机械手设计剖析.docx
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机械手设计剖析
一、总体方案设计
1.1设计任务
基本要求：
设计一个多自由度机械手（至少要有三个自由度）将最大重量为40Kg的工件，
由车间的一条流水线搬到别一条线上；
二条流水线的距离为：
1000mm；
工作节拍为：
70s；
工件：
最大直径为160mm的棒料；
1.2总体方案确定
1.2.1自由度
自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部
（末端操作器）的开合自由度。
自由度表示了机器人灵活的尺度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。
机械手的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是结构也越复杂，自由度的增加也意味着机械手整体重量的增加。
轻型化与灵活性和抓取能力是一对矛盾，，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活性和轻量化之间必须做出选择。
工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。
一般通用机械手有5〜6个自由度即可满足使用要求（其中臂部有3个自由度，腕部和行走装置有2〜3个自由度），专用机械手有1〜2个自由度即可满足使用要求。
在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一动作。
在满足前提条件上尽量使结构简单，所以我们这次选择5自由度机械手。
1.2.2机械手基本形式的选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下4种：
（1）直角坐标型机械手：
特点：
操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置。
优缺点：
结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低。
结构图:
惰度的要求。
（2）圆柱坐标型机械手：
特点：
操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐
标系配置。
优缺点：
结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单,使用过程中效率不高。
（3）球坐标（极坐标）型机械手：
特点：
操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置优缺点：
结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂。
（4）多关节型机机械手。
特点：
操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节优缺点：
运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差。
结构图：
因为本次设计的三自由度机械手主要用来运输2流水线的零件，2者距离
1000mm,这就要求机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小。
根据上面4种坐标形式，我选择了圆柱坐标形式，这种形式比较符合这次设计的需要。
图1-2-3是机械手搬运物品示意图。
图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运
到传送带B。
图1-2-3机械手搬运物品示意图
1.2.3机械手的主要部件及运动
在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有3个自由度既：
手抓张合；手臂回转；手臂升降3个主要运动。
本设计机械手主要由3个大部件：
（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。
（2）腕部，腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。
本课题腕部具有回转这一个自由度，采用一个回转液压缸实现手部回转。
（3）臂部，臂是机械手机构的主要执行部件。
它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。
（4）机身，机身是直接支承和传动手臂的部件。
1.2.4机械手的驱动元件
在机器人驱动系统中，使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机以及最近几年出现的超声波电机和HD电动机等几种。
步进电机可直接将电脉冲信号转换成转角，每输入一个脉冲，步进电机就回转一定的角度，其角度大小与脉冲数成正比，旋转方向取决于输入脉冲的顺序。
步进电机可在很宽的范围内，通过改变脉冲的频率来调速，能够快速起动、反转和制动，有较强的阻碍偏离稳定的能力。
在机器人中无位置反馈的位置控制系统
中得到了广泛的应用
直流伺服电机在机器人中应用也很广泛。
常用它直接带动滚珠丝杠驱动关节手臂关节运动。
直流伺服电机的工作原理和基本结构均与一般动力用直流电机相同。
按激磁方式直流伺服电机可分为永磁式、他激式、并激式和串激式等。
在机器人驱动系统中多采用永磁式直流伺服电机。
.
交流伺服电机在机器人中的应用情况与置流伺服电机相同，但交流伺服电机
与直流伺服电机相.比，，功率大、过载能力强、无电刷、环境适应性好，因而交流伺服电机是今后机器人用电机的发展方向。
低速电机主要用于系统精度要求高的机器人。
为了提高功率体积比，伺服电
机制成高转速，经齿轮减速后带动机械负载。
由于齿轮传动存在间隙，系统精度不易提高，若对功率体积比要求不十分严格，而对于精度有严格的要求，则最好取消减速齿轮，采用大力矩的低速电机，配以高分辨率的光电编码器及高灵敏度的测速发电机，实现直接驱动。
环形超声波电动机具有低速大转矩的特点，使用
在机器人的关节处，不需齿轮减速，可直接驱动负载，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空结构传递信息。
HD电动机是一种小型大转矩（大推力）的电动机，电动机可直接与负载连接，可应用在系统定位精度要求高的机器人产品中。
通过上述对几种机器人常用电机的分析和比较，综合考虑本文机械手臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有较高精度并要求能够快速启动和制动，所以选择应用较为广泛的直流伺服电机作为驱动电机。
125机械手的技术参数列表
一、用途：
搬运用于传送带间搬运
二、设计技术参数：
1、抓重:
40Kg夹持式手部）
2、自由度数:
5个自由度
3、座标型式：
圆柱座标
4、最大工作半径:
1000mm
6手臂运动参数
回转范围：
0~180°
二、各主要组成部分设计
2.1爪部机构设计
2.1.1对手部设计的要求
（1）对手部设计的要求
（a）有适当的夹紧力
手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。
对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。
（b）有足够的开闭范围
根据工件外圆大小，夹持的大小直径必须大于100mm。
夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。
工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。
对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。
手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好。
（c）力求结构简单，重量轻，体积小
手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手机构的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。
因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。
（d）手指应有一定的强度和刚度
（e）其它要求：
因此送料，夹紧机械手机构，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。
此种结构较为简单，制造方便。
2.1.2手部设计基本要求
（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。
应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。
（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）厶，以便于抓取工件。
（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。
2.1.3机械手手抓的设计计算
1.选择手抓的类型及夹紧装置
本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：
手抓张合角厶=600，夹取重量为30Kg。
常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。
吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，
不适合用于本方案。
本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。
平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构
简单，适于夹持平板方料，且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置，其理论夹持误差零。
若采用典型的平移型手指，驱动力需加在手指移动方向上，这样会使结构变得复杂且体积庞大。
显然是不合适的，因此不选择这种类型。
通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。
夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。
2、手抓的力学分析
下面对其基本结构进行力学分析：
滑槽杠杆图2-1-3.1为常见的滑槽杠杆
式手部结构。
图2-1-3.1滑槽杠杆式手部结构
图2-1-3.2滑槽杠杆式受力分析
在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F,并通过销轴中心0点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为Fi和F2,其力的方向垂直于滑槽的中心线°Q和°。
2并指向°点，交Fi和F2的延长线于A及Bo
由、Fx=0得片=F2
'Fy=0得
F
Fi:
2cos:
F^-Fi'
由、MoiF=0f；=Fnh
cos二
F=
bcos2:
式中a手指的回转支点到对称中心的距离（mrh.
:
——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。
由分析可知，当驱动力F—定时，〉角增大，则握力Fn也随之增大，但:
角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好:
=300~400o
3、夹紧力及驱动力的计算
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。
必须对大小、方向和作用点进行分析计算。
一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按公式计算：
Fn-KiKzKsG
式中Ki――安全系数，通常i.2~2.0;
k2――工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。
可近似按下式估
K2=i-其中a，重力方向的最大上升加速度；a二畑
at响
Vmax运载时工件最大上升速度
t响一一系统达到最高速度的时间，一般选取0.03~0.5s
K3――方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择G――被抓取工件所受重力（N）。
表2-1-3.1液压缸的工作压力
作用在活塞上外力
F（N）
液压缸工作压力
Mpa
作用在活塞上外力
F（N）
液压缸工作压力
Mpa
小于5000
0.8~1
20000-30000
2.0~4.0
5000~10000
1.5~2.0
30000-50000
4.0~5.0
10000~20000
2.5~3.0
50000以上
5.0~8.0
计算：
设a=5Omm,b=1OOmm0°v〉＜40°；机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力Fn和驱动力F和驱动液压缸的尺寸。
（1）设K^1.5，
a二涯，心=1a=1.02（a运载工件时重力方向的最大上升加速度），
0.5g
K3=0.5
根据公式，将已知条件带入：
Fn=1.51.020.5400=306N
（2）根据驱动力公式得：
2"002
F计算（cos30）2306=918N
50
（3）取“85
F计算918
F实际1080N
n0.85
（4）确定液压缸的直径D
*F实际D-d2p
4
选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.8~1MPa,
根据表2-1-3.2（JB826-66）,选取液压缸内径为：
D=50mm
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
表2-1-3.2液压缸的内径系列（JB826-66）
则活塞杆内径为：
d=500.5=25mm选取d=25mm
4、活塞杆长度与手指长度的计算计算
为了保证手抓张开角为600，活塞杆运动长度为34mm
手抓夹持范围，手指长100mm当手抓没有张开角的时候，根据机构设计，它的最小夹持半径R,=40，当张开600时，最大夹持半径R2计算如下：
R2=100tg3050cos30:
101
■机械手的夹持半径从40~101mm
2.1.4弹簧的设计计算
图2-1-4.1圆柱螺旋弹簧的几何参数
（1）.选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力I..1-800MPa
（2）.选择旋绕比C=8,则
4C-10.615
&+
4C一46
4C—1十0.615（4汉8）-1+0.615,侮
4C-4648-46
（3）
.根据安装空间选择弹簧中径D=35mm估算弹簧丝直径
（5）
.根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数:
选择标准为n=5，弹簧的总圈数n1=n+1.5=6.5圈
（6）.最后确定，D=35mm,d=5,D仁D-d=29mm,D2=D+d=41mm
（7）.对于压缩弹簧稳定性的验算
对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不
允许的。
为了避免这种现象压缩弹簧的长细比b=鱼二巴=1.76，本设计弹簧是
D12
2端自由，根据下列选取：
当两端固定时，b-5.,当一端固定；一端自由时，b乞3.7；当两端自由转动时，『乞2.6结论本设计弹簧b=1.76乞2.6，因此弹簧稳定性合适。
（8）.疲劳强度和应力强度的验算。
对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度
3
和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数N叮0，或者载荷变化幅度不
确能高）ma^8KD^F
兀d
8KD厂
-max3F
nd
81.1840.0553
1080=522401441
轧亠=1.5
max
结论：
经过校核，弹簧适应。
图2-1-4.2机械手开闭示例简图
2.2腕部设计计算
手腕是操作机的小臂上臂和末端执行器手爪之间的连接部件。
其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端行器
的姿态。
故手腕也称作机器人的姿态机构
2.2.1腕部设计的基本要求
腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。
设计腕部时要注意以下几点:
（1）结构紧凑，重量尽量轻。
（2）转动灵活，密封性要好。
（3）注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、
（4）管线的布置以及润滑、维修、调整等问题
（5）要适应工作环境的需要。
另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。
222腕部结构和驱动机构的选择
本设计要求手腕回转1800，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。
2.2.3腕部的设计计算
1、腕部设计考虑的参数
夹取工件重量40Kg，回转180。
2、腕部的驱动力矩计算
（1）腕部的驱动力矩需要的力矩M惯。
（2）腕部回转支撑处的摩擦力矩M摩。
夹取棒料直径160mm长度1000mm重量40Kg，当手部回转180=时，计算力矩：
（1）手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为
220mm直径180mm
G-:
0.0920.227800Kg/m39.8N/Kg=427.9N
（2）擦力矩M摩二0.1m。
（3）
启动过程所转过的角度启二18°=0.314rad，等速转动角速度-2-616s"
查取转动惯量公式有：
121427922J=丄汉m汉R2=丄疋汉0.092=0.178Nms2
229.8
1G321322
J工件-（丨3R）：
40（1■30.08）=3.354Nms
12g12
代入：
26162
M惯量（0.1783.355）38.49Nm
20.314
M=M惯+M摩=M惯+OYM；m_38.49_428Nm
，-0.9-•
3、腕部驱动力的计算
设定腕部的部分尺寸：
根据表2-1-3.2设缸体内空径D=110mm外径根据表
2-2-3.1选择133mm这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径
为226mm动片宽度b=66mm输出轴r=22.5mm。
则回转缸工作压力
液压缸内径
40
50
63
80
90
10
11
12
14
15
16
18
20
0
0
5
0
0
0
0
0
20钢
50
60
76
95
10
12
13
16
14
18
19
21
24
p兰160Mpa
8
1
3
8
6
0
4
9
5
45钢
50
60
76
95
10
12
13
16
14
18
19
21
24
P兰200Mpa
8
1
3
8
6
0
4
9
5
表2-2-3.1标准液压缸外径（JB1068-67）
（mm）
4、液压缸盖螺钉的计算
表2-2-3.2螺钉间距t与压力P之间的关系
工作压力p（Mpa
螺钉的间距t（mm）
0.5~1.5
小于150
1.5~2.5
小于120
2.5~5.0
小于100
5.0~10.0
小于80
缸盖螺钉的计算，如图2-2-3.1所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有
关，见表2-2-3.2，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力
计算：
液压缸工作压强为P=1Mpa所以螺钉间距t小于150mm试选择5个螺钉,nD314^110
空="4110=62.8mm岂80mm，所以选择螺钉数目合适Z=5个
55
Fqs=KFq-1.53954.4=5931.6N
所以Fq=FqFq'=3954.4+5931.6=9886N
Q0QQs
螺钉材料选择Q235则l；.T-让二竺=160MPa（n=1.2L2.5）
n1.5
=0.0101
3.14160106
[4U3Fq0_\4x1.3x9886d.-■:
=
螺钉的直径选择d=12mm.
2.3臂部的设计及有关计算
手臂部件是机械手的主要握持部件。
它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。
手臂运动应该包括3个运动：
伸缩、回转和升降。
本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。
臂部运动的目的：
把手部送到空间运动范围内任意一点。
如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。
因此，一般来说臂部应该具备3个自
由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。
手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。
因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。
2.3.1臂部设计的基本要求
（1）刚度要大：
为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。
弓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曲刚度都比实心轴大得多。
所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。
（2）导向性要好：
为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。
（3）偏重力矩要小：
所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。
为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。
（4）运动要平稳、定位精度要高：
由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。
故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。
2.3.2手臂结构的选择及相关设计计算
1、手臂的典型运动机构
常见的手臂伸缩机构有以下几种：
（1）双导杆手臂伸缩机构。
（2）手臂的典型运动形式有：
直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。
（3）双活塞杆液压岗结构。
（4）活塞杆和齿轮齿条机构。
2、手臂运动机构的选择
通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动，液压缸
选取双作用液压缸。
3、手臂直线运动的驱动力计算
先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。
如此反复，绘出最终的结构。
图2-3-2.1手臂活塞杆简图
做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯
性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。
液压缸活塞的驱动力的计算。
F=卩摩"F密‘F回‘F惯
4、手臂摩擦力的分析与计算
分析：
摩擦力的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。
设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。
计算如下：
由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。
送Ma=OG^^aFb
式中G——参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N；
（m.
L——手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离
a――导向支撑的长度（m
――当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。
=上］工1沖=（1.27L1.57尸
对于圆柱面：
二2
J――摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时:
钢对青铜：
取卩=0.1~0.15
J=0.20“二0.3,g=300N
钢对铸铁：
取卩=0.18~0.3导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁
L=0.198导向支撑a设计为0.0216m
将有关数据代入进行计算
5、手臂惯性力的计算
本设计要求手臂平动是V=5m'min,在计算惯性力的时候，设置启动时间
t=0.2s,启动速度v=v=0.083m/s。
=12.7N
G总Av=400^0.083g：
t9.80.2
&密封装置的摩擦阻力
不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于10Mpa液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：
商=0.03F。
经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：
F=0.03FF摩F惯=1807N
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