一種簡易搬運機械手的設(shè)計

1、1 緒 論1.1前言用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為工業(yè)機械手。工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學領(lǐng)域，是一門跨學科綜合技術(shù)。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構(gòu)

2、造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得

3、一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.2 工業(yè)機械手的簡史現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。機械手首先是從美國開始研制的。1958年

4、美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制

5、系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。德國機器制造業(yè)是從1970年開

6、始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功

7、能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。 第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制

8、造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術(shù)交流活動開展很多。1.3工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應用  機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。可在機

9、械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運機械手為研究對象。下面具體說明機械手在工業(yè)方面的應用。 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動線一般都采用機械手在機床之

10、間傳遞零件。國內(nèi)這類生產(chǎn)線很多，如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機廠的4號和5號電動機加工自動線（軸類），上海拖拉機廠的齒坯自動線（盤類）等。加工箱體類零件的組合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的，如上海動力機廠的氣蓋加工自動線轉(zhuǎn)位機械手。 在實現(xiàn)單機自動化方面各類半自動車床，有自動加緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，單仍需人工上下料；裝上機械手，可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，一人看管多臺機床。目前，機械手在這方面應用很多，如上海柴油機廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機械手，大連第二車床廠的自動循環(huán)液壓仿行車床機械手，沈陽第三機床廠的Y38滾齒機械手，青海第二機床廠

11、的滾銑花鍵機床機械手等。由于這方面的使用已有成功的經(jīng)驗，國內(nèi)一些機床廠已在這類產(chǎn)品出廠是就附上機械手，或為用戶安裝機械手提供條件。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機械手（生產(chǎn)線中有兩臺多工位機床）和天津二注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手的自動裝卸工件，可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)。目前機械手在沖床上應用有兩個方面：一是160t以上的沖床用機械手的較多。如沈陽低壓開關(guān)廠200t環(huán)類沖床磁力起重器殼體下料機械手和天京拖拉機廠400t沖床的下料機械手等；其一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進輕局技術(shù)研究所制作的120t和40t多工位沖床機械手等。 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面模

12、鍛方面，國內(nèi)大批量生產(chǎn)的3t、5t、10t模鍛錘，其所配的轉(zhuǎn)底爐，用兩只機械手成一定角度布置早爐前，實現(xiàn)進出料自動化。上海柴油機廠、北京內(nèi)燃機廠、洛陽拖拉機廠等已有較成熟的經(jīng)驗。1.4 機械手的組成工業(yè)機械手是一種模仿人手動作，并按設(shè)定的程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運工件或操持工具或進行操作的自動化裝置。目前國內(nèi)工業(yè)機械手的種類和型式比較多，但是從結(jié)構(gòu)型式分析，主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。 執(zhí)行機構(gòu) 主要由手部、手腕、受臂和行走機構(gòu)等運動部件組成。（1）手部 它具有人手某種單一動作的功能。由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等型式。夾持式手部是由手指和傳力機構(gòu)組成。手

13、指是直接與物件接觸的構(gòu)件。常用的手指運動型式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型手指應用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，但是平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位（是外廓或是內(nèi)孔）和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的；手指有外夾式和內(nèi)撐式；指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 傳力機構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式等。 吸附式手部有負壓吸盤和電磁吸盤兩類。 對于輕小片狀零件、光滑薄板材料

14、等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓和真空泵壓。 對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力有直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。 用負壓磁盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、和吸附力的大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式（如澆注機械手的澆包部分）、托式（如冷擠齒輪機床上下料機械手的手部）等型式。（2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加

15、一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。目前，應用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小（一般小于 2700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。（3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要

16、求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。（4） 行走機構(gòu) 當工業(yè)機械手需要完成比較遠的距離的操作時，可以在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。我國的正處于仿真階段。 驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手,結(jié)構(gòu)

17、簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 控制系統(tǒng)及其分類 它是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位（或機械擋塊定位）系統(tǒng)組成。在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制。1.5工業(yè)機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。按使用范圍可以分為：專用機械手和通用機械手兩大類。前者一般附屬于工作機器設(shè)備，動作程序固定，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以獨立，亦可附屬于工作機器設(shè)備。而后者是獨立工作的自動化機械裝置。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動作程序是

18、可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。按驅(qū)動方式可以分為：液壓傳動機械手、氣壓傳動機械手、電動傳動機械手、機械傳動機械手。 1液壓傳動機械手 是以由油液的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是：抓重可以達到幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但是對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，并且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 2氣壓傳動機械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是：介質(zhì)來源極其方便、

19、氣動動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特征，工作速度的穩(wěn)定性較差，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 3機械傳動機械手 即由機械傳動機構(gòu)（如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等）驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠、動作頻率高，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序可不變。它常被用于為工作主機的上、下料。 4電動傳動機械手 即由特殊結(jié)構(gòu)的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和

20、行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 按控制方式可以分為：點位控制和連續(xù)軌跡控制。前者它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)越多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前多數(shù)機械手屬于點位控制。后者它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但是電氣控制系統(tǒng)復雜。1.6工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢(1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5

21、萬美元。(2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成

22、熟應用。(5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。(6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”

23、、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應用工程起步較晚，應用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我

24、國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器

25、人化機械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.7工業(yè)機械手的自由度和座標型式1 工業(yè)機械手的自由度 自由度是機械手設(shè)計的主要參數(shù)，每一個構(gòu)件（即運動件）相對固定坐標系所具有的獨立運動稱

26、為自由度。每一個構(gòu)件相對固定坐標系最多可有六個自由度即沿X、Y、Z三個方向獨立的往復運動和繞X、Y、Z軸的三個獨立的回轉(zhuǎn)運動。兩個構(gòu)件組成相對運動的聯(lián)接稱為運動副，對相對運動加以限制的條件即為約束條件。因為，組成運動副的各構(gòu)件的運動是受到約束的，不能任意運動，必須按照人們預定的規(guī)律而運動。分析機械手的手臂、手腕、手指等部件的本身和它們之間的關(guān)系，不外乎是由一組相互聯(lián)系著的構(gòu)件和運動副所組成，這些運動副又可以分為只有一個自由度的回轉(zhuǎn)副和移動副或有三個自由度的球面副。 所謂工業(yè)機械手的自由度就是整機、手臂和手腕相對于固定坐標所具有的獨立運動。有幾個獨立運動就有幾個自由度。手指的抓取動作或吸盤的吸放

27、動作一般不記在自由度數(shù)目內(nèi)。工業(yè)機械手自由度數(shù)的多少，決定著工業(yè)機械手動作多樣化的程度。一般為了確定被抓取對象在空間的位置和方位？（即姿勢），需要有六個自由度。但實際上由于有些工件或工具具有對稱性或放置狀態(tài)一定，往往并不需要工業(yè)機械手都具有六個自由度。工業(yè)機械手的自由度數(shù)越多。它的動作越靈活，應用越廣，但同時也使控制系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)越復雜，定位精度難以保證，整機的造價高，自重大。所以，在設(shè)計工業(yè)機械手時，應按照生產(chǎn)實際需要選用最少的自由度數(shù)。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的工業(yè)機械手的自由度數(shù)目多數(shù)為25個。2 座標型式按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可以分為下列幾種：（1）直角坐標式：其手臂

28、的運動系由三個直線運動所組成，即沿直角座標系的X軸的伸縮、沿Z軸的升降、沿Y軸的橫移。這種座標型式的機械手稱為直角座標式機械手。它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，適用于主機位置成行排列的場合。但是由于占地面積大而工作范圍小以及靈活性差，限制了它的使用范圍。（2）圓柱座標式：其手臂的運動系由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)所組成，即沿直角座標系的X軸的伸縮、沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種座標型式的機械手稱為圓柱座標式機械手。它與直角坐標式相比較，占地面積小而活動范圍小，結(jié)構(gòu)簡單，并能達到較高的定位精度，因此應用較廣泛，但是由于機械手結(jié)構(gòu)的關(guān)系，沿Z軸方向移動的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。（3

29、）球座標式：其手臂的運動系由一個直線運動和兩個回轉(zhuǎn)所組成，即沿X軸的伸縮、繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種座標型式的機械手稱為）球座標式機械手。 這種機械手手臂的俯仰運動能抓取地面上的物件，為了使手部能適應被抓取物件方位的要求，常常設(shè)有手腕上下擺動，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種型式的機械手手臂具有動作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點，它使用于沿軸伸縮方向外作業(yè)的傳動形式。但是結(jié)構(gòu)復雜，此外，手臂擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。（4）關(guān)節(jié)式：其機械手的運動類似人的手臂可作幾個方向的轉(zhuǎn)動，它由大小兩臂和立柱等組成，大小兩臂之間的聯(lián)動為肘關(guān)節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關(guān)節(jié)，各

30、關(guān)節(jié)均由鉸鏈構(gòu)成以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，手臂的運動系由三個回轉(zhuǎn)運動所組成，即大臂的俯仰、小臂俯仰和大臂的回轉(zhuǎn)。這種座標型式的機械手稱為關(guān)節(jié)式機械手。它的特點是工作范圍大，動作靈活，通用性強，能抓取靠近機座的物件，并能繞過機體和工作主機之間的障礙物去抓取物件，此為其它型式的機械手不可比擬的優(yōu)點。但是關(guān)節(jié)式機械手的手指定位是由各個關(guān)節(jié)相互轉(zhuǎn)角來決定的，所以定位精度較差，另外，控制裝置和機械機構(gòu)比其它型式的機械手均復雜。機械手座標型式的正確選擇，要通過座標型式方案的比較來確定。在擬定座標型式方案時，又須根據(jù)現(xiàn)場具體生產(chǎn)情況和工藝、精度、安裝空間的要求，結(jié)合各種座標型式的特點來分析比較，確定比較合理的座標型。1.

31、8工業(yè)機械手的展望 目前工業(yè)機械手的應用逐步擴大，技術(shù)性能在不斷提高。由于發(fā)展時間較短，人們對它有一個逐步認識的過程，機械手在技術(shù)上還有一個逐步完善的過程，其目前的展望為：（1）擴大機械手在熱加工行業(yè)上應用目前國內(nèi)機械手應用在機械工業(yè)冷加工作業(yè)中的較多，而在鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工以及裝配作業(yè)等方面的應用較少。因熱加工作業(yè)的物件重、形狀復雜、環(huán)境溫度高等，給機械手的設(shè)計、制造帶來不少困難，這就需要解決技術(shù)上的難點，使機械手更好地為熱加工作業(yè)服務。同時，在其它行業(yè)和工業(yè)部門，也將隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，而逐步擴大機械手的使用。（2）提高工業(yè)機械手的工作性能機械手工作性能的優(yōu)劣，決定著它能否

32、正常地應用于生產(chǎn)中。機械手工作性能中的重復定位精度和工作速度兩個指標，是決定機械手能否保質(zhì)保量地完成操作任務的關(guān)鍵因素。因此要解決好機械手的逐個平穩(wěn)性和快速性的要求，除了從解決緩沖定位措施入手外，還應發(fā)展?jié)M足機械手性能要求價廉的電液伺服閥，將伺服控制系統(tǒng)應用于機械手上。（3）發(fā)展組合式機械手從機械手本身的特點來說?？勺兂绦虻臋C械手更適應產(chǎn)品改型、設(shè)備更新、多品種小批量的要求，但是它的成本高，專用機械手價廉，但適用范圍又受到限制。因此，對一些特殊用途的場合，就需要專門設(shè)計、專門加工，這樣就提高了產(chǎn)品成本。為了適應應用領(lǐng)域分門別類的要求，可將機械手的機構(gòu)設(shè)計成可以組合的型式。組合式機械手是將一些通

33、用部件（如手臂伸縮部件、升降部件、回轉(zhuǎn)部件和腕部回轉(zhuǎn)、俯仰部件等）根據(jù)作業(yè)的要求，選擇必要的能完成預定機能的單元部件，以機座為基礎(chǔ)進行組合，配上與其相適應的控制部分，即成為能完成特殊要求的機械手。它可以簡化結(jié)構(gòu)，兼顧了使用上的專用性和設(shè)計上的通用性，便于標準化、系列化設(shè)計和組合專業(yè)化生產(chǎn)，有利于提高機械手的質(zhì)量和降低造價，是一種有發(fā)展前途的機械手。（4）研制具有“視覺”和“觸覺”的所謂“智能機器人”對于需用人工進行靈巧操作及需要進行判斷的工作場合，工業(yè)機械手很難替代人的勞動。如在工作過程中出現(xiàn)事故、障礙和情況變化等，機械手不能自動分辨糾正，而只能停機，待人們排除意外事故后才能繼續(xù)工作。因此，人

34、們對機械手提出了更高的要求，希望使其具有“視覺”、“觸覺”等功能，使之對物體進行判斷、選擇，能連續(xù)調(diào)節(jié)以適應變化的條件，并能進行“手眼”協(xié)調(diào)動作。這就需要一個能處理大量信息的計算機，要求人與機器“對話”進行信息交流。 這種帶“視覺”、“觸覺”反饋的，由計算機控制的，具有人的部分“智能”的機械裝置稱為“智能機器人”。所謂“智能”是包括：識別、學習、記憶、分析判斷的功能。而識別功能是通過“視覺”、“觸覺”和“聽覺”等感覺“器官”認識對象的。具有感覺功能的機器人，其工作性能是比較完善的，能準確的夾持任意方位的物件，判斷物件重量，越過障礙物進行工作，自動檢測夾緊力的大小，并且能自動調(diào)節(jié)，適用于從事復雜

35、、精密的操作，如裝配作業(yè)（國外研制的裝配機器人，能將活塞裝入間隙僅有20微米的汽缸內(nèi)），它有著一定的發(fā)展前途。 智能機器人是一種新興的技術(shù)，對它的研究將涉及到電子技術(shù)、控制論、通訊技術(shù)、電視技術(shù)、空間機構(gòu)和仿生機械學等學科。它是當代自動控制技術(shù)的一個新興領(lǐng)域。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，智能機器人將會代替人做更多的工作。1.9本文主要研究內(nèi)容本文研究了國內(nèi)外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學習機械手的工作原理，熟悉了搬運機械手的運動機理。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運機械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運機械手的運動進行了簡單的力學模型分析，完成了機械手機械方面的設(shè)計工作（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）的設(shè)計工作。1.10本

36、章小結(jié)本章簡要的介紹了機械手的基本概念。在機械手的組成上，系統(tǒng)的從執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)以及控制部分三個方面說明。比較細致的介紹了機械手的發(fā)展趨勢，簡要的敘述了本文研究的內(nèi)容。2 機械手的總體設(shè)計方案本課題是輕型平動搬運機械手的設(shè)計及運動仿真。本設(shè)計主要任務是完成機械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計，在本章中對機械手的座標形式、自由度、驅(qū)動機構(gòu)等進行了確定。因此，在機械手的執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)是本次設(shè)計的主要任務。2.1 機械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標型機械手;(2)圓柱坐標型機械手; ( 3)球坐標(極坐標)型機械手; (4)多關(guān)節(jié)型機機械

37、手。其中圓柱坐標型機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標。圖1.1 是機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B。圖1.1 機械手基本形式示意2.2機械手的主要部件及運動在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計關(guān)于機械手具有4個自由度既：手部回轉(zhuǎn)；手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降4個主要運動。本設(shè)計機械手主要由4個大部件和5個液壓缸組成：（1）手部，采用一個雙作用式液壓缸，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手抓的張合。（2） 腕部，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)（3）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂平動1.2m。（4）機

38、身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。2.3驅(qū)動機構(gòu)的選擇驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手的優(yōu)點：(1)由于液壓傳動是油管連接，所以借助油管的連接可以方便靈活地布置傳動機構(gòu)，這是比機械傳動優(yōu)越的地方。例如，在井下抽取石油的泵可采用液壓傳動來驅(qū)動，以克服長驅(qū)動軸效率低的缺點。由于液壓缸的推力很大，又加之極易布置，在挖掘機等重型工程機械上，已基本取代了老式的機械傳動，不僅操作方便，而且外形美觀大方。(2)液壓傳動裝置的重

39、量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小。例如，相同功率液壓馬達的體積為電動機的12%13%。液壓泵和液壓馬達單位功率的重量指標，目前是發(fā)電機和電動機的十分之一，液壓泵和液壓馬達可小至0.0025N/W(牛/瓦),發(fā)電機和電動機則約為0.03N/W。(3)可在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速。借助閥或變量泵、變量馬達，可以實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速范圍可達12000，并可在液壓裝置運行的過程中進行調(diào)速。(4)傳遞運動均勻平穩(wěn)，負載變化時速度較穩(wěn)定。正因為此特點，金屬切削機床中的磨床傳動現(xiàn)在幾乎都采用液壓傳動。(5)液壓裝置易于實現(xiàn)過載保護借助于設(shè)置溢流閥等，同時液壓件能自行潤滑，因此使用壽命長。(6)液壓傳動容易實現(xiàn)自動化借助于各

40、種控制閥，特別是采用液壓控制和電氣控制結(jié)合使用時，能很容易地實現(xiàn)復雜的自動工作循環(huán)，而且可以實現(xiàn)遙控。(7)液壓元件已實現(xiàn)了標準化、系列化和通用化，便于設(shè)計、制造和推廣使用。液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手的缺點:(1)液壓系統(tǒng)中的漏油等因素，影響運動的平穩(wěn)性和正確性，使得液壓傳動不能保證嚴格的傳動比。(2)液壓傳動對油溫的變化比較敏感，溫度變化時，液體粘性變化，引起運動特性的變化，使得工作的穩(wěn)定性受到影響，所以它不宜在溫度變化很大的環(huán)境條件下工作。(3)為了減少泄漏，以及為了滿足某些性能上的要求，液壓元件的配合件制造精度要求較高，加工工藝較復雜。(4)液壓傳動要求有單獨的能源，不像電源那樣使用方便。(5)

41、液壓系統(tǒng)發(fā)生故障不易檢查和排除?？傊?，液壓傳動的優(yōu)點是主要的，隨著設(shè)計制造和使用水平的不斷提高，有些缺點正在逐步加以克服。液壓傳動有著廣泛的發(fā)展前景。因此，機械手的驅(qū)動方案選擇液壓驅(qū)動。2.4 機械手的技術(shù)參數(shù)列表 用途：搬運:用于車間搬運 設(shè)計技術(shù)參數(shù):1、抓重:30Kg (夾持式手部)2、自由度數(shù):4個自由度3、座標型式:圓柱座標4、最大工作半徑:1600mm5、手臂最大中心高:900mm6、手臂運動參數(shù)伸縮行程：800mm伸縮速度：83mm/s升降行程：330mm升降速度：< 60mm/s回轉(zhuǎn)范圍:7、手腕運動參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍: 2.5 本章小結(jié)本章對機械手的整體部分進行了總體設(shè)計，選

42、擇了機械手的基本形式以及自由度，確定了本設(shè)計采用液壓驅(qū)動，給出了設(shè)計中機械手的一些技術(shù)參數(shù)。下面的設(shè)計計算將以次進行。3 機械手手部的設(shè)計計算3.1 手部設(shè)計基本要求（1） 應具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。（2） 手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度），以便于抓取工件。（3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。（4） 應保證手抓的夾持精度。3.2 典型的手部結(jié)構(gòu)（1） 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種

43、。（2） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復運動。（3）平面平移型。3.3機械手手抓的設(shè)計計算3.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置本設(shè)計是設(shè)計平動搬運機械手的設(shè)計，考慮到所要達到的原始參數(shù)：手抓張合角=，夾取重量為30Kg。常用的工業(yè)機械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設(shè)計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結(jié)構(gòu)簡單, 適于夾持平板方料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型手指, 驅(qū)動力需加在

44、手指移動方向上,這樣會使結(jié)構(gòu)變得復雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。通過綜合考慮，本設(shè)計選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用斜楔杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機械手手抓閉和，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機械手手指張開。 手抓的力學分析下面對其基本結(jié)構(gòu)進行力學分析：斜楔杠桿 圖3.1（a）為常見的斜楔杠桿式手部結(jié)構(gòu)。(a) (b)圖3.1 斜楔杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析1手指 2銷軸 3杠桿在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指1的對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于中心線和并指向點，交和的延長線于A及B。由=0 得 =

45、0 得 由=0 得h F= （3.1）式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離（mm）. 工件被夾緊時手指的方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。由分析可知，當驅(qū)動力一定時，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=。3.3.3 夾緊力及驅(qū)動力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： （3.2）式中 安全系數(shù)，通常1.22.0； 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦?/p>

46、其中a，重力方向的最大上升加速度； 運載時工件最大上升速度 系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.030.5s 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇。 G被抓取工件所受重力（N）。表3-1 液壓缸的工作壓力作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa小于500050000以上計算：設(shè)a=100mm,b=50mm,<<機械手達到最高響應時間為0.5s，求夾緊力和驅(qū)動力和 驅(qū)動液壓缸的尺寸。(1) 設(shè) =1.02 根據(jù)公式，將已知條件帶入： =1.5 （2）根據(jù)驅(qū)動力公式得： （3）取 F （4）確定液壓缸的直徑D 選取活塞桿直徑d=0.5

47、D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.81MPa, 根據(jù)表4.1（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm則活塞桿內(nèi)徑為:D=630.5=31.5mm，選取d=32mm 手抓夾持范圍計算為了保證手抓張開角為，活塞桿運動長度為34mm。手抓夾持范圍，手指長100mm,當手抓沒有張開角的時候，如圖3.2（a）所示，根據(jù)機構(gòu)設(shè)計，它的最小夾持半徑，當張開時，如圖3.2（b）所示，最大夾持半徑計算如下： 機械手的夾持半徑從4090mm。3.4 機械手手抓夾持精度的分析計算機械手的精度設(shè)計要求工件定位準確,抓取精度高,重復定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能力。機械手能否準確夾持工件，把工件

48、送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的小批量生產(chǎn)中，為了適應工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進行機械手的夾持誤差。（a） (b)圖3.2 手抓張開示意圖圖3.3 手抓夾持誤差分析示意圖該設(shè)計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。機械手的夾持范圍為80mm180mm。一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：工件的平均半徑：手指長,取V型夾角偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：計算 當S時帶入有：夾持誤差滿足設(shè)計要求。3.5彈簧的設(shè)計計算選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計算如下。圖3.4 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)(1

49、).選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應力(2).選擇旋繞比C=8，則 （3.3）(3).根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=42mm，估算彈簧絲直徑 (4).試算彈簧絲直徑 （3.4）(5). 根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： （3.5）選擇標準為，彈簧的總?cè)?shù)圈(6).最后確定，(7).對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象壓縮彈簧的長細比，本設(shè)計彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?當兩端固定時，,當一端固定；一端自由時，；當兩端自由轉(zhuǎn)動時，。結(jié)論本設(shè)計彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。(8).疲勞強度和應力強度的驗算。對于循環(huán)次數(shù)多、在

50、變應力下工作的彈簧，還應該進一步對彈簧的疲勞強度和靜應力強度進行驗算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時，可只進行靜應力強度驗算）?，F(xiàn)在由于本設(shè)計是在恒定載荷情況下，所以只進行靜應力強度驗算。計算公式： （3.6）選取1.31.7（力學性精確能高） （3.7）結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應。 3.6 本章小結(jié)通過本章的設(shè)計計算，先對滑槽杠桿式的手部結(jié)構(gòu)進行力學分析，然后分別對滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)的夾緊力、夾緊用的彈簧、驅(qū)動力進行計算，在滿足基本要求后，對手部的夾持精度進行分析計算。4 腕部的設(shè)計計算4.1 腕部設(shè)計的基本要求（1） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動

51、載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。（3） 必須考慮工作條件對于本設(shè)計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。4.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇典型的腕部結(jié)構(gòu)(1) 具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣

52、腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用。回轉(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于）。(2) 齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。(3) 具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。(4) 機-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的選擇 本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動。4.3 腕部的設(shè)計計算 腕部設(shè)計考慮的參數(shù) 夾取工件重量30Kg，回轉(zhuǎn)。 腕部的驅(qū)動力矩計算（1）

53、腕部的驅(qū)動力矩需要的力矩。（2） 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩。夾取棒料直徑100mm，長度1000mm，重量30Kg，當手部回轉(zhuǎn)時，計算 力矩：（1） 手抓、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算G=3.14（2） 擦力矩。（3） 啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動角速度。 （4.1）查取轉(zhuǎn)動慣量公式有：代入： 腕部驅(qū)動力的計算表4-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表4-1設(shè)缸體內(nèi)空半徑R=110mm，外徑根據(jù)表3-2選擇121mm,這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為226mm；動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖4.1所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力，選擇4Mpa圖4.1 腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意表4.2 標準液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）液壓缸內(nèi)徑40 506380901001101251401501601802002