《四自由度机械手机械结构设计》11000字（论文）

四自由度机械手机械结构设计摘要机械化在工业这个领域里面被越来越广泛的使用，所以重要性越来越高。它的发展也就在短短的最近这几十年，发展形成的是生产设备高科技全自动化，可以不要人工去操作，完全机械根据程序来操作机器。可以有多个动作，多个方向运输物品，以满足在不同环境下连续完成工作任务。本文设计的是四个自由度的机械手，主要的组成部件是手指、手腕、手臂、机器主体等。主要功能是抓取物料、抬起和放下手臂、选择物品等，并且能够按照人们事先设定好的路线来完成工作任务。本机械手使用的是机器安置在固定机身上的方式，可在机械底座上绕线，实现自动控制。能够使机械手臂转动，手臂上升和下降，手臂伸展和收回，手腕自行转动。设计时，采用了圆柱座标，驱动方式为液压驱动。优点主要是机器本身体积较小，发出来的力量大，动作比较平静安稳，而且伸出去的机械手能够在物体的中间停住等。本文设计的机械手能够满足多种物料搬运的工作任务。关键词：四自由度；机械手；圆柱坐标型；液压目录TOC\o"1-3"\h\u8901前言 126398第1章绪论 2284491.1机械手基本概念 2294751.2机械手研究现状及发展趋势 23701.2.1机械手的研究现状 2317951.2.2机械手的发展趋势 2319551.3机械手应用 3170241.4机械手研究意义 431341.5课题研究任务 419039第2章机械手的设计 5150682.1机械手的总体结构 5127882.1.1机械手的总体结构分析 5223852.1.2机械手的总体设计方案 6228772.2驱动系统设计 611242.2.1常用驱动系统及其特点 664252.2.2驱动设计方案 7248412.3机械手臂的设计方案 7247662.3.1机械手的技术参数 7240672.3.2机械手的手臂结构方案 7102942.4机械手臂伸缩动力液压缸的设计 976822.4.1液压缸驱动力计算 9123232.4.2尺寸计算和校核 1033672.5手腕的驱动计算 15128192.5.1手腕转动时所需的驱动力矩 15278602.5.2旋转液压缸计算与校核 1726543结论 2016054参考文献 21前言机器手发展的很快，现在越来越多的人们了解认识它在实际工作中的作用，主要表现在以下几个方面：第一、可以自动化操作，在有的程序上面可以省去人工操作，节省人工。第二、不仅能够完成工作任务，还能按照人们设定的程序去完成物体的运输，装起或者卸下。第三、可以完成一些人工不能完成，或者比较危险的工作。这样就可以保证工人的人身安全，提高工作效率。正是由于这些优点，我国正在大力的进行机器手的研究和发展。特别是在比较危险的一些工作地点，比如高污染的环境，高灰尘、高噪音等的环境，对机器手工作的需求就很大。最近几年，机器手发展很迅速，也取得了一定的显著成果。第1章绪论1.1机械手基本概念机械手也就是我们经常所说的机器人，机器人在最近这些年发展的很快，也是一门比较新的研究领域。机器人的研究涉及到了很多的方面，有机械方面，电子方面还有计算机等方面的，有很广的研究领域，研究出来的机器人实现了光机电一体化，它不仅是现在科学家们研究的最多的学科，也是国际上体现自己国家科技是否高端的重要标志。“机械手”（MachanicalHand）：主要就是说一个主机控制，一个所谓的手对物体抓起或者放下，或者其他的一些操作。比如，在工作自动化的生产线上，将物料放上去，将物料取下来等等这样的自动化工作。1.2机械手研究现状及发展趋势1.2.1机械手的研究现状原来的机械手是比较针对性的，在特定的环境下有特定的机械手，经过一段时间的研究和发展，现在的机械手已经变得应用性很广泛，以通用性的机械手为主了。使用这种通用性的机械手，可以在很多不同的工作地点，不同的工作要求下来实现动作，极大的节约了使用成本，提高了工作效率。研究生产出这种通用性的机械手，需要用到多个领域的知识，有机械、液压、电子、通讯、计算机、仿生等等。发达国家研究的比较早，比我国先进。现在我国已经认识到机械手在实际工作中的重要性，已经加大了研究和开发，不仅在资金上进行支持，而且在学术交流上也举办了很多活动来促进交流，这样可以使得机械手研究单位，互相交流彼此的研究成果。1.2.2机械手的发展趋势（1）要研究更多以液压为动力的操作方向的更多的机械手，机械手就可以像人的手一样更加的灵活，就能完成更加多的操作动作。（2）现在的机械手都是固定在一个工作地点，要研究机械手主体可以移动，可以在不同的地点进行工作，使得工作地点更多。（3）任何机器发明使用时是一个方面，维修是另一方面。要注意维修起来也要方便，不能复杂。（4）要研究可以自己编程的机械手，或者在面对不同的工作环境，也能自己改变程序。（5）研究出跟真人比较类似的机器手，可以感受所触摸到的物体。在机器手上面安装传感装置，可以模仿人手对物体的感觉。机械手主机模仿人的大脑，可以在摸到物体的时候，主动进行思考，并且发出动作。机械手机器上安装轮子，模仿人的双腿，则可以到处移动，。用这样的机器人进行生产制造，这样的生产线就被叫做智能生产线。（6）要研究柔软度比较好的通用性的机器手。这样，机器手就按照我们的指令进行工作，这样的机器手，我们称为第二代的通用式机器手，我国现在研发的机器手是第三代机器手，智能化的机械手，它主要能实现的是自主输入程序，在遇到情况的时候，自己能够改变程序，从而能够完成工作任务，实现更多的工作角度。现在我国的科研单位和企业单位，都在朝着这个方向在努力，相信在一定的时间以后，我国一定能够在这个智能化机械手的研发路上有突破，在这方面，我们可以追上发达国家，甚至超越发达国家。1.3机械手应用机械手的种类有3种。第1种完全是自动化的通用性机器手。这种机械手它不需要主机，可以自己来编制程序，完成所需要的工作任务。它的优点是不仅有普通机械手操作性的功能，按照预定的程序完成工作，还可以模仿人类在遇到情况外自动处理。第2种的机械手是需要人来操作的，叫做操作型机械手。原来主要在军事领域使用，最开始的机械手是用来完成一个或者两个特定的动作，再后来发展到用无线的信号来控制机械手，使用的领域也比较有限，在高端科技领域使用，例如月球探测等。第3种机械手是专门在某个机床或者生产线上使用的，可以叫做专用型机械手，它的主要任务就是在机床上把要加工的物料拿上机床，搬下机床，将加工好的物料传递到另一道工序上去。这种机械手被主机控制住，所有的程序都是固定的，没有变化的，因此只能在固定的场景，固定的工作程序下来使用。现在国际上主要研究发展第1种机械手，这是一种通用机器人。美国是第一个从事机械臂工作的国家。在1985年，美国研究出了第一个机械手。到了一九六二年，然后，对基于第一个机器人臂的数控操作机器人进行了研究。该机械手传动系统采用液压传动，可以实现多个动作，现在很多球坐标式通用型机械手就是以这个机器原理为基础，经过反复的学习和开发。日本是目前发展速度最快、应用最广的国家。自上个世纪美国引入机械臂以来，日本就开始加大力量对机械手这项技术开始研究。不管是学校还是研究机构，不管是企业投入还是国家的投入，整个国家对机械手的热情都达到了空前的热度。到上世纪的七九年，对机械手的生产上就已经达到了世界的首位。在他们国家使用机械手最多的行业还是汽车生产业，电机生产单位，电器生产企业。现在的机械臂，还是最早的一种，是一种需要人工操控的机械臂。但是这种机械手随便谁都可以来操作，没有办法来识别究竟谁来操作。对这种机械手，要首先提高它的操作精度，降低产品的成本，提高它的精确度。1.4机械手研究意义在现代的科学发展的大背景下，机械手被广泛用于各个行业。机械手的意义可以概括到以下几个方面：（1）自动化程度大大的提升在实际应用中机械手可以更好地在全自动的生产线中运送材料、工件、换一下刀具、还有机器的装配等的自动化，这样就能提高生产的效率，相对的来说生产的成本就被降低了。（2）改善劳动条件，避免人身事故在温度高、压力大、温度低、压力小、噪杂声、臭味、有幅射的环境和地方下，由人去执行是很危险的，甚至是不可能的。从而使用机械手小部分或者全部帮助人完成工作，避免人身事故发生的同时也使得人们劳动的双手得到了解放。（3）降低工人数量，使生产更有规律。利用机器人手臂来代替人类的手，它能直接降低人工的工作量，这是减少人工成本的另一方面。因此，在自动化的机器和自动化的综合生产线上，都会采用机械臂，这样可以节省人力，同时也能很好的控制生产的速度，方便生产。（4）采用液压系统对机械手进行操作，具有较好的稳定性和较高的精度。（5）采用机械臂可以连续生产，极大地提高了生产线所需的工作时间，可以很好的提高劳动的生产效率。1.5课题研究任务研发生产一种能有四个自由度机器人，以液压动力为动力。其主要技术指标是：（1）工件：棒料，该物体的重量达到20斤，长度的上限是350mm，直径的长度在60－100mm；（2）作业范围：不低于1000毫米的起重高度，600毫米的伸缩，400毫米的垂直运动；（3）操作速度：2米/秒，定位精度±0.5mm。第2章机械手的设计2.1机械手的总体结构2.1.1机械手的总体结构分析本文设计的四自由度圆柱坐标型液压机械手，由执行机构和驱动机构组成。（1）执行机构①手部机械手抓取材料时，我们采取了较为简单的回转式结构。通常机械臂上仅有两个指头，按实际操作要求可分为外握式和内握式。机器人手臂上的力量传递有很多种，比如滑槽杠杆、连杆杠杆、斜槭杠杆、齿轮齿条、螺母、弹簧和重力。本论文主要是通过液压驱动实现相应的运动。②腕部该部位的主要功能是将双手与手臂的连结，同时还能转动手掌的方向，使得机器人的操作更加灵活和广泛。手腕的动作有旋转，上下，左右四种。这几种移动方式，已经足够满足目前的工作需求了，有些机器人，连机器人手臂都没有，可以轻松的拿起和放下。现在最常用的就是带手腕的机械臂，它的动力系统是液压传动，这个机械臂的优点是结构简单，可以灵活的移动，但也有一个弊端，那就是旋转的角度太小，密封不好，操作起来也不太稳定。因此，若作业需要较大的旋转角度，则应选用此种。③手臂手臂是机械臂的支撑点，主要是用来支撑双手和手腕，增加身体的稳定性。手臂运动的主要方向就是将手抓住的材料，通过手臂的伸展和收回，左右摆动，手臂的抬高和放下的动作，将材料送到合适的位置，完成工作。(4)导柱整只机械臂都是由一根导向杆来支撑的。本文所介绍的导向柱，可以使手臂转动，同时也可以上升和下降。2、驱动机构机械手想要动起来，想要进行工作，这就需要一个传动装置。根据对机械手的动力来源的不同，我们可以将其分为液压、气动、电动和机械四种。四种传动方式中，最常用的就是液压传动，因为它的结构简单，重量轻，容易操作。因此，机械臂采用液压传动。2.1.2机械手的总体设计方案本文机械手，这是一种最常用的圆柱座标机器人，它可以用于搬运、测量。这种机器人的外观更漂亮，结构更简单，操作更方便，操作也更容易。其稳定性也非常好，其结构和性能稳定，在正常运行时仍能稳定运行。本文所用的机械手，包括X，Z，φ三个自由度。其工作领域包括：转动和直线运动。结构简图见图2.1图2.1圆柱坐标机械手结构简图四种机械手臂的基本运动：手臂的伸缩，手臂的上下运动，手腕的旋转和手臂的上升。本论文所述的机械手是指在一根竖向导向柱上进行旋转运动，手臂抬上抬下的运动，伸出去缩回来的运动，手腕是做的旋转运动。2.2驱动系统设计2.2.1常用驱动系统及其特点通常机械手的运动传动分为三种：液压传动、气压传动和电动传动。表2.1列出了不同的传动模式的特征。表2.1常用的驱动方式内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率很大大较大控制机械手控制的精度比较灵敏，功率大，可以连续的进行控制。控制的精度比较低，效果差，不能实现连续的控制。控制机械手的精度好，还能准确的对物体定位，使用方便，但是操作比较的繁琐。响应速度很高较高很高驱动的结构制造的结构比较合理，使用的起来按照一定的模式，比较好操作，可以直接驱动制造的结构比较合理，使用的起来按照一定的模式，比较好操作，可以直接驱动电机的结构稳定，噪音不高，但是电动机正常都要配有减速的装置。安全性能很好的防爆，但是液压驱动容易产生大火的危险能很好的防爆，但是当气压大于1000KPA的时候，要注意机器的压力不能很好的防爆，但是却没有火灾或者自身不会爆炸差环保容易有油污泄漏，不符合环保要求有噪音产生没有售后维修更换的部件价格高更换的零件价格不高更换的零部件价格高2.2.2驱动设计方案启动机械手有3种动力途径：液压、气压和电力驱动。相比其他两种，液压驱动的优点有：（1）在组装机械手的时候，随意性比较大，不受太大的控制，可以组装起来一些比较复杂的系统。（2）工作起来比较稳定，而且启动起来快，工作的时候比较灵活，在自由度的转换上也不费劲。（3）人们使用起来方便，还可以有自我过载保护的功能，不仅这些，而且还比较方便的能够自动控制，或者距离比较远的情况下被人控制。（4）这种液压驱动的机械手，前期在制造的时候所采用的零部件相对于气压驱动的零部件，通用性比较好，一般的地方都能够买的到的材料，所以也就造成了制造起来简便，材料选购上不用太过费劲，而且材料价格不高。因此本文中各部分的驱动方案如下：（1）机械手通过液压驱动实现相应的操作。（2）机械手腕选择了一个可以前后旋转的气缸。结构上头一定要卡的很紧，不能有任何空气可以进入。（3）利用液压缸进行机械臂的运动。2.3机械手臂的设计方案2.3.1机械手的技术参数机械手的技术参数：工件：机械手材料，体重要有20斤，它的整个长不能超过350mm，活动区域在60－100mm。工作区域：拿取物体的时候最高要到1000mm，手臂伸出去再缩回来距离600mm；垂直移动400mm；工作速度：移动速度2m/s，定位精度±0.5mm。2.3.2机械手的手臂结构方案从上面的设计和分析，可知手臂需要完成伸缩、升降和回转3个动作，即实现3个自由度。按照上面的我们选用下图的手的内部结构如图2.2所示。1-夹持器2-齿条活塞杆3-小齿轮4-销5-套筒6-销轴7-压力弹簧8-法兰图2.2齿轮齿条式手部结构图1、手部夹紧油缸的设计（1）手部驱动力计算手的部分驱动是液压驱动，按照机械手手指头抓住物料的地方，计算抓紧力：(2·1)公式中：N为抓取工件时，N；G-是工件的重量，N所需的夹紧重量是10公斤（G=10×9.8=98n)；θ-是两根机械手指之间的角的二分之一，V型的两根手指的角是120度；f-f=0.1的摩擦系数代入式(2·1)中可以计算出N=424N（2）按照上面结构的图，液压驱动计算公式：(2·2)式中：P理—为理论驱动力，Nb—就是抓住的物料的从中心点到轴心的距离，b=60毫米R—销轴与齿轮之间的距离R=17毫米代数（2）中的计算P理=2993N（3）实际驱动力：(2·3)式中P实际—为实际驱动力，Nη—它的工作效率是由齿轮驱动引起的，所以取η=0.9。k1—为了保证安全，一般用1.2~2表示，在此，k1=1.5。k2—这是一个工作条件系数，当我们抓住一个工件时，它的最大加速度是a=0.5g，则：k2=1+0.5g/g=1+0.5=1.5所以带入式（2·3）得P实际=7483N机械手抓住物料的时候液压缸所产生的驱动力就是7483N。2、当机械手指抓住物体的时候，弹簧一定会发生变化，所以它的作用是：(2·4)式中P弹—是弹簧弹性而产生的弹性λ—是机械手指握住物体的时候，弹簧就会发生扭曲。mm，λ=25mmG—弹性体的切变模量G=8×1010N/m2d—手指从工件上松开后，恢复到原来的状态。d=3mmC—弹簧的回转率C=D2/d=（D-d）/d=（30-3）/3=9Z—为弹簧的有效圈数Z=12；将所有数据带入公式（2·4）得P弹=86N3、夹紧缸的工作压力机械手夹紧物料的时候，夹紧缸上的夹紧活塞工作，它在此时产生的压力P：（2·5）式中P—就是机械手抓紧物体时候，夹紧活塞工作所产生的压力，NP实—为实际驱动力，NP弹—为弹簧变形所产生的弹簧力，NP封—就是封闭起来的地方所产生的压力，密封啊好了的产生的摩擦力相对工作起来的摩擦力（P=P实+P弹）要稍微小一些，故取P封=（0.05~1）P，取P封=0.06P计算得P=8023N由于活塞的工作压力是由推进剂产生的，也就是由机械负荷p来平衡的，所以，该夹紧气缸的工作压力p是：（2·6）式中D—为夹紧缸直径，从结构设计得知D=40mm带入式（2·6）后可计算p=63.9×105N/m22.4机械手臂伸缩动力液压缸的设计2.4.1液压缸驱动力计算取油缸的长度l=500毫米，内径是D1=40mm，半径R=20mm，运行的速率是v1=750mm/s，工作结束后加快速度Δt=0.1s，油缸内注入的油压P=10×105N/m2。当油进入了汽缸之后，活塞的上升和下降的速率但是运动起来后油流进去油缸的这个流量Q1为：（2·7）式中：D—油缸（或活塞）直径，mm，D1=40mmQ1—输入无杆腔的流量，L/minv1—活塞的移动速度，m/s，v1=750mm/s带入（2·6）计算可得流量Q1=56.5L/min无杆空腔的液压油对活塞施加的压力P1，也就是液压缸的驱动力：（2·8）p—当油进入气缸时，N；P1—液压缸用气压控制的，N；引入运算P1=1256N。当油进入到汽缸里面的时候，活塞的上升速率v1，但是当它移动的时候，油就会进入到汽缸里面Q2为：（2·9）式中：d—活塞杆直径（mm）；d=20mm；Q2—输入无杆腔的流量，L/min；v2—活塞的移动速度，mm/s，v2=1500m/s；则流量Q2为计算可得，Q2=84.8L/min。P2就是液压驱动启动以后这个液压缸所产生的动力：P2=942N。2.4.2尺寸计算和校核1、手臂伸缩油缸的设计与校核本文所设计的液压油缸，其所需的能量由右侧油缸供给，然后驱动臂部进行伸缩运动。在设计这个油缸的时候，要考虑到油缸在工作中所受到的阻力，只有这样，水缸才能正常工作，运行稳定。从前文所做的机械结构简化图来看，曲柄曲线的设计对于夹具机构的设计至关重要。据了解，此气缸的有效形状为600mm，经测定，内径为40mm，此处设计的内径，将在下文中加以验证。（1）计算作用在活塞上的总机械载荷为了对液压缸的受力进行更好的分析，并对其进行了力的计算。绘出了图2.3号汽缸的受力曲线。对活塞施加的机械负荷P是：P驱=P工+P导+P封+P惯+P回。图2.3缸的受力图1）工作阻力P1在进行P型设计时，必须在实际操作中根据气缸的实际运行情况来进行计算。只有通过分析，才能判断出这个数字是正还是负。通过分析，我们知道P工等于0。2）导轨装置的摩擦力P导，P导形的确定主要是根据数值的大小来决定，本文将采用初步估计方法。此结构为图2.3中所示的双向导杆，其导杆的接触面呈圆柱形。所述引导机构在所述气缸的两侧对称。根据上述的受力分析，可以看出，在导向气缸前进和后退的装置处，其值最大，以下为：根据上述已知信息，导向杆的数目是两根，分别在180度以上。这意味着只需要根据公式来计算即可获得答案：（2·10）式中：G总—参加这项活动的所有部件的重量，N，80kg；L=50mm；a—导向支承的长度，mm，a=160mm；μ—根据相关手册取μ=0.1；μ1—正常的圆柱上面μ1=1.27~1.57，取μ1=1.4；则可以计算P导=182N。3）密封件上的摩擦力P封通过分析，我们了解到，在油缸工作和操作期间，P封是多个数值的综合。即：（2·11）在本文中设计的液压缸压力不大于100×105N/m2，伸长杆一般是液压缸内部直径的0.5倍，密封的形式采用O型。综上所述得知P封1+P封2=0.03p1=0.03×1256=37.7N伸缩油管处的摩擦阻力P封3为：（2·12）公式中μ-密封圈与配合表面的摩擦因数，与密封圈的形状、材料与配合部位的材料及油压有关。在O形橡胶密封件的油压下，p<100×105N/m2时，μ=0.023~0.05。在油液高压下，μ值为小，低压μ为大，在此设计中，μ为0。P—密封处的工作压力N，P=10×105N/m2；d—伸缩油管直径m，d=0.006m；l—密封的有效长度m；查阅相关设计资料得到估算（2·13）式中：k—压缩率，一般为0.08~0.14，在这里取k=0.12，d0是直径。则l=0.0014m；带入（2·12）可以计算出P封3=1.1N。P封=P封1+P封2+P封3=37.7+1.1=38.8N4）惯性力P惯在设计的臂膀在工作的初期，杆的受力是平均的，即：（2·14）式中G总—上面已经解释，N（包括被抓物件重量）G总=80kg；g=10m/s2；Δv=0.75m/s；Δt—启动过程的时间s，Δt=0.1s；则可以计算出P惯=600N。5）背压阻力P回油缸低压油液所造成的阻力。正常情况下P回=0.05P工计算。由于P工=0，故P回=0。所以P驱=P工+P导+P封+P惯+P回=0+182+38.8+600+0=821N因为P驱=821N<P=1256N，因此，这种气缸的大小完全满足了工作的需要。6）导向装置其主要功能是将设计的油缸按预定的轨道进行相应的伸缩、升降。在分析了机械臂的结构和成本之后，我们选择了一个沿周向180度对称的导轨，这样既可以保证机械臂的工作，又可以增加工作中的稳定剂。2、手臂升降油缸的设计与校核综上所述，已知起重的有效冲程为1=400毫米，而液压缸在工作时的转速为2000毫米/秒。Δt=0.1s，液压缸内部的直径D1=80mm，也就是R=40mm，工作口进入时候p=50×105N/m2，在垂直工作的时候G总=900N。驱动力P驱为：P驱=P工+P背+P惯+P摩+P封由经验公式可得：P工=G总=900N；P背=0.05P工=0.05×900=45N；P惯=225N；P摩=0.1G总=90N；P封=54N。故P驱=900+45+225+82+54=1304N。作用在活塞上的推力P：P=25120N。因为P驱=1304<P=25120N，所以伸缩油缸的尺寸符合要求。3、手臂回转油缸的设计与校核为了更好地进行设计、分析和在设计，绘制出图2.4运动图。图2.4运动图初步设计液压缸内部的直径D1=100mm，也就是R=50mm，回转杆D2=40mm，也就是R=20mm，油缸运行角速度ω=90°/s，加速度时间Δt=0.5s，进油压力p=50×105N/m2。依据公式：M驱=M惯+M封在此公式中，在密封装置上的摩阻扭矩，在旋转时，与有关的零件之间的摩擦所造成的阻力的扭矩也应该包括。在查阅了有关的设计手册后，我们发现：其中：（2·15）上述公式的计算结果用厘米作为单位表示，上述工作中所提到的b1是在密封装置与气缸结合之后的有效数字宽度。由设计估算：—根据有关的设计手册，我们可以推导出由惯性力引起的力矩。（2·16）式中Δω—回传的缸在工作的时候产生的转动的角速度，其Δω=ω。Δt—起动过程的时间，sJ0—运动部件在工作，这里说的运动部件工作指的是旋转，也包括了工件圆周旋转的惯性，以N·m为单位。经过和同学、老师和自己的分析，我发现J0的运算并不是一件简单的事情，它所包含的零件，都是由成千上万的零件组成，不同的外形，不同的引力，所得到的数据，都会有很大的差别。在此，寻找一种普遍的计算方法，以便进行简便的计算。他将所有的复杂部件都设计成了一个相对简单的部件，再将这些部件一一的计算出来，最后得出了自己想要的数字，这个问题就迎刃而解了。，，手臂回转力矩：得出结论M驱=128N·m<M=210N·m根据以上的设计，可以清楚地看出，这个数值要小于兼容的数值，从而让这个设计更加的合理。2.5手腕的驱动计算2.5.1手腕转动时所需的驱动力矩按照四个自由度的设定，手臂和手腕的旋转，就是一个自由度。设计的工作转矩必须比由于障碍物而引起的扭矩值要大。为更好地进行臂腕结构的设计与分析。画出了胳膊和手腕的力量曲线。1、工件2、手部3、手腕图2.5受力图通过上面的详细的分析，得知手臂腕部力矩的数值的计算可以通过下面的计算来进行：（2·17）依据上面的计算公式，我将对上面的4个组成部分进行一一的计算和校核，下面数值的计算主要依据上面的一个受力图2.5。1、机械手的腕部提高速度的时候所产生的力M惯假如机械手的腕部开始工作提高速度运动，那么可得公式（2·18）公式J-机械臂旋转时的惯性，N·cm·s2；J1—在机械手的腕部转动的时候产生的惯性，N·cm·s2；ω—机械手的腕部转起来的时候所产生的速度，还有弧度/s；Δt—机械手臂的启动所需要的时间，s如果被夹持材料的中心与旋转的中心线不重合，那么它转动起来的惯性所产生的力量J1为：（2·19）式中：Jc—被抓取的物件转过重心点所产生的惯性的力量，N·cm·s2；G1—工件的重量N；e1—工件的中心与旋转轴之间的距离，cm；ω—手腕转动时的角速度，弧度/s；Δt—起动过程所需的时间，s；Δψ—起动过程所转过的角度，弧度；2、机械臂的手腕旋转和被抓住的材料的重量引起机器人的偏心M偏：M偏=G1e1+G3e3，N·cm式中：G3—机械手的手腕在拿着工件转动的时候它的重量，N；e3—机械手拿着东西转动的时候整体重量的重心到转动的时候产生的轴线的重心的距离，叫偏心距离；机械手在拿着物料的时候整体的重心跟机械手手腕转动的时候产生的轴线相符合的时候，那么G1e1=0。3、机械手的手腕在转动的时候产生的摩擦力和阻力M封，式中：d1，d2—旋转起来的轴它喉咙部分的直径，cm；f—摩擦所产生的系数，滚动起来的轴f=0.01，滑动起来的轴f=0.1；RA，RB—处支撑起来的反力，N；可以遵循机械手的腕部转动起来产生的力量来剖析，根据ΣMA（F）=0，得：同理，根据ΣMB（F）=0，得：式中：G2—手部的重量N；l，l1，l2，l3—如图2.5所示的长度尺寸，cm。2.5.2旋转液压缸计算与校核如图2.6所展示的，机械手的腕部环绕着X轴来运动，称之为来回旋转运动，环绕着Y轴的运动，称之为上下运动，围绕着Z轴的运动，又称之为左右运动，还可以顺着Y轴的路线来进行横向的运动。所以，机械手的手腕最多的时候能有四个单独不重复的运动。图2.6手腕运动示意图机械手的手腕它能工作的方向的选择和机械手的使用的普遍性，加工的时候工艺的要求，加工时候物料如何摆放，如何定位等多种原因有关系。因为本文所设计的机械手拿取的物料是水平摆在台面上的，与此同时还需要考虑使用的普遍性，所以机械手手腕需要设计一个围绕着X轴旋转的运动才行，因此这里选择回转油缸，因为它在实际操作里面被用的最多，主要因为它的内部结构很紧凑，而且密封也很好，所以大部分人都在采用。本文所设计的油缸它的内部直径是D1=90mm，半径是R=45mm，旋转轴承的直径D2=20mm，旋转轴承半径是R=13mm，液压驱动的时候里面油缸转动所产生的角度是ω=306°/s，加起速度以后产生的时间Δt=0.1s，油缸工作起来后所产生的压力80×105N/m2，动片宽度为50mm。力矩：（1）测量一下确定了手腕部分的重量m1=10kg，这些重量在机械手上的分布，每个部件均匀的分布在r=60mm的底座上，这样的话转动起来以后产生的惯性的力量：机械手所拿取的物料的重量为20g，这么大的重量均匀的布局在长度为的机械手上，这样的话转动起来以后产生的惯性的力量为：如果拿取的物料的中心点和转动起来形成的线不复合的话，那么对于长度为350mm的手臂来说，产生的偏差的距离就175mm，则它转动起来产生的惯性的力量计算：则：（2）机械手的腕部转动起来和拿着物料转动起来形成的中心点，两个中心点肯定会有偏差，这么偏差胶制作M偏，我们假象机械手手腕转动起来的重心和转动起来的轴线相复合，e1=0，机械手的手腕拿着一个物料的时候重心就会由原始旋转引起的偏离轴线e3=175mm，则M偏=G1e1+G3e3式中：G1—在机器人的腕部前后旋转处的重力；G3—机械臂所持材料的重量N；计算可得M偏=10×10×0+5×10×0.175=109N·m（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩因为采用了液压驱动，所以润滑更好，通过经验了解到的摩擦扭矩非常的小，所以可以忽略。（4）回转缸的动片与缸径、定片、端盖等密封件的摩阻扭矩M封M封=2M封1+2M封侧+M封径式中：M封—用于转动缸