【正文】 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。 我國(guó)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(guó)家的支持下，通過 “七五 ”、 “八五 ”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(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(dòng)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 。以上原因 主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)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(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。 11 2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式、類型和參數(shù) 對(duì)碼垛機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾 放和搬運(yùn)對(duì)象，這就要求它們具有較高的精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間 和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。 綜合上述選情況，選取液壓傳動(dòng)。單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的主關(guān)節(jié)數(shù)目即是機(jī)械手的自由度數(shù)目。所以這 3 個(gè)關(guān)節(jié)和聯(lián)接他們的臂桿所構(gòu)成的機(jī)構(gòu)被稱為機(jī)械手的位置機(jī)構(gòu)，后 3個(gè)關(guān)節(jié)主要是確定手部的空間姿態(tài)。 直角坐標(biāo)型機(jī)械手 直角坐標(biāo)型機(jī)械手是通過 3 個(gè)互相垂直的軸線位移來(lái)改變手部的空間位置。有名的 Versatran 機(jī)器人就具有這樣的機(jī)械手，在相同的工作空間下，該種操作機(jī)所占的空間體積要小于直角坐標(biāo)型操作 機(jī)。這種機(jī)械手的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，但目前應(yīng)用較少。這是機(jī)器人中使用最多的一種形式。 （ 2） 基本參數(shù) 運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。 大臂擺動(dòng) 115176。/s 大臂擺動(dòng) 110176。 設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問題： 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手指應(yīng)有一定的開閉范圍。根據(jù)夾持桶裝水的實(shí)際情況齒輪齒條平行連桿平移式夾持器，如下圖 31 所示： 圖 31 齒輪齒條平行連桿平移式 （ 2） 手部液壓缸的計(jì)算和選取 16 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓組件的主要依據(jù)。 （ 6） 夾緊力 NF 的計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)，必須對(duì)其大小、方向、作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。 ( 2 c o s ) 2 2 0 0 8 9 4 7 5 4 7 6 8NP LFFNR?? ? ? ? ? ? 得出為理論計(jì)算值，實(shí)際采取的液壓缸驅(qū)動(dòng)力 39。故腕部也稱作機(jī)械手的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。 伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。腕部相對(duì)機(jī)架間的旋轉(zhuǎn)是通過回轉(zhuǎn)支撐軸承中的薄壁交叉滾子軸承實(shí)現(xiàn)的。 偏M 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量 (包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片 )對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 ( cmN? ). 分析各阻力矩的計(jì)算 : 手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 M： 若手腕起動(dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為 ? ，起動(dòng)過程所用的時(shí)間為 t? ，則 : ).(1 cmNtJJM ??? ?）（慣 (335) 式中 :J 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 )..( 2scmN 。 t? 起動(dòng)過程所需的時(shí)間 (s)。 f 摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承 ?f ，對(duì)于滑動(dòng)軸承 ?f 。 所以： ife + F + F = 9 8 + 1 5 2 + 0 = 2 5 0FF? （ 7） 驅(qū)動(dòng)手腕繞小臂旋轉(zhuǎn)的最大力計(jì)算 手 腕繞小臂旋轉(zhuǎn)需克服旋轉(zhuǎn)時(shí)與小臂接觸產(chǎn)生的摩擦力 1F ，與液壓缸接觸 27 產(chǎn)生的摩擦力 2F ，設(shè)它們的摩擦系數(shù)均為 ， 1F 、 2F 均為 1500N，則： f 1 2=F F F? (344) 1 5 0 0 0 . 1 1 5 0 0 0 . 1 3 0 0N? ? ? ? ? 因?yàn)槭冀K要保證手部和手腕與地面垂直，小臂上驅(qū)動(dòng)手腕繞小臂旋轉(zhuǎn)的液壓缸只是保證其精度，對(duì)其驅(qū)動(dòng)力要求不大，因此只需克服摩擦力 1F 、 2F ，即： f= + F = 3 0 0 + 2 5 0 = 5 5 0 NFF驅(qū) (345) 式中， F驅(qū) 為液壓缸驅(qū)動(dòng)力 fF 為旋轉(zhuǎn)時(shí)克服的摩擦力 F 為液壓缸的摩擦力 （ 8） 驅(qū)動(dòng)手腕繞小臂旋轉(zhuǎn)的液壓缸的選用 液壓缸選取 HSG型液壓缸，此液壓缸屬于單向作用液壓缸工作壓力為16MPa。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行組件的運(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)力平衡原理，單向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻 力，其公式為 : zt FFPDF ??? 421 ? (48) 式中 : 1F 活塞桿上的推力， N tF 彈簧反作用力， N zF 液壓缸工作時(shí)的總阻力， N P 液壓缸工作壓力， Pa 彈簧反作用按下式計(jì)算 : )1( sGF ft ?? (49) nDGdGf 31418? (410) 式中 : fG 彈簧剛度， N/m 1 彈簧預(yù)壓縮量， m s 活塞行程， m 1d 彈簧鋼絲直徑， m 1D 彈簧平均直徑， . n 彈簧有效圈數(shù) . G 彈簧材料剪切模量，一般取 PaG ?? 在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率 ?的影響，則 : tFpDF ?? 421 ?? (411) 由以上分析得單向作用液壓缸的直徑 : 32 14 ( )F FtD p???? (412) 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 ?fG nDGd31418 4333915)1030(8 )( ??? ???? ?? )/( mN? )1( sGF ft ?? )( 3N? ???? 所以 : ?D 4( 1 )F Ftpn? ? ?64 ( 8 6 6 0 . 5 2 2 0 . 6 )1 6 1 0????? ( )mm? 查有關(guān)手冊(cè)圓整，根據(jù)實(shí)際情況，選取 內(nèi)徑 50D mm? 外徑 =68mm? 其簡(jiǎn)圖如下： 33 圖 43 HSG 型活塞桿頭外螺紋耳環(huán)連接 大臂的尺寸和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 大臂是用來(lái)支撐和調(diào)整小臂、手腕和末端執(zhí)行器的位置的部件。 根據(jù)大臂所承受的載荷和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料；如常采用空心的薄壁矩形框體或圓管以提高其彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，減輕自身重量。 (3)驅(qū)動(dòng)大臂的液壓缸的選取 液 壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓組件的主要依據(jù)。時(shí)，為機(jī)械手的最大抓取范圍，也是驅(qū)動(dòng)力最大的時(shí)候，此時(shí) NF 和驅(qū)動(dòng)力 PF 的關(guān)系： 12co s= PN FLF L ? (419) 式中， NF 大臂、小臂、手腕、手部和桶裝水全部重力，估為 3500N PF 液壓缸驅(qū)動(dòng)力 ? 液壓缸與豎直方向的夾角 ,最大范圍時(shí)為 30176。 力矩電機(jī)是一種具有軟機(jī)械特性和寬調(diào)速范圍的特種電機(jī)。 圖 53 力矩電機(jī) 回轉(zhuǎn)支撐軸承的選取 本次設(shè)計(jì)選取回轉(zhuǎn)支撐軸承為交叉圓錐滾子軸承， 交叉圓錐滾子軸承的預(yù)過 40 盈能使軸承具有較大的支撐剛性和回轉(zhuǎn)精度 ，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖 54： 圖 54 交叉圓錐滾子軸承 選取的交叉滾子軸承尺寸如下表 ： 表 交叉圓錐滾子軸承參數(shù) 軸承類型 子分類 國(guó)內(nèi)型號(hào) 規(guī)格（ dDT） 重量 (kg) 回轉(zhuǎn)支撐軸承 交叉圓錐滾子軸承 52873275 100 力矩電機(jī)的選取 腰部回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與軸承處的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩 .手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算 : M M M??驅(qū) 慣 摩 (51) 式中 : 驅(qū)M 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 ( cmN? )。 t? 起動(dòng)過程所需的時(shí)間 (s)。 (3)選取電機(jī) 測(cè)定參與腰部轉(zhuǎn)動(dòng)的的腰部的質(zhì)量 1 40m kg? ,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑 500r mm? 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 221rmJ? (54) 240 ?? ? （ ） 大臂、小臂、手腕和桶裝水的重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，最大偏心距 1 500e mm? ，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 。 f 摩擦系 數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承 ?f ，對(duì)于滑動(dòng)軸承 ? 。 (1)腰部加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩 若腰部起動(dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為 ? ，起動(dòng)過程所用的時(shí)間為 t? ，則 : MJt?? ?慣 (52) 式中 :J 參與腰部轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 )..( 2scmN 。力矩電機(jī)包括：直流力矩電機(jī)、交流力矩電機(jī)、和無(wú)刷直流力矩電機(jī)。根據(jù)力平衡原理，單向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為 : zt FFPDF ??? 421 ? (420) 式中 : 1F 活塞桿上的推力， N tF 彈簧反作用力， N zF 液壓缸工作時(shí)的總阻力， N P 液壓缸工作壓力， Pa 彈簧反作用按下式計(jì)算 : )1( sGF ft ?? (421) nDGdGf 3141? (422) 式中 : fG 彈簧剛度， N/m 1 彈簧預(yù)壓縮量， m s 活塞行程， m 1d 彈簧鋼絲直徑， m 1D 彈簧平均直徑， . n 彈簧有效圈數(shù) . G 彈簧材料剪切模量，一般取 PaG ?? 在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率 ?的影響，則 : tFpDF ?? 421 ?? (423) 由以上分析得單向作用液壓缸的直徑 : 37 14 ( )F FtD p???? (424) 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可 得 ?fG nDGd31418 ? 493337 9 .4 1 0 ( 3 .5 1 0 )8 ( 3 0 1 0 ) 1 5??? ? ?? ? ? )/( mN? )1( sGF ft ?? )