（机械工程专业论文）气动机械手系统设计.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，气动机械手系统设计是本人在 指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本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。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： l 月一e t 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和删系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 年一月一e t 年一月一e t 摘要 随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经 广泛应用在生产自动化的各个行业。本文就气动机械手的应用现状和发展前景作了简 单概述。本文研制了一种基于气动元件开发的五自由度机械手，该机械手应用四个两 种类型的气缸实现所有的动作，并留有底层的控制接口，使单片机( a r m 、d s p ) 、p l c 以 及计算机都可方便地对其进行控制。该机械手可以广泛应用在机械制图的测绘中、气 动技术、单片机( a r m 、d s p ) 原理与应用、p l c 与电器控制、计算机控制技术等课程的 实验以及机电综合实验中、机电产品创新设计等综合性实验中，应用效果理想。 关键词：气动技术；气动机械手；单片机 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r ym e c h a n i z a t i o n , a u t o m a t i o na n ds o m ea d v a n t a g e s o fp n e u m a t i ct e c h n o l o g y ，p n e u m a t i cm a n i p u l a t o ri sa p p l i e de x t e n s i v e l yt ov a r i o u sf i e l do f t h ea u t o m a t i cp r o d u c el i n e t h ea p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n t so ft h ep n e u m a t i cm a n i p u l a t o r w e r ed i s c u s s e d i nt h i sp a p e r ，a5d i m e n s i o n sm a n i p u l a t o ri sd e s i g n e dw h i c hi sb a s e do n p n e u m a t i ct e c h n o l o g y a l lm o v e m e n t so ft h em a n i p u l a t o ra r ec o m p l e t e db yf o u rc y l i n d e r s w h i c ha r et w od i f f e r e n tt y p e s t h el o w e rc o n t r o li n t e r f a c e sa r es e ti nt h em a n i p u l a t o rs ot h a ti t c a nb ec o n tr o l l e db ym c u ( a r m ，d s p ) ，p l ca n d c o m p u t e rc o n v e n i e n t l y t h i sm a n i p u l a t o r c a nb eu s e di ne x p e r i m e n t so fm a n yd i f f e r e n tc o u r s e ss u c ha sm e c h a n i c a ld r a w i n g ， p n e u m a t i ct e c h n i q u e ，m c u ( a r m ，d s p lp r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o n ，p l ca n de l e c t r i c a l e q u i p m e n tc o n t r o lt e c h n i q u e ，p cc o n t r o lt e c h n i q u ee r e a sw e l l a st h em e c h a t r o n i c s c o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n tw e e k sa n dp r o d u c ti n n o v a t i o nd e s i g n a l lo f t h ea p p l i c a t i o n so f t h e m a n i p u l a t o rs h o w th ee x p e r i m e n te f f e c ti si d e a l k e y w o r d s ：p n e u m a t i ct e c h n o l o g y ；p n e u m a t i cm a n i p u l a t o r ；m c u 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1 机械手构成1 1 2 机械手的种类1 1 3 气动技术的发展1 1 4 气动技术与气动机械手的发展过程1 1 5 气动机械手的应用2 1 6 气动机械手的特点3 1 7 机械手的规格参数4 第二章研究内容及参数5 2 1 方案设计5 2 2 规格参数j 6 2 3 主要参数的确定7 第三章气动机械手的结构设计1 0 3 1 抓取机构的设计1 0 3 2 送放机构的设计1 6 3 3 手臂和机身2 0 第四章机械手传感技术2 8 4 1 机器人传感器技术2 8 4 2 机械手手爪传感器2 9 4 3 传感器的选用及布置2 9 第五章气动机械手的气动系统原理3 1 5 1 空气压缩机? 3 1 5 2 空气压缩机的选择3 1 5 3 气缸的工作原理3 2 5 4 气缸的选取3 4 第六章机械手图形仿真3 5 结论3 6 致谢3 7 参考文献3 8 第一章绪论帚一早殖化 1 1 机械手构成 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件( 或 工具) 的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构 形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动( 摆动) 、移 动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、 伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位 的物体，需有6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手 的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2 3 个自由度n 。 1 2 机械手的种类 按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为 专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制 机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线 上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作 装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机 械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等 劳动条件。机械手首先是从美国开始研制的。1 9 5 8 年美国联合控制公司研制出第一台 机械手引。 1 3 气动技术的发展 2 0 世纪8 0 年代以来，气动技术的应用领域迅速拓宽，在各种自动化生产线上及机 床夹具上得到广泛应用。p l c 技术与气动技术相结合，使气动技术控制方式更灵活； 气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动控制技术提出了越来越高的要求； 而电气比例伺服技术与现代控制理论的发展，把气动控制技术从开关控制发展成闭环 比例伺服控制，控制精度不断提高，现在国内外都在进行该技术的研究口3 。 从国内外的统计资料来看，2 0 世纪7 0 年代，液压与气动元件的产值比约为9 ：1 ， 到2 1 世纪初，在欧美、日本等工业化国家，该比例已达到6 ：4 ，甚至接近5 ：5 。我 国的气动控制技术研究较晚，但发展速度较快。从2 0 世纪8 0 年代开始，气动元件产 值的年递增率在2 0 以上m 1 。 1 4 气动技术与气动机械手的发展过程 气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信 号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一【5 1 。大约开始于 1 7 7 6 年，j o h n w i l k i m s o n 发明能产生1 个大气压左右压力的空气压缩机1 8 8 0 年，人们第 一次利用气缸做成气动刹车装置，将它成功地用到火车的制动上。2 0 世纪3 0 年代初， 气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。至5 0 年代初，大多数 气压元件从液压元件改造或演变过来，体积很大1 6 1 。6 0 年代，开始构成工业控制系统， 自成体系，不再与风动技术相提并论。在7 0 年代，由于气动技术与电子技术的结合应 用，在自动化控制领域得到广泛的推广。8 0 年代进入气动集成化、微型化的时代。9 0 年代至今，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展，人们克服了阀的物理 尺寸局限，真空技术日趋完美，高精度模块化气动机械手问世，智能气动这一概念产 生，气动伺服定位技术使气缸高速下实现任意点自动定位，智能阀岛十分理想地解决 了整个自动生产线的分散与集中控制问题。气动机械手作为机械手的一种，它具有结 构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用1 5 j 。 气动机械手强调模块化的形式，现代传输技术的气动机械手在控制方面采用了先进的 阀岛技术( 可重复编程等) ，气动伺服系统( 可实现任意位置上的精确定位) ，在执行机 构上全部采用模块化的拼装结构 j 。 9 0 年代初，由布鲁塞尔皇家军事学院y b a n d o 教授领导的综合技术部开发研制的 电子气动机器人一5 可基里斯”六脚勘探员，是气动技术、p l c 控制技术和传感技术 完美结合产生的“六足动物”。6 个脚中的每一个脚都有3 个自由度，一个直线气缸把脚 提起、放下，一个摆动马达控制脚伸展退回运动，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴 心做旋转之用。由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它集遥感技术 和真空技术于一体，成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题1 5 j 。t r o n 2 x 电 子气动机器人，能与人亲切地握手，它的头部、腰部、手能与人类一样弯曲运动，并 且有良好的柔韧性。在幕后操纵人员的操作下( 或通过自身的编程控制) 能与人进行对 话，或作自我介绍等。t r o n 2 x 电子气动机器人集电子技术、气动技术和人工智能为一 体，它告诉我们，气动技术能够实现机器人中最难解决的灵活的自由度，具有在足够 工作空间的适应性、高精度和快速灵敏的反应能力【7 j 。 1 5 气动机械手的应用 由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、 强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、 重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过 载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半 导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事上哺j 。现代汽车 制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在 每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊 机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机 械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有 2 代表性的气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半 导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、 形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像 管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬 运系统，采用了平稳加速的s i n 气缸。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状 物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆 灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。此 外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气动自动调节病床， r o b o d o c 机器人，d av i n e i 夕t - 科手术机器人等吲。 1 6 气动机械手的特点 1 重复精度高 精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈 装置有关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。重复 精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这 个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差 的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术 的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的 重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。 2 模块化 有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块 化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装 置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运 动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高 刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要 特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能， 扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向【引。智能阀岛的出现 对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能 阀岛本来就是模块化的设备，特别是紧凑型c p 阀岛，它对分散上的集中控制起了十分 重要的作用，特别对机械手中的移动模块。 3 无给油化 为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求， 不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料( 如烧结金 属石墨材料) 的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、 不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。 4 机电气一体化 3 由“可编程序控制器传感器气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术 的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控 制”进入到高精度的“反馈控制；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元 件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小， 而p l c 的输出功率在增大，由p l c 直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动 控制越来越离不开p l c ，而阀岛技术的发展，又使p l c 在气动机械手、气动控制中变 得更加得心应手l 引。 1 7 机械手的规格参数 机械手的规格参数，是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方 面： 1 抓重( 又称臂力) ：额定抓重量或称额定负荷，单位为k g ( 必要时注明限定运动 速度下的抓重) 。 2 自由度数和坐标形式：整机、手臂和手腕等运动共有几个自由度，并说明坐标 形式。 3 定为方式：固定机械挡块、可调机械挡块、行程开关，电位器及其各种位置设 定和检测装置；各自由度所设定的位置数目或位置信息容量；点位控制或连续轨迹控 制。 4 驱动方式：液动、电动、气动和机械传动。 一 5 手臂运动参数：手臂的运动参数包括伸缩、升降、横移、回转以及俯仰。当手 臂的运动速度很高时，手臂在启动和制动时会产生很大的冲击和振动，这会影响手臂 的定位精度。因此，手臂运动速度应根据生产节拍时间的长短、生产过程的平稳性和 定位精度等要求来确定【l l 】。 6 手指夹持范围( 1 m ) 和握力( 夹紧力或吸力) ( n ) 。 7 定位精度：位置设定精度及重复定位精度( 士n 皿) 。 8 程序编制方法及程序容量：如插销板、二级管矩阵插销板、可编程序控制、微 机控制以及示教存储等。 9 收信、发信数目、联锁控制信号数。 1 0 控制系统动力：电、气。 1 1 驱动源：气动的气压大小，液压的使用压力，液压泵的规格，电动机功率，电 动机类型、规格。 1 2 轮廓尺寸：长宽高( r a m ) 。 1 3 重量：整机重量( 埏) 。 4 第二章研究内容及参数 设计要求完成以下内容： 1 拟定整体方案，特别是气动技术、传感器与机械本体的有机结合的设计方案。 2 根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部和机身的结构。 3 各部件的设计计算。 4 传感器的选择 5 气动机械手工作装配图的设计与绘制 2 1 方案设计 根据课题要求，机械手需要具备上料、翻转和转位等多种功能，并按该自动线的 统一生产节拍和生产纲领完成以上动作，因此可采用以下多种设计方案。 1 直角坐标式 如图2 1 ( a ) 所示，这是一种直移型机械手，即所有的运动均为直线运动。 这种机械手，结构简单，直观性强，便于实现一定的精度要求。自动线成直线布 置，机械手空中行走，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种方案结构简单，自由 度少，易于配线，但需要架空行走，所需的空间位置较大，工作范围较小，灵活性差 且油液站不能固定，这使设计复杂程度增加，运动质量增大。 2 圆柱坐标式 如图2 1 ( b ) 所示，这是一种回转型机械手，其手臂除了可以伸缩、可以升降外， 还可以绕立柱回转。这种机械手与直角坐标式机械手相比，占地面积小而活动范围较 大，结构亦较简单，并能达到较高的定位精度，因而应用范围较广泛。机身采用立柱 式，机械手侧面行走，顺利完成上料、翻转、转位等功能，自动线仍呈直线布置。这 种方案可以集中设计液压站，易于实现电气、油路定点连接，但机械手的升降手机械 结构的限制，距地面总有一定的距离，因而不能从地面上抓取物体且手臂悬伸量较大。 3 球坐标式 如图2 1 ( c ) 这是一种俯仰型机械手，其手臂除了具有回转运动外，还具有俯仰 运动( 即上摆动和下摆动) ，这种运动与手臂的伸缩运动组合成一个球状送放空间。这 种机械手与圆柱坐标式相比，在占有同样大小空间情况下，可扩大工作范，能将手臂 伸向地面抓取物件。机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成上料、翻转、 转位等功能这种方案具有电液集中、占地面积小等优点，但配线要求较高。 4 多关节坐标式 如图2 1 ( d ) 这是一种屈伸型机械手，臂部有大臂和小臂组成。除了大臂本身具 有回转和仰附运动外，小臂相对于大臂还可以屈伸，具有与人体上肢结构相类似的结 构。这种机械手可以在以臂部最大伸展长度为半径的球体空间范围内任意抓取物件， 灵活性大。它与其他坐标形式的机械手相比，所占空间最小，而且可以绕过障碍物抓 5 取物件。但其运动直观性差，臂部前端的位置由多个回转运动决定，要达到较高的运 动精度比较困难，为此必须提高制造精度，因而使设计和制造均较为复杂【1 2 】。 ( ) 直移强 ( b ) 回转量 ( c 俯仰型( d ) 屈伸型 图2 1 机械手的坐标形式 2 2 规格参数 抓重：1 5 0 n 自由度数：6 个 坐标型式：球坐标 最大工作半径：l m 手臂最大中心高：1 5 m 俯仰行程( z ) ：1 0 0 0 m m 升降速度： 2 3 0 m m s 回转范围( 、i ，) ：0 0 - 2 7 0 0 回转速度： 0 0 1 ：l m 3 ：相当于坐着操作； 1 ：l o m 3 ：相当于人站着或略有走动的操作； l o m 3 ：相当于人巡回操作； 目前应用的气动机械手的行程范围大多数相当于人坐着或站着的操作范围。 工作行程由己知条件及方案分析确定： 最大工作半径1 m ； 手臂最大中心高：1 5 m m ； 手臂伸缩行程：4 6 0 m m ； 8 手臂回转范围：矽= 0 - - 2 7 0 0 手腕回转范围：翻转o _ d o - 1 8 0 0 2 3 5 定位精度 位置精度是衡量机械手工作质量的一项重要指示，它包括位置设定精度和重复定 位精度。一般所说的位置定位精度是指重复定位精度。 位置精度的高低取决于位置的控制方式及机械手运动部件本身的精度和刚度，此 外它还与机械手的抓重及运动速度等因素有关。目前，气动机械手大多数采用点位控 制。其中，采用行程开关、电位计等电控元件进行控制时位置精度较低( 大于l m m ) ， 采用固定挡块进行控制时可达到较高的定位精度( o 5 m m ，或更高) ，采用电位私服 系统进行控制时可以获得更高的位置精度( 这种控制方式适应于高速重载情况) 。 本机械手定位采用机械档块定位，定位精度为0 5 - l m m 。 9 第三章气动机械手的结构设计 3 1 抓取机构的设计 3 1 1 抓取机构材料选择 机器人常用材料： 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，其强度增加了 4 5 倍弹性模量e 大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。 2 铝、铝合金及其它轻合金材料：此类材料的共同特点是重量轻，弹性模量e 不 大，但材料密度小。 3 纤维增强合金：此类合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等。其e p 比分别达1 1 4 1 0 7m 2 s 2 和8 9 x 1 0 7m 2 s 2 这种纤维增强金属材料具有非常高的比 e p ，而没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。 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， 与金属零件连接的接合部需特殊设计。 5 纤维增强复合材料：此类材料具有极好的e p 比，但存在老化，蠕变高温热膨 胀以及与金属连接困难等问题。这类材料不但重量轻，刚度大，而且还具有十分突出 的大阻尼的优点。传统金属材料不可能具有这么大的阻尼，所以在高速机器人上应用 复合材料的实例越来越多。 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，其中最适合机器人采用的一种方法 是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。 材料选择的基本要求： 1 强度高；2 弹性模量大；3 重量轻；4 阻尼大；5 材料经济性。 手指的材料： 为减轻重量，同时也由于手指所抓取物体一般都不是很大，所以，手指的结构材 料选用铝合金。在一些特殊情况下，也可以采用碳素钢、铸钢、合成塑料等。一般在 手指的表面再粘附一层橡胶或软塑料等材料，以减小手指与物体接触时的冲击，同时 也可以增大接触摩擦力。 3 1 2 抓取机构的设计要求 1 具有足够的握力 抓取结构的手指握仅工件时所需要的力成为握力或夹紧力。握力的大小与被夹持 工件或工具的重量、重心位置以及夹持方式的方位有关。计算握力时还应考虑传动和 1 0 操作过程中所产生的惯性力和振动力。以保证工件或工具不致松动或脱落。 2 具有一定的开角 抓取机构的手指张开与闭和时两个极限位置所夹的角称为手指的开闭角秒。手指 的开闭角口应能保证工件顺利进入或脱落，在需要夹持不同工件尺寸时，应按最大直 径的工件考虑。 3 具有一定的定位精度 为了使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被夹持工件的形状选择 相应的手指结构，并进行定位精度的计算。为了使机械手能适用多品种、小批量、工 件尺寸在一定范围内变化的生产中，可采用自动定心的手部结构，以减少对机械手的 调整工作。 4 具有足够的强度和刚度 机械手的抓取机构除受到被夹持工件的反作用力外，还将受到机械手在运动过程 中所产生的惯性力和振动的影响。因此，要求防止机械手抓取机构变形、弯曲和折断。 3 1 3 抓取机构结构形式的确定 抓取机构又称手部或爪部，是机械手直接与被抓取物件( 工件或工具) 接触并施 加约束和夹紧力的部分。根据与物件接触的形式之不同，抓取机构可分为夹钳式与吸 附式两大类。 抓取机构的结构形式主要决定于工件的形状和质量，本课题的抓取工件为 2 5 0 1 7 0 1 4 0i l m l 的箱式零件，当夹紧气压缸通气时，推动活塞带动杠杆机构合拢将 工件夹紧。当夹紧气压缸断开时，活塞杆通过弹簧复位。 手指间相对尺寸： 如图3 1 所示，灵巧手有两个手指之间的相对结构尺寸：食指和中指之间的距离 z 。；拇指与食指、中指之间的距离，d 【1 4 】。 1 ，。的分析： 一 食指和中指既能配合拇指完成对物体的抓持和操作，又能单独对物体进行夹持操 作，如图3 1 所示。因而，。可以由后者确定。 t ：i i 幺 太 笋竺 l 。| 手| 。 图3 1 两指夹持物体物体示意 假设手指侧面与物体之间为有摩擦点接触，摩擦系数为厂。被抓物半径为，。 由力平衡方程有： 2 f s i n g = 2 f 厂c o s g ( 3 1 ) 口= a r c t g ( f ) ( 3 2 ) 而 ，。= 2 【( z 1 + z 2 + ，3 ) s i n g + ，c o s g 】 ( 3 3 ) 当，= 0 时 ，。=2ul+z2+z3)sing(3-4) 当厶= 2 2 m m ，1 2 = 5 3 m m ，1 3 = 4 2 5 m m ，f = 0 2 时，。= 4 6 0 8 7 m m 2 乞的优化： 拇指与另外两指之间的距离乙直接关系到整个手指的抓取和操作特性，所以这一 尺寸的优化评价指标应从整个灵巧手来考虑。目前，对多指灵巧手抓取物体后的构形 的评价主要有以下指标：( 1 ) 稳定性；( 2 ) 可操作性；( 3 ) 灵巧性；( 4 ) 精确性；( 5 ) 扭矩可施加性；( 6 ) 可转动性；( 7 ) 灵敏性；( 8 ) 安全性等。 从稳定性、灵巧性和任务三方面考虑，在食指和中指的中线及拇指所确定的平面 内，将三指近似简化为两指。如图3 2 ，在此平面内，当被抓物体的可操作面积取得最 大值时，则该灵巧手的可操作体积通过网格法计算得出：可操作面积j 与物体的大小， 之间基本上成线性关系，厂越大，则s 越小。并进一步证明，当被抓取物体尺寸，有确 定值时，拇指和食指之间的结构距离匕存在最优值，如图3 2 所示 图3 2 灵巧手抓取物体简化图 根据以上结论，对乙最优值进行加权平均，所选匕为6 0 m m 1 2 图3 3 臂手系统模型 机器手静力计算，= k ，e r 。如图3 4 0 五f 2五 f f c e = 9 0 图3 - 4 ( a ) 机械手结构简图 图3 4 ( b ) 机械手受力图 该机械手的速度雅可比为 则该机械手的力雅可比为 一j 2 s 1 2 z 2 j j r ：卜蚂- - 1 2 s 1 2 和岛+ 1 2 c 1 2i 【 一，2 s 1 2 ，2 q 2j 根据r = ，r f 得 和q 1 2 c 吲、 。：j 【ej z 2 一“ 妇岛毛， 一 z 。l = ， s， 2 一 曲咀 一 。l i i r_j 1 屯 。l l i r 所以 f l = 一( z 1 s o , + ，2 毛2 ) 足+ ( 1 c o l + ，2 c 1 2 ) e f 2 = - 1 2 s 1 2 f x + 1 2 c 1 2 日 在某一瞬时幺= 0 。，0 2 = 9 0 。， f l = 一1 2 f x + z 1 e ，f 2 = - 1 2 f x ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) 如图所示，则与手部端点力相对应的关节力矩为 3 1 4 夹紧力( 握力) 的确定 握力的大小与被夹持工件的重量：重心位置以及夹持的方位有关。计算握力时， 应先进行必要的简化，以便建立力学模型，进行求解。下面以水平位置夹持悬伸工件 为例，介绍握力的计算。 假想地认为握力集中作用在手指与工件接触面的对称平面内。并设两力的大小相 等、方向相反。由于工件重力作用线与手指夹持工件时的对称面不重合，因此手指受 到悬伸工件的偏重力矩的作用。 将工件重力向夹持中心点简化，可得一集中力和一集中力矩如图中虚线所示。为 了防止工件下移，下手指对工件产生一反作用力r 1 = g ；为了防止工件转动，上、下 手指对工件产生一约束力矩m = r 2 3 = g l ，其中r 2 为手指对工件的反作用合力，假 定反作用力矩按三角形分布，且合力作用点在三角形的形心上。 根据手指的受力分析，可得如下公式： r r y m o “f ) ：0n b ：r 2 ( 6 一一1 1 ) ( 3 7 ) 讹( ，) = o n b = 肋拙( 6 + 等) 联立解以上两式，并整理得： = 百3 l + 圭) g n 当机械手水平夹持悬伸工件时，可进行握力计算： = 百3 l + 圭) g n 式中： n 一夹持工件时所需的握力； g 一工件的重量，g = 1 5 k g = 1 5 0n l 、h 一尺寸，l = 5 0 m m ，h = 8 0 m m 将t - 林数信代入得： 1 4 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) = ( 百3 x 5 0 + 互1 ) 1 5 0 = 3 5 6 2 5 考虑到工件在传动中还会产生惯性力、 际握力还应按下式计算： n 实n 丝 刁 n 实n k a k 2 刁 ( 3 1 1 ) 振动以及受到传力机构效率的影响，故实 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 式中： 卜手部的机械效率，一般1 1 = 0 8 5 - 0 9 5 ； k 1 一安全系数，一般取k l = 1 2 - - 一2 ； k 2 一工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，按下式估算： k 2 = l + a g ，其中，a 为抓取工件传送过程中的最大加速度，g 为重力加速度。 若取r l = 0 9 ；k 1 = 1 5 ；k 2 按a = g 2 计算，l ( 2 = 1 吲g ：1 5 ，则： 实n 丝：3 5 6 2 5 堕坐：8 9 0 n 3 1 5 夹紧缸驱动力的计算 根据夹紧缸受力分析，p 为驱动力实为握力。由受力分析可得： 尸= 2 r s i n 口 r h = l c d r 因为h _ - l b cc o s ( 18 0 0 - ) 一p + a ) = l b cc o s ( ) + 1 5 一n ) ( 长度取正值) r = 夹= c o s , 8 所以 尸：2 r s i n 口塑登墼实 ( 3 1 4 ) k c o s ( + 口一y l 由结构设计，确定a = 1 0 ，f 1 2 0 ，1 3 - - 5 0 ，l c , , = 1 3 0 m m ，k = 3 6 m m ，代入上式得： 尸= 2 x 1 3 0 x0136x 0 6 4 2 7 8 9 0 7 6 3 n( 长度取正值) 3 6 x 0 9 3 9 6 。 3 1 。6 夹紧缸主要尺寸的确定 1 气压缸内径d d = 1 1 3 式中： 1 5 ( 3 - 1 5 ) p - 一驱动力，即气压缸的实际工作载荷； a 一系统的工作压力，p 1 = 2 5 m p a = 2 5n m m 2 ； r l m 一机械效率，一般取伽= 0 9 5 。 将上述数值代入得： d ：1 1 3 旦：2 0 2 5 m 所 ( 3 1 6 ) 2 5 0 9 5 按j b 8 2 6 6 6 标准系列直径圆整，取d = 2 0 m m ，d = 1 0 m m ( 活塞杆直径) 。 2 气压缸壁厚6 盯：p p d( 3 1 7 ) 盯2 2 o - 3 。17 式中： 昂一实验压力，昂= 1 3 x 2 5 = 3 2 5 m p a ； 6 】一许用应力，选用铸铁材料， 5 = 6 0 m p a 将已知数据代入上式得： 仃：3 2 5 x 2 0 ：0 5 m m 取6 = 5 m m 。 3 气压缸外径d o 及长度l d o = d + 2 d = 2 0 + 2 x 5 = 3 0 m m 由结构需要确定，取l = 5 0 m m 。 3 2 送放机构的设计 3 2 1 概述 送放运动、送放范围、送放图形、送放运动的自由度和送放坐标及计算。 1 送放运动 改变被抓取物体( 工件或工具) 的位置和方向，并将其送放到一定的目的位置上， 这一运动过程称为送放运动。送放运动是机械手或机器人最主要的运动，包括手臂、 手腕和行走装置的运动，但不包括机械手或机器人手抓抓取物体的运动。因为抓取运 动只有抓取功能，不能改变被抓物体的位置和方向，因而不是送放运动。送放运动又 可分为主运动和辅助运动两部分，手臂的运动为主运动，手腕的运动和整机的行走运 动为辅助运动。主运动决定送放运动的空间范围的形状和性质，辅助运动可扩大送放 范围或改变被送放物体在空间的方位。 2 送放范围 1 6 机械手或机器人将被抓取的物体( 工件或工具) 送放到某一位置，其所能达到的 空间范围称为机械手或机器人的送放范围。当送放位置为一点时，称为点位送放；当 送放位置在一个确定的表面内时，这样的送放范围称为体位送放。点位送放、面位送 放、体位送放均由主运动的运动形式、自由度数及组合来决定。 3 送放图形 送放范围可用送放图形( 送放运动的轨迹或空间的形状及大小) 来描述。 点位送放的送放位置为确定的点，其主运动只有一个自由度。其运动形式为直线 运动时，送放图形为一直线；为回转运动时，送放图形为一圆弧；为复合运动时，送 放图形为一空间曲线。 面位送放，其送放图形为一确定的表面，由两个参变量决定，故主运动需要两个 自由度。送放图形有三种不同的情况：两个直线运动组合时，送放图形为一矩形；两 个回转运动组合时，送放图形为一组合面圆弧面；一个直线和一个回转运动组合时， 送放图形为一扇形面( 如手臂伸缩和手臂回转组合) 或圆柱面( 如手臂升降和手臂回 转组合) 。 体位送放，其送放图形为一个确定的空间体，主运动有三个自由度。其图形也有 几种不同的情况：三个直线运动组合时，送放图形为一空间立方体；两个直线运动和 一个回转运动组合时，送放图形为一空间圆柱体；三个回转运动组合时，送放图形为 空间球体或多球体。 4 送放运动的自由度 送放运动具有的独立运动参数的数目，即送放运动的自由度，亦即机械手或机器 人的自由度。它等于主运动自由度和辅助运动自由度数之和。一般情况下，主运动有 l - - 3 个自由度：当主运动有1 个自由度时，送放图形为点位图形；当主运动有2 个自 由度时，送放图形为面位图形；当主运动有三个自由度时，送放图形为体位图形。如 果采用多关节的送放机构，则机械手的主运动自由度数还可以增加，但其结构非常复 杂，故实际应用不多。此时，宜采用增设辅助运动的方法来增加机械手的功能，如增 加腕部的平移或整机的行走运动以扩大送放范围，或增设腕部的回转和摆动运动以改 变被送物体的方位。 机械手有几个自由度就说明有几个送放运动。自由度越多，送放动作越多，则机 械手越灵活，其送放范围也越大，但机械手的结构也越复杂。 5 送放坐标及其计算， 机械手或机器人任意瞬间在空间的位置坐标称为送放坐标一般用手爪或手腕的中 心位置来表示，它是由手臂、手腕及整机行走等独立运动合成来确定的。 其中，主运动有三个自由度手臂的升降( l 1 ) 、伸缩( l 2 ) 和回转( 仍) ；辅 助运动有两个自由度手腕的上下摆动( 仍) 及回转( 仍) 。但仍不影响x o y 平面 1 7 内的坐标计算，因此抓取机构手爪中心c 点的送放坐标为 ix c = l 2 c o s q t + r c o s q 0 2 【弘= l i + l 2 s i n c , f i + r s i n 妒2 式中，r 一手腕关节至掌心的距离。 当送放运动的自由度较多，送放运动组合较复杂( 如多臂送放) 时， 标变换，可采用旋转矩阵或分块矩阵的方法求解。 ( 3 1 8 ) 必须进行坐 所设计的机械手的送放运动共有5 个自由度，即主运动有3 个自由度( 手臂的伸 缩、回转、仰俯) ，辅助运动有2 个自由度 ( 腕部的回转、摆动) ，全部采用液压驱动，分别有两个直动液压缸和三个回转液 压缸来实现。 3 2 2 腕部的设计 腕部设计时应注意的问题： 机械手的手腕部( 简称手腕或腕部) 是连接机械手的手臂和手部( 抓取结构) 的 中间部件，用以扩大机械手的送放范围或改变送放物在空间的方位，使机械手更灵活， 适应性更强。 设计腕部时应注意以下几个问题： 1 力求结构简单、紧凑、重量轻 由于腕部位于手臂的前端并连接手部，因而腕部的结构、重量和载荷，直接影响 着手臂的转动性能，因此，在设计腕部时应力求结构简单、紧凑、重量轻。 2 合理确定自由度 腕部自由度越多机械手就越灵活，适应性就越强，但结构也越复杂。 3 有足够的刚度和强度 腕部作为机械手的执行机构，承担着连接和支撑手部的任务，应具有足够的刚度 和强度。除此之外，在腕部较小空间内，安装几个原动件，且考虑每个原动件的布置、 润滑、维修调整等问题。 4 充分考虑工作条件的影响 腕部直接与手部相连，且离工件或工作介质较近，因此应充分考虑工作条件对腕 部的影响。例如，对于在高温区域或腐蚀性介质中工作的机械手，应考虑热膨胀，压 力油变质等问题，应采取相应的措施，保证机械手的腕部具有较好的性能和足够的寿 命。 5 腕部运动形式的选择 俯仰机械手腕部运动形式由于手臂具有回转、俯仰和伸缩运动，送放范围为一球 状空间，因此增设腕部绕x 轴转动可实现工件的掉头和翻身。 1 8 3 2 3 腕