机械毕业设计-机械论文-水下多关节机械手的结构设计

3.0 闻远设计 2026-07-09 10 4 9.97MB 59 页 35光币

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水下多关节机械手的结构设计

设计总说明：海洋资源丰富多样，引起人类对资源的探索和需求，常常会利用水下机

械手来开展水下采样、水下生物探测以及水下设备检修等任务。传统的水下刚性机械手有

着较强的作业能力与较高的工作效率，但是它所具备的自由度数目较少，并且无法很好地

符合水下狭小空间作业的需求。而绳驱式多关节机械手因为自由度数量较多，因此具有较

好的避障能力和负载抓取能力。故此，本文设计一种可应用于水下的绳驱多关节机械手，

对机械手的驱动部分、机械臂以及机械爪手进行结构上的优化与模块化的设计，并针对主

要器件展开计算选择工作，接着对机械臂执行运动学方面的分析处理，完成工作空间内位

置姿态和关节角度以及绳长变化量间的关系推导过程。对于机械臂关节角以及绳长的变化

情况展开离线规划工作，从而获取到关节角与绳长变化量所构成起的离散序列。

关键词：绳驱机械手；多关节；运动学；离线规划；运动控制

Structural design of underwater multi-joint

manipulator

Abstract: The demand for exploration and exploitation of marine resources by humans is

c o n s t a n t l y i n c r e a s i n g , a n d t h e y o f t e n u s e u n d e r w a t e r r o b o t i c a r m s t o c a r r y o u t t a s k s s u c h a s

underwater sampling, underwater biological detection, and underwater equipment maintenance.

Tr a d i t i o n a l u n d e r w a t e r r i g i d r o b o t i c a r m s h a v e s t r o n g o p e r a t i o n a l c a p a b i l i t i e s a n d h i g h w o r k

efficiency, but they have a relatively small number of degrees of freedom and cannot well meet

the requirements of underwater narrow-space operations. The rope-driven multi-joint robotic

a r m , d u e t o i t s l a r g e r n u m b e r o f d e g r e e s o f f r e e d o m , h a s b e t t e r o b s t a c l e a v o i d a n c e a n d l o a d

grasping capabilities. Therefore, this paper designs a rope-driven multi-joint robotic arm that can

be applied underwater, optimizes the structure and modularizes the design of the driving part,

mechanical arm, and mechanical claw of the robotic arm, and conducts calculation and selection

o f w o r k i n g c o m p o n e n t s f o r t h e m a i n d e v i c e s . T h e n , i t c o n d u c t s k i n e m a t i c a n a l y s i s a n d

processing of the mechanical arm's movement, and derives the relationship between the position

and posture in the working space, joint angles, and changes in rope length. For the changes in the

joint angles and rope length of the mechanical arm, offline planning is carried out to obtain the

d i s c r e t e s e q u e n c e c o m p o s e d o f j o i n t a n g l e s a n d r o p e l e n g t h c h a n g e s . B a s e d o n t h i s , t h e

mechanical hand control system is integrated.

Keywords:Rope-driven mechanical hand；Multiple joints;Kinematics；Motion control

I
目  录
引  言....................................................................1
1 课题背景及研究意义................................................................1
1.1 项目来源.......................................................................1
1.2 研究意义.......................................................................1
2 国内外研究现状....................................................................2
2.1 国外研究现状...................................................................2
2.2 国内研究现状...................................................................3
3 研究内容与创新点..................................................................5
总体设计..................................................................7
1 绳驱多关节机械手设计规范与技术指标................................................7
2 水下绳驱多关节机械手结构设计......................................................8
2.1 驱动系统结构设计与优化.........................................................9
2.2 机械臂结构设计................................................................11
2.3 机械爪手的结构设计............................................................14
主要核心零件的设计计算...................................................16
1 电机类型和型号的确定.............................................................16
2 滚珠丝杠的型号确定...............................................................21
3 导轨滑块选型.....................................................................22
运动学分析与控制.........................................................24
1 水下绳驱多关节机械手的运动学解析.................................................24
1.1 机械臂运动学分析概述..........................................................24
1.2 运动学仿真....................................................................24
2 液压机械臂的轨迹规划与力控制.....................................................29
2.1 机械臂关节角与空间位姿分析....................................................29
2.2 绳驱多关节机械手离线规划......................................................30
2.3 绳驱多关节机械手控制层........................................................34
系统仿真与实验研究.......................................................38
1 基于 COPPELIASIM 的机械臂联合仿真.................................................38
1.1 控制系统整体软件设计..........................................................38
1.2 机械臂控制程序设计............................................................39
2 机械手试验研究...................................................................40
总结与展望...............................................................43
1 总结.............................................................................43
2 展望.............................................................................43
参考文献...................................................................45
致  谢.....................................................................47
附录A 装配图...............................................................48
附录B 零件图...............................................................49

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标签： #结构设计 #结构 #设计

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水下多关节机械手的结构设计设计总说明：海洋资源丰富多样，引起人类对资源的探索和需求，常常会利用水下机械手来开展水下采样、水下生物探测以及水下设备检修等任务。传统的水下刚性机械手有着较强的作业能力与较高的工作效率，但是它所具备的自由度数目较少，并且无法很好地符合水下狭小空间作业的需求。而绳驱式多关节机械手因为自由度数量较多，因此具有较好的避障能力和负载抓取能力。故此，本文设计一种可应用于水下的绳驱多关节机械手，对机械手的驱动部分、机械臂以及机械爪手进行结构上的优化与模块化的设计，并针对主要器件展开计算选择工作，接着对机械臂执行运动学方面的分析处理，完成工作空间内位置姿态和关节角度以及绳长变化量间...

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