电动机械手设计

目录1 绪论11.1机器人概述11.2 机器人的历史、现状31.3机器人发展趋势42 设计内容及方案的拟定52.1课题工作要求52.2课题基本参数的确定52.3总体方案的确定73 结构设计83.1手部结构设计83.1.1手指的形状和分类93.1.2设计时应考虑的几个问题93.1.3手部夹紧的设计93.1.4手爪的夹持误差及分析113.2手腕结构设计143.2.1手腕的自由度143.2.2手腕驱动力的计算153.3手臂结构设计193.3.1设计参数203.3.2手臂伸缩的尺寸设计与校核203.3.3手臂升降的尺寸设计及校核213.3.4手臂的尺寸设计与校核223.4腰部结构设计233.4.1设计采用具体方案243.4.2腰部升降驱动力的计算244 驱动系统设计284.1驱动方式的选择284.1.1驱动方案的确定294.1.2臂部驱动电机的选择304.1.3手腕手爪驱动电机的选择324.2传动方式的选择334.2.1工业机器人常用的传动机构形式334.3制动器355 控制系统硬件设计365.1控制系统模式的选择365.2 控制系统的搭建365.2.1工控机365.2.2数据采集卡375.2.3伺服放大器375.2.4端子板385.2.5电位器及其标定385.2.6电源416 控制系统软件设计426.1预期的功能426.2实现方法426.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制426.2.2直流电机的私服控制426.2.3电机的自锁43参考文献46翻译48外文原文：48中文译文：52致谢551 绪论1.1机器人概述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。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。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，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，如图 1-1 所示。图1-1 机器人的一般组成对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。 图1-2 机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。1.2 机器人的历史、现状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（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。随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。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，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：（1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年， 万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。（2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司 引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。1.3机器人发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。2 设计内容及方案的拟定2.1课题工作要求为了保证机器人在抓取工件时的精确度，我们在机器人的手部安装了力觉传感器。用以对机器人的检测和监控。该检测系统运用的是闭环控制。整个抓取动作的流程见图。图2-1 机械手的工作程序图2.2课题基本参数的确定1手部负重：10kg（抓取物体的形状为圆柱体，圆柱体半径、高度自定，密度.2.自由度数：4个，沿Z轴的上下移动，绕Z轴的转动，沿X轴的伸缩，绕X轴的转动。3坐标型式：圆柱坐标，其圆柱坐标型式的运动简图如图所示 图2-2 圆柱坐标机械手运动简图最大工作半径：1520mm，最小工作半径1055mm手臂最高中心位置：1012mm伺服电机上端最大行程：1387mm 最小行程：1237mm手臂运动参数：伸缩行程（X）：450mm 伸缩速度（）： 升降行程（Z）：150mm 升降速度（）： 回转范围（）： 回转速度（）: 手腕运动参数： 回转范围（）： 回转速度（）：手臂握力： 由确定，其中取 则即手指握力为50kg定位方式：闭环伺服定位重复定位精度：驱动方式：电动控制方式：MGS-51单片微机2.3总体方案的确定机械手的材料为高强度铝合金材料，机械手的运动由五部分构成：腰部转动、大臂升降、小臂传动、腕转动、手爪张合。小臂通过旋转轴固定在大臂末端，其驱动电机固定在大臂的一端，通过同步带传动带动小臂传动，其旋转角度为。小臂内部装有两部步进电机，一部通过同步带传动带动直齿圆锥齿轮传动，从而驱动手腕的旋转运动；一部通过软轴传动，驱动螺旋传动，经过扇形齿轮齿条转化实现手爪的张合。大臂的升降机构装在腰部伤，此结构为步进电机带动蜗杆使涡轮旋转，靠涡轮内孔的螺纹带动丝杆升降运动。为了防止丝杆转动，采用了由丝杠上端的花键与固定箱体上的花键套组成导向结构装置。腰部传动通过连队传动齿轮副。安装在底座的步进电机的输出经减速器减速后，通过齿轮传动使腰部绕垂直轴线旋转，其旋转角度为，大臂固定在腰部从动齿轮伤，并随腰部一起转动，从而实现手臂的整体旋转。3 结构设计3.1手部结构设计手部机构是机器人机械手直接与工件、工具等接触的部件，它能之行人手的部分功能。目前，根据被抓取工件的形状、尺寸、重量、易碎性、表面粗糙度的不通，在工业生产中使用着多种形式的手部机构，最常见的是钳爪式、磁吸式和气吸式，也有少数的特殊形式。不同形式的手部机构其夹紧力的计算各有不同。钳爪式手部机构是最常见的形式之一。手爪有两个、三个或多个，其中两个的最多。抓取工件的方式有两种：外卡式和内撑式。从其机械机构特征、外观与功能来看，有多种形式，他们分别是：（1） 拨杆杠杆式钳爪（2） 平行连杆式钳爪（3） 齿轮齿条移动式钳爪（4） 重力式钳爪（5） 自锁式钳爪（6） 自动定心钳爪（7） 抓取不同直径工件的钳爪（8） 具有压力接触销的钳爪（9） 抓勾与定位销十钳爪（10） 复杂形状工件用的自动调整式钳爪（11） 同时抓取一对工件的钳爪与内撑式三指钳爪（12） 特殊式手指钳爪同时对钳爪的选用也非常重要，应考虑一下几个方面：1 应具有足够的夹紧力，这样才能防止工件在移动过程中脱落，一般夹紧力为工件的2到3倍。2 应具有足够的张开角，来适应它抓取和松开工件之间较大的直径范围，而且夹持工件中心位置变化要小（即定位误差小）。3 应具有足够的强度和刚度，以免承受在运动过程中产生的惯性力和振动的影响。4 应能保证工件的可靠定位。5 应适应被抓取对象的要求。6 尽可能具有一定的通用性。 夹持式手部结构由手指（或手爪）和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。3.1.1手指的形状和分类本机械手所选用的夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式：按手指夹持工件的部位又可以分为内卡式（或内涨式）和外夹式两种：按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动性（或称直进型），其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指：同理，当二支点回转型手指的手指长度变为无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持的零件直径变化时不影响其他轴心的位置，能适应不同直径的工件。3.1.2设计时应考虑的几个问题（一）具有足够的握力，即足够的夹紧力在确定的手指的握力时，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和脱落。（二）手指应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度成为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入和脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。（三）保证工件的准确定位为了使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓去工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面得手指，以便自动定心。（四）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，还受到机械手在于运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或者弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。五）考虑被抓去对象的要求根据机械手的工作要求，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点，两回转型，由于工件为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如图3-1所示。3.1.3手部夹紧的设计本课题机械手手部的结构如图3-1所示图3-1 机械手手部图本课题机械手手部结构如上图所示其工件质量G=10kg，V形手指的角度2=，摩擦系数（1） 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为：（3.1）（2） 根据手指加持工件的方位，可得握力计算公式：（3.2）所以（3） 实际驱动力：（3.3）因为传力机构为齿轮齿条传动，故取0.94，并取为1.5若被抓去工件的最大加速度为时则：所以， 所以夹持工件时所需夹紧的驱动力为1563N。3.1.4手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，不仅取决于机械手定位精度（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3-2，从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。手部的最终误差取决于手部装置加工精度和控制系统补偿能力。图3-2 夹持不同工件时的夹持误差图3-2中， 为工件直径，；工件直径为60mm，尺寸偏差则； ； 。本设计为扇形齿条回转型夹持器，属于两点回转型手指夹持，如图3-3所示。图3-3扇形齿条回转式钳爪若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有：（3.4） 简化为：该方程为双曲线方程，如图2-4：图3-4 工件半径与夹持误差的关系曲线由上图得，当工件半径为时，X取最小值，又从上式可以求出： (3.5)通常取 若工件的半径变化到时，X值得最大变化量，即为夹持误差，用表示。在设计中，希望给定的和来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取为时，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，两手爪的和边平行，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，以为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式： (3.6)其中， 。V型钳的夹角代入得出：则 (3.7)则，此时定位误差为和中的最大值。分别代入得：所以，夹持误差满足设计要求。由以上各值可得：取值为。3.2手腕结构设计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。机器人手腕自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。因此手腕的自由度，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭手臂和腰部的于东就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。机器人手腕要求与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。要设有可靠的间隙调整机构，以减少空回间隙，提高传动精度。手腕各关节轴转动要有限位开关，并设计硬限位，以防止超限造成机械损坏。因此，应基本满足一下要求：（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。3.2.1手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓去的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕X轴转动回转运动才可满足工作的要求。目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的是回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于，并且要求严格的密封。3.2.2手腕驱动力的计算(1)手腕转动时所需的驱动力手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕启动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支撑处得摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合产生的偏重力矩，如图4-1所示。图3-5手腕驱动力计算手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算： M驱 = M惯 + M偏 + M摩 + M封 (3.8）式中： M驱 - 驱动手腕转动的驱动力矩（）; M惯 - 惯性力矩 (); M偏 - 参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩（）; M摩 - 手腕转动轴与支承处的摩擦阻力矩（）; M封 - 手腕回转的动片与定片、径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩（）下面以图4.1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算：1、 手腕加速运动时产生的惯性力矩M惯若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则： M惯 = （+） （3.9）若手腕转动时的角速度为，起动过程所转过的角度为，则： M惯 = （） （3.10）式中： - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量（） - 工件对手腕转动轴线的转动惯量 （）若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为： = + （3.11）式中： - 工件对过重心轴线的转动惯量（）; - 工件的重量（N）; - 工件的中心到转动轴线的偏心距（）; - 手腕转动时的角速度（弧度/）; - 起动过程所需要的时间（）; - 起动过程所转过的角度（弧度）;2、 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 M偏 = （） （3.12）式中： - 手腕转动件的重量（） - 手腕转动件的中心到转动轴心的偏心距（） 当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则 = 03、 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M摩 M摩 = （） （） （3.13）式中： - 手腕转动轴的轴颈直径 （）; - 轴承摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承 ; - 轴颈处得支承反力（），可按手腕转动轴的受力分析求解，根据（）= 0得： （）（3.14） 同理，根据（）= 0得： （） （3.15）式中： - 手部的重量（） - 如图4-1所示的长度尺寸（）4、 转动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密封装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。(2)手腕回转的尺寸及其校核1.尺寸设计长度设计为，内径为，半径为，轴颈为，半径为，运行角速度为，加速度时间为，压强则，力矩：(3.16)2尺寸校核(1)测定参与手腕转动的部件的质量，分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：工件的质量为，质量分布于的棒料上，那么转动惯量：假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量为：M惯 = (3.17)= = (2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线，则：M偏 = = = (3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩，对于滚动轴承，对于滑动轴承，为手腕转动轴的轴颈直径，为轴颈处的支承反力，粗略估计，M摩 = (3.18)= (4)回转的动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力M封，与选用的密封装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此估计M封为M摩的3倍M封 = M摩= = 所以M驱 = M惯 + M偏 + M摩 + M封 (3.19)M驱 所以设计尺寸符合使用要求，安全。3.3手臂结构设计设计机械手伸缩臂，底板固定在大臂上，前端法兰安装机械手，完成直线伸缩动作，机械手臂性能要求：（1） 功能性的要求机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。（2） 适应性的要求为便于调整，适应工件大小不同的要求，起止位置要方便调整，要求设置可调式定位机构。为了控制惯性力，减少运动冲击，动力的大小要能与负载大小相适应，如步进电机通过程序设计改变运动速度，力矩电机通过调整工作电压，改变堵力矩的大小，达到工作平稳、动作快捷、定位准确的要求。（3） 可靠性的要求可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。（4） 寿命的要求产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施，如：选择耐磨材料、采取润滑措施、合理设计零件的形面等。因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损的零件要便于更换。（5） 经济的要求机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。将机械设计课程中学到的基本设计思想贯穿到设计中。（6） 人机工程学的要求人机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。本设计中要充分考虑外形设计，各调整环节的设计要方便人体接近，方便工具的使用。（7） 安全保护和自动报警的要求按规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必须考虑的，是必不可少的。在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断，如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况，要设置报警装置。机械手臂的结构要求：（1） 应尽可能使机器人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，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。（2） 机器人手臂的机构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人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） 为了提高机器人的运动速度与控制精度，应保证机器人手臂有足够的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，通常选用高强度的铝合金制造机器人的手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗震性好，比重小（其比重相当于刚的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及其制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故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器人手臂结构的优化设计。在保证所需要强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。（4） 机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减少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） 机器人的手臂相对其关节回转轴尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用机器人在安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡，必要时还要涉及平衡机构来平衡手臂参与的不平衡重量（6） 机器人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。3.3.1设计参数（1） 伸缩长度：450mm（2） 单方向伸缩时间：1.52.5S；（3） 定位误差：要有定位措施，定位误差小于；（4） 前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击；3.3.2手臂伸缩的尺寸设计与校核手臂伸缩采用烟台气动元件厂生产的标准，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，综合本设计的实际要求，尺寸系列初选内径为。尺寸校核1.在校核尺寸时，只需校核内径=63mm，半径R=31.5mm的尺寸满足使用要求即可，设计使用压强P=0.4MPa。则驱动力：(3.20)2.测定手腕质量为50kg，设计加速度则惯性力为：3.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数k=0.2，所以，总受力 由于，所以标准CTA的尺寸符合实际使用驱动力要求。导向装置电动机驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力平衡力矩平衡状态，减少手爪一侧重力矩对性能的影响，故在手臂的伸缩一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码的质量根据抓取物体的重量的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。3.3.3手臂升降的尺寸设计及校核尺寸设计 运行长度设计为，内径为，半径，运行速度，加速时间，压强，则驱动力为：(3.21)尺寸校核1. 测定手腕质量为80kg，则重力：2. 设计加速度，则惯性力：3. 考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数k=0.1，所以，总受力 所以，设计尺寸符合实际使用要求。3.3.4手臂的尺寸设计与校核尺寸设计长度设计为，内径为，半径，轴颈，半径，运行角速度，加速度时间，压强，则力矩：(3.22)尺寸校核测定参与手臂转动的部件的质量，分析部件的质量分布情况，质量密度分布在一个半径r=200mm的圆盘上，那么转动惯量：(3.23)考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数k=0.2，M摩 = (3.24)总驱动力矩：M驱 = M摩 +(3.25)M驱 所以，设计尺寸满足使用要求。3.4腰部结构设计工业机器人的腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座伤，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：1 腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。2 腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此机器人的基座和腰部轴及轴承的结构及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。3 机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。4 腰部回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动） 及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。5 腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。6 为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或者铸钢材料制成。3.4.1设计采用具体方案腰座回转的驱动形式要么是用电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或者液压马达来实现，目前的趋势是前者，本设计也选用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响很大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机能不能直接驱动驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。本设计方案选用二级齿轮传动并且选用大的传动比（大于100），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。腰座具体结构如图3-6所示： 3.4.2腰部升降驱动力的计算1手臂偏重力矩的计算图3-7手臂各部件重心位置图设 G工件=300N G手爪=90N G手腕=110N G手臂=300N所以G总=300+90+110+300=800N设工件=1500mm 手爪=1400mm 手腕=1200mm 手臂=900mm=G工件工件+G手爪手爪+G手腕手腕+G手臂手臂G工件+G手爪+G手腕+G手臂所以偏转力矩: M偏=G总式中：重心到回转轴线的距离（mm） 2升降导向立柱不自锁的条件手臂在G总的作用下有向下的趋势，而立柱导套则防止这种趋势。由力平衡条件的：G总所谓不自锁条件为： G总(3.26) 取即: G总 也即因此在设计中必须考虑到立柱导套长度大于391mm。式中摩擦系数 立柱导套的长度1 手臂升降驱动力的计算由于手臂升降驱动力的公式得：G总 (3.27)(1) 的计算 取 又因为所以 (2) 的计算经计算(3.28)式中：由静止加速到常速的变化量 启动过程时间（t），一般取0.01s0.5s手臂启动速度，启动时间，带入数据得：(3) 的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封圈，当电动机工作压力小于时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为：(3.29)(4) 的计算一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。经过以上分析计算，驱动力为：G总(3.30)所以 当电动机正转时 当电动机反转时 2 手臂回转驱动力矩计算（1）手臂回转驱动力 M驱=M惯+M密+M回(3.40)回转部件相当于可以等效一个高1500mm，半径为60mm的圆柱体，圆柱体重量为G总=800N，M惯= (3.50)设启动角速度，启动时间。所以 M惯（2）M密与M回的计算为了计算方便，密封处的摩擦阻力矩M密M驱，由于M回一般较小，故这里忽略不计，即M回因此: M驱=M惯+M密+M回M驱即 M驱4 驱动系统设计4.1驱动方式的选择机械中提供驱动的装置和方式很多，如电机驱动、液压驱动、气压驱动等，各种驱动方式有其自身的特点，在工业机器人中液压和气压驱动应用很广泛，有些机器人则同时采用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。比较这些驱动方式的特点，丛中选择适合移动机械手的驱动方式。电机驱动机械手可以避免电能变为压力能的中间环节，效率比液压和气压驱动要高。电机系统将电动机、测速机、编码器以及制动器组装在依次加工的课题里，使得整个电机系统体积小，可靠性和通用性也得到很大的提高。另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可以达到非常高的位姿准确度。而液压和气压驱动系统组成机构烦琐，维护不方便，液压源和气压源装置体积大，对于机器人来说也是个无法实现的问题，对于机器人操作机械手臂所要求的位置精度，液压和气压驱动也很难满足。该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见下表。表4-1三种驱动方式的特点对照驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率很大，压力范围为50140Pa利用液体的不可压缩性大，压力范围为4860Pa，最大可达100Pa较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度很高较高很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：（1）驱