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摘 要 I 摘 要 本课题是为普通车床配套而设计的上料机械手。工业机械手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，对现实工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要的作用。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，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻了工人的劳动强度，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率、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性 和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更现实其优越性，有着广泛的发展前途。 本课题通过应用 术对机械手进行总体方案设计和液压传动原理设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持手部结构，设计了机械手的手腕结构，设计了机械手的手臂结构。他能实际自动上料运动，上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。 关键词： 机械手 ； 手部设计 ； 结构设计 ； I is is of it is a of of to of or to of of an by of of in is In it be in of of in of of of of of He of to is to 录 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 业机械手概述 . 1 械手的应用性 . 2 械手先进性 . 3 内外研究现状和趋势 . 3 计目的 . 5 题内容和设计要求 . 5 械手的系统工作原理及组成 . 7 2 机械手整体设计方案论证 . 10 械手的整体设计 . 10 械手总体结构类型 . 10 械手的坐标形式与自由度 . 11 计具体采用方案 . 12 械手腰座结构设计 . 13 械手腰座结构设计要求 . 13 计具体采用方案 . 14 械手手臂结构的设计 . 15 械手手臂设计要求 . 15 计具体采用方案 . 16 械手腕部的结构设计 . 16 器人手腕结构的设计要求 . 16 计具体采用方案 . 17 械手末端执行器（手爪）的结构设计 . 18 械手末端执行器的设计要求 . 18 器人夹持器的运动和驱动方式 . 19 目 录 机器人夹持器的典型结构 . 19 计具体采用方案 . 20 械手的机械传动机构的设计 . 20 业机器人传动机构设计应注意的问题 . 20 业机器人常用的传动机构形式 . 21 计具体采用方案 . 24 械手驱动系统的设计 . 25 器人各类驱动系统的特点 . 25 业机器人驱动系统的选择原则 . 25 器人液压驱动系统 . 26 器人气动驱动系统 . 27 器人电动驱动系统 . 29 计具体采用方案 . 31 器人手臂的平衡机构设计 . 31 器人平衡机构的形式 . 31 计具体采用的方案 . 32 械手的主要技术参数 . 32 3 毕业设计感想 . 35 参考文献 . 36 致 谢 . 37 1 绪论 1 1 绪论 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。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已经成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，他更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好的实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类的劳动强度，提高生产力。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的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数 控机床、组合机床上使用更为普遍。把车床设备和机械手组成一个共同的机械加工制造单元，适用于中小批量生产，可以节省庞大的工件运输装置，结构紧凑且实用性强。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十分有意义的。 业机械手概述 机械手首先是从美国开始研制的。 1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺 服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是 1962年美国 司 推 出 的 “ 和 司推出的“ 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和 机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、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。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。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1 绪论 2 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2 3 个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。 气压传动机械手是一压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：介质来源极为方便，输出力小，动作迅速，结 构简单，成本低。但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓中一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下比液压机械手结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 械手的应用性 1、提高生产过程的自动化程度，应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 2、改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有 放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。同时，在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3、减少人力，便于有节奏的生产 应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控 制生产的节拍，便于有节奏地进行生产 1 绪论 3 械手先进性 机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一 (张志献，2002)。生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强度非常大，有时还会出现失误及伤害。显然，这严重影响制约了整个 生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故（杨永清等，2008）。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并且很快已成为现代机械制造生产体系中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科体系 机械手工程。机械手设计到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等很多学科领域，是一门跨学科综合技术。 内外研究现状和趋势 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，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 机械手在未来的发展主要是向着以下四个方面来进行革新： 1重复高精度 重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，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。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，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。 2模块化 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，使机械手动作自如。模块化机械手使同一机械1 绪论 4 手可能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节能化 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”；节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 输出功率在增大，由 接控制线圈变得越来越可能。 国外机械手的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。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。 总之，随着传感技术 的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、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。 随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断扩大。目前，机械手不仅应用于传统制造业，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。 1 绪论 5 计目的 毕业设计是学生完成本科专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业 范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定的意义。 其主要目的： 培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。 培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维。掌握工程设计的一般程序规范和方法。 培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。 培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术员学习的基本工作态度，工作作风和工作 方法。 题内容和设计要求 （一）原始数据及资料 （ 1）原始数据： 100000 件 个自由度） 臂转动 180 臂上下运动 600伸长（收缩） 500部转动 90 （ 2）设计要求： a、上料机械手结构设计图、装配图、各主要零件图（一套） b、设计计算说明书（一份） （ 3）技术要求 主要参数的确定： a、坐标形式：直角坐标系 1 绪论 6 b、臂的运动行程：伸缩运动 500转运动 180。 c、运动速度：使生产率满足生产纲领的要求即可。 d、控制方式：起止 设定位置。 e、定位精度： 3 f、手指握力： 60kg g、驱动方式：液压驱动。 （二）料槽形式及分析动作要求 （ 1）料槽形式 由于工件的形状属于小型回转体，此种形状的零件通常采用自重输送的输料槽 ,如图 1 机械手安装简易图所示，该装置结构简单，不需要其它动力源和特殊装置，所以本课题采用此种输料槽 . 图 1 机械手安装简易图 （ 2）动作要求分析 动作一：手臂伸长（小段距离）至料区 动作二：手爪夹紧 动作三：手臂上升 动作四：手腕旋转 动作五：手臂旋转（对准车床卡料区） 动作六：小臂伸长（至 车床卡料区） 动作七：机座移动（棒料送入卡盘） 动作八：手部松开 1 绪论 7 动作九：小臂缩回 动作十：手腕回转 动作十一：机座移回 动作十二：手臂回转 动作十三：手臂下降 械手的系统工作原理及组成 机械手的系统工作原理框图如图 2 所示。 图 2 机械手的系统工作原理框图 机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在 序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度 和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置 . (一 )执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部 1 绪论 8 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指 (或手爪 )和传力机构所构成。手指 是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔 )和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有 :滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 2、手腕 是连接手部和手臂的部件， 并可用来调整被抓取物件的方位 (即姿势 ) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件 (如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等 )与驱动源 (如液压、气压或电机等 )相配合，以实现手臂的各种运动。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降 (或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 5、机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 (二 )驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。 (三 )控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位 (或机械挡块定位 )系统组成。该机械手采用的是 序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺 序、运动轨迹、运动速度及时间 )，同时按其控制系统的1 绪论 9 信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 (四 )位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。 2 机械手整体设计方案论证 10 2 机械手整体设计方案论证 械手的整体设计 械手总体结构类型 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结 构形式及其相应的特点，分别介绍如下。 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（ m 级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式 ，天车式三种结构。 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图 种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。 球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 节型机器人动作灵活，结 构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。 关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 2 机械手整体设计方案论证 11 图 3 机械手总体结构类型 械手的坐标形式与自由度 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式（图 4）、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于车床上了机械手在上料时手臂具有升降、收缩及回转运动（图 5），因此，采用圆柱坐标式相应的机械手具有三个自由度。 图 4 机械手直角坐 标系 2 机械手整体设计方案论证 12 图 5 机械手手腕转动形式 计具体采用方案 对机械手的基本要求是能快速、准确地拾、放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计机械手的原则是 :充分分析作业对象 (工件 )的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件 ;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求 ;尽量选用定型的标准组件，简化设计制 造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制 图 6 所示），是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。 2 机械手整体设计方案论证 13 图 6 通用车床上料机械手整体结构 械手腰座结构设计 进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。 械手腰座结构设计要求 工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回 转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则： 保证机器人在工作时整体安装的稳定性。 此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。 对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。 ，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。 2 机械手整体设计方案论证 14 整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。 高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。 计具体采用方案 腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸 或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于 100），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的 误差。腰座具体结构如图 7 所示： 图 7 腰座具体结构 2 机械手整体设计方案论证 15 械手手臂结构的设计 按照抓取工件的要求，车床上料机械手的手臂有三个自由度，及手臂的伸缩、左右回转和降（或俯仰）运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动有气缸来实现。 械手手臂设计要求 机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则； 互垂直的轴应尽可能 相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。 作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。 在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料， 通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的 1/4，相当于铝合金的 2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。 减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间 隙调整机构。 对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。 及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。 2 机械手整体设计方案论证 16 计具体采用方案 机械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动。直线运 动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达 30中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。 因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手 臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。 同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。 械手腕部的结构设计 机 器人的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。 器人手腕结构的设计要求 根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增 加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满2 机械手整体设计方案论证 17 足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为2 至 3 个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。 设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机 构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。 此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。 保证力与运动的传递。 减小空回间隙，提高传动精度。 设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。 计具体采用方案 通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的， 3 个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手指结构见图 8。 图 8 车床上料机械手手指 2 机械手整体设计方案论证 18 械手末端执行器（手爪）的结构设计 械手末端执行器的设计要求 机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种 类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。 搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。 加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。 测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。 在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题； 个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们 的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。 抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。 能末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机器人末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实 现机器人多种作业功能，而不主张用一个万能的末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵
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