搬運機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計

1、前言當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的特點之一就是機(jī)械技術(shù)，電子技術(shù)和信息技術(shù)的結(jié)合，機(jī)器人就是這種結(jié)合的產(chǎn)物之一?，F(xiàn)代機(jī)器人都是由機(jī)械發(fā)展而來。與傳統(tǒng)的機(jī)器的區(qū)別在于，機(jī)器人有計算機(jī)控制系統(tǒng)，因而有一定的智能，人類可以編制動作程序，使它們完成各種不同的動作。隨著計算機(jī)技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了機(jī)器人研究水平的提高。現(xiàn)在機(jī)器人已成為一個龐大的家族，科學(xué)家們?yōu)榱藵M足不同用途和不同環(huán)境下作業(yè)的需要，把機(jī)器人設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)和外形，以便讓他們在特殊條件下出色地完成任務(wù)。機(jī)器人成了人類最忠實可靠的朋友，在生產(chǎn)建設(shè)和科研工作中發(fā)揮著越來越大的作用。搬運機(jī)器人不但能夠代替人的某些功能，有時還能超過人的體力能力?？?/p>

2、以24 小時甚至更長時間連續(xù)重復(fù)運轉(zhuǎn)，還可以承受各種惡劣環(huán)境。因此，搬運機(jī)器人是人體局部功能的延長和發(fā)展。 21 世紀(jì)是敏捷制造的時代， 搬運機(jī)器人在敏捷制造系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。1 緒論1.1工業(yè)機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀及應(yīng)用機(jī)器人首先是從美國開始研制的， 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)器人。 它的結(jié)構(gòu)特點是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969 年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。目前工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代， 主要依靠人工進(jìn)行控制； 控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進(jìn)的方向主要

3、是降低成本和提高精度。第二代機(jī)器人正在加緊研制， 它設(shè)有微型電子計算機(jī)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，把感覺到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)器人則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)，它與電子計算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturingSystem) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一環(huán)。隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進(jìn)步，針對于上述各個領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和

4、更強大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機(jī)集成制造（ CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起1 。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。美國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段：1） 1963-1967 年為試驗定型階段。 1963-1966 年，萬能自動化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗。 1967 年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900 型；2）1968-1970 年為實際應(yīng)用階段。 這一時期，工業(yè)機(jī)器人在美國進(jìn)入應(yīng)用階段， 例如，美國通用汽車公司1968 年訂購了 6

5、8 臺工業(yè)機(jī)器人； 1969 年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器人，并用21 組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448 臺沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件；3） 1970 年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972 年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970 年 4 月美國在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機(jī)器人會議。據(jù)當(dāng)時統(tǒng)計，美國大約200 臺工業(yè)機(jī)器人，工作時間共達(dá)60 萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand ）發(fā)明了用小型計算機(jī)控制50 臺機(jī)器人的系統(tǒng) 2 。又如，萬能自動公司制

6、成了由25 臺機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學(xué)院研制了具有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機(jī)器人。1.2我國的工業(yè)機(jī)器人我國工業(yè)機(jī)器人是從二十世紀(jì)八十年代開始起步，經(jīng)過二十多年的努力，已經(jīng)形成了一些具有競爭力的工業(yè)機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、搬運、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機(jī)器人。近幾年，我國工業(yè)機(jī)器人及含工業(yè)機(jī)器人的自動化生產(chǎn)線相關(guān)的產(chǎn)品的年銷售額已突破10 億元。目前國市場年需求量在3000 臺左右，年銷售額在20 億元以上。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國市場上工業(yè)機(jī)器人總共擁有量盡萬臺，占全球總量的0.56%，其中完全國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人( 行業(yè)規(guī)模比較大的前三家工業(yè)機(jī)器人企業(yè))

7、行業(yè)集中度占 30%左右，其余都是從日本、美國、瑞典、德國、意大利等 20 多個國家引進(jìn)的。國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人目前主要以國市場應(yīng)用為主， 年出口量為 100 臺左右，年出口額為 0.2 億元以上。目前，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要有弧焊、點焊、裝配、搬用、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復(fù)雜作業(yè)。在我國，工業(yè)機(jī)器人的最初應(yīng)用是在汽車和工程機(jī)械行業(yè)，主要用于汽車及工程機(jī)械的噴涂及焊接。目前，由于機(jī)器人技術(shù)及研發(fā)的落后，工業(yè)機(jī)器人還主要應(yīng)用在制造業(yè)，非制造業(yè)使用的較少。據(jù)不完全統(tǒng)計，近幾年國廠家所生產(chǎn)的哦工業(yè)機(jī)器人有超過一半是提供給汽車行業(yè)。 由此可見，汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國工業(yè)機(jī)器人增長的原動

8、力之一。搬運機(jī)器人在實際的工作中就是一個機(jī)械手，機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)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(jī)具進(jìn)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(jī)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(yīng)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(yīng)用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視。機(jī)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)

9、的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手” ，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)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。機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator

10、）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球等。 工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動機(jī)床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國外通常被稱之為“ Mechanical Hand ”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。1.3機(jī)器人發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有

11、以下幾個發(fā)展趨勢：1) 提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個機(jī)械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人；2) 開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場合；3) 研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。2 總體方案設(shè)計2.1自由度和坐標(biāo)系的選擇機(jī)器人的運動

12、自由度是指各運動部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨立運動數(shù)，對于一個構(gòu)件來說，它有幾個運動坐標(biāo)就稱其有幾個自由度。各運動部件自由度的總和為機(jī)器人的自由度數(shù)。機(jī)器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因為人的手指、掌、腕、臂由19 個關(guān)節(jié)組成，共有27 個自由度。而生產(chǎn)實踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為3-6 個（不包括手部）。本次設(shè)計的搬運機(jī)器人為5 自由度即：手爪合；腕部回轉(zhuǎn)；臂部伸縮；臂部回轉(zhuǎn)；臂部升降。工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下：1) 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)機(jī)器人的空

13、間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖 2-1(a) 所示。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（m級）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運動空間相對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多 2 。直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 2-1（b）。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可

14、以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。3) 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 2-1（ c）。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。4) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1 （ d）。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。根據(jù)要求及在實際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計

15、的搬運機(jī)器人采用圓柱坐標(biāo)。(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 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式Fig 2-1 four robot coordinate form2.2搬運機(jī)器人的組成搬運機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)1）手部手部既直接與工件接觸的部分， 一般是回轉(zhuǎn)型或平動型 （多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指） ；根據(jù)需要分為外抓式和抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機(jī)構(gòu)形式較多， 常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈

16、簧式和重力式。本次設(shè)計的手部選擇夾持類回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)手部。本次設(shè)計的搬運機(jī)器人手部執(zhí)行部件如圖2-2 。圖 2-2 搬運機(jī)器人手部執(zhí)行部件示意圖Fig 2-2 handling robot hands actuating parts schemes如圖 2-2 的機(jī)構(gòu)簡圖，手部執(zhí)行依靠桿的伸縮運動來實現(xiàn)其合運動，桿的動力源來自后續(xù)驅(qū)動源的液壓缸，該液壓缸采用的是伸縮式液壓缸，該液壓缸能夠節(jié)省橫向的工作空間。2）腕部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(kuò)大機(jī)械手的動作圍，并使機(jī)械手變的更靈巧， 適應(yīng)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)

17、運動再增加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(jī)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(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機(jī)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?。ㄒ话阈∮?70 ），并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。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)。本次設(shè)計的搬運機(jī)器人的腕部是實現(xiàn)手部180 的旋轉(zhuǎn)運動。設(shè)計的搬運機(jī)器人的腕部的運動為一個自由度的回轉(zhuǎn)運動，運動參數(shù)是實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)的角度控制在 0 180 圍，其基本的結(jié)構(gòu)形式如圖2-3 所示。圖 2-3 腕部回轉(zhuǎn)基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2-3 wri

18、st rotation basic structure schematic drawing腕部的驅(qū)動方式采用直接驅(qū)動的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計的十分緊湊可以把驅(qū)動源裝在手腕上。機(jī)器人手部的合是由雙作用單柱塞液壓缸驅(qū)動的；而手腕的回轉(zhuǎn)運動則由回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)。將夾緊活塞缸的外殼與擺動油缸的動片連接在一起；當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進(jìn)油時即可實現(xiàn)手腕不同方向的回轉(zhuǎn)。3）臂部手臂部件是機(jī)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圍任意一點。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

19、說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，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(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機(jī)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(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計實現(xiàn)臂部的上下移動、前后伸縮、以及臂部的回轉(zhuǎn)運動。手臂的運動參數(shù)：伸縮行程： 1200mm；伸縮速度： 83mm/s；升降行程： 300mm；升降速度： 67mm/s；回轉(zhuǎn)圍： 0 180 。機(jī)器人手臂的伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化，在圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大

20、工作長度決定其末端所能達(dá)到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。4）機(jī)座機(jī)座是機(jī)身機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對固定式機(jī)器人，直接聯(lián)接在地面上，對可移動式機(jī)器人，則安裝在移動結(jié)構(gòu)上。機(jī)身由臂部運動（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機(jī)構(gòu)及其相關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機(jī)身上。臂部的運動越多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力越復(fù)雜。本次畢業(yè)設(shè)計的搬運機(jī)器人的機(jī)身選用升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)；臂部和機(jī)身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅(qū)動源來自回轉(zhuǎn)液壓缸。驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)構(gòu)是搬運機(jī)器人的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為

21、液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類。液壓驅(qū)動壓力高，可獲得大的輸出力，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，維修方便，但是，液壓元件成本高，油路比較復(fù)雜3 。氣動驅(qū)動壓力低，輸出力較小如需要輸出力大時，其結(jié)構(gòu)尺寸過大，阻尼效果差低速不易控制，但結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低。電動機(jī)驅(qū)動有：異步電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)為動力源， 電動機(jī)使用簡單， 且隨著材料性能的提高，電動機(jī)性能也逐漸提高。本次設(shè)計的搬運機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動的方式。2.3搬運機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1) 用途：用于車間搬運2) 設(shè)計技術(shù)參數(shù)：a) 抓重： 20Kg(夾持式手部 ) ；b) 自由度數(shù)： 5 個自由度（手爪合；腕部回轉(zhuǎn)；臂部伸縮；臂部回

22、轉(zhuǎn)；臂部升降 5 個運動）；c) 坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)系；d) 最大工作半徑： 1600mm；e) 手臂最大中心高： 1248mm；f) 手臂運動參數(shù) : 伸縮行程： 1200mm；伸縮速度： 83mm/s升降行程： 300mm升降速度： 67mm/s回轉(zhuǎn)圍： 0180°；g) 手腕運動參數(shù)：回轉(zhuǎn)圍： 0180°。3 機(jī)器人的設(shè)計與計算3.1手部設(shè)計機(jī)器人手部的功能機(jī)器人的手部是機(jī)器人最重要的部件之一，從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機(jī)器人的手部和類人機(jī)器人的手部。目前前者應(yīng)用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。工業(yè)機(jī)器人的手部夾持器（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來握持工件或工具的部件，由于被

23、握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同4 。其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計的，按握持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類：1) 夾持式：包括撐式與外夾式，常用的還有勾托式和彈簧式等。2) 吸附式：包括氣吸式與磁吸式等。在設(shè)計機(jī)器人末端執(zhí)行器時，應(yīng)注意以下問題：1) 機(jī)器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人作業(yè)要求來設(shè)計的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)器人新的應(yīng)用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。2) 機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機(jī)器人容許的負(fù)荷

24、力。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。3) 機(jī)器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實用化。因為這種萬能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價昂貴。手部設(shè)計的基本要求1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力；2）手指應(yīng)具有一定的開閉圍；3）應(yīng)保證工件在手指的夾持精度；4）要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；根據(jù)任務(wù)要求并考慮到實際操作中手部的工作方式本次設(shè)計選擇的手部夾持器為：雙支點連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)。選擇手爪的類型及夾緊裝置本次搬運機(jī)械手的設(shè)計，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手爪夾取重量為20Kg。常用的工業(yè)機(jī)械手手部，分為

25、夾持和吸附兩大類。本設(shè)計機(jī)械手采用夾持式手指，夾持式機(jī)械手按運動形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的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，其理論夾持誤差零4 。若采用典型的平移型手指，使結(jié)構(gòu)變得復(fù)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，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常形式夾緊裝置，它靠液壓缸的伸縮作用下實現(xiàn)手爪的開和閉合。手爪及其液壓缸的設(shè)計1) 手爪的力學(xué)分析圖 3-1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析示意圖Fig. 3-1 leveraged sliding channel hand structure、 str

26、ess analysis schemes1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，手指滑槽對銷軸的反作用力為 F1 和 F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線OO1和 OO2并指向 O點。由Fx0 得:F1F2由Fy0 得:F1F2cosF1F1'由M01( F )0得:F1' hFN bahcosFb2FN（3-1 ）2 cosa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滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。由分析可知，當(dāng)驅(qū)動力F 一定時，角增大，則握力 FN也隨之增大，但如果角過大則會導(dǎo)致拉桿行程過大和手部

27、結(jié)構(gòu)增大，因此最好取3040 ，故本次設(shè)計選取30 。根據(jù)給定的數(shù)據(jù)：抓取的重物為20Kg鋼與鋼之間的靜摩擦因數(shù) 取為： =0.152FN200N即 :FN666. 7N取 FN =700N30a=35mmb=50mm故：F2b cos 2FNa250235COS30 700=1500N2) 夾緊力和驅(qū)動力及液壓缸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(jìn)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：FNK1K2F（3-2 ）式中： K1 安全系數(shù)，通常

28、 1.2 2.0 ；K 2 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式估K2a1g其中 a 為重力方向的最大上升加速度；F 理論驅(qū)動力（ N）。K21.1 2.5表 3-1 液壓缸的工作壓力Tab 3-1 the hydraulic cylinder pressure of work作用在活塞上外力/N液壓缸工作壓力 /Mpa作用在活塞上外力/N液壓缸工作壓力 /MpaFF小于 50000.8 120000 300002.0 4.05000 100001.5 2.0n30000 500004.0 5.010000 200002.5 3.0> 500005.0 8.0表 3-2 液壓

29、缸的徑系列（JB826-66 ）Tab3-2hydrauliccylinderofinnerseries(JB826-66)2025324050556365707580859095100105110125130140160200250（ mm）計算：a) 取 a=35mm，b=50mm， 1040 ，機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時間為0.5s ，求夾緊力 FN 和驅(qū)動力 F 和驅(qū)動液壓缸的尺寸。取K11.5K21.2根據(jù)公式，將已知條件帶入：FN1.51.215002700Nb）取0.8 52700F實際3176N0.8 5c) 確定液壓缸的直徑 D：F實際D2d2 P4(3-3)選取活塞桿直徑 d=0

30、.5D，根據(jù)表 3-1 選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.8 1MPa，4F實際4317673mmp26)1100. 75(1 0.5根據(jù)表 3-2 （JB826-66），選取液壓缸徑為： D=80mm。對于無速比要求的雙作用液壓缸，可按下式初步定活塞桿直徑d( 0. 45 0. 7)D則d40mm3.2腕部設(shè)計腕部設(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、 動載荷均由臂部承擔(dān)。 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5 。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，合理布局腕部作為搬運機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連

31、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(yīng)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次設(shè)計，搬運機(jī)器人的工作條件是在工作場合中搬運質(zhì)量為20Kg 的物體，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，所以對搬運機(jī)器人的腕部沒有太多不利因素。腕部結(jié)構(gòu)的選擇1) 典型的腕部結(jié)構(gòu)a) 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 270°）。b) 齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)在要求回轉(zhuǎn)角大于

32、 270°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6 。c) 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。d) 機(jī)- 液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。2) 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動結(jié)構(gòu)的選擇本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn)180 ，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。腕部及其液壓缸的設(shè)計計算腕部設(shè)計考慮的參數(shù)：夾取工件重量20Kg；回轉(zhuǎn) 180 。1) 腕部驅(qū)動力計算圖 3-2 腕部支撐反力計算示意圖Fig. 3-2 the wrist support counterforce calculat

33、ion schemes腕部回轉(zhuǎn)時要克服的阻力：a) 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩： M摩M摩f FR1 D1 FR2D2(3-4)2其中 f 為軸承摩擦系數(shù)取 f =0.1b) 克服由于工件重心偏置所需的力矩： M偏 ( 這里假定為 0)M偏G1e（3-5 ）c) 克服啟動慣性所需的力矩：M慣JJ工件（3-6）t 啟假設(shè)給定的工件是一直徑D=70mm，長度 L=660mm，重量 G=200N的棒料。按照任務(wù)書要求實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)180°，現(xiàn)計算腕部所需的驅(qū)動力矩如下：a）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，長200mm，直徑100mm，其重力估算如下：G0.0 520.2

34、78009.8120Nb）摩擦力矩：M摩0.1 Mc) 啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度啟0.3 14rad， t 啟 啟動過程所需的時間，一般取0.05-0.3s ，此處取 0.12s ，等速轉(zhuǎn)動角速度2. 616/sradM慣JJ 工件t 啟(3-7)查取轉(zhuǎn)動慣量公式有：J12112020.0 15N.m.s22MR0.0 529.8J 工件1Gl232120 0.6 6230.0 3520.732N.m.s 212gR12代入：M慣0.7 322.6 169.8 N.m0.0 150.2MM慣M摩M慣 0.1 MM9.810.9 N.m0.92) 腕部驅(qū)動液壓缸的計算表 3-3 液壓缸的徑系列（ J

35、B826-66 ）Tab 3-3hydrauliccylinderof inner series (JB826-66)2025324050556365707580859095100105110125130140160200250（mm）設(shè)定腕部的部分尺寸：為減少動片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇動片寬度時，選用：b2Rr根據(jù)表 3-3 設(shè)缸體徑 R=50mm，考慮到實際裝配問題后， 動片寬度 b=40mm，輸出軸 r=30mm.基本尺寸示如圖3-3 所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力：P2M2 10.93.45 Mpa ，選擇 3.5Mpa2r 20.0 4 0.0 52- 0.0 3

36、2b R圖 3-3 腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3-3 wrist hydraulic cylinder profile section structure schematic drawing3.3臂部的設(shè)計及有關(guān)計算手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部 （包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應(yīng)該包括3 個運動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本節(jié)敘述手臂的伸縮運動，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動設(shè)置在機(jī)身處，將在下一節(jié)詳述。臂部運動的目的：把手部送到空間運動圍任意一點。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，一般來說臂部應(yīng)該具備3 個自由度才能滿足基本要

37、求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析， 它在工作中即直接承受腕部、 手部、和工件的靜、 動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。臂部設(shè)計的基本要求臂部設(shè)計首先要實現(xiàn)所要求的運動，為此，需要滿足下列各項基本要求：1) 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕對于機(jī)械手臂部或機(jī)身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結(jié)構(gòu)上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸）。顯然伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化7 。對機(jī)械手的運動性能、位置精度和負(fù)荷能力影響很大

38、。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應(yīng)注意以下幾方面：a) 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸；b) 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離；c) 合理布置作用力的位置和方向；d) 注意簡化結(jié)構(gòu)；e) 提高配合精度。2) 臂部運動速度要高，慣性要小機(jī)械手手部的運動速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機(jī)械手，其最大移動速度設(shè)計在1000-1500mm/s 最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在180 / s ，大部分平均移動速度為 1000mm/s，平均回轉(zhuǎn)角速度在 90 / s 。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械

39、手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有4 個途徑：a) 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料；b) 減少臂部運動件的輪廓尺寸；c) 減少回轉(zhuǎn)半徑 ，再安排機(jī)械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮） ，盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作；d) 在驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)緩沖裝置。3) 手臂動作應(yīng)該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機(jī)械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。4) 位置精度要求高一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度要求較高；

40、關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測結(jié)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動、嚙合件間的間隙。5) 設(shè)計合理合理設(shè)計與腕和機(jī)身的連接部位，臂部安裝形式和位置不僅關(guān)系到機(jī)器人的強度、剛度和承載能力，而且還直接影響到機(jī)器人的外觀?？偨Y(jié)：除此之外，要求機(jī)械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手還要設(shè)置防塵裝置等。以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計出完美的、性能良好的機(jī)械手。手臂的典型機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的選擇1) 手臂的典型運動

41、機(jī)構(gòu)常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：a) 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)；b) 手臂的典型運動形式有： 直線運動，如手臂的伸縮， 升降和橫向移動； 回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)；c) 雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)；d) 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。2) 手臂運動機(jī)構(gòu)的選擇通過以上，綜合考慮，本次設(shè)計選擇液壓缸伸縮機(jī)構(gòu)，使用液壓驅(qū)動，水平伸縮液壓缸選用伸縮式液壓缸。手臂直線運動的驅(qū)動力計算首先進(jìn)行粗略的估算， 或類比同類結(jié)構(gòu)， 根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計算，修正設(shè)計。作水平伸縮直線運動的液壓缸的驅(qū)動力，應(yīng)根據(jù)液壓缸運動時所要

42、克服的摩擦力和慣性力等幾個方面的阻力進(jìn)行確定。液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算公式可表示為：FF摩F慣(3-8)1) 手臂摩擦力的分析與計算摩擦力的計算不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。圖 3-4 機(jī)械手臂部受力示意圖Fig. 3-4 the mechanical arm department stress schemes計算如下：M A0G總 LaFbG總 L得FbaY0G總FbFa得FaLaG總aF摩Fa摩Fb 摩FaFB2LaF摩G總(3-9)a式中G總 - 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）；L- 手臂與運動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的

43、前端的距離（ m），參考上一節(jié)的計算； a- 導(dǎo)向支撐的長度（ m）； - 當(dāng)量摩擦系數(shù) ;選?。?. 3 ，G=500N，L=1.49-0.28=1.21m ， 導(dǎo)向支撐 a 設(shè)計為 0.16m。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計算：F摩G 、 2L a500 0.32 1.21 0.162418.75Na0.1 62) 手臂慣性力的計算本設(shè)計要求手臂平動是 V=83mm/s；假定：在計算慣性力的時候，設(shè)置啟動時間t0. 02 ( 一般為 0.01-0.5)，啟動速s度 V V0. 083m / s ；F慣G總vg t(3-10)F慣G總v5000.0 83211.7gt9.80.0 2經(jīng)過以上分析計算最

44、后計算出液壓缸的驅(qū)動力：FF摩F慣2630.4 5N液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定經(jīng)過上面的計算， 確定了液壓缸的驅(qū)動力F=2630.45N，根據(jù)表 3-1 選擇液壓缸的工作壓力 P=1MPa。確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸：液壓缸徑的計算，如圖3-5 所示圖 3-5 雙作用液壓缸示意圖Fig. 3-5 dual action hydraulic cylinder schemes當(dāng)油進(jìn)入無桿腔：FF1（ D2d 2 )（ 3-11 ）p4其中：為機(jī)械效率， d=0.5D故有：D4F1.1 3Fpp(3-12)F=2630.45N， P1 106 Pa ，選擇機(jī)械效率0. 95。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入：4FF1.1 32630.4 5D1.1 30.9 5 1 1060.0 69mmp 1 0. 72p 1 - 0.721 0.72根據(jù)表 3-3 （JB826-66），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸徑系列，選擇D=70mm。液壓缸外徑的設(shè)計：根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm，所以該液壓缸的外徑為80mm?；钊麠U的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。則可選取活塞桿直徑為 35mm系列。3.4機(jī)身設(shè)計及計算機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動，這些運動的傳動機(jī)