仿人柔性机械手设计
摘要
灵巧机械手是近年来机器人领域讨论的热门话题，世界上很多国家的研究机构都开展了关于机械手的研究。本文重点讨论了机械手的运动系统，包括机构，传动和驱动，本课题主要研究内容如下：
第一章概述。主要介绍课题来源、国内外现状以及本文所要作的工作。
第二章灵巧机械手总体方案设计。先后介绍了灵巧机械手总体方案的初步设计，灵巧机械手的设计步骤、主要参数的计算、关键的结构设计，机械传动系统和电气驱动设计。
第三章对方案二的改进设计综述。论述了方案二的结构与传动设计。
第四章关键结构（零部件）的分析和设计。为了提高机械手的运动速度和控制精度，要求机械手的传动机构具有结构紧凑、体积小、重量轻、无间隙和响应快的特点。
第五章总结和提高。本章是对全文的总结，在总结的基础上进一步的指出了本课题研究存在的问题，及灵巧机械手研究发展方向等。
关键词：仿人柔性机械手工作原理机构设计自由度
Design of Humanoid Flexible Manipulator
Abstract
The flexible manipulator is the hot issue that the robot realm discusses in recent years and Many research institutions have conducted research on the robot. This essay discussed the sport system of flexible manipulator, include mechanism, transmission and drive, this topic mainly studied the contents as follows:
Chapter 1 Outline. Introduce the subject of the source of the topic at home and abroad as well as the work which will be accomplished.
Chapter 2 Overall program design. Introduce the preliminary design of the dexterous manipulator of the overall program, design steps, the calculation of the main parameters, the key structural design, mechanical transmission, and electric-driven design.
Chapter 3 The plan of the two design improvement. Discusses the structre and transmission design
Chapter 4 Analysis and design of key structures (parts). In order to improve the robot's movement speed and control accuracy, the robot drive mechanism has a compact structure, small size, light weight, seamless and fast response.
Chapter 5 S ummarize and improve. This chapter is a summary of the full text, and further pointed out the problems in this research, and Dexterous Manipulator direction of development on the basis of summing up.
Keywords:Flexible manipulator; Working principle; Mechanical design; Freedom degree
目录
1. 引言 (1)
1.1 课题来源 (1)
1.2 国内外现状 (2)
1.3 关键技术 (4)
1.3.1 小而强的驱动 (5)
1.3.2 丰富的感觉 (5)
1.3.3 聪明的大脑 (6)
2. 灵巧机械手方案设计 (7)
2.1 灵巧手设计的基本原则 (7)
2.1.1 手型的选择 (7)
2.1.2 自由度的选择 (7)
2.1.3 驱动器的选择 (7)
2.2 总体方案的比较 (8)
3. 方案二的改进设计综述 (10)
3.1 手指机构的传动方案设计 (10)
3.2 FRJ-11灵巧手的整体结构设计 (11)
3.2.1 关节的结构设计 (11)
3.2.2 手指关节间连接机构的设计 (13)
3.2.3 手掌的结构设计与制作 (13)
4. 关键结构（零部件）设计与分析 (15)
4.1 手指机构设计 (15)
4.1.1 拇指机构运动学分析 (18)
4.1.2 4关节手指机构（食指，中指）运动学分析 (19)
4.2 传动与结构设计 (21)
4.3 驱动设计 (24)
5. 结论与展望 (25)
5.1 结论 (25)
5.2 未来展望 (25)
结语 (27)
参考文献 (28)
致谢 (29)
1.引言
机器人多指灵巧手是一种仿人手的装置,它具有力觉、触觉、视觉和温度感知能力,可以代替人在危险、恶劣的环境下完成普通装置所不能完成的复杂操作任务。多指手的每个手指都相当于一个独立的、具有多自由度的微型机器人,这样通过协调各个手指间的相互运动就可以实现对不同类型物体的精确操作。但同时多指手的使用使得整个系统的复杂性增加,另外,由于操作上的要求,仿人形灵巧手本身的体积有比较严格的要求,所以设计一
种高性能且紧凑的控制系统对多指灵巧手的起着至关重要的作用。
本论文根据人手抓取物体的仿生学原理所设计机器人手爪为3指手爪，其中一个为拇指，两个分别为食指和中指，并且按人手机构布局。3个手指共有11个自由度。其中拇指有3个自由度，其余两根手指分别相当于食指和中指，它们结构相同，都具有4个自由度。每个关节分别采用一个电机进行驱动。本文在完成了对机械手结构设计的同时，还对各手指进行了运动学分析，以便于对机械手实现控制。
在此，我通过整个设计过程，阅读相关文献资料，我对灵巧机械手技术有了一个全新的认识，对我们国家的机械手技术产生很大的信心，也对机械手技术的未来充满期待。相信随着我们国家国民经济水平提高，我国的机械手技术也会有一个相当大的飞跃，一定会赶上甚至超过世界先进水平。
1.1 课题来源
自40多年前，第一台计算机控制的机械臂出现之日起，人类将机械的概念延伸到了一个新的领域——机器人。在制造领域，可以看到众多机械臂在替代人们执行各种操作任务，如喷漆，焊接，搬运，装配等。然而还有许多操作任务单靠机械臂的运动无法完成，例如太空，水下，核辐射等环境下的实验，维护。排险等复杂任务。于是像人手一样的机械手成为期待的目标。然而人类能否造出如此灵巧的机械手呢？在机械技术领域研究人员一直在探索解答这一问题的技术途径。经过十几年的研究，世界一些大学和研究机构开发出多种机械灵巧手样机。它们日益显示出在危险和有害环境下代替人类执行复杂操作任务的可能性。像人一样，机器人需要用它的手与环境发生作用。机器人发展初期，面向的需求首先是制造领域，早期的工业机器人主要执行上下料的简单任务，功能单一的两指夹持器就能满足任务需要。随着技术的进步，工业机器人开始向更多的应用领域发展，上百种专门用途的“手”，统称为末端执行器，使机器人能够应对丰富多样的人物对象，从轮胎，玻璃到布料，从大型金属热轧件到微小的电子器件。尽管如此，末端执行器仍然是制约机
器人应用的一个主要因素。于是，开发多用途机械手成为早期灵巧机械手研究的缘由和动机。
随着工业化的实现，信息化的到来，我们开始进入知识经济的新时代。创新是这个时代的源动力。文化的创新、观念的创新、科技的创新、体制的创新改变着我们的今天，并将改造我们的明天。新旧文化、新旧思想的撞击、竞争，不同学科、不同技术的交叉、渗透，必将迸发出新的精神火花，产生新的发现、发明和物质力量。机械手技术就是在这样的规律和环境中诞生和发展的。科技创新带给社会与人类的利益远远超过它的危险。人若失去双手，其生活和工作能力将极大降低。传统机器人多限于制造领域，一个重要原因在于缺乏对复杂环境和对象的操作能力。研究和开发类似人手的智能灵巧手，对于机器人技术在更为广泛的领域获得应用将会产生重要作用。机器人的发展史已经证明了这一点。机器人的应用领域不断扩大，从工业走向农业、服务业；从产业走进医院、家庭；从陆地潜入水下、飞往空间；......。机器人展示出它们的能力与魅力，同时也表示了它们与人的友好与合作。
“工欲善其事，必先利其器”。人类在认识自然、改造自然、推动社会进步的过程中，不断地创造出各种各样为人类服务的工具，其中许多具有划时代的意义。作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。世间万物，人力是第一资源，这是任何其它物质不能替代的。尽管人类社会本身还存在着不文明、不平等的现象，甚至还存在着战争，但是，社会的进步是历史的必然，所以，我们完全有理由相信，象其它许多科学技术的发明发现一样，机器人也应该成为人类的好助手、好朋友。中国的未来在科学。展望21世纪，科学技术的灯塔指引着更加美好的明天。
怀着对灵巧机械手技术的浓厚兴趣和美好憧憬，这次毕业设计我选择了灵巧机械手作为自己的课题，希望能通过这次毕业设计加深对现在国内外机械手方面的先进技术和成果的了解，锻炼自己探索和创新的能力，树立为祖国科学技术的发展而奋斗的信心。
1.2 国内外现状
20世纪70年代至今，出现了多种灵巧手样机。从20世纪70年代开始，伴随着计算机控制技术的发展，出现了模拟人手结构的多指手。例如Okada手采用3个手指分别模仿人手的拇指，食指和中指，总共11个自由度，采用直流电动机驱动。
20世纪70年开发的多指手，在运动方面一考虑手指机构自由度为主，没有明显的手掌，也没有触觉，力觉等外部传感器，靠测量关节位置和力矩来控制指尖位置和抓持力。
20世纪80年代初，美国斯坦福大学的学者Salisbury以灵巧性为焦点，探索了灵巧手的设计理论和控制方法。他从运动学的观点出发，研究灵巧手需要满足哪些条件才能实现对物体的抓持和操作。为此，他系统的分析了包含摩擦在内的接触约束，指出若要能稳定抓持物体，并对物体施加任意的力和运动，灵巧手至少需要3个手指，且每个手指需要3个自由度。
20世纪80年代中期，美国Utah大学生物医学设计中心和麻省理工人工智能实验室联合开发了Utah/MIT手，该手的设计兼顾了仿人和简单性的原则，采用模块化设计的思想，将4个手指设计成相同的结构，在掌上采用仿人式布局。每个手指4个自由度，整手16个自由度，是当时自由度最多的仿人机械手。
20世纪90年代，美国国家航空宇航局（NASA）和德国宇航中心（DLR）瞄准空间机器人系统，相继开发出功能更强的灵巧手。NASA的喷气推进实验室首先开发了4指灵巧手，气候Johnson空间中心又开发了Robonaut手。DLR的机器人研究中心也先后开发出了两种型号的4指灵巧手。
自从1997年本田（Honda）公司率先推出人形机器人（humanoid robot）以来，Sony,HP 等公司相继进入开发行列，相继研发了P3，Qrio等多种人形机器人。日本Gifu大学一人形机器人和康复医疗为背景，在2002年开发出5个手指16个自由度的GifuⅡ手。
从1987年开始，北京航空航天大学机器人研究所持续开展了机器人灵巧手的理论与实验研究，先后研制了4种灵巧手样机。即BH-1型为3指9自由度灵巧手，采用钢丝绳传动，驱动电机置于手掌之外；BH-2型改变了3个手指的配置，设计成拟人手；BH-3型将3指9电动机全部集成于手掌，并配有关节转角和指端力传感器；BH-4型为4指16自由度灵巧手，采用齿轮传动，电动机集成于手指和手掌，带关节位置传感器。
可以看出我国的灵巧机械手技术和发达国家相比还有相当大的差距，这是由许多因素造成的，但是我们应该看到可喜的一面，在短短的不到二十年的时间，我国的机器人技术已经发展的相当迅速，我们坚信在科技创新的推动下，我国的机械手以及机器人技术必将获得更快更好的发展。表1-1列举了国外一些设计开发实例。
表1-1 灵巧手样机
研究者
（时间）
手名称指数自由度驱动类型传感器种类
Rich Walker等（2004年）Shadow Hand 5 24 人工肌肉肌肉压力、关节位置、
分布式触觉力传感器
Lotti等（2004年）UBH3 5 20 电动机电动机位置、张力、关
节位置传感器
Kawasaki等（2004年）Gifu Hand Ⅱ 5 16 电动机电动机位置、6维指尖
力、分布式触觉传感器
Butterfass等（2001年）DLR-Hand Ⅱ 4 13 电动机电动机位置、关节位
置、关节力矩、6维指
尖力传感器
Schulz，S.等
（2000年）
Ultralight Hand 5 10 人工肌肉关节位置、压力传感器
Lovchik （1999年）Robonaut Hand 5 14 电动机电动机位置、关节位
置、张力、触觉传感器
A.Caffaz等（1998年）DIST Hand 4 16 电动机电动机位置、关节位
置、三维指尖力传感器
Jacobsen （1984年）Utah/MIT Hand 4 16 气缸电动机位置、关节位
置、张力、触觉传感器
Salisbury （1983年）Stanford/JPL
Hand
3 9 电动机电动机位置、张力、指
尖力、指尖触觉传感器
1.3 关键技术
随着科技水平的不断进步和新兴交叉学科不断涌现,如太空探索、核能开发、医疗器械等都对机器人技术提出了更高的要求,而传统的工业机器人末端夹持器有一些缺点,如灵活性差,感知能力低下,力的控制精度不高等。近二十几年来,多指灵巧手的研究工作得到了迅速的发展,并逐渐成为一个专门的研究领域。
灵巧手设计是一个复杂的迭代，选择与决策过程，包含了分析，综合，集成等活动，每项活动对最终的设计都会产生严重的影响。人手有运动和感知两个主要功能。运动功能时期能够操作不同形状和大小的物体；感知功能使其能通过接触获得物体特征，探知未知环境。人手的这两个主要功能还必须通过肌肉的动力和大脑的控制才能实现。因此，灵巧手的设计可以分为3个子系统：①运动：包括机构，传动和控制；②传感：包括传感器及其信号处理；③控制：包括底层的运动和力控制，以及上层的抓持和操作规划。作为还未毕业的在校学生，对灵巧手及机器人技术等知识是比较缺乏的，这次灵巧手的设计的内容
主要完成了运动子系统的设计，即结构和传动的设计。
在灵巧手的设计中，驱动，传感和控制是3个主要成分，也是灵巧手设计开发的难点。因此，灵巧手的开发有3个关键技术需要解决。
1.3.1 小而强的驱动
灵巧手需要小而轻的驱动器，常见类型为电动机。目前所见的灵巧手最多有24个自由度。自由度越多，设计难度越大。难题之一是如何安置众多驱动器，使得灵巧手的尺寸接近人手。现在的微型电动机体积过大，无法在尺寸和力矩指标上同时满足要求。若将电动机集成在手内，同时保证尺寸足够小，则手指端的输出力太小，例如不超过10-30N。若要获得更大的力，电动机只能安装在手外，如放于小臂内，用柔绳传递运动和力。这正是现在许多灵巧手样机采用的传动方式。如果要取代复杂的柔绳传动系统，则需要尺寸小、力矩大的微型电动机。人工肌肉是新近出现的另一种驱动方式，不过尺寸庞大仍然是一个未解决的问题。
1.3.2 丰富的感觉
用于灵巧手的传感器主要有位置和触觉传感器。测量关节位置是实现手指运动控制所必需的基本要求。常见做法是用码盘测量电动机轴转角，经减速比缩小后，关节角的计算值可以有较高的分辨率，但传动间隙和变形会产生严重影响测量结果的准确性和可靠性。理想的方式是直接测量关节转角，在现有设计中，可以看到将霍尔元件、电位计和关学传感器用于关节角位置测量的实例。
在环境对象不确定的应用场合，没有接触信息反馈，很难想象灵巧手能完成任何任务。从人的经验可以直接观察到触觉与手的灵巧性关系密切。你如果有过手指冻僵的经历，就会体验到没有足够的触觉信息，人手会变得笨拙。触觉传感器分为两类：力传感器和接触传感器。力的测量方式有多种，测钢丝绳张力和手指关节力矩，可以分别采用1维力和力矩传感器。也有复杂一点的3维力传感器测指端接触力大小和方向。再复杂一些，可以用6维力/力矩传感器测量接触力的位置、大小和方向。力传感器响应快、性能比较稳定，但只能测量合力，无法识别接触点的数量和分布。后者靠接触传感器测量。这类传感器通常由多个触点组成阵列，用来测量接触区域和触点的压力，从而可以获得接触点的位置、接触区域的形状和力信息。由此，还可以进一步获得摩擦信息，以便判断是否发生滑动。尽管灵巧手样机的开发采用了多种触觉传感器，但究竟使用哪种触觉传感器或几种结合更好，还没有明确答案。另外，接触传感器在分辨率、信号处理、走线，以及制作和价格等方面离应用还有距离。
其他类型传感器，如接近觉、视觉、加速度、振动等，通常是针对特殊任务需要而增加的。
传感技术离我期望的应用目标还有很大的距离，特别是触觉传感器，已经吸引了大量研究投入。尽管如此，在提高可靠性、分辨率、灵敏度等方面仍然面临重重困难。灵巧手在运动学结构上越来越接近人手，但由于触觉传感功能滞后，限制了机械功能的发挥。1.3.3 聪明的大脑
即便有了像人手一样的运动和传感功能，如果没有控制系统，这些潜能就不能发挥，就像人若“手巧”必需“心灵”一样。
目前用于灵巧手的控制策略分为两类：主从控制和自主控制。主从控制的特征是人直接参与控制过程，在控制系统中扮演判断、决策与规划的角色。而在自主控制中，人不直接参与控制过程，运动规划所需要的判断和决策过程已通过算法形式植入机器人控制器，即机器人有自己的大脑。
主从控制系统通常由操作者、人机交互设备、灵巧手及其控制器组成。操作者的主要任务是进行任务和运动规划，根据视觉、力觉等信息反馈，做出判断和行动。人机交互设备采集操作者手的动作，将其转化为灵巧手的运动或力控制指令。控制器根据人机交互设备输出的指令，对驱动器进行位置或力伺服控制。当灵巧手的结构接近人手时，运动映射变得直观而简便。因此，主从控制比较适合于仿人手。
自主控制系统的难题是如何使机器人有一个聪明的大脑。机器人要能够知道物体在何处、物体的形状如何，并能够自主规划如何完成抓取和操作任务。一方面根据理论设计的规划算法还不能满足控制的实时需要，另一方面这些理论的假设条件依赖于触觉和视觉信息。受触觉传感器性能的限制，目前还无法获得足够准确和完整的触觉信息。因此，除个别极为简单的例子，只能利用仿真方法验证运动规划算法，还无法在物理系统上加以证实。
另一种过渡策略是将主持控制与自主控制两者结合。由人承担抽象的难以量化的任务定义工作，由灵巧手自主完成细微操作任务。让机器人的控制系统学习人的知识，并将其转化为运动控制指令。在这里，人工智能的一些理论和方法，如模式识别、神经网络等可以用来识别人手的抓持类型，并建立人手与灵巧手之间的抓持映射关系。
在这次设计中采用的是3指11自由度的机械手结构，相当于人手的拇指，食指和中指。采用微型电磁电机驱动,就可以像内置型灵巧手那样,将电机全部置于手掌内,形成独立的手部结构;同时可以借鉴外置型灵巧手的方式,采用线驱动方式使手指结构变得更加简单,从而使灵巧手可以获得像人手一样的自由度，并且提高了可靠性，降低了成本。
2.灵巧机械手方案设计
设计灵巧手需要首先根据用途确定其功能要求和设计指标。用途不同带来设计结果的差异。灵巧手设计需要考虑的因素很多，影响灵巧手总体方案的几个主要因素包括手型，自由度，驱动种类，传感器种类等，在本论文中主要研究了前三个因素。
2.1 灵巧手设计的基本原则
2.1.1手型的选择
近年来，灵巧手的设计趋于拟人化，控制策略可能是其中一个主要原因。由于技术的制约，实现自主控制目前遇到许多障碍，因此利用人的操作经验进行主从控制是当前的一个方向。目前国内外比较流行的主要是3～5指的灵巧手。为了使结构简单，降低制作成本和操作可靠性，可以选择3指灵巧手作为设计方向，并且按照人手来配置手指的布局。
2.1.2自由度的选择
在自由度的选择上，可以选择与人手一样多的自由度，也可以在保证灵巧手功能要求的前提下选择尽可能少的自由度。这样做的出发点主要有两个，一是兼顾传感和控制所能达到的水平。虽然自由度是衡量灵巧的一个重要指标，但当传感和控制功能很弱时，多自由度的优势仍然无法体现出来。二是我们对灵巧手功能的强弱与自由度的多少之间的关系尚不清楚，所以要在自由度不足的情况下观察灵巧手的抓持操作能力所受的影响，这样不仅能帮助我们识别和理解问题，还可以找到问题的答案。
2.1.3驱动器的选择
在机器人灵巧手的设计中,驱动器的形式主要有电磁(电机)驱动、液(气)压驱动和采用记忆合金等[ 1～5 ]。现在在灵巧手的研究中,电机驱动是主要的驱动方式。体积小、输出力大的电机及集成驱动芯片的采用使电机、驱动电路板与手指机械本体融为一体,实现灵巧手手指的模块化。
灵巧手需要小而轻的驱动器，常见的为电动机。目前灵巧手最多有24个自由度。自由度越多，设计难度越大。那就要解决如何安放众多驱动器的问题。一般的微型电机由于体积太大只能安置在手外，用柔性绳传递运动和力。这正是很多灵巧手样机的采用的方式。人工肌肉是最近出现的另一种驱动方式，不过体积庞大仍然是一个未解决的问题。
选择驱动器时，需充分考虑集成化的要求。这里的集成化是指将灵巧手的驱动，控制和传感等系统集成与手中，从而使灵巧手成为一个相对独立的模块。由此带来的好处是使灵巧手作为一种通用的机器人末端执行器，可以方便的应用于不同的机器人手臂系统，从
而简化结构，提高可靠性，降低成本。
2.2 总体方案的比较
根据上述要求，在本此设计中初步选定了两套机械手方案。下面对两个方案进行分析比较。
方案一如图2.1所示，采用仿人手布局设计，共有三根手指，分别相当于人手的拇指，食指和中指。其中拇指有3个自由度，食指与中指各有4个自由度。所以此灵巧手手爪共有11个关节, 11个自由度, 每个关节都用电机来通过柔性绳驱动，电机内置于手掌内。可以方便地实现对手指的驱动控制。
图2.1 FRJ-12灵巧手
方案二如图2.2所示，柔性手共有两个手指，每个手指有5个关节，图中只有画两个关节，其余各关节与此类似。该柔性手的每个手指由多个关节串联而成，手指传动部分由钢丝绳及摩擦滚轮组成，每个手指由两根钢丝绳牵引，一侧为握紧，一侧为放松。这样的手爪可抓取不同外形的物体，并使物体表面受力均匀。该手爪同样采用电动机作为驱动器，但是电动机是外置的。
图2.2 多关节柔性手
比较以上两个方案，在指数的选择上方案一选用了三指布局，手指也采用仿人手设计，便于操作，结构简单。方案二使用的是两指多关节手指对称布局，虽然在结构上要比较简单，但是操作的灵活性较差。
在自由度的选取上，方案一共有11个自由度，每个关节都分别有一个电机驱动，这样可以实现每个关节的独立运动，提高手爪的灵活性。方案二有10个自由度，每个手指有5个自由度，每个手指采用两个电机驱动，一个为握紧，一个为放松。每个手指上的各个关节都在钢丝绳的牵引下同时运动，灵活性较差。
在驱动与传动方面，方案一采用微型电机,可以像内置型灵巧手那样,将电机全部置于手掌内,形成独立的手部结构；同时可以借鉴外置型灵巧手的方式,采用线驱动方式使手指结构变更加简单,从而使灵巧手可以和普通人手一般大小,获得与人手一样多的关节和自由度数量，便于灵巧手的模块化设计。方案二使用外置的驱动器通过钢丝绳驱动关节转动。其优势在于:可以利用高功率的驱动器产生非常大的驱动力,如气压驱动;驱动器的外置可以使手指结构变得简单,从而使得多关节多自由度的灵巧手成为可能,然而,由于驱动器的外置,这种灵巧手很难和各种机器人手臂相联,而且手的工作空间变得有限,工作灵活性降低。综上所述，采用方案一的3指机械手作为这次毕业设计的研究方向。
3.方案二的改进设计综述
由上一章对两种方案的比较，可以看出方案二也有着许多不可替代的优点。譬如，设计结构简单，虽然驱动器外置，但是这种仿人灵巧手我个人认为是最适合用来做单一的抓握运动的，而且适合大批量生产，这一章我对方案二适当进行了改进：增加为5指灵巧手，外形完全仿人化设计，因为专用于抓握工作，所以取消侧摆关节。以下即为对被弃用的方案二改进的具体内容，主要论述其传动和结构方面的设计，其他运动学及驱动方面的设计就不再论述，总的设计还是以方案一为主，我将在第四章开始对方案一进行完全的设计综述。
3.1 手指机构的传动方案设计
此手指机构的运动方案设计主要考虑的因素是在满足运动要求的前提下传动要平稳可靠结构要简单维护要方便，上一章也已经提到采用钢丝绳来传递运动和动力，这种传动方案的设计完全满足设计方案要求的平稳可靠。
图3.1是用solidworks画的此灵巧手的三维模型图，命名为FRJ-11。它是5手指5自由度仿人手。整个系统采用钢丝绳传动，各手指的传动机构系统基本相同，所以就以中指为例说明机构的传动方案。
图3.1 FRJ-11灵巧手
图3.2所示为中指三维模型，手指结构主要有两部分组成：硬固机构部分、手指软连机构部分。硬固机构由首指节、中指节、末指节组成，依次首尾轴向连接，串联在一起；手指软连机构由两钢丝绳一端分别从正反两面拴在末指节固定端，依次穿过中指节、末指节的穿孔处到达电机驱动轮上。当手指需要伸开时，驱动电机外转，外部钢丝绳主动拉紧，内部钢丝绳从动放松，末指节只受手背牵引力时，手指垂直方向运动伸直，此时，内钢丝
伸展段最长，外钢丝伸展段最短。当手指需要弯曲时，驱动电机内转，外部钢丝绳从动放松，内部钢丝绳主动拉紧，末指节只受手心牵引力时，手指垂直方向运动弯曲，此时，内钢丝伸展段最短，外钢丝伸展段最长。可以看出和上一章的方案二基本是相似的，都是采用两根钢丝绳牵引，利用钢丝绳的拉紧，放松，实现了传动方案的结构简单，维护方便。说明一点，各指节的转动支点与钢丝绳固线点位置是决定机器手运动速度和抓握力大小的关键。
图3.2 FRJ-11灵巧手
3.2 FRJ-11的整体结构设计
若要机器手具有抓握和放置两种运动方式，则机器手要有手掌和手指机构，此外还要有机器手手指之间的平衡机构。为了使机器手能够按照指定的方向和角度运动，机器手还必须有运动方向和角度调节机构，自我保护机构也是不可少的。此外，需要电机传动、机器手臂辅助联动机构。
一般情况下机器手为自由半张状态，由直流电机驱动，机器手的手指采用连杆、电机、连接轴、万向节等组成，动力源是电机，机器手对被持物体的形状、大小、重量的规划由规划、视觉、触觉和控制系统给出，本章主要研究机构部分的设计。
3.2.1 关节的结构设计
在关节的制作过程中，选材是很重要的。材料的硬度和刚度都是选材的标准，如果用铝片制作手指模型的话，会因为硬度不够，很容易就裂了。用薄铁片制作后变形又会比较厉害。最终我选择了硬度和刚度都比较合适的铝合金。
图3.3、3.4、3.5、所示为我设计的手指各关节三维模型,分别为远指节，中指节和近指节。
图3.3 远指节
图3.4 中指节
图3.5 近指节
3.2.2 手指关节间连接机构的设计
手指关节的连接是整个手指能协调运动的关键，为此，我采用各种试验方法，最终我采用了圆形钢管连接，并在钢管上安装一个小滑轮，使得手指各关节的连接更加紧凑。加一个小滑轮还有一个好处，就是能让钢丝绳拉得更加方便协调。制作模型如图3.6。
图3.6 小滑轮机构
3.2.3 手掌的结构设计与制作
手掌的作用就是用来连接五个手指，使其有一定的位置布局。另外，几乎整个驱动系统与控制电板都要安装在手掌中。
为了使五个手指的布局更接近于人手，我仿照真人的手掌形状设计了一个机械手掌，这个手掌比真人手掌的表面积要大些，为的是更适合手指的安装与连接和驱动系统以及控制电板的合理布局。最终我设计了如图3.7所示的手掌模型。
图3.7 手掌
在制作手掌的过程中，我遇到了一系列的问题。首先就是选材问题，手掌的功能就是装载，所以需要有一定的容积，考虑到控制面板的大小还有舵机以及电源的放置，手掌的材料要有一定的硬度，并且很容易成型，最终我选择了有一定厚度的铝塑板。其次，手掌的外部结构比较复杂，它的一端要用来连接手指，另一端还要有一定的表面积来支撑整个手在平面上的稳定伫立。最后我采用了比较简单的矩形模块，使得以上问题有所改善。
运动过程简述为：机器手抓握时5手指处于张开状态，5个手指靠5个舵机驱动实现抓握。当决策与控制系统判断出有抓紧需要时，发出指令让机器手实现抓握动作。抓握动作时动作参数设置有：抓握准备、抓握、保持、放开、恢复原来放松状态。它是利用电能转化为两根相互牵制拉扯手指的钢丝绳的伸缩机械能使手指在一个平面内运行；利用电能驱动连杆转化为机械能，使得手指可以相互运动，与前者结合实现各手指间的三维运动。机器手由5个可弯曲的手指机构和一个手掌机构连接而成。每个手指均为一个自由度，分别由一个电机驱动；拇指与食指、食指与中指、中指与无名指、无名指与小指之间有耦合机构，分别由一个电机驱动。拇指为两截运动串级耦合组成，其余四指为三节串级耦合组成。四个手指区别在于类人手长短不同，可以对非规则物体实现握、拿、捏、夹等动作。电源可以外接。
4. 关键结构（零部件）设计与分析
这一章我开始进行方案一的灵巧手的设计，虽然FRJ-12从外形上看起来没FRJ-11这么仿人化，但是拥有侧摆关节却让它在性能上更加仿人化。
4.1 手指机构设计
FRJ －12的手指机构如图4.1所示，共有3个手指，11个自由度。如前所述，拇指有3个自由度，可实现1个侧摆运动和2个屈曲运动，在图中表示为3个独立的关节，分别为关节1，关节2和关节3。其中关节1与关节2的回转轴线垂直，关节2与关节3的轴线平行。其余两根手指分别相当于食指和中指，它们结构相同，都具有4个自由度。可实现1个侧摆运动和3个屈曲运动，在图中表示为4个独立的关节，分别为关节1，关节2，关节3和关节4。其中关节1与关节2的回转轴线垂直，关节2，关节3和关节4的轴线均平行。3根手指的各个关节均为独立运动的关节，分别由电动机通过柔性绳来驱动。
4.1.1 拇指机构运动学分析
拇指为3关节手指机构，每个关节有1个自由度，分别实现手指的侧摆和两个屈曲运
动。手指机构的侧摆轴与屈曲轴垂直，所以此手指机构为侧摆型手指机构。下面对该手指拇指关节1
关节2
关节3关节1
关节2关节3关节4食指中指图4.1 FRJ-12灵巧手手指结构
机构进行运动学分析。
（1） 正运动学
下面给出关节角与指尖位置的关系，采用D-H 法建立各指节的坐标系。如图4.2所示，000z y x 为定坐标系，其他为动坐标系，各指节长度分别为321,,a a a 各关节转角分别为,321,,n n n ,指尖在坐标系中的位置坐标为()z y x ,,, 对应的D-H 参数见表4-1。
表4-1 3关节手指（拇指）机构D-H 参数
关节号
杆号 a i /㎜ d i/㎜ /1-i α (°) n i /(°) 1
1 a 1 0 0 n 1 2
2 a 2 0 -90 n 2
3 3 a 3 0 0 n 3
对于该手指机构，各坐标间的齐次变换矩阵分别为：
n1n2n3x0z0y0a1z1y1x1a2y2x2y3a3z3
x3图4.2 3关节手指（拇指）机构简图及坐标系
上下料机械手课程设计说明书
专业课程设计 任务书 一、目的与要求 《专业课程设计》是机械设计及自动化专业方向学生的重要实践性教育环节，也是该专业学生毕业设计前的最后一次课程设计。拟通过《专业课程设计》这一教学环节来着重提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构功能设计能力、机械系统设计的能力和综合运用现代设计方法的能力，培养学生的创新与实践能力。在《专业课程设计》中，应始终注重学生能力的培养与提高。《专业课程设计》的题目为工业机械手设计，要求学生在教师的指导下，独立完成整个设计过程。学生通过《专业课程设计》，应该在下述几个方面得到锻炼： 1．综合运用已学过的“机械设计学”、“液压传动”、“机械系统设计”、“计算机辅助设计”等课程和其他已学过的有关先修课程的理论和实际知识，解决某一个具体设计问题，是所学知识得到进一步巩固、深化和发展。 2．通过比较完整地设计某一机电产品，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，掌握机电产品设计的一般方法和步骤。 3．培养机械设计工作者必备的基本技能，及熟练
地应用有关参考资料，如设计图表、手册、图册、标 准和规范等。 4． 进一步培养学生的自学能力、创新能力和综合 素质。 二．主要内容 表1精锻机上料机械手主要技术参数 手臂运动形式 （ 圆柱坐标式 抓取重量 60kgf 自由度 4个 手 手臂运动行程和速度 水平伸缩 500mm 设定点2 升降 600mm 设定点2 左右旋转 200度 设定点3 手腕回转和速度180度 设定点2 手指夹持范围 四种规格 90-120 定位方式和定位精度 机械挡块 +-1mm 控制方式 点位程控，开关板预选 驱动方式 液压 kgf/cm2
机电工程学院 课程设计说明书（2014 /2015 学年第一学期） 课程名称：机电一体化课程设计题目：工业机械手设计 专业班级：11级机电七班 学生姓名：王岩 学号：110200719 指导教师：赵喜敬 设计周数：二周 设计成绩： 2014年12月30日
目录 第一章工业机械手综述 (1) 1.1工业机械手的发展概况 (1) 1.2工业机械手的应用 (1) 1.3工业机械手的组成及原理 (1) 第二章伸缩臂的设计方案 (3) 2.1 设计方案论证以及确定 (3) 2.1.1 设计参数及要求 (3) 2.1.2 设计方案的比较论证 (4) 2.2 机械手伸缩臂总体结构设计方案 (4) 2.3 执行装置的设计方案 (4) 2.3.1 滚珠丝杠的选择 (4) 2.3.2减速齿轮的有关计算 (10) 2.3.3电动机的选择 (15) 第三章 PLC控制系统设计 (17) 3.1 PLC的构成及工作原理 (17) 3.2 选择PLC (17) 3.3 PLC外部I/O分配图 (18) 3.4 软件设计 (19) 3.5 硬件设计 (27) 总结 (28) 参考文献 (29)
第一章工业机械手综述 1.1工业机械手的发展概况 工业机械手在先进制造技术领域中扮演着极其重要的角色，是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 工业机械手即工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代化制造业重要的自动化装备。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 1.2工业机械手的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。 广泛采用工业机械手，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。同计算机、网络技术一样，工业机械手的广泛应用正在日益改善着人类的生产和生活方式。 1.3工业机械手的组成及原理 工业机械手一般应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测系统和人工智能系统等组成。机械系统是完成抓取工件实现所需运动的执行机构；驱动系统的作用是向执行机构提供动力，执行元件驱动源的不同，驱动系统的传动方式有液动式、气动式、电动式和机械式四种，采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便；控制系统是工业机械手的指挥系统，它控制工业机器人按规定的程序运动；检测传感系统主要检测工业机械手执行系统的运动位置、状态，并反馈给控制系统进而及时比较调整。
摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词：机器人，示教编程，伺服，制动
ABSTRACT In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point. KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake
气动机械手设计说明书
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目录 气动机械手及继电器控制系统设计 (4) 第一章绪论 (4) 1.1气动机械手概述 (4) 1.2机械手的组成和分类 (5) 1.2.1.......................................................... 机械手的组成 5 1.2.2.......................................................... 机械手的分类 5 1.3 课题的提出及主要任务 (7) 第2章继电器硬件系统设计 (8) 2.1系统分析 (8) 2.2方案确定 (9) 2.3元器件介绍 (9) 第三章软件系统设计 (14) 3.1控制方案的确定 (14) 3.2工作过程 (17) 第四章调试过程 (19) 第五章设计总结 (23) 第六章附图 (25) 6.1 三维零件图： (25) 6.2三维装配图： (26) 第七章参考文献 (28)
气动机械手及继电器控制系统设计 第一章绪论 １.1 气动机械手概述 气动机械手由操作机（机械本体）、控制器、驱动系统和检测传感装置构成, 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设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。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。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或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、有毒气体和放射性等恶劣的环境中, 它代替人进行正常的工作, 意义更为重大。因此, 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、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用. 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床
河南机电高等专科学校《机器人应用技术》课程作品 设计说明书 作品名称：多功能机械手 专业：机电一体化技术 班级：机电124班 扣号： 姓名：流星 2014 年 10 月 1 日
目录 一课题概述 (2) 1、选题背景 (2) 2、发展现状和趋势 (3) 3、研究调研 (4) 二机械手组成及工作过程 (6) 1、整体结构分析 (6) 2、所需器材 (6) 3、底座部分 (8) 4、躯干部分 (9) 5、上臂部分 (10) 6、手爪部分 (11) 7、机械手系统的总调试 (12) 三软件部分 (13) 1、机械手软件编制流程图 (13) 2、机械手运行控制程序图 (14) 四设计体会 (15) 一课题概述 1、选题背景 随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一
步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。 在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，利用限位开关来保护电机和控制机械手位置的准停。 这个课题可以充分的体现机电一体化的由程序自动控制机械结构的运动，对自己以前的所学的课程也是一种巩固。另一方面这个机械手可以实现一定的搬运功能具有很强的实用性能。 2、发展现状和趋势
第一章引言 1.1 工业机械手概述 工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，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自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。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。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，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、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，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、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 液压传动机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，液压动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 液压技术有以下优点: （1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击； （2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速； （3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换； （4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制； （5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；（6）操纵控制简便，自动化程度高； （7）容易实现过载保护。
电气控制与PLC 课程设计说明书 题目机械手控制 院系机械工程学院 专业机械工程及自动化(电梯工程) 班级0722112 学号072211221 学生姓名孙奇 指导教师胡朝斌、易风 机械工程学院 2014年6月
目录 一、绪论 (3) 二、机械手的工作原理 (4) 2.1机械手的概述 (4) 2.2机械手的工作原理 (5) 三、机械手的工作流程图 (7) 四、输入和输出点分配图及原理接线图 (8) 五、元器件选型清单 (10) 六、控制程序 (14) 6.1初始化流程图设计 (14) 6.2手动操作梯形图 (15) 6.3回原点方式顺序功能图 (16) 6.4自动方式顺序功能图 (17) 6.5 PLC总程序梯形图 (18) 七、总结 (23) 参考文献 (24)
一、绪论 1.1 可编程序控制器的应用和发展概况 可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为PLC （programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。 1.2 PLC的应用概况 PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。 按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。 （1）用于逻辑控制 这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。 （2）用于模拟量控制 PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。 （3）用于机械加工中的数字控制 现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。 （4）用于工业机器人控制 （5）用于多层分布式控制系统 高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。 1.3 PLC概况及在机械手中的应用 （1）可靠性高、抗干扰能力强 （2）控制系统构成简单、通用性强 由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。
（2）水平面内转30度，手臂自转90度，前进50mm。
机械手的夹持器还有夹紧和放松动作； 机械手工作频率：20/min； 升降 0.3kw，摆动 0.1kw，伸缩 0.1kw，夹持 0.2kw。2执行机构的选择与比较 §2-1 转角机构（实现平面转角0 30功能） 方案一 实现平面转角0 30的过程：电机带动不完全 齿轮运动，不完全齿轮带动全齿轮运动，与全 齿轮固结的四杆机构，使滚子在预先设计好形 状的槽内运动，左右运动的极限位置恰好是30 度。 机构评价： 优点：因为槽的形状固定，所以能保证在一个 行程内，机构的平面转角就是30度。 不完全齿轮的使用，为机械手在抓放物 体时留下了工作时间。 缺点：由于四杆机构的运动被槽限制住，最短杆 无法做周转运动，导致机构的回程要求齿 轮的翻转，必须在前面加入变速箱改变速 度方向。 方案二 实现平面转角0 30的过程：皮带轮传动给蜗 轮蜗杆从而使不完全齿轮，有间歇地带动完全齿 轮转动，齿轮通过杆拉动齿条，由齿轮来回往复 地带动固接杆转动0 30 机构评价： 优点：同样具有结构简单，传力较小运 动灵活，造价低准确地实现转角0 30的 要求，可以控制间歇实现循环功能。 缺点：磨损较严重，效率较低，齿轮尺 寸过大加工难。 方案三 30的过程：使用槽 实现平面转角0 轮实现平面转角30度，只要计算好槽轮 的槽数，就能在主动圆盘转360度时， 使从动轮转30度。机构评价： 优点：结构简单，外形尺寸小，机械效
率高，并能平稳的间歇地进行转位。 缺点：传动存在柔性冲击，且是单向的间歇运动，同样要求变速箱改变运动方向。 方案的选择与比较： 只有第二个方案能较好的实现对传动系统的功能要求在平面转动上能准确地控制在30度，制造简单方便。 §2-2 上升机构（实现上升100功能要求） 方案一 实现上升的过程：皮带轮传动，使蜗杆带动蜗轮，蜗轮和齿条配合。通过控 制蜗杆的半径，使转动一周后，使齿条上升100. 机构评价： 优点：蜗杆的轮齿是连续的螺旋尺，故传动平 稳，啮合冲击小。 缺点:啮合齿轮间的相对滑动速度较大，摩擦 磨损较大，传动效率较低，易出现发热 现象，常用耐磨材料制作，成本高。 方案二 实现上升的过程：皮带轮传动给蜗轮蜗杆 从而使凸轮转动，凸轮通过顶杆推动滑块滑 动，从而使工作杆上升100mm。 机构评价： 优点：结构简单，传力较小，凸轮不用太大就 可以达到所需要的高度。 缺点：效率过低，滑块容易磨损且一旦磨断严重影响上升高度，寿命不高。
机电工程学院 《专业综合课程设计》 说明书 课题名称：简易机械手机械机构设计 学生姓名：沈柳根学号：20110611119 专业：机械电子工程班级：11机电 成绩：指导教师签字： 2015年1月5日
摘要 简易机械手是工业机械手的简化，功能相似，而工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。 通过对于气动机械手的设计，展现了各个相关学科知识在这里的整合，有利于理解专业知识。 关键词：简易机械手；结构设计；气动
目录 摘要....................................................... 错误！未定义书签。 1 设计任务介绍及意义 (1) 1.1设计任务意义： (1) 1.2设计任务要求介绍： (1) 2 总体方案设计 (3) 2.1 结构分析 (3) 2.3 设计简介 (3) 3 机械传动结构设计 (5) 3.1传动结构总体设计 (5) 3.2手指气缸的设计 (6) 3.3纵向气缸的设计 (12) 3.4横向气缸的设计 (13) 4最终图纸 (15) 4.1装配图 (15) 5 总结 (16) 参考文献 (17)
成都航空职业技术学院 汽车工程系 设计说明书 设计题目: 汽车模拟装配线两关节机械手臂 组员姓名：赵治帅张良李杉李廷堃郑宁波 专业班级：机电一体化 10939 指导教师：申爱民 20011 年10 月30日
摘要 本文对模拟汽车装配线的工作原理和运动控制做了阐述，对如何防止故障时撞车和故障报警做出了系统说明，并深入研究了导轨的滑撬式传动和脱钩式等其他传动的优缺点；认真研究了步进电机伺服电机的原理，然后给出了具体的实现方法。现代汽车总装工艺自动化程度越来越高。汽车制造总装机械化生产包括整车装配线、车身输送线、储备线、升降机等。主要分为一次内饰装配线（车身打号、天窗、线束、ABS、顶棚、地毯、气囊帘、车门支撑板、车门玻璃、密封条、仪表盘、水箱等）、底盘线（油管、油箱、隔热板、动力总成、后悬、排气管、挡泥板、轮胎等）、二次内饰线（风窗玻璃、座椅、仪表板后端、电瓶、空滤器、备胎、后备箱备附件、雨刷、介质加注、车门调整、线路管路插接等）、整车完整性检查、整车测试线、路试跑到、调整雨淋线等。 但由于受资源和能力限制，我们的模拟生产线只取其中的一次内饰、底盘、二次内饰，加上上线和下线工位，一共是五个工位且都采用一个工位表示。主要目的是将说学过的机电一体化只是都用到，并实现部分功能。达到训练、学以致用，能力提高的目的。 关键词:汽车装配工艺结构原理
目录 摘要................................................................................................................................. 目录 ............................................................................................................................. 序言................................................................................................................................... 1总体结构方案说明： ....................................................................................................... 1.1 ........................................................................................................................... 1.1.1..................................................................................................................... 1.1. 2..................................................................................................................... 1.2 .............................................................................................................................. 1.3 ........................................................................................................................... 1.3.1..................................................................................................................... 1.3. 2..................................................................................................................... 1.3.3..................................................................................................................... 1.3.4..................................................................................................................... 2．系统主要功能及技术指标、原理图................................................................................
课程设计说明书 2015 年 6 月9 日
目录 摘要 (2) 第1章概述 (3) 1.1设计目的 (3) 1.2课题的内容和要求 (4) 1.3进度安排 (4) 1.4设计进度安排 (4) 1.5基本要求 (5) 第2章课程设计的总体方案 (6) 2.1总体方案的确定 (6) 2.2 机械结构的设计 (6) 2.3 软件设计 (6) 第3章机械部分设计 (7) 3.1 元器件选型 (7) 3.2 机械结构构件及说明 (7) 3.3 工作台外形尺寸及重量初步估算 (8) 3.4 滚珠选择 (8) 3.5滑块导轨的选择与校核 (8) 3.6 弯曲应力σm的计算 (9) 3.7选择联轴器的考虑因素 (10) 3.8 轴承的选用与校核 (11) 第4章控制系统的设计 (14) 4.1 控制系统硬件电路的设计 (14) 4.2控制系统软件编程设计 (16) 参考资料 (18) 附录一：cad图纸 (19) 附录二：proe图 (20) 附录三：程序 (22)
摘要 机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计过程，文章中介绍了机械手的设计理论与方法。 本课题以52单片机为核心设计，通过AutoCAD，proe技术对机械手进行结构设计，实现所需要的功能。 关键词：机械手、52单片机、AutoCAD、Proe
第1章概述 机械化、自动化已成在现代工业中突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的，机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 机械手，多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机械手或通用机械手）。 机械手是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机械手具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机械手称为专用机械手，而把工业机械手称为通用机械手。 简而言之，机械手就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 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，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机械手，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 机械手按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机械手以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机械手中使用最多的一种结构形式。 要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机械手的性能。一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成 1.1设计目的 《单片机原理及接口技术课程设计》是机械电子工程专业的学生在完成《单片机原理及接口技术》等专业课程的学习之后，进行综合性设计训练的实践性教学环节。目的是在老师的指导下，使学生通过课程设计，对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查、复习和提
第一章引言 1.1 液压机械手概述 液压传动机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质源极为方便，输出力小，液压动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 液压技术有以下优点: （1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击； （2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速； （3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换； （4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制； （5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；（6）操纵控制简便，自动化程度高； （7）容易实现过载保护。 1.2 液压机械手的设计要求 1.2.2 课题的设计要求 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、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。 (4)液压传动系统的设计 本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括液压元器件的选取，液压回路的设计，并绘出液压原理图。 (5)机械手的控制系统的设计 本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根
目录 摘要 (1) 引言 (1) 1.机械手总体方案设计 (2) 1.1设计要求 (2) 1.2运动形式的选择 (2) 1.3驱动方式的选择 (4) 1.4总体结构设计 (5) 2.机械手手部设计 (6) 2.1结构分析 (6) 2.2计算分析 (6) 3.PLC控制系统设计 (1) 1 3.1机械手移动工件控制系统的控制要求 (1) 1 3.2机械手移动工件控制系统的PLC选型和资源配置 (1) 3 3.3机械手移动工件控制系统的PLC程序 (1)
4 4.动画制作 (1) 8 4.1建立机械手模型 (1) 8 4.2制作机械手的动画 (1) 8 结束语 (2) 6 致谢 (2) 6 参考文献 (2) 6 附录 (2) 7
摘要 机械手设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。本课题通过对设计要求的分析，设计出机械手的总体方案，重点阐述了手部结构的设计以及控制系统硬软件的设计，完成了整个系统工作的动画设计。实现了机械手的基本搬运功能，达到了预期要求，具有一定的应用前景。 关键词：机械手PLC 动画 引言 随着世界经济和技术的发展，人类活动的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。随着机器人的产生和大量应用，很多领域，许多单一、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来完成。 工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作机, 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。 机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序来抓取、搬运工件或夹持工具，
机械手设计说明书 篇一：机械手设计说明书 指导老师： 设计合作成员： 一、设计项目名称 机械手臂手指机构2 二、设计目的 本设计拟搬运宽度尺寸90～110mm、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，手指机构带水平转盘。手指的动力驱动方式为液压传动。液压传动的机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。 三、设计要求 (1)机械手为专用机械手，适用于夹六菱柱形钢质工件。 (2)选取机械手的座标型式和自由度。 (3)主要设计出机械手的手部机构。 (4)液压传动系统液压缸的选用 四、设计方案 4.1 机械手基本形式的选择 机械手的典型结构一般可分为：回转型（包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种）、移动型（移动型即两手指相对支座作往复运动）和平面平移型。本设计采用二指回转型手抓。 4.2 机械手的主要部件及运动 本机械手的部件有齿轮、齿条、连杆和液压缸等。主要
的运动有直动液压缸驱动齿条的平动、齿轮和齿条的啮合运动、连杆的转动和手抓的平行移动。 4.3 驱动方式的选择 本机械手的驱动方案采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 4.4 机械手的技术参数列表 用途：卸码垛机械手臂抓重：5kg 抓取的物体的几何形状：宽度为90～110mm六菱柱形钢质工件机械手自重：小于等于10kg 4.5 机械工作原理 机械手的夹工件的工作原理框图如图1所示。 图1. 机械手夹工件的工作原理框图 该机械手采用了液压驱动方式来实现其工作的要求，工作要求就是机械手能适应六菱柱形钢质工件不同面的夹持，故带有水平转盘手臂的回转运动。 传动机构采用齿条与齿轮啮合。本机械通过液压驱动传递动力推动齿条平动，齿条与齿轮啮合将液压缸传来的水平运动转化为齿轮连杆的回转运动。而齿条与齿轮啮合驱动四连杆转动，四连杆机构使夹板水平移动，完成对工件的夹紧松开。机械手的整体结构图如图2、图3所示。手爪部分特点如下表述： 1. 机械手手部由手爪（即夹板）和传力机构所构成。
专业课程设计 任务书 一、目的与要求 《专业课程设计》是机械设计及自动化专业方向学生的重要实践性教育环节，也是该专业学生毕业设计前的最后一次课程设计。拟通过《专业课程设计》这一教学环节来着重提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构功能设计能力、机械系统设计的能力和综合运用现代设计方法的能力，培养学生的创新与实践能力。在《专业课程设计》中，应始终注重学生能力的培养与提高。《专业课程设计》的题目为工业机械手设计，要求学生在教师的指导下，独立完成整个设计过程。学生通过《专业课程设计》，应该在下述几个方面得到锻炼：1．综合运用已学过的“机械设计学”、“液压传动”、“机械系统设计”、“计算机辅助设计”等课程和其他已学过的有关先修课程的理论和实际知识，解决某一个具体设计问题，是所学知识得到进一步巩固、深化和发展。 2．通过比较完整地设计某一机电产品，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，掌握机电产品设计的一般方法和步骤。 3．培养机械设计工作者必备的基本技能，及熟练地应用有关参考资料，如设计图表、手册、图册、标准和规范等。 4．进一步培养学生的自学能力、创新能力和综合素质。 二．主要内容 （1）根据以上相关设计参数及要求，完成精锻机上料机械手方案设计、结构设计及控制系统设 （2）撰写专业课程设计报告一份，不少于10000字。
1．机械手总装图1张（0号图纸）、部件图若干张（0号图纸）； 2．全部非标零件图（图纸类型是零件类型及复杂程度而定）； 3．液压原理图和电器控制原理图各一张； 4．撰写专业课程设计报告一份，不少于10000字。 五、考核方式 专业课程设计的成绩评定采用四级评分制，即优秀、良好、通过和不通过。成绩的评定主要考虑学生的独立工作能力、设计质量、答辩情况和平时表现等几个方面，特别要注意学生独立进行工程技术工作的能力和创新精神，全面衡量学生的真实质量。 学生姓名：安蕾刘国威刘欣磊彭澎孙赫俊 指导教师：杨晓红、花广如、杨化动 2011年12月30日
工业机械手设计 一、毕业设计题目概述 机械手是模仿人的手部动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置，它是机械化、自动化的重要手段。因此，获得了日益广泛的应用，特别在高温、高压、危险、易燃、易爆、放射性等恶劣环境，以及笨重、单调、频繁的操作中，它代替了人的工作，具有重要的意义。在机械加工中，冲压、铸、锻、焊、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输、国防工业等各方面，也已愈来愈引起人们的重视。 机械手一般由执行机构、驱动机构、控制机构以及位置检测装置等组成，驱动系统可采用液压传动、气动传动、电气传动和机械传动等形式，而多数采用电液机联合传动。 该机械手是将圆柱形零件从传送带上夹装到专用机床上，待加工完毕后再夹装回传送带的专用机械手(图1)。机械手总体设计分为夹持器、伸缩臂、升降臂和底座四大部件设计及二个系统：PC电控系统与液压控制系统设计。夹持器安装于伸缩臂上，伸缩臂安装在升降臂上，升降臂安装在底座上。连接方式均为法兰盘螺栓连接。 机械手工作过程如图2所示。 图2 机械手工作流程图 码垛机械手结构如图3所示。工作程序为：液压缸2伸出→四边形机构3下降→夹持器4夹紧工件5→液压缸2缩回→四边形机构3上升→底座1回转→（到达位置后）液压缸2伸出→四边形机构3下降→夹持器4放开工件5→液压缸2缩回→四边形机构3上升→底座1回转至原位。然后进行下一循环。 改变夹持器形状，可夹持不同工件或物体。 二、设计参数 （说明：工业机械手改换末端执行器和工作方式，可完成不同工件或物体的操作，基本结构、设计内容和控制程序大体相同。本设计题目共分四种：工件工序转换机械手；箱体类物体移位机械手；工件翻转机械手；装箱机械手。） 本设计工业机械手由四个部分组成：底座回转部分、机身升降部分、伸缩臂伸缩部分和末端执行器夹持部分。 主机总体参数：圆柱形零件的尺寸为直径80毫米，高为150毫米，机械手回转角度为90度，升降高度为500mm，伸缩长度为300mm。 三、设计方案及要求 （一）底座回转部分设计方案及要求 1、转动角度90度，单向运动时间2秒；定位准确，要有定位措施。 2、采用回转支承机构，齿圈固定，液压马达行星齿轮传动或电机驱动。 3、与大臂和地基采用法兰联接。 （二）机身升降部分设计方案和要求 1、升降臂起升高度：0—500mm，任意可调； 2、单向升降运动时间：0—3s； 3、可采用电机驱滚珠丝杠传动或液压传动齿轮倍程升降机构，共两种方案。 4、升降臂定位可靠、精确。 5、升降臂与旋转底座、伸缩臂为法兰连接； 6、结构设计时考虑伸缩臂工作时的整机平衡； （三）伸缩臂设计方案和要求 1、伸缩长度：300mm，伸缩臂固定在升降台上，随升降台做上下运动和旋转运动；伸缩臂