搬运机器人结构设计与分析设计说明

1、 . PAGE- 46 - / NUMPAGES45搬运机器人结构设计与分析摘 要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以与堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。本课题主要对搬运机器人的机械部分展开讨论，对原有的机械结构提出了新的改进方法，并把现在的新技术应用到本课题中，从而使得搬运机器人更加适用于现在的工业工作环境。通过详细了解搬运机器人在工业上的应用现状，提出了具体的搬运机器人设计要求，并根据搬运

2、机器人各部分的设计原则，进行了系统总体方案设计以与包括：机器人的手部、腕部、臂部、腰部在的机械结构设计。此搬运机器人的驱动源来自液压系统，执行元件包括：柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动，进而实现搬运机器人的实际作业。关键词：搬运机器人；液压系统；机械结构设计；操作AbstractIn the modern large-scale manufacturing industry,enterprises to improve productivity, and,guarantee product quality, as an important

3、part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked with welding, sp

4、raying, handling and stacking, repetitive and intensity of significant work.The subject of the main part of the handling of their machinery discussions, and on the original mechanical structure proposed for the new improved method, which makes the handling robot is more applicable to the present ind

5、ustrial working environment.Through a detailed understanding of the robot in the industrial application,to propose specific handling robot design requirements,and according to the robot design principles of various parts,for the system as well as including:the robots hand, wrist, arm, waist, the des

6、ign of mechanical structures.The transfer robot driven by the source from the hydraulic system, and the implementation of components including:plunger hydraulic cylinders, hydraulic cylinders, swing, telescopic hydraulic cylinders, etc.Through the hydraulic cylinder movements to implement the joint

7、transport robot motion,And realize the operational handling robot.Keywords：Transfer robot；Hydraulic System；Mechanical Design；Operating第1章 总 论1.1 概述搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工

8、业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以与带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手 REF _Ref264021799 r h * MERGEFORMAT 4。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。机器人就是用机器代替人手，把工件由某

9、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

10、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

11、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，以与机器人的触觉装置。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

12、，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。1.2 工业机器人的历史、现状与应用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。

13、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

14、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。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

15、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“手眼”系统的高识别能力微型机器人 REF _Ref264021853 r h * MERGEFORMAT 13

16、。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

17、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)研制各类传感器与检测元器件，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。1.4 本文主要研究容本文研究了国外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计（包括传动部

18、分、执行部分、驱动部分）和简单的三维实体造型工作。1.5 本章小结本章主要容是搬运机器人的现状、应用领域、发展趋势等方面，并通过对现在工业生产中使用搬运机器人的主要工作种类的列举，提出了未来搬运机器人的几种先进的发展模式和本文的主要研究容。第2章 搬运机器人的总体方案该设计的目的是为了设计一台物料搬运机器人，本章主要对搬运机器人的机械结构部分进行设计和分析。2.1 总体设计的思路设计机器人大体上可分为两个阶段：1、系统分析阶段= 1 * GB3根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务；= 2 * GB3分析机器人所在系统的工作环境；= 3 * GB3根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功

19、能和方案。如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动围、以与对温度、震动等环境的适应性。2、技术设计阶段= 1 * GB3根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作围，选择机器人的坐标形式；= 2 * GB3拟订机器人的运动路线和空间作业图；= 3 * GB3确定驱动系统的类型；= 4 * GB3选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计；= 5 * GB3绘制机器人的零件图，并确定尺寸。下面结合设计的基本要求和基本原则确定本系统的方案见图2-1。图2-1搬运机器人的总体方案图2.2 自由度和坐标系的选择机器人的运动自由度是指各运动部件在三维

20、空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较困难的，因为人的手指、掌、腕、臂由19个关节组成，共有27个自由度。而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为3-6个（不包括手部）。本次设计的搬运机器人为5自由度即：手爪合；腕部回转；臂部伸缩；臂部回转；臂部升降。工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。各结构形式与其相应的特点，分别介绍如下:1直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现

21、的，如图2-2(a)所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业与搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构 REF _Ref264022163 r h * MERGEFORMAT 3。2圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动与两个直线运动来实现的，如图2-2（b）。这种机器人

22、构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。3球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-2（c）。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间 REF _Ref264022163 r h * MERGEFORMAT 3。4关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-2（d）。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节

23、型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。根据要求与在实际生产中的用途，本次设计的搬运机器人采用圆柱坐标。(a)直角坐标型 （b）圆柱坐标型 （c）球坐标型 （d）关节型图2-2四种机器人坐标形式2.3 搬运机器人的组成搬运机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。2.3.1 执行机构（1）手部手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条

24、式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。本次设计的搬运机器人手部执行部件如图2-3、图2-4。图2-3搬运机器人手部执行部件示意图 2-4手部执行部件的机构运动简图如图2-3的机构简图，手部执行依靠杆的伸缩运动来实现其合运动，杆的动力源来自后续驱动源的液压缸，该液压缸采用的是伸缩式液压缸其工作原理示意图见图2-5，该液压缸能够节省横向的工作空间。图2-5伸缩式液压缸原理示意图（2）腕部腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转

25、运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以与轮系结构。本次设计的搬运机器人的腕部是实现手部1800的旋转运动。设计的搬运机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动，运动参数是实现手部回转的角度控制在围，其基本的结构形式如图2-6所示。图2-6腕部回转基本结构示意图腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装

26、在手臂的末端，所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。机器人手部的合是由双作用单柱塞液压缸驱动的；而手腕的回转运动则由回转液压缸实现。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：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，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各

27、种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作围、灵活性以与抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩、以与臂部的回转运动。手臂的运动参数：伸缩行程：1200mm；伸缩速度：83mm/s；升降行程：300mm；升降速度：67mm/s；回转围：。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在圆柱坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的圆柱表面直径。伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。（4）机座机座是机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联

28、接在地面上，对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构与其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结构和受力越复杂。本次毕业设计的搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构；臂部和机身的配置型式采用立柱式单臂配置，其驱动源来自回转液压缸。2.3.2 驱动机构驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。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、电动和机械驱动等四类。液压驱动压力高，可获得大的输出力，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维修方便，但是，液压元件成本高，油路比较复杂

29、。气动驱动压力低，输出力较小如需要输出力大时，其结构尺寸过大，阻尼效果差低速不易控制，但结构简单，能源方便，成本低。电动机驱动有：异步电动机、步进电动机为动力源，电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。本次设计的搬运机器人的驱动机构采用液压驱动的方式。2.3.3 控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。2.4 搬运机器人的技术参数一、用途：用于车间搬运二、设计技术参数:1、抓重:20Kg(夹持式手部)；2

30、、自由度数:5个自由度（手爪合；腕部回转；臂部伸缩；臂部回转；臂部升降5个运动）；3、坐标型式:圆柱坐标系；4、最大工作半径:1600mm；5、手臂最大中心高:1248mm；6、手臂运动参数:伸缩行程：1200mm伸缩速度：83mm/s升降行程：300mm升降速度：67mm/s回转围：0180；7、手腕运动参数:回转围：0180。2.5 本章小结本章从搬运机器人的实用方面入手，提出了一套总体设计方案，并根据机器人自由度的要求选取圆柱坐标系为本次设计坐标系。同时，就搬运机器人的组成（执行机构和驱动机构）以与现实作业，给出了具体的手部、腕部、臂部和机座的结构形式；并选择液压驱动作为本次设计的驱动机

31、构。最后，给出了设计中所需的技术参数。第3章 手部夹持器的结构设计与计算3.1 手部夹持器机器人的手部是机器人最重要的部件之一，从其功能和形态上看，分为工业机器人的手部和类人机器人的手部。目前前者应用较多，也较成熟，后者正在发展中。工业机器人的手部夹持器（亦称抓取机构）是用来握持工件或工具的部件，由于被握持工件的形状、尺寸、重量、材料与表面状态的不同。其手部结构也是多种多样的，大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的，按握持原理的不同，常用的手部夹持器分为如下两类：1夹持式：包括撑式与外夹式，常用的还有勾托式和弹簧式等。2吸附式：包括气吸式与磁吸式等。在设计机器人末端执行器时，应注意

32、以下问题：1机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。2机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量与操作力的总和机器人容许的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3机器人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、万能性不强的机器人末端执行器。从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机器人末端

33、执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机器人多种作业功能，而不主用一个万能的末端执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，可适用于不同的机器人，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机器人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，工业机器人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）。3.2 手部设计基本要求手部的设计应满足以下基本要求：（1）应具有

34、适当的夹紧力和驱动力应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2）手指应具有一定的开围手指应该具有足够的开闭角度（手指从开到闭合绕支点所转过的角度），以便抓取工件。（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4）应保证手抓的夹持精度应保证每个被夹持的工件，在手指都有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。（5）应考虑通用性和特殊要求，一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用围，

35、提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的方法。如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。根据任务要求并考虑到实际操作中手部的工作方式本次设计选择的手部夹持器为：双支点连杆杠杆式手部结构（见图2-3）。3.3 选择手抓的类型与夹紧装置本次搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手爪夹取重量为20Kg。常用的工业机械手手部，按握持工件的原理，分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型

36、和平移型。平移型手指的开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单，适于夹持平板方料，且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置，其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指，驱动力需加在手指移动方向上，这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常形式夹紧装置，它靠液压缸的伸缩作用下实现手爪的开和闭合。3.4 手爪的结构设计3.4.1 手爪的力学分析图3-1滑槽杠杆式手部结构、受力分析示意图1手指 2销轴 3杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，手指1的滑槽对销轴的反作用力为F

37、1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2并指向O点，交F1和F2的延长线于A与B。由=0得: 由=0得: 由 得: hF=（3.1）式中: a-手指的回转支点到对称中心的距离（mm)；-工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力F一定时，角增大，则握力FN也随之增大，但如果角过大则会导致拉杆行程过大和手部结构增大，因此最好取，故本次设计选取。根据给定的数据：抓取的重物为20Kg钢与钢之间的静摩擦因数取为：=0.15即:取FN=1400N a=35mmb=50mm故： F=3000N3.4.2 夹紧力和驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。

38、必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以与工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算：（3.2）式中：安全系数，通常1.22.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中重力方向的最大上升加速度：；运载时工件最大上升速度；系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s；方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择；G被抓取工件所受重力（N）。表3-1液压缸的工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa小于50000.812000030000

39、2.04.05000100001.52.030000500004.05.010000200002.53.0500005.08.0表3-2 液压缸的径系列（826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250计算：（1）取a=35mm,b=50mm,，机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力FN和驱动力F和驱动液压缸的尺寸。取=1.02根据公式，将已知条件带入：=1.51.020.53400N=3100N（2）根据驱动力公式得：（3）取（4）确定液压缸的直径D： (3.3)选取活塞杆直径d=0.5D,根据表

40、3-1选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa,=18mm根据表3-2（826-66），选取液压缸径为：D=20mm，则活塞杆径为:d=D0.5=200.5=10mm，选取d=10mm。3.5 本章小结本章主要针对手部结构展开讨论，根据手部夹持器的结构形式（夹持式和吸附式）与手部设计的基本要求选择手爪类型为双支点连杆杠杆手部。通过对手爪的力学分析，计算出了手部实现抓取工件所需的夹紧力和驱动力。第4章 腕部结构设计与计算4.1 腕部设计的基本要求（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

41、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，合理布局腕部作为搬运机器人的执行机构，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次设计，搬运机器人的工作条件是在工作场合中搬运质量为20Kg的物体，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，所以对搬运机器人的腕部没有太多不利因素。4.2 腕部结构与选择4.2.1 典型的腕部结构(1)具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。

42、回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270）。(2)齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于270的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。(3)具有两个自由度的回转驱动的腕部结构它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4)机-液结合的腕部结构。4.2.2 腕部结构和驱动结构的选择本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。4.3 腕部结构设计计算腕部设计考虑的参数：夹取工件重量20Kg；回转。4.3.1 腕部驱动力计算图4-1腕部支撑反力计算示意图腕部回转时要克服的阻力

43、：a. 腕部回转支撑处的摩擦力矩： (4.1)其中为轴承摩擦系数取=0.1b. 克服由于工件重心偏置所需的力矩： （4.2）c. 克服启动惯性所需的力矩： （4.3）假设给定的工件是一直径D=70mm，长度L=660mm，重量G=200N的棒料。按照任务书要现腕部回转180，现计算腕部所需的驱动力矩如下：1）手抓、手抓驱动液压缸与回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为60mm，直径100mm，其重力估算如下：2）摩擦力矩：3）启动过程所转过的角度，等速转动角速度 (4.4)查取转动惯量公式有：代入：4.3.2 腕部驱动液压缸的计算表4-1 液压缸的径系列（826-66） REF _Ref264

44、022812 r h * MERGEFORMAT 6（mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250表4-2 标准液压缸外径（1068-67） REF _Ref264022812 r h * MERGEFORMAT 6（mm）液压缸外径40 5063809010011012514015016018020020钢5060769510812113316814618019421924545钢50607695108121133168146180194219245设定腕部的部分尺寸：根据表4-1设缸体径R=40mm，外径根据表4

45、-2选择80mm，这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为100mm；动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm.基本尺寸示如图4-2所示。则回转缸工作压力：，选择8Mpa图4-2腕部液压缸剖截面结构示意图4.4 液压缸盖螺钉的计算图4-3缸盖螺钉间距示意图表4-3螺钉间距t与压力P之间的关系 REF _Ref264023005 r h * MERGEFORMAT 20工作压力P（Mpa）螺钉的间距t(mm)0.51.5小于1501.52.5小于1202.55.0小于1005.010.0小于80缸盖螺钉的计算，如图4-3所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表4-3，在这

46、种联接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力: （4.5）液压缸工作压强为P=8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,试选择8个螺钉，所以选择螺钉数目合适Z=6个。危险截面的面积： (4.6)所以: 螺钉材料选择Q235， (n=1.21.5）螺钉的直径： （4.7）=0.008m螺钉的直径选用M10。4.5 动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见图4-3,连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。于是得: (4.8)D动片的外径；f被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15。螺钉的强度条件为： (4.9)或 (4.10)带入

47、有关数据得：螺钉材料选择Q235，则（n=1.21.5）螺钉的直径：=0.008m螺钉的直径选用M10。4.6 本章小结本章主要容为腕部结构的设计包括：腕部结构的选取和腕部结构的设计计算。首先，根据腕部设计的基本要求选择与本次设计相符合的腕部结构；然后，按照给定的技术参数进行设计计算；最后，确定了腕部回转所需的回转力矩、选用回转缸以与选取各关键部位螺栓的计算。第5章 臂部结构的设计与有关计算手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（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。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下

48、一章祥述。臂部运动的目的：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。5.1 臂部设计的基本要求臂部设计首先要实现所要求的运动，为此，需要满足下列各项基本要求：臂部应承载能力大、刚度好、自重轻对于机械手臂部或机身的承载能力，通常取决于其刚度。以臂部为例，一般结构上较多采

49、用悬臂梁形式（水平或垂直悬伸）。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力影响很大。为提高刚度，除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外，尚应注意以下几方面。根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸；提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离；（3）合理布置作用力的位置和方向；（4）注意简化结构；（5）提高配合精度。二、臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在最大回转角速度设计在，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况

50、下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有4个途径 REF _Ref264023106 r h * MERGEFORMAT 8：（1）减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料；（2）减少臂部运动件的轮廓尺寸；（3） 减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作；(4）在驱动系统中设缓冲装置。三、手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发

51、生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件 REF _Ref263494486 r h * MERGEFORMAT 9。位置精度要求高一般来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度要求较高；关节式机械手的位置精度最难控制，故精度差；在手臂上加设定位装置和检测结构，能较好地控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件间的间隙。总结：除此之外，要求机械手的通用性要好，能适合多种作业的要求；工艺性好，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热、冷却；用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。以上要相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、

52、性能良好的机械手。5.2 手臂的典型机构以与结构的选择5.2.1 手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：双导杆手臂伸缩机构；手臂的典型运动形式有：直线运动，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；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构；双活塞杆液压缸结构；活塞杆和齿轮齿条机构。5.2.2 手臂运动机构的选择通过以上，综合考虑，本次设计选择液压缸伸缩机构，使用液压驱动,水平伸缩液压缸选用伸缩式液压缸；竖直伸缩液压缸选用双作用活塞缸。5.3 手臂直线运动的驱动力计算首先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主

53、要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构图。作水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力，应根据液压缸运动时所要克服的摩擦力和惯性力等几个方面的阻力进行确定。液压缸活塞的驱动力的计算公式可表示为： (5.1)5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算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5-1机械手臂部受力示意图计算如下：得 得 (5.2)式中 参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；L手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算；a导向支撑的长度（m）；当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关；对于圆柱

54、面：摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取=0.10.15钢对铸铁：取=0.180.3选取：，G=500N，L=1.49-0.028=1.21m,导向支撑a设计为0.016m。将有关数据代入进行计算：5.3.2 手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是V=83mm/s；假定：在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度； (5.3)5.3.3 密封装置的摩擦阻力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，当液压缸工作压力小于10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：。经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：5.4 液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动

55、力F=1243.8N，根据表3-1选择液压缸的工作压力P=2MPa。确定液压缸的结构尺寸：液压缸径的计算，如图5-2所示图5-2双作用液压缸示意图当油进入无杆腔：（5.4）当油进入有杆腔中： (5.5)其中：为机械效率。液压缸的有效面积：故有： （无杆腔） (5.6)（有杆腔） REF _Ref263494785 r h * MERGEFORMAT 7 (5.7)F=6210N，选择机械效率。将有关数据代入：根据表4-1（826-66），选择标准液压缸径系列，选择D=65mm。液压缸外径的设计：根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在7mm，所以该液压缸的外径为80mm。5.5活塞杆的计算校核一、

56、活塞杆强度校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算： (5.8)设计中活塞杆取材料为碳钢，故，活塞直径d=20mm,L=1360mm,现在进行校核：结论：活塞杆满足强度要求。活塞杆刚度校核图5-3刚度校核示意图现按照伸出液压缸的最小直径进行校核,为便于计算把伸出的液压缸简化成一悬臂梁。取:载荷F=400N,悬臂L=1730mm。梁转角：(5.9)梁挠度：(5.10)其中：E为材料的弹性模量：E=210GpaI为转动惯量：取I=EI=24 REF _Ref264023409 r h * MERGEFORMAT 18结论:悬臂活

57、塞杆满足刚度要求。5.6 本章小结本章设计了搬运机器人的手臂结构，手臂采用液压驱动伸缩机构，对驱动的液压缸的驱动力进行了计算。并对液压缸的基本尺寸进行了设计，同时对液压缸活塞杆的强度和刚度进行了校核，校核结果均满足要求。第6章 机身结构设计与计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。6.1机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为

58、了设计出合理的运动机构，就要综合考虑分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析：经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之下的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。回转机构置于升降缸

59、之下的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。具体结构见图6-1。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转1800。图6-1回转缸位于升降缸之下的机身结构示意图6.2机身回转机构的设计计算（1）回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩与各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡： (6.1)惯性力矩的计算

60、： (6.2)式中：回转缸动片角速度变化量，在起动过程中=；t起动过程的时间(s)；手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量。若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则： (6.3)式中： 回转零件的重心的转动惯量。 (6.4)回转部件可以等效为一个长1200mm，直径为60mm的圆柱体，质量为159.2Kg设置起动角度=180，则起动角速度=0.314，起动时间设计为0.1s。密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。经过以上的计算。（2）回转缸尺寸的初步确定设计回转缸的静片和动片宽b=60mm，选择液压缸的工作压强为8Mpa。d为输出轴与动片连接处的直