机械手夹持器结构设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

世界上第一台机器人诞生于美国，1954年，美国戴沃乐最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。1958年，被誉为“工业机器人之父”的josephf.engelberger创建了世界上第一个机器人公司---unimation(universalautomation)公司，并参与设计了第一台unimate机器人。美国从1962年开始到1974年，历经12年，已拥有1200台机器人，主要是满足汽车工业的需求。日本川崎重工业公司1967年从美国引进机器人，与美国缔结了国际性合作协议。1969年，日本试制出全部国产的第一台机器人“川崎尤尼麦特”。当时，日本劳动力严重匮乏，这大大促进了机器人的发展。到1973年，日本的机器人产量已达2500台。

自20世纪80年代以来，在欧洲，诸如意大利、西班牙、荷兰、瑞典、丹麦、芬兰等国家，由于机器人市场发展的需求，这些国家的机器人技术发展也相当迅速。进入21世纪后，机器人的发展呈现两级分化，国际上的机器人主要由日本产和欧州产组成。日产的机器人主要有松下、otc等品牌，而欧产的机器人主要有abb、cloos、kuka等品牌。

我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，1972年我国开始研制自己的工业机器人。

2. 研究的基本内容与方案

2.1任务目标

模拟流水线物料搬运。物料将每20s被放置一块于起始放置区域内随机某一位置，物料规格为底面半径30mm，长30mm，重量为1kg的圆柱体，放置区域为机械臂左前方200mmx200mm的正方形水平区域，机械臂需完成将物料准确抓取，并移动到工作台坐标系（300,300）处目标放置位置，并准确放置目标。如图1

图1任务目标示意图

2.2机械手总体方案设计

为完成以上任务，本毕业设计将完成抓持式工业机械手的设计，并实现以下功能：

机械臂以原位左上角为起点分别完成“零件位置检测→手臂上升→手臂旋转至工件上方→手臂伸出→手臂下降→夹紧工件→手臂上升→手臂收缩→臂移位至放置位置上方→手臂伸出→手臂下降→放置工件→手臂上升→手臂收缩→臂回原位”的控制过程为工艺路线，如表1。各环节的转换采用传感器来实现检测到位情况，锁止机构采用气缸锁止。电机传动机械手的动作操作方式为PLC自动控制方式，即在PLC程序控制下各动作按规定线路自动执行完成。可以分为单周期操作与连续操作两种方式。单周期操作是指气压传动机械手从原点开始→按启动按钮→机械手自动完成从原位执行完所有一个周期的动作后停止。连续操作是指机械手从原点开始→按启动按钮→机械手的动作将自动地、连续不断地进行周期性循环执行。在工作中如果按停止按钮，机械手将继续完成一个周期的动作，然后回到原点自动停止。整个控制过程功能的实现要求形成“传感器-PLC-电机/气缸-执行机构”的自动化装置。整体方案如图2。

表1各工步顺序

图2总体方案框图

工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数设计如下：

A、抓取重量：

抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。

本设计工件质量为1kg，故负荷能力初步设定为1kg。

B、抓取工件的形状与极限尺寸：

抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计末端执行器的基础。

由于工件是R30mmX30mm的圆柱体，不需要末端执行器调整方向，故本设计末端执行器只需要实现夹持功能即可，夹持直径需大于60mm。

C、坐标形式和自由度：

说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。

考虑到机械手不需要避障，放置抓取均在同一平面上，故机械臂结构选择结构简单可靠的圆柱坐标布置，如图3，其工作空间为同心筒体，能有效覆盖工作区域。自由度为3，能实现x、y、z轴的位置定位即可。

D、运动行程范围：

指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。本设计初步设定工作范围为(ρ,φ,z)=(200~600,0~180,0~400)

E、运动速度：

是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200～400mm/s；回转速度最大为180/s，一般为50/s。

本设计初步设定最大线移动速度为400mm/s，最大回传速度为50/s

F、定位精度和重复定位精度：

定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。

本设计初步设定定位精度为1mm

图3圆柱坐标型机械手与其工作空间

由此初步设定机械手设计参数为：

两生产线中心线距离：600mm

两生产线上定位偏差：200mm

坐标形式：圆柱坐标系

工作范围：(200~600mm,0~180°,0~400mm)

自由度：3

相邻工件间隔时间：20s

定位误差：不大于2mm

升降最大速度：不大于400mm/s

水平最大速度：不大于400mm/s

回传速度：50/s

夹持部位直径：φ60mm

工件重量：1kg

设计寿命：5000000次运动循环

2.3 机械手结构设计

机械手结构将由机座、腰部机构、手臂机构、末端执行器，锁止机构构成，如表2，机构简图如图4

表2机械手结构组成

图4机械手机构简图

2.4 工件位置检测解决方案

要实现机械手定位，首先必须检测工件位置。本设计通过在放置区域工作台四个角各布置一个压电传感器的方式，通过测定四个传感器的力的数值，信号经放大器、D/A转换器、单片机计算处理后得到工件放置位置。如图5。

图5工件位置检测解决方案

2.5单片机电路的设计与程序的设计

控制系统采用单片机控制方式，选用IBM-PC，80C51系列CPU。

压电传感器检测位置信号，经由放大器、D/A转换器将模拟信号转变为数字信号之后，通过P0口传递给单片机，单片机进行运动轨迹正逆运算，通过P1和P2口输出一系列指令完成对机构运动的控制。P1口将输出三个伺服电动机的控制信号，分别控制机械手的伸缩、升降和回传运动，P2口将输出对各个气缸的控制信号，控制机械手的锁止和加紧动作，P3口将接收控制按钮的中断信号，实现急停和模式切换等功能。系统设计如图6。

图6控制系统设计方案

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关资料，明确研究内容，初步确定方案，完成开题报告

第4-6周：机械臂的机械结构的设计与运动分析

第7-9周：传感器、气缸与电机的计算与选择

4. 参考文献（12篇以上）

[1]【美】saeedb.niku著《机器人学导论——分析、系统及应用》电子工业出版社2004年1月

[2]李文明《曲轴搬运机械手的研究与设计》华中科技大学2007年5月

[3]王亮《搬运机械手运动控制的研究》太原科技大学2012年7月