机械手的结构设计

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1、编号：湖北文理学院理工学 本科毕业论文（设计）题 目机械手的结构设计机械 系机械设计制造及其自动化专业 学 号学生姓名石杰指导教师丁文文起讫日期20 20摘要本文简要介绍了电动式关节型机器人机械手的概念，机械手硬件和软件的组 成，机械手各个部件的整体尺寸设计，气动技术的特点。本文对机械手进行总体 方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时， 设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动 时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构。设计出了 机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，大大提高了绘图效率和 图纸质量，画

2、出了机械手的装配图图。关键词： 工业机器人 机械手 电动 电动式关节型机器人机械手AbstractAt first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller.Dairy information of the development briefly. What s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The paper introduces the functio

3、n, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator. This

4、paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm. The paper institutes two control schemes of according to the work flow of the manipulator. The paper draws out t

5、he work time sequence chart and the trapezium chart.KEY WORDS: Industrial robot robot electricelectric-type joints robot manipulator目录第一章 绪论 51.1 绪言51.2 课题工作要求71.3 课题基本参数的确定8第二章 结构的设计 102.1 手部的机构102.1.1 手指的形状和分类112.1.2 设计时考虑的几个问题112.1.3 手部夹紧的设计122.2 手腕结构设计 132.2.1 手腕的自由度132.2.2 手腕的驱动力矩的计算132.3 手臂伸缩，

6、升降的尺寸设计与校核182.3.1 手臂伸缩的尺寸设计与校核 182.3.2手臂升降的尺寸设计与校核19第三章 控制系统设计 2243总结致谢 44结参考文献 45第 1 章 绪 论1.1 绪言到目前为止，世界各国对“机器人机械手”还没有做出统一的明确定义。 通常所说的“机器人机械手”是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照予定的 程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运或操纵工具的自动化装置。而“机械手” 一般具有固定的手部、固定的动作程序(或简单可变程序)、一般用于固定工位 的自动化装置。因为国内外称作“机器人机械手”、“机械手”、“操作机”的这三 种自动化和半自动化装置，在技术上有某些相通之处

7、，所以有时不易明确区分， 就它们的技术特征来看，其大致区别如下。“机器人机械手(Industrail Robot)：多数是指程序可变(编)的独立的自动抓取、搬运工件、操纵工具的装置(国内称作机器人机械手或通用机械手)。“机械手(Mechanical Hand)：多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、 操作装置(国内一般称作机械手或专用机械手)。如自动线、自动线的上、下料， 加工中心的自动换刀的自动化装置。“操作机(Manipulator)： 般是指由工人操纵的半自动搬运、抓取、操作 装置。如锻造操作机或处理放射性材料、火工品的装配等所使用的半自动化装置。机器人机械手(Industral Ro

8、bot，简称IR)是I960年由美国金属市场报 首先使用的，但这个概念是由美国GeorgeCPevol在1954年申请的专利“程序 控制物料传送装置“时提出来的。在这专利中所记述的机器人机械手，以现在的 眼光来看，就是示教再现机器人。根据这一专利， Devol 与美国 Consolide Control Corp合作，于1959年研制成功采用数字控制程序自动化装置的原型机。随后，美国的Unimation公司和美国的机械铸造(AMF)公司于1962年分别制造了实用的一号机，并分别取名为Unimate和Versatran。Unimate机器人外形 类似坦克炮塔，采用极坐标结构，而Versatran

9、机器人采用圆柱坐标结构。上述两种机器人成为机器人结构的主流，美国通用汽车公司和福特汽车公司 在其金属冷热加工中，采用这类机器人进行压、铸、冲压等上、下料，收到了良 好的效果。美国的机器人机械手技术的发展，大致经历了以下几个阶段：(1)19631967年为实验定型阶段。 19631967年，万能自动公司制造的 机器人机械手供用户做工艺实验。1967 年，该公司生产的机器人机械手定型为 1900 台。（2） 19681970 年为实验应用阶段。这一时期，机器人机械手在美国进入 应用阶段。例如美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台机器人机械手；1969 年 又自行研制出 SAM 型机器人机械

10、手，并用 21 台组成了点焊小汽车车身的焊接 自动线。（3） 1970 年至今一直出于技术发展和推广应用阶段。19701972 年，机 器人机械手处于技术发展阶段。1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了 第一届全国机器人机械手会议。据当时统计，美国已采用了大约200 台机器人机 械手，工作时间共达 60 万小时以上。与此同时，出现了所谓高级机器人，例如 森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人机械手的系 统。在欧洲第一台机器人机械手是 1963 年瑞典 Kavieldt 公司发表的第一台操作 机。日本在六十年代初期就开始研制固定程序控制的机器手，并从

11、其他各国引 进了用于不同生产过程的机器人，并获得迅速，很快研制出日本国产华的机器人 机械手，技术水平很快赶上了美国并超过了其它国家，目前机器人机械手在日本 已得到迅速发展并很快得到普及。我国虽然开始研制机器人机械手仅比日本晚 56 年，但由于种种原因，机器 人机械手的技术发展比较慢。但目前已引起了有关方面的极大关注。除了引进、 消化、仿制外，已经具备了一定的独立设计和研制能力。在1958 年新疆维吾尔 自治区成立30年大庆站展览馆展出了由新疆机械局研制的跳舞机器人阿依古 丽。在 1986 年地十六届广交会上，成都电讯工程学院研制的第三代仿人机器人 成蓉小姐已经用汉语或英语向来宾问好，并能简要的

12、介绍的展览产品及回答 简单问话。西北电讯工程学院研制的微机控制示教再现式机器人西电 I 号， 也于1985年9月在陕西省科技贸易大会上进行了表演。此外，清华大学自动化 系研制的具有视觉手眼系统，北京钢铁学院研制的焊接机器人，均已达到了较高 的水平。同时，在机器人学科中的视觉、听觉、语音合成、触觉、计算控制以及 人工智能诸领域研究，也取得了一定的进展。近几年来的成就表明，我国机器人技术已经迈出了可喜的一步。相信在不久 的将来，我们一定回赶上世界各国前进的步伐。1.2课题工作要求 为了保证机器人在抓取工件时的精确度，我们在机器人的手部安装了 力觉传感器。用以对机器人的检测和监控。该检测系统运用的是

13、闭环控制。 整个抓取动作的流程见图。N回到原位是否夹紧？启动手臂伸长手爪松开手臂回转180度手腕回转180度初始化夹持工件手部下降手臂缩回手臂上升图 1.1 机械手的工作程序图1.3课题基本参数的确定1、手部负重：10kg （抓取物体的形状为圆柱体圆柱半径高度自定密度 7.8g/cm3.）2、自由度数： 4 个，沿 Z 轴的上下移动，绕 Z 轴转动，沿 X 轴的伸缩，绕X轴的转动3、坐标型式：圆柱坐标，其圆柱坐标型式的运动简图如图所示（见图 1）4、最大工作半径：1800m m,最小工作半径1350mm5、手臂最高中心位置： 1012mm或伺服电机上端最高行程：1387mm （见图2）最小行程

14、： 1237mm图 1.26、手臂运动参数：伸缩行程（X）： 450伸缩速度：250mm/s升降行程（Z）： 150mm 升降速度：60mm/s回转范围（0： 0180度 回转速度：70/s7、手腕运动参数：回转范围（）：0180回转速度： 90/s8、手臂握力：由 N=0.5/f*G 定这里取 f=0.1 G=10kgN=0.5/f*G=50kg即手指握力为 50kg9、定位方式：闭环伺服定位10、重复定位精度： 0.05mm11、驱动方式：电气（伺服电机）12、控制方式：采用 MGS-51 单片微机第 2章 结构的设计2.1 手部机构 手部机构是机器人机械手直接与工件、工具等接触的部件，它

15、能执行人手的 部分功能。目前，根据被抓取工件、工件等的形状、尺寸、重量、易碎性、表面 粗糙度的不同，在工业生产中使用着多种形式的手部机构，最常见的是钳爪式、 磁吸式和气吸式，也有少数的特殊形式。不同形式的手部机构其夹紧力的计算各 有不同。钳爪式手部机构是最常见的形式之一。手爪有两个、三个或多个，其中两个的最多。抓取工件的方式有两种：外卡式和内撑式。从其机械机构特征、外观与功用来看，有多种形式，它们分别是：（1）拨杆杠杆式钳爪（2）平行连杆式钳爪（3）齿轮齿条移动式钳爪（4）重力式钳爪（5）自锁式钳爪（6）自动定心钳爪（7）抓取不同直径工件的钳爪（8）具有压力接触销的钳爪（9）抓勾与定位销十钳爪（10）复杂形状工件用的自动调整式钳爪（11）同时抓取一对工件的钳爪与内撑式三指钳爪（12）特殊式手指钳爪同时对钳爪的选用也非常重要，应考虑以下几个方面：1 应具有足够的夹紧力，这样才能防止工件在移动过程中脱落，一般夹 紧力为工件重量的 2 到3 倍。2 应具有足够的张开角，来适应它抓取和松开工件之间较大的直径范围 而且夹持工件