项目设计
可行性分析报告
专业机械制造及其自动化
学生姓名陶政吉
班级机制124
学号 1210101406
指导教师王正刚、董小飞
完成日期 2014年7月2日
《五自由度机械手设计可行性分析报告》
撰写内容要求
一、概述
机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或者操作的自动机械装置。

我们设计的是基于单片机控制的5自由度多功能机械手装置。

本次报告的设计包括：手臂结构设计.手部设计.动力选择.舵机的控制……
二、本项目设计的国内外研究、开发、应用和维护现状
近年来，随着人类活动领域的进一步扩大，人们对非制造业用机械手的研究空前活跃起来。

这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机械手的要求更高，需要机械手具有对外感知能力以及局部的自规划能力等。

我国的机械手研究与开发工作起步较早，曾经有过一些成果，但在产业化和应用上，一直步履维艰。

改革开放以来，通过“七五”、，’/又五”科技攻关，目前基本掌握了机械手的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机械手关键元器件，开发出了喷漆、弧焊、装配、搬运等机械手.但是，我国的机械手技术及其应用程度和发达国家相比还有很大的差距，如:可靠性低于国外产品;机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上远远赶不上发达国家。

以上原因主要是没有实现机械手的高度产业化。

当前我国机械手的生产几乎都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计几，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本高，而且质量、可靠性不稳定。

因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。

美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等装有水下机械手的机器人系统己用于海洋石油开采，海底勘探、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护等方面，形成了有缆水下机器人和无缆水下机器人两大类。

核工业用机械手，国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手。

己完成的典型系统，如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7灵巧手等。

目前，机器人技术发达的国家都在竞相开发
地下机械手、医用机械手、建筑用机械手和军用机械手，并已经取得了一些卓有成效的结果。

目前国际机械行业都在加大科研力度，进行机械手共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。

主要研究内容集中在以下儿个方面:
1.工业机械手的优化设计技术
2.机械手控制技术
3.多传感器系统
4.机械手的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。

5.机械手遥控及监控技术，半自主和自主技术，多个机械手和操作者之间
的协调控制，通过网络建立大范围内的机械手遥控系统，在有时延的情
况下，建立预先显示进行遥控等。

6.虚拟机械手技术，基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，
实现机械手的虚拟遥操作和人机交互。

……
三、项目设计的方案论证
（一）执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。

（1）手部
即与物件接触的部件。

由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。

夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。

手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。

回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。

平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。

手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。

而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。

传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。

（2）手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。

手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。

工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。

（3）立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。

机械手的立柱因工作需要，有时也可
作横向移动，即称为可移式立柱。

基于PLC控制的机械手控制电路设计（4）机座
机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用
（二）驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。

它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。

常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。

（三）控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。

目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。

该机械手采用的是PLC程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

（四）位置检测装置
控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。

四、项目设计方案的可行性论证
为了满足生产需要，机械手应具有多种工作方式，包括手动工作方式、回原点、单动工作方式、单周期和连续（自动）工作方式。

（1）手动工作方式
手动操作时，使用按钮单独操作机构的上升，下降，左转，右转，伸长，缩短，放松，夹紧。

供维修用。

（2）回原点工作方式回原点，按下此按钮，机械手就自动回到原点，顺序控制中，自动运行要有一个开始点这就是原点，机械手工作时应从原点按启动按钮。

（3）单步运行工作方式单步运行时，按动一次启动按钮，前进一个工部，供调试用。

（4）单周期运行工作方式单周期运行（半自动），在原点位置按动启动按钮，自动运行一遍后回到原点停止。

供首次检验用，若在中途按动停止按钮，则停止运行，再次按动启动按钮，从断点处继续运行，回到原点处自动停止。

（5）自动工作方式自动控制工作时，按下启动按钮，机构从原点位置开始，自动完成一个工作循环过程，并连续反复运行，若在中途按动停止按钮，运行到原点后停止。

供正常工作用。

五、结论及项目方案实施的展望
智能机械手的研究是为了改善目前工业机器人末端执行器结构单一，通用
性差的缺点，以达到提高机器人智能化作业水平的目的。

针对该目标，本文对智能机械手进行结构设计及动态仿真，结论如下:
1. 在结构设计方面，结合课题要求设计了五手指十自由度的手掌结构，对手部各关节进行了整体设计，为今后进一步的深化设计及其应用奠定了坚实的基础。

2. 在Pro/E环境下完成三维建模后进行了装配，熟悉了Pro/E软件的应用，并且对智能机械手的各部分结构有了感官上的认识，完善了各部分的尺寸。

3. 在Pro/E环境中对机械手的各零部件进行了重新装配、运动仿真及其运动分析，真实体验了计算机辅助设计的优势和快捷，为以后的设计打下了基础。

4. 在仿真的过程中通过干涉分析等对五指的相对姿态及其结构尺寸进行了进一步的优化，得出各个手指的运动范围及智能机械手手在不同抓取状态下运动仿真动画，为开发制造节省了成本。

5. 体验了用先进的手段进行设计产品和表达个人思想的过程，坚定了应用先进的技术，方法解决现实问题的思想。

由于能力和时间有限，在设计工作中仍然存在很多方面的不足和需要改进、完善的地方：
1. 智能机械手的手掌和手指结构之间设计存在的一定的问题，手指不够灵活，不能很好地抓取各种物体。

2. 手指缺乏一定的韧性和弹性不能很好的完成人手各种抓取动作。

3. 本课题由于时间的原因未涉及智能机械手的控制和动力学方面的研究，有待以后再进行深入的探讨。