In this thesis, a kind of manipulator with six degrees of freedom is designed in detail. The manipulator is oriented in the industrial production, it is also known as the industrial robot, the robot is mainly composed of three systems. The control system is to control the normal operation of the mechanical arm; the servo motor is the power source of mechanical arm obtained; reducer can guarantee low speed from the motor to the machine to the designated institutions. In this paper, the mechanical structure of the mechanical arm is designed and calculated, and the control system is not too much narrative. The drive mode of mechanical arm is considered, and the stepping motor drive is used. There are six main movements in each part of the arm: the rotation of the waist, the swing of the big arm, the swing of the small arm, the swing of the wrist, the rotation of the wrist, and the gripping of the claws.

Keywords: manipulator, six degrees of freedom, stepper motor, locking band.

目录··VI

1绪论·1

1.1选题的背景和意义·2

1.2机械臂国内研究现状···3

1.3机械臂国外研究现状··4

1.4机械臂的发展趋势5

2总体方案的设计···5

2.1设计方案选用·5

2.2机械臂基本形式的选择和主要部件及运动·6

2.3驱动机构的选择···7

3各机构设计计算···9

3.1手部机构要求·9

3.2手部机构选用·9

3.3手指设计计算10

3.3.1手指加紧类型选用10

3.3.2手指加紧与驱动设计计算··10

3.4驱动电机的确定··11

3.4.1手指夹紧驱动电机11

3.4.2手腕转动电机13

3.4.3手腕摆动电机13

3.4.4小手臂摆动电机··14

3.4.5大手臂摆动电机··15

3.4.6基座旋转电机16

3.5涡轮蜗杆、带轮的选型16

3.6小手臂摆动轴校核17

4机械臂受力分析··20

4.1大臂刚度与强度分析··20

4.2大臂有限元模型的建立与解析··21

4.3计算结果分析22

5机械臂运动学分析24

5.1机械臂矩阵基础··24

5.2机械臂的作业空间25

6总结与展望··29

谢辞··30

[参考文献]···31

多自由度机械手机械设计

1绪论

机械臂(manipulator)是广泛应用于工业生产中的精度较高的自动化机械，工业机械臂顾名思义，就是应用于工业生产中用来进行搬运、装配、上下料等工作，精度较高并且是自动化控制，生产效率极大大于手工作业，其自上世纪60年代问世以来持续保持着迅猛发展。在控制方面的领域中，工业机器人又是一个非常重要的学科，从问世以来急速发展，在社会各行各业中都有其应用的场合，很多人工作业被取代，生产效率极大地提升，根据2016年工业和信息化部对工业机械应用率统计，机械臂占有率达到15％，并且自2010年开始，占有率急速增长，近两年增速更是达到30％，并持续增长[2]。2015年李克强提出《中国制造2025》，并把智能制造列为未来中国发展的一个重要行业，因此可以得知，机械臂的发展符合我国政策的扶持，在未来智能制造中将会有广阔的发展空间。在技术方面，机械臂更是同时涉及多个学科领域，逐渐成为一门含有多种综合的学科技术领域，比如机械学、控制学、计算机学、液压伺服系统等。在机械臂这个大家族中，工业机械臂是机械臂的一个重要分支，也是在机械臂所有类型中应用最为广泛的一个分支，特点就是可以通过计算机编程进行各种预期活动，是近代以来兴起的一项高科技机械生产设备。其重要的特点是同时具有人与机器的优点，尤其是在人的智能适应性方面，机械臂是具有不可比拟的优势，因此工业机械臂在我国这个制造大国中有着巨大的发展空间[3]。

在本论文中详细地设计了一种六自由度机械手。此机械手是面向工业生产中的，因此又称为工业机器人，该机械手主要由三大系统构成：控制系统、伺服电机、减速器。本文是对其机械结构设计计算，对控制系统没有进行深入。组成部分主要由7个部分组成：底座、腰部、主板、大手臂、小手臂、手腕、夹爪，驱动方式采用步进电机驱动，因为步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式（控制系统发出一个脉冲，就可以让步进电机转动一个角度）,因为这个特点,步进电机可以和现代的数字控制技术相结合（特别适合于机电一体话产品）[4]。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机,步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候,甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。手臂的尺寸与人手臂的大小相当，各个部分的运动包括：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。此手臂能够抓取重量约为5kg左右的工件并放到预定位置。对于机械臂的自我保护装置非常重要，因为在工业生产中突发事件非常多，像操作工人操作不当、突然断电、工件质量超出机械臂承受范围等等都属于突发事件，因此该机械臂在机械保护方面有结构自锁功能，防止突发性事件发生后机械臂无法控制从而造成更大的损失。关于机械臂的运动学分析，每个机械臂的矩阵方程都是统一的，唯一不同的就是各个参数的设定，因此文中对机械手进行了正运动学分析,参考本科阶段所学的《工业机器人》这本书中的机器人作业空间的分析进行参考，坐标方面应用了齐次坐标变换法得到了机械手末端的所在空间位置和运动状态随着各个关节夹角的变化关系,并且完成了总体机械结计、步进电机选型、蜗轮蜗杆传动比的确定和主要受力机构大臂的有限元分析及作业空间的分析[5]。