气动机械手的设计

1、题目：气动机械手的设计专业：机械设计制造及其自动化学生：（签名）指导教师：（签名）摘要气动机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本文主要进行了气动机械手的总体结构设计和气动设计。机械手的机械结构山气缸、气爪和连接件组成，可按预定轨迹运动，实现对工件的抓取、搬运和卸载。气动部分的设汁主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、

2、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。关键词：气动机械手；气缸；气动回路。Subject: The design of pneumatic manipulatorAbstractPneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something, aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the hea

3、vy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerousworking environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors?This article is mainly of the pneumatic

4、 manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves

5、 and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure wor?kKey word: pneumatic manipulator； cylinder； pneumatic l

6、oop?1 绪论 11机械手简史 11.2 机械手的分类 31.3 机械手的组成 61.4 应用机械手的意义 82机械手总体设计方案和气动回路的设计 102机械手的运动规划 102.2 机械手基本形式的选择 122.3 机械手的主要部件及运动 132.4 驱动机构的选择 132.5 机械手的技术参数列表 132.6 气动回路的设计 143气动机械手的机械结构设计 153机械手末端执行器的设计 153.1.1末端执行器的概述 153 ? 2末端执行器的运动和驱动方式 163 . 3末端执行器的典型结构 163 . 4末端执行器的具体设计 173.2机械手手臂的设计 193.2.1 机械手手臂的设

7、计要求 19322机械手手臂的具体设计方案 20323伸缩手臂的设计 21324升降手臂的设计 243.2.5 回转臂设计 264 结论 3031参考文献321 绪论机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之O工业机械手是近儿十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机

8、器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然U 前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受

9、到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多自山度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。1.1 机械手简史现代工业机械手起源于20 世纪 50 年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自山度动作功能的柔性自动化产品。机械手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械手。他的结构是：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。1962 年

10、，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上乂试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（ 即万能自动）。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（ Unimaton） , 专门生产工业机械手。1962 年，美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran 机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年，美国Unimate

11、公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种UnimateVic-arm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于 ± 1 毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如 Unimate公司 建立了 8 年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间） , 由400 小时提高到1500 小时，精度可提高到±0.1 毫米。德国机器制造业是从1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa 公司还生产一种点

12、焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士 RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969 年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1976 年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50 多个。 1979 年 120 多个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%o 1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。 其中固定程序和可变程序约占一半，达222 亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元， 比 1978 年增长50

13、%。 智能机械手约为17 亿日 元， 为 1978 年的 6 倍。 截止 1979年，机械手累计产量达56900 台。在数量上已占世界首位，约占70%,并以每年50%?60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990 年将有 55 万机器人在工作。第二代机械手正在加紧研制。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，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（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（ Fle

14、xible Manufacturing system）和柔性制造单元（ Flexible Manufacturing Cell ） 中重要一环。随着工业机器手（机器人）研究制造和应用的扩大，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。1. 2 机械手的分类U 前对机械手还没有统一的分类标准。按照不同的分类方式可以把机械手分成多种类型。1?按驱动方式分类按驱动装置的动力源，机械手可分为以下的儿种。（ 1） 液压式机械手。这种机械手的驱动系统通常由液动机（各种油缸、油马 达） 、伺服阀、油泵、油箱等组成，这种机器人通常具有很大的抓举能力并且结构紧凑，动作平稳，耐冲击、耐振动

15、，防爆性好，但对制造精度和密封性能要求很高，否则易发生漏油而污染环境。（ 2） 气压式机械手。其驱动系统通常采用通常汽缸、气阀、 气罐和空压机组成。特点是气源方便，动作迅速，结构简单、造价较低、维修方便，但难于进行速度控制，并因气压不能太高，固抓举能力较小。（ 3） 电动式机械手。电力驱动是日前机械手使用的最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，可以采用多种灵活的控制方案。 驱动电机一般采用交流伺服电机、直流伺服电机和步进电机。山于电机速度高，通常还须采用减速机构（如谐波减速机构、论析减速机构、滚珠 丝杠和多杆机构）。 U 前也有一些特制电机直接进行

16、驱动，以简化机构，提高控制精度。其他还有采用混合驱动的机械手，如液?气混合驱动机械手或电?气混合驱动机 械手。2. 按用途分类机械手按用途可分为下列儿种。（1） 搬运机械手；（2） 喷涂机械手；（3） 焊接机械手；（4） 装配机械手；（5） 其他用途的机械手。如航天用机械手，探海用机械手，以及排险作业机械手 等。3. 按操作机的位置机构类型和自由度数量分类操作机的位置机构是机械手的重要外形特征，固常用作分类的依据。按这一分类要求，机械手可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节型机械手。a)直角坐标型b)圆柱坐标型c)球坐标型d)多关节型e)平而关节型图1-1工业机械手的基本结构形式r)操作

17、机本身的自山度最能反应机器人的作业能力，也是分类的重要依据。按这 一分 类要求，机械手可分为4自由度、5自由度、6自由度和7自由度机械手。4?按其他方法还可以分为(1)家务型机械手：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。(2)操作型机械手：能自动控制，可重复编程，多功能，有儿个自由度，可 固 定或运动，用于相关自动化系统中。(3)程控型机械手：按预先要求的顺序及条件，依次控制机械手的机械动作(4)示教再现型机械手：通过引导或其它方式，先教会机械手动作，输入工程序，机械手则自动重复进行作业。(5)数控型机械手：不必使机械手动作，通过数值、语言等对机器人进行示 教，机械手根据示教后的信息进行作业。(

18、6)感觉控制型机械手：利用传感器获取的信息控制机械手的动作。(7)适应控制型机械手：能适应环境的变化，控制其自身的行动。(8)学习控制型机械手：能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将 所“学”的经验用于工作中。(9)智能机械手：以人工智能决定其行动的机械手。1. 3机械手的组成工业机械手通常山执行机构、驱动传动装置、控制系统和智能系统四部分组成。图 1-2为工业机械手的典型结构，图1-3为工业机械手的组成方框图。图1? 2工业机械手的典型结构手部执行机构腕部基座部（固立或矜动）工业机械手驱动装置电、液或气驱动装置单关巧伺服控制器控制系统关节协调及英它信息交换讣算机感觉装程智能系统视觉装

19、置语言识别装置图3工业机械手的组成方框图执行机构（也称操作机）是机械手赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关 节 组成。从功能的角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。手部乂称末端执行器，是工业机械手直接进行工作的部分，可以是各种夹持器。有时人们也把诸如电焊枪、油漆喷头等划作机器手的手部；腕部与手部相连，主要 功能是 带动手部完成预定姿态，是操作机的中结构最为复杂的部分：臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆（小臂和大臂）组成，用于带动腕部做平面运动；腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动加上臂部的平面运动，就能使腕部做空间运动。腰部是执行结构的关键部件，它的制

20、造误差、运动精度和平稳性，对机械手的定位精度有决定性的影响；基座是整个机械手的支撑部分，有固定式和移动式两种。该部件必须有足够的刚度和稳定性。工业机械手的驱动-传动装置包括驱动器和传动机构两个部分，它们通常与执行机构连成一体。传动装置常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮系。驱动器通常有电机（直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机）、液压或气动装置, 目前使用最多的是交流伺服电机。控制系统一般有控制计算机和伺服控制器组成。控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机械手的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完

21、成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、 运动学和动力学计算，并向下 级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个 CPU,进行插补运算和 伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机械手的控制方式乂可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。智能系统是U 前机械手系统中一个不够完善但发展很快的子系统。它可分为两个部分：感知系统和分析- 决策智能系统。前者主要靠硬件（各种传感器）实现; 后 者主要靠软件（如专家系统）实现。1. 4 应用机械手的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、 焊、 钏、冲、压、热处理、机械

22、加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的 自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本 二、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污 染以 及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用 机械手即 可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手

23、代替人进行工作，可以 避免 由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机 械手 可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加 工自动线 上，目前儿乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便 于有节奏的进 行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。2 机械手总体设计方案和气动回路的设计本课题是一个用于传送带上轻型平动搬运机械手的设计。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及气动回路的设计。在本章中对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构等进

24、行了确定。因此， 在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。1.1 机械手的运动规划机械手运动规划包括序列规划（乂可称为全局路径规划）， 路径规划和轨迹规划3 个部分。序列规划是指在一个特定的工作区域中自动生成一个从起始作业点开始，经过一系列作业点。再回到起始点的最优工作序列；路径规划是指在相邻序列点之间通过一定的算法搜索一条无碰撞的机械手运动路径；轨迹规划是指通过插补函数获得路径上的插补点，再通过求解运动学逆解转换到关节空间（若插补在关节空间进行则无需转换），形成各关节的运动轨迹。序列规划为机械手的所有作业点生成一个最优的工作序列。作业点是机械手为完成工作所必须达到的位置和姿态。机械

25、手的一次作业任务往往有儿十个到上百个作业点，这些作业点的加工次序通常是任意的，或者仅仅存在局部的限制（即某儿个作业点之间存在着固定的前后关系），疗; 列规划的LI 标就是通过某种算法生成一个能满足作业限制的最优作业序列，一般以时间作为规划优劣的度量标准。当机械手在有障碍物的环境中运动时，为了从当前作业位置到达下一个位置，需要在机械手工作空间确定一条无碰撞的运动路径，即这条路径应处于机械手的自由空间中，因此，路径规划的过程实际上是一个带儿何约束的问题求解过程。从上面的论述可以看出，机械手运动规划主要包括两个方面，一是生成所有作业点最优工作序列的序列规划，二是在相邻作业点之间生成无碰撞路径的路径规

26、划。序列规划和路径规划的总体忖标是作业时间最短，规划的约束条件是作业顺序的限制以及碰撞的避免。机械手运动规划的算法建立在已有的各种方法之上，下面简要分析已有的各种序列规划和路径规划方法，以及路径规划过程中的碰撞检测方法。1. 序列规划口前机械手序列规划方法的研究还处于发展阶段，由于各种作业任务的复杂性。至今还没有通用的序列规划算法。在使用机械手进行装配，插孔, 点焊的应用中，较为普遍的方法是把序列规划问题转化为“旅行商问题”（ TSP） 来 解决。即机械手从起始点开始，经过一系列作业点，并在各作业点停留，完成所有作业后，最终回到起始点的时间最短规划算法。旅行商问题的求解成为求解序列规划问题的关

27、键。忖前，旅行商问题的近似最优解求解算法已经得到了充分的研究，提出了很多可行的算法，包括启发式算法，模拟退火算法，遗传算法等。其中启发式算法可以细分为环路扩充法和环路改进法, 或是两种方法的综合，一般利用邻接矩阵按照一定的规则变换来求解，计算量和求解结果都能满足要求。2. 路径规划机械手路径规划的目标是在两个作业点之间生成一条无碰撞路径。机械手路径规划算法主要有4类：C空间法，人工势力场法，假设-修正法，预处理？规划 算法。另外，遗传算法、神经网络算法等智能算法已经成为机器人路径规划的研究热点和发展方向，这些算法在实际中都有初步的应用，取得了较好的规划效果。3. 碰撞检测路径规划的LI 标是在

28、起始点和口标点之间生成一条无碰撞路径，这使得碰撞检测成为解决路径规划问题的关键. 上面提到的4 种路径规划算法都需要进行碰撞检测或需要计算机器人和障碍物之间的距离。判断两个物体是否有碰撞发生有两种方式，一是定性判断。二是定量计算。定性判断方法最主要有“包围盒层次法”，其基本思路是用一个简单的包围盒将复朵 的儿何形体围住。当对两个物体进行碰撞检测时。首先检测两者的包圉盒是否相交，若不相交。则说明两个物体未相交，否则再进一步对两个物体做检测。因为求包围盒的交比求物体的交简单很多，所以可以快速排除很多不相交的物体，从而加速了算法。 对于复杂物体，可以将物体及其子部分的包用盒组成层次结构，如二义树。器

29、人形位的梯度作为路径规划的启发性信息，以加快规划速度，因此在路径规 需要判断有无碰撞发生，还要计算机器人与障碍物之间的距离及其关于机 度。在各种机器人路径规划算法中，往往需要以机器人和障碍物之间的距离及其关于机划中不仅器人形位的梯U前，两个刚性物体之间的距离汁算有很多算法。其中对凸多面体的计 ？算最阈 熟。凸多面体之间的距离有两类：分离距离和嵌入距离。言丁前，凸多面体间的距 离数主 要有平移距离、成长距离、收缩距离、伪平移距离等。在现实环境中，机器人及障碍物一般是凹儿何体，可以采用分割的方法把凹儿 何体 分割为多个凸儿何体的组合。对一般凸儿何体.如球、圆柱等，可以用紧包围 它的凸多面 体来近似

30、。然后用凸多面体间的距离近似原凸儿何体之间的距离。1.2 机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下4种：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）球坐标（极坐标）型机械手； （4）多关节型 机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，因此 本设计采用圆柱坐标型。图2-1是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带 A上的物品 搬运 到传送带B。其工艺流程：机械手原位一机械手下降一机械手抓取并夹紧一机 械手上升 一机械手正转一机械手前伸一机械手下降一机械手松开一机械手上升一 机械手后退一机 械手逆转一退至原位停

31、止。图2-1机械手基本形式示意图2. 3 机械手的主要部件及运动在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设讣要求，本设计的机械手具有3 个自由度：手臂伸缩；机身回转；机身升降。本设计的机械手主要由3 个大部件和3 个气缸组成：（ 1） 手部，采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的合。（ 2） 臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。（ 3） 机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。2.4 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分，工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等

32、四类。气动机械手因为结构简单、成本低廉、重量轻、动作迅速、平稳、安全、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用在生产自动化的各个行业。因此，机械手的驱动方案选择气压驱动。2. 5 机械手的技术参数列表1、 用途：车间皮带机之间的搬运2、 设计技术参数：1、 、 抓重： 2Kg （夹持式手部）2、 自由度数：3 个自由度3、 坐标型式：圆柱坐标4、 最大工作半径：335mm5、 机身最大中心高：415mm手臂伸缩速度：200mm/s机身升降速度：100mm/s机身回转速度：60° /s6、主要运动参数：手臂伸缩行程：200mm机身升降行程：100mm机身回转围：0- 190 °

33、;2.6气动回路的设计机械手气动回路的设计主要是选用合适的控制阀，通过控制和调节各个气缸压 缩空 气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动 方向，并 按规定的程序工作，设计的气动回路图如图 2-2所示。|图2-2机械手气动回路图本设计的气动机械手完成各个运动的气缸只有完全伸出和完全缩回两个状态，选择两位五通换向阀控制各个气缸的运动方向，气缸的进出口回路各设置一个单向节流阀，通过控制进出口空气流量的大小来控制气缸执行器动力的大小和运动速度。设计中采用PLC控制机械手实现各种规定的预定动作，既可以简化控制线路，节省成本，又可以提高劳动生产率。3 气动机械手的机械结构设计

34、3. 1 机械手末端执行器的设计3. 1.1 末端执行器的概述末端执行器是装在机械手臂的末端处，用于机械手完成作业任务而专门设计的装置。末端执行器种类繁多，与机械手的用途密切相关，根据其用途，末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等种类。搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铳刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。在设计机械手末端执行器时，应注意以下问题；1. 机械手末端执行器是根据机械手作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，就可以增加一

35、种机械手新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机械手末端执行器，将不断的扩大机械手的应用领域。2. 机械手末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力和机械手容许的负荷力。因此，要求机械手末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3. 机械手末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机械手末端执行器。从，业实际应 用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机械手多种作业功能，而不主用一个万能的末端执

36、行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。4. 通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的末端执行器，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化和积木化。5. 机械手末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此，工业机械手执行机构的主流是电气式，其次是液压式和气压式（在驱动接口中需要增加电- 液或电 ?气变换环节）。3. 1. 2 末端执行器的运动和驱动方式末端执行器即机械手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，有外夹式

37、和撑式两种。机械手夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种1. 气动驱动方式这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。山于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。2. 电动驱动方式电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直 流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方 式可实现手爪的力与位置控制。但是， 这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。3. 液压驱动方式液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位

38、置控制。3. 1. 3 末端执行器的典型结构1. 楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松开和夹紧，来实现抓取工件。2. 滑槽式手爪当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。3. 连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用4. 齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。5. 平行杠杆式手爪采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平

39、行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。3. 1.4末端执行器的具体设计山于本设计所采用标准气爪，不需要进行设计，直接选型即可。本设计要求机械手手爪的最大持重 m=2Kg,根据具体的工作要求，选择标准平行开 闭型气爪，其结构如图3-1所示。当A 口进气B 口排气时，气缸活塞杆1伸出，通过杠 杆2绕杠杆轴8回转，带动两个手指4通过一组钢球3在与轨5上作 向外直线运动， 两手指便开，松开工件。止动块 6限制手指开行程，定位销7保证直线与轨不错位。图平行开闭型气爪结构原理图1 ?活塞杆2 ?杠杆3 钢球4 手指&导轨6 ?止动块7旋位销8?杠杆轴对夹持工件进行受力分析如图3-2所示

40、，2个手指的总夹持力产生的摩擦力必须大于夹持工件的重力 mg,故应满足2pF>mg即F>mg/2P式中U 摩擦系数，本设计的夹持辅助件材料为硕质橡胶，一般令 H=o.65;由此 F>mg/2P=2 X 9.8/ （2 X 0.65） =15.1 Nmg图3-2夹持工件受力示意图根据汁算出的夹持力的大小和表 3-1，可选择合适的末端执行器（手爪）的型号：MHZ-10D。标准型气爪动作方式型号夹持力N侮个手指夹持力的有效值）开闭行程 俩侧）mm外径夹持力内径夹持力MHZ2-6D3.36.14?10D11174双?16D34456作? 20D426610用? 25D6510414?

41、 32D15819322 40D254318303. 2 机械手手臂的设计3. 2.1 机械手手臂的设计要求手臂是机械手的主要部分，它的作用是支承手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3 个运动：伸缩、回转和升降。手臂的伸缩运动山伸缩手臂完成，手臂的回转和升降运动设置在机身处，分别山回转臂和升降手臂完成。臂部运动的口的：把手部送到空间运动围任意一点。如果改变手部的姿态（方 位） ，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3 个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在

42、工作中即直接承受腕部、手部、 和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则：1 ?应尽可能使机械手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，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。2 . 机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动圉有密切的关系。但机械手手臂末端工作空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手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

43、高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够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，通常选用高强度铝合金制造机械手手臂。LI 前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小 （其 比重相当于钢的1/4,相当于铝合金的2/3） ,但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还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械手手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机械手手臂的重量。4 .机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙

44、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 .机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载 和提 高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计？机械手的手臂时，应尽可能利用在 机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂的不平衡重 量，必要时还要 设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。6 .机械手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. 2. 2机械手手臂的具体设计方案常见的手臂结构有以下儿种：(1) 双导杆手臂伸缩机构。(2) 手臂的典型运动形式有：直

45、线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转 运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；复合运动，如直线运动和回转运 动组合， 两直线运动的双层气缸空心结构。(3) 双活塞杆气缸结构。(4) 活塞杆和齿轮齿条机构。在本气动机械手中，直线和旋转模块均可采用气缸驱动，气动机械手所能执行的运动示意图如图3-3所示。伸缩4 1 升降 |V 型二|图3-3机械乎运动示意图将旋转气缸安装在底板上，就可以实现摆动运动，使机械手向左或向右摆动。机械 手末端执行器的水平伸缩运动和竖直升降运动各由一个气缸控制，即以最简单 的形式， 在两个位置（完全伸出和回缩位置）之间进行切换。根据机械手的运动功能，可以将机械手手臂的设计分

46、为三大部分：伸缩手臂的设讣, 实现机械手的水平伸缩运动；升降手臂的设计，完成机械手的竖直升降运动；回转臂的设 计，完成机械手的回转运动。3. 2. 3伸缩手臂的设计伸缩手臂为机械手执行水平伸缩运动的机构，它是连接机械手末端执行器和竖 直升 降手臂的部件，它的基本作用是完成末端执行器的伸出和缩回运动。山于伸缩 手臂主要 承受末端执行器和夹持物件的重力，在完全伸出时将承受较大弯矩，对伸 缩手臂的设计 应该保证手臂的正确方向及承受山于工件的重量所产生的弯曲和扭 转力矩。伸缩手臂在进行运动时，为防止手臂沿伸缩方向轴线转动、加大承载能力，以 及提 高运动精度，必须设有导向装置。伸缩手臂的导向装置需根据伸

47、缩手臂的安装 形式、结 构及负荷等条件来确定。常用的有单导向杆和双导向杆。为使设计的标准化和简便化，在本设计中，伸缩手臂采用新薄型带导杆气缸（如 图 3-4）。该气缸体积小、轻巧，耐横向负载能力强，耐扭矩能力强，不回转精度 高，导向 杆的轴承可选择滑动轴承或球轴承，安装方便，二面接管位置可供选择。图3-4新薄型带导杆气缸根据本机械手的设计技术参数，伸缩手臂的行程为200mm,气爪抓重约为2Kg,加上末端执行器(气爪)和连接板的重量，总质量约为3Kg,由此，伸缩手臂的最 大横向负载F=mg=3X9.8=29.4No根据表3-2的数据，初步选定为缸径为 20mm型号为MGPL20 200的气缸作

48、为机械手的伸缩手臂。? /最大横向负载F(N)缸径 (mm)轴承的种 类行程(mm)1020253040507510012515017520025030035040012MGPM2419一17141326221917151311一一一MGPL3727一2235302318151211108一一一16MGPM3831一27232137322724222016一一一MGPL5440一32544735282320171512一一20MGPM49一43383587756659544942S63229MGPL58一481019070586254484335S0262325MGPM69一605449116

49、1008879716555484338MGPL8268132118937780706255453B332932MGPM20316418215914212711610691SO7164MGPL1911571641442031861711581371211089840MGPM20316418215914212711610691807164MGPL1901571631442031851711581371211089750MGPM296245273241216195179164142125111101MGPL20817322319926424222420718115914212863MGPM29624

50、5273241216195179164142125111101MGPL20617122119626224022120517815714012680MGPM352297368329298272251232202仃9161146MGPL243373364331302278256238207181161143100MGPM515445498450410377349325285254229208MGPL360407503460423390362337294259230206需要伸缩手臂作水平直线运动时，主要克服的是摩擦阻力和惯性力，因此，气缸所的驱动力应由摩擦阻力和惯性力来确定。F=F J 解+ Ft

51、 贯式中 F,一摩擦阻力，应包括手臂与伸缩导轨间的摩擦阻力，活塞与密封装置处的摩擦阻力：F惯一手臂在启动过程的惯性力。其大小可按以下公式计算；、g*At其中G,;一手臂移动部件的重量（牛顿）；g一重力加速度（9.8米/秒2）； v一启动或制动前后的速度差（米/秒）；At 一启动或制动所需的时间（秒）。摩擦力的计算：不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要 根据 具体情况进行估算。图3-5是机械手的伸缩手臂受力示意图，本设计是双导向 杆，导向 杆对称配置在伸缩缸两侧。伸缩L1总山于导向杆对称配置，两与向杆受力均衡,可按一个与向杆计算。在垂直方向,可近似认为Fn=G?=29.4N 。与杆所受到的水平方向的摩擦力F 啄=uFN其中U 摩擦系数，气缸与向杆的材料为钢，取 p=0.2o将有关数据代入进行计算F ?=UFN =0.2X29.4=5.98N惯性力的计算：本设计要求手臂平动时 V=200mm/s,在计算惯性力的时候，设置启动时间At=0.1s,启动速度公V=V=200mm/s。G 总 _29.4X0.2=6 N g*At9.8x0气缸所需的驱动力FA+ F八=5.98+6=11.98N气缸的理论驱动力 F=1/4 d2p其中d气缸活塞杆的直径(米)；p一气缸的工作压力(帕)。根据设计技术参数 d=10mm,