六自由度机械手运动分析

毕业论文六自由度机械手毕业论文专业机械设计制造及其自动化课题多自由度机械手机械设计摘要文中设计了一种六自由度机械手。该机械手主要由底座，腰部，主板，大手臂，小手臂，手腕，夹爪组成，采用步进电机驱动，单片机控制。手臂的尺寸与人手臂的大小相当。手臂的运动主要包括：腰部转动，大手臂摆动，小手臂摆动，手腕摆动，手腕转动，夹爪夹取。此手臂的空间活动半径0.5m，定位精度为5mm.它能够抓取重量较轻的物体，并放到预定位置。该机械手有过载保护以及断电空间位置的自锁功能.可以用于教学演示，或者在有放射性的环境中完成特定工作。文中对机械手进行了正运动学 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,采用齐次坐标变换法得到了机械手末端位置和姿态随关节夹角之间的变换关系,并完成了总体机械结计、步进电机选型、蜗轮蜗杆及带传动比的确定以及部分重要零件的设计。关键词：机械手六自由度步进电机同步带。AbstractAkindofmanipulatorofsixdegreesoffreedomhasbeendesignedinthispaper.Thismanipulatorismadeupofthefoundation,thewaist,thebigarm,thesmallarm,thewrist,andtheclaw;themanipulatorisdrivenbysteppermotor,andcontrolledbysinglechip.Thesizeofthemanipulatorisequalinthesizetothearmsofpeople.Locomotionofthemanipulatorincludes:waistturning,bigarmswung,smallarmswung,wristswung,wristrotating,clawfetching.Theradiusofactionis0.5m,andtheaccuracyis5mm.Itcanpickthelight-weightobject,andputittotherecalculatedposition.Themanipulatorhasoverloadprotectionfunction,andspacepositionself-lockfunction.Thisarmcanbeusedinteaching,orinradioactiveenvironments.Inthispaper,robotkinematicanalysisiscarriedoutusinghomogeneouscoordinatetransformationmethodwastheendmanipulatorjointpositionandattitudewiththechangingrelationshipbetweentheangleandsteppermotordesigning,physicalconstructiondesigninghadbeencompleted.Keywords:manipulator,sixdegreesoffreedom,steppermotor,lockingband.目录目录……………………………………………………………………………………41绪论…………………………………………………………………………………61.1国内机械手研状………………………………………………………………61.2机械手的构成…………………………………………………………………71.3机械手的发展趋势…………………………………………………………91.4本设计课题的背景和意义…………………………………………………92机械手的总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计…………………………………………………………102.1机械手基本形式的选择……………………………………………………102.2机械手的主要部件及运动…………………………………………………112.3驱动机构的选择……………………………………………………………122.4传动机构的选择……………………………………………………………123机械手的数学建模………………………………………………………………123.1机器人数学基础……………………………………………………………123.2机器人的运动学方程………………………………………………………134机械手的整体设计计算…………………………………………………………154.1手部设计基本要求…………………………………………………………15典型的手部结构……………………………………………………………164.3机械手手指的设计计算……………………………………………………164.3.1选择手抓的类型和加紧机构…………………………………………164.3.2手抓加紧力与驱动力的力学分析……………………………………164.4驱动电机的选择……………………………………………………………174.4.1手指张合电机的选择…………………………………………………174.4.2手腕电机的选择………………………………………………………194.4.3大手臂摆动电机的选择………………………………………………194.4.4小手臂摆动电机的选择………………………………………………204.4.5手腕摆动电机的选择…………………………………………………204.4.6底座转动电机的选择…………………………………………………214.5涡轮蜗杆、带轮的选择及传动比的确定…………………………………214.5.1底座电机处涡轮蜗杆的传动的确定…………………………………214.5.2大手臂电机处涡轮蜗杆及带传动的确定……………………………224.5.3小手臂电机处涡轮蜗杆及带传动的确定……………………………234.5.4手腕摆动电机处涡轮蜗杆及带传动的确定…………………………244.6小手臂摆动处轴的校核……………………………………………………255总结与展望………………………………………………………………………29谢辞…………………………………………………………………………………30[参考文献]…………………………………………………………………………31附录一科技文献翻译………………………………………………………………32附录二 毕业设计 机械毕业设计下载球磨机的毕业设计下载关于网络爬虫的毕业设计下载关于网络爬虫的毕业设计下载河南城建学院毕业设计论文下载 任务书与开题报告………………………………………………46多自由度机械手机械设计1绪论机械手(manipulator)是一种能按给定的程序或要求，自动地完成物体(材料、工件、零件或工具等)传送或操作作业的机械装置，它能部分地代替人来进行繁重、危险、重复等手工作业。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间[3]。1.1国内外机械手研究现状现代机械手的研究开始于二十世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展。80年代，工业机械手产业得到了巨大的发展，应用范围遍及工业生产的各个领域。80年代末期，各国把发展的目标调整到更现实的基础上来。90年代，机械手的发展已经不再局限于机械手本身，而成为了新一代整个机器的发展方向。现在的绝大多数工业机器人是可编程控的机器人。这种系统的主要特点在于它的通用性和灵活性。目前，机器人的种类也越来越多，呈现了多元化的趋势，相继出现了水下机器人，爬臂机器人，爬管机器人，二足，四足和六足机器人，空间机器人以及各种人工假肢等，机器人技术也已深入到工业、农业、军事医学及公共服务各项事业中，其本身己成为一个非常广阔的研究领域，涉及力学、电子学、生物学、控制论、计算机科学、人工智能和系统工程等，成为一门综合了多学科的高技术，并逐渐形成了一个完整的体系—机器人学121。近年来，机器人技术作为机电一体化的最高成就已经成为当代科学技术发展的最活跃的领域之一，机器人的研究，创造和应用水平也已成为一个国家的科技水平和经济实力的象征，正受到越来越多国家的广泛重视。机械手的控制问题是与其运动学和动力学问题密切相关的。从控制观点上看，机器人系统代表冗余的，多变量和本质上非线性的控制系统，同时又是复杂的耦合动态系统。每个控制任务本身就是一个动力学任务。在实际研究中，往往把机器人控制系统简化为若干个低阶子系统来描述。机械手的控制器具有多种结构形式，包括非伺服控制，伺服控制，位置和速度控制，力(力矩)控制，基于传感器的控制，非线性的控制，分解加速度控制等等。机器人控制器的选择，是由机器人所执行的任务决定的。中级技术水平以上的机器人，绝大多数采用计算机控制，要求控制器有效而且灵活，能够处理工作任务指令和传感信息这两种输入。用户与系统间的接口，要求能够迅速地指明工作任务。技术水平更高的机器人，具有不同程度的“智能”，其控制系统能够借助于传感信息与周围环境交互作用，并根据获取的信息，修正系统的状态，甚至能够自主地控制机器人实现控制任务。从关节(或连杆)角度看，可把工业机械手的控制器分为单关节(连杆)控制器和多关节(连杆)控制器两种。对于前者，设计时应考虑稳态误差的补偿问题:对于后者，则应该考虑耦合惯量的补偿问题。变结构控制是在20世纪50年代被提出来的限于当时的技术条件和控制手段，这种理论没有得到迅速发展。近年来，计算机技术的进步，使得变结构控制技术能很方便的实现，并不断充实和发展，成为非线性控制的一种简单而又有效的方法。变结构控制系统的特点是，在动态控制过程中，系统的结构根据系统当时的状态偏差及其各阶导数的变化，以跃变的方式按设定的规律作相应的改变，它是一类特殊的非线性控制系统[3]。1.2机械手的构成现代机械手主要由手抓、传动机构、动力部分、控制系统与其它部分构成。(1)手爪手爪又称抓取机构，包括手指、传力机构和驱动装置等，作用是直接抓取和放置工件(或工具)。(2)传动机构传动机构主要是起改变物件方位和位置的作用。传动机构根据结构和原理的不同，有机械传动机构，包括:齿轮传动、丝杠传动、带传动、链传动、连杆传动和凸轮传动等多种类型，以及液压传动机构、气动传动机构等。近年来，随着各类伺服系统，尤其是电气伺服系统的性能完善和成本降低，使运动传动机构有较大的简化。(3)动力部分动力部分是驱动前两部分的动力，因此也称动力源。常用的有:电动驱动、气动驱动和液压驱动三种基本类型。在电动执行装置中，有直流(DC)电机、交流(AC)电机、步进电机和直接驱动(DD)电机等实现旋转运动的电动机，以及实现直线运动的直线电机。电动驱动装置由于其能源容易获得，使用方便，所以得到了广泛的应用;气动驱动装置有气缸、气动马达等，这些装置具有重量轻、价格便宜等特点;液压驱动装置有液压油缸、液压马达等，这些装置具有体积小、输出功率大等特点。(4)控制系统控制系统是机械手的指挥系统，由它来控制动作的顺序(程序)、位置和时间(甚至速度和加速度)等;通过对动力部分的控制，使执行机构按照规定的要求进行工作。(5)其它部分其它部分包括机体、行走机构、检测装置和传感装置等:①机体(也称机身)是用于支承和连接其他零件、部件的基础件。②行走机构是为了扩大机械手的使用空间而设置的。它本身又包括动力源、传动(减速)机构、滚轮或连杆机构。目前大多数机械手还缺乏行走机构;③检测装置是检测和控制机械手各运动行程(位置)的装置，主要是对位置、速度和力等各种外部和内部信息进行检测;④传感装置其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反应手指与物件是否接触、物体有无滑下或脱落、物件的方位是否正确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应等[11]。1.3机械手的发展趋势(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。1.4设计课题的背景和意义随着科学技术的发展，机械手在我们生活中也扮演着越来越重要的角色。特别是在现代工业生产领域中，越来越多的机械手被用来代替人的实际劳动，更激发了我对机器人技术浓厚的兴趣，所以在这次毕业设计中，我选择了六自由度机机械手设计与制作这个题目。六自由度机械手设计分为机械部分与控制部分两大模块。机械部分主要是完成机构的设计与零件的加工，而控制部分主要完成的工作的是对六自由度机械手整个的动作流程进行设计，并通过硬件的连接和对61板编写合适的程序，以实现红外检测，电机驱动等功能。本次毕业设计负责机械部分的设计与制作。它应当实现的功能是：1)大面积快速搜索和定位功能2)满足空间定位精度5mm3)自动抓取功能4)过载保护功能5)掉电保护功能从结构和功能上来看，这个六自由度机械手确实称不上复杂，但它却具有很重要的意义。首先它是我第一次将四年所学知识的第一次综合运用，无论最初的设计，还是最终的全文完成，对我们来说都是极大的挑战，开阔了我的视野，丰富了我的经验，提高了我的实际动手的能力。其次，它的制作完成一定可以极大的激发同学们对机器人技术的热爱，提高对机器人技术的浓厚兴趣，并吸引更多的同学投入到机器人设计与制作行列中来。再次，它主要是用来当作学校的示教工具，其充分运用和综合了我在大学四年中所学的机械内容，能够让更多的同学在今后的学习中对机械方面有更加深刻的理解。2机械手的总体方案设计本课题是型回转型机械手的设计.本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计。在本章中对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。2.1机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种:(1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手;(3)球坐标(极坐标)型机械手;(4)多关节型机机械手[1]。其中多关节型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用多关节型。由于本次是毕业设计考虑到综合运用本科阶段所学知识固设计如图1.1。这是本次毕业设计课题六自由度机械手的整体设计示意图。图2.1机械手整体示意图2.2机械手的主要部件及运动在多关节式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有6个自由度既：手抓张合；手腕回转；手动腕摆；小手臂摆动；大手臂摆动；底座回转6个主要运动。本设计机械手主要由4个大部件和6个电机组成：1)手部，采用一个小型步进电机，通过导轨机构运动实现手抓的张合。2)腕部，采用一个步进电机实现手部回转180°。3)臂部，采用步进电机，通过同步带来实现手臂的上下摆动。4)机身，采用一个步进电机和一对蜗轮蜗杆机构来实现底座的回转运动。2.3驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分,工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用电动机构驱动机械手、结构简单、尺寸紧凑、设计方便、控制简单与能综合运用本科阶段所学知识等优点。因此，机械手的驱动方案选择电动驱动。2.4传动机构的选择在现有的机械手系统中，所采用的传动机构主要有蜗轮蜗杆传动、行星轮系传动、链传动、带传动等。带传动的主要优点是：1）适用于中心距较大的传动；2）带具有良好的饶性，可缓和冲击、吸收振动；3）过载时带与带轮间出现打滑，打滑虽使传动失效，但可防止损坏其他零件；4）结构简单、成本低廉。在本次设计中，鉴于手臂传动中心距较大，传动要求相对高的精度，故相比较后选择同步带进行传动[1]。3机械手的数学模型3.1机器人的数学基础为了描述机器人本身各连杆之间、机器人和环境之间的运动关系，通常将它们当成刚体，进而研究各刚体之间的运动关系。而通过在刚体上面固连一个坐标系，再将该固连的坐标系在空间表示出来。由于这个坐标系一直固连在刚体上，所以这个坐标系如果可以在空间表示出来，那么这个刚体相对于固定坐标系的位姿也就已知了。空间任意一点P在不同的坐标系中的描述是不同的，因此经过不同的坐标变换P点的坐标是不同的。坐标变换包括平移变换、旋转变换与复合变换。用四维向量表示三维空间一点的位置P，即：上式称为点的齐次坐标，式中为非零常数。当n维位置向量用n+l维位置向量表示时，称为齐次坐标表示式。齐次变换矩阵可分解为平移变换和旋转变换，即：式中.为平移变换矩阵，为绕过原点的K轴转动角的旋转变换矩阵。3.2机器人的运动学方程本文研究的机械手是具有6个自由度的空间开链机构，它由一系列连杆通过转动关节串联而成，关节的相对转动导致连杆的运动。本论文采用D-H(Denavit和Harenberg)分析方法来描述机器人相邻两连杆之间的运动学关系即用一个4X4的齐次变换矩阵来描述相邻两连杆的位置与姿态(简称为位姿)，以此推导出“手爪坐标系”相对于“参考系”的齐次变换矩阵，从而建立操作臂的几何模型和运动学方程。对于具有n个连杆的机械手，运动学方程是要确定与末端坐标系固联的手爪相对于基座的变换。根据齐次变换矩阵的乘法规则有：式中，表示末端坐标系相对于基坐标系的位姿[10]。（了书写方便，将改写为）本课题要研究的六自由度机械手D.H模型如图图3.5六自由度机械手的D-H模型有以上的坐标系推导法,可得出本课题六自由度机械手的运动 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 ，如下：表1.六自由度机械手各关节参数列表关节i（º）（mm）（mm）（º）1θ100902θ20a203θ30a304θ40a49050d50-90其中，a2=a3=250mm,a4=90mm,d5=90mm有上表可求出各连杆之间的齐次变换矩阵，如下根据矩阵乘法法则，可以得出本课题六自由度机械手末端执行器的位姿的齐次变换矩阵是：其中4机械手的整体设计计算4.1手部设计基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力，应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的；（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件；（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载；（4）应保证手抓的夹持精度。4.2典型的手部结构（1）回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。（2）移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。（3）平面平移型[1]4.3机械手手指的设计计算4.3.1选择手抓的类型和夹紧机构本设计是设计六自由度机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角=，夹取重量为1Kg。常用的工业机械手手部，按握持工件的原理，分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单,适于夹持平板方料、棒料等,且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置,其理论夹持误差零。通过采用典型的平移型手指,驱动力加在手指移动方向上,这样结构比较简单且体积适中。通过综合考虑，本设计选择二指平移型手抓，采用滑槽导轨这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在电机的驱动力的作用下机械手手抓实现张开和闭和[5]。4.3.2手抓夹紧力和驱动力的力学分析手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算：式中——安全系数，通常1.2--2.0；——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a，重力方向的最大上升加速度；——运载时工件最大上升速度——系统达到最高速度的时间，一般选取0.03--0.5s——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择G——被抓取工件所受重力（N）取=2，=0.5，G=10N根据公式，将已知条件带入：1.5=7.65N取=0.85由驱动力公式得：=7.65/0.85=9N设F为驱动力，则其中为螺纹倾斜角=15，为摩擦角=30F=[6]4.4驱动电机的选择4.4.1手指张合电机的选择设前端手指的重量为0.1Kg，螺纹导程=1mm，则空载时，工作台折算到电机轴上的转动惯量为：最大工作载荷下，工作台折算到电机轴上的转动惯量为：（1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：式中——快速空载起动时折算到殿动机转轴上的最大加速转矩——移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩（2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：——折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩步进电机的最大静转矩：查手册得，可选用常州宝马集团前杨电机电器有限公司的36BF003型电机其=0.078N.m能够满足机构要求[7]。4.4.2手腕电机的选择（1）空载时折算到电动机转轴上的转动惯量：快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩查手册得，选用常州宝马集团前杨电机电器有限公司的36BF003型电机其最静转矩=0.078能够满足机构的要求[6]。4.4.3大手臂摆动电机的选择初步估计整个手臂重量为5Kg,设大手臂摆动速度为3r/min,手臂折算到外轴上的转动惯量为：整个手臂折算到外轴上的转动惯量为：电动机的转矩为：电动机的转矩选用常州宝马集团前杨电机电器有限公司的55BF003型电机其最大静转矩为=0.666N.m,能够满足机构要求[7]。4.4.4小手臂摆动电机的选择初步估计小手臂重量为3Kg,设摆动速度为3r/min则小手臂折算到中轴上的转动惯量为小手臂折算到中轴上的转动惯量为：小手臂摆动电机的最大静转矩为选用常州宝马集团前杨电机电器有限公司的45BF003型电机其最大静转矩为=0.196N.m，能够满足机构的要求[7]。4.4.5手腕摆动电机的选择初步估计手腕部分重量为2Kg,设摆动速度为5r/min。则手腕部分折算到外轴上的转动惯量为手腕部分折算到外轴上的转矩为：手腕部分摆动电机的最大静转矩为：选用常州宝马集团前杨电机电器有限公司的36BF003型电机其最大静转矩为=0.078N.m，能够满足机构要求[7]。4.4.6底座转动电机的选择初步估计机身重量为15Kg,转动速度为3r/min折算到电机转轴上的转动惯量为：折算到电机轴上的转矩为：电机的最大静转矩为：选用常州宝马集团前杨电机电器有限公司的55BF003型电机其最大静转矩为=0.666N.m[7]4.5蜗轮蜗杆、带轮的选择及传动比的确定4.5.1底座电机处蜗轮蜗杆传动的确定由选用电机为55BF003可得，运行频率f=18000HZ=75r/min又=3r/mini==25蜗杆选用40Cr,45-50HRC蜗轮选用10-3铝青铜估计=5m/s查表得=140Mpa由式其中K为载荷系数，当考虑载荷集中和动载荷影响时，K取1.1—1.3查表得m=1.25=20q=164.5.2大手臂电机处蜗轮蜗杆及带传动的确定由选用55BF003电机运行频率f=18000HZ=75r/min由=3r/mini==25取蜗轮蜗杆传动比为20带轮传动比为1.25（1）由传动比i=20查表得=2=40蜗杆40Cr45—50HRC蜗轮10-3铝青铜估计=5m/s查表得=140Mpa由式可得查表得m=2=22.4q=11.2=80（2）由=75r/min=20带轮的主动论转速为=3.75r/min由式V一般在5——25m/s取V=20m/s查表得：选带轮为Y型带=28由式其中为V带传动的滑动率，一般为0.01—0.02查表得：取=35.5取V带基准长度查表得：取=280由带轮满足要求[8]。4.5.3小手臂电机处蜗轮蜗杆、带传动比的确定由小手臂摆动选用电机为45BF003型可得，运行频率为f=27000HZ=112.5r/min又=3r/min总传动比i==37.5由大手臂摆动电机确定的一级带轮传动比为=1.25取二级带轮传动比为=1小手臂摆动电机蜗轮蜗杆的传动比为由传动比为=30查表得：蜗杆头数=2=60蜗杆40Cr45—50HRC蜗轮10-3铝青铜估计=5m/s查表得=140Mpa由式可得查表得：m=1=18q=18=60（1）由=112.5r/min=30=1.25带轮的主动论转速为=3r/min由式V一般在5——25m/s取V=20m/s查表得：选带轮为Y型带=20又=1取V带基准长度查表得：取=200[8]4.5.4手腕摆动电机处蜗轮蜗杆、带传动比的确定由手腕摆动处选用电机为36BF003型可得，运行频率为f=27000HZ=112.5r/min又=5r/min总传动比i==22.5又大手臂摆动电机确定的一级带轮传动比为=1.25小手臂摆动电机确定的二级带轮传动比为=1取三级传动比为=1蜗轮蜗杆的传动比为由传动比为=18查表得：蜗杆头数=2=36蜗杆40Cr45—50HRC蜗轮10-3铝青铜估计=5m/s查表得=140Mpa由式可得查表得：m=1=18q=18=36[8]4.6小手臂摆动处轴的强度较核（1）小手臂摆动轴的受力分析图如下：图4.1小手臂摆动轴的受力分析图[9]其中：（1）绘制垂直面内的弯矩图由式垂直面内弯矩图如下所示：图4.2垂直面内弯矩图[9]（1）绘制水平面内的弯矩图由式可得水平面内的弯矩图如下所示：图4.3水平面内的弯矩图[9]（2）绘制合成弯矩图在C和D处在E处在C处在E处在D处轴的合成弯矩图如下所示：图4.4轴的合成弯矩图[9]轴的扭矩图如下所示：图4.5轴的扭矩图[9]轴的危险截面为中心E点当量弯矩为轴的材料选用45钢，调质处理查表得：轴的直径取d=5能够满足强度要求。5总结与展望历经一个学期的努力，六自由度机械手终于设计成功。在这段时间内，我温习和巩固了大学四年所学的专业知识，综合运用了所学的机械和电子方面的知识，极大的提高了我分析问题，解决问题的能力。回顾过去的两个多月，感觉收获颇丰：1)通过对机械手的整体方案设计，典型结构设计，使我对大学四年所学的机械方面的知识以及专业方面的知识有了更深一步的了解和认识，而不像以前一样仅仅停留在书本的概念上。2)掌握了机械结构整体方案设计的原则和要求，在设计过程中熟练的查取了相关的设计手册，为以后工作上的需要打下了坚实的基础。3)通过对各个典型机构的设计，充分的理解和掌握了机械设计方面的知识，并且也对专业上的智能控制和误差控制方面有了更加深刻的认识。由于论文的研究时间、本人的能力和知识范围有限，本论文的研究工作还存在着一些不足之处，存在一些需要完善和改进的地方：1)因为六自由度机械手控制系统是一个开环控制系统，所以机器手工作过程中存在着丢步、失态问题，所以在时间和条件允许的情况下，希望能做成闭环系统，以提高系统精度。2)系统几个主要模块尚未进行过实际考核，在工作可靠性、抗干扰性能等方面有待进一步完善和提高。此外系统在总体布局和结构设计上离实际应用还有一些待完善之处。随着科技和社会的进步，智能机器人在人们生活的各个领域发挥着越来越大的作用。因此，了解机器人、研究机器人、并最终设计制造更先进、更科学、更人性化的机器人就成为我们机电专业最为重要的任务之一。谢辞经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于所学知识有限，经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的导师黄老师。黄老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查答辩，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是黄老师仍然细心地纠正图纸中的错误与论文中的误点。除了敬佩黄老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。其次要感谢和我一组作毕业设计的其他同学，我们在本次设计中相互学习，相互鼓励。如果我们之间的相互帮助，此次设计的完成将变得非常困难。然后还要感谢大学四年来所有的老师，指导我们打下专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。感谢父母对我的关爱和教诲。最后感谢机械与电气工程学院和我的母校—安徽建筑工业学院四年来对我的大力栽培。[参考文献][1]《工业机械手》编写组.工业机械手[M].上海:上海科学技术出版社,1978.P38-89[2]高军.多自由度机械手的气动控制[D].哈尔滨工业大学：机械电子工程学院，2005[3]天津大学编.工业机械手设计基础[M].天津：天津科技出版社，1998.P53-72[4]杨柯桢，程光蕴.机械设计基础(第四版)[M].北京：高等教育出版社,1999.P194-235[5]张善锺主编.精密仪器结构设计手册[M].北京：机械工业出版社，2001.P86-93[6]成大先.机械设计手册(第三版第5卷)[M].北京：化学工业出版社，1994.P607-644[7]尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书[M].北京：机械工业大学出版，2007.P55-67[8]庞振基，黄其圣.精密机械设计[M].北京：机械工业出版社，2000.P182-200[9]杨伯源.材料力学(Ⅰ)[M].北京：机械工业出版社，2002.P51-84[10](美)尼库(Niku,S.B)著；孙富春等译.机器人学导论[M].北京:电子工业出版社,2004.P26-74[11]秦卫贞.四自由度教学机器人控制系统的研究与设计.东北大学.2007附录一英文科技文献翻译英文原文AutomatedTrackingandGraspingofaMovingObjectwithaRoboticHand-EyeSystemAbstractMostroboticgraspingtasksassumeastationaryorfixedobject.Inthispaper,weexploretherequirementsfortrackingandgraspingamovingobject.Thefocusofourworkistoachieveahighlevelofinteractionbetweenareal-timevisionsystemcapableoftrackingmovingobjectsin3-Dandarobotarmwithgripperthatcanbeusedtopickupamovingobject.Thereisaninterestinexploringtheinterplayofhand-eyecoordinationfordynamicgraspingtaskssuchasgraspingofpartsonamovingconveyorsystem,assemblyofarticulatedparts,orforgraspingfromamobileroboticsystem.Coordinationbetweenanorganism'ssensingmodalitiesandmotorcontrolsystemisahallmarkofintelligentbehavior,andwearepursuingthegoalofbuildinganintegratedsensingandactuationsystemthatcanoperateindynamicasopposedtostaticenvironments.Thesystemwehavebuiltaddressesthreedistinctproblemsinrobotichand-eyecoordinationforgraspingmovingobjects:fastcomputationof3-Dmotionparametersfromvision,predictivecontrolofamovingroboticarmtotrackamovingobject,andinterceptionandgrasping.Thesystemisabletooperateatapproximatelyhumanarmmovementrates,andexperimentalresultsinwhichamovingmodeltrainistrackedispresented,stablygrasped,andpickedupbythesystem.Thealgorithmswehavedevelopedthatrelatesensingtoactuationarequitegeneralandapplicabletoavarietyofcomplexrobotictasksthatrequirevisualfeedbackforarmandhandcontrol.I.INTRODUCTIONThefocusofourworkistoachieveahighlevelofinteractionbetweenreal-timevisionsystemscapableoftrackingmovingobjectsin3-Dandarobotarmequippedwithadexteroushandthatcanbeusedtointercept,grasp,andpickupamovingobject.Weareinterestedinexploringtheinterplayofhand-eyecoordinationfordynamicgraspingtaskssuchasgraspingofpartsonamovingconveyorsystem,assemblyofarticulatedparts,orforgraspingfromamobileroboticsystem.Coordinationbetweenanorganism'ssensingmodalitiesandmotorcontrolsystemisahallmarkofintelligentbehavior,andwearepursuingthegoalofbuildinganintegratedsensingandactuationsystemthatcanoperateindynamicasopposedtostaticenvironments.Therehasbeenmuchresearchinroboticsoverthelastfewyearsthataddresseithervisualtrackingofmovingobjectsorgeneralizedgraspingproblems.However,therehavebeenfeweffortsthattrytolinkthetwoproblems.Itisquiteclearthatcomplexrobotictaskssuchasautomatedassemblywillneedtohaveintegratedsystemsthatusevisualfeedbacktoplan,execute,andmonitorgrasping.Thesystemwehavebuiltaddressesthreedistinctproblemsinrobotichand-eyecoordinationforgraspingmovingobjects:fastcomputationof3-Dmotionparametersfromvision,predictivecontrolofamovingroboticarmtotrackamovingobject,andinterceptionandgrasping.Thesystemisabletooperateatapproximatelyhumanarmmovementrates,usingvisualfeedbacktotrack,intercept,stablygrasp,andpickupamovingobject.Thealgorithmswehavedevelopedthatrelatesensingtoactuationarequitegeneralandapplicabletoavarietyofcomplexrobotictasksthatrequirevisualfeedbackforarmandhandcontrol.Ourworkalsoaddressesaveryfundamentalandlimitingproblemthatisinherentinbuildingintegratedsensingactuationsystems;integrationofsystemswithdifferentsamplingandprocessingrates.Mostcomplexroboticsystemsareactuallyamalgamsofdifferentprocessingdevices,connectedbyavarietyofmethods.Forexample,oursystemconsistsofthreeseparatecomputationsystems:aparallelimageprocessingcomputer;ahostcomputerthatfilters,triangulates,andpredicts3-Dpositionfromtherawvisiondata;andaseparatearmcontrolsystemcomputerthatperformsinversekinematictransformationsandjoint-levelservicing.Eachofthesesystemshasitsownsamplingrate,noisecharacteristics,andprocessingdelays,whichneedtobeintegratedtoachievesmoothandstablereal-timeperformance.Inourcase,thisinvolvesovercomingvisualprocessingnoiseanddelayswithapredictivefilterbaseduponaprobabilisticanalysisofthesystemnoisecharacteristics.Inaddition,real-timearmcontrolneedstobeabletooperateatfastservoratesregardlessofwhethernewpredictionsofobjectpositionareavailable.Thesystemconsistsoftwofixedcamerasthatcanimageascenecontainingamovingobject(Fig.1).APUMA-560withaparalleljawgripperattachedisusedtotrackandpickuptheobjectasitmoves(Fig.2).Thesystemoperatesasfollows:1)Theimagingsystemperformsastereoscopicoptic-flowcalculationateachpixelintheimage.Fromtheseoptic-flowfields,amotionenergyprofileisobtainedthatformsthebasisforatriangulationthatcanrecoverthe3-Dpositionofamovingobjectatvideorates.2)The3-Dpositionofthemovingobjectcomputedbystep1isinitiallysmoothedtoremovesensornoise,andanonlinearfilterisusedtorecoverthecorrecttrajectoryparameterswhichcanbeusedforforwardprediction,andtheupdatedpositionissenttothetrajectory-planner/arm-controlsystem.3)Thetrajectoryplannerupdatesthejoint-levelservosofthearmviakinematictransformequations.Anadditionalfixed-gainfilterisusedtoprovideservo-levelcontrolincaseofmissedordelayedcommunicationfromthevisionandfilteringsystem.4)Oncetrackingisstable,thesystemcommandsthearmtointerceptthemovingobjectandthehandisusedtograsptheobjectstablyandpickitup.Thefollowingsectionsofthepaperdescribeeachofthesesubsystemsindetailalongwithexperimentalresults.П.PREVIOUSWORKPreviouseffortsintheareasofmotiontrackingandreal-timecontrolaretoonumeroustoexhaustivelylisthere.Weinsteadlistsomenotableeffortsthathaveinspiredustousesimilarapproaches.Burtetal.[9]havefocusedonhigh-speedfeaturedetectionandhierarchicalscalingofimagesinordertomeetthereal-timedemandsofsurveillanceandotherroboticapplications.Relatedworkhasbeenreportedby.LeeandWohn[29]andWiklundandGranlund[43]whousesimagedifferencingmethodstotrackmotion.Corke,Paul,andWohn[13]reportafeature-basedtrackingmethodthatusesspecial-purposehardwaretodriveaservocontrollerofanarm-mountedcamera.Goldenbergetal.[16]havedevelopedamethodthatusestemporalfilteringwithvisionhardwaresimilartoourown.Luo,Mullen,andWessel[30]reportareal-timeimplementationofmotiontrackingin1-DbasedonHornandSchunk’smethod.Vergheseetul.[41]Reportreal-timeshort-rangevisualtrackingofobjectsusingapipelinedsystemsimilartoourown.Safadi[37]usesatrackingfiltersimilartoourownandapyramid-basedvisionsystem,butfewresultsarereportedwiththissystem.RaoandDurrant-Whyte[36]haveimplementedaKalmanfilter-baseddecentralizedtrackingsystemthattracksmovingobjectswithmultiplecameras.Miller[31]hasintegratedacameraandarmforatrackingtaskwheretheemphasisisonlearningkinematicandcontrolparametersofthesystem.Weissetal.[42]alsousevisualfeedbacktodevelopcontrollawsformanipulation.Brown[8]hasimplementedagazecontrolsystemthatlinksarobotic“head”containingbinocularcameraswithaservocontrollerthatallowsonetomaintainafixedgazeonamovingobject.ClarkandFerrier[12]alsohaveimplementedagazecontrolsystemforamobilerobot.Avariationofthetrackingproblemsisthecaseofmovingcameras.Someofthepapersaddressingthisinterestingproblemare[9],[15],[44],and[18].Themajorityofliteratureonthecontrolproblemsencounteredinmotiontrackingexperimentsisconcernedwiththeproblemofgeneratingsmooth,up-to-datetrajectoriesfromnoisyanddelayedoutputsfromdifferentvisionalgorithms.Ourpreviouswork[4]copedwiththatprobleminasimilarwayasin[38],usingancy-p-yfilter,whichisaformofsteady-stateKalmanfilter.Otherapproachescanbefoundinpapersby[33],[3