摘 要

工业搬运机械手是在生产流水线上能有效地代替人力进行工件搬运的一种自动化机械，随着国内人均收入的提高，人工费用正承逐年上升的趋势，用机械代替人工进行重复、危险的工作能有效节省人工成本，提高生产线效率，并避免了人工搬运带来安全问题。加上中国工业正在向工业4.0发展，自动化、智能化机械手将得到越来越广发的应用。本文设计了一种三自由度圆柱坐标机械手，移动定位机构采用全电机电控，具有方便PLC控制、移动速度快，精度高的特点，以达到自动在两个工作台平面间快速搬运工件的目的。本文主要包含以下内容：

1. 机械手原理设计、结构设计、初步的检测与控制设计。确定完成动作所需的机构类型，布置方式，基本尺寸并完成机构选型与强度校核。
2. 基于solidworks motion的综合仿真设计，依据motion仿真结果图表进行机构优化与计算。
3. 基于solidworks simulation的结构优化，针对水平手臂光杆挠度和载荷要求求出轴径的最优解。
4. 整体定位误差分析，确定误差补偿量。
5. 机械手动力学和运动学分析。进行运动学方程求解，利用拉格朗日函数得到动力学方程。

关键词：

圆柱坐标系 机械手 设计 Solidworks 误差分析 动力学 仿真 优化

Abstract

Industrial manipulator is an automated machinery that can effectively replace human workpiece in production line. With the improvement of domestic per capita income, labor costs are bearing rising trend. Useing machines to replace human to do those repetitive, dangerous work can effectively save labor cost, improve production line efficiency and avoid the security problems that manual handling bring. What’s more, China is developing industry 4.0. Automation, intelligent manipulator will be more and more widely used.In this paper, we design a kind of cylindrical coordinate manipulator with three degrees of freedom.Its moving structure adopts full electric control. With convenient PLC control, fast moving speed, high precision characteristics, this manipulator can achieve the goal of quickly moving the workpiece between the two working table. This paper mainly includes the following contents:

(1) Principles of design, structural design and preliminary detection and control design. Determine the type of structure, the layout, the basic size that complete the action requires. Complete mechanism selection and strength check.

(2) Integrated simulation design based on the SolidWorks Motion. Optimize and calculate the mechanism according to motion simulation results chart.

(3) Structural optimization based on SolidWorks Simulation. The optimal solution of the shaft diameter is obtained for the horizontal arm deflection and the load demand.

(4) The overall positioning error analysis and determine the amount of error compensation.

(5) Mechanical and kinematic analysis. Solving the kinematic equation. And, the dynamic equation is obtained by using Lagrange Function.

Key Words：

Cylindrical coordinate system, Manipulator, Design, Solidworks, Error analysis, Dynamics, Simulation, Optimize

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1机械手发展背景 1

1.2国内外机械手技术的研究现状 1

1.3本课题的意义 2

第二章 总体方案设计 3

2.1任务目标 3

2.2机械手总体方案设计 3

2.3机械手结构总体设计 6

2.4工件位置检测解决方案 6

2.5 控制系统总体设计 7

第三章 末端执行器设计 8

3.1末端执行器总体结构设计 8

3.1.1 末端执行器功能需要分析 8

3.1.2 末端执行器关键参数设计 8

3.1.3 末端执行器机构尺寸设计 10

3.1.4 末端执行器受力分析与强度校核 14

3.2末端执行器动力系统设计 16

3.2.1 气动回路的原理设计 16

3.2.2 基于solidworks motion仿真的末端执行器动力设计 17

第四章 臂部的结构设计与选型 21

4.1 手臂的水平机构结构设计 21

4.1.1 滚珠丝杠机构的计算与选型 22

4.1.2步进电机的计算与选型 24

4.1.3电机支撑用直线导轨的受力分析与计算选型 26

4.1.4基于Solidworks Simulation的光杆受力分析与优化设计 27

4.2手臂的垂直机构结构设计 30

4.2.1 丝杠螺母机构的计算与选型 31

4.2.2 驱动电机的选型 32

4.2.3 手臂初步误差分析与结构优化 33

4.3手臂的回转机构结构设计 34

4.3.1驱动电机的选型 35

4.3.2 齿轮的计算 36

4.3.3 轴承的计算与选型 39

4.3.4轴与其相关连接件的计算 40

第五章 机械手的定位误差分析 42

5.1电机步进角分辨率影响 43

5.2 形变与振动影响 43

5.3配合精度的影响 44

5.4机械手定位精度计算 44

5.5机械手定位坐标补偿量的确定 45

第六章 机械手运动学与动力学分析 46

6.1 机械手运动的数学模型构建 46

6.2机械手运动学方程求解 48

6.3基于利用拉格朗日函数的机械手动力学方程求解 49

第七章 总结与展望 52

7.1设计总结 52

7.2工作展望 52

参考文献 53

致谢 54

第一章 绪论

1.1机械手发展背景

机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能，可以代替人完成特定任务的一种自动化机电装置。^[11]工业机器人技术是近年来国家大力发展的重要新技术领域之一，这一技术在农业、制造业、国防、航空、医疗等众多领域有着巨大的价值和发展空间。工业机器人在提高产品质量、生产效率、制造成本、生活条件、加快产品创新、增加企业竞争力和国家竞争力发挥着关键作用。

2014年，中国的工业机械手消费需求量已经位居世界第一。2015年，国内的工业机械手市场需求量已经超过36000台，占全球市场总量的21.3%。在未来十年，国内机械手市场仍会继续保持超过30%的高速增长。 在十二五规划中，中国已经把智能型工业机械手作为国家科研发展的重要组成部分。

1.2国内外机械手技术的研究现状

自20世纪末期，在欧洲，芬兰、意大利、德国、英国等国的机器人市场需求呈现井喷式增长，同时也促进了这些国家的机器人技术的发展。进入21 世纪后，对于机器人和机械手的研究呈现多级发展的趋势，国际上的机器人/机械手产品主要来自于日本和欧洲。日本的机器人有包括有松下、星塔、有信等品牌，而欧产的机器人包括库卡、威猛、ABB等品牌。现有的较为成功的机器人产品有：

• 美国机器人传感系统

美国在20世纪80年代研制的Utah灵巧手^[21]，是一种仿真人手，几何尺寸和人手相接近。它主要结构有 3个手指和一个拇指，每个部分均由腱、滑轮传动系统组成。其中，拇指和其他三个4自由度的手指的相对位置固定，手指的尺寸和手指关节的布置考虑了腱的布置方便。Utah/MIT灵巧手的4个手指以相对腱相反的方向进行移动，Utah灵巧手的驱动系统分别由32个人造纤维线绳和气缸组成。

• 德国 ROTEX 多传感器机器人手抓系统

1985 年德国国家宇航院提出了一个空间机械手研究计划 ROTEX，目的研究空间机器人的发展方向，德国 ROTEX 多传感器机器人手抓系统是一个工作空间直径为 1.3m的6自由度机器人，需要安装在宇航非常舱室某处，其手部是装有15个传感器的手指机构。其中包括9个激光测距传感器、2个触觉传感器阵列、1个刚性6自由度力传感器、1个柔性6自由度力传感器、1个手指动力驱动器。

• 日本ARH机器人传感系统

ARH机器人传感系统是日本宇宙开发视野集团开发的一种自由飞行服务系统——技术实验卫星Ⅶ型机器人，目标是机器人完成在太空中的空间卫星燃料加注，电池更换等卫星维护服务，以及对卫星的捕获和固定等工作。这样对机械手的手部灵活度要求便非常高。ARH机器人传感系统的出现有效地解决了这一问题。

目前，国内的机器人制造公司主要有深圳市博立斯智能装备有限公司、苏州艾乐法公司等。国内机械手研究的现有成果有：