三自由度机器人机构设计

洛阳理工学院毕业设计（论文）I工业机器人设计摘 要工业机器人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，工业机器人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，采用机器人是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、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。关键词：机器人，液压泵，自动化，优越性洛阳理工学院毕业设计（论文）IIIndustry Robot DesignABSTRACTIndustry machine hand is industry produce of inevitable outcome, it be the parts of function of a kind of mimicry human body arms, according to schedule to request to transport a work piece or hold to hold tool to carry on operation of automation technique equipments, to realization industry produce automation, push industry produce of further development have already emphasized to want a function.As a result have strong vitality, be subjected to people of extensive value with welcome.Practice certificate, industry the machine hand can replace hand of heavy labor, show Zhao to ease a worker of labor strength, improvement labor condition, exaltation labor rate of production and automation level.The industry produce medium usually appear of bulky work piece of porterage and long-term multifarious, monotonous of operation, adoption machine hand is valid.In addition, it can at heat, low temperature, deep water, cosmos, radio and other poisonous, pollution under the environment condition carry on operation, more manifestation it superiority, have vast of development prospect.KEY WORDS:Mechanicanl Robot，Pump，Automation，Superiority洛阳理工学院毕业设计（论文）III目 录前 言 .1第 1 章机械手的组成与分类 .21.1 机械手的组成 .21.2 机器人的特点 .21.3 机器人的分类 .3第 2 章抓取机构设计 .52.1 手爪设计计算 .52.2 手爪驱动缸设计 .72.3 腕部设计 .9第 3 章横梁立柱的设计 .113.1 液压缸组件及其设计 .113.2 托盘及其与液压缸的连接 .113.3 立柱液压缸设计 .123.4 立柱与横梁托盘的连接 .12第 4 章底座托盘设计 .134.1 计算转动惯量 .134.2 起动转矩计算 .144.3 最小轴径计算与键校核 .144.4 选择轴承 .15第 5 章液压马达设计 .165.1 马达外径计算 .165.2 叶片设计 .165.3 紧固及连接方案 .17第 6 章液压泵、电机的选择 .186.1 流量计算 .186.2 选择液压泵 .196.3 选择电机 .19洛阳理工学院毕业设计（论文）IV第 7 章机器人的控制 .207.1 机器人的控制 .207.2 机器人运行时的安全措施 .20结 论 .21谢 辞 .22参考文献 .23洛阳理工学院毕业设计（论文）1前 言机器人技术的发展，可以说是科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，也是为社会经济发展产生了重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,需求能够解放人的一种工具。那么这种工具就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。另一方面，人们有各种各样的好的想法，它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。我国工业机器人起步于 70 年代初，其发展过程大致可分为三个阶段：70 年代的萌芽期；80 年代的开发期；90 年代的实用化期。而今经过 20 多年的发展已经初具规模。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。某些关键技术已达到或接近世界水平。洛阳理工学院毕业设计（论文）2第 1 章 机械手的组成与分类1.1 机械手的组成机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动） 、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 23 个自由度。1.2 机器人的特点机器人最显著的特点有以下几个:（1）可编程。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统 (FMS)中的一个重要组成部分。（2）拟人化。机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化机器人还有许多类似人类的“生物传感器” ，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等.传感器提高了机器人对周围环境的自适应能力。（3）通用性。除了专门设计的专用机器人外，一般机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换机器人手部末端操作器 (手爪、工具等)便可执行不同的作业任务。（4）机电一体化。机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其它技术的发展，机器人技术的发展和应洛阳理工学院毕业设计（论文）3用水平也可以从一个方面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平。1.3 机器人的分类目前世界各国对处于发展阶段的机器人还没有统一的分类标准，大致有以下几种分类方法。1、按使用范围分类(1)固定程序的专用机器人(机械手)通常根据主机的特定要求设计成固定程序 (或简单的可变程序)。这种机器人 (机械手)多为气动或液动，用行程开关、机械挡块来控制其工作位置。工作对象单一，动作较少，结构与系统简单，价格低廉。(2)可编程序的通用机器人工作程序可变，以适应不同的工作对象，通用性强，适合于以多品种、中小批量生产为特点的柔性制造系统中。2、按使用行业、部门和用途分类(1)工业机器人它们又可按作业类别分为锻压、焊接、表面喷涂、装卸、装配、检测等机器人。(2)采掘机器人如海洋探矿机器人等。(3)军事用途机器人(4)服务机器人如医疗机器人，家用机器人，教学机器人等。3、按机械结构、坐标系特点分类按机械结构坐标系特点可分为直角坐标型；圆柱坐标型；球坐标型；多关节型。4、按机器人运动控制方式分类(1)点位控制 (PTP)机器人就是由点到点的控制方式，这种控制方式只能在目标点处准确控制机器人末端执行器的位置和姿态，完成预定的操作要求。目前应用的工业机器人中，很多是属于点位控制方式的，如上下料搬运机器人、点焊机器人等。(2)连续轨迹控制(CP)机器人机器人的各关节同时作受控运动，准确控制机器人末端执行器按预定的轨迹和速度运动，并能控制末端执行器沿曲线轨迹上各点的姿态。弧焊、喷漆和检测机器人等均属连续轨迹控制方式。洛阳理工学院毕业设计（论文）45、按驱动方式分类按驱动方式可分为液压驱动式、气动式、电力驱动式 (这是目前用得最多的一类)6、根据机器人的功能水平和技术的先进程度按“代”分类(1)第一代机器人 其特点是采用开关量控制，示教再现控制或数字控制，其作业路径和运动参数需通过示教或编程给定。60 年代以来，工业中实际应用的绝大多数工业机器人都属于第一代机器人，它包括可编程序 (用于上下料)的工业机器人具有记忆装置的示教再现型机器人，数控型搬运机器人等。(2)第二代机器人 是 70 年代开始出现的，其技术特点是采用计算机直接控制，是通过具有视觉、触觉的摄像机和传感器，能“感觉”外界信息并通过计算机进行计算和分析自动地控制操作机进行运动和操作，因此，其控制方式较第一代机器人要复杂得多，目前这类机器人已开始在工业生产、排险救灾等场合应用，并将进入普及阶段。(3)第三代机器人 即智能机器人。这是国内外正在积极研究，开发的高级机器人，其主要特点是具有人工智能。包括: 模式识别能力、规划决策能力、知识库、专家系统、人机交互能力等。这一类机器人目前正在研究开发之中。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。洛阳理工学院毕业设计（论文）5第 2 章 抓取机构设计2.1 手爪设计计算1、最大夹紧力计算查机械设计手册知钢和钢之间的摩擦系数为 = 0.15则物重G = mg = 1010 = 100N最大夹紧力 F由公式G = F 算得，F = G/ = 1000.15 666.7N2、受力分析 图 2-1 手爪的受力分析如图 2-1，F1 = F2 = F3 = 666.7N，F4 = F5 = F3cos15/2= 321.99N如图 2-2 由M=0算得F1L1-F5L2-F6L3 = 0算得F6 = 703N由于 F6 与水平方成 30 角， 图 2-2 手爪的力矩分析可算出活塞杆推力 F洛阳理工学院毕业设计（论文）6F = 2F2cos30= 1046 N3、手部尺寸利用抗弯强度校核计算手指截面系数Wz = Mmax/,而Mmax = 11458 Nmm，选取材料 Q235