第1章 绪论
1.1 题目提出的意义
本次设计的目的是为了解决本科教学中理论与实践操作融合性不强等问题，使学生在学习理论知识的基础上能得到较好的实际操作，通过不同程序的输入使学生真实的观察到机械手的运动轨迹与运动方式，进一步强化大学生学习与就业能力。
1.2 国内外发展现状
机械手的迅速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作的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人工物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉压、噪音以及带有放射性的污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视[1]。
1. 国外发展现状
专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。目前国外对发展这一技术很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。
目前国外的发展趋势是[2]：
(1) 研制有更多自由度的机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。
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(2) 研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。
(3) 研制维修维护方便的机械手。
(4) 研制能自动编制和自动改变程序的机械手。
(5) 研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。
(6) 机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。
(7) 研制具有柔性系统的机械手
2． 国内发展状况
目前，在国内广泛应用的再现式机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。如果把这种再现式机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。现在研究的机械手正在朝着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度[3,4]。虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大力支持相关的设计及产品的开发。在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交流与合作[5]。现在国内具有越来越强的自主研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位[6]。
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第2章 方案的确定与比较分析
本毕业设计的机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，其结构形式方案一般有一下几种[7,8]：
表2-1 机械手结构选型表
结构形式方案 直角坐标型 特点 操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置 优缺点 结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低 结构简图 操作机的手结构刚度较好，运动 臂至少有一所需功率较小，控制圆柱坐标型 个移动关节难度较小，但运动轨和一个回转迹简单，使用过程中关节，其关效率不高 节轴线按圆柱坐标系配置 操作机的手结构紧凑，但其控制 臂具有两个系统的设计有一定难球坐标型 回转关节和度，且机械手臂的刚一个移动关度不足，机械结构较节，其轴线为复杂 按极坐标系配置
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续表
结构形式方案 特点 关节型 操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节 优缺点 运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差 结构简图 2.1 机械手机械系统的比较与选择
1. 直角坐标型机械手
直角坐标式机械手是适用于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。结构简图见表2-1。
其工作范围可以使一个直线运动；二个直线运动或三个直线运动。如在X、Y、Z三个直线运动方向上各具有A、B、C三个回转运动，即构成六个自由度。但在实际上是很少有的。缺点是这种机械手作业范围较小，占空比大，灵活性差。
2. 圆柱坐标型机械手
圆柱坐标式机械手适用于搬运和测量工作。 具有直观性好，结构简单，而动作范围较大等优点。
圆柱坐标式机械手由X、Z、φ三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。结构简图见表2-1.
圆柱坐标式机械手有五个基本动作： (1) 手臂水平回转； (2) 手臂伸缩； (3) 手臂上下；
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(4) 手臂回转动作； (5) 手爪夹紧动作。
圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒、手臂装在滑动套筒上，手臂可作上下直线运动（Z）和在水平面内做圆弧状的左右摆动（φ）。 圆柱坐标式机械手的缺点是结构庞大，两个移动轴的设计比较复杂，难于其他设备协调工作。
3 球坐标型机械手
球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它是由X、θ、φ三个方向的运动组成。结构简图见表2-1。球坐标式机械手的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。
球坐标式机械手可实现以下八个动作： (1) 手臂上下动作，即俯仰动作； (2) 手臂左右动作，即回转动作； (3) 手臂前后动作，即伸缩动作； (4) 手腕上下弯曲； (5) 手腕左右摆动； (6) 手腕旋转运动； (7) 手爪夹紧动作； (8) 机械手整体移动。
球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧状上下俯仰运动，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，工作范围和人手的动作类似。它的特点是能自动选择最合理的动作路线。所以工效高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，动作范围大。其缺点是壁障性差，有平衡问题，位置误差与臂长成正比，控制难度大。
4 关节型机械手
又称回转坐标型，分为垂直关节坐标和平面（水平）关节坐标，机械手由立柱和大小臂组成，立柱与大臂通过肩关节相连接，立柱绕z轴旋转，形成腰关节，大臂与小臂形成肘关节，可使大臂作回转和俯仰，小臂作俯仰。机械手工作空间范围大，动作灵活，避障性好，能抓取靠近机座的物体，其缺点是位置精度较低，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多[10]。
本次设计的是实验用三自由度机械手，要求体积小，重量轻，灵活性强，对精度要求不高，抓取重量较轻，上述4种类型机械手中关节式械手结构最
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