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目前工业机械手主要用于机床加工、锻造、热处理等方面，无论是数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。在我国，目前主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善工作条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的情况下研制示教式机械手，计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件、如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的工业要求选用不同的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换以对付不同的工作，扩大了应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。
此外，还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。国外机械手发展的趋势是大力研制具有某种智能的机械手，使它拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，并能做相应的变更，使其更具有和人相似的一些特征。
2 工业机械手设计概述
2.1 机械手设计目的及意义
机械手设计是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程的综合应用，通过设计提高了我对机构分析与综合的能力，机构设计的能力，机电一体化系统设计能力，初步掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过设计要我达到：
（1）通过设计，把有关课程（机械原理、机械设计、自动控制基础、机器人工程、机电一体化系统设计、工程材料等）中所获得的理论知识在实际中综合地加以应用，是这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和实践紧密结合起来。因此，机械手设计是有关专业基础课和专业课后的综合性的专业设计。
（2）机械手设计是我们机械电子工程专业学生一次比较完整的机电一体化整机设计。通过设计培养我们独立完成机械整机设计的能力，树立正确的设计思想，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤，为机械系统设计打下良好的基础。 2.2 本次机械手的设计内容
本次设计为机械本体部分设计。在规定的学时里要求我个人完成以下工作：
（1）调查收集相关的资料和信息，了解工业机械手的技术和发展状况，查找相关中外期刊
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文献，撰写开题报告；
（2）拟定整体方案，主要是机械原理方面的设计方案； （3）根据给定的自由度数和技术参数选择合适的机身结构； （4）绘制系统原理图，寻找最优的任务实现功能元； （5）各部分的设计计算；
（6）绘制工程技术图纸，并给出相关的技术要求和注意事项； （7）编写课题设计、计算说明书。
通过设计，使我尽可能熟练地应用本行业的有关参考资料、计算图表、手册、和规范；熟悉有关国家标准和部分标准，以完成一个工程技术人员在机械整体设计方面所必须具备的基本技能训练。
3 设计要求及方案论证
我所要进行的是实用型多自由度关节式机械手的设计，其用途是用于上料或焊接等。 主要技术要求如下：
项 目 技术参数
结 构 形 式 关节式 自 由 度 数 5 腕部最大载荷 2.00kg 最大工作半径 800 手臂最大中心高 900 驱 动 方 式 直流伺服电动机 定 位 精 度 ±0.5mm 控 制 方 式 点位过程控制
??基座部分输出转速为5r/min,大臂部分固定转速为8r/min ,大臂俯仰速度为臂相对大臂俯仰速度60/s。
??4/s，小
分析上述所给的技术要求，查阅相关的资料进行研究综合，找到两个比较可行的方案，现分析如下:
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(1) 方案一 结构示意简图如下：
图3-1
直角坐标型机械手结构，又成为龙门式结构。
该机构的机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，由于直线运动易于实现全闭环位置控制，所以可以达到比较高的精度。但是这种龙门式的机械手运动空间相对机械手本身的几何尺寸来讲比较小。因此，为了实现一定的运动空间，这种龙门式的机械手的结构尺寸要比其它类型的机械手结构尺寸大，从而占地面积大，工作范围小，惯性大，灵活性差。该种直角坐标型的机械手主要用于装配作业及搬运作业。
(2) 方案二 关节型结构 结构示意简图如下：
图3-2
关节型机械手的空间运动是由几个回转运动来实现的，关节型机械手动作灵活，结构紧凑，相对前一种直角坐标型机械手而言，占地面积小，工作范围比较大，动作灵活，启动迅速。因此，这种结构的机械手广泛用于搬运，装配，喷涂，焊接等作业。
结合所给的技术要求和上述两种方案的综合比较，本人设计采用后一种方案二，即关节式机械手，因为它相对与本设计的要求更具优越性和实用性，性能上也完全能达到预期的目的。
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本设计各臂运动计划采用齿轮传动。
4 总体设计及分析
4.1 系统原理介绍
本节主要对机械手系统的原理作以详细的论述，并结合图形进行说明 本次设计的机械手的传动原理图如下图所示：
θ1112θ23448θ365910711518167151714θ49121311图4-1 系统工作原理图
θ519
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上图中各传动路线如下：
电机1 ——→ Z1/Z2 ——→ 2轴 ——→ Z3/Z4 ——→ 3轴 （关节1）
电机 4 ——→ Z5/Z6 ——→ 5轴 ——→ Z7/Z8 ——→ 8轴 ——→ Z9/Z10
——→ 6轴 （关节2）
电机 5 ——→ Z11/Z12 ——→ 9轴 ——→Z13/Z14 ——→ 10轴 ——→ Z15/Z16 ——→ 11轴 （关节3）
电机 7 ——→ Z23/Z24 ——→ 15轴 ——→ Z25/Z26 ——→ 16轴
——→ Z27/Z28 ——→ 17轴 （关节4）
电机 9 ——→ Z17/Z18 ——→ 13轴 ——→ Z19/Z20 ——→ 腕部转动 电机 11 ——→ Z21/Z22 ——→ 19轴 （关节5） 4.2 系统结构论述
本机械手的基本形式是在方位回转关节的基础上加上双回转关节手臂组成，整个系统主要包括基座、立柱及其回转装置、大臂、小臂和手腕。下面将详细的对其各个部分机械结构作以论述。
（1）基座与立柱
基座与立柱的机构图可参照机械手总装配图。基座由灰铸铁铸造加工，立柱安装于基座上。这一部分主要包括立柱回转（第一关节）的二级齿轮件减速传动，减速箱体即为基座。传动过程为：驱动电机输出轴上装有电磁制动阀，然后通过联轴器带动二级齿轮系统运转，从而使得装在基座上的主轴作回转运动。立柱是一个薄壁钢管，主轴是45钢空心轴。
（2）大臂部件
大臂的结构参照大臂装配图。主要有大臂结构、大臂与小臂（第二关节与第三关节）的传动结构。大臂结构由整体复合材料与金属合金骨架与外表面复合材料联接而成。既作为机械手的传动手臂又作为传动链的箱体。
大臂的传动过程为（参照前面系统传动原理）：大臂电机4上装有电磁制动闸，以及与电机轴串联的联轴器3，再通过一个行星轮传动系统将运动传动到固定齿轮Z10，具体过程为：联
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