【文章內(nèi)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(jī)械手臂設(shè)計(jì) 6 以底座中心為圓心，正前方半徑 2m，177。 90186。扇區(qū)； 運(yùn)動(dòng)速度： 5） 定位精度 位置精度： 3cm 重復(fù)精度： 2cm 本設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容 1) 根據(jù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)能力指標(biāo)，比較現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)，確定移動(dòng)機(jī)構(gòu)的最佳移動(dòng)方式。 2) 設(shè)計(jì)一個(gè) 5 自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械臂。 3) 對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。 4) 對(duì) 機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析。 本章小結(jié) 本章主要講了機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程、分類、 機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和機(jī)器人的執(zhí)行裝置 —— 機(jī)械手臂。作者系統(tǒng)學(xué)習(xí)了機(jī)器人技術(shù)的知識(shí)，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對(duì)國內(nèi)外機(jī)器人，主要是工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀有了比較詳細(xì)的了解。并對(duì)本課題的研究方向及內(nèi)容給予了系統(tǒng)的詮釋。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 2 機(jī)械臂的設(shè)計(jì) 機(jī)械臂從肩部到手部的部件規(guī)格及質(zhì)量依次遞減，這有利于機(jī)器人的穩(wěn)定性。大臂和小臂采用中空型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅抗彎扭能力強(qiáng)。而且重量輕。如圖 21 所示的是機(jī)械手臂。 BB30H7 h628H7 h640H7 h6B20H7 m616H7 f626H7 n620K7 h6手爪 腕 小臂 大臂 基座 圖 . 機(jī)械手臂 The mechanical arm 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)構(gòu)想是以人的手為基礎(chǔ)，以機(jī)械形式來實(shí)現(xiàn)人的動(dòng)作，它的動(dòng)作由以下五部分來實(shí)現(xiàn)： 1）肩的前后動(dòng)作。 2）大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動(dòng)作。 3）肘的上下動(dòng)作。 4）小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動(dòng)作。 5）腕 (手 )的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作 驅(qū)動(dòng) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)是相輔相成的，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可以分 :機(jī)械式、電氣式、液壓式和復(fù)合式，其中液壓操作力最大。 機(jī)械手臂由 5 自由度機(jī)械臂與夾鉗式手爪構(gòu)成。機(jī)械臂有三個(gè)典型關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié) ,肘關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)，在肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)之間為大臂，肘關(guān)節(jié)與腕 關(guān)節(jié)之間為小臂，與肩關(guān)節(jié)下端相連的是一使整個(gè)機(jī)械臂回轉(zhuǎn)的大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在肘關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)之間有一使小臂回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。該機(jī)為液壓驅(qū)動(dòng)的主從隨動(dòng)及示教再現(xiàn)式操作機(jī)械手。有 5個(gè)自由度，除腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的液壓馬達(dá)外，其余動(dòng)力部件為伺服液壓缸。 五自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 8 手爪的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析 在水下作業(yè)中 ,機(jī)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(zhuǎn)移、水下對(duì)接等作業(yè) ,都需要水下機(jī)械手的參與。由于水下環(huán)境的限制 ,水下機(jī)械手的手爪結(jié)構(gòu)都較為簡單 ,通常只有一個(gè)自由度。本文設(shè)計(jì)了一種二指機(jī)械手爪 ,該手爪可上下開合 以完成對(duì)水下物體的抓取。 如圖 ： 133244 圖 . 手爪 The gripper 如圖部件 1 向右側(cè)移動(dòng)，牽動(dòng)零件 2 小連桿移動(dòng)，零件 2 小連桿帶動(dòng)零件 3 內(nèi)連桿分別向上下兩側(cè)移動(dòng)，使外連桿帶動(dòng)零件 4 向上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手爪的開過程。 在手爪張開的狀態(tài)下，部件 1 向左側(cè)移動(dòng)，牽動(dòng)零件 2 小連桿移動(dòng)，零件 2 小連桿帶動(dòng)零件 3 內(nèi)連桿同時(shí)向中間移動(dòng)，使外連桿帶動(dòng)零件 4 同時(shí)向中間移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手爪的合過程，同時(shí)夾緊物體。 自動(dòng)對(duì)接腕的動(dòng)作分析 水下作業(yè)機(jī)械手和水下作業(yè)工具的對(duì)接 系統(tǒng)由液壓自動(dòng)對(duì)接腕和為工具提供動(dòng)力的油路系統(tǒng)組成。液壓自動(dòng)對(duì)接腕是機(jī)械手的手腕，是機(jī)器人在水下自動(dòng)換接作業(yè)工具的關(guān)鍵部件。水下作業(yè)工具需完成不同的動(dòng)作，如，夾持器、切割器等需要直線沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 運(yùn)動(dòng)，而沖擊鉆、沖擊扳手則需要回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每把工具都要有自己的驅(qū)動(dòng)部件，液壓缸或液壓馬達(dá)等，因此，液壓自動(dòng)對(duì)接腕需要具備兩個(gè)功能： 1）機(jī)械對(duì)接功能，即與工具配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手和工具的聯(lián)接。 2） 油路對(duì)接功能，即使機(jī)械手上的油源通過對(duì)接腕與工具上的油缸接通，為工具提供動(dòng)力，這一功能靠安在對(duì)接腕上的油路自封接頭（凸對(duì)接頭）。除了凸對(duì)接 頭外，要實(shí)現(xiàn)油路對(duì)接，還需要工具上與之相配合的油路自封接頭（凹對(duì)接頭）。 圖 . 液壓自動(dòng)對(duì)接腕截面分布示意圖 Automated docking wrist hydraulic schematic crosssection distribution 自密封對(duì)接頭 1 鎖緊油缸 自密封對(duì)接頭 2 液壓自動(dòng)對(duì)接腕 五自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 10 圖 . 鎖緊、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)示意圖 The locking, bodyoriented diagram 機(jī)械對(duì)接機(jī)構(gòu)集中在液壓自動(dòng)對(duì)接腕上，包括鎖緊機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。如圖 23 和圖 24 所示，液壓自動(dòng)對(duì)接腕上 的鎖緊機(jī)構(gòu)有三個(gè)鎖緊油缸，液壓油缸突出的活塞桿為鎖緊銷，與工具上三個(gè)對(duì)應(yīng)的孔配合實(shí)現(xiàn)鎖緊。鎖緊油缸的驅(qū)動(dòng)油路可以設(shè)計(jì)成兩種： 1） 活塞分開的兩腔都通油路，使鎖緊銷兩個(gè)方向的動(dòng)作都由油路控制。 2） 其中一腔通油路，另一腔設(shè)置一個(gè)彈簧，不通油路，這樣鎖緊銷向一個(gè)方向的動(dòng)作由油路控制，向另一個(gè)方向的動(dòng)作由彈簧完成。 鎖緊銷相當(dāng)于一個(gè)雙作用油缸的活塞桿，因此其鎖緊和脫開均由液壓力來驅(qū)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是鎖緊和縮回時(shí)出力較大。對(duì)接實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn) , 手腕和工具對(duì)接到還差 3mm至 4mm時(shí)就不能繼續(xù)對(duì)接了 ,此時(shí) , 由于工具 上與鎖緊銷對(duì)應(yīng)的孔有一定的錐度，當(dāng)伸出三個(gè)縮緊銷，鎖緊銷很大的力會(huì)使鎖緊銷沿著工具上孔的錐面進(jìn)入孔內(nèi)，從而使手腕和工具完全對(duì)接上。機(jī)械手?jǐn)y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(jī)械手脫離。但是由于工具很重，銷與孔之間有一定的壓力，會(huì)在鎖緊銷與工具、鎖緊缸端蓋之間產(chǎn)生磨擦力，液壓動(dòng)力的鎖緊銷縮回力很大，能夠滿足。 大臂、小臂和腕的機(jī)構(gòu)分析 具有位置控制功能的水下作業(yè)機(jī)械手 ,一般常用液壓伺服系統(tǒng)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng) ,主要原因是因?yàn)樗哂畜w積小、重量輕、慣性小以及出力大等突出的優(yōu)點(diǎn)。液壓執(zhí)行元 件選用液壓缸比選用液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)出的機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊、受力條件好 ,因此目前大多數(shù)水沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 下作業(yè)機(jī)械手采用伺服閥控液壓缸所構(gòu)成的液壓伺服系統(tǒng)。 肘關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)之間為小臂，肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)之間為大臂。如圖 25 所示： 小臂 1 大臂對(duì)稱閥控單出桿液壓缸對(duì)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(duì)稱缸 )和雙出桿液壓缸 (即對(duì)稱缸 )兩種 ,由于目前商品化的伺服閥大都是四個(gè)節(jié)流窗口面積梯度相等的零開口對(duì)稱閥 ,這樣就出現(xiàn)兩種不同形式的液壓伺服系統(tǒng) ,即對(duì)稱閥控單出桿液 壓缸和對(duì)稱閥控雙出桿液壓缸。 本文機(jī)械手的動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用對(duì)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(gè)相反運(yùn)動(dòng)方向上的控制性能不一致 ,另外這樣的動(dòng)力機(jī)構(gòu)在零位附近表現(xiàn)出的平穩(wěn)性較差。 需要反饋控制的 4 個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)均為閥控單出桿液壓缸，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖26 所示。動(dòng)力機(jī)構(gòu)是零開口四通閥控的單出桿液壓缸，零開口四通閥為 4 個(gè)節(jié)流窗口面積梯度相等的對(duì)稱閥，國內(nèi)外廠家生產(chǎn)的伺服閥大都是這種結(jié)構(gòu)。用對(duì)稱閥來控制不對(duì)稱的液壓缸，就導(dǎo)致液壓缸活塞向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的性能不一致性。由下式給出伺服閥 兩個(gè)不同方向開口時(shí)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。 五自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 12 圖 . 閥控單出桿油缸原理圖 The valve under the fuel tank of a single schematic 當(dāng) x0 時(shí) ? ?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(fù)載質(zhì)盤 ? ?kg f? 外干擾力增量 ??N t? 液體的體積彈性模數(shù) ? ?2Nm C 阻尼系數(shù) ? ?N s m? sK 彈贊負(fù)載的剛度 ? ?N s m? tC 泄漏系數(shù) ? ?5m N s? 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 10V 無桿腔初始容積 ? ?3m 1qK 滑閥的流量增益系數(shù) 1cK 流量 壓力系數(shù)。 對(duì)于位置伺服系統(tǒng)來說，通常沒有彈贊負(fù)載，即 0sK? 。同時(shí)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(shí) : ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?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(jī)械手臂設(shè)計(jì) 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(qū)動(dòng)器的選用 驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)于機(jī)器人的 肌肉 。對(duì)于任何機(jī)構(gòu)而言，要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，選擇合適的動(dòng)力源是必不可少的步驟。而對(duì)于機(jī)器人尤其是旋轉(zhuǎn)副為主要關(guān)節(jié)的機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)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(jī)，通過傳動(dòng)環(huán)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)自由度。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器從 80 年代開始被應(yīng)用于機(jī)器人上，它由電能產(chǎn)生動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人各關(guān)節(jié)動(dòng)作。電動(dòng)機(jī)器人能完成高速運(yùn)動(dòng)，具有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)少，成本低等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中已基本普及。 2）借助液壓缸、液壓馬達(dá)等流體動(dòng)力組件，通過液壓 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)自由度。液壓機(jī)器人具有精度高，反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但液壓機(jī)構(gòu)維護(hù)復(fù)雜，成本高，現(xiàn)已基本被電動(dòng)機(jī)器人取代。 3）借助氣缸、氣閥和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成氣動(dòng)控制系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)自由度。 上述幾種驅(qū)動(dòng)方案各有自己的優(yōu)點(diǎn)，同樣也有相應(yīng)的不足之處氣動(dòng)機(jī)器人由氣動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)方式受空氣可壓縮性影響，穩(wěn)定性差，定位精度低，目前應(yīng)用較少。 第一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案，其優(yōu)點(diǎn)在于：利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，相應(yīng)的各種控制系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中為主流，相應(yīng)技術(shù)使用廣泛也較為成熟，同時(shí)利用電氣組件控制的話往往更沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 容易達(dá)到較高的頻率 響應(yīng)。同時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積會(huì)比較緊湊。 當(dāng)然這種方案的缺點(diǎn)也是十分明顯：即通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如果將電機(jī)直接布置在各種轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)上的話，電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的自重、慣量等往往也會(huì)成為負(fù)載，傳動(dòng)環(huán)節(jié)本身由于機(jī)械效率的影響也會(huì)使有效功率降低，