【正文】 阻力矩 …………………………………………………… 19 2 工件重心引起的偏置力矩 …………………………………… 19 3 腕部啟動時(shí)的慣性阻力矩 …………………………………… 20 4 回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩計(jì) 算 ………………………… 21 三 臂部的結(jié)構(gòu) ……………………………………………………… 22 （一） 概述 …………………………………………………………… 22 （二） 手臂直線運(yùn)動機(jī)構(gòu) …………………………………………… 25 （三） 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動 ………………………………………………… 25 （ 四 ） 臂部驅(qū)動力矩的計(jì)算 ………………………………………… 25 1 手臂水平伸縮運(yùn)動驅(qū)動力矩的計(jì)算 ………………………… 26 2 手臂垂直升降運(yùn)動驅(qū)動力矩的計(jì)算 ………………………… 28 5 3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩的計(jì)算 ………………………… …… 30 四 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ………………………………………………… 32 （一） 液壓系統(tǒng)簡介 ………………………………………………… 32 （二） 液壓系統(tǒng)的組成 ……………………………………………… 32 （三） 液壓系統(tǒng)控制回路 …………………………………………… 33 （ 四 ） 機(jī)械手液壓傳動系統(tǒng) ………………………………………… 33 （ 五 ） 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的簡單計(jì)算 ………………………………… 33 結(jié)束語 …………………………………………………………………… 44 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………… 45 致謝……………………………………………………………………… 46 6 前言 （一） 工業(yè)機(jī)器人簡介 幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。如古希臘神話《阿魯哥探險(xiǎn)船》中的青銅巨人泰洛斯（ Taloas)，猶太傳說中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時(shí)刻激勵(lì)著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機(jī)械偶人。 到了近代 ，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人問世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè) 、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判 斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù) 工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工 業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。 （二） 世界機(jī)器人的發(fā)展 國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢： （ 1） . 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從 91 年的 10． 3 萬美元降至 97 年的 6． 5 萬美元。 （ 2）．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三 位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 （ 3）．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （ 4）．機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng) 中已有成熟應(yīng)用。 （ 5）．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。 （ 6）．當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的 “索杰納 ”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 7 (7)．機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出 “虛擬軸機(jī)床 ”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一， 紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域 。 （三） 我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。 我國的工業(yè)機(jī)器人從 80 年代 “七五 ”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過 “七五 ”、 “八五 ”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和 軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有 130 多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn) 業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì) ”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在 “863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人， 6000 米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、 聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在 “十五 ”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 （四） 我要設(shè)計(jì)的機(jī)械手 1. 臂力的確定 目前使用的機(jī)械手的臂力范圍較大，國內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械手的臂力最小為 ，最大為 8000N。本液壓機(jī)械手的臂力為 N 臂 =1650（ N），安全系數(shù) K 一般 可在 ~3，本機(jī)械手取安全系數(shù) K=2。定位精度為 177。1mm。 2. 工作范圍的確定 機(jī)械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動的軌跡來確定。一個(gè)操作運(yùn)動的軌跡是幾個(gè)動作的合成，在確定的工作范圍時(shí)，可將軌跡分解成單個(gè)的動作，由單個(gè)動作的行程確定機(jī)械手的最大行程。 8 本機(jī)械手的動作范圍確定如下： 手腕回轉(zhuǎn)角 度 177。110176。 手臂伸長量 500mm 手臂回轉(zhuǎn)角度 177。110176。 手臂升降行程 100mm 3. 確定運(yùn)動速度 機(jī)械手各動作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作拍節(jié)分配每個(gè)動作的時(shí)間，進(jìn)而確定各動作的 運(yùn)動速度。液壓上料機(jī)械手要完成整個(gè)上料過程，需完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)，平移等一系列的動作，這些動作都應(yīng)該在工作拍節(jié)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，具體時(shí)間的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，對分配的方案進(jìn)行比較，才能確定。 機(jī)械手的總動作時(shí)間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個(gè)動作同時(shí)進(jìn)行，要按時(shí)間長的計(jì)算，分配各動作時(shí)間應(yīng)考慮以下要求： ① 給定的運(yùn)動時(shí)間應(yīng)大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時(shí)間； ② 伸縮運(yùn)動的速度要大于回 轉(zhuǎn)運(yùn)動的速度，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動的慣性一般大于伸縮運(yùn)動的慣性。在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較底的運(yùn)動速度。機(jī)械手的運(yùn)動速度與臂力、行程、驅(qū)動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定。 ③ 在工作拍節(jié)短、動作多的情況下，常使幾個(gè)動作同時(shí)進(jìn)行。為此驅(qū)動系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動作的同步。 液壓上料機(jī)械手的各運(yùn)動速度如下： 手腕回轉(zhuǎn)速度 V 腕回 = 45176。/s 手臂伸縮速度 V 臂伸 = 750 mm/s 手臂回轉(zhuǎn)速度 V 臂回 = 110176。/s 手臂升降速度 V 臂升 = 250 mm/s 手指夾緊油缸的運(yùn)動速度 V 夾 = 50 mm/s 4. 手臂的配置形式 機(jī)械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運(yùn)動要求、操作環(huán)境、工作對象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機(jī)械手采用機(jī)座式。機(jī)座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機(jī)器人所采用，機(jī)座上可以裝上獨(dú)立的控制裝置，便于搬運(yùn)與安放，機(jī)座底部也可以安裝行走 機(jī)構(gòu)，已擴(kuò)大其活動范圍，它分為手臂配置在機(jī)座頂部與手臂配置在機(jī)座立柱上兩種形式，本機(jī)械手采用手臂配置在機(jī)座立柱上的形式。手臂配置在機(jī)座立柱上的機(jī)械手多為圓柱坐標(biāo)型，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運(yùn)動，工作范圍較大。 5. 位置檢測裝置的選擇 機(jī)械手常用的位置檢測方式有三種：行程開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。 本機(jī)械手采用行程開關(guān)式。利用行程開關(guān)檢測位置，精度低，故一般與機(jī)械擋塊聯(lián)合應(yīng)用 。在機(jī)械手中，用行程開關(guān)與機(jī)械擋塊 9 檢測定位既精度高又簡單實(shí)用可靠，故應(yīng)用也是最多的。 6. 驅(qū)動與控制方式的選擇 機(jī)械手的驅(qū)動與控制方式是 根據(jù)它們的特點(diǎn)結(jié)合生產(chǎn)工藝的要求來選擇的，要盡量選擇控制性能好、體積小、維修方便、成本底的方式。 控制系統(tǒng)也有不同的類型。除一些專用機(jī)械手外，大多數(shù)機(jī)械手均需進(jìn)行專門的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 驅(qū)動方式一般有四種：氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動。 參考《工業(yè)機(jī)器人》表 96 和表 97，按照設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手采用的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，控制方式為 繼電 接觸器 控制。 10 一、 手部結(jié)構(gòu) (一 ) 概述 手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手 臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、它沒有手掌，只有自身的運(yùn)動將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計(jì)各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式 …… 等，這里采用滑槽杠桿式。 (二 ) 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問題 1. 應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工 件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 2. 手指間應(yīng)有一定的開閉角 兩個(gè)手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 3. 應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶 ?V?形面的手指，以便自動定心。 4. 應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持 工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。 5. 應(yīng)考慮被抓取對象的要求 應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。 (三 ) 驅(qū)動力的計(jì)算 11 圖 1 滑槽杠桿式手部受力分析 如圖所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿 3 作用下銷軸 2 向上的拉力為 F，并通過銷 軸中心 O點(diǎn)，兩手指 1 的滑槽對銷軸的反作用力為 1F 、 2F ， 其力的方向垂直于滑槽中心線 OO1 和 OO2并指向O 點(diǎn) ， 1F 和 2F 的延長線交 O1O2 于 A 及 B， ∠ AOC=∠ BOC=α。 根據(jù)銷軸的力平衡條件，即