第三章用旋量理论对多关节机械手进行运动学分析
3.1刚体运动及旋量理论
刚体运动是指在物体运动过程中，物体上任两点之间的距离始终不变。刚体在从一个位置运动到另一位置时，其运动可分解为绕某一直线的转动和在平行该直线方向上的移动，这也可叫螺旋运动。运动螺旋就是螺旋运动的无限小，刚体的瞬时速度可描述为其线性与角度的分量之和。旋量理论是指运用齐次坐标去表示刚体在空间中的运动，他可以通过相应的指数映射把运动螺旋转变为螺旋运动。旋量和运动螺旋的研究对机器人运动学的研究有很大帮助。
刚体运动学问题用旋量，运动螺旋来描述有两个主要优势。第一，它在描述刚体运动时，是从整体角度来看的，这样可以避免在描述刚体运动时用局部坐标系产生的奇异性，例如在描述刚体旋转时用欧拉角就会产生一些不可避免的奇异性；第二，旋量理论在描述刚体运动时，对其进行几何分析，可以很大程度上帮助我们对机构的分析。
3.1.1刚体变换
刚体是一个完全不变形体，他表示任意两质点间距离始终不变的质点的集合，并与该物体的任意运动和作用在该物体上的任何力均无关。p和q表示刚体上任意两点，在刚体运动时，p和q满足下列关系式：
刚体位移表示刚体从某一位置到达另一位置的刚体运动，刚体位移通常包括物体的平动和包括物体的转动两方面。
当物体沿着某一条连续的路径运动时，可用将物体的起始坐标变换成该点在t时刻的坐标，刚体位移则可将刚体上每一点的坐标由初始值变换成最终位行的坐标。用R3的子集O描述给定的物体，假定有两点，连接这两
点的矢量由指向，故有。矢量有方向和大小，并不与物体相
固接，两点和矢量的坐标都由三个一组的数给出。
质点的刚体变换也就可归结为矢量的变换，如果用表示刚体的位移，则其矢量变换为：
综上所述，可得出刚体在三维运动中的刚体变换的定义。
满足下面条件的变换，叫做刚体变换：
长度不变：对任意两点，都有；
叉积不变：对任意矢量两，都有。
上面刚体变换条件所表述长度不变与叉积不变并不是说质点间不能存在相对运动，他们之间是可以有旋转的，但是不能有移动。所以，在描述刚体运动时，必须同时能表现出其上任一质点的移动与转动。因此，如果建立起刚体上某点的直角坐标系，刚体的位行就可以用该直角坐标系相对某一固定坐标系的运动来表示，刚体上各点的运动就可分为刚体坐标系自身的运动和质点在动坐标系中运动，刚体变换的作用为它可以把刚体运动描述成刚体坐标系的旋转变换。这里坐
标系均要求是右手系，所以坐标系三个正交矢量必须满足。
3.2三维空间中旋转运动
物体只作旋转运动时，刚体的姿态是指和刚体联结的动坐标系在固定坐标系中的姿态。如果用坐标系A来表示惯性坐标系，而用B表示联结于刚体上的动
坐标系，为坐标系B中各坐标轴相对于A系的坐标向量（见图3.1），可将其组成一个3×3矩阵：
这种矩阵叫做旋转矩阵，并且刚体在定坐标系中的每次旋转都有该形式的一个旋转矩阵与之对应。
图3.1 刚体绕一点的旋转
3.2.1旋转矩阵的性质
设为旋转矩阵，是其列矢量，且他们之间相互正交，故有
对于矩阵R，这种性质可写为
上式可推出
由线性代数知识可知
在右手坐标系中，有，故。所以右手坐标系就可以用行列式为1的正交矩阵描述。用来表示所有满足这两个条件的矩阵的集合，更一般的情况，可把空间中的旋转矩阵定义为
通常研究的是n=3的情况，自由刚体相对于某一固定坐标系旋转后的位行用唯一的表示，SO(3)为系统的位行空间，系统运动轨迹。
旋转矩阵主要用于某一点在两个不同坐标系中的坐标变换。如在图3.1中的q点，若表示点在B系中的坐标，那么，点q在坐标系A中的坐标为
或
其中，表示坐标系B相对坐标系A的坐标，表示从B系中到A系的旋转变换。
旋转矩阵对矢量的作用和旋转矩阵对一点的作用具有相似的性质，设为坐标系B中的一个矢量，并且，有
用旋转矩阵相乘可以组合成新的旋转矩阵。表示C系相对于B系的姿态，
而表示B系相对A系的姿态，表示C系相对A系的姿态，则有
其变化过程可看成先将一点从坐标系C中的坐标变化到B中，再从B中变化到A 中。
矢量的叉积定义为
定义，则，经常用来代替。
引理3.1 对于给定的和，则存在下列性质
定理3.2 旋转运动是刚体变换
旋转矩阵是一个刚体变换，即
1.R保持距离不变：对任意的,有。
2.R保持姿态不变：对任意的，有。
3.2.2 旋转的指数坐标
在机器人学中研究的物体的运动形式大多是旋转运动，即绕某一轴线旋转过一个角度。例如，如图3.2，机器人的一个连杆绕一固定轴w的旋转一定角度的
运动。若旋转方向上的单位矢量为，旋转的角度为。会存在某个
与物体的每次转动相对应，所以可用和来表示R。
如果物体的运动可表述为绕轴的匀速转动，其速度为单位速度，则q点的
速度可表示为
两边同时对时间t进行积分有
上面表示该点的起始位置，表示一个矩阵指数
当物体绕w轴以单位速度旋转θ时，有
图3.2 绕w轴旋转
定义表示反对称矩阵的矢量空间。
是反对称矩阵，。
定理3.3 反对称矩阵的矩阵指数是正交的
对于任意反对称矩阵和，都有
定理3.4 指数变换是上的漫射变换。
对于给定的,存在，及，使得
定理3.5任意姿态都可以等效于绕固定轴w∈R3旋转角
度。
3.3 三维空间中的刚体运动
一般情况下，刚体的运动可分为转动和移动。纯转动的表示方法上面已经讨
论过了，下面讨论下刚体纯移动的表示方法：任选刚体上一点，通过该点在某个已知坐标系的坐标，来得到刚体运动轨迹。
如图3.3所示，A是惯性坐标系，B是动坐标系，坐标系A的原点到B原点的位置矢量为，B系相对A系的姿态为。用来表示系统的位姿，表示位行空间R3与SO(3)的乘积空间。元素
不仅确定了刚体的位行，也可以表示一点从某一坐标系至另一坐标系的坐标变换。若为q点分别在A和B系中的坐标，如果已知，那么通过坐
标变换可求出
用表示刚体变换，表示B对A的相对位行。则
所以
矢量的刚体变换定义为
图3.3刚体运动的坐标系
3.3.1齐次坐标表示法
在表示点的坐标后加上一个1，可以构成四个坐标表示的列矢量
可将上式称作q点的齐次坐标。矢量的齐次坐标形式为
因此有
其中称作的齐次坐标表示，他是阶的矩阵。若
，则
若表示B对A系的相对位行，表示C对B的相对位行，则C 系对A的相对位行可表示为
定理3.6 SE（3）中的元素表示刚体运动
任意是刚体变换的条件为
1.g能使两点间的距离保持不变：即对任两点，都有
2.g能使两矢量间夹角保持不变：即对任意两矢量，都有
3.3.2 刚体运动的指数坐标和运动旋量
如图3.4a所示的单臂机器人，为其旋转轴，并且，是轴上一点。假设机器人的臂以单位速度转动，则q(t)的速度可表示为
引入一个4×4阶矩阵
其中。则有
解此微分方式有
?t表示一点从起始位置旋转t弧度后位置的坐标变换，可用矩阵形指数式其中e
表示对应的变换，如图3.4b所示，如果以移动关节以单位速度运动，则其上一点的速度可表示为
图3.4
定义中的元素称作运动旋
量，在齐次坐标中，元素ξ?∈se(3)可写为
定理3.7 从se(3)到SE（3）的指数变换
对于给定的ξ?∈se(3)和θ∈R，ξ?θ的指数为SE(3)的元素，即
定理3.8建立在SE(3)上的指数变换是漫射变换
对于给定的,存在ξ?∈se(3) 和θ∈R，使得。
3.3.3 旋量：运动旋量的几何表示
图3.5 旋量运动
旋量运动就是先绕空间一轴旋转θ角再沿该轴平移d距离的刚体运动，旋量的节距h表示平移量与旋转量的比值，即假设。因此，h也可表
示旋转后的纯移动量。当时，表示此时刚体是绕某一轴作纯转动；当
时，表示刚体作纯移动。
图3.6
如图3.6，通过对点运动的分析来了解与旋量对应的刚体变换。P点的最终坐标为
齐次坐标表示为
要求上式对所有都成立，所以刚体运动用旋量可表示为
定理3.9 旋量运动和旋量是一一对应的。
定理 3.10 任意刚体的运动都可以分解成绕某一轴的转动与与该轴平行的方向上的移动。
把刚体的相对运动用运动旋量的指数来描述，则有
其中分别表示点在刚体运动中的起始坐标，并且都表示在同一个坐标
系中。如图3.7所示，如果B系固结在刚体上，A为固定坐标系，经刚体的旋量运动后，B系相对A系的瞬时位形为
图3.7
3.4机器人运动学问题
机器人运动学主要是是用来求解出机器人的各个关节与机器人上相应各刚体之间的运动关系。大多数机器人都是在关节处安装电机，并且一般会安装某种夹持器在机器人的末端，利用控制系统来驱动整个机构完成给定的任务，以此用来实现与环境的作用。
机器人一般都是一组由运动副联接的刚性连杆构成，这种联接的运动副通常是低副，它可以将连杆之间的运动限制在SE(3)子群中。
3.4.1 运动学正问题
机器人运动学正解是已知各运动副连杆的位置情况，要求对机器人末端执行器的位形求解。首先从1到n对运动副进行编号，并对连杆进行编号，第i个运
动副用来联接连杆和，将机器人的基座编号为连杆0，末端执行器编号为连
杆n。
图3.8 二自由度机器人
在开链机器人运动学研究中，可以将各关节运动加以组合来构成其正解映射。如图3.8所示的二自由度机器人，可以通过连接相邻坐标系的刚体运动来求工具坐标系T相对基础坐标系S的位形
(3-21)
其中表示机器人的运动学正解，它同时给出了机器人末端执行
器的位行。
将上述过程推广到任意开链机构，定义为相邻两连杆坐标系之间的变换，则运动学正解的一般公式可表示为
各关节的运动均由位于关节轴线的运动旋量引起，如果用ξ表示一个运动旋量，由此运动旋量产生的刚体运动可表示为
如果ξ对应于一个位移关节，则θ是移动量；反之，表示绕轴线转动的角度。
对图3.8的二自由度机器人，将第一个关节固定，可以把工具坐标系的位行看作θ2的函数
这是一个只绕第二个关节轴线的旋量运动，其中，ξ2表示与第二个关节相对应的运动旋量。用ξ
表示第一个关节的运动旋量，再固定，只转动，末端执
行器的位形为
若先固定θ2，则
此运动改变了θ2的轴线位置，第二个杆存在一个绕一个新轴的转动
ξ'2
利用矩阵指数的相关性质进行刚体变换有
由此得
为此说明，用绕定轴的运动旋量来表示关节运动时，与关节的运动顺序无关。
将此过程推广，可得n自由度关节的运动学正解。设S是与机器人基座固结的坐标系，T是与机器人末杆固结的坐标系，定义机器人对应于θ=0时的位形为机器人的基准参考位形。构造运动旋量与每个关节对应，它表示第i个关节的旋量运动，此时除第i个关节外其他所有关节均固定于θj=0的位置。在研究转动关节时，其运动旋量可表示为
其中，3表示轴线上任一点，表示旋转轴线上单位矢量。对移动关节有
其中，表示移动方向上的单位矢量。
组合各关节的运动，即可得出机器人运动学正解
3.4.1 运动学逆问题
运动学逆解是指：已知工具坐标系期望的位形，求各关节到该位形需要转动的角度。利用运动学正解映射可以推导出运动学逆解的有关算法，运动学逆解可能会出现多解、唯一解和无解三种情况。
下面将列出一般机器人中经常出现的逆解子问题，这些子问题有明确的数值稳定性和几何意义，在求解运动学逆解时，通过变换将需求解的问题分成若干个已知解的子问题。
子问题1 绕一个周的旋转
设ξ是一个单位运动螺旋，且其节距为零，是两点。现求满足
的。
图3.9
解：如图3.9a，该问题即为将一点p绕给定轴ξ旋转到与另一点q重合。假设r是ξ轴上一点，r与p间的矢量定义为，r与q间的矢量定义为。当r位于ξ轴上时，，有
因此有。
为确定该问题的解，定义u'、v'是u，v在垂直于ξ轴平面上的投影。假设
是轴ξ方向的单位矢量，则有
和
要使该问题有解，必须满足u、v在w轴上的投影长度相等，同时满足u、v在w垂直平面上投影长度相等。即必须满足
和
如果上式成立，由图3.9b所示，可求得θ，若u'≠0，则有
求得
若u'=0，此时p=q,两点都在旋转轴上，θ有无穷多解。
子问题2 绕两个有序轴的旋转
设和是两轴线相交的单位运动螺旋，且其节距均为零，是任意两点。求满足的和。
图3.10
解：此问题即为将一点p先绕轴旋转θ2，再绕旋转θ1，最后要求使得点p与点q重合。如果轴线和重合，就可以将该问题化为子问题1，满足θ
+θ2=θ
的所有θ1、θ2都是解。如果两轴线和不平行，即有，设c表示p 绕轴旋转θ2所得点，则c点满足下式
设r是两轴线的交点，则有
若定义u=(p-r)，v=(q-r)，z=(c-r)。代入上式得
上式表明
和（3-1）且。由于、和是线性独立，所以有
（3-2）
和
（3-3）联立（3-1）和（3-2）可求得
再利用求解，有
在α、β和γ有根的情况下，可以求解出z和c。
为求θ1θ2，可利用子问题1解下式
和
如果c有多个解，则能解出对应于每个c值的相应的和。图3.10中两圆相
交时有两个解，相切时有一个解，分离时无解。
子问题3 旋转至给定距离
设ξ为单位运动旋量，且其节距为零，是任意两点，d为一个大于零的实数。现求满足下式的
图3.11
解：如图3.11a所示，该问题即为将一点p绕ξ轴旋转到该点与q点的距离为d。如果p点绕ξ轴旋转所得之圆与以q为中心以d为半径的球面有交点，则就有解存在。将所有点向与w垂直的平面上投影，设r是ξ轴上一点，并定义满足下式的和
(3-4) u和v的投影为
去掉p-q在w方向上的分量后对d进行投影
如图3.11b所示，式（3-4）可变为
设θ0是u'和v'的夹角，则有
设，利用余弦定理，由轴中心与exp(θ
ω?)u'和v'构成的三角形满足下式
因此可解得
3.5机械手的运动旋量分析
图3.12 绕固定轴旋转的刚体运动
如图 3.12所示为绕空间一固定旋转轴的刚体运动，空间旋转轴矢量为
，点是旋转轴上一点。相应的运动旋量为
其矩阵指数形式为
该矩阵用齐次坐标来描述刚体绕轴旋转θ角后，刚体上一点的坐标在旋转前后相对于A（）系坐标变换。
将点从B系到A系中坐标的刚体变换定义为，其中
用矩阵形式进行矩阵相乘得
这是刚体只绕一条直线转动的刚体变换，也是最简单的刚体运动，得出了B 系中的点旋转后在A系中的坐标表示。对于本论文所研究的六关节机械手，这里只分析前五个关节的运动情况，如图3.13所示，其运动学正解为：
其中
图5.13
由图中关系可知：
，；
，，，，。
五个关节均是做绕轴转动，而没有平移，由式可求出各关节的运动旋量。
由和可得
由及可得当时，，
当时，，
又由于，则有
三、腕关节运动学 （一）腕关节的组成和运动方向 （二）腕关节的功能解剖 （三）腕关节的生物力学 （一）腕关节的组成和运动方向 1．腕关节的组成 ●桡腕关节 ●腕骨间关节属于联合关节 ●腕掌关节 1．腕关节的组成（主要结构） （1）桡腕关节：桡骨腕关节面及尺骨头下方的关节盘组成关节窝与手舟骨、月骨及三角骨的近侧面组成的关节头构成，属于简单关节、椭圆关节。 （2）腕骨间关节：近侧的手舟骨、 ●月骨及三角骨和远侧的大多角骨、 ●小多角骨、头状骨、钩骨组成。 ●近侧腕骨间关节（平面关节） ●远侧腕骨间关节（平面关节） ●腕横关节或腕中关节（简单、球窝关节） （3）腕掌关节：由远侧列腕骨与5个掌骨底组成。 ●拇指腕掌关节：由大多角骨与第1掌骨底构成（鞍状关节） ●辅助结构：关节盘、腕桡侧副韧带、腕尺侧副韧带、桡腕掌侧韧带、桡腕背侧韧带。 ●关节特点：关节腔宽广，关节囊松弛，关节囊前、后、桡、尺侧都有韧带加固，腕掌侧韧带比桡腕背侧韧带坚 韧、限制桡腕关节后伸运动。 ●运动：屈伸、收展、环转（桡腕关节、腕横关节、拇指腕掌关节）。 （二）腕关节的功能解剖 1．运动腕关节的主要肌群 ●屈：桡侧腕屈肌、掌长肌、尺侧腕屈肌、指浅屈肌、指深屈肌 ●伸：桡侧腕长伸肌、桡侧腕短伸肌、指伸肌、示指伸肌、尺侧腕伸肌 ●外展：桡侧腕长伸肌、桡侧腕屈肌 ●内收：尺侧腕屈肌、尺侧腕伸肌 屈：桡侧腕屈肌（第2掌骨底）、掌长肌（掌腱膜）、尺侧腕屈肌（豌豆骨）、指浅屈肌（2-5指中节指骨两侧）、指深屈肌（第2至5指远节指骨底前面） 伸：桡侧腕长伸肌（第2掌骨底）、桡侧腕短伸肌（第3掌骨底）、指伸肌（2-5指中节远节指骨底背面）、示指伸肌（示指指背腱膜）、尺侧腕伸肌（第5掌骨底） 外展：桡侧腕长伸肌、桡侧腕屈肌（第2掌骨底） 内收：尺侧腕屈肌(豌豆骨)、尺侧腕伸肌(第5掌骨底) 2．运动拇指腕掌关节的主要肌群 ●屈：拇长屈肌、拇短屈肌 ●伸：拇长伸肌、拇短伸肌 ●外展：拇长展肌、拇短展肌 ●内收：拇收肌 ●对掌：拇对掌肌、小指对掌肌 （1）拇长屈肌 ●起点：前臂骨间膜 ●止点：拇指远节指骨底掌侧 ●作用：屈拇指腕掌、掌指和指骨间关节 （2）拇短屈肌 ●起点：屈肌支持带 ●止点：拇指近节指骨底
平面关节型机械手设计 设计任务书 一、通过设计平面关节型机械手，培养综合运用所学知识，分析问题和解决问题的能力。 有关资料：上下料搬运机械手，个自由度，平面关节型；需要搬运的工件：环类零件，内孔直径；高,厚,（只能从内孔夹持工件），材料钢，将工件从一条输送线搬运到与之平行的另一条输送线上，（两输送线距离为,高度差）。 要求：设计方案和计算正确，叙述清楚，图纸符合规范。 二、图纸： .机械手机构简图 .工作空间投影图 .机械手传动原理图 .机械手装配图 .零件图 三、实习： .本校机械实验室组装各类机械手模型。 .学习工业机械人设计方面知识。 五、进度： 月日到月日实习，拟订设计方案 月日到月日机械手传动原理图 月日到月日机械手装配图
月日到月日零件图 月日到月日写说明书 引言 平面关节型机械手是应用最广泛的机械手类型之一，既可以用于实际生产，又可以用于教学实验和科学研究。用于实际生产，它能够满足装配作业内容改变频繁的要求；用于教学实验，它能够使人直观地了解机器人结构组成、动作原理等，所以开发设计和研究平面关节型机械手具有最广泛的实际意义和应用前景。其中比较突出的是美国国家半导体公司生产的可编程全数字运动控制芯片，它具有位的位置、速度和加速度寄存器，内置算法，其参数可以修改；支持实时读取和设定速度、加速度以及位置等运动参数，内置的梯形图发生器能够自动生成速度曲线，平稳地加速、减速；支持增量式光电码盘的倍频输入；芯片的主频为和。 一机械手结构 本文设计的平面关节型机械手的实物照片如图所示，其主要包括两个旋转关节（分别控制机械大臂和小臂旋转以及手抓张合）和一个移动关节（控制手腕伸缩），图为机械手简化模型。各关节均采用直流电机作为驱动装置，在机械大臂和小臂的旋转关节上还装配有增量式光电编码器，提供半闭环控制所需的反馈信号。直流电机的运动控制采用自行开发的基于和构成的多关节控制卡，并编制了能满足运动控制要求的软件，实现对机械手的速度、位置以及关节联动控制。由于机械手个关节电机的控制系统基本类似，因此在下文中，笔者将以单个关节电机为例向读者介绍平面关节型机械手的控制系统设计过程。
第四章关节运动学 第一节概述 第二节上肢运动学 第三节下肢运动学 第四节颈部和躯干运动学 第一节概述 二、关节的分类① 按关节运动轴的数目和关节面的形状，关节可分为单轴关节、双轴关节和多轴关节。 1. 单轴关节 运动环节（指能绕关节运动的相邻部分）只能绕一个运动轴运动的关节称为单轴关节，包括滑车关节和圆柱关节。 ●滑车（屈戍）关节 ●圆柱（车轴）关节 2. 双轴关节 有两个相互垂直的运动轴，构成关节的骨可在两个互相垂直的平面内运动，也可作环转运动。包括椭圆关节和鞍状关节。 ●椭圆关节 ●鞍状关节 3. 多轴关节 具有3个相互垂直的运动轴，可作各个方向的运动。包括球窝关节和平面关节。 ●球窝关节 ●平面关节 关节的分类② 根据构成关节骨的数目，关节可分为单关节和复合关节。 1. 单关节 由两个骨的关节面组成，即一个关节头和一个关节窝，如肩关节和髋关节。 2. 复合关节 由两个以上的关节面构成多个单关节，包在一个关节囊内，每个单关节都能活动，如肘关节 关节的分类③ 根据关节的运动形式，关节可分为单动关节和联动关节。 1. 单动关节 能单独进行活动的关节叫单动关节，绝大多数关节属于此类关节，如肩关节、踝关节。 2. 联动关节 也称联合关节，两个或多个独立关节，同时进行活动，共同完成一个动作，如前臂的桡尺近侧关节和桡尺远侧关节。 三、关节的运动 1. 屈、伸 运动环节在矢状面内，绕冠状轴运动。向前运动为屈；向后运动为伸，但膝、踝关节则相反。 屈：两骨之间角度变小 伸：两骨之间角度变大 2. 外展、内收 运动环节在冠状面内，绕矢状轴运动。远离正中面为外展；靠近正中面为内收。 收：骨向正中矢状面靠拢 展：骨远离正中矢状面 3. 回旋 运动环节绕垂直轴或自身的长轴旋转。由前向内的旋转称内旋（或叫旋前）；由前向外旋转称外旋（旋后）。内旋：骨向前内侧旋转 外旋：骨向后外侧旋转 4. 环转
设计要求 一、通过设计平面关节型机械手，培养综合运用所学知识，分析问题和解决问题的能力。 有关资料：上下料搬运机械手，3个自由度，平面关节型；需要搬运的工件：环类零件，内孔直径50mm；高150mm,厚10mm,（只能从内孔夹持工件），材料40钢，将工件从一条输送线搬运到与之平行的另一条输送线上，（两输送线距离为2.5m,高度差0.4m）。 要求：设计方案和计算正确，叙述清楚，图纸符合规范。翻译一篇有关外文资料。 二、图纸： 1.机械手机构简图 2.工作空间投影图 3.机械手传动原理图 4.机械手装配图 5.零件图 三、实习： 1.本校机械实验室组装各类机械手模型。 2.学习工业机械人设计方面知识。 四、参考书： 1. 《工业机器人设计》周伯英机械工业出版社 1995 2. 《机器人机械设计》龚振帮电子工业出版社 1995 3. 《机构设计》（日）藤森洋三机械工业出版社 1990 4. 《机械手图册》（日）加藤一郎上海科技出版社 1989 5. 《机械设计图册》（5）成大先化学工业出版社 1999 五、进度： 3月24日到4月25日实习，拟订设计方案 4月264日到5月3日机械手传动原理图 5月4日到5月17日机械手装配图 5月18日到5月24日零件图 5月25日到6月1日写说明书
平面关节型机械手设计 [摘要]平面关节型机械手采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间如工作空间图，它的纵截面为矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体截面的大小、形状。关键词:机械手轴承汽缸 [Abstract]Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints , two slew joints control the moving of the front and back left and right . the move joints control the moving of up and down . the work room as work room drawing . the vertical section is a rectangle slew . the high of the vertical section is move joints’journey ,the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section . Key words:manipulator axletree cylinder 第1章机械手总体设计 工业机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序，轨迹或其他要求，实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。它在二十世纪五十年代就已用于生产，是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置，开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化，随着应用范围的不段扩大，现在用来夹持工具和完成一定的作业。实践证明它可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率。 平面关节型机器人又称SCARA型装配机器人，是Selective Compliance Assembly Robot Arm的缩写，意思是具有选择柔顺性的装配机器人手臂。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业零件的插接、装配中应用广泛。 总体设计的任务：包括进行机械手的运动设计，确定主要工作参数，选择驱动系统和电控系统，整体结构设计，最后绘出方案草图。
KUKA KR40PA机器人运动学分析及simmulink仿真 一．Kuka KR40PA码垛机器人简介 Kuka KR40PA机器人是一种有四个自由度的码垛机器人，有四个驱动器，很好地运用了平行四边形机构，固定其姿态从而大大简化了控制难度，并且提高了精度及寿命，本文所用kuka码垛机器人如下图所示： 二、机构简图，及其简化。 1、机构简图如下：
第一步简化原因：第一步我们简化了两个平行四边形机构，在此我们分析，这两个平行四边形机构的作用是约束末端执行器在XZ平面的姿态，即：使末端执行器始终竖直向下。在此我们人为的默认末端执行器始终竖直向下，不随前面传递构件的影响。此时便可以将两组平行四边形机构去除而不影响末端执行器的姿态和位移。 第一步简化后机构简图 第二步简化原因：在此我将主动杆1及连杆4去除。杆1 2 3 4组成了一个平行四边形机构，因此β3=β2-β1.所以我们将杆1杆4去除，只要使β3=β2-β1便不影响末端执行器的位置和姿态。 第二步简化后的图形
第三步简化原因：为了使参数更简洁，便于计算。我们将杆2的第一个关节与第一个旋转轴相交，这样简化的模型更好计算。不影响总体机构的功能。 最终简化后的机构简图
三、建立连杆坐标系。 如下图： 四、D-H参数表 i αi-1a i-1d iθi 1 0 0 0 θ1 2 -90 0 0 θ2 3 0 l20 θ3 4 0 l30 θ4 5 90 0 0 θ5 五、求正运动学公式 = =
= = = = =*= =*= =*= 由于平行四边形机构的存在使得 = = * = * = 所以 ==
任务书 学院：专业：班级：学生情况指导教师情况题目类型 姓名学号姓名职称单位理论研究□科研开发□ 机电工程学院工程设计√论文□ 题目电动式关节型机器人机械手的结构设计与仿真 主要内容以及目标(毕业设计应完成的主要内容，设计任务达到的目标) 主要内容: （1）完成调研报告和开题报告； （2）完成电动式关节型机器人机械手的结构设计； （3）建立该机械手的三维虚拟模型并对其进行运动仿真； （4）中英文摘要各200字，设计说明书不少于15000字； （5）外文资料翻译不少于5000字。 目标: （1）完成电动式关节型机器人机械手的结构设计，其中包括装配图及关键的零件图；（2）对机械手进行三维建模、虚拟装配与仿真。 成果形式（毕业设计完成具体工作量；成果形式；验收方式）（1）3张A0图纸，包括装配图、零件图； （2）调研报告、开题报告以及设计计算说明书；（3）机械手的三维虚拟模型以及运动仿真的录像。 基本要求（对完成设计任务方面的具体要求：设计技术参数、数据及来源、调试所用仪器设备） 设计技术参数： 手部负重：10kg（抓取物体的形状为圆柱体.圆柱半径.高度自定.密度7.8g/cm3.） 运动轴数： 数据来源： 北京机械工业自动化研究所、上海发那科机器人有限公司 实习调研要求（对部分有实习环节的专业，提出实习或调研的具体要求，包括调研提纲、实习时间、地点和具体内容要求） （1）了解国内外工业机器人的现状、水平和发展趋势； （2）了解工业机器人的各个组成部分； （3）掌握电动式关节型机器人机械手的组成机构及其工作原理； （4）分析现有各种类型工业机器人的特点，如运动方式、驱动方式、控制方式等；（5）总结出本设计课题的基本实现方法及结构，分析其技术关键及难点； （6）做出本设计课题的设计安排，如技术线路、研究方法、设计工具、时间安排等。
基于新型码垛机器人的结构设计与运动学分析 发表时间：2019-01-14T15:49:38.937Z 来源：《防护工程》2018年第31期作者：梁海龙 [导读] 该机器人结构设计合理，控制灵活，最大抓取载荷为100kg，工作能力达800次/h，完全满足工业现场的要求。广东利迅达机器人系统股份有限公司广东佛山 528251 摘要：码垛机器人是实现包装和物流自动化的关键装备，针对生产线上各种产品的码垛要求，实现自动、高速、准确、连续的码垛作业，降低工人劳动强度，提高生产效率，广泛应用于化工、建材、饮料、食品等行业生产线物料的堆放和搬运。 关键词：码垛机器人；结构设计；运动学； 码垛机器人是用在工业生产线上执行各种产品的获取、搬运、码垛、拆垛等任务的一类工业机器人，码垛机器人的使用能降低工人劳动强度，提高生产效率，降低生产成本。针对物流行业的搬运码放作业，文章设计了一种新型机器人机械结构，可使机器人码放货物更加准确、平稳，同时能够使机械臂实现轻量化，在同等条件下承载能力更强，提高了整机稳定性；运用解析几何法对该机器人的机构进行了详尽的运动学分析 一、新型码垛机器人的结构设计 1.总体机构的组成。码垛机器人的结构：该机器人的手臂，固定在腰部上，在该部分内小臂通过前大臂、后大臂与的搬运和码垛作业，且机械系统主要有四个关节部分组成，能实现四种运动：腰部旋转，大臂上下运动，小臂前后运动和手腕回转运动四种运动，全部由交流伺服电机驱动，这种结构的机器人完全可以满足生产线上需求。 2.水平及垂直关节的结构设计。水平及垂直关节部份都有一个电机，每个电机藉由控制同步带轮及齿型带的旋转来使滚珠丝杠转动，间而带动其滑块及拖板这样的运动可以使机器人实现大臂上下运动，小臂前后运动且可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动精确定位的要求。 3.腰部底座的结构设计。腰部底座关节机械构图，腰部底座的运动是藉由底部的伺服电机来控制空心轴，进而使机架实现了腰部旋转，并且经由实验证明底部基座及法兰的结构设计，可以降低机械关节运动时的工作噪音，而通常被搬运的物品只需要从一个位置，移到另一个位置上，绕垂直于水平方向的轴旋转调整放置方向，所以此结构满足现场工作的需求。 4.腕部及机器人手爪的结构设计。腕部关节及手爪机械构图，腕部电机控制手爪连接盘带动机器人手爪旋转，利用对箱状物机械手控制进行分析，该机构主要完成码垛操作中夹紧箱状物体的动作，机器人手爪底部安装气源入口及气源处理和压力继电器，工作时侧夹板开合由通电磁阀控制汽缸活塞杆缩回，带动两侧板互相靠近，从而完成夹紧动作，手爪板完全打开时，可以使张开的手爪之间的宽度大于包装箱的宽度，而另一个通电磁阀控制气缸实现手爪开合，以保证机械手的手爪准确、可靠地落于生产线运输辊之间或拖盘上。 二、运动学分析 1.工作原理。运动学分析是机器人轨迹规划和控制系统软件设计的前提和基础。码垛机器人一般采用点到点的运动模式，在开始码垛工作之前，需要先进行轨迹的规划，确定运动过程的路径点，使机器人能够准确、安全地将物品摆放到指定位置，避免打垛现象，轨迹规划是运动学反解的实际应用。码垛机器人主要由固定底座、回转台、大臂、小臂、抓手安装法兰、关节驱动电机、随动液压缸和连杆等组成，是具有4 个自由度的平行四边形机构混联工业机器臂俯仰、抓手旋转。由大臂驱动电机直接驱动大臂；由小臂驱动电机驱动小臂驱动件，通过平行四边形机构驱动小臂；另外还有2 个平行四边形机构用于使抓手安装法兰处始终保持水平，该结构的优点是可以减少一个驱动；抓手法兰可以根据各种工作场合安装相应的执行机构。码垛机器人完成一次码垛任务的典型工况如下：抓起上升→旋转到垛盘上→下降放到垛盘上。根据码垛任务的典型工况，拟定码垛任务如下：上升过程从工作空间的最低点到最高点→回转台旋转90°→下降过程从工作空间最高点到最低点。机器人的抓手根据实际作业对象进行选择， 2.基于码垛机器人运动学仿真。为准确地对执行末端进行分析求解，便于 系统对电机的控制，需要对机器人臂部进行运动分析。研究推导的基础上提出了一种简单直观的求解方法在机器人大小臂组合旋转的主剖面内设置一个固定的坐标系，在电机带动下沿轴方向水平运动两点分别为后大臂、前大臂与小臂的铰接点角为前大臂与水平轴的夹角。工业机器人运动学的研究包括2 个方面：运动学正解和运动学逆解。运动学正解是已知各杆件结构参数及关节变量，求末端执行器的空间位置和姿态。运动学逆解是已知满足工作要求时末端执行器的空间位置和姿态以及各杆件的结构参数，求各关节变量。工业机器人运动学分析时，常为机械手的每个连杆建立一个坐标系，并用齐次变换矩阵来描述这些坐标系间的相对位置和姿态。D － H 法是常用的建立杆件位姿关系的方法，该方法适用于串联机构，不能直接用于混联机器人。混联码垛机器人，如果采用D － H 法进行运动学分析，必须对其平行四边形机构进行简化。保持抓手安装法兰始终水平的2 个平行四边形可以简化，抓手安装法兰中心到小臂末端铰点的相对位置不变。因此，运动学仿真时，末端执行机构可以只计算到小臂末端铰点。驱动小臂的平行四边形可以通过移动驱动点的方式来进行简化。简化后的机构简图以及所建立的杆件坐标系码垛机器人执行码垛任务过程中，要使各个关节在停顿点冲击尽可能小，即在停顿点的角速度、角加速度尽可能为0，减小电机和机械部分的磨损。这就需要对点到点的码垛任务进行轨迹规划，再针对具体任务对运动学正反解进行仿真。采用多项式插值来实现点到点的轨迹规划，完全可以满足停顿点角速度、角加速度为0 的要求。机器人工具箱轨迹规划函数返回的为各个关节角位移、角速度、角加速度。采用运动学正解函数可以返回最后一个关节的坐标变化，即码垛机器人的运动轨迹；采用运动学逆解函数可以返回运动过程中各个关节的转角。 3.仿真结果与分析。运行仿真计算，进入后处理模块得到运动学仿真结果，并与运动学仿真得到的结果进行对比，动力学仿真得到的驱动电机所在关节处的驱动力矩当关节变量连续变化时，机器人末端执行器的位置坐标曲线平滑且连续，表明码垛机器人在运动过程中是平稳的。各关节在各停顿点的速度和角速度都为0，且整个过程平滑地变化，说明在整个运动过程中，节点冲击小、运动平稳；关节2、关节3 的最大速度接近最大角速度，但均未超过该最大值，说明完成码垛任务的时间已经接近最短。另外，运动学仿真结果有非常高的吻合度，数值仿真和模型仿真的正确性得到了相互验证，说明运动学仿真时对机构所做的简化对仿真结果没有影响，其为机器人动力学的仿真提供了可靠的模型。轨迹点的确定必须要在码垛机器人的最大工作空间内，这样才能保证按照工业需求摆放物品，避免机器人失控。根据确定的工作空间，判断时，只需要进行边缘点的判断，一旦发现有点不在工作空间内，就要重新设定码垛方式。
第８卷第６期２００８年１１月 潍坊学院学报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｅｉｆａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖ０１．８ＮＯ．６ ＮＯＶ．２００８关节型搬运机械手设计。 蔡卫国 （大连水产学院，辽宁大连１１６０２３） 摘要：对一类搬运机械手的机构及控制系统进行了分析和设计。在机构设计中，采用了平面关节型机械手，能够实现对工件的夹紧、提升和转动；在控制系统的设计中，采用可编程控制器（ＰＬＣ）对机构进行控制，完成了软件的编程，并对控制系统的硬件原理做了分析。 关键词：关节型；搬运机械手；可编程序控制器 中图分类号：ＴＨｌ６５文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—４２８８（２００８）０６—００６３一０２ 工业机械手是集机械、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制造业重要的自动化装备。自从１９６２年美国研制出世界上第一台工业机械手以来，机械手技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（ＦＭＳ）、自动化工厂（ＦＡ）、计算机集成制造系统（Ｃ１ＭＳ）的自动化工具。工业机械手作为现代制造业主要的自动化设备。已经广泛应用于汽车、工程机械、电子信息、家电等各个行业，进行焊接、装配、搬运、加工等复杂作业。在日本、欧美等国得到广泛的应用。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．因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，进行系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程［１ｑ］。从近几年国外机械手推出的产品来看，机械手技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、ＰＣ化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；系统的网络化和智能化等方面［４‘５］。 ｌ搬运机械手机构设计 工业机械手由操作机（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。本设计的搬运机械手机构主要由机座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部等六个部分组成。（见图１） 机械手具有四个自由度，分别是腰部转动、臂部的伸缩运动及手腕的回转和俯仰运动。手部，亦称末端执行器，功能是用来直接抓取工件，其结构有吸盘式、手爪抓取式、卡钳式等多种形式，本设计选择卡钳式的平移型抓取方式，由齿轮齿条作为传动机构，适用于不规则工件和非金属工件的抓取；手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其功能取决于自由度的多少，自由度越多则其动作越灵活，但随着自由度的增多，结构和控制也越复杂，在本次设计中，手腕应该具有两个自由度，即能实现手腕的回转和俯仰运动；手臂结合了ＰＵＭＡ机械手结构并进行了改进，臂部的结构形式需根据机械手的运动形式、抓取重量、运动自由度、运动精度等因素来确定，为了实现伸缩运动的平稳和动作的精确，采用了谐波减速器，利用一个构件可控制的弹性变形实现机械运动的传动；回转机座又叫机械手的腰座，除了对机械手起到固定和支撑作用外，还要确保机械手腰部的回转运动。 １．机座２．腰部３．大臂４．小臂５．腕部６．手部 圈１搬运机械手结构简图 ＊收稿日期：２００８一０４—２０ 作者简介：蔡卫国（１９７０一），男，内蒙古赤峰人，大连水产学院理学院副教授，硕士。 一６３—万方数据
二、肘关节运动学 （一）肘关节的组成和运动方向 （二）肘关节的功能解剖 （三）肘关节的生物力学??? （一）肘关节的组成和运动方向 1．肘关节的组成 肘关节是一个复合关节，由肱尺关节、肱桡关节、桡尺近侧关节三个单关节,共同包在一个关节囊内所构成。（1）肱尺关节：由肱骨滑车与尺骨滑车切迹构成，属滑车关节，可作屈、伸运动。 （2）肱桡关节：由肱骨小头与桡骨头关节凹构成，属球窝关节，可作屈、伸和回旋运动。因受肱尺关节的制约，其外展、内收运动不能进行。 （3）桡尺近侧关节：由桡骨环状关节面与尺骨的桡切迹构成，属圆柱关节,可作回旋运动。 辅助结构：尺侧副韧带、桡侧副韧带、桡骨环状韧带。 关节特点：关节囊的前后壁薄弱而松弛，有肌肉保护，两侧关节囊增厚并有韧带加固。 运动：屈伸（肱尺和肱桡关节）、回旋（肱桡和桡尺近侧关节）。 尺侧副韧带：前束起于肱骨内侧髁的前下方，止于尺骨冠突内缘；后束起于肱骨内侧髁的内下方，止于尺骨鹰嘴内侧的骨面，其纤维呈扇形排列。 桡侧副韧带：起于肱骨外侧髁的外下方，其纤维部分止于桡骨环状韧带，部分止于尺骨冠突的外下方。 桡骨环状韧带：起于尺骨桡切迹的前缘，止于尺骨桡切迹的后缘。 2．肘关节的运动方向 肘关节的关节面属于滑车、球窝、圆柱关节。从整体来看，肘关节只有冠状轴和垂直轴两个运动轴。 冠状轴为肱尺部和肱桡部共有，前臂可绕此轴做屈伸运动； 垂直轴为肱桡部和桡尺部共有，前臂可绕此轴做内旋、外旋运动。 由于肱尺部只有冠状轴，尺骨不能做外展、内收运动，从而限制了桡骨在肱桡部的内收、外展运动。 （二）肘关节的功能解剖 1．运动肘关节的主要肌群 屈：肱二头肌、肱肌、肱桡肌和旋前圆肌 伸：肱三头肌和肘肌 旋前：旋前圆肌和旋前方肌 旋后：肱二头肌和旋后肌 （1）肱二头肌 起点：分长、短二头。长头起于肩胛骨的盂上粗隆，短头起于肩胛骨喙突。 止点：桡骨粗隆和前臂筋膜。 作用：近端固定时，屈肩、屈肘及使前臂旋后；远端固定时，使上臂向前臂靠拢。 （2）肱肌 起点：肱骨前面下半部。 止点：尺骨粗隆。 作用：近端固定时，使前臂向上臂靠拢；远端固定时，使上臂向前臂靠拢。 （3）肱三头肌 起点：分长头、内侧头和外侧头。长头起于肩胛骨盂下粗隆，外侧头起于肱骨体外上部，内侧头起于肱骨体内下部 止点：尺骨粗隆。 作用：近端固定时，使前臂于肘关节处伸，长头使上臂在肩关节处伸；远端固定时，使上臂在肘关节处伸。 （4）肘肌 起点：肱骨外上髁。 止点：尺骨背面上部。 作用：伸展肘关节。 （5）肱桡肌
本科毕业设计 题目：关节型机械手的机构设计 学院：工学院 姓名： 学号： 20100962 专业： 班级： 指导教师： 2014年5月 摘要 本说明书所设计的关节型机械手应用圆柱坐标式整体机构，能够实现夹取、安放、搬运棒形工件等功能。这个机械手主要由手爪、手腕、手臂、腰部和机座等部
分组成，主要的活动功能体现在整个机械手的四个自由度以及手爪的闭合。其中四个自由度包括腰部的回转，腰部的升降，手臂的伸缩，手腕部的回转。这个机械手的整体规模一般，适用于小巧型工业零件的抓取和搬运，如电子加工业等。 该机械手主要就是靠液压缸的油压变化来实现4个自由度和手爪的夹取。在油路的布置和规划中应用了液压传动的原理以及机械制造的原理，使得油路能够更加的符合机械设计过程中的合理性和可靠性，安全性和经济性。充分利用好机构的相互配合关系，合理布置零件间的空间结构，使本设计更加的合理完善。 关键字：关节型机械手圆柱坐标液压缸四自由度 Abstract
This explanation is designed articulated robot application type cylindrical coordinates overall organization, to achieve gripping, put the rod work piece handling functions. The robot gripper mainly by the wrists, arms, waist and base and other components, the main event features embodied in the entire four degrees of freedom and the robot gripper closure. Four degrees of freedom, including rotation, waist lifting, telescopic arm, wrist rotation of the waist. The overall size of the robot is generally suitable for compact industrial parts crawl and handling, such as electronic processing industry. The robot is mainly by hydraulic cylinders to achieve change gripping four degrees of freedom and a gripper. In the oil circuit layout and planning of the application of the principles and the principles of hydraulic transmission machinery manufacturing, making the oil to be more in line with the mechanical design process rationality and reliability, safety and economy. Take full advantage of a good relationship with each other agencies, rational arrangement of space between the structural components, making the design more reasonable and perfect. Keywords: articulated manipulator cylindrical coordinates cylinder four degrees of freedom 目录 摘要 (1) 目录 (3) 1.1研究目的 (5)
江苏城市职业学院 毕业设计（论文） （ 2011 届） 设计（论文）题目平面关节型机械手设计 办学点（系）张家港办学点（工程系） 专业机械设计与制造 班级11机械（普） 学号110404350532 学生姓名邵强 指导教师杜微娜职称助教
摘要 (3) 一、概论 (4) 1、机械手的工作原理及设计思想 (4) 2、机械手应用及应用中容易出现的误区 (5) 3、机械手的发展及发展前景 (6) 二、机械手的总体设计 (7) 三、手指设计 (9) 1、设计时应注意的问题 (10) 2、零件的计算 (10) 3、手指夹紧力的计算 (11) 四、移动关节的设计计算 (12) 1、驱动方式的比较 (12) 2、汽缸的设计 (13) 五、小臂的设计 (14) 1、结构的设计 (14) 2、轴的设计计算 (15) 3、轴承摩擦力矩的计算 (15) 4、驱动的选择 (16) 六、大臂的设计 (16) 1、结构的设计 (17) 2、轴的设计计算 (17) 3、轴承摩擦力矩的计算 (18) 4、伺服系统的选择 (18) 七、机身的设计 (17) 1、设计时应注意的问题 (17) 2、设计的效果说明 (18) 结论 (20) 致谢 (21) 参考文献 (22)
平面关节型机械手设计 [摘要] 平面关节型机械手采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后左 右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间如工作空间图，它的纵截面为矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体截面的大小、形状。 关键词: 机械手轴承汽缸 [Abstract] Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints , two slew joints control the moving of the front and back l eft and right . the move joints control the moving of up and down . the wor k room as work room drawing . the vertical section is a rectangle slew . the high of the vertical section is move joints’journey ,the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section . Key words: manipulator axletree cylinder
小型气动机械手的设计 摘要：本文主要进行了气动机械手的总体结构设计和气动设计。机械手的机械结构由气缸、气爪和连接件组成，可按预定轨迹运动，实现对工件的抓取、搬运和卸载。气动部分的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。气动机械手作为机械手的一种, 它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。 关键词：气动机械手；气缸；控制阀；回路；设计 Design of Small Pneumatic Manipulator Abstract:This article mainly has carried on the overall structural design and aerodynamic design of pneumatic manipulator. Robot mechanical structure is composed of a cylinder, a pneumatic claw and a connecting piece, according to a predetermined trajectory, on a workpiece gripping, conveying and unloading. Pneumatic main part of the design is to choose appropriate control valve, the rational design of pneumatic control circuit, the control and regulation of each cylinder of compressed air pressure, flow and direction to the pneumatic actuator to obtain the necessary force, speed of action and change the direction of movement, and according to the prescribed procedures machinery as a manipulator, which has the advantages of simple structure, light weight, quick action, stable, reliable, energy saving and no pollution to environment has been widely used. Key words: Pneumatic manipulator; cylinder; control valve; Circuit; the design 1 前言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效
正常人体运动学腕关节 运动学 SANY标准化小组 #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#
三、腕关节运动学 （一）腕关节的组成和运动方向 （二）腕关节的功能解剖 （三）腕关节的生物力学??? （一）腕关节的组成和运动方向 1．腕关节的组成 桡腕关节 腕骨间关节属于联合关节 腕掌关节 1．腕关节的组成（主要结构） （1）桡腕关节：桡骨腕关节面及尺骨头下方的关节盘组成关节窝与手舟骨、月骨及三角骨的近侧面组成的关节头构成，属于简单关节、椭圆关节。 （2）腕骨间关节：近侧的手舟骨、 月骨及三角骨和远侧的大多角骨、 小多角骨、头状骨、钩骨组成。 近侧腕骨间关节（平面关节） 远侧腕骨间关节（平面关节） 腕横关节或腕中关节（简单、球窝关节） （3）腕掌关节：由远侧列腕骨与5个掌骨底组成。 拇指腕掌关节：由大多角骨与第1掌骨底构成（鞍状关节） 辅助结构：关节盘、腕桡侧副韧带、腕尺侧副韧带、桡腕掌侧韧带、桡腕背侧韧带。 关节特点：关节腔宽广，关节囊松弛，关节囊前、后、桡、尺侧都有韧带加固，腕掌侧韧带比桡腕背侧韧带坚韧、限制桡腕关节后伸运动。 运动：屈伸、收展、环转（桡腕关节、腕横关节、拇指腕掌关节）。 （二）腕关节的功能解剖 1．运动腕关节的主要肌群 屈：桡侧腕屈肌、掌长肌、尺侧腕屈肌、指浅屈肌、指深屈肌 伸：桡侧腕长伸肌、桡侧腕短伸肌、指伸肌、示指伸肌、尺侧腕伸肌 外展：桡侧腕长伸肌、桡侧腕屈肌 内收：尺侧腕屈肌、尺侧腕伸肌 屈：桡侧腕屈肌（第2掌骨底）、掌长肌（掌腱膜）、尺侧腕屈肌（豌豆骨）、指浅屈肌（2-5指中节指骨两侧）、指深屈肌（第2至5指远节指骨底前面） 伸：桡侧腕长伸肌（第2掌骨底）、桡侧腕短伸肌（第3掌骨底）、指伸肌（2-5指中节远节指骨底背面）、示指伸肌（示指指背腱膜）、尺侧腕伸肌（第5掌骨底） 外展：桡侧腕长伸肌、桡侧腕屈肌（第2掌骨底） 内收：尺侧腕屈肌(豌豆骨)、尺侧腕伸肌(第5掌骨底) 2．运动拇指腕掌关节的主要肌群 屈：拇长屈肌、拇短屈肌 伸：拇长伸肌、拇短伸肌 外展：拇长展肌、拇短展肌 内收：拇收肌 对掌：拇对掌肌、小指对掌肌 （1）拇长屈肌 起点：前臂骨间膜 止点：拇指远节指骨底掌侧
平面关节型机械手
江苏城市职业技术学院毕业论文 课题名称平面关节型机械手 姓名王如鹏 学号0733010221 专业机电一体化 班级07职机电（2） 指导老师朱云开 2011年12 月
目录 引言----------------------------------------------------------- 3 摘要----------------------------------------------------------- 6 第一章机械手总体设计-----------------------------------------7 1.1 主要技术参数-------------------------------------------- 7 1.2 结构特点图---------------------------------------------- 8 第二章手指设计 ---------------------------------------------- 9 2.1 设计是要注意的问题-------------------------------------- 9 2.2 零件的计算---------------------------------------------- 10 2.3 手指抓紧力的计算---------------------------------------- 10 第三章移动关节的设计计算----------------------------------- 12 3.1 驱动方式的比较 ----------------------------------------- 12 3.2 汽缸的设计---------------------------------------------- 12 第四章小臂的设计------------------------------------------- 14 4.1设计时注意的问题---------------------------------------- 14 4.2 小臂结构的设计------------------------------------------ 15 4.3 轴的设计计算 ------------------------------------------- 16 4.4 轴承的选择 --------------------------------------------- 17 4.5 轴承摩擦力矩的计算 ------------------------------------- 18 4.6 驱动选择 ----------------------------------------------- 18 第五章大臂的设计计算---------------------------------------- 19 5.1 大臂结构的设计------------------------------------------ 19 5.2 轴的设计计算 ------------------------------------------- 20 5.3 轴承的选择 --------------------------------------------- 21 5.4 轴承摩擦力矩的计算 ------------------------------------- 22 5.5 伺服系统的选择 ----------------------------------------- 22 第六章机身的设计 ------------------------------------------ 23 6.1 设计时注意的问题---------------------------------------- 23 6.2 三个自由度 -------------------------------------------- 24 毕业设计总结--------------------------------------------------- 25 参考文献------------------------------------------------------- 26
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 (11) 3.1机械手移动工件控制系统的控制要求 (11) 3.2机械手移动工件控制系统的PLC选型和资源配置 (13) 3.3机械手移动工件控制系统的PLC程序 (14) 4.动画制作 (18) 4.1建立机械手模型 (18) 4.2制作机械手的动画 (18) 结束语 (26) 致谢 (26) 参考文献 (26) 附录 (27)
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，机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能组成，主要完成移动、转动、抓取等动作。 控制系统是机械手的指挥系统，它通过控制驱动系统，让执行器按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否。可编程控制器（PLC）是一种数定运算操作的电子系统，它将逻辑运算、顺序控制、时序、计数、算术运算等控制程序，用指令形式存放在存储器中，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。与继电器控制线路相比，PLC具有可靠性高、抗干扰能力强；编程简单、使用方便；设计、安装容易，维护工作量少；功能完善、通用性强；体积小、能耗低等特点。因此，机械手控制系统越平越多的由可编程控制器来实现。