高楼救援机器人救援机械手爪部分设计.doc

高楼救援机器人救援机械手爪部分设计摘 要随着人们生活质量的不断改善，市民对居住环境的要求也在不断提高，除地段、户型、生活配套设施之外，“环境和安全”也已成为目前理性购房者的重要选择，其中不仅包括绿化、治安、物业管理等“软件”环境，楼盘质量、抗震能力、防御火灾等突发事件的“硬件”设施，更是人们高度关注的重点。目前我国消防应急救援能力与高层建筑的快速发展严重失衡，已经成为制约高楼火灾有效扑救和救援逃生的致命缺陷。无数火灾事故教训表明，即使是这些装备及时赶到火警现场，往往因上述原因而不能正常发挥应有的功效，出现局面失控而使消防人员束手无策，随着火势的进一步蔓延，甚至引发楼内被困人员无奈跳楼逃生，最后造成重大伤亡惨剧。本文将设计一台高楼救援设备的机械手，用于灾害中的高楼救人。首先，本文将设计机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式；在此基础上，本文将设计该机械手的控制系统。关键词：高楼救援； 机械手； 传动； 驱动； 控制； 液压；传动效率；回转目 录1 绪论11.1 机械手概述11.2 机械手的基本知识11.2.1 机械手的组成11.2.2 机械手的运动21.2.3 机械手的分类41.3 机械手的发展趋势72 夹持器92.1夹持器设计的基本要求92.2夹持器结构设计92.2.1 夹紧装置设计92.2.2 手爪的夹持误差及分析132.2.3 楔块等尺寸的确定172.2.4 材料及连接件选择203 腕部203.1 腕部设计的基本要求203.2 具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构213.3腕部结构计算223.3.1 腕部回转力矩的计算223.3.2 回转液压缸所驱动力矩计算243.3.3 回转缸内径D计算263.3.4 液压缸盖螺钉的计算263.3.5 静片和输出轴间的连接螺钉283.3.6 腕部轴承选择293.3.7 材料及连接件和密封件选择294 小结30参考文献32331. 绪论1.1 机械手概述 机械手是伴随工业生产和科学技术的发展，特别是电子计算机的广泛应用而迅速发展起来的一门新兴技术装备。它综合应用了机械、电子、自动控制等先进技术以及物理、生物等学科的基础知识，以实现机械化与自动化的有机结合而广泛应用在工业生产的各个部门。机械手是工业生产发展中的必然产物。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装备。这种技术装备的出现和应用，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。工业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构形式也各不相同，技术复杂程度也有很大差别。但它们都有类似人的手臂、手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地、重复循环地进行工作。此外，还有些非自动化的装备，具有与人体上肢类似的部分动作，结构上与工业机械手是一致的，亦可归属于工业机械手的范畴。例如，早期就有一种由人直接用绳索牵引进行操作的随动机械手和近期发展起来的由人工进行操纵的机械手（如平衡吊），以及一些就近按钮控制或遥控的非全自动的单循环的机械手等。实践证明：工业机械手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，提高劳动生产率和生产自动化水平。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，采用机械手是有效的；此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性核其他有毒、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。11.2 机械手的基本知识1.2.1 机械手的组成机械手一般由执行系统、驱动系统和控制系统等部分组成。(1) 执行系统执行系统是机械手完成握持工件（或工具）实现所需的各种运动的机械部件，包括如下几个部分：手部是机械手中直接与工件或工具接触用来完成握持工件或工具的部件。有些机械手直接将工具（焊枪、喷枪、容器等）装置于机械手的前端，而不设置手部。腕部是机械手中联接手部与臂部主要用来确定手部工作时位置并扩大臂部动作范围的部件。一些简易的机械手，也有不设手腕部件，将手部直接装在手臂部件的端部。臂部是机械手中支承腕部和手部用来实现较大范围运动的部件。机身是机械手中用来支承手臂部件，并安装驱动装置及其他装置的部件。(2) 驱动系统驱动系统是为执行系统各部件提供动力的装置。采用的动力源不太，驱动系统的支持也是不同的。2液压驱动系统是有油缸、阀、油泵和油箱等组成；气压驱动系统是由气缸、气阀、空压机（或由空气压缩机站直接提供）和储气罐等组成；电机驱动系统是由一些电动机、专用电动机等组成。(3) 控制系统控制系统是通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否的一些装置。一般包括程序控制部分和行程检测反馈部分。机械手各个系统间的相互关系如下图： 图1-1 机器手的一般组成1.2.2 机械手的运动(1) 机械手的自由度机械手的手部所握持的工件（或工具）在空间的位置，是由臂部、腕部以至整机等各自独立运动的合成来确定的。机械手的每一个自由度，相应要配有一个原动件（如油缸、气缸或电动机等驱动装置）。当各原动件按一定的规律运动时，机械手各运动部件就随之作完全确定的运动。自由度数和原动件数必须相等，只有这样才能使机械手具有运动的确定性。一般专用机械手由于动作较简单，自由度是较少的。对于通用机械手来说，如果自由度较多，就更能接近于人手的动作机能，通用性就更好。因此，有些通用机械手具有超过六个的自由度。3但自由度数越多，结构越复杂，而且对整个结构在质量轻，体积小和效率高等方面的要求也越高。这是机械手设计中一个矛盾。目前一般的通用机械手的自由度（除手部夹紧动作外）大多为五个左右，已能适合于多种场合的作业。(2) 机械手的运动范围机械手的运动范围，是指机械手在平面或空间的运动图形（轨迹的形状）及其大小。机械手所具有的自由度的数目及其组合不同，则其运动图形也不同。4而自由度的变化量（即直线运动的距离和回转角度的大小）则决定着运动图形的大小。一般情况下，臂部的自由度主要是用以基本上确定手部以及工件（或工具）在空间的运动范围和位置的，腕部的自由度则主要用来调整手部以及工件（或工具）在空间的方位。(3) 机械手的各种运动型式1) 直移型这种运动型式的机械手，其臂部只具有沿直角坐标轴线作直线移动的自由度，即臂部只是作伸缩、升降和平移等运动，它的运动范围的图形可以是一条直线、一个矩形平面或一个长方体。这种型式的机械手具有结构简单，运动直观性强，便于实现一定的精度要求。其缺点是占据的空间位置大，相应的工作范围较小。2) 回转型这种运动型式的机械手，其臂部均具备水平回转这个自由度，与臂部的伸缩和升降两个自由度组合成一个完整的回转型机械手。它的运动范围图形视其自由度的不同可以是一个圆弧曲线，一扇形平面，一圆柱面和一空心圆柱体范围。其特征轮廓为圆，其特征运动为回转，为方便起见称为回转型。回转型与直移型机械手相比，它保持了运动直观性较强的优点，所占空间又较小，结构较紧凑，工作范围广。3) 俯仰型这种运动型式的机械手，其臂部除了具有水平回转这个自由度外，都具备臂部俯仰这一自由度，与臂部伸缩自由度组合成一个完整的俯仰型机械手。它的运动范围图形为一空心圆球。5这种型式的特征运动为俯仰，为方便起见称俯仰型。通常将只具有臂部俯仰而无臂部回转这一自由度的机械手，因结构上与俯仰型接近，亦称其为俯仰型。俯仰型机械手与回转型相比，在占有同样大小空间的情况下，可扩大其工作范围。它还能将臂部伸向地面，完成从地面提取任务。其不足之处是运动直观性差，结构较复杂，臂部有两个回转运动，它们引起臂部的端部位置误差会随着臂部伸长而放大。4) 屈伸型这种运动型式的机械手，臂部有大臂和小臂两部分，除了大臂具有水平回转和俯仰自由度外，小臂相对大臂还有一俯仰运动，从形态上看小臂相对大臂作屈伸运动。根据此一特征称它为屈伸型。它的运动范围图形为球体。它具有与人体上肢更类似的结构，可以在臂部最大伸展长度为半径的球体范围内工作，灵活性很大，与其他类型相比占有空间最小，工作范围最大，而且可以绕过障碍物工作。6但其运动直观性更差，臂部前端位置是由几个转角确定的，要达到较高的位置精度时，设计与制作更复杂。1.2.3 机械手的分类(1) 按驱动方式分类1) 液压传动机械手机械手采用液压传动有以下几个特点：(a) 液压技术容易达到较高的单位面积压力（常用油压为）,较小的体积，可获得较大的出力（推力或转矩）。7(b) 液压系统介质的可压缩性小，工作较平稳、可靠，并可实现较高的位置精度。(c) 液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制。(d) 液压装置常用油压作介质，具有防锈性和自润滑效能，可以提高机械效率，使用寿命长。它的不足之处是：(a) 油液的粘度会因温度改变而改变，影响工作性能。高温时会引起燃烧爆炸。(b) 液压泄露较难克服，要求液压元件有较高的精度和质量，价格较高。(c) 需要相应的供油系统。滤油要求较严，尤其对电液伺服系统要求更高，否则会引起故障。2) 气压传动机械手与液压传动相比，气动机械手的特点是：(a) 压缩空气粘度小，容易达到高速（1米/秒）。(b) 气源获得方便，很多工厂设置空气压缩机站集中供气。(c) 空气作为介质对环境污染少，使用安全，不会引起燃烧、爆炸，可直接应用于高温作业。(d) 气动元件工作压力较低，故要求亦较液压元件低。机械手结构较简单，维修方便，造价低。它的不足之处是：(a) 压缩空气常用压力为，要获得较大的出力，其结构相对很大。(b) 空气可压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到精确位置精度，技术要求较高。(c) 排除空气中十分是一个很重要的问题，处理不当，钢类零件会生锈并导致机械手失灵。排出之空气产生哨叫声，噪声大。气动机械手若采用液压缓冲后，能使它既保持高速的优点，又克服脉动的缺点，使之运行平稳，从而扩大适用范围。3) 电动机械手电动机械手的主要特点是机械手的每个自由度都相应配有一台电动机以及有关变速传动机构。与液压或气动机械手相比，驱动源和系统较简单，电动机又是配套通用产品，规格齐全，容易得到，不需另行设计制造。在位置精度要求不高的情况下，控制亦较方便。但普通电动机均为回转运动，且转速较高，一般都要配有变回转运动为直线运动的机构和减速机构。因此，在驱动功率要求较大的情况下，整个装置也较大。故电动机械手一般适用于提取重量不大，位置精度一般，自由度较少的机械手。8若采用特殊设计的专用电动机或特种电机，如功率伺服电机、功率步进电机、直线电机等，就可以改善电动机械手的性能，因此电动机械手亦很具有推广使用的价值。4) 机械传动机械手实现这类机械手是由一台普通电动机驱动或由主机（如压机、冲床等）的运动部件来驱动，通过若干机械传动机构（如连杆、凸轮、齿轮等机构）来实现机械手的几个自由度。其最大特点是结构简单，动作可靠，节拍较快，不需要较复杂的液压、气动与电控系统。投资小，上马快，收效大。9但它也有调整不便等缺点，故常用在工作对象专一，生产批量大，不需经常调整的场合。(2) 按控制方式分类1) 固定程序机械手此类机械手控制系统是一个固定程序控制器，一般程序简单，程序数不多，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。适用于工件安放位置和机械手安装位置固定的场合，机械手的动作较单纯，只要求确定先后动作程序，常用于仅有起、止两个设定位置的作业场合。10一般采用的电器元件为继电器、接触器等，亦有用电子元件的。2) 可编程序机械手此类机械手控制系统是一个可变程序控制器，其程序可按需要编排，行程能很方便地改变，除了具有一般的程序转换环节外，还具备程序选择环节，如程序数增多，程序储存等环节就比较复杂，为符合工作要求有些也配有开环或闭环控制的行程检测装置。11它适用于比较复杂的工作场合，随着工作对象的不同需要可在较大范围内随意调整动作行程，并将各程序动作的行程以模拟量或数字方式储存起来，来实现按规定的精度到达规定的位置，如只规定到达的位置而不控制其运动途径的叫点位控制，同时需要控制其运动途径的叫连续轨迹控制。(3) 按功能分类1) 专用机械手这种机械手工作对象不变，动作较简单，程序固定，专门为某一台设备或一条流水生产线服务。它一般附属于专用设备或生产线上，不能随意搬动，适于成批、大量生产。2) 通用机械手这种机械手工作对象可换，动作较复杂，程序可编，可以自成一个独立装置，适用范围较广，结构上较专用机械手复杂，适宜于工件经常变换的中、小批量生产中应用。3) 示教再现机械手这是一个完全独立的工作装置，能完成复杂的动作，适用于多工位以及用途经常变换的场合。动作灵活，精密度高，适应性强，可配合各种不同类型的设备进行工作。它比一般通用机械手先进在编程方法上，即采用示教法进行编程。所谓示教，即由人通过手动控制“领着”机械手做一遍操作示范，完成全部动作过程后，其储存装置即能记忆下来，随后机械手便按第一次操作的程序行程进行重复的再现工作。124) 多功能机械手多功能机械手，采用计算机控制，程序数可以相当多。它装有各种传感器，可获得类似视觉、触觉和其他感觉，并可根据这些感觉，通过比较识别，作出相应的反馈纠正，完成预定工作。1.3 机械手的发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。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。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。13既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。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。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。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。此外，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（即距离传感器）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。14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。图1.2 机械手各组成部分之间的关系2. 夹持器2.1夹持器设计的基本要求第一，应具有适当的夹紧力和驱动力；第二，手指应具有一定的开闭范围；第三，应保证工件在手指内的夹持精度；第四，要求结构紧凑，重量轻，效率高；第五，应考虑通用性和特殊要求。设计参数及要求第一，采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松；第二，所要抓抱的人直径为80cm 放松时的两爪的最大距离为110-120cm,夹持速度20mm/s；第三，被救对象重量为100kg;第四，夹持器有足够的夹持力；第五，夹持器靠法兰联接在手臂上。由液压缸提供动力。2.2夹持器结构设计2.2.1 夹紧装置设计.(1) 夹紧力计算 手指加在被救对象上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服人的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使人保持可靠的加紧状态。15手指对人的夹紧力可按下列公式计算： 2-1式中：安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取，取1.5；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况系数,，a为机器机械手搬运被救物体过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）；方位系数，根据手指与被救物体形状以及手指与被救对象位置不同进行选定，手指与被救物体位置：手指水平放置 物体垂直放置；手指与被救物体形状：V型指端夹持圆柱型工件，为摩擦系数，为V型手指半角，此处粗略计算,如图2.1 图2.1被抓取工件的重量求得夹紧力，取整为5892N。(2) 驱动力力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式：式中：滚子至销轴之间的距离；爪至销轴之间的距离； 楔块的倾斜角 可得，得出为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.80.9，此处取0.88，则： ，取(3) 液压缸驱动力计算设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供推力：式中 活塞直径 活塞杆直径 驱动压力，,已知液压缸驱动力，且由于，故选工作压力 据公式计算可得液压缸内径：根据液压设计手册,见表2.1，圆整后取=80mm。表2.1 液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250活塞杆直径 d=0.5D=0.580mm=40mm活塞厚 B=(0.61.0)D 取.缸筒长度 L(2030)D 取L为312m活塞行程，当抓取直径800mm的被救人员时，即手爪从张开1200mm减小到800mm，楔快向前移动大约400mm。取液压缸行程S=400mm。液压缸流量计算：放松时流量 夹紧时流量(4) 选用夹持器液压缸温州中冶液压气动有限公司所生产的轻型拉杆液压缸 型号为：MOB-B-32-83-FB，结构简图，外形尺寸及技术参数如下：表2.2夹持器液压缸技术参数工作压力使用温度范围允许最大速度效率传动介质缸径受压面积()速度比无杆腔有杆腔300 m/s90%常规矿物液压油80mm50.337.71.33 图2.2 结构简图图2.3 外形尺寸2.2.2 手爪的夹持误差及分析 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决与机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，16见图2.4，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。图2.4被救对象直径为800mm，尺寸偏差，则，。本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图2.5。图2.5若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有：简化为： 该方程为双曲线方程，如图2.6：图2.6 工件半径与夹持误差关系曲线由上图得，当工件半径为时，X取最小值，又从上式可以求出：，通常取若被救对象的半径变化到时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用表示。在设计中，希望按给定的和来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径取为时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当a值较大时），偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的和边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径，以为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式：其中V型钳的夹角代入得出： 则 则，此时定位误差为和中的最大值。分别代入得： 所以，夹持误差满足设计要求。由以上各值可得：取值为。2.2.3 楔块等尺寸的确定楔块进入杠杆手指时的力分析如下：图 2.7上图2.7中，斜楔角，时有增力作用；滚子与斜楔面间当量摩擦角，为滚子与转轴间的摩擦角，为转轴直径，为滚子外径，为滚子与转轴间摩擦系数; 支点至斜面垂线与杠杆的夹角；杠杆驱动端杆长；杠杆夹紧端杆长；杠杆传动机械效率。(1) 斜楔的传动效率 斜楔的传动效率可由下式表示： 杠杆传动机械效率取0.834，取0.1，取0.5，则可得, ，取整得。(2) 动作范围分析阴影部分杠杆手指的动作范围，即，见图 2.8图 2.8如果，则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所以必须大于。此外，当时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点在结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。(3) 斜楔驱动行程与手指开闭范围当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为，此时对应的杠杆手指由位置转到位置，其驱动行程可用下式表示：杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为： 通常状态下，在左右范围内，则由手指需要的开闭范围来确定。由给定条件可知最大为mm,最小设定为30mm.即。已知，可得，有图关系：图2.9可知：楔块下边为600mm，支点O距中心线300mm，且有，解得：(4) 与的确定斜楔传动比可由下式表示：可知一定时，愈大，愈大，且杠杆手指的转角在范围内增大时，传动比减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由分配距离为：。(5) 确定由前式得：，取。(6) 确定为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，有下图中关系 图2.10，取，则楔块上边长为186.86mm，取190mm。2.2.4 材料及连接件选择V型指与夹持器连接选用圆柱销，d=8mm, 需使用2个;杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销，d=8mm, 需使用2个;滚子与手指连接选用圆柱销，d=6mm, 需使用2个;以上材料均为钢，无淬火和表面处理;楔块与活塞杆采用螺纹连接，基本尺寸为公称直径12mm，螺距p=1，旋合长度为10mm。3. 腕部3.1 腕部设计的基本要求手腕部件设置在手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度，此设计中要求有绕中轴的回转运动。第一，力求结构紧凑、重量轻。腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。17第二，结构考虑，合理布局。腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。第三，必须考虑工作条件。对于本设计，机械手的工作条件是在高楼救援中抓抱被困人员，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。3.2 具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构如图3.1所示，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从AA剖视图上可以看到，回转叶片（简称动片）用螺钉，销钉和转轴10连接在一起，定片8则和缸体9连接。压力油分别由油孔5.7进出油腔，实现手部12的旋转。旋转角的极限值由动，静片之间允许回转的角度来决定（一般小于），图中缸可回转。腕部旋转位置控制问题，可采用机械挡块定位。当要求任意点定位时，可采用位置检测元件（如本例为电位器，其轴安装在件1左端面的小孔）对所需位置进行检测并加以反馈控制。18图3.1图示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需一个油管。通向手部驱动液压缸的油管是从回转中心通过，腕部回转时，油路认可保证畅通，这种布置可使油管既不外露，又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根油管（一根供手部油管，两根供腕部回转液压缸）由手臂内通过并经腕架分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸。本设计要求手腕回转，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，参考上图典型结构。3.3腕部结构计算3.3.1 腕部回转力矩的计算腕部回转时，需要克服的阻力有：(1) 腕部回转支承处的摩擦力矩式中 ，轴承处支反力（N），可由静力平衡方程求得; ,轴承的直径（m）； 轴承的摩擦系数，对于滚动轴承；对于滑动轴承=0.1。为简化计算，取，如图3.1所示，其中，为抓取对象的重量 为手部重量，为手腕转动件重量。图3.2(2) 克服由于工件重心偏置所需的力矩式中 工件重心到手腕回转轴线的垂直距离，已知。则 (3) 克服启动惯性所需的力矩启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度及启动过程转过的角度按下式计算：式中 工件对手腕回转轴线的转动惯量； 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量； 手腕回转过程的角速度； 启动过程所需的时间，一般取0.05-0.3s,此处取0.1s.。手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为200mm，直径90mm，其重力估算： ,取98N.等效圆柱体的转动惯量： 对象的转动惯量，已知人直径约为 要求对象在0.5s内旋转90度,取平均角速度，即，代入得： 解可得： 3.3.2 回转液压缸所驱动力矩计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩如图3.3，定片1与缸体2固连，动片3与转轴5固连，当a, b口分别进出油时，动片带动转轴回转，达到手腕回转的目的。图3.3图3.4图3.4为回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩。 或 式中 手腕回转时的总的阻力矩 回转液压缸的工作压力（Pa） 缸体内孔半径（m） 输出轴半径（m），设计时按选取 动片宽度（m）上述动力距与压力的关系是设定为低压腔背压力等于零。3.3.3 回转缸内径D计算由 ，得：， 为减少动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度时，选用：综合考虑，取值计算如下：r=16mm，R=40mm，b=50mm，取值为1Mpa，即如下图：图3.53.3.4 液压缸盖螺钉的计算图3.6 缸盖螺钉间距示意表3.3 螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（Mpa）螺钉的间距t(mm)小于150小于120小于100小于80上图中表示的连接中，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为：，即工作拉力与残余预紧力之和计算如下：液压缸工作压强为P=1Mpa,所以螺钉间距小于150mm,试选择2个螺钉，所以选择螺钉数目合适Z=2个 受力截面 ，此处连接要求有密封性，故k取（），取K=1.6。 所以 螺钉材料选择Q235，安全系数n取1.5（1.5-2.2）螺钉的直径由下式得出 ，F为总拉力即 螺钉的直径选择d=8mm.3.3.5 静片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数。螺钉由于油液冲击产生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式： 为预紧力,为接合面摩擦系数，取（0.10-0.16）范围的0.15，即钢和铸铁零件，为接合面数，取=2，Z为螺钉数目，取Z=2，D为静片的外径，d为输出轴直径，则可得： 螺钉的强度条件为： 带入有关数据，得：螺钉材料选择Q235，则（安全系数）螺钉的直径 ，d值极小，取。螺钉选择M6的开槽盘头螺钉， ,如图3.7：图3.73.3.6 腕部轴承选择 腕部材料选择HT200，估计轴承所受径向载荷为50N,轴向载荷较小，忽略。19两处均选用深沟球轴承。现校核较小轴径处轴承。6005轴承基本数据如下：，当量动载荷，载荷系数取1，则，由公式：N为转速，由0.5s完成回转，计算得：，球轴承代入得：，远大于轴承额定寿命。选用轴承为深沟球轴承6005，6008。3.3.7 材料及连接件和密封件选择右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹，,需用4个。20右缸盖与缸体连接选用六角头螺栓，全螺纹，,需用4个。