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黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 32 頁 1 緒論 1.1課題研究的目的和意義 機器人是人類很早就夢想制造的、具有仿生性且處處聽命于人的自動化機器，它可以幫助人類完成很多危險、繁重、重復的體力勞動。機器人技術是現(xiàn)代科學技術高度集成和交融的產物，它涉及機械、控制、電子、傳感器、計算機、人工智能、知識庫系統(tǒng)以及認識科學等眾多學科領域，是當代最具有代表性的機電一體化技術之一。人類文明的發(fā)展、科技的進步已和機器人的研究、應用產生了密不可分的關系。為了適應社會的需求，各院校都比較重視機器人技術和控制技術等課程在機械設計及其自動化專業(yè)的開設，使培養(yǎng)的學生懂得機器人設計方面的技術。經(jīng)過40多年的發(fā)展，現(xiàn)代機器人技術在工業(yè)、農業(yè)、國防、航空航天、商業(yè)、旅游、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公自動化及生活服務等眾多領域獲得了越來越普遍的應用。機器人技術不斷進步與創(chuàng)新，所到之處使整個制造業(yè)乃至整個社會都發(fā)生了和正在發(fā)生著翻天覆地的變化。機器人是最具代表性的現(xiàn)代多種高新技術的綜合體，它可以從某個角度折射出一個國家的科學水平和綜合國力。由于社會的需求，造就了一批從事設計、開發(fā)和使用機器人的高級人才。而設計和開發(fā)的基礎，是對機器人機械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等的理解和掌握，才能較好的使用其中的資源來進行設計。故此本文介紹了機器人設計的基本理論，討論了機器人本體基本結構的相關內容，描述了機器人控制器和傳感器等的基本原理，然后再介紹機器人軌跡規(guī)劃和靜力分析方面的知識，使學生既懂得怎樣設計一個機器人，同時能熟練地運用此設計理論。 機器人技術是現(xiàn)代科學技術高度集成和交融的產物，計算機技術的不斷肩部和發(fā)展使機器人技術的發(fā)展一次次達到一個新的水平。機器人涉及機械、控制、電子、傳感器、計算機、知識庫系統(tǒng)以及認識科學等諸多學科領域，成為高科技中極為重要的組成部分。人類文明的發(fā)展、科技的進步已和機器人的研究、應用產生了不可分的關系。機器人技術是當代最具代表性的機電一體化技術之一。機器人已廣泛地應用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個領域。機器人在現(xiàn)代工業(yè)中應用得特別廣泛，而其與外界環(huán)境直接接觸的部分是機械手，它可以代替人手，與外界環(huán)境中有毒以及有害的物質直接接觸以減少對人的危害，它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點。人類社會的發(fā)展已離不開機器人技術，而機器人技術的進步又對推動科技發(fā)展起著不可代替的作用。因此，設計機械手有特別重要的意義。 1.2國內外研究狀況 目前，對全球機器人技術發(fā)展最有影響的國家應該是美國和日本。美國在機器人技術的綜合研究水平上仍處于領先地位，而日本生產的機器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。機器人技術的發(fā)展推動了機器人學的建立，許多國家成立了機器人協(xié)會，美國、日本、英國、瑞典等國家設立了機器人學學位。 20世紀70年代以來，許多大學開設了機器人課程，開展了機器人學的研究工作，如美國的MIT、RPI、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue、Univ of California等大學都是研究機器人學富有成果的著名學府。隨著機器人學的發(fā)展，相關的國際學術交流活動也日漸增多，目前最有影響的國際會議是IEEE每年舉行的機器人學及自動化國際會議，此外還有國際工業(yè)機器人會議(ISIR)和國際工業(yè)機器人技術會議(CIRT)等。出版的相關期刊有“Robot Today”、“Robotics Research”、“Robotics and Automation”等多種。 我國的機器人技術起步較晚，約于20世紀70年代末、80年代初開始。20世紀90年代中期，6000以下深水作業(yè)機器人試驗成功，以后的近10年中，在步行機器人、精密裝配機器人、多自由度關節(jié)機器人的研制等國際前沿領域逐步縮小了與世界先進水平的差距。 1.3機械手的特點 機械手最顯著的特點有以下幾個: （1） 可編程 生產自動化的進一步發(fā)展是柔性自動化。機械手可隨其工作 環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)中的一個重要組成部分。 （2） 擬人化 能模仿人手和手臂的某些動作功能，用來按固定程序抓取、 搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全 （3） 通用性 除了專門設計的專用機械手外，一般機械手在執(zhí)行不同的作 業(yè)任務時具有較好的通用性。比如，更換機械手部末端操作器(手爪、工具等)便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務。 1.4機械手的組成 作為一個系統(tǒng)，一般來說，機械手由三部分、六個子系統(tǒng)組成。這三部分是機械部分、傳感部分、控制部分；六個子系統(tǒng)是驅動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、機械手-環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。 （1） 驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)主要指驅動機械系統(tǒng)的驅動裝置。根據(jù)驅動源的不同，驅動系統(tǒng)可分為電動、液壓、氣動以及把它們結合起來應用的綜合系統(tǒng)。 （2） 機械系統(tǒng) 機械系統(tǒng)又稱操作機或執(zhí)行機構系統(tǒng)，它由一系列連桿、關節(jié)或其他形式的 運動副所組成。機械系統(tǒng)通常包括臂關節(jié)、腕關節(jié)和手爪等，構成一個多自由度 的機械系統(tǒng)。 （3） 感知系統(tǒng) 感知系統(tǒng)由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，獲取內部和外部環(huán)境狀態(tài)中有用的信息。 （4） 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的任務是根據(jù)機械手的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機械手的執(zhí)行機構完成規(guī)定的引動和功能。 （5） 機械手-環(huán)境交互系統(tǒng) 工業(yè)機械手-環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)機械手與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調的系統(tǒng)。 （6） 人機交互系統(tǒng) 人機交互系統(tǒng)是使操作人員參與機械手控制并與機械手進行聯(lián)系的裝置，一般來說，人機交互系統(tǒng)可分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。 2 總體方案設計 設計機械手的第一步是進行總體方案設計，即在充分調查研究的基礎上，進行可行性分析論證，確定夾持機械手的使用范圍、夾持方法、初選各部件的結構和總體布局等。這是整臺機器技術設計的依據(jù)。因此，在擬定總體方案時，必須全面地考慮，使確定的方案既先進有經(jīng)濟效益高。 2.1機械手動作規(guī)劃 本設計要求機械手能實現(xiàn)對5kg以內物品的夾持，同時實現(xiàn)翻轉，抬起運動。為了滿足設計要求，首先要考慮所要設計的機械手的自由度。在三維空間描述一個物體的位置和位姿需要6個自由度。機械手的自由度是根據(jù)用途而設計的，可能小于也可能大于6個自由度。本次設計的機械手具有兩個自由度，即機械手的翻轉、抬起運動，不包括手爪（末端執(zhí)行器）的開合自由度。如圖2.1所示： 圖2.1 機械手動作規(guī)劃示意圖 2.2傳動方案的確定 傳動方案反映運動和動力傳遞路線和各部件的組成和聯(lián)接關系。合理的傳動方案首先要滿足機器的功能要求，例如傳動功率的大小，轉速和運動形式。此外還要適應工作條件（工作環(huán)境、場地、工作制度等），滿足工作可靠、結構簡單、尺寸緊湊、傳動效率高、使用維護便利、工藝性和經(jīng)濟性合理等要求。同時滿足這些要求是比較困難的，因此要通過分析比較多種方案，來選擇能保證重點要求的較好的傳動方案。 2.2.1 手部方案的確定 手部最重要的部分是機械夾持器，首先它應具有夾持和松緊的功能。夾持器夾持工件是，應有一定的力約束和形狀約束，以保證被夾持工件在移動、停留和裝入過程中，不改變姿態(tài)。當需要松開工件時，應完全松開，另外它還應保證工件夾持姿態(tài)在現(xiàn)幾何偏差在給定的公差帶內。機械夾持器可分為圓弧開合型、圓弧平行開合型和直線平行開合型。本次設計選用圓弧開合型，這種類型在傳動機構帶動下，手指指端的運動軌跡為圓弧，兩手指繞支點做圓弧運動，同時在對工件進行加緊和定心。這類夾持器對工件被夾持部位的尺寸有嚴格要求，否則可能會造成工件狀態(tài)失常。其結構如圖2.2所示。 圖2.2 手爪示意圖 2.2.2 手臂回轉方案的確定 手臂回轉機構有回轉軸、軸承和驅動機構組成。驅動機構有直接驅動和間接驅動等形式。如圖2.3所示，驅動機構和回轉軸同軸，這種形式直接驅動回轉軸，回轉軸通過軸承的支撐和導向作用，帶動手臂回轉，這種結構有較高的定位精度。 圖2.3 手臂回轉運動示意圖 回轉機構中軸承起著相當重要的作用，用于轉到關節(jié)的軸承有多種形式，球軸承是機械手結構中最常用的軸承。球軸承能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對軸承和軸承座的剛度不敏感。至于手臂回轉軸承的選擇將在以下章節(jié)用介紹。 2.2.3 手臂俯仰方案的確定 機械手手臂俯仰運動通常采用擺臂油（氣）缸驅動、鉸鏈連桿機構傳動實現(xiàn)手臂的俯仰，本次設計采用油缸驅動。如圖2.4所示，手臂俯仰運動用的活塞缸位于手臂下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接，缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱連接。 圖2.4 手臂俯仰運動示意圖 3 機械手結構設計 對小型夾持機械手及手臂結構設計的主要內容為：手部設計、手臂回轉設計和手臂俯仰設計。 3.1手部設計 機械手的手部也叫做末端執(zhí)行器，它是裝在機械手手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。手部主要具有以下特點： （1） 手部和腕部相連處可拆卸。 （2） 手部是機器人末端執(zhí)行器。 （3） 手部的通用性比較差。 （4） 手部是一個獨立的部件。 3.1.1 手指夾緊力的確定 為了增大夾緊力，在機械手手爪加緊面上加上橡膠，通過增大摩擦系數(shù)來加大夾緊力。 選擇被夾物體的材料為鐵，則摩擦系數(shù)=0.45。由于設計要求能夾持5kg重的物體，所以，夾緊力為： （3.1） ===108.9（N） 3.1.2 手指結構設計 手部設計和選用時最主要的是滿足功能上的要求。首先要考慮的是要抓握什么樣的工件，本次設計選用被夾持物體的材料為鐵，其密度，形狀尺寸為圓柱體，選取高= ，則被夾持物體的半徑為： = （3.2） 則夾緊時手爪作用點之間的距離為2R。機械手通常利用手指與工件接觸面間的摩擦力來夾持工件。工件在被夾持的過程中，從靜止狀態(tài)開始可能有多種運動形式。在不同的運動狀態(tài)下，工件的受力情況是不同的，當工件處于靜止或勻速移動狀態(tài)下時，工件除了與手爪的作用力外，所承受的只用重力；當工件加速運動時，其受力情況還應考慮慣性力的影響。因此，在設計時，應對夾持器的各種工作狀態(tài)進行分析，使其結構能提供必學的夾持力。根據(jù)經(jīng)驗和查閱相關資料，手部機構設計如下圖： 圖3.1 手爪設計分析圖 圖中,e為支持器活塞中心至手指支點的距離；為手指支點至指端（與工件接觸點）的長度；為手指支點銷軸的半徑；為液壓缸所需要提供的軸向作用力；為手指回轉有效分力，=；為垂直分力，；為單手指指端作用力（加持力）；為壓力角；為構件間相互摩擦系數(shù)。由圖可知手指對手指支點的力矩平衡式為 整理得 考慮到手指夾持工件時，，若忽略摩擦影響（），則上式可簡化為 （3.3） 根據(jù)經(jīng)驗和設計要求，并考慮手部結構的特征，取=20,=60 則所需提供軸向作用力為 = 3.2 臂部結構設計 機器人的手臂由大臂、小臂（或多臂）組成。手臂的驅動方式主要有液壓驅動、氣動驅動和電動驅動幾種形式，其中電動形式最為通用。臂部設計需要注意以下問題： (1) 承載能力足。不僅要考慮抓取物體的重量，還要考慮運動時的動載荷。 (2) 剛度高。為防止臂部在運動過程中產生過大的變形，應合理選擇手臂的截面形狀。工字形截面彎曲剛度一般比圓截面大，空心管的彎曲剛度和扭轉剛度都比實心軸的大得多，所以常用鋼管制作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼制作支承板。 (3) 導向性能好，動作迅速、靈活、平穩(wěn)，定位精度高。為防止手臂在直線運動過程中沿運動軸線發(fā)生相對轉動，應設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。由于臂部運動速度越高，定位前慣性力引起的沖擊也就越大，運動不平穩(wěn)，定位精度也不高。因此，除了臂部設計力求結構緊湊，重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。 (4) 重量輕、轉動慣量小。為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少整個手臂對回轉軸的轉動慣量。 (5) 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，而且還直接影響機器人的外觀。 3.2.1 手臂材料的選擇 機械手手臂材料應根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設計要求，手臂要完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應是輕型材料。而另一方面，手臂在運動過程中往往會產生振動，這將大大降低它的運動精度。因此，選擇材料時，需要對質量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。機械手手臂材料首先應是結構材料。手臂承受載荷時不應有變形和斷裂。從力學角度看，即要具有一定的強度。手臂材料應選擇高強度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機器人手臂是運動的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應該優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料制作手臂，其中，非金屬材料有尼龍6、聚乙烯(PEH)和碳素纖維等；金屬材料以輕合金(特別是鋁合金)為主。因此，本次設計選擇手臂的材料為鋁合金。 3.2.2 手臂回轉結構設計 回轉運動用步進電動機直接驅動實現(xiàn)手臂回轉，如圖2.3所示。這種結構具有結構緊湊，體積小，運動靈活，響應快，精度高等特點。回轉運動結構設計最主要的是對電動機、軸承和聯(lián)軸器等設計。 1、 步進電動機概論 手臂回轉運動采用步進電動機驅動，電機軸與回轉軸用聯(lián)軸器進行聯(lián)接。步進電動機一般作為開環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構，有時也用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它是一種將脈沖電信號轉換為角位移或直線位移的一種D/A轉換裝置。按照輸出位移的不同，步進電動機可分為回轉式步進電動機和直線式步進電動機。機器人中一般采用回轉式步進電動機。如果把步進電動機裝在機器人回轉關節(jié)軸上，則接收一個電脈沖，步進電動機就帶動機器人的關節(jié)軸轉過一個相應的角度。步進電動機連續(xù)不斷地接收脈沖，則關節(jié)軸連續(xù)不斷地轉動。步進電動機轉過的角度與接收的脈沖數(shù)成正比。步進電動機具有下列優(yōu)點： （1） 輸出角度精度高，無積累誤差，慣性小。步進電動機的輸出精度主要 由步距角來反映。所謂步距角是指步進電動機接收一個脈沖電信號其輸出軸轉過的角度。目前步距角一般可以做到0.002°～0.005°甚至更小。步進電動機的實際步距角與理論步距角總存在一定的誤差，這誤差在電動機旋轉一周的時間內會逐步積累，但當電動機旋轉一周后其轉軸又回到初始位置，使誤差回到零。 （2） 輸入和輸出呈嚴格的線性關系。輸出角度不受電壓、電流及波形等因素 的影響，取決于輸入脈沖數(shù)的多少。 （3） 容易實現(xiàn)位置、速度控制，起、停及正、反轉控制方便。步進電動機 的位置(輸出角度)由輸入脈沖數(shù)確定，其轉速由輸入脈沖的頻率決定，正、反轉(轉向)由脈沖輸入的順序決定，而脈沖數(shù)、脈沖頻率、脈沖順序都可方便地由計算機輸出控制。 （4） 輸出信號為數(shù)字信號，可以與計算機直接接口。 （5） 結構簡單，使用方便，可靠性好，壽命長。 步進電動機按照勵磁方式分有反應式、永磁式和混合式。這里以反應式步進電動機為例說明其工作原理。如圖3.2所示為單定子、徑向分相三相反應式伺服電動機的結構原理圖。與普通電動機一樣，該電動機有定子和轉子兩部分，其中定子又分定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，其形狀如圖下圖所示。定子繞組是繞置在定子鐵心6個均勻分布的齒上的線圈，直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起，構成一相控制繞組。若任一相繞組通電，便形成一組定子磁極，其方向即圖中所示的N、S極。在定子的每個磁極即定子鐵心上每個齒又開了5個小齒，齒槽等寬，齒間夾角是9°，與磁極上的小齒一致。此外，三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開1/3齒距。當A相磁極上的小齒與轉子上的齒對齊時，B相磁極上的小齒剛好超前或滯后轉子上的齒1/3齒距角，C相磁極超前或滯后2/3齒距角。 1— 定子繞組；2—定子鐵心；3—轉子；4—A相磁通 圖3.2 伺服電動機結構原理圖 當A相繞組通電時，轉子上的齒與定子AA上的小齒對齊。若A相斷電，B相通電，由于磁力的作用，轉子的齒與定子BB上的小齒對齊，轉子沿順時針方向轉過3°。如果控制線路不斷地按A→B→C→A→…的順序控制步進電動機繞組的通、斷電，步進電動機的轉子則不停地順時針轉動。若通電順序改為A→C→A→A→…，步進電動機的轉子將逆時針轉動。這種通電方式稱為三相單三拍通電方式。通常為了得到小的步距角和較好的輸出性能，用三相六拍通電方式，其通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A→…(順時針)和A→AC→C→CB→B→BA→A→…，相應地繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉子轉過1.5°。 步進電動機的步距角可用下式表示 （3.4） 式中： 為步進電動機的步距角；為定子繞組的相數(shù)；為轉子的齒數(shù)；為通電方式常數(shù)，相拍通電時=1，相2拍通電時=2。 步進電動機運動系統(tǒng)主要由步進電動機控制器、功率放大器及步進電動機組成。硬件步進電動機控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成。它的作用是把代表轉速的脈沖數(shù)分配到電動機的各個繞組上，使電動機按既定的方向和轉速轉到相應的位置。 2、 步進電動機的選擇 根據(jù)需要，本設計回轉運動選用5相PK系列單轉軸步進電動機，型號為PK564-A 。5相PK系列為1轉500分割（0.72°/step）的高轉矩·低振動型步進電動機。為了適應所有的驅動方式，導線規(guī)格設計為10條導線。其實體模型如圖3.3所示： 圖3.3 步進電機實體圖 和其配套使用的還有安裝底座、彈性聯(lián)軸器、制振器等。 步進電動機的尺寸參數(shù)如下圖： 圖3.4 步進電機結構尺寸圖 其中： L1=46.5mm，L2=69.5。 步進電動機的其它規(guī)格如表3.1： 表3.1 步進電動機規(guī)格 安裝尺寸mm 品名 保持轉矩 轉到慣量 額定電流 A/相 線圈電阻 /相 基本 步距角 重量 □60 PK564-A 步進電動機的轉矩—轉速特性如下圖： 圖3.5 步進電動機的轉矩—轉速特性圖 3、 電機轉矩校核 由于所夾持工件為回轉體，且回轉過程為勻速轉動，所以不會裁成轉矩。在轉到過程中，只有軸承和聯(lián)軸器產生的摩擦，以及手爪結構不平衡產生的力矩。由于這些轉矩損失非常小，可以忽略不計，因此所選電動機滿足設計要求。 4、 聯(lián)軸器的選擇 （1） 類型選擇 為了隔離振動與沖擊，并保證較高的定位精度，選用彈性無齒隙聯(lián)軸器。 （2） 載荷計算 從表1得知電動機公稱轉矩 由《機械設計》表14-1，即表3.2，查得,故由《機械設計》式（14-3） （3.5） 得計算轉矩為 表3.2 工作情況系數(shù)K 工作機 K 原動機 分類 工作情況及舉例 電動機 汽輪機 雙缸 內燃機 單缸 內燃機 1 轉矩變化很小，如發(fā)電機、小型離心泵 1.3 1.8 2.0 2 轉矩變化小，如透平壓縮機、運輸機 1.5 2.0 2.4 3 轉矩變化中等，如攪拌機、增壓機、沖床 1.7 2.2 2.6 4 轉矩變化和沖擊載荷中等，如織布機、拖拉機 1.9 2.4 2.8 5 轉矩變化和沖擊載荷較大，如造紙機，碎石機 2.3 2.8 3.2 6 轉矩變化大并有極強烈沖擊載荷 3.1 3.6 4.0 （3） 型號選擇 從 4324-84中查得TL1型彈性聯(lián)軸器的許用轉矩為,許用最大轉速為8800，軸徑為6~14mm之間，故合用。 5、軸承的選擇 根據(jù)工作條件決定選用角接觸球軸承。由于受回轉體結構尺寸的限制，選擇左端支撐軸承型號為7012，右端支撐軸承型號為7000。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)和估算，確定所選軸承滿足設計要求。 3.2.3 手臂俯仰結構設計 手臂俯仰結構如圖2.4所示，手臂俯仰機構采用液壓缸直接驅動。俯仰機構中要有控制手臂仰起角度的機構，如圖3.6所示。 圖3.6 手臂俯仰結構示意圖 當手臂仰起到一定角度時，手臂尾部將被立柱擋住而不能繼續(xù)仰起，從而控制手臂俯仰范圍。這種機構結構簡單，靈活性好，可靠性高。 手臂俯仰結構設計最主要的是對俯仰液壓缸進行設計，對手臂俯仰缸的設計將在以后章節(jié)中介紹。 4 液壓驅動系統(tǒng)設計 對液壓系統(tǒng)進行設計，應該明確液壓傳動系統(tǒng)設計、計算的步驟和方法。液壓系統(tǒng)的設計必須重視調查研究，注意借鑒別人的經(jīng)驗。一般來說，液壓系統(tǒng)設計應著重解決的主要問題是滿足工作部件對力和運動兩方面的要求。在滿足工作性能和工作可能性的前提下，應力求系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟且維護方便。具體的設計步驟如下： （1） 明確設計依據(jù)，進行工況分析 （2） 初步確定液壓系統(tǒng)參數(shù) （3） 擬定液壓系統(tǒng)原理圖 （4） 計算、選擇或設計液壓元件 4.1驅動方式的選擇 驅動部分是機器人系統(tǒng)的重要組成部分，機器人的驅動方式可分為以下幾類: （1） 氣壓驅動 使用壓力通常在 0. 4~0. 6Mpa，最高可達 1Mpa。氣壓驅動 主要優(yōu)點是氣源方便 (一般工廠都由壓縮空氣站供應壓縮空氣)，驅動系統(tǒng)具有緩沖作用，結構簡單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣的環(huán)境中工作。氣壓驅動的缺點是功率質量比小，裝置體積大，同時由于空氣的可壓縮性使得機器人在任意定位時，位姿精度不高。適用于易燃、易爆和灰塵大的場合。 （2） 液壓驅動 液壓驅動系統(tǒng)用2-15Mpa的油液驅動機器人，體積較氣壓 驅動小，功率質量比大，驅動平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時液壓驅動調速比較簡單，能在很大范圍內實現(xiàn)無級調速。用電液伺服控制液體流量和運動方向時，可以使機器入的軌跡重復性提高。液壓驅動的缺點是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境。液壓驅動多用于要求輸出力較大，運動速度較低的場合。 （3） 電氣驅動 電氣驅動是利用各種電機產生的力或轉矩，直接或經(jīng)過減速 機構去驅動負載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機器人運動。由于電氣驅動具有易于控制，運動精度高，響應快，使用方便，信號監(jiān)測、傳遞和處理方便，成本低廉，驅動效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點，電氣驅動己經(jīng)成為最普遍，應用最多的驅動方式，90年代后生產的機器人大多數(shù)采用這種驅動方式。 由于機械手的回轉運動驅動負載小，要求結構簡單、定位精度高，所以選用了電氣驅動方式。即手臂旋轉采用步進電動機做執(zhí)行機構。而夾緊和抬起運動要求體積小、質量比大、驅動平穩(wěn)，所以選用液壓驅動方式。即采用單桿液壓缸對工件進行夾緊，手臂的抬起運動靠液壓缸來實現(xiàn)。電氣驅動和液壓驅動相結合，使得整個系統(tǒng)具有結構緊湊，成本低廉，操作方便等優(yōu)點，適合于小型夾持式機械手。 4.2 機械手液壓驅動系統(tǒng)的設計計算 液壓驅動系統(tǒng)的設計是整機設計的一部分，在目前液壓系統(tǒng)的設計主要還是經(jīng)驗法，即使使用計算機輔助設計，也是在專家的經(jīng)驗指導先進行的。對液壓系統(tǒng)進行設計計算，必須明確液壓系統(tǒng)的動作和性能要求，例如，執(zhí)行元件的運動方式、行程范圍、負載條件、運動的平穩(wěn)性和精度、工作循環(huán)和動作周期、工作可靠性要求等。同時還要考慮到液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境。所以應根據(jù)實際情況和具體設計要求來對液壓系統(tǒng)進行設計。 4.2.1 夾緊缸的設計 1、 計算液壓缸的總機械載荷 根據(jù)機構的工作情況，總機械載荷 （4.1） 式中 —工作載荷，已知為653N； —密封阻力； —回油背壓形成的阻力。 （1） 的計算 =（N） （4.2） 式中 —克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力（），液壓缸選O型密封圈，設液壓缸工作壓力<16，由相關設計手冊查得<0.3，取=0.1； —進油工作腔有效作用面積（），此值屬未定數(shù)值，初估為2。 啟動時 = 運動時 = （2） 的計算 回油背壓形成的阻力按下式計算 = （4.3） 式中 —回油背壓，一般為~，取=； —無桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2，已經(jīng)初估=2 =4。 各值代入上式 == 分析液壓缸各工作階段受力情況，得知在工進階段受力最大，作用在活塞上的總機械載荷為 =653+10+120=783（N） 2、 確定液壓缸的主要尺寸和工作壓力 按經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定系統(tǒng)工作壓力。工作壓力 （4.4） 液壓缸工作腔有效工作面積 因差動比為1：2，所以=2=15.6 活塞直徑 D= 活塞桿直徑 計算所得的液壓缸內徑和活塞桿直徑應圓整為標準系列，根據(jù)[8]《液壓傳動與控制》[M]表5-3及表5-4，取標準直徑，則工作壓力 取。 在確定液壓缸活塞面積之后，還要按最低進給速度驗算液壓缸尺寸。設液壓缸有效工作面積為，則 （4.5） 式中 —流量閥最小穩(wěn)定流量，取調速閥最小穩(wěn)定流量40mL/min； —活塞最低進給速度，本設計取20mm/min； —液壓缸有效工作面積。 根據(jù)上面計算值，得 = 又，所以 說明液壓缸尺寸滿足活塞最小穩(wěn)定速度要求。 3、 液壓缸活塞寬度B的確定 對于一般的液壓缸，活塞寬度 B=（0.6~1.0）D （4.6） 根據(jù)結構需要，取B=0.6D=0.625=15mm 4、 活塞缸缸體壁厚的確定 液壓缸的壁厚可根據(jù)結構設計來確定。本設計取=3mm 5、 液壓缸行程的確定 液壓缸的行程見參考文獻[8]《液壓傳動與控制》[M]表5-5活塞行程系列。根據(jù)設計需要，選。 6、 液壓缸的長度L的確定 按經(jīng)驗數(shù)據(jù)并結合液壓缸的其它尺寸，取液壓缸的長度L=92。 7、 活塞桿長度的確定 活塞桿直徑確定之后，還需根據(jù)液壓缸的長度確定活塞桿長度。 8、 液壓缸的安裝方式 國際標準規(guī)定了單桿液壓缸的安裝方式，本次設計采用加長拉桿穿過安裝板的安裝方式進行安裝。 9、 液壓缸的強度和剛度校核 （1） 缸筒壁厚的校核 由于工作壓力不高，缸體內徑也不大，所以不必進行強度校核。 （2） 液壓缸缸蓋固定螺栓直徑校核 液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過程中，同時承受拉應力和剪切應力，根據(jù)液壓缸結構取螺栓直徑，其螺栓直徑可按下式校核 （4.7） 式中 K— 螺栓擰緊系數(shù)，取K=1.5； F—液壓缸最大作用力，前面已經(jīng)計算得知F=783N； Z—螺栓個數(shù)，Z=4； []—螺栓材料的許用應力，[] =，螺栓材料的屈服極限；取螺栓材料為，查《材料力學》表2.1，即如下表4.1，得=，為安全系數(shù)，一般取=，此處取。 將以上數(shù)值代入公式 成立 滿足要求。 表4.1 幾種常用材料的主要力學性能 材料名稱 牌號 普通碳素鋼 Q235 Q235 216~235 255~275 373~461 490~608 25~27 19~21 優(yōu)質碳素結構鋼 40 45 333 353 569 598 19 16 普通合金結構鋼 Q345 Q390 274~343 333~412 471~510 490~549 19~21 17~19 合金結構鋼 20 40 540 785 835 980 10 9 碳素鑄鋼 ZG170-500 270 500 18 可鍛鑄鐵 KTZ450-06 450 6() 球墨鑄鐵 QT450-10 450 10() 灰鑄鐵 HT150 120~175 （3） 活塞桿強度及穩(wěn)定性校核 活塞桿直徑可按下式校核強度 （4.8） 式中 —活塞桿材料的許用應力，，為材料抗拉強度，取活塞桿材料為鋼，由表4.1得；為安全系數(shù)，一般取1.4。 F—活塞桿所受負載； 將以上數(shù)值代入公式 成立 滿足要求。 4.2.2 手臂俯仰液壓缸設計 1、 確定液壓缸的牽引力F 根據(jù)機構的工作情況，液壓缸受力如圖10所示。牽引力 （4.9） 圖4.1 液壓缸受力分析示意圖 其中 —支撐點左端機械手手臂的重力； —支撐點右端配重塊的重力； —支點支撐力。 據(jù)手臂材料和結構尺寸估算其重量，然后在手臂尾部加配重塊，則手臂在支點支撐作用下基本上保持平衡狀態(tài)，因此只需較小的牽引力就能滿足設計要求。 取F=200。 2、 去定液壓缸的結構尺寸和工作壓力 按經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定系統(tǒng)工作壓力。工作壓力 液壓缸工作腔有效工作面積 活塞直徑 D= 因差動比為1：2，所以活塞桿直徑 計算所得的液壓缸內徑和活塞桿直徑應圓整為標準系列，根據(jù)《液壓傳動與控制》表5-3、表5-4，取標準直徑，則工作壓力 取。 3、 液壓缸活塞寬度B的確定 對于一般的液壓缸，活塞寬度由式（4.6） B=（0.6~1.0）D 根據(jù)結構需要，取B=0.6D=0.616=9.6mm 4、 活塞缸缸體壁厚的確定 液壓缸的壁厚可根據(jù)結構設計來確定。本設計取=。 5、 液壓缸行程的確定 液壓缸的行程見[8]《液壓傳動與控制》[M]表5-5活塞行程系列。根據(jù)設計需要，選。 6、 液壓缸的長度L的確定 按經(jīng)驗數(shù)據(jù)并結合液壓缸的其它尺寸，取液壓缸的長度L=70。 7、 活塞桿長度的確定 活塞桿直徑確定之后，還需根據(jù)液壓缸的長度確定活塞桿長度。 8、 液壓缸的強度和剛度校核 （1） 缸筒壁厚的校核 由于工作壓力不高，缸體內徑也不大，所以不必進行強度校核。 （2） 液壓缸缸蓋固定螺栓直徑校核 液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過程中，同時承受拉應力和剪切應力，根據(jù)液壓缸結構取螺栓直徑，其螺栓直徑可按式（4.7）校核 式中 K— 螺栓擰緊系數(shù)，取K=1.5； F—液壓缸最大作用力，前面已經(jīng)計算得知F=200N； Z—螺栓個數(shù)，Z=4； []—螺栓材料的許用應力，[] =，螺栓材料的屈服極限；取螺栓材料為，查表4.1得=，為安全系數(shù)，一般取=，此處取。 將以上數(shù)值代入公式 成立 滿足要求。 （3） 活塞桿強度及穩(wěn)定性校核 活塞桿直徑可按式（4.8）校核強度 式中 —活塞桿材料的許用應力，，為材料抗拉強度，取活塞桿材料為鋼，由表4.1查得；為安全系數(shù)，一般取。 F—活塞桿所受負載； 將以上數(shù)值代入公式 成立 滿足要求。 4.3液壓系統(tǒng)原理圖的擬定 4.3.1 夾緊系統(tǒng)原理圖的擬定 如圖4.2所示，此夾緊過程通過液壓缸直接驅動。當電磁鐵1DT得電時，壓力油通過換向閥左位進入液壓缸有桿腔，液壓缸將驅動末端執(zhí)行器對工件進行夾緊，當電磁鐵1DT失電，而電磁鐵2DT得電時，壓力油通過換向閥右位進入無桿腔，驅動液壓缸松開工件。 圖4.2 夾緊系統(tǒng)原理圖 4.3.2 俯仰系統(tǒng)原理圖的擬定 如圖4.3所示，當電磁鐵3DT得電時，壓力油通過換向閥左位進入液壓缸無桿腔，液壓缸將驅動手臂仰起，當電磁鐵3DT失電，而電磁鐵4DT得電時，壓力油通過換向閥右位進入無桿腔，液壓缸將驅動手臂俯下。 圖4.3 俯仰系統(tǒng)原理圖 4.3.3 系統(tǒng)合成 如圖4.4所示，機械手運動部分由壓力油直接驅動。油泵采用限壓式變量葉片泵。系統(tǒng)的工作壓力用溢流閥來調節(jié)，各油缸的運動速度用節(jié)流閥來調節(jié)。機械手夾緊運動和手臂俯仰運動，采用適時切換油路節(jié)流減速緩沖。各電磁換向閥電磁鐵動作情況如表4.2所示。 表4.2 電磁換向閥電磁鐵動作情況分析表 電磁鐵序號 動作名稱 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 6DT 7DT 機械手夾緊工件 - - - - + - - 機械手松開工件 - - - - - + - 機械手夾緊工件節(jié)流緩沖 - + - - + - - 機械手松開工件節(jié)流緩沖 - + - - - + - 機械手手臂仰起 - - + - - - 機械手手臂下俯 - - - + - - - 機械手手臂仰起節(jié)流緩沖 + - + - - - - 機械手手臂俯下節(jié)流緩沖 + - - + - - - 液壓系統(tǒng)卸荷 - - - - - - + 圖4.4 系統(tǒng)合成原理圖 4.4液壓泵的計算 1、 確定液壓泵的實際工作壓力 （4.10） 式中 —前以選定為； —對于進油路采用調速閥的系統(tǒng)，可估為（0.5~1.5），取0.5。 因此，可確定液壓泵的實際工作壓力 5 機械手軌跡規(guī)劃 機械手在作業(yè)空間要完成給定的任務，其手部運動必須按一定的軌跡進行。軌跡的生成一般是先給定軌跡上的若干個點，將其經(jīng)運動學反解映射到關節(jié)空間，對關節(jié)空間中的相應點建立運動方程，然后按這些運動方程對關節(jié)進行插值，從而實現(xiàn)作業(yè)空間的運動要求，這一過程通常稱為軌跡規(guī)劃。運動軌跡的描述一般是對其手部位姿的描述，此位姿值可與關節(jié)變量相互轉換。下面將對機械手的回轉運動進行軌跡規(guī)劃。 由于步進電機的轉矩為0.42N·，由圖表1查得電動機的轉速，脈沖速度為，即250次/秒。則機械手手部實現(xiàn)翻轉所需要的時間為 根據(jù)需要，回轉關節(jié)必須運動平穩(wěn)，并具有如下作業(yè)狀態(tài)：初始時，關節(jié)靜止不動，位置；運動結束時，此時關節(jié)速度為。根據(jù)要求，可以對回轉關節(jié)采用三次多項式插值函數(shù)來規(guī)劃其運動。已知，，=1，代入《機器人技術基礎》式（3.8），即如下式 （4.11） 可得三次多項式的系數(shù) a0=0.0，a1=0.0，a2=540，a3=–360 由《機器人技術基礎》式（3.5）和式（3.6） （4.12） （4.13） 可確定回轉關節(jié)的運動軌跡，即 對于手指夾緊運動和手臂俯仰運動的軌跡規(guī)劃和手臂回轉運動軌跡規(guī)劃的計算過程是相似的，不再一一進行討論，從略。 結論 本文結合目前國內外機械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種小型夾持式機械手的設計和開發(fā)過程。理論和實踐證明，本課題所研制的小型夾持式機械手系統(tǒng)可以實現(xiàn)預期的功能要求。本人在課題研究過程中獲取了大量的實驗數(shù)據(jù)和一定的研究經(jīng)驗，為夾持式機械手的產品化提供必要的理論依據(jù)和技術數(shù)據(jù)。論文的主要工作如下： 1、進行了小型夾持式機械手總體方案設計。 2、進行了小型夾持式機械手機構的機械本體設計。 3、進行了機械手的控制系統(tǒng)的設計。設計了機械手姿態(tài)控制的驅動系統(tǒng)，擬定了液壓控制系統(tǒng)原理圖。 4、進行了機械手的軌跡規(guī)劃。主要對機械手回轉運動軌跡進行了規(guī)劃。建立機械手運動的軌跡方程。 5、運用Solidworks三維軟件建立了機械手結構模型，并進行了虛擬裝配，結果證明所設計的機械手結構合理，可以實現(xiàn)預期的動作要求。 本次設計的小型夾持式機械手及手臂結構合理，布局比較完善，各項性能指標也達到了設計要求。但是還有不足和尚需完善之處： 1、為了提高機械手的定位精度和響應速度，還需要增加傳感器控制系統(tǒng)。 2、隨著機器人技術的發(fā)展，適當引入反饋控制技術，以便適時的監(jiān)控外界環(huán)境的變化，以求達到更好的適應能力。 3、為了使機械手的動作更加靈活，應適當增加機械手的自由度，使機械手能進行空間復雜曲線的作業(yè)。 小型夾持式機械手的研制已經(jīng)取得了階段性成果，還需要進一步的發(fā)展和完善，使之逐步產業(yè)化。 致謝 本論文是在楊漢嵩講師的親切關懷和精心指導下完成的，恩師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的學識、誨人不倦的精神給學生留下了深刻的印象，使學生終身受益。籍此論文完成之際，謹向恩師致以最崇高的敬意和最由衷的感謝！ 感謝我的師兄、師弟們，他們在方方面面都給了我許多關心幫助，使得我在這里的學習生活充滿了樂趣。這期間和他們結下的深厚誼將是我今后的人生中一筆豐厚的財富，無論何時何地都不會忘記! 感謝所有幫助過我的老師、同學和朋友！ 感謝對論文進行評審、提出寶貴意見的各位專家！ 感謝我的母校為我們提供了一個良好的學習環(huán)境！ 最后，我要對我的父母表示深深的感謝，感謝他們的養(yǎng)育和教導，感謝他們長期的支持和鼓勵以及他們給予我的無私的愛！ 參考文獻 [1] 劉鴻文. 材料力學[M]. 北京：高等教育出版社，1997：27. 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