摘要 (2)
第⼀章绪论 (3)
1.1. ⼯业机器⼈概述 (3)
1.2机械⼿的组成和分类 (4)
1.2.1. 机械⼿的组成 (4)
1.2.2. 机械⼿的分类 (5)
第⼆章机械⼿的设计⽅案 (7)
2.1 机械⼿的“坐标形式”与“⾃由度” (7)
2.2 机械⼿的主要参数 (8)
第三章⼿部结构的设计 (9)
3.1 末端执⾏器的设计 (9)
3.1.1蜗杆蜗轮型号选择 (10)
3.1.3联轴器的选择 (11)
3.2.1 驱动电机的选择 (12)
3.2.2 锥齿轮的设计 (13)
第四章腕部结构设计 (16)
4.1 腕部俯仰结构设计 (16)
4.1.1 驱动电机的选择 (16)
4.1.2 内啮合齿轮的设计 (17)
4.2 ⼿腕左右摆动结构设计 (18)
第五章肘部与肩部的设计 (19)
5.1 肘部结构设计 (19)
5.1.1 驱动电机的选择 (20)
5.1.2内啮合齿轮的设计 (21)
5.2 肩部结构设计 (22)
5.2.1驱动电机的选择 (22)
5.2.2 锥齿轮的设计 (23)
第六章底座的设计 (23)
6.1 驱动电机的选择 (24)
6.2 蜗轮蜗杆的选择 (24)
第七章：ADAMS 模型的建⽴与仿真 (25)
7.1 ⼿部模型的建⽴ (25)
致谢 (29)
参考⽂献 (29)
摘要
本次所设计的作品是“六⾃由度机械⼿”。六⾃由度即：腰部回转、肩部摆动、肘部摆动、腕部左右摆、腕部俯仰摆和腕部回转，最终实现“末端执⾏器”的夹持动作。 ⽅案⼀：所有传动均选⽤“齿轮传动”或者“蜗轮蜗杆传动”。总共需要7个伺服电机来驱动。⾸先，腰部电机主轴通过联轴器与蜗杆连接，蜗杆旋转带动蜗轮回转，从⽽蜗轮再带动底座实现360度回转。其次，肩部电机主轴通过联轴器与⼀个锥形齿轮连接，带动另外⼀个锥形齿轮进⾏双向旋转，从⽽实现肩部带动上臂的摆动动作。再者，肘部电机通过联轴器与⼀“内啮合”⼩齿轮连接，⽽⼤齿轮与前臂的端部通过平键来周向连接定位。从⽽电机带动⼩齿轮，⼩齿轮通过与⼤齿轮啮合旋转，带动前臂实现摆动动作。在前臂的末端连接⼿腕处，电机轴与⼿部直接连接，通过电机的正反转实现⼿腕的左右摆动。⼿腕的俯仰动作原理与肘部摆动原理类似，也是通过⼀对内啮合齿轮连接。腕部的回转与肩部的
摆动原理相同，通过⼀对锥齿轮来实现。末端执⾏器通过蜗杆与⼀对扇形蜗轮进⾏双向旋转实现。
⽅案⼆：所有传动都通过“液压缸”来实现，其形式类似于挖掘机或推⼟机。最终实现“夹持功能”相同。这种⽅案优点是：可频繁换向，冲击⼩，可实现⽆级调速。不过相⽐第⼀种⽅案：需要专门的⼀套液压装置，结构复杂，容易漏油污染，⽽且其摆动⾓度较⼩。
因此综合考虑，选⽤第⼀种⽅案。
第⼀章绪论
1.1. ⼯业机器⼈概述
机器⼈是近⼏年发展起来的能模仿⼈的动作的⼀种产品。⼯业机器⼈由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感器装置构成，是⼀种仿⼈操作、⾃动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电⼀体化⽣产设备。特别适⽤于多品种、多批量的⽣产线中。它对稳定、提⾼产品质量，提⾼⽣产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着⼗分重要的作⽤。机器⼈技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、⼈⼯智能、仿⽣学等多学科⽽形成的⾼新技术，是当代研究⼗分活跃，应⽤⽇益⼴泛的领域。
机器⼈并不是在简单意义上代替⼈⼯的劳动，⽽是综合了⼈的特长和机器特长的⼀种拟⼈的电⼦机械
装置，既有⼈堆环境状态的快速反应和分析判断能⼒，⼜有机器可长时间持续⼯作、精确度⾼、抗恶劣环境的能⼒，从某种意义上说，它也是机器进化过程的产物，它是⼯业以及产业界的重要⽣产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的⾃动化设备。
机械⼿是模仿⼈⼿的部分动作，按照给定的程序、轨迹和要求实现⾃动抓取、搬运或者操作的⾃动机械装置。在⼯业⽣产中应⽤的机械⼿被称为“⼯业机械⼿”。⽣产中应⽤机械⼿可以提⾼⽣产的⾃动化⽔平和劳动⽣产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全⽣产。尤其在⾼温、⾼压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒⽓和放射
性等恶劣环境中，它可以代替⼈进⾏正常的⼯作，意义更为重⼤。1.2机械⼿的组成和分类
1.2.1. 机械⼿的组成
机械⼿主要由：驱动系统、控制系统、执⾏机构以及位置检测系统装置等所组成。各个系统互相之间的关系如⽅框图所⽰：
电梯运行检测平台
（⼀）执⾏机构
包括：⼿部、⼿腕、⼿臂与底座等机构。
１.⼿部：
即与物体接触的部位。由于接触形式的不同，可分为夹持式和吸附式，本次课题中采⽤的是“夹持式⼿部结构”。夹持式⼿部⼜由⼿⽖和传⼒机构构成。⼿⽖与物体直接接触，采⽤双⼿指式平⾏结构。常⽤的传⼒结构⼜有回转型和平移型。回转型结构简单、制造容易，因此⼴泛使⽤。平移型虽然可夹持直径变化范围⼤的⼯件，但结构复杂，故应⽤较少。
２.⼿腕：
⼿腕是连接⼿部和⼿臂的部件，并可以⽤来调整被抓取物件的⽅位和抓取姿势。如：可左右旋转平移，也可以俯仰转动，并且可以
沿着轴线做360度回转。
３.⼿臂：
⼿臂是⽀撑被抓物件、⼿部、⼿腕的重要部件。⼿臂的作⽤是带动⼿指去抓取物件，并按照预定的要求将其搬运到指定的位置。本次课题所⽤的机械⼿臂驱动及传动机构为：电机驱动，锥齿轮或者内啮合齿轮传动。
４.底座：
底座是整个机械⼿的⽀撑部件，也是执⾏其腰部进⾏360度回转的机构。⽽且机械⼿执⾏机构的各部件和驱动系统均安装于底座上。
（⼆）驱动系统
驱动系统是机械⼿执⾏机构运动的动⼒和传动提供装置。常⽤的驱动系统有：液压传动系统、⽓压传动系统、电⼒机械传动系统。⽬前⼯业机械⼿⼀般采⽤液压和电⼒两种，但考虑到环境和机构复杂程度，本次课题采⽤：电⼒机械传动机构。
（三）控制系统
控制系统是⽀配着⼯业机械⼿按规定的要求运动的系统。⽬前⼯业机械⼿的控制多采⽤程序控制系统和电⽓定位（或机械挡块定位）系统组成。
1.2.2. 机械⼿的分类
（⼀）按⽤途分
1.专⽤机械⼿：它是具有固定程序⼆五独⽴控制系统的机械装置。专
⽤机械⼿具有动作少、⼯作对象单⼀、结构简单等特点。适⽤
于⼤批量⾃动化⽣产线。
2.通⽤机械⼿：它是⼀种具有独⽴控制系统、程序可变，动作灵活多
样的机械⼿。它的驱动装置与控制系统是独⽴的。通⽤机械⼿
⼯作范围⼤、定位精度⾼、通⽤性强，适⽤于不断变换⽣产品stc2052
种的中⼩批量⾃动化⽣产线。
（⼆）按驱动⽅式分
1.液压传动机械⼿
以液压来驱动执⾏机构的机械⼿。主要特点是：抓重⼤、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封性要求严格，且易漏油污染，精度要求⾼，成本较⾼。
2.⽓压传动机械⼿
以压缩空⽓的压⼒来驱动执⾏机构运动的机械⼿。主要特点是：动作迅速、结构简单、⽓源⽅便、成本低。但输送⼒较⼩，冲击较⼤，结构较⼤，不适合于⼩型机构。
3.电⼒机械传动机械⼿
以电机为驱动装置，并以机械传动机构（齿轮、蜗轮蜗杆、⽪带轮等）来驱动机械⼿。它的优点是：运动速度快、⾏程长、维护使⽤⽅便、运动准确可靠，且对环境⽆污染。因此本次设计采⽤该种机械结构。
本次课题采⽤：（1）电机电⼒驱动；
（2）机械结构传动；
（3）夹持式⼿部结构；
（4）专⽤机械⼿。
第⼆章机械⼿的设计⽅案
2.1 机械⼿的“坐标形式”与“⾃由度”
按照机械⼿臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标形式可分为直⾓坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本次课题所设计的机器⼈的⼿臂与⼈体上肢类似，采⽤了2个回转关节和4个弯曲关节，因此采⽤了典型的“空间关节式”机械⼿。如下图所⽰：活动看台
（图1）平⾯关节式（图2）空间关节式
综上可知，2个回转加上4个弯曲关节，总共有6个⾃由度。因此为：6⾃由度机械⼿。
2.2 机械⼿的主要参数
1.机械⼿的最⼤抓重：由于整体结构较⼩，⼜采⽤⼩型伺服电机驱动，
因此考虑抓取物体不应该太重，查阅相关机械⼿的设计参数，
最终得出：本设计机械⼿抓取最⼤重量为：550克。
2.基本运动速度：电机最⼤回转速度为：545度/秒，最⼩回转速
度为：261度/秒。经过中途传动与减速，最终到执⾏部分：末端执⾏器最⼤回转速度为：109度/秒；
双导程蜗杆腰部回转速度约为：60度/秒；煤矿井下定位设备
肩部与肘部摆动速度约为：60度/秒。
3.机械⼿的技术参数列表：
（⼀）⽤途：
⽤于⾃动输送流⽔线的上下料。
（⼆）设计技术参数：
1.坐标形式：空间关节式
2.最⼤抓重：550克；
3.最⼤⼯作半径：550mm
4.基座⾼：200mm
5.上臂长（肩到肘）：150mm
6.前臂长（肘到腕）：200mm
7.腕到⼿⽖中⼼：200mm
8.各回转范围：360度
9各旋转范围（摆动）：180度
10. 末端执⾏器最⼤回转速度为：109度/秒；
11.腰部回转速度约为：60度/秒；
12.肩部与肘部摆动速度约为：60度/秒；
13.机械⼿⾃重：约 5000克；
14.⼿指夹持范围：棒料：60120??→
15.⼿⽖：内宽 80mm ；⼿长 100mm ；⼿指⾼ 20mm 。
第三章⼿部结构的设计
3.1 末端执⾏器的设计
本次设计末端执⾏器为“夹持式”，是双⼿指结构。并且采⽤了“扇形蜗轮蜗杆”结构，电机可带动蜗杆进⾏双向回转，蜗杆带动左右两个扇形蜗轮进⾏旋转，从⽽再动动两根⼿指实现夹持或分开动作。具体结构如下图所⽰：
其中：两⼿指内侧之间距离：L = 80mm ；
耐高温无机颜料吧扇形蜗轮半径：R = 30 mm ；
⽀点与⼿⼼距离：b=60 mm ；
3.1.1 蜗杆蜗轮型号选择：
由于两指间内侧距离为：L = 80 mm ；扇形蜗轮半径：R = 30 mm ；因此蜗杆分度圆直径应选取为：d = L-2R = 20 mm ；所以选取蜗杆为：
模数：m = 1.6 mm ；
分度圆直径：d = 20 mm ；
蜗杆头数：1
z 1= ；
导程⾓：3426=4γ?”’；蜗轮齿数：Z = 51
；扇形蜗轮中⼼⾓：90θ=o .
3.1.2 驱动电机型号选择：
所夹持重物：550 g ；即：G = 5.5 N ；
橡胶与⾦属之间静摩擦系数：f=0.5 ；因此所需的夹持⼒：G 5.5F 11()f 0.5
N === ；⼜因为：R F b F ?=?扇轴，故可得：22N F =轴；
豫公网安备41160202000603
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