实意义和 工程应用价值。 框架式三自由度机械手可以模仿人的手进行抓取、移动的动作，实现对工件的抓取及转 移。框架式三自由度机械手主要由控制部分以及机械部分两大部分组成：机械手主体以 及控制部分。其工作原理是用机械手代替人工搬运，通过丝杠传动、电机、单片机控制 装置、使机械手的水平旋转、伸缩、夹取等动作，从而使机械手完成对工件的抓取搬运。 达到节省劳动力的目的。
在亚洲范围内日本是工业机械手发展的最快、应用最多的国家。自 1967 年从美国 引进两种机械售后大力从事机械手的研究。并于 1968 年试制出第一台川崎的“尤尼曼 特”机器人。正是由于日本当时劳动力显著不足，机器人在企业里受到欢迎。日本政府 也在经济上采取了积极的扶植政策，鼓励发展和推广应用机器人。这使日本机器人产业 迅速发展起来，经过短短的十几年，到上世纪 80 年代中期，已一跃成为机器人王国， 其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位[9]。正因为这样才使日本汽车及电子产 品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。使得日本的经济在世界范围内迅 速崛起。
德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。70 年代，德国政府采 用行政手段为机器人的推广开辟道路；在改善劳动条件计划中规定，对于一些有危险、 有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用 开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。从而带动了德国的经济发展[2]。
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2 机械手的总体设计方案
2.1 机械手的设计要求
2.1.1 机械手设计的预计目标 预计达到的目标：熟悉框架式三自由度机械手的工作原理及其组成部分的结构，机
械手的设计计算。 关键理论和技术：在设计框架式三自由度机械手中主要理论和技术包括：机械设计
理论、控制理论、微机控制与接口技术等。
2.2 机械手的系统工作原理及组成
机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装 置等所组成。在程序控制的条件下，采用丝杠传动方式，来实现执行机构的相应部位发 生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的 信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故 障时即发出报警信号[12]。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统， 并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的要求 达到设定位置。
图 2-5 工作流程
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。由于科学幻 想所系的“永动机”、太空探险以及梦想解决人的机能所无法达致境界的求新意念，推 动科学家想研究创造出种种能够代替人的机械。上世纪六、七十年代的自动化机器、无 人操纵的飞行器等等，即是此产业发展链条上的一个大胆的尝试与突破。虽然，后来电 脑、电子产业的发达引开了人们关注的热点，但关于机械手的研究与开发一直在持续进 行着。而近二十年中，因为电脑技术、电子产品及生物遗传工程等技术的大踏步发展， “机械手”的研发热潮已从专业人士的实验室中走了出来，成为一种综合科研能力的开 发活动，参与者也打破了各行各业的划地为牢、各自为政的困局，开始了纵横连合，争 奇斗妍，蔚成热潮的研究与制作尝试[7]。 机械手的研究从一开始就是拟人化的，所以才有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，机械手的开发不仅越来越 优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。大而言之，用之于太空开发，月球 车，深海探测器，海洋石油开采，航天飞机机械臂等，小至微型手术机械，生命监测仪 等。军事上的用途更是日新月异，从拆弹器、清除地雷器到无人驾驶飞机、战车，有人 甚至预测未来战争可能如星球大战一样，是机械手的战争。至于工业、农业、遗传生物 产业、医学、文化产业、电讯业、能源开发，都将因机械手的大量登场而出现产业革命。
击，低速时无爬行。 （3） 能源预紧——预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。同时增加
的摩擦力矩相对不大。 （4） 工作寿命长——滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度、高精度、具有较长的工作
寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杠福的 4­10 倍以上。 （5） 定位精度高——由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙、通过预紧进
前苏联则是从六十年代开始发展机械手，目前来看其工业机械手大部分还属于第一 代，主要依靠工人进行控制。第二代则在加紧研制中[11]。在国外机械制造业中工业机 械手应用较多发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及电焊、喷漆等 作业。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，使它具有一定 的传感能力，使其能根据外界的变化做出相应的反应。可见工业机械手的普及是将来的 发展趋势。 2、中国机械手行业的现状及前景 现代工业生产中，生产过程中的机械化、自动化已经成为突出的主题。我国在七五计划