1、I本科毕业论文（20 届）工业机械手运动设计所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期II诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日I毕业设计任务书设计题目：工业机械手运动设计1设计的主要任务及目标综合分析和解决本专业问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。2设计的基本要求和内容通过查阅文献了解机械手的工作原理，机械手的常见控制程序及方法等信息;结合模块化六自由
2、度机械手，对七自由度机械手的运动设计完成相关工作。3主要参考文献1徐达及. 工业机器人应用工程. M 冶金工业出版社，1999.2徐元昌. 工业机器人 .M 中国轻工业出版社， 1999.3程宪平. 机电传动与控制(第三版).M 华中科技大学出版社，2010.94孙恒. 陈作模，葛文杰.机械原理（续）.M 煤炭工程，19884进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期毕业论文准备 2013 年 9 月 10 日-2014 年 11 月 1 日确定论文选题 2013 年 11 月 1 日-2014 年 12 月 1 日开题(提交开题报告及任务书) 2013 年 3 月 1 日-2014 年
3、3 月 10 日中期检查、修改及订稿 2013 年 4 月 26 日-2014 年 6 月 5 日进行毕业答辩 2013 年 6 月 22 日-2014 年 6 月 23 日工业机械手的运动设计摘要：现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手的运动设计为实现这些工序的自动化而显得尤为重要。机械手通常是由一系列连杆和相应的运动副组合而成的空间开式链，实现复杂的运动，完成规定的操作。本次设计运用机器人运动学，描述这些连杆之间以及它们和操作对象(工件或工
4、具)之间的相对位置关系，建立空间坐标系。机械手坐标系建立的方法常用的是 D-H 方法。通过求逆解得出所需结果。关键词：机械手，模块化，运动设计Industrial robot motion designAbstract: The modern industry, the production process of mechanization and automation has become a prominent theme. Chemical and other continuous production process automation has been largely resolv
5、ed. But in the machinery industry, processing, assembly and other production is not continuous. Therefore, handling, transport and other processes of the urgency of mechanization, industrial robot motion design is to achieve the automation of these processes is particularly important.Robot is usuall
6、y caused by a series of connecting rod and the corresponding kinematic pair combination space open chain, to achieve complex motion and complete the operation. The use of robot kinematics design, by describing the operation of the link between them and the object and (workpiece or tool) the relative
7、 positional relationship between the established space coordinates. Robot coordinate system established methods commonly used method D-H. Obtained by calculating the inverse desired results.Keywords: robot, modular, motion designI目 录1 绪论 .11.1 机械手简史 .11.2 工业机械手的分类及组成 .21.3 工业机械手系统 .41.4 模块化机械手的作用及不足
8、 .61.5 机械手应用意义及研究内容 .72 七轴新型智能机械人手臂 .92.1 EF-IRC-I 机械手应用前景及应用领域 .92.2 EF-IRC-I 机械手相关参数 .102.3 EF-IRC-I 机械手特色 .112.4 EF-IRC-I 七轴机器手设备说明 .122.4.1 七个关节的名称、位置及动作 .122.4.2 机器人技术参数 .142.5 EF-IRC-I 机器人状态与编程步骤 .152.5.1 输出转矩相关概念 .162.5.2 运动控制相关状态 .173 机器人坐标系及运动学分析 .183.1 建坐标系原理及步骤 .183.2 机器人运动学分析 .233.2.1 机器
9、人运动学原理 .233.2.2 机器人运动学步骤 .243.3 机器人逆运动学分析 .274 实验仿真 .31结 论 .35参考文献 .36致 谢 .3711 绪论工业机械手是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或者专用机械手） ，是近代自动控制领域中出现的一现新技术，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，逐渐形成一门新兴的学科机械手工程。机械手能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器1，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现
10、重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手” ，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 现代工业机械手起源于 20 世纪 50 年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序，时间和位置来完成弓箭的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大地改善工人的劳动条件，现住地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐
11、.因而，受到先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用，尤其是在高温，高压，粉尘，噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，收到机械工业和其它工业部门的重视。1.1 机械手简史1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。 （1）1954 年 USA 工程师德尔沃最早提出机械人的概念； （2）1959 年 USA 德尔沃与英格伯制造了世界上的第一台机械人； （3）1962 年 USA 正式将机械人的使用性提出来，且制造出类似人的手臂； 2（4）1967 年 JAN 成立了人工手研究会，并召开了首届机械手学术会； （5）1970
12、 年在 USA 召开了第一届工业机械人学术会，并的到迅速普及；（6）1973 年辛辛那提公司制造出第一台小型计算机控制的的工业机械人，当时是液压驱动，能载重大成就 45KG； （7）到 1980 年在 JAN 得到普及，并定为“机械人元年”此后在日本机械人得到了前所未有的发展与提升，在就是后来到台湾再到大陆。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。 第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步
13、发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。1.2 工业机械手的分类及组成机械手一般分为三类2：第一类是需要人工操做的，称为操作机，如图2.1。它起源于军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。图 1.1 操作机械手3第二类是不需要人工操作的通用机械手，如图 2.2。它是
14、一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送如图 2.3。它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。本次运动设计所用的机械手为第三类（模块化机械手） 图 2.3 模块化机械手图 2.2 通用机械手4工业机械手主要由执行系统、驱动系统和控制系统三大部分组成组成关系3如下：1.3 工业机械手系统工业机械手系统主要分为执行系统和驱动系统以及控制系统45。执行系统执行系统是工业机
15、械手完成握取工件（或者工具）实现所需的各种运动的机械部件，包括以下几个部分：(1)手部：是工业机械手直接与工件（或者工具）的部件。有些工业机械手直接将工具（如焊枪、喷枪、容器）装在手部位置，而不再设置手部。(2)腕部：是工业机械手中联接手部与臂部、主要用来确定手部工作位置并扩大臂部动作范围的部件。有些专用机械手没有手腕部件，而是直接将手部安装在臂部的端部。(3)臂部：是工业机械手用来支承腕部和手部实现较大运动范围的部件。(4)机身：是工业机械手用来支承手臂部件，并安装驱动装置及其他装置的部件。专用机械手一般将臂部装在主机上，成为主机的附属装置。图 2.4 工业机械手组成关系图5驱动系统驱动系统
16、是向执行系统各部件提供动力的装置。采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动方式有四种: 液压式、气压式、电气式和机械式。(1)液压式：液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动6；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。(2)气压式：气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用 4-6 个大气压，个别的达到 8-10 个大气压。它的优点是气源方便，维护简
17、单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，速度不易控制、响应慢、动作不平稳、有冲击，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。(3)电气式：其驱动系统一般是由电机驱动。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。优点是电源方便，信号传递运算容易、响应快、驱动力较大，适用于中小型工业机械手。但是必须要使用减速机构（如齿轮减速器、谐波齿轮减速器等） ，所需要的电机有步进电机、DC 伺服电机和 AC 伺服电机等。(4)机械式：其驱动系统由电机、齿轮、齿轮齿条、连杆等机械装置组成，传动可靠，适用于专一简单的机械手。这种方式结构比较庞大。控制系统控制系统是工业机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否。一般常见的为电气与电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。就其控制方式，可分为分散控制与集中控制两种类型。若以控制的运动轨迹来分，原则上分为两种78：(1)点位控制：主要控制空间两点或者有限多个点的空间位置，而对其运动
