五自由度工業(yè)機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計【5自由度】【5張CAD圖紙和文檔所見所得】【JS系列】

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題 目 五自由度工業(yè)機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 所在學(xué)院 年 月 日 ?? 任務(wù)書 ? ?? 院(系) 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 一、畢業(yè)設(shè)計題目 五自由度工業(yè)機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 二、畢業(yè)設(shè)計工作自 年 月_ __日 起至 年 月 日止 三、畢業(yè)設(shè)計進行地點: 四、畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容要求： （1）． 查閱國內(nèi)外文獻資料，了解機械手結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀與趨勢 （2）． 熟悉計算機繪圖軟件的使用，能利用它對機械手零部件進行建模 （3）． 確定機械手的本體結(jié)構(gòu)，并對機械手的驅(qū)動機構(gòu)進行設(shè)計計算 （4）． 畫出所設(shè)計的重要零件圖和裝配圖 （5）． 繪制傳動鏈簡圖 （6）． 編寫設(shè)計說明書，具體要求見《XXXX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文（說明書）撰寫規(guī)范》 接受設(shè)計任務(wù)開始執(zhí)行日期 學(xué)生簽名 第 2 頁 共 2 頁 外文翻譯 現(xiàn)代機械工程,2011年,47-55 http://dx.doi:10.4236/mme.2011.12007 在線發(fā)表在2011年11月(http://www.SciRP.org/journal/mme) 設(shè)計和開發(fā)有競爭力的低成本的四自由度 機械臂 Ashraf Elfasakhany1'2, Eduardo Yanez2, Karen Baylon2, Ricardo Salgado2 1Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Taif University, Al-Haweiah, Saudi Arabia 2Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad Juárez, Ciudad Juarez, Mexico 郵箱: ashr12000@yahoo.com 2011年10月19日收到；2011年11月7日修訂；2011年11月15日接受 摘要 這項工作的重點是設(shè)計，開發(fā)和實施有競爭力的機械手手臂的控制和粗短的成本提高。機械手手臂的設(shè)計具有四個自由度，才能完成準(zhǔn)確的簡單的任務(wù)，如光材料處理，這將成為一個移動平臺，成為工業(yè)勞動力的助理。機械手配備有伺服電機做武器和執(zhí)行的手臂動作之間的聯(lián)系。伺服馬達包括編碼器，所以沒有控制器實現(xiàn)。我們使用LabVIEW控制機械手進行逆運動學(xué)計算，并將正確的角度對單片機的串行驅(qū)動伺服電機改變位置的能力，速度和加速度。機械手手臂的測試進行了驗證結(jié)果表明，它工作正常。 關(guān)鍵詞：機械手手臂，成本低，設(shè)計，驗證，四個自由度，伺服電機，Arduino，機械手控制，Labview機械手控制 第 11 頁 共 11 頁 1、簡介 機械手實際上是術(shù)語定義為制造業(yè)研究，設(shè)計和使用機械手系統(tǒng) [1]。機械手通常被用于執(zhí)行不安全的，危險的，高度重復(fù)性的，和不愉快的任務(wù)。他們有許多不同的功能，如材料處理，組裝，焊接，電阻焊接，工具機的加載和卸載功能，繪畫，噴涂等。 主要有兩種不同的機械手服務(wù)機械手和工業(yè)機械手。服務(wù)機械手是機械手操作半或全自動履行服務(wù)的人和設(shè)備的健康有益，不包括制造過程[2]。工業(yè)機械手，另一方面，正式定義的ISO作為自動控制、多用途的機械手在三軸以上的[1]可編程。工業(yè)機械手是用來移動材料，零件，工具或?qū)ｉT的設(shè)備，通過各種編程動作執(zhí)行各種任務(wù)。工業(yè)機械手系統(tǒng)不僅包括工業(yè)機械手，而且任何設(shè)備和/或傳感器所需的機械手以及測序或監(jiān)控通信接口完成任務(wù)。 在2007世界的市場增長了3%，約114000個新安裝的工業(yè)機械手。2007年底，大約有一百萬的工業(yè)機械手的使用，估計有50000的服務(wù)機械手工業(yè)用[3]比較。 由于增加的工業(yè)機械手手臂的使用，一種進化的主題試圖模仿人類的運動開始在一個詳細的模式。例如，一組學(xué)生在韓國做了一個創(chuàng)新的機械臂以舞蹈方面，賬戶重設(shè)計，書法書寫和顏色分類[4]。另一組工程師在美國開發(fā)的八自由度機械手手臂。這個機械手是能夠從一筆一球的許多形狀掌握許多對象和模擬也人[5]手。在太空，航天飛機遙控操縱系統(tǒng)，稱為SSRMS或操控，和它的繼任者是實例的多自由度機械手手臂，已被用于執(zhí)行各種任務(wù)，如檢查使用一種專門部署的繁榮的航天飛機有照相機和傳感器安裝在端部執(zhí)行器和衛(wèi)星的部署和檢索從航天飛機的貨艙演習(xí)[6]。 在墨西哥，科學(xué)家正在開發(fā)許多機械手手臂的設(shè)計，和墨西哥政府估計，墨西哥約有11000的機械臂，用于在不同的工業(yè)應(yīng)用。然而，專家認(rèn)為，機械手的手臂遠不僅是高質(zhì)量的，但也準(zhǔn)確，重復(fù)性，和粗短的成本。 大多數(shù)的機械手是建立一個操作的教導(dǎo)和重復(fù)技術(shù)。在這種模式下，一個訓(xùn)練有素的操作員（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（一種示教）教會機械手任務(wù)手動。機械手的速度在這些編程會話是緩慢的。 目前的工作是一個兩相的項目的一部分，這需要一個移動機械手能夠運輸工具從儲藏室的工業(yè)電池。在這一階段的項目中，進行了在蒙特雷技術(shù)大學(xué)，墨西哥，主要是設(shè)計，一個工業(yè)機械手的手臂粗短的成本的開發(fā)和實施，準(zhǔn)確和優(yōu)越的控制。這個機械手手臂的設(shè)計具有四個自由度，才能完成簡單的任務(wù)，如光材料處理，這將成為一個移動平臺，成為工業(yè)勞動力的助理。 2、機械設(shè)計 機械手手臂的機械設(shè)計是基于一個機械手具有類似功能的一個人類手臂[6-8]。這種機械手的鏈接的節(jié)點允許的旋轉(zhuǎn)運動和操縱器的鏈接的連接被認(rèn)為是形成一個運動鏈。機械手的運動鏈的業(yè)務(wù)端稱為ARM工具末端或結(jié)束，這是類似于人類的手。圖1顯示了機械臂的機械設(shè)計的自由體圖。如圖所示，端部執(zhí)行器是不包括在設(shè)計因為商用夾具的使用。這是因為，末端是一個系統(tǒng)的最復(fù)雜的部分和，反過來，它是更容易和經(jīng)濟地使用一個商業(yè)比建造它。 圖2顯示了機械手臂的工作區(qū)。這是四自由度機械手手臂的典型工作區(qū)（4自由度）。機械設(shè)計是有限的4自由度主要是因為這樣的設(shè)計允許最必要的運動和保持成本和機械手的復(fù)雜競爭。因此，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動被限制在旋轉(zhuǎn)是圍繞兩個軸在肩、肘、腕關(guān)節(jié)周圍只有一個，見圖1。 機械手關(guān)節(jié)通常由電動機驅(qū)動的。伺服電機的選擇，因為它們包括編碼器可以自動提供反饋給電機和調(diào)整相應(yīng)的位置。然而，這些電機的缺點是，旋轉(zhuǎn)范圍小于180?跨度，大大減少了區(qū)域達到的手臂和可能的位置[9]。伺服電機的資格是基于由結(jié)構(gòu)和可能的負載所需的最大扭矩選擇。在目前的研究中，用于結(jié)構(gòu)材料，丙烯酸。 圖3顯示了用于負荷計算的內(nèi)力圖。計 算僅為具有最大負荷節(jié)點進行的，因為其他的節(jié)點具有相同的電機，即電機移動的鏈接沒有問題。計算中考慮了電機的重量，50克左右，除了在節(jié)點B電機的重量，因為它是由連接壩進行了。圖4顯示的鏈接CB的內(nèi)力圖，其中包含的節(jié)點（B和C）與最高負荷（帶鏈接的直流和ED）并進行計算如下。 用于轉(zhuǎn)矩的計算值： Wd = 0.011 kg (DE桿的負荷) Wc = 0.030 kg (CD桿的負荷) Wb = 0.030 kg (CB桿的負荷) L = 1 kg (負載) Cm = Dm = 0.050 kg (電機重量) LBC = 0.14 m (BC桿的長度) LCD = 0.14 m (CD桿的長度) LDE = 0.05 m (DE桿的長度) 執(zhí)行在Y軸力的總和，使用荷載如圖4所示，與CY和CB解決，看到方程(1)-(4)。同樣，執(zhí)行在C點時刻的總和，方程(5），和B點，方程(6)，在B和C獲得轉(zhuǎn)矩，方程(7)和(8)，分別為。 根據(jù)計算，伺服電機被選中的是Hextronik HX12K，具有扭矩280盎司 /英寸。該電機被推薦是因為它比任何其它同規(guī)格的汽車便宜得多。自從我們在接頭B需要更大的扭矩，見式（8)，我們使用兩個馬達在B點遵守扭矩的要求；然而，一個電機是足夠的其他關(guān)節(jié)。在節(jié)點B使用兩個電動機比使用一個大的電機560盎司/便宜多了。電機的相關(guān)特性，可以在圖5所示，是他們可以旋轉(zhuǎn)60度在130毫秒，他們有一個重量47.9克每。 一旦確定了機械手手臂和電機的初始尺寸，設(shè)計使用SolidWorks平臺上進行；設(shè)計應(yīng)認(rèn)真考慮的壓克力板，碎片會被連接到每個其他方式的厚度。用于使機械手的壓克力板材1 / 8厚，薄被選中是因為它容易加工，具有良好的耐量少。 在設(shè)計過程中，我們面臨著一些困難由于連接薄丙烯酸部分強烈的方式。這是燒、加入丙烯酸部分和沒有和球隊認(rèn)為基于螺釘和螺母的機械結(jié)會比其他的替代品很強的所需的工具，如膠為例。為了做到這一點，一個小的功能被設(shè)計允許緊固螺栓與螺母無須螺釘在薄的丙烯酸層。這個過程的結(jié)果如圖6所示的三維設(shè)計。 最終的設(shè)計，每一部分是印刷在全規(guī)模的厚紙板，然后驗證這些尺寸和裝配的接口。反過來，我們建立了機械手的第一個原型。其次，機械手手臂的部分被加工從壓克力板使用圓鋸和真皮的工具。詳細的部分是在一個專業(yè)車間自做的機械手手臂的部分太小，為完成這些小的和準(zhǔn)確的削減是不容易的。 在發(fā)動機裝配機械手的零件時，彈出幾個問題。有臨界點，沒有抵抗的緊固，反過來，可能會破壞；因此，考慮在這些點援軍。機械手手臂的最終結(jié)果如圖7所示。 3、機械手臂逆運動學(xué) 為了驗證該機械臂逆運動學(xué)正確的定位，進行了計算。這樣的計算是用來從一個給定的位置使用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)獲得各電機的角，如圖8所示。每個電機都有特定的功能：在Y軸電機位于聯(lián)盟最后的元素的位置，電機B和C的位置最終元件在X軸和Z軸。 問題是利用XZ平面簡化，如圖9所示。在以下的已知值被定義[ 9 ]： LAB：前臂長度。 LBC：手臂的長度。 Z：在Z軸的位置。 X：在X軸的位置。 Y：在Y軸的位置。 利用三角關(guān)系，如圖9所示，得到電機角度θ2和θ1，如方程（9）和（10） 電機B要用θ1和電機C要用θ2。用于電機的計算從方程的角度（11）。這些計算，得到他們所采取的行動將整個結(jié)構(gòu)的具體位置伺服電機的角。 4、末端執(zhí)行器的選擇 端部執(zhí)行器可能是一個最重要和最復(fù)雜的系統(tǒng)的一部分。明智的，它是更容易和經(jīng)濟地使用一個商業(yè)比建造它。端部執(zhí)行器的變化主要是根據(jù)任務(wù)的機械手手臂完成應(yīng)用程序；它可以是氣動，電動或液壓。由于我們的機械手臂的基礎(chǔ)電系統(tǒng)中，我們可以選擇末端執(zhí)行器的電氣基礎(chǔ)。此外，我們的系統(tǒng)的主要應(yīng)用是處理，因此，我們的末端執(zhí)行器的推薦式夾持器，如圖10所示。請注意，端部執(zhí)行器是由一個伺服電機控制，反過來，用于我們的機械手臂總伺服電機5電機，將移動結(jié)構(gòu)。 5、機械手手臂的控制 機械手的手臂可以自動或手動控制。在手動模式下，一個訓(xùn)練有素的操作員（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（一種示教）教會機械手手動完成其任務(wù)。機械手的速度在這些編程會話是緩慢的。在目前的工作，我們附上了兩種模式。 針對所提出的機械手手臂的控制基本上由三個層次：一個微控制器，驅(qū)動器，和一個計算機用戶界面。該系統(tǒng)具有獨特的特性，允許靈活的編程和控制方法，它是用逆向運動學(xué)實現(xiàn)；另外它還可以在全手動模式的實現(xiàn)?？刂齐娮釉O(shè)計如圖11所示。 微控制器是一個ATMEGA 368配備開發(fā)/規(guī)劃委員會命名為“伊諾”，如圖12所示。編程語言與C語言非常相似但包括幾次有助于I/O端口，控制，定時器，串行通信。該微控制器被選中是因為它有一個較低的價格，這是很容易的程序，編程語言是簡單的，和中斷是可以為這個特殊的芯片。 該驅(qū)動程序使用的是一六通道微大師伺服控制板。它支持三種控制方式：USB直接連接到計算機，TTL串口用于嵌入式系統(tǒng)，如Arduino微處理器，和獨立的主機控制器的免費應(yīng)用程序內(nèi)部腳本。該控制器，如圖13所示，包括一個0.25μ的位置、速度和加速度控制分辨率內(nèi)置。 用戶界面取決于使用的控制方法，即，逆運動學(xué)或全手動模式。在下面的，是描述每個接口： 5.1、逆運動學(xué)控制 在這種控制方法中，用戶輸入的坐標(biāo)位置的夾持器應(yīng)。作為結(jié)果，生成的界面與LabVIEW通過可視化的用戶，如圖14所示。程序自動執(zhí)行逆運動學(xué)計算獲得的角度，每個電機應(yīng)該然后發(fā)送命令到微控制器或直接驅(qū)動，將移動機械手到指定位置。通信與RS-232協(xié)議的執(zhí)行。在下面，你可以看到的LabVIEW用戶界面的輸入和輸出。 LabVIEW用戶界面輸入： X軸的位置。 Y軸的位置。 Z軸的位置。 夾口。 夾持器攻角。 串行端口。 LabVIEW用戶接口輸出： 電機的一角。 電機B1角。 電機B2角。 電動機的角。 迎角。 夾持角。 這種輸出變量處理，通過適當(dāng)?shù)姆绞桨l(fā)送，使信息能以正確的方式解釋。輸出是通過串口，與控制器通信發(fā)送。當(dāng)按鈕被點擊“移動”，一個過程將采取的地方，如圖15所示。這個動作，機械手的手臂會根據(jù)輸入的值改變它的位置。此外，它已待機按鈕來停止通信控制器。 這種方法的主要優(yōu)點是，它使用的運動的一種有效方法，提供了更多的功能，可以實現(xiàn)，如位置和序列學(xué)習(xí)。一個缺點，另一方面，是可能的位置，擁有有效的角度后，逆運動學(xué)計算十分有限，因為伺服電機有180?約束。 5.2、手動控制 這種類型的控制是一個額外的選擇，我們的系統(tǒng)在特定的位置上有用。在強制性的位置的情況下，逆運動學(xué)計算模式不能有效的角度，我們可以使用手動控制代替?；旧希謩涌刂瓢ㄒ幌盗械哪M輸入，如電位器，連接微控制器，將解釋的價值和發(fā)送指令給伺服驅(qū)動器。為了實現(xiàn)這一點，一個控制板，如圖16所示，應(yīng)該建立以工作作為用戶界面?？赡艿膶崿F(xiàn)包括教學(xué)特點，單片機存儲位置在內(nèi)存中，通過鍵盤或一系列的開關(guān)可以回憶起這些位置。 6、測試和驗證 進行了測試，驗證了機械手臂及其組件。測試涵蓋特定元素和整體的系統(tǒng)，如圖17所示。為單片機，測試是發(fā)生在發(fā)送不同的命令由軟件對單片機和檢查的變化對輸出被連接到一個伺服電機，根據(jù)命令，打開或關(guān)閉。 伺服電機是通過發(fā)送不同的直接脈沖每個伺服電機和驗證移動到合適的位置響應(yīng)隨后測試。我們用馬克知道初始位置在哪里，電機的最終位置是通過發(fā)送一個信號確定 用單片機和，反過來，這是解釋由伺服相比，由編碼器提供的信號，從而在旋轉(zhuǎn)到所需的位置。在這個試驗中，伺服電機是不相符合的機械手手臂系統(tǒng)由于不正確的極化。 伺服電機的驅(qū)動程序也使用LabVI- EW軟件發(fā)送命令發(fā)出特定的命令，其中有一個電機連接到根據(jù)推薦改變位置驅(qū)動單片機測試。它是要注意，在項目的不同的伺服電機驅(qū)動器選擇但他們和單片機之間的通信相關(guān)的幾個問題是目前開始重要的。所以我們選擇一個驅(qū)動器，允許數(shù)據(jù)被直接發(fā)送到計算機，它只有一個USB線，因此，單片機只會用在人工控制的實施情況。 其他試驗進行驗證整個系統(tǒng)的功能，如圖18所示。這些測試被介紹在LabVIEW界面的具體位置和測量參考點，最后一點，驗證之間的距離發(fā)生：從逆運動學(xué)正確的轉(zhuǎn)換，指定的角度和電機的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。 機械手手臂的測試和驗證是一個需要長時間的任務(wù)，因為需要多次迭代。在我們的測試中，出現(xiàn)許多問題：錯誤的角度計算，電動機的錯誤的校正，與物理的角度和位置的測量問題，和一個伺服電機因過載燒毀，沒有預(yù)期。 7、結(jié)果與討論 在不同操作條件下的機械手手臂，結(jié)果如下： 7.1、伺服電機的運動范圍 由于這種類型的電機規(guī)格包含具有小于180度的跨度得到伺服電機的極限。所有電機的實際范圍被發(fā)現(xiàn)是在范圍125 - 142度，如表1所示。這清楚地表明，機械手臂的實際操作不同于標(biāo)準(zhǔn)的情況下。 7.2、電流消耗 電流消耗取決于負載和機械手手臂的運動型。在目前的研究中，有4個層次的電流消耗： ?低（從0到200 mA）。這種消費發(fā)生時，機械手是靜止的（不運動的情況下）。 ?正常（從200到500 mA）。當(dāng)機械手手臂移動的能力去目標(biāo)沒有大扭矩的需要。 ?高（500～900 Ma）。這個范圍是在負載下進入。通過克服慣性載荷的初始時刻，正常范圍內(nèi)需要的地方。 過載（電流超過900毫安）。負荷太重，電機不能移動。在該條件下超過一分鐘，電機會燃燒，即它是不能使用。 7.3、最大載荷 使用不同的權(quán)重，得到了這些結(jié)果；一袋玉米是用規(guī)模來確定包的重量。結(jié)果進行了通過使用機械手手臂拿起袋子，把它移動到特定的位置。表2列出了當(dāng)前消費在袋玉米不同的權(quán)重。從表2中，可以看出，機械手可以無負荷低于50克的問題移動。在負載60克，機械手手臂開始有困難，經(jīng)過80克惡劣的情況電機發(fā)生不可逆煩的損傷。 7.4、最后的位置 結(jié)果表明，該機械手手臂的精度不同的移動量（小于50克）表3給出了。如圖所示，該機械手能夠執(zhí)行移動到指定的位置。然而，這種運動是不光滑的，有時電機沒有足夠的力，特別是當(dāng)負載較重時。此外，有些問題可能是由于同步兩個底部的汽車出現(xiàn)。兩個電機的步驟并不是巧合，導(dǎo)致在丙烯酸部分張力，這太多會打破部分案例。 8、結(jié)論 本文介紹了設(shè)計和發(fā)展機械手手臂，有人才來完成簡單的任務(wù)，如光材料處理。機械手手臂的設(shè)計和建造的丙烯酸材料在伺服電機進行武器和執(zhí)行的手臂動作之間聯(lián)系。伺服馬達包括編碼器，所以沒有控制器實現(xiàn)的；然而，電機的旋轉(zhuǎn)范圍小于180o跨度，這大大降低了的胳膊和可能的位置到達區(qū)。機械手手臂的設(shè)計是有限的，由于這個設(shè)計允許最必要的運動和保持成本和復(fù)雜性的機械手具有四個自由度。端部執(zhí)行器是不包括在設(shè)計因為商用夾具的使用，因為它是更容易和經(jīng)濟地使用一個商業(yè)比建造它。 在設(shè)計過程中，我們面臨著一些困難由于連接薄丙烯酸部分強烈的方式。采用了一種基于螺釘和螺母的機械連接，以實現(xiàn)這一目標(biāo)，一個小的功能被設(shè)計允許緊固螺栓與螺母無須螺釘在薄的丙烯酸層。 控制的機械手手臂，三的方法來實現(xiàn)的：一個微控制器，驅(qū)動器，和一個計算機用戶界面。該系統(tǒng)具有獨特的特性，允許靈活的編程和控制方法，它是用逆向運動學(xué)實現(xiàn)；另外它還可以在全手動模式的實現(xiàn)。這個機械手手臂與別人比現(xiàn)有的機械手手臂要便宜得多，也可以控制所有電腦中的流動，利用LabVIEW接口。 幾個測試進行驗證的機械手臂，測試涵蓋特定元素和整體的系統(tǒng)；在不同的操作條件，結(jié)果表明信任機械手手臂了。 9、參考文獻 [1]操作工業(yè)機械手的詞匯，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)8373，1994。 [2]工業(yè)和服務(wù)機械手，IFR國際機械手聯(lián)盟，2010。 [3]案例研究和機械手投資的收益，IFR統(tǒng)計系，2008。 [4] J.W.王、R.J.張等?！岸喙δ苤悄軝C械手的手臂”，F(xiàn)UZZ-IEEE雜志，韓國，2009八月20-24，pp.1995-2000。 [5] L.B.Duc，M.賽弗汀等。“設(shè)計的8自由度仿人機械手手臂”，國際會議上的智能和先進的系統(tǒng)，吉隆坡，2007十一月25-28日，pp.1069-1074。 [6]C.R. 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現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進入20世紀(jì)80年代以來，機械手技術(shù)的進步與其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達國家均把機械手技術(shù)的開發(fā)、研究列入國家高新技術(shù)發(fā)展計劃。世界各國普遍在高等院校為大學(xué)本科生及研究生開設(shè)了介紹機械手技術(shù)的有關(guān)課程。為了培養(yǎng)機械手開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、維護方面的人才，我國很多高校也為本科生和研究生開設(shè)了機械手學(xué)課程。因此，本機械手的研制成功，對機電一體化專業(yè)教學(xué)及科研有著十分重要的意義。 二、綜述與本課題相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、研究方法及應(yīng)用領(lǐng)域等 ?1. 研究現(xiàn)狀： 國外目前機械手研究的重點主要有以下幾個方面: (1) 機械手操作機，通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，機械手操作機己實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國 KUKA 公司為代表的機械手公司，將機械手并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機械手的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用大大提高了機械手的性能。 (2) 并聯(lián)機械手：采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機械手技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機械手技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機械手和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。 (3) 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機械手發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸機械手，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線編程已實現(xiàn)實用化。 (4) 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機械手系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機械手的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。日本 KAWASAKI, YASKAWA, FANUC和瑞典ABB、德國KUKA, REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。 (5) 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機械手控制器已實現(xiàn)了與 Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機械手由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò) 化應(yīng)用邁進了一大步，也使機械手由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備有了發(fā)展。 (6) 可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機械手系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機械手系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求。 國內(nèi)機械手研究現(xiàn)狀： 隨著科學(xué)技術(shù)和世界各國機械手技術(shù)的發(fā)展，我國在機械手科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用工程等方面取得了可喜的進步。從20世紀(jì)80年代末到20世紀(jì)90年代，國家863計劃把機械手列為自動化領(lǐng)域的重要研究課題，系統(tǒng)地開展了機械手基礎(chǔ)科學(xué)、關(guān)鍵技術(shù)與機械手元部件、先進機械手系統(tǒng)集成技術(shù)的研究及機械手在自動化工程上的應(yīng)用。在工業(yè)機械手選型方面，確定以開發(fā)點焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運等機械手為主。這是中國機械手事業(yè)從研制到應(yīng)用邁出的重要一步。一批從事機械手研究、開發(fā)、應(yīng)用的人才和隊伍在實踐中成長、壯大，一批以機械手為主業(yè)的產(chǎn)業(yè)化基地已經(jīng)破土而出。 我國近幾年機械手自動化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來顯著效益。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，機械手自動化線的市場也會越來越大，并且逐漸成為自動化生產(chǎn)線的主要方式。我國機械手自動化生產(chǎn)線裝備的市場剛剛起步，而國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進制造裝備轉(zhuǎn)型的時期，這就給機械手自動化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來巨大商機。但是，無論從工業(yè)機械手的數(shù)量上還是技術(shù)上，我們都是比較落后的。而我國作為一個工業(yè)大國，不能寄希望從其他國家得到真正的高技術(shù)，必須自主的發(fā)展我國的高技術(shù)，機械手作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個重要分支，將成為21世紀(jì)各國爭奪的經(jīng)濟技術(shù)制高點。如何在 21世紀(jì)加速我國機械手的發(fā)展，使我國早日進入機械手大國行列，已成為當(dāng)務(wù)之急。由于目前我國機械手的基礎(chǔ)數(shù)量太低，以工業(yè)機械手為例，到了2010年我國機械手擁有量只能達到世界擁有量1.38%～2%，這與我國作為21世紀(jì)前半葉世界主要制造國的要求差距太大，如果這種差距只能以進口機械手來彌補，其巨大損失不是可以用貨幣損失來計算的。可見，無論從資金方面考慮，還是從長遠利益考慮，我們有必要自主地對機械手進行研究和開發(fā)。 2. 發(fā)展趨勢： 機械手涉及到機械、電子、控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。機械手在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。機械手應(yīng)用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉(zhuǎn)變，向以人為中心的個人化和微小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類活動的各個領(lǐng)域。總趨勢是從狹義的機械手概念向廣義的機械手技術(shù)(RT) 概念轉(zhuǎn)移；從工業(yè)機械手產(chǎn)業(yè)向解決工程應(yīng)用方案業(yè)務(wù)的機械手技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機械手技術(shù)（RT）的內(nèi)涵已變?yōu)殪`活應(yīng)用機械手技術(shù)的、具有實在動作功能的智能化系統(tǒng)。目前，工業(yè)機械手技術(shù)正在向智能機器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開放化、PC 化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實用化；工作環(huán)境設(shè)計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。 3. 研究方法： 運動學(xué)正問題的研究目前主要是利用齊次坐標(biāo)變換矩陣方法將位置和姿態(tài)統(tǒng)一描述，該法思路清晰，但運算速度較慢，隨著機械手機構(gòu)自由度的增加對運動學(xué)逆問題的討論帶來很多不便。運動學(xué)逆問題比正問題復(fù)雜的多，主要表現(xiàn)在逆解的存在性和唯一性，存在性決定機械手的操作空間，逆解一般來說非唯一。目前對具有特殊形狀的機械手機構(gòu)如球形手腕機械手機構(gòu)，其逆解是封閉的，但并不唯一。對一般的機械手機構(gòu)逆解必須使用數(shù)值計算方法，因而數(shù)值解的計算速度和精度受到人們的關(guān)注，同時機械手機構(gòu)中常見的奇異狀態(tài)(不可解狀態(tài))在數(shù)值解中如何避免也是討論三維問題之一。 工業(yè)機械手運動學(xué)方程的計算過程需要解多元非線性方程組，數(shù)學(xué)上尚無完備的方法求其解析解，機構(gòu)學(xué)研究者采用數(shù)值分析的方法，取得了一系列進展。但是多數(shù)或者算法不穩(wěn)定，或者過分依賴初值，且計算量大，求解速度慢。工業(yè)機械手機構(gòu)位置正解的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解法也開始進行探討。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于非線性映射的強大的逼近能力，采用 BP 網(wǎng)絡(luò)，利用位置逆解結(jié)果作為訓(xùn)練樣本，通過大量樣本的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，實現(xiàn)機械手從關(guān)節(jié)變量空間到工作變量空間的非線性映射，從而取得并聯(lián)機械手運動學(xué)正解，避免了求位置正解時公式推導(dǎo)和編程計算等的繁雜性[14]。 運動學(xué)方程的建立與求解是一個機械手系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，一直受到廣泛的關(guān)注，但仍然是當(dāng)今的一個研究熱點，有著一定的發(fā)展空間。 機械手軌跡規(guī)劃屬于機械手底層規(guī)劃，是在機械手的運動學(xué)的基礎(chǔ)上，討論在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間中機械手運動過程中的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。所謂軌跡是指機械手在運動過程中的位移、速度和加速度。而軌跡規(guī)劃是根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求，計算出預(yù)期的運動軌跡。首先對機械手的任務(wù)、運動路徑和軌跡進行描述。例如，用戶給出手部的目標(biāo)位姿，規(guī)劃所要完成的任務(wù)是:確定到該目標(biāo)的路徑點、持續(xù)時間、運動速度等軌跡參數(shù)，并在計算機的內(nèi)部描述所要求的軌跡，即選擇習(xí)慣給定及合理的軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最后，對內(nèi)部描述的軌跡，實時計算機械手運動的位移、速度和加速度，生成運動軌跡。 軌跡規(guī)劃既可在關(guān)節(jié)空間也可在直角空間進行，但是所規(guī)劃的軌跡函數(shù)都必須連 續(xù)和平滑，使得操作臂的運動平穩(wěn)。用戶根據(jù)作業(yè)給出的各個路徑點后，路徑規(guī)劃的任務(wù)包含: 解變換方程(運動學(xué)正解)、進行運動學(xué)反解和插值運算等；在關(guān)節(jié)空間進行規(guī)劃時，大量工作是對關(guān)節(jié)變量的插值運算。因此，對于插值算法的研究是機械手軌跡規(guī)劃的一個重要方面。 4. 應(yīng)用領(lǐng)域：目前工業(yè)機械手主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、金屬加工以及金屬制品業(yè)等。在日、美、西歐等一些工業(yè)發(fā)達的國家中，工業(yè)機械手得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，機械手功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大，其應(yīng)用范圍已不限于制造業(yè)，還用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運輸業(yè)、原子能工業(yè)、醫(yī)療、福利事業(yè)、海洋和太空的開發(fā)事業(yè)中。 三、對本課題將要解決的主要問題及解決問題的思路與方法、擬采用的研究方法（技術(shù)路線）或設(shè)計（實驗）方案進行說明 ?1. 主要問題： 1) 工業(yè)機械手驅(qū)動裝置的選擇 2) 工業(yè)傳動比的選擇 3) 工業(yè)機械手的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 4) 工業(yè)機械手的機械傳動裝置設(shè)計 5) 工業(yè)機械手工作運行穩(wěn)定性的保障 2. 思路與方法：本課題要求機械手手臂能達到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時要結(jié)構(gòu)簡單，容易控制。綜合考慮后確定該機械手具有五個自由度，其中手臂三個自由度，手爪部分二個自由度。 3. 技術(shù)路線： 1) 查閱國內(nèi)外相關(guān)資料 2) 根據(jù)參數(shù)確定設(shè)計方案 3) 主要零部件的選型 4) 設(shè)計各機構(gòu)的圖紙繪制以及總裝圖的繪制 5) 資料文件的整理編寫設(shè)計說明書 4. 設(shè)計方案：由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機械手比非關(guān)節(jié)型機械手有大得多的相對空間(手腕可達到的最大空間體積與機械手本體外殼體積之比)和絕對工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)節(jié)型機械手的動作和軌跡更靈活，因此該型機械手采用關(guān)節(jié)型機械手的結(jié)構(gòu)。 四、檢索與本課題有關(guān)參考文獻資料的簡要說明 ? 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