多自由度工業(yè)機(jī)械手臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-關(guān)節(jié)式四自由度含開題、SW三維仿真及12CAD圖

多自由度工業(yè)機(jī)械手臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-關(guān)節(jié)式四自由度含開題、SW三維仿真及12CAD圖,自由度,工業(yè),機(jī)械,手臂,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),關(guān)節(jié),開題,SW,三維,仿真,12,CAD 題目 多自由工業(yè)機(jī)械手臂的機(jī)械結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 學(xué)院 專業(yè) 學(xué)生姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 職稱 XX完成時(shí)間：20XX年6月 摘 要 摘 要 隨著機(jī)械制造行業(yè)朝著自動化和智能化發(fā)展，工業(yè)機(jī)械手成為智能化工裝置的重要組成部分，以機(jī)械手為代表的高端自動化裝備得到了很好的發(fā)展，并且成為了工業(yè)機(jī)器人極其重要發(fā)展方向，多自由度機(jī)械手是這個(gè)大領(lǐng)域的研究對象中的重中之重。機(jī)械手替代人類做危險(xiǎn)行為或精準(zhǔn)行為，很大程度上拓寬了人們的活動范圍，使人們可以更好的認(rèn)識世界和適應(yīng)世界，從危險(xiǎn)、繁重或無聊重復(fù)的工作中脫離出來。通過畢業(yè)選題，確定了本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是“多自由度工業(yè)機(jī)械臂手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”，本文通過一系列計(jì)算和構(gòu)思，最終設(shè)計(jì)了一款電機(jī)、液壓、氣壓聯(lián)合驅(qū)動的多自由度工業(yè)機(jī)械手臂，類型為關(guān)節(jié)式，主要用于物料的搬運(yùn)。本文對機(jī)械手大臂、小臂、腰座、腕部等進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，而且完成了總體裝配圖和二維圖紙的繪制。對機(jī)械手的各零件進(jìn)行力學(xué)計(jì)算來選擇合適的零件，通過計(jì)算和校核扭矩和功率等，選擇了合適的驅(qū)動元件。最后通過有限元分析對選型的結(jié)果進(jìn)行了校核。 關(guān)鍵詞：四自由度；機(jī)械手；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析 - I - ABSTRACT Mechanical?Structure?Design?of?Industrial?Robot?Arm?with?Multiple? Degrees?of?Freedom AB STRACT With?machinery?manufacturing?industry?towards?automation?and?intelligent?development,?industrial?robots?become?an?important?part?of?intelligent?chemical?plant,?represented?by?manipulator?of?high-end?automation?equipment?has?been?very?good?development,?and?has?become?an?important?development?direction,?industrial?robots?is?"the?one?in?the?field?of?multi?degree?of?freedom?manipulator?research?object?in?the?list.?Manipulator?instead?of?human?to?do?dangerous?behavior?or?accurate?behavior,?to?a?large?extent,?broaden?the?scope?of?people's?activities,?so?that?people?can?better?understand?the?world?and?adapt?to?the?world,?from?dangerous,?heavy?or?boring?repetitive?work?out.?Through?the?graduation?topic?selection,?determine?the?the?graduation?design?topic?is?"more?degrees?of?freedom?the?mechanical?structural?design?of?industrial?mechanical?arm?hand",?in?this?paper,?through?a?series?of?calculation?and?design,?final?design?with?a?motor,?hydraulic?and?pneumatic?united?drive?more?degrees?of?freedom?of?industrial?mechanical?arm,?type?of?joint?type,?it?is?mainly?used?for?material?handling.?In?this?paper,?the?manipulator?arm,?arm,?waist?seat,?wrist?and?so?on?were?designed?and?analyzed,?and?completed?the?overall?assembly?drawing?and?two-dimensional?drawing.?The?mechanical?calculation?of?the?parts?of?the?manipulator?to?choose?the?appropriate?parts,?through?the?calculation?and?check?the?torque?and?power,?choose?the?appropriate?driving?components.?Finally,?the?results?of?selection?are?checked?by?finite?element?analysis. Key Words：Four?degrees?of?freedom; Manipulator; Structure?design; Finite?element?analysis - V - 目 錄 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 目 錄 III 第1章 緒論 5 1.1 選題背景 5 1.2 機(jī)械手研究概況 2 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 2 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 1.3 本次課程設(shè)計(jì)的意義和目的 3 第2章 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)方案 6 2.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 6 2.1.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型 6 2.1.2 機(jī)械臂總體設(shè)計(jì)方案 7 2.2 機(jī)械臂腰部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8 2.2.1 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 8 2.2.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 8 2.3 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 2.3.1 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求 9 2.3.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 10 2.4 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 2.4.1 機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 11 2.4.2本設(shè)計(jì)具體采用方案 11 2.5機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 2.5.1機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 13 2.5.2機(jī)械臂末端執(zhí)行器的運(yùn)動和驅(qū)動方式 14 2.5.3 機(jī)械臂末端執(zhí)行器的典型結(jié)構(gòu) 14 2.5.4設(shè)計(jì)具體采用方案 14 2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14 2.6.1機(jī)械臂傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題 15 2.6.2工業(yè)機(jī)器人常用的傳動機(jī)構(gòu)形式 16 2.6.3 設(shè)計(jì)具體采用方案 16 2.7機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17 2.7.1機(jī)械臂傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題 17 2.7.2工業(yè)機(jī)器人常用的傳動機(jī)構(gòu)形式 17 2.7.3工業(yè)機(jī)器人常用的傳動機(jī)構(gòu)形式 18 第3章 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 19 3.1液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 19 3.1.1確定液壓系統(tǒng)基本方案 19 3.1.2確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 20 3.1.3計(jì)算和選擇液壓元件 22 3.2 電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算 23 3.2.1有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 23 3.2.2電機(jī)型號的選擇 24 第4章 機(jī)械手的關(guān)鍵零部件有限元分析 26 4.1 有限元步驟及使用方法 26 4.2 機(jī)器人主要零部件有限元分析 28 4.2.1 軸的的有限元分析 28 4.2.2 圓錐齒輪的有限元分析 30 4.3 本章小結(jié) 33 第5章 總結(jié)與展望 34 5.1總結(jié) 34 5.2展望 34 5.3機(jī)械手的經(jīng)濟(jì)性分析 34 參考文獻(xiàn) 36 致 謝 38 - III - XXX - I - 第1章 緒論 1.1 選題背景 機(jī)械臂是模仿人手和臂動作以完成規(guī)定作業(yè)的自動化操作裝置，自從2013德國提出“工業(yè)4.0”的概念和中國印發(fā)“制造2025”戰(zhàn)略計(jì)劃以來中德合作進(jìn)入新時(shí)代，兩國在工業(yè)制造方面的對接越來越頻繁，以機(jī)械手為代表的高端自動化裝備得到了很好的發(fā)展，并且成為了工業(yè)機(jī)器人極其重要發(fā)展方向。 工業(yè)機(jī)械手大都是機(jī)電一體化的產(chǎn)品，多自由度機(jī)械手是機(jī)械手這個(gè)大領(lǐng)域的研究對象中的重中之重。機(jī)械手的研究領(lǐng)域很多，包攬了機(jī)械領(lǐng)域、電子領(lǐng)域、信息理論、人工智能領(lǐng)域、生物領(lǐng)域、以及計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，它是這些理論的結(jié)合，這些領(lǐng)域與機(jī)械手相符相承，早期這些領(lǐng)域的發(fā)展促進(jìn)了機(jī)械手這門科學(xué)的發(fā)展對機(jī)械手的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件，后來機(jī)械手的發(fā)展同樣促進(jìn)了這些領(lǐng)域的發(fā)展。我們?yōu)槭裁匆芯繖C(jī)械手，我們研究機(jī)械手的目的是什么，在時(shí)間的長河中，我們一直不斷地探索，不斷地去發(fā)現(xiàn)與研究。我們希望發(fā)展機(jī)械手，因?yàn)楫?dāng)人們處于危險(xiǎn)的工作時(shí)，或者要求極其準(zhǔn)確的工作方式時(shí)，機(jī)械手可以上陣來替代人類需要做的危險(xiǎn)行為，或者精準(zhǔn)行為。在這個(gè)時(shí)候機(jī)械手很大程度上拓寬了人們的活動范圍，使人們可以更好的認(rèn)識世界和適應(yīng)世界，實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動化，從而讓人們從危險(xiǎn)、繁重或無聊重復(fù)的工作中脫離出來，這很大程度上是為人類的福祉而努力。機(jī)械手正在逐漸變得智能化，在人工智能發(fā)揮著重要作用的今天，操縱者與人工智能之間的聯(lián)系正在不斷深化。與人類相比，機(jī)械手具有運(yùn)動速度快、承載重物、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，還可根據(jù)外部信號自動進(jìn)行各種操作。機(jī)械手是通過計(jì)算機(jī)編程來控制的機(jī)械裝置，通過這種編程的機(jī)械手，我們在很大程度上提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化，提高了生產(chǎn)效率?，F(xiàn)在這個(gè)高新技術(shù)發(fā)達(dá)的時(shí)代，機(jī)械手的發(fā)展也需要不斷加快腳步。機(jī)械手的誕生直至發(fā)展雖然只有短短的30年，然而它已近成熟滲透到國民經(jīng)濟(jì)、民用技術(shù)等諸多領(lǐng)域，具有十分廣大的應(yīng)用前景，甚至我們的生產(chǎn)生活已近完全離不開機(jī)械手，機(jī)械手煥出了十分強(qiáng)大的生命力。 1.2 機(jī)械手研究概況 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 H Fujimoto提出了一種基于采樣間干擾抑的六自由度機(jī)械手視覺伺服控制方法。在控制器中，針對采樣頻率受限的一般數(shù)字控制系統(tǒng)，采用了作者提出的多 - 27 - XXXXX 速率采樣間干擾抑制算法。所提出的具有開環(huán)估計(jì)和開關(guān)函數(shù)的前饋控制方案能夠在不犧牲閉環(huán)特性的情況下抑制干擾。建立了視覺伺服系統(tǒng)中延遲問題的一個(gè)新的精確表達(dá)式，即圖像處理延遲、攝像機(jī)信號采樣周期與關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)控制周期之差以及內(nèi)環(huán)關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的延遲。通過引入新的多回路控制方案和深度辨識，提出的采樣間干擾抑制控制器適用于具有運(yùn)動目標(biāo)點(diǎn)的六自由度機(jī)械手的復(fù)雜視覺伺服問題。 SArima對六自由度機(jī)械手進(jìn)行了詳細(xì)的研究，通過運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析、逆運(yùn)動學(xué)仿真和數(shù)據(jù)分析對軌跡的正確規(guī)劃進(jìn)行研究分析。因?yàn)檫\(yùn)動算法的正確性不能直觀展現(xiàn)出來，他通過使用C++來分析機(jī)械手的運(yùn)動軌跡和空間運(yùn)動路徑的規(guī)劃，基于MFC和OpenGL圖形庫開發(fā)了3D運(yùn)動仿真軟件系統(tǒng)IDE。他使用正向運(yùn)動學(xué)，和運(yùn)動仿真中結(jié)合軌跡規(guī)劃的算法，并根據(jù)多項(xiàng)式的求導(dǎo)計(jì)算等數(shù)學(xué)方法建立數(shù)學(xué)立模型軌跡規(guī)劃，使機(jī)械手得到了很大程度上的優(yōu)化和提升。 AGJ Kouabon和Melingui提出了一種求解高自由度冗余度機(jī)器手逆運(yùn)動學(xué)問題的學(xué)習(xí)框架。這些有幾種可能的組合來獲得末端效應(yīng)器（EE）姿勢。因此，對于給定的EE姿勢，可以關(guān)聯(lián)多個(gè)關(guān)節(jié)角度向量。然而，對于給定的EE位姿，如果將一組關(guān)節(jié)角參數(shù)化，則冗余度機(jī)械手的IK問題可以歸結(jié)為非冗余度機(jī)械手的IK問題，從而可以應(yīng)用為非冗余度機(jī)械手開發(fā)的閉式解析方法來獲得IK解。通過對冗余度機(jī)械臂的工作空間聚類和位形空間聚類，實(shí)現(xiàn)了冗余度機(jī)械臂關(guān)節(jié)的參數(shù)化。工作空間聚類采用生長型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNG），配置空間聚類采用鄰域函數(shù)（NF）。通過對冗余度機(jī)械手的仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性。 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國機(jī)械手在很晚的時(shí)候才發(fā)展機(jī)械手，所以我國機(jī)械手的研發(fā)相對落后。80年代我國對機(jī)械手的研究才算正式啟動。 1986年春天，我國正式啟動了“七五”研究高新機(jī)械產(chǎn)品的規(guī)劃，這成為解決我國機(jī)械手問題的關(guān)鍵一步。1987年的時(shí)候，我們國家研究人員將機(jī)械臂列入了“863”高新技術(shù)計(jì)劃的研發(fā)項(xiàng)目。在當(dāng)時(shí)，我國很多高校和研究機(jī)構(gòu)都開始對機(jī)械手進(jìn)行深度的研究，國家開始重視 和鼓勵科技創(chuàng)新，所以我國機(jī)械手的研究在很短的時(shí)間里就取得了顯著的成果。 空間kdw-ii于1989年被開發(fā)，它甚至擁有驚人的10自由度，它全長69cm，重量為13kg，質(zhì)量很輕。實(shí)現(xiàn)了前、后、上、和下樓梯時(shí)候的穩(wěn)定狀態(tài)和左右移動的穩(wěn)定狀態(tài)。在20世紀(jì)90年代科學(xué)家在kdwⅡ的平臺卡座上多加了兩組垂直接頭零件，使機(jī)械手發(fā)展成為具有12個(gè)自由度和轉(zhuǎn)彎功能的kdwⅢ，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械 手自由度的突破，并得到了長遠(yuǎn)的發(fā)展。 1996年科學(xué)家們使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)了每秒0.8次的機(jī)械手抓取次數(shù)，步長20厘米-22厘米，最大工作坡度為19度。21世紀(jì)初期，我國第一臺仿人機(jī)械手“先鋒”在kdw-iii的基礎(chǔ)上研制成功，可用于偏差小、不確定度小的動態(tài)環(huán)境，周期為每秒兩步，高度1.4米，重量20公斤，具有頭、眼、頸、身、臂、腳等功能，并具有一定的語音功能。 老舊的機(jī)械手是欠驅(qū)動的，當(dāng)抓取比較小的物體時(shí)。第一，物體很難被夾起，第二物體容易從手爪上面脫落。對于這個(gè)問題，馬江濤提出一種新型的機(jī)械手結(jié)構(gòu)，是一種欠驅(qū)動方式的夾取機(jī)器，對之前的機(jī)械手進(jìn)行了優(yōu)化和提升。他充分的介紹了他設(shè)計(jì)的欠定義型機(jī)械臂機(jī)械手抓和驅(qū)動機(jī)械手抓運(yùn)動的伺服控制系統(tǒng)。創(chuàng)新了手爪的結(jié)構(gòu)，通過對手指的靜態(tài)分析，證實(shí)了手爪的靈活性和可操作性。他根據(jù)對剛度的計(jì)算公式，和矩陣勢能模型，確定了機(jī)械手運(yùn)行的合理范圍，確定了機(jī)械手最佳抓取形狀。通過多次的實(shí)驗(yàn)，他設(shè)計(jì)的機(jī)械手可以輕松的應(yīng)對抓取物品的尺寸的變化。 我們都知道，傳統(tǒng)的機(jī)械手工作的范圍十分的有限。通過團(tuán)隊(duì)的協(xié)作徐頂峰等人研究出了一款可變手掌機(jī)械手，這種機(jī)械手擁有雙五桿滑塊，滑塊是并聯(lián)安裝的機(jī)構(gòu)。,利用多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化目標(biāo)尺寸.結(jié)果表明曲柄的長度對機(jī)械手抓取范圍影響最大,并確認(rèn)了機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置。近年來，著名的清華大學(xué)在研制一款高1.7m、重130公斤、自由度32度的人形機(jī)械手thbip-i。清華大學(xué)學(xué)生在985項(xiàng)目科研工作計(jì)劃的不斷推動下，對于機(jī)械手的研究日新月異。 1.3 本次課程設(shè)計(jì)的意義和目的 在研究機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)和主要作用時(shí)，穿插著機(jī)械手型號、自由度，電機(jī)的選擇，電路的設(shè)計(jì)和各零部件安裝位置的確定都是十分有意義的。動作復(fù)雜的機(jī)械手的設(shè)計(jì)需要我們學(xué)習(xí)很多新知識并結(jié)合已學(xué)知識，使得設(shè)計(jì)的成果能更好 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 展現(xiàn)出來。機(jī)械手在我們的生活中已經(jīng)占據(jù)了非常重要的地位，機(jī)械手的發(fā)展水 平很大程度上決定了社會的發(fā)展水平。但是現(xiàn)階段，我國很多原本可以由機(jī)械臂 XXXXXX 代替的工作卻仍然由工人操作，這就導(dǎo)致我國普遍存在的一個(gè)問題是工人的勞動強(qiáng)度大而工作效率低下。所以我在選擇畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的時(shí)候就選擇了機(jī)械手，希望能把我大學(xué)四年學(xué)的知識得到一個(gè)綜合應(yīng)用，希望我得到能力的提升。 目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)也很容易改變，這有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。 這次設(shè)計(jì)中我對大學(xué)四年所學(xué)知識做了一個(gè)整合，希望能完成一個(gè)比較完善的機(jī)械手臂，能體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)學(xué)生的理論研究水平和實(shí)際動手能力。本設(shè)計(jì)的機(jī)械臂可以用于搬運(yùn)、夾取工件，還可以和數(shù)控機(jī)床或者加工中心聯(lián)合使用，以期獲得降低勞動強(qiáng)度、提高勞動生產(chǎn)率的的效果。  第2章 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)方案 2.1 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 2.1.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型 目前，機(jī)械手的分類標(biāo)準(zhǔn)有很多種形式，常見的是按機(jī)械手結(jié)構(gòu)分類，大體可以分為：關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)，直角坐標(biāo)系下機(jī)械手，圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手，球坐標(biāo)系機(jī)械手，下面來介紹各種機(jī)械手機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)。 (a) 直角坐標(biāo)型 (b) 圓柱坐標(biāo)型 (c) 球坐標(biāo)型 (d) 關(guān)節(jié)型 圖2.1 四種類型機(jī)械手示意簡圖 (1) 直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，顧名思義就是在直角坐標(biāo)系下控制的機(jī)械手，這種機(jī)械手屬于比較常見的機(jī)械手類別?？臻g對這種機(jī)械手的影響較小，且這種機(jī)械手的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他機(jī)械手。所以一般適用于機(jī)床加工時(shí)的換刀操作，運(yùn)動形式較為死板。對本次畢設(shè)不太適用，如2.1(a)圖所展示就是這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)。 (2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)控制的機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)以此旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和兩次直線運(yùn)動，這是一種比較簡單的控制方式，如2.1(b)圖所展示的機(jī)械手結(jié)構(gòu)。這種機(jī)械手的結(jié)構(gòu)相對于其他機(jī)械手的結(jié)構(gòu)來說是簡單的，但是他的精度不錯，可以很好地實(shí)現(xiàn)抓取的運(yùn)動，工作的空間形狀為圓柱形。 (3) 球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 求坐標(biāo)系機(jī)械手運(yùn)動，兩次旋轉(zhuǎn)，一次直線運(yùn)動，如圖2.1（c）所示這種工作形式的機(jī)械手結(jié)構(gòu)也相對簡單，然而機(jī)械手抓取的精度和其它的相比也相對較低，所以這種機(jī)械手不經(jīng)常被人們所使用。其主要的作用是作一些簡單的抓取工作，并且在一個(gè)球形的工作區(qū)域內(nèi)工作。 (4) 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)類型的機(jī)械手就向我們的手臂一樣靈巧，通過大臂帶動著小臂一起運(yùn)動，由三個(gè)回轉(zhuǎn)體組成，如圖2.1（d）所示。關(guān)節(jié)型的手的動作非常靈巧，他能簡單地實(shí)現(xiàn)很多動作。而且他體積小，這部手的研究非常受歡迎。相對于機(jī)械手主體的尺寸，機(jī)械運(yùn)作時(shí)候所需的空間大。這樣的機(jī)械手適合被運(yùn)用在機(jī)器制造業(yè)中， XXX 例如機(jī)械手用于焊接技術(shù)、自動汽車噴漆涂漆、快遞搬運(yùn)等。 2.1.2 機(jī)械臂總體設(shè)計(jì)方案 關(guān)節(jié)式機(jī)械手是目前應(yīng)用最廣泛的電動機(jī)械臂，上世紀(jì)80年代發(fā)明的適合裝配的平面關(guān)節(jié)機(jī)械手約占總機(jī)械手的1/2。綜合考慮各種結(jié)構(gòu)類型機(jī)械臂的優(yōu)缺點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)最終選擇多關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂。 對機(jī)械臂來說自由度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，自由度將直接決定了機(jī)械臂的類型和結(jié)構(gòu)，甚至決定到機(jī)械臂能否按預(yù)期規(guī)劃完成規(guī)定的動作、是否會出錯等等關(guān)鍵問題。機(jī)械手的作用和機(jī)械手的工作環(huán)境決定機(jī)械手的自由度，機(jī)械手的自由度越是高，動作就越靈活，能完成的動作就越多。然而，自由度的增加必然使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度加大。因?yàn)榇舜萎厴I(yè)所涉設(shè)計(jì)的工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手完成指定的搬運(yùn)工作只需要4個(gè)自由度，所以本文設(shè)計(jì)了這種關(guān)節(jié)式的四自由度多功能搬運(yùn)機(jī)械手，本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手總共有四種動作，一是機(jī)械手臂的伸長縮短的直線運(yùn)動，二是手臂的升高降低的直線運(yùn)動，三是機(jī)械手的臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，四是機(jī)械臂末端執(zhí)行器需要的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（便于末端執(zhí)行器的抓取工件），總共是四個(gè)自由度，對于多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的要求是能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動，和兩個(gè)方向的自由平動。 圖2.2 機(jī)械手工作布局圖 以上全部關(guān)于自由度的安排是在綜合考慮機(jī)械手臂的全面布局、具體細(xì)節(jié)和要滿足具體工藝的條件下做出的，這樣能夠使得機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)比較簡潔，也能具有較高的可靠度。為了減小成本，降低工藝流程，在盡量滿足數(shù)控機(jī)床及加工中心的具體形式的情況下作出決定，令機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)簡單、手臂運(yùn)動空間范圍較大、機(jī)械臂手臂的定位精度較高。作出機(jī)械臂工作時(shí)候的簡單布局圖，如上圖2.2所示。 2.2 機(jī)械臂腰部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 確定了總體布局方案后，對機(jī)械臂的各個(gè)部分進(jìn)行分解分析，分解為底座、腰部、腕部、手爪，然后逐一進(jìn)行詳細(xì)的分析設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行機(jī)械手腰座的設(shè)計(jì)。 2.2.1 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人的腰部是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人、球坐標(biāo)機(jī)器人和直角坐標(biāo)系機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)基座，是關(guān)節(jié)型機(jī)器人的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的所有運(yùn)動部件都安裝在該部位上，要承受機(jī)器人的全部重量，在設(shè)計(jì)機(jī)器人的腰部結(jié)構(gòu)時(shí)，我們應(yīng)該遵循以下設(shè)計(jì)原則： 1.腰部底面也就是底板必須足夠大，否則難以承受機(jī)器人全部重量。 2.機(jī)械臂的腰座、腰部鏈接軸、和運(yùn)動軸承的構(gòu)造必須要能充分的低檔運(yùn)動時(shí)所產(chǎn)生的的阻力。 3.機(jī)器人的腰是關(guān)節(jié)型機(jī)器人的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)器人末端的動作精度產(chǎn)生最大影響，因此，特別需要注意腰軸系統(tǒng)和傳動鏈的精度和剛性。 4.腰椎的旋轉(zhuǎn)需要驅(qū)動裝置（電、油壓、氣壓）鏈接減速器，驅(qū)動裝置通常有速度、位置傳感器和制動器。 5.腰部的構(gòu)造要便于安裝和調(diào)整。腰和手的關(guān)節(jié)需要可靠的定位基準(zhǔn)面，確保各關(guān)節(jié)的相互定位精度。設(shè)置調(diào)整機(jī)構(gòu)，調(diào)整腰椎軸承的間隙和減速器的傳動間隙。 6.為了減小機(jī)器人運(yùn)動部分的慣性，為了提高機(jī)器人的控制精度，腰的旋轉(zhuǎn)部分的外圍通常采用小鋁合金。靜止部分的底座可以采用鑄鐵和鑄鋼。 2.2.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢一般是用前者。因?yàn)殡妱臃绞娇刂频木饶軌蚝芨?，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計(jì)另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。一般電機(jī)都不能直接驅(qū)動，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。因?yàn)辇X輪傳動存在著齒側(cè)間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），同時(shí)為了減小機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖2.3所示： 圖2.3 腰座結(jié)構(gòu)圖 2.3 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求 手臂是一個(gè)重要部分，它的作用即是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)械臂所規(guī)定的一定工作空間內(nèi)的確定運(yùn)動。通俗來說，就是它支撐被拿工件、其余關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器、使得末端執(zhí)行器能夠拿取所需工件并且根據(jù)預(yù)先規(guī)定的路徑將工件搬送到規(guī)定地方。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式是由其運(yùn)動情況、完成動作需要的自由度、被抓取工件的重量、抓取時(shí)候的受力情況和其余一些影響因素來決定的。以上這些因素導(dǎo)致機(jī)械臂整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量一般比較大，受力情況較復(fù)雜。所以我們在設(shè)計(jì)機(jī)器人手臂時(shí)，一般應(yīng)遵循以下幾個(gè)通用原則： 1.機(jī)械臂的剛度必須要足夠，否則在運(yùn)動過程中有可能會因?yàn)閯偠炔粔蚨冃?，也要合理?guī)劃手臂橫截面應(yīng)該有的形狀。 2.導(dǎo)向性好，為了避免運(yùn)動過程中不必要的運(yùn)動，手臂可以設(shè)計(jì)成正方形或花鍵。如果可能的話，我們應(yīng)該使所有關(guān)節(jié)的軸線盡可能平行。如果有相互垂直的軸，它們也應(yīng)該在一點(diǎn)相交。這一要求是為了簡化機(jī)械手系統(tǒng)的正、逆運(yùn)動學(xué)操作和機(jī)械手的控制動作。 3.機(jī)械臂的尺寸必須滿足工作空間。工作空間由機(jī)械臂的長度和機(jī)械臂關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度決定。但是，機(jī)器人手臂邊緣的工作空間不考慮機(jī)器人手臂的空間姿勢。對于機(jī)器人手臂的姿勢有具體要求的話，不考慮上述手腕的姿勢，手腕邊上的空間比工作空間小。 4.盡量減小運(yùn)動部件的質(zhì)量，使偏扭矩小。在保證機(jī)械臂強(qiáng)度和剛度的前提下，降低機(jī)械臂的重量。你可以選擇較輕的材料，如高強(qiáng)度鋁合金，使武器。國外研究采用的碳纖維復(fù)合材料具有抗拉強(qiáng)度高、抗振性好、比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的1/4、鋁合金的2/3）等優(yōu)點(diǎn)。但是，這種材料很難獲得，而且價(jià)格昂貴，經(jīng)濟(jì)性低。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)好的機(jī)械手一般都要進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化以減輕機(jī)械手的重量。 5.機(jī)械手臂各個(gè)零件之間的空隙應(yīng)該保持得小，來減少間隙帶來的機(jī)械手精確度的問題。所以在選擇每一個(gè)零件的時(shí)候要保證零件的可靠性，配合的穩(wěn)定性。 6.關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸上機(jī)械臂的重量應(yīng)該做到相對均衡，否則對電機(jī)負(fù)載的減小和機(jī)械臂響應(yīng)速度的提升是非常不利的。設(shè)計(jì)過程中可以在機(jī)械臂上加裝小的機(jī)電元器件或者小的機(jī)電裝置來平衡手臂的不平衡重量，做到靜平衡和動平衡。 7.各關(guān)節(jié)要有限位開關(guān)還要設(shè)置有緩沖能力的限位塊，要充分考慮到驅(qū)動元件、傳動裝置和其他必要元件的安裝位置。 本設(shè)計(jì)中采用的是多關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，針對需要的搬運(yùn)和夾取功能，它有十分突出的優(yōu)點(diǎn)，動作靈活性好，動作角度范圍大，工作的空間范圍廣。 2.3.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 機(jī)械手裝置實(shí)現(xiàn)伸長，縮短，抬高，下降，都屬于平面直線運(yùn)動，可以實(shí)現(xiàn)這種功能的機(jī)械裝置有電動機(jī)配合滾珠絲杠、氣動傳動、液壓傳動等。這里將機(jī)械臂的大小臂的配合運(yùn)動看做一組直線運(yùn)動，綜合考慮工作環(huán)境及工作狀況、需要抓取的工件重量的大小、機(jī)械臂剛度及強(qiáng)度要求和動態(tài)性能能否滿足機(jī)械臂的使用要求。為了讓機(jī)械手的工作狀態(tài)更加的具有靈活性，和良好的運(yùn)行性能，經(jīng)過多次的比較、討論后，該設(shè)計(jì)選用液壓驅(qū)動方式作為大小臂的驅(qū)動方式，選用液壓缸直接對大小臂進(jìn)行驅(qū)動控制，可以很好的實(shí)現(xiàn)大小臂的直線運(yùn)動。另外，液壓缸由于其能提供很大驅(qū)動力矩的特性，可以很好的保證足夠驅(qū)動力。為了滿足機(jī)械手強(qiáng)度的剛度的要求，手臂上液壓缸應(yīng)該選擇比較大一點(diǎn)。但是這些都要在整體結(jié)構(gòu)允許的條件下才能進(jìn)行，所以這塊的設(shè)計(jì)要謹(jǐn)慎一點(diǎn)，綜合考慮各種影響因素的影響，也要對機(jī)械臂的大小臂進(jìn)行強(qiáng)度校核。 與此同時(shí)，考慮到整體的結(jié)構(gòu)水平，手臂不能太大。因此，底座部分選用雙液壓泵，增加剛度，這樣機(jī)械手的運(yùn)動剛度和穩(wěn)定性能得以保證，機(jī)械臂的外形比較整齊美觀，整體結(jié)構(gòu)也比較緊湊。此次設(shè)計(jì)的機(jī)械臂在結(jié)構(gòu)上，充分汲取了挖掘機(jī)原理中的優(yōu)點(diǎn)，并作改進(jìn)以期達(dá)到受力更加均衡的效果。如下圖2.4即為具體的機(jī)械臂臂部結(jié)構(gòu)。 圖2.4 手臂部位結(jié)構(gòu)示意圖 2.4 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人的手臂運(yùn)動（包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動），給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動位置，而安裝在機(jī)器人手臂末端的手腕，則給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動姿態(tài)。機(jī)器人手腕是機(jī)器人操作機(jī)的最末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動軌跡與運(yùn)動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 2.4.1 機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 1.機(jī)器人手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計(jì)。機(jī)器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度愈大，則機(jī)器人腕部的靈活性愈高，機(jī)器人對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機(jī)器人的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機(jī)器人手腕的自由度數(shù)為2至3個(gè)，有的需要更多的自由度，而有的機(jī)器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運(yùn)動就能實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此，要具體問題具體分析，考慮機(jī)器人的多種布局，運(yùn)動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。 2.機(jī)器人腕部安裝在機(jī)器人手臂的末端，在設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕時(shí)，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機(jī)器人腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。 3.機(jī)器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 4.機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動的傳遞。 5.要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。 6.手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。 2.4.2本設(shè)計(jì)具體采用方案 通過對數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度。本設(shè)計(jì)手腕和小臂設(shè)計(jì)在一起，可以簡化設(shè)計(jì)工作量，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，4個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕結(jié)構(gòu)見圖2.5。 圖2.5 手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 2.5機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用來進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測量用等。搬運(yùn)用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運(yùn)的物體。加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)器人附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進(jìn)行測量及檢驗(yàn)作業(yè)。 末端執(zhí)行器可以說是機(jī)器手的外圍設(shè)備，及機(jī)械手臂末端工具（EOA）。本設(shè)計(jì)中末端執(zhí)行器主要是對物料進(jìn)行夾取及釋放，因此，最終的效果必須設(shè)計(jì)有足夠的夾緊力和驅(qū)動力，手指必須有一定的開閉范圍，保證工件在手指中的夾緊精度，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高，以考慮普遍性和特殊性要求。 2.5.1機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 末端執(zhí)行器作為安裝在手腕上的附加裝置,種類旁多,能夠滿足機(jī)器人不同工作情況和功能要求,一般用于搬運(yùn)、噴涂、焊接和裝配等。所以末端執(zhí)行器有以下設(shè)計(jì)原則: 1.作為安裝在手腕上的附加裝置，TEM最終效果可以滿足機(jī)器人不同的工作條件和功能要求。通常用于搬運(yùn)、噴涂、焊接和安裝。本項(xiàng)目采用搬運(yùn)的最終效果，可以調(diào)整工件和抓取要搬運(yùn)的物體。加工的最終效果配有噴涂臂、焊接臂等， 用于相應(yīng)的加工，最終效果設(shè)計(jì)原則如下：末端執(zhí)行器應(yīng)該根據(jù)操作要求設(shè)計(jì)，不同的工作場所需要不同的末端執(zhí)行器?，F(xiàn)在出現(xiàn)了一種機(jī)器人末端執(zhí)行器快換裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)像加工中心刀庫一樣的功能。末端執(zhí)行器的萬能性較復(fù)雜，比如人手一樣的手爪，難以實(shí)用化。目前，我國著重研發(fā)專用型末端執(zhí)行器，著重提高其工作效率。 2.機(jī)械手總的載荷能力是由末端執(zhí)行器質(zhì)量、所夾取工件質(zhì)量等決定的。因此機(jī)器人末端執(zhí)行器應(yīng)該做到大小適宜、較為輕便、結(jié)構(gòu)相對較為緊湊。 3.機(jī)械手的多功能性意味著一個(gè)機(jī)械手可以執(zhí)行多種功能，而機(jī)械手的多功能性則意味著最終效果適合不同的機(jī)器人，要實(shí)現(xiàn)最終效果的良好多功能性需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口使最終的效果達(dá)到規(guī)范性和通用性。通用性和萬能性是兩個(gè)概念，萬能性是指一機(jī)多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機(jī)器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。 4.機(jī)器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。用計(jì)算機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。 2.5.2機(jī)械臂末端執(zhí)行器的運(yùn)動和驅(qū)動方式 最后的手爪一般稱為夾持器，它有兩個(gè)手指的擠壓和多個(gè)手指的擠壓，根據(jù)手指的運(yùn)動方式，可分為旋轉(zhuǎn)式和移動式，根據(jù)爪夾方式，可分為外鉗式和內(nèi)支撐式，有三種方式進(jìn)行最后的效果： 1.氣動式，電磁閥控制末端執(zhí)行器運(yùn)動方向，氣流閥來調(diào)節(jié)末端執(zhí)行器運(yùn)動速度。由于氣體的可壓縮性，氣缸壓縮氣體時(shí)動作緩慢，比較柔順，對于上下料來說，這一點(diǎn)彌足珍貴。另外，氣動驅(qū)動系統(tǒng)普遍價(jià)格低廉，可以極大程度上滿足經(jīng)濟(jì)性要求。 2.電動式，目前來看，電動驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動末端執(zhí)行器是十分常見的。采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)配合減速器，十分便捷靈敏。另外電動驅(qū)動方式使得末端執(zhí)行器對于力與位置控制變得十分簡單。當(dāng)然電動式驅(qū)動方式有個(gè)致命的缺點(diǎn)就是電機(jī)會產(chǎn)生熱量和火花，故而不能用于有防爆要求的條件下。 3.液壓式，液壓驅(qū)動方式有傳動功率大、低速平穩(wěn)、有過載保護(hù)、傳動布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。但是存在壓力損失、工作性能受溫度影響大，一般在高溫或者低溫環(huán)境下工作較為困難、對操作維護(hù)人員水平要求高等缺點(diǎn)。 2.5.3 機(jī)械臂末端執(zhí)行器的典型結(jié)構(gòu) 機(jī)械手末端執(zhí)行器的典型結(jié)構(gòu)是：抓握楔形杠桿，即利用楔形杠桿和杠桿來抓取工件；卡扣式、柱塞式、滑塊式配合壓住集塵器，具有啟閉打擊大、適用于抓取不同尺寸工件的優(yōu)點(diǎn)；連桿式；在活塞的驅(qū)動下，連桿和杠桿使夾鉗產(chǎn)生鉗子運(yùn)動或松脫，由于杠桿能施加很大的力，夾鉗能產(chǎn)生較大的緊力，通常與彈簧配合使用；齒輪齒條集電器通過活塞驅(qū)動齒條，齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生緊、松夾鉗的動作；平行杠桿擠壓，平行四邊形機(jī)構(gòu)可保證駕駛員雙手在無導(dǎo)向架的情況下平行運(yùn)動，摩擦力小。 2.5.4設(shè)計(jì)具體采用方案 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動活塞往復(fù)移動，通過活塞桿使手爪張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為50mm來設(shè)計(jì)。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2.6機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖所示： 圖2.6 機(jī)械手執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)示意圖 2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 手臂部分在進(jìn)行工作時(shí)，對于傳動準(zhǔn)確性的要求十分的嚴(yán)格，傳動比必須的到確保才能使得機(jī)械手臂的平穩(wěn)和良好的運(yùn)行。結(jié)構(gòu)緊湊這是機(jī)械手的必要的要求，如果機(jī)械手零件之間存在太多的間隙，那么機(jī)械手的精度下降，并且機(jī)械手的可靠性降低。緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的工作效率同時(shí)延長機(jī)械臂使用壽命，因此采取相應(yīng)的措施使得機(jī)械臂結(jié)構(gòu)更加緊湊是十分必要的。 2.6.1機(jī)械臂傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題 在涉及傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)我遇到了如下的問題，工作時(shí)如何提高運(yùn)行速度和對物體控制的精度。之后我分析總結(jié)如下: 1.各個(gè)零部件的選擇材料時(shí)，在強(qiáng)度適宜的材料之中更輕更小的，結(jié)構(gòu)更加緊密的，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)充分考慮經(jīng)濟(jì)性。 2.傳動鏈及運(yùn)動副中必須采用間隙調(diào)整以減小運(yùn)動誤差。 3.靜摩擦力要盡可能的小而動摩擦力應(yīng)盡可能作成正斜率，基于此采用低摩擦阻力的傳動部件如滾珠絲杠副等就顯得十分必要。 4.縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度。 5.盡可能選用最佳傳動比，這樣可以大幅度提高加速能力。 2.6.2工業(yè)機(jī)器人常用的傳動機(jī)構(gòu)形式 機(jī)器人常用的傳動方式為線傳動、鏈傳動、帶傳動、滾珠絲桿傳動、齒輪齒條傳動、氣壓傳動等等。 線傳動的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)精巧、制造簡單，安裝方便、維護(hù)方便，占地小；但也有易磨損、傳動比不準(zhǔn)確和需要預(yù)緊等缺點(diǎn)。 鏈傳動具有傳遞功率大，過載能力強(qiáng)，平均傳動比準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，也具有傳動平穩(wěn)性差，易跳齒，質(zhì)量大等缺點(diǎn)。 帶傳動有傳動平穩(wěn)，緩沖減振能力好，傳遞速度快，傳動比大等優(yōu)點(diǎn)，但是也有對于安裝精度要求很高然而承載載荷的能力小的缺點(diǎn)。 齒輪齒條傳動的特點(diǎn)是動力大、功率高、響應(yīng)快、傳動比大；工作平穩(wěn)、可靠，傳動比精確，傳動位置精確，易于控制，安裝精度要求較高，幾乎沒什么缺點(diǎn)。 氣壓傳動，特點(diǎn)：成本低、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、動作快；可重復(fù)次數(shù)少；接口處易漏氣；輸出力不大。 諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小，傳動比大，精度高、誤差小、傳動平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。 螺旋傳動主要就是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動，優(yōu)點(diǎn)是傳動比大，傳動效率高。 2.6.3 設(shè)計(jì)具體采用方案 本設(shè)計(jì)中的手臂部分由液壓缸直接驅(qū)動，此時(shí)的液壓缸不僅是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，還是動力元件，因此不需要中間傳動機(jī)構(gòu)。這樣機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)比較簡單，精度也得以提升。機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動采用進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，此處步進(jìn)電機(jī)的選用是最為經(jīng)濟(jì)合適的，但是選用步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是，步進(jìn)電機(jī)必須采用傳動機(jī)構(gòu)來減小速度和增大扭矩。經(jīng)過綜合考慮選擇圓柱齒輪傳動作為傳動機(jī)構(gòu)，這樣不僅可以保證精確度較高，還可以增大扭矩和降低電機(jī)轉(zhuǎn)速。在這種情況下機(jī)械手的運(yùn)行是比較平穩(wěn)的。圓柱齒輪傳動采用一級齒輪傳動，大傳動比（大于100），齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。機(jī)械臂的末端執(zhí)行器（手爪）則采用氣缸驅(qū)動，利用活塞桿帶動手爪的四桿機(jī)構(gòu)形成夾取運(yùn)動。 2.7 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.7.1 機(jī)器人各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點(diǎn) 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。 液壓驅(qū)動系統(tǒng)由于是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動等特點(diǎn)。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 氣動驅(qū)動系統(tǒng)具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)器人中，如在上、下料和沖壓機(jī)器人中應(yīng)用較多。 電動驅(qū)動系統(tǒng)由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機(jī)器人中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動機(jī)構(gòu)。直流有刷電機(jī)不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。但因?yàn)檫@類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)比較突出，因此在機(jī)器人中被廣泛的使用。 2.7.2 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，驅(qū)動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機(jī)器人的用途、作業(yè)要求、機(jī)器人的性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運(yùn)行的功耗、性價(jià)比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性后進(jìn)行最終的選擇。一般情況下： 物料搬運(yùn)（包括上下料）使用的有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)器人，重負(fù)荷的選擇液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓機(jī)器人多采用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。用于點(diǎn)焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機(jī)器人，要求具有點(diǎn)位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。重負(fù)荷的任意點(diǎn)位控制的點(diǎn)焊及搬運(yùn)機(jī)器人選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。 2.7.3 設(shè)計(jì)具體采用方案 具體到本設(shè)計(jì)，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個(gè)因素。機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要一定的定位控制精度，故采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)；因?yàn)槭直壑亓枯^大，故大小臂均采用液壓驅(qū)動；要求水平手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服液壓缸進(jìn)行驅(qū)動。而手爪的張開和夾緊通過氣缸驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)，即手爪在氣缸推力作用下使手爪張開和閉合。 第3章 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1.1確定液壓系統(tǒng)基本方案 液壓傳動有五個(gè)基本部件：驅(qū)動裝置、泵、控制閥、發(fā)動機(jī)和負(fù)載。驅(qū)動裝置是電動機(jī)或其他動力機(jī)器。液壓發(fā)動機(jī)的功能與泵的功能完全相反。它將液壓輸入能轉(zhuǎn)換為機(jī)械輸出能，以促進(jìn)裝藥的往復(fù)旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動。將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能的裝置是一個(gè)能量元件，如液壓泵；將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置是執(zhí)行元件，如液壓缸、液壓機(jī)等，液壓缸作直線運(yùn)動，液壓機(jī)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。將二者對比如下表3.1所示。 表3.1 液壓系統(tǒng)對比表 名 稱 特 點(diǎn) 適 用 場 合 雙桿活塞缸 雙向?qū)ΨQ 雙向工作的往復(fù)運(yùn)動 單桿活塞缸 雙向不對稱 往返不對稱的直線運(yùn)動 柱塞液壓缸 結(jié)構(gòu)簡單 單向工作靠重力返回 擺動液壓缸 單葉片式小于360° 雙葉片式小于180 ° 小于360°的擺動 小于180°的擺動 齒輪馬達(dá) 結(jié)構(gòu)簡單 高速、低轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運(yùn)動 葉片馬達(dá) 體積小、轉(zhuǎn)動慣量小 高速低轉(zhuǎn)矩、動作靈敏回轉(zhuǎn)運(yùn)動 擺線齒輪馬達(dá) 體積小、輸出轉(zhuǎn)矩大 低速、小功率大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運(yùn)動 軸向柱塞馬達(dá) 運(yùn)動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬 大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動 徑向柱塞馬達(dá) 轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出轉(zhuǎn)矩大 低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運(yùn)動 XXX 本文設(shè)計(jì)中選用了液壓驅(qū)動方式作為大小臂的驅(qū)動方式，可以很好的實(shí)現(xiàn)大小臂的直線運(yùn)動。由于單桿活塞缸雙向不對稱、往返不對稱的直線運(yùn)動的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)中液壓缸則均采取單活塞桿液壓缸以實(shí)現(xiàn)大小臂所需要的直線運(yùn)動。 3.1.2 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 流量和壓力在液壓系統(tǒng)中起著決定性的作用，是確定液壓元件和選擇液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在液壓系統(tǒng)中，壓力決定外部載荷，零件的尺寸和結(jié)構(gòu)特性決定流量。在液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)研究了液壓系統(tǒng)的壓力和流量，基于上面的話，通過以下的計(jì)算過程來確定液壓系統(tǒng)的基本參數(shù)。 1.液壓缸載荷的計(jì)算與設(shè)計(jì) 通過觀察和計(jì)算液壓缸的受力情況，通過式（3.1）計(jì)算液壓缸的總載荷 （3.1） 式中，—外部施加的載荷， —液壓缸活塞伸縮時(shí)收的力； —容器密封的摩擦阻力； —液壓缸導(dǎo)向裝置阻力； —回程回油阻力； （1）計(jì)算液壓缸活塞伸縮時(shí)收的力 （3.2） 啟動的時(shí)間取做0.2s，將已知數(shù)值帶入式（3.2），計(jì)算得液壓缸活塞伸縮時(shí)收的力=1.02N （2）計(jì)算容器密封的摩擦阻力 （3.3） XXXX 因?yàn)樵撘簤焊自诠ぷ鲿r(shí)的實(shí)際壓力小于16MPa，在液壓書上查得=0.2MPa； 機(jī)器啟動時(shí)的容器密封的摩擦阻力：564N 機(jī)器運(yùn)動時(shí)的容器密封的摩擦阻力：282N （3）計(jì)算液壓缸導(dǎo)向裝置阻力 液壓缸在水平方向上工作時(shí)，機(jī)械臂存在著內(nèi)外兩個(gè)逆向?qū)Ч?，北外?dǎo)管之間的摩擦力可通過公式3.4求解 （3.4） 式中的摩擦系數(shù)取0.1，把已知數(shù)據(jù)代入公式中得：=98N （4）計(jì)算回程回油阻力 回程回油阻力通過以下公式計(jì)算： （3.5） 式中，—背向壓力，通常取在0.3~0.5MPa ，我們?nèi)?0.3MPa ； —兩邊差動比為2。 將已知各個(gè)數(shù)據(jù)帶入式3.5中，可得回程回油阻力N， 通過總結(jié)計(jì)算，總結(jié)液壓缸在不同時(shí)候的受力情況，得到液壓缸的機(jī)械載荷總和為N。 2.液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定著液壓缸的數(shù)值，機(jī)械手各部分的剛度和準(zhǔn)確性能十分的重要。大臂和小臂液壓缸在選擇的時(shí)候也不盡相同。剛度在進(jìn)行液壓缸的選擇是顯得十分重要，通過適當(dāng)?shù)膭偠纫允沟脵C(jī)械手的運(yùn)動更加的安全與穩(wěn)定?？偤透鞣N條件，選擇液壓鋼的基本參數(shù)如下表： 表3.2 大臂液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù) 缸內(nèi)徑 mm 壁厚 mm 桿直徑 mm 行程 mm 工作壓力 MPa 40 10 25 400 2 表3.3 小臂液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù) 缸內(nèi)徑 mm 壁厚 mm 桿直徑 mm 行程 mm 工作壓力 MPa 40 10 25 100 1 臂液壓缸主要承受軸向力，同時(shí)液壓泵也作為臂部機(jī)構(gòu)。它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動力元件。通過對比數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)需要最終確定選兩個(gè)大臂液壓泵，和選兩個(gè)小臂液壓泵。 3.1.3 計(jì)算和選擇液壓元件 1.液壓泵的計(jì)算與選擇 （1）通過計(jì)算來確定液壓泵的工作壓力 （3.12） 式中，為4MPa；取為1MPa。 通過上式計(jì)算清楚的看出液壓泵的工作壓力為 MPa （3.13） （2）確定液壓泵的流量 （3.14） 式中為泄露因數(shù)取1.1 （3.15） 經(jīng)計(jì)算得=3.140 帶入上式得L/min （3）計(jì)算得出液壓泵電機(jī)的功率為 （3.16） 式中，—為最大運(yùn)動速度下所需的流量，同前，取為3.140L/min； —液壓泵實(shí)際工作壓力，5MPa； —為液壓泵總效率，取為0.8； 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得：=。 2.液壓缸控制元件的選擇和設(shè)計(jì) 液壓系統(tǒng)的最高工作載荷和最大實(shí)際流量，決定著元件的選擇與裝配，這部分考慮到時(shí)間的緊迫性和元件庫元件的繁多性吧，這里選擇跳過這一環(huán)節(jié)。 3.2 電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算 3.2.1有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 1.若傳動負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動 負(fù)載額定功率： （3.17） 負(fù)載加速功率： （3.18） 負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）： （3.19） 負(fù)載GD（折算到電機(jī)軸）： （3.20） 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 起動時(shí)間： （3.21） 制動時(shí)間： （3.22） 具體到本文的計(jì)算數(shù)據(jù)，因?yàn)殡姍C(jī)的主要作用是驅(qū)動機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)與動作，運(yùn)動的傳遞形式屬于第二種運(yùn)動方式。下面對這些運(yùn)動方式進(jìn)行具體的計(jì)算。 由于機(jī)械臂中間位置的運(yùn)動只存在回轉(zhuǎn)力矩，不存在其他形式的力，如此一來在回轉(zhuǎn)軸上就存在如下的力矩； （3.23） 計(jì)算得=0.12；同時(shí)，機(jī)械手臂中間位置的旋轉(zhuǎn)速度為=5r/min；傳動比定為1/120；并且，，將已知數(shù)據(jù)代入求得：=10.45667。 將其帶入上式，得：W；W； 啟動的時(shí)間ms； 制動的時(shí)間ms； 通過折算歸結(jié)到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)：N·m。 3.2.2電機(jī)型號的選擇 1.腰部電機(jī)型號選擇 根據(jù)以上結(jié)果，綜合考慮各種因素，選擇國產(chǎn)北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司（原北京四通電機(jī)公司）的步進(jìn)電機(jī)，具體型號為：110BYG550B-SAKRMA-0301 ,該步進(jìn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩，低振動，綜合性能很好。 下表3.4為110BYG550B-SAKRMA-0301型步進(jìn)電機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，下圖3.3為該步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線。 驅(qū)動方式：升頻升壓；步距角：0.36°；其中步距角0.36，同時(shí)因?yàn)檠魁X輪傳動比為1：120，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過減速后傳遞到回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸實(shí)際的步距角將為電機(jī)實(shí)際步距角的1/120（理論上），雖然實(shí)際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差，實(shí)際回轉(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度是相當(dāng)高的，完全能滿足機(jī)械手的定位精度要求。 表3.4 所選電機(jī)相關(guān)參數(shù) 型號 相數(shù) 步距角 （°） 靜態(tài)相電流 （A） 相電阻 （Ω） 保持轉(zhuǎn)矩 （N·m） 定位轉(zhuǎn)矩 （N·m） 110BYG550B- SAKRMA-0301 5 0.36/0.72 3 0.7 8 0.5 圖3.3 110BYG550B-SAKRMA-0301步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線 2.臂部電機(jī)型號選擇 由于臂部電機(jī)負(fù)載較小，綜合考慮，選用57STH76-2804A型號步進(jìn)電機(jī)。下表3.6為57STH76-2804A型步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。 表3.5 57STH76-2804A型步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù) 電機(jī)型號 步距角