WJ007-02-机械手夹持器设计/三维SolidWorks【原创设计】
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本科毕业设计 外文文献及译文 院 （部）： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 1 外文文献 : 2011) 16:86 89 011 . H. Y. K. . of a is he a a s 25 it an to A is of of a is a To of of we an of is a is to in In an we in up a at we in on on 2 of a we a no or on of a a 1). a of is or of is on on of As 2, is on on is by a DC a of a is an of of s of an to We in on 2 on he of is of in of a in a is a of a is of of a 5 5, 2011 S. *) 271. K. . o. . in at 67 29, 2011 87 of a of is of of be by be it up an 2a, of = 0.3 m = m, is is of of as 3. is m, if it is .1 is a is a is to a is by a I A a is By nd rd is 文文献及译文 3 in nd rd is a AN a of an to of a rd 3 to rd st to nd to on rd to a a of m. of is of a To of of by a 3-D by a 3-D 1. 2. 3rd of a b of is by C on 9 of of of 3. 3D fi of a on a a b 8 to s of by .2 m/.2 m/s m of 4, 5, . of of of to .2 m/s. a of .5 s to a 3D” by a 3D by on 5, we of in D () () ( ( ) ( We fi in of by m of of 文文献及译文 4 of an by on on of a 9 of in to be as of at ni is of of i. be in We of on in by 9 on is on on o it be on an be by of of a a to of on on a BS a of by a .2 m/s2 .2 m/s m of of 7, of (2b). in of of is a in on in in no of to a of n to rd a An by a DC a 24-V at a m/s. of m. 4. 5. 6. of 7. in a b c d 8. he is 8. In 文文献及译文 5 a m, 4 he of a on on an a rd a of on an on rd a a we to in a to . , et 2009) of 009, 1. , et 2006) of of to of of 006 . , et 2006) of on of 267 1268 4. , , , et 2006) of of 006 . , , , et 2005) on a of of 005 . , , , et 2008) of of 008, 60 163 8. , , , et 2010) of a of 010, 55 463 9. , , , et 2010) of a of 文文献及译文 6 中文译文 : 人工生命的机器人（ 2011） 16:8689011 . H. Y. K. . 个新的修剪机器人的实验研究进展 在 日本只有一个商业产品。 这台 机螺旋 地 爬上一棵树使用电锯 修剪树枝 。然而，机器的重量（ 25 公斤）和 缓 慢 的 速度阻碍它 成为解决森林危机的 最佳解决方案。一个轻量级的平台是必需的，因为在日本，大部分山脉有陡峭的山坡，一个修剪机器人运输是一项艰巨的任务。以提前修剪机器人的艺术状态，我们 提出 一 个创新的修剪机器人 对于外面大多数的树都能高效工作 。 它的 轮 系 机构的设计 是为了适应于 混合爬山，即，机器人能够开关之间的直线和螺旋 爬 升。该方法保证了 机器人的 轻量化和高爬的速度特征在早期的出版物，我们介绍了基本的设计概念和描述的原型实验机器人了。此外，混合爬山法已经证明，该修剪机器人可以 高速的 爬上 爬 下 大 树。在这里，我们报告我们开发机器人的进展，专注于直爬， 善于 不平坦的表面上的 工作 ，和修剪。 2 先进的 修剪机器人随着建设轻修剪的终极目标机器人，我们已经开发了一种新型的爬山法，采用无压或抓机制，而是依靠机器人本身的重量，像 日本传统的伐木工不会爬树的时候（图 1）。该用的一套杆和绳子，这是所谓的 不握不住或抓住树 干 ，而他的质量中心位于树。是的，该可以用自己的重量停留在树上。基于这一新的林业产业的设计概念和要求，修剪机器人 有了很大的发展 。如图 2 所示，该机器人配备了四主动轮。轮 1 和 2 位于上侧 ， 轮 3 和 4 位于下侧。每个轮由直流伺服电机、蜗轮驱动 。 摘要 本文介绍了一个伐木工的发展 像修剪机器人。攀登主要是模仿在日本的登方法。机器人的主要功能包括 对 外面的树 进行修剪工作 ，和一个创新的爬山策略融合 直线和螺旋式攀升 的方式 。这种新颖的设计带来了轻量化和高爬升速度特征的修剪机器人。我们报告我们在发展机器人进展，针对直爬，不平坦的表面上的 工作、 修剪。 关键词 修剪机器人 爬壁机器人 1 引言 日本木材工业已经进入下降的原因 ， 木材价格下降和林业工人老龄化迅速。这导致了森林的破 坏 ，导致在暴雨和山体滑坡的 破坏 山村 地区 。然而，在一个适当的配平状态修剪树 是 值得在上面投资的， 因为其 形成 一个美丽的表面形成年轮。 一个修剪机器人的发展 对 可持续森林管理的创新是很重要的。研究开发 的 修剪机器人 15已经很少见了 。 2011 年 2 月 25 日 机械工程系，丰田民族院校丰田 471知县，日本 电子邮件： 崎 . K. 人与信息系统工程系，岐阜大学，岐阜县，日本 限公司，日本 外文文献及译文 7 雪蛤 业有限公司，岐阜县，日本 这部分工作是在第十六届国际研讨会在人工生命与机器人 项目展现的 ，日本，一月 27日 29日 ， 2011 年。 87 电池 ， 质量中心位于一个错误 的边缘 ，由于摩擦系数不明确、质量中心的位置可能被干扰。 例如，机 器人会倾斜，当它爬上一个不均匀的表面。在图 2a，质心定位参数 H = 和W = ，其中 H 为上轮和下侧面之间的距离轮，和 W 的表面之间的距离躯干和质量中心，如图 3 所示。分析表明机器人当 D 为 ，即使它倾斜约 德。控制器使用一个 构成 ， 配备了无线局域网。该控制器能够通信数据 /命令与个人电脑通过无线局域网。每一轮由速度 制。通过一个高通滤波器的速度反馈输入附加。通过与第二个原型比较，第三原型重量轻，除控制器和电池。同时，控制器和电源分布在外部的第二个原型。第三原型也配备一个无 线局域网和电锯。虽然的电锯细节在这里省略了，实验表明一个分支使用第三切削原型。 3 实验 三实验进行评估的第三个原型。第一个实验是对其基本性能。第二个实验是评价其在不平坦的表面 的 性 能。 第三实验表明机器人是否可以修剪树枝。所有的实验使用替代树在室内进行。替代树直径的是 的摩擦系数 有效的替代树大约是 是小于这一自然的树。收集实验数据 包括 ，该电机电流，机器人的位置和方向，机器人的测定 ， 测量电机电流 。 使用分流电阻。测定位置 的 一个三维位置测量装置（ 数字）。用三维定位测量定位传感 器（ 外文文献及译文 8 图 1。爬树方法使用 图 2。第三修剪机器人原型。照片图像。 B 像 还原机制具有非回驾驶性能。每个车轮的转向角度也由直流驱动 ,伺服电机和蜗轮减速机构。 在分析的基础上， 79 质量中心位于外树与控制器的重量 。 图 3。对一棵树的修剪机器人三维图。侧视图 。 俯视图 本性能 直爬实验进行评估 ， 机器人的基本性能。这四个预期的速度轮子是由梯形的简介。加速度 / 速度为 /秒 ， 车轮半径 ， 。 实验结 果显示在图。 4， 5，和 6。图 4 显示了机器人的速度。各自的速度从旋转编码器的值计算出轮。机器人能爬在 /秒。虽然有一个约 于控制法启动延迟，这是一个问题。图 5 显示移动的距离。 它 的 实现 是由一个三维位置测量设备，和移动的距离每轮计算 从价值上的旋转编码器。在图 5 中，我们发现三种类型的错误：在距离误差的感动每一轮的三维位置测量之间装置（ 间的误差；轮 1（或 3）和 2（或轮 4）（ 轮 1 和轮3 之间的误差（误差之间的 2 和 4 轮轮）（ 我们考虑了两这些错误的可能原因。第一个是差异在每一轮的变形。移 动的距离按 的半径为每个车轮 的每一圈 。车轮是由聚氨酯 合成的 管 ， 它是作用在它变形的力。 它的 变形量的大小取决于力。从理论上分析， 79级在第三原型的力量往往是如下。的正常力近质心变得大于在对面的力。因此，填充扶手椅外文文献及译文 9 形 = 认为是，在法国是正常的力的大小第一轮（ （ 以这样解释。我们认为原因是滑移（ 干上的车轮。图 6 显示了电流在轮毂电机，这是由并联测量电阻。理论分析也表明，在下侧切向力大于上面。图 6 倾向于理论分析 ， 不平坦的表面上安全使用的机器人 正常工作 ，它 必须在不平的树是强大的树干。总是会有由增长引起的颠簸一个修剪枝的遗迹。因此，直爬坡实验进行评估颠簸在树干修剪机器人的性 能 。这个实验在一个替代的凹凸进行。采用 料，和大于天然凹凸。在四轮所需的速度是由一个梯形了简介。加速度为 / 速度为 /秒，每 半径的车轮。 实验结果如图 7 所示，其中显示角度 1 的轨迹和 2（参见图 2B）。 2 角旋转对所有病例加方向，指示这个控制箱上升。这意味着，大众走向树中心。质量中心也走向了树当 1 角方向旋转正方向。这意味着减少摩擦力使机器人在树上。然而，在 2 个 轮子的电流和 4 均大于在实验中连续电流。因此，有没有危险的机器人跌倒。此外，这些角度回到原来的方向，即使角度 1 和 2 发生了当一轮了凹凸。这些结果显示了良好 的 性 能。 剪试验 进行实验，发现无论是第三原型可以修剪树枝。一个附加的电锯是由一个 24V 蓄电池直流电机驱动。机器人爬上螺旋的速度在 /秒的直径的树该目标分为 。 图 7。在每一种情况下滚角和俯仰角。一轮 1 过去的凹凸， B 轮 2 通过凹凸， C 轮 3 通过凹凸， D 轮 4 通过凹凸图 8。机器人与修剪修剪试验 ， 实验的场景如图 8 所示。在这个实验中， 树枝被切 断，只留下一个短暂的残这是小于 ，与树干没有受伤。 4 结论 一个伐木工像修剪的发育进程 ， 机器人已经被描述，针对直爬，其在不平坦的表面行为，修剪树枝。的实验表明，直爬第三原型给了一个很好的基本性能。攀爬的结果在不平坦的路面上试验中表现出良好的鲁棒性颠簸，因为真正的树最凸起的小比实验碰撞。此外，修剪试验 还表明第三的原型可以修剪树枝从一棵树。在今后的工作中，我们希望在实际环境中的机器人测试，试着做一些进一步的改进。 外文文献及译文 10 工具书类 1。张军军， 等人 2009 年开发 行道树爬壁机器人 木本 。 2009 促进了 程序， 107 的发展。 2。 ， 等人 2006 年发展了 结构测量 抓树 力 修剪 树，攀爬修剪机器人 木本 （日本）。2006 年开展 程序 与 机器人与机电一体化 会议。 3。 ， 等人 2006 年开发 攀树和修剪机器人木本。执行器布置在臂端 为了 旋转运动（日本）。 促进了 268 4。 , , ， 等人 （ 2006）评 估了 树枝修剪机器人地图构建系统 的绩效 （日本 ） 。 在 2006 年 开展了 程序和机器人机电一体化 会议。 5。 , , ， et 2005） 研究用于机器人的 修剪系统： 发展了 机器人样机 单元 （日本）。 开展了 机器人 2005 日本机械学会与机电一体化 会议。 6。圣隶 工 业。 。 2011 年 5 月可以访问 7。 , , ， 等人 （ 2008）分析与实验新型爬山法。 开展了 2008， 60163 的 议 。 8。 , , ， 等人 （ 2010） 开发 一个用其自身的重量 的 修剪机器人。 促进 455010， 63 行业的发展 9。 , , ，等人（ 2010）开发的一个 利用 自身的重量 的 修剪机器人（日本）。 促进着 古屋 的发展。 本 科 毕 业 设 计（论 文） 题 目 机械手夹持器 设计 专 业 学生姓名 班 级 学 号 指导教师 二 年 月 日 山东英才学院 毕业设计（论文）原创性声明 本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明 并表示了谢意 。 摘 要 机械手夹持器 采用夹持机构进行设计 载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点可以作为航天上的对接器、航海上的潜艇救援对接器；工业上可以 作为大件的装配机器人、精密操作的微动器；可以在汽车总装线上自动安装车轮部件；另外，医用机器人，天文望远镜等都利用了并联技术。 本文夹持机构的研究方向： （ 1）夹持机构组成原理的研究 研究夹持机构自由度计算、运动副类型、支铰类型以及运动学分析、建模与仿真等问题。 （ 2）夹持机构运动空间的研究 （ 3）夹持机构结构设计的研究 夹持机构的结构设计包括很多内容，如机构的总体布局、安全机构设计。 由于本人水平有限，文中的错误和不足在所难免，恳请各位老师给予批评和指正。 关键词： 机械手；虚拟样机；夹持机构 of is is a of be as a of of be as of in in In of is on 1) he on of of of of of on 2) on 3) he of a of as of of to my of I to 5 目 录 1 前 言 . 1 题研究背景意义 . 1 内外研究现状 . 2 2 夹持器 . 5 持器设计的基本要求 . 5 持器结构设计 . 5 紧装置设计 . 5 爪的夹持误差及分析 . 8 块等尺寸的确定 . 11 料及连接件选择 . 14 3 腕部 . 15 部设计的基本要求 . 15 有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构 . 15 部结构计算 . 16 部回转力矩的计算 . 16 转液压缸所驱动力矩计算 . 18 转缸内径 D 计算 . 19 压缸盖螺钉的计算 . 20 片和输出轴间的连接螺钉 . 21 部轴承选择 . 22 料及连接件，密封件选择 . 23 4 伸缩臂设计 . 24 缩臂设计基本要求 . 24 案设计 . 25 缩臂机构结构设计 . 26 缩臂液压缸参数计算 . 26 向杆机构设计 . 33 5 液压系统 . 36 压系统设计 要求 . 36 压系统设计方案 . 36 动系统设计 . 37 6 功能设计分析 . 37 压泵的确定与所需功率计算 . 37 定泵的电机功率 N . 38 压元件的选择 . 38 助元件的选择 . 39 压系统的验算 . 39 压系统图 . 40 计的液压系统图 . 40 压系统电磁铁动作顺序控制原理 . 41 磁铁动作顺序 . 42 总 结 . 44 致 谢 . 45 参考文献 . 46 山东英才学院 本科生毕业设计（论文） 1 1 前 言 题研究背景意义 机械手夹持器作为机械手的一个重要组成部分，已经是机械装置当中必不可少的部件。 工业机械手是近几年来出现的一种技术装备，它能够模拟人体上肢的某些动作，在生产中代替人力搬运物体或操持工具进行比较简单的重复操作。而在机械手发挥其作用的时候，与产品直接接触的是机械手的末端夹持部分。所以，机械手的意义和用途对于机械手的夹持器来说也是一样的，特别是在需要移动重量较大或者装配大型零部件的时候，夹持器能否准确到位进行工作显得尤为重要。 首先，我们从 国家的相关机械行业政策方面 能够看出其重要地位。 2010 年 7 月以来，国家领导人高频访问装备制造企业，并强调自主创新。 7 月 9 日至 11 日，中共中央总书记、国家主 席、中央军委主席胡锦涛在河南考察工作。胡锦涛主席希望企业能不断增强自主创新能力，不断适应市场新变化，全面提升企业竞争力。 2009 年 5 月 12 日，国务院办公室正式发布装备制造业调整和振兴规划，规划期为 2009。 “十一五 ”期间，我国机械工业延续了 “十五 ”全面高速发展的好势头，产业规模跃居世界首位。 “十一五 ”期间，机械工业的产业规模持续快速增长。 2010 年机械工业增加值占全国 比重已超过 9；工业总产值从 2005 年的 4 万亿元增长到 2010 年的 14 万亿元，年均增速超过 25，在全国工业中的比重从 高到 规模以上企业已达 10 万多家，比 “十五 ”末增加了近 5 万家，从业人数达到 1752 万人，资产总额已达到 亿元，比 “十五 ”末翻了一番。2009 年，我国机械工业销售额达到 亿美元，超过日本的 亿美元和美国的 1 万亿美元，跃居世界第一，成为全球机械制造第一大国。 “十二五 ”机械工业必须加快发展方式的转变，由过度依赖于消耗能源、资源和增加环境成本转向更多地依靠技术创新、管理创新和劳动者素质提高实现增长。生产模式努力向节能减排、绿色制造转变；产品结构努力向高端产品升级，产业技术向 与信息技术等新技术的深度融合方向转变；商业模式从卖产品向卖服务方向转变；驱动模式从投资拉动向内涵驱动转变；增长点从传统产业向新兴产业方向转变。 以上可以看出，我们国家正全力主张机械工业的发展。 其次，从其所在的行业来讲，它的存在是为了提高生产的自动化水平和劳动生产率，减轻工人的劳动，不仅如此，它的合理使用还可以保证产品的质量。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。对于机械手的夹持部分，能够快而准确地夹持好零部件无论是对于加工还是装配都有着非凡的意义。而且，生 产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越多的应用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是山东英才学院 本科生毕业设计（论文） 2 附属于该机床的专用机械手。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。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中获得广泛的引用。但是，尽管如此，其所应用的行业并不多，仍旧有很多工作是必须由人力参与完成的；并且，很多地方还存在行业的不足。 再者，对于应用了机械手的生产部门而言，机械手的应用不仅大大地降低了车间工作人员的人身安全意外事故发生的概率；而且除了定期检查包养以外，不需要其它特殊照顾，工作时没有其他事情的耽搁，所以对于提高产品生产效率有很大的帮助；另外，机械手有较好的重复精度，所以对于提高产品生产质量也有很大的贡献。但是，机械手在重载精密条件下投入使用的并不常见。 然而，正是由于存在这样的一些问题，再加上对其所应用的行业的需求分析，此次的重载精密机械手夹持器的设计才格外显得意义非凡。试想在未来的汽车生产中，不仅是小型零部件的加工，而是整个汽车的装配都不再需要人工参与，岂不是大大减轻了人类的工作量。 综上所述，随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被制造，越来越灵活的夹持器将被设计出来，毫不夸张地说，机械手是人类走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高新科技进 步的一个象征。 内外研究现状 夹持机构具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度、重量轻、机械结构简单、标准化程度高和模块化程度高等优点 ,在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、电子等领域得到了成功的应用。 在我国，工业机械手的研究与开发始于 20 世纪 70 年代。 1972 年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划 (1986始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入的大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究 所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器等等。这些机人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所 (北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器， 以，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。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，山东英才学院 本科生毕业设计（论文） 3 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，机械手首先是从美国开始研制的。在 1958 年美国联合控制公司就已经研制出第一台机械手。 1） 1954 年 程师德尔沃最早提出机械人的概念； 2） 1959 年 尔沃与英格伯制造了世界上的第一台机械人； 3） 1962 年 式将机械人的使用性提出来，且制造出类似人的手臂； 4） 1967 年 立了人工手研究会，并召开了首届机械手学术会； 5） 1970 年在 开了第一届工业机械人学术会，并的到迅速普及； 6） 1973 年辛辛那提公司制造出第一台小型计算机控制的的工业机械人，当时是液压驱动，能载重大成就 45 7）到 1980 年在 到普及，并定为“机械人元年”此后在日本机械人得到了前所未有的发展与提升，在就是后来到台湾再到大陆。 国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很迅速。 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。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。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到 3M/S，量新产品达到 6 轴，负载 2产品系统总重已突破 100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。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。 四、 研究方法与实施方案 确定机械手夹持器的主要工作参数，比如所要夹持的工件的外观尺寸，夹持工件的重量，夹持速度，手指的夹紧力，手指开闭范围，放松时手指间的最大距离等。仔细研究夹持时所受的力，综合考虑到各方面的其他外因。 夹持器设计的基本要求 ： （ 1）应具有适当的夹紧力和驱动力； （ 2）手指应具 有一定的开闭范围； （ 3）应保证工件在手指内的夹持精度； （ 4）要求结构紧凑，重量轻，效率高； （ 5）应考虑通用性和特殊要求。 具体实施方案： 山东英才学院 本科生毕业设计（论文） 4 1、 确定夹持工件尺寸范围、重量； 2、 确定所夹持工件工作形式和工作环境； 3、 进行夹持器结构设计； 4、 对夹持器进行动力学和运动学方面的性能分析计算； 5、 校验夹持器的结构受力等因素； 6、 绘制夹持器装配图、零件图； 完成相关论文的编写。 山东英才学院 本科生毕业设计（论文） 5 2 夹持器 持器设计的基本要求 （ 1）应具有适当的夹紧力和驱动力； （ 2）手指应具有一定的开闭范围； （ 3）应保 证工件在手指内的夹持精度； （ 4）要求结构紧凑，重量轻，效率高； （ 5）应考虑通用性和特殊要求。 设计参数及要求 （ 1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧 放松； （ 2）所要抓紧的工件直径为 80松时的两抓的最大距离为 110s ， 1夹持速度 20mm/s； （ 3）工件的材质为 5质为 45#钢； （ 4）夹持器有足够的夹持力； （ 5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由液压缸提供动力。 持器结构设计 紧装置设计 紧力计算 手指加在工件上的夹紧力是设计 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，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。 手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： 1 2 3 K K G 2中： 1K 安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定 ,通常取 2K 工件情况系数，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2K, 20 . 0 2 / 11 1 1 . 0 0 29 . 8aK g ， a 为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（ m/s）； 3K 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定， 手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置； 手指与工件形状： V 型指端夹持圆柱型工件， 山东英才学院 本科生毕业设计（论文） 6 30 .5 f ， f 为摩擦系数， 为 V 型手指半角，此处粗略计算 3 4K ,如图 被抓取工件的重量 求得夹紧力 ， 1 2 3 1 . 5 1 . 0 0 2 4 3 9 . 8 1 7 6 . 7 5 K K M g N ，取整为 177N。 动力力计算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式： 2 s i 中： c 滚子至销轴之间的距离； b 爪至销轴之间的距离； a 楔块的倾斜角 可得 2 s i n 1 7 7 2 8 6 s i n 1 6 1 9 5 . 1 534NF b ，得出 F 为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力 F 要大于理论 计算值，考虑手爪的机械效率 ，处取 ： 1 9 5 . 1 52 2 1 . 7 6 20 . 8 8 ，取 500 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： 2= 4F D p推 式中 D 活塞直径 d 活塞杆直径 山东英才学院 本科生毕业设计（论文） 7 p 驱动压力， 推 ,已知液压缸驱动力F ，且 5 0 0 1 0F N K N 由于 10F ，故选工作压力 P=1据公式计算可得液压缸内径： 4 4 5 0 0 2 5 . 2 3 13 . 1 4 1FD m m m 根据液压设计手 册 ,见表 整后取 D=32 表 压缸的内径系列（ 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 活塞杆直径 d=406塞厚 B=( 取 B=32 23缸筒长度 L (20 30)D 取 L 为 123塞行程，当抓取 80件时，即手爪从张 开 120小到 80快向前移动大约 40液压缸行程 S=40 液压缸流量计算： 放松时流量 )(4 222 2 61 2 1 ( 3 1 6 ) 2 0 6 0 1 0 0 . 7 2 4 / m i A V L 夹紧时流量 2 2 61 1 1 3 2 2 0 6 0 1 0 0 . 9 6 5 / m i q V A V D L 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： 构简图，外形尺寸及技术参数如下： 表 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 ( 2 速度比 无杆腔 有杆腔 山东英才学院 本科生毕业设计（论文） 8 图 构简图 图 形尺寸 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，见图 2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 1，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。 110 + 80 300 m/s 90% 常规矿物液压油 32 东英才学院 本科生毕业设计（论文） 9 图 件直径为 80寸偏差 5，则 m a x 4 2 m m ， m 7 m m ， 40。 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 图 把工件轴心位置 C 到手爪两支点连线的垂直距离 X 表示，根据几何关系有： 22( ) 2 c o ss i n s i A l l a 简化为： 2 2 2 221 ( s i n c o s ) ( s i n )s i n A B A l l a 该方程为双曲线方程，如图 山东英才学院 本科生毕业设计（论文） 10 图 件半径与夹持误差 关系曲线 由上图得，当工件半径为 0R 时， X 取最小值 又从上式可以求出： 0 s i n c o ，通常取 2 120 m in s 若工件的半径 化到 ， 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 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 为 0R 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 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 90为条件确定两支点回转型手爪的偏转角 ，即下式： 1 1c o s ( ) s i 其中 2 90a , 86,V 型钳的夹角 2 120 代入得出： 1 8 0 1c o s ( 4 5 ) 5 6 . 5 7s i n 6 0 8 6 则 0 s i n c o s 8 6 s i n 6 0 c o s 5 6 . 5 7 4 1 . 0 2l m m 则 m m a R ，此时定位误差为 1 和 2 中的最大值。 山东英才学院 本科生毕业设计（论文） 11 2 2 2 2 2 2m a xm i ) 2 c o s s i ns i n s i A B A l a l a 2 2 2 2 2 2m i n m i ) 2 c o s s i ns i n s i A B A l a l a 分别代入得： 1 0 5 6 ， 2 0 8 2 所以， 0 . 1 4 8 2 1m m m m ，夹持误差满足设计要求。 由以上各值可得： 2 2 2 221 ( s i n c o s ) ( s i n ) 5 5 . 9 2 5 4s i n A B A l l a m m 取值为 56X 。 块等尺寸的确定 楔块进入杠杆手指时的力分析如下： 图 图 斜楔角， 30 时有增力作用； 2 滚子与斜楔面间当量摩擦角， 22t a n ( ) t a ， 2 为滚子与转轴间的摩擦角，d 为转轴直径， D 为滚子外径， 22f ， 2f 为滚子与转轴间摩擦系数 ; 支点 O 至斜面垂线与杠杆的夹角； l 杠杆驱动端杆长； l 杠杆夹紧端杆长； 山东英才学院 本科生毕业设计（论文） 12 杠杆传动机械效率 楔的传动效率 斜楔的传动效率 可由下式表示： 2s s ) 22ta n ta 杠杆传动机械效率 取 可得 = 2 90，取整得 =14 。 作范围分析 阴影部分杠杆手指的动作范围，即 2 90，见图 果 2，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 2。此外，当 90 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。 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 L，此时对应的杠杆手指由1位置转到2位置，其驱动行程可用下式表示： 12 12c o s c o s ( c o s c o s )s i n s i 杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为： 12 c o s ( ) c o s ( ) 通常状态下，2在 90 左右范围内，1则由手指需要的开闭范围来确定。由给定条山东英才学院 本科生毕业设计（论文） 13 件可知最大 s 为 55小设定为 0 ( 5 0 6 0 )s 。已知 14 ，可得2 9 0 7 6 ，有图关系： 图 知：楔块下边为 60点 O 距中心线 30有30() ，解得： 120 l 的确定 斜楔传动比 i 可由下式表示： s i ns i 可知 一定时， i 愈大，且杠杆手指的转角 在 90 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 120 分配距离为： 50l ， 70l 。 定 由前式得： ( 6 0 3 0 ) 3 0s 13 0 7 0 c o s ( 1 4 ) c o s ( 7 6 1 4 )s ，1 ，取1 50 。 定 L 为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，有下图中关系 山东英才学院 本科生毕业设计（论文） 14 图 0 ( c o s 5 0 c o s 7 6 ) 8 2 . 8 5 0s i n 1 4L ，取 83L ，则楔块上边长为 19料及连接件选择 V 型指与夹持器连接选用圆柱销 / ， d=8需使用 2 个 杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销 / ， d=8需使用 2 个 滚子与手指连接选用圆柱销 / ， d=6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 12距 p=1，旋合长度为10东英才学院 本科生毕业设计（论文） 15 3 腕部 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。 （ 1）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。 （ 2）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。 （ 3）必须考虑工作条件 对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，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。 有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构 如图 示，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从 A A 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 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 270 ），图中缸可回转 90 。腕部旋转位置控制问题，可采用机械挡
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