毕业设计（论文）基于液压伺服电机传动的砖窑卸垛机器人手爪的原理分析和动力学分析

1、西南科技大学城市学院本科生毕业论文i基于液压伺服电机传动的砖窑卸垛机器人手爪的原理分析和动力学分析摘要：论文对卸垛机器人的基本情况进行了介绍，给出了近年来国内外出现的几种的典型的卸垛机器人，并通过分析其优缺点，提出了砖窑机器人手爪运动分析与结构优化的思路.基于液压伺服电机传动的砖窑卸垛机器人手爪的原理分析和动力学分析，首先对砖窑机器人的手爪结构进行了研究，主要包括砖窑卸垛机器人手爪夹取和旋转机构两部分；其次，砖窑机器人手爪夹取和选择电机的选择，能满足机器人手爪的夹取和旋转；再次是 adams 软件中建立机器人手爪的模型，运用 adams 软件对机器人进行动力学分析，研究机器人手爪在运动过程中位

2、置、速度、加速度的变化；最后，通过对相应地仿真结果进行分析，证实了所建模型的正确性，为寻求合理的机器人手爪结构设计提供了方法。关键词：砖窑卸垛机器人； 手爪； 液压伺服电机； 动力学分析 servo motors drive the robot gripper brick destacking analysis and dynamic analysis principles西南科技大学城市学院本科生毕业论文iiabstract: : thesis destacking robot introduced the basic situation, given the recent emergenc

3、e of several domestic and unstacking typical robot, and by analyzing the advantages and disadvantages of proposed brick robot hand movement analysis and optimization ideasservo motors drive the robot gripper brick destacking principle analysis and dynamic analysis, the robots gripper first brick str

4、ucture was studied, including brick unstacking robot hand gripping and rotating bodies in two parts; followed , brick kilns and select the robot gripper gripping the choice of motors to meet the robot grippers gripping and rotation; once again adams software model to build the robot gripper, the rob

5、ot using adams software for dynamic analysis of robot hand claw in motion the process of position, velocity, acceleration changes; finally, through the corresponding simulation results are analyzed, confirmed the correctness of the model, the robot gripper to seek a reasonable structure design metho

6、ds.key words: brick unstacking robot, gripper, hydraulic servo motor, dynamic analysis西南科技大学城市学院本科生毕业论文iii目录基于液压伺服电机传动的砖窑卸垛机器人手爪的原理分析和动力学分析.i第一章 绪论.11.1 本课题研究的目的和意义.11.2 手爪的结构设计类型和特点.11.3 本课题的研究现状.21.3.1 国外的研究现状.21.3.2 国内的研究现状.21.4 工业机器人的发展趋势.31.5 研究砖窑卸垛机器人的目的和意义.31.6 本课题的研究内容.41.7 本课题的关键技术.4第二章 砖窑卸

7、垛机器人的手爪结构.62.1 砖窑卸垛机器人的组成和分类.62.1.1 执行机构.62.1.3 控制系统.62.2 抓取目标参数及手爪设计要求.62.3 砖窑卸垛机器人手爪的结构设计.72.3.1 手爪结构设计方案的确定.72.3.2 手爪四杆机构分析.82.3.3 手爪四杆机构长度参数的设计.102.3 机械手爪零部件的选择.122.3.1 减速机构的选择.122.3.2 电机的选择.132.3.3 传动机构的选择.14西南科技大学城市学院本科生毕业论文iv2.4 手爪材料的选取.142.5 本章小结.16第三章 砖窑卸垛机器人手爪的结构仿真.173.1 admas 动力学仿真软件介绍.17

8、3.2 砖窑卸垛机器人手爪运动原理.183.3 建立各部件的刚体模型.193.3.1 各部件刚体模型.193.3.2 砖窑卸垛机器人手爪部件的刚体参数.193.4 建立砖窑卸垛机器人手爪模型.203.4.1 创建手爪模型.203.5 本章小结.25第四章 砖窑卸垛机器人手爪的运动仿真与动力学分析.264.1 砖窑卸跺机器人手爪运动学分析.264.2 砖窑卸跺机器人手爪动力学分析.284.3 adams 仿真步骤.304.4 adams /view 模块对模型进行参数分析.314.5 adams 手爪的仿真及结果分析.314.6 本章小结.38结论.39致谢.40参考文献.41西南科技大学城市学

9、院本科生毕业论文1第一章 绪论1.1 本课题研究的目的和意义随着制砖技术的发展，人类在砖窑中的活动越来越多，由于砖窑对人类来说仍然是一个具有高辐射、超高温等特点的危险环境，那么利用砖窑卸跺机器人完成一些人类无法完成或者有危险的工作就显得十分必要。采用砖窑卸跺机器人协助或代替人类的工作在经济性和安全性方面都具有重要的意义1。手爪是工业机器人执行精巧和复杂任务的重要部分。因为机器人手爪直接作用与工作对象，机器人要完成的各种操作最终必须通过手爪得以实现同时手爪的结构、尺寸的设计对于机器人整体的运动学、动力学性能以及工作效率都有着直接显著的影响，机器人整体水平的高低好坏及最终能否正常按照人们的意图去工

10、作还要看其末端执行机构。因此手爪是机器人设计中一个非常重要的环节。1.2 手爪的结构设计类型和特点手爪是用来直接握持物件的部件。由于被握持的物件的形状、尺寸大小、轻重和材料性能、表面状况等的不同，所以机械手爪的结构是多种多样的。各种手爪的结构，不仅结构形式不完全相同。而且它们的工作原理也并不一样。归纳起来，常用的手爪，按其握持物件的原理，大致可分为下面几种（1） 机械夹钳式手爪机械夹钳式手爪一般由驱动装置、传动机构和手指组成。按其手指的开闭动作和结构的不同，又可分为回转型手爪和平移型手爪。回转型手爪的手指在传动机构的带动下，绕支点回转来实现手指的开闭动作。平移型手爪的两个手指在传动机构的带动下

11、，作相对的平行移动以实现开闭动作。该类手爪一般结构简单、动作灵活、适应性较强，并且大多数属于自动定心机构，在生活中被广泛应用。（2） 气吸式手爪气吸式手爪由吸盘、吸盘架及进排气系统等组成。根据吸盘与物件接触后形成真空或负压内腔的方法不同，气吸式手爪有：挤气式靠外力作用使吸盘变形而将内腔空气排挤出去的方法形成负压腔；喷吸式利用负压喷嘴将内腔空气抽出而形成负压腔；真空式用专门的真空泵系统抽气，使吸盘内腔形成真空。该类手爪具有结构简单、重量轻、使用方便可靠等特点，广泛应用于板材、薄壁零件、陶瓷、塑料、玻璃器皿和纸张等的吸附工作，具有良好的使用效果。西南科技大学城市学院本科生毕业论文2（3） 磁吸式手

12、爪磁吸式手爪是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生磁力，来吸取磁性材料物件的，吸附时不会破坏物件的表面质量，可获得较大的吸附力，同时对物件表面光整要求不高，对于不能有剩磁的物件要经过退磁工序。对于钢、铁等磁性材料制造的物件，温度超过 7230c 以后就会失去磁性，故在高温时无法使用磁吸式手爪。磁吸式手爪可分为永久磁铁手爪和电磁铁手爪。1.3 本课题的研究现状随着工业生产自动化的发展而产生的，机械手已成为机械化、自动化生产中不可缺少的一种自动装置。国内外对机械手爪的研究已取得相当成熟的结果，机械手爪也广泛的应用到食品、化工、冶炼、制造等行业中。近年来随着砖窑技术的飞速发展，机械手爪也广泛应用于砖窑以实

13、现对砖堆的装卸和搬运等。本课题所研究的手爪用在砖窑卸垛机器人特定环境下，属于机械手在砖窑技术领域的应用，在此主要介绍机械手在砖窑领域的研究现状。1.3.1 国外的研究现状近年来，出现了一种模块式高位码垛机，该码垛机系美国goldco industries公式制造的5000系列的高位码垛机，该机能能够同时处理两种完全不同的物料，具有60件/min的联合处理速度，通过增加编层和编垛模块，可以实现对更多种产品的同时处理。1988年，abb flexible automation inc.推出了名叫speed的双轴机器人码垛机，这种码垛机能够实现对包、盘、箱的码垛，具有高达70周期/min的吞吐量。同

14、年,fanuc robotics limited推出了型号为m410i-hw机器人码垛机，这种码垛机具有重达205kg的爪取载荷，能够一次爪取4-6件的物料。1.3.2 国内的研究现状国内哈工大机器人研究所多年前就研制了机器人码垛机，成功地应用在全自动包装码垛生产线上，取得了良好的经济效益和社会效益2。他们采用双自由度的笛卡尔坐标式机器人码垛机并结合编组机，通过一次爪取两袋或三袋，实现了800袋/h的工作能力。湖北宜昌机械厂生产的zm 1000托盘式全自动码垛机的处理能力达到了1000袋/h。上海交通大学机器人研究所正在从事高速码垛机技术的开发研究取得了重要进展。西南科技大学城市学院本科生毕业

15、论文31.4 工业机器人的发展趋势 工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。在新的世纪，机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。 从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、pc 化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。 据 unece/ifr

16、预测，至 2007 年，全球新安装装机器人的数量将从 2003 年的81800 套增至 2007 年的 106000 套，年平均增长 7%。其中，日本 2003-2007 年工业机器人的销售将从 2003 年的 31600 增长至 2007 年的 41000 套；欧洲 2003-2007 年工业机器人将从 2003 年的 27100 套增长至 2007 年的 34000 套；北美 2003-2007 年工业机器人市场每年平均增长 5.8%，至 2007 年将增长到 16000 套。 我国从上世纪 80 年代开始在高校和科研单位全面开展工业机器人的研究，近20 年来取得不少的科研成果。但是由于没

17、有和企业有机地进行联合，至今仍未形成具有影响力的产品和有规模的产业。目前国内除了一家以组装为主的中日合资的机器人公司外，具有自主知识产权的工业机器人尚停留在高校或科研单位组织的零星生产，未能形成气候。近 10 年来，进口机器人的价格大幅度降低，对我国工业机器人的发展造成了一定的影响，特别是我国自行制造的普通工业机器人在价格上根本无法与之竞争。特别是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，使得国内企业在生产的机器人过程中，只能依赖配套进口的零部件，更削弱了我国企业的价格竞争力。 中国的机器人产业应走什么道路，如何建立自己的发展模式，确实值得探讨。中国工程院在 2003 年 12 月

18、完成并公开的我国制造业焊接生产现状与发展战略研究总结报告中认为，我国应从“美国模式”着手，在条件成熟后逐步向“日本模式”靠近 1.5 研究砖窑卸垛机器人的目的和意义采用卸垛机器人卸垛会带来一系列的效果，不仅可以加快物流速度，保护工人的健康和安全，而且可以获得整齐一致的物堆，减少物料的损伤，提高叉车的搬运西南科技大学城市学院本科生毕业论文4效率，增强处理的柔性。砖窑卸垛机器人用于砖厂的卸砖工作，实现机器人代替人工，减少因高温、灰尘等给工人带来的伤害。目前国内外对节能环保要求的提高以及产业集团化、规模化和国际化进程的加快，砖坯企业正面临着成本控制和产品升级换代的挑战。本次设计的是砖窑卸垛机器人的手

19、爪，采用这种砖窑卸垛机器人，不仅可提高产品的质量与数量，更重要的是为工厂提供了更安全的工作环境，这对保障人身安全，逐步改善劳动条件，节约劳动力，减少成本，解放两百万的劳动人民，提高生产效率，提高企业竞争力，促进我国制造业的崛起，有着十分重要的意义3。1.6 本课题的研究内容以解剖学知识为基础，运用多体动力学分析软件adams建立了机器人手爪的力学模型，对手爪的典型动作如手腕的旋转，手指的张合运动进行运动仿真，并对仿真结果进行分析，从结果上对模型的合理性进行验证。（1）查阅砖窑卸垛机器人的相关文献，熟悉液压伺服电机传动的砖窑卸垛机器人手爪的原理及其运动过程。（2）对液压伺服电机传动的砖窑卸垛机器

20、人手爪的原理进行分析；（3）熟练掌握adams，运用adams对手爪绘图。（4）熟悉adams软件的主要功能，主要是view模块的运用。（5）通过上述步骤设计液压伺服电机传动的砖卸垛机器人手爪结构，并在adams软件对其动力学分析，并绘制各部件的速度、加速度、位置的二维图形。1.7 本课题的关键技术砖窑卸跺机器人手爪的设计集机械设计、数学分析、硬件设计为一体，在砖窑卸跺机器人手爪的设计中使用的关键技术如下：（1） 手爪的结构方案设计为满足砖窑抓取任务的要求，所设计的手爪结构必须具有牢固可靠、开合角度大，闭合迅速的特点，该文提出以四连杆机构作为手爪的本体,双滑板作为手指的新设计思想。因此，对该方

21、案的设计与分析是手爪系统设计的基础和首要任务。（2） 手爪的动力学仿真当手爪模型建立起来后需对其进行动力学分析，该文借助于动力学分析软件adams，在 pro/e 中建模，给模型设定约束参数和仿真环境，完成对系统的动力学西南科技大学城市学院本科生毕业论文5仿真，其仿真结果可为控制系统的设计提供电机力矩参数。（3） 手爪的硬件设计手爪的工作环境特殊，又是各种任务的执行终端，因此要求必须稳定、可靠的硬件环境。西南科技大学城市学院本科生毕业论文6第二章 砖窑卸垛机器人的手爪结构2.1 砖窑卸垛机器人的组成和分类一般而言，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。2.1.1 执行机

22、构砖窑卸垛机器人手爪部分（1） 手腕手腕是支撑被爪物件，连接手臂与手爪盘得重要部件，手腕的作用是带动爪盘进行旋转动作，并按预定要求将物体旋转定位到指定位置。砖窑卸垛机器人通常由驱动手爪运动的部件与驱动源相配合，以实现手爪的各种运动。（2） 爪盘接手指、手腕，及放置驱动手指运动的驱动装置的重要部件。（3） 手指取物件的重要部件，在驱动装置的作用下，通过夹紧放松实现物件的爪取与卸下。2.1.2 驱动系统驱动系统是驱动砖窑卸垛机器人执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动装置有液压传动，气压传动，机械传动。该文是基于液压伺服电机传动的砖窑卸垛机器人的原理分析及动力学分析，故选用齿轮做

23、为驱动手指运动的驱动装置。2.1.3 控制系统控制系统是支配着卸垛机器人按规定的要求运动的系统。目前卸垛机器人的控制系统一般由程序控制系统和电气定位系统组成。控制系统由电气控制和射流控制两种。它支配着卸垛机器人按规定的程序运动。并记忆人们给予的指令信息，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机器人的动作进行监视。当动作有错位或发生故障时即发出报警信号。2.2 抓取目标参数及手爪设计要求根据设计要求，爪取目标的质量为 80kg,爪取处为表面平整，直径 50mm，粗西南科技大学城市学院本科生毕业论文7糙度为 ra1.6mm,长度大于 100mm 的硬质圆柱把手。（1）手爪结构设计要求

24、手爪的外形结构要紧凑，爪取稳定，爪取牢固，重量轻。在尽量用简单易于现的结构实现所需求的功能。同时必须保证能可靠的工作。（2）手爪精度设计要求手爪可以在位置误差60mm，姿态误差10的情况下可靠地完成爪取任务，最大开合时间 4s，指尖夹持力大于 10n，指尖形状应满足给定目标的爪取要求。手爪闭合完成目标爪取后，目标与手爪的位置和姿态必须唯一确定，连接刚度高。（3）手爪控制系统设计要求手爪与中央控制器应性能稳定，结构简单，可靠性高。手爪在电机断电后，对爪取目标采用抱闸锁定方式。另外手爪工作在温度高、环境恶劣的情况下，这从另一方面要求其具有高可靠性，能迅速将目标爪取；同时根据具体的爪取目标还要求其具

25、有最简单的结构，以便有利于搬运。2.3 砖窑卸垛机器人手爪的结构设计在手爪的结构设计设计中，手指的数目的设计是最重要的一个环节，在砖窑温度高、环境恶劣的环境下，气吸式和磁吸式将失去用场，手爪的设计一般采用机械夹钳式设计。根据对卸垛机器人手爪的研究，手爪的设计可分为两指、3-5指，其中两指的设计多为回转结构，通过绕支点的转动来完成手爪的开合动作;3-5指的多指手爪每个指头又都有多个关节组成，根据每个关节的运动来实现对目标物的夹紧。该卸垛机器人手爪是为了完成在砖窑爪取任务而设计的。把砖块堆放在带有圆柱型把手的容器里，具体捕获目标为一圆柱型把手，因此把手比较大，用多指多关节的手爪来实现抓取任务，手爪

26、结构相当复杂、庞大，固在此选用双指回转结构，将捕获把手捕获后收拢于预定位置即可。2.3.1 手爪结构设计方案的确定砖窑卸垛机器人在砖窑主要是完成对砖窑目标物的抓取任务，在砖窑高温的情况下，抓取目标处于高温状态，如未迅速抓取目标，有可能造成经济损失。因此要求所设计的砖窑卸垛机器人手爪必须开合度大、闭合迅速、抓取稳定的特点。根据以上设计要求，有以下设计方案可供参考西南科技大学城市学院本科生毕业论文8方案一：如图 2-1 所示：该方案中手指由两圆弧形臂杆构成组成，通过转轴固定在座架上，左右侧各有一个，由转轴的转动带动手爪的开合运动。该结构设计简单，易于加工，节省材料，同时圆弧形手指结构在捕获过程中可

27、以对捕获目标的运动方位进行合理的引导，但该结构抓取不稳定。方案二：如图 2-1 所示：该方案手指由四杆机构组成，四杆机构末断为 90圆弧过度，通过四杆结构的转动牵引手爪的开合。该结构运用四杆结构的开合角度大、自由度为一、转向稳定的特点。但末端 90圆弧过度杆在捕获过程中不易于对捕获目标进行运动方位引导，另外当抓取目标进入手爪抓取范围内时容易造成对手爪的碰撞，整个砖窑卸垛机器人在外力冲击下易于出现故障。方案三：如图 2-1 所示：为改善上述两种方案的缺点，在此提出第三种解决方案，该方案综合了四杆结构开合速度、运动稳定、自由度为一和圆弧形手指末段得抓取平稳、对系统冲击力量小等多种优点。通过以上对比

28、，砖窑卸垛机器人手爪的设计选第三种方案。图图 2-1 机构设计方案比较图机构设计方案比较图2.3.2 手爪四杆机构分析砖窑卸垛机器人手爪由左爪和右爪组成，两爪各参数相同，对称安装在箱体两侧。手爪在开合运动过程中，转角的大小和四杆机构各杆长之间的关系可通过机构矢量理论推导得出，图 2-2 为手爪四杆机构原理图。西南科技大学城市学院本科生毕业论文9图图 2-2 手爪四杆机构原理图手爪四杆机构原理图其中 ab 为主动杆（驱动杆） ，dc 为从动杆，ad 为固定支架。在此规定 ab 和 x的正向夹角为，bc 和 x 轴的正向夹角为，cd 和 x 轴的正向夹角为。cd 和 x123轴的正向夹角和 bc

29、和 x 轴的正向夹角可用矢量法由各杆长表示。32 （2-1）4321llll即 （2-2）1432llll将等式（2-2）两端各自点积得: （2-3）)()(14314322llllllll即 （2-4）141133134321242322cos2)cos(2cos2llllllllll经整理可得： （2-5）0cos2cos)cos(2sinsin214124232122341133131lllllllllll令： （2-6）131sin2lla （2-7）)cos(24113lllb （2-8os2llllllc上式可简化为 （2-9）0cossin33cba可解

30、得 （2-10）)/()a()2/tan(2223cbcba根据安装设计这里去取正号西南科技大学城市学院本科生毕业论文10即 （2-11）)/()a()2/tan(2223cbcba同理可得 （2-12）4213llll （2-13）242141122124222123cos2cos2)cos(2llllllllll经整理可得 （2-14）0cos2cos)2cos2(sinsin2141232422212421232121llllllllllll令 （2-15）121sin2lld （2-16）421232cos2lllle （2-17os2llllllf则 （2-

31、18）0cossin22fed （2-19）)/()()2/tan(222fefedd根据安装要求这里也取正号即 （2-20）)/()()2/tan(222fefedd由以上分析可知，当四杆机构各杆长和角度已知的情况下，可以把、解123出来，且解是唯一解。在手爪运动过程中，电机驱动杆 ab 转动，即为给定值，则1、都唯一确定，进而在知道四杆长度的情况下四杆机构各杆的位置关系唯一确23定。设计手爪安装时两固定点（a,d）间的连线与水平线间的夹角为 15，这样在手爪开合运动过程中转角转过的相对角度较小，有利于手爪的快速闭合。图 2-3 为手爪1的平面安装示意图。图图 2-3 手爪安装平面示意图手爪

32、安装平面示意图西南科技大学城市学院本科生毕业论文112.3.3 手爪四杆机构长度参数的设计在手爪结构设计中，四杆机构长度的确定是最重要，也是本课题涉及的难点。在确定手爪四杆机构各杆杆长时可根据上节推导出的角度和杆长的关系公式反推出杆长和角度间关系，由式子（2-13）可解得)cos(cos)cos()cos()cos(cos)cos()cos()cos)(coscos(cos)cos)(coscos(cos121311211323111312221323212312132223111341ll（2-21）)cos(cos)cos()cos()cos(cos)cos()cos()cos)(cosc

33、os(cos)cos)(coscos(cos212312221323222311211323212312132223111342ll（2-22） （2-23）214211411121212422213cos2cos2)cos(2llllllllll式中为在第 j 中状态下的角度值，根据砖窑卸垛机器人设计要求，在此iji取四杆机构的固定杆 ad 即为 55mm，欲求得其它三杆的长度，只要给定三个抓4l取状态的、的值便可。在此给定手爪的三个抓取状态分别为状态一：手爪j1j2完全张开；状态二：手爪将抓取目标夹紧；状态三：手爪理论上完全闭合。根据手爪的安装设计，给定以下三种状态数据状态一：当手爪完全张

34、开时给定： ， ；15116021状态二：当手爪将抓取目标夹紧时给定： ，；151213522状态三：当手爪理论上完全闭合时给定： ，；301316523其分别对应图 2-4 三种状态图图 2-4 手爪状态平面示意图手爪状态平面示意图把以上数据带入式（2-21） 、 （2-22）和（2-23） ，经计算可得，24.921l西南科技大学城市学院本科生毕业论文12，85.592l85.693l2.3 机械手爪零部件的选择2.3.1 减速机构的选择减速机构用来把电机的运动传递到传动机构。该手爪对减速机构有以下几项基本要求：1、结构紧凑，即具有相同的传动功率和减速比时体积小，重量轻；2、机械刚度大，即

35、由驱动器的输出轴到杆件的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有领率，并大大减轻整机的低频振动；3、回差小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；4、寿命长，价格低。下面介绍几种机器人常用的减速机构（1） 丝杠传动丝杠传动有滑动式滚珠式和静压式等机器人传动用的丝杠具备结构紧凑间隙小和传动效率高等特点其中最常用的为滚珠丝杠，滚珠丝杠的丝杠和螺母之间装了很多钢球丝杠或螺母，运动时钢球不断循环运动得以传递因此即使丝杠的导程角很小也能得到90%一上的传动效率。（2） 蜗杆传动蜗杆传动由蜗杆组成用来传递两交错轴之间的运动和动力轴线，交角通常为90。蜗杆传动具有以下特性

36、：传动平稳、传动比大、效率较低、必要时可以设计成具有自锁性能，不宜传递很大功率和不宜作长期持续运动，蜗杆传动经常被用在机器人关节处需要自锁的地方。（3） 谐波减速器谐波减速是利用一个构件的可控制的弹性变形来实现机械运动的传递。谐波减速器通常由三个基本构件组成：波发生器、柔轮、刚轮。谐波发生器通常采用凸轮或偏心的轴承构成。刚轮为刚性齿轮，柔轮为能产生弹性变形的齿轮。当谐波发生器旋转时，产生的机械力时柔轮变形的过程形成了一条基本对称的和谐曲线。发生器波数表示发生器转一周时，柔轮某一点变形的循环次数。其工作原理是：当谐波发生器在柔轮内旋转时，迫使柔轮发生形变，同时进入或退出刚轮的齿间。在发生器的短轴

37、方向，刚轮与柔轮的齿间处于啮入或啮出的过程。这种错齿运动把输入运动变为输出的减速运动。与一般齿轮传动相比，谐波传动有如下主要特点：1.传动比大，单级传动比可西南科技大学城市学院本科生毕业论文13为50300,双级传动比可达106；2，传动平稳，承载能力高。在传动时同时参与啮合的齿数多，故传动平稳，承载能力高，传递单位扭矩的体积和重量小。在相同的工作条件下，体积可减小2050%；3.齿面磨损小而均匀，传动效率高。若正确选择啮合参数，则齿面的相对滑动速度很低，因此磨损小、效率高。当结构合理，润滑良好时，对i=100的传动效率可达0.85；对i=75的传动，效率可达0.92。传动效率随着扭矩的增加而

38、增加。而当传动的扭矩比额定值小于20%时，效率很快降低；4.传动精度高。5.回差小。精度谐波传动回差一般可小于31,甚至可以实现无回差传动；6.可以通过密封壁传动运动。7.谐波传动不能获得中间输出，并且怀式柔轮刚度较低。（4） 行星齿轮减速器由于电动机是高转速、小力矩的驱动器，而机器人却要求低转速、大力矩，因此常用行星齿轮机构减速器来完成速度和力矩的变换与调节。行星齿轮传动是一种具有动轴线的齿轮传动，可用于减速和差动装置。行星齿轮传动和圆柱齿轮传动相比具有质量轻、体积小、传动比大、效率高等优点。缺点是结构复杂、精度要求较高。行星齿轮传动不仅可做定传动比传动，也可以做为速度合成或分解的装置，应用

39、日益广泛。通过以上比较可以看出谐波减速器的减速效果要远比其他三种效果好，故此选择谐波减速器作为减速机构。2.3.2 电机的选择伺服电机是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机是可以连续旋转的电机械转换器。作为液压阀控制器的伺服电机，属于功率很小的微特电机，伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确。 本课题要求采用液压伺服电机，液压伺服电机是一种执行元件能够自动地、快速而准确地按照输入信号的变化规律而动作。同时，系统还起到将信号功率放大的作用，达到控制电动机运行的目的，这种由液压元件组成的系统称为液压伺服电机。优点:体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载时，

40、不会发生大的冲击；能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无级调速，且调速范围最大可达1：2000(一般为1：100）；换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换；由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；操纵控制简便，自动化程度高；容易实现过载保护；液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设西南科技大学城市学院本科生毕业论文14计、制造和使用。缺点：使用液压传动对维护的要求高，工作油要始终保持清洁；对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高；液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平； 液压传动对油温变化较

41、敏感，这会影响它的工作稳定性。因此液压传动不宜在很高或很低的温度下工作；由于液压传动中的泄漏和液体的可压缩性使这种传动无法保证严格的传动比。2.3.3 传动机构的选择 机械手的传动方案就是为了实现机械手所需完成的动作而采取的传动类型，它是设计机械手时所应考虑的最重要的特征。在具体设计该机械手运动方案时，可以先从分析机械手特定的作业环境入手，考虑常用的机构形式，然后综合，得出几种可行性实现方案，最后进行比较，筛选出最好的方案。传动机构根据结构和原理的不同，分为机械传动、液压传动和气压传动机构等。在砖窑高温度的环境下液压、气压传动性能会明显的降低，故我们重点考虑机械传动机构。（1） 丝杠传动丝杠传

42、动主要是一种将螺旋回转运动转变为直线运动，同时传递能量和力或者调整零件位置的传动形式。滚珠螺旋传动则是为了适应高速度和高位置精度的机械传动要求而发展起来的一种新型传动机构，其特点是摩擦阻力小，机械效率能达到90%以上。静压螺旋传动摩擦阻力极小，传动效率可达99%。（2） 同步齿形带与带传动同步齿形带、v形带、平行带、链、连杆等机构都是长距离传递运动的机构。同步齿形带兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，能方便地实现较远中心距的传动，传动过程无相对滑动；它与v形带想不不需要很大的张紧，刚度更好；因为有齿的啮合，所以传动效率较高。链传动机构在长距离传动中有较高的刚度，但传动比不稳定，且有在高速运转时

43、存在振动噪音问题。（3） 齿轮传动齿轮传动是机械传动中应用最为广泛的一种传动形式，也是一种理论最为完善的传动形式。但是齿轮传动无过载保护功能。通过以上对比，选择丝杠传动作为该手爪的传动机构。西南科技大学城市学院本科生毕业论文152.4 手爪材料的选取选择手爪本体材料，应从手爪的性能要求出发，满足手爪的设计和制作要求。手爪材料并不是简单工业材料的组合，它应是满足手爪性能的材料。应在充分掌握手爪的特性和各组成部分的基础上，从设计思想出发，确定所用材料的特性，即必须事先充分领会手爪的概念和各组成部分的作用。一方面，手爪外壳被用来支撑、连接、固定机器人的各部分，这一点于一般的机械结构特性相同，外壳所用

44、的材料也是结构材料。另一方面，内部结构是运动的，与之相联的手爪部分也是运动的，所以，运动部分的材料质量要轻。精密机器人对手爪的刚度有一定的要求，即对材料的刚性要求。刚度设计时要考虑静刚度和动刚度，即要考虑振动问题。从材料角度看，控制振动涉及到减轻重量和抑制振动两方面，本质上就是材料内部的能量的损耗和刚度问题，它与材料的抗振性紧密相关。传统的工业材料或机械材料与手爪材料的差别在于手爪是伺服机构，其运动时可控的，这就是传统材料中所没有的“被控性” 。材料的“被控性”是与材料的“结构性” 、 “轻质性”和“可加工性”同样重要的因素。材料的可加工性是指加工发挥材料特性的形状时的难易程度。是一个很重要的

45、指标。材料的被控性取决于材料的轻质性、抗振性和弹性。外壳材料必须从材料的结构性、轻质性、刚性、抗振性以及手爪整体性能一同考虑。总之，选择手爪材料时要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗振性以及价格等因素。下面简单介绍几种手爪的常用材料。（1） 碳素结构钢和合金结构钢这类材料强度好，特别是合金结构钢强度增大了 45 倍，弹性模量 e 大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。（2） 铝铝合金及其他轻合金材料这类材料的共同特点就是重量轻，弹性模量 e 并不大，但是材料密度小，故e/p 之比仍可与钢材相比。有些稀贵铝合金的品质得到了更明显的改善，例如添加3.2%重量锂的铝合金，弹性模量增加了 14%，e/

46、p 比增加了 16%。（3） 纤维增强合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，其 e/p 比分别高达11.4107m2/s2 和 8.9107m2/s2。这种纤维增强铝合金金属材料具有非常高的 e/p比，而且没有无机材料的缺点，但价格昂贵。西南科技大学城市学院本科生毕业论文16（4） 陶瓷陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆。与金属等零件连接的接合部需特殊设计。然而日本已经试制了在小型高速机器人上使用的陶瓷机器人臂的样品。（5） 纤维增强复合材料这类材料具有极好的 e/p 比，但存在老化、蠕变、高温热膨胀，以及与金属件连接困难等问题。这类材料不单重量轻、刚度大，而且

47、还具有十分突出的阻尼大的优点，传统金属材料不可能具有这么大的阻尼。所以在高速手爪上应用复合材料的实例越来越多。叠层复合材料的制造工艺还允许用户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角度、最佳横断面尺寸等，使其具有最大阻尼值。（6） 粘弹性大阻尼材料增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼，其中最适合手爪采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。吉林工业大学和西安交通大学进行了粘弹性大阻尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结果表明机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为0.30mm 处理后为0.16mm，残余振动时间在阻尼处理前后分

48、别为0.9s 和 0.5s。从砖窑卸跺机器人手爪角度看，为方便运输，希望选用的材料在满足强度的前提下尽量轻，同时可以节省手爪驱动力矩，对弹性模量和抗变形能力也有一定的要求，此外材料的成本，可加工性等等都是需要考虑的因素。该砖窑卸跺机器人手爪选用铸钢来作其加工材料。其具体型号为 zg270-500 铸钢。2.5 本章小结本章从设计出发，考虑砖窑卸垛机器人的工作环境，进行了砖窑卸垛机器人手爪的总体结构设计和各零部件的结构设计，选择了液压伺服电机作为手爪的驱动机构；选用电动缸作为手爪的传动机构。完成了该手爪零件材料的选取。西南科技大学城市学院本科生毕业论文17西南科技大学城市学院本科生毕业论文18第

49、三章 砖窑卸垛机器人手爪的结构仿真传统的 2d 绘图给整个产品设计和制造带来很大的麻烦。美国 90 年代初致力于使用全新的设计及生产技术如实体模型（solid modeling） 、快速成型机，以及工程分析系统等，其成效是有目共睹的。但这些生产技术，都离不开以造型技术为基础。过去，我过包括港澳地区产品外型设计都以平面、线框、曲面为造型手段，但为了要适应国际市场的大趋势，实体模型技术必会逐渐为用户所认识和采用。3.1 admas 动力学仿真软件介绍机械系统动力学自动分析软件adams(automatic dynamic analysis of mechanical systems)，是美国mdi

50、公司(mechanical dynamics inc.)开发的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，是世界上目前使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。使用这套软件可以产生复杂机械系统的虚拟样机，真实地仿真其运动过程；利用它可以快速建立包括机电一体化的复杂系统的多体动力学虚拟样机，从产品概念设计、产品设计、方案修改、优化、试验规划到故障诊断阶段，提供全方位的解决方案。工程师可以利用此软件建立复杂机械系统的“虚拟样机” ，在现实工作条件下逼真地模拟其所有运动，并且快速分析比较多种设计思想，直至获得最优设计方案，从而明显减少昂贵的物理样机制造数量、提高产品的设计水平，并大幅度缩短产品

51、开发周期和费用。机械系统建模是在计算机中建立的反应机械系统结构特征的属性数据的静态产品模型。它是进行仿真、分析、优化的基础。adams具有建模、施加运动约束的功能。对于复杂的产品，其三维几何模型的建立、产品预装配通常在pro/e软件中完成。然后通过格式转换，导入adams环境。施加载荷值在机械系统工作过程中，施加在机械系统模型上的外界激励的总称。对机械系统进行受力分析和运动分析，使机械系统模型受到和真实工作中相同的各种力和外界作用。在样机仿真的同时，可以对产品感兴趣的构件运动参数设置测量，绘制仿真结果曲线。通过对曲线数据和实验数据的对比分析，可以验证模型的正确性。同时，确定是否要修正模型。在仿

52、真模型验证正确的基础上，可以对虚拟样机模型设置可控参数，根据需求，有目的的对模型进行优化分析。在adams软件中定义了三种坐标系，其分别是:西南科技大学城市学院本科生毕业论文19(1) 地面坐标系是系统的绝对坐标系。固定在地面上，所有物体都相对于地面坐标确定其位置和方向。(2) 为了在建立模型时方便，adams还定义有局部参考坐标系，每一个物体都有一个局部参考坐标系iprf，其位置和方向相对于地面坐标系定义，随物体运动而改变。(3) 标记系统是各物体所拥有的各自内部坐标系统，分为两类：固定标记和浮动标记。固定标记故接在物体上，并与物体一起运动，其位置和方向是相对于lprf定义的，不随时间变化，

53、可用于定义物体的图形边界、质心、作用力和约束等；浮动标记在adams中用来确定一些力和约束的作用力，力和约束自动标明浮动标记的位置和方向。adams用刚体质心的笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标，系统动力学方程是最大数量但却高度稀疏耦合的微分代数方程，适于用稀疏矩阵的方法高效求解。在模型中没有收到约束的条件下，每个物体有6个自由度。用户可根据自己所要建立的模型，对物体施加约束，使所建立的模型自由度与设计相符合。adams软件为用户提供了多种类型的约束。有一般简单的约束、复合约束和原始约束。组合运用这些约束，才能使所建立模型的自由度满足要求。对于多体系统，adams软件会在每次求解之前

54、，系统将自动进行自由度核算，判断模型的自由度是否满足所进行的运算要求。对于不满足的情况，软件将终止运算，并给出错误信息。如果模型中含有多余的自由度，adams在判断它能进行运算的情况下，会给出警告信息。3.2 砖窑卸垛机器人手爪运动原理由电机带动气缸运动，先使气缸 1 收缩，则手臂下降，再使气缸 2 伸展，则手爪下降，最后使气缸 3 收缩，则手爪加紧，整个运动连贯起来为砖窑卸垛机器人手爪抓取砖块的运动流程；相反，气缸 2 收缩，则手爪上升，气缸 1 伸展，则手臂上升，再使气缸 2 伸展，则手爪下降，最后使气缸 3 伸展，则手爪松开，整个运动连贯起来为砖窑卸垛机器人手爪放下砖块的运动流程。两个运

55、动流程联系起来往复运动就是砖窑卸垛机器人手爪的运动原理。其简图为 3-1。西南科技大学城市学院本科生毕业论文20图图 3-13-1 手爪原理图手爪原理图3.3 建立各部件的刚体模型3.3.1 各部件刚体模型关于砖窑卸垛机器人手爪的刚体模型，主要结构是由立柱、手臂、手爪构成，并用气缸来连接立柱和手臂、手臂和手爪。砖窑卸垛机器人的运动主要靠气缸的运动来实现的。3.3.2 砖窑卸垛机器人手爪部件的刚体参数此砖窑卸垛机器人手爪部件的参数如表 3-1 所示。表表 3-13-1 砖窑卸垛机器人个杆件尺寸砖窑卸垛机器人个杆件尺寸长度半径质量杆件名称mmmmkg腰宽3003立柱500303手臂500303爪盘

56、200101立柱气缸 1手臂气缸 2气缸 3手爪西南科技大学城市学院本科生毕业论文21手指15013.4 建立砖窑卸垛机器人手爪模型3.4.1 创建手爪模型下面是具体的创建手爪的步骤（1） 创建腰部1、设置工作栅格间距。为了交互式建摸自动捕捉数据更准确，将 adams 工作栅格的 x 和 y 方向间距从默认值 50mm 改为 25mm，如图 3-2 所示。图图 3-2 修改工作栅格间距修改工作栅格间距2、在主工具箱中用鼠标右键点击几何建模按钮（默认值是连杆工具）展开所有的几何建模工具（rigid body）图标，点击立方体（box）建摸工具按钮，则在主工具箱的下半部分会出现是否指定立方体长宽高

57、的三个数据编辑框，设置长、宽、高分别为 30cm、10cm、5cm，如图 3-3 所示。西南科技大学城市学院本科生毕业论文22图图 3-3 基座模型基座模型（2）创建立柱绘制立柱圆柱体。单击工具栏中的按钮，然后勾选长度和半径，并把长度和半径分别设置为 50cm 和 3cm。如图 3-4 所示。图图 3-43-4 创建立柱创建立柱（3）创建手臂创建手臂圆柱体。单击工具栏中的按钮，然后勾选长度和半径，并把长度和半径分别设置为 50cm 和 3cm。如图 3-5 所示西南科技大学城市学院本科生毕业论文23图图 3-53-5 手臂模型手臂模型（4）创建爪盘创建爪盘圆柱体。单击工具栏中的按钮，然后勾选长

58、度和半径，并把长度和半径分别设置为 20cm 和 1cm。如图 3-6 所示。图图 3-63-6 爪盘模型爪盘模型西南科技大学城市学院本科生毕业论文24（5）创建手爪单击工具栏中的绘制长方体按钮，并在工具栏下端的输入框中，将length、heigth 和 depth 勾选中，并分别设置为 15cm、10cm、6cm，创建出如图 3-7 所示的长方体。图图 3-73-7 手爪模型手爪模型（6）创建气缸1、创建气缸 1。单击工具栏中的按钮，如图所示 3-8.西南科技大学城市学院本科生毕业论文25图图 3-83-8 气缸气缸 1 12、创建气缸 2.如图 3-9 所示。图图 3-93-9 气缸气缸

59、2 23、创建气缸 3.如图 3-10 所示。西南科技大学城市学院本科生毕业论文26图图 3-103-10 气缸气缸 3 33.4.2 添加约束根据上诉所画的图进行 adams 约束，约束完之后如图 3-11.图图 3-113-11 对各零部件进行约束对各零部件进行约束3.5 本章小结本章主要介绍了 adams 运动分析软件进行介绍其建模特点，给出了手爪各零件的三维设计，并对其进行约束，为后面软件分析提供模型。西南科技大学城市学院本科生毕业论文27第四章 砖窑卸垛机器人手爪的运动仿真与动力学分析4.1 砖窑卸跺机器人手爪运动学分析对砖窑卸跺机器人进行运动学分析主要是对其上杆件的速度、加速度进行

60、分析，本论文运用矢量分析得方法，完成手爪的运动学理论分析，然后借助 pro/e 进行运动学仿真。由于手爪的开合是在二维坐标下完成的，故对手爪的运动学分析只在运动平面内分析便可，图 4-1 为手爪运动学分析的矢量坐标系。图图 4-1 机构分析矢量图机构分析矢量图在该坐标系下0te e1221sin()te e1221cos()ne e图 4-2 为手爪在平面内的结构简图，以此模型为基础，便可完成对砖窑卸跺机器人手爪的运动学分析和计算。图图 4-2 手爪机构简图手爪机构简图西南科技大学城市学院本科生毕业论文28（1）速度、角速度分析根据四杆机构闭合的矢量关系，可得 （4-1）3124llll将式（