【正文】 (5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一， 紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線 (站 )上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200 臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 .我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“ 863”計(jì)劃的支持下，也取 得了不少成果。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 8 較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。設(shè)計(jì)中的機(jī)械手各動(dòng)作由液壓缸驅(qū)動(dòng)，并有電磁閥控制， 抓重 300 自由度 4 動(dòng)作 符號(hào) 行程范圍 速度 伸縮 X 100mm 20mm/s 升降 Z 500mm 20mm/s 回轉(zhuǎn) θ 220176。 /s 小結(jié) 第二章 手部 結(jié)構(gòu) 9 第二章 手部結(jié)構(gòu) 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 21 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 如圖所示為 連桿 式手部結(jié)構(gòu)?！艶y=0 P=2P1cosα P1=P/2cosα 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 10 連桿 對手指的作用力為 p1′ ，因連桿 2 為 2 力桿 。由手指的力矩平衡條件，即 ∑m01(F)=0得 P1′ h=Nb 因 h=c cosα 所以 P=2 b tgα N/c 式中 b—— 手指的回轉(zhuǎn) 支點(diǎn)到對稱中心線的距離（毫米）。 由上式可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力 P 一定時(shí)， 握力 N 與 α角成正切反比。若拉桿再往下移動(dòng)，則手指反而會(huì)松開，為避免這種情況的發(fā)生，需保持 α 大于零 ，一般取 α=30176。這里取角 α=30度。查《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中表 21 可知，V形手指夾緊圓棒料時(shí)，握力的計(jì)算公式 N=，綜合前面驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方法，可求出驅(qū)動(dòng)力的大小。 本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動(dòng)速度為 500 毫米 /秒，移動(dòng)加速度為1000 毫米 /秒 2 ，工件重量 G 為 300N， V 型鉗口的夾角為 120176。時(shí)，拉緊油缸的驅(qū)動(dòng)力 P 和 P 實(shí)際計(jì)算如下： 根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計(jì)算公式 N==150N 選取 b=50 c=30 由 連桿 杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式 P=2btgα N/c 得 P=P 計(jì)算 =2 50 tg（ 30176。設(shè)計(jì)腕部時(shí)要注意以下幾點(diǎn)： 1 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。 3 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個(gè)自由度的位置檢測、管線的布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題 4 要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。 腕部的結(jié)構(gòu)形式 本機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為 177。. 如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進(jìn)行連接和定位，動(dòng)片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。當(dāng) 回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時(shí)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動(dòng)，即為手腕的回轉(zhuǎn) 暈動(dòng)。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： M 驅(qū) =M 慣 +M 偏 +M 摩 （ ） 式中 M 驅(qū) —— 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 M 慣 —— 慣性力矩 （ ） M 偏 —— 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動(dòng)片）對轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （ ） M 摩 —— 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦力矩 （ ） 圖 32 腕部回轉(zhuǎn)力矩 ⑴ 摩擦阻力矩 M 摩 M 摩 =2f （ N1D1+N2D2） （ ） 式中 f—— 軸承的摩擦系 數(shù)，滾動(dòng)軸承取 f=，滑動(dòng)軸承取 f=； N1 、 N2 —— 軸承支承反力 （ N） ； D1 、 D2 —— 軸承直徑 （ m） 由設(shè)計(jì)知 D1= D2= N1=800N N2=200N G1=300N e=時(shí) M 摩 =*（ 200*+800*） /2 得 M 摩 =（ ） ⑵ 工件重心偏置力矩引起的偏 置力矩 M 偏 M 偏 =G1 e （ ） 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 14 式中 G1—— 工件重量（ N） e—— 偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時(shí) ， M 偏 為零 當(dāng) e=， G1=300N 時(shí) M 偏 =6 （ Nm） 式中 ?—— 手腕回轉(zhuǎn)角速度 （ 1/s） T—— 手腕啟動(dòng)過程中所用時(shí)間（ s），（假定啟動(dòng)過程中近為加速運(yùn)動(dòng)） J—— 手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kgm2 ） 按已知計(jì)算得 J=， J 工件 =， ? =,t=2 故 M 慣 = （ N 圖 33 7000AC型系列軸承簡圖 ［ 8］ 第三章腕部結(jié)構(gòu) 15 表 39 7301AC角接觸球軸承技術(shù)參數(shù) mm 軸承代號(hào) 基本尺寸 /mm 70000AC(α =25176。 表 310 徑向載荷系數(shù) X和軸向載荷系數(shù) Y 軸承 類型 e 單列軸承 雙列軸承 eFF RA ? eFF RA ? eFF RA ? eFF RA ? X Y X Y X Y X Y 角接觸球軸承7000AC 1 0 1 所以 53905391 ????P N 軸承的預(yù)期壽命 hL =50000h, ???????????????? nPCL h 6010 6? (h) （ 320） 式中： ? —— 壽命指數(shù)，對球軸承ε =3，對滾子軸承ε =10/3 n —— 軸承轉(zhuǎn)速，單位 r/min C —— 計(jì)算基本額定動(dòng)載荷 水平導(dǎo)軌的選用 導(dǎo)軌的計(jì)算載荷 cF 為： 3 3232131 LLFLFLFF nnc ???? 選用 HIWIN 品牌 EGR15U 型號(hào)水平導(dǎo)軌 圖 34 EGR15U導(dǎo)軌基本參數(shù) 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 16 圖 341 導(dǎo)軌精度等級(jí) 小結(jié) 第四章 臂部的結(jié)構(gòu) 17 第四章 臂部的結(jié)構(gòu) 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 一、 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 （ 1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。 （ 3） 合理布置作用力的位置和方向。 （ 5） 提高配合精度。對于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在 100 0 150 0mm s,最大 回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在0180s 內(nèi)，大部分平均移動(dòng)速度為 1000mms ，平均回轉(zhuǎn)角速度在 090s 。減少慣量具體有 3 個(gè)途徑： （ 1） 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金材料。 （ 3） 減少回轉(zhuǎn)半徑 ? ，再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮 后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作。 三、手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活 為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。 （ 2） 手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式 有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。 （ 4） 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實(shí)心軸大得多。 ② 導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線移動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減少偏重力矩和整個(gè)手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。故應(yīng)盡量減少小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)要采取一定的緩沖措施。 手臂偏重力矩的計(jì)算 初計(jì)算 G1 =300N G2 =100N G3 =300N G4 =500N 所以 Gˊ 總 =G1 + G2 + G3 + G4=300+100+300+500=1200N 初計(jì)算 工件 =1000mm 手部 =900mm 手 腕 =700mm 手臂 =400mm G1 ρ G2 ρ G3 ρ G4 ρ 800000ρ 6 6 0 m mG 1 G 2 G 3 G 4 1 2 0 0? ? ?? ? ?? ? ?工 件 手 部 手 腕 手 臂 所以偏轉(zhuǎn)力矩 M 偏 =Gˊ 總 L=1900 =1219N﹒ m 式中 — 重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離（ mm） 升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件 手臂在 G 總 的作用下有向下的趨勢，而立柱導(dǎo)套則防止這種趨勢。 G 總 （ 1） F 摩 的計(jì)算 F 摩 =2FR ? 取 ?= FR=4600N 所以 F 摩 =2FR ?=2 4600 =2300N （ 2） F 慣 的計(jì)算 由摩擦力公式 式中 △ V— 由靜止加速到常速的變化量（ mm/s） △ t— 啟動(dòng)過程時(shí)間（ t），一般取 ～ 。 （ 4） F 密 的計(jì)算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用 O型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于 10MPa 時(shí)，液壓缸密封處的總的摩擦阻力為： F 密 = 驅(qū) 經(jīng)過以上的分析計(jì)算，液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為： F 驅(qū) =F 摩 +F 慣 +F回 +F 密 177。 2300 所以 當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動(dòng)時(shí) F 驅(qū) = 當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動(dòng)時(shí) F 驅(qū) = 第四章 臂部的結(jié)構(gòu) 21 圖 43 升降液壓缸 手臂升降液壓缸參數(shù)計(jì)算 升降液壓缸的工作壓力由驅(qū)動(dòng)力與液壓缸工作壓力關(guān)系表，可得 P=，為了滿足要求，此時(shí)取 F 驅(qū) = = 進(jìn)行計(jì)算。選用液壓傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力較大。為實(shí)現(xiàn)此目的，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)由底部電機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、基座組成，此結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)從驅(qū)動(dòng)裝置的選擇進(jìn)行展開。減速器的總傳動(dòng)比根據(jù)機(jī)械手的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速確定 。 ，應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度。 。 底座的組成部分 機(jī)械手的底座由上下兩部分組成 上部分：由電機(jī)，諧波傳動(dòng)減速器組成。 （ 2）底部電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算 設(shè)計(jì)要求機(jī)座的轉(zhuǎn)動(dòng)速度 ? =20176。 軸的結(jié)構(gòu)取決于軸的承載性質(zhì)、大小、方向和傳動(dòng)布置方案，軸上零件的布置與固定方式，軸承的類型與尺寸，軸毛坯的形式，制造工藝和裝配工藝，安裝運(yùn)輸條件和制造經(jīng)濟(jì)性等等。 由表 軸選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)至 HB220。 功能方面，空心軸作用為連接齒輪與液壓缸缸體，傳動(dòng)扭矩，使機(jī)械手旋轉(zhuǎn)。 圖 562 實(shí)心軸 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 28 圖 563 空心軸 底座諧波傳動(dòng)減速器的設(shè)計(jì) 由于諧波減速器裝置具有傳動(dòng)比大、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng) 精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)、效率高，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)機(jī)器人中。此次設(shè)計(jì)選用的是帶環(huán)形柔輪的諧波傳動(dòng)減速器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 31 所示。這種沒有單獨(dú)外殼的由三大基本構(gòu)件形成一個(gè)組合件的結(jié)構(gòu)形式，使傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)更為簡化和緊湊。當(dāng)將波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時(shí)．由于波發(fā)生器兩滾子外側(cè)之間的距離略大于柔輪內(nèi)孔直徑，使原為圓形的柔輪產(chǎn)生彈性變形成為橢圓，使其長軸兩端的齒與剛輪齒完全嚙合。于是柔輪就相對于不動(dòng)的剛輪沿與波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反的方向作低