畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-串聯(lián)型五自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).doc

誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。 本人簽名： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目： 串聯(lián)型五自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系部： 機(jī)械工程系 專業(yè)： 機(jī)械電子工程 學(xué)號(hào)： 112012116 學(xué)生： 孫永飛 指導(dǎo)教師（含職稱）： 劉嘉（講師） 1課題意義及目標(biāo)本課題主要利用MATLAB軟件計(jì)算出各桿長(zhǎng)度，完成五自由度機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。給定的機(jī)械手的自由度：腰部為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，臂部分為懸臂和立臂，各有一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，分別完成水平方向和豎直方向的移動(dòng)，腕部為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，手爪為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)物體的抓取。2主要任務(wù)對(duì)給定的自由度進(jìn)行分析，完成機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小，并保證各零件運(yùn)動(dòng)時(shí)不相互干涉。運(yùn)用MATLAB軟件計(jì)算各桿長(zhǎng)度，并就機(jī)械手某一執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。項(xiàng)目完成需提交設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、機(jī)械手總裝圖一份和零部件圖若干。3主要參考資料1.濮良貴 .機(jī)械設(shè)計(jì) M.第八版 高等教育出版社：2010-62.孫恒. 機(jī)械原理 M . 第七版 高等教育出版社: 2012-73.王靖軍.機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)M.機(jī)械工業(yè)出版社:2008-94進(jìn)度安排設(shè)計(jì)各階段名稱起 止 日 期1查閱文獻(xiàn)，完成開(kāi)題報(bào)告3月3日3月23日2完成機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3月24日4月13日3完成機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析4月14日5月4日4完成仿真工作并撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)5月5日6月1日5提交及修改設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，答辯6月2日6月22日審核人： 年 月 日串聯(lián)型五自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活越來(lái)越趨于科技化。各種機(jī)械設(shè)備已經(jīng)慢慢進(jìn)入人們生活當(dāng)中。同時(shí)，社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑等也需要高科技機(jī)械設(shè)備來(lái)滿足人們的需求，提高工作的效率，節(jié)省人們的體力勞動(dòng)。本文主要以抓取大型較重物體為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)MATLAB軟件計(jì)算出個(gè)手臂長(zhǎng)度。通過(guò)對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出四關(guān)節(jié)(包括腰部、臂部、腕部、手部)五自由度的結(jié)構(gòu)。其中五個(gè)自由度指腰部關(guān)節(jié)在繞回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，立臂關(guān)節(jié)在垂直方向上進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)自由度，懸臂關(guān)節(jié)在水平方向上進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的移動(dòng)自由度、腕部關(guān)節(jié)在繞回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度以及手爪關(guān)節(jié)抓取重物時(shí)所繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以此來(lái)滿足了工作空間要求，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓取。關(guān)鍵詞：機(jī)械手，MATLAB，機(jī)械設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)The Structure of the Series of Five Dof Manipulator DesignAbstract：With the development of science and technology, peoples life tend to more scientific and technical. All kinds of mechanical equipment have gradually entered peoples life. At the same time, all areas of society, such as agriculture, industry, construction and so on, also in need of high-tech mechanical equipment to meet peoples needs, improve work efficiency, and saving peoples physical labor. This article mainly put fetching large heavy objects as a starting point, through the MATLAB software to calculate the arm length. By design the structure of the manipulator, in order to design the structure of four joints design (including the waist, arm, wrist, hand) and the five degrees of freedom. Five degrees of freedom refers to the rotational degree of freedom when the waist joints rotates around the rotating shaft , the moving degree of freedom when vertical arm joint lift on the vertical direction , the moving degree of freedom when cantilever joint is doing telescopic motion in horizontal direction, the rotational degree of freedom when the wrist joint rotates around the rotating shaft and the rotational degree of freedom when gripper joints is fetching weights by rotating around the fixed point ,which is in order to meet the requirement of work space and grasping of the manipulator.Keywords: Robots, MATLAB, mechanical design, structure目錄1 緒論11.1本課題的意義11.2國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展11.2.1本課題的意義11.2.2國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展22.機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)32.1 機(jī)械手簡(jiǎn)介32.2 機(jī)械手設(shè)計(jì)原則32.3機(jī)械手設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)32.4 機(jī)械手形式42.5機(jī)械手構(gòu)型52.5.1機(jī)械手組成部分52.5.2機(jī)械手構(gòu)型53 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析73.1 D-H 表示法73.2 建立D-H 坐標(biāo)系93.3 正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題分析123.3.1 正運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題分析123.3.2 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題分析143.4 工作空間的求解204.機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)214.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)214.2 傳動(dòng)方案的比較214.3各關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)224.3.1腰部關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)224.3.2臂部關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)234.3.3腕部關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)244.3.4手爪傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)244.4 機(jī)械手傳動(dòng)原理圖265.主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)275.1機(jī)械手各部分重量275.1.1機(jī)械手重心位置275.1.2 計(jì)算靜摩檫力285.2滾珠絲杠的選擇285.2.1確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程285.2.2 計(jì)算預(yù)期額定動(dòng)載荷295.2.3確定允許的最小螺紋底徑305.2.5確定滾珠絲杠螺紋長(zhǎng)度和全長(zhǎng)315.2.6 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)325.3確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號(hào)、規(guī)格325.3.1確定滾珠絲杠副預(yù)緊力325.3.2預(yù)拉伸力325.3.3確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號(hào)、規(guī)格335.4電機(jī)選擇335.5傳動(dòng)系統(tǒng)剛度355.5.1絲杠抗壓剛度355.5.2支承軸承組合剛度355.5.3剛度驗(yàn)算365.6驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速37結(jié)論38參考文獻(xiàn)39致謝41附錄4251太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)1 緒論1.1本課題的意義 進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)家之間的競(jìng)爭(zhēng)表現(xiàn)在各個(gè)方面，尤其是科學(xué)技術(shù)。同時(shí)，這也直接關(guān)系到各行各業(yè)生產(chǎn)率的高低。而且，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也使得人們的勞動(dòng)強(qiáng)度降低，工作環(huán)境改善，操作效率提高，然而效率低下的人工操作阻礙了這些行業(yè)產(chǎn)量的提高，已不能滿足工廠的需要，從而促進(jìn)和改善搬運(yùn)技術(shù)成為我們不得不重視的事情。Error! Reference source not found.通過(guò)對(duì)機(jī)械手機(jī)械部分、驅(qū)動(dòng)部分、控制部分進(jìn)行研究，使機(jī)械手能夠結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈敏、反應(yīng)迅速、操作準(zhǔn)確、成本低廉成為我們研究的目標(biāo)。同時(shí)，對(duì)搬運(yùn)工作也具有重要的意義。本課題主要研究機(jī)械手的俯仰和擺動(dòng)。結(jié)構(gòu)合理、操作簡(jiǎn)單的機(jī)械手，從而降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，使生產(chǎn)自動(dòng)化。1.2國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展1.2.1本課題的意義 進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)家之間的競(jìng)爭(zhēng)表現(xiàn)在各個(gè)方面，尤其是科學(xué)技術(shù)。同時(shí)，這也直接關(guān)系到各行各業(yè)生產(chǎn)率的高低。而且，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也使得人們的勞動(dòng)強(qiáng)度降低，工作環(huán)境改善，操作效率提高，然而效率低下的人工操作阻礙了這些行業(yè)產(chǎn)量的提高，已不能滿足工廠的需要，從而促進(jìn)和改善搬運(yùn)技術(shù)成為我們不得不重視的事情。Error! Reference source not found.通過(guò)對(duì)機(jī)械手機(jī)械部分、驅(qū)動(dòng)部分、控制部分進(jìn)行研究，使機(jī)械手能夠結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈敏、反應(yīng)迅速、操作準(zhǔn)確、成本低廉成為我們研究的目標(biāo)。同時(shí)，對(duì)搬運(yùn)工作也具有重要的意義。本課題主要研究機(jī)械手的俯仰和擺動(dòng)。結(jié)構(gòu)合理、操作簡(jiǎn)單的機(jī)械手，從而降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，使生產(chǎn)自動(dòng)化。1.2.2國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展（1） 國(guó)外研究現(xiàn)狀機(jī)械手開(kāi)始提出并研究是在美國(guó)。美國(guó)聯(lián)合控制公司1958年開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)機(jī)械手1 。1962年又研制成名為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）的機(jī)械手。1978年和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型高精度工業(yè)機(jī)械手。德國(guó)KnKa公司在1970年研制了用于起重、運(yùn)輸?shù)淖トC(jī)械手。2008 年研制出了可抓取重量為 一千千克的重物，且在水平方向上伸縮的距離達(dá)到 三千二百毫米，垂直方向的升降距離為 五千毫米，擁有六個(gè)自由度的機(jī)器手。日本對(duì)于機(jī)械手的研制開(kāi)發(fā)很快，截止1979年，生產(chǎn)的機(jī)械手已經(jīng)達(dá)到將近六萬(wàn)臺(tái)。且生產(chǎn)的機(jī)械手涉及到各個(gè)領(lǐng)域。2011 年，F(xiàn)ANUC 公司研制出了結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、性價(jià)比高、安裝簡(jiǎn)單、速度快、負(fù)載能力高的小型智能機(jī)器人 R-1000iA，主要用于搬運(yùn)、焊接大型零部件。（2） 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀面對(duì)著國(guó)外機(jī)械手技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國(guó)也在機(jī)械手技術(shù)方面取得了一些發(fā)展、從 20世紀(jì)70到80年代，在“七五”、“八五”科技攻關(guān)下，我國(guó)通過(guò)十幾年的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，使中國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有2。目前，我國(guó)機(jī)械手約有4000臺(tái)，并以每年8001000臺(tái)迅速增長(zhǎng)。中國(guó)機(jī)械手主要分布于華東地區(qū)。2011 年，ABB 公司在華團(tuán)隊(duì)研制出全球運(yùn)行速度最快的工作效率可達(dá)將近每小時(shí)三千次 ，工作范圍可達(dá)二點(diǎn)四米，適用于在小范圍內(nèi)進(jìn)行快速運(yùn)行的抓取重物的四軸機(jī)器人 IRB460 2 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2.機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械手簡(jiǎn)介機(jī)械手是用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置，是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置3。機(jī)械手是一種能自動(dòng)控制并可從新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，他有多個(gè)自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境中的工作4。機(jī)械手由機(jī)械部分、驅(qū)動(dòng)部分和控制部分三部分組成。本片主要研究的是機(jī)械手的機(jī)械部分。2.2 機(jī)械手設(shè)計(jì)原則（1） 剛度原則：合理選擇零部件形狀和尺寸，可以提高整個(gè)機(jī)構(gòu)的剛度。（2）強(qiáng)度原則：合理安排作用在機(jī)構(gòu)上的力和力矩，盡量減少零部件彎曲變形。（3）穩(wěn)定性原則：為了防止機(jī)械手因運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變引起沖擊和振動(dòng)，要使運(yùn)動(dòng)部件對(duì)轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心位置應(yīng)盡量滿足整個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)、靜平衡要求。（4）高精度原則：在機(jī)械手滿足工作空間時(shí)，應(yīng)能快速、準(zhǔn)確地拾放和搬運(yùn)物件。（5）材料選用原則：為了降低各個(gè)部件的負(fù)載，在選用材料時(shí)，盡量選擇輕型、經(jīng)濟(jì)型材料5。2.3機(jī)械手設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)（1）工作對(duì)象：質(zhì)量為 ，外形尺寸為的長(zhǎng)方體。（2）自由度：5個(gè)。（3）各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表2.1所示：表2.1 各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)關(guān)節(jié)工作方式行程范圍速度續(xù)表2.1腰部回轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)角度立臂垂直移動(dòng)移動(dòng)距離懸臂水平移動(dòng)移動(dòng)距離腕部回轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)角度2.4 機(jī)械手形式機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型如表2.2所示：表2.2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型表結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)圖直角坐標(biāo)型機(jī)械手X、Y、Z上有三個(gè)移動(dòng)自由度。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直觀性強(qiáng),操作方便缺點(diǎn)：體積大，工作空間范圍小，動(dòng)作不靈敏圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手R、Z上有兩個(gè)移動(dòng)自由度和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，剛度好，控制簡(jiǎn)單，所需功率小，運(yùn)行速度快，缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)單球坐標(biāo)型機(jī)械手有一個(gè)移動(dòng)自由度和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)緊湊缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)難度高，剛度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜續(xù)表2.2關(guān)節(jié)型坐標(biāo)型機(jī)械手類似人的關(guān)節(jié)，有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)緊湊缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，不易控制，剛度低本課題要設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要是抓取重物，并運(yùn)送到空間的另一處。這就要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈敏，由表2-2，我們可以選用圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手。2.5機(jī)械手構(gòu)型2.5.1機(jī)械手組成部分機(jī)械手組成部分見(jiàn)圖2.1機(jī)械手基座四大關(guān)節(jié)腰部（轉(zhuǎn)動(dòng)）1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度臂部腕部（轉(zhuǎn)動(dòng)）手部（轉(zhuǎn)動(dòng)）懸臂（移動(dòng)）立臂（移動(dòng)）圖2.1 機(jī)械手組成部分2.5.2機(jī)械手構(gòu)型機(jī)械手構(gòu)型見(jiàn)圖2.2圖2.2 機(jī)械手構(gòu)型3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析3.1 D-H 表示法在機(jī)器人學(xué)中，描述兩個(gè)相鄰連桿坐標(biāo)系之間的幾何關(guān)系，通常使用D-H參數(shù)。這種方法是由Jacques Denavit 和 Ri-chard S. Hargenberg 兩人在1955年發(fā)明的，因此，稱為D-H參數(shù)，確定D-H參數(shù)的方法，稱為D-H方法。在3維空間中，要確定一個(gè)3維的坐標(biāo)系，只需要確定其中兩個(gè)坐標(biāo)軸，另一個(gè)坐標(biāo)軸可以使用右手螺旋定則確定。D-H參數(shù)描述了兩個(gè)坐標(biāo)系中兩個(gè)Z軸之間的相對(duì)關(guān)系和兩個(gè)X軸之間的相對(duì)關(guān)系6。D-H參數(shù)名稱及含義：1) ：連桿長(zhǎng)度。描述了兩個(gè)相鄰坐標(biāo)系i和i-1的兩個(gè)Z軸之間的距離。2) ：連桿扭角。描述了兩個(gè)相鄰坐標(biāo)系i和i-1的兩個(gè)Z軸之間的夾角。特別注意夾角如何取值：坐標(biāo)系i-1的Z軸的正方向，繞坐標(biāo)系i的X軸的正方向，按右手螺旋法則旋轉(zhuǎn)，使坐標(biāo)系i和i-1的兩個(gè)Z軸正方向一致。繞X軸正方向按右手螺旋法則旋轉(zhuǎn)，角度為正值；繞X軸負(fù)方向按右手螺旋法則旋轉(zhuǎn)，角度為負(fù)值。3) ：關(guān)節(jié)距離。也稱為連桿偏移。描述了兩個(gè)相鄰坐標(biāo)系i和i-1的兩個(gè)X軸之間的距離。4) ：描述了兩個(gè)相鄰坐標(biāo)系i和i-1的兩個(gè)X軸之間的夾角。特別注意夾角如何取值：坐標(biāo)系i-1的X軸的正方向，繞坐標(biāo)系i-1的Z軸的正方向，按右手螺旋法則旋轉(zhuǎn)，使坐標(biāo)系i和i-1的兩個(gè)X軸正方向一致。繞Z軸正方向按右手螺旋法則旋轉(zhuǎn)，角度為正值；繞Z軸負(fù)方向按右手螺旋法則旋轉(zhuǎn)，角度為負(fù)值。D-H參數(shù)描述了兩個(gè)相鄰坐標(biāo)系i與固定參考坐標(biāo)系i-1之間的幾何位置關(guān)系。在機(jī)器人學(xué)中，通常用D-H參數(shù)表來(lái)描述機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)。坐標(biāo)系i到坐標(biāo)系i-1齊次變換矩陣為： 方程左邊的符號(hào)，表示坐標(biāo)系i到i-1的齊次變換矩陣；方程右邊，第1項(xiàng)表示沿坐標(biāo)系i-1的Z軸，平移d的齊次變換矩陣；第2項(xiàng)表示沿坐標(biāo)系i-1的Z軸，旋轉(zhuǎn)角度的齊次變換矩陣；第3項(xiàng)表示沿坐標(biāo)系i的X軸，平移a的齊次變換矩陣；第4項(xiàng)表示沿坐標(biāo)系i的X軸，旋轉(zhuǎn)角度的齊次變換矩陣。其中，因此，坐標(biāo)系i中點(diǎn)的坐標(biāo)變換到坐標(biāo)系i-1中的坐標(biāo)，公式為：這里，3.2 建立D-H 坐標(biāo)系在機(jī)器人學(xué)中，使用D-H方法為機(jī)器人指定各個(gè)坐標(biāo)系，并確定相鄰兩個(gè)坐標(biāo)系之間的幾何位置關(guān)系，即D-H參數(shù)。D-H方法包含兩個(gè)內(nèi)容：1 指定坐標(biāo)系2 確定兩個(gè)相鄰坐標(biāo)系D-H參數(shù)D-H方法：（1） 編號(hào)方法：設(shè)機(jī)械臂有n個(gè)關(guān)節(jié)，則機(jī)械臂就有n個(gè)連桿和1個(gè)末端工具。因此需要為機(jī)械臂指定（n+1）個(gè)坐標(biāo)系。1) 關(guān)節(jié)編號(hào)：1 n機(jī)械臂從下往上，關(guān)節(jié)編號(hào)為1n。共有n個(gè)關(guān)節(jié)編號(hào)。2) 連桿編號(hào)：0 n-1基座與關(guān)節(jié)1之間的部分連桿0；關(guān)節(jié)1與關(guān)節(jié)2之間的部分為連桿1；關(guān)節(jié)（n-1）與關(guān)節(jié)n之間的部分為連桿（n-1）。共有n個(gè)連桿編號(hào)。3) 坐標(biāo)系編號(hào)：0 n為連桿0指定坐標(biāo)系0；為連桿1指定坐標(biāo)系1；為連桿n-1指定坐標(biāo)系n-1；為末端工具指定坐標(biāo)系n。（2） 坐標(biāo)系0的確定方法：坐標(biāo)系0是整個(gè)機(jī)械臂的參考坐標(biāo)系。機(jī)械臂的所有連桿以及末端工具的位置與朝向，都是以坐標(biāo)系0作為參考的。1） 先確定坐標(biāo)系0的Z軸確定連桿坐標(biāo)系Z軸的基本原則：連桿坐標(biāo)系i的Z軸，就是關(guān)節(jié)i+1的運(yùn)動(dòng)軸線。Z軸的正方向，可以任意指定7。因此，坐標(biāo)系0的Z軸，就是關(guān)節(jié)1的旋轉(zhuǎn)軸線。Z軸的正方向可任意指定2） 再確定坐標(biāo)系0的原點(diǎn)O可以在坐標(biāo)系0的Z軸上任取一點(diǎn)，作為坐標(biāo)系0的原點(diǎn)。在實(shí)際中，則根據(jù)機(jī)械臂的實(shí)際情況，取一個(gè)合適的點(diǎn)作為原點(diǎn)。3） 再確定坐標(biāo)系0的X軸和Y軸。坐標(biāo)系0的X軸和Y軸可以任意指定，但必須滿足右手螺旋定則。用右手握住Z軸，大拇指指向Z軸的正方向，四指的繞向即為X軸的正方向繞向Y軸的正方向，且繞過(guò)角度為90度。確定了坐標(biāo)系0之后，就可以通過(guò)下一級(jí)坐標(biāo)系i-1，來(lái)確定上一級(jí)坐標(biāo)系i，然后再確定兩個(gè)相鄰坐標(biāo)系的D-H參數(shù)。即，可以通過(guò)坐標(biāo)系0來(lái)確定坐標(biāo)系1；通過(guò)坐標(biāo)系1，確定坐標(biāo)系2，。（3） 由下向上確定其余連桿坐標(biāo)系1到n-1及其 D-H參數(shù)： 已知坐標(biāo)系i-1，確定坐標(biāo)系i。由于前面已經(jīng)確定了坐標(biāo)系0，使用下面的方法，就能確定剩余的所有連桿坐標(biāo)系：坐標(biāo)系1到坐標(biāo)系n-1。1） 先確定坐標(biāo)系i的Z軸根據(jù)確定連桿坐標(biāo)系Z軸的基本原則，坐標(biāo)系i的Z軸，就是關(guān)節(jié)i+1的旋轉(zhuǎn)軸線。Z軸的正方向可任意指定8。2） 再確定坐標(biāo)系i的原點(diǎn)O及X軸可分為3種情況：a) 坐標(biāo)系i和i-1的兩個(gè)Z軸不共面（即不在一個(gè)平面）對(duì)于空間兩條不共面的直線，有且只有一條直線與它們都垂直且相交，該直線稱為這兩條直線的法線。坐標(biāo)系i的原點(diǎn)：坐標(biāo)系i和i-1的兩個(gè)Z軸的法線與坐標(biāo)系i的Z軸的交點(diǎn)。坐標(biāo)系i的X軸：坐標(biāo)系i和i-1的兩個(gè)Z軸的法線。正方向可以任意指定。b) 坐標(biāo)系i和i-1的兩個(gè)Z軸相交坐標(biāo)系i的原點(diǎn)：坐標(biāo)系i和i-1的兩個(gè)Z軸的交點(diǎn)。坐標(biāo)系i的X軸：坐標(biāo)系i和i-1的兩個(gè)Z軸相交所確定的平面的法線（即平面的垂線），正方向可以任意指定。c) 坐標(biāo)系i和i-1的兩個(gè)Z軸平行對(duì)于空間兩條平行的直線，有無(wú)數(shù)條直線與它們都垂直且相交，這些直線稱為這兩條直線的法線。坐標(biāo)系i的X軸：選擇過(guò)坐標(biāo)系i-1的原點(diǎn)，坐標(biāo)系i和i-1的兩個(gè)Z軸的法線，作為坐標(biāo)系i的X軸。坐標(biāo)系i的原點(diǎn)：坐標(biāo)系i的X軸與Z軸的交點(diǎn)。3） 再確定坐標(biāo)系i的Y軸對(duì)于3維坐標(biāo)系，只要確定了兩個(gè)坐標(biāo)軸，根據(jù)右手螺旋定則，即可以確定另一個(gè)坐標(biāo)軸。4） 根據(jù)D-H參數(shù)的定義，確定坐標(biāo)系i的D-H參數(shù)。注意：對(duì)于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)角是變量，其余3個(gè)參數(shù)是常量；對(duì)于平移關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)距離d是變量，其余3個(gè)參數(shù)是常量。（4） 確定末端工具的坐標(biāo)系n末端工具坐標(biāo)系n的確定，是非常自由的。但必須遵守DH方法的基本要求：坐標(biāo)系i的X軸，必須與坐標(biāo)系i-1的Z軸垂直且相交。對(duì)于末端工具是兩個(gè)手指的夾子的情況，坐標(biāo)系的建立如圖3.1所示：圖3.1 機(jī)械手D-H坐標(biāo)系機(jī)械手可分為3R PUMA機(jī)器手和Stanford機(jī)器手兩種機(jī)械手，由第二章總體設(shè)計(jì)方案，選用的是圓柱型坐標(biāo)系機(jī)械手，即Stanford機(jī)器手，則機(jī)械手參數(shù)和關(guān)節(jié)變量如表3.1所示表3.1 機(jī)械手參數(shù)和關(guān)節(jié)變量3.3 正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題分析正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是指：已知各個(gè)關(guān)節(jié)變量的值，計(jì)算末端工具在固定參考坐標(biāo)系中的位置與朝向（也稱為姿態(tài)）。反過(guò)來(lái)，已知末端工具在固定參考坐標(biāo)系中的位置與姿態(tài)，計(jì)算各個(gè)關(guān)節(jié)變量的值。這種分析稱為逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。機(jī)械手正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題關(guān)系如圖3.2所示圖3.2 機(jī)械手正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題關(guān)系3.3.1 正運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題分析（1） 各關(guān)節(jié)長(zhǎng)度或角度如圖3.3圖3.3 各關(guān)節(jié)長(zhǎng)度或角度（2） 各連桿變換矩陣為（3） 將各連桿變換矩陣相乘，得到機(jī)械手的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為其中，。機(jī)械手末端執(zhí)行器，在桿的附體坐標(biāo)系中的位置為,其中為桿的長(zhǎng)度。則機(jī)械手末端位置在基坐標(biāo)系中的位置為：程序如圖3.3所示：圖3.3機(jī)械手程序3.3.2 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題分析在已知重物的前提下，使手爪中心位于預(yù)期的位姿，求解各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量的值，機(jī)械手手爪末端執(zhí)行器坐標(biāo)系相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿矢量表示為9：其中為法相向量，為滑動(dòng)向量，為機(jī)械手接近向量，為機(jī)械手位置向量。各連桿變換矩陣的逆矩陣為，其程序如圖3.4所示：圖3.4機(jī)械手各連桿變換矩陣逆矩陣程序運(yùn)行結(jié)果如圖3.5所示圖3.5機(jī)械手各連桿變換矩陣逆矩陣運(yùn)行結(jié)果程序續(xù)圖3.5若機(jī)械手是一個(gè)6自由度的機(jī)械手，通過(guò)求解以下矩陣方程解決逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題例如，考慮如圖1所示的機(jī)械臂，坐標(biāo)系分別為B0, B1, B2, B3，它的相鄰坐標(biāo)系之間的變換矩陣為機(jī)械臂的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為(7)其中，在點(diǎn)P的位置安裝一個(gè)球型手腕，因此，增加一個(gè)坐標(biāo)系B4，它與B3之間的變換關(guān)系為所以，整個(gè)機(jī)械臂的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)公式是(8)設(shè)連桿長(zhǎng)度分別為，末端位置代入上式得到(9)上式兩邊同乘以得到，(10)等式左邊為(11)等式右邊為(12)由(11)和（12）的第3行，第4列相等，得到，將代入（11）得到（13）(13)兩邊同乘以得到，(14)(14)左邊為(15)(14)右邊為(16)分別求（15），（16）中第1行，第4列元素與第2行，第4列元素的平方和，并令其相等。得到 ，或。有了2，可以由（6），（7）的最后一列中求出3或。解逆解的程序如圖3.6所示：圖3.6 逆運(yùn)算程序經(jīng)過(guò)左右兩邊矩陣元素相等有：經(jīng)化簡(jiǎn)有其中3.4 工作空間的求解正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，機(jī)械手末端位置為在基坐標(biāo)系中的位置，即末端執(zhí)行器的工作空間坐標(biāo)為：由設(shè)計(jì)知通過(guò)逆運(yùn)算得各關(guān)節(jié)變量范圍如表 3.2所示表 3.2 關(guān)節(jié)變量范圍4 機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要想使一臺(tái)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是不可或缺的一部分，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類型見(jiàn)表4.1表4.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)作用場(chǎng)合液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和無(wú)間隙調(diào)速，動(dòng)作靈敏，響應(yīng)速度快缺點(diǎn)：易泄漏，故障不易排除，傳送效率低，不易遠(yuǎn)距離傳輸常用于定位精度較高的較大功率機(jī)器手。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：成本低，抗污染能力強(qiáng)缺點(diǎn)：出力小，噪聲大。污染嚴(yán)重的場(chǎng)合電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，累積誤差為零，控制簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：精度較差常用于工業(yè)化機(jī)械產(chǎn)品直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：功率較大，效率較高，調(diào)速性能好缺點(diǎn)：換向器的電刷易磨損適合于頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)場(chǎng)合交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：波動(dòng)性好，溫升低，慣性大缺點(diǎn)：不易控制適合于精度高的場(chǎng)合本文所要設(shè)計(jì)的機(jī)械手，主要用于機(jī)械場(chǎng)所，且需要操作起來(lái)方便，所以我們選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。4.2 傳動(dòng)方案的比較要想使一臺(tái)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，傳動(dòng)系統(tǒng)同樣是不可或缺的一部分，常用的機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)見(jiàn)表4.2表4.2 傳動(dòng)方案的選擇傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)適用場(chǎng)所皮帶傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)平穩(wěn)無(wú)噪聲，可實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)缺點(diǎn)：不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，易打滑常用于傳動(dòng)精度低的場(chǎng)所。鏈條傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)比準(zhǔn)確缺點(diǎn)：鏈條易脫落適合于遠(yuǎn)距離傳動(dòng)場(chǎng)所齒輪傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，效率高，壽命長(zhǎng)缺點(diǎn)： 輪齒易磨損適合傳動(dòng)比大的場(chǎng)合蝸輪蝸桿傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊缺點(diǎn)：制造成本較高，熱量大常用于要求傳動(dòng)比大且要求機(jī)構(gòu)自鎖的場(chǎng)合諧波減速傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比大，承載能力高缺點(diǎn)：成本高常用于傳動(dòng)精度高的場(chǎng)合螺旋傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)比大，傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)平穩(wěn)，定位精度高缺點(diǎn)：摩擦損耗大應(yīng)用于要求較高的數(shù)控傳動(dòng)系統(tǒng)4.3各關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)4.3.1腰部關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 腰部一方面與基座相接觸，支撐著整個(gè)機(jī)械手；另一方面，與直臂相連，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比，低轉(zhuǎn)速，可采用一對(duì)圓柱齒輪傳動(dòng)方案來(lái)減速。其中，小齒輪為主動(dòng)圓柱齒輪，大齒輪為從動(dòng)圓柱齒輪。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)腰部回轉(zhuǎn)軸，與小齒輪相連，通過(guò)與大齒輪配合，實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)，如圖4.1所示。圖4.1 腰部關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)4.3.2臂部關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)臂部是由電機(jī)和眾多連桿等構(gòu)成，用來(lái)支撐腕部和手部，為了實(shí)現(xiàn)工作空間中任一點(diǎn)的抓取，可通過(guò)直臂的豎直方向的移動(dòng)和懸臂的水平方向的移動(dòng)來(lái)完成。由4.2的傳動(dòng)方案，我們了解到有三種傳動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的直線運(yùn)動(dòng)，分別是齒輪齒條傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)。根據(jù)它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，我們初步選定使用螺旋傳動(dòng)方案。對(duì)于螺旋傳動(dòng)的四種形式，我們選用螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)的形式。通過(guò)電機(jī)與螺桿相連，將轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)形式變?yōu)槁菽敢苿?dòng)的形式，從而實(shí)現(xiàn)直臂的豎直方向的升降運(yùn)動(dòng)和懸臂的水平方向的伸縮運(yùn)動(dòng)。其直臂簡(jiǎn)圖和懸臂簡(jiǎn)圖如圖4.2和圖4.3。圖4.2 直臂傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)圖4.3 懸臂傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)4.3.3腕部關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)腕部關(guān)節(jié)一方面與腰部關(guān)節(jié)、直臂關(guān)節(jié)、懸臂關(guān)節(jié)配合，通過(guò)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)抓取物體的方位，另一方面與手關(guān)節(jié)相連，克服手關(guān)節(jié)和重物接觸時(shí)的摩擦力矩。為了改變機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向，可采用一對(duì)直齒錐齒輪傳動(dòng)方案來(lái)完成。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)腕部回轉(zhuǎn)軸，與主動(dòng)錐齒輪相連，通過(guò)與從動(dòng)錐齒輪配合，實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)，如圖4.4所示。圖4.4 腕部傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)4.3.4手爪傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)手爪又稱末端執(zhí)行器，一方面，手爪應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力以保證夾持的可靠性；另一方面，手指應(yīng)具有一定的張開(kāi)范圍以便于抓取工件。典型的手部結(jié)構(gòu)包括回轉(zhuǎn)型、平動(dòng)型、平移型三類，具體見(jiàn)表4.3表4.3典型的手部結(jié)構(gòu)典型的手部結(jié)構(gòu)圖形特點(diǎn)回轉(zhuǎn)型機(jī)械手包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。當(dāng)手爪夾緊和松開(kāi)物體時(shí),手指作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).當(dāng)被抓物體的直徑大小變化時(shí),需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變10。平動(dòng)型機(jī)械手移動(dòng)型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。手指由平行四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng),當(dāng)手爪夾緊和松開(kāi)物體時(shí),手指姿態(tài)不變,作平動(dòng)10。平移型機(jī)械手當(dāng)手爪夾緊和松開(kāi)工件時(shí),手指作平移運(yùn)動(dòng),并保持夾持中心的固定不變,不受工件直徑變化的影響。這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 適于夾持平板方料, 且工件徑向尺寸的變化通過(guò)表4-3，我們可以選擇回轉(zhuǎn)型機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)從工作空間的一個(gè)位置抓取物體后在工作空間的另一個(gè)位置放下物體。采用螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式的回轉(zhuǎn)型機(jī)械手，通過(guò)螺母移動(dòng)推動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，從而使手指繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)5。如圖4.5所示。圖4.5 手爪傳動(dòng)方案4.4 機(jī)械手傳動(dòng)原理圖 由以上分析可得出機(jī)械手傳動(dòng)原理圖，見(jiàn)圖4.6圖4.6 機(jī)械手傳動(dòng)原理圖5 主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)我們以直臂為例，來(lái)介紹主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、5.1機(jī)械手各部分重量5.1.1機(jī)械手重心位置機(jī)械手各部分重力如圖5.1圖5.1 機(jī)械手各部分重力由設(shè)計(jì)知?jiǎng)t最大軸向力 （式5.1）5.1.2 計(jì)算靜摩檫力機(jī)械手總重 （式5.2）查手冊(cè)有則靜摩檫力 （式5.3）5.2滾珠絲杠的選擇5.2.1確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 （式5.4）：滾珠絲杠副的導(dǎo)程，單位是：工作臺(tái)最大移動(dòng)速度，單位是：電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速，單位是：傳動(dòng)比，因電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直接連接，取。由表1查得立臂的升降速度為，假設(shè)電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速為，則滾珠絲杠副的導(dǎo)程為，故取5.2.2 計(jì)算預(yù)期額定動(dòng)載荷（1） 按預(yù)期工作時(shí)間估算 （式5.5）：預(yù)期額定動(dòng)載荷按機(jī)械手冊(cè)查得：載荷性質(zhì)系數(shù)按機(jī)械手冊(cè)查得：精度系數(shù)按機(jī)械手冊(cè)查得：可靠性為時(shí)可靠性系數(shù)選工作壽命將數(shù)據(jù)代入得（2）擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載Fmax計(jì)算： （式5.6）按機(jī)械手冊(cè)查得：預(yù)加載荷系數(shù)將數(shù)據(jù)代入得取以上兩種結(jié)果的最大值5.2.3確定允許的最小螺紋底徑（1）估算絲杠允許的最大軸向變形量重復(fù)定位精度定位精度：最大軸向變形量，單位是初步選用公稱直徑，導(dǎo)程為10mm，精度為3的絲杠。其中定位滾珠絲杠副公差為有效行程內(nèi)平均形成偏差為，行程變動(dòng)量，任意內(nèi)行程變動(dòng)量， 弧度內(nèi)行程變動(dòng)量，已知：重復(fù)定位精度為, 定位精度為，則由 得由 得取兩種結(jié)果的小值 (2）估算最小螺紋底徑絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式 （式5.7）:最小螺紋底徑，單位是 靜摩擦力 （式5.8）已知：行程為600mm, ，代入得5.2.4確定精度任意300mm內(nèi)的行程變動(dòng)量 （式5.9）查手冊(cè)有定位精度為，則查課本機(jī)電一體化有：當(dāng)絲杠精度取為3級(jí)時(shí)，5.2.5確定滾珠絲杠螺紋長(zhǎng)度和全長(zhǎng)(1) 絲杠螺紋長(zhǎng)度： （式5.10）由已經(jīng)計(jì)算出的、在手冊(cè)中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副3. 其中指內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式反向器法蘭直筒組合雙螺母型墊片預(yù)緊形式，40指公稱直徑，10指導(dǎo)程。3指精度。在手冊(cè)中查滾珠絲杠副3知代入數(shù)據(jù)有經(jīng)設(shè)計(jì)有絲杠螺紋長(zhǎng)度兩固定支承距離行程起點(diǎn)離固定支承距離全長(zhǎng)5.2.6 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)已確定的型號(hào)：內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式反向器法蘭直筒組合雙螺母型墊片預(yù)緊形式，公稱直徑公稱直徑： 導(dǎo)程：螺紋長(zhǎng)度：絲杠全長(zhǎng)：P類3級(jí)精度故滾珠絲杠型號(hào)為。由機(jī)電一體化11查得，由機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)-JBT9893-1999滾珠絲杠副滾珠螺母安裝連接尺寸12查得 螺紋中徑5.3確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號(hào)、規(guī)格5.3.1確定滾珠絲杠副預(yù)緊力滾珠絲杠副預(yù)緊力 （式5.11）其中5.3.2預(yù)拉伸力 （式5.12）其中指溫差，在此取取代入數(shù)據(jù)得5.3.3確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號(hào)、規(guī)格（1） 軸承所承受的最大軸向載荷 （式5.13）代入數(shù)據(jù)得（2）軸承類型選用兩端固定的支承形式，因?yàn)檩S承既要承受徑向力，又要承受軸向力，且軸向力很大，故選用的角接觸球軸承。（3）軸承內(nèi)徑由于略小于，故取。由因?yàn)?（式5.14）代入數(shù)據(jù)得（4）選軸承型號(hào)規(guī)格當(dāng),所以選7406軸承預(yù)加負(fù)荷為5.4電機(jī)選擇絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，螺紋摩擦力矩為 （式5.15）其中為螺旋傳動(dòng)軸向載荷（螺桿受的力），即；為螺旋線升角，為當(dāng)量摩擦角。根據(jù)選用的絲杠導(dǎo)程，螺紋中徑，由公式： （式5.16）計(jì)算可得：根據(jù)手冊(cè)選取鋼和鋼的摩擦因素， ，由公式： （式5.17）計(jì)算可得：=經(jīng)計(jì)算可得：螺桿的徑向支撐和軸向支撐使用同一角接觸球軸承，而螺旋傳動(dòng)軸向支撐面摩擦力矩公式為： （式5.18）式中，為角接觸球軸承摩擦系數(shù)，取0.0022；為軸承載荷，由于徑向載荷比較小，可以忽略，則；d 為軸承內(nèi)徑，。經(jīng)計(jì)算可得，故設(shè)滾珠絲杠的傳遞效率，則同時(shí)，為了使機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中由更好的適用性，可將估算的轉(zhuǎn)動(dòng)乘以一個(gè)系數(shù)，則機(jī)構(gòu)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為由表5.1可選用電機(jī)130BYG9100D表5.1 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)型號(hào)步距角（）相電壓(A)保持轉(zhuǎn)矩()轉(zhuǎn)動(dòng)慣量()重量（Kg）56BYG250B-02410.9/51800.4886BYG250BN-04000.9/1.84.0512002.6130BYG9100D0.3/0.610016.020005.4 5.5傳動(dòng)系統(tǒng)剛度5.5.1絲杠抗壓剛度 1）絲杠最小抗壓剛度 （式5.19）：最小抗壓剛度 單位是：固定支承距離，查手冊(cè)有代入數(shù)據(jù)得2）絲杠最大抗壓剛度 （式5.20）：最大抗壓剛度，單位是：行程起點(diǎn)離固定支承距離，經(jīng)設(shè)計(jì)有 5.5.2支承軸承組合剛度1)一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度 （式5.21）：一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度，單位是：滾珠直徑，查手冊(cè)有：滾珠數(shù)，查手冊(cè)有：最大軸向工作載荷：軸承接觸角，查手冊(cè)有由手冊(cè)查出7406軸承代入數(shù)據(jù)得2）支承軸承組合剛度查表知兩端固定支承軸承組合剛度 （式5.22）3）滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度 （式5.23）：滾珠和滾道的接觸剛度，單位是：查樣本上的剛度，由手冊(cè)查得： ：滾珠絲杠副預(yù)緊力， 有計(jì)算得 ：額定動(dòng)載荷，由手冊(cè)查得：代入數(shù)據(jù)得5.5.3剛度驗(yàn)算（1）最小剛度 （式5.24）代入數(shù)據(jù)得（2）最大剛度 （式5.25）代入數(shù)據(jù)得（3）驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 （式5.26）已知反向差值或重復(fù)定位精度為10則（4）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差 （式5.27）5.6驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速 （式5.28）:臨界轉(zhuǎn)速,單位為：與支承形式有關(guān)的系數(shù)，查手冊(cè)有：絲杠底徑 ：臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，由表14得f=21.9代入數(shù)據(jù)有 結(jié)論本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手是四關(guān)節(jié)五自由度機(jī)械手，在對(duì)機(jī)器人的目的和要求研究后，確定總體設(shè)計(jì)方案并使用MATLAB軟件編程，對(duì)機(jī)械手正逆運(yùn)動(dòng)計(jì)算，確定了各桿長(zhǎng)度。又設(shè)計(jì)了機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)，并以立臂為例，詳細(xì)地選擇了滾珠絲杠、軸承、電動(dòng)機(jī)等。在本文研究中，得出了以下幾個(gè)主要結(jié)論：（1） 本文通過(guò)設(shè)計(jì)圓柱型坐標(biāo)系機(jī)器手，實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、立臂的豎直方向的升降運(yùn)動(dòng)、懸臂的水平方向的伸縮運(yùn)動(dòng)、腕部的俯仰運(yùn)動(dòng)以及手爪的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)， （2）運(yùn)用D-H法寫出機(jī)械手各個(gè)坐標(biāo)系，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行正、逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析求解各桿長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)角，滿足工作空間要求。（3）通過(guò)立臂桿和滾珠絲杠、聯(lián)軸器、透蓋、悶蓋、法蘭盤、機(jī)架的配合，可以實(shí)現(xiàn)直臂的豎直方向升降運(yùn)動(dòng)在本設(shè)計(jì)中，雖然完成了四關(guān)節(jié)五自由度機(jī)械手的設(shè)計(jì)，滿足了各種技術(shù)要求，但很多細(xì)節(jié)仍需細(xì)細(xì)斟酌。例如，機(jī)械手的精度還是不夠高，我覺(jué)得可以通過(guò)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行精準(zhǔn)加工以及對(duì)機(jī)械手的螺紋賦予更適當(dāng)?shù)墓钆浜线M(jìn)度，也可以找一臺(tái)動(dòng)作靈敏的發(fā)電機(jī)。參考文獻(xiàn)1 樂(lè)為.“項(xiàng)目化團(tuán)隊(duì)式”畢業(yè)設(shè)計(jì)的開(kāi)題報(bào)告機(jī)械手的設(shè)計(jì)J.快樂(lè)閱讀：下旬刊,2012（6）: 18 -192 徐方. 工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展J.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2007（5）:2-43 康立新，馬建華. 工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)J.中小企業(yè)管理與科技,2009（24）：218 -2184 袁野. 機(jī)械手功能實(shí)現(xiàn)及其控制方式設(shè)計(jì)J.裝備制造技術(shù),2012（3）：210 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