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分 類(lèi) 號(hào)
密 級(jí)
寧
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
智能排爆機(jī)械手設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
2012年 3月 20日
誠(chéng) 信 承 諾
我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫(xiě)的畢業(yè)論文《智能排爆機(jī)器人機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》均系本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋?zhuān)粲胁粚?shí)，后果由本人承擔(dān)。
承諾人（簽名）：
年 月 日
摘 要
在當(dāng)今的大規(guī)模生產(chǎn)中，企業(yè)為了提高自身的生產(chǎn)效率,保證產(chǎn)品的質(zhì)量,生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度的尤為受到關(guān)注,機(jī)械手自動(dòng)生產(chǎn)線成為重要的一分子,逐漸被企業(yè)通過(guò)和采用。技術(shù)水平和機(jī)械手的應(yīng)用在一定程度上反映程度一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平,目前,主要承擔(dān)機(jī)械臂焊接、噴涂、處理、存儲(chǔ)和勞動(dòng)強(qiáng)度重復(fù)性偉大的工作,工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。
本文是設(shè)計(jì)一臺(tái)五自由度的機(jī)械手，主要功能就是排爆。首先，本文會(huì)設(shè)計(jì)機(jī)器人的底座、大臂、小臂和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)選擇合適的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，完成機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手，驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)
Abstract
In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.
In this paper I will design an industrial robot with five DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot.
Key Words: Robot,Transmission, Driving, Structure
目 錄
摘 要 III
Abstract Ⅳ
目 錄 Ⅴ
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 智能排爆機(jī)器人機(jī)械手國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1
1.2.1國(guó)外的研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 2
1.3 智能排爆機(jī)器人機(jī)械手的關(guān)鍵技術(shù) 3
1.4 智能排爆機(jī)器人機(jī)械手的作用及應(yīng)用 4
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 5
2.1概述 5
2.2系統(tǒng)組成 5
2.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容 5
第3章 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
3.1手部機(jī)構(gòu) 7
3.1.1 手部設(shè)計(jì)基本要求 7
3.1.2 典型的手部結(jié)構(gòu) 7
3.1.3 機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算 7
3.1.4 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算 10
3.1.5 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 11
3.2腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12
3.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 12
3.2.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇 13
3.2.3 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 13
3.3橫向氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 17
3.3.1 氣缸內(nèi)徑的確定 17
3.3.2 活塞桿直徑的確定 18
3.3.3 缸筒長(zhǎng)度的確定 18
3.3.4 氣缸筒的壁厚的確定 19
3.3.5 氣缸耗氣量的計(jì)算 19
3.3.6 活塞桿的校核 20
3.3.7 連接與密封 20
3.4臂部 20
3.4.1 臂部結(jié)構(gòu)形式 21
3.4.2 臂部運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向裝置 22
3.5機(jī)械手機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算 23
3.5.1 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 25
3.5.2 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算 29
3.5.3 軸承的選擇分析 31
3.6驅(qū)動(dòng)方式 31
3.7制動(dòng)器及其作用 34
總結(jié)與展望 36
參考文獻(xiàn) 37
致 謝 38
V
第1章 緒論
第1章 緒論
1.1 前言
機(jī)器人學(xué)是當(dāng)今世界中極為活躍的領(lǐng)域之一，這門(mén)學(xué)科是近幾十年來(lái)飛速發(fā)展起來(lái)的。其中包括機(jī)械手類(lèi)，從外形看來(lái)，與人的手臂結(jié)構(gòu)是非常相似的，是由一系列剛性連桿和通過(guò)一系列柔性的關(guān)節(jié)交替而成的結(jié)構(gòu)。而智能排爆機(jī)器人，就是一個(gè)機(jī)械手成功運(yùn)用的成功典范。
排爆機(jī)器人(Explosive Disposal Robot)是指代替人到不能去或不適宜去的有爆炸、危險(xiǎn)等環(huán)境中、或進(jìn)行了排除危險(xiǎn)物工作的機(jī)器人，是專(zhuān)門(mén)用于搜索、探測(cè)、處理各種爆炸危險(xiǎn)品的防暴機(jī)器人[1]。
機(jī)械手臂是排爆機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要是用于對(duì)爆炸物和其它危險(xiǎn)物的抓取、搬運(yùn)還有放置工作，還有可能是攜帶武器、輔助工具等，所以對(duì)它的要求是能在工作空間內(nèi)靈活地到達(dá)任意的位置，并且能夠順利完成捏、握、舉等動(dòng)作[2]。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化還有自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作和保護(hù)人身的安全，因而廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工、原子能等一些部門(mén)。
1.2 智能排爆機(jī)器人機(jī)械手國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
1.2.1國(guó)外的研究現(xiàn)狀
在國(guó)外，排爆機(jī)器人的研究早于國(guó)內(nèi)，發(fā)展也比國(guó)內(nèi)迅速，技術(shù)更加成熟，并且已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用性的階段，英、美、德、法、加拿大等許多西方國(guó)家已廣泛在軍警部門(mén)中裝備使用。
英國(guó)P.W.Allen公司生產(chǎn)的Defender是一款大型的排爆機(jī)器人，它的一些先進(jìn)的功能可以滿足正在發(fā)展的反恐需求，例如，處理核生化裝置、擴(kuò)展的光譜射頻遙感測(cè)量裝置，可通過(guò)線纜操控，也可以通過(guò)無(wú)線SSRF遙控，采用全向天線，控制半徑能夠達(dá)到2km，車(chē)體是采用模塊化結(jié)構(gòu)的，主要的部件使用強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的鈦，大范圍配置并采用標(biāo)準(zhǔn)配件，優(yōu)點(diǎn)為結(jié)實(shí)耐用、維修簡(jiǎn)單、通用性好、可靠性高[4]。
Mini—AndrosⅡ(圖1.1)是美國(guó)Remotec公司設(shè)計(jì)的Andros機(jī)器人家族中的最新產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)之中它采用了先進(jìn)地模塊化設(shè)計(jì)的思想，能夠使整機(jī)方便、快速拆卸。它具有2m延長(zhǎng)桿、履帶變向底盤(pán)，可以無(wú)級(jí)調(diào)速。它車(chē)身比較小，外形尺寸為107cm×60cm×94cm，因此能夠在大型機(jī)械人不能抵達(dá)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行操作。它越障礙能力非常好，可以跨越41cm高臺(tái)和53cm的寬溝，也不受天氣干擾，能在干、濕等各種地表環(huán)境中行走，在爆炸物處理、機(jī)場(chǎng)安全、反劫持、核放射、生化場(chǎng)所的檢查還有清理等領(lǐng)域具備很大的應(yīng)用潛力[3]。
圖 1.1 Mini—AndrosⅡ排爆機(jī)器人
1.2.2 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀
相對(duì)于國(guó)外，我國(guó)在排爆機(jī)器人研究的方面起步較晚。目前，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域進(jìn)行研究的主要有中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所，北京航空航天大學(xué)，上海交通大學(xué)，華南理工大學(xué)等。
中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)所先后研制出了“靈蜥-A”、“靈蜥-B”和“靈蜥-H”等反恐防暴機(jī)器人。“靈蜥-B”(圖2)由本體、電動(dòng)收纜裝置、控制臺(tái)和附件箱四部分組成，自重達(dá)180kg，是電池電力驅(qū)動(dòng)的，最大直線運(yùn)動(dòng)速度是40米／分鐘，采用三段履帶設(shè)計(jì)可以讓機(jī)器人上和下樓梯，能跨越0.45米高的障礙，實(shí)現(xiàn)了全方位行走，具備較強(qiáng)地面適應(yīng)能力，并應(yīng)用在第十屆全國(guó)運(yùn)動(dòng)會(huì)期間?！办`蜥-H”是該研究所集和州衛(wèi)富機(jī)器人公司研制了反恐防爆機(jī)器人，自重有200kg，最大直線運(yùn)動(dòng)速度為2.40km /h，可以通過(guò)小于40°斜坡、樓梯，三段履帶設(shè)計(jì)能讓機(jī)器人平衡地上下樓梯，可以跨越400mm高的障礙；裝備有連發(fā)霰彈槍、爆炸物銷(xiāo)毀器、催淚彈等武器；六個(gè)自由度機(jī)械手最大伸展時(shí)抓重達(dá)5kg，最大作業(yè)高度為2.2m；還裝備便捷操縱盒、自動(dòng)收線裝置、高效電池等；2005年8月通過(guò)了國(guó)家“863”驗(yàn)收的排爆機(jī)器人，采用六個(gè)自由度的可伸縮式關(guān)節(jié)手臂聯(lián)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，開(kāi)發(fā)有爆炸物轉(zhuǎn)運(yùn)箱，可以提高爆炸物的轉(zhuǎn)移速度；車(chē)底的爆炸物檢測(cè)機(jī)器人采用了兩節(jié)等長(zhǎng)履帶腿復(fù)合型移動(dòng)機(jī)構(gòu)，有很強(qiáng)的地形的適應(yīng)能力；其控制系統(tǒng)采用的是PC104計(jì)算機(jī)[5]。
圖 1.2 靈蜥-B排爆機(jī)器人
上海交通大學(xué)是我國(guó)最早從事于機(jī)器人技術(shù)研發(fā)的高校之一，Super-DII型排爆機(jī)器人是“863”計(jì)劃項(xiàng)目，是由上海交通大學(xué)與北京中泰通公司聯(lián)合研制，曾在北京參加了第二屆國(guó)際警用裝備博覽會(huì)。最近研發(fā)SPUER-III排爆機(jī)器人(圖3)，整機(jī)質(zhì)量250kg，長(zhǎng)1.6m，寬0.84m，高1.3m，行走速度為2.4km /h，可跨越350mm的障礙物或溝壕，爬30°~ 40°斜坡或樓梯，同時(shí)可以將整體機(jī)身抬高了350mm，手臂伸展全長(zhǎng)為1.75m，5+ 1自由度三臂桿結(jié)構(gòu)組成[6]。
圖 1.3 SPUER型排爆機(jī)器人
華南理工大學(xué)的排爆機(jī)器人研究室在廣東公安廳的支持下，最新研制出了排爆機(jī)器人MRC-5，其控制系統(tǒng)有鮮明特色，除遙控功能之外，它能夠在視覺(jué)系統(tǒng)的引導(dǎo)下進(jìn)行計(jì)算可疑目標(biāo)物的三維坐標(biāo)，并且控制手爪自動(dòng)抓取可疑的目標(biāo)[7]。
1.3 智能排爆機(jī)器人機(jī)械手的關(guān)鍵技術(shù)
機(jī)械手是智能排爆機(jī)器人的最主要的裝置，各種作業(yè)的操作基本上都由它完成。對(duì)設(shè)計(jì)要求為：重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且堅(jiān)固、尺寸和慣量都盡量小、操作必須靈活。在設(shè)計(jì)具體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，應(yīng)該要根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的主要功能，選擇合適的自由度。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以綜合考慮兩方面因素，以選定最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式。在確定大臂和小臂長(zhǎng)度時(shí)，若兩者長(zhǎng)度不相同，需要在控制系統(tǒng)中采用比例放大或縮小等辦法來(lái)使兩者終端上的運(yùn)動(dòng)速度和加速度差異減小，以免操作員產(chǎn)生的錯(cuò)誤，導(dǎo)致了事故發(fā)生。從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，多關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手比較成熟。在設(shè)計(jì)手爪時(shí)，主要應(yīng)該考慮手爪的多樣性、快速更換要求，根據(jù)可疑物品的結(jié)構(gòu)特征和形狀，可以設(shè)計(jì)成鏟抱型、鉤爪型、吸附型等。同時(shí)，為機(jī)械手結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、靈活性更好，負(fù)載能力的設(shè)計(jì)應(yīng)該不能過(guò)大，機(jī)械手的額定負(fù)載在5—20kg左右[3]。
1.4 智能排爆機(jī)器人機(jī)械手的作用及應(yīng)用
排爆機(jī)器人一般具有排除爆炸物、消防、解救人質(zhì)、搬運(yùn)、射擊、摧毀、爬樓梯等功能。但此主要針對(duì)的是小型的排爆機(jī)器人，機(jī)器人一般裝多臺(tái)彩色CCD像機(jī)用對(duì)爆炸物進(jìn)行觀察，還有一個(gè)多自由度的機(jī)械手，一般由多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)、伸縮關(guān)節(jié)組成，利用手爪、夾鉗可將爆炸物的引信、雷管擰下，運(yùn)走爆炸物，這是排爆機(jī)器人很重要的組成部分。
排爆機(jī)器人為機(jī)器人中特殊的一類(lèi)，是為某種特殊應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的機(jī)器人。排爆機(jī)器人能在危險(xiǎn)、對(duì)人體有害或無(wú)法進(jìn)入的環(huán)境發(fā)揮作用。西方國(guó)家，恐怖活動(dòng)是個(gè)令當(dāng)局頭疼的問(wèn)題。民族矛盾，一些國(guó)家的人民受到爆炸物的威脅?？植阑顒?dòng)的破壞能力達(dá)到了小型戰(zhàn)爭(zhēng)的標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)“9 1 1”恐怖襲擊造成數(shù)千人死亡，損失超過(guò)了一些小型戰(zhàn)爭(zhēng)[8]。我國(guó)的反恐形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，犯罪分子反社會(huì)、甚至鋌而走險(xiǎn)。知識(shí)水平的提高使得犯罪分子具有自制炸藥、定時(shí)爆炸裝置、自制遙控的能力。防爆反恐機(jī)器人成為一種重要的反恐裝備[9]。
在排爆機(jī)器人研制中不可過(guò)分地追求先進(jìn)的技術(shù)，應(yīng)把針對(duì)有限目標(biāo)的實(shí)際應(yīng)用放在首位。排爆機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)決定了機(jī)器人能廣泛地應(yīng)用在一切可能對(duì)人員健康，甚至生命構(gòu)成威脅的場(chǎng)所[10]。
39
第2章 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1概述
畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的是要把我們所學(xué)的知識(shí)綜合起來(lái)，進(jìn)行靈活運(yùn)用。目前的發(fā)展趨勢(shì)是機(jī)電一體化，所以，我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)是讓我們將“機(jī)”、“電”合并起來(lái)。
2.2系統(tǒng)組成
機(jī)械手系統(tǒng)由機(jī)體、運(yùn)輸代理、供電和控制裝置四個(gè)部分組成。小車(chē)和本體論元器件組成機(jī)體;主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的伸縮臂和把握機(jī)構(gòu)、電源液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)兩幅形控制裝置，主要由自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩部分。
2.3設(shè)計(jì)內(nèi)容
“機(jī)”指的是機(jī)械，機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程分為五部分：機(jī)械手的上升和下降、機(jī)械手的前伸和后縮、機(jī)械手的加緊和放松、機(jī)械手的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)、小車(chē)的前進(jìn)和后退。在這五部分中我們靠機(jī)械完成機(jī)械手的上升和下降動(dòng)作，本課題所做的機(jī)械手是采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的上升和下降。
滾珠螺旋傳動(dòng)是在絲杠、螺母滾道之間放入滾珠，使螺紋之間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。滾珠螺旋傳動(dòng)有以下特點(diǎn)：
（1）傳動(dòng)效率高：一般的滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率達(dá)85%-98%，是滑動(dòng)絲杠副的3-4倍。
（2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)：滾動(dòng)摩擦系數(shù)非常接近常數(shù)，啟動(dòng)工作摩擦力矩差別小。啟動(dòng)時(shí)無(wú)沖擊，低速時(shí)候無(wú)爬行。
（3）能源預(yù)緊：預(yù)緊后能消除間隙產(chǎn)生過(guò)盈，提高了接觸剛度和傳動(dòng)精度。同時(shí)增加的摩擦力矩相對(duì)較小。
（4）工作壽命長(zhǎng)：滾珠絲杠螺母副摩擦的表面是高硬度和精度的，具有較長(zhǎng)的工作壽命和精度保持性。
（5）定位精度、重復(fù)定位精度高：由于滾珠絲杠副摩擦小、無(wú)爬行、溫升小、無(wú)間隙，通過(guò)預(yù)緊、預(yù)拉伸的補(bǔ)償膨脹，可以達(dá)到較高的定位精度、重復(fù)定位精度。
（6）同步性好：同時(shí)用幾套相同的滾珠絲杠副，傳動(dòng)幾個(gè)相同的運(yùn)動(dòng)部件。能得到較好的同步運(yùn)動(dòng)。
（7）可靠性高：潤(rùn)滑密封裝置結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，維修較方便。
（8）不自鎖：用于垂直運(yùn)動(dòng)，要在系統(tǒng)中加自鎖或者制動(dòng)裝置。
（9）經(jīng)濟(jì)性差、成本高：由于結(jié)構(gòu)工藝比較復(fù)雜，故制造成本高
經(jīng)過(guò)計(jì)算，選擇為：電動(dòng)機(jī)型號(hào)：Y802-2，功率：1.1W，絲杠型號(hào)：Tr40×7。
機(jī)械手的機(jī)械機(jī)構(gòu)為它的執(zhí)行系統(tǒng)，是機(jī)械手進(jìn)行操作、抓持工件、進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件。機(jī)械部件包括手部，手臂的前后伸縮部分，手臂的上下升降部分腰轉(zhuǎn)部分以及機(jī)座以及行走機(jī)構(gòu)。
第3章 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1手部機(jī)構(gòu)
3.1.1 手部設(shè)計(jì)基本要求
（1）應(yīng)當(dāng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力、驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)考慮到在夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需驅(qū)動(dòng)力的大小是不同的。
（2）手指應(yīng)當(dāng)具有一定的張開(kāi)范圍，手指應(yīng)具有足夠的開(kāi)閉角度（手指張開(kāi)到閉合繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)的角度），以便抓取工件。
（3）要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能的使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以便利于減輕手臂的負(fù)載。
（4）應(yīng)當(dāng)保證手抓的夾持精度。
3.1.2 典型的手部結(jié)構(gòu)
（1）回轉(zhuǎn)型：滑槽杠桿式、連桿杠桿式。
（2）移動(dòng)型：兩手指相對(duì)支座作往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。
（3）平面平移型。
3.1.3機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）選擇手抓的類(lèi)型及夾緊裝置
本設(shè)計(jì)是機(jī)械手的設(shè)計(jì)，考慮所要達(dá)到的原始參數(shù)：手抓的張合角=，夾取的重量為10Kg。常用工業(yè)機(jī)械手的手部，按照握持工件的原理，可以分為夾持、吸附兩類(lèi)。吸附式用于抓取工件表面平整或者面積較大的板狀的物體，不適合用在本方案。本設(shè)計(jì)機(jī)械手應(yīng)當(dāng)采用夾持式手指,此機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可以分為回轉(zhuǎn)型和平移型，回轉(zhuǎn)型手指的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 適用于夾持平板方料, 而且工件徑向尺寸變化不會(huì)影響其軸心位置, 其理論夾持誤差為零。因此選擇回轉(zhuǎn)型。
通過(guò)考慮，本設(shè)計(jì)采用二指回轉(zhuǎn)型手抓和滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)。夾緊裝置可以選擇常開(kāi)式夾緊裝置，在彈簧的作用下機(jī)械手手抓閉和，壓力油作用下，彈簧壓縮，使機(jī)械手手指張開(kāi)。
（2）手抓的力學(xué)分析
下面對(duì)基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿（圖3.1）。
(a) (b)
圖3.1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析
1——手指 2——銷(xiāo)軸 3——杠桿
在杠桿3的作用下，銷(xiāo)軸2向上拉力為F，通過(guò)銷(xiāo)軸中心O點(diǎn)，手指1的滑槽對(duì)銷(xiāo)軸反作用力為F1和F2，力的方向于滑槽的中心線OO1和OO2垂直并指向O點(diǎn)，交F1和F2延長(zhǎng)線于A、B。
由 得
由 得
由得
式中 a——手指回轉(zhuǎn)支點(diǎn)與對(duì)稱(chēng)中心的距離（mm）.
——工件夾緊時(shí)手指滑槽方向和兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。
分析可得，驅(qū)動(dòng)力為一定時(shí)，角增大，則握力也增大，但角的過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程的過(guò)大，以及手部結(jié)構(gòu)的增大，因此最好是。
（3）夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
手指夾在工件上的夾緊力，是手部設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。必須對(duì)方向、大小、作用點(diǎn)進(jìn)行分析和計(jì)算。需克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷和工件運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便于工件保持可靠夾緊狀態(tài)。
手指對(duì)工件的夾緊力可以按照公式計(jì)算：
式中為安全系數(shù)，通常1.2~2.0；
為工作情況系數(shù)，主要受到慣性力的影響?？梢越瓢凑障率焦浪悖渲衋是重力方向的最大的上升加速度；
為運(yùn)載時(shí)工件的最大上升速度
t響為系統(tǒng)達(dá)到最高速度時(shí)間，一般選取0.030.5s
為方位系數(shù)，根據(jù)手指和工件位置不同進(jìn)行選擇。
G為被抓取工件所受重力（N）。
表3.1液壓缸的工作壓力
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
2.0~4.0
5000~10000
1.5~2.0
30000~50000
4.0~5.0
10000~20000
2.5~3.0
50000以上
5.0~8.0
計(jì)算：先設(shè)a=100mm,b=50mm,, 機(jī)械手達(dá)到最高的響應(yīng)時(shí)間為0.5s，求夾緊力、驅(qū)動(dòng)力以及驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸。
1）設(shè)
根據(jù)公式，將已知的條件帶入：
2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得：
3）取
4）確定液壓缸直徑D
選取活塞桿的直徑d=0.5D，選擇液壓缸的壓力油的工作壓力：
根據(jù)表4.1（JB826-66），選取液壓缸的內(nèi)徑為：
則活塞桿的內(nèi)徑為:
，選取
3.1.4機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算
機(jī)械手精度設(shè)計(jì)的要求：工件的定位準(zhǔn)確,抓取的精度高,重復(fù)定位的精度和運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性好,并且有足夠的抓取能。
機(jī)械手能否準(zhǔn)確地夾持工件，把工件送到指定的位置，不僅僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部、腕部等運(yùn)動(dòng)部件決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差的大小有關(guān)。特別是在多品種中、小批量的生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件的尺寸在一定的范圍內(nèi)變化，必須進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差的計(jì)算。
該設(shè)計(jì)用棒料來(lái)分析機(jī)械手夾持誤差的精度。機(jī)械手夾持的范圍為80mm180mm。
一般夾持額誤差不超過(guò)1mm，分析如下：
（1）工件平均半徑：
手指長(zhǎng),取V型夾角
（2） 偏轉(zhuǎn)角按最佳的偏轉(zhuǎn)角確定：
計(jì)算
當(dāng)時(shí)，帶入有：
滿足夾持誤差設(shè)計(jì)要求。
3.1.5彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
選擇彈簧壓縮條件，用圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計(jì)算過(guò)程如下。
（1）選擇用硅錳彈簧鋼，查取許用切應(yīng)力：
（2）選擇旋繞比為C=8，則
（3）根據(jù)安裝的空間選擇彈簧的中徑D=42mm，估算彈簧絲的直徑
（4）試算彈簧絲的直徑
（5）根據(jù)變形情況確定彈簧圈有效的圈數(shù)：
選擇標(biāo)準(zhǔn)為，彈簧的總?cè)?shù)為圈
（6）最后確定：，，，
（7）對(duì)于壓縮彈簧的穩(wěn)定性的驗(yàn)算
對(duì)于壓縮彈簧，如果長(zhǎng)度較大時(shí)，則受力之后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是絕對(duì)不允許的。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，壓縮彈簧的長(zhǎng)細(xì)比為，本設(shè)計(jì)中彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?
當(dāng)兩端都固定時(shí)，；當(dāng)其中一端固定，一端自由時(shí)，；當(dāng)兩端都自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，。結(jié)論中本設(shè)計(jì)額彈簧，因此彈簧的穩(wěn)定性合適。
（8）疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算。
對(duì)于在循環(huán)次數(shù)較多、在變應(yīng)力下工作中的彈簧，還應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)彈簧的疲勞強(qiáng)度以及靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。
現(xiàn)在因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是在恒定的載荷情況下，所以只需要進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。
計(jì)算公式：
選取1.31.7：
結(jié)論：經(jīng)過(guò)校核，彈簧能夠適應(yīng)。
3.2腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求
（1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕
腕部處于手臂最前端，它連同手部的靜載荷、動(dòng)載荷均由臂部來(lái)承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量以及動(dòng)力載荷，影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量以及運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此在腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。
（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局
腕部作為機(jī)械手執(zhí)行的機(jī)構(gòu)，又有承擔(dān)連接、支撐額作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求，還要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)該綜合考慮，合理額布局，解決好腕部、臂部和手部之間的連接。
（3）必須考慮工作條件
在本設(shè)計(jì)中，機(jī)械手工作條件是在工作的場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境的影響，沒(méi)有處在高溫、腐蝕性的工作介質(zhì)中，對(duì)機(jī)械手的腕部沒(méi)有太多不利的因素[13]。
3.2.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇
（1）典型的腕部結(jié)構(gòu)
1） 具有一個(gè)自由度回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等。
2） 齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)角大于270°時(shí)，可采用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)外形尺寸大，適用于懸掛式臂部。
3） 具有兩個(gè)自由度回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部有水平、垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度。
4）機(jī)-液結(jié)合腕部結(jié)構(gòu)。
（2）腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn)180°，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動(dòng)。
3.2.3腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù)
夾取工件的重量60Kg，回轉(zhuǎn)180°。
（2）縱向氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核：
由設(shè)計(jì)任務(wù)可得，要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載大小為100Kg，考慮到氣缸未加載時(shí)實(shí)際所能輸出的力，受氣缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前氣缸之間的摩擦力的影響，并考慮到機(jī)械爪的質(zhì)量。在研究氣缸的性能和確定氣缸的缸徑時(shí)，常用到負(fù)載率β：
由《液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)》表3.2：
表3.2 氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與負(fù)載率
阻性負(fù)載（靜負(fù)載）
慣性負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度v
運(yùn)動(dòng)的速度v=3m/min=50mm/s，取β=0.60，所以實(shí)際的液壓缸負(fù)載的大小為：F=F0/β=1633.3N
（3） 氣缸內(nèi)徑的確定
表3.3 氣缸內(nèi)徑確定公式
項(xiàng)目
計(jì)算公式
缸
徑
雙作用氣缸
推力
拉力
D=1.27=1.27 =66.26mm
F為氣缸的輸出拉力 N；
P 為氣缸的工作壓力Pa
按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，取D=80 mm
表3.4氣缸缸徑尺寸系列
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
（4）活塞桿直徑的確定
由d=0.3D 估取活塞桿的直徑 d=25 mm
表3.5 活塞桿直徑系列 （mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
（5）缸筒長(zhǎng)度的確定
缸筒的長(zhǎng)度S=L+B+30，L為活塞的行程，B為活塞額厚度：
活塞的厚度B=(0.61.0)D= 0.780=56mm，由于氣缸的行程L=800mm ,所以S=L+B+30=886 mm
導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度A:
一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度A，在D<80mm時(shí)，可取A=(0.61.0)D；在D>80mm時(shí), 可取A=(0.61.0)d。
所以A=25mm
最小導(dǎo)向的長(zhǎng)度H：
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)氣缸最大的行程為L(zhǎng)，缸筒的直徑為D，最小導(dǎo)向的長(zhǎng)度為：H
代入數(shù)據(jù) 即最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H + =80 mm
活塞桿的長(zhǎng)度l=L+B+A+80=800+56+25+40=961mm
（6）氣缸筒的壁厚的確定
由《液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)》可查得氣缸筒的壁厚能根據(jù)薄避筒計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：
式中：缸筒的壁厚（m），缸筒的內(nèi)徑（m），缸筒承受的最大工作壓力（MPa），缸筒材料許用應(yīng)力（MPa）。
實(shí)際缸筒壁厚的取值：對(duì)于一般用途氣缸約取計(jì)算值的7倍；重型氣缸約取計(jì)算值的20倍，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)管材尺碼。
參考《液壓與氣壓傳動(dòng)》缸筒壁厚強(qiáng)度計(jì)算及校核
,我們的缸體的材料選擇45鋼，=600 MPa， ==120 MPa
n為安全系數(shù) 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉強(qiáng)度(Pa)
P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當(dāng)工作壓力p≤16 MPa時(shí)，P=1.5p；當(dāng)工作壓力p＞16 MPa時(shí)，P=1.25p
由此可知工作壓力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.5×0.6=0.9 MPa=0.3mm
參照下表 氣缸筒的壁厚圓整取 = 7 mm
表3.6 氣缸筒的壁厚 （mm）
材 料
氣缸直徑
50
80
100
125
160
200
250
320
壁 厚
鑄鐵HT15~33
7
8
10
10
12
14
16
16
鋼A3.45
5
7
8
8
9
9
11
12
鋁合金
8~12
12~14
14~17
（7）氣缸進(jìn)排氣口直徑d0
v—空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，可取v=1015） 選取v = 12 m/s由公式d0 = 2代入數(shù)據(jù)得：d0 = 14.014 mm。
表3.7 氣缸進(jìn)排氣口直徑 （mm）
汽缸內(nèi)徑D
氣缸進(jìn)排氣口直徑d0
40
8
50
63
10
80
100
125
15
140
160
180
20
所以取氣缸排氣口直徑為15 mm
Q——工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（）
V——空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，可取v=1025）
（8）活塞桿的校核
由于所選活塞桿的長(zhǎng)度L10d，所以不但要校核強(qiáng)度校核，還要進(jìn)行穩(wěn)定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。
參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》 ，由《液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)》式中
FP0— 活塞桿承受的最大軸向壓力（N）；
FP0=1633N
FK — 縱向彎曲極限力（N）；
nK — 穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.54。綜合考慮選取2
K—活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，對(duì)于實(shí)心桿K=d/4
代入數(shù)據(jù) K =25/4=6.25mm
E— 材料彈性模量，鋼材 E = 2.1 1011 Pa ；
J— 活塞桿橫截面慣性矩（m4）；
d— 活塞桿的直徑（m）；
L— 氣缸的安裝長(zhǎng)度為活塞桿的長(zhǎng)度為961mm
代入數(shù)據(jù)得 FK =2.685 N
因?yàn)镕P0 = 1.34所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件；
強(qiáng)度校核：
由公式 d ≥n為安全系數(shù) 一般取 n=5；缸筒材料的抗拉強(qiáng)度(Pa)代入數(shù)據(jù)得
因?yàn)镕P0= 1.34所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件；
45鋼的抗拉強(qiáng)度=600 MPa
則4.16 mm ＜ d ，所以強(qiáng)度滿足要求；
綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強(qiáng)度滿足要求。
3.3橫向氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核
如按原方案橫向氣缸活塞桿需承受很大的徑向力，對(duì)活塞桿的強(qiáng)度要求很高，耗費(fèi)原材料，且壽命減短，極為不合理。故在縱向氣缸上端鉸接一工型導(dǎo)軌，以分擔(dān)橫向氣缸的徑向力，使整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)約合理。
這樣橫向氣缸的工作載荷主要是縱向氣缸和導(dǎo)軌的摩擦力，取摩擦系數(shù) = 0.17。
估算：縱向氣缸的重量=7.9=12.30 Kg
活塞桿的重量 = 7.9l=3.72 Kg
活塞及缸蓋重量=9 Kg
所以：橫行氣缸的總載荷為:F總=(12.3+3.72+9+100)= 208.3 N
F=347.17N
3.3.1 氣缸內(nèi)徑的確定
表3.8 氣缸內(nèi)徑的確定公式
項(xiàng)目
計(jì)算公式
缸
徑
雙作用氣缸
推力
拉力
D=30.55mm
F—?dú)飧椎妮敵隼?N；
P —?dú)飧椎墓ぷ鲏毫a
按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，取D=32 mm
表3.9 氣缸缸徑尺寸系列 （mm）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
3.3.2 活塞桿直徑的確定
由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=10mm
表3.10 活塞桿直徑系列 （mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
3.3.3缸筒長(zhǎng)度的確定
缸筒長(zhǎng)度L為活塞行程，B為活塞厚度。
活塞厚度B=(0.61.0)D= 0.732=23mm由于氣缸的行程L=800mm ,所以。
導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A:
一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A，在D<80mm時(shí)，可取A=(0.61.0)D；在D>80mm時(shí), 可取A=(0.61.0)d。所以A=20mm
最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H：
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)氣缸的最大行程為L(zhǎng)，缸筒直徑為D，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為：H代入數(shù)據(jù) 即最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H=56 mm
活塞桿的長(zhǎng)度l=L+B+A+40=800+23+20+60=903 mm
3.3.4氣缸筒的壁厚的確定
由《液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)》可查氣缸筒的壁厚可根據(jù)薄避筒計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：
式中：缸筒壁厚（m），缸筒內(nèi)徑（m），缸筒承受的最大工作壓力（MPa），缸筒材料的許用應(yīng)力（MPa）。
實(shí)際缸筒壁厚的取值：對(duì)于一般用途氣缸約取計(jì)算值的7倍；重型氣缸約取計(jì)算值的20倍，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)管材尺碼。
參考《液壓與氣壓傳動(dòng)》缸筒壁厚強(qiáng)度計(jì)算及校核，我們的缸體的材料選擇45鋼
n為安全系數(shù)一般取 n=5；缸筒材料的抗拉強(qiáng)度(Pa)。
P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當(dāng)工作壓力p≤16 MPa時(shí)，P=1.5p；當(dāng)工作壓力p＞16 MPa時(shí)，P=1.25p。由此可知工作壓力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.5×0.6=0.9 MPa
表3.11 氣缸筒的壁厚 （mm）
材 料
氣缸直徑
50
80
100
125
160
200
250
320
壁 厚
鑄鐵HT15~33
7
8
10
10
12
14
16
16
鋼A3.45
5
7
8
8
9
9
11
12
鋁合金
8~12
12~14
14~17
3.3.5氣缸耗氣量的計(jì)算
氣缸進(jìn)排氣口直徑d0
v—空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，可取v=10~15m/s 選取v = 12 m/s由公式d0 = 2，代入數(shù)據(jù)得d0 = 5.643 mm。
表3.12 氣缸進(jìn)排氣口直徑 （mm）
汽缸內(nèi)徑D
氣缸進(jìn)排氣口直徑d0
40
8
50
63
10
80
100
125
15
140
160
180
20
所以取氣缸排氣口直徑為8 mm
Q— —工作壓力下輸入氣缸的空氣流量
V——空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，可取v=10~25m/s
3.3.6活塞桿的校核
由于所選活塞桿的長(zhǎng)度L10d，所以不但要校核強(qiáng)度校核，還要進(jìn)行穩(wěn)定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》，由《液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)》：
L— 氣缸的安裝長(zhǎng)度為活塞桿的長(zhǎng)度為903mm，代入數(shù)據(jù)得 FK =3.11 N，n為安全系數(shù) 一般取 n=5；缸筒材料的抗拉強(qiáng)度(Pa)，45鋼的抗拉強(qiáng)度=600 MPa。
綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強(qiáng)度滿足要求。
3.3.7連接與密封
氣缸的連接與密封直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確的選用連接和密封裝置，對(duì)保證氣缸正常工作有著十分重要的意義。
缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，本氣缸四根采用拉桿式雙頭螺栓連接，由于工作壓力小于1MPa，不需要強(qiáng)度校核。根據(jù)許用靜載荷，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》表22-1-58，分別選用M10、M6的螺栓。
對(duì)于活塞與氣缸筒之間采用兩個(gè)Y型密封圈，其它摩擦副均使用O型密封圈密封。O型密封圈密封可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，摩擦阻力小。O型密封圈安裝后，比被密封表面的內(nèi)徑大。Y型密封圈密封可靠，使用壽命長(zhǎng)，摩擦阻力較O型圈大。
3.4臂部
臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并改變手部在空間的位置。機(jī)械手的臂部一般具有2~3個(gè)自由度，即伸縮、回旋、俯仰或升降；專(zhuān)用機(jī)械手的臂部一般具有1~2個(gè)自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)或直移。臂部總重量較大，受力一般較復(fù)雜，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的靜、動(dòng)載荷，尤其高速運(yùn)動(dòng)時(shí)， 將產(chǎn)生較大的慣性力（或慣性距），引起沖擊，影響定位的準(zhǔn)確性。臂部運(yùn)動(dòng)部分零部件的重量直接影響著臂部結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。專(zhuān)用機(jī)械手的臂部一般直接安裝在主機(jī)上；機(jī)械手的臂部一般與控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一起安裝在機(jī)身（即機(jī)座）上，機(jī)身可以是固定的，也可以是行走式的、即可沿地面或?qū)к壱苿?dòng)。
臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式、抓取重量、動(dòng)作自由度、運(yùn)動(dòng)精度等因素來(lái)確定。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到手臂的受力情況、油缸及倒向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素，它們分別是，剛度要大，倒向性要好，偏重力矩要小，運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高。
3.4.1 臂部結(jié)構(gòu)形式
機(jī)械手的臂部結(jié)構(gòu)一般包括臂部伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰或升降等運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)以及與其有關(guān)的結(jié)構(gòu)，如傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)向定位裝置、支撐連接件和位置檢測(cè)元件等。此外還有與腕部連接的有關(guān)構(gòu)件及配管、線等。下面介紹一些臂部結(jié)構(gòu)。
（1）圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的臂部結(jié)構(gòu)，其臂部具有回轉(zhuǎn)、升降、伸縮自由度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)齒條缸驅(qū)動(dòng)齒輪回轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)升降與伸縮分別由升降油缸和伸縮油缸驅(qū)動(dòng)。
（2）極坐標(biāo)機(jī)器人的臂部結(jié)構(gòu)，臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為齒輪齒條缸結(jié)構(gòu)，臂俯仰、臂伸縮均采用直線運(yùn)動(dòng)油缸。
（3）多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的臂部結(jié)構(gòu)，這種類(lèi)型的機(jī)械手多用于噴漆，故也稱(chēng)為噴漆機(jī)器人。其臂部有回轉(zhuǎn)、俯仰和前后移動(dòng)三個(gè)運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為齒輪齒條缸結(jié)構(gòu)，俯仰和前后運(yùn)動(dòng)均采用鉸鏈油缸驅(qū)動(dòng)。
（4）臂部伸縮運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，用鋼管做成伸縮臂，由活塞桿帶動(dòng)齒輪沿固定齒條滾動(dòng)而產(chǎn)生伸縮運(yùn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是傳動(dòng)效率高，易于實(shí)現(xiàn)較大行程和速度，它的行程和速度的大小與齒輪的直徑大小有關(guān)。
（5）臂部俯仰運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，一般采用鉸接油（氣）缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。鉸接油（氣）缸位于手臂下方，活塞桿與手臂之間用鉸鏈連接，缸體與立柱之間用耳叉銷(xiāo)軸等方式連接。
（6）臂部回轉(zhuǎn)及升降運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，可采用齒條缸與升降缸實(shí)現(xiàn)臂回轉(zhuǎn)和升降，臂回轉(zhuǎn)還可用回轉(zhuǎn)缸與行星齒輪傳動(dòng)，鏈條鏈輪傳動(dòng)。
（7）臂部復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是將一個(gè)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)分解為1~3個(gè)運(yùn)動(dòng)，并能依合成運(yùn)動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。在一些專(zhuān)用機(jī)械手中常采用行星齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)及連桿機(jī)構(gòu)等來(lái)實(shí)現(xiàn)臂部的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。
3.4.2 臂部運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向裝置
臂部的導(dǎo)向裝置，機(jī)械手的手臂伸縮及升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上常設(shè)置導(dǎo)向裝置，其目的是：一、防止移動(dòng)部件在伸縮及升降時(shí)產(chǎn)生不必要的轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手臂運(yùn)動(dòng)方位的準(zhǔn)確性。二、增大移動(dòng)部件的剛性，減少移動(dòng)部件由于自重與抓取重量所引起的變形和位移。三、承受移動(dòng)部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。
導(dǎo)向裝置一般根據(jù)臂部的安裝形式、具體的結(jié)構(gòu)及抓取重量等因素來(lái)確定，就導(dǎo)向裝置而言，其導(dǎo)向精度、剛度和耐磨性對(duì)機(jī)械手的精度和其它工作性能影響很大，在設(shè)計(jì)時(shí)必須充分注意。這里僅就幾種特殊形式作一簡(jiǎn)單介紹：
（1）單導(dǎo)向桿式
單導(dǎo)向桿一般配置在驅(qū)動(dòng)油（氣）缸體的一側(cè)或活塞桿內(nèi)。放在活塞桿內(nèi)時(shí)，雖然結(jié)構(gòu)緊湊，但是工藝性比較差。單導(dǎo)向桿導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、摩擦力小，但是承載能力較低，剛性差，而且導(dǎo)向桿內(nèi)走管通道少。一般用于較小型的機(jī)器人。
單導(dǎo)向桿一般采用實(shí)心圓桿、方桿、空心圓桿、花鍵軸等。方桿比圓桿剛性好，但加工比較困難。
（2）雙導(dǎo)向桿式
雙到向桿一般對(duì)稱(chēng)配置在驅(qū)動(dòng)油（氣）缸兩側(cè)。這種形式受力情況好、剛性大，可承受重載，導(dǎo)向桿內(nèi)部走管道多，便于油路配置。但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，不利于回轉(zhuǎn)定位。雙導(dǎo)向桿一般采用圓桿，以便內(nèi)部通走管。
（3）導(dǎo)軌式
導(dǎo)軌式的形式較多，其共同特點(diǎn)是剛性好，工作平穩(wěn)、導(dǎo)向性能好，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。適用于負(fù)載較重、速度較低的機(jī)器人或?qū)Ｓ脵C(jī)械手。
（4）滾珠花鍵式
焊接結(jié)構(gòu)的軸套前端固接一個(gè)循環(huán)滾珠套，套內(nèi)裝有若干鋼珠，并設(shè)有保持架。滾珠花鍵軸的圓弧性花鍵槽與其中一部分鋼珠配合，軸套的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)循環(huán)滾珠套及鋼珠傳給花鍵軸，花鍵軸在隨手臂移動(dòng)時(shí)便帶動(dòng)鋼珠滾動(dòng)并自行循環(huán)，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦代替普通花鍵軸的滑動(dòng)摩擦。這種結(jié)構(gòu)摩擦阻力小，定向精度高，移動(dòng)速度快，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本高。
本課題中要求臂部具有3個(gè)自由度、即升降、回轉(zhuǎn)、伸縮運(yùn)動(dòng)。臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式、抓取重量、動(dòng)作自由度、運(yùn)動(dòng)精度等因素來(lái)確定。為了防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形，手臂要有足夠的剛度，導(dǎo)向性要好，偏重力矩要小，運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，定位精度要高，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)一對(duì)內(nèi)齒輪實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伸縮運(yùn)動(dòng)用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由斜齒輪帶動(dòng)螺桿、螺母作相對(duì)的移動(dòng)，使手臂能靈活地伸縮。升降運(yùn)動(dòng)用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)絲杠與滾珠的回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)外殼體在機(jī)座外側(cè)表面作相對(duì)滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的升降。
在手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，手臂的重量通過(guò)大齒輪由交叉軸承。該軸承是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的止推軸承特制設(shè)計(jì)的，8320型屬此種。8320的額定運(yùn)載荷是21700ckN，額定靜載荷是57200ckN，完全可以滿足許用條件要求。該軸承的內(nèi)、外圈都可有螺孔以聯(lián)接用，并且在淬火之前銑一外圈的鍵槽和大齒輪進(jìn)行周向固定。
特制的交叉滾珠軸承結(jié)構(gòu)尺寸如下： d=140.0mm
D=278.0mm
B=54.0mm
潤(rùn)滑方式：脂潤(rùn)滑。
機(jī)座：是機(jī)械手用來(lái)手臂部件，并安裝驅(qū)動(dòng)裝置與其它裝置的部件，故穩(wěn)定性要好，且滿足足夠的剛度，機(jī)座為φ700的尺寸，足夠滿足運(yùn)動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)。
總體結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)附圖
3.5機(jī)械手機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算
機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)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(yùn)動(dòng)。
按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂1800的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮，分析。
機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械手的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種：
（1）回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)路線長(zhǎng)，花鍵軸的變形對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響較大。
（2）回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大。
（3）活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)齒條齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動(dòng)。
分析：
經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)機(jī)身包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)身的回轉(zhuǎn)和升降。如上圖所示，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸體連接，由缸體帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的。活塞桿采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向?；ㄦI軸與與升降缸的下端蓋用鍵來(lái)固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過(guò)花鍵軸固定了活塞桿。這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)缸通過(guò)兩個(gè)油孔，一個(gè)進(jìn)油孔，一個(gè)排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊來(lái)決定，對(duì)于本設(shè)計(jì)就是考慮兩個(gè)葉片之間可以轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中動(dòng)片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)1800。
圖3.2 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖
3.5.1 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算
手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩，應(yīng)該與手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡。
慣性力矩的計(jì)算：
式中 ——回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片角速度變化量（），在起動(dòng)過(guò)程中；為起動(dòng)過(guò)程的時(shí)間(s);J0——手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）。
若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為，則
式中 ——回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個(gè)長(zhǎng)1800mm，直徑為60mm的圓柱體，質(zhì)量為159.2Kg.設(shè)置起動(dòng)角度，則起動(dòng)角速度，起動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為0.1s。
密封處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，故在這里忽略不計(jì)。
經(jīng)過(guò)以上的計(jì)算
(2)回轉(zhuǎn)缸尺寸的初步確定
設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)缸的靜片和動(dòng)片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強(qiáng)為8Mpa。d為輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑，設(shè)d=50mm,則回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)徑通過(guò)下列計(jì)算：
D=151mm
既設(shè)計(jì)液壓缸的內(nèi)徑為150mm,根據(jù)表4.2選擇液壓缸的基本外徑尺寸180mm(不是最終尺寸)，再經(jīng)過(guò)配合等條件的考慮。
（3）液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算
根據(jù)表4.3所示，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)缸的工作壓力為8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,根據(jù)初步估算， ，，所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目為（一個(gè)面6個(gè)，兩個(gè)面是12個(gè)）。危險(xiǎn)截面
所以，
所以
螺釘材料選擇Q235，則（）
螺釘?shù)闹睆?
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=20mm.選擇M20的開(kāi)槽盤(pán)頭螺釘。
經(jīng)過(guò)以上的計(jì)算，需要螺釘來(lái)連接，最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖5.2所示，內(nèi)徑為150mm，外徑為230mm，輸出軸徑為50mm。
圖3.3回轉(zhuǎn)缸的截面圖
（4）動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘
動(dòng)片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)如圖6.2。連接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱(chēng)安裝，并用兩個(gè)定位銷(xiāo)定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘?dòng)片和輸出軸之間的配合緊密。
于是得
式中FQ——每個(gè)螺釘預(yù)緊力；
D——?jiǎng)悠耐鈴剑?
f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對(duì)銅取f=0.15
螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為
或
帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得
螺釘材料選擇Q235，則 (n=1.2~1.5)
螺釘?shù)闹睆?
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm.選擇M14的開(kāi)槽盤(pán)頭螺釘。
3.5.2 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算
(1)手臂偏重力矩的計(jì)算
圖3.4 手臂各部件重心位置圖
1） 零件重量、、、
現(xiàn)在對(duì)機(jī)械手手臂做粗略估算：和總共=33Kg
2）計(jì)算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離。
所以，回轉(zhuǎn)半徑
3）計(jì)算偏重力矩
（2）升降不自鎖條件分析計(jì)算
手臂在的作用下有向下的趨勢(shì)，而里柱導(dǎo)套有防止這種趨勢(shì)。
由力的平衡條件有
即
所謂的不自鎖條件為：
即
取則
當(dāng)=1650mm時(shí)，0.32=528mm
因此在設(shè)計(jì)中必須考慮到立柱導(dǎo)套必須大于528mm
（3）手臂做升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
式中摩擦阻力，參考圖5.3
取f=0.16
G——零件及工件所受的總重。
1）的計(jì)算
設(shè)定速度為;起動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間差;近似估算為286.1Kg;將數(shù)據(jù)帶入上面公式有：
2）的計(jì)算
3）液壓缸在這里選擇O型密封，所以密封摩擦力可以通過(guò)近似估算
最后通過(guò)以上計(jì)算
當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)=6756N
當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)=6756-=6184N
3.5.3 軸承的選擇分析
對(duì)于升降缸的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于機(jī)身回轉(zhuǎn)用的軸承有影響，因此，這里要充分考慮這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于本設(shè)計(jì)，采用一支點(diǎn)，雙固定，另一支點(diǎn)游動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu)。作為固定支撐的軸承，應(yīng)能承受雙向軸向載荷，故內(nèi)外圈在軸向全要固定。其結(jié)構(gòu)參看本章開(kāi)始的——機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖。
本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)角接觸球軸承，面對(duì)面或者背對(duì)背的組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以承受雙向軸向載荷。
3.6 驅(qū)動(dòng)方式
該機(jī)器人一共具有四個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，連同末端機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，一共需要五個(gè)動(dòng)力源。
機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)