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1、 六自由度机械手结构设计六自由度机械手结构设计 摘摘 要要 随着人类活动领域的进一步扩大 人们对非制造业用机械手的研究空前活跃起 来 对机械手智能化和多样化的要求也越来越高 需要机械手具有对外感知能力以 及局部的自己规划能力等 而通用机械手也在向机构灵巧 动作准确可靠 反应快 重量轻 刚度好 便于装卸与维修等方向快速发展 此机械手采用全液压驱动方式 采用球坐标形式 自由度数为六 分别为 Z 方 向的升降运动 绕 Z 方向的回转运动 手臂的仰俯运动 X 方向的伸缩运动 手腕 的仰俯运动 绕 X 方向的回转运动 主要完成手部结构 腕部结构 臂部结构和机 身机构的设计 各部分缸体的结构位置的设计计算
2、 各自由度运动的实现 具体结 构设计过程中用了大量时间对机械手各部分进行了校核 在机构满足设计参数的条 件下 使结构设计尽量优化 关键词 机械手 通用 自由度 液压驱动 球坐标 全套图纸加全套图纸加 153893706 Abstract With fields of human activity going further the research on application of the manipulator in non manufacturing sector has been rising largely The requirements to manipulator of int
3、elligent and diversification are increasingly higher and higher to meet people s demand which need manipulator with capability of external perception and local planning And universal manipulator also has developed rapidly towards the direction of dexterous mechanism accurate and reliable movements r
4、apid reaction light weight high stiffness And the universal manipulator can easy to load and unload and to be repaired easily The number of freedom degree manipulator which using the approach of hydraulic driven using spherical coordinates forms is six which include Z direction of the movement the r
5、otary movement around Z direction the swing movement of arms X direction of the stretching exercise swing movement of the wrist the rotary movement around X direction Structure of the hand wrist arm are caculated and designed The checking for each part of the manipulator costs much time during proce
6、ss of specific structural design In the condition of meeting the requirement of parameters the structure is optimized as far as possible Keywords Manipulator Universal Freedom degree Hydraulic I 目目 录录 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 选题的背景和目的及意义 1 1 2 国内外研究状况和研究成果 1 1 3 课题的研究方法 2 1 4 本文研究内容 3 第第 2 章章 总体设计方案总体设计方案
7、 4 2 1 总体设计要求 4 2 2 运动分析简介 4 2 2 1 机器人运动方程的表示 4 2 2 2 构件坐标系的确定 5 2 3 机械手的组成 6 2 4 设计路线与方案 6 2 4 1 设计步骤 6 2 4 2 研究方法和措施 7 2 5 本章小结 7 第第 3 章章 手部结构的设计和计算手部结构的设计和计算 8 3 1 手部设计 8 3 2 钳爪式手指定位误差的分析 9 3 3 手部夹紧油缸的设计 11 3 4 油缸壁厚的计算 12 3 5 活塞杆的计算和校核 13 3 6 本章小结 13 第第 4 章章 腕部结构的设计和计算腕部结构的设计和计算 14 4 1 腕部回转油缸的设计
8、14 4 2 腕部摆动油缸的设计 16 II 4 3 本章小结 19 第第 5 章章 小臂的设计和计算小臂的设计和计算 20 5 1 小臂结构的设计和伸缩油缸的计算 20 5 2 活塞杆强度和刚度的校核 23 5 3 导向杆的强度校核 24 5 4 本章小结 25 第第 6 章章 俯仰缸的设计和计算俯仰缸的设计和计算 26 6 1 俯仰结构的设计和计算 26 6 2 缸盖螺钉的强度校核 28 6 3 本章小结 29 第第 7 章章 大臂的结构设计和计算大臂的结构设计和计算 30 7 1 大臂回转缸的设计计算 30 7 2 油缸定片连接螺钉的校核 33 7 3 机械手大臂升降缸的设计和计算 34
9、 7 4 机械手的不自锁的条件 36 7 5 本章小结 37 结结 论论 38 参考文献参考文献 39 致致 谢谢 40 1 第 1 章 绪论 1 1 选题的背景和目的及意义 制造相似自己的机器人是人类长期以来的梦想 在不相同的历史阶段 首先是 在神话 小说中曾出现各种拟人的想象物 现代实体机器的诞生大约可以追溯到二十世纪五十年代 当时由于核工业的兴 起 为了处理放射性材料采用了机械手 不久 控制论 信息论等重大学科相继问 世 所有这些科学的技术成果都为机器人技术的诞生和发展莫定了根本基础 现实世界里的机器人并不没有像小说作品里描述的那样神通广大 与真人形似 到以假乱真地步 就目前水平而言 机
10、器人一般是不具有人的形态的 即使那些用 于娱乐的似人机器人 其智能的程度也远不能和人相比 大多数的机器人是用于生 产活动 以提高工作效率和产品质量的 所以从这层意义上来说 机器人其实是一 个通用的自动化装置 机器人是一种具有可编程的 通用 有操作或移动能力的自动化机器 机器人的诞生和应用是社会发展的最终需要 机器人又是在现代生产和科学技 术发展的基础上出现的 新一代的机器人已经在工业生产 资源开发 排险和救灾 社会服务和军事技术中发挥越来越大的作用 机器人已经得到广泛的应用 由于工 业机器人与其他设备组成的生产线已经成百上千倍地提高了企业劳动的生产率 提 高了产品的质量 缩短了产品更新和换代的
11、周期 机器人的出现和发展已经使传统 的工业生产的面貌发生了翻天覆地的变化 使人类的生产方式从手工的作业 机械 化 自动化跨入了智能化的新时代 1 2 国内外研究状况和研究成果 随着机器人技术的飞速发展 多种类型的机器人己相继问世 机器人可以按用 途 结构 驱动方法 智能水平等观点进行分类 不管怎样分类 机器人的基本结构都是一样的 机器人是由臂 连杆 关节和 末端执行装置 连接工具 构成 机器人的关节连接了两个相邻的刚体 即连杆 关 节提供连杆之间的相对运动 关节即运动副 一些形状和大小不同的机器人 可能 有着相同的几何模型 仅几何参数不同 并有相同的运动学分析结果 多关节机械 手臂 顾名思义
12、关节多而长 关节越多 手臂的重量就越大 运动学分析就越复 杂 随之而来的问题还有掼性的加大 过冲量的增大而引起动力学分析的复杂化 以及连杆之间的平衡问题等 随着科学技术的进步 我国工业生产的自动化程度有了一个突飞猛进的发展 2 在实际的生产过程中实现工件的装卸 转向 输送或操持焊枪 喷枪 扳手等工具 进行特定环境下的加工 装配等作业逐步实现自动化 已愈来愈引起人们的重视 实现生产过程的自动化成为国内外学者研究的热点之一 本文设计的机械手为液压驱动 此机械手的坐标形式采用球坐标式 其手臂 的运动由一个直线运动和两个回转运动所组成 即沿 x 轴的伸缩 绕 Y 轴的仰俯和 绕 Z 轴的回转 这种机械
13、手的手臂的仰俯运动能抓取地面上的物体 为了使手部 能适应被抓物体方位的要求 常常设有手腕上下摆动 使其手部保持水平位置或其 他状态 此坐标式的机械手动作灵活 占地面积小 工作范围大等特点 它适用于 沿伸缩方向传动的形式 但结构复杂 按设计要求 使机械手能够实现预定的功能 模仿人的手臂和手腕运动 需要六个自由度 自由度指描述物体运动所需要的独立 坐标数 自由度的多少反映机器运动的复杂程度 多关节手臂的优良性能是其它传统的机器人所不能比拟的 然而对它的研究碰 到了许多工程上的困难 尤其是手臂的重量问题 关节多而长的机械手臂由于庞大 的重量而难以在实践中推广应用 而重量问题中的瓶颈问题是驱动单元问题
14、 从过 去经验来看 形状记忆合金 磁动的伸缩 气动伸缩驱动单元的应用范围非常有限 驱动主体还需是电机 但电机的重量又是一个有待解决的问题 电机的安装位置以 及其数量则是其直接的影响因素 在多指机器人手的应用方面 由于多指机器人手通常小于所安装的机器人本体 所以可以提高机器人的整体精度 但是多手指的使用使整个系统的复杂性增加 并 且由于带有多指机器人手的机器人的自由度很多 因此使得运动学和动力学分析复 杂化 同时由于自由度的增加将使抓取规划工作变得困难 1 3 课题的研究方法 如前所述 多关节机械手臂的研究领域包括多关节机械手臂的运动学和动力学 问题 在研究中所遇到的困难就是机械手臂重量的问题
15、由于机械本体的结构大大 的简化 所以使多关节机械手臂的运动学及动力学分的析得以简化 从而使机械手 臂更加容易控制 本文重点在于多关节的机械手臂的机构设计 解决手臂重的问题 并且 对手臂各关节处的定位及各臂在运动中的平衡问题提出了全新的解决方法 本机械手采用全液压控制及驱动 之所以采用液压 主要是考虑到结构简单 便于制造 有利于降低成本 整体设计中采用 3 个回转缸 2 个伸缩缸和一个俯仰 伸缩缸 3 个回转油缸实现了 2 个腕部回转和一个大臂回转 2 个伸缩缸分别实现 大臂和小臂的伸缩运动 本课题所研究的内容正是基于以上的问题 希望能够通过理论分析和研究 设 计出一种新型的多关节式机械手臂 力
16、求结构简单 驱动器 即液压元件 数量控制 在最少 3 1 4 本文研究内容 本文将在下面对关节式通用机械手进行全面 系统的分析和讨论以实现模仿人 手动作 按给定的程序 轨迹和要求实现自动抓取 搬运和操作的装置 在生产中 使用机械手可以提高生产的自动化水平以及劳动生产率 可以减少工人的工作强度 保证产品的质量优良 实现安全生产 尤其在高压 高温 低温 低压 易爆 粉 尘 有毒气体和放射性等恶劣的环境中 用机械手代替人进行正常的工作 意义更 为的重大 本机械手仰俯结构这样处理有以下几个好处 首先改善了机械重心偏离回转轴 太长的弊病 其次 实现同样的仰俯角度时 直线缸比回转缸更容易控制 在此 由于回转油缸的驱动力是紧靠在回转油缸的动片提供的 而直线缸由于导杆的作用 提供同样的驱动力矩 要比回转缸容易些 最后从振动的角度看 采用直线缸要比 采用回转缸的振动系数要小 从而增加了稳定性 4 第 2 章 总体设计方案 2 1 总体设计要求 本文设计的机械手为液压驱动 此机械手的坐标形式采用球坐标式 其手臂的 运动由一个直线运动和两个回转运动所组成 即沿 x 轴的伸缩 绕 Y 轴的仰俯和绕 Z 轴的回
