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机械毕业设计全套
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重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计,机械毕业设计全套
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毕业设计 (论文 )中期报告 题目 ：重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计 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 22 日 nts一、 设计（论文）进展状况 1. 完成与课题相关的英文资料的翻译。 2. 通过详细了解 搬运机器人各部分的设计原则，进行了 系统总体方案设计以及包括： 堆垛系统机构中搬运机械手、堆垛机械手、 传送带的初步设计计算。 此搬运 堆垛 机器人 由搬运机构、传送机构、堆垛机构、旋转机构四部分组成。四机构分别由各自的电机驱动，运动相对独立。 根据该课题所给的工作环境和工作要求，设计了 该搬运堆垛机构系统 的结构简图。 二、 存在问题及解决措施 问题： 1. 传动机构的设计计算 解决 措施： 通过各种渠道开始准备工作通过网络、图书馆搜集相关学术论文、书籍等。 考虑到机构的可行性及操作的简便性选择的传动机构为 电机传动、 液压 传动（ 搬运机械手爪和堆垛机械手抓 ）。 2. 搬运机械手抓和堆垛机械手抓的设计 解决措施： 考虑到手爪夹取重量为 100Kg。 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，适于夹持平板方料，且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置，其理论夹持误差零。 若 采用典型的平移型手指，驱动力需加在手指移动方向上，这样会使结构变得复杂且体积庞大，显然是不合适的。 通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。它靠液压缸的伸缩作用下实现手爪的张开和闭合。 3. 手部夹持力的计算 解决措施 ：搬运机械手爪和堆垛机械手爪 靠液压缸的伸缩作用下实现手爪的张开和闭合。 三、 后期工作安排 1 继续进行相关计算，根据计算结果校核 机械手的结构尺寸 ，调整相关结构和尺寸确定最终装配图。 第十一到第十五 周 2 将论文、 图纸交老师查阅。 第十六到 十七周 3 准备终期答辩。 第十八周 nts nts nts多自由度步行机器 人 摘要 在现实生活中设计一款不仅可以倒下而且还可以站起来的机器人灵活智能机器人很重要。本文提出了一种两臂两足机器人，即一个模仿机器人，它可以步行、滚动和站起来。该机器人由一个头，两个胳膊和两条腿组成。基于远程控制，设计了双足机器人的控制系统，解决了机器人大脑内的机构无法与无线电联系的问题。这种远程控制使机器人具有强大的计算头脑和有多个关节轻盈的身体。该机器人能够保持平衡并长期使用跟踪视觉，通过一组垂直传感器检测是否跌倒，并通过两个手臂和两条腿履行起立动作。用实际例子对所开发的系统和 实验结果进行了描述。 1 引言 随着人类儿童的娱乐，对于设计的双足运动的机器人具有有站起来动作的能力是必不可少。为了建立一个可以实现两足自动步行的机器人，设计中感知是站立还是否躺着的传感器必不可少。 两足步行机器人它主要集中在动态步行，作为一种先进的控制问题来对待它 。然而，在现实世界中把注意力集中在智能反应，更重要的是创想，而不是一个不会倒下的机器人，是一个倒下来可以站起来的机器人。 为了建立一个既能倒下又能站起来的机器人，机器人需要传感系统就要知道它是否跌倒或没有跌倒。虽然视觉是一个机器 人最重要的遥感功能，但由于视觉系统规模和实力的限制，建立一个强大的视觉系统在机器人自己的身体上是困难的。如果我们想进一步要求动态反应和智能推理经验的基础上基于视觉的机器人行为研究，那么机器人机构要轻巧足以够迅速作出迅速反应，并有许多自由度为了显示驱动各种智能行为。至于有腿机器人 678，只有一个以视觉为基础的小小的研究 9。面临的困难是在基于视觉有腿机器人实验研究上由硬件的显示所限制。 在有限的硬件基础上是很难继续发展先进的视觉软件。为了解决这些问题和推进基于视觉的行为研究，可以通过建立远程脑 的办法。身体和大脑相连的无线链路使用无线照相机和远程控制机器人，因为机体并不需要电脑板，所以它变得更加容易建立一个有许多自由度驱动的轻盈机身。 在这项研究中，我们制定了一个使用远程脑机器人的环境并且使它执行平衡的视觉和起立的手扶两足机器人，通过胳膊和腿的合作，该系统和实验结果说明如下。 2 远程脑系统 远程控制机器人不使用自己大脑内的机构。它留大脑在控制系统中并且与nts它用无线电联系。这使我们能够建立一个自由的身体和沉重大脑的机器人。身体和大脑的定义软件和硬件之间连接的接口。身体是为了适 应每个研究项目和任务而设计的。这使我们提前进行研究各种真实机器人系统 10。 一个主要利用远程脑机器人是基于超级并行计算机上有一个大型及重型颅脑。虽然硬件技术已经先进了并拥有生产功能强大的紧凑型视觉系统的规模，但是硬件仍然很大。摄像头和视觉处理器的无线连接已经成为一种研究工具。远程脑的做法使我们在基于视觉机器人技术各种实验问题的研究上取得进展。 另一个远程脑的做法的优点是机器人机体轻巧。这开辟了与有腿移动机器人合作的可能性。至于动物，一个机器人有 4 个可以行走的四肢。我们的重点是基于视觉的适 应行为的 4 肢机器人、机械动物，在外地进行试验还没有太多的研究。 大脑是提出的在母体环境中通过接代遗传 。大脑和母体可以分享新设计的机器人。一个开发者利用环境可以集中精力在大脑的功能设计上。对于机器人的大脑被提出在一个母体的环境，它可以直接受益于母体的演变 ，也就是说当母体升级到一个更强大的计算机时该软件容易获得权利。 图 1 显示了远程脑系统由大脑基地，机器人的身体和大脑体界面组成。在远程脑办法中大脑和身体接触面之间的设计和性能是关键。我们目前的执行情况采取了完全远程脑的办法，这意味着该机体 上没有电脑芯片。目前系统由视觉子系统，非视觉传感器子系统和运动控制子系统组成。一个障碍物可以从机器人机体的摄像机上接收视频信号。每个视觉子系统由平行放置的 8 个显示板组成。 感器信息从视频发射机传输。传输其他传感器的信息是可能的，如触摸和伺服错误通过视频传输的信号整合成一个视频图像 11 。该驱动器是包括一个模拟伺服电路和接收安置器的连接模块。离子参考价值来自于动作接收器。该动作控制子系统可以通过 13个波段处理多达 104个驱动器和每 20兆秒发送参考价值的所有驱动器。 3 两个手和足的机器人 图 2 显示了两个手和足的机器人的结构。机器人的主要电力组成部分是连接着伺服驱动器控、制信号接收器定位传感器，发射机，电池驱动器，传感器和一个摄像头，视频发射机，没有电脑板。伺服驱动器包括一个齿轮传动电动机和伺服电路模拟的方块。控制信号给每个伺服模块的位置参考。扭矩伺服模块可覆盖 2Kgcm -1 4Kgcm 的速度约 0 .2sec/60deg。控制信号传输无线电路nts编码的 8 个参考值。该机器人在图 2 中有两个接收器模块在芯片上以控制 16个驱动器。 图 3 说明了方向传感器使用了一套垂直开关。垂直开关是水银开关。当水 银开关（ a）是倾斜时，下拉关闭的汞之间接触的两个电极。方向传感器安装两个汞开关，如图显示在（ b）项。该交换机提供了两个比特信号用来检测4 个方向的传感器如图所示在（ c）项。该机器人具有在其胸部的传感器并且它可以区分四个方向：面朝上，面朝下，站立和颠倒。 该机体的结构设计和模拟在母亲环境下。该机体的运动学模型是被描述面向一个口齿不清的对象，这使我们能够描述几何实体模型和窗口界面设计的行为。 4 基于视觉的平衡 该机器人可以用两条腿站起来。因为它可以改变机体的重 心，通过控制踝关节的角度，它可以进行静态的两足行走。如果地面不平整或不稳定，在静态步行期间机器人必需控制她的身体平衡。 为了视觉平衡和保持移动平稳，它要有高速的视觉系统。我们已经用相关的芯片 13制定了一项跟踪视觉板。这个视觉板由带着特别 LSI 芯片（电位 14 ：运动估计处理器）扩张转换器组成 ，与执行本地图像块匹配。 该输入处理器是作为参考程序块和一个图像搜索窗口形象 .该大小的参考程序块可达 16*16 像素 .该大小的搜索窗口取决于参考块的大小通常高达32*32 像素，以便它能够包括 16 * 16 且匹配。该处理器计算价值 256 萨赫勒（总和绝对差）之间的参考块和 256 块在搜索窗口，还找到最佳匹配块，这就是其中的最低萨赫勒价值。 当目标平移时块匹配是非常有力的。然而，普通的块匹配方法当它旋转时无法跟踪目标。为了克服这一困难，我们开发了一种新方法，跟随真正旋转目标的候选模板。旋转模板法首先生成所有目标图像旋转，并且几个足够的候选参考模板被选择并跟踪前面图的场景相匹配。图 5 展示了一个平衡实验。在这个实验中机器人站在倾斜的木板上。机器人视觉跟踪着前面的场景。它会记住一个物体垂直方向作为视觉跟 踪的参照并产生了旋转图像的参考图象。如果视觉跟踪的参考对象使用旋转图像，它可以衡量身体旋转。 为了保持身体平衡，机器人的反馈控制其身体旋转来控制中心机体的重心。旋转视觉跟踪 15可以跟踪视频图像率。 该输入处理器是作为参考程序块和一个图像搜索窗口形象 .该大小的参考程序块可达 16*16 像素 .该大小的搜索窗口取决于参考块的大小通常高达32*32 像素，以便它能够包括 16 * 16 且匹配。该处理器计算价值 256 萨赫勒nts（总和绝对差）之间的参考块和 256 块在搜索窗口，还找到最佳匹配块，这就是其中的最低萨赫勒 价值。 当目标平移时块匹配是非常有力的。然而，普通的块匹配方法当它旋转时无法跟踪目标。为了克服这一困难，我们开发了一种新方法，跟随真正旋转目标的候选模板。旋转模板法首先生成所有目标图像旋转，并且几个足够的候选参考模板被选择并跟踪前面图的场景相匹配。 图 5 展示了一个平衡实验。在这个实验中机器人站在倾斜的木板上。机器人视觉跟踪着前面的场景。它会记住一个物体垂直方向作为视觉跟踪的参照并产生了旋转图像的参考图象。如果视觉跟踪的参考对象使用旋转图像，它可以衡量身体旋转。 为了保持身体平衡，机器人的反馈 控制其身体旋转来控制中心机体的重心。旋转视觉跟踪 15可以跟踪视频图像率。 5 双足步行 如果一个双足机器人可以自由的控制机器人的重心，它可以执行双足行走。展示在图 7 的机器人在脚踝的位置有以左和以右的角度，它可以在特定的方式下执行双足行走。该一个周期的一系列运动由八个阶段组成，如图 6 所示 。一个步骤包括四个阶段 ;移动脚的重力中心，抬腿，向前移动，换腿。由于身体被描述用实体模型，根据重心参数机器人可以产生一个机构配置移动重力中心。这一运动后，机 器人可以抬起另一条腿并且向前走。在抬腿过程中机器人必须操纵机构配置，以保持支持脚上的重心。依赖于重心的高度作为平衡的稳定性，机器人选择合适的膝盖角度 .图 7 显示了一系列双足机器人行走的实验。 6 滚动和站立 图 8 显示了一系列滚动，坐着和站起来的动作。这个动作要求胳膊和腿之间的协调。 由于步行机器人有一个电池，该机器人可使用电池的重量做翻转动作。当机器人抬起左腿，向后移动左臂且右臂向前，它可以得到机体周围的旋转力矩。如果身体开始转动，右腿向后移动并且左脚依赖脸部返回原来位置。翻滚运动身体的 变化方向从仰视到俯视。它可通过方向传感器核查。 得到正面朝下的方向后，向下移动机器人的手臂以坐在两个脚上。这个动作引起了双手和地面之间的滑动。如果手臂的长度不够达到在脚上的身体重心，这个坐的运动要求有手臂来推动运动。站立运动是被控制的，以保持平衡。 7 通过集成传感器网络转型的综合 为了使上述描述的基本动作成为一体，我们通过一种方法来描述一种被认为是根据传感器状况的网络转型。图 9 显示了综合了基本动作机器人的状态转nts移图：两足行走，滚动，坐着和站立。这种一体化提供了机器人保持行走甚至跌倒时 的能力。 普通的双足行走是由两步组成，连续的左腿在前和右腿在前。这个姿势依赖于背部和脸部和站立是一样的 。也就是说，机器人的机体形状是相同的，但方向是不同的。 该机器人可以探测机器人是否依赖于背部或面部使用方向传感器。当机器人发觉跌倒时，它改变了依赖于背部或腹部通过移动不确定姿势的状况。如果机器人依赖于背部起来 ，一系列的动作将被计划执行：翻转、坐下和站立动作。如果这种情况是依赖于脸部 ，它不执行翻转而是移动手臂执行坐的动作。 8 结束语 本文提出了一个两手臂的可以执行 静态双足行走，翻转和站立动作的机器人。建立这种行为的关键是远程脑方法。正如实验表明，无线技术允许机体自由移动。这似乎也改变我们概念化机器人的一种方式。在我们的实验室已经发展一种新的研究环境，更适合于机器人和真实世界的人工智能。 这里提出的机器人是一个有腿的机器人。我们的视觉系统是基于高速块匹配功能实施大规模集成电路的运动估算。视觉系统提供了与人交往作用的机体活力和适应能力。机械狗表现出建立在跟踪测距的基础上的适应行为。机械类人猿已经表明跟踪和记忆的视觉功能和它们在互动行为上的综合。 一个两手 臂机器人的研究为智能机器人研究提供了一个新的领域。因为它的各种行为可能造成一个灵活的机体。远程脑方法将支持以学习为基础行为的研究领域。下一个研究任务包括：如何借鉴人类行为以及如何让机器人提高自身的学术行为。 nts 毕业设计 (论文 )外文资料翻译 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： 外文出处： K.P. Rao and K. Sivarani; J. Mater. Proc.Technol., 1993, vol. 37, pp.29 5-318 附 件： 1. 原文 ； 2. 译文 2013年 05月 nts 毕业设计 (论文 )开题报告 题目 ：重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计 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 24 日 nts 一毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况 ） 1.课题的背景 针对某生产线的桶装成品搬运堆垛，目前主要有仍能够驾驶行车来完成，这种人工搬运堆垛作业，通常行车频繁启动使行车部件磨损加剧，易发生故障，且劳动强度大，工作效率低。随着企业生产规模的扩大，这种人工搬运堆垛方式已不能满足生产的要求，同时，重型桶装成品主要出口到国外，因此对成品包装物的外观要求严格，桶面不能有碰伤、掉漆、变形等缺陷，对此本课题旨在研究并设计一种自动搬运堆垛机器人以实现该桶装产品的堆垛捆扎。 2.研究的意义 传统的工业机器人常用于搬运、喷漆、焊接和装配工作 。工业现场的很多重体力劳动必将由机器代替 ,这一方面可以减轻工人的劳动强度 ,另一方面可以大大提高劳动生产率。搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在 1960 Versatran和 Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自 动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学、机械学、电器液压气压技术、自动控制技术、传感器技术、单片机技术和计算机技术等学科领域已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。 运机械人可以连续的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 工业的必然趋势机械手是提高劳动生产率 ,改善劳动条件 ,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段 ,国内外都很重视它的应用和发展。搬运机器人nts 是典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。 3.国内外的发展趋势 （ 1）国内现状及发展趋势 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。 机器人的分类方法有多种 , 按其应用可分为：工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。 搬运 机械 人 的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 ，如图 1、图 2 的搬运机器人 。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 图 1. 搬运机器人 图 2.六自由度机器人 搬运 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， 搬运 机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了 搬运 机械手的发展，使得 搬运 机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 搬运 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 ， 搬运 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 国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点： 搬运机械手 性能不断提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修 )，而单机价格不断下降 。 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 搬运机械手 整机 ;国外已有模nts 块化装配 搬运机械手 产品问市。 搬运机械手的 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。 搬运机械手 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， 搬运机械手 还应用了视觉、力觉等传感器， 虚拟现实技术在 搬运机械手 中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控 机械手 操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵 搬运机械手 。 （ 2）国外现状及发展趋势 现代 国际 工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。 因此其各种生产流水线以及物流管理中更是多元化的使用着气动机械手，如图 3 所示。其中 化工等连续性生产过程的自 动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性， 搬运机器人 就是为实现这些工序的自动化而产生的。 搬运 机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国 外 机械手工业、铁路工业中 不仅 在单机、专机上采用机械手上下料 如图 4 所示， 减轻工人的劳动强度。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用 搬运 机械手 在流水线 进行 生产 更 是 目前研究的重点，国外已研究采用摄像机 和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到 准确搬运 的目的。 图 3.气动搬运机械手 图 4.自动上下料机械手 国外 搬运 机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的 搬运 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。视觉功能即在 搬运 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。 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。 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nts 将 搬运 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。 二 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施 1.主要内容和要求 本课题设计的自动搬运机器人是为了满足生产线上的要求，要将辊道输送线上的桶装成品不损坏油漆及开启销定位搬至包装箱堆垛并打捆。该包装箱是一正方形木框 , 桶的放置位置如图 5 所示。桶的直径为 420mm, 高为 500mm。该机器人具有结构简单、定位准确、高效、价廉等特点。 图 5.桶的位置图 2.研究方法和步骤 2.1 总体的设计思路 （ 1）根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务； （ 2）分析机器人所在系统的工作环境； （ 3）根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由 度、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动范围。 （ 4）选择各部件（手部、臂部、基座）的具体结构，进行机器人总装图的设计； 下面结合设计的基本要求和基本原则确定本系统的结构示意图，如图 6 所示 。 nts 图 6.搬运堆垛机构的结构 示意图 2.2 拟采用的方案 2.2.1 自由度和坐标系的选择 机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机本次设计的搬运机器人为 5自由度即：手 爪张合、 臂部 升降、 臂部的伸缩、以及旋转机构的俩个自由度。 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。 由于本机械手是对 桶装成品 进行搬运 堆垛 ，它具有升降、伸缩、回转的自由度要求 ， 所以选用圆柱坐标型机械手。 2.2.2 驱动方式的选择 驱动机构是 搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。 液压驱动压力高，可获得大的输出力，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维修方便，但是，液压元件成本高，油路比较复杂。气动驱动压力低，输出力较小如需要输出力大时，其结构尺寸过大，阻尼效果差低速不易控制，但结构简单，能源方便，成本低。电动机驱动有：异步电动机、步进电动机为动力源，电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。本次设计的 搬运堆垛机构 的驱动机构采用电机 驱动的方式。 2.2.3 手部的设 计 nts 手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部 选择夹持类回转型结构手部。2.2.4 腕部的设计 腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。 手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。 2.2.5 臂部的设计 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的 ：把手部送到空间运动范围内任意一点 。因此， 在本次设计中臂部具有两个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、 升降运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸）和各种传动机构来实 现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。 本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩 。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，伸缩式臂部机构的驱动可采用 电机 驱动。 2.2.6机座的设计 机座是 机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地面上，对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转）机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结 构和受力越复杂。本次毕业设计的 搬运堆垛机构 的机身选用 支架行机身（如图 6所示） 3.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作 本课题研究的重点 ： 在于该机械手各部分结构设计 计算和校核。 难点 ： 在于根据被夹持的 桶装成品 参数，对手 部夹持力 的计算，以及对 臂部各功能部件 的强度校核。 nts 前期 已开展工作：调研，查阅国内外相关文献资料，熟悉课题，撰写开题报告，准备开题答辩。 三 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写） （ 1） 1 3周：调研并收集资料； （ 2） 3 6周：确定设计方案和整体结构特点； （ 3） 7 11周：完成 结构设计计算； （ 4） 12 15周：完成该搬运堆垛系统机构的设计总装配图； （ 5） 16-18周：完成论文撰写，准备答辩。 5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） nts 附件（本页不打印）： 参考文献 1马光 申桂 英 .工业机器人的现状及发展趋势 J.组合机床与与自动化加工技术， 2002（ 3） 2曾孔庚 .工业机器人技术发展趋势 J.机器人技术与应用 , 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Mechanism and Machine Theory, 2007, 42(4): 455471 nts I 重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计 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，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。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。 本课题主要对搬运机器人的机械部分展开讨论，对原有的机械结构提出了新的改进方法，并把现在的新技术应用到本课题中，从而使得搬运机器人更加适用于现在的工业工作环境。通过详细了解搬运机器人在工业上的 应用现状，提出了具体的搬运机器人设计要求， 并根据搬运机器人各部分的设计原则，进行了系统总体方案设计以及包括：机器人的手部、腕部、臂部、腰部在内的机械结构设计。此搬运机器人的驱动源来自液压系统，执行元件包括：柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动，进而实现搬运机器人的实际作业。 关键词： 搬运机器人；液压系统；机械结构设计 nts II Heavy barrelled delivery stacking system design ABSTRACT In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve productivity, and, guarantee product quality, as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked with welding, spraying, handling and stacking, repetitive and intensity of significant work. The subject of the main part of the handling of their machinery discussions, and on the original mechanical structure proposed for the new improved method, which makes the handling robot is more applicable to the present industrial working environment. Through a detailed understanding of the robot in the industrial application, to propose specific handling robot design requirements, and according to the robot design principles of various parts, for the system as well as including: the robots hand, wrist, arm, waist, the design of mechanical structures. The transfer robot driven by the source from the hydraulic system, and the implementation of components including: plunger hydraulic cylinders, hydraulic cylinders, swing, telescopic hydraulic cylinders, etc. Through the hydraulic cylinder movements to implement the joint transport robot motion, And realize the operational handling robot. Keywords： Transfer robot； Hydraulic System； Mechanical Design nts III 目 录 1 绪论 . 1 1.1 工业机器人简介 . 1 1 绪论 . 1 1.1 工业机器人简介 . 1 6.1 主要任务 . 20 6.2 技术要求 . 20 6.3 设计步骤 . 20 6.3.1 搜集资料 . 20 6.3.2 计算 . 21 6.3.3 装配图及零件图的绘制 . 21 6.4 设计感想 . 21 致 谢 . 24 毕业设计（论文）独创性声明 . 25 6.3.1 搜集资料 . 20 6.3.2 计 算 . 21 6.3.3 装配图及零件图的绘制 . 21 6.4 设计感想 . 21 参考文献 . 24 致 谢 . 24 毕业设计（论文）知识产权声明 . 25 毕业设计（论文）独创性声明 . 26 nts1 绪论 1 1 绪论 1.1 工业机器人简介 几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯（ Taloas)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机 械偶人。 到了近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代 起着十分重要的作用。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和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，又有机器可长时间持续 工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 传统的工业机器人常用于搬运、喷漆、焊接和装配工作。工业现场的很多重体力劳动必将由机器代替 ,这一方面可以减轻工人的劳动强度 ,另一方面可以大大提高劳动生产率。搬运机器人 是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在 1960 Versatran 和 Unimate 两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不上使用的搬运机器人逾 10 万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成 。搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学、机械学、nts 2 电器液压气压技术、自动控制技术、传感器技术、单片机技术和计算机技术等学科领域已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。 生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 机械工业的必然趋势机械手是提高劳动生产率 ,改善劳动条件 ,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段 ,国内外都很重视它的应用和发展。搬运机器人是典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。 搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手， 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工 操作；其二、它能按照生产工 艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的 “程序控制通用机械手”，简称通用 机械手 错误 !未找到引用源。 。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备 普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（ Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“ Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数nts 3 外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 机器人按照结构形式的 不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。 要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构 执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部 分组成。 1.2 世界机器人的发展 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。 机器人的分类方法有多种 , 按其应用可分为：工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。 搬运 机械 人 的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 。 机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机器人首先是从美国开始研制的， 1958 年美国联合控制公司研制 出第一台机器人。它的结构特点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，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969 年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制，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，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。 第三代机器人则 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 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一环。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（ CIM）要求机器人系统能和车 间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系nts 4 统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： (1) 工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从 91 年的 10 3 万美元降至 97 年的 6 5 万美元。 (2) 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；国外已有模块化装配机器人产品问市。 (3) 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。 (4) 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。 (5) 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，如使 遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与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。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 (7) 机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 1.3 我国工业机器人的发展 有人认为，应用机器人只是为了节 省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。 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nts 5 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。 国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点： (1) 搬运机械手 性能不断提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修 )，而单机价格不断下降 。 (2) 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 搬运机械手 整机 ;国外已有模块化装配 搬运机械手 产品问市。 (3) 搬运机械手的 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。 (4) 搬运机械手 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， 搬运机械手 还应用了视觉、力觉等传感器， (5) 虚拟现实技术在 搬运机械手 中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控 机械手 操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵 搬运机械手 。 1.4 本文研究内容 1.4.1 机械手的技术参数 nts 6 对象：直径 300mm，高 400mm 的柱形桶装； 抓重： 100Kg(夹持式手部 )； 自由度数： 3 个（手抓张合、手臂上下、左右移动）； 坐标形式：直角坐标； 目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为 0.15N，最大为 8000N。安全系数 K 一般可在 35.1 。 1.4.2 工作范围 机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成， 在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。 本机械手的动作范围确定如下： 手臂升降行程 350mm 手臂水平运动行程 500mm 1.4.3 运动速度 机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。搬运机械手要完成整个搬运过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。 机械手的总动 作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求： （ 1） 给定的运动时间应大于液压元件的执行时间； （ 2） 伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较低的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。 （ 3） 在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。 搬运机械手的各 运动速度如下： 手臂伸缩速度： smmv /50臂伸； 手臂升降速度： smmv /50臂升； 手臂水平运动速度： smmv /50水平手指夹紧油缸的运动速度： smmv /50夹nts 7 1.4.4 手臂的配置形式 机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。运动 要求、操作环境、工作对象的不同，手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用 悬挂式机械手 。机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部也可以安装行走机构，已扩大其活动范围，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩运动，工作范围较大。 nts2 结构方案 8 2 结构设计方案 2.1 总体的设计思路 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。具体到本设计，因为要 求搬运的加工工件的质量达 100Kg、直径为 300mm、高为 400mm 的圆桶， 同时考虑到数控机床布局的具体形式及对堆垛机的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要 3 种运动 ,其中手臂的前后和升降运动为两个直线运动，综合考虑，机械手自由度数目取为 3，坐标形式选择直角坐标形式，即一个手爪张合自由度和两个移动自由度，其特点是 :结构比较简单。 （ 1） 根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务； （ 2） 分析机器人所在系统的工作环境； （ 3） 根据机器人的工 作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动范围。 （ 4） 选择各部件（手部、臂部、基座）的具体结构，进行机器人总装图的设计； 2.2 拟采用的方案 2.2.1 自由度和坐标系的选择 机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机本次设计的搬运机器人为 3自由度即：手 爪张合、臂部升降、臂部的伸缩。 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。 由于本机械手是对 桶装成品 进行搬运 堆垛 ，它具有升降、伸缩、的自由度要求 ， 所以选用 直角 坐标型机械手。 2.2.2 驱动方式的选择 驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。 液压驱动压力高，可获得大的输出力，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维nts 9 修方便，但是，液压元件成本高，油路比较复杂。气动驱动压力低，输出力较小如需要输出力大时，其结构尺寸过大，阻尼效果差低速不易控制，但结构简单，能源方便，成本低 。电动机驱动有：异步电动机、步进电动机为动力源，电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。本次设计的搬运堆垛机构的驱动机构采用液压驱动。 2.2.3 手部的设计 手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本 次设计的手部 选择夹持类回转型结构手部。 2.2.4 臂部的设计 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。因此，在本次设计中臂部具有两个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、升降运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。 本次设计实现臂部的左右移动、升降运动， 采用两个相互垂直的直线缸来实现手臂 的左右移动和升降。 机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。 2.2.5机座的设计 机座是 机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地面或悬挂在支架上，对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移）机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。本次毕业设计的搬运机器人的机身选用悬挂式机身结构。 2.2.6机械手的技术参数 （ 1） 抓重： 100Kg(夹持式手部 ) （ 2） 自由度数： 3 个（手抓张合、手臂上下、左右移动） （ 3） 坐标形式： 直角坐标 nts 10 （ 4） 手臂运动参数 手臂左右行程： 500mm 手臂上下行程： 350mm nts3 手部结构 11 3 手部结构 3.1概述 手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式 不像 人手，它的手指形状也 不像 人的手指，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式 和其他型式。 根据设计要求，本文采用夹钳式的手部结构。 钳爪式手部结构由手指和传 动 机构 和驱动装置三部分 组成。其传 动 机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，这里采用滑槽杠杆式。 3.2 设计时应考虑的几个问题 （ 1） 应具有足够的握力（即夹紧力） 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 （ 2） 手指间应有一定的开闭角 两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工 件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 （ 3） 应保证工件的准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带 V形面的手指，以便自动定心。 （ 4）应具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。 （ 5）应考虑被抓取对象的要求 应根据抓取工 件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。 3.3 夹紧力的计算 nts 12 手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），一般来说，手指握力需克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化时所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），使得工件保持良好的夹紧状态。握力的大小与被夹持工件的重量、重心位置、以及夹持工件的范围有关，我们把握力假想为作用在手指与工件接触面的对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，用 FN表示 ,可按下式 3-1 计算： N 1 2 3F K K K G （ 3.1） 式中： K1_安全系数 ,有机械手的工艺和设计要求确定，通常取 1.2 2.0； K2_工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按下式估算： 2=1 /K a g 其中， a _运载工 件时重力方向运动最大加速度； g _重力加速度， 2s/8.9 mg ； max/a v t 响 maxV_运载工件时重力方向的最大上升速度； t响 _系统达到最高速度的时间，一般取 0.03s0.5s； K3_方位系数 ，根据手指形状与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定； G_被抓取工件重力（ N）。 本设计 K1 取 1.8， 75.12.0/35.0/m a x 响tva ， 75.275.11/12 gaK 3K取 1，机械手所抓工件重 100kg; 根据公式计算 NGKKKF N48 008.910 0175.28.1321 3.4 夹紧缸的拉力的计算 实际所采用的液压缸驱动力大于 F。手爪的机械效率 ，取 85.0 。 NFF 560085.0/ 实际 3.5 确定夹紧缸的直径 PdDF )(4/ 22 实际（ 3.2） nts 13 式中 D_活塞直径 (mm)； d_活塞杆直径 (mm)； P_驱动压力 (Pa)。 取活塞杆直径 Dd 5.0 , MPaP 5.1 。 )75.0/(42 PFD （ 3.3） mmPFD 24 4)75.0/(4 （ 3.4） 取液压缸内径为 mmD 250 ； 活塞杆直径 mmDd 1255.0 ； 活塞厚 mmDB 1002508.0)0.16.0( ； 缸筒长度 DL )32( ,取 mmL 500 ； 活塞行程，当抓取 300mm 工件时，手爪从张开 330mm 减少到 300mm，活塞移动的距离大约 50mm，取行程 mmS 50 。 nts5 液压系统的设计 14 4 臂 部的结构 4.1 概述 机械手手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机械手所要求的工作空间内的运动。在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则： （ 1） 应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制； （ 2）机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机械手手臂末端工作空间并没 有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手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； （ 3）为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手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械手手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。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械手手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机械手手臂的重量； （ 4）机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以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； （ 5）机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂的不平 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； （ 6）机械手手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。 4.2 臂部具体设计方案及计算 根据机械手实际工作需要，确定机械手的臂部需要实现升降和左右两个相互垂直的直线运动。机械手的臂部由垂直升降手臂（大臂）和左右平移手臂（小臂）nts 15 组成。直线运过液压传动或电机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到本设计机械手所搬运工件的重量适中，大概 100Kg，属中型重量；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。本设计选择液压驱动方式，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件。 具体的设计方案为：机械手的垂直升降手臂（大臂）和左右平移手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动，通过 2 个相互垂直的液压缸来实现。其中 :大臂液压缸活塞杆的伸缩实现了机械手的升降，小臂液压缸活塞的左右往复实现了机械手的左右平移。同时，因为控制和具体工作的要求，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，所以在设计时另外增设了导向装置。目前常用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等，在本机械手中采用单导 向杆来增加手臂的刚性和导向性。在本机械手中采用的是单导向杆作为导向装置，它可以增加手臂的刚性和导向性。本设计机械手的臂部剖面图如图 3-2 所示。 4.3 前后伸缩手臂的设计计算 4.3.1 前后伸缩手臂驱动力的计算 手臂作水平伸缩直线运动时所需的驱动力计算公式为 : 回密摩惯 FFFFF (3.5) 式中 : 惯F_在起动或制动时，活塞杆所受的平均惯性力 ; 摩F_摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处得摩擦阻力 ; 密F_密封装置处的摩擦阻力 (N)，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力不同； 回F_液压缸回油腔低压油液所造成的阻力； （ 1） 惯F的计算 )/( tgvGF 总惯（ 3.6） 式中 : 总G_参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）； g _重力加速度，取 9.81 2m/s ； v _由静止加速到常速的变化量（ m/s）； t _启动过程时间（ s） ,一般取 0.010.5s，对轻载低速运动部件取较小值，对重载高速运动部件取较大值。 由设计参数可知 smv /35.0 ，并取 st 1.0 nts 16 NtgvGF8750)1.08.9/(35.08.92500)/( 总惯 （ 2）摩F的计算 总摩 GF （ 3.7） 式中： 总G_参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）； _当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。 对于圆柱面： )57.127.1( _摩擦系数，对于静 摩擦且无润滑时取 318.0 NGGF6 40 08.92 50 02.03.13.1总总摩（ 3）密F的计算 采用“ O”形密封圈，简化计算时，可视作 FF 03.0密 （ 3.8） （ 4）回F的计算 回油腔与油箱相连，可视为与大气相连，故 NF 0回所以由式（ 3-5）得驱动力 NFFFFFF1 5 60 0003.06 4 008 7 50 回密摩惯 4.3.2 前后伸缩液压缸的内径计算 手臂伸缩运 动的驱动力 F 由双作用单杆活塞油缸提供，活塞杆直径 d ，油缸经 D ,取 Dd 5.0 ,油液压力取 pa5105.1 ，则油缸内径计算如下： )75.0/(4)(4/1222PFDPdDF （ 3.9） nts 17 mmPFD36010)14.3105.175.0/(156004)75.0/(435 经查表工业机械手设计，选
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