【文章內容簡介】 有：升降回轉型機身結構、俯仰型機身結構、直移型機身結構、類人機器人機身結構。本設計采用的是升降回轉型機身結構的機械手。 機械手的運動自由度物體上任何一點都與坐標軸的正交集合有關。物體能夠能夠對坐標系進行獨立運動的數目稱為自由度（DOF degree of freedom）。自由度是指描述物體運動所需的獨立坐標數，為了抓取空間中任意位置和方位的物體，三維空間需要6個自由度 。物體所能進行的運動有沿著坐標軸的三個平移自由度和繞坐標軸的三個旋轉自由度。自由度是機 械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。 一般固定程序的機械手，動作比較簡單，自由度數較少。工業(yè)機器人自由度數較多，動作靈活性和通用性較大。一般說來，機器人靠近機座的3個自由度是用來實現手臂末端的空間位置的，再用幾個自由度來定出末端執(zhí)行器的方位；7個以上的自由度是冗余自由度，是用來躲避障礙物的。自由度的選擇也與生產要求有關，若批量大，操作可靠性要求高，運行速度快，周圍設備構成比較復雜，工件質量輕時，機械手的自由度數可少；如果要便于產品更換，增加柔性，則機械手的自由度要多一些。計算機械手的自由度時，末端執(zhí)行器的夾持器動作是不計入的，因為這個動作不改變工件的位置和姿態(tài)。在滿足機械手工作要求前提下，為簡化機械手的結構和控制，應使自由度數最少。 本設計的通用機械手的結構相對比較簡單，在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據設計任務，為了滿足設計要求，在本設計中關于機械手的自由度的選擇為5個。分別為立柱回轉、小臂升降、手臂伸縮、手腕旋轉、手爪夾緊放松。分別由步進電機升降氣缸、直流電機、步進電機1和手爪加緊放松氣缸控制。 機械手的各部分結構 機械手的機械結構與傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和環(huán)境交互系統(tǒng)一樣，是組成機械手這一整體的重要組成部分，下面將分別對此設計的機械手的結構和其設計進行詳述。機械手的手部是重要的執(zhí)行機構。機械手的首部分為兩大類：夾持類手部和吸附類手部，各類又分為很多種，如夾持類又可分為夾鉗式手部、鉤托式手部和彈簧式手部。我們可根據設計的要求，選擇外夾夾鉗式v型指手部結構。其傳力機構根據題目要求，可選擇齒輪齒條式手部結構，故本設計的氣動機械手的手部結構形式如圖4所示。其手指夾緊工件是由夾緊氣缸1中的齒條活塞桿8在壓縮空氣作用下右移，經齒條推動齒輪7并帶動扇形齒軸5回轉，因手指6與扇形齒輪5固結為一體，所以兩個手指同時回轉而夾緊工件。用由于采用雙向電磁閥，可實現其手部的夾緊和松開。手部結構中的齒輪齒條屬于傳力機構。 齒輪齒條式手部結構手指在件上的夾力，是設計手部的主要依據。在此次設計中，我們可有如下參數 要求抓取工件的重量為30N,V型指的角度2θ=120176。，b=60mm，R=40mm，摩擦系數f=。當工件重量，手指指形，工件的形狀和夾持的方位確定后（可有圖1 的形狀和方位確定），可得(1)夾力的計算公式： =130N (2)根據手部機構的傳動示意圖圖5所示，其驅動力為 齒輪齒條式手部結構示意圖（3）實際驅動力 P—驅動力，N—手部的機械效率，~—安全系數，~—工作狀況系數，主要考慮慣性力的影響，K2可按下式估計，—被抓取工件運動時的最大加速度，—運載時工件最大上升速度—系統(tǒng)達到最高速度的時間， ~g—重力加速度，g=∕G—被抓取工件所受重力（N）在此中，因為傳動機構為齒輪齒條機構，故取η=，取=, ， 手腕 此設計的手腕上端連著絲桿，從而使整個手部可以順利水平移動，下端連著手部，將載荷從手部傳遞到桿上。手腕是由上升下降氣缸，旋轉步進電機和一些機械裝置構成，結構緊密！ 氣缸選的是CDM2B10－30型號，其電磁閥選型是二位五通雙電控電磁閥，選用的是AIRTAC公司型號為4V110－M5的產品。(接進氣氣源)、1個正動作出氣孔和1個反動作出氣孔(分別提供給目標設備的一正一反動作的氣源)、1個正動作排氣孔和1個反動作排氣孔(常常安裝消聲器)。其工作原理為：給正動作線圈通電，則正動作氣路接通(正動作出氣孔有氣)，即使給正動作線圈斷電后正動作氣路仍然是接通的，將會一直維持到給反動作線圈通電為止。 給反動作線圈通電，則反動作氣路接通(反動作出氣孔有氣)，即使給反動作線圈斷電后反動作氣路仍然是接通的，將會一直維持到給正動作線圈通電為止。當要下降手部時，PLC給正動作線圈通電，機械手手部下降，當要手部提升時，只需給反動作線圈通電即可，每次通電都要維持一段時間（大約2秒鐘）。 步進電機可以使氣缸和下面承載的夾持器一體轉動，從而可以控制手的順利轉動177。180176。，這樣大大提高了機械手的活動空間。設計中是有4塊物體，放在一塊玻璃板上，夾持器一塊塊夾取，所以要求機械手轉動手部，使夾持器保持合適的角度來夾取物塊。步進電機的角度和轉動的方向是由PLC控制的。 手腕的示意圖如下：圖3 .3 手腕示意圖 臂部 設計中手臂是使機械手手部前伸和后縮的重要組成部分，手臂是用滾珠絲桿作用的，絲桿的后端連著直流電機，絲桿螺母連著手腕整體，直流電機通過絲桿將機械手的手部進行水平移動。 直流電機選用的型號為5D9024。驅動電壓為24V，功率為90W。負載轉速為2800轉，cm。 驅動芯片L298N通過控制直流電機的啟停從而控制絲桿螺母的移動，這樣可方便精確地控制機械手的手部的移動。 滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器中，是將回轉運動轉化為直線運動的理想的產品。其實物圖如下：圖3 .4 滾珠實物圖滾珠絲桿具有很多優(yōu)點：與滑動絲杠副相比驅動力矩為1/3； 高精度的保證； 運動平穩(wěn)；同步性好。絲桿的參數為：導程（mm）軸向平均負載（ms178。）軸向平均轉速(r/m)絲桿的長度(mm)202002000920其型號為KURODA GG1520ASBALR系列的。 機身 機身包括立柱和底座，立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降（或俯仰）運動均與立柱有密切的聯(lián)系，機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于基座上，故起支承和聯(lián)接的作用。立柱的下端連著底座，上端連著機械手的手臂，對手臂其支撐和將載荷傳到底座的作用，底座下面有一步進電機，控制立柱的旋轉，也即控制整個機械手上方的旋轉運動。其示意圖為： 機身示意圖 本設計的總體要求 前已講到，有很多種機械手，其實現的功能各種各樣，而此設計的機械手是搬運機械手，實現的是按照固定順序將待加工的工件搬到傳輸帶上。 其結構圖如下： 機械手的結構 機械手的工作流程機械手的工作方式有三種：單步運行、單周期運行、連續(xù)運行。⑴ 單步運行：從初始步開始，按一下啟功按鈕，系統(tǒng)轉換到下一步，完成該步的任務后，自動停止工作并停留在該步。再按一下啟功按鈕，又往前走一步。單步方式常用于系統(tǒng)的調試。每按一次啟動按鈕，機械手前進一個工步（或工序）即自動停止。⑵ 單周期運行：每按一次啟動按鈕后，機械手從原點起始步開始，按照工序順序自動完成一個周期的動作后停止，返回有效期停在初始步。若在中途按下停止按鈕，機械手停止運行；再按下啟動按鈕，從斷點處開始繼續(xù)運行，回到原點自動停止。⑶ 連續(xù)運行：在初始狀態(tài)下，按下啟動按鈕后，機械手從初始步開始，工作一個周期后，又開始進行下一個周期，自動、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。具體流程為：機械手在載物板上方、手腕靠近立柱為初始態(tài)，當在連續(xù)工作方式下按下啟動按鈕，機械手由氣壓驅動向下伸開小臂，根據判斷取的是哪個物件，從而決定是否要進行旋轉手腕，以及旋轉多少角度。之后夾持器抓住物塊，待兩秒鐘后反旋轉，再由氣壓驅動向上縮回去，步進電機2也是根據當前抓取的是哪個物件而決定旋轉多少角度，之后直流電機啟動通過滾珠絲桿向前方伸開大臂，待到一定長度時，下降小臂，釋放物塊。再之后回去再取物塊，當四件物塊都取走放在傳送帶上，機械手就完成了一個周期，完成一個周期又回到初始態(tài)。若按下停止鍵，則機械手待完成一個工作周期后停止。第四章 機械手的硬件設計及驅動本設計的夾持器和小臂都是用氣壓驅動的。 氣壓傳動簡介氣壓傳動與控制技術簡稱氣動技術，是指以壓縮空氣為工作介質來進行能量與信號的傳遞，實現生產過程機械化、自動化的一門技術，它是流體傳動與控制學科的一個重要組成部分。從廣義上看，氣動技術范疇，除空氣壓縮機、空氣凈化器、氣動馬達、各類控制閥及輔助裝置以外，還包括真空發(fā)生裝置、真空執(zhí)行元件以及各種氣動工具等。由于氣動技術相對于機械傳動、電傳動及液壓傳動而言有許多突出的優(yōu)點，因而近年來發(fā)展十分迅速，現在氣動技術結合了液壓、機械、電氣和電子技術的眾多優(yōu)點，并與它們相互補充，成為現實生產過程自動化的一個重要手段，在機械、冶金、紡織、食品、化工、交通運輸、航空航天、國防建設等各個部門已得到廣泛的應用。 氣壓傳動的設計。氣動系統(tǒng)由氣源、氣動、三聯(lián)件OZ、電磁閥、節(jié)流閥和各種氣缸組成。氣源工作壓力：最小6bar，最大8bar。壓縮空氣經氣源三聯(lián)件再次過濾、凈化、調壓、霧化后經手動換向閥后分別進入三只電磁換向閥。升降氣缸的換向閥采用二位五通雙電控電磁閥，夾緊氣缸的換向閥采用二位五通單電控電磁閥。電磁閥均選用AIRTAC公司型號為4V110－M5的產品，氣缸選用SMC公司的產品。升降氣缸選CDM2B10－30型號，夾緊氣缸選 MHZ2－10D1E 型號。為了使各執(zhí)行元件運動平穩(wěn)，各氣缸2個氣口裝有單向節(jié)流閥，型號選擇為SMC公司的ARJ1020