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四自由度机械手设计
摘要：工业机械手由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，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自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。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。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产机械手的结构形式比较简单，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。
本课题将设计一个四自由度机械手，其中，三个移动自由度，需完成X、Y、Z三维空间内的移动要求，另外一个旋转自由度，完成手部的旋转运动要求。它能实现平面运动，具有柔顺性，全臂在垂直方向的刚度大，在水平方向的柔性大，广泛用于装配作业中。
关键字： 机械手；机电一体化；自由度
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The design of four degrees freedom mechanical hand
Abstract: Industrial manipulator is composed of machine body, controller, servo drive system and detection sensor device, a humanoid operation, automatic control, can repeat programming, to complete the electromechanical integration automatic production equipment of various operations in three-dimensional space. Especially suitable for the production of a variety of flexible, variable volume. Its stability, improve product quality, improve production efficiency, plays a very important role in improve working conditions and the rapid upgrading of products. Production of mechanical hand can improve the automation level of production, can reduce labor intensity, to ensure product quality, realize the structure safety of the manipulator is relatively simple, general machinery hand can quickly change the working procedure, strong adaptability, widely cited small batch production so it is in changing varieties in production.
This paper will design a four DOF Manipulator, wherein, three degrees of freedom of movement, to complete the X, Y, mobile Z in the three-dimensional space, another rotational degree of freedom, rotational movement of the hand requirements. It can achieve planar motion, with the flexibility, the arm in the vertical stiffness, flexibility in the horizontal direction of the large, widely used in assembly operations.
Keywords：Manipulator; mechatronics; degree of freedom
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目录
摘要.............................................................................................. 错误！未定义书签。 Abstract ........................................................................................ 错误！未定义书签。 目录.............................................................................................................................. III 第一章绪论.................................................................................................................... 4
1.1引言................................................................................................................... 4 1.2 国内外机器人领域研究现状及发展趋势...................................................... 4 1.3机器人发展趋势............................................................................................... 5 第二章 机械手总体设计方案...................................................................................... 6
2.1机械手基本形式选择....................................................................................... 6
2.1.1直角坐标系机器人................................................................................. 6 2.1.2圆柱坐标系机器人................................................................................. 6 2.1.3极坐标系机器人..................................................................................... 7 2.1.4多关节机器人......................................................................................... 7 2.2驱动装置选择................................................................................................... 8
2.2.1液压驱动................................................................................................. 8 2.2.2气压驱动................................................................................................. 9 2.2.3电机驱动................................................................................................. 9 2.3 移动自由度设计............................................................................................ 10 2.4 滚珠丝杠选型设计与计算............................................ 错误！未定义书签。 第三章 升降关节总体结构分析................................................ 错误！未定义书签。
3.1滚珠丝杠部分................................................................. 错误！未定义书签。 3.2线性滑轨部分................................................................. 错误！未定义书签。 第四章 机械手控制系统简述.................................................... 错误！未定义书签。
4.1机器人控制系统的特点和要求..................................... 错误！未定义书签。 4.2机器人控制的分类......................................................... 错误！未定义书签。 4.3运动控制系统的硬件部分............................................. 错误！未定义书签。
4.3.1步进电机控制方案............................................... 错误！未定义书签。 4.3.2电机驱动器的选型............................................... 错误！未定义书签。
总结.............................................................................................. 错误！未定义书签。 参考文献...................................................................................... 错误！未定义书签。 致谢.............................................................................................. 错误！未定义书签。
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第一章绪论
1.1引言
机器人技术是一种高新技术综合了计算机，控制理论，机制，技术，人工智能信息和传感器，多个学科和仿生学的学科。其实质是全面感知，决策，行动和互动四技术，是广泛应用于当代研究中。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要指标。
工业机器人不仅具有机械本体，控制器，伺服驱动系统和检测传感装置，可在三维空间内实现仿人操作，可自动控制，重复编程，可完成自动生产设备的各种操作。
机器人的应用领域主要集中在汽车行业，占现有机器人总数的2.89%。二是家电制造业，约占16.4%，而化学工业占11.7%。此外，工业机器人在食品，医药，家电更多的应用，航空航天、金属加工等。随着工业机器人的迅速发展，其应用领域开始扩大从制造业向非制造业发展，在原有的制造业的同时也在不断深入，加工领域深化，扩大。
在一般情况下，机器人系统可以分为以下四个部分：
l）机械本体、执行机构：包括机身，动力机制，运行机制，框架，机械连接的内部支撑结构。
2）动力部分：包括电源，电机及其驱动电路。 3）检测传感装置：包括传感器及相应的信号检测电路。 4）控制及信息处理装置：由机器人控制系统的硬件，软件。
1.2 国内外机器人领域研究现状及发展趋势
（1）工业机器人性能不断提高（高速度，高精度，高可靠性，操作和维修方便），和制造的成本不断下降，从91年的103000美元到2005年的50000美元的平均制造价格。
（2）机械结构向模块化，可重构的发展。例如，伺服电机，减速器，检测系统的关节模块中的三个关节模块，集成连接模块；利用工程机器人重组形式；国外
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有一个模块化的装配机器人产品问市。
（3）工业机器人控制系统在基于CP机，开放式控制系统方向发展，易于标准化，网络设备的集成度提高，控制柜变得更加紧凑，采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性，可操作性和可维护性。
（4）传感器在机器人成为越来越重要的作用，除了使用的位置，速度，加速度传感器的传统，装配，焊接机器人也用于视觉，触觉传感器，同时使用视觉，听觉的远程控制机器人，融合技术力量，环境建模和决策控制的触觉和其他多传感器；多传感器融合技术已在生产系统中的一个成熟的应用配置。
（5）虚拟现实技术在机器人的角色也从仿真，开发预览的过程控制，如在远程工作环境的感觉产生的远程控制机器人操作机器人。
（6）的远程控制机器人的现代系统发展的特点是不充分的自主控制系统人机交互的追求，而是致力于操作者和机器人，即远程监控远程操作系统和地方自治制度形成一个完整的，使机器人走出实验室进入实用阶段。最著名的例子是美国旅居者”机器人在火星”是成功应用的发射系统。
（7）机器人化机械开始兴起。自1994以来，美国开发的“虚拟轴机床，“这一新装置已成为国际研究的热点，研究探讨其应用领域。
1.3机器人发展趋势
随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。
就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：
a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；
b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；
c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。
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