1 緒 論1.1機(jī)械手的簡(jiǎn)介機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手越來(lái)越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀目前，在國(guó)內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，但無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面還都是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，有便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。此外，國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能，目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過(guò)安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過(guò)裝在手指內(nèi)的敏感元件來(lái)控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊S著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高?？偟膩?lái)說(shuō)，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對(duì)具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價(jià)比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場(chǎng)化、模塊化的元件。1.3 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)(1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的6.5萬(wàn)美元。(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來(lái)操縱機(jī)器人。(6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。1.4 機(jī)械手的組成機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。1）手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。2）手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))3）手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。4）立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立I因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。5）行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式布為有軌的和無(wú)軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。6）機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。(2)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、 氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(3)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(4)位置檢測(cè)裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置. 機(jī)械手的類型工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下：（1）直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖a1-3-1.。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（m級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。（2）圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖1-3-1.b。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間（3）球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖1-1,這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。（4） 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖1-3-1.d。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。圖1-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式1.5課題主要研究?jī)?nèi)容本文研究了國(guó)內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了液壓機(jī)械臂的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)液壓機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的力學(xué)模型分析，完成了機(jī)械 械方面的設(shè)計(jì)工作（包括執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分）的設(shè)計(jì)工作。進(jìn)而運(yùn)用CAD,Pro-E等軟件對(duì)機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)及升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析制圖。掌握制圖軟件的基本技巧。1.6小結(jié)本章簡(jiǎn)要的介紹了機(jī)械手的基本概念。在機(jī)械手的組成上，系統(tǒng)從執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)方面說(shuō)明。比較細(xì)致的介紹了機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，簡(jiǎn)要的敘述了本文研究的內(nèi)容。2 結(jié)構(gòu)功能分析及設(shè)計(jì)方案2.1機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)分析 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有四種：直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下： 1）直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由求機(jī)械手的尺寸足夠大。直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長(zhǎng)方體，主要用于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運(yùn)動(dòng)位置精度高，但此種類型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)較小，如要達(dá)到較大運(yùn)動(dòng)空間，則要于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)。直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 2）圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度相對(duì)較高，常用于搬運(yùn)作業(yè)。 3）球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高，主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。 4）關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。相對(duì)機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大，動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手又分為水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案四自由液壓機(jī)械手，確定其自由度為4。根據(jù)實(shí)際操作的需要，該機(jī)械手在工作中總體結(jié)構(gòu)需要4種運(yùn)動(dòng),本次設(shè)計(jì)機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、伸縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。圖2-1 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖2.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 常用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其特點(diǎn) 工業(yè)常用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。根據(jù)需要也可將這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下： 1）液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 具有動(dòng)力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)、精度高等特點(diǎn)。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)械手。 2）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)械手中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械手中。 3）電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特點(diǎn)。這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，但大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個(gè)因素，機(jī)械手整體運(yùn)動(dòng)需要一定的定位控制精度，因此采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于手臂采用液壓缸，故整體采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。2.3小結(jié)本章簡(jiǎn)要的介紹了機(jī)械手系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)方面。至于控制系統(tǒng)和檢測(cè)裝置本文不作研究。3 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)方案3.1 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表（1）、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):1、抓重：2、自由度數(shù)：4個(gè)自由度3、座標(biāo)型式：圓柱座標(biāo)4、手臂最小中心高：5、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：伸縮行程伸縮速度升降行程升降速度 6、定位精度： 7、驅(qū)動(dòng)方式：液壓傳動(dòng)（低壓系統(tǒng)）3.2 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到搬運(yùn)工件的重量一般，考慮加工工件的質(zhì)量達(dá)10KG，屬于輕型重量，同時(shí)考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，對(duì)手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動(dòng)均選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)液壓缸的直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，不用再設(shè)計(jì)另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。因?yàn)橐簤合到y(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此在驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比較容易實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。3.3導(dǎo)向裝置液壓壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來(lái)確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量。導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)控制和具體工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過(guò)增大液壓缸的缸徑來(lái)增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，伸縮臂增設(shè)了單導(dǎo)向桿，與活塞桿一起構(gòu)成平行，盡量增加其剛度；升降臂增設(shè)了四導(dǎo)向桿，成正四邊形布置。通過(guò)增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問(wèn)題。4 手臂伸縮與升降液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 手臂伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手臂伸縮液壓缸的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算伸縮液壓缸活塞驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式為： (1)式中 手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，為運(yùn)動(dòng)件表面間的摩擦阻力。密封裝置處的摩擦阻力。液壓缸回油腔低壓油液所造成的摩擦阻力。啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，活塞桿所受平均慣性力。（1）的計(jì)算經(jīng)計(jì)算 (2)式中 參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重量。手臂參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐前端的距離導(dǎo)向支撐的長(zhǎng)度當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面形狀有關(guān)。對(duì)于圓柱面： (3)摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無(wú)潤(rùn)滑時(shí)：鋼對(duì)青銅：取鋼對(duì)鑄鐵：取計(jì)算：導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵，設(shè)，,導(dǎo)向支撐，帶入數(shù)據(jù)得：（2）的計(jì)算經(jīng)計(jì)算 式中 由靜止加速到常速的變化量。啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間，一般取。手臂啟動(dòng)速度，啟動(dòng)時(shí)間，帶入數(shù)據(jù)得：（3）的計(jì)算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于時(shí)，液壓缸密封處的總的摩擦阻力為： （4）的計(jì)算一般背壓阻力較小，為了計(jì)算方便，將其省略。經(jīng)過(guò)以上分析計(jì)算，液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為：所以手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力 尺寸設(shè)計(jì) 根據(jù)表4-2 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列（JB826-66），手臂伸縮液壓缸采用內(nèi)徑=80mm,半徑R=40mm的液壓缸。壁厚10mm，行程600mm，活塞直徑d=40mm。 尺寸校核經(jīng)過(guò)上面計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力，因此選擇液壓缸的工作壓力。圖5-1雙作用液壓缸示意圖當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔： 當(dāng)油進(jìn)入油桿腔： 式中 手臂伸縮液壓缸驅(qū)動(dòng)力液壓缸內(nèi)徑活塞桿直徑液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取液壓缸的工作壓力帶入數(shù)據(jù)得： 所以手臂伸縮液壓缸主要參數(shù)為表4-1所示：表4-1 手臂伸縮液壓缸主要參數(shù)表液壓缸內(nèi)徑D工作壓力P活塞桿直徑d驅(qū)動(dòng)力F80mm1MPa40mm3580N4.2 手臂升降液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手臂升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算圖5-1 手臂各部件重心位置圖設(shè) 所以 設(shè) 所以偏轉(zhuǎn)力矩 式中 重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離(mm)手臂在的作用下有向下的趨勢(shì)，而立柱導(dǎo)套則防止這種趨勢(shì)。由力平衡條件得：式中 摩擦系數(shù)立柱導(dǎo)套的長(zhǎng)度由手臂升降驅(qū)動(dòng)力的公式得：（1）的計(jì)算 取 又因?yàn)樗?（2）的計(jì)算經(jīng)計(jì)算 式中 由靜止加速到常速的變化量。啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間，一般取。手臂啟動(dòng)速度，啟動(dòng)時(shí)間，升降臂上的總重力G=500N,帶入數(shù)據(jù)得：（3）的計(jì)算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于時(shí)，液壓缸密封處的總的摩擦阻力為： （4）的計(jì)算一般背壓阻力較小，為了計(jì)算方便，將其省略。經(jīng)過(guò)以上分析計(jì)算，液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為：所以 當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動(dòng)時(shí) 當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動(dòng)時(shí) 尺寸校核 經(jīng)過(guò)上面計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力，因此選擇液壓缸的工作壓力，為了滿足要求，此時(shí)取進(jìn)行計(jì)算。（1）液壓缸內(nèi)徑計(jì)算：當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔： 當(dāng)油進(jìn)入油桿腔： 液壓缸的有效面積： 所以 （無(wú)桿腔） (有桿腔)式中 手臂升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力液壓缸內(nèi)徑活塞桿直徑液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取液壓缸的工作壓力帶入數(shù)據(jù)得： (d=0.5D)根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列（JB826-66），選取液壓缸的內(nèi)徑為：根據(jù)活塞桿直徑系列（JB826-66）選取活塞桿直徑，壁厚15mm。 所以所以手臂升降液壓缸主要參數(shù)為表4-2所示：表4-2 手臂升降液壓缸主要參數(shù)表工作壓力P液壓缸內(nèi)徑D活塞桿直徑d驅(qū)動(dòng)力F1MPa90mm45mm4531N4.3 手腕的驅(qū)動(dòng)計(jì)算手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。 1.工件2.手部3.手腕圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài)腕部在回轉(zhuǎn)時(shí)一般需要克服以下三種阻力：1） 腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩 為簡(jiǎn)化計(jì)算，一般取2）克服由于工件重心偏置所需的力矩式中 夾持工件重量。工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離。3）克服啟動(dòng)慣性所需的力矩啟動(dòng)過(guò)程近似等加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度及啟動(dòng)所需時(shí)間，按下式計(jì)算： (4)或者根據(jù)腕部角速度及啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)過(guò)的角度計(jì)算：式中 工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。手腕回轉(zhuǎn)過(guò)程的角速度啟動(dòng)過(guò)程中所需時(shí)間，一般取。啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度。手腕回轉(zhuǎn)所需的總的阻力矩相當(dāng)于上述三項(xiàng)之和，即： (5)設(shè)抓取一根軸，其直徑，長(zhǎng)度，當(dāng)手抓夾持在工件中間位置回轉(zhuǎn)，將手抓、手抓驅(qū)動(dòng)液壓缸和回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，長(zhǎng)，半徑為，其所受重力為，液壓缸運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間=0.5s。圓柱體重力設(shè)偏心距等于5mm，所以。 由于 又因?yàn)?所以 即 回轉(zhuǎn)液壓缸的尺寸計(jì)算及校核表4-3 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列（JB826-66）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250 設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)上表設(shè)缸體內(nèi)孔半徑，外徑選擇,動(dòng)片寬度,輸出軸半徑。 由于實(shí)際回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力矩，即：式中 手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的總的阻力矩（）回轉(zhuǎn)液壓缸工作壓力（）缸體內(nèi)孔半徑（）輸出軸半徑（）動(dòng)片寬度（）所以 所以腕部回轉(zhuǎn)液壓缸主要參數(shù)為表4-4所示：表4-4腕部回轉(zhuǎn)液壓缸主要參數(shù)表工作壓力P缸體內(nèi)徑D輸出軸半徑r回轉(zhuǎn)力矩M動(dòng)片寬度b2MPa50mm5mm21N·m35mm4.4手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 尺寸設(shè)計(jì)液壓缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為,液壓缸內(nèi)徑為,半徑R=60mm,軸徑半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間0.5s,壓強(qiáng), 則力矩： 尺寸校核測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （）考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù),總驅(qū)動(dòng)力矩 設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。結(jié)論1.本設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)書設(shè)計(jì)的具有4個(gè)自由度的液壓圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手，適用于夾取10kg棒料物體。該機(jī)械手具有手爪夾取，手腕回轉(zhuǎn)200°，手臂伸縮和手臂升降等4個(gè)動(dòng)作。每個(gè)動(dòng)作都有相應(yīng)的獨(dú)立液壓缸驅(qū)動(dòng)，各個(gè)機(jī)構(gòu)根據(jù)緊湊原則，合理安排。2.歷時(shí)近三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成，在這這段時(shí)間里，我運(yùn)用大學(xué)三年的專業(yè)知識(shí)比較成功的完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中通過(guò)方案論證，理論設(shè)計(jì)計(jì)算，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，工程圖的繪制，設(shè)計(jì)說(shuō)明書的撰寫等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，已經(jīng)使個(gè)人理論水平和實(shí)際動(dòng)手能力有了一次飛躍，鍛煉了個(gè)人在設(shè)計(jì)、分析，動(dòng)手實(shí)踐等方面的能力，同時(shí)使所學(xué)專業(yè)知識(shí)得到一次全面的鞏固和加強(qiáng)。3.隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，長(zhǎng)三角地區(qū)，開始由以前的勞動(dòng)密集型向機(jī)械化，智能化轉(zhuǎn)變。由于近年用工荒的日漸嚴(yán)重，機(jī)械手在工廠中的運(yùn)用越來(lái)越突出，并且發(fā)揮著重要的作用。所以，我覺得機(jī)械手在未來(lái)制造業(yè)領(lǐng)域會(huì)得到越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。致謝 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成，我得到了很多老師、同學(xué)的關(guān)心、幫助和支持，在此本人首先向他們表示感謝。在畢業(yè)設(shè)過(guò)程中，我的指導(dǎo)老師楊洪老師給予很多專業(yè)方面的幫助。在設(shè)計(jì)前期的準(zhǔn)備時(shí)，楊老師就非常關(guān)注我的選題，指明選題方向，幫助分析題目的可行性和實(shí)際中可能出現(xiàn)的問(wèn)題以及需要注意的事項(xiàng)；在進(jìn)行方案選擇時(shí)，為我指出所需要重點(diǎn)掌握的知識(shí)范圍，并幫助我分析相應(yīng)知識(shí)難點(diǎn)的原理，使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能順利進(jìn)行。同時(shí)，我也要感謝大學(xué)三年所有教過(guò)和沒有教過(guò)但給我很多幫助的老師，是他們的教導(dǎo)讓我能在這里學(xué)到很多的專業(yè)知識(shí)，給我以后工作和學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，是他們的諄諄教誨使我明白了更多為人處事的道理，給我今后的人生足跡烙下更深的印跡，在此我衷心地感謝所有幫助過(guò)我的老師。此外，非常感謝許多其他同學(xué)，他們很多想法和建議對(duì)我啟發(fā)很大。由于時(shí)間和個(gè)人知識(shí)及能力水平有限，論文中難免會(huì)有一些紕漏或錯(cuò)誤之處，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。參考文獻(xiàn)1張福學(xué)編機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用M. 北京：電子工業(yè)出版社，20002工業(yè)機(jī)械手圖冊(cè)編寫組.工業(yè)機(jī)械手圖冊(cè)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1978 3朱世福，王宣銀.機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用M. 杭州：浙江大學(xué)出版社，20054蔡自興.機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展戰(zhàn)略J.機(jī)器人技術(shù)，2001, 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