四个自由度气动机械手结构设计说明书

- 1 -1 前言机 械 工 业 是 国 民 的 装 备 部 ， 是 为 国 民 经 济 提 供 装 备 和 为 人 民 生 活 提 供 耐 用 消费 品 的 产 业 。 不 论 是 传 统 产 业 ， 还 是 新 兴 产 业 ， 都 离 不 开 各 种 各 样 的 机 械 装 备 ，机 械 工 业 所 提 供 装 备 的 性 能 、 质 量 和 成 本 ， 对 国 民 经 济 各 部 门 技 术 进 步 和 经 济 效益 有 很 大 的 和 直 接 的 影 响 。 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 。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 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 ， 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 展 起 来 的 一 门 新 兴 的 技 术 ， 它 更 加 促 进 了 机 械 手 的 发 展 ， 使得 机 械 手 能 更 好 地 实 现 与 机 械 化 和 自 动 化 的 有 机 结 合 。 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 ， 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 。机 械 手 技 术 涉 及 到 力 学 、 机 械 学 、 电 气 液 压 技 术 、 自 动 控 制 技 术 、 传 感 器 技术 和 计 算 机 技 术 等 科 学 领 域 ， 是 一 门 跨 学 科 综 合 技 术 。 机 械 手 是 一 种 能 自 动 化 定位 控 制 并 可 重 新 编 程 序 以 变 动 的 多 功 能 机 器 ， 它 有 多 自 由 度 ， 可 用 来 搬 运 物 体 以完 成 在 各 个 不 同 环 境 中 工 作 。 11.1 机械手简史现 代 工 业 机 械 手 起 源 于 20 世 纪 50 年 代 初 ， 是 基 于 示 教 再 现 和 主 从 控 制 方 式 、能 适 应 产 品 种 类 变 更 ， 具 有 多 自 由 度 动 作 功 能 的 柔 性 自 动 化 产 品 。机 械 手 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 械 手 。 他 的 结 构 是 ： 机 体 上 安 装 一 回 转 长 机 构 ， 端 部 装 有 电 磁 铁 的 工 件 抓 放机 构 ， 控 制 系 统 是 示 教 型 的 。1962 年 ， 美 国 机 械 铸 造 公 司 在 上 述 方 案 的 基 础 之 上 又 试 制 成 一 台 数 控 示 教 再现 型 机 械 手 。 商 名 为 Unimate(即 万 能 自 动 )。 运 动 系 统 仿 造 坦 克 炮 塔 ， 机 构 回转 、 俯 仰 ， 用 液 压 驱 动 ； 控 制 系 统 用 磁 鼓 最 存 储 装 置 。 不 少 球 坐 标 式 通 用 机 械 手- 2 -就 是 在 这 个 基 础 上 发 展 起 来 的 。 同 年 该 公 司 和 普 鲁 曼 公 司 合 并 成 立 万 能 自 动 公 司（ Unimaton） ,专 门 生 产 工 业 机 械 手 。1962 年 ， 美 国 机 械 铸 造 公 司 也 试 验 成 功 一 种 叫 Versatran 机 械 手 ， 原 意 是灵 活 搬 运 。 该 机 械 手 的 中 央 立 柱 可 以 回 转 ， 机 构 可 以 回 转 、 升 降 、 伸 缩 、 采 用液 压 驱 动 ， 控 制 系 统 也 是 示 教 再 现 型 。 虽 然 这 两 种 机 械 手 出 现 在 六 十 年 代 初 ， 但都 是 国 外 工 业 机 械 手 发 展 的 基 础 。1978 年 ， 美 国 Unimate 公 司 和 斯 坦 福 大 学 、 麻 省 理 工 学 院 联 合 研 制 一 种Unimate-Vic-arm 型 工 业 机 械 手 ， 装 有 小 型 电 子 计 算 机 进 行 控 制 ， 用 于 装 配 作 业 ，定 位 误 差 可 小 于 1 毫 米 。美 国 还 十 分 注 意 提 高 机 械 手 的 可 靠 性 ， 改 进 结 构 ， 降 低 成 本 。 如 Unimate公 司 建 立 了 8 年 机 械 手 试 验 台 ， 进 行 各 种 性 能 的 试 验 。 准 备 把 故 障 前 平 均 时 间（ 注 ： 故 障 前 平 均 时 间 是 指 一 台 设 备 可 靠 性 的 一 种 量 度 。 它 给 出 在 第 一 次 故 障 前的 平 均 运 行 时 间 ） ， 由 400 小 时 提 高 到 1500 小 时 ， 精 度 可 提 高 到 0.1 毫 米 。德 国 机 器 制 造 业 是 从 1970 年 开 始 应 用 机 械 手 ， 主 要 用 于 起 重 运 输 、 焊 接 和设 备 的 上 下 料 等 作 业 。 德 国 KnKa 公 司 还 生 产 一 种 点 焊 机 械 手 ， 采 用 关 节 式 结 构和 程 序 控 制 。瑞 士 RETAB 公 司 生 产 一 种 涂 漆 机 械 手 ， 采 用 示 教 方 法 编 制 程 序 。瑞 典 安 莎 公 司 采 用 机 械 手 清 理 铸 铝 齿 轮 箱 毛 刺 等 。日 本 是 工 业 机 械 手 发 展 最 快 、 应 用 最 多 的 国 家 。 自 1969 年 从 美 国 引 进 二 种典 型 机 械 手 后 ， 大 力 研 究 机 械 手 的 研 究 。 据 报 道 ， 1976 年 从 事 机 械 手 的 研 究 工作 的 大 专 院 校 、 研 究 单 位 多 达 50 多 个 。 1979 年 120 多 个 大 学 和 国 家 研 究 部 门用 在 机 械 手 的 研 究 费 用 42%。 1979 年 日 本 机 械 手 的 产 值 达 443 亿 日 元 ， 产 量 为14535 台 。 其 中 固 定 程 序 和 可 变 程 序 约 占 一 半 ， 达 222 亿 日 元 ， 是 1978 年 的 二倍 。 具 有 记 忆 功 能 的 机 械 手 产 值 约 为 67 亿 日 元 ， 比 1978 年 增 长 50%。 智 能 机械 手 约 为 17 亿 日 元 ， 为 1978 年 的 6 倍 。 截 止 1979 年 ， 机 械 手 累 计 产 量 达56900 台 。 在 数 量 上 已 占 世 界 首 位 ， 约 占 70%， 并 以 每 年 50% 60%的 速 度 增 长 。使 用 机 械 手 最 多 的 是 汽 车 工 业 ， 其 次 是 电 机 、 电 器 。 预 计 到 1990 年 将 有 55 万机 器 人 在 工 作 。第 二 代 机 械 手 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 反 馈 ， 使机 械 手 具 有 感 觉 机 能 。 目 前 国 外 已 经 出 现 了 触 觉 和 视 觉 机 械 手 。第 三 代 机 械 手 （ 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 (Flexible Manufacturing Cell)中 重要 一 环 。随 着 工 业 机 器 手 （ 机 器 人 ） 研 究 制 造 和 应 用 的 扩 大 ， 国 际 性 学 术 交 流 活 动 十- 3 -分 活 跃 ， 欧 美 各 国 和 其 他 国 家 学 术 交 流 活 动 开 展 很 多 。 21.2 机械手的分类目 前 对 机 械 手 还 没 有 统 一 的 分 类 标 准 。 按 照 不 同 的 分 类 方 式 可 以 把 机 械 手 分成 多 种 类 型 。1.2.1 按 驱 动 方 式 分 类按 驱 动 装 置 的 动 力 源 ， 机 械 手 可 分 为 以 下 的 几 种 。（ 1） 液 压 式 机 械 手 。 这 种 机 械 手 的 驱 动 系 统 通 常 由 液 动 机 （ 各 种 油 缸 、 油马 达 ） 、 伺 服 阀 、 油 泵 、 油 箱 等 组 成 ， 这 种 机 器 人 通 常 具 有 很 大 的 抓 举 能 力 并 且结 构 紧 凑 ， 动 作 平 稳 ， 耐 冲 击 、 耐 振 动 ， 防 爆 性 好 ， 但 对 制 造 精 度 和 密 封 性 能 要求 很 高 ， 否 则 易 发 生 漏 油 而 污 染 环 境 。（ 2） 气 压 式 机 械 手 。 其 驱 动 系 统 通 常 采 用 通 常 汽 缸 、 气 阀 、 气 罐 和 空 压 机组 成 。 特 点 是 气 源 方 便 ， 动 作 迅 速 ， 结 构 简 单 、 造 价 较 低 、 维 修 方 便 ， 但 难 于 进行 速 度 控 制 ， 并 因 气 压 不 能 太 高 ， 固 抓 举 能 力 较 小 。（ 3） 电 动 式 机 械 手 。 电 力 驱 动 是 目 前 机 械 手 使 用 的 最 多 的 一 种 驱 动 方 式 。其 特 点 是 电 源 方 便 ， 响 应 快 ， 驱 动 力 较 大 ， 信 号 检 测 、 传 递 、 处 理 方 便 ， 可 以 采用 多 种 灵 活 的 控 制 方 案 。 驱 动 电 机 一 般 采 用 交 流 伺 服 电 机 、 直 流 伺 服 电 机 和 步 进电 机 。 由 于 电 机 速 度 高 ， 通 常 还 须 采 用 减 速 机 构 （ 如 谐 波 减 速 机 构 、 论 析 减 速 机构 、 滚 珠 丝 杠 和 多 杆 机 构 ） 。 目 前 也 有 一 些 特 制 电 机 直 接 进 行 驱 动 ， 以 简 化 机 构 ，提 高 控 制 精 度 。其 他 还 有 采 用 混 合 驱 动 的 机 械 手 ， 如 液 -气 混 合 驱 动 机 械 手 或 电 -气 混 合 驱动 机 械 手 。 31.2.2 按 用 途 分 类机械手按用途可分为下列几种。（1） 搬运机械手;（2） 喷涂机械手;（3） 焊接机械手;（4） 装配机械手;（5） 其他用途的机械手。如航天用机械手，探海用机械手，以及排险作业机械手等。 41.2.3 按操作机的位置机构类型和自由度数量分类操 作 机 的 位 置 机 构 是 机 械 手 的 重 要 外 形 特 征 ， 固 常 用 作 分 类 的 依 据 。 按 这 一分 类 要 求 ， 机 械 手 可 分 为 直 角 坐 标 型 、 圆 柱 坐 标 型 、 球 坐 标 型 、 关 节 型 机 械 手 。- 4 -操 作 机 本 身 的 自 由 度 最 能 反 应 机 器 人 的 作 业 能 力 ， 也 是 分 类 的 重 要 依 据 。 按这 一 分 类 要 求 ， 机 械 手 可 分 为 4 自 由 度 、 5 自 由 度 、 6 自 由 度 和 7 自 由 度 机 械 手 。1.2.4 按 其 他 方 法 还 可 以 分 为（ 1） 家 务 型 机 械 手 ： 能 帮 助 人 们 打 理 生 活 ， 做 简 单 的 家 务 活 。（ 2） 操 作 型 机 械 手 ： 能 自 动 控 制 ， 可 重 复 编 程 ， 多 功 能 ， 有 几 个 自 由 度 ，可 固 定 或 运 动 ， 用 于 相 关 自 动 化 系 统 中 。（ 3） 程 控 型 机 械 手 ： 按 预 先 要 求 的 顺 序 及 条 件 ， 依 次 控 制 机 械 手 的 机 械 动作 。（ 4） 示 教 再 现 型 机 械 手 ： 通 过 引 导 或 其 它 方 式 ， 先 教 会 机 械 手 动 作 ， 输 入工 作 程 序 ， 机 械 手 则 自 动 重 复 进 行 作 业 。（ 5） 数 控 型 机 械 手 ： 不 必 使 机 械 手 动 作 ， 通 过 数 值 、 语 言 等 对 机 器 人 进 行示 教 ， 机 械 手 根 据 示 教 后 的 信 息 进 行 作 业 。（ 6） 感 觉 控 制 型 机 械 手 ： 利 用 传 感 器 获 取 的 信 息 控 制 机 械 手 的 动 作 。（ 7） 适 应 控 制 型 机 械 手 ： 能 适 应 环 境 的 变 化 ， 控 制 其 自 身 的 行 动 。（ 8） 学 习 控 制 型 机 械 手 ： 能 “体 会 ”工 作 的 经 验 ， 具 有 一 定 的 学 习 功 能 ，并 将 所 “学 ”的 经 验 用 于 工 作 中 。（ 9） 智 能 机 械 手 ： 以 人 工 智 能 决 定 其 行 动 的 机 械 手 。 51.3 机械手的组成工业机械手通常由执行机构、驱动传动装置、控制系统和智能系统四部分组成。- 5 -图.1.1 工业机械手的典型结构 工业机械手执行机构驱动装置控制系统腕部腰部臂部基座部（固定或移动）电、液或气驱动装置单关节伺服控制器关节协调及其它信息交换计算机手部- 6 -图 1.2 工业机械手的组成方框图 6执 行 机 构 （ 也 称 操 作 机 ） 是 机 械 手 赖 以 完 成 工 作 任 务 的 实 体 ， 通 常 由 杆 件 和关 节 组 成 。 从 功 能 的 角 度 ， 执 行 机 构 可 分 为 ： 手 部 、 腕 部 、 机 构 部 、 腰 部 和 基座 等 。手 部 又 称 末 端 执 行 器 ， 是 工 业 机 械 手 直 接 进 行 工 作 的 部 分 ， 可 以 是 各 种 夹 持器 。 有 时 人 们 也 把 诸 如 电 焊 枪 、 油 漆 喷 头 等 划 作 机 器 手 的 手 部 ； 腕 部 与 手 部 相 连 ，主 要 功 能 是 带 动 手 部 完 成 预 定 姿 态 ， 是 操 作 机 的 中 结 构 最 为 复 杂 的 部 分 ； 机 构部 用 以 连 接 腰 部 和 腕 部 ， 通 常 由 两 个 机 构 杆 （ 小 机 构 和 大 机 构 ） 组 成 ， 用 于 带动 腕 部 做 平 面 运 动 ； 腰 部 是 连 接 机 构 和 基 座 的 部 件 ， 通 常 是 回 转 部 件 ， 腰 部 的回 转 运 动 加 上 机 构 部 的 平 面 运 动 ， 就 能 使 腕 部 做 空 间 运 动 。 腰 部 是 执 行 结 构 的 关键 部 件 ， 它 的 制 造 误 差 、 运 动 精 度 和 平 稳 性 ， 对 机 械 手 的 定 位 精 度 有 决 定 性 的 影响 ； 基 座 是 整 个 机 械 手 的 支 撑 部 分 ， 有 固 定 式 和 移 动 式 两 种 。 该 部 件 必 须 有 足 够的 刚 度 和 稳 定 性 。工 业 机 械 手 的 驱 动 -传 动 装 置 包 括 驱 动 器 和 传 动 机 构 两 个 部 分 ， 它 们 通 常 与执 行 机 构 连 成 一 体 。 传 动 装 置 常 用 的 有 谐 波 减 速 器 、 滚 珠 丝 杠 、 链 、 带 以 及 各 种齿 轮 系 。 驱 动 器 通 常 有 电 机 （ 直 流 伺 服 电 机 、 步 进 电 机 、 交 流 伺 服 电 机 ） 、 液 压或 气 动 装 置 ， 目 前 使 用 最 多 的 是 交 流 伺 服 电 机 。控 制 系 统 一 般 有 控 制 计 算 机 和 伺 服 控 制 器 组 成 。 控 制 系 统 有 两 种 方 式 。 一种 是 集 中 式 控 制 ， 即 机 械 手 的 全 部 控 制 由 一 台 微 型 计 算 机 完 成 。 另 一 种 是 分 散（ 级 ） 式 控 制 ， 即 采 用 多 台 微 机 来 分 担 机 器 人 的 控 制 ， 如 当 采 用 上 、 下 两 级 微 机共 同 完 成 机 器 人 的 控 制 时 ， 主 机 常 用 于 负 责 系 统 的 管 理 、 通 讯 、 运 动 学 和 动 力 学计 算 ， 并 向 下 级 微 机 发 送 指 令 信 息 ； 作 为 下 级 从 机 ， 各 关 节 分 别 对 应 一 个CPU， 进 行 插 补 运 算 和 伺 服 控 制 处 理 ， 实 现 给 定 的 运 动 ， 并 向 主 机 反 馈 信 息 。 根据 作 业 任 务 要 求 的 不 同 ， 机 械 手 的 控 制 方 式 又 可 分 为 点 位 控 制 、 连 续 轨 迹 控 制和 力 （ 力 矩 ） 控 制 。智能系统是目前机械手系统中一个不够完善但发展很快的子系统。它可分为两个部智能系统感觉装置子视觉装置子语言识别装置- 7 -分：感知系统和分析-决策智能系统。前者主要靠硬件（各种传感器）实现;后者主要靠软件（如专家系统）实现。 71.4 应用机械手的意义随 着 科 学 技 术 的 发 展 ， 机 械 手 也 越 来 越 多 的 地 被 应 用 。 在 机 械 工 业 中 ， 铸 、焊 、 铆 、 冲 、 压 、 热 处 理 、 机 械 加 工 、 装 配 、 检 验 、 喷 漆 、 电 镀 等 工 种 都 有 应 用的 实 理 。 其 他 部 门 ， 如 轻 工 业 、 建 筑 业 、 国 防 工 业 等 工 作 中 也 均 有 所 应 用 。在 机 械 工 业 中 ， 应 用 机 械 手 的 意 义 可 以 概 括 如 下 ：一 、 以 提 高 生 产 过 程 中 的 自 动 化 程 度应 用 机 械 手 有 利 于 实 现 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 的 程 度 ， 从 而 可 以 提 高 劳 动 生 产 率 和 降 低 生 产 成 本 。二 、 以 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 他 毒 性污 染 以 及 工 作 空 间 狭 窄 的 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 的 完 成 作 业 ， 使 劳 动 条 件 得 以 改 善 。在 一 些 简 单 、 重 复 ， 特 别 是 较 笨 重 的 操 作 中 ， 以 机 械 手 代 替 人 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 。三 、 可 以 减 轻 人 力 ， 并 便 于 有 节 奏 的 生 产应 用 机 械 手 代 替 人 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 的 工 作 ， 这 是 减 少 人 力 的 另 一 个 侧 面 。 因 此 ， 在 自 动 化 机 床 的 综合 加 工 自 动 线 上 ， 目 前 几 乎 都 没 有 机 械 手 ， 以 减 少 人 力 和 更 准 确 的 控 制 生 产 的 节拍 ， 便 于 有 节 奏 的 进 行 工 作 生 产 。综 上 所 述 ， 有 效 的 应 用 机 械 手 ， 是 发 展 机 械 工 业 的 必 然 趋 势 。 8- 8 -2 机械手总体设计方案2.1 设计课题气动机械手要求：(1)采用气压传动，工作压力为 0.6MPa；(2)具有四个自由度；(3)抓取工件为直径 100*100 铝制圆柱体；(4)机身可以升降 300mm，手机构可以伸长 300mm，机身可以回转 90(5)抓取灵活，放松平稳，作用平稳。2.2 坐标方式的选择本次设计的气动机械手的要求是机械手具有4个自由度，机身可以实现300的升降和90旋转，机构部可以实现300的伸缩。分析各个坐标方式的特点：(1)圆柱坐标方式，机构部可沿X、Z座标轴作直线移动，绕Z轴转动即伸缩、升降和左右回转。占地面积小而活动范围大，结构比较简单，并能达到较高的定位精度。(2)直角坐标式，机构部可沿 X、Y、Z 座标轴作直线移动，即伸缩、升降和横移。虽然结构简单，直观性强，所需空间范围大，工作范围小，灵活性差。(3)球坐标式，机构部可沿 X 座标轴作直线移动，绕 Y、Z 轴转动，即伸缩、俯视和左右回转。其缺点是运动直观性差，结构较复杂，位置误差较大。(4)多关节坐标式，机构部可绕各座标轴转动，没有直线移动。虽然占空间小，灵活性大，可绕过障碍物抓取物体，但其运动直观性差，运动精度控制比较困难，设计制造较为复杂。从分析可以得到，圆柱坐标方式最符合要求，所以选择圆柱坐标方式。2.3 驱动系统的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。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。气动机械手因为结构简单、成本低廉、重量轻、动作迅速、平稳、安全、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用在生产自动化的各个行业。本次设计的机械手要求精度不高，抓取的工件重量比较小，因此，机械手的驱动方案选择气压驱动。 9- 9 -3 气动机械手的结构设计3.1 机械手手部的设计3.1.1 关于手部的概述末 端 执 行 器 是 装 在 机 械 手 手 部 的 末 端 处 ， 用 于 机 械 手 完 成 作 业 任 务 而 专 门 设计 的 装 置 。 末 端 执 行 器 种 类 繁 多 ， 与 机 械 手 的 用 途 密 切 相 关 ， 根 据 其 用 途 ， 末端 执 行 器 可 分 为 搬 运 用 、 加 工 用 和 测 量 用 等 种 类 。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 械 手 末 端 执 行 器 时 ， 应 注 意 以 下 问 题 ；1.机 械 手 末 端 执 行 器 是 根 据 机 械 手 作 业 要 求 来 设 计 的 。 一 个 新 的 末 端 执 行 器的 出 现 ， 就 可 以 增 加 一 种 机 械 手 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 械 手 末 端 执 行 器 ， 将 不 断 的 扩 大 机 械 手 的 应 用 领 域 。2.机 械 手 末 端 执 行 器 的 重 量 、 被 抓 取 物 体 的 重 量 及 操 作 力 和 机 械 手 容 许 的 负荷 力 。 因 此 ， 要 求 机 械 手 末 端 执 行 器 体 积 小 、 重 量 轻 、 结 构 紧 凑 。3.机 械 手 末 端 执 行 器 的 万 能 性 与 专 用 性 是 矛 盾 的 。 万 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 械 手 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 械 手 末 端 执 行 器 ， 加 之 以 末端 执 行 器 的 快 速 更 换 装 置 ， 以 实 现 机 械 手 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 。4.通 用 性 和 万 能 性 是 两 个 概 念 ， 万 能 性 是 指 一 机 多 能 ， 而 通 用 性 是 指 有 限 的末 端 执 行 器 ， 可 适 用 于 不 同 的 机 械 手 ， 这 就 要 求 末 端 执 行 器 要 有 标 准 的 机 械 接 口（ 如 法 兰 ） ， 使 末 端 执 行 器 实 现 标 准 化 和 积 木 化 。5.机 械 手 末 端 执 行 器 要 便 于 安 装 和 维 修 ， 易 于 实 现 计 算 机 控 制 。 用 计 算 机 控制 最 方 便 的 是 电 气 式 执 行 机 构 。 因 此 ， 工 业 机 械 手 执 行 机 构 的 主 流 是 电 气 式 ， 其次 是 液 压 式 和 气 压 式 。 10- 10 -3.1.2 手部的运动和驱动方式末 端 执 行 器 即 机 械 手 手 爪 ， 多 为 双 指 手 爪 。 按 手 指 的 运 动 方 式 ， 可 分 为 回 转型 和 移 动 型 ， 按 夹 持 方 式 来 分 ， 有 外 夹 式 和 内 撑 式 两 种 。机 械 手 夹 持 器 （ 手 爪 ） 的 驱 动 方 式 主 要 有 三 种 ：1.气 动 驱 动 方 式 这 种 驱 动 系 统 是 用 电 磁 阀 来 控 制 手 爪 的 运 动 方 向 ， 用 气流 调 节 阀 来 调 节 其 运 动 速 度 。 由 于 气 动 驱 动 系 统 价 格 较 低 ， 所 以 气 动 夹 持 器 在 工业 中 应 用 较 为 普 遍 。 另 外 ， 由 于 气 体 的 可 压 缩 性 ， 使 气 动 手 爪 的 抓 取 运 动 具 有 一定 的 柔 顺 性 ， 这 一 点 是 抓 取 动 作 十 分 需 要 的 。2.电 动 驱 动 方 式 电 动 驱 动 手 爪 应 用 也 较 为 广 泛 。 这 种 手 爪 ， 一 般 采 用直 流 伺 服 电 机 或 步 进 电 机 ， 并 需 要 减 速 器 以 获 得 足 够 大 的 驱 动 力 和 力 矩 。 电 动 驱动 方 式 可 实 现 手 爪 的 力 与 位 置 控 制 。 但 是 ， 这 种 驱 动 方 式 不 能 用 于 有 防 爆 要 求 的条 件 下 ， 因 为 电 机 有 可 能 产 生 火 花 和 发 热 。3.液 压 驱 动 方 式 液 压 驱 动 系 统 传 动 刚 度 大 ， 可 实 现 连 续 位 置 控 制 。 113.1.3 手部的典型结构。(1)楔 块 杠 杆 式 手 爪利 用 楔 块 与 杠 杆 来 实 现 手 爪 的 松 开 和 夹 紧 ， 来 实 现 抓 取 工 件 。(2)滑 槽 式 手 爪 当 活 塞 向 前 运 动 时 ， 滑 槽 通 过 销 子 推 动 手 爪 合 并 ， 产 生 夹 紧 动 作 和 夹 紧 力 ，当 活 塞 向 后 运 动 时 ， 手 爪 松 开 。 这 种 手 爪 开 合 行 程 较 大 ， 适 应 抓 取 大 小 不 同 的 物体 。(3)连 杆 杠 杆 式 手 爪这 种 手 爪 在 活 塞 的 推 力 下 ， 连 杆 和 杠 杆 使 手 爪 产 生 夹 紧 （ 放 松 ） 运 动 ， 由 于杠 杆 的 力 放 大 作 用 ， 这 种 手 爪 有 可 能 产 生 较 大 的 夹 紧 力 。 通 常 与 弹 簧 联 合 使 用 。(4)齿 轮 齿 条 式 手 爪这 种 手 爪 通 过 活 塞 推 动 齿 条 ， 齿 条 带 动 齿 轮 旋 转 ， 产 生 手 爪 的 夹 紧 与 松 开 动作 。(4)平 行 杠 杆 式 手 爪这种手爪采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。 123.1.4 手部结构形式的确定本次设计的机械手的任务是抓取 100100 的铝制圆柱体，因此采用滑槽式手- 11 -爪，机构比较简单，动作灵活，手爪开闭角度较大。图 3.1 手爪机构图3.1.5 手部各参数的确定(1)工件质量工件为铝制圆柱体，R=50mm,h=100mm， =2.710kg/m；V= rhV= rhv=3.140.050.1=7.8510-4(m)m= vm=7.852.70.1=2.1195(kg)G=mg=2.11959.8=20.78(N)(2)夹紧工件所需的夹紧力的计算 123NKG安全系数，通常取 1.221K动载系数，主要考虑惯性力的影响，2 21ag方位系数3- 12 -G被抓持工件的重量 21aKg1+ =229.8取 =1.5, =0.51K3N=1.520.520.78=31.17(N)取 N31.17(N)(4)气缸的选择手爪所需气缸驱动力的计算回转型的二指外夹式手爪夹紧力 N 与气缸驱动力 F 的关系为：21()cosab取 N=18N, =0.85F=2(cos40)NbaF=60(N)气缸驱动力： 24DFPSD= = 60.31D=11.2(mm)所以选择缸径为 40 的气缸。- 13 -图 3.2 手部设计图滑槽的长度 S: 12sin40LS已经 =60mm, =70mm S=60/sin40-70=23.34（mm）1L2所以取滑槽为 30mm，取气缸的行程为 60mm。综上所述，取缸径 D=40mm,S=60mm，选取型号 QGB3.2 机械手手臂机构的设计3.2.1 机械手手臂机构的设计要求手 臂 是 机 械 手 的 主 要 部 分 ， 它 的 作 用 是 支 承 手 部 （ 包 括 工 件 或 工 具 ） ， 并 带动 它 们 作 空 间 运 动 。 手 臂 运 动 应 该 包 括 3 个 运 动 ： 伸 缩 、 回 转 和 升 降 。 手 臂 的伸 缩 运 动 由 伸 缩 机 构 完 成 ， 手 臂 的 回 转 和 升 降 运 动 设 置 在 机 身 处 ， 分 别 由 回 转机 构 和 升 降 手 机 构 完 成 。手 臂 运 动 的 目 的 ： 把 手 部 送 到 空 间 运 动 范 围 内 任 意 一 点 。 如 果 改 变 手 部 的 姿态 （ 方 位 ） ， 则 用 腕 部 的 自 由 度 加 以 实 现 。 因 此 ， 一 般 来 说 手 臂 部 分 应 该 具 备3 个 自 由 度 才 能 满 足 基 本 要 求 ， 既 手 臂 伸 缩 、 左 右 回 转 、 和 升 降 运 动 。 手 臂 的- 14 -各 种 运 动 通 常 用 驱 动 机 构 和 各 种 传 动 机 构 来 实 现 ， 从 机 构 部 的 受 力 情 况 分 析 ，它 在 工 作 中 即 直 接 承 受 腕 部 、 手 部 、 和 工 件 的 静 、 动 载 荷 ， 而 且 自 身 运 动 较 多 。因 此 ， 它 的 结 构 、 工 作 范 围 、 灵 活 性 等 直 接 影 响 到 机 械 手 的 工 作 性 能 。 在 进 行 机 械 手 手 臂 各 机 构 设 计 时 ， 要 遵 循 下 述 原 则 ：1.应 尽 可 能 使 机 械 手 臂 机 构 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 机 构 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 机 构 的 长 度 ， 手 臂 机 构 关 节 的 转 动 范 围 有 密 切 的 关 系 。但 机 械 手 手 臂 机 构 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 机 构 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 机 构 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 机 构 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 机 构 。 目 前 ，在 国 外 ， 也 在 研 究 用 碳 纤 维 复 合 材 料 制 造 机 械 手 手 臂 机 构 。 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 。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 机 构 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 机 构 运 动 的 响 应 速 度 是 非 常 有 利 的 。 在 设 计 机 械 手 的 手臂 机 构 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 机 构 的 不 平 衡 重 量 ， 必 要 时 还 要 设 计 平 衡 机 构 来 平 衡 手 机 构 残 余 的 不 平衡 重6.机械手手臂机构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。 133.2.2 机械手各执行机构的设计方案常 见 的 机 械 手 执 行 机 构 有 以 下 几 种 ：（ 1） 双 导 杆 伸 缩 机 构 。（ 2） 手 臂 机 构 的 典 型 运 动 形 式 有 ： 直 线 运 动 ， 如 手 臂 机 构 的 伸 缩 ， 升 降 和横 向 移 动 ； 回 转 运 动 ， 如 手 臂 机 构 的 左 右 摆 动 ， 上 下 摆 动 ； 复 合 运 动 ，如 直 线 运 动 和 回 转 运 动 组 合 ， 两 直 线 运 动 的 双 层 气 缸 空 心 结 构 。（ 3） 双 活 塞 杆 气 缸 结 构 。（ 4） 活 塞 杆 和 齿 轮 齿 条 机 构 。 14- 15 -在 本 气 动 机 械 手 中 ， 直 线 和 旋 转 模 块 均 可 采 用 气 缸 驱 动 ， 气 动 机 械 手 所 能 执行 的 运 动 示 意 图 如 图 所 示 。图 3.3 机械手运动示意图将 旋 转 气 缸 安 装 在 底 板 上 ， 就 可 以 实 现 摆 动 运 动 ， 使 机 械 手 向 左 或 向 右 摆 动 。机 械 手 末 端 执 行 器 的 水 平 伸 缩 运 动 和 竖 直 升 降 运 动 各 由 一 个 气 缸 控 制 ， 即 以 最 简单 的 形 式 ， 在 两 个 位 置 （ 完 全 伸 出 和 回 缩 位 置 ） 之 间 进 行 切 换 。根 据 机 械 手 的 运 动 功 能 ， 可 以 将 机 械 手 手 臂 机 构 的 设 计 分 为 三 大 部 分 ： 伸缩 手 臂 机 构 的 设 计 ， 实 现 机 械 手 的 水 平 伸 缩 运 动 ； 升 降 手 臂 机 构 的 设 计 ， 完 成机 械 手 的 竖 直 升 降 运 动 ； 回 转 机 构 的 设 计 ， 完 成 机 械 手 的 回 转 运 动 。3.2.3 伸缩机构的设计伸 缩 机 构 为 机 械 手 执 行 水 平 伸 缩 运 动 的 机 构 ， 它 是 连 接 机 械 手 末 端 执 行 器 和竖 直 升 降 机 构 的 部 件 ， 它 的 基 本 作 用 是 完 成 末 端 执 行 器 的 伸 出 和 缩 回 运 动 。 由 于伸 缩 机 构 主 要 承 受 末 端 执 行 器 和 夹 持 物 件 的 重 力 ， 在 完 全 伸 出 时 将 承 受 较 大 弯 矩 ，对 伸 缩 机 构 的 设 计 应 该 保 证 机 构 的 正 确 方 向 及 承 受 由 于 工 件 的 重 量 所 产 生 的 弯曲 和 扭 转 力 矩 。伸 缩 机 构 在 进 行 运 动 时 ， 为 防 止 机 构 沿 伸 缩 方 向 轴 线 转 动 、 加 大 承 载 能 力 ，以 及 提 高 运 动 精 度 ， 必 须 设 有 导 向 装 置 。 伸 缩 机 构 的 导 向 装 置 需 根 据 伸 缩 机 构的 安 装 形 式 、 结 构 及 负 荷 等 条 件 来 确 定 。 常 用 的 有 单 导 向 杆 和 双 导 向 杆 。在 本 设 计 中 ， 伸 缩 机 构 采 用 新 薄 型 双 导 杆 气 缸 。 该 气 缸 体 积 小 、 轻 巧 ， 耐横 向 负 载 能 力 强 ， 耐 扭 矩 能 力 强 ， 不 回 转 精 度 高 ， 安 装 方 便 ， 二 面 接 管 位 置 可供 选 择 。根 据 本 机 械 手 的 设 计 技 术 参 数 ， 伸 缩 机 构 的 行 程 为 300mm， 气 爪 抓 重 约 为2Kg， 加 上 末 端 执 行 器 （ 气 爪 ） 和 连 接 板 的 重 量 ， 总 质 量 约 为 3Kg， 由 此 ， 伸 缩机 构 的 最 大 横 向 负 载 F=mg=39.8=29.4N。伸 缩 机 构 作 水 平 直 线 运 动 时 ， 主 要 克 服 的 是 摩 擦 阻 力 和 惯 性 力 ， 因 此 ， 气 缸所 需 要 的 驱 动 力 应 由 摩 擦 阻 力 和 惯 性 力 来 确 定 。- 16 -F惯摩驱 式 中 摩 擦 阻 力 ， 应 包 括 手 臂 机 构 与 伸 缩 导 轨 间 的 摩 擦 阻 力 ， 活 塞 与 密F摩封 装 置 处 的 摩 擦 阻 力 ；手 机 构 在 启 动 过 程 的 惯 性 力 。 其 大 小 可 按 以 下 公 式 计 算 ；惯tgVGF总惯其 中 手 臂 机 构 移 动 部 件 的 重 量 （ 牛 顿 ） ；总g重 力 加 速 度 （ 9.8 米 /秒 2） ；启 动 或 制 动 前 后 的 速 度 差 （ 米 /秒 ） ；V启 动 或 制 动 所 需 的 时 间 （ 秒 ） 。t摩 擦 力 的 计 算 ： 不 同 的 配 置 和 不 同 的 导 向 截 面 形 状 ， 其 摩 擦 阻 力 是 不 同 的 ，要 根 据 具 体 情 况 进 行 估 算 。 图 3-5 是 机 械 手 的 伸 缩 机 构 受 力 示 意 图 ， 本 设 计 是双 导 向 杆 ， 导 向 杆 对 称 配 置 在 伸 缩 缸 两 侧 。图 3.4 伸缩机构受力示意图由 于 导 向 杆 对 称 配 置 ， 两 导 向 杆 受 力 均 衡 ， 可 按 一 个 导 向 杆 计 算 。在 垂 直 方 向 ， 可 近 似 认 为 FN=G 总 =29.4N。导 杆 所 受 到 的 水 平 方 向 的 摩 擦 力 F 摩 =FN 其 中 摩 擦 系 数 ， 气 缸 导 向 杆 的 材 料 为 钢 ， 取 =0.2。将 有 关 数 据 代 入 进 行 计 算F 摩 =FN =0.229.4=5.98N惯 性 力 的 计 算 ： 本 设 计 要 求 手 机 构 平 动 时 V=300mm/s， 在 计 算 惯 性 力 的 时候 ， 设 置 启 动 时 间 =0.1s， 启 动 速 度 V=V=300mm/s。t- 17 -= =6NtgVGF总惯 1.08924气 缸 所 需 的 驱 动 力 F 驱 = F 摩 + F 惯 =5.98+6=39.6N气 缸 的 理 论 驱 动 力 F=1/4 D2p其 中 气 缸 活 塞 杆 的 直 径 D；气 缸 的 工 作 压 力 p；安 全 系 数 k=3。根 据 设 计 技 术 参 数 p=0.6MPa代 入 数 据 进 行 计 算 得 =42.6FD3初 步 选 定 为 缸 径 为 50mm 型 号 为 QGB50*300 的 气 缸 作 为 机 械 手 的 伸 缩 机 构 。3.2.4 升降机构的设计机 械 手 升 降