【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 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(fù)精度： 2cm 本設(shè)計的研究內(nèi)容 1) 根據(jù)移動機(jī)構(gòu)的移動能力指標(biāo)，比較現(xiàn)有移動機(jī)構(gòu)的性能特點，確定移動機(jī)構(gòu)的最佳移動方式。 2) 設(shè)計一個 5 自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械臂。 3) 對機(jī)械臂進(jìn)行運動學(xué)分析。 4) 對 機(jī)械臂進(jìn)行運動學(xué)與動力學(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，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對國內(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（論文） 7 2 機(jī)械臂的設(shè)計 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)計構(gòu)想是以人的手為基礎(chǔ)，以機(jī)械形式來實現(xiàn)人的動作，它的動作由以下五部分來實現(xiàn)： 1）肩的前后動作。 2）大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動作。 3）肘的上下動作。 4）小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動作。 5）腕 (手 )的旋轉(zhuǎn)動作 驅(qū)動 傳動機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)是相輔相成的，在驅(qū)動系統(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)動的主從隨動及示教再現(xiàn)式操作機(jī)械手。有 5個自由度，除腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的液壓馬達(dá)外，其余動力部件為伺服液壓缸。 五自由度機(jī)械手臂設(shè)計 8 手爪的運動結(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 ,通常只有一個自由度。本文設(shè)計了一種二指機(jī)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(cè)移動，牽動零件 2 小連桿移動，零件 2 小連桿帶動零件 3 內(nèi)連桿分別向上下兩側(cè)移動，使外連桿帶動零件 4 向上下移動，實現(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，牽動零件 2 小連桿移動，零件 2 小連桿帶動零件 3 內(nèi)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(xiàn)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(jī)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(jī)械手的手腕，是機(jī)器人在水下自動換接作業(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（論文） 9 運動，而沖擊鉆、沖擊扳手則需要回轉(zhuǎn)運動。每把工具都要有自己的驅(qū)動部件，液壓缸或液壓馬達(dá)等，因此，液壓自動對接腕需要具備兩個功能： 1）機(jī)械對接功能，即與工具配合，實現(xiàn)機(jī)械手和工具的聯(lián)接。 2） 油路對接功能，即使機(jī)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(xiàn)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(jī)械手臂設(shè)計 10 圖 . 鎖緊、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)示意圖 The locking, bodyoriented diagram 機(jī)械對接機(jī)構(gòu)集中在液壓自動對接腕上，包括鎖緊機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。如圖 23 和圖 24 所示，液壓自動對接腕上 的鎖緊機(jī)構(gòu)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(yīng)的孔配合實現(xiàn)鎖緊。鎖緊油缸的驅(qū)動油路可以設(shè)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(shè)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(dāng)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(qū)動。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是鎖緊和縮回時出力較大。對接實驗中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn) , 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(yīng)的孔有一定的錐度，當(dāng)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(jìn)入孔內(nèi)，從而使手腕和工具完全對接上。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，會在鎖緊銷與工具、鎖緊缸端蓋之間產(chǎn)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(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 ,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(dá)設(shè)計出的機(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（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(xiàn)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(jī)械手的動力機(jī)構(gòu)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(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 個關(guān)節(jié)的動力機(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 個節(jié)流窗口面積梯度相等的對稱閥，國內(nèi)外廠家生產(chǎn)的伺服閥大都是這種結(jié)構(gòu)。用對稱閥來控制不對稱的液壓缸，就導(dǎo)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(shù)。 五自由度機(jī)械手臂設(shè)計 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 ? ?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（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)。 對于位置伺服系統(tǒng)來說，通常沒有彈贊負(fù)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(jī)械手臂設(shè)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(qū)動器的選用 驅(qū)動器相當(dāng)于機(jī)器人的 肌肉 。對于任何機(jī)構(gòu)而言，要實現(xiàn)設(shè)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(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)，通過傳動環(huán)節(jié)直接驅(qū)動各關(guān)節(jié)自由度。電動驅(qū)動器從 80 年代開始被應(yīng)用于機(jī)器人上，它由電能產(chǎn)生動能，驅(qū)動機(jī)器人各關(guān)節(jié)動作。電動機(jī)器人能完成高速運動，具有傳動機(jī)構(gòu)少，成本低等優(yōu)點，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)等流體動力組件，通過液壓 系統(tǒng)驅(qū)動各關(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，但液壓機(jī)構(gòu)維護(hù)復(fù)雜，成本高，現(xiàn)已基本被電動機(jī)器人取代。 3）借助氣缸、氣閥和相應(yīng)驅(qū)動結(jié)構(gòu)構(gòu)成氣動控制系統(tǒng)來驅(qū)動各關(guān)節(jié)自由度。 上述幾種驅(qū)動方案各有自己的優(yōu)點，同樣也有相應(yīng)的不足之處氣動機(jī)器人由氣動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生動力驅(qū)動關(guān)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(yīng)用較少。 第一種電機(jī)驅(qū)動的方案，其優(yōu)點在于：利用電機(jī)驅(qū)動，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（論文） 15 容易達(dá)到較高的頻率 響應(yīng)。同時驅(qū)動系統(tǒng)的體積會比較緊湊。 當(dāng)然這種方案的缺點也是十分明顯：即通過電機(jī)驅(qū)動，如果將電機(jī)直接布置在各種轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)上的話，電機(jī)和傳動系統(tǒng)的自重、慣量等往往也會成為負(fù)載，傳動環(huán)節(jié)本身由于機(jī)械效率的影響也會使有效功率降低，