摘 要

　　齒坯上下料機械手是用于汽車(chē)后橋主減盆角齒的懸掛式等溫正火熱處理線(xiàn)，在該生產(chǎn)線(xiàn)上、下料點(diǎn)各配套一臺機械手，用于鍛后工件由鏈板輸送線(xiàn)至懸掛鏈輸送線(xiàn)的自動(dòng)上料，以及熱處理后工件由懸掛鏈輸送線(xiàn)至鏈板輸送線(xiàn)的的自動(dòng)下料。

　　本課題圍繞對該齒坯上下料機械手的分析和設計展開(kāi)，根據應用工況和設計要求，分析機械手的設計指標，提出一種新型混聯(lián)機械手并對機械手手臂和手部構型進(jìn)行設計。

　　在確定好機械手構型和初選尺寸的基礎上，對機械手手臂的運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析并基于手臂機構的雅克比矩陣分析了手臂機構的奇異性。根據手臂機構的運動(dòng)學(xué)反解繪制其工作空間并基于構型參數對工作空間的影響對尺寸參數進(jìn)行了優(yōu)選。

　　建立手部機構的力傳遞模型，選取了合適的構件幾何參數并計算手部負載所需的驅動(dòng)力。

　　對機械手整機結構進(jìn)行設計，包括機械手底座、腰部、手臂和手部的結構設計及機械手的驅動(dòng)和傳動(dòng)零部件的計算與選型。對機械手的上料過(guò)程進(jìn)行軌跡規劃，規劃合理的軌跡路徑點(diǎn)并采用拋物線(xiàn)過(guò)渡的曲線(xiàn)插值法對手臂的關(guān)節空間進(jìn)行軌跡規劃。

　　設計手臂控制系統，選擇獨立控制策略，使用嵌套控制回路的控制結構建立了手臂控制系統并使用 Simulink 對其進(jìn)行建模和仿真，驗證手臂控制系統模型的可行性。

　　關(guān)鍵詞：混聯(lián)機械手；構型設計；運動(dòng)學(xué)；機構參數；結構設計；軌跡規劃與控制

Abstract

　　Gear billet loading and unloading manipulator is used in automobile rear axle main basin Angle gear reduction is hanging isothermal heat treatment line, on the production line, cutting point each supporting a manipulator, after used for forging workpiece by chain plate conveyor line to hang chain conveyor line, automatic feeding, and after heat treatment of workpiece by suspension chain conveyor line to chain plate conveyor line automatic blanking.

　　This topic focuses on the analysis and design of the gear blank loading and unloading manipulator. According to the application conditions and design requirements, the design index of the manipulator is analyzed. A new type of hybrid manipulator is proposed and the configuration of the manipulator arm and hand is designed.

　　On the basis of determining the configuration and the primary size of the manipulator, the kinematics and dynamics of the manipulator were analyzed, and the singularity of the manipulator was analyzed based on the Jacobian matrix.

　　Based on the inverse kinematics of the manipulator, the workspace was drawn and the size parameters were optimized based on the influence of configuration parameters on the workspace. The force transfer model of the hand mechanism was established, and the appropriate geometric parameters were selected and the driving force required by the hand load was calculated.

　　The whole structure of the manipulator is designed, including the structural design of the manipulator base, waist, arm and hand, as well as the calculation and selection of the drive and transmission parts of the manipulator. The trajectory planning of the manipulator is carried out during the loading process. The reasonable trajectory path points are planned and the trajectory planning of the joint space of the manipulator is carried out by using the curve interpolation method of parabolic transition. The arm control system was designed, and the independent control strategy was selected. The arm control system was established by using the control structure of the nested control loop, and the model and simulation were carried out by using Simulink to verify the feasibility of the arm control system model.

　　Key words: hybrid manipulator; kinematics; dimension parameter; structural design; track planning and control motor control system

目 錄

　　1 章 緒 論

　　1.1 引言

　　隨著(zhù)現代工業(yè)化的發(fā)展，先進(jìn)發(fā)達的工業(yè)化國家相繼提出了制造業(yè)強國的目標，美國提出了美國新進(jìn)制造計劃，德國提出了德國工業(yè) 4.0,日本提出日本制造業(yè)白皮書(shū)，為了趕上發(fā)達國家工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程，中國也提出了中國制造 2025.中國制造 2025意味著(zhù)我們制造業(yè)將面臨著(zhù)全面轉型升級的任務(wù)，意味著(zhù)現在的工業(yè)現場(chǎng)的許多高危重體力及許多重復性單調的工作在未來(lái)都將被工業(yè)機器人代替。而工業(yè)機器人的應用，一方面可以減輕工人們的勞動(dòng)強度，把人們從單調危險的工作環(huán)境中解放出來(lái)，在另一方面，也改善了產(chǎn)品的品質(zhì)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率。所以，發(fā)展工業(yè)機器人技術(shù)，實(shí)現工廠(chǎng)生產(chǎn)由人工向半自動(dòng)化乃及全自動(dòng)化生產(chǎn)的過(guò)渡是一個(gè)很重要的戰略節點(diǎn)，生產(chǎn)自動(dòng)化水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家生產(chǎn)制造水平的重要指標之一[1-5].

　　1959 年，美國生產(chǎn)的第一臺工業(yè)機器人[6].現在，各式各樣的工業(yè)機器人的被廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域的工業(yè)環(huán)境中。工業(yè)機器人是指具有多自由度的機械裝置或設備，狹義的工業(yè)機器人主要指具有多個(gè)自由度的機械臂。它們依靠自身的特殊機構和驅動(dòng)系統，控制系統等共同來(lái)實(shí)現工業(yè)上的自動(dòng)化。它們可以通過(guò)示教或者預選編號的軌跡程序來(lái)實(shí)現需要的功能操作，現代的機器人加上人工智能技術(shù)以后可以實(shí)現更靈活的工業(yè)自動(dòng)化操作。工業(yè)機器人在航空航天、汽車(chē)制造、交通運輸、冶金化工等重要的工業(yè)部門(mén)扮演重要角色，被廣泛應用在焊接，刷漆，上下料，碼垛，裝配等工業(yè)場(chǎng)合[7].

　　上下料機械手是工業(yè)機器人重要的組成成分。作為各種加工生產(chǎn)線(xiàn)中最基本的工序之一，上下料工序成為自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)效率高低的一個(gè)關(guān)鍵因素。根據各種生產(chǎn)線(xiàn)上下料工序的要求，工廠(chǎng)環(huán)境等設計合適的上下料機器人，直接影響到企業(yè)生產(chǎn)效率，生產(chǎn)成本以及產(chǎn)品質(zhì)量。在工業(yè)上，上下料機械手的應用減輕了勞動(dòng)強度，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現安全生產(chǎn)。尤其是在在高溫，高壓，低溫，低壓，粉塵，易爆和放射性等惡劣的環(huán)境中工作，機械手的替代意義巨大。因此，在機械加工生產(chǎn)線(xiàn)，鑄造，鍛造，沖壓，熱處理，電鍍，噴漆，裝配等需要上下料機械手的工業(yè)環(huán)境中，上下料機械手將進(jìn)一步大展身手[8-10].

　　1.2 課題背景及意義

　　本課題的應用背景是國內某企業(yè)要建造一條用于汽車(chē)后橋主減盆角齒的懸掛式等溫正火熱處理線(xiàn)，需為該生產(chǎn)線(xiàn)上、下料點(diǎn)各配套一臺機械手，用于鍛后工件由鍛機至熱處理線(xiàn)工裝的自動(dòng)化轉移，以及熱處理后工件的自動(dòng)下料裝筐。

　　作為熱處理生產(chǎn)線(xiàn)中最基本的工序之一，上下料工序成為熱處理生產(chǎn)線(xiàn)效率高低的一個(gè)關(guān)鍵因素。傳統熱處理生產(chǎn)線(xiàn)的上下料工序需要人工操作，但是生產(chǎn)線(xiàn)車(chē)間高溫，污染，噪音等造成了車(chē)間環(huán)境惡劣，使得人工上下料存在很多安全隱患，現在傳統熱處理生產(chǎn)線(xiàn)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足行業(yè)需求了，因此現在的生產(chǎn)線(xiàn)上下料都在朝著(zhù)自動(dòng)化方向發(fā)展[11].

　　在現代自動(dòng)化熱處理生產(chǎn)線(xiàn)中，上下料工序通常由機械手完成。熱處理生產(chǎn)線(xiàn)中的上下料機械手的應用彌補了人工送料的各種不足，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，也更加便于管理。因此，上下料機械手決定了熱處理生產(chǎn)線(xiàn)的效率，是熱處理生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化的基礎[12,13].但是，由于我國研究人員對于上下料機器人的研究依然與國外發(fā)達工業(yè)大國的先進(jìn)水平差距明顯，國內能夠自主設計機器人并大批量應用的廠(chǎng)家很少，導致我們很多企業(yè)使用的上下料機械手都是依賴(lài)進(jìn)口的，價(jià)格昂貴。而且由于國外的上下料機械手的設計并不是針對中國企業(yè)的特定需求，并未結合企業(yè)實(shí)際情況進(jìn)行設計，因此，對于企業(yè)來(lái)講并非最合適。

　　因此，根據我國自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)際情況，結合具體上下料要求來(lái)研究和設計所需的上下料機械手對于我國工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展具有重要意義。它將豐富我國上下料機械手的構型，可以為設計自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中的上下料機械手提供參考價(jià)值。

　　1.3 上下料機械手的國內外研究現狀

　　工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)作為高端制造裝備的重要組成部分，技術(shù)附加值高，市場(chǎng)需求空間大，對未來(lái)制造業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化，柔性化，智能化影響巨大，有望成為繼汽車(chē)，飛機，計算機之后出現的另一戰略新興產(chǎn)業(yè)[14].因此，在過(guò)去的年間，世界各國都紛紛將發(fā)展機器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)作為本國科技發(fā)展的重要戰略地位。上下料機器手作為是工業(yè)機器人的重要組成成分，開(kāi)展對上下料機器手的研究意義重大。

　　1.3.1 上下料機械手國外研究現狀

　　國外工業(yè)機器人技術(shù)由于起步較早，其技術(shù)也比較成熟。世界上第一臺工業(yè)機器人 Unimate 在美國研制成功，第一臺全電驅 6 軸工業(yè)機器人 FAMULUS 由德國 KUKA公司于 1973 年率先研制成功。如今在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人的應用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，主要應用在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中，包括焊接，搬運，上下料，檢測，裝配等等[15].

　　在國際上有影響力的，知名度較高的工業(yè)機器人公司大都是來(lái)自國外，這些公司已經(jīng)形成了一些標準設備且得到工業(yè)界的廣泛應用。目前，國際上的知名工業(yè)機器人公司主要分為日系和歐系，它們占據著(zhù)國內的大部分市場(chǎng)。日系的主要公司有安川，FANUC,松下等。歐系中，有瑞典的 ABB,德國的 KUKA,意大利的 COMAU 和奧地利的 IGM 公司，其中 ABB 公司是世界上最大的機器人制造公司，在工業(yè)機器人領(lǐng)域中被廣泛應用。

　　機器人公司的上下料機械手產(chǎn)品類(lèi)型主要有：少自由度機械手，傳統六自由度機械手和多自由度機械手。

　　（1）少自由度機械手20 世紀 80 年代，少自由度的機械手開(kāi)始在工業(yè)生產(chǎn)中使用。如圖 1-1 所以的Doppin 2D 型擺臂機械手，這是 ABB 公司生產(chǎn)的一款兩自由度機械手，可以用于裝載金屬板坯料。該機械手由于自由度少，所以結構簡(jiǎn)單，速度快，可靠性高，生產(chǎn)成本也低，但是由于其水平行程較小，一般是使用兩個(gè)機械手并配合穿梭小車(chē)協(xié)調工作完成上下料任務(wù)的。圖 1-2 所示是安川公司的 4 自由度上下料機械手，其水平伸出度可達 3159mm,可以搬運 160kg 的工件，重復定位精度為正負 0.5mm.該機械手高速穩定精度高，設備構成簡(jiǎn)易且維護成本低，是一款通用型機械手，適用于各種上下料場(chǎng)合。

　　（2）傳統六自由度機械手現在工業(yè)環(huán)境中應用最普遍的就是 6 自由度機械手，這種機械手由于適用于各種復雜工業(yè)環(huán)境，可以設計成具有不同負載能力和工作范圍的各種規格的工業(yè)機器人，所以占據著(zhù)工業(yè)機器人市場(chǎng)的半壁江山。

　　圖 1-3 為 ABB 公司最新推出的第七代工業(yè)機器人 IRB6700 IRB,有多款型號，負載在 150kg 至 300kg 之間，工作范圍為 2.6 至 3.2 米，在精度、負載和速度方面大幅提升，同時(shí)功耗降低了 15%且總體可維護性得到提升，使最大故障間隔時(shí)間達到400000 小時(shí)，可適用于各種上下料任務(wù)。圖 1-4 為發(fā)那科 6 軸工業(yè)機器人 Robot-1000IA,該機器人擁有 6 個(gè)自由度，因為其將機器人的橫向寬度減小到了極限，整體機構緊湊，所以可以貼近臨接的機器人，夾具或者工件進(jìn)行安裝。其最大伸長(cháng)半徑科大 2.06m,負載 80kg,重復定位精度為±0.07mm.這塊機器人具有的緊湊的機器人結構和優(yōu)越的運動(dòng)性能，能夠布局在密集的上下料，搬運，碼垛，取件，包裝等各種作業(yè)。

　　為了讓上下料機械手在速度，穩定性和柔性方面有所提升，很多機器人公司在傳統六自由度機械手的基礎上研發(fā)了整體性能更強的上下料機械手。它們通過(guò)在傳統六軸機器人末端串聯(lián)上一個(gè)直線(xiàn)移動(dòng)軸或者轉動(dòng)軸，使得機器人的適應性更強，速度更快。如圖 1-5 所示，ABB 公司在六自由度機械手的基礎上設計出了旋轉七軸機械手，該機械手是在六自由度機械手的末端添加了一個(gè)獨立的旋轉軸，其整體工作范圍可以達到 3100mm 到 4550mm,負載 50kg.

　　在某些工業(yè)場(chǎng)合但機器人技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，為此多機器人技術(shù)應運而生。

　　圖 1-6 是安川公司的雙臂機器人 SDA5F,該機器人具有十五個(gè)自由度，水平身長(cháng)范圍達 1604mm,每一個(gè)腕部可以負載 50kg,由于采用獨特的雙臂控制協(xié)調作業(yè)，使其工作可以更靈活，可以應用于上下料，搬運，組裝等多種場(chǎng)合。

　　1.3.2 上下料機械手國內研究現狀

　　相對于與國外先進(jìn)的工業(yè)大國，我們國家的工業(yè)機器人起步較晚，國產(chǎn)知名機器人公司數量甚少。我國從二十世紀八十年代開(kāi)始進(jìn)行機器人的研究，哈工大研發(fā)了第一臺弧焊機器人"華宇Ⅰ型".自 1986 年開(kāi)始，我國先后啟動(dòng)了"七五"機器人攻關(guān)計劃，"863"國家高技術(shù)發(fā)展計劃，使我國在機器人技術(shù)領(lǐng)域取得了一系列成果。

　　機器人產(chǎn)業(yè)化是未來(lái)發(fā)展的趨勢，我國為了擺脫僅僅是機器人消費大國，成為機器人制造和銷(xiāo)售大國，支持和開(kāi)展各種工業(yè)環(huán)境下機器人的應用非常重要。近些年來(lái)，由于國家制造業(yè)轉型的需要，國家在政策上給予了很多支持。經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)攻關(guān)，我國的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)也實(shí)現了從無(wú)到有，從小到大，取得了一系列成果，出現了一些具有競爭力的機器人企業(yè)，而且呈現出來(lái)快速發(fā)展的趨勢[16-18].例如，新松機器人自動(dòng)化股份有限公司，海爾哈工大機器人技術(shù)有限公司，埃斯頓自動(dòng)化公司等。

　　以新松機器人自動(dòng)化股份公司為例，該企業(yè)是一家擁有機器人核心技術(shù)、致力于高端裝備制造的高新技術(shù)企業(yè)，是中國機器人行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)。

　　針對不同的上下料環(huán)境，新松公司研發(fā)相適應的上下料機器人。如圖 1-7,這是新松公司自主開(kāi)發(fā)的 DT 系列搬運機械手，采用龍門(mén)架結構以及雙側齒輪齒條傳動(dòng)的方式，運動(dòng)平穩且承載能力強。這系列的機械手具有廣泛的應用范圍，能夠承受一定的沖擊，搬運較重的工件，運動(dòng)位置精度高，具有較大的結構剛性。結合靈活柔性化的模塊化設計廣泛應用于多種行業(yè)。如圖 1-8 所示，這是新松自主研發(fā)的串聯(lián)六關(guān)節機器人 SR80B,是新松自動(dòng)化公司應用最廣泛和最靈活的工業(yè)機器人之一。該機器人機身結構緊湊，手臂修長(cháng)，節約空間，在密集型布局產(chǎn)業(yè)中的前景應用廣泛，同時(shí)具有具有運動(dòng)范圍廣，運動(dòng)性能好，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于上下料作業(yè)。

　　除了串聯(lián)上下料機器人，新松也開(kāi)發(fā)了并聯(lián)上下料機器人。如圖 1-9 為新松自主研發(fā)的 SRBL3A 六軸并聯(lián)機器人，該機器人具有 6 個(gè)自由度，具有靈活性強，精度高，鋼性強等特點(diǎn)，具備示教功能，并支持視覺(jué)識別，可以滿(mǎn)足大多數精密作業(yè)場(chǎng)合，可以實(shí)現柔性上下料。在六自由度并聯(lián)上下料機械手外，新松公司也研發(fā)了 Delta、SCARA 并聯(lián)機器人等。

　　我國已經(jīng)是世界最大的機器人市場(chǎng)，且還有很大的拓展空間。但是，目前我國大部分已裝備的機器人是被國外機器人品牌占據的，主要原因是我國機器人產(chǎn)業(yè)起步相對較晚，市場(chǎng)被搶先占據，同時(shí)我國目前與歐美日等發(fā)達國家的機器人在伺服電機，減速器，控制系統等方面均存在一定差距。

　　1.4 論文主要內容

　　論文根據國內某汽車(chē)熱處理生產(chǎn)線(xiàn)上下料機器人的設計要求及工況，設計出一種能夠滿(mǎn)足實(shí)際需求的上下料機械手。論文對機械手的整體構型方案，運動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)，軌跡規劃，樣機結構設計及控制系統設計等進(jìn)行了研究。主要研究?jì)热萑缦拢?/p>

　　（1） 以熱處理生產(chǎn)線(xiàn)的工況和實(shí)際需要，確定上下料機械手的技術(shù)指標，根據設計指標提出了一種新型串并混聯(lián)上下料機械手，并進(jìn)行尺寸初選和整體方案分析。

　　（2） 確定機械手構型后，對構型方案中的手臂機構的運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。

　　內容包括建立合適坐標系，求得機構位置正反解，求解機械手的雅可比矩陣并對機構奇異性進(jìn)行分析，求解機構動(dòng)力學(xué)模型。

　　（3） 基于位置反解求得機械手的工作空間，并根據機構參數對工作空間的影響優(yōu)選機構尺寸參數。分析了機械手手部的力傳遞模型，并對機械手手部機構構件選擇合適的幾何尺寸參數。

　　（4） 設計機械手的整機結構，包括機械手的底座，腰部，手臂，腕部和手部的結構設計，以及對機械手的驅動(dòng)和傳動(dòng)零部件進(jìn)行計算和選型。

　　（5） 對機械手上下料進(jìn)行軌跡規劃，包括路徑點(diǎn)選取和軌跡擬合。對機械手手臂的電控系統進(jìn)行探索，采取獨立控制策略，基于電機驅動(dòng)器模型，設計了控制系統的速度環(huán)和位置環(huán)，并進(jìn)行建模仿真分析。

　　第 2 章 機械手方案分析

　　2.1 引言

　　2.2 機械手設計指標分析

　　2.2.1 作業(yè)背景及過(guò)程

　　2.2.2 設計指標分析

　　2.3 機械手構型方案設計

　　2.3.1 手臂構型設計

　　2.3.2 手部構型設計

　　2.4 機械手手臂機構尺寸初選

　　2.5 機械手驅動(dòng)和傳動(dòng)系統分析

　　2.6 機械手控制系統分析

　　2.7 本章小結

　　第 3 章 機械手運動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的分析

　　3.1 引言

　　3.2 機械手手臂機構坐標系及自由度

　　3.3 機械手手臂運動(dòng)學(xué)分析

　　3.3.1 位置反解

　　3.3.2 反解算例驗證

　　3.3.3 位置正解

　　3.3.5 雅可比矩陣及奇異型分析

　　3.4 機械手手臂動(dòng)力學(xué)分析

　　3.4.1 Lagrange 動(dòng)力學(xué)方程

　　3.4.2 手臂機構動(dòng)能和勢能分析

　　3.4.3 手臂動(dòng)力學(xué)模型

　　3.5 本章小結

　　第 4 章 機械手工作空間及機構參數

　　4.1 引言

　　4.2 機械手手臂工作空間

　　4.2.1 手臂運動(dòng)約束條件

　　4.2.3 手臂工作空間繪制

　　4.3 機械手手臂機構參數優(yōu)選

　　4.4 機械手手部機構參數

　　4.4.1 手部力傳遞計算

　　4.4.2 手部的結構參數

　　4.5 本章小結

　　第 5 章 機械手結構設計

　　5.1 引言

　　5.2 機械手整機結構布局

　　5.3 機械手底座及腰部設計

　　5.3.1 底座設計

　　5.3.2 腰部設計

　　5.4 機械手手臂和腕部設計

　　5.4.1 球副功能設計

　　5.4.2 手臂支鏈

　　5.4.3 腕部設計

　　5.5 機械手手部設計

　　5.6 機械手液壓驅動(dòng)設計

　　5.6.1 手部液壓驅動(dòng)

　　5.6.2 腕部和腰部液壓驅動(dòng)

　　5.7 直線(xiàn)模組設計

　　5.7.1 滾珠絲杠的選擇

　　5.7.2 伺服電機的參數計算和選擇

　　5.8 機械手整機結構

　　5.9 本章小結

　　第 6 章 機械手軌跡規劃與控制

　　6.1 引言

　　6.2 機械手軌跡規劃

　　6.2.1 操作空間路徑點(diǎn)規劃

　　6.2.2 軌跡規劃

　　6.2.3 軌跡規劃算例

　　6.3 機械手軌跡控制

　　6.3.1 驅動(dòng)器

　　6.3.2 獨立控制系統

　　6.3.3 手臂軌跡控制仿真

　　6.4 本章小結

結 論

　　本課題以國內某企業(yè)齒坯熱處理線(xiàn)上下料為背景，設計了一種新型串并混聯(lián)上下料機械手，實(shí)現鍛后工件的自動(dòng)上料及熱處理后的自動(dòng)下料。對機械手的機構構型、機構運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、工作空間，機械手整機結構設計、手臂關(guān)節空間軌跡規劃和電控系統設計等方面展開(kāi)了研究。

　　（1） 根據機械手作業(yè)要求分析設計指標，基于設計指標提出了一種新型混聯(lián)機械手構型方案 R-3（P-2（S-S）-R,手臂采用 3（P-2（S-S）并聯(lián)機構，腰部和腕部分別串聯(lián)一轉動(dòng)副，構成五自由度串并混聯(lián)機械手構型，該機械手能滿(mǎn)足上下料要求且兼具串并聯(lián)機構的優(yōu)點(diǎn)。基于齒坯工件形狀和尺寸設計了機械手手部構型，該構型簡(jiǎn)單有效，動(dòng)作靈活，能夠抓取不同規格尺寸的齒坯工件。

　　（2） 利用幾何向量關(guān)系求解了手臂機構正反解，為工作空間求解、軌跡規劃、控制系統設計等提供了運動(dòng)學(xué)基礎。基于手臂機構的雅克比矩陣對其奇異性進(jìn)行了分析，分析表明尺寸設計時(shí)要避免手臂并聯(lián)機構動(dòng)靜平臺半徑尺寸相差不大且軌跡規劃時(shí)并聯(lián)機構的 P 副和動(dòng)平臺不能處于同一水平面上。使用拉格朗日法建立了手臂機構動(dòng)力學(xué)方程，為建立基于模型的柔性控制系統提供了動(dòng)力學(xué)基礎。

　　（3）基于手臂機構初選尺寸和機構反解繪制了手臂機構的工作空間，結果表明初選機構尺寸參數超出了手臂機構的工作空間要求。通過(guò)分析兩個(gè)對工作空間影響較大的參數l 和a ,對手臂機構的尺寸參數進(jìn)行了優(yōu)選，優(yōu)先后的尺寸參數更小且能夠滿(mǎn)足工作空間要求。通過(guò)力學(xué)分析，建立了手部機構的力傳遞模型，并根據各個(gè)機構參數對力傳遞性能的影響設計了一組較合適的手部機構參數，該手部機構可以滿(mǎn)足所需的不同規格齒坯工件的抓取。

　　（4） 對機械手的整體結構進(jìn)行設計，包括機械手底座、腰身、手臂及手部的結構設計并對機械手的驅動(dòng)和傳動(dòng)零部件進(jìn)行計算和選型，選用 YMD 型單葉片擺動(dòng)液壓缸驅動(dòng)機械手腰部和腕部的轉動(dòng)關(guān)節，選用 BMH1002P 型同步伺服電機和絲杠滑臺模組驅動(dòng)手臂三分支的移動(dòng)關(guān)節，選用雙輸入液壓缸驅動(dòng)手部動(dòng)作。

　　（5） 根據上下料機械手作業(yè)特點(diǎn)，合理規劃了機械手操作空間的運動(dòng)路徑點(diǎn)，并基于運動(dòng)學(xué)反解和拋物線(xiàn)過(guò)渡的線(xiàn)性插值法對機械手手臂關(guān)節空間進(jìn)行了軌跡規劃軌跡規劃曲線(xiàn)光滑平穩，連續性好。采用獨立控制策略對機械手手臂控制系統進(jìn)行設計，并使用 Simulink 對其進(jìn)行建模仿真，結果表明該控制系統具有較好的軌跡跟蹤性能，驗證了控制系統的可靠性。

　　（6） 由于篇幅有限，本文未利用動(dòng)力學(xué)建立基于模型的柔性控制系統，未對整機電液一體化控制系統進(jìn)行分析設計。

　　本文為該上下料機械手的研發(fā)和使用奠定了理論基礎，為開(kāi)發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的新型上下料機械手提供了參考。在后續的工作中，該論文的分析可以作為物理樣機制造的參考，然后針對實(shí)際工況對上下料機械手做更進(jìn)一步的分析和改進(jìn)。

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致 謝

　　時(shí)光飛逝，短暫的研究生學(xué)習生涯即將結束。值此論文完成之際，謹向所有給予我幫助的老師、同學(xué)和家人表示衷心的感謝！

　　本論文是在金振林教授的悉心指導下完成的，從論文的選題、框架及內容，金老師都給予了無(wú)私的幫助。金老師嚴謹務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)，敏銳的學(xué)術(shù)洞察力以及開(kāi)拓性的創(chuàng )新思維深刻影響著(zhù)我，其言傳身教讓我受益匪淺。在此，向金老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。

　　感覺(jué)師兄王躍靈、趙裕明、馮海兵、謝忠，賈志眾等在學(xué)習和生活中給予的支持與幫助；感謝同窗王凱，宋鵬，衛健行，室友高翔、杜金金、戈劍章在學(xué)習和生活中提供的支持與幫助。衷心感謝家人在物質(zhì)上的無(wú)私給予和精神上的細致關(guān)懷！

　　最后，向參與論文評審和答辯的各位老師表示由衷的感謝。

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