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多自由度机械手智能优化设计与制作 华北电力大学 指导教师姓名及职称（四号楷体-GB2312，居中） 摘 要 ； 本文介绍了机械手结构及其工作原理，定出了机械手的主要性能参数，如伸缩行程、伸缩速度、升降行程、升降速度、回转范围等。另外，还介绍了各关节之间连接方式的优化方法，并确定了总体的设计方案。根据设计方案，分别进行手部、臂部和机身的设计和计算。根据机械手的运动方式采用可编程序控制器对机械手动作进行控制 , 利用光电编码器对电机的转轴转角进行检测 , 并对机械手6个直流电机进行正反转控制 , 从而实现电机转轴的准确定位及机械手抓取物体的控制。 关键词：多自由度 机械手 可编程序控制 引言 用于再现人手功能的技术装置称为机械手，它是近几十年发展起来的一种高科技智能自动化生产设备。机械手的基本机构是具有非闭合运动链和多个自由度的空间机构，它??以完成锻压、铸造、焊接、装配、喷漆等一系列工艺操作,尤其是在对人体有害或危险环境里,在完成笨重和单调的工作中,更是可以大显身手。机械手是实现柔性自动化中最典型的机电一体化装置，它的特点是通过可编程控制器人为控制或者自主来完成各种预期任务，在机械结构和性能上兼有人和机器的优点。机械手工作空间的形状和尺寸，以及它的灵活性、准确性、稳定性、适应性，摆动的角度和系数，基本机构的自由度数目，各种环境中完成作业的能力是优化机械手的重要指标。针对以上指标，本文对机械手从各关节连接方式，各电机的控制方法做了详细介绍。 一、机械手结构及工作原理 1机械手的结构 机械手以履带底盘为载体，底盘为双电机驱动，可以向前向后运动、左转、右转和原地旋转的运动方式。履带式底盘增强了机械手的稳定性和适应能力，给机械手稳定作业和适应复杂环境提供了基础。 机械手有七个自由度，如图1 所示 , 机械手结构为基本空间缩放结构 , 用铝合金方钢材料制成。考虑到整条手臂运动的肩关节可做在机器人本体内，所以在设计机械手操作臂时只需考虑余下的六个自由度如何实现即可。该机械手由腰部传动、前臂传动、后臂传动、手传动、腕传动和手爪动作这6 部分组成,由三个摆动关节、两个转动关节和一个伸缩关节组成。 机器人本体 图1 在手臂结构的整体设计中采用了框架模块结构方案，其考虑出发点是：1)刚性好，合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸能提高支撑刚度和接触刚度；2)偏重力矩小，偏重力矩是指臂部的总质量对支撑或回转轴产生的力矩，框架结构能减小支撑件质量及对回转轴的力矩；3)质量轻，惯量小，即设计时力求结构紧凑，减小惯性力。由此设计出的传动部件保持架，在能满足所需刚度的条件下尽可能地去除多余的材料，在材料问题上选用强度高、质量轻的材料，如高强度尼龙和铝合金等。其中一个后臂框架模块结构如图2所示。 3、机械手的运动方式及工作原理 机械手的传动装置可分为机械式、 电气式、 液压式、 气动式和复合式。腰部转动通过机械手结构示意图对传动齿轮副直接传动。选用雨刷电机作为驱动，雨刷电机具有较大扭矩，转速低等特点，大大增加了机械手的负载和稳定性。安装在底座上的雨刷电机的输出经减速器变速后 ,通过齿轮传动使腰部绕垂直轴线旋转 , 其旋转的角度不小于180°，从动齿轮上装有行程开关 , 对腰部运动进行限位检测 , 可实现最大限位控制。上臂固定在腰部从动链轮上 , 安装在腰部上的雨刷电机通过链传动带动上臂进行摆动幅度不小于 270°的运动 , 并且随腰部一起转动。前臂固定在上臂末端轴上 , 其驱动电机为推杆电机固定在腰部 ,通过推杆电机的伸缩带动前臂绕轴转动。手传动驱动也为推杆电机，固定在前臂 , 通过推杆电机行程改变带动手绕前臂末端轴线转动。其转动幅度不小于 180。腕部装有二个直流伺服电机 ,一个通过齿轮传动驱动腕的旋转运动 , 一个通过涡轮蜗杆传动带动手爪的开合。各关节和手腕的运动用直流伺服电机驱动 , 电机输出轴上安装有光电编码器 , 进行位置检测 , 并将位置信号反馈到控制器输入端 , 构成伺服电机驱动回路的闭环反馈控制。由 6 个电机控制的机械手 , 可使手爪在其工作范围内运动到达任意位置。手爪位置矢量 r 可由机械手的各臂的长度和各节的角度计算出来。被抓取的物体的位置矢量 r 可以 2表示为 图3 控制原理 nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功