第2章 系统总体设计和关键技术
第2章 系统总体设计和关键技术
2.1 设计要求
工厂某处有一批不同型号的零件，设计一种机械手，该手能在识别零件类型后按照其类别自动放置在规定的地点。机械手有上行/下行、左行/ 右行运行方式。机械手能根据信号将零件运送到制定地点后放下，自动归位。回到原点后自动校正位置。等待下一次信号的到来。开机后，不论机械手处于什么位置，它能在上电后自动归到原点。有指示灯可以指示机械手目前的位置，方便控制人员管理。
2.2 基本设计思路
总体设计框图如下：
图2-1 总体设计框图
2.2.1 CPU
CPU 部分有两种选择:单片机控制和PLC 控制。
2.2.2 传动机构
传动机构种类繁多，常见的有齿轮传动、齿条传动、丝杆传动、链条传动。 由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机械手的传动机构的一般要求有：
（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻； （2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动； （3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；
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XX大学本科生毕业设计（论文） （4）寿命长、价格低。
2.2.3 机械手
2．2．3．1 机械手的组成
机械手一般由执行机构、控制系统、驱动系统三个部分组成。 （1）执行机构
1) 手腕 手腕是联接手臂与末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方 位和姿态。
2) 手臂 手臂是支承手腕和末端执行器的部件。它由动力关节和连杆组 成，用来改变末端执行器的位置。
3) 机座 机座是机械手的基础部件，并承受相应的载荷，机座分为固定式 和移动式两类。 （2）控制系统
控制系统用来控制机械手按规定要求动作，可分为开环控制系统和闭环控制 系统。大多数工业机械手采用计算机控制，这类控制系统分为决策级，策略级和执行级三级：决策级的功能是识别环境、建立模型、将工作任务分解为基本动作序列；策略级将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行级给出各关节伺服系统的具体指令。 （3）驱动系统
驱动系统是按照控制系统发出的指令将信号放大，驱动执行机构运动的传动 装置。常用的由电气、液压、气动和机械等四种驱动方式。 除此之外，机械手可以配置多种传感器（如位置、力，触觉，视觉等传感器）， 用以检测其运动位置和工作状态。 2．2．3．2 机械手的分类
机械手按坐标形式、控制方式、驱动方式和信号输入方式四种分类方法。 （1）按坐标形式分
坐标形式是指执行机构的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。
1) 直角坐标式 直角坐标机械手的末端执行器在空间位置的改变式通过三 个互相垂直的轴线移动来实现的，即沿X 轴的纵向移动、沿Y 轴的横向 移动及沿Z 轴的升降。这种机械手位置精度最高，控制无耦合，比较简单， 避障性好，但结构较庞大，动作范围小，灵活性差。
2) 圆柱坐标式 圆柱坐标机械手是通过两个移动和一个转动来实现末端执 行器空间位置的改变，其手臂的运动由在垂直立柱的平面伸缩和沿立柱升 降两个直线运动及手臂绕立柱转动复合而成。这种机械手位置精度较高， 控制简单，避障性好，但结构也较庞大。
3) 极坐标式 极坐标机械手的运动式由一个直线运动和两个转动组成，即沿 手臂方向X 的伸缩，绕Y 轴的俯仰和绕Z 轴的回转。这种机械手占地面 积小，结构紧凑，位置精度尚可，但避障性差，有平衡问题。
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4) 关节坐标式 关节坐标机械手主要是由立柱、大臂和小臂组成，立柱绕Z 轴旋转，形成腰关节，立柱和大臂形成肩关节，大臂和小臂形成肘关节， 大臂和小臂作俯仰运动。这种机械手工作范围大，动作灵活，避障性好， 但位置精度低，有平衡问题，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多。 （2）按控制方式分
1) 点位控制 采用点位控制的机械手，其运动为空间点到点之间的直线运 动，不涉及两点之间的移动轨迹，只在目标点处控制机械手末端执行器 的位置和姿态。这种控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。
2) 连续轨迹控制 采用连续轨迹控制的机械手，其运动轨迹可以是空间的 任意连续曲线。机器人在空间的整个运动过程都要控制，末端执行器在 空间任何位置都可以控制姿态。 （3）按驱动方式分
1) 电力驱动 电力驱动式目前采用最多的一种。早期多采用步进电机驱 动，后来发展了直流伺服电动机，现在交流伺服电动机的应用也得到了 迅速发展。这类驱动单元可以直接驱动机构运动，也可以通过谐波减速 器装置减速后驱动机构运动，结构简单紧凑。
2) 液压驱动 液压驱动的机械手具有很大的抓起能力，可抓取质量达上百 公斤的物体，油压可达7MPa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性 要求较高，不宜在高温或低温现场工作，需配备一套液压系统。
3) 气压驱动 气压驱动的机械手结构简单，动作迅速，价格低廉，由于空 气可压缩性，导致工作速度稳定性差，气源压力一般为0.7MPa，因此抓 取力小，只能抓取重量为几公斤到十几公斤的物体。 （4）按信号输入方式分
1) 人操作机械手 是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的 机械手。
2) 固定程序操作机械手 按预先规定的顺序、条件和位置，逐步地重复执 行给定的作业任务的机械手。
3) 可变程序操作机械手 它与固定程序机械手基本相同，但其工作次序等 信息易于修改。
4) 程序控制机械手 它的作业指令是由计算机程序向机械手提供的，其控 制方式与数控机床一样。
5) 示教再现机械手 这类机械手能够按照记忆装置存储的信息来复现由 人示教的动作，其示教动作可自动地重复执行。
6) 智能机械手 采用传感器来感知工作环境或工作条件的变化，并借助其 自身的决策能力，完成相应的工作任务。
2.2.4 抓取机构
抓取机构是机械手执行工作的装置，可安装夹持器、工具、传感器等。抓取
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XX大学本科生毕业设计（论文） 机构可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。
2.2.5 机械手的驱动方式
该机械手一共具有三个独立的运动关节，连同末端机械手的运动，一共需要 三个动力源。机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。
这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表：
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表2-1 三种驱动方式的特点对照
机械手驱动系统各有其优缺点，通常对机械手的驱动系统的要求有： （1） 驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高； （2） 反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频
繁地起、制动，正、反转切换；
（3） 驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； （4） 安全可靠；
（5） 操作和维护方便；
（6） 对环境无污染，噪声要小；
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