小型夹持式机械手及手臂设计

黄河科技学院毕业设计说明书第1页1绪论1.1课题研究的目的和意义机器人是人类很早就梦想制造的、具有仿生性且处处听命于人的自动化机器，它可以帮助人类完成很多危险、繁重、重复的体力劳动。机器人技术是现代科学技术高度集成和交融的产物，它涉及机械、控制、电子、传感器、计算机、人工智能、知识库系统以及认识科学等众多学科领域，是当代最具有代表性的机电一体化技术之一。人类文明的发展、科技的进步已和机器人的研究、应用产生了密不可分的关系。为了适应社会的需求，各院校都比较重视机器人技术和控制技术等课程在机械设计及其自动化专业的开设，使培养的学生懂得机器人设计方面的技术。经过40多年的发展，现代机器人技术在工业、农业、国防、航空航天、商业、旅游、医药卫生、办公自动化及生活服务等众多领域获得了越来越普遍的应用。机器人技术不断进步与创新，所到之处使整个制造业乃至整个社会都发生了和正在发生着翻天覆地的变化。机器人是最具代表性的现代多种高新技术的综合体，它可以从某个角度折射出一个国家的科学水平和综合国力。由于社会的需求，造就了一批从事设计、开发和使用机器人的高级人才。而设计和开发的基础，是对机器人机械系统、感知系统和控制系统等的理解和掌握，才能较好的使用其中的资源来进行设计。故此本文介绍了机器人设计的基本理论，讨论了机器人本体基本结构的相关内容，描述了机器人控制器和传感器等的基本原理，然后再介绍机器人轨迹规划和静力分析方面的知识，使学生既懂得怎样设计一个机器人，同时能熟练地运用此设计理论。机器人技术是现代科学技术高度集成和交融的产物，计算机技术的不断肩部和发展使机器人技术的发展一次次达到一个新的水平。机器人涉及机械、控制、电子、传感器、计算机、知识库系统以及认识科学等诸多学科领域，成为高科技中极为重要的组成部分。人类文明的发展、科技的进步已和机器人的研究、应用产生了不可分的关系。机器人技术是当代最具代表性的机电一体化技术之一。机器人已广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。机器人在现代工业中应用得特别广泛，而其与外界环境直接接触的部分是机械手，它可以代替人手，与外界环境中有毒以及有害的物质直接接触以减少对人黄河科技学院毕业设计说明书第2页的危害，它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点。人类社会的发展已离不开机器人技术，而机器人技术的进步又对推动科技发展起着不可代替的作用。因此，设计机械手有特别重要的意义。1.2国内外研究状况目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家应该是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。机器人技术的发展推动了机器人学的建立，许多国家成立了机器人协会，美国、日本、英国、瑞典等国家设立了机器人学学位。20世纪70年代以来，许多大学开设了机器人课程，开展了机器人学的研究工作，如美国的MIT、RPI、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue、UnivofCalifornia等大学都是研究机器人学富有成果的著名学府。随着机器人学的发展，相关的国际学术交流活动也日渐增多，目前最有影响的国际会议是IEEE每年举行的机器人学及自动化国际会议，此外还有国际工业机器人会议(ISIR)和国际工业机器人技术会议(CIRT)等。出版的相关期刊有“RobotToday”、“RoboticsResearch”、“RoboticsandAutomation”等多种。我国的机器人技术起步较晚，约于20世纪70年代末、80年代初开始。20世纪90年代中期，6000m以下深水作业机器人试验成功，以后的近10年中，在步行机器人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等国际前沿领域逐步缩小了与世界先进水平的差距。1.3机械手的特点机械手最显著的特点有以下几个:（1）可编程生产自动化的进一步发展是柔性自动化。机械手可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。（2）拟人化能模仿人手和手臂的某些动作功能，用来按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全（3）通用性除了专门设计的专用机械手外，一般机械手在执行不同的作黄河科技学院毕业设计说明书第3页业任务时具有较好的通用性。比如，更换机械手部末端操作器(手爪、工具等)便可执行不同的作业任务。1.4机械手的组成作为一个系统，一般来说，机械手由三部分、六个子系统组成。这三部分是机械部分、传感部分、控制部分；六个子系统是驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机械手-环境交互系统、控制系统等。（1）驱动系统驱动系统主要指驱动机械系统的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系统可分为电动、液压、气动以及把它们结合起来应用的综合系统。（2）机械系统机械系统又称操作机或执行机构系统，它由一系列连杆、关节或其他形式的运动副所组成。机械系统通常包括臂关节、腕关节和手爪等，构成一个多自由度的机械系统。（3）感知系统感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有用的信息。（4）控制系统控制系统的任务是根据机械手的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机械手的执行机构完成规定的引动和功能。（5）机械手-环境交互系统工业机械手-环境交互系统是实现机械手与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。（6）人机交互系统人机交互系统是使操作人员参与机械手控制并与机械手进行联系的装置，一般来说，人机交互系统可分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。黄河科技学院毕业设计说明书第4页2总体方案设计设计机械手的第一步是进行总体方案设计，即在充分调查研究的基础上，进行可行性分析论证，确定夹持机械手的使用范围、夹持方法、初选各部件的结构和总体布局等。这是整台机器技术设计的依据。因此，在拟定总体方案时，必须全面地考虑，使确定的方案既先进有经济效益高。2.1机械手动作规划本设计要求机械手能实现对5kg以内物品的夹持，同时实现翻转，抬起运动。为了满足设计要求，首先要考虑所要设计的机械手的自由度。在三维空间描述一个物体的位置和位姿需要6个自由度。机械手的自由度是根据用途而设计的，可能小于也可能大于6个自由度。本次设计的机械手具有两个自由度，即机械手的翻转、抬起运动，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。如图2.1所示：图2.1机械手动作规划示意图2.2传动方案的确定传动方案反映运动和动力传递路线和各部件的组成和联接关系。合理的传动方案首先要满足机器的功能要求，例如传动功率的大小，转速和运动形式。此外还要适应工作条件（工作环境、场地、工作制度等），满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护便利、工艺性和经济性合理等要求。同时满足这些要求是比较困难的，因此要通过分析比较多种方案，来选择能保证重点要求的较好的传动方案。黄河科技学院毕业设计说明书第5页2.2.1手部方案的确定手部最重要的部分是机械夹持器，首先它应具有夹持和松紧的功能。夹持器夹持工件是，应有一定的力约束和形状约束，以保证被夹持工件在移动、停留和装入过程中，不改变姿态。当需要松开工件时，应完全松开，另外它还应保证工件夹持姿态在现几何偏差在给定的公差带内。机械夹持器可分为圆弧开合型、圆弧平行开合型和直线平行开合型。本次设计选用圆弧开合型，这种类型在传动机构带动下，手指指端的运动轨迹为圆弧，两手指绕支点做圆弧运动，同时在对工件进行加紧和定心。这类夹持器对工件被夹持部位的尺寸有严格要求，否则可能会造成工件状态失常。其结构如图2.2所示。图2.2手爪示意图2.2.2手臂回转方案的确定手臂回转机构有回转轴、轴承和驱动机构组成。驱动机构有直接驱动和间接驱动等形式。如图2.3所示，驱动机构和回转轴同轴，这种形式直接驱动回转轴，回转轴通过轴承的支撑和导向作用，带动手臂回转，这种结构有较高的定位精度。黄河科技学院毕业设计说明书第6页图2.3手臂回转运动示意图回转机构中轴承起着相当重要的作用，用于转到关节的轴承有多种形式，球轴承是机械手结构中最常用的轴承。球轴承能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴承和轴承座的刚度不敏感。至于手臂回转轴承的选择将在以下章节用介绍。2.2.3手臂俯仰方案的确定机械手手臂俯仰运动通常采用摆臂油（气）缸驱动、铰链连杆机构传动实现手臂的俯仰，本次设计采用油缸驱动。如图2.4所示，手臂俯仰运动用的活塞缸位于手臂下方，其活塞杆和手臂用铰链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接。图2.4手臂俯仰运动示意图黄河科技学院毕业设计说明书第7页3机械手结构设计对小型夹持机械手及手臂结构设计的主要内容为：手部设计、手臂回转设计和手臂俯仰设计。3.1手部设计机械手的手部也叫做末端执行器，它是装在机械手手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。手部主要具有以下特点：（1）手部和腕部相连处可拆卸。（2）手部是机器人末端执行器。（3）手部的通用性比较差。（4）手部是一个独立的部件。3.1.1手指夹紧力的确定为了增大夹紧力，在机械手手爪加紧面上加上橡胶，通过增大摩擦系数来加大夹紧力。选择被夹物体的材料为铁，则摩擦系数=0.45。由于设计要求能夹持5kg重的物体，所以，夹紧力QF为：QFmg（3.1）QF=mg=45.08.95N=108.9（N）3.1.2手指结构设计手部设计和选用时最主要的是满足功能上的要求。首先要考虑的是要抓握什么样的工件，本次设计选用被夹持物体的材料为铁，其密度331086.7mkg，形状尺寸为圆柱体，选取高h=mm100，则被夹持物体的半径为：14.31001086.753hmR=)(45mm（3.2）黄河科技学院毕业设计说明书第8页则夹紧时手爪作用点之间的距离为2R。机械手通常利用手指与工件接触面间的摩擦力来夹持工件。工件在被夹持的过程中，从静止状态开始可能有多种运动形式。在不同的运动状态下，工件的受力情况是不同的，当工件处于静止或匀速移动状态下时，工件除了与手爪的作用力外，所承受的只用重力；当工件加速运动时，其受力情况还应考虑惯性力的影响。因此，在设计时，应对夹持器的各种工作状态进行分析，使其结构能提供必学的夹持力。根据经验和查阅相关资料，手部机构设计如下图：图3.1手爪设计分析图图中,e为支持器活塞中心至手指支点的距离；l为手指支点至指端（与工件接触点）的长度；r为手指支点销轴的半径；PF为液压缸所需要提供的轴向作用力；1F为手指回转有效分力，1F=PF2cos；2F为垂直分力，2sin2PFF；QF为单手指指端作用力（加持力）；为压力角；为构件间相互摩擦系数。由图可知手指对手指支点的力矩平衡式为0sin221FrFeFelFpQ整理得)]sincossin([2reelFFpQ黄河科技学院毕业设计说明书第9页考虑到手指夹持工件时，0，若忽略摩擦影响（0），则上式可简化为leFFpQ2（3.3）根据经验和设计要求，并考虑手部结构的特征，取e=20mm,l=60mm则所需提供轴向作用力为elFFQp2=)(4.65320609.1082NN3.2臂部结构设计机器人的手臂由大臂、小臂（或多臂）组成。手臂的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电动驱动几种形式，其中电动形式最为通用。臂部设计需要注意以下问题：(1)承载能力足。不仅要考虑抓取物体的重量，还要考虑运动时的动载荷。(2)刚度高。为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，应合理选择手臂的截面形状。工字形截面弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴的大得多，所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。(3)导向性能好，动作迅速、灵活、平稳，定位精度高。为防止手臂在直线运动过程中沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。由于臂部运动速度越高，定位前惯性力