【文章內容簡介】 舉重量： 10Kg 3）手爪開合度： 有效夾持長度： 95mm 有效夾持寬度： 85mm 4）安全范圍 五自由度機械手臂設計 6 以底座中心為圓心，正前方半徑 2m，177。 90186。扇區(qū)； 運動速度： 5） 定位精度 位置精度： 3cm 重復精度： 2cm 本設計的研究內容 1) 根據移動機構的移動能力指標，比較現有移動機構的性能特點，確定移動機構的最佳移動方式。 2) 設計一個 5 自由度關節(jié)式機械臂。 3) 對機械臂進行運動學分析。 4) 對 機械臂進行運動學與動力學分析。 本章小結 本章主要講了機器人的發(fā)展進程、分類、 機器人系統(tǒng)的結構和機器人的執(zhí)行裝置 —— 機械手臂。作者系統(tǒng)學習了機器人技術的知識，查閱了大量的文獻資料，對國內外機器人，主要是工業(yè)機器人的現狀有了比較詳細的了解。并對本課題的研究方向及內容給予了系統(tǒng)的詮釋。 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 7 2 機械臂的設計 機械臂從肩部到手部的部件規(guī)格及質量依次遞減，這有利于機器人的穩(wěn)定性。大臂和小臂采用中空型結構，這種結構不僅抗彎扭能力強。而且重量輕。如圖 21 所示的是機械手臂。 BB30H7 h628H7 h640H7 h6B20H7 m616H7 f626H7 n620K7 h6手爪 腕 小臂 大臂 基座 圖 . 機械手臂 The mechanical arm 機械手臂的設計構想是以人的手為基礎，以機械形式來實現人的動作，它的動作由以下五部分來實現： 1）肩的前后動作。 2）大臂回轉關節(jié)的動作。 3）肘的上下動作。 4）小臂回轉關節(jié)的動作。 5）腕 (手 )的旋轉動作 驅動 傳動機構與執(zhí)行機構是相輔相成的，在驅動系統(tǒng)中可以分 :機械式、電氣式、液壓式和復合式，其中液壓操作力最大。 機械手臂由 5 自由度機械臂與夾鉗式手爪構成。機械臂有三個典型關節(jié)，肩關節(jié) ,肘關節(jié)及腕關節(jié)，在肩關節(jié)與肘關節(jié)之間為大臂，肘關節(jié)與腕 關節(jié)之間為小臂，與肩關節(jié)下端相連的是一使整個機械臂回轉的大臂回轉關節(jié)，在肘關節(jié)與腕關節(jié)之間有一使小臂回轉的回轉關節(jié)。該機為液壓驅動的主從隨動及示教再現式操作機械手。有 5個自由度，除腕部回轉關節(jié)的液壓馬達外，其余動力部件為伺服液壓缸。 五自由度機械手臂設計 8 手爪的運動結構分析 在水下作業(yè)中 ,機械手起著重要的作用 ,如完成水下物體上的安裝和修理、沉船打撈、物體的抓取、轉移、水下對接等作業(yè) ,都需要水下機械手的參與。由于水下環(huán)境的限制 ,水下機械手的手爪結構都較為簡單 ,通常只有一個自由度。本文設計了一種二指機械手爪 ,該手爪可上下開合 以完成對水下物體的抓取。 如圖 ： 133244 圖 . 手爪 The gripper 如圖部件 1 向右側移動，牽動零件 2 小連桿移動，零件 2 小連桿帶動零件 3 內連桿分別向上下兩側移動，使外連桿帶動零件 4 向上下移動，實現手爪的開過程。 在手爪張開的狀態(tài)下，部件 1 向左側移動，牽動零件 2 小連桿移動，零件 2 小連桿帶動零件 3 內連桿同時向中間移動，使外連桿帶動零件 4 同時向中間移動，實現手爪的合過程，同時夾緊物體。 自動對接腕的動作分析 水下作業(yè)機械手和水下作業(yè)工具的對接 系統(tǒng)由液壓自動對接腕和為工具提供動力的油路系統(tǒng)組成。液壓自動對接腕是機械手的手腕，是機器人在水下自動換接作業(yè)工具的關鍵部件。水下作業(yè)工具需完成不同的動作，如，夾持器、切割器等需要直線沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 9 運動，而沖擊鉆、沖擊扳手則需要回轉運動。每把工具都要有自己的驅動部件，液壓缸或液壓馬達等，因此，液壓自動對接腕需要具備兩個功能： 1）機械對接功能，即與工具配合，實現機械手和工具的聯接。 2） 油路對接功能，即使機械手上的油源通過對接腕與工具上的油缸接通，為工具提供動力，這一功能靠安在對接腕上的油路自封接頭（凸對接頭）。除了凸對接 頭外，要實現油路對接，還需要工具上與之相配合的油路自封接頭（凹對接頭）。 圖 . 液壓自動對接腕截面分布示意圖 Automated docking wrist hydraulic schematic crosssection distribution 自密封對接頭 1 鎖緊油缸 自密封對接頭 2 液壓自動對接腕 五自由度機械手臂設計 10 圖 . 鎖緊、導向機構示意圖 The locking, bodyoriented diagram 機械對接機構集中在液壓自動對接腕上，包括鎖緊機構和導向機構。如圖 23 和圖 24 所示，液壓自動對接腕上 的鎖緊機構有三個鎖緊油缸，液壓油缸突出的活塞桿為鎖緊銷，與工具上三個對應的孔配合實現鎖緊。鎖緊油缸的驅動油路可以設計成兩種： 1） 活塞分開的兩腔都通油路，使鎖緊銷兩個方向的動作都由油路控制。 2） 其中一腔通油路，另一腔設置一個彈簧，不通油路，這樣鎖緊銷向一個方向的動作由油路控制，向另一個方向的動作由彈簧完成。 鎖緊銷相當于一個雙作用油缸的活塞桿，因此其鎖緊和脫開均由液壓力來驅動。這種結構優(yōu)點是鎖緊和縮回時出力較大。對接實驗中經常會發(fā)現 , 手腕和工具對接到還差 3mm至 4mm時就不能繼續(xù)對接了 ,此時 , 由于工具 上與鎖緊銷對應的孔有一定的錐度，當伸出三個縮緊銷，鎖緊銷很大的力會使鎖緊銷沿著工具上孔的錐面進入孔內，從而使手腕和工具完全對接上。機械手攜帶工具作業(yè)完成返回到工具庫后，鎖緊銷縮回，工具庫下降，工具與機械手脫離。但是由于工具很重，銷與孔之間有一定的壓力，會在鎖緊銷與工具、鎖緊缸端蓋之間產生磨擦力，液壓動力的鎖緊銷縮回力很大，能夠滿足。 大臂、小臂和腕的機構分析 具有位置控制功能的水下作業(yè)機械手 ,一般常用液壓伺服系統(tǒng)來進行驅動 ,主要原因是因為它具有體積小、重量輕、慣性小以及出力大等突出的優(yōu)點。液壓執(zhí)行元 件選用液壓缸比選用液壓馬達設計出的機械手結構緊湊、受力條件好 ,因此目前大多數水沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 11 下作業(yè)機械手采用伺服閥控液壓缸所構成的液壓伺服系統(tǒng)。 肘關節(jié)與腕關節(jié)之間為小臂，肘關節(jié)與肩關節(jié)之間為大臂。如圖 25 所示： 小臂 1 大臂對稱閥控單出桿液壓缸對稱閥控單出桿液壓缸2 圖 . 大臂、小臂 The great arm, forearm 液壓缸分單出桿液壓缸 (即不對稱缸 )和雙出桿液壓缸 (即對稱缸 )兩種 ,由于目前商品化的伺服閥大都是四個節(jié)流窗口面積梯度相等的零開口對稱閥 ,這樣就出現兩種不同形式的液壓伺服系統(tǒng) ,即對稱閥控單出桿液 壓缸和對稱閥控雙出桿液壓缸。 本文機械手的動力機構采用對稱閥控單出桿液壓缸的形式 ,由于單出桿液壓缸兩腔活塞面積不同 ,這使得它在兩個相反運動方向上的控制性能不一致 ,另外這樣的動力機構在零位附近表現出的平穩(wěn)性較差。 需要反饋控制的 4 個關節(jié)的動力機構均為閥控單出桿液壓缸，其結構示意圖如圖26 所示。動力機構是零開口四通閥控的單出桿液壓缸，零開口四通閥為 4 個節(jié)流窗口面積梯度相等的對稱閥，國內外廠家生產的伺服閥大都是這種結構。用對稱閥來控制不對稱的液壓缸，就導致液壓缸活塞向兩個方向運動的性能不一致性。由下式給出伺服閥 兩個不同方向開口時的系統(tǒng)傳遞函數。 五自由度機械手臂設計 12 圖 . 閥控單出桿油缸原理圖 The valve under the fuel tank of a single schematic 當 x0 時 ? ?33310 10111 1 11 1 133210 3 1011131 1 1 1 11111q c eeecec e c eeeVV my K x X S f A SAV K V C Km K C S A S K KA A A??? ? ? ???? ? ? ???? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????? ???? ? ????? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ???? ? ? ? ? （ 21） 式中， ? ? ? ?331 1 1 1 1 1 21,c e c tK K C A A? ? ? ???? ? ? ? ? ??? ? ?12AA有（無）桿腔橫截面積 2m m 油缸負載質盤 ? ?kg f? 外干擾力增量 ??N t? 液體的體積彈性模數 ? ?2Nm C 阻尼系數 ? ?N s m? sK 彈贊負載的剛度 ? ?N s m? tC 泄漏系數 ? ?5m N s? 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 13 10V 無桿腔初始容積 ? ?3m 1qK 滑閥的流量增益系數 1cK 流量 壓力系數。 對于位置伺服系統(tǒng)來說，通常沒有彈贊負載，即 0sK? 。同時液壓缸阻尼很小，即 1 1 1ceCK A A?? 由此可將（ 1）式簡化為 : ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?112 3 31 1 1 1 10 1 1 122 11121hhq c e e c ehK A x K A V K S fyS S S? ? ?? ? ???? ? ? ? ? ??????????? （ 22） 式中 ? ? ? ?1 2 3 31 1 0 1 11h e A V m? ? ? ???? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ?2 2 3 31 1 1 1 1 0 1 1 11 2 1h h c e eK m A C V A? ? ? ? ?? ? ? ? ? 令 1 1 1qK A K? ? ?32 10 11 1 1311 11ce e c eVK A S P SK ?????? ? ? ?????? 則（ 2）式可寫為： ? ?112 111 22 1hhhSy K x P S f S S?????????? ? ? ? ? ? ? ? ??? ?????????? (23) 同理 x0 時 : ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?222 3 32 2 2 2 20 2 2 222 21121hhq c e e c ehK A x K A V K S fyS S S? ? ?? ? ???? ? ? ? ? ???????????(24) 式中： ? ? ? ?332 2 1 11c e c tK K C ? ? ?? ? ? ? ? 五自由度機械手臂設計 14 2 2 1AA? ? ? ? ? ?2 2 3 32 2 0 2 21h e A V m? ? ? ???? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ?2 2 3 32 2 2 2 2 0 2 2 21 2 1h h c e eK m A C V A? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?32 20 22 2 2322 11ce e c eVK A S P SK ?????? ? ? ?????? 簡化為： ? ?222 222 22 1hhhSy K x P S f S S?????????? ? ? ? ? ? ? ? ??? ?????????? （ 25） 驅動器的選用 驅動器相當于機器人的 肌肉 。對于任何機構而言，要實現設計的運動規(guī)律，選擇合適的動力源是必不可少的步驟。而對于機器人尤其是旋轉副為主要關節(jié)的機械臂的驅動組件的選型，目前主流的方式有以下的方式： 1） 借助一定功率的直流或者交流電機，通過傳動環(huán)節(jié)直接驅動各關節(jié)自由度。電動驅動器從 80 年代開始被應用于機器人上，它由電能產生動能，驅動機器人各關節(jié)動作。電動機器人能完成高速運動，具有傳動機構少，成本低等優(yōu)點，在現代工業(yè)生產中已基本普及。 2）借助液壓缸、液壓馬達等流體動力組件，通過液壓 系統(tǒng)驅動各關節(jié)自由度。液壓機器人具有精度高，反應速度快的優(yōu)點，但液壓機構維護復雜，成本高，現已基本被電動機器人取代。 3）借助氣缸、氣閥和相應驅動結構構成氣動控制系統(tǒng)來驅動各關節(jié)自由度。 上述幾種驅動方案各有自己的優(yōu)點，同樣也有相應的不足之處氣動機器人由氣動機構產生動力驅動關節(jié)運動。氣動方式受空氣可壓縮性影響，穩(wěn)定性差，定位精度低，目前應用較少。 第一種電機驅動的方案，其優(yōu)點在于：利用電機驅動，相應的各種控制系統(tǒng)在工業(yè)應用中為主流，相應技術使用廣泛也較為成熟，同時利用電氣組件控制的話往往更沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 15 容易達到較高的頻率 響應。同時驅動系統(tǒng)的體積會比較緊湊。 當然這種方案的缺點也是十分明顯：即通過電機驅動，如果將電機直接布置在各種轉動關節(jié)上的話，電機和傳動系統(tǒng)的自重、慣量等往往也會成為負載，傳動環(huán)節(jié)本身由于機械效率的影響也會使有效功率降低，