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1、毕业设计五自由度移动机械手设计姓 名： XXXXXX 学 号： XXXXXX 班 级： XXXXXXXXXXXX 专 业： 机械工程及自动化（数控技术方向） 所在系： XXXXXXXXXX 指导老师： XXXXXX 指导老师: 段 萍 五自由度移动机械手设计摘要本课题来源于现实生活。近现代以来，机器人领域发生着翻天覆地的变化，尤其在各工业生产制造行业的今天，它变得越来越智能、普及、常见化、平民化，在其他行业它的发展带动了各个领域的发展，对经济的提高带来显著作用。机械手是机器人领域的一个组成部分，研究更为先进智能等优良性能的机械手具有重大意义。当下对机器人领域研究提出了新一代的技术要求：包括性能
2、、质量、生产效率、工作条件以及后期的产品换代升级等方面。要求机械手在原代替工人繁重体力劳动和有害环境下操作的基础上，实现生产的机械化、自动化、精密化和产量化，具有节能环保，使用寿命长，外形设计美观合理和能后续产品质量升级换代的特点，并广泛应用于机械制造、冶金、电子、医疗和能源等领域。此次设计主要研究五自由度机械手的主体结构部分（包括底座、腰部、大臂、小臂、手腕及末端执行结构），其主要通过腰部360度回转、大臂的俯仰，小臂的前后摆动，手腕360回转，末端执行器的摆动来实现空间中的五个自由度的运动。关键词：五自由度；机械手；结构方向；研究价值天津理工大学大学中环信息学院2015届本科毕业设计说明书
3、Mechanical Structure Design for A 5-Degree of Freedom Mobile ManipulatorABSTRACTThis is based on the production practice. In modern times, with the changes in turn the world upside down the field of robotics, more and more intelligent, popular, common, popular in the industrial manufacturing industr
4、y, other industries in the development of various fields, have significant effect on economic increase. Manipulator is a part of the field of robotics, it is very important to study the mechanical hand is more excellent performance of advanced intelligence. The proposed requirements of a new generat
5、ion of technology in robot research field: including performance, quality, production efficiency, working conditions and the product upgrading. The basic requirements of manipulator in the original place of workers heavy manual labor and hazardous environment, achieve the production mechanization, a
6、utomation, precision and production, energy saving and environmental protection, the service life is long, the characteristics of the upgrading of aesthetic design is reasonable and can follow the product quality, and is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, health care an
7、d energy field.The design of the main body structure of manipulator with five degree of freedom (the base part, waist, arm, wrist, arm and end effector structure), mainly through the waist turning, pitching arm, small arm and wrist rotation, swing, swing the end effector to realize five degrees of f
8、reedom of movement in space.Key Word：Five degree of freedom；Robot；Structure direction；The value of search目录第一章绪论11.1 课题研究的意义11.2 机械手发展史及发展现状11.3 产品用途与使用范围21.4 本次毕业设计的主要内容2第二章五自由度移动机械手总体方案设计42.1 移动机械手的结构形式选择42.2 机械手驱动方式选择62.3机械手结构总体布局7第三章机械手工程图的设计及计算83.1 主要技术参数的确定83.1.1机械总体结构参数确定83.1.2直流伺服电机的选择83.2机械
9、手各关节的部件的详细设计103.2.1腰部关节设计113.2.2大臂摆动关节设计133.2.3小臂摆动关节设计143.2.4手腕旋转关节设计153.2.5执行器摆动关节设计163.2.6机械手各臂及支座的结构设计163.2.7重要零件的受力分析与校核计算18第四章基于Pro/ENGINEER的模型建立与运动分析224.1机械手各部件静态模型的建立224.2移动机械手的运动分析254.2.1连杆参数及连杆坐标系的建立254.2.2运动学方程式推导28总结30参考文献31致谢33第一章绪论1.1 课题研究的意义21世纪是知识的世界，也是科学技术的世界，谁掌握了科技的前沿方向，谁就能把握主导权，引领
10、世界潮流，发展经济，带动各行各业的发展。当下科技日益繁荣，在众多领域，机械手能模仿人手的部分动作，按人们给定的程序、预定的轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的功能。它的出现代替人力劳动，改善劳动条件，避免人身事故,提高了产品质量和生产过程中的自动化程度，为社会经济增长带来了显著的效益。众多的优点加速了人们对机械手的进一步关注和研究，一时成为国家工业机器人应用技术的显著标志。研究经济型、实用型、高可靠型的移动机械手，设计相关机械手具有广泛的社会现实意义和经济价值。1.2 机械手发展史及发展现状机械手的发展归功于机器人技术的发展。机械手出现于上世纪，是由国外机床、汽车等制造业的发展而兴起的。最早为
11、一家美国汽车公司为了发展需要，需要减少劳动力经济支出，安装了一条零件加工自动线，专门用于解决自动线、自动机的上下料及工件的传送，采用了为自动机、自动线的附属装置机械手来代替。在之后的生产实践中人们认识到机械手的便利，提高了生产效率，同时质量性能得到了保证，获得了普遍的认同，引起了人们广泛的关注。从此在前苏联、日本和美国为首的一些国家，开启了重点研究和生产高质量机械手的步伐，我国也给与了高度关注。我国较国外研究机械手领的域起步比较晚，同时由于其他各种原因，工业机械手的发展也比较缓慢。目前我国主要还是从国外购买或引进工业机器人（工业机械手）技术，通过引进、仿制、改造、创新等来发展自己的技术。截止到
12、21世纪20年代，我国机械手已发展了三代技术；第一代机械手主要还是工人来控制，是通过降低成本和提高精度来改进；第二代机械手已在研制中，它进一步的智能化，具有视觉、触觉，听觉、思考的综合能力。第三代为未来预计产品，它具有独立和交流互动的能力，结合计算机和电子设备，逐步向柔性制造系统和柔性制造单元发展。国外技术发展的比较早，也比较完善，尤其在与机器人领域技，逐步进入高端领域。发展到如今具有如下几个趋势：1.整体向高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修方向发展，同时单机价格逐渐降低，普及化程度加大。2.机械结构模块化、可重构化。它集和了接口技术系统，使不同的模块组合构成不同需求的功能，扩大了应用范
13、围；3.控制系统在计算机技术发展下，逐步标准化、网络化，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。4.过程控制技术虚拟化，通过多传感器的融合，运用了视觉、力觉、听觉、声觉、触觉等传感技术来模拟、仿真及预演环境和控制，可使用遥控机远程控制它工作，突破了传统观念中的现场操作。5.交流与互动，新型机器人不完全追求全自治系统，而是致力于操作者和机器人的人机交互控制，即通过遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使传统智能机器人走出实验室进入实用化阶段。6.节能化，随着新型材料技术的不断进步，新型材料的出现，可以使结构特殊、用自润滑材料制造的无润滑原件得到利用，不仅节省润滑油，无污染，而且系统简
14、单，摩擦性能稳定、成本低、寿命长；7.机电一体化，由“可编程控制器传感器液压元件”组成的控制系统是自动化的重要方面，与电子元件的组合使控制操作步骤得到了简化，方便了操作管理，提高精度要求和反馈。1.3 产品用途与使用范围随着工业发展的需要，在石油化工、染料等行业自动化程度的加高，工艺要求越来越复杂，相比人要求理想化环境和简单化操作提出了挑战，同时这些行业的工作对人类的安全威胁越来越大，随时可能发生的危险让人触手不及，一些工作也不得不要求机器人来完成。针对这一现状，本文主要为化学危险反应器泄露检测和修补领域设计，作一课题，设计一款可以代替人操作的机械手。设计产品分别给底座的运动装置和执行器安装架
15、上安装相应的感应元件和测量装置，用于监控化学反应物可能泄露的地点，移动中通过控制平台控制下的移动装置和机械手各关节运动来实现相关操作，从而达到设计的目的。1.4 本次毕业设计的主要内容 五自由度移动机械手设计包含的主要内容有一下几方面： 1.移动机械手总体结构设计及参数确定 2.移动机械手的传动结构及驱动结构设计 3.各结构零部件的详细设计及计算 4.基于Pro/ENGINEER的机械手模型建立和运动分析 5.五自由度移动机械手的正运动学方程式推导第二章五自由度移动机械手总体方案设计2.1 移动机械手的结构形式选择随着科技的不断进步，机器人机械手领域也延伸出各种各样的机械手。本文设计的五自由度移动机械手以坐标特性结构形式来描述，这些坐标结构包括笛卡尔坐标结构、极坐标结构、球面坐标结构和关节式球面坐标结构等。下面简要介绍几种较为常见的坐标结构机器人。（1）直角坐标型机器人：它的运
