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1、机器人概述机器人技术是集计算机科学、控制工程、人工智能、传感器技术、机构学、机械工 程学等学科为一体的一门综合技术。机器人是一种知识密集、技术密集的机电一体化的高科技产 品。机器人在生产中的应用，对提高劳动生产率，提高产品的质量、改善劳动条件、提高企业的 应变能力、促进新产业的建立和发展、改变劳动结构以及促进相关科学的技术进步，均发挥了重 大的社会效益和经济效益。机器人是近三十年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动生产工具。 工业机器人则是机器人学的一个分支，自六十年代初问世以来，经过了四十多年 的发展，已广泛应用于各个工业领域，成为制造业生产自动化中主要的机电一体 化设备。机器人技
2、术是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学、机构学、机械设计、气 动液压技术、自动控制技术、传感技术和计算机技术等学科领域，是一门新型的 综合性技术。1984年，国际标准化组织(ISO)采纳了美国机器人协会(RIA)给“机器人”下的定 义，即“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操 作机”。或者“是一种带有执行不同的工作任务的手臂，且可改编程序动作来完 成各种作业的特殊机械装置”。我国国家标准GB/T 12643-90将工业机器人定义为“是一种能自动定位控制、可 重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件和操持工具，用 以完成各种作业”。2.1.1机器人的组
3、成及操作机的评价指标一个机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要 求的外部设备组成，操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的运 动功能，是可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。通常由下列部分构成：.1工业机械手概述工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作， 自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于 多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的 快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。
4、 生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生 产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替 人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、 喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较 简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术 的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”， 简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变
5、换生产 品种的中小批量生产中获得广泛的引用。气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：介质李源极 为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工 作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件 下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。1手部即与物体接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附 式手部。夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构构成。手指是与物件直接接触 的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容 易，
6、故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹 持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围 大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内径） 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；手指有外夹式 和内撑式指数有双指式、多指式、和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生 夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连 杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式等。吸附式 手部主要由吸盘等结构，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电磁力）吸附 物件，相应的吸附式手部有负
7、压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑模 板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对 于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸 料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸 料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物体形状、尺寸和重量大 小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式（如浇铸机械手的浇包部分）、托 式（如冷齿轮式机床上下料机械手的手部）等型式。为实现末端执行器（手部）在空间的位置而提供的三个自由度，可以有不同的运动 （自由度）组合，通常可以将其设计成如下五种形式。（1）圆柱坐标型（代号RP
8、P）通过一个转动，两个移动共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。（2）直角坐标型（代号PPP）其运动由三个互相垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴 向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计 算，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性差工业机器人常用于焊接、喷漆、上下料和搬运，延伸和扩大了人的手足和大脑功能,它可代替人从事危险、有害、有毒、低温和 高热等恶劣环境中的工作。手部是工业机器人的关键部件之一，主要作用是夹持 工件或工具（如喷漆、刀具等），按照规定的动作程序完成制定的工作，其夹紧和松 开动作都是自动完成的。机器人装配
9、系统里面，机械臂末端的设计对于降低误差和循环周期来说是非常重要的。设计良好的机械手末端夹具可以 在很大程度上提高效率和系统的可靠性，并对机器人的误差提供 补偿,给装配系统带来很高的附加价值。末端执行器又称手部，是操作机直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机 器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。机器人实现操作功能的操作机，其运动是由各连接杆件的运动复合而成的。各连接杆件在三维空间运动， 故属于空间机构。所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作机位置时所需要的独立运动参数的数 目，它是表示机器人运动灵活程度的参数。也可以说是机器人能独立运动（回转和移动）的关节数目。机
10、器人的操作机是由末端执行器、手腕、手臂、机座和移动机构等构成的。他们的独立运动（自由度） 所合成的运动状态（方位），决定了末端执行器所夹持的工件（或工具）在空间的位置和姿态。机器人操作机的自由度数应与原动件数相等，自由度越多，结构和控制就越复杂。在计算机器人的自 由度时，末端执行器的夹持器的动作是不计入的，因为这个动作并不改变工件（或工具）的位置和姿态。 图2-1是机器人小臂与腕部机械传动系统的简图。机械传动系统共有4个齿轮， 为了实现在同一平面改变传递方向90，有2个齿轮为圆锥齿轮，有利于简化系统 运动方程式的结构形式。如果采用蜗轮蜗杆结构,则必然以空间交叉方式变向，就 不利于简化系统运动方
11、程式的结构形式。其中有2个齿轮为直齿圆柱齿轮，用于 减速。小臂的结构形式是由内部铝制的整体铸件骨架与外表面很薄的铝板壳相互 胶接而成。关节4电机安装在小臂后面用于带动传动轴与齿轮的旋转来实现手腕 的摆动；关节5电机也安装在小臂后面，其后紧跟传动轴用于实现手腕的旋转； 关节6电机安装在手腕里，用螺旋传动来实现手爪的夹紧与放松运动，当电机正 转时给杠杆施加一个向上的力来实现放松工件运动，相反，电机反转来实现夹紧 工件运动。第一章绪论1.1机械手概述41.2机械手的组成和分类41.2.1机械手的组成.1.2.2机械手的分类1.3国内外发展状况.71.4课题的提出及主要任务81.4.1课题的提出1.4.2课题的主要任务第二章机械手的设计方案2.1机械手的座标型式与自由度.102.2机械手的手部结构方案设计.112.3机械手的手腕结构方案设计.122.4机械手的手臂结构方案设计.122.5机械手的驱动方案设计.122.6机械手的控制方案设计.122.7机械手的主要参数.122.8机械手的技术参数列表12第三章手部结构设计3.1夹持式手部结构.143.1.1手指的形状和分类3.1.2设计时考虑的几个问题3.1.3手部夹紧气缸的设计
