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南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯
系： 機械工程系
專 業(yè)： 機械工程及自動化
姓 名： 劉學(xué)偉
學(xué) 號： 060104212
外文出處：Neurocomputing 72 (2009) 3624–3630
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導(dǎo)教師評語：
簽名：
年 月 日
注：請將該封面與附件裝訂成冊。
附件1：外文資料翻譯譯文
新興的運動特性：學(xué)習(xí)鉸接式移動機器人中關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性
Diego Pardo，Cecilio Angulo，Sergi del Moral, Andreu Catal_a
CETpD，技術(shù)研究中心，ESAII-UPC，自動控制系，加泰羅尼亞技術(shù)大學(xué)、VilanovailaGeltr′u, 巴塞羅那，西班牙
關(guān)鍵字：
鉸接式移動機器人
運動特性
機器人的學(xué)習(xí)
摘要
在這篇文章中，我們分析評價鉸接式移動機器人運動特性一般方法背后的意義而這種鉸接式移動結(jié)構(gòu)處于折衷動態(tài)平衡下，針對這些問題，我們提出了新的方法和方法論，而此方法論描述了機器人運動時關(guān)節(jié)的運動特性，除了常見的方法，我們還假定解決方法中運動信息的有效性，但其不涉及工作區(qū)，控制結(jié)構(gòu)根據(jù)當(dāng)?shù)仃P(guān)于關(guān)節(jié)加速度標(biāo)準(zhǔn)來確定控制策略，使驅(qū)動自由度達到理想結(jié)構(gòu)。同時，得到的非驅(qū)動自由度狀態(tài)被看作是這種策略的間接性概述，控制策略圍繞施加的簡單基元進行參數(shù)化的控制，通過改變參數(shù)的方法實現(xiàn)變形，這種方法是最優(yōu)的。通過隨機算法去實現(xiàn)對非驅(qū)動自由度的控制，從而達到理想的運動特性。
1.導(dǎo)言
鉸接式移動機器人是一種自主系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的功能允許系統(tǒng)的類型有多樣話的運動特性，但對這些特性也加以限制。它的初始示例是由機器人比賽提供的，其中的標(biāo)準(zhǔn)機器人用來踢足球。研究小組嘗試通過給定的運動學(xué)和動力學(xué)結(jié)構(gòu)使產(chǎn)生的運動特性更好，如：跑，踢，頭球和守門。因此，改善運動特性的性能是一項挑戰(zhàn)。然而，一些問題是：（i）機器人的高效或速度不夠快是默認步態(tài)嗎？(ii)機器人能跳嗎？（iii）機器人能舉起超過限重的重量嗎？因此，設(shè)計新的運動特性和克服身體本身的約束和限制是一項挑戰(zhàn)性的問題。
鉸接式移動機器人是一種非驅(qū)動系統(tǒng)，不是所有的自由度都被驅(qū)動，因此普遍的動平衡系統(tǒng)不斷遭到破壞。另外，它們也是多余的，比起那些象征意義上的機器人的控制元件有更多的自由度。如何去控制這一類型的機械裝置是不明顯的，這些對于研究機器人來說一直都是開放的領(lǐng)域。我們在這篇文章中找到了鉸接式機器人的人工合成方法，明白了運動特性是人們對機器人結(jié)構(gòu)和結(jié)論的解釋說明。
為了限制一些問題，我們會集中討論可能通過的其余部分的運動實現(xiàn)運動特性的編碼，運動由初始狀態(tài)和最終狀態(tài)等于零時定義，盡管如此，大多數(shù)鉸接式機器人的運動特性還是可以理解為一系列的間隙性運動，例如：伸出，拋和簡單的姿態(tài)轉(zhuǎn)變。此外，循環(huán)和組成的過程可以被分解成這種類型的動作序列。
文獻[9]中研究有關(guān)工作區(qū)機器人的運動學(xué)和剛體動力學(xué)，但其實現(xiàn)的條件通常是建立足夠的理論特性上。當(dāng)合適的加速度被用來實現(xiàn)運動時，重力可以忽略不計，因此，機器人的能量消耗是人步行過程中所需能量的15倍，然而，它已經(jīng)被證明當(dāng)人步行時重力不是總是可以忽略不計而且重力是實際存在的?？磥砬懊嫠o定的運動特性目前的解決方案只適合于在一個特定的情況。因此，解決問題的方案是縮小理論的使用范圍而不是由機器人的性能來決定的。
然而，一些結(jié)果表明采用新的方案也可以解決問題，也證實了新方案的可行性同時新方案還能增強機器人的性能。例如，在文獻[19]中寫到，在探索新領(lǐng)域解決方案時用合適的方法可以很大地提高工業(yè)機械手的最大負載。用參數(shù)化地手段制定最佳控制方法來解決自身動力學(xué)和時間范圍的限制。與以往的步驟有所不同，該控制方法導(dǎo)致機器人更加容易操縱，沿著同樣的思路，一個相似的結(jié)論不久就出現(xiàn)在文獻[15]中,文獻中提到一個簡單的二維三自由度的機器人能夠完成舉重的動作，這樣能避免機器人工作時被局部化地限制。它除了最大化解除負載外，還能完全地用其他方式來完成同樣的動作。以上兩種方法都是直接聯(lián)接在運轉(zhuǎn)和扭矩命令之間，工作區(qū)所需的必要條件幾乎為零，這樣系統(tǒng)能夠更自由地結(jié)束運轉(zhuǎn)。兩種方法都被最有效地作為主要途徑使用。
最近，越來越多地把注意力放到了學(xué)習(xí)開發(fā)機器人性能的領(lǐng)域。最新的期刊刊登的都是圍繞著早期仿制機器人，這些機器人的工作區(qū)都是屬于人為的，隨后，機器人關(guān)節(jié)都是通過一些參數(shù)的設(shè)計來控制的，這就是所謂地動力控制系統(tǒng)。大多數(shù)RL算法同樣適用于計算機控制機器人，此控制政策已經(jīng)在文獻[13]中寫到。
在作者寫的這篇文章中，我們假設(shè)所得到的運動學(xué)初期和末期的信息是相同的，我們的控制準(zhǔn)則是建立在當(dāng)?shù)仃P(guān)節(jié)變速水平的基礎(chǔ)上，使驅(qū)動自由度達到最終的理想狀態(tài)。同時，非驅(qū)動自由度的最終形態(tài)以驅(qū)動自由度的分布圖的形式畫出來。用作加速控制器提供所需的系統(tǒng)屬性控制DSs。
隨后，我們在這篇文章中提供了相關(guān)問題實質(zhì)性的描述。站立運動特性表明那些非驅(qū)動系統(tǒng)的運動特性的動力平衡問題是可以調(diào)試的。圖一顯示了起初和最終的運動狀態(tài)。其中特別提到了它的運動特性是初速和最終速度都等于零的運動過程。機器狗開始是躺倒的姿勢，隨后將會站立并以圖1-b所示的動作結(jié)束。然而重力和其他非線性運動可能會讓機器狗以不同的方式結(jié)束運動，如圖1-c所示。
（a）起初機器狗將要站立 （b）期望的站立方式 （c）站立失敗
圖1
我們在第二章節(jié)寫了基本的定義和正規(guī)的公式化問題。接著，在第三章節(jié)中提到了計算操作器的方法論。在第四章節(jié)中，應(yīng)用這些方法論展示機器人模仿人的運動特性。最終，結(jié)論都匯集在第五章節(jié)中。
2.控制機器人的運動特性
以一個參照系為基準(zhǔn)，機器人的結(jié)構(gòu)確定了機械裝置所有部分的位置 ，機器人的結(jié)構(gòu)是由獨立位置變化的矢量q決定的, ;q定義了機械裝置自由度的數(shù)量。機器人關(guān)節(jié)之間的空隙是一組不確定值的集合，以方向和速度規(guī)定的機器人用坐標(biāo)的形式表示為：。
這些機器人的結(jié)構(gòu)定義了工作區(qū)，記作，。q和x的關(guān)系如下：
（1）
其中該機器人的自由度數(shù)量比x大，比操作所需的自由度數(shù)量多的多，因此顯得有些多余。
速度和加速度之間的關(guān)系可以通過對（1）式的求導(dǎo)和二次求導(dǎo)得出：
（2）
其中是的雅可比矩陣
既然，描述機器人運動的原理已經(jīng)形成了，現(xiàn)在專注于機器人的應(yīng)力，其中應(yīng)力和加速度的關(guān)系可以寫成：
（3）
當(dāng)瞬時加速度和矢量q的方向一致時，系統(tǒng)是沒有驅(qū)動力的。對于鉸接式移動機器人而言，自由度可以被看作成一個建立在機器人身上的慣性參數(shù)。
假設(shè)鉸接式機器人是不能彎曲的，它們的運動形態(tài)可以作為二階邏輯系統(tǒng)來描述，如果這樣扭矩就會影響到其它力在構(gòu)件上的相互作用。我們可以把它們之間的關(guān)系表達成：
（4）
驅(qū)動加速度自由度表示為，非驅(qū)動加速度的自由度表示為，考慮到個別特殊的情況，我們可以增強系統(tǒng)在（4）中的原動力
（5）
其中慣性矩陣被分離成，因此如上式所知，M、驅(qū)動加速度、非驅(qū)動加速度三者之間有著密切地關(guān)聯(lián)。
在用加速度等級控制驅(qū)動關(guān)節(jié)的基礎(chǔ)上采用原動力系統(tǒng)作為策略，這樣可以隨時限制加速度命令。所設(shè)計的策略讓每個關(guān)節(jié)地最終狀態(tài)都以順暢的運動方式進行，并把它的結(jié)構(gòu)形式定義為：，我們起初定義它的運動方式為：
（6）
上式表示關(guān)節(jié)的坐標(biāo)有誤差時，t用i代替其速度和位置。
我們用下式定義一個局部的策略
（7）
其中是關(guān)節(jié)的理想加速度，在這里，我們假設(shè)存在一個低級控制器使理想加速度符合轉(zhuǎn)矩命令。由此得到，我們假設(shè)的驅(qū)動自由度的實際加速度就是文獻[7]中所給出的。
緊接著，我們定義下式作為基本的方法：
（8）
當(dāng)這個基本方法被使用時，有誤差的關(guān)節(jié)的位置和速度就可以表示為。當(dāng)非對角線上的額外力不等于零時，系統(tǒng)的原動力就會發(fā)生改變。
整個完整的方法一般地被定義為，它能夠完全表達出使用時間，用一種簡單的表達式：
（9）
其中矩陣，矩陣。
帶著分析機器人全身運動關(guān)節(jié)性能的目的，在文獻[5]寫到的結(jié)果對非驅(qū)動自由度的影響：一般用表示，更精確地表示成，
（10）
記下外力和力的相互關(guān)系，可以看得出，它們一起改變了機器人的運動特性。它們在影響（2）式的同時還影響機器人內(nèi)部動力的工作軌跡。
如果函數(shù)被定義為（11），那么計算機器人運動特性的問題能夠得到有效地解決。
得到：
（12）
在（7）中所提到的參數(shù)需滿足上面的的限制條件，在下一章節(jié)我們將會涉及到最佳結(jié)構(gòu)的機器人，此機器人的加速度和運動特性都是最佳的。
3.學(xué)習(xí)控制方法
找到合適的加速度是解決這一變量問題的必要途徑。我們通過測量機器人完成任務(wù)時的動作結(jié)合一些參數(shù)定義了如下式的目標(biāo)函數(shù)：
（13）
其中，是代表機器人在特定參數(shù)條件下結(jié)構(gòu)和運動形態(tài)的標(biāo)量，在（13）中我們已經(jīng)進行了詳細地描述。我們給定機器人結(jié)構(gòu)一個最初值和最終值，結(jié)果顯示相比理想結(jié)構(gòu)，最終結(jié)構(gòu)能夠有效地表示出操縱器的優(yōu)點
（14）
另外，當(dāng)非驅(qū)動自由度是一個假設(shè)的概念時，那么一個相等的目標(biāo)函數(shù)就能夠算出工作矢量的實際值和理論值
（15）
這樣意味著，x必須是已知的。
如果降低函數(shù)的次數(shù)是我們的目標(biāo)，那么優(yōu)化參數(shù)的計算方法可能會是降低函數(shù)次數(shù)的最佳方法，
（16）
其中，r是循環(huán)數(shù)，并且。R的梯度W在寫成。我們舉一個PGRL算法的例子，梯度的隨機近似值在[4]中通過特別項的理論值被給出
（17）
其中是梯度在中的估算值，是隨機矢量，u是一個系數(shù)；是參數(shù)向量的值。它在[4]中已經(jīng)介紹過，梯度的近似值導(dǎo)致集合趨于極小值。
為了解決（17），嘗試讓機器人所有關(guān)節(jié)都伸展，結(jié)果表明它只適合于單個關(guān)節(jié)的伸展。實際上，單個關(guān)節(jié)只滿足[4]中梯度的運算。在這兒我們寫了相關(guān)的計算程序
輸入：u,b,
1. 重復(fù)
2. 選擇
3. 用攝動參數(shù)完成延伸
4. 自動檢測約束構(gòu)件
5. 計算性能
6. 估算梯度向量
7. 直到梯度估算值等于
返回：梯度估算值
其中定義為梯度估算值的平均值
4.結(jié)果
在一個簡單的仿人機器人實驗中，機器人剛開始處于站立的位置，最終讓機器人伸出一條腿時保持平衡狀態(tài)，圖2中是機器人運動的示意圖
（a）初始姿態(tài) （b）最終姿態(tài)
圖2
仿人機器人在移動過程中使用了四個關(guān)節(jié)：左踝關(guān)節(jié)，右踝關(guān)節(jié)，臀部和膝蓋,b=4.(詳細地見圖3)。然而，由于仿人機器人的動力平衡條件，廣義坐標(biāo)向量的數(shù)值需要確定其姿勢和方向，其中。作為在第二章節(jié)所描述的方法，每個驅(qū)動自由度都是用手工建立的。機器人關(guān)節(jié)的加速度的變化如圖4所示。在（8）中明確地用基本原理的方法形成加速度，盡管實際運動軌跡不能達到理想軌跡，但非驅(qū)動自由度的機器人能夠用一種完全不同的方式完成下蹲動作。
在第三章節(jié)中我們介紹了梯度下降的方法，把假設(shè)的自由度降到最低，緊接著就出現(xiàn)了：機器人在沒有下蹲的情況下完成了運動過程。在圖5中畫出了四個驅(qū)動自由度的速度分布圖。
（a）臀部關(guān)節(jié)
（b）踝關(guān)節(jié) （c）膝蓋
圖3
(a)左踝關(guān)節(jié)軌跡 （b）右踝關(guān)節(jié)軌跡
圖4
（a）膝蓋 （b）臀部
（c）左踝關(guān)節(jié) （d） 右踝關(guān)節(jié)
圖5:虛線為正常軌跡，實線為變形軌跡
5討論和結(jié)論
隨著鉸接式移動機器人適用性的增強，高效的處理器和適用的用戶界面，機器人正離開實驗室走進人們的日常生活中。沒有輪子的運動系統(tǒng)正被普遍地用于各種平臺。這在機器人的發(fā)展過程是中一項挑戰(zhàn)。
從機器人運動意圖的角度出發(fā)，對這些運動特性進行分類。這類的運動特性包括：舉重，跳高，扔鏈球，坐下。通常，用機器人運轉(zhuǎn)來解決有關(guān)工作區(qū)的問題，而不能解決機器人本身運動所帶來的問題。對應(yīng)的工作區(qū)似乎破壞了機器人性能和運動目的之間的關(guān)系。這里我們已經(jīng)分析過了這些現(xiàn)象并用不同的觀點解決了運動特性的所帶來的問題。
在我們的觀點中，我們要求取消工作區(qū)的限制條件，同時，一個簡單的運動學(xué)信息可以對驅(qū)動自由度的機器人提供一個獨一無二的指南。不過，非驅(qū)動自由度的關(guān)節(jié)直接依賴于驅(qū)動自由度關(guān)節(jié)所產(chǎn)生的加速度。
從驅(qū)動關(guān)節(jié)的最終形態(tài)的前提出發(fā)，產(chǎn)生的加速度能夠使每個關(guān)節(jié)都能夠運動至最終的目的地。在加速度水平的前提下，我們定義的控制策略只能夠使單個關(guān)節(jié)達到它的理想值。然而，就我們所知道的機器人關(guān)節(jié)加速度的分布圖是不能夠完全解決非驅(qū)動加速度的運動特性。我們選用當(dāng)?shù)貐?shù)DSs ，通過調(diào)節(jié)參數(shù)來改變加速度的大小。這種策略和其他策略一樣都是依賴于當(dāng)?shù)氐募铀俣?。我們把這一效應(yīng)稱之為加速度的控制策略。
在整體控制策略的規(guī)劃下，非驅(qū)動關(guān)節(jié)的理論值和采用當(dāng)?shù)夭呗运玫降慕Y(jié)果幾乎是一致的。
該策略擁有這些測量特性，它讓迭代梯度值最小化。其中關(guān)鍵的是要讓該策略與參數(shù)值有直接關(guān)系。如果在每次迭代時，目標(biāo)函數(shù)是已知的，則只需改變參數(shù)的大小就能改善關(guān)節(jié)的性能?？蛇@種關(guān)系又是不明確的，因此，我們便用一個隨機變量來逼近梯度值，這是基于系統(tǒng)性能的迭代方法，對此我們有證據(jù)顯示這是機械的推斷學(xué)習(xí)，在該情況下學(xué)習(xí)綜合的運動特性。
平面關(guān)節(jié)型機械手設(shè)計
第一章 緒 論
隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已愈來愈引起人們的重視。
機械手是模仿著人手的部分動作，給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。
機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專業(yè)性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，使用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快地改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。
本次課程設(shè)計的平面關(guān)節(jié)型機械手是應(yīng)用于上下料、搬運環(huán)類零件，從內(nèi)孔夾持工件，代替人手的繁重勞動，減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率。
本次課程設(shè)計是通過設(shè)計平面關(guān)節(jié)型機械手，培養(yǎng)綜合運用所學(xué)知識，分析問題和解決問題的能力。
第二章 平面關(guān)節(jié)型機械手總體方案設(shè)計
平面關(guān)節(jié)型機器手又稱SCARA型裝配機器手，是Selective Compliance Assembly Robot Arm的縮寫，意思是具有選擇柔順性的裝配機器人手臂。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)零件的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。
2.1 平面關(guān)節(jié)型機械手總體方案分析
2.1.1 設(shè)計任務(wù)
本次課程設(shè)計總體設(shè)計的任務(wù)是：上下料搬運機械手，3個自由度，平面關(guān)節(jié)型；需要搬運的工件：環(huán)類零件，內(nèi)孔直徑50mm；高150mm,厚10mm,（只能從內(nèi)孔夾持工件），材料40鋼，將工件從一條輸送線搬運到與之平行的另一條輸送線上，（兩輸送線距離為2.4m,高度差0.4m）。
本次課程設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù)見表2.1
表2.1
機械手類型
平面關(guān)節(jié)型
抓取最大重量
2.2Kg
自由度
3個（2個回轉(zhuǎn)1個移動）
大臂
長658mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角240，步進電機驅(qū)動 單片機控制
小臂
長564mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角240，步進電機驅(qū)動 單片機控制
移動關(guān)節(jié)
氣缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制
手指
氣缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制
2.1.2 方案選擇
根據(jù)設(shè)計設(shè)計要分析出，抓取和轉(zhuǎn)動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型三自由度機器人，利用步進電機驅(qū)動和齒輪減速傳動來實現(xiàn)大臂的旋轉(zhuǎn)運動；利用另一臺步進電機驅(qū)動小臂旋轉(zhuǎn)，從而使小臂與移動關(guān)節(jié)連在一起實現(xiàn)上下運動；考慮到本設(shè)計中的機器人工作范圍不大，故利用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用內(nèi)撐式夾持器，用小型氣缸驅(qū)動夾緊。
2.2 平面關(guān)節(jié)型機械手總體結(jié)構(gòu)分析
2.2.1 結(jié)構(gòu)特點分析
根據(jù)設(shè)計要求和參數(shù)表分析得出，機械手分為機身、大臂、小臂、上下移動關(guān)節(jié)、手指部五部分構(gòu)成，其中機身與大臂、大臂與小臂連接處安置電機，小臂連接移動關(guān)節(jié)帶動手指上下搬運環(huán)類工件，結(jié)構(gòu)特點實體圖如下“圖2-1”所示。
圖 2-1 結(jié)構(gòu)實體圖
根據(jù)實體圖觀察及設(shè)計要求描述，繪制機構(gòu)簡圖，θ1為大臂回轉(zhuǎn)角，由電動機驅(qū)動，θ2為小臂回轉(zhuǎn)角，移動關(guān)節(jié)上下移動，共三個自由度，簡圖如圖“2-2”所示。
由“圖2-1”及設(shè)計要求分析，大臂和小臂可回轉(zhuǎn)240度，在兩條輸送帶間工作，將工件從一條輸送線搬運到與之平行的另一條輸送線上，分析出工作空間如下圖“圖2-3”所示。
圖 2-2 機構(gòu)簡圖
2.2.2 工作原理分析
本次設(shè)計的機械手大臂通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與機身連接，關(guān)節(jié)處安放驅(qū)動裝置，由電動機驅(qū)動，為提高精度采用一級齒輪聯(lián)接減速，帶動大臂轉(zhuǎn)動，速度、頻率又單片機控制；大臂與小臂亦通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接，關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)配驅(qū)動裝置，結(jié)構(gòu)與大臂關(guān)節(jié)處相同；移動關(guān)節(jié)與小臂固定連接，移動關(guān)節(jié)使用氣缸或液壓缸，活塞桿連接手指上下移動；手指通過氣缸驅(qū)動控制夾具指，使夾具體從內(nèi)部抓取環(huán)類工件。傳動原理圖如下圖“圖2-4”所示。
圖 2-3 工作空間圖
圖2-4 傳動原理圖
第三章 平面關(guān)節(jié)型機械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 機械手手部設(shè)計
工業(yè)機械手的手部是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關(guān)鍵部件之一。
3.1.1 設(shè)計時要注意的問題
(1) 手指應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動載荷。
(2) 手指應(yīng)有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。
(3) 應(yīng)能保證工件在手指內(nèi)準(zhǔn)確定位。
(4) 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
(5) 根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。
3.1.2 工件重量的計算
其中g(shù)取10m/s2
取G=22（N）
3.1.3 手指夾緊力的計算
（3-1）
f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為40號鋼，手指為鋼材，查《機械零件手冊》 表2-5 ，f=0.15 。
所以
取N=40（N）
驅(qū)動力的計算:
（3-2）
圖3-1
為斜面傾角，，為傳動機構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動，查《機械零件手冊》表2-2 這里取 0.85，所以
取p=50(N)
活塞手抓重量的估算:
r為桿的半徑，h為長度，g取10m/s2
3.1.4 氣缸的設(shè)計
因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底，無污染，動作迅速反映快，維護簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動。
氣缸內(nèi)型選擇：
由于行程短，選單作用活塞氣缸，借彈簧復(fù)位。
氣缸的計算:
氣壓缸內(nèi)徑D的計算:
按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1。
(3-3)
D為氣缸的內(nèi)徑(m)，P為工作壓力（Pa）,為負載率，負載率與氣缸工作壓力有關(guān)，取，查《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2 由于氣缸垂直安裝，所以取P=0.3。
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-3選取32mm.
活塞桿直徑d的計算:
一般，此選0.2
mm
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-4 選取8mm
氣缸壁厚的計算
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-5查得
彈簧力的F的估算:
所以選擇的彈簧件。
3.2 移動關(guān)節(jié)的設(shè)計
3.2.1 驅(qū)動方式的比較
機械手的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，電機驅(qū)動，和機械傳動四種。一臺機械手可以只用一種驅(qū)動，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動，各種驅(qū)動的特點見表“3-1”。
表3-1
比較內(nèi) 容
驅(qū)動方式
機械傳動
電機 驅(qū)動
氣壓傳動
液壓傳動
異步電機，直流電機
步進或伺服電機
輸出力矩
輸出力矩較大
輸出力可較大
輸出力矩較小
氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過大
液體壓力高，可以獲得較大的輸出力
控制性能
速度可高，速度和加速度均由機構(gòu)控制，定位精度高，可與主機嚴(yán)格同步
控制性能較差，慣性大，步易精確定位
控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜
可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制
油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
體積
當(dāng)自由度多時，機構(gòu)復(fù)雜，體積液較大
要油減速裝置，體積較大
體積較小
體積較大
在輸出力相同的條件下體積小
維修使用
維修使用方便
維修使用方便
維修使用較復(fù)雜
維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小
維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火
應(yīng)用范圍
適用于自由度少的專用機械手，高速低速均能適用
適用于抓取重量大和速度低的專用機械手
可用于程序復(fù)雜和運動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機械手
中小型專用通用機械手都有
中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用
成本
結(jié)構(gòu)簡單，成本低，一般工廠可以自己制造
成本低
成本較高
結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低
液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜
3.2.2 氣缸的設(shè)計
因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底，無污染，動作迅速反映快，維護簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動。
氣缸內(nèi)型選擇：因為活塞行程較長，往復(fù)運動，所以選雙作用單活塞氣缸，利用壓縮空氣使活塞向兩個方向運動。
初選活塞桿直徑d=12mm，估算其重量
取為5N
取為80N
氣壓缸內(nèi)徑D的計算
按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1
（3-4）
D為氣缸的內(nèi)徑(m)，P為工作壓力（Pa）,為負載率，負載率與氣缸工作壓力有關(guān)，取，查《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2 由于氣缸垂直安裝，所以取P=0.3。一般，此選0.3
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-3選取40mm。
一般，此選0.3
mm
氣缸壁厚的計算：
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-5查得。
氣缸重量的計算：
其中：R為氣缸外徑，r為氣缸內(nèi)徑，h為氣缸長度，g取10，為氣缸材料密度，取25N。
3.3 小臂的設(shè)計
臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來改變工件的位置。手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。
3.3.1 設(shè)計時注意的問題
(1) 剛度要好，要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸，空心桿比實心桿剛度大的多，常用鋼管做臂部和導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼左支撐板，以保證有足夠的剛度。
(2) 偏重力矩要小，偏重力矩時指臂部的總重量對其支撐或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。
(3) 重量要輕，慣量要小，為了減輕運動時的沖擊，除采取緩沖外，力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以減少慣性力。
(4) 導(dǎo)向性要好。
3.3.3 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計
把小臂的截面設(shè)計成工字鋼形式，這樣抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而減輕小臂重量，使其經(jīng)濟、輕巧。
初選10號工字鋼。理論重,小臂長為564mm。
較核：（N）取75N。其受力如下圖:
圖3-2
F=75+105=180（N）
按《材料力學(xué)》公式5.11
（3-5）
其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的力。
根據(jù)
所以選10號工字鋼合適。
3.3.4 軸的設(shè)計計算
大軸的直徑取25mm，材料為45號鋼。
受力如下圖:
圖3-3
驗算：
F=180N
所以合適。
3.3.5 軸承的選擇
因為上軸承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子軸承，按《機械零件手冊》表9-6－1（GB 297-84）選7304E，d=25mm， e=0.3。
軸承的校核：
因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過大，產(chǎn)生永久性的過大的凹坑（即材料發(fā)生了不允許的永久變形），按軸承靜載能力選擇的公式為：《機械設(shè)計》13-17
其中為當(dāng)量靜載荷，為軸承靜強度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按《機械設(shè)計》表3-8 作擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷,此處取1.5。
上軸承受純徑向載荷,
所以
因此軸承合適。
下軸承受徑向和軸向載荷,；
R為徑向載荷；
A為軸向載荷；
X Y分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機械設(shè)計》表13－5查取
因為
所以
所以
因此軸承合適，小軸承受力很小，所以不用校核。
3.3.6 軸承摩擦力矩的計算：
如果 （C為基本額定動載荷，P為所受當(dāng)量動載荷），可按《機械設(shè)計手冊》第二版 (16.1-13)公式:
估算
其中:為滾動軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn)為軸承載荷，d為軸承內(nèi)徑。
查表《機械設(shè)計手冊》第二版 表16.1-29得。
，所以也可以用此公式估算。
所以
查表《機械設(shè)計手冊》第二版 表16.1-29得，
，所以也可以用此公式估算
所以
因為摩擦力矩小于0.1，所以忽略不計。
3.3.7 驅(qū)動選擇
因為所需驅(qū)動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉(zhuǎn)角無長期
積累誤差的步進電機。
步進電機的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉(zhuǎn)矩，因為轉(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性，按《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-11 BF反應(yīng)式步進電動機技術(shù)參數(shù)表查取，
選45BF005，其主要參數(shù)如下：
步矩角1.5度，電壓27伏，最大靜轉(zhuǎn)矩0.196N.M，質(zhì)量0.4kg,外徑45mm,長度58mm,軸徑4mm。
精度驗證:能夠滿足精度要求，
為了提高精度，采用一級齒輪傳動.5。
的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。
按《機械原理》表8-2標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（GB1357-87）取m=1，取
則
齒輪寬度計算：
按《機械設(shè)計》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)，兩支承相對小齒輪作對稱布置取0.9—1.4, 此處取1。
則
為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少，要適當(dāng)加寬，所以取24mm。
3.4 大臂的設(shè)計
3.4.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計
把大臂的截面設(shè)計成工字鋼形式，這樣抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而減輕小臂重量，使其經(jīng)濟、輕巧。
選14號工字鋼。理論重,小臂長為658mm。
較核：（N）
取140N
其受力如圖:
圖3-4
F=75+105+140=320（N）
按《材料力學(xué)》公式5.11
（3-6）
其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的力。
根據(jù)
所以選10號工字鋼合適。
3.4.2 軸的設(shè)計計算
軸的直徑取25mm，材料為45號鋼。
其受力如下圖:
圖3-5
驗算：
F=320N
所以合適。
3.4.3 軸承的選擇
大軸軸承的選擇：因為上軸承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子軸承，按《機械零件手冊》表9-6－1（GB 297-84）選7304E，d=25mm e=0.3。
軸承的校核
因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過大，產(chǎn)生永久性的過大的凹坑（即材料發(fā)生了不允許的永久變形），按軸承靜載能力選擇的公式為：
《機械設(shè)計》13-17
其中為當(dāng)量靜載荷，為軸承靜強度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按《機械設(shè)計》表3-8 作擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷,此處1.5。
上軸承受純徑向載荷,
所以
因此軸承合適。
下軸承受徑向和軸向載荷,；
R為徑向載荷；
A為軸向載荷；
X Y分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機械設(shè)計》表13－5查取
因為 ；
所以
所以
因此軸承合適，小軸承受力很小，所以不用校核。
3.4.4 軸承摩擦力矩的計算
如果 （C為基本額定動載荷，P為所受當(dāng)量動載荷），可按《機械設(shè)計手冊》第二版 (16.1-13)公式:
估算
其中:為滾動軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn)為軸承載荷，d為軸承內(nèi)徑。
查表《機械設(shè)計手冊》第二版 表16.1-29得，
，所以也可以用此公式估算
所以
查表《機械設(shè)計手冊》第二版 表16.1-29得，
，所以也可以用此公式估算
所以
此處摩擦力矩亦小于0.1，忽略不計。
3.4.5 伺服系統(tǒng)的選擇
因為所需驅(qū)動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉(zhuǎn)角無長期積累誤差的步進電機。
步進電機的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉(zhuǎn)矩，因為轉(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性，按《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-11 BF反應(yīng)式步進電動機技術(shù)參數(shù)表查取，
選45BF005，其主要參數(shù)如下：
步矩角1.5度，電壓27伏，最大靜轉(zhuǎn)矩0.196N.M，質(zhì)量0.4kg,外徑45mm,長度58mm,軸徑4mm。
精度驗證:
所以不能滿足精度要求,不能直接傳動,要變速機構(gòu)
在此選用直齒圓柱齒輪
為了提高精度，采用一級齒輪傳動.5。
的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。
按《機械原理》表8-2標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（GB1357-87）取m=1，取
則
齒輪寬度計算：
按《機械設(shè)計》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)。
兩支承相對小齒輪作對稱布置取0.9—1.4,此處取1。
則。
為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少，要適當(dāng)加寬，所以取24mm。
3.5 機身的設(shè)計
機身是支承臂部的部件，升降，回轉(zhuǎn)和俯仰運動機構(gòu)等都可以裝在機身上。
3.5.1 設(shè)計時注意的問題
(1) 要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。
(2) 運動要靈活，升降運動的導(dǎo)套長度不宜過短，否則可能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象；一般要有導(dǎo)向裝置。
(3)結(jié)構(gòu)布置要合理，便于裝修。
由于此設(shè)計要求為三個自由度，所以此處無運動要求，只用來支承。只要剛度能滿足就行了，高度可根據(jù)自動線的高低確定。
結(jié)束語
在這次畢業(yè)設(shè)計中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W(xué)的知識做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，更深一步了解了所學(xué)的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學(xué)知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學(xué)會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運用資料，還使我學(xué)會如何與同學(xué)共同討論問題。同時也遇到很多問題，如設(shè)計綜合考慮不夠周全。但這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學(xué)習(xí),努力的提高自己的水平。
最后感謝學(xué)校、學(xué)院各位老師幾年來給我的教育和培養(yǎng)，特別感謝我的指導(dǎo)師給我精心的指導(dǎo)。
參考文獻
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[8] 周開勤.機械零件手冊.北京:高等教育出版社，1993
[9] 吳振彪.工業(yè)機器人.武漢:華中理工出版社，1998
目錄
第1章 緒論…………………………………………1
第2章 機械手總體方案設(shè)計 …………………… 2
2.1 總體方案分析 …………………………… 2
2.2 總體結(jié)構(gòu)分析 …………………………… 3
第3章 機械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 …………………… 6
3.1 機械手手部設(shè)計…………………………… 6
3.2 移動關(guān)節(jié)的設(shè)計…………………………… 9
3.3 小臂的設(shè)計 ……………………………… 11
3.4 大臂的設(shè)計 ……………………………… 16
3.5 機身的設(shè)計 ……………………………… 18
結(jié)束語 ………………………………………… 21
參考文獻 ………………………………………… 22