工业设计机械基础课程设计-机械手臂设计

工业设计机械基础课程设计机械手臂设计指导教师I且录 Ⅱ第一章机械手臂介绍 1.1机械手臂的造型 第二章气动机械手的基本结构 4-2.1气动机械手的结构 4-2.2气动机械手关节结构 4-第3章气动机械手关节结构参数 3.1.1第一肩关节结构参数 3.1.2第二肩关节结构参数构图 3.1.3第三肩关节结构参数 3.2.1肘关节结构参数………………………12-3.3腕关节结构参数设计……………………13-第四章气动机械手3D运动图………………13-4.1第一肩关节的运动仿真…………………13-4.2第二肩关节的运动仿真…………………14-4.3肘关节X轴方向的运动仿真……………14-4.4肘关节Y轴方向的运动仿真……………15-4.5腕关节X轴方向的运动仿真……………16-第五章气动机械手制作材料………………17-第六章机械手的发展与展望………………18-参考文献……………19-Ⅱ摘要机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行作业。气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点。第一章机械手臂介绍(1)简单造型2(2)复杂构造34第二章气动机械手的基本结构本课题所设计的气动机械手的结构如下图所示。1.机架2.气动肌肉3.第一肩关节4.第二肩关节5.机架臂6.第三肩关节7.大臂8.肘关节9.小臂10.腕关节11.气爪气动机械手主要由起固定支撑作用的机架、机械臂和气爪三部分组成。气动机械手能够实现4个自由度的运动，其各自的自由度的驱动全部由气动肌肉来实现。最前端的气爪抓取物品，通过气动肌肉的驱动实现各自关节的转动，使物品在空间上运动，根据合理的控制，最终实现机械手的动作要求。2.2气动机械手关节结构2.2.1关节的基本方式在气动机械手设计中，有4个自由度，相当于4个独立的关节。每个关节的驱动原理都是相同的。关节的基本驱动原理如下图；5(1)第一肩关节其结构简图如图2-1(a)所示。三维建模的第一肩关节结构如图2-1(b)所示。图2-1(a)第一肩关节结构简图图2-1(b)第一肩关节三维结构图(2)第二肩关节第二肩关节和其下的4根机架臂相连接，其结构简图如图2-2(a)所示。三维建模的第二肩关节结构如图2-2(b)所示。图2-2(a)第二肩关节结构简图图2-2(b)第二肩关节三维结构图(3)第三肩关节第三肩关节是连接第二肩关节和大臂的纽带。主要零件是肩部连接腕和中部支撑杆。三维结构如图2-3(a);7图2-3(a)第三肩关节三维结构图2..2.2肘关节结构肘关节主要是由一个虎克铰的结构构成2-3(a)2-3(a)气动肌肉连接件肘关节是连接大臂与小臂的重要关节。分别是通过中部支撑杆和前部支撑杆维系着这两个结构。其中一些重要的尺寸参数分别由X、Y轴方向来确定，肘关节8X轴方向上的结构简图如图2-3(b)所示，绿色表示的是肌肉连接件，由于在X轴方向上，其与气动肌肉没有相互转动，因此表示成同一条直线，绿色只是说明这里另一个零件，Y轴方向上的结构简图如图2-3(b)所示。在运动过程中可以实现绕Y轴的转动。同样的左、右各为一对时，可以实现绕X轴的转动。(a)X轴方向(b)Y轴方向图2-3(b)肘关节X、Y轴方向的结构简图2.4腕关节结构设计腕关节大体上与肘关节的结构相似，主要有一个虎克铰的结构构成.腕关节通过前部支撑杆和肘关节固定，前端安装有一个气爪。其三维结构如图2-1(a)所示图2-4(a)腕关节三维结构图9腕关节设计过程中的一些重要尺寸参数有X轴，Z轴方向来确定。其在X轴方(c)Z轴方向图2-4腕关节X、Z轴方向的结构简图第3章气动机械手关节结构参数第一肩关节的结构简图如图3-1-1(a)所示。假定CBOEC1是第一肩关节开始的运动位置，BDDIE可绕O点旋转，逆时针旋转的极限位置是B₁OE₁,这时出现死点的现象，即当CB1O在同一直线上，连接BO,B1O,EO,E1O,C1O。作O点到CD的垂线交CD的延长线于F点。设OA=a,AD=d,BD=b,BC=L,BO=B1O=EO=E1O=R(1)确定b=35mm两个铰链点的长度L=225+50=275mm,L的范围是(275±25)mm。(2)确定a是如图2-8b所示的肩部肌肉连接件宽度的一半，d是长度的一半。设a为逆时针旋转时的最大角度，可知∠BOBi=a,∠EOEl=a,由于△BOC≥△EOC,所以∠EOCi=∠BOC=a。由公式(3-1)可知：由于tana在是单调增函数，b,L由于tana在tana取得最大值，即α取得最大值。由于O点处装有一根②20mm的连接杆，因此取肩部肌肉连接件的宽度为30mm,即半宽a=15mm。以取最大的d时，可以得到最大的tana,也就是最大的α,在这里取d=36mm。图3-1-1(a)第一肩关节的结构简图3.1.2第二肩关节结构参数构图第二肩关节的结构简图如图3-2(a)所示。假定CAOEC1是第二肩关节开始的运动位置，铰链点A,E可绕O点旋转，逆时针的极限位置是A₁OE1,即当CA1O在同一条直线上，连接AO,A1O,EO,E₁O。作O点到CA的垂线交CA的延长线于F点。连接AE,作O点垂直AE交AE于B点。设AB=a,OB=b,AC=L,AO=A1O=EO=E1O=R..图3-1-2(a)第二肩关节的结构简图3.1.3第三肩关节结构参数第三肩关节通过大臂上的气动肌肉连接到肘关节上。第三肩关节的零件尺寸与肘关节的零件尺寸有关，其零件尺寸是通过肘关节的零件尺寸来确定的。因此第三肩关节的零件参数化设计详见肘关节的零件设计。3.2.1肘关节结构参数肘关节的零件尺寸确定可以分为两个方向，即X轴和Y轴方向。下面分别就X轴和Y轴方向上的参数化设计进行阐述。)3-2(a)3-2(a)肘关节在x轴上的结构简图肘关节在Y轴方向上的结构简图如图3-2(b)所示。假定CAOA₁C₁是肘关节开始的运动位置，D,B可绕O位置是D1OB1,这时出现死点的现象，即当CD₁O在同一直线3-2(b)肘关节在Y轴上的结构简图腕关节加上小臂的结构等同于肘关节加上大臂的结构，因此肘关节的零件尺寸确定于腕关节的零件尺寸确定完全一样.第四章气动机械手3D运动图第一肩关节运动前后的位置如图4-1(a)和4-1(b)所示。(a)运动前(b)运动后图4-1第一肩关节仿真效果图4.2第二肩关节的运动仿真第二肩关节运动前后的位置如图4-2(a)和4-2(b)所示(a)运动前(b)运动后图4-2第二肩关节仿真效果图4.3肘关节X轴方向的运动仿真肘关节X轴方向运动前后的位置如图4-3所示。(al)运动前(a2)运动后(b1)运动前(b2)运动后图4-3肘关节X轴方向仿真效果图4.4肘关节Y轴方向的运动仿真肘关节Y轴方向运动前后的位置如图4-5(a)和4-5(b)所示(a)运动前(b)运动后图4-5肘关节Y轴方向仿真效果图4.5腕关节X轴方向的运动仿真(a)运动前(b)运动后图4-6腕关节X轴方向仿真效果图(a)运动前(b)运动后图4-7腕关节Z轴方向仿真效果图该机械手能够实现4个自由度的运动，气动肌肉具有控制精确的特点，在抓取物品等进行生产实践时，能够实现高精度的动作，基本满足了实际应用需要。该气动机械手具有轻巧、安全和控制简单等特点，可以用于工厂机器人，服务机器人等和人密切接触的场合。很符合人机工程学的宗旨。第五章气动机械手制作材料料要根据手臂的工作状况来选择，机械手臂，手臂要完成各类已定，或将定的运动，既然要有这么个运动部件，所以它最好是选用轻型材料，此外需要从质量，刚度，惯性力等多角度综合考虑，这样才能最终提高机械手臂的动态性能和静态第一：机械手臂在承受载荷时，不能有应变和断裂，也就是说要有足够的强第二：由于机械手臂是运动的，需要有良好的受控性，因此不能过笨重，所以至少得“密度小强度大而且转动惯量小”几个条件根据你的机械手臂的工况以及经济的角度有条件取舍，选出满足的材通常情况下，可以从以下大类材料中选取：1.木材是一种非常优秀的材料。木材可以使天然木材也可以是复合胶板。木材比金属其他复合材料质地要轻，不易弯曲，切断割削很容易便于组装。相对来说木材更适合制作轻型机械手臂，木材不导电不用担心短路情况选材有；松木冷杉等。木材质制作的机械臂，给人很不牢靠的感觉，金属制造的才更2.塑料也是一种制作机械手臂的有效材料，有很多聚酯塑料板之类的塑料材料也可以用来充当机械臂的材料。3.金属时使用最广泛的，生活中金属制的机械臂更为普遍。金属材料比较短时，其强度很高。随着尺寸的增加，金属材料会因为自重发生弯曲，因此达不到预想要求。在有些要求比较高的疲劳度和韧性强度时，可以选用一些角钢，钢板，硬铝板以及铝合金型材等，以满足需要。4.复合材料，泡沫板，玻璃纤维，树脂，复合碳纤维，复合材料重量很轻，另外，合理的手臂截面形状得到的扭转刚度，弯曲刚度也会有较大差异，这样的非材料因素也得好好考虑。第六章机械手的发展与展望精度是指机械手臂到达的指定地点的精准程度。如果一个机械手臂不够精准通常会显示一个误差，这个误差是可以预测的。可以通过变成予以校正。随着微电子技术和现代控制技术的发展，气动机械手臂精度越来越高，它的应用领域也将更广泛应用。如核工业和军事工业，航空，医疗，生活等领域等。终结者电影向我们展示了一个未来机械领域的新的机械手的发战前景