單臂回轉(zhuǎn)式機械手機械系統(tǒng)的設(shè)計(編輯修改稿)
2025-08-10 15:17 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 有不同的功能，擴大了機械手的應(yīng)用范圍，是機械手的一個重要的發(fā)展方向。文獻 [19]中醫(yī)用微型機器人與機械臂的配合使用就是模塊化的典型使用。（3）智能化機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制多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。（4）機電一體化由“可編程序控制器—傳感器—液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制” ；省配線的復合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而 PLC的輸出功率在增大，由 PLC 直接控制線圈變得越來越可能 [13][18]。隨著科學與技術(shù)的發(fā)展，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。目前，機械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)，同時也已開始擴大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中。而且，隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩，未來各種專業(yè)服務(wù)機器人和家庭用消費機器人將不斷貼近人類生活，其市場必將繁榮興旺。5 / 31第二章 回轉(zhuǎn)式機械手的機械系統(tǒng)的設(shè)計2．1回轉(zhuǎn)式機械手總結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計 本次所設(shè)計的機械手，為單臂回轉(zhuǎn)式機械手，對機械手的要求是搬運一個一千克的鐵塊，從一個平臺到另一個平臺，旋轉(zhuǎn)過的角度為90度。從上面的這些條件可以看出，對于機械手結(jié)構(gòu)的選取就比較的多樣化。我們可以選擇圓柱坐標型的，也可以選擇較為復雜的球坐標型和關(guān)節(jié)型。由于我們這次設(shè)計的機械手，主要是用于教學方面的，對精度的要求并不大，而且其只要求機械手能夠抓取物件進行回轉(zhuǎn)的運動。所以我們可以簡化這次的機械手結(jié)構(gòu)。而在眾多的結(jié)構(gòu)之中，圓柱坐標型成為了比較不錯的選擇，即如圖122中b所示。這種結(jié)構(gòu)相對而言結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，能夠較容易地實現(xiàn)回轉(zhuǎn)和抓取的運動要求。因此，本次所設(shè)計的機械手采用圓柱坐標式。機械手的運動是以一個回轉(zhuǎn)和兩個直線運動來實現(xiàn)的。 在選定了使用圓柱坐標式機械手后，我們可以把機械手的運動劃分為三個部分，機械手的運動有：回轉(zhuǎn)運動；提升工件的運動；抓取工件的運動。而對于這三個部分，我們可以設(shè)計出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。這樣，也使得設(shè)計的任務(wù)簡化為幾個有效而且簡潔的目標。這樣思路也比較清晰，而且對于部件的選取也更加具有可行性和可操作性。 一般而言，手臂的回轉(zhuǎn)與升降通常是通過立柱的運動來實現(xiàn)的，在本次的設(shè)計中，我們把機械手的回轉(zhuǎn)和上升都集中在立柱上，由于這次設(shè)計所采用的材料為鋁合金，而且所要抓取的工件為1kg，所以提升的重量不是太大，于是我們把立柱設(shè)計為能夠使得大臂進行回轉(zhuǎn)和提升整個機械手的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計過程中，我們把立柱的回轉(zhuǎn)與提升分開，分別由一個旋轉(zhuǎn)氣壓缸和一個伸縮的液壓缸來實現(xiàn)。而在小臂上面，我們則安置了一個液壓缸，這樣是方便抓取機構(gòu)能夠簡易的抓取物體?；剞D(zhuǎn)式機械手的簡要的原理圖，如圖21：7 / 31圖 211 機械手原理圖根據(jù)上面對機械手的運動部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計及選型，以及選定的夾持的方式（我們將在 中設(shè)涉及） ，定出機械手的總體結(jié)構(gòu)（如圖 21213）,其主要包括兩個相互平行的液壓缸和一個氣壓缸、電磁鐵吸附裝置、支座和底座。底座放在地面上，通過螺栓與豎直液壓缸連接，再通過鍵連接把水平的大臂與豎直的液壓缸伸出的活塞桿垂直連接，然后通過支架與大臂的另一端鏈接，小臂上的豎直液壓缸與支架鏈接，最后整個電磁鐵吸附機構(gòu)用螺栓連接在小臂上的液壓缸的活塞桿頂端。液壓缸提供升降的運動和氣壓缸提供回轉(zhuǎn)的運動，夾持力由電磁鐵的吸附力所產(chǎn)生。212 機械手總體結(jié)構(gòu) 正視圖213 機械手總體結(jié)構(gòu) 左視圖 2．2 回轉(zhuǎn)式機械手回轉(zhuǎn)部分的機械設(shè)計 本次所設(shè)計的回轉(zhuǎn)缸，我所選擇的是 AYR系列的中實旋轉(zhuǎn)氣壓缸，其數(shù)據(jù)如表221所示：品牌 中實型氣缸 型號 AYR （韓國三千里）適用范圍 5~30 種類 柱塞式氣缸缸徑 5~30（mm） 理論作用力 130（N） 最大負荷 3443（N） 最大力距 333（Nm） 重量 （kg） 氣缸數(shù) 3表 221 回轉(zhuǎn)缸的相關(guān)數(shù)據(jù)這與這次所設(shè)計的立柱的直徑相符，而且其重量為 ，能夠使得回轉(zhuǎn)機械手在工作中的重心在工件內(nèi)部，使得工作平臺不會出現(xiàn)傾覆的情況。本次所設(shè)計的回轉(zhuǎn)式機械手，我們設(shè)定它能旋轉(zhuǎn)任何角度，所以回轉(zhuǎn)缸以及立柱能夠進行任何角度的轉(zhuǎn)動。在這里，我們對回轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩 M 進行了校核：M（～）(M 摩+M 偏+M 慣)（Nm）式中，M摩——手腕支撐處的摩擦阻力矩(Nm)；M偏——工件重心偏置的偏置力矩(Nm)；M 慣——手腕運動的慣性力矩(N．m)。9 / 31（1） 摩擦阻力矩的計算。M 摩=f/2*(N1*D1+N2*D2)(Nm)式中，N1，N2—軸承處支反力（N）；D1，D2—軸承直徑（m）；F—軸承的摩擦系數(shù)。由于回轉(zhuǎn)缸為氣壓缸,所以在這方面的摩擦可以忽略。（2） 偏置力矩 M 偏的計算。M 偏=G*e（Nm） =10*200mm/1000=2(Nm)式中，G—工件自身的重力（N）e—工件重心到手腕轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）（3）慣性力矩 M 慣的計算。M 慣=*（J 腕+J 手+J 工）*w/t(Nm)式中，J 腕—手腕的轉(zhuǎn)動部件對其運動軸線的轉(zhuǎn)動慣量；J 手—手部對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量；J 工—工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量；W—手腕轉(zhuǎn)動的角速度（1/s）；t—手腕啟動過程所需用的時間（s） 由于此次回轉(zhuǎn)缸被我們安放在立柱的底端部分，我們可以把工件以及手部假設(shè)為一個整體，我們假設(shè)物體連同工件的質(zhì)量為 8kg，回轉(zhuǎn)缸的質(zhì)量為 ，w 為 3（1/s）,啟動的時間為 秒。M 慣=*（+）*3/=(Nm)M 總=*（+2）=（Nm）333Nm所以運用這個旋轉(zhuǎn)氣壓缸是合理的。圖 221 為氣壓缸的實物圖：圖 221 回轉(zhuǎn)氣壓缸 2．3 回轉(zhuǎn)式機械手大臂的機械設(shè)計關(guān)于大臂的設(shè)計，大臂通常一般要應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕。所以在設(shè)計中要根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸，提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離，合理布置作用力的位置和方向，注意簡化結(jié)構(gòu)，提高配合精度。而且大臂連接著液壓缸與氣壓缸，在這里，則選取用了鋁合金的作為材料，在尺寸方面，于整體做配合，大臂與小臂和立柱之間，都采用了鍵連接，所以大臂的尺寸如圖2
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