【文章內(nèi)容簡介】 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)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。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)用的最著名實例。 (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之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。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)，目前己基本掌 握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(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、點焊、裝配、搬運等機(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)器人己應(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，我國己安裝的國產(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”，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、模塊化設(shè)計，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， 6000m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，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 期立于世界先進(jìn)行列之中。 課題的提出及主要任務(wù) 課題的提出 進(jìn)入 21世紀(jì)，隨著我國人口老齡化的提前到來，近來在東南沿海還出現(xiàn)在大量的缺工現(xiàn)象，迫切 要求我們提高勞動生產(chǎn)率，降低工人的勞動強(qiáng)度，提高我國工業(yè)自動化水平勢在必行，本設(shè)計的目的就是設(shè)計一個氣動搬運機(jī)械手，應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運到另外一條生產(chǎn)線，實現(xiàn)自動化 生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動，同時又可以提高勞動生產(chǎn)率。 現(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點 : (1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失 (摩擦損失、泄露損失等 ):液壓傳 動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。 (2)工作時受溫度 變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 (3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。 (4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高 。且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機(jī)械手?jǐn)M采用氣壓傳動，氣動技術(shù)有以下優(yōu)點 : (1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器 :介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題 . （ 2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小 (一般不卜澆塞僅為油 路的千分之一 )，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。 (3)動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要 速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。 (4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。 (5)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。 (6)成 本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加第一章 緒論 10 工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為 :由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難 (尤其在高速情況下，似乎更難想象 )。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機(jī)械手、氣動機(jī)器人的實用性和前景存在不少疑慮。 課題的主要任務(wù) 本課題將要完成的主要任務(wù)如下 : (1)機(jī)械手為 多工位沖床專用 機(jī)械手，因此相對于 通用 機(jī)械手來說，它的適用面相對較 小 . (2)選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度 (3)設(shè)計出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括 :手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計。工業(yè)需要的時候還可以用氣流負(fù)壓式吸盤來吸取板料工件。 (4)氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計 本課題將設(shè)計出機(jī)械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設(shè)計，并繪出氣動原理圖。 (5)對氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的參數(shù)化繪制進(jìn)行研究，提高繪圖效率，改善繪圖質(zhì)量。 (6)機(jī)械手的控 制系統(tǒng)的設(shè)計本機(jī)械手?jǐn)M采用 繼電器 對機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題 將繪出繼電器控制電路圖 。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 第二章 機(jī)械手的設(shè)計方案 對氣動機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾 放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、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定位等特性。設(shè)計氣動機(jī)械手的原則是 :充分分析作業(yè)對象 (工件 )的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件 。明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步 確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求 。盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制 .本次設(shè)計的機(jī)械手是 多工位沖床專用 機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的 和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下。 圖 21 機(jī)械手的四種坐標(biāo)形式 直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實 現(xiàn)的，如圖 a21.。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)械手有可能達(dá)到很高的位置精度（μ m級）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)械手的運動空間相對機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)械手主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 第二章 機(jī)械手的設(shè)計方案 12 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來 實現(xiàn)的，如圖。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 3. 球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 4. 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖 。關(guān)節(jié)型機(jī)械手動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用 十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)械手。 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 按機(jī)械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在 工作 時手臂具有 伸縮、橫移和升降 運動，因此，采用 直角 座標(biāo)型式。 下圖為本次機(jī)械手的自由度以及運動示意圖。 圖 21 機(jī)械手的運動示意圖 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。 當(dāng)活 塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。 采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要 小很多。 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 ，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。機(jī)械手手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運動角度愈大，則機(jī)械手腕部的靈活性愈高，機(jī)械手對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機(jī)械手的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機(jī)械手手腕的自由度數(shù)為 2 至 3 個，有的需要更多的自由度，而有的機(jī)械手手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此 ，要具體問題具體分析，考慮機(jī)械手的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。 ，在設(shè)計機(jī)械手手腕時，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機(jī)械手腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。 ，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 ，以保證力與運動的傳遞。 ，以減小空回間隙，提高傳動精度。 第二章 機(jī)械手的設(shè)計方案 14 ，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。 機(jī)械手的手臂運動（包括腰座的回轉(zhuǎn)運動），給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機(jī)械手手臂末端的手腕，則給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機(jī)械手手腕是機(jī)械手操作機(jī)的最末端，它與機(jī)械手手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 考慮到機(jī)械手的 優(yōu)化 ，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè) 有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 機(jī)械手手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機(jī)械手所要求的工作空間內(nèi)的運動。在進(jìn)行機(jī)械手手臂設(shè)計時，要遵循下述原則； ；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣可以使機(jī)械手運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機(jī)械手的控制。 。工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。但 機(jī)械手手臂末端工作空間并沒有考慮機(jī)械手手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機(jī)械手手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 ，應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)械手手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)械手手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重小（其比重相當(dāng)于鋼的 1/4，相當(dāng)于鋁合金的 2/3），但是，其價格昂貴， 且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)械手手臂的重量。 ，以減小機(jī)械間隙所造成的運動誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。 ，這對減小電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)械手手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計機(jī)械手的手臂時，應(yīng)盡可能利用在四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 機(jī)械手上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來 減小機(jī)械手手臂的不平衡重量，必要時還要設(shè)計平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。 塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動活塞往復(fù)移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計按照工件的直徑為 50mm 來設(shè)計。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖 25 所