第一章绪论机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。

不论是传统产业,还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。

机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。

因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造中的一个重要组成部分。

机器人显著地提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。

因而受到各先进工业国家的重视，投入大量人力物力加以研究和应用。

机械手一般分为三类。

第一类是不需要人工操作的通用机械手,统称为机器人。

它是一种独立的不附属于某一主机的装置。

它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。

它的特点是除了具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。

它可以灵活运用在工业上的各个方面，如喷漆、焊接、搬运等。

第二类是需要人工操作的，称为操作机。

它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。

工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。

第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。

这种机器人在国外称为“Mechanical Hand "，它是为主机服务的，由主机驱动;除少数外，工作程序一般是固定的，采用机械编程。

因此是专用的。

本课题通过对通用机器人smart6.50R 的结构进行分析和研究，完成对其腕部的设计，最终期望腕部与小臂、手部、大臂能够协调工作，能够完成各种现代工业加工过程中所要求的动作。

本课题的设计思路是：借助已有的通用机器人的腕部设计思想和方法，综合考虑腕部机构在机器人运动中所起的作用和机器人的整体技术参数。

第二章关节机械手机构原理2.1关节机械手组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。

其组成及相互关系如下图所示:图2.1 机械手的组成及相互关系2.1.1驱动装置驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。

其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。

液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。

它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。

液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。

缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。

气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。

一般采用4-6 个大气压，个别的达到 8-10 个大气压。

它的优点是气源方便，维护简单，成本低。

缺点是出力小，体积大。

由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。

为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。

采用的不多。

现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。

通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。

电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。

驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。

机械驱动只用于固定的场合。

一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。

它的优点是确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。

工业机械手装置包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构连成一体。

传动机构常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮轮系。

驱动器通常有电机(直流伺服电机，步进电机，交流伺服电机)，液动和气动装置，2.1.2控制系统机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。

控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。

它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。

控制系统一般由控制计算机和驱动装置伺服控制器组成。

后者控制各关节的驱动器，使各杆按一定的速度，加速度和位置要求进行运动。

前者则是要根据作业要求完成偏差，并发出指令控制各伺服驱动装置使各杆件协调工作，同时还要完成环境状况，周边设备(如电焊机，工卡具等)之间的信息传递和协调工作。

2.1.3执行机构执行机构由腰部、基座、手部、腕部和臂部等运动部件组成。

1) 腰部腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动再加上臂部的平面运动，就能使腕部作空间运动。

腰部是执行机构的关键部件，它的制造误差，运动精度和平稳性，对机器人的定位精度有决定性影响。

2) 基座基座是整个机器人的支持部分，有固定式和移动式两种。

该部件必须具有足够的刚度和稳定性。

3)手部手部它具有人手某种单一动作的功能。

由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等形式。

夹持式手部是由手指和传力机构所组成。

手指是直接与物件接触的机构。

常用的手指运动形式有回转型和平移型。

吸附式手部有负压吸盘和电磁吸盘两类。

对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。

造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。

对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。

电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。

4)腕部腕部与手部相连，通常有3个自由度，多为轮系结构，主要功用是带动手部完成预订的姿态，是操作机中结构最为复杂的部分。

5)臂部臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆(小臂和大臂)组成，用以带动腕部作平面运动。

2.1.4应用机械手的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。

在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。

其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。

在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：(1)以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

(2)以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

(3)可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。

因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。

2.2关节机器人分类2.2.1按用途分类1.专用机器人专用机器人是专为一定设备服务的，简单、实用，目前在生产中运用比较广泛。

它一般只能完成一、二种特定的作业，如用来抓取和传送工件。

它的工作程序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序，适应多种作业的需要。

2.通用机器人通用机器人是在专用机器人的基础上发展起来的。

它能对不同的物件完成多种动作，具有相当的通用性。

它是一种能独立工作的自动化装置。

它的动作程序可以按照工作需要来改变，大都是采用计算机控制系统。

2.2.2按控制形式分类1.点位控制型机器人点位控制型机器人的运动轨迹是空间二个点之间的联接。

控制点数愈多，性能愈好。

它基本能满足于各种要求，结构简单。

绝大部分机器人是点位控制型。

2.连续轨迹控制型机器人这种机器人的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它能在三维空间中作极其复杂的动作，工作性能完善，但控制部分比较复杂.2.2.3按驱动方式分类1.液压机器人:输出力大，传动平稳。

2.气压机器人:气源方便，输出力小，气压传动速度快，结构简单，成本低。

但工作不太平稳，冲击大。

3.电动式机器人:电力驱动是目前机器人使用的最多的一种驱动方式，其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测，传递，处理方便，可以采用多种灵活的控制方案。

4.机械式机器人:工作可靠，动作频率高，结构简单，成本低。

但动作固定不可变。

2.3关节机械手腕部结构选型手腕是操作机的小臂(上臂)和末端执行器(手爪)之间的连接部件。

其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端行器的姿态。

故手腕也称作机器人的姿态机构。

对一般商用机器人，末杆(即与末端执行器相联结的杆)都有独立的自转功能，若该杆再能在空间取任意方位，那么与之相联的末端执行器就可在空间去任意姿态，即达到完全灵活的境地。

对于任一杆件的姿态(即方向)，可用两个方位确定。

如图2.1所示图2.2 末杆姿态示意图1．大臂 2.小臂 3.末杆(L)在图2.1中，末杆L的图示姿态可以看作是由处于x1方向的原始位置先绕z1在x1 o1 y1平面内转α、β角，然后在a o1与z1组成的垂直平面内再向上转β角得到的。

可见是由α、β两角决定了末杆（L）的方向(姿态)。

从理论上讲，如果0°≤α≤360°，0°≤β≤360°，则L在空间可取任意方向。

如果L 的自转角γ也满足0°≤γ≤360°，我们就说该操作机具有最大的灵活度，即可自任意方向抓取物体并可把抓取的物体在空间摆成任意姿态。

为了定量的说明操作机抓取和摆放物体的灵活度，我们定义组合灵活度(dex)为:dex=α/360°+β/360°+γ/360°=xx%+xx%+xx%上式取“加”的形式，但一般不进行加法运算，因为分开更能表现结构的特点。

腕结构最重要的评价指标就是dex值。

若为3个百分之百，该手腕就是最灵活的手腕。

一般说来，α、β的最大值取360°，而γ值可取的更大一些，如果拧螺钉，最好γ无上限。

腕结构是操作机中最复杂的结构，而且因转动系统互相干扰，更增加了腕结构的设计难度。

腕部的设计要求是:重量轻，dex的组合值必须满足工作要求并留有一定的裕量(约5%—10%，转动系统结构简单并有利于小臂对整机的静力平衡。

2.3.1单自由度手腕SCARA水平关节装配机器人多采用单自由度手腕，该类机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度。

为了减轻操作机的悬臂的重量，手腕的驱动电机固结在机架上。

手腕转动的目的在于调整装配件的方位。