毕业设计（论文）-袋装大米下线码垛机械手结构设计和运动仿真分析

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设计（论文）专用纸目录摘要IAbstractII前言III第一章工业机械手概述11.1概述11.2工业机械手的作用和意义21.3工业机械手的现状和发展趋势31.4本课题的设计与分析内容5第二章工业机械手总体设计方案62.1工业机械手的组成与分类62.2工业机械手的工况分析122.3袋装大米码垛机械手的设计方案12第三章袋装大米码垛机械手的设计与计算153.1手部设计计算153.2腕部的设计计算193.3臂部的设计及有关计算203.4机身的设计计算22第四章袋装大米码垛机械手三维造型设计与运动仿真分析244.1计算机辅助设计与运动仿真分析概述24第70页\n设计（论文）专用纸4.2袋装大米码垛机械手三维造型计算机辅助设计264.3袋装大米码垛机械手运动仿真分析274.4本章小结49总结51总结与体会52谢辞53参考文献54附录55外文原文55中文翻译67第70页\n设计（论文）专用纸摘要工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平,随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。目前工业机械手主要承担着焊接,喷涂,搬运以及码垛等重复性并且劳动强度极大的工作。针对目前大米包装生产流水线上产品的下线码垛费时费力且效率低的情况本文设计了50kg袋装大米码垛机械手。首先，本文介绍工业机械手的作用，工业机械手的组成和分类；然后，文章介绍了袋装大米码垛机械手的设计理论与方法，全面详尽的讨论了该机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计；最后，用SolidEdge软件对该机械手进行三维模型的设计并利用UG软件对其进行了运动仿真分析。关键词:机械手；码垛；运动仿真；CAD；UG第70页\n设计（论文）专用纸AbstractIndustrialrobottechnologyandapplicationstosomeextent,reflecttheextentofacountry'slevelofindustrialautomation,withthedevelopmentneedsofindustrialautomation,mechanicalhandmoreandmoreimportantinindustrialapplications.Currentindustrialrobotismainlyresponsibleforthewelding,coating,handling,andpalletizingandotherrepetitiveworkandthelaborintensitygreatly.Packagingproductionlinesforthecurrentriceproductsofftheassemblylineontime-consumingandinefficientstackingsituation50kgbagofricepaperdesignspalletizingrobot.First,thearticledescribestheindustrialmanipulatorrole,industrialmachinery,handcompositionandclassification;then,thearticleintroducesthebagofricepalletizingrobotdesigntheoryandmethods,comprehensiveanddetaileddiscussionoftherobot'shand,wrist,armandthemachineandothermajorpartsofthebodystructuredesign;Finally,SolidEdgesoftware,three-dimensionalmodelofthemanipulatorusingUGsoftwaredesignandmotionsimulationanalysiswascarriedout.Keywords:Manipulator;Palletizing;motionsimulation;CAD;UG第70页\n设计（论文）专用纸前言随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以根据反馈自行调整。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。第70页\n设计（论文）专用纸借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。同时，借助组态软件的辅助作用，大大提高了系统的工作效率。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。第70页\n设计（论文）专用纸第一章工业机械手概述1.1概述用于再现人手的的功能的技术装置称为。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、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为。工业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生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的。机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。第70页\n设计（论文）专用纸随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于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。1.2工业机械手的作用和意义随着现代科技和现代工业的发展，工业的自动化程度越来越高。工业的自动化中机械手发挥了相当大的作用，小到机床的自动换刀机械手，打到整个的全自动无人值守工厂，无一不能看到机械手的身影。机械手在工业中的应用可以确保运转周期的连贯，提高品质。另外，由于机械手的控制精确，还可以提高零件的精度。机械手在工业中的应用十分广泛，如：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、噪音、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，特别是比较笨重的操作中，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，目前几乎都设有机械手，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。第70页\n设计（论文）专用纸1.3工业机械手的现状和发展趋势机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。现在工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，其效果是代替人从事繁重的工作和危险的工作，在恶劣环境下尤其明显。至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门。机械手的应用情况不能说是很好的。虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序。其原因之一是，工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手的工作范围很狭小。另外经济性问题当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看不一定是合算的。然而，利用机械手或者类似机械设备节省人力和实现生产合理化得要求，今后还会持续增长，只有技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将飞跃发展。第70页\n设计（论文）专用纸机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手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，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。第70页\n设计（论文）专用纸（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。（7）机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。1.4本课题的设计与分析内容本课题主要针对袋装大米下线过程中的码垛机械手进行结构设计和运动仿真分析。通过参考与本课题有关的参考书以及调查码垛机械手在生产中的应用实际情况，在导师的指导下把有关知识(机构分析与综合、机械原理、机械设计、机械制造、先进制造技术、计算机辅助技术、液压与气动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及应用、自动机械设计等)中的理论知识结合实际运用，首先，拟定整体方案，特别是传感、控制方式和机械结构有机结合的设计方案；其次，根据实际生产工艺需要，通过调查研究和毕业实习，搜集和查阅有关图纸、资料，设计工业机械手的运动自由度和相应技术参数，完成工业机械手的手部、腕部、臂部和机身等机械结构的综合设计，并对工业机械手的各零部件正确的进行设计，分析计算与验证；最后，完成工业机械手的各零部件和工作装配图的三维模型设计，绘制符合国家标准的工程图样，并利用UG软件对设计出的机械手进行计算机仿真分析与验证。第70页\n设计（论文）专用纸第二章工业机械手总体设计方案2.1工业机械手的组成与分类1、工业机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置监测装置等组成。（1）执行机构执行机构是机械手完成握持工件（或工具）实现所需的各种运动的机械部件，包括手部、手腕、手臂和机身等部件，有的还增设行走机构。工业机械手组成示意图如图1.1和1.2。图2.1工业机械手组成框图第70页\n设计（论文）专用纸1）手部——是机械手中直接与工件或工具接触用来完成握持工件或工具的部件。有些机械手直接将工具（如焊枪、喷枪、容器等）装置于机械手前端，而不设置手部。由于同手部的接触形式不同，可将其分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指和传力机构所组成。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，故应用广泛。平移型结构较复杂，应用较少，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径的变化不会影响其轴心的位置，因此适合于夹持直径范围变化大的工件。机器人的手指结构取决于被抓物体的表面形状、被抓部位和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形的和曲面的；手指有外夹式和内撑式；指数有双指数、多指数和双手双指式等。2）手腕——是机械手中连接手部与臂部主要用来确定手部工作时位置并扩大臂部动作范围的部件。一些简易的机械手，也不设有手腕部件，将手部直接装在手臂部件的端部。3）手臂——是机械手中支承腕部和手部用来实现较大范围运动的部件。手臂的作用是引导手指准确地去抓去物体，并按其预定的要求将其运送到所需的位置。为了使机械手能够准确地工作，手臂的三个自由度都要精确地定位。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件和驱动源相互配合来实现手臂的各种需要的运动。驱动部件主要油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构和凸轮机构等，驱动源主要由液压、气压或电机等。4）机身——是机械手中用来支承手臂部件，并安装驱动装置及其他装置部件。5）行走机构——当工业机械手在需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整体运动。滚轮式行走机构可分为有轨和无轨两种。（2）驱动系统第70页\n设计（论文）专用纸驱动系统是为了执行系统各部件提供动力的装置。通常有动力源、控制调节装置和辅助装置组成，采用的动力源不同，其驱动系统的组成亦不相同。常用的驱动系统由液压驱动、气压驱动、电力驱动和机械驱动等四种形式，液压驱动是由油缸、阀、油泵和油箱等组成；气压驱动系统是由气缸、气阀、空压机和储气罐等组成；电气驱动系统是由一些电机、专用电机等组成。其中液压和气动应用最多。（3）控制系统控制系统是通过对驱动系统的控制，是执行系统按规定的要求进行工作，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系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予的指令信息，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，当动作有误时或发生故障时发出报警信号。（4）位置监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到位置。第70页\n设计（论文）专用纸图2.2工业机械手基本组成2、工业机械手的分类机器人分类方法有多种。（1）按机器人的控制方法的不同分类1)点位控制型(PointtoPointControl)机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如机器人在进行点焊时的轨迹控制。2)连续轨迹控制型(ContinuousPathControl)第70页\n设计（论文）专用纸机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。（2）按机器人的结构分类1）直角坐标型:该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有藕合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。2）圆柱坐标型:该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以θ，r，z:为坐标，位置函数为P=f(θ，r，z)，其中，r是手臂径向长度，z是垂直方向的位移，θ是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。3）球坐标型:具有两个转动关节和一个移动关节。以θ，φ，y为坐标，位置函数为P=f(θ，φ，y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。4）关节坐标型:有垂直关节型和水平关节型(SCARA型)机器人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。（3）按驱动方式分类:1）液压传动机械手液压驱动主要通过油缸、阀、油泵和油箱等组成来实现传动。它利用油缸、油马达及齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、油马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。目前高效专用设备和自动线大多采用液压驱动，配合使用的机械手可直接引用机床动力源，简化机械手结构，液压机械手是应用最广的驱动型式。2）气压传动机械手气压驱动所采用的元件主要有气压缸、气压马达、气阀等元件组成。一般采用4~6个大气压，个别达到8~10个大气压。气动机械手若采用液压缓冲后，能使它既保持高速的优点，又克服脉动的缺点，使之运动平稳，从而扩大适用范围。3）电气传动机械手第70页\n设计（论文）专用纸电气驱动机构都采用三相感应电机作为动力，用大减速比减速来驱动执行机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑采用步进电机、直流和交流伺服电机、变速箱等。电动机械手的主要特点是机械手的每个活动度都相应配有一台电动机以及有关变速传动机构。与液压或气压机械手相比，驱动源和系统较简单，电动机又是配套通用产品，规格齐全，容易得到，不需另行设计制造。在位置精度要求不高的情况下，控制亦较方便。但普通电机均为回转运动且转速较高，一般都要配有变回转运动为直线运动的机构和减速机构。因此，在驱动功能要求较大的情况下，整个装置也较大。故电动机械手一般适用于提取重量不大，位置精度一般，活动度较少的机械手。若采用特殊设计的专用电动机或特种电机，如功率伺服电机、功率步进电机，直线电机等，就可以改善电动机械手的性能。4）机械传动机械手实现这类机械手是由一台普通电动机驱动或主机（如压床、冲床等）的运动部件来驱动，通过如干机械传动机构（如连杆、凸轮、齿轮等机构）来实现机械手的几个活动度。其最大特点是结构简单，动作可靠，节拍较快，不需要较复杂的液压、气压与电控系统。投资小，上马快，收效大。但它也有调整不便等缺点，故常用在工作对象专一，生产批量大，不需经常调整的场合。（4）按功能分类1）专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。2）通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变化生产品种的中小批量自动化的生产。第70页\n设计（论文）专用纸2.2工业机械手的工况分析目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，专用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。针对袋装大米完成包装后人工码垛困难，码垛精度低，而且效率低下的情况，本文设计了50kg以下的袋装大米自动下线码垛机械手。该机械手可从包装流水线上抓取产品后机身转向并由机械手臂部，腕部和手部配合动作在托板上完成产品码垛。袋装大米质量较重，人工码垛及其费力费时，码垛精度不高容易出现事故，本文设计的自动码垛机械手就要求工作时要有一定的精度和效率。由于机械手抓取产品质量较高，所以机械手的整个设计要满足强度刚度和稳定性要求，另外在大米包装生产线上灰尘粉尘较高，故机械手关键部分要采取一定的密封设计以保证机械手工作的精度和寿命。2.3袋装大米码垛机械手的设计方案本课题是袋装大米码垛机械手的设计及运动仿真，其设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及ug软件进行简单的运动仿真。在节中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种；(1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手;(3)球坐标(极坐标)型机械手;(4)多关节型机机械手。直角坐标式前后、上下、左右都是直线，其坐标占空间大，工作范围小，惯性大，自第70页\n设计（论文）专用纸由度较少时适用。圆柱坐标前后、上下直线往复运动和左右旋转，它占空间较小，工作范围较大，但惯性也大，且不能抓取地面物体。球坐标式前后伸缩、上下摆动和左右旋转。由于球坐标抓取质量有限所以选用关节式机械手。关节时机器人作业动作灵活，作业半径相对较大，能码垛的位置可以不固定，精度高，且稳定等它需要5个驱动（除手部抓取驱动外），结构复杂，需要的驱动相对较大。关节机器人活动灵活，作业半径大，在工业自动化运用最广泛的一种，科技含量高。此种自动化机器人应用多少也可以衡量一个国家的科技发展水平。综上所述，采用关节式机械手更能满足袋装大米的自动下线码垛功能。如图2.3所示为袋装大米码垛机械手码垛示意图。图中机械手的任务是将图中流水线上的袋装大米搬运至图中左边的托板之上进行码垛。本文设计的袋装大米码垛机械手要能实现50kg以下质量的袋装米的自动下线码垛。在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有5个自由度既：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；手臂俯仰；机身回转5个主要运动。该机械手主要由4个大部件和一个液压缸五个电动机组成：（1）手部，采用一图2.3袋装大米机械手工作示意图第70页\n设计（论文）专用纸个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2）腕部，采用一个电机实现手部回转（3）臂部，采用连杆和电机组合来实现手臂平动。（4）机身，采用一个电动机实现机身回转。驱动机构是工业机械手的重要组成部分,工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手手部的驱动方案选择液压驱动。（1）用途：用于车间搬运码垛（2）设计技术参数:1）抓重:50Kg(夹持式手部)2）自由度数:5个自由度3）座标型式:关节坐标标4）最大工作半径:2000mm5）手臂最大中心高:1200mm6）手臂运动参数：伸缩行程：800mm7）手腕运动参数：回转范围:本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确定了本设计采用液压和电机驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设计计算将在下一章依次进行。第70页\n设计（论文）专用纸第三章袋装大米码垛机械手的设计与计算3.1手部设计计算1、手部设计基本要求手部是直接与物体接触的部分，一般是回转型或平移型：（1）回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种；（2）移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。手爪根据需要分为外抓式或内抓式，也可以用负压或真空式的空气吸盘。传动机构形式常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜契杠杆式、齿轮齿条式、四杆螺母式、弹簧式和重力式。手部的设计应该满足以下基本要求；（1）手部应具有适当的夹紧力和驱动力：手指握力(夹紧力)大小要适宜，力量过大则动力功耗多，结构庞大，不经济，甚于会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，也可以考虑设计手部夹持机构的自锁或互锁机构设计，以保证工件夹持安全可靠。而对手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。（2）手指应具有一定的开闭范围：手指应具有足够的开闭角度(手指从张开到闭合挠支点所转过的角度)或开闭距离(对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离)，以便于抓取或退出工件。（3）应保证工件在于指内的夹持精度：应保证每个夹持持的工件，在手指内部有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、门轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机床上下料机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。第70页\n设计（论文）专用纸（4）要求结构紧凑、重量轻、效率高：在保证机械手本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载和运动过程中的惯性冲击。（5）应考虑通用性和特殊要求：一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调控的办法。目前普遍采用更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受冲击力等。2、选择手抓的类型及夹紧装置本设计是袋装大米码垛机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角=36度，夹取重量为50Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单,适于夹持平板方料,且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置,其理论夹持误差零。典型的平移型手指,驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它依靠气压缸的冲压、放压实现手指的张合。3、手部的工作原理及设计分析下面对其基本结构进原理分析：滑槽杠杆图3.1（a）为该机械手滑槽杠杆式的手部结构。通过3液压缸的冲油放油使4滑杆在6滑槽中运动，同时5杠杆在4滑杆的运动下又带动了手指的张合。滑槽的行程决定了手指张合的角度，相当于实现了手指的一个自锁。当杠杆5随滑杆4一起运动到滑槽顶端时手指正好闭合以便能够抓取袋装大米；当杠杆5随滑杆4一起运动到滑槽的底部时手指张开正好使袋装大米脱落。此部件的设计关键就在于滑槽6和滑杆5的设计。由于产品形态近似长方体，且其尺寸为750*500*20mm，可以设计手指的长度和高度为210mm和280mm。第70页\n设计（论文）专用纸(a)(b)图3.1滑槽杠杆式手部结构、示意简图1—手指2—机架3—气压缸4—滑杆5—杠杆6滑槽力学分析如图3.2所示；两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交和的延长线于A及B。图3.2受力分析由=0得=0得第70页\n设计（论文）专用纸由=0得hF=式中a——手指的回转支点到对称中心的距离（mm）.——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=—。综上所示就取=通过计算不难求得滑槽的行程长度为200mm。手指加在物品的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服物品重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。但由于该机械手手部滑槽的存在所以手指在抓取物品是依靠机构的自锁就可以让物品不脱落所以手指对物体就无需夹紧力。而驱动力也就近似等于所抓取物体的重力，即Fn=500N。确定液压缸的直径D选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.8—1MPa,根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=60mm则活塞杆内径为:D=600.5=30mm第70页\n设计（论文）专用纸3.2腕部的设计计算1、腕部设计的基本要求（1）力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3）必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运码垛大米，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用电机驱动。腕部部设计考虑的参数夹取物品重量50Kg，回转。2、腕部的驱动力矩计算(1)腕部的驱动力矩需要的力矩。(2)腕部回转支撑处的摩擦力矩。(3)设手爪、手爪驱动气压缸等传动件为一个等效圆柱体，高为220mm，直径120mm，其重力估算G(4)擦力矩。启动过程所转过的角度=0.314rad，等速转动角速度。第70页\n设计（论文）专用纸查取转动惯量公式有：代入：图3.3腕部结构根据求得力矩择适合的电动机。根绝手册选择SGMSH-30A□A型标准伺服电机，根据电机的尺寸以及小臂和手部的形状设计腕部结构如图3.3所示。3.3臂部的设计及有关计算第70页\n设计（论文）专用纸手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。1、臂部设计的基本要求（1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻，根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸，提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离，合理布置作用力的位置和方向，注意简化结构，提高配合精度。（2）臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在,最大回转角速度设计在内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径：1）减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料；2）减少臂部运动件的轮廓尺寸；3）减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作；4）驱动系统中设有缓冲装置。（3）手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。第70页\n设计（论文）专用纸总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。在机械手整体方案的设计中确定了该机械手臂部的驱动采用电机驱动，该机械手臂部的结构尺寸就主要依靠电机尺寸来确定，而臂部电机扭矩的计算方法与腕部的相似故不再累述。最终臂部的结构设计如下图所示：图3.4小臂结构图图3.5大臂结构图3.4机身的设计计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。1机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑、分析。机身承载着手臂，做回转运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：第70页\n设计（论文）专用纸（1）回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。（2）回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。（3）活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析：经过综合考虑，本设计选用电机驱动的结构，也就是机身回转依靠电机来驱动。机身分上、下两部分，机身下部装有一驱动机身上部回转的电机，机身下部与连接地面的的底座固定；而机身的上部则是支撑大臂和驱动大、小臂以及腕部的俯仰电机。机身上部结构比较复杂，设计时根据5个驱动电机的结构尺寸和大小臂及连杆结构尺寸来综合考虑分析。下图为最终设计出的机身结构模型。图3.6机身上部结构图图3.7机身下部结构图第70页\n设计（论文）专用纸第四章袋装大米码垛机械手三维造型设计与运动仿真分析4.1计算机辅助设计与运动仿真分析概述1、计算机辅助设计概述利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。简称CAD。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。基本技术主要包括交互技术、图形变换技术、曲面造型和实体造型技术等。（1）交互技术在计算机辅助设计中，交互技术是必不可少的。交互式cad系统，指用户在使用计算机系统进行设计时，人和机器可以及时地交换信息。采用交互式系统，人们可以边构思、边打样、边修改，随时可从图形终端屏幕上看到每一步操作的显示结果，非常直观。（2）图形变换图形变换的主要功能是把用户坐标系和图形输出设备的坐标系联系起来；对图形作平移、旋转、缩放、透视变换；通过矩阵运算来实现图形变换。（3）实体造型实体造型技术(SolidModeling)是计算机视觉、计算机动画、计算机虚拟现实等领域中建立3D实体模型的关键技术。实体造型技术是指描述几何模型的形状和属性的信息并存于计算机内，由计算机生成具有真实感的可视的三维造型的技术。2、运动仿真分析概述（1）虚拟样机技术的基本概念第70页\n设计（论文）专用纸虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中,将分散的零部件设计和分析技术(指在某单一系统中零部件的CAD和FEA技术)糅合在一起,在计算机上创建出产品的整体模型,并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析,预测产品的整体性能,进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。（2）虚拟样机技术常用虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商业化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机相关技术软件的商业化过程已经完成。目前有二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争,比较有影响的有美国机械动力学公司(MechanicalDy2namicsInc1)的ADAMS、比利时LMS公司的DADS以及德国航天局的SIMPACK。其它的软件还有WorkingModel、Folw3D、IDEAS、Phoenics、Ansys、Pamcrash以及UGSolidWorks等等。由于机械系统仿真提供的分析技术能够满足真实系统并行工程设计要求,通过建立机械系统的模拟样机,使得在物理样机建造前便可分析出它们的工作性能,因而其日益受到国内外机械领域的重视。本文设计袋装大米码垛机械手运动仿真分析用的是西门子的UG6.0软件。（3）UG运动仿真简介UGNX自带的机构运动分析模块MOTION提供机构仿真分析和文档生成功能，可在UG环境定义机构，包括铰链、连杆、弹簧、阻尼、初始运动条件、添加阻力等，然后直接在UG中进行分析，仿真机构运动。设计人员可以分析反作用力、图解合成位移、速度、加速度曲线，反作用力可输入有限元分析。采用UGNX自带的机构运动分析模块MOTION提供机构的仿真分析功能可以极其方便的对设计方案进行模拟、验证、修改、优化，彻底改变传统机械设计方案需要组织研究团队进行复杂设计计算，制造物理机验证结果的冗长过程，缩短生产周期，节约设计成本。一旦熟练的掌握了此方法，就可以在极短的时间内给出完整且极具说服力的设计方案。所谓机构的运动分析,就是对机构的位移、速度、加速度进行分析.在已知原动件的运动规律的条件下,第70页\n设计（论文）专用纸分析机构中其余构件上各点的位移、轨迹、速度和加速度,以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。为此，介绍了如何利用UG软件来实现连杆机构运动仿真和分析的方法及步骤。以平面六杆机构为例，在UG/Motion模块中,用动画来表现机构的运动过程,用图表和电子表格来反映运动仿真的结果,得到精确机构运动数据,为机构的优化设计提供参考依据。4.2袋装大米码垛机械手三维造型计算机辅助设计本次设计的袋装大米码垛机械手其三维模型以及工程图的绘制选用的是SolidEdge软件。SolidEdge是SiemensPLMSoftware公司旗下的三维CAD软件，采用SiemensPLMSoftware公司自己拥有专利的Parasolid作为软件核心，将普及型CAD系统与世界上最具领先地位的实体造型引擎结合在一起,是基于Windows平台、功能强大且易用的三维CAD软件，系统还提供了从二维视图到三维实体的转换工具，无需摒弃多年来二维制图的成果，借助SolidEdge就能迅速跃升到三维设计。下面以手部的三维模型绘制为例说明整个机械手三维模型的建立。首先根据前面的计算分析在SolidEdge草图模式下完成各零件的二维草图绘制（如图4.1为手指的二维草图形绘制），然后返回三维模式下对二维图形进图4.1手指草图行拉伸，除料等操作以完成各部分零件的三维模型绘制如图4.2所示，最后将绘制好的各零件模型在装配模式下开始装配图4.3为装配好的手部模型，图4.4为本次设计的袋装大米码垛机械手三维总装图。第70页\n设计（论文）专用纸图4.2手指三维模型图4.3手部装配三维模型图4.4机械手总装三维模型4.3袋装大米码垛机械手运动仿真分析1、运动仿真分析步骤将绘制好的袋装大米码垛机械手三维模型图导入Ug软件进行运动仿真分析。首先，进入NX—MotionSimulation运动仿真模块下对三维模型进行连杆的定义（如图4.5所示）；然后是对连杆之间定义运动副图4.6为机械手连杆之间运动副的定义；再定义好模型的连杆和运动副以后就是对模型的驱动部分的运动副定义运动驱动。在运动副创建前，机构中的连杆是在空间浮动的，没有任何约束，具有6个自由度。运动副创建后，会约束一个或几个自由度，运动副具有双重作用：允许所需的运动和限制不要的运动。这就需要们定义运动驱动，运动驱动共有5种类型：（1）无驱动：没有外加的运动驱动赋在运动驱动上。第70页\n设计（论文）专用纸（2）运动函数：描述复杂运动驱动的数学函数。（3）恒定驱动：设置某一运动副为等常运动（旋转或线性位移）所需输入的参数是位移、速度、加速度。（4）简谐运动驱动：产生一个光滑的向前或向后的正弦运动，所需输入为振幅、频率、相位角和位移。（5）关节运动驱动：设定某一运动副以特定的步长和步数运动，所需输入为步长和步数。图4.5定义连杆图4.6定义运动副根据该机械手的模型我选取运动函数作为对机械手驱动部分的运动驱动，根据计算我们编写Step函数，其函数的编写规则是Step（time,起始时间，初始位移，终止动作的时间，终止位移）。以下是机械手各驱动部分的Step函数：机身回转Js000step(time,0,0,4,90)+step(time,16,0,24,-90)；大臂俯仰db000step(time,20,0,24,-50)+step(time,28,0,34,50)；第70页\n设计（论文）专用纸小臂俯仰qb001step(time,4,0,8,20)+step(time,12,0,16,-20)+step(time,20,0,24,50)+step(time,28,0,34,-50)；腕部俯仰qb002step(time,4,0,8,-5.6)+step(time,12,0,16,5.6)+step(time,20,0,24,-58.64)+step(time,28,0,34,58.64)；腕部回转wb000step(time,16,0,24,90)+step(time,30,0,34,-90)；手指张合sb000step(time,0,0,4,180)+step(time,10,0,12,-180)+step(time,26,0,28,180)+step(time,30,0,32,-180)。在机械手驱动部份的运动副处完成Step函数编写后就对解算方按进行设置，根据函数设置时间为34s，步数设为500；设置完成后点击确定再点击求解。求解完成后就可以通过动画控制器观看机械手运动的动画，根据需要以图表形式提取计算结果进行分析。根据需要提取的图表及分析如下所示：2、空载时仿真结果及分析图4.7J002机身回转的位移幅值曲线图4.7所示机身从0到4秒之间从0度转到90度该过程是从初始位置运动到流水线位置的过程，停留12秒后从90°反向转到-90°，期间用时从14秒到24秒，完成从放货位转到初始位置，完成一袋大米的堆垛。可见满足运动函数。step(time,0,0,4,90)+step(time,16,0,24,-90)第70页\n设计（论文）专用纸图4.8J002-1机身回转的的加速度幅值曲线途4.8中由于机身是支撑整个机械手做回转运动的，所以要求其回转时运动要平稳，惯性力不要过大，否则不能使手部精确的得到定位，影响抓取产品的精度，最终影响机械手质量。图1.1所示，第4秒到16秒运动平稳，从1秒到4秒这段时间平稳性较差，此段时间是机械手从初始位置到流水线位置。考虑此段时间属于空载，平稳性可以达到要求。而16秒到24秒曲线有波动但不是很大。所以满足设计要求。图4.9J002-1机身回转时受力幅值曲线图4.9中第70页\n设计（论文）专用纸前20s曲线有波动但波动不是很大，受力还算平稳，但在2.162Es到2.394E之间曲线波动较大，受力从5.745E到5.864E变化范围在100N左右，对整个机械影像不大。25到30s后力逐渐趋于稳定，完成一个码垛周期。机身为支撑整个机械手带动其回转的部件，其受力最为复杂，手部、腕部、臂部等的运动都会使机身受力发生变化，该图在运动时间内曲线比较光滑，在峰值附近曲线值没有突变，而是平滑过渡，表明机身在整个运动过程中受力平稳，无突变载荷。图4.10J002-1机身旋转的力矩幅值曲线途4.10中红色实线表示机身沿欧拉角1的转矩，双点虚线2线表示沿欧拉角2的转矩，单点虚线表示沿欧拉角3的转矩。由图可知机身在转动时沿欧拉角3的力矩较大，最上曲线较为平滑，无明显的突变载荷，不会造成机身在该方向的颤动。中间曲线基本为一平滑曲线。图4.11中大臂俯仰的初始位移为0°，该位置在静止时由电机轴锁住。在1到20秒内该处无转动，所以曲线为一直线,20秒到24秒内转动50°，24秒到28秒之间保持该角度不变，28s-34s间再反向转50°，返回初始位置.该图所示符合运动函数step(time,4,0,8,20)+step(time,12,0,16,-20)。所以大臂俯仰所要达到的角度可以实现，能够精确定位。第70页\n设计（论文）专用纸图4.12由于此处设计的轴处于悬臂状态，在大臂俯仰的过程中，对轴有一个弯曲的力，特比是在Z轴，所以该力不宜过大，否则将导致轴的弹性变形过大，绕度过大，使机械手不能精确定位。该处在z轴处的最大值为-5.422E+002N，最小值为-242E+003N。力不是很大，且该曲线总体无突变情况，比较平滑，对轴不会有太大的冲击载荷。最下的线表示沿z轴方向的受力，中间曲线表示沿Y轴的受力情况，最上的曲线表示沿X轴方向的受力。在X、Y轴上受力较小，轴的刚度可以达到要求。图4.11db007的位移幅值曲线图4.12db007沿x、y、z方向受力图第70页\n设计（论文）专用纸图4.13中双点虚线曲线、单点虚线曲线、红色实线曲线分别表示J003运动副在欧拉角2、欧拉角1和欧拉角3上的加速度。在0到20秒内三条条曲线是重叠在一起的，20秒以后有两曲线坐标值刚好反向，直到整个运动周期结束，这2条曲线除了在20到24秒的时候有较小的突变。图4.13db007在欧拉角1.2.3方向的加速度曲线图4.14qb0001位移幅值图图4.14第70页\n设计（论文）专用纸曲线为曲柄1的位移幅值图，从曲线上看，曲柄1在第4秒后开始转动，到第8秒的时候运动停止，转过角度为20度；在第12秒的时候又开始运动，到16秒时候曲柄1又回到起始位置，其转动角度为-20；在20秒的时候又开始转动，到24秒停止，转过角度为50度；在停留4秒后曲柄1又开始转到起始位置。整个曲线的走向完全符合其step函数。step(time,4,0,8,20)+step(time,12,0,16,-20)+step(time,20,0,24,50)+step(time,28,0,34,-50)。曲柄1是控制小臂的俯仰，其转动位置的精度直接影响了小臂的俯仰精度。曲线走向符合函数控制，所以小臂精度得以保证。图4.15qb001力矩曲线图4.15是运动副qb001处也就是控制小臂俯仰的曲柄1的力矩曲线变化图。从图上可以看出4到16秒之间，力矩有一个大的变化范围。曲线峰值也是此处所受力矩最大值达到了1.378E+011N-mm。这个数值小于计算数值，因此可以见前面对曲柄1所需扭矩的设计是符合机械手工作要求的。图4.16qb001速度曲线图4.16第70页\n设计（论文）专用纸为曲柄1的速度曲线变化情况，从图上知，曲线的速度变化有四处，其峰值依次为7.499E+000；7.499E+000；1.874E+001；1.250E+001。除了第三个波动稍为剧烈外其余都属正常范围。速度过大会带来大的惯性力从而影响了机械手的精度，所以应该增大这个波段的工作时间以减少波动剧烈情况，使机械手更好的工作。图4.18qb001的加速度变化曲线图4.18为曲柄1的加速度变化情况，从曲线变化看，除在20到24秒内曲线加速度波动较其他时段曲线变化还算平稳。加速度波动剧烈会产生大的振动，大的振动现象会影响机械手精度和使用寿命。图上得之该段时间内加速度变化范围是1.891E+001mm/s2——1.000E-010mm/s2，这个数值在实际中是很小的，故其引起的振动可以忽略不计。图4.19qb002位移幅值曲线第70页\n设计（论文）专用纸图4.19是曲柄2的位移幅曲线图，曲柄2是控制腕部俯仰的关键零件，其转动精度直接影响了腕部的俯仰精度，从曲线上看曲柄在2在第4秒后开始转动，到第8秒转动了7度后停止4秒，12秒后又开始转动，4秒后回到初始位置，在20秒后又开始转动，在24秒后转动了71.44度，28秒到34秒又回转71.44度。可见其运动规律符合函数控制。step(time,4,0,8,-5.6)+step(time,12,0,16,5.6)+step(time,20,0,24,-58.64)+step(time,28,0,34,58.64)图4.20qb002在欧拉角1,2,3上的力矩曲线图4.20是曲柄2在三个欧拉角上的力矩曲线变化情况，红色实线表示在欧拉角1的力矩，蓝色单点虚线表示在在欧拉角2上的力矩，绿色双点画线表示在欧拉角3上的力矩。从三条曲线上看在欧拉角1力矩最大，其值为-1.341E+011N-mm，而在欧拉角2上是1.418E+010N-mm。图4.21为曲柄2的速度曲线变化情况，从图上知在19秒到24秒时间段内曲线波动是最大，其值为2.196E+0.01幅度/秒，其次在28秒到34秒时间段内曲线波动也是比较大的其值为1.465E+0.01幅度/秒。在这两个时段内速度波动剧烈，会带来一定的惯性力。故而在实际工作工程中最这两个工作段要增大工作时间，以减小惯性力。图4.22第70页\n设计（论文）专用纸是曲柄2的加速度变化曲线，从图上看在19秒到24秒时间段内曲线变化最大其值变化是4.807E+010—2.133E+001幅度/秒。加速度的波动过大会对整个机械手产生一定的振动，从而影响机械手工作精度及使用寿命。所以在实际工作时应该增长该工作段的工作时间以减小波动，提高机械手工作精度及使用寿命。图4.21qb002速度幅值曲线图4.22qb002加速度幅值曲线第70页\n设计（论文）专用纸图4.23是腕部转动的位移幅值度，腕部的转动主要是控制物品的码垛方向，其精度直接影响了码垛的精度。从曲线上看，腕部在16秒之前都是没有任何动作，这个过程是机械手从初始位置到流水线抓取物品的过程；在16秒至24秒之间它转动了90度，这个过程是机械手码垛的过程；在30秒到34秒之间机械手又回转了90度，这个过程是机械手完成码垛回到初始位置的过程。可以见腕部的运动规律是符合函数控制的，其STEP函数是step(time,16,0,24,90)+step(time,30,0,34,-90)。图4.23wb000位移幅值图图4.24wb015在Z轴上的受力曲线图4.24为腕部在Z上的受力变化曲线，腕部主要是连接手部和臂部的部件，所以其受力主要是来自手部的重力，重力方向在Z轴方向，所以腕部在Z轴上的受力是我们分析的关键。从图上看曲线波动比较复杂但总体上看波动不是太过剧烈，其峰值处值是-1.222E+003N,其峰谷处值为-1.262E+003N，纵观曲线变化虽然波动较大但从数值上分析其变化并不是很大。总体上它还是满足设计的强度的。第70页\n设计（论文）专用纸图4.25wb015的力矩幅值图图4.25是腕部的力矩幅值曲线的变化情况，从图上看整个曲线在工作时间内的波动比较频繁且上下波动较为剧烈，曲线最大值是4.774E+004N-mm;最小值是1.135E+002N-mm;虽然波动还是较大但整体上看还是满足设计计算要求的扭矩的。图4.26wb015的速度、加速度幅值曲线图4.26第70页\n设计（论文）专用纸是腕部的速度、加速度变化曲线，从图上看在30到34秒这个时间段，其速度、加速度的曲线上下波动很大，速度变化范围是0—5.889E-001幅度/秒，加速度范围是0—3.280E+001幅度/二次方秒。速度波动过大带的惯性力就比较大，加速度波动过大则产生的振动也就会增大，这些都会影响机械手的工作精度和使用寿命。在30秒到34秒这个时间段是机械手完成码垛回到初始位置的过程，应该增大这个过程的工作时间以减小惯性力和振动，整体提高机械手工作精度和使用寿命。图4.27sb000位移幅值图图4.27为手部直线液压缸活塞杆运动的规律曲线图。手部运动的精度直接影响了抓取物品的精度。曲线上可以看出在0到4秒机械手直线液压缸活的塞杆运动了180mm,这个过车是机械手手抓张开准备抓取物品的过程，在10到12秒机械手活塞杆运动-180mm机械手手抓闭合完成物品抓取；在26秒到28秒之间手指张开物品直接脱落在托板上，30到32秒机械手手指闭合回到初始位置。可以见其整个运动过程符合STEP函数，step(time,0,0,4,180)+step(time,10,0,12,-180)+step(time,26,0,28,180)+step(time,30,0,32,-180)。图4.28是手部直线液压缸的活塞杆滑动副的力矩图。从曲线图上不难看出曲线上下波动比较大。力矩数值在1.850E+002—9.533E+003N-mm之间变动，在0到4秒之间，曲线下滑，表示受到一定的力矩作用，这个是机身旋转所引起的。可见机械手其他部件的旋转使手部有一个力矩作用，但这些力矩变动范围都是在其设计要求范围内。第70页\n设计（论文）专用纸图4.28sb000的力矩幅值曲线图4.29sb000速度、加速度幅值曲线第70页\n设计（论文）专用纸图4.29为手部直线液压缸的活塞杆运动速度、加速幅值曲线变化情况，从图上不难看出在10到12秒；26到28秒；30到32秒三个时间段内速度加速的上下波动极为剧烈。速度波动过大带的惯性力就比较大，加速度波动过大则产生的振动也就会增大，这些都会影响机械手的工作精度和使用寿命。在上述三个时间段内手部主要完成手抓闭合，张开再闭合的动作。在这三个过程中，过大的速度、加速波动会给手部滑槽造成一定冲击，这会减小机械手部的工作寿命，所以在控制这三个动作的工作时间时应该增大时间间隔，从而减小冲击。图4.30J010受力幅值图图4.30所示为J010受力幅值图。运动副J010是大臂与小臂连接处，也是曲柄2控制腕部俯仰的中转处，所以它是整个机械手的关键部位，此处的受力是我们设计轴的重要依据。从图中可以看到其波谷力矩是2.922E+003N，其波峰出的受力是1.065E+008N。可见其运动过程中此处的受力是比较大，但总体上看此处具体设计的轴强度还是满足其变化范围的。图4.31J010速度幅值图第70页\n设计（论文）专用纸图4.31为运动副J010处的速度幅值曲线图。从图上读出四个波峰出的速度值从左到右依次为1.449E+000；1.449E+000；1.859E+001；1.204E+001。除了第三第四个波峰的值偏高之外第一第个波峰值是比较适合的。过的速度会带来过大的惯性力矩，这样会影响整个机械手抓取精度，过大的化还会破坏此处零件。所以在机械手运动的实际控制中应在曲线的第三、第四个波动处增大时间间隙，以减小速度。图4.32J010加速幅值图从图4.32上可以度出J010运动副的加速度在整个机械手运动过程中的一个变化情况，从曲线上可以看到18秒到24秒之间J010加速度变化最大，其次是28秒到34秒之间加速度变化也比较大。加速度变化剧烈会带来一定的振动，所以在上述两个时间段内对对机械手工作时间的控制不太合理。应该减小加速的剧烈变化从何使整个机械手运动平稳精确。图4.33为运动副J014处得力矩幅值图，J014是腕部与小臂的连接处，此处的力矩也是值得关心的地方，那么从曲线上看曲线峰值处力矩是8.317E+009N-mm,而峰谷处得力矩是3.637E+005N-mm，可见波动很大，但此处轴的设计还是满足其扭矩要求的。图4.34第70页\n设计（论文）专用纸为运动副J014处的速度幅值曲线变化图。除第一、第二处的速度为5.152E+000幅度/秒其波动比较大以外，其他处速度波动还是比较平稳的，过大的速度波动会带来机械手的振动从而影响其总体精度。在对机械手此处速度的控制设计不是很合理的，应该增大这部分运动的时间间隔以减小其波动，从而提高机械手总体的精度。图4.33J014力矩幅值图图4.34J014速度幅值曲线图图4.35为运动副J014处的加速度幅值曲线变化图，从图上容易看出在1.598E+001s到1.625E+001s之间加速度变化最大其最大值达到了3.964E+001幅度/秒，加速度波动过大直接关系到零件的强度以及稳定性，所以前面的时间控制设计是不合理的，在机械手实际工作时应该增大这不运动的工作时间从而提高整个机械手的精度。第70页\n设计（论文）专用纸图4.35J014加速度幅值曲线3、以下是机械手在加载后的仿真分析图4.36加载力的Step函数曲线图图4.36是加载力的Step函数变化曲线，在第10秒开始的时候手部手抓闭合完成物品的抓取动作，此时在手部就有一个恒定的力（物品重50kg加载的力为500N），在第28秒后，手抓完成了产品码垛，所以加载的力就去掉。图示曲线的走势完全符合你设计的Step函数控制。Step函数是STEP(time,10,0,12,500)+STEP(time,28,0,28.1,-500)。第70页\n设计（论文）专用纸在进行力的加载后我主要是关心各关节部位的力矩的曲线变化情况。图4.37J002机身力矩幅值曲线图4.38db000力矩幅值曲线第70页\n设计（论文）专用纸图4.39qb001力矩幅值曲线图4.40qb002力矩幅值曲线第70页\n设计（论文）专用纸图4.41wb000力矩幅值曲线图4.42sb000力矩幅值曲线第70页\n设计（论文）专用纸图4.43J014力矩幅值曲线图4.37—4.43是机械手主要关节位置的力矩幅值曲线走势图。由于力的加载是在第10秒开始的，所以曲线在第10秒之前的走势与空载时是一样的，这里就不在累述；在第10秒开始到第12秒完成力的加载之后除腕部力矩幅值曲线外其他部位的力矩幅值曲线都在第12秒时有一个波峰，而且此处的波峰峰值是所有波峰峰值中最大的，虽然第12秒以后各曲线走势都不尽相同，但与空载时相比其曲线整体都比空载时要高，但差距不是很大，这说明加载的力相对整个机械手的影响不是很大。腕部因为是在第16秒后才开始有动作所以其力矩幅值图较空载时相比也是从第16秒才开始产生变化的。根据各力矩幅值图的的最大峰值观察比较来看前期对机械手具体零部件的设计计算在总体上是满足机械手工作要求的。4.4本章小结本章介绍了机械手在SolidEdge软件中三维模型的建立，然后又叙述了机械手在UG软件中如何做简单的运动仿真，最后以图表的形式对机械手运动仿真做了详细的分析，通过分析我们知道，机械手整体结构还是基本上满足设计要求的，但存在的误差和问题也是很多的。机械手从初始位置运动到抓取产品位置的这个工作过程其运动状态从仿真分析结果来看第70页\n设计（论文）专用纸，这个阶段机械手各关节部位的速度、加速度以及力、力矩曲线波动都属正常范围，但在机械手抓取物品到码垛的这个工作过程，从仿真分析结果看，其关键部位的曲线波动都比较大，其中以运动副J014处的加速度曲线图最为明显，从图上容易看出在1.598E+001s到1.625E+001s之间加速度变化从0—3.964E+001幅度/二次方秒，加速度波动过大，其产生的振动现在也就比较大，振动过大则直接影响了机械手整个的工作精度以及使用寿。这是由于之前对机械手在这个工作过程的控制时间的设计不合理所造的，通过仿真分析可以看到在之前对机械手工作时间的控制设计忽略了惯性力的影响。在实际生产设计时应该在机械手的这个工作时段增大其工作时间以达到减小加速度波动，减小振动，从而提高机械手工作精度和使用寿命。这告诉我们理论设计计算与实际还存在差异的，虽然这种差异不能彻底消除（因为实际生活中总是存在各种不确定的因素），但是我们可以在不断的学习和实际的总结中逐步减小这种差异，让我们的设计更加完善更加贴近实际。第70页\n设计（论文）专用纸总结至此，袋装大米码垛机械手的整体设计及运动仿真已经结束。在第一章中笔者概括的谈论工业机械手的概念，分析了在当今工业化进程中工业机械手的作用和意义以及工业机械手的使用现状和未来发展趋势，最后在章节粗略的讲了本课题的设计分析内容。在第二章中，笔者首先讲述了工作机械手的组成与分类，然后对本课题要设计的袋装大米码垛机械手的工作情况做了分析并初步确定了整个设计的方案是采用关节式机械手，其驱动除手部手指张合采用直线液压缸外其余各部分均采用电机驱动。第三章是对该课题机械手的具体设计计算，首先根据抓取产品的形态设计手部结构计算驱动力，然后依次对机械手腕部、臂部、机身进行结构设计和计算，并对设计好的结构形态做了贴图示意。在第四章中，笔者论述了如何将设计计算好的机械手各部件通过计算机辅助设计绘制出了机械手整体的三维模型，然后利用计算虚拟样机技术采用UG软件对设计的机械手三维模型做了简单的运动仿真分析。第70页\n设计（论文）专用纸总结与体会经过一段时间的设计，机械手的设计完毕，对于本次设计的机械手来说，其特点是：机械手能合理省功地去实现现实中的要求。在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新的问题就不断探索和努力直到问题得到解决。在设计中，体会到理论必须和实际相结合。虽然收集了大量的资料，但在实际应用中却有很多差异，出现了许多意想不到的问题。许多问题都是书本上是这样，而在实际运用中却很不一样，在经过多次分析修改后，才设计出合理的机械手。以下是设计工程中的一些认识体会：1、本次毕业设计只是对袋装大米机械手的结构和驱动做了系统的计算设计，设计中没有涉及到机械手的控制问题，对这方面有点模糊，需要在以后的工作学习中了解和掌握。2、本次设计的是袋装大米机械手设计，相对于通用机械手，因此，动作固定，结构简单，同时成本低廉，专用性比较高，可实现车间内的一些搬运码垛工作。3、该机械手选择滑槽杠杆式结构，只可以抓取一般方形物品。必要时可以更换手抓，抓取其他物品等。4、本次设计只对机械手的手部进行了运动模拟仿真，对虚拟样机还只是处于了解阶段，做的运动仿真难免有错误之处。由于经验知识水平的局限，设计难免有不到之处，望读者见量，指正。通过此次毕业设计，使我了解了机械手的很多相关知识。使我也了解了当前国内外在此方面的一些先进生产和制造技术，了解了机械手设计的一般过程，通过对机械手的结构设计作了系统的设计，掌握了一定的机械设计方面的基础，也学会了使用UG软件对机械手进行简单的运动仿真。为以后的工作学习创造了一定基础。第70页\n设计（论文）专用纸谢辞在本次设计的工作中，自始自终得到了昆明理工大学机电工程学院姚廷强老师的精心指导和亲切关怀。导师严谨的治学态度、严于律己宽以待人的做人风范是作者终身学习的榜样。另外导师的学术风气、学术观点与为人上的坦诚也深深的感染了作者，使作者获得了太多的启发，在此特表深深谢意！在课题研究的整个过程中，姚廷强老师一直给予了悉心的指导与帮助。在同他的合作中取得了很大的进步，同时他丰富的理论知识及实际工作经验、对待学术问题的科学态度令作者钦佩。在此表示由衷的感谢！在进行机械手机械结构设计过程当中，舍友跟我一起研究探讨；在做模型运动仿真的过程中，组长给了很大的帮助，在此表示感谢！最后向四年里培养、帮助过我的老师们、同学们表示由衷的感谢!第70页\n设计（论文）专用纸参考文献[1]刘明保，吕春红等.机械手的组成机构及技术指标的确定.河南高等专科学校学报,2004.1[2]李超，气动通用上下料机械手的研究与开发.陕西科技大学，2003[3]陆祥生，杨绣莲.机械手.中国铁道出版社,1985.1[4]张建民.工业机械人.北京：北京理工大学出版社,1992[5]史国生.PLC在机械手步进控制中的应用.中国工控信息网,2005.1[6]李允文.工业机械手设计.机械工业出版社,1996.4[7]蔡自兴.机械人学的发展趋势和发展战略.机械人技术,2001，4[8]周洪.气动技术的新发展.液压气动与密封,1999，4[9]金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机械人发展的态势分析.机械人技术与应用,2001，[10]王雄耀.近代气动机械人（机械手）的发展及应用.液压气动与密封,1999，5[11]李明.单臂回转机械手设计.制造技术与机床，2004.[12]张军，封志辉.多工步搬运机械手的设计.机械设计,2004.4：21[13]濮良贵，纪名刚.机械设计，第七版.北京：高等教育出版社,2001.3.95[14]王国强.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,2002.[15]王成，王效月.虚拟样机技术及ADAMS.机械工程与自动化，2004，6[16]李军.ADAMS实例教程.北京：北京理工大学出版社.2002第70页\n设计（论文）专用纸附录外文原文Proceedingsofthe2002IEEEInternationalConferenceonRobotics8AutomationWashington,DC•May2002DesignandControlofaThree-LinkSerialManipulatorforLessonsinParticleDynamicsMarkA.Minor,AssistantProfessor2"dLT.KentJensen,USAirForceYoungshikKim,GraduateStudent　Departmentof　MechanicalEngineeringUniversityofUtah,SaltLakeCity,UT84106minor@mech.utah.eduAbstractDesign,control,andperformanceofaball-throwingrobot　areexaminedinthispaper.Theobjectiveofthisproject　istoprovideaninteractiveball-throwingroboticarmfor　illustratingtherolesofengineersandcomputerscientists　inthedesignandusageofsuchasystemtohighschoolor　pre-engineeringstudents.Activitiesinparticledynamics　andtrajectorycalculationwillprovidebasichandson　engineeringexperienceandtheopportunitytointeract　withtherobot.Inordertoeffectivelyprovidethis　activity,therobotmustconsistentlythrowtheballfroma　knownpointwithadesiredvelocity.Thisrequiresa　minimumofatwo-linkmanipulatorwithcontrol　strategiessufficienttoconvergetwojointpositionsand　velocitiessimultaneously.Duetolimitedmicro-controller　computationalresources,feed-fonvardtorquesare　calculatedofflinebasedon31dordercubicspline　trajectories.Feedbackcompensationforpositionand　velocityerroristhenexaminedandcomparedforball　throwingaccuracyandprecisiontoatechnique　supplementingthepreviouscontrollerwithacceleration　errorcompensation.Experimentalresultsarepresented　thatillustratetheimprovedaccuracyand第70页\n设计（论文）专用纸reducedrepeatabilitythelatertechnique.Gripperdesign　providingconsistentholdontheballandrapidreleaseis　alsoexamined.1.IntroductionRoboticsresearchisconsistentlygainingattention　amongststudentsenteringengineeringcurriculum.To　helppre-engineeringandhighschoolstudentsgaina　betterunderstandingofengineeringdisciplinesandmake　aneducateddecisionabouttheircareerchoice,the　UniversityofUtahisdevelopinganinteractiveball　throwingroboticarm,Figure1.Therobotisdesignedto　illustratethe'rolesofthemechanicalengineering,　electricalengineering,andcomputersciencedisciplines　withinaroboticsystem,aswellasprovideinteractive　engineeringactivitiesbasedupontheparticledynamicsof　aballinmotion.Tobeprecise,thestudentswillcompete　inteamstodesignatrajectoryfortheball,programthe　initialvelocityofthetrajectoryintotherobot,andthen　therobotwillthrowtheball.Inordertosimplifythetrajectorycalculations,therobotis　designedtoreleasetheballatapredefinedpoint,　indicatedbythepositionoftherobotinFigure1.The　studentswillmeasurethedistancefiomthetargettothat　pointandcalculateafeasibleinitialvelocity.Themain　objectiveofthisresearchisthustodeveloparoboticarm　capableofachievingawiderangeofinitialvelocities　whilereleasingfromthatsameinitialpoint.Keytoachievingthisgoalisthekinematicstructureofthe　robot,appropriateselectionofactuatorsandsensors,　motionplanningtechniques,andcontrolalgorithms.The　kinematicstructuremustprovidesufficientDegreesof　Freedom(DOF)suchthatinitialvelocityandposition　requirementscanbeachieved.Yet,excessiveDOFwill　resultinanarmthatistooheavy,toocomplex,andnot　capableofachievingthedesiredrangeofvelocities.AsFigure1indicates,atwo-linkarmisselectedwith　dimensionscomparabletoanadulthumanarm.Given　thesedimensions,theactuatorsmustbecapableof　generatingthenecessarydynamicloadstoaccommodate　therequirementsofthemotionplannerandcontrol　algorithmforthedesiredpitchvelocityPlanningoftherobotmotionmustconsiderthedistinct　operatingregimesofthesystem.Therobotmustfirst　pickupaball,windupandthrowtheball,andthen　decelerate.A3dorder第70页\n设计（论文）专用纸cubicsplineisthususedto　approximatetheangle,velocity,andacceleration　componentsofthetrajectory.Computationalresources　arelimited,andthesetrajectoriesarecalculatedofflinepriortothrowingtheball.Limitedcomputational　resourcesalsohinderthecontrolalgorithm.Hence,two　techniquesbaseduponapplyingafeedforwardtorquefor　counteractingnon-lineantiesareexamined.Thefeedforward　componentusesofflinecalculationsbasedonthe　systemmodelandplannedmotiontopredictthenecessary　jointtorques.Feedbackcontroltechniquesbasedupon　positionandvelocityerrorcompensation,aswellasthese　supplementedwithaccelerationerrorcompensation,are　thencomparedforminimizingtheballthrowingerror.InSection2,wefirstexamineexistingthrowingrobots　andcompareourkinematicstructureandcontrolsystem　tothosefoundintheliterature.InSection3,wepresent　therobotitselfanddescribeitsfunctionality.Section4　focusesontheplanningandcontrolalgorithmsthatwe　examined,andSection5presentstestingandperformance　results.ConclusionsarestatedinSection6.2.BackgroundAsurveyofsimilarprojectsuncoversmanycommonthreads,butdifferentobjectives.Therearemanyrobot　sintheliteraturethatthrowobjectsusingvariousthrowing　movements.Theyspanabroadrangeoftypeand　purpose.ThesimplestaresingleDOFthrowingrobots　builtbothcommerciallyandforresearchpurposes.The　nextcommoncategoryisthetwo-linkcategory,which　includestraditionalrigidplanarpairsandflexiblemember　manipulators.ManyrobotshavemoreDOFandhave　beenbuilttocatchaswellasthrowballsandevenjuggle　multipleballs.Thejugglingrobotsencompasstheirown　group,varyingbroadlyinapproachandform.Theideas　encompassedinthesedifferingprojectsdoencounter　similarchallengesinimplementation.Northrop[l]usesaone-linkrobottofeedpartsinanassemblylinebythrowingthemandmanipulatingtheir　landingpositionandorientation.Oncethepartis　identifiedandthetrajectoryplanned,thenthemotormust　executethecommandprecisely.Aboaf[2]exploredthe　advantageoftask-levelcontrolwhenthrowingballswith　aone-linkrobot.Thesystem第70页\n设计（论文）专用纸usesavisionsystemto　measuretheball’sactuallandingposition,whichcanthen　becomparedagainstthedesiredlandingposition.They　exploredtwomethodsofusingthiserrortoimprove　performance.TheirFixed-Modelmethodlearnsby　applyinganinversemodeltotheresult.TheirRefined　Modelproceduremanipulatesboththemodelandthe　commandsignaltogetthedesiredresults.Kat0[3]　exploresthecontrolofatwo-linkplanarpairrobotusing　anadaptivenon-linearcontrollerthatmodifiestherelease　time.Heshowsimprovedresultsthroughreleasetime　manipulation.Othercommontechniquesincludesliding　modecontrol[4]andfeedbacklinearization[5].Dueto　costandcomputationallimitations,though,thesetypesof　controlstrategiesarenotfeasible.Primarilyforthis　reason,morecosteffectivefeed-forwardlinearization　withfeedbackcompensationisexamined.WhiletheBall-ThrowingRobotsharesobjectivesand　requirementswiththeprecedingprojects,onefeaturenot　sharedisthattheBall-ThrowingRobothasagoalof　convergingtwopositionsandtwovelocitiesatonefixed　pointinspaceandtime.Thisisimportantforallowing　thestudentstoalwayscalculatetheirvelocitytrajectories　fromacommonreleasepoint.Incontrast,theother　systemsareflexibleintheirreleaseandcatchingpoints,　andtheytypicallyhavethebenefitofmorecomputationalpower.３．MechanicalStructureDerivationoftherobotdesignwasdrivenbyseveral　factors.Asaninteractivedemonstrationrobot,itwas　necessarythattherobotbemobile,lightweight,and　capableofaccurateandrepeatablemotion.Towardsthis　end,thedesignindicatedinFigure1wascreated.The　robotisentirelyself-contained,lightweightandportable,　fail-safe,andcapableofthrowingaccurately.These　featuresarefeasiblebecauseofthedesignsforthebase,armlinkage,andgripper.BaseThebaseoftherobotactuallyservesmanypurposes.　Probablymostimportantly,itisrequiredtoserveasa　stableplatformtosupporttherobot.Sincedimensionsof　thebasearelimitedbytheneedtoalsobeeasily　transported,therobot’scenterofgravitymustbeaslow　aspossible.Towardsthisendthemajorityoftherobot’s　massisdesignedintothebase.Thus,第70页\n设计（论文）专用纸thepowersupplies,　amplifiers,onejointmotor,andallsupportelectronicsare　containedtherein.Thejointmotorhousedinthebasecontrolsrotationofthe　Link1,describedbythevariable9,asindicatedinFigure　1.Link1elevatestheshoulderoftherobotsufficientlyto　preventthegripperoftherobotfromcollidingwiththe　baseandalsostoresballsthatwillbethrownbytherobot.Thetransparenttubethatstoresballsandsupportsthe　shoulderisactuallyoffsetfromthecenterofrotation.　Thisallowsthegrippertomoveinaplanecontainingthe　axisofLink1rotation.Theangle8,determinestheangle　ofthisplaneandthedirectionthattheballwillbethrown.　DHparametersforLink1areshowninTable1.Inertial　parametersareneglectedsincethislinkremainsstationary　duringthethrowingmotion.ArmLinkageMountedattheendofLink1isaplatformthatsupports　thearm.Thearmconsistsofatwolinkserialchainwith　agrippermountedatthedistalend.Theparametersfor　theligeareshowninTable1,whereLink2isthe　upperarmoftherobotandLink3istheforearm.The　ShoulderJointsupportsLink2,andtheElbowJoint　supportsLink3.Linklengthshavebeenselectedtobe　similartothatofanadulthumanarmwhileallowing　completerotationofthelinkswithoutcollisionor　interference.Linkmasseshavebeendecreased　substantiallyviathegussetedlinkshapes,whichreduce　theweightoftherobotbybothdecreasinglinkvolume　andmotorsize.ThemotordrivingLink2ismountedontheplatformat　theendofLink1andisdirectlycoupledtotheshoulder　joint.ThemotordrivingLink3isoffsetfromtheElbow　jointandiscoupledviaatimingbelt.Theelbowmotoris　mountedonLink2neartheshoulderjoint,butonthe　oppositesideofthelink.Thismountinglocationallows　Link2torotatehllyanddecreasetheinertiaofthearmto　allowfasterthrowingvelocitieswithsmallerandlighter　motors.Linkoffsetsa2anda3inTable1aredesignedto　allowthegrippertotravelinaplanecontainingtheLink1　axisofrotation.GriDDerTheprimaryrequirementsforthegripperinclude　sufficientstrengthtoholdtheballgiven第70页\n设计（论文）专用纸dynamicforces,　fastopeningdynamicstominimizeresidualeffectsonthe　ball'strajectory,andlightweighttominimizeforearm　inertia.Agripperdesignconsistingoftwoopposingfourbarlinkageswasselectedforthispurpose.Usingthe　slider-rockerlinkageconfiguration,Figure2,bothjaws　canbeactuatedsimultaneouslybythepullcable　indicated.Thecableallowstheactuatortobemounted　offthearmtoreduceinertiaandimprovedynamic　performance.Aspringisthenusedtopre-loadthelinkageandproduckagrippingforce.The　magnitudeofthegrippingforceisahctionofthecableforceandlinkageposition.Thegripperlinkageisactuatedbyapull-type　solenoid.Figure3indicatesthesolenoidpullforce　asafunctionofdisplacementatitsratedvoltageof　120VAC.Asthefigureillustrates,thesolenoidproduces　muchlargerforceswhendisplacementissmallandhence　thedeviceisverywellsuitedtoacceleratingthegripperquickly.Inordertoselecttheappropriatespringforthegripper,a　simplemass-springmodel,Figure4,isusedto　approximatethegripperdynamicsandthesolenoidforce　ismodeledasastepinput.Thegrippermassistreatedas　aneffectivemass,mg,connecteddirectlyinserieswiththe　massofthesolenoidcore,m,.Thegripperpre-load　spring,k,isthenconnectedbetweenthemassesand　ground.Assumingdampingisnegligible,gripper　responseispredictedviathedifferentialequation,(m,+mg)i+loc=f(t).wherethenaturalfrequency,determinesthesystemresponse.Withthedesired　outcomeofreleasingtheballinapproximately50ms,the　springconstantwaschosentoproduceanaturalfrequency　near10Hz.Giventhemassesmgandm,,adesiredspring　constantwascalculatedtobelessthan612N/m.Aspring　withaconstantof297N/mwasselected,which　ultimatelyproducesanestimated36msreleasetime.Preloadofthespringisreducedbytheringshapedfinger　design.Thisallowstheballtonestinthegripperfinger　slightlyandeliminatesdependenceonfrictionfor　restrainingtheballduringthethrow.Basedonadynamic　analysisoftheballnestedinthefinger,neglecting　friction,agripperforceof24Nissufficientfora47"ｍｍ　diameterballwithmassof0.057kg.Whenthegripperopens,thespringforceincreases　linearly.Thelinkagedesignissuchthatapproximately　2.5cmofsolenoidtravelwillcorrespondtoeachjaw　opening45".Thisis第70页\n设计（论文）专用纸sufficienttoallowtheballtorelease　fromthegripperwithoutalterationoftheball'strajectory.　AsFigure3indicates,thesolenoidprovidessufficient　forcetoopenthegrippertothisposition.4.ControlTraiectorvPlanningTherobotwasdesignednottoimpactitselfinanyjoint　configuration,thereforealljointconfigurationsare　attainableandend-effectorpositionsareonlycriticalfor　thestart,releaseandendpoints.Likewise,no　obstructionsexistwithintheworkspaceandintermediary　positionsareinconsequential.Theonlylimitingfactor　thatmustbeconsideredisthewiringtoLink3'sactuator,　whichpreventstherobotfromrotatingtheshouldermore　than360"ineitherdirection.Suchaconfigurationallows　fortheplanningofjointtrajectoriesindependently,and　thecalculationofinversekinematicsunnecessary.Thirdordercubicsplinesdescribethejointtrajectories.　Onesetofsplinesinterpolatesbetweenthestartand　releasestates,andthenanothersetofsplinesinterpolates　betweenthereleaseandthestopstates.Abriefconstant　angularvelocitytrajectoryisplacedbetweenthe　accelerationanddecelerationsplinestoreducesensitivity　toreleasetime.Splinescanaccountforallcombinations　ofinitialandfinaljointstates,whichallowsasimple　programtoperformthecalculationsoffline.Sucha　programisflexibleenoughtoworkwithanyfeasible　inputthestudentsprovide.Sincecubicsplinesareusedto　approximatepositiontrajectories,theacceleration　trajectoriesappearaslinearfunctions.Theselinear　trajectoriesaremoreeasilytrackedthanthehigherorder　accelerationtrajectoriesthatend-effectorpathplanning　wouldproduce.Onedisadvantageofthejointtrajectorysplinetechnique　isthefactthatthevelocityvectoriscontinuallyrotating　throughouttheentirethrowingmotion.Theballis　thereforealwaysbeingacceleratedandconsistent　throwingismorechallenging.Thisemphasizestheneed　fortherepeatableandaccurateexecutionofthe　trajectoriesandtheballrelease.Feed-ForwardLinearizationDuetocostconsiderations,amicroprocessorwithlimited　capabilityisusedtocontroltherobot.Inorderto　compensateforlimitedcomputationalcapabilities,offline　feed-forward第70页\n设计（论文）专用纸torquepredictionsarecalculatedand　streamedintothecontrollertolinearizethemanipulator　dynamics,BasedontheNewton-Eulerrecursivemethod　[6]appliedtothelasttwoplanarlinks,Links2and3,the　modelbasedlinearizingtorquesaredeterminedfromthe　systemofdynamicequations,M(0)g+V(0,e)+G(0)+F(8)=z　　　　　　(2)whereM(0)istheinertiamatrix,V(0,0)isthe　centrifugalandCoriolisterms,andG(0)representsthe　gravityterms.Thesearedeterminedby,M,,=I,+I,+m,r:+m,(4++2r3l2cose,)M,,=I,+m,r,(r,+/,cosex)M,,=I,+m3r,(r3+12COSS,)M~=,I,+m,r;wherethesetermsarebasedupontheparametersshown　inTable1.Additionallycoulombfrictionestimateswere　measuredandareincorporatedintothemodelasF(9).　Hence,thelinearizingtorques,arecalculatedby　evaluatingEq.(2)atthedesiredjointpositions,velocities,　andaccelerations,8,,e,,and0,,respectively:ErrorFeedbackControllersGiventhelinearizingtorques,twodifferentfeedback　controllerswerecomparedforminimizingerror.Both　techniquesarederivedfrommodel-basedcontrol[7],Figure5,wherethemodelbasedtorquesarecalculated　offlineoutsideoftheservoloopduetocomputational　limitations.Inthetraditionofmodel-basedcontrol,　however,feed-backgainsareappliedtobothpositionand　velocitysignals,andmodelbasedfeedbacktermsareused　tocompensatefortheback-EMFofthemotor.The　appliedtorque,7,isthendeterminedby,T=Tlin+'5,wherereistheerrorbasedtorquecalculatedbythe　feedbackterms.TheconventionalModel-Based(Ml3)　torqueisthendeterminedby,whereerrorisdefinedase=8-8,.Forsmallerroritis　assumedthatthesystemmatricesareapproximatelyequal　andtheerrorequationbecomes,Evaluatingtheinertiamatrixataparticularangle,8=8',thendiagonalizestheinertiamatrixandallowsthegain　matricesK,andK,tobeeasilyselectedtodecouple　the第70页\n设计（论文）专用纸errorequations,arethediagonalmatriceswhoseparametersarethe　naturalfrequenciesanddampingratiosofthedecoupled　errorequationsat8=8'.Hence,thecontrollergainsK,　andK,arealsodiagonalmatricesthatallowdecoupled　servocalculationsasshowninFigure5forreduced　computationalload.ThechallengeisthattheEigenvalues　oftheclosedlooperrorequation(I3)arestilldependent　on8andvarythroughoutthethrowingmotion.Selectionofdecoupleddampingratiosandnatural　frequencies,Eq(15),wasthusapproachedasan　optimizationproblem.Theobjectivewasthentovary　theseparameterssoastoplacetheresultingpolesasfarto　theleftaspossible,whilenotexceedingthe　microcontrollercapacitytoimplementtheequivalentofa　continuousstatecontroller.Itwasthusrequiredthatthe　resultingsystembandwidthwassubstantiallylowerthan　thesamplingrate,40wB,I2zf,.Jnitialconditionsfor　theoptimizationweredeterminedempirically,andvaried　tohelpavoidlocalminimum.Theresultingoptimized　gainswerethusdeterminedtobe,ThesecondtechniqueappliessupplementalAcceleration　Feed-Back(AFB)control,Figure5.Theresultingerror　torqueisdeterminedby,Anunexpectedadvantagetothiscontrollerisvery　specifictothecontextofthisrobot.Whenthestreamof　feed-forwardtorquepredictionsterminates,the　manipulatorshouldalwaysbeatitsinitialposition.Ifitis　displacedwhilethepowerisoffandthepoweris　reapplied,thislinearcontrollerslowlycorrectsitself　withoutviolentjerksthatthemodel-basedcontroller　exhibitsundersimilarcircumstances.Theacceleration　referenceofzeroinadditiontothevelocityreferenceof　zerofiutherdampsouttheresponsecommandedbythe　positionstepinput.Thischaracteristicisidealforusein　aninteractivesetting,wheresafetymustbeatoppriority.Implementationofthedesiredtorquesrequiresan　accuratemodeloftheMatsushitaGMX-7MCO19BDC　motorusedforthejoints.Thesemotorsweremodeled　withtwostates,ignoringinductanceandfilteringinthe　amplifier,sincethesestatesareseveralordersof　magnitudefasterthanthoseweintendedtocontrol.The　torqueestimates　describedearlierarethenconvertedinto　appropriatemotorvoltagesbasedonthemotortorque　constant,KT,armatureresistance,R,gearratio,n,and　motorspeed.Thisisderivedfromtheclassicalpermanent　magnetDCmotorequationswherethearmaturecurrent,i,　iscalculatedassumingthatthearmatureinductance　effectshave第70页\n设计（论文）专用纸settledout.Thisgivestheappliedmotor　voltage,5.TestingandPerformanceThecapabilityoftherobottothrowa47mmballwitha　massof0.057kgwasexaminedusingbothcontrollers.Severalinitialvelocitytrajectorieswereexaminedto　evaluatetheperformanceofthesystemwhilethrowing　theballincreasingdistances.Ateachtrajectory,eightto　twelvetrialswereconductedtoobtainanestimateof　consistencyanderrorforthecontroltechniques.Typicaljointpositionandvelocityresponsesareindicated　inFigure6andFigure7,respectively,whileattemptingto　throwaball5.7m.Asthefiguresindicate,theAFB　controllerexhibitedbettertrackingandreducedvelocity　errorthroughouttheentiremotion.TheMBcontroller　exhibitednoticeabledampedoscillationsinelbowjoint　velocity,Figure7,buttheseoscillationssettledoutprior　toreleasingtheball.TheresultingthrowingaccuracyoftheMJ3andAFB　controltechniquesareillustratedin,Figure8andFigure　9,respectively.Givenadesiredthrowingdistance,these　plotsindicatetheresultproducedbyeachcontroller.Overall,therepeatabilityoftheMI3controllerwasbetter　thantheAFBcontroller.Asthe95%confidenceintervals　indicate,theMJ3controllerexhibitedamaximum　confidenceintervalof+-0.36m,comparedtothekO.56m　intervaloftheAFBcontroller.Bothdatasetsare　approximatedwellbylinearregression,resultinginslope　variationsofapproximately5%fromideal(yx)foreach　controller,buttheMBcontrollerexhibitedslightlymore　linearthrowingaccuracy,asR2=0.98indicates.Asthe　regressionfit(y=l.O5x+.Ol)indicates,however,the　resultingthrowingdistancewerelargerthandesired.Incontrast,theAFBthrowingresponsewasnominally　closertotheideal,butthevariationsweremuchlarger.Thus,forpurposesofconsistencyandreduced　computationalload,thetraditionalModelBased　controllerispreferred.6.ConclusionDesign,implementation,andperformanceofathreelink　serialmanipulatorhavebeenpresented.Thepurposeof　thesystemistoillustratetopotentialengineersthetypical　rolesofmechanicalengineers,electricalengineers,and　computerscientistsinsuchaproject.The第70页\n设计（论文）专用纸systemwill　provideaninteractiveengineeringactivity,calculationof　andimplementationofthrowingtrajectories,whichwill　allowthestudentstoprogramtherobotandcompetefor　accuracy.Twoseparatecontrolstrategiesareexamined　andcomparedforballthrowingaccuracyand　repeatability.Moderatelyaccurateresultshavebeen　obtainedusingafeedforwardlinearizingcontrollerwith　position,velocity,andaccelerationfeedback.Further　workwillbecompletedtoimproveaccuracyandimplementthecontrolinterfaceonalimitedandcosteffectivemicro-controller.AcknowledgementThisworkwascompletedwiththesupportofRobertRoema,departmentchairofMechanicalEngineeringattheUniversityofUtah.ReferencesNorthrop,M.J.,“PartsFeedingwithaThrowing　Robot,”MastersThesis,NorthwesternUniversity,　DepartmentofMechanicalEngineering,1999.Aboaf,E.W.,C.G.Atkeson,andD.J.Reinkensmeyer,“Task-LevelRobotLeaming,”1988IEEE　InternationalConferenceonRoboticsand　Automation,2,p1309-1310,1988.Kato,N.,K.Matsuda,andT.Nakamwa,“Adaptive　ControlforaThrowingMotionofa2DOFRobot,”19964thInternationalWorkshoponAdvanced　MotionControl,1,p203-207,1996.Park,C.,Kim,J.;Kwon,C.,Park,M.,“Tracking　controlofarobotmanipulatorusingslidingmode　controllerwithfastandaccurateperformance,”1999　IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligent　RobotsandSystems(IROS’99),Oct17-0ct211999,Kyongju,SouthKorea,p305-310,1999.Yurkovich,S.,Garcia-Benitez,E.,andWatkins,J.,“Feedbacklinearizationwithaccelerationfeedback　foratwo-linkflexiblemanipulator,”Proceedingsof　the1991AmericanControlConference,Jun26-28　1991,Boston,MA,p1360-1365,1991.Fu,K.S.,Gonzalez,R.C.,andLee,C.S.G.,Robotics　Control.Sensing.Vision.andIntelligence,McGraw-Hill,p98-102,1987Craig,J.J.,IntroductiontoRoboticsMechanicsand　Control,2”ded.,Addison-Wesley第70页\n设计（论文）专用纸LongmanInc,~310-321,1989.第70页\n设计（论文）专用纸中文翻译在质点动力学课程中设计和控制一个三连杆串行机械人摘要本文主要讲设计和控制一个投球机器人并检测其性能。该项目的目的是向工程师和计算机科学家提供一个交互式的投球机器人并在教育高中或预备工程师的课程中通过设计和使用这样一个系统增强学生对知识的理解。质点运动及其轨迹的计算将提供一个与机器人互动学习的机会和基本的动手的工作经验。为了切实地提供此活动，机器人必须不断从一个已知点以需要的速度抛出球。这需要双连杆机械臂的控制方法至少能够使两个关键点速度相同。由于有限的微控制器计算资源，前馈力矩离线计算是基于3rｄ的三次样条轨迹。位置反馈补偿和速度误差补偿是比较和检测球投掷的准确度和精度，再加上一个补充技术即加速误差补偿。得到的实验结果说明需要一个提高精确度并减少重复性的技术。还需审查夹具设计使其能提供需要的握住球和快速释放球的速度。1、简介研究机器人在刚进入工程的学生的课程学习中的运用一直受到关注。要帮助预备工程师和高中学生对工程学科更好地理解，并使他们得到教育并对自己将来的职业做出一个选择，犹他州立大学正在研制一种交互式投球机器人，见图1。该机器人的设计是为了说明在机器人系统中机械人在机械工程，电气工程和计算机科学学科中所扮演的角色，以及提供根据球的运动模拟质点动力学中的质点活动以增加学生互动。并且学生将在这个抛球的轨迹设计的团队中进行竞争，方案是机器人按着轨迹以初始速度将球抛出。为了简化计算的轨迹，机器人设计为释放在预定点的球，即图1机器人的位置。该学生将测量目标点到初始点的距离，并计算出可行的初始速度。本研究主要的目的是开发一个机器人其手臂能够实现以一个大范围内的初始速度并在同一初始点释放球。第70页\n设计（论文）专用纸实现这一目标的关键是机械人的运动关节，适当选择执行器和传感器，并对运动进行规划和控制。该运动结构必须有足够的自由度，使得初始速度和初始位置能够达到要求，但，过多的自由度会导致手臂太重、太复杂，不能达到所需的速度范围。如图1所示，一个被选定的双连杆臂的尺寸应相当于一个成年人的手臂。鉴于这些方面，执行器必须有适应必要的动态负载的能力，这个草案中抛球的间距时间要求设计和控制并达到所需的要求。该机械人的运动设计必须考虑到不同运动机制的系统，机械人必须先拾取一个球，挥臂和扔球，然后减速。一个3rd的三次样条插值被近似为速度、加速度的轨迹之间的角度。由于计算能力是有限的，这些计算的轨迹是离线之前的抛球轨迹。有限的计算能力也妨碍了控制的设计。因此，两个基本技术及一个前馈扭矩抵消非线性进行检查。前馈组件使用离线设计并基于系统模型和计划的方案来预测关节力矩。反馈控制技术是基于位置和速度误差补偿，以及以加速度误差补偿为辅，比较以尽量减少扔球的误差。在第二节中，我们首先检查现有投掷机械人和与我们在文献中发现的动力结构和控制系统进行比较。在第三节中，我们提出机械人本身并描述其功能。第四节重点是我们审议过程中的规划和控制算法，第五节，测试和最终性能，第六节结论。2、背景类似项目的调查显示大多机械人的设计都有共同的思路，但目的不同。在文献中有很多机械人使用各种抛物运动投掷物体。他们涵盖了范围广泛的投掷类型和设计目的的机械人，最简单的是单自由度投掷机械人建立了用于研究商业用途的机械人，未来两杆机构是常见的种类，它包括传统的刚性平面和灵活的机械人，很多机械人有更多的自由度，并且已经建成抓球以及扔球，甚至耍弄多个球的机械人。为生活服务的机械人被分为一组，以不同的方式和形式广泛应用，这些思路涵盖了在不同的项目执行时碰到类似的挑战。若斯罗普[1]使用一个单链机械人的反馈部分以流水线扔球和控制球的落地点和方位。一旦这部分被确认和轨迹被规划，则电机就一定执行精确地命令。Aboaf第70页\n设计（论文）专用纸[2]研究了利用任务控制使一个单链机械人扔球。该系统采用视觉系统测量球的实际着陆地点，这样就可以对所需的着陆地点进行比较，他们研究了两种方法在使用中的错误以改善性能。其固定模型通过反模型获得结果。他们精制的模型程序同时操纵模型和指令信号以获得所需的结果。Kat0[3]研究了一个两杆平面配对的机械人控制利用一个自适应非线性的控制器修改了释放时间。他展示了通过实践操作改进的结果。其他常见的技术包括滑模式控制[4]和反线性化[5]。由于成本和计算的限制，所以，这些类型的控制策略是行不通的。主要是因为此原因，更符合成本效益的前馈线性化的反馈补偿被审查通过。当抛球机器人的目标与前面的项目的需求相同，一个与众不同的特点是抛球机械人在一个固定点和固定时间内融合两个位置和两个速度。这一点对于学生经常计算从一个共同的释放点释放的球的速度轨迹。与此相反，其他系统在他们的释放点和捕捉点是灵活的，他们通常受益于有更多的计算方式。3、机械结构推导该机器人的设计，主要是因为这些因素。作为交互式示范机器人，机械人的移动、重量轻、准确和可重复的特性是必要的，为了实现这些目的，为此，如图1所示的设计，该机械人是完全独立的、重量轻、携带方便，故障少，投掷准确，有这些特点是因为其基本的设计是手臂夹具联动。相应的机械人的基础是有更多的用途。也许更重要的是他需要作为一个稳定的平台以支持机械人。由于基础的尺寸是有限的，且需要运输方便，机械人的重心必须是越低越好。为此大多数机械人的质量是设计成基础的。因此应包含电源供应器、放大器、一个关节电机等所有用电的电子器件。联合动力装置设在旋转控制连杆1的基地上，由9个变量描述，如图1所示。连杆1抬高了机械人的肩膀以防止机械人手爪与基地的碰撞并且还保存了将被机械人抛出的球。存储球的透明管和支持肩膀的连杆1实际上抵消了来自中心位置的转动。这使得手爪包含连杆1的旋转轴在一个平面中移动。角度8，确定了这个将被抛出的球的平面的角度和方向。链接1的DH参数见表1，由于这个环节仍然是平稳得做抛物运动所以惯性参数被忽略。第70页\n设计（论文）专用纸连杆臂安装在连杆1端是一个支持手臂的平台。手臂由一个两连杆串行链与一个夹具一起安装在末端。联动的参数见表1，其中连杆2是机械人的上臂与连杆3的前臂。这个肩关节支持连杆2，肘关节支持连杆3。链杆长度已被选定为类似的成人手臂一样允许完成连杆的旋转而不发生碰撞或干扰。大多数连杆已经大幅降低使用缝有三角形衬料的连杆，从而降低机械人的重量也减少了连杆的体积和电机的尺寸。电机驱动安装在连杆1的末端并直接连接到肩膀关节的连杆2。电机驱动连杆3抵消从肘部通过同步齿形带的联合和耦合。肘部电机安装在肩关节附近的连杆2上。且在连杆的对侧。这种安装位置让连杆2旋转充分，减少了手臂的惯性允许更快的投掷速度和更小更轻的马达。在表1中连杆补偿了A2和A3被设计的允许手爪在一个平面内运动且包含连杆1轴的转动。手爪主要要求该夹具包括有足够的力量来举起球并给予其的动载荷，快速的力度以减少对球的轨迹的残效影响，重量轻以减少前臂的惯性。夹具的设计由两个对立的四杆联动以实现这一目的。使用滑块摇杆联动配置，如图2，双颚通过拉线实现同步驱动。拉线允许执行器安装闭合的手臂以减少惯性和改善动态性能。然后使用一个弹簧预载产生一个夹持的力量。这个夹持力的大小是一个关于拉力和位置联动的函数。夹具联动是由拉式电磁阀驱动的。图3所示为在额定电压为120V的电压下的位移函数。正如图所示当位移小时电磁阀产生更大的力量，因此该设备非常适合夹具的快速加速。为了选择适合该运动的夹具，如图4所示，简单的弹簧振子模型，用于近似夹具力度和电磁力，并是一步输入。夹具的质量被视为一个有效地质量，用Mg表示串联直动与电磁质量的核心，用Ms表示夹具的预加载荷。弹簧的预紧力降低了环形手指的设计，这使得球窝在手指夹具里来控制球并稍微消除了在扔球的摩擦。基于一个球嵌套在手指里的动态分析，而忽略摩擦，一个24N的力是足够抓起直径为47MM重量为0.057KG的球。第70页