壁面爬行机械手结构设计【四自由度】【4张图纸】【优秀】
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：
编号：272514
类型：共享资源
大小：704.23KB
格式：RAR
上传时间：2014-04-18
上传人：上***
认证信息
个人认证
高**（实名认证）
江苏
IP属地：江苏
50
积分
- 关 键 词：
-
壁面爬行
机械手
结构设计
自由度
图纸
优秀
优良
- 资源描述：
-
壁面爬行机械手结构设计
32页 13000字数+说明书+开题报告+外文翻译+4张CAD图纸
A0装配图.dwg
中期.doc
壁面爬行机械手结构设计开题报告.doc
壁面爬行机械手结构设计论文.doc
外文翻译--机器人机械手.doc
手部分A3.dwg
机械臂螺栓A4.dwg
25轴A3.dwg
摘要
在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，同时机械手可以代替人工在特殊环境工作，以完成复杂环境的工作要求。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。本文将设计一台四自由度的工业机械手，用于在核废液储蓄罐内送取焊缝检测器。首先，本文将设计机械手的手爪、大臂、小臂等结构，然后计算所需数据，选择合适的传动方式、驱动方式以及连接方式。从而完成机械手整体的设计，以达到设计要求。
关键词：驱动方式；传动方式；机械手
目 录
1 绪论1
1.1 前言和意义1
1.2 工业机械手的简史1
1.3 国内外研究现状和趋势3
1.3.1国外发展现状和趋势3
1.4 本课题背景研究意义4
2 总体结构6
2.1坐标型式6
2.2驱动形式的选择7
3 手爪设计11
3.1 手部设计基本要求11
3.2 典型的手部结构12
3.3 机械手手爪的设计计算12
3.3.1选择手爪的类型及夹紧装置12
3.3.2 手爪夹持范围计算14
3.3.4滑动丝杠设计15
3.3.5 直齿轮设计17
3.3.6电机选型18
4 臂部及腕部设计20
5 结论25
6 参考文献26
致 谢27
本机械手设计参数
夹持对象：焊缝检测器，形状为矩形。
检测器最小尺寸：200*100*30 mm3重量1.0kg
检测器最大尺寸： 300*200*100 mm3重量2.0kg
机械手类型：关节坐标式
机械手总高：1000mm
机械手最大回转角度：360
机械手自由度：4 自由度
机械手可以减省工人、提高效率、降低成本、提高产品品质、安全性好。多关节机械手更具有以下优点:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。我国塑料机械已成为机械制造业发展最快的行业之一，年需求量在不断的加大。因此。本课题对四自由度折叠式机械手的研究具有积极的现实意义。机械手原则设计
机械手设计总的原则有三条：一是手部尽可能覆盖较大空间；二是根据对方态势调整自身姿态；三是以最轻的自身重量达到合理的最大负载能力。
2.4自由度
机械手的设计其实是模仿人臂的功能为基础，再根据实际应用情况进行具体设计处理。人臂的肩、肘和腕关节共有六个自由度，其中大臂和腕部能做两个方向的摆动，小臂能做一个方向的摆动和有限的转动。本设计引入运载车，以使机械手能在罐内移动，可以省略其肩部和腕部的横向移动运动，故本设计只需四个自由度即可，满足课题要求。机械手工作方式如图2.2所示。
- 内容简介：
-
毕业设计（论文）中期报告题目：壁面爬行机械手结构设计 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013年3月20日1 设计（论文）进展状况1.1 查阅了机械专业相关的基础课程和工业机器人等相关参考文献，并且完成一篇于本设计课题相关的外文翻译。1.2 通过分析机械手工作原理完成本机械手各部分机构的选择和设计。1.2.1 坐标型式关节型机器人依结构复杂程度分为直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人和关节型机器人。(1) 直角坐标型机器人直角坐标型机器人是最简单的关节型机器人，其通过互相垂直的轴线位移来改变手部的空间位置。手部在空间三个相互垂直的方向X、Y、Z上作直线运动，运动是独立的，如图2.2a)所示。它易于实现高定位精度，控制简单，运动直观性强，空间轨迹易于求解，但操作灵活性差，运动的速度较低，操作范围较小。(2) 圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人在水平转台上装有立柱，水平臂可沿立柱上下运动并可在水平方向伸缩，如图2.2b)所示。其结构简单，便于几何计算，工作范围较大，运动速度较高，但随着水平臂沿着水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。(3)球坐标型机器人球坐标型机器人的工作臂不仅可绕垂直轴旋转，还可绕水平轴作俯仰运动，且能沿着手臂轴线作伸缩运动，如图2.2c)所示。其操作灵活，结构紧凑，并能扩大机器人的工作空间，但旋转关节反映在末端执行器上的线位移分辨率是一个变量。(4)关节坐标型机器人关节坐标型机器人主要有立柱、前臂和后臂组成。如图2.2d)所示。其全部关节皆为转动型关节，结构紧凑，操作灵活性最好，运动速度较高，操作范围大，所占空间体积小，相对的工作空间最大，还能绕过基座周围的一些障碍，是机器人中使用最多的一种结构形式，但精度受手臂位姿的影响，实现高精度运动较困难。此爬行机器人要求结构简单，动作灵活，实现高定位精度，运动直观性强，空间轨迹易于求解，且运动的速度较低，操作范围较小，因而选用直角坐标型机器人。图1.1关节型机器人坐标型式a)直角坐标型机器人 b)圆柱坐标型机器人 c)球坐标型机器人 d)关节型机器人鉴于以上的分析和本机器人的特点，本机构采用第二种方式，即极坐标式。2. 驱动形式的选择驱动部分是机器人系统的重要组成部分，机器人常用的驱动形式主要有液压驱动、气压驱动、电气驱动三种基本类型。2.1 气压驱动在所有的驱动方式中，气压驱动是最简单的。使用压力通常在0.4一0.6Mpa，最高可达1Mpa。用气压伺服实现高精度是困难的，但在满足精度的场合下，气压驱动在所有的机器人驱动形式中是质量最轻、成本最低的。气压驱动主要优点是气源方便，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，可以在高温、粉尘等恶劣的环境中工作。其缺点是:功率质量比小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高。2.2 液压驱动液压驱动是以高压油作为介质，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高，快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围实现无级调速。但由于压力高，总是存在漏油的危险，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境，所以需要良好的维护，以保证其可靠性。液压驱动比电动机的优越性就是它本身的安全性，由于电动机存在着电弧和引爆的可能性，要求在易爆区域中所带电压不超过9V，但液压系统不存在电弧问题。2.3 电气驱动电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。电气驱动是目前机器人使用得最多的一种驱动方式。其特点是易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，驱动力较大，信号监测、传递、处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境，可以采用多种灵活的控制方案。由于本课题所研究的爬行机器人驱动负载小，要求结构简单、定位精度高，所以选用了电气驱动方式。2.4 驱动电机的选择电动机有直流伺服电动机、交流伺服电动机和步进电动机三类。常用的交流电动机有三相异步电动机(或感应电动机)和同步电动机。步进电机一般作为开环伺服系统的执行机构，有时也用于闭环伺服系统，它是一种将脉冲电信号转换为角位移或直线位移的一种DA转2换装置。按输出位移的不同，步进电机可分为回转式步进电机和直线式步进电机。机器人中一般采用回转式步进电机。如果把步进电机装在机器人回转关节轴上，则接受一个电脉冲，步进电机就带动机器人的关节周转过一个相应的角度。步进电机连续不断地接收脉冲，则关节轴连续不断的转动。步进电机转过的角度与接收脉冲数成正比。根据本系统的工作特点，我选用了步进电机。其性能优越性如下： （1） 输出角度精度高，无积累误差，惯性小。 （2） 输入和输出呈严格的线性关系。步进电机将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 （3） 容易实现位置、速度控制，起、停及正、反转控制方便。 （4） 输出信号为数字信号，可以与计算机直接接口。 （5） 结构简单，使用方便，可靠性好，寿命长。由于该爬行机器人所选用的电机为步进电机，基于步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，因而能带动四个凸轮间歇地完成夹持器对壁面的夹紧与放松;实现爬行机器人在爬行过程中互为机架直线上行的爬行过程。另外两个直流电机直接作用在曲柄上，实现对曲柄的驱动。 表2.1 步进电机的参数额定功率 0.75KW 外形尺寸（mm）直径25mm额定电压 380V 高 30mm额定电流 1.81A 最大额定转矩 2.2 重量（kg） 0.5 Y小型（IP44）三相异步电动机（H80315mm） 该系列电动机是封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，是全国统一设计的更新换代产品。该系列电动机具有高效、节能、启动转矩高、噪音低、振动小、运动安全可靠等特点。 在电机的前端用齿轮减速器减速，由于电机的额定转速为600r|min，所以选择传动比为1:4的齿轮。2.5 气缸的选择 夹持器上选用气缸作为动力源带动其夹紧与松开。气缸选用CG1型标准气缸，选择缸径为40mm，行程为100mm的气缸。本课题研究的爬行机器人的技术参数如表1: 表1机器人技术参数 表2.2爬行机器人的技术参数 机构形式 空间多关节式自由度数 4个单行程 200mm驱动方式 步进电机驱动电源 直流电源控制方式 单片机控制 3 爬行机器人机构设计3.1 机构设计 爬行机器人的机构设计是机器人的支撑基础和执行机构。该机器人模仿虫蠕动的形式在壁面上爬行。其爬行运用简单的曲柄滑块机构。其中两个电机分别与曲柄通过联轴器连接，驱动整个装置运动;另外四个气缸与夹持器相连，驱动夹持器的运动，实现对壁面的夹紧与松开；曲柄与连杆铰接，连杆和曲柄的另一端与滑块（机座）相连;在机座的两边分别通过气缸带动一对夹持器，夹持器上装有压力传感器，通过气缸的开会伸缩变化和夹持器上传感器的控制实现对壁面的夹紧与放松，实现由机架与曲柄之间的相互转变，它们是实现上爬的关键结构。当整个机构有向下运动的趋势时，在曲柄、滑块和连杆之间形成可靠的自锁，阻止构件向下运动，使其运动的方向始终向上。 状态1 状态2 状态3 状态4 状态5图3.1执行系统的运动简图如图3.1所示，当装置处于状态1时，属于临界状态，即爬行机器人开始上爬，上、下四个气缸处于伸缩状态换时刻。此刻，上气缸轴将由收缩向延伸运动，也就是由上端松弛变为上端压紧; 而此时，上端卡爪上的感应器就会将信号传出，在单片机的控制下，下端气缸上的轴有延伸向收缩运动，及下端夹持器由夹紧向松开运动，下端将放松。由于电机在不停的转动，它将带动下滑块沿着壁面向上运动。当电机转过180度时，整个装置运动到状态2。在状态3时，气缸带动轴由收缩向延伸运动，下端将壁面压紧，此时，下端卡爪上的感应器将信号传出，单片机将控制上端气缸的轴由延伸向收缩运动，是夹持器松开及将使壁面松开，此时，电机的不断转动又会推动上滑块沿着壁面向上运动，这样在电机转过了180度后，又会返回到状态1。如此反复的运动通过单片机控制可以实现整个装置的向上运动。如果让电机反转，整个装置将在任意的位置按照与向上运动相同的道理沿着壁面向下运动。通过电机的正反转动，实现装置的向上与向下爬行两个动作。3.2 机构简介本爬行机器人的主要构成部件是由两个形状相似的方形架内嵌有一对夹持器，螺栓、压力传感器、连杆、曲柄、固定支架、联轴器、轴承、电机、气缸等零部件构成。方形架是主要的支撑件，在爬行机器人的爬行性过程中起到机座或滑块的作用；夹持器用来夹紧壁面，实现其上爬运动；气缸是用来实现活动夹持器的夹紧与放松，其运动机构简图见图3.2： 图3.2 壁面爬行机器人机构运动简图 图3.2 运动结构简图气缸用来控制机器人末端的夹持器的运动状态。通过气缸带动轴的伸缩使夹持器来回的运动，实现本机器人的末端执行装置姿态的变化，在传感器和单片机的控制下使夹持器完成对壁面的夹紧与放松。根据图2.3（a）执行机构运动简图所描述运动的状态可知，上端气缸轴到最大行程，夹持器实现对壁面的夹紧，上端执行装置起到机架作用，下端执行装置充当滑块，在电机的驱动下完成单行程爬行过程。根据夹持器上压力传感器发出的信号决定气缸伸缩的长度，当壁面的直径大小发生变化时，凸轮根据夹持器上压力传感器发出的信号决定气缸停止运动的位置，以解决壁面直径变化的问题。上、下夹持器工作时，由于受到各自气缸的驱动和单片机的控制作用，当壁面的直径大小发生变化时，根据夹持器上压力传感器发出的信号决定各自调整转过的角度，来协调和解决爬行机器人行进过程中变直径问题。夹持器上压力的变化，决定气缸活动轴执行位置的变化;根据传感器发出的信号3.3 功能原理设计对该爬行机器人，设计出两套具体方案，分别是:由曲柄滑块机构带动和由气压元件直接驱动。以下对两种方案进行原理分析:就曲柄滑块机构而言，它通过增加铰链四杆机构中摇杆的长度至无穷大而演变过来的。该机构实际上是由一曲柄一端铰接在机架上，另一端铰接一连杆，连杆的另一端联结一滑块，在曲柄为主动件运动时带动连杆，连杆又带动滑块，使其在平面某一范围内做往复直线运动。图3.3曲柄滑块机构简图 其次是气动的原理。该运动原理与上述的曲柄滑块机构相比，在保留两滑块作为自锁装置的前提下，省略了联结两滑块的传动装置，转而用两个汽缸直接驱动两个滑块的上下移动。这样的设计更直接也更简洁。3.4 运动方案的确定基于曲柄滑块机构能够实现直线运动的启示，在曲柄与连杆的两端分别铰接上两个滑块(即作为自锁套)，使两个滑块分别作为机架交替上升，从而实现爬行动作。其中下滑块与曲柄相连，相应的连杆接上滑块。当机构具有向下运动的趋势时，下自锁套因受到自锁机构的限制而固定不动，把其受到的向下的力转化为反作用力，推动机构向上运动。在联接中，把电机与曲柄固接作为驱动装置，连杆作为传动件，两滑块作为自锁装置。自锁套的自锁是通过凸轮转动方式实现，当凸轮转至小半径时夹持器放松，当转至大半径时夹持器夹紧。上下滑块交替进行，从而使爬行机器人实现上爬和自锁。在气动方面，由于没有联结用的传动机构，因而直接由气动元件带动两自锁套向上移动。在此方案中选用两个汽缸作为主要的气动元件，利用作用力与反作用力的原理，由其带动上下两个自锁套分别自锁，达到机器人爬行的最终目的。以上设计的爬行过程都是在理想的情况下，很多实际因素都没有考进去:如摩擦力的大小(即机械手臂与壁面接触面的摩擦系数)，在曲柄通过上下两滑块极限位置时，自锁套内凸轮转动内部的运动关系，自锁套所要进行的向下运动的位移，以及上、下自锁套、曲柄和连杆的质量，还有电机的功率、转动速度及连接方式等等。针对以上两种方案，进行机构对比分析。就采用汽缸驱动而言，它形式简单、结构简便，从机械设计角度出发，满足设计经济性和可靠性的要求:它由驱动机构直接带动两个自锁滑块，避免了两者间的连接机构，精简了构件之间的连接。此外，该机构具有环保等特点，它利用空气作为动力源，无污染、运动时无噪音，而且运行速度快，可以在短时间内使机器人爬到壁面的预定位置，它还能够随身携带气包作为动力源，可以做到无线操作。就采用曲柄滑块结构而言，它属于平面连杆机构，具有结构简单、制造方便、运动副为低副，能承受较大载荷;但平衡困难，不易用于高速。由于设计的机构是由电机经减速直接驱动的，和利用气动原理相比它多了一套传动和连接机构，但该机构运用的原理简单，设计合理。通过以上分析，在本次设计中选取“曲柄滑块机构”作为该爬行机器人的最终运动方案。3.5 执行机构材料的选择选择机器人本体材料应从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制作要求。机器人本体用来支撑、连接、固定机器人的各部分，当然也包括机器人的运动部分，这一点与一般机械结构的特性相同。机器人本体所用的材料也是结构材料。但另一方面，机器人本体又不单是固定构件，比如，机器人臂是运动的，机器人整体也是运动的，所以，机器人运动部分的材料质量应轻。精密机器人对于机器人的刚度有一定的要求，即对材料的刚度有要求。从材料角度看，其本质就是材料内部的能量损耗和刚度问题，它与材料的抗振性紧密相关。总之，正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成本价格，更重要的是可适应机器人的高速化、高载荷及高精度化，满足其静力学及动力学特性要求。随着材料工业的发展，新材料的出现给机器人的发展提供了广阔的空间。3.5.1 材料选择的基本要求 与一般的机械设备相比，机器人结构的动力学特性十分重要，这是材料选择的出发点。材料选择的基本不要求是： （1） 强度高。高强度材料不仅能满足机器人的强度条件，而且有望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。 （2） 弹性模量大。有材料力学的知识可知，构件刚度（或变形量）与材料的弹性模量E、G有关。弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料弹性模量的差异比较大，而同一种材料的改性对弹性模量却没有太多改变。比如，普通结构钢的强度极限为420Mpa，高合金结构钢的强度极限为20002300Mpa，但是二者的弹性模量E却没有多大变化，均为2.110Mpa。因此，还应寻找其他提高构件刚度的途径。 （3） 重量轻。机器人构件中产生的变形很大程度上是由惯性力引起的，与构件的质量有关。也就是说，为了提高构建刚度薛涌弹性模量E大而密度也大的材料是不合理的。因此，提出了选用高弹性模量、低密度材料的要求。 （4） 阻尼大。选择机器人的材料时不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人臂经过运动后，要求能平稳的停下来。可是在终止运动的瞬间构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生残余振动。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。（5） 材料的经济性。材料价格是机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等用来作为机器人手臂的材料是很理想的，但价格昂贵。3.5.2 机器人常用材料 (1) 碳素结构钢和合金结构钢这类材料强度好，特别是合金结构钢，其强度增加了45倍，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。 (2) 铝、铝合金及其他轻合金材料这类材料的共同特点是重量轻，弹性模量E并不大，但是材料密度小，故E/之比仍与钢材相比。有些稀贵铝合金的品质得到了更明显的改善，例如添加3.2%（重量百分比）锂的铝合金，弹性模量增加了14%，E/比增加了16%。 (3） 纤维增强合金这类合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等，其E/比分别达到11.410m/s和8.910m/s。这种纤维增强金属材料具有非常高的E/比，而且没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。 （4） 陶瓷陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的接合部需特殊设计。然而，日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人臂样品。 （5） 纤维增强复合材料这类材料具有极好的E/比，但存在老化、蠕化、高温热膨胀以及与金属件连接困难等问题。这类材料不但重量轻，刚度大，而且还具有十分突出的大阻尼的优点。传统金属材料不可能具有这么大的阻尼，所以在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。叠层复合材料的制造工艺还允许用户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面尺寸等，使其具有最大的阻尼值。 （6） 粘弹性大阻尼材料增大机器人连杆件的阻尼式改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。吉林工业大学和西安交通大学进行了粘弹性大阻尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结果表明，机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为0.30mm，处理后为0.16mm；残余振动时间在阻尼处理前后分别为0.9s和0.5s.针对上述的实际情况，综合各方面的因素，设计此爬行机器人各构件的尺 寸及制造材料，见表3.1 表3.3爬行机器人的各构件的尺寸及制造材料机构名称 所选材料 选用理由 价格便宜、材料轻便、成型后具有实效强化铝合金 型曲 柄 价格便宜、材料轻便、成型后具有实效强化滑 块 铝合金 型自锁装置 能够实现间歇运动，并能实现自锁3.6 位移和速度分析在设定曲柄与连杆的长度后，机构运动过程中各构件的上升位移就能计算出来。当曲柄逆时针由最底端转至最顶端时，下滑块上升的位移为2倍曲柄的长度，即200mm。同样，曲柄逆时针由最顶端转动到底端时，上滑块也走过200mm(自锁套在自锁时的下滑距离不计)。当然，这样的机构设计仍存在一定的问题。首先，自锁套的形状无法适应此机构爬各种直径大小的壁面，壁面的直径只有在小于夹持器活动的范围内变化，这样爬行机器人的应用就有了一定得局限性。另一方面，在设计过程中由于将爬行的工作过程过多理想化，因而导致理论分析与实际工况之间出现差距的较大。3.7 执行机构运动简图爬行机器人执行机构采用简单的曲柄滑块机构来实现机器人的爬行。机构运动简图如图3.4所示。上自锁套自锁，下滑向上爬行。块向上爬行。下自锁套自锁，上滑块向上爬行。 图3.4执行机构运动简图机构自由度为:n=3 p=4 p=0F=3n-(2p+p)=33-(24-0)=1如图2.5所示，曲柄滑块机构的滑块行程 BB为曲柄半径r的两倍，两端点B和B称为滑块的极限位置,它是以O为中心而分别以长度r-r和r+r为半径作圆弧求得的。该爬行机器人，由于运用了自锁原理，故当曲柄转到与杆成一直线时，运动的滑块就将相应地换一次，若电机为逆时针转动(即曲柄为逆时针）： a)当AB时，下滑块向上滑动位移是2 r，即等于曲柄长度的2倍为200mm，(S=2 r= 2100=200mm)b)当BA时,上滑块向上滑动的位移也是2 r,即S=2r= 2100=200mm这样:当电机转过一周时上下两滑块相互配合地走过S= S+S=2200=400mm4 后期工作安排 第9周-第10周：完成计算剩余的内容完成。 第11周-第12周：完成装配图。第13周-第14周：完成毕业论文，写说明书。 第15周：准备答辩。 指导教师签字： 年 月 日 毕业设计（论文）开题报告题目：壁面爬行机械手结构设计 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012年12月25日1毕业设计（论文）题目背景、研究意义及国内外相关研究情况。1.1 课题名称壁面爬行机械手结构设计1.2 课题研究背景和意义 机械手是能模仿人手和臂的某些功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手并不是简单意义上的代替人工的劳动，而是综合了仁德特长的机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间工作、精确度高、坑恶劣环境的能力。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，在现今的生活上,科技日新月益的进展之下,机械手与有人类的手臂最大区别就在于灵活度与耐力度。机械手的应用也将会越来越广泛,机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，作业的准确性和在特殊环境中完成作业的能力。工业机械手机器人的一个重要分支。按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式。特点是可以通过编程来完各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。因而广泛应用于机械制造、冶金电子、轻工和原子能等部门。机械手可以减省工人、提高效率、降低成本、提高产品品质、安全性好。多关节机械手更具有以下优点:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。我国塑料机械已成为机械制造业发展最快的行业之一，年需求量在不断的加大。因此。本课题对四自由度折叠式机械手的研究具有积极的现实意义。1.3 机械手分类按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。1.4 机械手结构组成机械手的组成：机械手主要有执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。机械手设计具有三个原则：一是手部尽可能覆盖较大空间；二是根据对象态势调整自身姿态；三是一最轻的自身重量达到合理的最大负载能力。图1.1 机械手组成1.5 我国机械手发展现状及前景目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。发展前景及方向：1 重复高精度 精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次, 机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高。2 模块化。 有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术, 而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置, 使机械手运动自如。模块化机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能, 扩大了机械手的应用范围, 是机械手的一个重要的发展方向。3、无给油化。为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。 4 机电一体化。 由“可编程序控制器- 传感器- 液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件, 使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”; 省配线的复合集成系统, 不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而PLC的输出功率在增大, 由PLC直接控制线圈变得越来越可能。 2本课题研究的主要内容和研究方法或措施。本设计主要用于抓取核工业用壁面爬行机器人。需要综合分析机械手各组成部分的设计方案。2.1 本课题研究的主要内容。 （1） 了解工业机器人的发展及在工业生产中的应用、基本结构和工作原理。 （2） 了解并分析壁面爬行机械手的工作路线。 （3） 完成该机械手的结构设计和主要部件的设计计算。 （4） 应用软件绘制所设计机械手的装配图。2.2拟采用研究方案。 （1） 执行机构机器人的手又称末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。执行机构大致有以下几类：夹钳式，吸附式，专用操作器及转换器，仿生多指灵巧手。本设计用于抓取核工业用壁面爬行机器人。夹持对象：焊缝检测器，形状为矩形。检测器最大尺寸：200*100*30 mm3重量1.0kg检测器最小尺寸： 300*200*100 mm3重量2.0kg （2） 传动机构设计由于罐体内空间狭小，在保证抓取能力的条件下，结构应该尽可能紧凑，故采用折叠式的设计。机械手在过道的移动可以依托运载车来完成，爬壁机器人可在灌壁自行移动，所以可以选择四个自由度。结构如图二图2.1 爬壁机器人结构示意图 （3） 传动方式表1传动方式对比名称特点直接连接传动驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。远距离连接传动驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。间接驱动驱动源经一个速比远大于一的机械传动装置与关节相连。直接驱动驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于一的机械传动这样的中间环节与关节相连。本设计选用直接连接传动 （4） 驱动系统驱动系统完成机械臂的升降、伸缩以及机械手抓取物体时执行部分的张合。目前应用较广的驱动系统有：气压式驱动，液压式驱动，电动式驱动，机械式驱动。各种传动方式比较如下表2驱动方式对比传动方式优点缺点液压驱动运动平稳，易于控制，便于安装，易于调试，负载大，动作缓慢，精度低，污染大气压驱动结构简单，重量轻，动作迅速平稳可靠，过载保护性能好，不污染工作环境负载较低，需要气源电动驱动结构简单，安装方便，自身重量轻负载较低，需要电源本设计选择电动驱动3 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作 对机械手相关专业知识了解不足，通过学习相关资料补充不足。参数的计算确定将是本课题的难点，但我会通过学习，秉着踏实、细致、认真的态度完成本课题的设计。已展开的工作包括大量阅读参考文献，了解机械手的组成、原理等相关知识，搞清机械手设计步骤、过程以及将要面临的几大工作重点及难点。 4 完成本课题的工作方案及进度计划 13周：调研并收集资料。 36周：确定设计方案和整体结构特点。 711周：完成结构设计计算。 1215周：完成机械手结构设计的总装配图。 1618周：完成论文撰写，准备答辩。 毕业设计（论文）的工作量要求：毕业设计论文一篇，不少于10000字； （1）实验（时数）或实习（天数）：2周 （2）图纸（幅面和张数）：A0图纸（折合）2张； （3）其他要求：外文翻译不少于3000字，参考文献不少于15篇。 五、指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 六、所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日参考文献1 濮良贵，纪名刚主编，机械设计（第八版），高等教育出版社，2006.52 蔡自兴. 机器人学M. 北京：清华大学出版社，2006. 3 宋伟刚. 机器人机械系统原理、理论方法和算法M. 沈阳：东北大学出版社，2001.4 李建勇. 机电一体化技术M. 北京：机械工业出版社，2005. 5 刘杰等. 机电一体化系统设计M. 沈阳：东北大学出版社，1997.6 潘霈霖、杨宏、高波、吴伟光.哈尔滨工业大学学报.第26卷 第4期.1994.7李允文.工业机械手设计.机械工业出版社.1996.48韩秋实主编.机械制造技术基础(第二版)M.北京.机械工业出版社,20049范印越.机器人技术.北京:电子工业出版社.198810毕胜.国内外工业机器人的发展现状J.机械工程师,2008(7):5一711 孙立宁.机器人技术国内外发展状况J .国内外机电一体化技术，2002(4):29- 41.12潘霈霖，吴伟光等.机器人挠性手臂的结构与设计.哈尔滨工业大学学报.199113李建藩，气压传动系统动力学.广东：华南理工大学出版社，199114余达太，马香峰等著.工业机器人应用工程.北京：冶金工业出版社，199915马香峰.工业机器人的操作机设计.北京：冶金工业出版社199616Tsunco Yoshikan.Manipulability of Robotic Mechenisms. The International of Robotic Research.1985.17 Hagen S Neptune: above-ground storage tank inspection robot system C. Proc IEEE International Conf on Robotics and Automation, San Dalifornia,199418JohnJ.Craig,IntroductiontoRoboticsMechanicsandControl,SecondEdition,Addison-Wesley,Reading,MA,1989 8壁面爬行机械手结构设计 摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，同时机械手可以代替人工在特殊环境工作，以完成复杂环境的工作要求。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。本文将设计一台四自由度的工业机械手，用于在核废液储蓄罐内送取焊缝检测器。首先，本文将设计机械手的手爪、大臂、小臂等结构，然后计算所需数据，选择合适的传动方式、驱动方式以及连接方式。从而完成机械手整体的设计，以达到设计要求。关键词：驱动方式；传动方式；机械手 In todays mass manufacturing, the enterprises to improve production efficiency, ensure product quality, generally attaches great importance to the production process automation, industrial robot as an important member of automation production line by enterprise gradually is accepted and adopted. Industrial robot technology level and application level in a certain extent reflects a countrys industrial automation level, at the same time, robots can replace human working in the special environment, to accomplish the complex requirement of working environment. At present, the industrial robot is mainly responsible for welding, spraying, such as transportation and stacking repetitive work and labor intensity greatlyThis paper will design a four degree of freedom of industrial robots, for use in nuclear waste deposit tank send weld detector. First of all, this article will design manipulator gripper, arm, forearm, such as structure, and then calculate the necessary data, choose the right means of transmission, drive mode and connection mode. To complete the manipulator overall design, in order to meet the design requirements. Keywords: drive mode; transmission mode;mechanical arm目 录1 绪论1 1.1 前言和意义1 1.2 工业机械手的简史1 1.3 国内外研究现状和趋势3 1.3.1国外发展现状和趋势3 1.4 本课题背景研究意义42 总体结构6 2.1坐标型式6 2.2驱动形式的选择73 手爪设计11 3.1 手部设计基本要求11 3.2 典型的手部结构12 3.3 机械手手爪的设计计算12 3.3.1选择手爪的类型及夹紧装置12 3.3.2 手爪夹持范围计算14 3.3.4滑动丝杠设计15 3.3.5 直齿轮设计17 3.3.6电机选型184 臂部及腕部设计205 结论256 参考文献26致 谢27 1 绪论1 绪论1.1 前言和意义机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。核工业用壁面爬行遥控检测机器人的主要作用是用于核废液对储蓄罐的腐蚀情况。它在放射性环境中工作，需要一台机械手将其送至罐壁面进行检查工作，待机器人完成检测工作后，再将其从壁面抓去回来。本文将设计一台四自由度折叠式机械手，文中将主要介绍这种机械手的结构设计以及驱动方式。1.2 工业机械手的简史现代工业机械手起源于20世纪50年代初，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构。 1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、30毕业设计（论文）俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到0.1毫米。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。1.3 国内外研究现状和趋势1.3.1国外发展现状和趋势 机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量新产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业要的是将机械 手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。概括如下： a. 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、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。 b. 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。 c. 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决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。 d. 关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； e. 焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。1.3.2国内发展现状和发展趋势我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.4 本课题背景研究意义机械手可以减省工人、提高效率、降低成本、提高产品品质、安全性好。多关节机械手更具有以下优点:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。我国塑料机械已成为机械制造业发展最快的行业之一，年需求量在不断的加大。因此。本课题对四自由度折叠式机械手的研究具有积极的现实意义。2 总体结构2 总体结构2.1坐标型式机械手依结构复杂程度分为直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人和关节型机器人。2.1.1 直角坐标型机器人直角坐标型机器人是最简单的关节型机器人，其通过互相垂直的轴线位移来改变手部的空间位置。手部在空间三个相互垂直的方向X、Y、Z上作直线运动，运动是独立的，如图2.1a所示。它易于实现高定位精度，控制简单，运动直观性强，空间轨迹易于求解，但操作灵活性差，运动的速度较低，操作范围较小。 2.1.2 圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人在水平转台上装有立柱，水平臂可沿立柱上下运动并可在水平方向伸缩，如图2.1b所示。其结构简单，便于几何计算，工作范围较大，运动速度较高，但随着水平臂沿着水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。 2.1.3 球坐标型机器人球坐标型机器人的工作臂不仅可绕垂直轴旋转，还可绕水平轴作俯仰运动，且能沿着手臂轴线作伸缩运动，如图2.1c所示。其操作灵活，结构紧凑，并能扩大机器人的工作空间，但旋转关节反映在末端执行器上的线位移分辨率是一个变量。 2.1.4 关节坐标型机器人关节坐标型机器人主要有立柱、前臂和后臂组成。如图2.1d所示。其全部关节皆为转动型关节，结构紧凑，操作灵活性最好，运动速度较高，操作范围大，所占空间体积小，相对的工作空间最大，还能绕过基座周围的一些障碍，是机器人中使用最多的一种结构形式，但精度受手臂位姿的影响，实现高精度运动较困难。毕业设计（论文）图2.1关节型机器人坐标型式（a)直角坐标型机器人 （b)圆柱坐标型机器人 （c)球坐标型机器人 （d)关节型机器人2.2驱动形式的选择驱动部分是机器人系统的重要组成部分，机器人常用的驱动形式主要有液压驱动、气压驱动、电气驱动三种基本类型。 2.2.1 气压驱动在所有的驱动方式中，气压驱动是最简单的。使用压力通常在0.4一0.6Mpa，最高可达1Mpa。用气压伺服实现高精度是困难的，但在满足精度的场合下，气压驱动在所有的机器人驱动形式中是质量最轻、成本最低的。气压驱动主要优点是气源方便，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，可以在高温、粉尘等恶劣的环境中工作。其缺点是:功率质量比小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高。 2.2.2 液压驱动液压驱动是以高压油作为介质，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高，快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围实现无级调速。但由于压力高，总是存在漏油的危险，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境，所以需要良好的维护，以保证其可靠性。液压驱动比电动机的优越性就是它本身的安全性，由于电动机存在着电弧和引爆的可能性，要求在易爆区域中所带电压不超过9V，但液压系统不存在电弧问题。 2.2.3 电机驱动电机驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。电气驱动是目前机器人是用得最多的一种驱动方式。其特点是易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，驱动力较大，信号监测、传递、处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境，可以采用多种灵活的控制方案。由于本课题所研究的爬行机器人驱动负载小，要求结构简单、定位精度高，所以选用了电机驱动。2.3机械手原则设计机械手设计总的原则有三条：一是手部尽可能覆盖较大空间；二是根据对方态势调整自身姿态；三是以最轻的自身重量达到合理的最大负载能力。2.4自由度机械手的设计其实是模仿人臂的功能为基础，再根据实际应用情况进行具体设计处理。人臂的肩、肘和腕关节共有六个自由度，其中大臂和腕部能做两个方向的摆动，小臂能做一个方向的摆动和有限的转动。本设计引入运载车，以使机械手能在罐内移动，可以省略其肩部和腕部的横向移动运动，故本设计只需四个自由度即可，满足课题要求。机械手工作方式如图2.2所示。图2.2机械手工作方式示意图2.5本机械手设计参数夹持对象：焊缝检测器，形状为矩形。检测器最小尺寸：200*100*30 mm3重量1.0kg 检测器最大尺寸： 300*200*100 mm3重量2.0kg 机械手类型：关节坐标式 机械手总高：1000mm 机械手最大回转角度：360 机械手自由度：4 自由度2.6机械手结构原理本机械手原理简图如图2.3所示图2.3机械手结构原理简图2.7机械手整体结构及工作方式说明 机械手三维图如图2.4所示。灰色部分为运载小车。两个绿色的部分为小臂和大臂（与小车相连的是大臂，与手爪相连的是小臂）大臂和小车相连部分装了一个紫色的电机，它是大臂旋转的动力源（机构第一个自由度）大臂和小臂相连的部分也装了一个紫色的电机，它是小臂旋转的动力源（机构第二个自由度）小臂和手爪连接部分的那个紫色的电机是手腕的动力源（机构第三个自由度）底部透明部分为齿轮室，它有两个作用：第一，保护齿轮正常运转；第二，齿轮室的侧壁上面开有小孔，用来和连接板相连紫色部分为手爪电机，是手爪的动力源下方有两个齿轮是配合在一起的蓝色部分为丝杆，土黄色部分为推杆和拉杆灰色部分为丝杆螺套，它的作用有两个：第一，把丝杆和推杆连接起来；第二，丝杆转动时，会带动丝杆螺套在竖直方向运动，因为丝杆螺套与推杆是固定在一起的，这时候就会带动推杆进行竖直方向的运动，从而使推杆上方连接的两个拉杆开合黑色部分为工作块，其上装有红色的橡胶夹块，它们会在拉杆的作用下进行水平方向的移动，从而完成对实物的夹持图2.4机械手三维图3 手爪设计3 手爪设计手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构多种多样，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而定的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持和吸附两大类。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件。一般情况下，多采用两个手指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的、气动的和电动的等几种形式。常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或放松。 夹钳式手指一般分为平移型和回转型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适合夹持平板、方料。但这种手指结构比较复杂、体积大，要求加工精度高。回转型手指的张开闭合靠手指根部（以枢轴支点为中心）的回转运动来完成。枢轴支点为一个的，称为单支点回转型，为两个的，称为双支点回转型。这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位偏差。3.1 手部设计基本要求 a. 应具有适当的夹紧力和驱动力。手指握力（加紧力）大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏夹持物；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑夹持物重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和震动，以保证夹持安全可靠。面对手部驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。 b. 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）或开闭距离（对平移型手指从张开到闭合的直线距离），以便于抓取或退出工件。 c. 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。 d. 应保证被夹持物在手指内的夹持精度。应保证每个被夹持的工件，在手指内部都有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类的复杂工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。毕业设计（论文） e. 应考虑通用性和特殊要求。一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法，如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。3.2 典型的手部结构 a. 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。 b. 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。 c.平面平移型。3.3 机械手手爪的设计计算3.3.1选择手爪的类型及夹紧装置本设计是设计抓取矩形物体的机械手。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板和圆柱类材料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差为零。通过综合考虑，本设计选择移动型手爪，采用丝杠螺母这种传动结构方式，具体结构如图3.1（三维图）3.2（二维图）所示。图3.1机械手手爪三维图运行方式为电机带动直齿轮使丝杠转动继而带动手爪接触块移动，从而形成手爪的张合，当手爪抓到零件时，电机停止，手爪形成自锁，带动零件移动。图3.2 手爪二维结构图3.3.2 手爪夹持范围计算 手爪的夹持部分为由两跟拉杆控制的工作块完成，而两个工作块上又分别安装了四个橡胶夹块，橡胶具有弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳等特点（见图3.3）图3.3 手爪橡胶下面对夹块的夹持范围进行校核：在图3.1所示中，手爪推杆处于最低位置，即夹块处于夹持最小距离，可按下式计算（3.1）。 (3.1)其中：L为拉杆长度，为推杆处于最低位置时拉杆与上盖的夹角，a为工作块厚度，b为夹块厚度。当两根拉杆处于水平位置时，夹块处于夹持最大距离，按下式计算（3.2）。 (3.2) 显然，工作块的夹持范围满足系统要求。3.3.3夹紧力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的加紧力可按公式（3.3）计算 （3.3）式中：安全系数，通常1.2-2.0；本设计取=2 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式（3.4）估算 (3.4)（其中a为重力方向的最大上升加速度）；运载时工件最大上升速度 t响系统达到最高速度的时间，一般选取0.03-0.5s 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择 可按下式（3.5）计算 （3.5）式中f=0.20.3，本设计取0.2，则=2.5G被抓取工件所受重力（N)本设计采用的参数值如下： =2；=1+(）/10=1.2 ；=2.5；G=20N 故得： FN=21.22.520=120N 3.3.4滑动丝杠设计设计条件：需自锁丝杠长度：140mm 最大质量共计约1100g。丝杠载荷：丝杠竖直时承受最大轴向力，G=mg (g取10N/kg)。设计计算：（1） 牙型、材料和许用应力采用梯形单头螺纹螺杆材料选45钢，调制处理，由机械手册查表可得许用拉应力按下式（3.6）计算 （3.6）手爪部分为轻载，螺母材料选耐磨铸铁。由机械手册查表可得许用弯曲应力， 取 ；许用剪应力由机械手册查表可得许用压强，取（2） 按耐磨性计算螺杆中径由表中公式（3.7）知， （3.7）采用整体螺母式，取，由GB/T 5796.3-1986，可选，的梯形螺纹、中等精度。螺杆左右两端分别采用不同的旋向，螺旋副标记分别为：，。螺母高度，取则螺纹圈数圈（3） 自锁性验算由于单头螺纹，导程，故螺纹升角可按下式（3.8）计算，为 （3.8）由机械手册查表可得钢和耐磨铸铁的，取，可得 （3.9），故自锁可靠。（4） 螺杆强度校核由机械手册查表可得，螺纹摩擦力矩按下式（3.10）计算， （3.10）代入以下公式（3.11）得 （3.11）（5） 螺母螺纹强度校核因螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹强度即可。由机械手册查表可得牙根宽度：，基本牙高：代入以下中的公式（3.12）（3.13）得 （3.12） （3.13）（6） 横向振动校核对于钢制螺杆可按下式（3.14）计算 （3.14）应满足转速（7） 效率由回转运动转化为直线运动时按下式（3.15）计算 （3.15）效率取为3.3.5 直齿轮设计支持轮具体参数如表（表3.1）所示表3.1 直齿轮参数表项 目符号齿轮1单位单位齿 轮2 单位几何参数：齿数 Z2025法 向 模 数 m n3毫米法 向 压 力 角 n20度有 效 齿 宽 b12毫米齿 顶 高 系 数 ha*1顶 隙 系 数 c*0.25中 心 距 a67.5毫米分 度 圆 直 径 d60毫米75毫米转 速n3500r / min2800r / min3.3.6电机选型计算条件：空行程最长，夹紧时间不超过1.2s螺母移动平均速度（3.16）， （3.16）丝杠的平均转速摩擦转矩按下式（3.17）（3.18）计算（3.17） （3.18） 则按下式（3.19）计算 （3.19）选用转速为的直流电机，速比齿轮传动效率、滑动螺旋传动效率总效率电机轴驱动转矩按式（3.20）计算： （3.20）电机轴输出功率按式（3.21）计算： （3.21）电机选用40ZY-02直流电动机。4 臂部及腕部设计4 臂部及腕部设计手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括 3 个运动：伸缩、回转和升降。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备 3 个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。机身是直接支承和驱动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等驱动装置或传动部件都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的结构和受力情况就越复杂。机身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地而成架空轨道运动。4.1 臂部设计的基本要求臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取质量、动作自由度、运动精度等因素来确定。同时设计时必须考虑到手臂的受力情况，油（气）缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此臂部设计一般要注意以下要求。 a. 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻对于机械手臂部的承载能力，通常取决于刚度。一般结构上较多采用悬伸梁式。显然伸缩臂杆的悬伸长度越大，则刚度越差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负载能力影响很大。为提高刚度，除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外，尚应注意以下几项：（1） 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸 臂部和机身通常既受弯曲（而且不仅是一个方向的弯曲），也受扭矩，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。研究表明，在截面面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工字钢和槽钢的惯性距要比圆钢大得多。所以，机械手常用无缝钢管作为导向杆，用工字钢或槽钢作为支撑板，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动机构以及管毕业设计（论文）道，这样就是结构紧凑，外形整齐。（2） 提高支承刚度和合理选择支承间的距离 臂杆或机身的变形量不仅与本身刚度有关，而且与支承件的刚度和支承件间的距离有很大关系。研究表明，当其他条件一定时，如果缩短两支承件间的距离，可减少臂杆的变形量，但必须注意，这并未未考虑支承的变形。当负荷和悬伸长度一定时，支撑件间距离越小，则两支承上受力越大，其弹性变形也越大，此时，支承件的刚度成为影响臂杆变形量的主要矛盾。 要提高支承刚度，除从支座的结构形状、底板的刚度，以及支座与底板的连接刚度等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度。（3） 合理布置作用力的位置和方向 在结构设计时应结合具体受力情况，设法是各作用力引起的变形相互抵消。（4） 注意简化结构 在设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽可能使结构简单，要全面分析各尺寸链，在要求的部位合理确定调整补偿环节，以减少重要部件的间隙，从而提高刚度。（5） 提高配合精度 水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位置精度，使稻香杆承受部分或大部分自重和抓取重量。提高活塞和缸体内经配合精度，以提高手臂前伸时的刚度。 b. 臂部运动速度要高，惯性要小机械手手臂运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般根据节拍的要求来决定。一般情况下，手臂的移动和回转、俯仰都要求匀速运动，但在手臂的起动和终止瞬间，运动是变化的，为减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和震动。 c. 手臂动作应灵活为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦 d. 位置精度要高 一般来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高，关节式机械手的位置最难控制，故精度差；在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好的控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、齿合件的间隙。 除此之外，要求机械手通用性好，能适合多种作业的要求；工艺性哦那个号，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热、冷却；用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。4.2 小臂基本结构小臂的结构主要由一块臂板和驱动电机组合而成。4.3小臂转动部分驱动电机的计算选型小臂转动部分转到最前端的距离为400mm，小臂部分约重3kg则： J= 所以参考选择SM
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号