1. 研究目的与意义

随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品已经在工业生产中得到了广泛的应用。它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化，也能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。机械手它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。如今，机械手的应用可以提高劳动生产率和产品质量, 改善劳动条件,解决劳动力不足等问题。

本课题拟设计码垛机械手，实现对物品的准确抓取并能在指定位置按设定方式进行堆叠码垛。

2. 课题关键问题和重难点

关于连杆机械手的设计关键问题，首先在于机械手的控制方案：不同于龙门结构的机械手，连杆机构的动作控制需要至少两个电机协同运行来完成定位动作，而不是简单通过相互独立的三个电机分别确定直角坐标系的X轴，Y轴，Z轴的位移量来控制运动。因此，采用何种坐标系才能最优定位坐标，及如何控制各电机协同运动成为难点。其次：关于机械手的机械结构设计，由于设计要求中采用气动吸盘进行抓取物品，因此机械手末端的设计较为重要，若吸盘与物体接触时存在夹角，产生漏气现象，那么对于机械手抓取物品的有效性和可靠性都带来更多的不确定因素（由于被抓物体上表面水平，要使吸盘尽可能垂直于地面，仅靠机械手末端及吸盘的自重是不够的）。因此，需要采用可靠的结构，最好是机械结构来保证机械手末端姿态的稳定性，从而保证机械手的功能及抓取的性能。最后：关于机械手整体的有限元分析，对于划分网格单元的选取，以及如何合理平衡有限元分析的结果精度与运算量之间的关系都成为分析中的重点和难点。

3. 国内外研究现状（文献综述）

机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。为了保护人的安全，机械手通常被设计为能在有毒、有害等各种危险环境下工作，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。可以说机械手是最早出现的机器人，它能够代替人来完成繁重的劳动以实现各行业生产的自动化和机械化。随着工业和经济的迅猛发展，作为工业生产中非常重要的一种工具，机械手的种类层出不穷，目前，机械手大至可按驱动方式分为液压式、气动式、电动式、机械式；从适用范围的角度可划分为通用机械手和专用机械手；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。现如今，衡量机械手的重要指标有快速性，定位精度以及平稳性等。

3.1国外机械手研究现状

机器人（臂）大体分为三代：第一代是指能以示教再现方式工作的工业机器人；与第一代工业机器人不同，智能机器人即第二代机器人具有像人一样的识别、感受、推理、判断能力，从而可以根据外界条件的变化，对自己的工作做相应的调整，但是其修改程序的原则由人预先给以规定；如果机器人自己可以智能的通过学习、总结经验来获得修改程序的原则，便是第三代机器人，也就是高级智能机器人或自律机器人。国外的各类型机械臂目前还未能实现第三代机器人的功能，但基本上达到了第二代机器人所蕴含的标准，因此，机器人（臂）的研究，尤其在人工智能方面的发展，仍有非常巨大的进步空间。现今应用最为广泛的机械臂为工业机器人，可以胜任焊接，喷漆，组装，码垛等工作。在航空航天的领域，也有机械臂在空间站及航天飞机上进行有效作业。

4. 研究方案

对于机械手的机械结构设计：采用两段刚性机械臂通过铰接形成连杆机构，经由两个步进电机共同协作以实现精确的上升，下降，伸缩等运动，末端采取气动吸盘的方案实现对物体的抓取功能。整体的连杆机构安装在回转体底座上，通过步进电机以完成精确的旋转运动。

对于机械手的控制程序设计：采用圆柱坐标系，通过把物品要求堆放位置的空间坐标，转化为三个电机转动步数的数值，预先输入单片机形成三维数组。机械手运行时则根据数组数据完成各动作的控制，从而实现物体堆放码垛的功能。

对于机械手的有限元分析：通过将模型简化之后再进行分析，有利于降低有限元分析的运算量，但只可简化轴承，挡圈，轴套等零件，机械手主体结构的分析应保证其精确度。

5. 工作计划

第 1 周 完成英文翻译，提交英文翻译给指导老师批阅。英文翻译经指导老师批阅合格并确认后，上传至毕业设计管理系统。

第 2 周 查阅文献资料，撰写开题报告。进行码垛机械手方案的设计。

第 3 周 完成开题报告，经指导老师批阅合格并确认后，上传至毕业设计管理系统。完成设计计算草稿。