1。3   国外机械手发展状况

1。4   国内机械手发展状况

1。5  研究内容

本项目主要研究对象是：六自由度机械手。该六自由度机械手主要用于完成特定 物体在三维工作空间内的抓取、装卸和移位。各关节采用步进电机进行驱动，并配有 谐波减速器和同步带减速器等。要达到的技术指标有：机械臂定位误差<5%，机械臂 关节最大转矩 28NM，最大夹持重量约 2Kg。要实现此次设计目标，需要完成以下内容：

（1）分析机械手各关节运动学关系，建立控制用运动学模型，完成机械手控制 系统总体方案的设计；

（2）基于 STM32 或 51 系列微控制器，完成机械手控制系统的硬件设计（即硬件 电路原理图的设计）与实物制作；

（3）根据机械手要完成的任务，规划控制系统软件流程，并基于单片机高级语 言，设计控制系统程序源代码；

（4）完成六自由度机械手软硬件调试工作；

（5）基于全向移动小车搭建六自由度机械手实验平台，并完成机械手某些性能 测试的评估。

第二章 机械手运动学分析

机械手运动学分析主要是用来分析机械手的运动特征，分析过程中不用考虑电机 输出的使机械手产生运动的力矩以及机械手工作时所带的负载。机械手运动学分析研 究机械手末端执行器的位置、姿态、运动速度等指标[7]。机械手运动学分析将会与机 械手的几何尺寸有很大的联系。因此在进行机械手运动学分析之前，有必要把机械手 的机械结构做出详细说明。

本文在机械手运动学分析中还会研究各个连杆坐标系的相对关系。本章的主要内 容是以机械手关节量为自变量，描述机械手末端执行器的位置和姿态与机械手底座

（固定不动）之间的函数关系。

2。1 六自由度机械手机械结构

末端执行器、传递运动的机械机构和为完成指定动作的控制系统是机械手三个重 要的组成部分。手部的结构形式取决于预先设定夹持物体的外形、重量、尺寸等的要 求[8]。运动机构则包括机械手的各个关节部分的组成和电机、传动机构等，要负责完 成手部的移动、转动或复合运动，使其到达指定位置并对物体进行运输。机械手的自 由度就是指机械手所能完成的上升下降、伸展收缩、旋转等基本运动，一般来说机械 手都具有 3 或 6 自由度来完成指定命令[9]。机械手需要完成的指令种类很多。所做工 作越复杂，那么在设计机械手机械结构时，每增加机械手的一个关节都会增加机械手 的自由度数；反之，机械手关节越少，自由度越少[10]。

在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则：

（1）在机械手机械结构设计之前，我们会确定该机械手的工作空间，因此，设计 出来的机器手结构尺寸一定要满足工作空间的要求。根据所需的工作空间范围设计机 械手各关节的长度，不仅要保证手部能到达指定位置，而且还要考虑手部的空间姿态 要求。

（2）本文要在机械手满足强度与刚度要求的基础上，设计时应想办法减轻机械 手的重量，这能达到提高机械手的控制精度与运动速度的目的。采用有限元软件对机 械手机械结构、材料进行设计优化是为达到上述效果较为有效的措施。

（3）机械手关节的回转轴应尽可能在重量上平衡，设计时应合理分配电机等机 电元器件，减少其带来的不平衡重量。这对于提高机器人手臂运动的响应速度以及减少电机的负载非常有利。 按照结构类型的不同而划分的机械手的几种常见类型：直角坐标、圆柱坐标、关