【文章內容簡介】 的手部，經常是指真空吸盤或者具有磁性吸盤的手部。 （ 2） 手臂 手臂的作用是帶動手指準確把握工件，并運送到指定地點。要使機械手滿足能夠準確地工作的條件，就需要臂部的 3 個自由度準確地定位 [10]。 （ 3）底座 底座是安裝臂部、動力裝置（電機或液壓氣動）以及各種執(zhí)行機構的支 架。 驅動機構 機械手的驅動方式主要有 4 種即液壓驅動，氣壓驅動，電機驅動和機械驅動。目前以液壓驅動、氣壓驅動的應用較為廣泛。 （ 1）液壓驅動式 采用液壓驅動的機械手一般由各種油缸、伺服閥、油泵、油箱等組成其動力系統(tǒng)，以滿足機械手臂部以及手部的動作要求 [11]。通常它可以具備較大的抓舉能力一般重達幾百千克以上，其結構優(yōu)勢為結構布局緊湊、行動較為平穩(wěn)、耐沖擊、抗震動、防爆性能較好，但一般的液壓元件必須有制造精度高，密封性能好的特點，否則內部的油泄漏將污染環(huán)境。 （ 2）氣壓驅動式 氣壓驅動系統(tǒng)一般由氣缸、氣閥、 氣罐以及空壓機組成，它的結構優(yōu)勢為氣體來源方便、反應迅速、結構布局合理、成本較低、易于檢測維修 [12]。不過缺點是它很難進行速度控制，壓力不宜太高，所以抓舉能力低。 （ 3）電氣驅動式 電機驅動是機械手應用最為廣泛飛一種驅動形式。它的結構優(yōu)勢為電源來源廣泛，反應速度較快，具有較大的驅動力，關節(jié)型的機械手持重可以達到 400kg，信號的檢測、傳輸以及處理相對快捷，而且可以運用多種綜合的控制方式 [13]。驅動電機通常選用步進電機，直流伺服電機作為主要的驅動方法。由于電機速度高，所以普遍運用減速機構，例如諧波傳動、擺 線針輪傳動、齒輪傳動、螺旋傳動和多桿機構等。目前機械手已經逐漸選用無減速機構的大轉矩、低轉速的電機實現直接驅動，這樣不僅可以簡化機構，同時可以提高機械手的控制精度。 東北林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 4 （ 4） 機械驅動式 機械驅動，通常發(fā)生在一個固定的環(huán)境中的作用。凸輪連桿一般是用來完成指定的動作。它的結構優(yōu)勢為運動軌跡不變，具有較高的工作效率，制作成本低，但是不方便進行調整。 還有其他的混合動力驅動，即液體、氣體或電液混合驅動。 控制系統(tǒng) 機械手的控制主要包含行動的順序、軌道位置、控制系統(tǒng)響應時間、運動速度和其加減速度等。 機械手的控制方式可以分為 點位控制以及連續(xù)軌跡控制 [14]。 控制系統(tǒng)可以按照運動的規(guī)定，計劃采用數字順序實現控制。即首先編寫程序同時并存儲，之后再按照已經編寫好的程序，實現機械手的控制以使其按照規(guī)定方式工作。 機械手的運動是相對復雜的，通常使用的復制型控制系統(tǒng)對其進行控制。但對于更為繁瑣的機械手通常選用數字型控制系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)或者單片機控制的系統(tǒng) [15]。 本文主要研究內容 本次機械手的設計主要為了優(yōu)化結構，使其布局合理緊湊。同時擴大它的適用范圍。設計的機械手采用電機驅動，選用六個電機來實現機械手的六個自由度。手爪部分采用氣壓 驅動，手指可拆卸安裝，通過不同的夾具來夾取不同類型的工作零件。這樣在工作流水線生產的零件可被迅速夾取以及搬運。而且夾取重物最多為 5KG 可適用于大多數零件的夾取。 2 機械手的設計方案 5 2 機械手的設計方案 機械手的主要參數 自由度的分配 自由度是用來描述運動所需的獨立坐標。 一般機械手的自由度愈多，便愈能更為接近人手的行動姿態(tài)，所以其通用性能越好；不過機械手的自由度越多其結構布局就越繁瑣，相對于機械手的整體布局的要求也就越高。同時機械手自由度的選擇與實際的生產要求息息相關，故而工業(yè)機械手一般多采用 4~6 個自由度，至于 7 個以上的自由度則為冗余自由度，通常應用于障礙物的躲避。為設計通用性較高的搬運機械手，故采用 6 個自由度，便于產品更換，增加柔性，滿足多數非特殊情況的要求。 手臂作為執(zhí)行機構中最為重要的運動部件，其作用為支撐腕部以及末端執(zhí)行器（手爪），使它們可以在工作范圍內完成指定動作。本次設計的機械手為了手部可以到達規(guī)定工作范圍的各個地點，所以臂部至少采用 3 個自由度 [16]。臂部的結構形式有很多種，通常的結構如下圖 21 所示。 圖 21 常用機械手結構 本次設計要求機器人的手臂可以到達設計要求的工作空 間的任意位置以及任意姿態(tài)，同時需要結構優(yōu)化，便于控制。通過上述要求后決定該機械手采用 6 個自由度，而且要有腕部三個自由度。因為在相同的空間條件下，關節(jié)型機器人要比非關節(jié)型機器人具有更大的活動空間，而且其結構緊湊，布局合理，并且關節(jié)型機器人的運動軌跡靈活。 [17]所以本次機械手設計擬定采用關節(jié)型機器人的結構。 腕部也有很多種結構形式，三自由度手腕通常有如下 4 種形式，如圖 22 所示 東北林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 6 圖 22 三自由度手腕結構 以上四種手腕結構均為三個自由度，其中 B 代表彎曲結構，表示腕關節(jié)的臨近的運動構件的軸線在運動過程中的 角度相互變化。其中 R 代表轉動結構，表示構成腕關節(jié)的臨近動作構件的軸線在運動過程中的角度相互保持不變 [17]。 BBR 結構因為用了兩個彎曲結構故而使尺寸結構增大， BRR、 RBR 與之相比而言其結構顯得更加緊湊，布局更為合理。 由于回轉關節(jié)與平移關節(jié)相對比，通常具有可操作的活動范圍大，布局合理緊湊，機構質量輕，關節(jié)處便于密封、防塵。本次設計使用了六個回轉關節(jié)，總結各種臂部以及腕部的結構形式，最終確定本次設計的機械手的結構形式如圖 23 所示。 圖 23 本次設計機械手結構 本次設計的機械手的 6 個自由度為：底部（腰 部）的回轉，肩部的俯仰，肘部的俯仰，腕部的回轉，腕部的俯仰，末端執(zhí)行器（手爪）回轉。 工作范圍 機械手的活動空間是指機械手的臂部或手部安裝的點可以達到的全部活動范圍，但是不包含手部本身可以達到的空間范圍。 本次設計的工作范圍如圖 24 所示 2 機械手的設計方案 7 圖 24 機械手工作范圍 驅動方式 本次設計的機械手采用的驅動方式是直流伺服電動機，由于其具有良好的調速性能，而且較大的啟動力矩，響應速度快，控制程度高，同時便于實現速度以及位置的準確控制 [18]，安裝檢測與維修方便，成本低，適用于中小型機 器人。 機械手的設計要求 自由度數目： 6 個 坐標形式：多關節(jié)坐標型 持重（最大伸長下，最高速度下）： 5Kg 最大活動半徑： 1800mm 最大工作速度： 2m/s 每個關節(jié)的回轉范圍以及最大的工作轉速要求如下表 21 所示 表 21 回轉范圍及工作轉速要求 動作范圍 腰部回轉 肩部俯仰 肘部俯仰 手腕回轉 手腕俯仰 手爪回轉 回轉范圍 工作轉速 360176。 30176。 /s 180176。 30176。 /s 180176。 30176。 /s 360176。 30176。 /s 180176。 30176。 /s 360176。 30176。 /s 機械手功能分析及特點 本次設計的 機構為六自由度機械手，要求它能完成對于物件夾緊、旋轉、俯仰、搖擺以及回轉等指定動作，要求設計的機械手可以適用于工業(yè)流水線上的作業(yè)之中，以便代替人工操作，提高效率。該設計主要針對在流水線上已加工的成品進行夾取以及搬運操作，設計的機構結構簡單，生產效率高，可控制的范圍大。腰部采用蝸桿傳動，工作效率高，可調的范圍大。而且要求機構采用的零件便于加工，使設計機構便于配合，并且控制成本，便于生產。 東北林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 8 3 底座（腰部）的結構設計 腰關節(jié)傳動方案設計 如下圖 31 所示，將所選的電機安裝在腰部側面，其輸入軸經過蝸輪蝸桿減 速后，由蝸輪所在的輸出軸帶動整個腰部在基座上回轉。 圖 31 底部的結構 由于蝸輪蝸桿傳動可以大的改變較大的傳動比，而且結構緊湊且布局合理。在蝸桿傳動的過程當中，由于蝸桿的齒是具有不間斷的螺旋齒，蝸桿與蝸輪齒是漸漸步入嚙合以及漸漸步出嚙合的，在同一時刻嚙合的齒對很多，所以沖擊載荷較小，傳動較為平穩(wěn)，噪音低。在蝸輪蝸桿嚙合角小于當其量摩擦角時，便自鎖蝸桿傳動。綜合以上因素故選用蝸桿傳動為腰關節(jié)傳動方案。 電動機的選擇 設手臂和手腕各自繞中心軸的轉動慣量各自為 1 2 3,G G GJ J J ，由平行軸定理可得繞關節(jié)軸的轉動慣量為： 2 2 21 1 1 2 2 3 31 2 3G G GJ J m l J m l J m l? ? ? ? ? ? （ 31） 1m 、 2m 、 3m 分別為 10kg、 5kg、 12kg。 1l 、 2l 、 3l 分別為中心到關節(jié)軸的距離，其值分別為 300mm、 700mm、 1500mm，在式（ 31）中 1GJ 211ml 、 2GJ 222ml 、3GJ 233ml ，所以 1GJ 、 2GJ 、 3GJ 忽略不計。所以各部件繞關節(jié)軸的轉動慣量為： 2 2 21 1 2 31 2 3J m l m l m l? ? ? （ 32） 2 2 221 0 0 . 3 5 0 . 7 1 2 1 . 53 0 . 2 5k g m? ? ? ? ? ?? 同理可得小臂及腕部繞第二關節(jié)軸的轉動慣量： 222 2 4 3 5J m l m l?? （ 33） 3 底座（ 腰部）的結構設計 9 2225 0. 4 12 0. 88. 48 kg m? ? ? ?? 式中： 4l —— 小臂重心距第二關節(jié)的水平距離（ mm） 5l —— 腕部重心距第二關節(jié)的水平距離（ mm） 設主軸轉速為 219176。 /s，則開始旋轉時，其轉矩為： TJ??? (34) 式中： T —— 旋轉開始時的轉矩（ Nm） ? —— 角加速度（ 2/rad s ） 若主軸從 0? = 00s 到 0? =219o s ，所需要的時間為： 1ts?? 則： 01 1 1 1 . 2 23 0 . 2 5 1 1 5 . 61T J J N mt?? ?? ?? ? ? ? ? ? ?? 考慮到繞機械手臂部的各個部分中心軸的轉動慣量及其摩擦力矩，故可假設旋轉開始時的啟動轉矩為 120Nm 電動機的功率可按（ 36）式估算： (1 .5 2 .5 ) L P L Pm MP ??? (35) 式中： mP —— 電動機功率（ W） LPM —— 負載力矩（ Nm） LP? —— 負載轉速（ /rad s ） ? —— 傳動裝置的效率，初步估取 因為經驗數據系數為 ~，綜合考慮取 1 2 0 3 . 8 21 . 5 7 6 40 . 9mP N m?? ? ?, 估算 mP 后可作為選取電機的依據，額定功率 rP 應該滿足 rmPP? (36) 綜合考慮選取串勵直流電動機 QZD08，其技術參數如表 31 所示 表 QZD08 串勵直流電動機參數 功率（ W） 額 定 電 壓（ V） 額 定 電 流（ A） 額 定 轉 速（ r/min） 勵磁方式 絕緣等級 工 作制 （ min） 800 24 1750 串勵 B 60 蝸輪蝸桿的設計計算 設計由 QZD08 串勵直流電動機驅動的 ZA 型單級閉式蝸桿減速器。已知電動機功率 1 800PW? ，轉速 1 1750 / minnr? ，傳動比 12 21i ? ，載荷較為平穩(wěn)，有沖擊不大，單向傳動，使用壽命 12021h。 蝸桿選用 ZA 型蝸桿傳動，材料選用 40Cr，表面淬火處理，表面硬度為（ 40~55）HRC；蝸輪選用 ZCuSn10P1，鑄造，精度 8 級。 齒面接觸疲勞強度計算 東北林業(yè)大學本科畢業(yè)設計 10 由式，中心距 a 為 ? ?23 2 EHZZa KT ????? ???? （ 37） 由傳動比 12 21i ? ，查表取 1 2z? 由 1 2z? ，閉式傳動，估取效率 ?? 作用在蝸輪上的轉矩： 6 6 412 1 2 1 1 2 19 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 0 0 . 82 1 0 . 8 3 7 . 6 1 1 01750PT i T i N m m N m mn?? ??? ??? ? ? ? ? ? ????? 確定載荷系數 K： 查表得選取使用系數 ? 。因為轉速不高，沖擊不大