常昕凯-0801207238-V4-3852-论文.doc

工学院毕业设计

关节式机械手的设计与仿真

专 业：数控技术
班 级：数控0822
学 号：0801207238
学生姓名：常昕凯
校外指导教师：
校内指导教师：徐生

二零一一年五月

目录
摘 要 1
第一章 关节式机械手的工作周期 2
1.1 概述 2
1.2 关节式机械手的工作周期 2
第二章 内部机械结构的确定 3
2.1 内部传动结构的概述 3
2.2 腰部的传动结构 3
2.3 大臂的传动结构 3
2.4 中臂的传动结构 4
2.5 小臂的传动结构 5
2.6 手腕，夹持器的传动结构 6
2.7 总体结构的概观 6
第三章 运动仿真的实现 8
3.1 运动仿真的类型 8
3.2 刚性连接 8
3.3 销钉连接 8
3.4 滑动杆连接 9
3.5 圆柱连接 9
3.6 槽连接 9
3.7 齿轮的连接 10
3.8 运动的实现 10
第四章 基本的数学计算 12
4.1 数学计算的简单介绍 12
4.2 MATLAB R2009a的简单介绍 12
4.2.1 MATLAB R2009a的输入介绍 12
4.2.2 MATLAB R2009a 的运算介绍 14
第五章 结论与展望 15
参考文献 16
附录A 机械手中所用到的标准件 17

工学院毕业设计
摘 要： 本次设计的目标为完成关节式机器人的内部传动结构设计，并通过软件的仿真来证明正设计的确性。最终成为一个示意性的设计。
在这次的设计过程中，我将运用到MATLAB R2009a，UG NX 6.0，Pro ENGINEER WILDFIRE 5.0来进行实体的建模，装配，运动的仿真，坐标的计算等，体现出这些工业设计，甚至于数学软件在现代化的研究，生产所起到的作用。
运动过程为生产工作中的一个周期：①大臂向下转动的同时中臂也向下转动，期间夹持器向外扩张（使夹持器与工件平行）②夹持器向内运动，夹紧工件 ③小臂向上转动90度 ④手腕旋转180度（完成工件的换向）⑤腰部旋转180度（运动到另一个工作台）⑥小臂向下转动90度 ⑦夹持器向外扩张，松开工件 ⑧大臂，中臂同时向上转动 ⑨腰部回转180，同时手腕回转180度，回到初始状态。
经过速度的条件和安全性的考虑，总体完成一个周期的时间控制为31秒。
鉴于本次的设计属于创意性设计，同时关于机械手的内部结构的资料不多，另外本人的专业限制，有不足之处请老师帮助改进，谢谢。
关键词：工业机器人 机械手 内部结构 设计

第一章 关节式机械手的工作周期

1.1 概述
随着现代科学技术的发展，机器人已经向类人话迈进了一大步。在一些精密制造，高危，有毒害或者劳动时间长和劳动强度大的场所，往往采用机器人来代替真人。机器人可以持续工作，无情绪化，工作效率高，工作质量高，而且回收成本快，在现代化的工厂中大受欢迎。
本次设计的目标是关节式机械手，这种工业机器人是在工业中应用最为广泛的，仿照人手进行设计，有和人手相同的自由度。夹持器部分的不同设计使这类机器人能完成搬运，加持，装配，喷漆，焊接等不同工种的作业。
本次设计中采用的软件有MATLAB R2009a，UG NX 6.0，Pro ENGINEER WILDFIRE 5.0。使用MATLAB R2009a，UG NX 6.0进行数学建模及基础的计算。UG NX 6.0，Pro ENGINEER WILDFIRE 5.0进行零件的三维建模。Pro ENGINEER WILDFIRE 5.0来进行装配和仿真。

1.2 关节式机械手的工作周期
工作目标为模仿人工的搬运过程，并将物体旋转180度，放于平行的另一条传送带上。
工作过程为(假定初始的状态下所有关节垂直于底座)：①大臂向下转动的同时中臂也向下转动，期间夹持器向外扩张（使夹持器与工件平行）②夹持器向内运动，夹紧工件 ③小臂向上转动90度 ④手腕旋转180度（完成工件的换向）⑤腰部旋转180度（运动到另一个工作台）⑥小臂向下转动90度 ⑦夹持器向外扩张，松开工件 ⑧大臂，中臂同时向上转动 ⑨腰部回转180，同时手腕回转180度，回到初始状态。
经过速度的调节和安全性的考虑，总体完成一个周期的时间控制为31秒。

第二章 内部机械结构的确定

2.1 内部传动结构的概述
内部传动结构采用机械传动和液压传动相结合，动力装置为直流电机。
2.2 腰部的传动结构
腰部的回转机构采用行星轮实现。将轮架固定于底座上盖。电动机放置于底座，直接连接主动轮，底座则固定于地面。主动轮运动带动从动轮旋转，同时从动轮带动轮架旋转。由于轮架固定于底座上盖，故而能实现电动机带动腰部回转。
通过电动机的功率和行星轮的传动比，结合运动时间和工作过程，就能进行定位控制。示意图如图2-1。

图2-1腰部传动结构示意图

2.3 大臂的传动结构
大臂的回转采用直齿轮组实现。在腰部的底座上增加大臂底座的支撑齿轮箱，驱动电机外置于大臂。大臂的回转使用直齿轮组控制。同时，将中臂的回转电机及齿轮组内置于大臂中，方便中臂回转的控制实现。大臂底座与大臂的链接使用类似于花键的多个键连接，有足够的强度，并且同心性好，拆装，更换方便。
配合电动机的功率，齿轮组的传动比，即可实现目标控制。
外壳的链接与紧固使用螺栓与螺钉。示意图如图2-2。

图2-2大臂传动结构示意图

2.4 中臂的传动结构
中臂的传动结构与大臂类似，由于中臂的电动机已经在大臂内放置，所以中臂内部放置的电动机是小臂电机，另外是小臂的传动系统，小臂的传动系统为锥齿驱动，实现运动的变相。通过控制传动比实现定位控制。示意图如图2-3。

图2-3中臂传动结构示意图
2.5 小臂的传动结构
小臂的回转由锥齿轮控制实现。锥齿轮组和电动机均安置于中臂中。另外，将手腕控制回转的电机和回转锥齿轮组安装于小臂中，电动机为外置电机，这样做能减小小臂的体积，同时更换方便。同样，通过齿轮的配比，实现定位控制。
最后效果如图2-4。

图2-4小臂传动结构示意图

2.6 手腕，夹持器的传动结构
手腕的活动方式为旋转，所以使用一个简单的卡槽结构，配合放置于小臂中的回转锥齿组即可实现，如图2-5。
夹持器的类型为推杆式夹持器。控制采用液压系统控制，通过液压缸的推动，实现夹持器的伸开和夹紧。使用液压能避免若需要长时间夹持物体时电动机产生的高热，甚至烧毁的情况，并且还有控制平稳的优点。
另外，通过夹持器长度的设计，实现对目标重量的顺利夹持。图如2-6。

图2-5手腕卡槽结构示意图

图2-6手腕传动结构示意图

2.7 总体结构的概观
经过上述几步的单位结构设计，最后的整体结构将会变得十分简单，只需要将上面的个个部分装配起来即可。最后如图2-7。

图2-7总体装配示意图

第三章 运动仿真的实现
3.1 运动仿真的类型
在Pro ENGINEER WILDFIRE 5.0的装配环境中，有许多能实现运动仿真的装配方法，我们应该灵活运用，才能实现我们的目的。下面，我为大家讲解一下装配方法和各种装配方法的不同之处。
新建一个装配文件，导入你要装配的零件，在选择定位方式的时候不要着急，让我们慢慢研究一下几个常用的定义。
注意看用户定义的选项菜单，其中的选项不同将影响你以后的装配。

3.2 刚性连接
默认的定位方式为刚性连接，，选择这种连接时，装配好的物体将默认成为一个整体，其中的各个部分不能相互运动。
这种连接的定位方式多种多样，轴，面，点都可以成为定位基准，一般要对丁三个基准才能实现完全定位。
在零件上右击以后，弹出菜单所显示的缺省约束，固定约束也都属于刚性约束。
刚性约束适合于物体不需要相互运动的零件，比如机械手的各个臂的外壳连接部分解释和用刚性连接。
注意，最基准的零件要用刚性约束固定其位置，不然下面的各个零件将失去基准，从而运动出错。

3.3 销钉连接
顾名思义，销钉连接就是模仿销钉的连接，实现物体的相互转动。在机械装配中，销钉连接运用广泛。
销钉连接的定义需要两个条件，一个是轴对齐，一个是面的约束（可以是对齐，也可以是偏距）。定义完成以后会显示完成定义的提示。
销钉连接可以实现物体绕着定义的轴的360度回转，比如机械手中的手腕部分就需要使用销钉连接，还有齿轮轴和壳体的部分也需要用销钉连接。

3.4 滑动杆连接
滑动杆连接就是实现杆在槽中的前后移动。
定义的条件和销钉连接类似，不同的地方就在于面的约束意义不同，滑动杆的面需要定义相对运动的两个面。而销钉连接定义的面约束好以后并不会进行相对的运动，定义的时候要注意面的选择，胡乱选择就会导致定义失败或者是一直没有完全约束。
比如机械手的夹持器的拉杆就是使用滑动杆的连接。

3.5 圆柱连接
圆柱连接相当于销钉连接和滑动杆连接的组合体，连接好以后能实现绕轴旋转和绕轴上下移动。
定义方式也相对简单，只需要定义对齐的轴即可。
适用于即要转动面也要移动的场合，比如仿真螺钉转入的过程。
3.6 槽连接
槽连接使用的场合不是很多，实现的功能是一个物体在槽中移动。
槽连接的定义需要在零件上提前创建点，在槽零件上提前建立线，定义的时候只需定义点和线的关系即可，即确定点在线上运动。
机械手夹持器抓爪部分的夹紧，松开过程，就是通过拉杆定义槽连接后实现的。

3.7 齿轮的连接
齿轮的连接相对复杂，需要进入“机构”界面才能定义。如图3-1。

图3-1进入机构途径
进入机构界面后，右侧的工具栏有定义齿轮副的图标，点击进入。就可以进行定义。如图3-2。

图3-2齿轮运动定义
选择齿轮1，输入节圆大小。点击齿轮2，选择齿轮2，输入节圆大小，基本上属性栏不需要修改，齿轮比即为节圆之比。
若要调节传动比，进入属性界面，齿轮比使用用户定义即可。
齿轮的定义用途广泛，用于直齿，锥齿，涡轮蜗杆等。

3.8 运动的实现
在定义好各种连接后，欠缺的是有运动的速度和运动的时间了。
运动的速度使用伺服电机定义，点击进入后定义运动轴，方向采用右手定则，拇指为轴的指向，四指方向为运动方向。
然后单击profile，可以定义位置，速度，加速度其中的一个。使用速度或加速度后还可以定义速度的大小。
伺服电机和速度定义好以后，进入机构分析，进行时间的控制。

终止时间为运动的总时间，至于type的运动类型，大家可以自己去尝试一下。
总时间完成后，可以设置各个伺服的运动时间（motors），根据你的运动目的和定义的电机，选择合适的时间，就能实现控制。

第四章 基本的数学计算
4.1 数学计算的简单介绍
机器人的数学计算不同于以往的高等数学，主要以矩阵计算为主。计算中比较常见的就是齐次坐标变换，或者是旋转变换的计算。同时在不同的坐标系（笛卡尔，柱面，球面）中选用不同的计算方法。
在计算中特别要注意：由于是采用矩阵相乘，所欲弄清楚所绕轴的先后顺序，左乘和右乘直接影响计算的结果。
由于现在的三维软件能支持多个坐标，所以算得新坐标与原坐标的相对位置也不是非常困难。同时在通用旋转变化中绕不同的轴转动有相应的公式，所以只需将数字带入相应的位置，将各个矩阵放对位置。最后，通过数学计算软件就不难的出相应的坐标变换。
数学计算在实际的生产工作中能帮助我们控制物体具体的移动方式和移动位置。还能根据不同的生产目的而变化，例如达到最高效或者是最节能。

4.2 MATLAB R2009a的简单介绍
MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
4.2.1 MATLAB R2009a的输入介绍
MATLAB目前没有中文版本，这也是我们的学习产生了比较大的困难，下面，我将为大家介绍基本的一些用法。由于在机器人的计算中以矩阵计算为主，我也将只说明矩阵计算的一些方法。
矩阵的输入方法
①直接输入法：以“[ ]”作为首尾，行部分用“；”，元素分隔用“，”或者空格键，输入的窗口为“command window”。如图4-1就是一个3x3的矩阵。

图4-1 3x3矩阵
当你按下空格键的时候，系统会自动命名你的矩阵为“ans”，即为“answer”的缩写，显示在右侧的“workspace”中。如图4-2.

图4-2 3x3矩阵表示
如有需要，你也可以在“ans”的上右键—“rename”来修改矩阵的名称（只支持英文）。
②用函数创建矩阵：在MATLAB中有一些默认存在的函数。
例如：帕斯卡矩阵 pascal（n），括号内的数字代表矩阵的行列数，行列数相等。
魔方矩阵 magic（n），括号内的数字代表矩阵的行列数，行列数相等。 零矩阵 zeros（m，n），括号内代表行数（m），列数（n），所有素
都为零。
壹矩阵 ones（m，n），括号内代表行数（m），列数（n），所有元素都为壹。
单位矩阵 eye（m，n），括号内代表行数（m），列数（n），对角线上所有元都为壹。
或者你输入例如“zibti”=ones（4，3）就得到一个名字为zjbti的4x3的零矩阵。
关于函数矩阵，大家有兴趣可以自己去尝试一下。
③矩阵编辑器：这个是最常用，也是最方便的输入方法。首先，在“workspace”中单击“new variable” ，就会出现一个“unnamed”矩阵，输入需要的名称。然后单击“open selection” ，就会出现一个类似于EXCEL的界面。如图4-3。

图4-3矩阵编辑器
只要根据已有数据，输入即可。
4.2.2 MATLAB R2009a 的运算介绍
矩阵的加减 已有a，b两个矩阵 c=a±b
矩阵乘积 已有a，b两个矩阵 c=a×b（a，b要满足数学上的要求）
矩阵的向量积 已有a，b两个矩阵 c=a·b
求逆矩阵 已有a矩阵 b=inv（a）
清除屏幕 clc
在机器人的位置计算中，无非是位置变化，坐标变换，绕轴的旋转变换，利用已有公式，软件，在MATLAB中建立不同的矩阵，就能算出具体的每一个点的坐标位置。

第五章 结论与展望
通过这次毕业设计，使我学到了很多东西，从开始选定毕业设计的内容开始到最后编写毕业设计说明书,让我了解到全面运用所学知识的重要性。
在设计的过程中,我温故了以前所学的知识, 使我对于如何更加好的运用ProE，UG，MATLAB软件的各个功能有了一个比较好的了解和掌握，还知道了结合课外知识的重要性,通过图书馆，网络，老师的讲解不断的改进以求达到最好的效果。在设计中自己遇到不会的问题时,通过查阅资料,自己的创新性设计，另外再加上同学间的互相讨论以及老师的帮助,达到解决疑难的效果。
完成这次的毕业设计让我感触最大的一点就是设计，加工是一个团队的任务，在现代化的发展过程中，单打独斗已经渐渐被时代说淘汰。虽然有各种软件的帮助，但一个人完成大量的，复杂的计算，设计过程明显是不现实的。在大学毕业之际，通过毕业设计能够感受到团队的力量，也算意外的收获。
用机器代替人工作是一个趋势，而我国在这方面发展的不是很好，和欧美，尤其是日本差距比较明显。这个有可能是由于我们的国情造成的。
做这次毕业设计的初衷完全是因为在网上看见了国外同行的创意设计，那些机器人虽然不是工业机器人，外观也不算漂亮，但他们灵活，机动，能完成一些玩魔方，悠悠球，甚至是一些清洁，体育类的活动。
这次的毕业设计和那些朋友比起来还有不少的差距，最起码他们的是真实存在的，而我最多是电脑上模拟运动。但我相信，随着学习的深入，见识的增长，我们也可以设计，制造出他们那样的用与工业，商业，家用的机器人帮手，为我们日后的生活带来便利。
在此，我要谢谢我的指导老师，徐生老师，给了我不少的帮助和指导。还要谢谢大学中所有教过和指导过我的老师，是你们让我在学习中找到了乐趣。
最后，祝愿我们国家的科技水平越来越发达。

参考文献
[1]马香峰等编著．工业机器人的操作机设计．冶金工业出版社，1996．
[2]吴振彪编著．工业机器人. 华中理工大学出版社，2006．
[3]蔡自兴编著．机器人学．清华大学出版社，2003．
[4]杨叔子、李培根、韩建海编著. 工业机器人. 华中科技大学出版社，2009.
[5]徐为良编著. 机器人操作的数学理论. 机械工业出版社，1998.
[6]顾冠群编著. 机电一体化手册. 江苏科学技术出版社，1996.
[7]张伯鹏编著. 机器人工程基础. 机械工业出版社，1989.
[8]王荣道编著. 工业机器人. 电子工业出版社，1989.
[9]马香峰编著. 机器人机构学. 机械工业出版社，1991.

附录A 机械手中所用到的标准件
轴承：6201，6202，6204，机器人轴承393。
螺钉：M6x10，M10x30。
螺栓：M8x25，M8x40，M12x45，M20x65.
螺母：M8x6，M12x10，M20x12.
行星轮系：M4Z12，M4Z32，M4Z58。（标准直齿）
直齿：M2Z25B17，M2Z25B21，M2Z40B17，M2Z45B22， M2Z50B17。
锥齿：M1.5Z25B10，M1.5Z30B10，M2Z20B15，M2Z25B13，

17