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1、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21.1 概述21.2 关节式机械手的工作周期2第二章 内部机械结构的确定32.1 内部传动结构的概述32.2 腰部的传动结构32.3 大臂的传动结构32.4 中臂的传动结构42.5 小臂的传动结构52.6 手腕，夹持器的传动结构62.7 总体结构的概观6第三章 运动仿真的实现83.1 运动仿真的类型83.2 刚性连接83.3 销钉连接83.4 滑动杆连接93.5 圆柱连接93.6 槽连接
2、93.7 齿轮的连接103.8 运动的实现10第四章 基本的数学计算124.1 数学计算的简单介绍124.2 MATLAB R2009a的简单介绍124.2.1 MATLAB R2009a的输入介绍124.2.2 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
3、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：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）夹持器向内运动，夹紧工件 小臂向上转动90度 手腕旋转180度（完成工件的换向）腰部旋转180度（运动到另一个工作台）小臂向下转动90度 夹持器向外扩张，松开工件 大臂，中臂同时向上转动 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
4、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 R20
5、09a，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)：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）夹持器向内运动，夹紧工件 小臂向上转动90度 手腕旋
6、转180度（完成工件的换向）腰部旋转180度（运动到另一个工作台）小臂向下转动90度 夹持器向外扩张，松开工件 大臂，中臂同时向上转动 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
7、。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
8、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
9、-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
10、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
11、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
12、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
13、。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
14、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，
