【正文】 （ %） 年份 裝 配 弧焊 噴漆 點(diǎn)焊 樹(shù)脂成型 鍛鑄熱處理 機(jī)械加工 其他 2022 2022 11， 0 2022 機(jī)械手的研究意義及其本身優(yōu)點(diǎn) 機(jī)械手的研究意義 機(jī)械人手技術(shù)是近 30 年來(lái)發(fā)展比較快的一種新技術(shù)，機(jī)械手是一門新興的的綜合性科學(xué)，他設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造控制工程計(jì)算機(jī)傳感技術(shù)仿真生學(xué)，人工智能等領(lǐng)域 ，工業(yè)機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的重要設(shè)備，它本身是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品 。 工業(yè)機(jī)械手能模仿人肢體的一些動(dòng)作，可以代替人的一些動(dòng)作，代替人們進(jìn)行工作，一次機(jī)械手自問(wèn)世以來(lái)就受到人們的寵愛(ài)而且性能不斷完善，各種優(yōu)良的機(jī)械手不斷出現(xiàn)操作越來(lái)越靈活，在一些方面與人手相比，幾乎達(dá)到了以假亂真的程度，加之各種技能的應(yīng)用，使得機(jī)器人有了 自己的頭腦能不受控制而獨(dú)立的處理一些問(wèn)題，因此其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 機(jī)械手本身的優(yōu)點(diǎn) 搬運(yùn)機(jī)械手是機(jī)器人家族中的重要一員，其應(yīng)用最廣泛，在自動(dòng)化流水線生 產(chǎn)中勞動(dòng)強(qiáng)度最大，工作條件差，熱塵煙霧毒氣等使得環(huán)境惡化，使得人的工作受到了種種限制，此時(shí)搬運(yùn)機(jī)械手則能夠迎難而上，獨(dú)樹(shù)一幟，而且其能不知疲倦的工作，搬運(yùn)機(jī)械手具有許多人沒(méi)法相比的優(yōu)點(diǎn) ： （ 1）工作時(shí)間持久，不會(huì)出現(xiàn)人的疲勞，可以重復(fù)不間斷的勞動(dòng)，能 持流水線的持續(xù)工作。 （ 2） 對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，特別能在多粉業(yè)，以燃燒以爆炸放射性等惡劣哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 環(huán)境下工作。 （ 3）運(yùn)動(dòng)靈活精確，能夠延伸到人手所不能到達(dá)的空間區(qū)域內(nèi)進(jìn)行工作，而不受外界因素的干擾。 （ 4）通用性好，本搬運(yùn)機(jī)械手在設(shè)計(jì) 過(guò)程中，考慮到其通用性，因此留有 余地，因此除搬運(yùn)外，還可以焊接噴漆等。 （ 5） 工作效率高，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，同時(shí)也降低了成本。 諸多的優(yōu)點(diǎn)為機(jī)械人的廣泛應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景，而我國(guó)在這些方面還處于初始階段，因此需要更進(jìn)一步發(fā)展，本次的設(shè)計(jì)是對(duì)大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的鞏固與綜合應(yīng)用。 本章小結(jié) 本章介紹了五自由度液壓搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)研究背景及其研究現(xiàn)狀，列舉了一些國(guó)家的研究成果，重點(diǎn)講述了機(jī)械手的研究在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用領(lǐng)域，還介紹了機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展前景。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 第 2章 總體方案設(shè)計(jì) 設(shè) 計(jì)目標(biāo) 設(shè)計(jì)一種 五自由度搬運(yùn)機(jī)器手，包括機(jī)器手 的總體設(shè)計(jì)，移動(dòng)方式設(shè)計(jì)，動(dòng)作規(guī)劃設(shè)計(jì)，三維造型設(shè)計(jì)等。 重點(diǎn)是機(jī)器手的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)，即如何在綜合 考慮機(jī)器人的功能和特性要求后，能夠完整的設(shè)計(jì)出合理而優(yōu)化的機(jī)器手 。 功能指標(biāo)包括： 機(jī)械手的各部件的升降、轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)壓力的敏感反映等，使得機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)到達(dá)任何位置的升降、轉(zhuǎn)動(dòng) ，同時(shí)具有重量輕，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 由于本設(shè)計(jì)并沒(méi)有工業(yè)實(shí)際的問(wèn)題的要求，也就是沒(méi)有要功能模塊的具體設(shè)計(jì)，并且，設(shè)計(jì)者所希望的創(chuàng)新性也大過(guò)實(shí)用性?；谝陨显?，本設(shè)計(jì)暫不考慮對(duì)于功能模塊的搭載問(wèn)題 ，僅 僅討論并設(shè)計(jì)一種合理可行、盡可能優(yōu)化了的五自由度液壓搬運(yùn)機(jī)械手 。 總體方案分析 搬運(yùn)機(jī)械手的組成 圖 21 組成 框架圖 參考諸多的搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)理念，以及對(duì)于本題目 —— 五自由度搬運(yùn)機(jī)械手的理解，現(xiàn)將 總體分為五大部件，分別為： 大臂升降結(jié)構(gòu)、大臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、伸縮臂結(jié)構(gòu)、小臂伸縮結(jié)構(gòu)、手爪回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、手爪伸縮結(jié)構(gòu)。 三大系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 1． 控制系統(tǒng) 此系統(tǒng)是控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作從而實(shí)現(xiàn)按預(yù)定程序進(jìn)行工作的機(jī)構(gòu)，并通過(guò)位置檢測(cè)的反饋來(lái)檢測(cè)工作的精度，從而保證能正確實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)， 迅速準(zhǔn)確的完成機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，包括程序控制部分和行程反饋部分。 2． 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 用來(lái)為各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，是實(shí)現(xiàn)一切運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，有氣動(dòng)、液動(dòng)電動(dòng)和機(jī)械式四種形式，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，本控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，五個(gè)自由度。 3． 執(zhí)行系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是完成各種動(dòng)作的總稱，具體包括以下幾個(gè)部分 （ 1）手部：直接與工件接觸的部分，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手的手部用夾鉗式，用來(lái)抓取工件，或用來(lái)支撐焊條，噴槍（手部用法蘭連接，可以拆換，更換手部，以滿足工作需要） （ 2） 腕部連接手部和臂部的工件用來(lái)調(diào)整被抓取物體 的方位 （ 3） 臂部：支撐被抓物體的手部和腕部的重要部件，帶動(dòng)手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定位置。 （ 4） 腰部 :機(jī)身是支撐機(jī)器手所有部件的部位及其零件，是整個(gè)機(jī)械手的基礎(chǔ)。 搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)及驅(qū)動(dòng)方式 1． 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng) 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)包括自由度數(shù)和運(yùn)動(dòng)范圍 本機(jī)械手采用雙抓，這是因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)： (a) 運(yùn)動(dòng)靈活 (b) 工作空間大 (c) 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)處容易密封，防塵 (d) 作效力大大的提高了 (e) 工作要求低 2． 自由度數(shù) 自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件所具有的獨(dú)立運(yùn) 動(dòng)的數(shù)目稱為自由度，自由度是衡量機(jī)械手設(shè)計(jì)水平的重要指標(biāo)，自由度越多的機(jī)械手能完成的運(yùn)動(dòng)越復(fù)雜，技術(shù)難度越大，控制定位越困難，安裝越復(fù) 雜，成本高，因此在具體問(wèn)題中盡量減少自由度， 本機(jī)械手是考慮到選用腕部來(lái)回轉(zhuǎn)，小臂伸縮，小臂俯仰，大臂回轉(zhuǎn)，大臂升降等 5 個(gè)自由度完全滿足工作要求。 3． 運(yùn)動(dòng)范圍 關(guān)節(jié) 3 結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍和形狀取決于大臂和小臂的長(zhǎng)度比，本機(jī)械手大臂長(zhǎng) 600mm，小臂長(zhǎng) 800mm，具體范圍見(jiàn)后圖。圖中矩形為包容區(qū)域 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 圖 22 機(jī)械手水平面的運(yùn)動(dòng)范圍 圖 23 空間轉(zhuǎn)動(dòng)范圍 4． 運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)方式 運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)方式是將動(dòng)力源的運(yùn)動(dòng)傳遞到實(shí)現(xiàn)自由度運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，本設(shè)計(jì)中將直線油缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞出去，針對(duì)結(jié)構(gòu)的需要和驅(qū)動(dòng)力的大小，各自由度的運(yùn)動(dòng)采用不同的傳遞方式，大臂回轉(zhuǎn)，腕部回轉(zhuǎn)都采用回轉(zhuǎn)油缸，小臂俯仰、小臂伸縮、大臂升降都采用直線油缸。 5． 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式 采用液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是： （ 1） 速度反映性好 。 因?yàn)楸或?qū)動(dòng)部件的速度快慢取決于油液 容積變化，所以當(dāng)不考慮溫度變化的時(shí)候，被驅(qū)動(dòng)系的滯后幾乎不存在， 而且液壓機(jī)構(gòu)的重量輕，慣性小，他的速度反應(yīng)性好。 （ 2） 調(diào)速范圍大，還可以無(wú)極調(diào)速，適用于不同的工作要求。 （ 3） 傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實(shí)現(xiàn)比較頻繁而平穩(wěn)換向。 （ 4） 在產(chǎn)生相同驅(qū)動(dòng)力的條件下，液壓驅(qū)動(dòng)比其他驅(qū)動(dòng)方式體積小， （ 5） 定位精度高 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 （ 6） 驅(qū)動(dòng)力或力矩大 存在的不利因素有： （ 1） 液壓系統(tǒng)存在泄漏對(duì)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性有一定的影響 （ 2） 油液中如果混有空氣將降低傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛性，影響定位精度，產(chǎn)生爬行 （ 3）油液的溫度和黏度的變化影響傳動(dòng)的性能 本章小結(jié) 本章對(duì)總體方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行了確定，規(guī)劃了搬運(yùn)機(jī)械手的三大組成部分，進(jìn)而 對(duì)三大組成部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，確定了搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式及其驅(qū)動(dòng)源，設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)范圍及回轉(zhuǎn)角度，對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 第 3章 基本參數(shù)及 二維 外觀圖 基本參數(shù) ： 工業(yè)機(jī)械手 ： 搬運(yùn) ： 5 （腕部轉(zhuǎn)動(dòng)、小臂伸縮、小臂俯仰、大臂回轉(zhuǎn)、大臂升降 ） 4. 抓重：最大 5Kg 5． 工作范圍與速度 工作范圍與速度如下表 31 運(yùn)動(dòng)自由度 動(dòng)作范圍 速度 腕部回轉(zhuǎn) 90176。 — 90176。 45176。 /s 小臂伸縮 0— 300mm 小 臂俯仰 0— 100mm 大臂回轉(zhuǎn) 90176。 — 90176。 15176。 /s 大臂升降 0— 120mm 6. 控制方式： PTP/CP 7. 重復(fù)定位精度： +2mm 8. 驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng) 9. 驅(qū)動(dòng)源 ：液壓油泵 總體外觀圖 外觀圖簡(jiǎn)圖 圖 31 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1— 手腕 2— 小臂 3— 俯仰缸 4— 大臂 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 液壓原理 設(shè)計(jì) 圖截圖 圖 35 液壓控制工作原理圖 表 32電 磁鐵動(dòng)作循環(huán)表 現(xiàn)將本機(jī)械手的工作順序過(guò)程介紹如下： （ 1） 電磁鐵 11通電， 大臂旋轉(zhuǎn)油缸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)大臂周向定位 （ 2） 電磁鐵 9通電， 大臂升降油缸伸出，實(shí)現(xiàn)大臂軸向定位 （ 3） 電磁鐵 7通電，伸縮臂伸縮缸伸出，實(shí)現(xiàn)伸縮臂軸線定位 （ 4） 電磁鐵 5通電，小臂伸縮缸伸出，實(shí)現(xiàn)小臂的軸向定位 （ 5） 小臂到達(dá)伸出一定距離，碰到行程開(kāi)關(guān) 14，之后將電磁鐵 3 接哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 通實(shí)現(xiàn)手爪旋轉(zhuǎn)缸體的運(yùn)動(dòng)。 （ 6） 電磁鐵 3通電，手爪旋轉(zhuǎn)缸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手爪的周向定位 （ 7） 電磁鐵 1通電，手爪伸縮缸伸出，實(shí)現(xiàn)手爪的軸向定位 （ 8） 手爪抓取工件，工件與手爪夾緊到一 定壓力，壓力繼電器通電使得電磁鐵 1 斷電 ，電磁鐵 2 通電手爪收縮，實(shí)現(xiàn)手爪的軸向定位。 （ 9） 電磁鐵 4 通電，手爪旋轉(zhuǎn)油缸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手爪的周向定位。 (10) 電磁鐵 6通電，小臂伸縮油缸回縮，實(shí)現(xiàn)小臂的軸向定位。 （ 11） 電磁鐵 9通電，伸縮臂回縮，實(shí)現(xiàn)伸縮臂軸線定位。 （ 12）電磁鐵 11通電， 大臂升降油缸下降，實(shí)現(xiàn)大臂軸向定位。 （ 13）電磁鐵 13 通電，大臂旋轉(zhuǎn)油缸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)大臂周向定位。 在參考了眾多機(jī)械手手部 的結(jié)構(gòu)后，結(jié)合自己的設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)在設(shè)計(jì)出如上圖的液壓機(jī)械手及其驅(qū)動(dòng)液壓原理裝置。 下面介紹各個(gè)液壓 缸體的設(shè)計(jì)計(jì)算及其型號(hào)的選用， 機(jī)械人手部結(jié)構(gòu)形式多樣，但總的設(shè)計(jì)都有如下幾點(diǎn)基本要求： （ 1） 應(yīng)具有足夠的夾緊力和驅(qū)動(dòng)力，手爪握力（夾緊力）大小要適宜，力量過(guò)大則動(dòng)力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟(jì)；力量過(guò)小則會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)、脫落。在確定握力時(shí)，除考慮抓取物體重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證夾持安全可靠； （ 2）手爪具有一定的開(kāi)閉角度（手指從張開(kāi)到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度）。 （ 3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。 本章小結(jié) 本章對(duì)機(jī)械手的基本參數(shù)進(jìn)行了確定，并且繪制出了總體外觀圖及液壓原理圖，同時(shí)對(duì)液壓原理圖的工作原理進(jìn)行了電磁鐵的動(dòng)作表繪制，對(duì)工作周期做了具體介紹。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 第 4章 各部分的具體計(jì)算 手部夾持器的計(jì)算 手部夾持器設(shè)計(jì)要求 夾持兩個(gè)棒料，每個(gè)不大于 5kg 2. 各部分的長(zhǎng)度 手腕： 300mm 手臂： 800mm 俯仰小臂： 200mm 大臂： 500mm 3. 手抓機(jī)構(gòu)分析 手部夾持器是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部位之一，它的主要用途是夾持工件或工具按規(guī)定的動(dòng)作程序 來(lái)完成制定的工作，它的加緊和伸開(kāi)都是自動(dòng)完成的。 手部夾持器應(yīng)具有以下幾點(diǎn)： （ a） 足夠的夾緊力 （ b） 保證工件在手指的準(zhǔn)確定位 ( c ) 能適應(yīng)工作環(huán)境所提出的要求 （ d）保證在強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重輕。抓起范圍： 20 毫米到 50 毫米的圓柱體工件其抓取原理圖如下： 圖 41 手爪工作原理圖 1— 鉸接點(diǎn) 2— 手指 3— 工件 手部夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 進(jìn)分析可知，此手抓作單支點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，由此可知： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 12 cosP P a? 1 2cosPP a? （ 41） 力矩平衡： 1 25 50PN? ? ? （ 42） N=100 122PPP?? (43) 夾緊力： 1 2 3N K K K G? （ 44） = 2 100? ? ? =