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1、摘 要机械手是一门涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多个方面的学科，它代表了机电一体化的最高成就。现今，机械手已经运用到各个领域，特别是在装配作业方面。在装配机械手中，平面关节型装配机械手（即SCARA型）是应用最广泛的一种装配机械手。本课题提出设计一种服务机械手，用于电子元器件等的装配，在分析国内外SCARA产品基础上，经过不同方案的比较，在确定了最优方案后通过认真的计算，仔细的校核，使设计结构简单、运行可靠、经济合理，能满足教学实验等需要，对于更好地熟悉和掌握相关课程具有重要的意义。本文设计的是一种小型服务装配机械手，主要对这种机械手进行结构方面的设计。本文设计的SCAR
2、A机器人具有以下特点：通用性好、体积小、重量轻、外形美观、成本低，对其本体的可行方案进行了充分的研究后，设计成具有多个自由度的结构，由机身、大臂、小臂及手腕组成，谐波减速器、齿轮、丝杠螺母等组成了机械手简单可靠的传动方案。该电机的多个关节均采用步进电机驱动，具有控制简单、成本低的特点。关键词：工业机械手 自由度 机器人AbstractRobot is a kind of science related to many other ones such as computer science, mechanism, electronics, automation control and artif
3、icial intelligence. Now, robots are used in many fields, especially in the aspect of assembly task. It represents the up-most level of mechatronics. Among assembly, plane articulated assemblyrobot (SCARA manipulator) is used most widely.This topic puts forward designing a kind of assemble robot, use
4、d for an assemble electronics component, after analy domestic and international SCARA, the surface of sphere SCARA etc. Through compare with different project. After making sure superior project, though the careful calculation and check.Make design with simple structure,credibility circulate, reason
5、able cost, can satisfy the teaching experiment etc.The presented SCARA manipulator in this paper is a pint-sized assembly robot, where the structure of SCARA manipulator is designed. The presented SCARA manipulator in this paper has following characters: good universality, small volume, light weight
6、, beautiful appearance and low cost, so the structure of robot is fully considered which has four freedoms and is consisted of comprises base, big arm, small arm and wrist. The simple reliable transmission scheme of SCARA manipulator is composed of harmonic deceleration and gear wheel and feed screw
7、. The four joints are all driven by stepping motors, which has the characters of simple control and low cost.Keyword: Industrial robots Freedom Robot31目录摘 要IAbstractII第1章绪论1第2章 总体方案设计32.1 工业服务机器手的传动系统设计32.1.1机械手驱动系统的比较与选择32.1.2 传动机构的对比与分析52.2 机械手总体设计方案的比较确定6第3章 步进电机的选择及其校核计算113.1 主要技术参数确定113.2 各自由度步
8、进电机的选择113.2.1 第一自由度步进电机的选择123.2.2 第二自由度步进电机的选择133.2.3 第三自由度步进电机的选择133.2.4 第四自由度步进电机的选择143.2.5 第五自由度步进电机的选择143.3 第一自由度轴传动系统的计算与校核143.3.1 第一自由度轴的等效转动惯量的计算143.3.2 步进电机1的校核153.4 第二自由度轴传动系统计算与校核153.4.1 第二自由度等效转动惯量的计算153.4.2 步进电机2的校核163.5 第三自由度轴传动系统的计算与校核163.5.1 第三自由度等效转动惯量的计算163.5.2 步进电机3的校核17第4章 系统整体的设计
9、与校核184.1 同步齿形带传动设计184.1.1求出设计功率184.1.2选择带的节距184.1.3确定带轮直径和带节线长184.1.4选择带长Lp194.1.5近似计算中心距194.1.6进行标准带宽的选择204.2 各输出轴的设计214.2.1 机身输出轴设计214.2.2 大臂输出轴设计214.2.3 大臂与小臂连接轴设计214.2.4 带轮轴设计214.2.5 升降轴设计224.3 滚珠丝杠副校核234.3.1 最大工作载荷计算234.3.2 最大动负载C的计算与校核234.3.3传动效率计算234.3.4刚度计算244.3.5丝杠稳定性验算244.4机械手机身的设计254.5其他部
10、分结构设计25第5章 控制系统设计275.1 机器人控制的特点275.2 机器人控制的分类285.2.1 点位控制(PTP)机器人：285.2.2 连续轨迹控制(CP)机器人：28结 论29参考文献30致谢31第1章绪论机器人一词最早出现于1920年捷克作家Karel Capek的剧本罗萨姆的万能机器人中，捷克的Robota意为“苦力”、“劳役”，是一种人造劳动者，英语Robot由此衍生而来。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术，其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用水平是
11、一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人工业已成为世界各国备受关注的产业。本文所述机械手主要指服务机械手，即具有操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，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自动化生产设备2。20世纪50年代，在自动机和自动线上出现了可以代替人力传递和装卸工件的机械手，随后在某些危险作业领域出现了由操作人员直接控制或遥控的操作机。工业机器手是在自动操作机基础上发展起来的一种能模仿人手臂的某些动作和控制功能，并按照可变的预定程序、轨迹和其他要求，操纵工具实现多种操作的自动化机械系统。1987年ISO（国际标准化组织）采纳了美国机器人协会（
12、RIA）的建议，给机器人下了定义，即“机器人是一种可反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或者为了执行不同的任务而具有可改编的和可编程的动作的专门系统。我国国家标准GB/T12643-97将工业机器人定义为“ 工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机5。”工业机械手大体按坐标形式即操作机手臂在运动时所取的参考坐标系的形式可分为：(1)直角坐标式 通过沿x-y-z三个互相垂直的直角坐标的移动来实现末端执行器（手部）空间位置的改变，即沿x轴的纵向移动，沿y轴的横向移动和沿z轴的升降。这种机械手的位置精度高，控制无耦合，比较简单，避障性好，但占空比大
13、（即机器人机构所占空间与动作空间之比），灵活性较差。(2)圆柱坐标式 通过两个移动和一个转动来实现末端执行器空间位置的改变。这种机械手的位置精度仅次于直角坐标式，控制简单，避障性好，但结构庞大，两个移动轴的设计较复杂，难与其他机械手协调工作。(3)球坐标式 又称极坐标式。机械手手臂运动由1个直线运动和2个转动所组成，即沿x轴方向的伸缩，绕y轴的俯仰和绕z轴的回转。机械手体积小，结构紧凑，其位置精度尚可，但避障性差，有平衡问题，位置误差与臂长成正比，能与其他机械手协调工作。 (4)关节坐标式 又称回转坐标型，分为垂直关节坐标和平面（水平）关节坐标，机械手由立柱和大小臂组成，立柱与大臂通过肩关节相
14、连接，立柱绕z轴旋转，形成腰关节，大臂与小臂形成肘关节，可使大臂作回转和俯仰，小臂作俯仰。机械手工作空间范围大，动作灵活，避障性好，能抓取靠近机座的物体，但位置精度较低，有平衡问题，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多。机械手的驱动装置用来驱动操作机工作，按动力源的不同可分为电动、液动和气动三种，其执行机构电动机、液压缸和气缸可以与操作机直接相连，也可通过齿轮、谐波和链条装置与操作机相连。控制系统用来控制工业机器人按规定要求动作，可分为开环控制系统和闭环控制系统。本课题提出设计一种平面关节型机械手的模型，这种机械手的结构紧凑，传动原理简单而实用，成本低，重量轻，惯性小，精度高且在运行中具有较高的
15、稳定性和可靠性。本论文在平面关节型机械手研制以及相关领域研究成果基础上，对机械手本体的机械结构进行了设计，在确定了总体设计方案之后对整个机构的传动系统加以计算与校核。培养了自己独立设计、计算、分析问题和解决问题的能力，使理论教学与设计实践紧密结合起来；并且在不断摸索改进以及指导老师的悉心指导下，使设计的图纸能接近实际模型制作的要求，满足相关课程实验教学的需要。第2章 总体方案设计本设计课题要求机械手完成水平面内搬运运动，这包括XY平面运动，以及Z向上下运动。为了完成装配作业，还要求手腕具有一定柔顺性。这样一来如果全部运动都设计成由机械手本体来完成，那么必然增加机械手本体复杂性，并会影响机械手位置精度。另一方面，这种机械手通用性差，成本也高3。鉴于上述原因，同时考虑机械手应具有良好的通用性，以保证这个课题完成后，所提供机械手技术，具有较好的产业化、商品化前景。所以，在设计中，本人把机械手设计成平面关节式机械手，具有四个自由度：两个完成水平面内回转运动，一个完成Z轴上下运动，另一个完成绕Z轴旋转运动。图2-1 机械手结构示意图
