某工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u16295某工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)分析案例 1315361.1機(jī)械手技術(shù)參數(shù) 1278341.1.1機(jī)械手最大抓重能力 179611.1.2機(jī)械手的驅(qū)動方式 2227091.1.3機(jī)械手的自由度 2186041.2機(jī)械手結(jié)構(gòu)的選型 3137161.3電壓驅(qū)動電機(jī) 4160971.4本系統(tǒng)控制的機(jī)械手結(jié)構(gòu) 6機(jī)械手技術(shù)參數(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，由于工業(yè)作業(yè)的不同，對工業(yè)機(jī)械手的工作性能有不同的要求。而且不同廠家生產(chǎn)出的工業(yè)機(jī)械手規(guī)格參數(shù)都不同。因此，在對機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)該考慮到機(jī)械手的基本技術(shù)指標(biāo)。機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)包括：最大抓重能力、驅(qū)動方式、自由度等。機(jī)械手最大抓重能力機(jī)械手可以仿照人類手臂抓取重物，抓取重物質(zhì)量的極限就是最大抓重能力。在工作范圍內(nèi)，能承受的最大負(fù)荷。它的主要參數(shù)是由所持對象的質(zhì)量決定的，可以利用提高傳動裝置的驅(qū)動機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度來提高最大的抓重能力。舉例來說，可以通過提高舵機(jī)的驅(qū)動性能，提高機(jī)械手的最大抓重量。另外，還可以通過提高機(jī)械手爪的材料來提高抓重能力。本次設(shè)計所用的演示抓舉功能的物體質(zhì)量設(shè)置為0.1kg。鑒于目標(biāo)抓取對象體積質(zhì)量都比較小，因此，本文所研制的工業(yè)機(jī)械手應(yīng)具有重量輕、簡潔的特點。機(jī)械手的驅(qū)動方式REF_Ref24316\w\h[16]液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動都是工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)的基本驅(qū)動模式。下面將介紹下面四種驅(qū)動方式的特點和本次設(shè)計選擇方案。液壓驅(qū)動機(jī)械手主要以油液驅(qū)動，其特征是：抓取能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、抗壓性能好、并具備一定的防爆性能。但對油液存儲的環(huán)境有特殊的規(guī)定，儲存設(shè)備必須要嚴(yán)密封閉，否則可能會造成油液泄漏，對周圍的環(huán)境造成影響。氣壓驅(qū)動式裝置一般包括氣缸、氣閥、氣罐和空氣壓縮機(jī)四部分。其特點是：結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作快、成本低、維修方便。然而，它的抓重能力和控制精度都不高。電氣驅(qū)動式是工業(yè)機(jī)械手運(yùn)用到最多的一種驅(qū)動方式，成本低廉，不需要水力等成本。電氣驅(qū)動可以通過設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)，具有較高的精確性、精度高、聲音很小、操作簡單。而且具有制作簡單、響應(yīng)快、控制形式多樣化等優(yōu)點。通常使用直流步進(jìn)電動機(jī)和數(shù)字舵機(jī)來實現(xiàn)，常用的工業(yè)控制方法有PID調(diào)速。當(dāng)使用電動機(jī)來進(jìn)行控制時，由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度很快，很難急停，所以必須使用一個減速器?，F(xiàn)在，一些廠商紛紛引進(jìn)了低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的直流電動機(jī)用于工業(yè)上的控制，能極大地改善其控制的準(zhǔn)確性，這樣既可以增加抓取的能力，又可以改善操作的精確度。機(jī)械驅(qū)動通常只用于特定的場合，它的特性是通過凸輪聯(lián)動裝置來實現(xiàn)驅(qū)動裝置的對應(yīng)運(yùn)動。它更穩(wěn)定，更便宜，但它的缺點在于，只適用于特定的環(huán)境，并且不容易維護(hù)和移植。由于該方案對高精度的穩(wěn)定傳輸，所以在對比后選擇了電動驅(qū)動。本次機(jī)械手設(shè)計的設(shè)計方案為電氣驅(qū)動式，采用的STM32芯片進(jìn)行主控，控制精度和響應(yīng)速度較高，而且只需控制不同的舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動就可以完成各種不同的動作。由于本次設(shè)計的負(fù)載較小，采用電氣驅(qū)動式符合抓重要求。機(jī)械手的自由度機(jī)械機(jī)構(gòu)的自由度與空間中的約束數(shù)目相關(guān)，約束個數(shù)多時，其自由度就越少，一般用F來表達(dá)。想要確定機(jī)械手的運(yùn)方式，必須確定下來自由度的個數(shù)。根據(jù)自由度理論，通常六自由度的機(jī)械手可以到達(dá)空間的任何位置，如REF_Ref24539\h圖21所示的多自由度的機(jī)械手。比如，REF_Ref24688\w\h[13]某個點的位置可以由X,Y,Z等確定的三維坐標(biāo)來確定。因此，在一個立體的空間里，一個點可以沿X、Y、Z三種方向運(yùn)動，即每一處都有3個自由度。通過三個正交方向上的旋轉(zhuǎn)，我們可以得到6個自由度。如果機(jī)構(gòu)本身具有一定的限制或者只有6個自由度，那么它的自由度就會小于等于6，一般的機(jī)械手只能達(dá)到3個自由度。另外，應(yīng)該注意到，機(jī)械手都帶有一個終端操縱桿。理論上，機(jī)械手的靈活性、精度和使用范圍會更大一些。增加了自由度，將會使機(jī)器人的控制精確性下降，因而必須增加更多機(jī)械裝置。與此同時，因為自由度的增加，機(jī)械手會變得更靈活，但很難承載較大的載荷。當(dāng)前的工業(yè)機(jī)械手采用三自由度、四自由度、五自由度和六自由度。如果只是一些簡單的動作，三、四個自由度的機(jī)械手就能完成。此設(shè)計方案綜合考慮了工業(yè)機(jī)械手的靈活性、結(jié)構(gòu)組成和負(fù)載特性，設(shè)計了6個自由度的工業(yè)機(jī)械手。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s11具有多自由度的機(jī)械手機(jī)械手結(jié)構(gòu)的選型機(jī)械手按結(jié)構(gòu)上分成了以下四類：（1）直角坐標(biāo)型機(jī)械手：該系統(tǒng)具有兩個縱向自由度，通過三維笛卡爾的坐標(biāo)軸，可以對機(jī)械手終端操縱桿的三維坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其優(yōu)勢是產(chǎn)量大，節(jié)拍短，能夠適應(yīng)高速度的需要，易于與輸送皮帶及加工組裝機(jī)器在流水線上工作。其不利之處在于操作的范圍更窄。（2）圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手：REF_Ref25322\w\h[7]該系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)底座、垂直/水平移動軸、旋轉(zhuǎn)自由度和平動自由度，圓筒形座標(biāo)機(jī)器人的工作區(qū)域為圓筒形，能完成2次直線移動和2次回轉(zhuǎn)移動。具有定位精確、生產(chǎn)品質(zhì)穩(wěn)定、工作節(jié)拍可調(diào)節(jié)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、維護(hù)簡單等優(yōu)點。其不利之處在于其工作區(qū)域僅限于圓柱體。（3）球坐標(biāo)型機(jī)械手：球坐標(biāo)型機(jī)械手使用了球面座標(biāo)系，它由3個運(yùn)動鉸鏈由1個運(yùn)動鉸鏈和2個旋轉(zhuǎn)鉸鏈構(gòu)成。機(jī)械臂的運(yùn)動鉸鏈可以在前、后方向進(jìn)行伸縮，連接于機(jī)械手基座的轉(zhuǎn)接關(guān)節(jié)可以實現(xiàn)對垂直軸的左右旋轉(zhuǎn)，而在該機(jī)械手的垂直方向，由一個鉸鏈實現(xiàn)上下擺動，從而判斷零件的定位。能夠擴(kuò)大機(jī)械手的活動范圍，缺點是存在工作死區(qū)，一般只在特定場合下進(jìn)行作業(yè)。（4）多關(guān)節(jié)式機(jī)械手：多關(guān)節(jié)式機(jī)械手是最接近人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。這種機(jī)械手和人類的手臂有不同的活動范圍，可以自由活動，適合在狹小的環(huán)境下工作。機(jī)械手具有大、小、肘部和肩膀的動作。由于采用了仿造人類手臂的構(gòu)造，可以達(dá)到接近人工操縱的功能。傳動機(jī)構(gòu)采用齒輪聯(lián)動，利用舵機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)全機(jī)械手的運(yùn)動。結(jié)合以上技術(shù)指標(biāo)和本文敘述的驅(qū)動形式,直角坐標(biāo)式機(jī)械手與圓柱坐標(biāo)系式機(jī)械手工作區(qū)域較小,球坐標(biāo)式機(jī)器手具有工作死區(qū),因此本系統(tǒng)使用多關(guān)節(jié)式機(jī)械手,驅(qū)動形式為電氣牽引形式。電壓驅(qū)動電機(jī)REF_Ref26200\w\h[17]工業(yè)上常見的電壓驅(qū)動電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)，下面將依次展開介紹：1.步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)如REF_Ref26417\h圖22所示：REF_Ref26334\w\h[21]是把一個輸入的脈沖信號變換為對應(yīng)的角度和直線的移動。步進(jìn)電機(jī)的輸入功率為一系列的脈動，而其輸出量就是對應(yīng)的遞增位移或分步移動。在常規(guī)的移動條件下，其每個周期的步長是一定的，在進(jìn)行持續(xù)的步進(jìn)動作時，其轉(zhuǎn)動速度與輸入的脈沖頻率相一致，而不會受到電壓和負(fù)荷的影響。因為它是由數(shù)字信號直接控制的，所以尤其適合電腦來實現(xiàn)，是位置系統(tǒng)中必不可少的執(zhí)行器。步進(jìn)電機(jī)一般采用永磁體，而定子繞組則采用多個線圈。步進(jìn)電機(jī)具有精度高、平均誤差精度不超過5.0%的特點；由于線圈內(nèi)的熱易于從電機(jī)本體散發(fā)出去，而且沒有電刷和換向裝置，所以其工作壽命也相對較高；只需一個電脈沖即可確定其工作狀況，因而具有簡單的控制功能；工作轉(zhuǎn)速變化幅度較大，只需調(diào)整輸入的信號的頻率。它的不足之處在于：高旋轉(zhuǎn)速度難以維持；易于發(fā)生諧波共振。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s12步進(jìn)電機(jī)2.直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)如REF_Ref26469\h圖23所示：是一類用于控制的馬達(dá),它的起動力矩較大,體積小,質(zhì)量輕,扭矩和速度都易于控制,工作效率較高。直流伺服電機(jī)有傳遞脈沖的功能,當(dāng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)至一定高度時,可以傳遞一定數(shù)量的脈沖。另外，由于直流伺服電機(jī)需要接收到的信號，所以產(chǎn)生的是一個負(fù)反饋，所以工作起來更加精確。直流伺服電機(jī)可分為有刷及無刷式兩種。有刷直流伺服電機(jī)：具有較高的價格、較高的起動力矩、較大的轉(zhuǎn)速、較好的調(diào)節(jié)速度、易于操作、維修保養(yǎng)，但是維修保養(yǎng)時，會造成電磁干擾，對周圍的環(huán)境有一定的影響。無刷式直流電機(jī)具有體積小巧、質(zhì)量好、輸出功率大、轉(zhuǎn)速高、慣性低、旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)、扭矩平穩(wěn)等優(yōu)點。它的變位模式非常的靈活，能夠進(jìn)行方波和正弦波的變換。無炭刷損失，高效，工作溫度較低，噪聲較少，電磁波較少，使用壽命較久。圖23所示：圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s13直流伺服電機(jī)該舵機(jī)又是一種直流伺服電機(jī)，經(jīng)常用于要求連續(xù)改變角度和能夠維持的控制裝置的位置（角）伺服驅(qū)動環(huán)境。它廣泛用于高級遠(yuǎn)程控制的飛機(jī)、潛艇和遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人。船用舵機(jī)是大型的甲板設(shè)備。根據(jù)船舶標(biāo)準(zhǔn)，選用時應(yīng)注意扭矩的強(qiáng)弱。舵機(jī)還是是航空模型迷們常用的機(jī)器人、飛機(jī)和其它微型電子設(shè)備的專用直流伺服電機(jī)。它通過舵面控制裝置接收外部的信號，根據(jù)旋轉(zhuǎn)的角度來確定旋轉(zhuǎn)的方向，把減速裝置的力矩傳送到控制棒上，從而實現(xiàn)對擺動的位置進(jìn)行控制。3.交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)如REF_Ref26574\h圖24所示：一種新型的電機(jī)控制系統(tǒng)。交流伺服電動機(jī)是以恒定的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和傳感部件為主體，其外表一般為鼠籠式。常用的是三相三相異步電機(jī)。它具有比同等功率的直流電機(jī)更小、成本只有普通直流電機(jī)的三分之一。其不足之處在于無法進(jìn)行大的大幅度的平穩(wěn)控制，需要從電力系統(tǒng)中吸取剩余的磁通。從而降低了電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。交流伺服馬電機(jī)又可分成兩類：一類是永磁式的，另一類是異步式的。與直流電動機(jī)相比，其主要特點有：不需要動、靜兩種方式進(jìn)行調(diào)相；熱輻射問題被很好的處理，體積和質(zhì)量都很輕。其弊端：操作不便；適用于如機(jī)械手等較輕的機(jī)械裝置；需要現(xiàn)場調(diào)節(jié)PID參數(shù)的程序。交流伺服電機(jī)圖片如REF_Ref26574\h圖24所示：圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s14交流伺服電機(jī)通過以上三種電氣驅(qū)動電動機(jī)的說明，在此基礎(chǔ)上，采用的是直流伺服電機(jī)。由于本次設(shè)計的機(jī)械手的應(yīng)用環(huán)境不需要太大的扭矩，故不選用交流伺服電機(jī)。由于其控制簡單，體積小，響應(yīng)快，工作穩(wěn)定，與單片機(jī)的接口簡單，能達(dá)到操作機(jī)械手的快速響應(yīng)和精確控制。本系統(tǒng)控制的機(jī)械手結(jié)構(gòu)本設(shè)計機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)械爪、機(jī)械臂、云臺等部分構(gòu)成。整體實物示意圖如REF_Ref26668\h圖25所示：圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s15機(jī)械臂整體示意圖機(jī)械爪：該爪為合金材料制成的二指機(jī)械爪，由防燒舵機(jī)LDX-335MG驅(qū)動，最多可抓取0.5kg重量的物體，符合本次課題抓取0.1kg的物體，負(fù)責(zé)機(jī)械臂執(zhí)行器尾部的抓取動作。鋁合金支架：作為多關(guān)節(jié)式機(jī)械臂的主體部分，模擬人的手臂完成伸縮，彎曲等動作。由防堵轉(zhuǎn)舵機(jī)LFD-06進(jìn)行驅(qū)動，靈活性好，轉(zhuǎn)向角大。全