搬運機器人畢業(yè)設計

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1、前言 當代科學技術發(fā)展的特點之一就是機械技術，電子技術和信息技術的結合，機器人就是這種結合的產物之一。現(xiàn)代機器人都是由機械發(fā)展而來。與傳統(tǒng)的機器的區(qū)別在于，機器人有計算機控制系統(tǒng)，因而有一定的智能，人類可以編制動作程序，使它們完成各種不同的動作。隨著計算機技術和智能技術的發(fā)展，極大地促進了機器人研究水平的提高?，F(xiàn)在機器人已成為一個龐大的家族，科學家們?yōu)榱藵M足不同用途和不同環(huán)境下作業(yè)的需要，把機器人設計成不同的結構和外形，以便讓他們在特殊條件下出色地完成任務。機器人成了人類最忠實可靠的朋友，在生產建設和科研工作中發(fā)揮著越來越大的作用。 搬運機器人不但能夠代替人的某些功能，有時還能超過人的體力

2、能力?？梢?4小時甚至更長時間連續(xù)重復運轉，還可以承受各種惡劣環(huán)境。 因此，搬運機器人是人體局部功能的延長和發(fā)展。 21世紀是敏捷制造的時代，搬運機器人在敏捷制造系統(tǒng)中應用廣泛。 1 緒論 1.1 工業(yè)機器人的歷史、現(xiàn)狀及應用 機器人首先是從美國開始研制的，1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結構特點是機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。 目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依

3、靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機器人正在加緊研制，它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。 第三代機器人則能獨立地完成工作過程中的任務，它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一環(huán)。 隨著現(xiàn)代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應用

4、和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產過程。計算機集成制造（CIM）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起[1]。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結構和集成各種外部傳感器的能力。 美國工業(yè)機器人技術的發(fā)展，大致經歷了以下幾個階段： 1）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年，萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產的工業(yè)機器人定型為1900型； 2）1968-1970年為實際應用階段。這一時期，工業(yè)機器

5、人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件； 3）1970年至今一直處于推廣應用和技術發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機器人處于技術發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據當時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機器

6、人的系統(tǒng)[2]。又如，萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產自動線。麻省理工學院研制了具有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。 1.2 我國的工業(yè)機器人 我國工業(yè)機器人是從二十世紀八十年代開始起步，經過二十多年的努力，已經形成了一些具有競爭力的工業(yè)機器人研究機構和企業(yè)。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、搬運、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機器人。近幾年，我國工業(yè)機器人及含工業(yè)機器人的自動化生產線相關的產品的年銷售額已突破10億元。目前國內市場年需求量在3000臺左右，年銷售額在20億元以上。統(tǒng)計數(shù)據顯示，中國市場上工業(yè)機器人總共擁有量盡萬臺，占全球總量的0.56%，其中完全國產工業(yè)機器人(

7、行業(yè)規(guī)模比較大的前三家工業(yè)機器人企業(yè))行業(yè)集中度占30%左右，其余都是從日本、美國、瑞典、德國、意大利等20多個國家引進的。國產工業(yè)機器人目前主要以國內市場應用為主，年出口量為100臺左右，年出口額為0.2億元以上。 目前，工業(yè)機器人的應用領域主要有弧焊、點焊、裝配、搬用、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復雜作業(yè)。 在我國，工業(yè)機器人的最初應用是在汽車和工程機械行業(yè)，主要用于汽車及工程機械的噴涂及焊接。目前，由于機器人技術及研發(fā)的落后，工業(yè)機器人還主要應用在制造業(yè)，非制造業(yè)使用的較少。據不完全統(tǒng)計，近幾年國內廠家所生產的哦工業(yè)機器人有超過一半是提供給汽車行業(yè)。由此可見，汽車工業(yè)

8、的發(fā)展是近幾年我國工業(yè)機器人增長的原動力之一。 搬運機器人在實際的工作中就是一個機械手，機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。機械手的結構形式

9、開始比較簡單，專用性較強。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。 機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操

10、作的，稱為操作機（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 1.3 機器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產技術的提高，機器人設計生產能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高

11、了生產效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢： 1)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結構不同的機器人； 2)開發(fā)各種新型結構用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構用以保證精度；開發(fā)多關節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合； 3)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控

12、制。 2 總體方案設計 2.1 自由度和坐標系的選擇 機器人的運動自由度是指各運動部件在三維空間相當于固定坐標系所具有的獨立運動數(shù)，對于一個構件來說，它有幾個運動坐標就稱其有幾個自由度。各運動部件自由度的總和為機器人的自由度數(shù)。機器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因為人的手指、掌、腕、臂由19個關節(jié)組成，共有27個自由度。而生產實踐中不需要機器人的手有這么多的自由度一般為3-6個（不包括手部）。本次設計的搬運機器人為5自由度即：手爪張合；腕部回轉；臂部伸縮；臂部回轉；臂部升降。 工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構、圓柱坐標結構、球坐標結構、關節(jié)型結構四種。各結構形

13、式及其相應的特點，分別介紹如下： 1) 直角坐標機器人結構 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(a)所示。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多[2]。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結構。 2) 圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人的空間運動

14、是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1（b）。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 3) 球坐標機器人結構 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1（c）。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 4) 關節(jié)型機器人結構 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的，如圖2-1（d）。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類

15、型的機器人。 關節(jié)型機器人結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 根據要求及在實際生產中的用途，本次設計的搬運機器人采用圓柱坐標。 (a)直角坐標型 （b）圓柱坐標型 （c）球坐標型 （d）關節(jié)型 圖2-1四種機器人坐標形式 Fig 2-1 four robot coordinate form 2.2 搬運機器人的組成 搬運機器人由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。 2.2.1 執(zhí)行機構 1）手部 手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的

16、空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機構形式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設計的手部選擇夾持類回轉型結構手部。 本次設計的搬運機器人手部執(zhí)行部件如圖2-2。 圖2-2搬運機器人手部執(zhí)行部件示意圖 Fig 2-2 handling robot hands actuating parts schemes 如圖2-2的機構簡圖，手部執(zhí)行依靠桿的伸縮運動來實現(xiàn)其張合運動，桿的動力源來自后續(xù)驅動源的液壓缸，該液壓缸采用的是伸縮式液壓缸，該液壓缸能夠節(jié)省橫向的工作空間。 2）腕部 腕

17、部是連接手部和臂部的部件，并可用來調節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。 目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度小（一般小于），并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。本次設計的搬運機器人的腕部是實現(xiàn)手部的旋轉運動。 設計的搬運機器人的腕部的

18、運動為一個自由度的回轉運動，運動參數(shù)是實現(xiàn)手部回轉的角度控制在范圍內，其基本的結構形式如圖2-3所示。 圖2-3腕部回轉基本結構示意圖 Fig 2-3 wrist rotation basic structure schematic drawing 腕部的驅動方式采用直接驅動的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設計的十分緊湊可以把驅動源裝在手腕上。機器人手部的張合是由雙作用單柱塞液壓缸驅動的；而手腕的回轉運動則由回轉液壓缸實現(xiàn)。將夾緊活塞缸的外殼與擺動油缸的動片連接在一起；當回轉液壓缸中不同的油腔中進油時即可實現(xiàn)手腕不同方向的回轉。 3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。

19、它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。 手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。本次設計實現(xiàn)臂部的上下移動、前后伸縮、以及臂部的回轉運動。手臂的運動參數(shù)：伸縮行程

20、：1200mm；伸縮速度：83mm/s；升降行程：300mm；升降速度：67mm/s；回轉范圍：。機器人手臂的伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化，在圓柱坐標式結構中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機構的驅動可采用液壓缸直接驅動。 4）機座 機座是機身機器人的基礎部分，起支撐作用。對固定式機器人，直接聯(lián)接在地面上，對可移動式機器人，則安裝在移動結構上。機身由臂部運動（升降、平移、回轉和俯仰）機構及其相關的導向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上。臂部的運動越多，機身的結構和受力越復雜。本次畢業(yè)設計的搬運機器人的機身

21、選用升降回轉型機身結構；臂部和機身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅動源來自回轉液壓缸。 2.2.2 驅動機構 驅動機構是搬運機器人的重要組成部分。根據動力源的不同，工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。 液壓驅動壓力高，可獲得大的輸出力，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，維修方便，但是，液壓元件成本高，油路比較復雜[3]。氣動驅動壓力低，輸出力較小如需要輸出力大時，其結構尺寸過大，阻尼效果差低速不易控制，但結構簡單，能源方便，成本低。電動機驅動有：異步電動機、步進電動機為動力源，電動機使用簡單，且隨著材料性能的提高，電動機性能也逐漸提高。本次設計的搬運機器人的驅

22、動機構采用液壓驅動的方式。 2.3 搬運機器人的技術參數(shù) 1) 用途：用于車間搬運 2) 設計技術參數(shù)： a) 抓重：20Kg(夾持式手部)； b) 自由度數(shù)：5個自由度（手爪張合；腕部回轉；臂部伸縮；臂部回轉；臂 部升降5個運動）； c) 坐標型式：圓柱坐標系； d) 最大工作半徑：1600mm； e) 手臂最大中心高：1248mm； f) 手臂運動參數(shù):伸縮行程：1200mm； 伸縮速度：83mm/s 升降行程：300mm 升降速度：67mm/s 回轉范圍：0～180； g) 手腕運動參數(shù)：回轉范圍：0～180。 3 機器人的設計

23、與計算 3.1 手部設計 3.1.1 機器人手部的功能 機器人的手部是機器人最重要的部件之一，從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機器人的手部和類人機器人的手部。目前前者應用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。 工業(yè)機器人的手部夾持器（亦稱抓取機構）是用來握持工件或工具的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同[4]。其手部結構也是多種多樣的，大部分的手部結構都是根據特定的工件要求而專門設計的，按握持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類： 1) 夾持式：包括內撐式與外夾式，常用的還有勾托式和彈簧式等。 2) 吸附式：包括氣吸式與磁吸式等。 在設計機器人末端執(zhí)行器時

24、，應注意以下問題： 1) 機器人末端執(zhí)行器是根據機器人作業(yè)要求來設計的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機器人新的應用場所。因此，根據作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機器人的應用領域。 2) 機器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許的負荷力。因此，要求機器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結構緊湊。 3) 機器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結構上很復雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用化。因為這種萬能的執(zhí)行器的結構復雜且造價昂貴。 3.1.2 手部設計的基本要求 1）應具有適

25、當?shù)膴A緊力和驅動力； 2）手指應具有一定的開閉范圍； 3）應保證工件在手指內的夾持精度； 4）要求結構緊湊，重量輕，效率高； 根據任務要求并考慮到實際操作中手部的工作方式本次設計選擇的手部夾持器為：雙支點連桿杠桿式手部結構。 3.1.3 選擇手爪的類型及夾緊裝置 本次搬運機械手的設計，考慮到所要達到的原始參數(shù)：手爪夾取重量為20Kg。常用的工業(yè)機械手手部，分為夾持和吸附兩大類。本設計機械手采用夾持式手指，夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，這種手指結構簡單，適于夾持平板方料，其理論夾持誤差零[4]。若采用典型的平移型手指，使結構變得復

26、雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。 通過綜合考慮，本設計選擇二指回轉型手抓，采用滑槽杠桿這種結構方式。夾緊裝置選擇常形式夾緊裝置，它靠液壓缸的伸縮作用下實現(xiàn)手爪的張開和閉合。 3.1.4 手爪及其液壓缸的設計 1) 手爪的力學分析 圖 3-1滑槽杠桿式手部結構、受力分析示意圖 Fig. 3-1 leveraged sliding channel hand structure、stress analysis schemes 1——手指 2——銷軸 3——杠桿 在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，手指滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2，其力

27、的方向垂直于滑槽的中心線OO1和OO2并指向O點。 由得: 由得: 由 得: （3-1） 式中: a--手指的回轉支點到對稱中心的距離（mm)； α--工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。 由分析可知，當驅動力F一定時，角增大，則握力FN也隨之增大，但如果角過大則會導致拉桿行程過大和手部結構增大，因此最好取，故本次設計選取。 根據給定的數(shù)據：抓取的重物為

28、20Kg 鋼與鋼之間的靜摩擦因數(shù)μ取為：μ=0.15 即: 取=700N a=35mm b=50mm 故： =1500N 2) 夾緊力和驅動力及液壓缸的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算：

29、 （3-2） 式中：——安全系數(shù)，通常1.2～2.0； ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式估 其中a為重力方向的最大上升加速度； F—理論驅動力（N）。 表3-1液壓缸的工作壓力 Tab 3-1 the hydraulic cylinder pressure of work 作用在活塞上外力F/N 液壓缸工作壓力/Mpa 作用在活塞上外力F/N 液壓缸工作壓力/Mpa 小于5000 0.8～1 20000～30000

30、 2.0～4.0 5000～10000 1.5～2.0n 30000～50000 4.0～5.0 10000～20000 2.5～3.0 >50000 5.0～8.0 表3-2 液壓缸的內徑系列（JB826-66） Tab 3-2 hydraulic cylinder of inner series (JB826-66) （mm） 20 25 32

31、 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 計算： a) 取a=35mm，b=50mm，，機械手達到最高響應時間為0.5s，求夾緊力FN和驅動力F和驅動液壓缸的尺寸。 取 根據公式，將已知條件帶入：

32、 b）取 c) 確定液壓缸的直徑D： (3-3) 選取活塞桿直徑d=0.5D，根據表3-1選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.8～1MPa， 根據表3-2（JB826-66），選取液壓缸內徑為：D=80mm。 對于無速比要求的雙作用液壓缸，可按下式初步定活塞桿直徑 則 3.2 腕部設計 3.2.1 腕部設計的基本要求 1）力求結構緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最

33、前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能[5]。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。 2）結構考慮，合理布局 腕部作為搬運機器人的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 3）必須考慮工作條件 對于本次設計，搬運機器人的工作條件是在工作場合中搬運質量為20Kg的物體，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對搬運機器人的腕部沒有太多不利因素。 3.2.2 腕部結構的選擇 1)典型的腕部

34、結構 a) 具有一個自由度的回轉驅動的腕部結構它具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣腕部回轉，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用,回轉角由動片和靜片之間允許回轉的角度來決定（一般小于270）。 b) 齒條活塞驅動的腕部結構在要求回轉角大于270的情況下，可采用齒條活塞驅動的腕部結構。這種結構外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部[6]。 c) 具有兩個自由度的回轉驅動的腕部結構它使腕部具有水平和垂直轉動的兩個自由度。 d) 機-液結合的腕部結構。 2) 腕部結構和驅動結構的選擇 本設計要求手腕回轉，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結構選擇具有一個自由度的回轉驅動腕部結構，采

35、用液壓驅動。 3.2.3 腕部及其液壓缸的設計計算 腕部設計考慮的參數(shù)：夾取工件重量20Kg；回轉。 1) 腕部驅動力計算 圖3-2腕部支撐反力計算示意圖 Fig. 3-2 the wrist support counterforce calculation schemes 腕部回轉時要克服的阻力： a) 腕部回轉支撐處的摩擦力矩： (3-4)其中為軸承摩擦系數(shù)取=0.1 b) 克服由于工件重心偏置所需的力矩：(這里假定為0)

36、 （3-5） c) 克服啟動慣性所需的力矩： （3-6） 假設給定的工件是一直徑D=70mm，長度L=660mm，重量G=200N的棒料。按照任務書要求實現(xiàn)腕部回轉180，現(xiàn)計算腕部所需的驅動力矩如下： a）手抓、手抓驅動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，長200mm，直徑100mm，其重力估算如下： b）摩擦力矩： c) 啟動過程所轉過

37、的角度 ，—啟動過程所需的時間，一般取0.05-0.3s，此處取0.12s，等速轉動角速度 (3-7) 查取轉動慣量公式有： 代入： 2) 腕部驅動液壓缸的計算 表3-3 液壓缸的內徑系列（JB826-66） Tab 3-3 hydraulic cylinder of inner series (JB826-66) （mm） 20 25 32 40 50 55 6

38、3 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 設定腕部的部分尺寸：為減少動片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇動片寬度時，選用： 根據表3-3設缸體內徑R=50mm，考慮到實際裝配問題后，動片寬度b=40mm，輸出軸r=30mm.基本尺寸示如圖3-3所示。則回轉缸工作壓力： ，選擇3.5Mpa 圖3-3腕部液壓缸剖截面結構示意圖 Fig. 3-3 wrist hydraulic cylinder p

39、rofile section structure schematic drawing 3.3 臂部的設計及有關計算 手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括3個運動：伸縮、回轉和升降。本節(jié)敘述手臂的伸縮運動，手臂的回轉和升降運動設置在機身處，將在下一節(jié)詳述。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況

40、分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。 3.3.1 臂部設計的基本要求 臂部設計首先要實現(xiàn)所要求的運動，為此，需要滿足下列各項基本要求： 1) 臂部應承載能力大、剛度好、自重輕 對于機械手臂部或機身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結構上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸）。顯然伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化[7]。對機械手的運動性能、位置精度和負荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應注意以下幾方面： a) 根

41、據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸； b) 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離； c) 合理布置作用力的位置和方向； d) 注意簡化結構； e) 提高配合精度。 2) 臂部運動速度要高，慣性要小 機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在1000-1500mm/s最大回轉角速度設計在內，大部分平均移動速度為1000mm/s，平均回轉角速度在。在速度和回轉角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有4個途徑： a) 減少手臂運動件的重量，采用鋁

42、合金材料； b) 減少臂部運動件的輪廓尺寸； c) 減少回轉半徑ρ，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸縮）， 盡可能在較小的前伸位置下進行回轉動作； d) 在驅動系統(tǒng)中設緩沖裝置。 3) 手臂動作應該靈活 為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。 4) 位置精度要求高 一般來說，直角和圓柱坐標式機械手位置精度要求較高；關節(jié)式機械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂

43、上加設定位裝置和檢測結構，能較好地控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動、嚙合件間的間隙。 5) 設計合理 合理設計與腕和機身的連接部位，臂部安裝形式和位置不僅關系到機器人的強度、剛度和承載能力，而且還直接影響到機器人的外觀。 總結：除此之外，要求機械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手還要設置防塵裝置等。 以上要求是相互制約的，應該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設計出完美的、性能良好的機械手。 3.3.2 手臂的典型機構及結構的選擇 1) 手臂的典型運動機構 常

44、見的手臂伸縮機構有以下幾種： a) 雙導桿手臂伸縮機構； b) 手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結構； c) 雙活塞桿液壓缸結構； d) 活塞桿和齒輪齒條機構。 2) 手臂運動機構的選擇 通過以上，綜合考慮，本次設計選擇液壓缸伸縮機構，使用液壓驅動，水平伸縮液壓缸選用伸縮式液壓缸。 3.3.3 手臂直線運動的驅動力計算 首先進行粗略的估算，或類比同類結構，根據運動參數(shù)初步確定有關機構的主要尺寸，再進行校核計算，修正設計。 作水平伸縮直線運動的液壓

45、缸的驅動力，應根據液壓缸運動時所要克服的摩擦力和慣性力等幾個方面的阻力進行確定。 液壓缸活塞的驅動力的計算公式可表示為： (3-8) 1) 手臂摩擦力的分析與計算 摩擦力的計算不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據具體情況進行估算。 圖3-4機械手臂部受力示意圖 Fig. 3-4 the mechanical arm department stress schemes 計算如下： 得

46、 得 (3-9) 式中 ---參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L---手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（m），參考上一節(jié)的計算；a---導向支撐的長度（m）；---當量摩擦系數(shù); 選?。? ，G=500N，L=1.49-0.28=1.21m

47、，導向支撐a設計為0.16m。 將有關數(shù)據代入進行計算： 2) 手臂慣性力的計算 本設計要求手臂平動是V=83mm/s； 假定：在計算慣性力的時候，設置啟動時間(一般為0.01-0.5)，啟動速度； (3-10) 經過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅動力： 3.3.4 液壓缸工作壓力和結構的確定 經過上面的計

48、算，確定了液壓缸的驅動力F=2630.45N，根據表3-1選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa。確定液壓缸的結構尺寸： 液壓缸內徑的計算，如圖3-5所示 圖3-5雙作用液壓缸示意圖 Fig. 3-5 dual action hydraulic cylinder schemes 當油進入無桿腔： （3-11） 其中：η為機械效率，d=0.5D 故有： (3-12) F=2630.45N

49、，，選擇機械效率。 將有關數(shù)據代入： 根據表3-3（JB826-66），選擇標準液壓缸內徑系列，選擇D=70mm。 液壓缸外徑的設計： 根據裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm，所以該液壓缸的外徑為80mm。 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。 則可選取活塞桿直徑為35mm系列。 3.4 機身設計及計算 機身是直接支撐和驅動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉和升降運動，這些運動的傳動機構都安在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構和受力情況就越復雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。 3.

50、4.1 機身的整體設計 按照設計要求，機械手要實現(xiàn)手臂的回轉運動，實現(xiàn)手臂的回轉運動機構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構，就要綜合考慮分析。 機身承載著手臂，做回轉，升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結構有以下幾種[8]： 1) 回轉缸置于升降之下的結構。這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大。 2) 回轉缸置于升降之上的結構。這種結構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。 3) 活塞缸和齒條齒輪機構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現(xiàn)：齒條的往復運動帶動與手臂連接的

51、齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。 分析： 經過綜合考慮，本設計選用回轉缸置于升降缸之下的結構。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉和升降?；剞D機構置于升降缸之下的機身結構。手臂部件與回轉缸的上端蓋連接，回轉缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉運動。回轉缸的轉軸與升降缸的活塞桿是一體的。具體結構見圖3-6。驅動機構是液壓驅動，回轉缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉葉片的兩側來實現(xiàn)葉片回轉?；剞D角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設計就是考慮兩個葉片之間可以轉動的角度，為滿足設計要求，設計中動片和靜片之間可以回轉。 圖3-6回轉缸位于升降缸之下的機身結構示意圖 Fig

52、. 3-6 rotary cylinder is located in the fuselage structure under lifting cylinder diagram 3.4.2 機身回轉機構的設計計算 1）回轉缸驅動力矩的計算 手臂回轉缸的回轉驅動力矩，應該與手臂運動時所產生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡： (3-13) 慣性力矩的計算： (3

53、-14) 式中：——回轉缸動片角速度變化量，在起動過程中=； t——起動過程的時間(s)； ——手臂回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量。 若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為，則： (3-15) 式中： ——回轉零件的重心的轉動慣量。 (3-16) 回轉部件可以等效為一個長1500mm，直徑為80mm的圓柱體，質量為150Kg設置起動角度=180，則起動角速度=0.

54、314，起動時間設計為0.1s，。 密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下。 經過以上的計算 。 2）回轉缸尺寸的初步確定 設計回轉缸的動片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強為8Mpa。d為輸出軸的直徑，設d=50mm，則回轉缸的內徑通過下列計算： (3-17) 即設計液壓缸的內徑為110mm，再經過配合等條件的考慮。 最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖3-7所示，內徑為125mm，外徑為180mm，輸出軸徑為50mm。 圖3-7回轉

55、缸的截面圖 Fig. 3-7 rotary cylinder section graph 3.4.3 機身升降機構的計算 1) 手臂偏重力矩的計算 圖 3-8手臂各部件重心位置圖 Fig. 3-8 arm parts focus locations a) 零件重量等 現(xiàn)在對機械手手臂做粗略估算：和總共約為22Kg b) 計算零件的重心位置，求出重心到回轉軸線的距離ρ。 (3-18) 所以，回轉半徑。 c) 計算偏重力矩

56、 (3-19) 2) 升降不自鎖條件分析計算 手臂在的作用下有向下的趨勢，而立柱導套有防止這種趨勢； 由力的平衡條件有： (3-20) 即： 所謂的不自鎖條件為： 即： 取f=0.16則：

57、 (3-21) 當時，，因此在設計中必須考慮到立柱導套必須大于449.12mm，取h=500mm。 3) 手臂做升降運動的液壓缸驅動力的計算 (3-22) 式中：--摩擦阻力，參考圖3-8 (3-23) G--零件及工件所受的總重。 a）的計算 設定速度為V=67；起動或制動的時間差t=0.02s；近似估算為250Kg；將數(shù)據

58、帶入上面公式有： b）的計算 當液壓缸向上驅動時： 當液壓缸向下驅動時： 3.4.4 升降液壓缸尺寸確定 由公式（3-11）得可得升降缸內徑D 由表3-1得p=1.5MPa，，d=0.5D 根據表3-3，D=85mm 對于無速比要求的雙作用液壓缸，可按下式初步定活塞桿直徑[9] 則 取d=45mm 3.5 液壓系統(tǒng)設計 3.5.1 確定工作狀況及主要參數(shù) 由上面的計算已經得出負載狀況如表3-4 表3-4工工作階段負載 Tab 3-4 work load

59、 value phase 工況 負載值 F/N（M/N.m） 推力F/N(M/N.m) 手部夾緊 3176 3528.9 手腕轉動 10.9 12.1 臂部伸縮 2630.45 2922.7 機身轉動 576.8

60、 640.9 機身升降 5488.188 6097.99 液壓缸機械效率 根據執(zhí)行原件負載（F或M）及速度（v或）的值，可以確定執(zhí)行原件的有效功率N的數(shù)值，即 (3-24) 有效的系統(tǒng)輸入功率N為 (3-25) 式中p、 Q為系

61、統(tǒng)的壓力和流量 根據公式(3-24) 、(3-25)可得出各個狀態(tài)的流量和功率 根據上述液壓缸直徑及流量計算結果，進一步估算液壓缸在各個工作階段中的壓力、流量和功率值，如表3-5所示。 表3-5 工作階段的壓力、流量和功率值 Tab 3-5 working stages pressure、 flow and power value 工況 壓力 /MPa 流量 /（L /min） 功率/kW 手部夾緊 1 15 0.25 手

62、腕轉動 3.5 0.5 0.03 臂部伸縮 1 14.4 0.24 機身轉動 8 1.5 0.2 機身升降 1.5 16.4 0.41 3.5.2 液壓元件的選擇 1) 泵的最大工作壓力 根據液壓泵的最大工作壓力計算方法

63、，液壓泵的最大工作壓力可表示為液壓缸最大工作壓力與液壓泵到液壓缸之間壓力損失之和[11]。選取進油路上的總壓力損失為0.5MPa則泵的最高工作壓力可估算為P=8+0.5=8.5MPa。 2）泵的選擇 在整個工作循環(huán)過程中，液壓油源應向液壓缸提供的最大流量出現(xiàn)在機身升降工作階段，為16.4L/min，若整個回路中總的泄漏量按液壓缸輸入流量的10%計算[12]，則液壓油源所需提供的總流量為： 據據以上液壓油源最大工作壓力和總流量的計算數(shù)值，上網或查閱有關樣本，最終確定選取YB定量葉片泵。 3）電機選擇 由于液壓缸在機身升降時功率最大，壓力為1.5MPa，流量為16.4L/min，

64、 根據次數(shù)值查閱電機廠品目錄，最終選定Y802-4 4）油箱 油箱容積按式（3-26）估算， （3-26） V為有效容積，是與系統(tǒng)壓力有關的經驗值，取7，液壓泵額定流量。 按GB2876-81規(guī)定，取靠近的標準值 圖 3-9液壓原理圖 Fig. 3-9 hydraulic principle diagram 1機身升降缸、2手部液壓缸、3機身轉動缸、4手腕轉動缸、5臂部液壓缸 3.5.3 系統(tǒng)性能驗算 液壓傳動系統(tǒng)在工作時，有壓力損失

65、、容積損失和機械損失，這些損失所消耗的能量多數(shù)轉化為熱能，使油溫升高，導致油的粘度下降、油液變質、機器零件變形等，影響正常工作[13]。為此，必須控制溫升ΔT在允許的范圍內，如一般機床DT = 25 ~ 30 ℃；數(shù)控機床DT ≤ 25 ℃；粗加工機械、工程機械和機車車輛DT= 35 ～ 40 ℃。 液壓系統(tǒng)的功率損失使系統(tǒng)發(fā)熱，單位時間的發(fā)熱量f（kW）可表示為 （3-27） 式中 —— 系統(tǒng)的輸入功率（即泵的輸入功率）（kW）； —— 系統(tǒng)的

66、輸出功率（即液壓缸的輸出功率）（kW）。 輸出功率為各部分功率和 輸入功率為 油箱散熱面積為 油液升溫 （3-28） ，則 溫升沒超出允許范圍，液壓系統(tǒng)不需設置冷卻器。 4 控制系統(tǒng) 4.1 PLC的主要特點 1) 高可靠性 a) 所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內部電路之間電氣上隔離。 b) 各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10~20ms。（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 c) 采用性能優(yōu)良的開關電源。 d) 對采用的器件進行嚴格的篩選。 e) 良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。 f) 大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統(tǒng)或有三CPU構成表決系統(tǒng)，使可靠性更進一步提高。 2) 豐富的I/O接口模塊PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關量或模擬量；電壓或電流；脈沖