机械手的结构设计

电动式关节型机器人机械手的结构设计第1页编号:湖北文理学院理工学院本科毕业论文（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10316137学生姓名石杰指导教师丁文文起讫日期20~20电动式关节型机器人机械手的结构设计第2页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电动式关节型机器人机械手的结构设计第3页AbstractAtfirst,thepaperintroducestheconceptionoftheindustrialrobotandtheEller.Dairyinformationofthedevelopmentbriefly.What’smore,thepaperaccountsforthebackgroundandtheprimarymissionofthetopic.Thepaperintroducesthefunction,composingandclassificationofthemanipulator,tellsoutthefree-degreeandtheformofcoordinate.Atthesametime,thepapergivesouttheprimaryspecificationparameterofthismanipulator,Thepaperdesignsthestructureofthehandandtheequipmentofthedriveofthemanipulator.Thispaperdesignsthestructureofthewrist,computestheneededmomentofthedrivewhenthewristwheelsandthemomentofthedriveofthepump.Thepaperdesignsthestructureofthearm.Thepaperinstitutestwocontrolschemesofaccordingtotheworkflowofthemanipulator.Thepaperdrawsouttheworktimesequencechartandthetrapeziumchart.KEYWORDS:Industrialrobotrobotelectricelectric-typejointsrobotmanipulator电动式关节型机器人机械手的结构设计第4页目录第一章绪论......................................................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，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.............................................22总结.............................................................43致谢.............................................................44结参考文献.......................................................45电动式关节型机器人机械手的结构设计第5页第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，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”（IndustrailRobot）：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”（MechanicalHand）：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）：一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（IndustralRobot,简称IR）是1960年由《美国金属市场》报首先使用的，但这个概念是由美国George·C·Pevol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ConsolideControlCorp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Ver·satran。Unimate机器人外形类似坦克炮塔，采用极坐标结构，而Versatran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）1963~1967年为实验定型阶段。1963~1967年，万能自动公司制造的电动式关节型机器人机械手的结构设计第6页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）1968~1970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。1970~1972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5~6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。电动式关节型机器人机械手的结构设计第7页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闭环控制。整个抓取动作的流程见图。图1.1机械手的工作程序图ＮＹ初始化手部下降夹持工件是否夹紧？手臂伸长手臂上升手腕回转180度手臂回转180度手爪松开手臂缩回回到原位启动电动式关节型机器人机械手的结构设计第8页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：1800mm，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：1237mm6、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（φ）：0~180度回转速度：〈70/sωφXZ图1.2电动式关节型机器人机械手的结构设计第9页7、手腕运动参数：回转范围（ω）：0~180回转速度：90/s8、手臂握力：由N=0.5/f*G定这里取f=0.1G=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单片微机电动式关节型机器人机械手的结构设计第10页第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