智能排爆机械手设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 在当今的大规模生产中，企业为了提高自身的生产效率 ,保证产品的质量 ,生产过程 的自动化程度的尤为受到关注 ,机械手自动生产线成为重要的一分子 ,逐渐被企业通过和 采用。技术水平和机械手的应用在一定程度上反映程度一个国家工业自动化水平 ,目前 , 主要承担机械臂焊接、喷涂、处理、存储和劳动强度重复性伟大的工作 ,工作方式一般采 取示教再现的方式。 本文是设计一台五自由度的机械手，主要功能就是排爆。首先，本文会设计机器人 的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后通过选择合适的传动方式、驱动方 式，完成 机器人的结构设计。 关键词： 机械手，驱动，传动，结构 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 致 谢 I n on in r by r to r of , of in I n a of ar m e of r 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 摘 要 . 3 . 目 录 . 第 1 章 绪论 . 4 前言 . 4 智能排爆机器人机械手国内外的研究现状 . 5 外的研究现状 . 5 国内的研究现状 . 2 智能排爆机器人机械手的关键技术 . 3 智能排爆机器人机械手的作用及应用 . 4 第 2 章 总体方案设计 . 5 述 . 5 统组成 . 5 设计内容 . 5 第 3 章 机械手的结构设计 . 7 部机构 . 7 手部设计基本要求 . 7 典 型的手部结构 . 7 机械手手抓的设计计算 . 7 机械手手抓夹持精度的分析计算 . 10 弹簧的设计计算 . 11 部结构的设计 . 12 腕部设计的基本要求 . 12 腕部的结构以及选择 . 13 腕部的设计计算 . 13 向气缸的设计计算与校核 . 17 气缸内径的确定 . 17 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 致 谢 活塞杆直径的确定 . 18 缸筒长度的确定 . 18 气缸筒的壁厚的确定 . 19 气缸耗气量的计算 . 19 活塞杆的校核 . 20 连接与密封 . 20 部 . 20 臂部结构形式 . 21 臂部运动的导向装置 . 22 械手机身的设计计算 . 23 机身回转机构的设计计算 . 25 机身升降机构的计算 . 29 轴承的选择分析 . 31 动方式 . 31 动器及其作用 . 34 总结与展望 . 36 参考文献 . 37 致 谢 . 38 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 1 章 绪论 前言 机器人学是当今世界中极为活跃的领域之一，这门学科是近几十年来飞速发展起来 的。其中包括机械手类，从外形看来，与人的手臂结构是非常相似的，是由一系列刚性 连杆和通过一系列柔性的关节交替而成的结构。而智能排爆机器人，就是一个机械手成 功运用的成功典范。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 排爆机器人 ( 指代替人到不能去或不适宜去的有爆炸、 险等环境中、或进行了排除危险物工作的机器人，是专门用于 搜索、探测、处理各种爆 炸危险品的防暴机器人 。 机械手臂是排爆机器人的执行机构，主要是用于对爆炸物和其它危险物的抓取、搬 运还有放置工作，还有可能是携带武器、辅助工具等，所以对它的要求是能在工作空间 内灵活地到达任意的位置，并且能够顺利完成捏、握、举等动作 。它可代替人的繁重 劳动以实现生产的机械化还有自动化，能在有害环境下操作和保护人身的安全，因而广 泛地应用于机械制造、冶金、电子、轻工、原子能等一些部门。 智能排爆机器人机械手国内外的研究现状 外的研究现 状 在国外，排爆机器人的研究早于国内，发展也比国内迅速，技术更加成熟，并且已 经进入了实用性的阶段，英、美、德、法、加拿大等许多西方国家已广泛在军警部门中 装备使用。 英国 司生产的 一款大型的排爆机器人，它的一些先进的功 能可以满足正在发展的反恐需求，例如，处理核生化装置、扩展的光谱射频遥感测量装 置，可通过线缆操控，也可以通过无线 控，采用全向天线，控制半径能够达到 2体是采用模块化结构的，主要的部件使用强度高、质量轻的钛，大范 围配置并 采用标准配件，优点为结实耐用、维修简单、通用性好、可靠性高 。 ( 美国 司设计的 器人家族中的最新产 品，在设计之中它采用了先进地模块化设计的思想，能够使整机方便、快速拆卸。它具 有 2m 延 长 杆、 履 带 变向 底 盘 ，可 以 无 级调 速 。它 车 身 比较 小 ， 外 形尺 寸 为 10704此能够在大型机械人不能抵达的区域内进行操作。它越障碍能力 非常好，可以跨越 41台和 53宽沟，也不受天气干扰，能在干、湿等各种地 表环境中行走，在爆炸物处理、机场安全、反劫持、核放射、生化场所的检查还有清理 等领域具备很大的应用潜力 。 1 2 4 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 致 谢 国内的研究现状 图 爆机器人 相对于国外，我国在排爆机器人研究的方面起步较晚。目前，国内在该领域进行研 究的主要有中科院沈阳自动化所，北京航空航天大学，上海交通大学，华南理工大学等。 中国科学院沈阳自动所先后研制出了 “灵蜥 A”、 “灵蜥 B”和 “灵蜥 H”等反恐防暴机 器人。 “ 蜥 B”(图 2) 由本体、 动收缆装置、 制台和附件箱四部分组成， 重达 180 是电池电力驱动的，最大直线运动速度是 40 米分钟，采用三段履带设计可以让机器 人上和下楼梯，能跨越 高的障碍，实现了全方位行走，具备较强地面适应能力， 并应用在第十届全国运动会期间。 “灵蜥 H”是该研究所集和州卫富机器人公司研制了反 恐防爆机器人，自重有 200大直线运动速度为 h，可以通过小于 40斜坡、 楼梯，三段履带设计能让机器人平衡地上下楼梯，可以跨越 400高的障碍；装备有 连发霰弹枪、爆炸物销毁器、催泪弹等武器；六个自由度机械手最大伸展时抓重达 5 最大作业高度为 装备便捷操纵盒、自动收线装置、高效电池等； 2005 年 8 月 通过了国家 “863”验收的排爆机器人，采用六个自由度的可伸缩式关节手臂联动的机构， 开发有爆炸物转运箱，可以提高爆炸物的转移速度；车底的爆炸物检测机器人采用了两 节等长履带腿复合型移动机构，有很强的地形的适应能力；其控制系统采用的是 计算机 。 5 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 灵蜥 B 排爆机器人 上海交通大学是我国最早从事于机器人技术研发的高校之一， S 排爆机器 人是 “863”计划项目，是由上海交通大学与北京中泰通公司联合研制，曾在北京参加了 第二届国际警用装备博览会。最近研发 爆机器人 (图 3)，整机质量 250 长 走速度为 ，可跨越 350障碍物或沟壕， 爬 30 40斜坡或楼梯，同时可以 将整体机身抬高了 350臂伸展全长为 5+ 1 自由度三臂杆结构组成 。 图 排爆机器人 华南理工大学的排爆机器人研究室在广东公安厅的支持下，最新研制出了排爆机器 人 ，其控制系统有鲜明特色，除遥控功能之外，它能够在视觉系统的引导下进 行计算可疑目标物的三维坐标，并且控制手爪自动抓取可疑的目标 。 智能排爆机器人机械手的关键技术 机械手是智能排爆机器人的最主要的装置，各种作业的操作基本上都由它完成。对 设计要求为 ：重量轻、结构简单且坚固、尺寸和惯量都尽量小、操作必须灵活。在设计 6 7 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 致 谢 具体结构的时候，应该要根据所要实现的主要功能，选择合适的自由度。在设计过程中， 可以综合考虑两方面因素，以选定最佳的结构设计形式。在确定大臂和小臂长度时，若 两者长度不相同，需要在控制系统中采用比例放大或缩小等办法来使两者终端上的运动 速度和加速度差异减小，以免操作员产生的错误，导致了事故发生。从技术方面来说， 多关节驱动的机械手比较成熟。在设计手爪时，主要应该考虑手爪的多样性、快速更换 要求，根据可疑物品 的结构特征和形状，可以设计成铲抱型、钩爪型、吸附型等。同时， 为机械手结构更简单、灵活性更好，负载能力的设计应该不能过大，机械手的额定负载 在 520右 。 智能排爆机器人机械手的作用及应用 排爆机器人一般具有排除爆炸物、消防、解救人质、搬运、射击、摧毁、爬楼梯等 功能。但此主要针对的是小型的排爆机器人，机器人一般装多台彩色 机用对爆 炸物进行观察，还有一个多自由度的机械手，一般由多个转动、伸缩关节组成，利用手 爪、夹钳可将爆炸物的引信、雷管拧下，运走爆炸物 ，这是排爆机器人很重要的组成部 分。 排爆机器人为机器人中特殊的一类，是为某种特殊应用场合而设计的机器人。排爆 机器人能在危险、对人体有害或无法进入的环境发挥作用。西方国家，恐怖活动是个令 当局头疼的问题。民族矛盾，一些国家的人民受到爆炸物的威胁。恐怖活动的破坏能力 达到了小型战争的标准。美国 “9 1 1”恐怖袭击造成数千人死亡，损失超过了一些小型战 争 。我国的反恐形势日趋严峻，犯罪分子反社会、甚至铤而走险。知识水平的提高使 得犯罪分子具有自制炸药、定时爆炸装置、自制遥控的能力。防爆反恐 机器人成为一种 重要的反恐装备 。 在排爆机器人研制中不可过分地追求先进的技术，应把针对有限目标的实际应用放 在首位。排爆机器人的优势决定了机器人能广泛地应用在一切可能对人员健康，甚至生 命构成威胁的场所 。 第 2 章 总体方案设计 述 毕业设计的目的是要把我们所学的知识综合起来，进行灵活运用。目前的发展趋势 3 8 9 10 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 是机电一体化，所以，我们的毕业设计是让我们将 “机 ”、 “电 ”合并起来。 统组成 机械手系统由机体、运输代理、供电和控制装置四个部分组成。小车和 本体论元器 件组成机体 主传动机构的伸缩臂和把握机构、电源液压传动与机械传动两幅形控制装 置，主要由自动控制和手动控制两部分。 计内容 “机 ”指的是机械，机械手的动作过程分为五部分：机械手的上升和下降、机械手的 前伸和后缩、机械手的加紧和放松、机械手的左转和右转、小车的前进和后退。在这五 部分中我们靠机械完成机械手的上升和下降动作，本课题所做的机械手是采用电动机带 动丝杠、螺母机构来实现手臂的上升和下降。 滚珠螺旋传动是在丝杠、螺母滚道之间放入滚珠，使螺纹之间产生滚动摩擦。滚珠 螺旋传动有以下特点： （ 1）传动效率高：一般的滚珠丝杠副的传动效率达 85% 98%，是滑动丝杠副的 3 4 倍。 （ 2）运动平稳：滚动摩擦系数非常接近常数，启动工作摩擦力矩差别小。启动时 无冲击，低速时候无爬行。 （ 3）能源预紧：预紧后能消除间隙产生过盈，提高了接触刚度和传动精度。同时 增加的摩擦力矩相对较小。 （ 4）工作寿命长：滚珠丝杠螺母副摩擦的表面是高硬度和精度的，具有较长的工 作寿命和精度保持性。 （ 5）定位精度、重复定位精度高：由于滚珠丝杠副摩擦小、无爬行、温升小、无 间隙， 通过预紧、预拉伸的补偿膨胀，可以达到较高的定位精度、重复定位精度。 （ 6）同步性好：同时用几套相同的滚珠丝杠副，传动几个相同的运动部件。能得 到较好的同步运动。 （ 7）可靠性高：润滑密封装置结构比较简单，维修较方便。 （ 8）不自锁：用于垂直运动，要在系统中加自锁或者制动装置。 （ 9）经济性差、成本高：由于结构工艺比较复杂，故制造成本高 经过计算，选择为：电动机型号： ，功率： 杠型号： 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 致 谢 机械手的机械机构为它的执行系统，是机械手进行操作、抓持工件、 进行各种运动 的机械部件。机械部件包括手部，手臂的前后伸缩部分，手臂的上下升降部分腰转部分 以及机座以及行走机构。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 3 章 机械手的结构设计 部机构 手部设计基本要求 （ 1）应当具有适当的夹紧力、驱动力。应考虑到在夹紧力下，不同的传动机构所 需驱动力的大小是不同的。 （ 2）手指应当具有一定的张开范围，手指应具有足够的开闭角度（手指张开到闭 合绕支点转过的角度） ，以便抓取工件。 （ 3）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 的使结构紧凑、重量轻，以便利于减轻手臂的负载。 （ 4）应当保证手抓的夹持精度。 典型的手部结构 （ 1）回转型：滑槽杠杆式、连杆杠杆式。 （ 2）移动型：两手指相对支座作往复的运动。 （ 3）平面平移型。 械手手抓的设计计算 （ 1）选择手抓的类型及夹紧装置 本设计是机械手的设计，考虑所要达到的原始参数：手抓的张合角 = 60 ，夹取 的重量为 10用工业机械手的手部，按照握持工件的原理，可以分为夹持、吸附两 类。吸附式用于抓取工件表面平整或 者面积较大的板状的物体，不适合用在本方案。本 设计机械手应当采用夹持式手指 ,此机械手按运动形式可以分为回转型和平移型， 转型 手指的结构简单 , 适用于夹持平板方料 , 而且工件径向尺寸变化不会影响其轴心位置 , 其理论夹持误差为零。因此选择回转型。 通过考虑，本设计采用二指回转型手抓和滑槽杠杆这种结构。夹紧装置可以选择常 开式夹紧装置，在弹簧的作用下机械手手抓闭和，压力油作用下，弹簧压缩，使机械手 手指张开。 0 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 致 谢 （ 2）手抓的力学分析 下面对基本结构进行力学分析：滑槽杠杆（图 (a) (b) 图 滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1 手指 2 销轴 3 杠杆 在杠杆 3 的作用下，销轴 2 向上拉力为 F，通过销轴中心 O 点，手指 1 的滑槽对销 轴反作用力为 的方向于滑槽的中心线 直并指向 O 点， 交 和 长线于 A、 B。 由 0 得 F 1 F 2 2 F 1 F 1 由 F ) 0 得 F F a 式中 a手指回转支点与对称中心的距离（ . F 由 0 得 F 1 a h b F co s 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 工件夹紧时手指滑槽方向和两回转支点的夹角。 分析可得，驱动力 F 为一定时， 角增大，则握力 F 也增大，但 角的过大会导致拉 杆行程的过大，以及手部结构的增大，因此最好是 30 40 。 （ 3）夹紧力及驱动力的计算 手指夹在工件上的夹紧力，是手部设计的主要依据。必须对方向、大小、作用点进 行分析和计算。需克服工件的重力所产生的静载荷和工件运动的状态变化的惯性力产生 的载荷，以便于工件保持可靠夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可以按照公式计算： K 1 K 2 3 式中 K 1 为安全系数，通常 b t v 为运载时工件的最大上升速度 响 K 3 为方位系数，根据手指和工件位置不 同进行选择。 G 为被抓取工件所受重力（ N）。 表 压缸的工作压力 计算：先设 a=100mm,b=50 0 40 , 机械手达到最高的响应时间为 夹 紧力 F 、驱动力 F 以及驱动液压缸的尺寸。 1 a 作用在活塞上外力 F（ N） 液 压 缸 工 作 压 力 作用在活塞上外力 F（ N） 液 压 缸 工 作 压 力 小于 5000 2000030000 500010000 3000050000 1000020000 50000以上 a K 2 为工作情况系数，主要受到惯性力的影响。可以近似按照下式估算 K 2 1 ， v 其中a 是重力方向的最大的上升加速度； : 1）设 b K 1 1. 2 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 致 谢 根据公式，将已知的条件带入： K 3 1. 1. 2 0. 588 2）根据驱动力公式得： 2 100 449 3）取 0. 5 F 算 50 F （ 0 449 1378 N 1621 4）确定液压缸直径 D 实际 2 2 F 际 4 d ） p 选取活塞杆的直径 d=择液压缸的压力油的工作压力： P 0. 8 1 p (1 0. ) 0. 0 0. 75 根据表 6），选取液压缸的内径为： D 63 m 则活塞杆的内径为 : D 63 0. 31 5 m ，选取 D 32 m 械手手抓夹持精度的分析计算 机械手精度设计的要求：工件的定位准确 ,抓取的精度高 ,重复定位的精度和运动的 稳定性好 ,并且有足够的抓取能 力 。 机械手能否准确地夹持工件，把工件送到指定的位置，不仅仅取决于机械手的定位 精度（由臂部、腕部等运动部件决定），而且也于机械手夹持误差的大小有关。特别是 在多品种中、小批量的生产中，为了适应工件的尺寸在一定的范围内变化，必须进行机 械手的夹持误差的计算。 该设计用棒料来 分析机械手夹持误差的精度。 械手夹持的范围为 80 180 一般夹持额误差不超过 1析如下： 2 F 计算 （ 4 F 实际 2 5 12 90 40 （ 1）工件平均半径： R 65 m 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 l 100 m 2120 手指长 ,取 V 型夹角 （ 2）偏转角 按最佳的偏转角确定： R p 46 计算 R 0 R p l 60 46 l 当 R 0 R R 时，带入有： 2 100 02 R l ( ) 2 l ( ) 2l 0. 78 2 满足夹持误差设计要求。 簧的设计计算 2 选择弹簧压缩条件，用圆柱压缩弹簧。如图 示，计算过程 如下。 （ 1）选择用硅锰弹簧钢，查取许用切应力： 800 （ 2）选择旋绕比为 C=8，则 4 4 6 （ 3）根据安装的空间选择弹簧的中径 D=42算弹簧丝的直径 c 8 8 1 （ 6）最后确定： D 42 m ， d 7 D D d 42 7 35 m ， D 2 D d 42 7 49 m （ 7）对于压缩弹簧的稳定性的验算 对于压缩弹簧，如果长度较大时，则受力之后容易失去稳定性，这在工作中是绝对 D 12 0 R R R 4 0. 15 K 1. 183 D 42 d 5. 5 m F （ 4）试算弹簧丝的直径 d 1. 7 m （ 5）根据变形情况确定弹簧圈有效的圈数： n 2. 6 3 n 3 H 0 74 不允许的。为了避 免这种现象发生，压缩弹簧的长细比为 b 1. 6 ，本设计中 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 致 谢 弹簧是 2 端自由，根据下列选取： 当两端都固定时， ；当其中一端固定，一端自由时， ；当两端都自由 b 5. b 3. 7 转动时， b 2. 。结论中本设计额弹簧 b 1. 6 ，因此弹簧的稳定性合适。 （ 8）疲劳强度和应力强度的验算。 对于在循环次数较多、在变应力下工作中的弹簧，还应该进一步对 弹簧的疲劳强度 以及静应力强度进行验算。 现在因为本设计是在恒定的载荷情况下，所以只需要进行静应力强度验算。 计算公式： 结论：经过校核，弹簧能够适应。 部结构的设计 腕部设计的基本要求 （ 1）力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂最前端，它连同手部的静载荷、动载荷均由臂部来承担。显然，腕部 的结构、重量以及动力载荷，影响着臂部的结构、重量以及运转性能。因此在腕部结构 设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 （ 2）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手执行的机构，又有承担连接、支撑额作用，除保证力和运动的要求， 还要有足够的强度、刚度外，还应该综合考虑，合理额布局，解决好腕部、臂部和手部 之间的连接。 （ 3）必须考虑工作条件 在本设计中，机械手工作条件是在工作的场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境 的影响， 有处在高温、 蚀性的工作介质中， 机械手的腕部没有太多不利的因素 。 S S S S 8 S F 598756479 s S 1. 361 13 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 腕部的结构以及选择 （ 1）典型的腕部结构 1） 具有一个自由度回转驱动的腕部结构。它的优点：结构紧凑、灵活等。 2） 齿条活塞驱动的腕部结构。回转角大于 270时，可采用齿条活塞驱动的腕部结 构。该结构外形尺寸大，适用于悬挂式臂部。 3） 具有两个自由度回转驱动的腕部结构。它使腕部有水平、垂直转动的两个自由 度。 4）机 液结合腕部结构。 （ 2）腕部结构和驱动机构的选择 本设计要求手腕回转 180，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一 个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。 部的设计计算 （ 1）腕部设计考虑的参数 夹取工件的重量 60 ，回转 180。 （ 2）纵向气缸的设计计算和校核： 由设计任务可得，要驱动的负载大小为 100虑到气缸未加载时实际所能输出 的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响，并考虑到 机械爪的质量。在研究气缸的性能和确定气缸的缸径时，常用到负载率 ： 气缸的理论负载 由液压与气压传动技术表 表 气缸的运动状态与负载率 运 动 的 速度 v=3m/0mm/s ，取 =所 以 实际 的 液压 缸 负载 的 大小 为： F=性负载（静负载） 惯性负载的运动速度 v 100 s 100 500 m / s 500 s 0. 0. 5 0. 0. 气缸的实际负载 00 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 致 谢 （ 3）气缸内径的确定 表 气缸内径确定公式 缸 径 项目 双 作 用 气 缸 推力 F 拉力 F o D 1. 3 D 1. 7 P F a P 计算公 式 D (1 . 3 1. D (1 . 3 1. 5 P F a P D=F 为气缸的输出拉力 N； P 为气缸的工作压力 按照 2348 1993 标准进行圆整，取 D=80 表 缸缸径尺寸系列 4 （ 4）活塞杆直径的确定 由 d=估取活塞杆的直径 d=25 表 活塞杆直径系列 （ 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 （ 5）缸筒长度的确定 缸筒的长度 S=L+B+30， L 为活塞的行程， B 为活塞额厚度： 活塞的厚度 B=(= 6 于气缸的行程 L=800所以 S=L+B+30=886 导向套滑动面的长度 A: 一般导向套滑动面的长度 A， , 可 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （ 90） 100 （ 110） 125 （ 140） 160 （ 180） 200 （ 220） 250 320 400 500 630 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320