本科畢業(yè)設計說明書（論文）第I頁共I頁目錄1引言11.1機械手的分類21.2機械手的應用31.3機械手的未來32課題背景及要求42.1課題背景42.2隧道清潔機械手課題的設計任務62.3隧道清潔機械手課題的設計思路63清潔機械手總體方案設計83.1清潔機械手的組成83.2清潔機械手末端執(zhí)行器軌跡的規(guī)劃93.3機械手手腕回轉中心104清潔機械手的運動及自由度134.1地鐵隧道清潔機械手的類型134.2鉸鏈四桿機構的選取154.3機械手自由度的校核195其它部件的設計與選型205.1電機的應用選擇205.2吸塵器的設計245.3手臂伸縮長度設計25結束語27致謝28參考文獻29本科畢業(yè)設計說明書（論文）第1頁共29頁1引言很早以來，人類就幻想有一種擬人的機械，能實現(xiàn)如人的手、腳一樣靈活自由的運動，能代替人從事各種復雜的勞動。隨著人類認識的不斷深入和科學技術的進步，這種夢想正逐步變成現(xiàn)實。在我國，習慣于把工業(yè)機器人稱為機械手或操作臂。操作一般是由一系列連桿由旋轉關節(jié)或移動關節(jié)相連接的開式運動鏈，一端裝在固定的支座上，另一端自由安裝手爪、工具等，實現(xiàn)各種操作。關節(jié)的作用是使它連接的兩連桿產生相對運動。操作臂式多環(huán)節(jié)開環(huán)機械裝置：它有完成旋轉和往復運動的關節(jié)，其自由度數(shù)目是210個。這個機械裝置的最后一個環(huán)節(jié)（即工作機構）是手爪，或其它任何專門的生產器械，如真空吸附盤、噴霧器、自動搬手等。為了能夠在各環(huán)節(jié)位移最小的情況下保持執(zhí)行機構有平滑的移動軌跡，必須正確的分配操作臂傳動鏈的運動自由度。為此，操作臂必須滿足如下基本要求：(1)可隨意改變手爪位置和方向；(2)在保持手爪位置和方向的條件下，可隨意改變操作臂運動鏈在空間的形狀；(3)用于改變手爪方向的運動自由度不能對手爪終端位置有明顯的影響。要按照操作臂在工作范圍內的工作要求，即服務質量，來選擇各環(huán)節(jié)的有效長度，工作系數(shù)可作為一個工作標準。根據(jù)所要求的工作系數(shù)的大小確定各環(huán)節(jié)的工作長度和確定各環(huán)節(jié)的操作臂傳動鏈中的位置。在確定手爪的結構時，通常要考慮某些定型工序。有的手爪做成勺罐形，有的有兩個或三個手指等等。工作機構可同時帶有信息傳感器。這種信息傳感器能確定出操作對象的各種、參數(shù)，并能發(fā)出故障警報等。傳動裝置主要有三類：電動、液壓和氣動的傳動。由于空氣壓縮性大和制造良好的氣動系統(tǒng)相當復雜，所以氣動傳動的靈敏性很差。液壓傳動除專門的維護外，還由于漏油會引起環(huán)境污染。電傳動可以采用各種伺服電機和離合器。傳動裝置可直接安裝在固定機械手的基座上。分散裝配傳動系統(tǒng)的優(yōu)點是：由電動機到關節(jié)之間力的傳遞簡單，因而機械手的機構緊湊。集中配置傳動裝置可以簡化機械手的結構，并且可以比較自由地選擇傳動的形式和結構，但是有傳動裝置向關節(jié)傳遞力需要齒輪、鏈條等等13。電動機械手的主要特點是機械手的每個活動度都相應的配有一臺電動機以及有關變速傳動結構。與液壓或氣動機械手相比，驅動源和系統(tǒng)較簡單，電動機又是配通本科畢業(yè)設計說明書（論文）第2頁共29頁用產品規(guī)格齊全，容易得到，不需要另行設計制造。在位置精度要求不高的情況下，控制也較方便。但普通電動機均為回轉運動，且轉速較高，一般都配有變回轉運動為直線運動的機構和減速機構。因此，在驅動功率要求較大的情況下，整個裝置也較大。故電動機械手一般適用于提取重量不大，位置精度一般，活動自由度較少的機械手。若采用特殊設計的專用電動機或特種電動機，如功率伺服電機、功率步進電機等，也可以改善電動機械手的性能，因此電動機械手很具有推廣使用的價值4,5。1.1機械手的分類(1)直線型這種運動型式的機械手，其臂部只具有沿直角坐標軸線作直線移動的活動度，即臂部只是做伸縮、升降和平移等運動，它的運動范圍的圖形可以是一條直線、一個矩形平面或一個長方體。(2)回轉型這種運動型式的機械手，其臂部均具有水平回轉這個活動度外，與臂部的伸縮和升降兩個活動度組合成一個完整的回轉型機械手。它的運動范圍圖形視其活動度的不同可以是一圓弧曲線、一扇形平面、一圓柱面和一空心圓柱體范圍。其特征輪廓為圓，其特征運動為回轉，為方便起見稱為回轉型。(3)俯仰型這種運動型式的機械手，其臂部除了具備水平回轉這個活動度外，都具備臂部俯仰這一活動度，與臂部伸縮活動度組合成一個完整的俯仰型機械手。它的運動范圍圖形為一空心圓球。這種型式的特征運動為俯仰，為方便起見稱為俯仰型。通常將只具有臂部俯仰而無臂部回轉這一活動的機械手，因結構上和俯仰型接近，亦稱作俯仰型。(4)屈伸型這種運動型式的機械手，臂部有大臂和小臂兩部分，除了大臂具有水平回轉和俯仰活動度外，小臂相對大臂還有一俯仰運動，從形態(tài)上看小臂相對大臂做屈伸運動。根據(jù)此一特征稱它為屈伸型。它的運動范圍圖形為球體。當然機械手的運動型式，除了上述四種基本型式外，還可以有某些運動組合而成的復合型式6。本科畢業(yè)設計說明書（論文）第3頁共29頁1.2機械手的應用工業(yè)機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調重復勞動，提高勞動生產率，保證產品質量。目前主要應用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)，實現(xiàn)生產自動化。隨著生產的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。我國的工業(yè)機械手(或第一代機械手)發(fā)展主要是逐步擴大其應用范圍。在應用專用機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手，研制出示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等?？梢詫C械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，設計成典型的通用機構，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型機構，組裝成各種用途的機械手，即便于設計制造，又便于更換工件，擴大了應用范圍。1.3機械手的未來機械手又稱工業(yè)機器人，最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。國內對工業(yè)機械手的研究與開發(fā)始于20世紀70年代。1972年我國第一臺機械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應用機械手。從第七個五年計劃(19861990)開始，我國政府將工業(yè)機器人的發(fā)展列入其中，并且為此項目投入的大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機器人，有由北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機器人，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設計制造的點焊機器人，大連機床研究所設計制造的氫弧焊機器人，沈陽工業(yè)大學設計制造的裝卸載機器人等等。這些機器人的控制器，都是由中國科學院沈陽自動化研究所(SIA)和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的，同時一系列的機器人關鍵部件也被開發(fā)出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器，DC-PWM等等。