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1、目 录1 引言11.1 机械手的分类21.2 机械手的应用31.3 机械手的未来32 课题背景及要求42.1 课题背景42.2 隧道清洁机械手课题的设计任务62.3 隧道清洁机械手课题的设计思路63 清洁机械手总体方案设计73.1 清洁机械手的组成73.2 清洁机械手末端执行器轨迹的规划93.3 机械手手腕回转中心104 清洁机械手的运动及自由度124.1 地铁隧道清洁机械手的类型124.2 铰链四杆机构的选取144.3 机械手自由度的校核195 其它部件的设计与选型205.1 电机的应用选择205.2 吸尘器的设计255.3 手臂伸缩长度设计26结束语28致谢29参考文献301 引言很早以来
2、，人类就幻想有一种拟人的机械，能实现如人的手、脚一样灵活自由的运动，能代替人从事各种复杂的劳动。随着人类认识的不断深入和科学技术的进步，这种梦想正逐步变成现实。在我国，习惯于把工业机器人称为机械手或操作臂。操作一般是由一系列连杆由旋转关节或移动关节相连接的开式运动链，一端装在固定的支座上，另一端自由安装手爪、工具等，实现各种操作。关节的作用是使它连接的两连杆产生相对运动。操作臂式多环节开环机械装置：它有完成旋转和往复运动的关节，其自由度数目是210个。这个机械装置的最后一个环节（即工作机构）是手爪，或其它任何专门的生产器械，如真空吸附盘、喷雾器、自动搬手等。为了能够在各环节位移最小的情况下保持
3、执行机构有平滑的移动轨迹，必须正确的分配操作臂传动链的运动自由度。为此，操作臂必须满足如下基本要求：(1)可随意改变手爪位置和方向；(2)在保持手爪位置和方向的条件下，可随意改变操作臂运动链在空间的形状；(3)用于改变手爪方向的运动自由度不能对手爪终端位置有明显的影响。要按照操作臂在工作范围内的工作要求，即服务质量，来选择各环节的有效长度，工作系数可作为一个工作标准。根据所要求的工作系数的大小确定各环节的工作长度和确定各环节的操作臂传动链中的位置。在确定手爪的结构时，通常要考虑某些定型工序。有的手爪做成勺罐形，有的有两个或三个手指等等。工作机构可同时带有信息传感器。这种信息传感器能确定出操作对
4、象的各种、参数，并能发出故障警报等。 传动装置主要有三类：电动 、液压和气动的传动。由于空气压缩性大和制造良好的气动系统相当复杂，所以气动传动的灵敏性很差。液压传动除专门的维护外，还由于漏油会引起环境污染。电传动可以采用各种伺服电机和离合器。传动装置可直接安装在固定机械手的基座上。分散装配传动系统的优点是：由电动机到关节之间力的传递简单，因而机械手的机构紧凑。集中配置传动装置可以简化机械手的结构，并且可以比较自由地选择传动的形式和结构，但是有传动装置向关节传递力需要齿轮、链条等等13。 电动机械手的主要特点是机械手的每个活动度都相应的配有一台电动机以及有关变速传动结构。与液压或气动机械手相比，
5、驱动源和系统较简单，电动机又是配通用产品规格齐全，容易得到，不需要另行设计制造。在位置精度要求不高的情况下，控制也较方便。但普通电动机均为回转运动，且转速较高，一般都配有变回转运动为直线运动的机构和减速机构。因此，在驱动功率要求较大的情况下，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，活动自由度较少的机械手。若采用特殊设计的专用电动机或特种电动机，如功率伺服电机、功率步进电机等，也可以改善电动机械手的性能，因此电动机械手很具有推广使用的价值4,5。 1.1 机械手的分类(1)直线型这种运动型式的机械手，其臂部只具有沿直角坐标轴线作直线移动的活动度，即臂部只是做伸缩、升降和
6、平移等运动，它的运动范围的图形可以是一条直线、一个矩形平面或一个长方体。(2)回转型这种运动型式的机械手，其臂部均具有水平回转这个活动度外，与臂部的伸缩和升降两个活动度组合成一个完整的回转型机械手。它的运动范围图形视其活动度的不同可以是一圆弧曲线、一扇形平面、一圆柱面和一空心圆柱体范围。其特征轮廓为圆，其特征运动为回转，为方便起见称为回转型。(3)俯仰型这种运动型式的机械手，其臂部除了具备水平回转这个活动度外，都具备臂部俯仰这一活动度，与臂部伸缩活动度组合成一个完整的俯仰型机械手。它的运动范围图形为一空心圆球。这种型式的特征运动为俯仰，为方便起见称为俯仰型。通常将只具有臂部俯仰而无臂部回转这一
7、活动的机械手，因结构上和俯仰型接近，亦称作俯仰型。(4)屈伸型这种运动型式的机械手，臂部有大臂和小臂两部分，除了大臂具有水平回转和俯仰活动度外，小臂相对大臂还有一俯仰运动，从形态上看小臂相对大臂做屈伸运动。根据此一特征称它为屈伸型。它的运动范围图形为球体。当然机械手的运动型式，除了上述四种基本型式外，还可以有某些运动组合而成的复合型式6。1.2 机械手的应用工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金
8、属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS )，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大 。我国的工业机械手(或第一代机械手)发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于更换工件，扩大了应用范围。1.3 机械手的未
9、来机械手又称工业机器人，最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。国内对工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划(19861990)开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入的大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氢弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所(SIA)和北京科
10、技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DC-PWM等等。当今机械手的发展趋势主要有两个突出的特点：一个是在横向上，机械手的应用领域在不断扩大，机械手的种类日趋增多；另一个是在纵向上，机械手的性能不断提高，并逐步向智能化发展。在21世纪，机械手技术将继续是科学与发展的一个热点。机械手技术的进一步发展必将对社会经济和生产力的发展产生更加深远的影响7,8。2 课题背景及要求2.1 课题背景城市地面交通工具受路面、交通情况或天气的影响，上下班高峰期时出现交通堵塞等现象，使得人们的出行受到干扰，浪费大量的时间，而地铁却不受干扰
11、，它为我们的出行带来特别的方便，由于地铁速度快而且不出现堵塞，所以节省了大量这种由于堵塞和其它干扰等的时间。列车还较其它的交通工具环保。列车采用安全自动控制系统来操作，严格保证列车行车间隔。地铁供电采用双电源，停电可能性甚微。地铁同样重视防火措施，设有足够的灭火设备，各车站均安装有闭路监控系统，以便随时了解车站的情况。此外，各车站均由北京市公安局城市轨道分局的警员负责治安。列车与车站均由空气调节装置，使温度和湿度保持在最舒适的范围内。由于采用自动售票检票系统，适用大量乘客使用地铁。站厅与站台层设有督导员与站务员，亦协助乘客解决问题。地铁各处均设有明确的导向标志，使乘客搭乘地铁非常方便、简易。其
12、用盾构法施工的隧道，如图2.1所示。图2.1 盾构法施工的隧道为了使地铁的顺利通行，隧道的修建是必不可少的。经过工人师傅们的劳动汗水和努力，在隧道的施工上付出了大量的劳动力，才使得我们能坐上今天方便快捷的地铁列车。关于地铁隧道修建的过程，如图2.2所示。图2.2 盾构隧道施工法地铁是一个公共场所，它与人们的生活息息相关，一个好的环境可以带给市民一个舒适的心情。日复一日，年复一年。由于环境的影响，地铁隧道的清理工作便是一个值得关注的问题，地铁如图2.3所示。图2.3 地铁2.2 隧道清洁机械手课题的设计任务通过本设计，使我熟悉机械产品开发性设计的一般过程，培养了我综合运用所学基础理论、专业知识和
13、各项技能，着重培养设计、计算、分析和解决问题的能力，进而总结、归纳和获得合理结论，进行较为系统的工程训练，初步锻炼科研能力，提高论文撰写和技术表述能力。为实际工作奠定基础，达到人才培养的目的与要求。课题任务是设计一台工业机器人，代替人工实现地铁隧道墙壁表面粉尘的自动清洁工作。其原始数据和技术要求为：（1）地铁隧道截面为圆形半径4米，最高处约6.5米。（2）手臂末段安装吸尘器，允许机械手安装在专用（改装）车辆上,允许每单程清洗半幅隧道。（3）车辆行驶速度不低于15km/h（4）同台车辆所用机械手1个,确定机械手的安装位置。清洁工作不得影响另半幅路面车辆行驶。（5）自由度数目不超过3个，选取机械手
14、的坐标形式。（6）保持吸尘器工作部位距隧道内壁距离:50厘米，允许偏差10厘米。（7）选择合适的吸尘器口径,保证漏扫面积低于应扫面积的40%。课题的工作要求使确定总体方案和机器的排列方式。根据现场条件，确定相应的坐标系和自由度数目，选用合适的去动力源。做到方案合理，结构紧凑，满足生产要求。并对配套设备（吸尘器、车辆等）提出要求。2.3 隧道清洁机械手课题的设计思路本课题要求设计一台经济实用，性能可靠的机器人,代替人工用来进行地铁隧道内部壁面的清洁工作。根据现场条件和作业要求,设计总体方案和清洁方式：确定相应的坐标形式和自由度数目，选用合适的驱动力源。做到方案合理，结构紧凑，满足生产要求。并对配
15、套设备（吸尘器、车辆等）提出要求。根据调研结果和实际要求，拟采用吸尘方式完成清洁工作，即该机械手末端执行器拟采用吸尘器，其运动轨迹应与隧道内部壁面大致相同，为一圆弧。手臂能根据隧道壁面结构自行调整距离大小，与壁面垂直距离保持大于40毫米小于60毫米；为了确保清洁效果，吸尘器与垃圾存放箱相通，吸尘器吸进的灰尘放置其中；末端执行器的运动轨迹一般为一螺旋线；机器人应有三个自由度，一个转动加两个移动，考虑到地铁隧道的结构和作业条件，沿隧道长度方向的移动可由承载车来实现，所以机械手本体只需两个自由度来完成。机械手本体需要的两个自由度：一个摆动（转动）和一个移动的自由度（用来调整执行器与隧道内壁的垂直距离
16、），如图2.4所示；吸尘装置用来完成清洁工作，吸尘器的吸口部分为末端执行器；机械手本体、垃圾箱和吸尘器等都安装在承载车上。图2.4 机械手自由度示意图机械手本体的两个自由度可以通过气动或电动机来提供驱动力源，其中一个来提供转动动力，另一个提供移动动力9。3 清洁机械手总体方案设计3.1 清洁机械手的组成该地铁隧道清洁机械手分为三个部分：车载装置、机械手装置和吸尘装置，如图3.1所示。（1）车载装置：用来装载机械手装置和吸尘装置，还可用来手臂沿隧道方向的移动方向的自由度以及一系列控制机械手的装置都装在承载小车上，承载小车的移动犹如地铁，直接骑在轨道上沿着地铁轨道进行移动。（2）机械手装置：机械手
17、本体是地铁隧道清洁机械手的核心装置，清洁的主要工作由它来完成。采用由电机驱动的曲柄摇杆机构来实现手臂的来回摆动,由电机驱动曲柄的转动通过连杆从而带动摇杆实现来回的摆动（如果采用齿轮减速机构，电机需要循环不断的用正反转来实现手臂的来回摆动，因此，该方案不可用）。同时为了实现手臂的来回移动，采用由电机驱动的齿轮齿条传动从而带动手臂的移动来实现。手臂沿隧道截面为大半圆的隧道长度方向单程清洁半幅隧道。手臂能根据墙壁结构自行调整距离大小，与墙壁表面垂直距离大于40毫米小于60毫米。图3.1 清洁装置示意图（3）吸尘装置：机械手的末端执行器，具体的清洁工作由它来完成，用来清洁地铁隧道壁面的灰尘和其它污垢。
18、由于它为执行器，安装在机械手的末端，所以它的来回摆动和移动由机械手和承载车来带动实现的。机械手臂沿隧道长度方向向前运动可以由承载车来实现，再加上手臂自身的来回摆动，这样清洁机械手单程清洁半幅隧道时的轨迹为一螺旋线。由于手臂的回转中心与隧道的中心不是同一个点，碰到凹凸不平的壁面，我们可以通过位置传感器来控制手臂的自动调节。当手臂的执行器（即吸尘器）与壁面的垂直距离超出某个范围时，便发出信号，这样手臂可自行伸长或缩回，手臂就能随壁面不同形状而改变其长度来清洁隧道壁面。另外，吸尘器与垃圾存放箱是相通的，吸尘器吸进灰尘后，灰尘被装在存放箱。装在手臂上的吸尘器的运动轨迹是螺旋线，考虑到壁面可能会有死角处
19、不能被清洁到，为了保证漏扫面积低于应扫面积的40%，我们需要控制好吸尘器的口径大小10，11。3.2 清洁机械手末端执行器轨迹的规划机械手末端执行器为一吸尘器的吸口，沿着隧道壁面运动，隧道的截面为大半圆形，隧道的高度以及隧道的路面宽度，如图3.2所示：已知: m , m , 求：根据勾股定理： 带入数据得： mm mm图3.2 隧道截面示意图3.3 机械手手腕回转中心腕部处于臂部的最前端，它连同手臂的静、动载荷都由臂部承受。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响到臂部的结构、重量和运转的特性。因此，腕部的设计，必须力求机构紧凑，质量轻等特点。腕部是机械手的执行机构，它还起到连接和支承的作用
20、，除需保证力和运动的要求以及具有足够的强度、刚度外，还需综合考虑，合理布局。由于隧道清洁的工作环境比较恶劣，隧道比较宽而且比较高，所以在设计腕部时应充分的考虑到可能存在的环境对腕部的不良影响。机械手装置的手腕回转中心的定位关系到整个隧道壁面的清洁范围，同时它还影响到手臂的伸缩量。由于隧道截面的直径比较大，为了保证手臂移动时的稳定性，手臂的伸缩量越小越好12。图3.3 机械手工作区域根据中垂线定理，连接C和M两点，作线段CM的中垂线，在距离隧道中心1米处的D点便可定为机械手的手腕关节处。手臂在C和M点两处的长度相等且是最长的，在中垂线处的长度最短（即D到N的长度最短）。这样，手臂在工作时就可以保
21、持它的伸缩量最小了，能达到平稳的效果。如图3.3所示：通过下列的计算： mmm mm 可以得出： mm即：CD和DM处为两极限位置，其工作区域为图3.3的阴影部分。4 清洁机械手的运动及自由度机器人的基本功能，归根结底在于按预定的位置和姿势驱动手部的运动，从而完成各种作业要求的工艺动作。我们知道，在空间的任一方向的微小的移动都可以分解为三个坐标轴的移动；任一方向的微小转动，都可分解为绕三个坐标轴的转动。所以，任一自由的空间物体，也只有六个自由度。三个沿坐标轴的移动分量决定着物体的位置变化；三个绕坐标轴的转动分量决定着物体的位姿变化。工业机器人的操作机属于空间机构。由于结构上的原因，其运动副通常
22、只有转动副和移动副两类。以转动副相联的关节称为转动关节（记作R）；以移动副相联的关节则称为移动关节（记作P）。这些关节中，凡单独单独驱动的称为主动关节，反之称为从动关节。单独驱动的主动关节的数目称作操作机的自由度数目。一般来说，运动链的自由度和手部运动的自由度在数量上是相等的，如图4.2所示的RRP操作机基座具有一个转动自由度，腰部具有一个移动的自由度，腕部具有一个转动的自由度，其作用是确定手部在空间的位置。所以，由这些部分所构成的机构，我们称之为操作机的位置机构。图4.1 RRP坐标式机器人地铁隧道清洁机械手的设计应有三个自由度，一个转动加两个移动，考虑到地铁隧道的结构和作业条件，沿隧道长度
23、方向的移动可由承载车来实现，所以机械手本体只需两个自由度来完成13。4.1 地铁隧道清洁机械手的类型我们知道，为了实现手部在空间某定点的运动，可有不同的运动组合，大体上可以分为如下的几类：三个互相垂直的直线运动的组合（PPP）；两个直线运动和一个转动（RPP）；三个都为转动的组合（RRR）,分别如下图所示：图4.2 PPP坐标式图4.3 RPP坐标式图4.4 RRR坐标式1小臂 2大臂 3立柱 4基座地铁隧道清洁机械手由实际上由三个自由度来完成的，两个移动自由度和一个转动自由度。所以隧道的清洁机械手的类型可以归结为两个直线的运动和一个转动。所以它的类型属于RPP型，如图4.3所示。但是其中一个
24、自由度靠承载小车来完成。所以机械手本体需要两个自由度：一个摆动（转动）和一个移动自由度（用来调整吸尘器与隧道截面垂直距离的大小）14。4.2 铰链四杆机构的选取平面连杆机构的主要特点是：低副是规则的几何形状，容易加工制造；由于低副连接，机构可承受较大的载荷，特别是耐冲击载荷可实现多种运动形式，包括转动 、移动、摆动及平面的一般运动；连杆曲线具有多种多样的形状，可根据需要选用，可远距离的传动。连杆机构的基本类型有:曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构等。要设计的机械手本体只需要两个自由度，包括一个转动自由度和一个移动自由度。我们可以选取曲柄摇杆机构来实现。全部运动副为转动副的四杆机构称为铰链四杆
25、机构，它是平面四杆机构的最基本的形式，如组成转动副的两构件能相对整周的转动，则称其为周转副，而不能做整周转动者，则称其为摆转副。铰链四杆机构由以下各构件组成：连架杆：与机架相连的构件；连杆：不与机架相连，做平面运动的构件；机架：机构中相对固定的构件；曲柄：与机架相连的并且做整周转动的构件；摇杆：与机架相连并且做往复摆动的构件；铰链四杆机构根据两连架杆运动状态可分为以下三种基本的类型：（1）曲柄摇杆机构铰链四杆机构的两连架杆中一个能做整周的运动，另一个只能做往复的摆动的机构，如图4.5所示。图4.5 曲柄摇杆机构（2）双曲柄机构铰链四杆机构的两连架杆均能做整周转动的机构，如图4.6所示。图4.6
26、 双曲柄机构（3）双摇杆机构铰链四杆机构中的两连架杆均不能做整周转动的机构（即两连架杆均能做摆动的机构），如图4.7所示。图4.7 双摇杆机构在曲柄摇杆机构中，要使连架杆AB为曲柄，它必须是四杆中的最短杆，且应满足最短杆与最长杆长度之和小于其余两杆长度之和。考虑到一般的情形，可以将铰链四杆机构有曲柄存在的条件概括为：（1）连架杆与机架中必有一个是最短杆；（2）最短杆与最长杆之和必小于或等于其余两杆长度之和。4.2.1 用作图法设计四杆机构用作图法进行设计，就是利用各铰链的相对运动的几何关系，通过作图确定各铰链的位置，从而定出各杆的长度，如图4.8所示。图4.8 铰链四杆机构（1）按连杆预定的位
27、置设计四杆机构圆点：四杆机构连架杆能在一圆周上运动的点，它可作为连杆与连架杆的铰接点；中心点:圆点所在圆弧的圆心，它可作为连架杆与机架的铰接点。(a)已知活动铰链中心的位置已知两活动铰链中心的B、C的位置，要求在机构运动过程中连杆能依次占据已知的两、三个位置。设计的任务是确定两固定铰链中心的位置。(b)已知固定铰链中心的位置根据机构倒置的概念，设该四杆机构的连杆为机架，则原机构中的固定铰链A、D将变为活动铰链，而活动铰链B、C将变为固定铰链。这样，就将已知固定铰链中心的位置设计四杆机构的问题转化成了已知活动铰链中心的位置设计四杆机构的问题。（2）按两连架杆预定的对应角位移设计四杆机构已知四杆机
28、构机架的长度，要求原动件和从动件沿某方向依次转过对应的角度来设计此四杆机构。采用“反转法”或“反转机构法”：若改取连架杆CD为机架，则构件AB变为连杆，在此情况下，只要找出新的连杆AB相对于机架CD运动时的活动铰链A、B的位置，应用已知连杆的预定位置设计四杆机构的方法求解即可。4.2.2 机械手装置中的曲柄摇杆机构的参数确定其中AB为曲柄，CD为摇杆，AD为机架，CD和DM为两极限位置已被确定。当AB转过一周时，铰链中心B的轨迹是以A为圆心的圆。显然，在B经过B1、B2点时曲柄和连杆形成两次共线。换句话说，要使AB称为曲柄，它能顺利的通过这两个共线位置, 如图4.7所示。因此，我们可以借助这两
29、个特殊位置来找它们的关系。根据下面的一系列参数（结合上面的推导）：摆杆mm其中CD和DM为两极限位置。图4.9 曲柄摇杆机构我们可以得出： 曲柄AB = 1m 机架AD = 1.6m由于极限角度较大，我们采用相邻两杆相等的四杆机构来实现。这些参数的设定，可以形象的通过该曲柄摇杆机构来实现机械手装置的手臂部分的摆动。通过电机驱动曲柄AB回转便可带动手臂CD的来回摆动，此时，电机只要单方向转动即可，这就是选用曲柄摇杆机构的特点15，16。4.3 机械手自由度的校核一个构件在没有任何约束的条件下，相对于固定构件作平面运动时有三个自由度。若组成机构的平面运动链有n个活动构件和一个固定构件，则动所有构件
30、未组成运动副前活动构件相对于固定构件有3n个自由度，如果这些构件用运动副连接而组成运动链以后，由于受运动副约束条件的限制，自由度将减少。我们把构件中各构件相对于机架的独立运动数目称为机构的自由度。设运动链中共有Pl个低副和PH个高副，则它们将提供个约束，故机构的自由度为：隧道清洁机械手的结构示意图，如图4.10所示。活动构件n=4,低副为5，高副为0，由上述公式得机构自由度为：清洁机械手机构原动件数目有2个。一个是曲柄的转动，另一个是手臂的移动。原动件数目等于机构的自由度数目，所以机构有确定的运动。驱动力源应该有2个。一个用来驱动曲柄摇杆机构，来实现手臂的来回摆动；另一个是用来驱动齿轮齿条的传
31、动，来实现手臂的来回移动17。图4.10 结构示意图5 其它部件的设计与选型根据调研结果和实际的要求，拟采用吸尘方式完成清洁工作，即该机械手末端执行器拟采用吸尘器，其运动轨迹应与隧道内部墙壁大致相同，为一圆形。为确保清洁效果，吸尘器与垃圾存放箱相通，吸尘器吸进的灰尘放至其中。末端执行器的运动轨迹一般为一螺旋线。机器人本体的2个自由度可以通过电机来提供驱动力，一个来提供转动动力，另外一个提供移动动力。手臂自行调整距离可通过位置传感器来实现。当手臂末端的执行器与隧道壁面的垂直距离超出某个值时，便会发出信号，使手臂自行缩回；手臂距离小于某个数值时，手臂自行伸长18。5.1 电机的应用选择（1）电动机
32、应用选择的原则和方法选择电动机的基本原则首先应考虑电动机的主要性能（包括起动、过载及调速等性能）、额定功率的大小、额定转速及机构形式等方面满足生产机械的要求；其次是在这个前提下优先选用结构简单、运行可靠、维护方便的电动机。选择电动机的方法和主要不骤是：(a)根据生产机械性能的要求，选择电动机的种类和转速；(b)根据供电电源的情况，选择电动机的额定电压；(c)根据生产机械所需要的功率和工作方式，确定电动机的额定功率；(d)根据电动机安装的位置要求和场所环境，选择电动机的结构和防护形式。电动机额定功率的选择，要通过发热、过载能力和起动能力的校检。（2）电动机的类型选择根据电动机负载的性质，如恒转矩
33、和通风机负载特性的机械，选用机械特性为硬特性的电动机较适宜；负载平稳，对起动、制动无特殊要求的长期运动的机械，小功率选用普通笼型电动机，大功率选用同步电动机；要求调速范围很大，且具有恒功率负载特性的机械，采用机械电气联合调速的型式。电动机的使用类型还要结合生产机械的工作状态来选择。（3）电动机的额定转速的选择电动机额定转速是根据生产机械的要求而选定的。在确定电动机额定转速时，必须考虑机械减速机构的传动比值，两者相互结合，经过技术、经济方面的比较才能确定。通常，电动机转速不低于500r/min，因为当功率一定时，电动机的转速愈低，则其尺寸愈大，价格愈贵，而且效率也低，如选用高速电动机，势必加大机
34、械减速机构的传动比，致使机械传动部分复杂起来。（4）电动机额定功率的确定正确确定电动机额定功率的原则是：在电动机能够胜任生产机械负载要求的前提下，应尽量选用额定功率小的一些电动机。5.1.1 驱动电机的选择驱动电机在机械手装置中是机械手的动力来源之一，它的选择要从多方面进行考虑。对于这个地铁隧道清洁机械手，我们可以考虑采用步进电机进行驱动。步进电机与普通电机不同之处是步进电机能接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫做环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间按一定的规律排列，交流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进
35、式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿数有关。现在比较常用的步进电机包括反映式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机
36、性能相媲美19,20。5.1.2 地铁隧道清洁机械手的电机选择步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步进角”）一步一步运行的。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器。它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移。所以步进电机的转速与脉冲频率成正比21。考虑到各方面的因素，可以确定：驱动曲柄摇杆机构来实现手臂的来回摆动的电机可选用型号为YCJ130的减速电动机，它的额定功率为3kw,输出转速可以有三个选择，分别是176r/min,139r/min和116r/min，我们选用176r/min的输出转速就可以了；用来驱动齿轮齿条传动来实现手
37、臂的往复移动的电机可选用160BC380A型磁阻式步进电机。图5.1 YCJ71-YCJ112型外形及安装 图5.2 磁阻式电机的外形及安装 表5.1 减速电动机的外形尺寸数据型号外形尺寸AAABBBGAHAHCHDLJAOYCJ71452251923122-23524070YCJ80522552183528-30527575YCJ100603302554535-355345100YCJ1126036026551.540-420355110YCJ120421921372820216-217-YCJ130502101523320226-250-YCJ14050220164382025028626
38、0-YCJ150602601944330262298324-YCJ1706029021348.530304350344-表5.2 减速电动机安装尺寸数据型号 安装尺寸ABCDEFHKSYCJ7118015036.5286087114M8YCJ8020517039.53280108018M10YCJ10027020544.5421101210022M12YCJ11230021544.5481101411222M12YCJ12016080322560812012M8YCJ13016090403080813013M8YCJ1401801004535801014017M10YCJ15020011545
39、401101215017M16YCJ17024013551451101417018M165.2 吸尘器的设计该机械手末端执行器拟采用吸尘器，其运动轨迹应与隧道内部墙壁大致相同，为一圆形。为确保清洁效果，吸尘器与垃圾存放箱相通，吸尘器吸进的灰尘放至其中，其吸尘器示意图22，如图5.3所示：图5.3 吸尘器吸口吸尘器的运动轨迹为一螺旋线，如图5.4所示。为使吸尘器在清洁隧道壁面时不留下死角处难以清洁到的地方，我们要控制好吸尘器的吸尘口径的大小。其计算如下：图5.4 机械手末端轨迹本课题要求承载车速度不低于15km/h，假设已知承载车的速度km/h，求吸尘器口径的大小。前面选用的减速电动机型号为YC
40、J130,输出转速r/min。由公式： （5-1）得： mm考虑到承载车的速度可能会大于15km/h，所以最后设计吸尘器的口径为150mm。5.3 手臂伸缩长度设计由于手臂的回转中心与隧道的中心不是同一个点，要清洁这种凹凸不平的壁面，我们可以通过位置传感器来控制手臂的自动调节。当手臂的执行器（即吸尘器）与壁面的垂直距离超出某个范围时，便发出信号，这样手臂可自行缩回；距离小于某个数值时，手臂自行伸长。这样手臂就能随壁面不同形状而改变其长度来清洁隧道壁面，达到好的清洁效果23。图5.5 手臂伸缩长度根据中垂线定理，连接C和M两点，作线段CM的中垂线，在距离隧道1米处的D点便可定为机械手的手腕关节处
41、。于是，手臂在C和M两处的距离相等且是最长的，在中垂线处的距离最短。如图5.5所示，CP线段为手臂的可伸缩长度。已知: mm mm可以得出： mm 结束语本篇论文介绍了机械手的定义、类别、应用和未来的发展，接着从分析地铁隧道的外形和环境证明了隧道清洁机械手的意义并提出了设计的方案，又设定和计算出了一些隧道机械手的参数，如腕关节距离隧道中心的距离。然后结合实际要求和设计参数对方案进行了拟定，将地铁隧道清洁机械手分为三大部分：车载装置、机械手装置和吸尘装置。最后，对机械手的其它部件进行了分析设计。机械手的手臂有装载车以不小于15千米每小时的速度向前运动，再加上手臂自身的来回摆动，所以手臂清洁隧道机
42、械手的轨迹为以螺旋线。由于手臂的回转中心与隧道的中心不是同一个点，要清洁这种凹凸不平的壁面，我们可以通过位置传感器来控制手臂的自动调节。当手臂的执行器（即吸尘器）与壁面的垂直距离超出某个范围时，便发出信号，这样手臂可自行缩回；距离小于某个数值时，手臂自行伸长。这样手臂就能随壁面不同形状而改变其长度来清洁隧道壁面，达到好的清洁效果。该机械手末端执行器拟采用吸尘器，其运动轨迹应与隧道内部墙壁大致相同，为一圆形。为确保清洁效果，吸尘器与垃圾存放箱相通，吸尘器吸进的灰尘放至其中。为使吸尘器在清洁隧道壁面死角时能清洁到位，应该要控制好吸尘器的口径大小。通过上述一系列的分析和计算，总体方案合理，参数准确，
43、自由度能满足隧道清洁的工作要求。在制图过程中，对清洁机械手的有了更形象化的概念，对里边的各零件有了一定的认识。在我的努力下，完成了机械手的总成图、装配图和零件图等。在排除种种困难的前提下，我按时完成了设计任务书规定的各项工作。致谢毕业设计就要结束了，在这三个月里我收获了很多。毕业设计带给我的不仅仅是学习上的进步、对专业知识的巩固，更重要的是加深了我和老师及同学们的感情，这对于即将踏入社会、参加工作的我来说是无比宝贵的。在毕业设计中，首先感谢胡小秋老师对我的指导，从做毕业设计至今，胡老师帮助我修改方案，整理设计思路，引导我翻阅资料和解决技术问题，耐心的指导我们一步步的完成任务。遇到要解决的问题，
44、胡老师很细心的帮助我们简答。老师的督促和指导使我顺利完成了毕业设计，老师教给我的方法使我在以后的学习和工作中受用不尽。在这里我对胡老师表示深深的感谢。其次，感谢老师。他给了我鼓励，在很多次没有信心做下去的时候，他就慢慢的开导我，对我的方案鼓励和支持，使我从新获得了信心。还经常帮我在办公室查阅一些相关的资料。再次，感谢我的同学们，他们给了我良好的学习氛围，借给我工具书，使我省去了很多麻烦。最后，感谢曾经帮助过我的每一个人，在以后的工作和学习中我会更加积极努力，不辜负你们对我的期望。参考文献1 吴振彪. 工业机器人M. 武汉：华中理工大学出版社，1997.2 张福学. 机器人技术及其应用M. 北京:电子工业出版社， 2000.3 吴瑞祥. 机器人技术及应用M. 北京
