【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的手部，經(jīng)常是指真空吸盤(pán)或者具有磁性吸盤(pán)的手部。 （ 2） 手臂 手臂的作用是帶動(dòng)手指準(zhǔn)確把握工件，并運(yùn)送到指定地點(diǎn)。要使機(jī)械手滿(mǎn)足能夠準(zhǔn)確地工作的條件，就需要臂部的 3 個(gè)自由度準(zhǔn)確地定位 [10]。 （ 3）底座 底座是安裝臂部、動(dòng)力裝置（電機(jī)或液壓氣動(dòng)）以及各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支 架。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式主要有 4 種即液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。目前以液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用較為廣泛。 （ 1）液壓驅(qū)動(dòng)式 采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手一般由各種油缸、伺服閥、油泵、油箱等組成其動(dòng)力系統(tǒng)，以滿(mǎn)足機(jī)械手臂部以及手部的動(dòng)作要求 [11]。通常它可以具備較大的抓舉能力一般重達(dá)幾百千克以上，其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)為結(jié)構(gòu)布局緊湊、行動(dòng)較為平穩(wěn)、耐沖擊、抗震動(dòng)、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(diǎn)，否則內(nèi)部的油泄漏將污染環(huán)境。 （ 2）氣壓驅(qū)動(dòng)式 氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由氣缸、氣閥、 氣罐以及空壓機(jī)組成，它的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)為氣體來(lái)源方便、反應(yīng)迅速、結(jié)構(gòu)布局合理、成本較低、易于檢測(cè)維修 [12]。不過(guò)缺點(diǎn)是它很難進(jìn)行速度控制，壓力不宜太高，所以抓舉能力低。 （ 3）電氣驅(qū)動(dòng)式 電機(jī)驅(qū)動(dòng)是機(jī)械手應(yīng)用最為廣泛飛一種驅(qū)動(dòng)形式。它的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)為電源來(lái)源廣泛，反應(yīng)速度較快，具有較大的驅(qū)動(dòng)力，關(guān)節(jié)型的機(jī)械手持重可以達(dá)到 400kg，信號(hào)的檢測(cè)、傳輸以及處理相對(duì)快捷，而且可以運(yùn)用多種綜合的控制方式 [13]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常選用步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)作為主要的驅(qū)動(dòng)方法。由于電機(jī)速度高，所以普遍運(yùn)用減速機(jī)構(gòu)，例如諧波傳動(dòng)、擺 線(xiàn)針輪傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)和多桿機(jī)構(gòu)等。目前機(jī)械手已經(jīng)逐漸選用無(wú)減速機(jī)構(gòu)的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的電機(jī)實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，這樣不僅可以簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，同時(shí)可以提高機(jī)械手的控制精度。 東北林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 （ 4） 機(jī)械驅(qū)動(dòng)式 機(jī)械驅(qū)動(dòng)，通常發(fā)生在一個(gè)固定的環(huán)境中的作用。凸輪連桿一般是用來(lái)完成指定的動(dòng)作。它的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)為運(yùn)動(dòng)軌跡不變，具有較高的工作效率，制作成本低，但是不方便進(jìn)行調(diào)整。 還有其他的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，即液體、氣體或電液混合驅(qū)動(dòng)。 控制系統(tǒng) 機(jī)械手的控制主要包含行動(dòng)的順序、軌道位置、控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和其加減速度等。 機(jī)械手的控制方式可以分為 點(diǎn)位控制以及連續(xù)軌跡控制 [14]。 控制系統(tǒng)可以按照運(yùn)動(dòng)的規(guī)定，計(jì)劃采用數(shù)字順序?qū)崿F(xiàn)控制。即首先編寫(xiě)程序同時(shí)并存儲(chǔ)，之后再按照已經(jīng)編寫(xiě)好的程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的控制以使其按照規(guī)定方式工作。 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)復(fù)雜的，通常使用的復(fù)制型控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制。但對(duì)于更為繁瑣的機(jī)械手通常選用數(shù)字型控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者單片機(jī)控制的系統(tǒng) [15]。 本文主要研究?jī)?nèi)容 本次機(jī)械手的設(shè)計(jì)主要為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使其布局合理緊湊。同時(shí)擴(kuò)大它的適用范圍。設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，選用六個(gè)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的六個(gè)自由度。手爪部分采用氣壓 驅(qū)動(dòng)，手指可拆卸安裝，通過(guò)不同的夾具來(lái)夾取不同類(lèi)型的工作零件。這樣在工作流水線(xiàn)生產(chǎn)的零件可被迅速夾取以及搬運(yùn)。而且?jiàn)A取重物最多為 5KG 可適用于大多數(shù)零件的夾取。 2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 5 2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 機(jī)械手的主要參數(shù) 自由度的分配 自由度是用來(lái)描述運(yùn)動(dòng)所需的獨(dú)立坐標(biāo)。 一般機(jī)械手的自由度愈多，便愈能更為接近人手的行動(dòng)姿態(tài)，所以其通用性能越好；不過(guò)機(jī)械手的自由度越多其結(jié)構(gòu)布局就越繁瑣，相對(duì)于機(jī)械手的整體布局的要求也就越高。同時(shí)機(jī)械手自由度的選擇與實(shí)際的生產(chǎn)要求息息相關(guān)，故而工業(yè)機(jī)械手一般多采用 4~6 個(gè)自由度，至于 7 個(gè)以上的自由度則為冗余自由度，通常應(yīng)用于障礙物的躲避。為設(shè)計(jì)通用性較高的搬運(yùn)機(jī)械手，故采用 6 個(gè)自由度，便于產(chǎn)品更換，增加柔性，滿(mǎn)足多數(shù)非特殊情況的要求。 手臂作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)中最為重要的運(yùn)動(dòng)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(nèi)完成指定動(dòng)作。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手為了手部可以到達(dá)規(guī)定工作范圍的各個(gè)地點(diǎn)，所以臂部至少采用 3 個(gè)自由度 [16]。臂部的結(jié)構(gòu)形式有很多種，通常的結(jié)構(gòu)如下圖 21 所示。 圖 21 常用機(jī)械手結(jié)構(gòu) 本次設(shè)計(jì)要求機(jī)器人的手臂可以到達(dá)設(shè)計(jì)要求的工作空 間的任意位置以及任意姿態(tài)，同時(shí)需要結(jié)構(gòu)優(yōu)化，便于控制。通過(guò)上述要求后決定該機(jī)械手采用 6 個(gè)自由度，而且要有腕部三個(gè)自由度。因?yàn)樵谙嗤目臻g條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人要比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有更大的活動(dòng)空間，而且其結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，并且關(guān)節(jié)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡靈活。 [17]所以本次機(jī)械手設(shè)計(jì)擬定采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。 腕部也有很多種結(jié)構(gòu)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 圖 22 三自由度手腕結(jié)構(gòu) 以上四種手腕結(jié)構(gòu)均為三個(gè)自由度，其中 B 代表彎曲結(jié)構(gòu)，表示腕關(guān)節(jié)的臨近的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的軸線(xiàn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的 角度相互變化。其中 R 代表轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，表示構(gòu)成腕關(guān)節(jié)的臨近動(dòng)作構(gòu)件的軸線(xiàn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的角度相互保持不變 [17]。 BBR 結(jié)構(gòu)因?yàn)橛昧藘蓚€(gè)彎曲結(jié)構(gòu)故而使尺寸結(jié)構(gòu)增大， BRR、 RBR 與之相比而言其結(jié)構(gòu)顯得更加緊湊，布局更為合理。 由于回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與平移關(guān)節(jié)相對(duì)比，通常具有可操作的活動(dòng)范圍大，布局合理緊湊，機(jī)構(gòu)質(zhì)量輕，關(guān)節(jié)處便于密封、防塵。本次設(shè)計(jì)使用了六個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，總結(jié)各種臂部以及腕部的結(jié)構(gòu)形式，最終確定本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式如圖 23 所示。 圖 23 本次設(shè)計(jì)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的 6 個(gè)自由度為：底部（腰 部）的回轉(zhuǎn)，肩部的俯仰，肘部的俯仰，腕部的回轉(zhuǎn)，腕部的俯仰，末端執(zhí)行器（手爪）回轉(zhuǎn)。 工作范圍 機(jī)械手的活動(dòng)空間是指機(jī)械手的臂部或手部安裝的點(diǎn)可以達(dá)到的全部活動(dòng)范圍，但是不包含手部本身可以達(dá)到的空間范圍。 本次設(shè)計(jì)的工作范圍如圖 24 所示 2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 7 圖 24 機(jī)械手工作范圍 驅(qū)動(dòng)方式 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用的驅(qū)動(dòng)方式是直流伺服電動(dòng)機(jī)，由于其具有良好的調(diào)速性能，而且較大的啟動(dòng)力矩，響應(yīng)速度快，控制程度高，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)速度以及位置的準(zhǔn)確控制 [18]，安裝檢測(cè)與維修方便，成本低，適用于中小型機(jī) 器人。 機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求 自由度數(shù)目： 6 個(gè) 坐標(biāo)形式：多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型 持重（最大伸長(zhǎng)下，最高速度下）： 5Kg 最大活動(dòng)半徑： 1800mm 最大工作速度： 2m/s 每個(gè)關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)范圍以及最大的工作轉(zhuǎn)速要求如下表 21 所示 表 21 回轉(zhuǎn)范圍及工作轉(zhuǎn)速要求 動(dòng)作范圍 腰部回轉(zhuǎn) 肩部俯仰 肘部俯仰 手腕回轉(zhuǎn) 手腕俯仰 手爪回轉(zhuǎn) 回轉(zhuǎn)范圍 工作轉(zhuǎn)速 360176。 30176。 /s 180176。 30176。 /s 180176。 30176。 /s 360176。 30176。 /s 180176。 30176。 /s 360176。 30176。 /s 機(jī)械手功能分析及特點(diǎn) 本次設(shè)計(jì)的 機(jī)構(gòu)為六自由度機(jī)械手，要求它能完成對(duì)于物件夾緊、旋轉(zhuǎn)、俯仰、搖擺以及回轉(zhuǎn)等指定動(dòng)作，要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手可以適用于工業(yè)流水線(xiàn)上的作業(yè)之中，以便代替人工操作，提高效率。該設(shè)計(jì)主要針對(duì)在流水線(xiàn)上已加工的成品進(jìn)行夾取以及搬運(yùn)操作，設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，可控制的范圍大。腰部采用蝸桿傳動(dòng)，工作效率高，可調(diào)的范圍大。而且要求機(jī)構(gòu)采用的零件便于加工，使設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)便于配合，并且控制成本，便于生產(chǎn)。 東北林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 3 底座（腰部）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 如下圖 31 所示，將所選的電機(jī)安裝在腰部側(cè)面，其輸入軸經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿減 速后，由蝸輪所在的輸出軸帶動(dòng)整個(gè)腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 圖 31 底部的結(jié)構(gòu) 由于蝸輪蝸桿傳動(dòng)可以大的改變較大的傳動(dòng)比，而且結(jié)構(gòu)緊湊且布局合理。在蝸桿傳動(dòng)的過(guò)程當(dāng)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(shí)刻嚙合的齒對(duì)很多，所以沖擊載荷較小，傳動(dòng)較為平穩(wěn)，噪音低。在蝸輪蝸桿嚙合角小于當(dāng)其量摩擦角時(shí)，便自鎖蝸桿傳動(dòng)。綜合以上因素故選用蝸桿傳動(dòng)為腰關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案。 電動(dòng)機(jī)的選擇 設(shè)手臂和手腕各自繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量各自為 1 2 3,G G GJ J J ，由平行軸定理可得繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(guān)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(jì)。所以各部件繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 222 2 4 3 5J m l m l?? （ 33） 3 底座（ 腰部）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 2225 0. 4 12 0. 88. 48 kg m? ? ? ?? 式中： 4l —— 小臂重心距第二關(guān)節(jié)的水平距離（ mm） 5l —— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)的水平距離（ mm） 設(shè)主軸轉(zhuǎn)速為 219176。 /s，則開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)矩為： TJ??? (34) 式中： T —— 旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩（ Nm） ? —— 角加速度（ 2/rad s ） 若主軸從 0? = 00s 到 0? =219o s ，所需要的時(shí)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(jī)械手臂部的各個(gè)部分中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其摩擦力矩，故可假設(shè)旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 120Nm 電動(dòng)機(jī)的功率可按（ 36）式估算： (1 .5 2 .5 ) L P L Pm MP ??? (35) 式中： mP —— 電動(dòng)機(jī)功率（ W） LPM —— 負(fù)載力矩（ Nm） LP? —— 負(fù)載轉(zhuǎn)速（ /rad s ） ? —— 傳動(dòng)裝置的效率，初步估取 因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)系數(shù)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(jī)的依據(jù)，額定功率 rP 應(yīng)該滿(mǎn)足 rmPP? (36) 綜合考慮選取串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) QZD08，其技術(shù)參數(shù)如表 31 所示 表 QZD08 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)參數(shù) 功率（ W） 額 定 電 壓（ V） 額 定 電 流（ A） 額 定 轉(zhuǎn) 速（ r/min） 勵(lì)磁方式 絕緣等級(jí) 工 作制 （ min） 800 24 1750 串勵(lì) B 60 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)由 QZD08 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的 ZA 型單級(jí)閉式蝸桿減速器。已知電動(dòng)機(jī)功率 1 800PW? ，轉(zhuǎn)速 1 1750 / minnr? ，傳動(dòng)比 12 21i ? ，載荷較為平穩(wěn)，有沖擊不大，單向傳動(dòng)，使用壽命 12021h。 蝸桿選用 ZA 型蝸桿傳動(dòng)，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(jí)。 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 東北林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 由式，中心距 a 為 ? ?23 2 EHZZa KT ????? ???? （ 37） 由傳動(dòng)比 12 21i ? ，查表取 1 2z? 由 1 2z? ，閉式傳動(dòng)，估取效率 ?? 作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)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(shù) K： 查表得選取使用系數(shù) ? 。因?yàn)檗D(zhuǎn)速不高，沖擊不大