液压式四自由度机械手设计.docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上抓料机械手机构设计摘 要本课题设计的为抓料机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。本设计拟开发的上料机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大

2、的工件此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本课题通过应用AutoCAD等技术对机械手进行结构设计和液压传动原理设计，它能实行自动上料运动，自动搬运棒料。机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。关键字 机械手，AutoCAD ,自动化。Manipulator grasping mechanism designAbstractThis paper designed for robot grasping the material . Industrial robot is the inevitable product

3、 of industrial production, which is a part of human upper limb function mimic conveying the workpiece gripping tools or equipment operation automation technology predetermined requirements of industrial automation , and promote the further development of industrial production plays important role. W

4、hich has a strong vitality by people widely valued and welcomed . Practice has proved that industrial robots can replace heavy manual labor , and significantly reduce labor intensity and improve working conditions , improve labor productivity and automation levels. Frequent handling and long term in

5、dustrial production often bulky workpiece monotonic operation, using the robot to be effective . The design of the proposed development on the feeding robot can pick and place objects in space , flexible action , instead of doing so at high temperatures and can be dangerous operation area , you can

6、grab a greater weight of the workpiece addition, it in heat, cold, deep water , operating under the universe , radioactive and other toxic pollution environmental conditions , but also demonstrate its superiority , has a broad development prospects.This topic through the application of technologies

7、such as AutoCAD manipulator structural design principles of design and hydraulic transmission , it can implement automatic feeding movement , automatic handling bar . Is the velocity of the robot according to the settings to meet the requirements of productivity .Keywords Robot，AutoCAD，Automation目录专

8、心-专注-专业1.绪论1.1本课题的目的和现实意义在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：(1)以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 (2)以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。(3)在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事

9、故。可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。本次课题为液压式四自由度机械手设计。首先要参阅一些有关工业机械手的书籍，了解一下什么是工业机械手，它有哪些种类，在世界上的发展趋势怎么样，它在我国的应用情况，通过了解这些可以知道研究的这个课题有什么目的并且培养我们的兴趣，从中可以看出工业机械手在世界上是一个比较前沿的领域，

10、因为它有着自动化程度高，效率高等优点，对于大批量生产可降低成本，所以可以说应用工业机械手是机械加工行业的发展趋势。其次通过本次课题，还可以更深刻地了解工业机械手的组成部分，并了解各部分的相互关系，还能通过一些计算，查表选择合适的部件，深刻了解工业机械手的设计过程。由于本次课题还涉及到液压系统的设计，可以对液压行业有着更深刻的了解，也意识到液压系统设计的重要性。经本次的课题设计，掌握了一些有关机械制图和三维造型的软件，如CAD，SOILDWORKS，CAXA等，并且对大型的装备图，工业流程图有更深的体会。在控制方面，主要采用PLC技术，PLC是当今世界上控制领域较为完善的产品，稳定性很好，在这方

11、面也有相当大的收获。本次设计除了设计液压缸外还要设计机械手的夹具，可以说本次设计不仅增加了对工业机械手总体结构的的认识，还得到一个动手设计的机会，里面有机械的部分，液压的部分，可能还会涉及到一些电气的部分，可以说是四年的一个精华的总结吧。1.2 国内外工业机械手的发展及研究现状1.2.1 发展历史捷克作家卡雷尔查培克在其剧本中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。 20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能

12、搬运核原料的遥控操纵，这是一种主从型控制系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。 1954年美国最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年第一台在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。 70年代以后，机械手和以机械手为核心的自动化设备在工业发达国

13、家，尤其在日本，有了广泛的应用。80年代，人们为了让机器人技术向各行各业扩展、应用，于是有了用于社会服务、海洋开发、宇宙空间、地下采矿、军事作战、救灾抢险等领域的机器人。到了上世纪90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展和它们之间的相互整合，机械手技术得到了飞速发展。除了工业机械手水平不断提高之外，各种用于非制造业的特种机械手也有了很大的进展。近年来，随着人类活动领域的进一步扩大，人们对非制造业用机械手的研究空前活跃起来。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机械手的要求更高，需要机械手具有对外感知能力以及局部的自动规划能力等。美国的AUSS、

14、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等装有水下机械手的机器人系统己经用于海洋石油开采，海底勘探、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护等方面，形成了有缆水下机器人和无缆水下机器人两大类。核工业用机械手，国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手。1.2.2 现代研究趋势国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： (1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。 (2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、

15、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 (3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 (5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控

16、制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。(8)软机械手技术:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机械手设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机械手技术要求其结构、

17、控制方式和所用传感系统在机械手意外地与环境或人碰撞时是安全，机器人对人是友好的。(9)仿人和仿生技术:这是机械手技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。1.2.3 国内发展状况中国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。 70年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。中国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，中国于1972年开始研制自己的工业机器人。进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，

18、随着改革开放的不断深入，中国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了、和。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从90年代初期起，中国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，中国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，

19、形成了一批机器人产业化基地，为中国机器人产业的腾飞奠定了基础。虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，目前我们尚未掌握，这是影响中国机器人产业发展的一个重要瓶颈。1.2.4工业机械手的分类现在对工业机械手的分类尚无明确标准，一般都从规格和性能来分类。 (1)按规格（所搬运工件的重量）分类：微型的搬运重量在1公斤以下：小型的搬运重量在10公斤以下：中型的搬运重量在50公斤以下：大型的搬运重量在50公斤以上。目前大多数工业机械手能搬运的重量为130公斤。最小的为0.5公斤，最大的已达到800公斤。 (2)按功

20、能分类：简易型工业机械手有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓和挡块转鼓控制：可变程序可插销板或顺序转动控制来给定程序。这种机械手多为气动或液动，结构简单，改变程序比较容易。只使用在程序较简单的点位控制，但作为一般单机服务的搬运作业已足够。所以，目前这种工业机械手数量最多。记忆再现型工业机械手这种工业机械手由人工通过实验装置传动一遍，由磁带（或磁鼓）把程序记录下来，此机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这也是采用较多的一种，多为电液伺服驱动。与前者比较有较多的自由度，能进行程序较复杂的作业，通用性较广。计算机数字控制的工业机械手可通过更换穿孔带或其他记忆介质来改变工业机械手的动作，

21、还可以进行多种控制（DNC）。技术还可以是可编程序控制或普通的微机计算机。智能工业机械手（机器人）由电子计算机控制，通过各种传感元件等具有视觉、热感、触觉、行走机构等。(3)按用途分：专用机械手附属于主机的，具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，这种工业机械工作对象不变，手动比较简单，结构简单，使用可靠，施用于大批量生产自动线或专机作为自动上、下料用。通用机械手具有独立控制系统，程序可变、动作灵敏、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，使用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。1.3对工业机械手需求及其应用进行调研分析1.3.1建造旋转零件体自动线方面建造旋转零

22、件体（轴类、盘类、环类零件）自动线，一般都采用机械手在机床之间传送工件。1.3.2在实现单机自动化方面(1)各类半自动车床，有自行夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料，装上机械手，可实现全自动化生产。(2)注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动取料，可实现全自动生产。(3)冲床有自动上下冲压循环，机械手上下料可实现冲压上产自动化。1.3.3铸、锻、焊、热处理等方面总的来说，由于工业机械手的特点满足了社会生产的需要，进而带来了经济效益。其特点：(1)对环境的适应性强，能代替人从事危险，有害的操作，在长时间对人体有害的场所，机械手不受影响。 (2)机械手能持久

23、、耐劳、可以把人从单调的繁重的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。 (3)动作准确，可保证稳定和提高产品的质量，同时可避免人为操作的错误。 (4)通用性灵活性好，特别是通用机械手，能适应产品品种迅速变化的要求，满足柔性生产的需要。(5)采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。1.4机械手的驱动方式目前机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电机驱动等多种方式，各种驱动方式有其自身的特点，在工业机器人中液压和气压驱动应用很广泛，有些机器人则同时采用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。比较这些驱动方式的特点，从中选出适合移动机械手的驱动方式。1.4.1 液压驱动液压驱动的特点

24、有:(1)驱动力和驱动力矩较大，臂力可达100公斤；(2)速度反应性较好。因为被驱动件的速度快慢取决于油液的容积变化，所以当不考虑油液的温度变化时，被驱动系统的滞后也几乎没有，而且液压机构的重量轻、惯性小，因此它的速度反应性较好；(3)调速范围较大，而且可以无级调速，易于适应不同的工作要求；(4)传动平稳，能吸收冲击力，可以实现较频繁而平稳的换向；(5)在产生相同驱动力的条件下，液压驱动比其他驱动方式体积小、重量轻、惯性)小；(6)定位精度比气动高，但比电机低； (7)液压系统的泄漏对机构的工作稳定性有一定的影响；(8)油液中如果混入气体，将降低传动机构的刚性，影响定位精度(产生爬行)；(9)

25、油液的温度和粘度变化影响传动性能；液压驱动机械手多用于要求臂力较大而运动速度较低的工作场合。1.4.2 气压驱动气动驱动特点(1)通过调节气流，就可实现无级变速；(2)由于压缩空气粘性小，流速大，因此气压驱动的机械手动作速度快；(3)压缩空气可从大气中吸取，故动力源获得方便、价格低廉，而且废气处理方便；(4)由于压缩空气粘度小，因此在管路中的压力损失也很小，一般其阻力损失不到油液在油路中损失的千分之一，故压缩空气可以集中供应，远距离输送；(5)压缩空气的压缩性较大，因此使机械手的运动平稳性较差，定位精度较低，而且压缩空气排到大气中时噪声较大，另外还须考虑润滑和防锈等；(6)压缩空气的工作压力较

26、低，致使机械手结构较大。因此，气压驱动的机械手，常用于臂力小于30公斤、运动速度较快以及高温、低温、高粉尘等工作条件较恶劣的场合。1.4.3 电机驱动电机驱动系统按电机的功能可分为直流电机驱动系统、交流异步电机驱动系统、无刷直流电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统和多态电机驱动系统等。各种电机系统的工作原理有很大的区别，性能上也存在着较大的差异。在这里，不对这些电机系统作一一介绍。只是把电机驱动与液压和气压驱动做一个比较，从中得到结论。本次设计的题目为液压式四自由度工业机械手设计，限制了机械手的驱动方式，一方面是为了熟悉液压方面的相关知识，另一方面，用液压驱动、执行可以使机械手的结构简单，同时在

27、使用时由于换向频繁，同时与生产线配套，要求速度平稳，可用于多种场合，具有广泛的适应性，故而采用液压驱动方式。2.设计前的分析2.1课题构想与思路2.1.1 构想该机械手能在几台机械设备间进行搬运和装卸工件。该设备为圆柱坐标式机械手。启动机械手，当工件成型后发出信号，机械手的手臂下降到预定位置，手爪张开，夹紧工件，然后上升，然后手臂正向旋转180度，手腕正向旋转90度，然后手臂伸出到预定位置，手臂下降到制定位置，手爪松开，放好工件后，手臂上升到指定位置，然后手臂反向旋转180度，手腕反向旋转90，手臂缩回，回到原点位置，开始下一个周期。2.1.2 思路(1）全面了解机械手的运动原理及其结构，以液

28、压式四自由度机械手为研究对象，主要部分由手爪、手腕、手臂和支座组成。系统以液压为主要的控制方式。(2）确定机械手的运动简图。(3）初步拟定一些参数。(4)利用电子图板进行画图，画出机械部分。(5)了解液压系统中各元件的功能，从全局着手，根据系统的运动要求和系统的机械结构，选择液压系统所需要的元件。2.2主要设计内容(1)整体方案的设计，同时初步选择液压系统；(2)机械手的确定，采用液压缸控制手部对工件的夹紧；(3)腕部结构的确定，采用液压马达使手部可以摆动；(4)手臂机构的确定，采用伸缩缸进行水平移动；(5)升降部分的确定，采用升降缸进行垂直移动；(6)详细设计液压系统，并对关键部分进行校核。

29、2.3拟解决的关键技术(1)液压系统元件的选择，包括液压缸，液压泵、液压马达、液压控制阀、液压辅助件的选择和设计；(2)怎样设计合适的装夹工件的夹具；(3)液压管道的设计布置；(4)怎样通过PLC将机床的各个部分联合起来进行控制。2.4 性能指标本设计具有四个自由度，分别为手腕的旋转运动，手臂的伸缩运动，手臂的旋转运动和手臂的升降运动，坐标形式为圆柱坐标，采用液压驱动控制方式，用于生产线中的自动搬运货物的装置。（如图2.1所示）抓重： 30公斤自由度数： 4个坐标形式：圆柱坐标最大工作半径： 1600mm手臂最大中心高度： 900mm手臂运动参数伸缩行程： 800mm伸缩速度： 0.25m/s

30、升降行程： 330mm升降速度： 0.06m/s回转范围： 0210回转速度： 70/s手腕运动参数回转范围： 0180回转速度： 90/s手指夹持范围：6585mm手指握力： 400N图图2.1 结构简图3 手部结构3.1概述手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳

31、爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，这里采用滑槽杠杆式。3.2 设计时应考虑的几个问题（1）应具有足够的握力（即夹紧力）在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 (2)手指间应有一定的开闭角两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 (3)应保证工件的准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手

32、指形状。例如圆柱形工件采用带V形面的手指，以便自动定心。 (4)应具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。 (5)应考虑被抓取对象的要求应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。3.3 驱动力的计算 1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座图3-1 滑槽杠杆式手部受力分析如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO

33、1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由图受力分析得AOC=BOC=。根据销轴的力平衡条件，即Fx=0,P1=P2;Fy=0,P2=P1cos即： P1=P/2cos销轴对手指的作用力为p1。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即MO1(F)=0得P1h=Nb因 h=a/cos所以 P=2b(cos)N/a式中 a手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由上式可知，当驱动力P一定时，角增大则握力N也随之增

34、加，但角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取=3040。这里取角=30度。这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即： P实际=PK1K2/式中手部的机械效率，一般取0.850.95； K1安全系数，一般取1.22 K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g

35、为重力加速度。本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120,=30时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式 N=0.5G把已知条件代入得当量夹紧力为 N=49（N）由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 P=2b(cos)N/a 得 P=P计算=2*45/27(cos30)*49=122.5(N) P实际=P计算K1K2/取=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1则 P实际=122.5*1.5*1.1/0.

36、85=238(N)3.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析图3-2 带浮动钳口的钳爪钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O到工件中心O的距离为x,则 x=当工件直径变化时,x的变化量即为定位误差,设工件半径R由Rmax变化到Rmin时,其最大定位误差为=-其中了=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120 ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm代入公式计算得最大定位误差=44.2-44.7=0.51故符合要求.4 腕部的结构4.1 概述腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点：结构紧凑，重量尽量轻。转动灵活，密封性要好。注

37、意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题,要适应工作环境的需要。另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。4.2 腕部的结构形式本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为115.如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体与指座固连成一体。当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。图4-1 机械手的腕部结构4.3手腕驱动力矩的

38、计算驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算： M驱=M惯+M偏+M摩（N.m）式中 M驱驱动手腕转动的驱动力矩 M惯惯性力矩（N.m） M偏参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩（N.m） M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩（N.m）图4-2 腕部回转力矩计算图(1) 摩擦阻力矩M摩 M摩 =（N1D1+N2D2）（N.m）式中 f轴承的摩擦系数，滚动轴承取f

39、=0.02，滑动轴承取f=0.1； N1 、N2 轴承支承反力（N）； D1 、D2 轴承直径（m）由设计知D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=98N e=0.020时 M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2得 M摩 =2.50（N.m） (2) 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏 M偏 =G1 e （N.m）式中 G1工件重量（N） e偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，M偏为零当e=0.020，G1=98N时 M偏 =1.96 （Nm）(3)腕部启动时的惯性阻力矩M惯当知道手腕回转

40、角速度时，可用下式计算M惯 M惯 =（J+J工件）（Nm）式中手腕回转角速度（1/s） T手腕启动过程中所用时间（s），（假定启动过程中近为加速运动） J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kgm） J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量（kgm）按已知计算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2故 M惯 = 1.3（Nm）当知道启动过程所转过的角度时，也可以用下面的公式计算M惯： M惯=（J+J工件）（Nm）式中启动过程所转过的角度（rad）;手腕回转角速度（1/s）。考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M取大一些，可取 M =1.11.2 （M惯+M偏+M摩）（N.m） M

41、= 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m） 5 臂部的结构5.1 概述臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。；立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及

42、其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求： (1)刚度要大为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。 (2) 导向性要好为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。 (3)偏重力矩要小所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减

43、少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。 (4) 运动要平稳、定位精度要高由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。5.2手臂直线运动机构机械手手臂的伸缩、升降及横向移动均属于直线运动，而实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。5.2.1手臂伸缩运动这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸。由于活塞油缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂机构中应用比较多

44、。如下图所示为双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕是通过连接板安装在伸缩油缸的上端，当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆2（即手臂）作往复直线运动。导向杆3在导向套4内移动，以防止手臂伸缩时的转动（并兼做手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道）。由于手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，故受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。可用于抓重大、行程较长的场合。5.2.2 导向装置液压驱动的机械手手臂在进行伸缩（或升降）运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂的结构时，必须采用适当的导向装置。它根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。目前采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆和其他的导向装置，本机械手采用的是双导向杆导向机构。双导向杆配置在手臂伸缩油缸两侧，并兼做手部和手腕油路的管道。对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。如图4-2所示，对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。如图4-2所示，