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三自由度机械手【中文摘要】在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机械手等。而机械手是相对较新的电子设备，它正开始广泛应用于各个领域。本设计为三自由度直角坐标型下棋机器手，其工作方向为三个直线方向。在控制器的作用下，它实现的是将棋子从棋盘上A拿棋子到棋盘B位置这一简单的动作,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。【关键词】三自由度，直角坐标，机械手，爪部，丝杠，齿条。RoboticmanipulatorwithThree-Degree-of-FreedomAbstract:Industrially,automaticcontrolsystemsarefoundinnumerousapplications,suchasautomationmachinetoolcontrol,computersystemsandrobotics.Industrialrobotsarerelativelynewelectromechanicaldevicesthatarebeginningtochangetheappearanceofmodernindustry.Thisschemeintroducedacylindricalrobotforthreedegreeoffreedom.Itiscomposedofthreelinearaxescurrentcontrolonlyallowsthesedevicesmovefromoneassemblylinetootherassemblylineinspace,performrelativelysimpletasks.Thispaperismorecomprehensiveintroductionandsumming-upfortheforthewholedesignwork.Keywords：threedegreesoffreedom,cylindrical,mechanicalhand.第I页目录第一章绪论...................................................................11.1概述......................................................................11.2特点......................................................................11.3国内外研究现状...........................................................2第二章总体设计..............................................................42.1机械手的组成及各部分关系概述...........................................42.2机械手的设计分析.........................................................72.2.1设计要求.............................................................72.2.2总体方案拟定.........................................................72.2.3机械手主要技术性能参数.............................................8第三章机械手的机械系统设计..............................................103.1机械手的运动系统分析...................................................103.1.1机械手的运动概述...................................................103.2机械手的执行机构设计...............................................113.2.1末端执行机构（爪部）设计......................................113.2.2手臂机构的设计.................................................143.2.3腰部和基底设计................................................173.2.4步进电机和轴承的选取...........................................20第四章控制系统简述............................................234.1控制流程.........................................................234.1.1运动过程分析如下表4-1.........................................234.1.2机械手的运动和执行过程如图4-1.................................234.2控制方式.........................................................24第五章机械手运行时应采取的安全措施....................................255.1操作以及安全要求..................................................25第II页第六章整体评价以及心得体会.............................错误!未定义书签。6.1整体评价...........................................错误!未定义书签。6.2心得体会...........................................错误!未定义书签。参考文献.....................................................................27第1页共24页第一章绪论1.1概述机械手工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。机械手的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，机械手的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机械手协会给机械手下的定义：机械手是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递棋子。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对机械手作如下定义：机械手是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸棋子。机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。机械手的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：第一代机械手就是目前工业中大量使用的示教再现型机械手，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机械手是带感觉的机械手。它具有力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代机械手要复杂得多，这种机械手从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代机械手即智能机械手。这种机械手除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机械手还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。1.2特点机械手广泛应用于工业生产中，主要用来棋子在不同工位间的移动。动作主要是抓取、移动位置、放置，实现棋子移位。在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机械手等。而机械手是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。虽然机械手的种类不尽相同，但其主要技术参数应包括以下几种：自由度，精度，工作范围，最大工作速度和承载能力。自由度是指机械手所具有的独立坐标轴运动的数目，一般不包含末端执行器的开合自由度。在三维空间中表述一个物体的位置和姿态需要6个自由度，但是，机械手可根据其用途而设计自身自由度，并且利用冗余的自由度增加灵活性，躲避障碍物改善动力性能。精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度指机械手手部实际到达位置与目标位置之间的差异，重复定位精度是指机械手重复定位第2页共24页手部于同一目标位置的能力。工作范围是指机械手手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合。承载能力是指机械手在工作范围内的任何位置上所能承受的最大质量。最大工作速度指机械手自由度上最大的稳定速度。机械手是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸棋子或夹具。机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将棋子从A位置移动到B位置这一简单的动作。鉴于机械手在工业中的广泛应用，也为了加强人机交互，本课题旨在设计一种能够移动象棋棋子的下棋机械手，从而尝试着实现机械手在娱乐行业中一定程度的推广，为休闲娱乐生活带来一定的新鲜感与便捷。普遍意义上的六自由度机械手对工作环境要求较高，但本课题是针对公园，大型娱乐场所等开放性场合，很难达到其所要求的工作环境。而且，普遍意义上的机械手结构过于复杂，价格昂贵。所以将本课题定为三自由度机械手，其具有结构简单，操作便捷，对工作环境要求不高等特点，很符合实际情况。且机械手具有良好的空间转移性能和控制性能，该课题的成功研究不仅仅可以应用在下棋这一项目上，其可应用在许多娱乐项目上，具有广阔的发展前景。1.3国内外研究现状目前，具有六自由度的并联机械手得到了广泛的研究，然而许多场合需要期望输出运动为常量的少自由度的并联机械手，其中三自由度并联机械手是并联机构中一种很有实用前景的机械手，它也是随着机械手技术的发展而发展起来的。Lee和Shah研究了空间三自由度并联机械手的设计；金琼和杨廷力等分析了一类新型三平移解耦并联机构；李惠良等基于机构结构组成理论，综合出了一类完全解耦的一平移两转动的3自由度并联机构；杭鲁滨等基于解耦判定准则，构造了一种新型的三平移一转动解耦并联机构，该机构既具有拓扑解耦特性，又具有尺度解耦特性；WeiminLi提出了一种完全解耦的三自由度移动并联机构。运动解耦的并联机构容易控制，而且可以达到很高的精度。文中对这种三自由度并联机构进行了构型分析，建立该机构的运动学模型，验证了该机构具有运动解耦的特性，为该并联机构的动力学分析、有效控制和推广应用等方面提供了一定的理论基础。在国外，机械手技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的机械手公司，主要包括：瑞典的ABBRobotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKARooe，etTcnlgAbtr美国的A