某精整冲床齿轮抓取机械手的运动规划与控制系统研究.pdf

硕士论文某精整冲床齿轮抓取机械手的运动规划与控制系统研究 摘要 I I I I II Il llUI II I I III II Il Y 2 2 7 7 0 9 9 齿轮精整是利用数控精整冲床去除齿轮上毛刺以提高齿轮精度的一道工序，该工序 需要将齿轮放置在冲床工作台的指定位置，且具有较高的定位精度。为了实现生产的自 动化，提高生产效率，减少因人工疲劳所导致的危险事故，本文设计了齿轮抓取机械手 来代替人工完成齿轮的放置并保证定位精度。 本文首先根据现场实际工作要求并依据对机器人的分析完成了四自由度关节型抓 取机械手的总体方案设计。 然后，利用D H 法建立了机械手的坐标系，并在连杆坐标系简图的基础上，利用 齐次坐标变换求解了其运动学的正问题和逆问题。分析了机械手各个运动构件与末端执 行器在空间的位置关系，为轨迹规划和仿真奠定了基础。为了使机械手运动过程尽量平 滑，避免位置、速度和加速度突变对它运动过程的影响，本文根据建立的运动学模型， 利用机器人工具箱对其进行了轨迹的规划。同时本文基于A D A M S 对其轨迹规划的合理 性作了验证，并获得了该机械手在所规划的运动轨迹下末端执行器的运动速度、加速度 和机械手动力学仿真曲线，为实际运动控制和关节驱动电机的选择提供依据。 最后，为了使机械手按照期望的轨迹运动，本文针对它的动力学模型非线性、强耦 合特性，设计了鲁棒神经网络控制算法对其轨迹跟踪作了研究，通过仿真实验证明了该 算法的有效性。并结合控制电路相关知识，以D S P 为核心控制器完成了该机械手的硬 件电路和软件系统的设计。 关键词：机械手运动学动力学轨迹规划鲁棒神经网络D S P A b s t r a c t 硕士论文 A b s t r a c t G e a rf i n i s h i n gi st h ep r o c e d u r ei nw h i c hN Cw o r k i n gp u n c h i n gm a c h i n ei su s e dt o d e c o c tt h eg e a rr a ge t c ，w h i c hn e e d st h a tt h eg e a r sm u s tb ep l a c e da ta p p o i n tp o s i t i o no ft h e p u n c h i n gw o r k t a b l ea n dp o s i t i o n i n ga c c u r a c yi sh i g h T or e a l i z et h ep r o d u c t i o na u t o m a t i o n , b o o s tp r o d u c t i v i t ya n dr e d u c et h ea c c i d e n tc a u s e db yt i r e d n e s s ，ag e a rf m i s h i n gr o b o ti s d e s i g n e dt or e p l a c ew o r k e r st oc o m p l e t et h eg e a rp l a c i n ga n dg u a r a n t e et h ep o s i t i o n i n g a c c u r a c y F i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ew o r kf i e l d ，t h eo v e r a l lp l a n n i n go ft h er o b o ti sd e s i g n e db a s e d o nr o b o ta n a l y s i s C o m p l e t i o no f t h eo v e r a l ld e s i g no f t h ef o u r - d e g r e eo ff r e e d o mj o i n tr o b o t T h e n ，D Hm e t h o di s u s e dt o g e tt h ek i n e m a t i cm o d e l i n g B a s e do nt h ec o n - r o d c o o r d i n a t es y s t e ms k e t c h , t h eh o m o g e n e o u sc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o ni su s e dt os o l v et h e p o s i t i v ep r o b l e ma n di n v e r s ep r o b l e mo fr o b o tk i n e m a t i c s T h ed u b i e t yb e t w e e ne a c hm o v i n g e l e m e n t sa n dt h eh a n do ft h er o b o ti nt h es p a c ei ss t u d i e d ，w h i c hl a y saf o u n d a t i o nt ot h et r a c e p r o g r a m m i n ga n ds i m u l a t i o nl a t e r A c c o r d i n gt ot h ek i n e m a t i cm o d e l i n g ，t h et r a c e p r o g r a m m i n gi sc o n d u c t e du s i n gt h er o b o tt o o l - b o x , w h i c hm a k et h ek i n e m a t i cp a t hs m o o t h a n dt h es t e po fp o s i t i o n ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o ni sa v o i d e d T h er e a s o n a b l e n e s so ft h et r a c e p r o g r a m m i n gi s v a l i d a t e db a s e do nA D A M Sa n dt h es i m u l a t i o nc u r v eo fe n d e f f e c t o r S v e l o c i t y ，a c c e l e r a t i o na n dr o b o td y n a m i c si sg o tb a s e do nt h et r a c ep r o g r a m m e d ，w h i c hl a y sa f o u n d a t i o nt ot h em o t i o nc o n t r o l l e da n dt h ec h o i c eo f j o i n td r i v i n gm o t o r A tl a s t ，t om a k et h er o b o tm o v ea sp r o g r a m m e d ，t h er o b u s tn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h mi s d e s i g n e dt oes t u d yt h et r a c et r a c k i n gb a s e do nt h en o n - l i n e a r i t ya n ds t r o n gc o u p l i n go ft h e r o b o t t h ev a l i d i t yo fa l g o r i t h mi sv a l i d a t e db ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t T h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ee l e c t r oc i r c u i tu s i n gD S Pa sc e n t r ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e dc o m b i n i n gt h ek n o w l e d g eo f C O n t r 0 1C i r c l 】i t K e yw o r d s ：r o b o tk i n e m a t i c sd y n a m i c s t r a c ep r o g r a m m i n gr o b u s tn e u r a ln e t w o r k D S P I I 硕士论文某精整冲床齿轮抓取机械手的运动规划与控制系统研究 目录 摘! 1 2 l ：】 A b s t r a c t I I 目录。I I I 1 绪论1 1 1 课题的研究背景及其意义1 1 2 工业机器人国内外研究现状2 1 3 虚拟样机技术2 1 4 机器人动态控制方法4 1 5 本文主要研究内容及章节安排5 2 齿轮抓取机械手总体方案设计7 2 1 机械手的基本组成7 2 2 机械手机械装置设计7 2 2 1 机构选型8 2 2 2 自由度的选择8 2 2 3 机械手手腕关节设计8 2 2 4 末端执行器设计9 2 2 5 机械手设计变量1 0 2 3 关节传动链设计1 0 2 3 1 驱动：号式选择1 0 2 3 2 传动：疗式选择1 0 2 4 机械手总体结构1 1 2 5 本章小结1 2 3 齿轮抓取机械手运动学与动力学建模及分析1 3 3 1 运动学基础1 3 3 1 1 平移坐标变换1 3 3 1 2 旋转坐标变换1 4 3 1 3 机械手运动姿态和方位角的表示1 5 3 1 4 机械手连杆变换矩阵及其乘积1 8 3 2 机械手运动学方程1 9 3 2 1 机械手运动分析1 9 3 2 2 机械手运动综合2 0 I I I 目录硕士论文 3 3 机器人的拉格朗日动力学方法2 2 3 3 1 连杆系统动能和势能2 2 3 3 2 拉格朗日动力学方程2 4 3 4 机械手动力学建模2 5 3 5 本章小结3 0 4 齿轮抓取机械手运动轨迹规划与A D A M S 仿真3 1 4 1 轨迹规划算法31 4 1 1 三次多项式和五次多项式插值法3 2 4 1 2 抛物线过渡的线性插值轨迹规划3 3 4 1 3B 样条曲线法3 4 4 2 机械手轨迹规划的实现3 5 4 2 1 机械手模型的构建3 5 4 2 2 机械手运动轨迹仿真3 6 4 3 机械手A D A M S 仿真3 8 4 3 1 机械手轨迹验证3 9 4 3 2 机械手运动学仿真3 9 4 3 3 机械手动力学仿真4 1 4 4 本章小结4 2 5 齿轮抓取机械手的鲁棒神经网络轨迹跟踪控制4 3 5 1 引言4 3 5 2 机器人鲁棒控制4 3 5 2 1 鲁棒控制基本概念4 3 5 2 2 机器人的物理特性4 6 5 2 3 鲁棒控制器设计4 7 5 2 4 仿真实验5 0 5 3 机器人鲁棒神经网络控制5 2 5 3 1 神经网络基础5 2 5 3 2 鲁棒神经网络控制器设计5 3 5 3 3 仿真实验5 6 5 4 本章小结5 8 6 齿轮抓取机械手控制系统设计及软件实现5 9 6 1 机械手总体控制方案5 9 6 2 机械手运动控制硬件设计6 0 6 2 1D S P 最小系统设计6 0 I V 硕士论文 某精整冲床齿轮抓取机械手的运动规划与控制系统研究 6 2 2 串行通信接口6 1 6 2 3P W M 输出电路6 2 6 2 4 位置检测装置6 2 6 3 控制系统软件实现6 3 6 3 1 主程序设计6 3 6 3 2 串口中断子程序设计6 4 6 4 本章小结6 5 7 总结与展望6 6 致谢6 7 参考文献6 8 V 硕士论文某精整冲床齿轮抓取机械手的运动规划与控制系统研究 1 绪论 1 1 课题的研究背景及其意义 机器人诞生于上世纪五十年代，到现在经过约六十年的波浪式的发展过程，机器人 技术已经得到极大的提高。机器人的出现对人们的生产和生活产生了深远的影响，正在 逐渐成为了人类社会不可或缺的一部分。在很多行业中都要使用到机械手，例如在电子、 轻工、医疗和食品等行业中，为了提高工业生产的自动化程度和保证产品的质量，通常 需要机械手以较高的速度和适当的定位精度来完成诸如插装、包装、封装、检测、分拣 等操作。目前许多工业机械手被用来代替人在一些危险恶劣的环境下作业，不仅仅消除 了对人身安全的威胁而且提高了工作的效率和精度。机械手通常会在很多不同的条件下 使用，为了提高机械手的性能，使其能够快速稳定准确的定位，需要提高机械手的可靠 性、稳定性、自适应性等重要指标，因此，对机械手的研究是一个值得长期讨论的课题。 目前，应用比较多的是工业机器人，而具有高智能化、高精度的机器人还是大多处 于实验室研究阶段。工业机器人的构成机构包括操作执行机( 机械本体) 、运算控制器、 伺服驱动系统和传感器感知系统，是一种机电一体化的自动化生产设备，具有自主控制、 拟人操作、可重复编程的特点并且能完成在三维空间的各种作业，在品种繁多、批量变 化的柔性生产场合尤其适用。它对产品的质量和生产效率有显著提高，明显改善了劳动 条件，并且对加快产品的更新换代速度起到了革命性的作用。不过事实上机器人并不只 是单纯地代替人的作业，它能将人的特长与机器的特长综合起来，是一种更加高级的仿 人的机电一体化装置。机器人不仅能像人一样对环境的变化进行分析判断并作出快速反 应，而且具有加工精度高、持续工作时间长及在危险恶劣环境下作业的能力。因此也可 以说工业机器人是机器发展进化到一定阶段的产物，它在工业上是不可或缺的生产设 备，同时也是先进制造技术领域无法替代的自动化设备【l 】【2 】。 齿轮抓取机械手用在某数控齿轮精整冲床上代替人工实现齿轮的抓取和放置，不仅 可以保证齿轮放置位置的精度，而且可以提高工作效率，并可减少人工疲劳等原因导致 的人身安全问题。本文以某项目的齿轮抓取机械手为科研背景，对其进行了总体方案的 设计，并建立了其运动学和动力学方程，为轨迹规划和仿真奠定基础：由于机械手关节 之间具有强耦合、非线性等特点，在对其进行控制时变得复杂和困难p J ，本文采用鲁棒 神经网络控制策略对机器人轨迹跟踪控制做了研究，最后以D S P 为核心控制器对其进 行了控制系统设计【4 】。 本课题通过对机械手设计与研究，为机械手的设计和研制提供了理论依据，对工业 1 绪论硕士论文 机械手的发展具有重要的现实意义。 1 2 工业机器人国内外研究现状 工业机器人，又称机械手，是在现代自动化生产设备中应用比较广泛的机械装置。 它可以接受人类指挥也可以按照预先编排的程序运行，在现代化工业生产中扮演着重要 角色，它被广泛地应用到各种自动化生产线上，代替人做某些单调、重复、时间长或工 作环境危险恶劣的作业，如喷涂、冲压、塑料制品成型、热处理、焊接、以及在原子能 工业部门搬运等操作。在许多工业生产中，由于机械手的运用，加工产品的质量和效率 都得到了很大的提高，这是一次新的技术革命【5 j 。 上世纪五十年代末，美国率先成功研制了两种工业机器人，此后，经过约六十年的 发展，工业机器人已经成为先进制造技术领域无法替代的自动化设备。其发展到现在已 经有了三代。第一第二代机器人都是程序控制机器人，其中第一代机器人主要采用点位 控制；而第二代在第一代的基础上增加了一些简单的传感器和可根据外部环境变化自动 校正的控制算法，使机器人具有一定的自适应性智能性； 现在，第三代机器人的技术发展日新月异，它拥有多种高级传感器，对工作对象、 外界环境具有高度的自适应性和自治能力，可以进行复杂的逻辑思维和决策，逐渐成为 一种具有专家级思维、自主学习和与外界互动能力的高智能化设备。 在机器人前沿技术方面出现了仿人型机器人、微型机器人和微操作系统( 如细小空 调清理机器人、微型侦查飞行器等) 、智能机器人。机器人的应用领域已不仅仅局限于 工业，出现了不少家用和娱乐型机器人，在军用方面，也有不少侦查和武装机器人装备 部酣6 1 ，比如排雷机器人、阿尔威反坦克机器人、飞行助手机器人、无人机等。 工业机器人发展趋势：仿人型、微型化、智能化方向发展，从传统的制造业向服务 业、军事领域等其他行业渗透。机器人的性价比大幅提升，模块化、集成化、系统的开 发程度也不断提高。国内方面，目前在一些机种方面，如焊接机器人。搬运机器人、装 配机器人、特种机器人等基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系 统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术；在基础元件方面，谐波减速器、机器 人焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，虽然与国外有一定的差 距，但我国已经具备了独力自主发展的能力【_ 7 1 。 1 3 虚拟样机技术 虚拟样机技术8 1 是以计算机和其他各种物理设备为工具，运用控制论、相似性原理、 系统论、信息技术等相关领域的知识，通过建立项目模型对真实系统进行试验研究的多 2 硕士论文某精整冲床齿轮抓取机械手的运动规划与控制系统研究 学科综合技术。它运用各种物理或数学方法来建立模型，通过模拟真实系统的运行过程， 分析系统的动态特性，从而可以更好地认识和优化实际系统。计算机仿真可以用于研制 设计产品，建立一个合理的仿真系统包括建立模型、方案论证、技术指标确定、仿真实 验、数据处理、分析验证等各个阶段。 传统的产品开发流程如图1 1 所示，产品在生产并投入市场之前需要通过制造并测 试物理样机，发现其中的一些问题之后进行修改并重新制造样机，直到问题解决才可以 批量生产投入市场，因此提高产品的质量、缩短产品的开发周期并不是一件容易的事情。 图1 1 传统的产品开发流程图 虚拟样机技术的产生在制造出物理样机之前就可以进行样机的测试，发现设计过程 中存在的潜在问题，并将发现的问题解决。这样不仅节省掉昂贵的物理样机的制造费用， 而且也大大的减少了开发周期，加之其建立模型的时间也远远的小于物理样机的制造时 间，使产品开发周期缩短4 0 一7 0 ，这样就克服传统产品开发中的上述困难，达到提 高产品质量、缩短开发周期的目的。 旧H 嚣H 燃H 挚 图1 3传统设计方法和虚拟样机设计方法之间的比较 虚拟样机技术与传统的设计开发方式相比较，各自在开发周期以及产品利润方面之 3 l 绪论硕士论文 间的关系如图1 3 所示。从图中可以看出有时利用虚拟样机技术，仅仅只要投入传统的 设计方式1 0 的费用就可以达到其9 0 的目标。目前虚拟样机技术已经广泛的应用在 各种领域，如：汽车以及飞机制造业、航空航天领域、国防工业领域、工程机械领域等 诸多领域【9 】【10 1 。 机器人虚拟样机技术【1 1 l 是把虚拟样机技术和机器入学理论等相结合，针对机器人设 计和制造过程中的运动学、动力学分析，路径的轨迹规划，机器人与工作环境的相互作 用等技术内容进行一系列的研究与系统开发，在虚拟环境中完成机器人的设计、分析及 虚拟生产过程的实现。缩短了机器人的开发周期，节约成本，虚拟样机技术是现代机器 人工业开发设计中不可缺少的技术。 机器人的虚拟样机技术具有如下意义【l2 J ： 1 ) 设计前期对方案进行选择和优化，主要通过对各方案的运动学和动力学进行仿真评 估来实现； 2 ) 设计后期对最终设计产品进行性能评估和校核，主要通过对机器人的轨迹规划和控 制算法进行仿真，检验机器人能否完成预定目标； 3 ) 显著的减少了设计方案的时间、降低了制造样机风险和高额成本； 4 ) 可靠的仿真模型还可以对最终产品性能跟踪分析、预测诊断故障等。 1 4 机器人动态控制方法 机器人动态控制的基本思想是根据机器人动力学模型的特点而设计出更精细的非 线性控制律。用动态控制方法设计的控制器可使机器人具有良好的动静态特性，克服了 运动控制方法的缺点。然而机器人系统具有强耦合、高度非线性，并且机器人在建模时 忽略模型误差及干扰等不确定因素。为了控制机器人的动态特性，这就引入了自适应理 论、鲁棒控制理论【l3 】【1 4 】等非线性先进控制理论以及模糊控制、神经网络控制、鲁棒神 经网络控制等智能控制策略。 自适应控制【l5 】是指当机器人系统的输入或干扰发生大范围的变化时，所设计的系统 能够自适应地调节系统参数或控制策略，使得输出仍能达到设计的要求。大量研究中【l6 1 ， 机器人自适应控制主要由一个P D 调节器和一个基于模型的前馈补偿器组成。自适应控 制能通过及时的辨识、学习和调整控制规律，可以达到一定的性能指标，但在高精度跟 踪时存在模型复杂、很大局限性、运算量大、建立收敛理论困难、难以满足系统实时性 控制要求。 鲁棒控制【1 7 】【1 8 】【1 9 1 可以在机器人系统的不确定因素在一定变换范围内，通过设计一 种结构固定不变的控制器来保持机器人系统稳定和维持一定的性能指标。这种控制策略 无需自适应算法、运算快、实时性好。鲁棒控制在对机器人进行控制的首要条件是因素 4 硕士论文某精整冲床齿轮抓取机械手的运动规划与控制系统研究 有界。但是由于关节摩擦、磨损、负载变化及外部干扰等因素往往很难测量，致使不确 定因素上界很难确定，使得鲁棒控制不能获得良好的暂态性能。因此，在对鲁棒控制进 行应用时，尽量把鲁棒控制策略和其他控制策略相结合，是机器人闭环系统具有鲁棒稳 定性和收敛性，达到理想的动态性能。 模糊控制是根据人类专家的控制经验来调节模糊规则，通过设计模糊控制器来弥补 机器人动态特性中的非线性和不确定因素带来的不利影响，它不依赖与被控对象的精确 数学模型。因此，模糊控制在很难建立精确的数学模型的机器人领域应用比较广泛。文 献【2 0 】将模糊控制用于移动机器人的运动控制，模仿人工预瞄驾驶行为：文献【2 l J 给出了 一种新的模糊路径规划方法；文献【2 2 】在理论上证明了在机器人控制系统中采用模糊控制 具有良好的收敛效果。模糊控制器的缺点是其缺少积分作用，当系统存在外部干扰时， 易产生稳态误差，并且模糊控制精度低，控制规则调整比较麻烦。由于模糊控制不具有 学习和自适应能力，常常把模糊控制和其他控制策略相结合，以提高模糊控制器的控制 性能。 神经网络具有很强的非线性逼近能力、容错性以及学习和适应严重不确定性系统的 动态特性，作为机器人控制器时不需要被控对象精确的数学模型，因此在机器人的系统 辨识、运动控制等领域均得到成功应用。根据控制系统结构不同，机器人神经网络控制 系统可划分为直接自适应控制2 3 1 、间接自适应控制【2 4 】、模型参考自适应控制【2 5 】、学习 控制【2 酬、直接反馈控制的控制方法。由于对机器人神经网络控制的研究还处于起步阶段， 在理论研究方面还有很多不足，在对机器人进行控制时存在很多问题，如网络的泛化问 题；网络训练需要一定时间：网络收敛速度慢，学习算法的稳定性差等缺点。 鲁棒神经网络控制是将神经网络与鲁棒控制结合起来，构成神经网络鲁棒控制性来 控制机器人【2 7 】【2 8 】。它有效地解决了神经网络控制很难分析整个闭环系统稳定性、鲁棒 性以及鲁棒控制的局限性的问题。其基本思想是利用神经网络的学习能力来辨识系统中 的未建模误差和外部干扰，然后基于李亚普诺夫的稳定性理论来设计神经网络的鲁棒控 制学习算法和前馈鲁棒控制器来消除神经网络的学习误差。这就从根本上保证了机器人 闭环系统的稳定性，并改善了系统的暂态性能，具有良好的机器人轨迹跟踪效果。 1 5 本文主要研究内容及章节安排 本文主要对齿轮抓取机械手进行设计和研究，包括总体方案设计、运动学和动力学 建模与分析，关节的轨迹规划及A D A M S 仿真，针对机械手动力学的强耦合、非线性， 设计了鲁棒神经网络控制器，对机械手各个关节运动轨迹进行跟踪。最后，以D S P 为 核心控制器对该机械手控制系统进行设计。主要内容可以概述为以下方面： 第一章：介绍了本课题的研究背景及意义，叙述了工业机器人发展趋势及国内外研 l 绪论硕士论文 究现状，对计算机仿真技术进行简单介绍，并介绍了几种机器人动态控制方法，最后介 绍了本论文的主要工作。 第二章：根据机械手抓取作业要求，完成机械手的总体方案设计，包括机构选型， 自由度确定，末端执行器的设计及关节传动链设计等，并给出了齿轮抓取机械手的三维 示意图。 第三章：对机械手的运动学和动力学进行分析和建模，分析机械手构件之间的运动 关系，为机械手的轨迹规划和控制奠定基础。 第四章：介绍了机械手轨迹规划的算法，并利用机器人工具箱对其进行了轨迹规划 并通过A D A M S 进行轨迹验证和运动学、动力学仿真。 第五章：针对机械手非线性、强耦合性，采用了鲁棒控制策略，由于鲁棒控制存在 局限性，利用神经网络自学习和万能逼近功能设计了鲁棒神经网络控制器，对机械手进 行有效的控制。 第六章：对机械手的控制系统进行设计，并进行软硬件电路设计。 第七章：对本文所做工作进行总结分析，针对论文中不足之处进行总结并进行前景 展望。 硕士论文某精整冲床齿轮抓取机械手的运动规划与控制系统研究 2 齿轮抓取机械手总体方案设计 机械手是由机械臂、关节和末端执行器以运动副的形式组合成一个互相连接和互相 依赖的运动机构，它是一个具有传动装置的机械。一般把机械手分成串联机械手和并联 机械手，在实际生产中，根据工作要求选用不同的结构形式。机械手在三维空间运动时， 在直角参考坐标系中其末端执行器需要满足3 个方向的位置要求和3 个坐标轴角度要 求，因此，一般需要6 个自由度。但在实际应用中，在满足要求的前提下，应减少机械 手的自由度数，减少机械手的复杂性，降低生产成本。 齿轮抓取机械手是用在精整冲床上代替人工实现齿轮抓取，是一种结构相对简单的 串联机械手。机械手的结构参数会对它的工作性能产生重要的影响，对其进行合理的结 构设计和优化对提高机械手的运动精度和工作效率有至关重要的意义。 2 1 机械手的基本组成 一个完整的机械手不仅包括机械结构部分还包括驱动各关节的驱动系统及控制机 械手完成作业的控制系统，如简化模型下图2 1 所示。其中机械结构部分是完成作业的 主要执行机构，主要由底座、各个机械臂和末端执行器组成；驱动系统主要为机械手提 供动力，实现各个关节的运动，一般采用电气、液压和气动的形式驱动；而控制系统根 据接收到的机械手传感器、开关、摄像头等反馈信号，经过控制器运算，发送一系列控 制信号来实现机械手的运动。 2 2 机械手机械装置设计 图2 1 机械手组成简化框图 工件 机械手机械装置设计一般包括关节的种类、各个杆件的尺寸、自由度和构型的确定， 而对机械手进行机械结构设计时应考虑机械手承载部分的物理结构、各杆件的尺寸、形 状、参数、驱动装置及传递装置的形状和尺寸。其基本设计思想是在满足机械手作业要 求下，尽量简化机械手结构，降低自由度，减少传动系统的复杂性，实现准确定位和快 7 2 齿轮抓取机械手总体方案设计硕士论文 速传动，降低成本，外观合理，使得机械手的运动精度和运动速度并存。 2 2 1 机构选型 按照机械手的几何结构，机械手可分为柱面坐标机械手、球面坐标机械手和关节式 球面坐标机械手。其中关节式机械手一般由底座、上臂和前臂组成，其各个关节自由度 可由转动和移动自由度等不同形式组合而成，相比于另外两种，有更多的绝对工作空间 和相对空间，同时关节型机械手能够实现复杂的动作，具有更灵活的空间运动轨迹。 根据本文的机械手的实际工作要求，其完成作业的动作可分为定位一抓取一移动一 放置。机械手在完成上述作业时在位姿方面相对比较简单，但为了合理规划机械手运动 的轨迹，增加机械手的可扩展性，本文选用关节式球面坐标机械手作为设计和分析的机 构例。 2 2 2 自由度的选择 根据上面的分析，机械手一般需要6 个自由度来确定目标物体的空间位姿，末端执 行器需要3 个自由度确定位置，另外3 个确定其位姿。而确定位置的自由度可由选用移 动关节也可以选用旋转关节；决定姿态的自由度则必须是旋转关节。本文的机械手在完 成作业时需要首先确定齿轮的抓取位置和放置位置，需要3 个自由度实现；在设计过程 中，为了避免末端执行器与冲床工作台产生摩擦，便于工作，末端执行器在运行过程中 应保持水平，故腕关节处应设计为一个旋转自由度，根据上面分析可得四自由度机械手 即可满足实际作业要求3 0 1 。其总体结构如下图2 2 所示。 大臂 肘关节 腰关 2 2 3 机械手手腕关节设计 图2 2 机械手总体结构示意图 端执行器 机械手手腕是机械手小臂和末端执行器的连接装置。它的作用主要是利用自身的活 动度在运动基础上确定末端执行器所夹持物体的空间位姿，可以通过对手腕的控制，来 提高对机械手的灵活性。手腕和末端执行器之间一般通过连接法兰相连。 硕士论文某精整冲床齿轮抓取机械手的运动规划与控制系统研究 为使末端执行器能够达到空间任意位置，则在理论上要求腕部实现对空间三个坐标 轴转动，也就是要求手腕具有独立的自由度。在本文机械手的实际作业中，为了保证工 作的快速性，防止末端执行器与冲床等工作面产生碰撞和摩擦，要求末端执行器在运行 中始终保持平行。为实现两个位置的移动，手腕部只需要一个回转运动即可实现。其示 意图如下。 2 2 4 末端执行器设计 图2 3 手腕回转机构形式 末端执行器是机械手的重要组成部分，与手腕相连，是直接完成作业任务的装置。 在对末端执行器设计时，要根据所加持工件特点和实际工作要求而设计不同的结构和尺 寸。根据其用途和结构的不同可以分成机械夹持器、特种末端执行器和万能手三类。 在对末端执行器进行设计时，一般满足以下条件：( 1 ) 在满足作业的条件下，末端 执行器要有足够的加持力和所需的加持位置精度；( 2 ) 尽可能的使末端执行器结构简单、 紧凑、质量轻、体积小以减轻机械手末端执行器的负荷【3 ¨。本文中机械手是用于夹持齿 轮，而齿轮外形规则，质量较轻，体积较小，根据末端执行器的设计要求，并参考其他 机械手的末端执行器的结构，设计的机械手末端执行器如下图2 4 所示。为了减少夹持 器的结构尺寸，这里选用电磁来驱动夹爪的动作，电磁与手腕用连接法兰连接，手爪端 设置缓冲装置，以防齿轮夹偏，产生过大的力，使手爪损坏。 图2 4 机械手末端执行器 9 2 齿轮抓取机械手总体方案设计硕士论文 2 2 5 机械手设计变量 机械手设计变量包括底座高度h ，腰关节之肩关节垂直距离d ，腰关节与肩关节偏 矩乇，大臂长，l ，小臂长乞，末端执行器长厶，腰部回转角q 。大小臂的转角范围 E n f i n ，幺。越】，随。血，岛m 。】；腕关节转角吼，为了方便抓取齿轮，腕关节要始终保持水平， 即：良= 一他+ 岛) 。根据上面分析和机械手实际工作情况，取办= l O O m m ，d = 1 2 6 m m ， 如_ 3 8 砌聊，聊，2 _ 1 3