多自由度液动上下料机械手设计腰、肩与手爪部分设计【仿真动画】（全套含CAD图纸）
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e 10 +35159 +35128 is a on in in of In of is to to a on In to do a to of a of It in of of of 1 is an a in to in an to a o of to a an $ 1998 42 of l. to of on to l of to a to of as as is to is a to as as to of In a of of In in 2 he by in ) is by C i5 to or 98 - to of is by a of of of of is by to of of of . to a 2). To M) of a), B,) R) , in of as of 5) be to V). is l to v) 0) of on to , he to a of in 2. In in a to an as to of a in l a is to e) on of to is as in to to in to an In e) is on xo,yo,it is to of to e (3). of e to of is to , an &). If is it is if is of is In an a mm to or ,.+:? . he of of it it to of by . 43 he in a of of of lm 0 80 is in 4 a of 30m. U it to so it to is to e to n is to , be to ,. to ,. be to of is to as on or in of To to nd . is a 00 he as in in 96 of a ay of 1,3. =g of =0,7 to m,= 1 R=7 Q m=) m b=m v=40 Kg/s ,=s of of =O. 18 m 3 s be 2, V, d,to is is e of as by If is it be e to is in . is to be is by . n be as in 1). In it be of to a V, as a of e as be to a to it at in of as 1) be To of by v.is of 44 0 04 of is to a e. p is to in a as it is it is to by of , a p=200, in in . a AE 5.1 SE 9 mm In of of is . ,. . . . . . a p=200. to by of is to a in to a to in 6. Kp*e+Kd*of Kp d, of in p=200 200. 3 mm AE It is by of an to p d. 200 400 600 000 -0 t) . a PD p=00. ,= 3 mm AE A is is of to in to a of is in in be as a of by an to to to of or . . . . 0 200 400 600 800 1000 . a PD p=400 380. 545 be it in of is II(e). p=200, ,=it to 25 No to D of a of is of a in he be an to it is , PD ID it is to it is on by 4. In a of is 51. e) is he be on . of is a 2D in a to 1 . a D to to of a he of to a in is a in a 6. is . P is or is to e is ce is in is a p is a to on it is 0 of to up to D 0 AE 0 is As as of an to OC to as be in . 0. AE 46 to of of in to a by of a 2 8 a 7 000 it to a a as be in . 4 of of N) it is to of an A PD an is to is up to of D , is in D a a 0s 0m. a PD is or is no of to be ID is to in be D. of is to it is in by or in . to an % P D( 10 (15 7 6 8 8 7 9 7 6 9 6 of OC a to a as as of it is it is to be in of a be be in to in in . be to of OC I ., 1997. o Revi附件 1：外文资料翻译译文 比较控制策略的自主线追踪机器人 摘要 自主移动机器人是一个非常激动人心的领域 ， 特别是对那些参加电子产品课程 的 学生。作者 和 阿维罗大学 的 学生参与了一些在这一领域的活动。特别是，其中一个此类活动是 发明了能够沿着画在地板上直线运动的 机器人。为了 达到 这一效果 ， 一个模拟器已经实施并多次测试了对机器人不同控制方法的影响 。 本文 对 基于 机器人模型和线追踪模拟器 进行了一个简短的描述 。然后 在导致 绝对误差（ 积分误差平方（ ， 易微调和各自代码复杂性方面比较了几种不同 的控制方法。 比较的方 法 :成正比 、 比例微分 、 比例积分导数 、 模糊 、 表为基础的模糊 ， 自我组织唱模糊和神经网络逆模型基础。 1 导言 研发 自主机器人是一个跨学科的活动，因此有很大的教育价值。与此事实上，考虑到作者一直支持阿维罗大学学生小组参加每年一度 在法国举办 的盛事， 在法国，除了其他的任务，自主移动机器人必须沿着一条线运动。 为了更好地理解的线追踪机器人 的行为 ， 为了 显示学生 们在发明机器人时来自 物理 、 几何 、 电子 、仪表和控制集成 方面综合的科学理念， 作者建立了一个 沿线分布机器人的 分析模型。该模型考虑到一些现实世界的限制，允许 预测 以 电动机 电压为基础的 移动机器人 的运动。 另外，作者所描述的几何形状线追踪过程被用来建立一个模拟器。这 决定了某一机器人的 确定路径以及 该路径和参考路径 之间的关系。 该模拟器是一种宝贵的工具， 在之前研发机器人是能够 比较 不同的控制方法以及不同的传感器布局。这样在实际 制造过程中 可以更好地决定机器人 有关 的物理性质。 下一节本文 将对 机器人模型和模拟器 进行一个简短的描述，在 第 3节 是几种不同 控制 方 法 的 比较， 包括 比例 、 比例微分 、 比例积分微分，模糊，表为基础的模糊，模糊自我组织和神经网络逆模型基础。 在 第 4节 中将提到相关结论包 括一些对正在进行的工作的评论。 2 仿真机器人 器人模型 之前已经 提到 学生们建造 的 机器人的活动通常 很 简单 ，见 （图 1） 。 运动是通过使用两个独立的直流电电动机驱动每一个车轮。差分驱动器用于 控制 机器人。一个或两个额外的连铸机车轮用来保持机器人 的横向稳定 。 与参考路径相比较 机器人的偏差是 通过放置在机器人之前的红外光探测器测量的。 通常情况下，车轮速度 的 闭环控制已 经不再运用 。每个车轮的速度控制 间接地 采用马达电压的。此选项可能会降低性能的跟踪算法但简化了最后的调整。请记住，闭环速度控制方向盘使用将需要调整两个额外 的独立循环。图 1， 基本 机器人 。 图 1 基本机器人 这些特点已用于计算模型线追踪机器人（图 2 ） 。 为了进一步 提高 准确性 ，该模型在 惯性（质量（ M） 和转动惯量（ j ），摩擦系数（ 平移 （ 旋转（ B）运动） ， 电动马达参数（电阻（ R ）和 电机常数（ ，额外的 噪声（ 在 传感器 中读取 ）和机器人 的 物理限制，如线传感器（ 5） 的长度 和可用于电机（ 大电压 。该 模型 l描述并且计算电压应用电动机为基础的机器人的线性度（ v）和角速度（ 0)。 追踪模拟器 上文 已经 提到 机器人模型与 几何分析线追 踪 问题是相辅相成的 。这个问题属于一般路径跟踪问题 在众多文献 2中已经被解决 。 特别是， 本文呈现的该 模拟器 用 被动的方式来跟踪未知 的 线 的 方法 与之 前计划的 跟 踪路径 相反。 因此， 这是事先得知。 图 2 机器人模型 几何分析还表明，可根据目前的偏差 、 车轮速度和 机器人相对于线的 角度位置 来 计算出未来偏离线（ e）。该机器人是用来作为参考。然而，为了更好地界定参考轨迹和想象的机器人轨迹，另一种模式是建立在该机器人的位置 基础上而做出 一个绝对的参考。 在这几何模型基 中 ， 机器人 偏离线 （ e） 可根据 机器人绝对位置和车轮的速度 来计算 。 知道 机器人的位置（坐标 X,Y,Z） 是有可能计算相交的传感器阵列与线（ ， 然后可以计算出偏差 e（图 3 ） 。 由此 可以得出机 器 人位移的轨迹 图 3 线追踪几何模型 在一个无限小的时间间隔来计算机器人位移 。 如果这个区间保持足够小则是不相关的，如果直线运动是分开考虑的 ,那 角运动和其中 那 些是 要 首先考虑 的。在实验进行 时 ，这样的一个区间 里 轨迹点 以 每 5毫米计算是小到足以获得同样的轨迹 ，不管 是角或直线运动 都会 被 首先考虑 。 几何模型可以参考线组成的直线段和圆弧的周长一个接一 个 加入 。 虽然它似乎 有 限制，它允许创建几乎任何种类的轨迹顺利通过使用不同的圆弧半径。图 2 为 该机器人模型 。 考路径 该模拟是 在 由直线段与弧线交错的 围成 的弧形 90 或 180 孔一起插入纸的直片段所组成的参考路径。 这种路径 在 图 4中所描述 ，总长度约 30米 。 图 4 参考路径 器人 参数 在 5月的这一年 ， 阿维罗大 学以本文模拟为基础的 机器人 为 代表 参加在法国堡贝尔纳 的 1996年的国际移动机器人锦标赛 。 根据 1,3的 详细资料，下面的参数 为： 重量 M = 斤 转动惯量 J = 克 马达最大可用电压 = 电机参数（ R= 7 欧姆 和 ） 车轮直径 车轮之间的距离 b = 线性运动摩擦系数 0kg/s 角运动摩擦系数 g. /s 类型传感器阵列 宽度传感器阵列 S=18米 3 比较控制策略 可以 图 看出，机器人模型有两个投入 ， V 和 驱动电动机。然而，只有一个错误的信号是偏差的机器人 将通过传感器经 参考路径 传送 。如果机器人总是向前推进，可以看出，任何控制 方法 ，将减少使机器人回 到参考路径。 由于差动电压是一个确定的角运动的机器人 的 ，让它改变方向，使之收敛的路线，一个简单的可能性是使用电子邮件直接控制 为最终目的是为实现最高速度的参考路径 ， 平均电压 V， 可以设置为最大值 。 然而，实际的电压适用于马达的驱动器是有限的。反映了修正到平均收益率差电压变风量和 将真正提供给机器人模型。 此外，产出的传感器功能被损坏 和 加性噪声 。 这噪声允许这些缺陷影响线路或地板，电器干扰传感器的读数和有限精度。为了便于比较，噪音载体，保持同对所有运行从开始到终结点。 控制是数字化 ，采样周期为 100毫秒。 完整的控制系统图 5。 那个参考输入的路径进行跟踪。错误信号是偏差宣读的传感器阵列。 图 5 完整的控制系统 在这种简单的模式控制功能可书面表达 。 在非常快的机器人 中 ， 有兴趣的也可以 使用 如，这可以用来减慢机器人，同时描述了曲线和加快沿直线部分。然而，机器人通常都建不是非常快 ， 运行不到 语。因此， 在 本文其余的简单的办法在（ 1 ）中 将被用于 。 要比较性能的每一个控制方法两项主要措施已使用的整体绝对误差（ 积分 误差平方（ ，综合沿着充分参考路径。其他两个措施也被使用时，机器人 将达到 最大绝对误差（ 和平均时速 。 例控制 最简单的形式的控制是使用比例 e 控制功能产生 。 虽然简单，这种方法提出了几个问题。 正 如这一点最 大价 值为 是很难找到（需要许多 判断 ）特别是在非线性系统 。 另外，它能够提供的相对较 少 最佳的性能，因为它无法弥补的滞后所造成的机器人惯性。 为充分参考路径图 4,使用比例控制 200 ，造成偏差情节描述见图 6。 注意典型的振荡起因于与简单的比例的方法一起获得比较 差的控制。 图 6 使用 00控制比例 附件 2：外文原文 本科生毕业论文（设计）中期报告 （学生用表） （使用届别： 2008 届） 学号 姓名 院 (系 ) 工程学院 专业 机械设计制造及 其自动化 课题名称 多 自由度 液动 上下料机械手设计 腰、肩与手爪部分 指导 教师 简述开题 以来所做 的具体工 作和取得 的进展或 成果 1 通过 学校图书馆 ， 互联网 查找相关机器人的研究现状、发展 状况 与机器人研究的最新成果 的相关信息； 2 详细 查找并阅读关于机械手的资料，进一步掌握机械手的知识， 了解机械手工作 原理、结构和设计过程中应考虑到的问题，同时 参考导师的意见与具体设计要求，确定 机械手总体设计方案 ； 3 对 选用方案的主要技术难点与关键技术 进行分析， 解决 了其中的难点； 4 完成 对机械手各机构所需要力、力矩等进行了计算， 并确定各个部件的结构方案与驱动缸的设计和 选择，并对重要的部件进行了强度校核 ； 5 初步画出 机身 装配图 及部分零件图 ； 6 开始撰写设计说明书。 存在的 具体问题 1 对于有些复杂的零件，难以求出它的转动惯距 ，只能进行估算 ； 2 控制系统的仿真，对系统的分析所发现问题还未解决； 3 机身运动控制原理尚未完成具体分析； 下一步工 作具体设 想与安排 1 加强与指导老师讨论，解决各个难点问题； 2 继续查找相关的资料，完成相应的计算 ， 完成未画完的装配图、零件图， 完成各部件的设计后对总体设计作分析。 3 利用三维软件制作机械手动画演示； 4 撰写毕业设计说明书。 指导教师 意见 指导教师签名： 年 月 日 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 本科生毕业设计 多自由度液动上下料机械手设计 腰、肩与手爪部分 生姓名 所在专业 所在班级 申请学位 指导教师 副指导教师 答辩时间 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 目 录 目 录 设计总说明 . I . 绪论 . 1 题的来源分 析 . 1 业机器人国内外发展状况、发展水平与存在问题 . 1 设计的目的和意义 . 2 设计的主要内容及其任务要求 . 3 2 机械手的总体设计 . 4 定基本技术参数 . 4 械手机构类型的选择 . 4 定负载 . 4 作范围 . 5 动方案的设计 . 5 制系统的选择 . 5 械手的主要参数列表 . 6 械手运动学分析 . 6 述 . 6 械手运动学方程的建立 . 6 杆坐标系的确定 . 7 动矩阵的建立 . 8 械手的运动过程分析 . 9 3 机械手部件设计 . 11 身升降机构设计 . 11 身垂直升降运动驱动力的计算 . 11 降缸的设计 . 13 身回转机构设计 . 16 身回转运动驱动力矩的计算 . 16 转缸设计 . 16 爪机构的设计 . 18 爪的形状和分类 . 18 计时应考虑的问题 . 18 爪夹紧缸的设计 . 19 4 液压系统设计及其系统分析 . 23 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 目 录 压系统设计 . 23 身伺服液压控制系统动态参数的计算 . 24 定升降缸的控制系统传递函数 . 24 降缸的液压油路稳定性分析 . 25 5 机械手的控制设计 . 28 制器的选择 . 28 制系统的特点及对控制功能的基本要求 . 28 编程序控制器的使用步骤 . 29 编程序控制器控制方案及工作过程 . 29 统简介 . 29 制系统的总体设计 . 30 械手的工作流程 . 30 6 机身主要部位强度较核 . 33 转缸轴的强度较核 . 33 转缸轴选用轴承的强度较核 . 33 7 机械手运行时应采取的安全措施 . 35 全要求 . 35 施方法 . 35 结 论 . 37 鸣 谢 . 38 参考文献 . 39 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 目 录 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 目 录 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 目 录 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 目 录 设计总说明 I 设计总说明 随着技术的发展与进步，机械手在工业现场中的应用也越来越广泛，它可以有效提高劳动生产率、产品质量和经济效益，减轻工人劳动强度。本文由此对四自由度的棒料液压搬运机械手进行了设计。 所设计机械手属于圆柱坐标型机械手，有四个自由度：一个是平移，一个是升降运动，另两个是回转运动。根据机械手的工作要求和特点，进行了机械手的总体设计，确定了机械手的技术参数，拟定了机械手的各机构的传动方案， 对机械手的机身结构及 手爪结构进行了详细的设计， 合理布置了机身液压直缸、回转缸及手爪夹紧缸的位置，确定了各液压缸的参数，并对其活塞杆进行了稳定的校核，设计出了机械手的液压系统，绘制了机械手的液压系统工作原理图，同时 对机械手的机身主要部位进行了强度校核 。最后机械手在运行时的安全措施按国家的规范进行设计，并保证安 全可靠，安全生产。该机械手以 5 以下且小于 75圆柱体棒状物料为搬运对象，由液压伺服系统驱动，在可编程控制器控制下将物料搬运到指定地点。 关键词： 机械手；圆 柱坐标；机身；手爪；液压系统 I of of in s is in to to of is is to of a of of a in of of a of he of to of of s a of of in to to to is KG is 5it to by is by 东海洋大学 2008 届本科生毕业设计 1 多自由度液动上下料机械手设计 腰、肩与手爪部分 专业：机械设计制造及其自动化 学号： 200410211433 姓名：钟志强 指导教师： 俞国燕 1 绪论 题的来源分析 本题目来源于生产实际，由于在轴类零件精锻自动生产线上，将加热后的坯料从运输上取下搬运到立式精锻机上，手工搬运效率低，操作环境差，而且对操作员技术人身安全的构成危险，因此采用机械手技术，实现搬运操作的柔性自动化， 以提高生产效率。而且，现在对许多锻件的精度和速度等提出越来越高的要求，一般工人难以胜任这一工作。因此，搬运过程的完全自动化已成为重要的研究课题。其中，十分重要的就是要应用搬运机械手。 业机器人国内外发展状况、发展水平与存在问题 机械手又名工业机器人，国内外机器人领域发展近几年有如下几个趋势 a. 工业机器人性能不断提高，而单机价格不断下降。 b. 机械结构向模块化、可重构化发展。 c. 工业机器人控制系统向基于 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、易操作性和可维护性。 d. 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环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 e. 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真预演发展到用于过程控制。 f. 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是治理于操作者于机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操 作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。 g. 机器人化机械开始兴起。 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 “七广东海洋大学 2008 届本科生毕业设计 2 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。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、模块化设计，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遥控机器人， 6000m 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、声觉、触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。 从机器人的应用与发展来看，在很多方面工业机器人代替人力劳动已是必然的趋势 ，工业机器人将来必定有广阔的发展前景。 设计的目的和意义 机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的主要标志之一。机械工业肩负着为国民经济各个部门提供技术装备和促进技术改造的重要任务，在现代化建设的进程中起着主导和决定性的作用。 在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。广泛采用工业机器人，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。 通过大量设计制造和广泛使用的各种各样先进的机器，就能大大加强促进国 民经济发展的力度，加速我国的社会主义现代化建设。而本液压搬运机械手的设计的出发点就是为了提高劳动广东海洋大学 2008 届本科生毕业设计 3 生产率、产品质量和经济效益，减轻工人劳动强度而设计的。 设计的主要内容及其任务要求 设计内容：本毕业设计要求学生掌握机械手的结构及工作原理，实现机械手的上升、下移、左移、右移抓紧和放松等多个自由度，要求所设计机械手能抓取一定质量的圆筒类工件，并在规定条件下完成圆筒类工件的上下料工作。 具体任务要求： 1）能顺利完成从初始点到指定点的动作。 2）所抓取物件的质量为 5械手手爪包括在内）。 3）达到要求的具体工 作精度要求。 其主要任务包括机械手的总体设计、型式选择、基本参数确定、总体布置与主要结构设计。 广东海洋大学 2008 届本科生毕业设计 4 2 机械手的总体设计 定基本技术参数 械手机构类型的选择 为实现总体机构在空间的位置提供的 6 个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题可以将其设计成以下五种方案： a 圆柱坐标型 这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。 b 直角坐标型 直角坐标型机械手 ，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性较差。 c 球坐标型 又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。 d 关节型 关节型又称回转坐标型，这种机械手的手臂与人体上肢类似，其前三 个关节都是回转关节，这种机械手一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠进机座的物体。 e 平面关节型 采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的同转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简 单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。 对以上五种方案进行比较：方案二体积大，灵活性差；方案三结构复杂；方案五无法实现本课题的动作。方案四所占空间少，工作空间少范围大，动作灵活，工艺操作精度高，但价格比较昂贵。结合本课题综合考虑决定采用方案一：圆柱坐标型机械手基础满足生产要求，而且价格相对较低，适合于上下料这种对精度要求不高的工作。 定负载 目前，国内外使用的机械手中，其负载能力的范围很大，最小的额定负载在 5N 以下，最大可达 9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机械手各运动方向作用 于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机械手末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和在广东海洋大学 2008 届本科生毕业设计 5 规定速度和加速度条件下，产生的惯性力矩。本课题的任务要求是保证手腕部能承受的最大载荷是 5 作范围 机械手的工作范围是根据机械手作业过程中的操作范围和运动的轨迹来确定的 ,用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机械手的机械结构坐标型式、自由度数的选择。 动方案的设计 圆柱坐标型机械手本体驱动系统包括驱动器和传动机构，它们常和执行机构联成一体，驱动臂杆和载荷完成指定的运动。通常的机械手驱动方式有以下三种 : a 电力驱动：它按照电机的工作原理不同分为步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。但由于采用开环控制，无误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大时会造成“失步”现象。直流伺服电机：它具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点。交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运动可靠，使用维修方便，但价格相对贵一些。 b 气压驱动：气压驱动的压缩空气粘度小，容易达到高速。但它的元件工作压力低，若 要获得较大的出力，其结构就要相对增大。且空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难。所以，气压驱动适合于节拍快、负载小且精度要求不高的场合 c 液压驱动 ：它是由高精度的缸体和活塞一起完成的。活塞和缸体采用滑动配合，压力油从液压缸的一端进入，把活塞推向液压缸的另一端，调节液压缸内部活塞两端的液体压力和进入液压缸的油量即可控制活塞的运动。液压驱动具有较大的功率体积比，适合于大负载的情形。液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度。并且，采用油液做介质，具有防锈性和自润 滑性能，提高机械效率，增长使用寿命。 常用的驱动器有电机和液压、气动驱动装置等。其中考虑到液压传动系统具有体积较小，容易获得较大的推力和转矩，力、运动速度和方向都比较容易控制，并且工作平稳可靠，位置精度高，使用寿命长等优点。因此，本课题的机械手将采用液压驱动方式。 制系统的选择 考虑到机械手的工作特点，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变 序即可实现，非常方便快捷。 广东海洋大学 2008 届本科生毕业设计 6 械手的主要参数列表 1、抓重： 5、自由度数： 4 个自由度 3、坐标型式：圆柱坐标 4、最大工作半径： 1700、手臂最大中心高： 2300、手臂运动参数： 伸缩行程 800缩速度 167mm/s 升降行程 700降速度 167mm/s 回转范围 0 180 回转速度 60/s 7、手腕运动参数 回转范围 180 回转速度 60/s 8、定位方式：行程开关或可调机械挡块 9、定位精度： 0、驱动方式：液压驱动 11、控制方式：点位程序控制 （采用 械手运动学分析 述 机械手是通过各个关节的运动，来实现其末端执行器的位姿变化要求的。因此在进行运动功能设计之前，首先要进行运动学的分析。机械手运动学分析指的是机械手末端操作机的位移分析、速度分析和加速度分析。机械手运动方程也称为位姿方程，是进行机械手的位移分析的基本方程。它的建立和求解是机械手机构学的基本问题之一。机械手是开环空间连杆机构，通过各连杆的相对位置变化、速度变化和加速度变化，可使末端执行部件达到不同的空间位姿，得到不同的速度和加速度，从而完成期望的工作要求。 械手运动学方程 的建立 本设计是一台四自由度圆柱坐标点位控制的液压搬运机械手，四个自由度是手臂的旋转，手臂的升降，手臂的伸缩，手爪的旋转组成。其结构简图（简图中未示意标出手爪转动的自由度）如图 2 广东海洋大学 2008 届本科生毕业设计 7 图 2机械手结构简图 杆坐标系的确定 按 D H 坐标系建立各杆的坐标系如图 2示， 数可以列出在表 2，于是可以求出一个连杆相对于上一连杆的位姿，即变换矩阵 i=1,2, ,n)，因此所有的变换都是相对于动坐标系的，根据“从左到右”的原则，求出机械手最后一个连杆相对于参考坐标系的位置，即 变换矩阵 表 2数表 参数 连杆 i i di i 1 0 0 2 2 0 0 0 0 关节角 i:垂直与关节轴线的平面内，关节轴线 i 的公垂线与关节轴线 i 和 i+1的公垂线之间的夹角。在与 垂直的平面内度量，符号根据右手定则确定。 偏置 关节 i 轴线方向，两个公垂线之间的距离，即关节轴线 i 的公垂线与关节轴线 i 和 i+1 的公垂线之间的距离。沿 正向时为正，反之为负。 连杆长度 个关节轴线 i（ （ i+1） 公垂线的距离。 为正。 连杆扭角 i:两个轴线的夹角，即关节 i 轴线（ 公垂线（ 至关节 i+1轴线（ 转角。符号根据右手法则确定。 广东海洋大学 2008 届本科生毕业设计 8 图 2连杆坐标系 动矩阵的建立 本设计是一个圆柱坐标结构的机械手，该机械臂有移动 转动 移动三个连杆，它的工作范围是一个空心圆柱体。由表一和图二可确定关节变量为 2,H 坐标变换矩阵为： 100010000100001),(11001 ra n （ 2 1） 100000100000)2,()0,(),(2222222112o r a n o （ 2 2） 000010000100001),(33223 ra n （ 2 3） 广东海洋大学 2008 届本科生毕业设计 9 1000010000012222120102 （ 2 4） 100000100023222322231213 （ 2 5） 运动学方程为： 10000100012322232223120103 （ 2 6） i=1， 2， 3） 械手的运动过程分析 机械手的运动过程中各动作如图 2表 2示： 图 2械手的工作流程图 表 2械手的工作步骤 机械手开机，处于 A 点 工步一 手臂左转至 B 点 工步二 定位缸插销定位 工步三，工步十一 手臂下降 工步四 广东海洋大学 2008 届本科生毕业设计 10 手腕逆时针转动 90 工步五 手臂伸长 工步六，工步十三 夹紧坯料 工步七 手臂收缩 工步八，工步十五 手臂上升 工步九 手臂右转至 A 点 工步十 手腕顺时针转动 90 工步十二 放松坯料 工步十四 实现运动过程中的各工步是由机械手的控制系统和各种行程开关或可调机械挡块等来实现的，这里尤其要强调的是机械手对坯料的定位夹紧的准确性，这是本课题成败之关键所在。 广东海洋大学 2008 届本科生毕业设计 11 3 机械手部件设计 身升降机构设计 身垂直升降运动驱动力的计算 机身做垂直运动时，除克服摩擦力之 外，还要克服机身自身运动部件的重力和其承受的手臂、手腕、手部、工件等总中立以及升降运动的全部部件惯性力，故其驱动力按下式计算： （ 3 1） 式中：各支承处的摩擦力（ N）；g F 启动时总惯性力（ N）； W 运动部件的总重力（ N）； 上升 时为正，下降时为负。 其中 a （ 3 2） 式中： M 移动部件的总重量（）， a 启动过程中的平均加速度（ m/而平均加速度可按下式计算：（ 3 3） 式中： v 速度增量（ m/s）。如果臂部从静止状态加速到工作速度 v 时，则这个过程的速度变化量就等于臂部的工作速度。 t 升降速过程所用时间（ s），一般为 在本设计中选取 t = v =s。所以：= 移动部件的总重量 M 约为 200 。 所以： a=200 移动部件的总质量 W=00 960 N （重力加速度 g 取 9.8 m/而各支承处的摩擦力 大小则需由机械手的手臂偏重矩求出。故先算机身的偏重力矩，其求解如图 3 广东海洋大学 2008 届本科生毕业设计 12 图 3偏重力矩示意图 由图看出偏重力矩是指臂部全部零部件与工件的总重量对机身回转轴的静力矩。当手臂悬伸最大行程时，其偏重力矩最大，故偏置力矩应按悬伸最大行程、最大抓重时进行计算。 所以偏重力臂大小为： i 此参数来自于由 软件对机械手零件装配后分析得出 式中： 零部件及工件的重量（ N）， 零部件及工件等的重心到机身回转轴的距离（ m）。 偏重力矩为： 1 L （ 3 4） 式中： 手臂及工件等的总重量约为 1176（ N）。 所以：偏重力矩为 1 L=1176 N m） 根据升降立柱的平衡条件可知： h=L= （ 3 5） 所以： h 式中： h 导套的长度。当机身上升到最大时导套起作用的长度最小为 所以 最大力为： 92 N 而机械手导套和机身的摩擦系数为 设计选取 = 所以摩擦力 392= 所以上升时驱动力： =1960=2150（ N） 下降时驱动力： =1960=N） 由此可知道上升时所需驱动力最大由于有不确定因素存在将其取 最小导套长度 2升降立柱靠自重下降而不引起卡死现象。 广东海洋大学 2008 届本科生毕业设计 13 降缸的设计 升降缸是机械手实现搬运功能的重要部件，其性能的好坏严重影响机械手的运动。根据对驱动力的分析升降缸要输出的最大推力 升加速度最大时所需力最大），其行程为 700液压驱动的机械手所使用的压力在 14间，根据分析本设计的机械手初
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