【正文】 輪齒條式手爪、平行杠桿式手爪。齒輪齒條結(jié)構(gòu)比較常見，也比較適合于對小型工件的加持，而且加持精度比較高。所以我選擇的是齒輪齒條結(jié)構(gòu)手爪。即 通過活塞桿的直線運動與齒 輪式手指嚙合，轉(zhuǎn)化為手指的張合運動。通過工件尺寸確定出機械手手指張合范圍。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖 25 所示 10 圖 25 機械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖 機械手的機械傳動機構(gòu)的設計 工業(yè)機械手傳動機構(gòu)設計應注意的問題 機械手是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運動機構(gòu)。除直接驅(qū)動型機械手以外，機械手各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運動都是由驅(qū)動器經(jīng)過各種機械傳動機構(gòu)進行驅(qū)動的。機械手所采用的傳動機構(gòu)與一般機械的傳動機構(gòu)相類似。常用的機械傳動機構(gòu)主要有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動等。由 于傳動部件直接影響著機器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應能力，因此，應設計和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、響應速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。 在設計機械手的傳動機構(gòu)時要注意以下問題： ，要求機器人各運動部件的重量要輕，慣量要小。因此，機器人的傳動機構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。 ，以減小反向空回所造成的運動誤差。 盡可能小，動摩擦力應是盡可能小的正斜率，若為負斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導向支承等。 工業(yè)機械手常用的傳動機構(gòu)形式 11 在機器人中常用的齒輪傳動機構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。 諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百），傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強、效率高等一系列優(yōu)點。故在工業(yè)機器人系統(tǒng)中得 到廣泛的應用。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質(zhì)上的差別。 螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩 大、傳動效率低（ 30%~40%）。后者雖然結(jié)構(gòu)復雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（ 92%~98%），其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。通過預緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進給精度和重復定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機器人中應用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構(gòu)或制動裝置。 同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合 齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動比準確、傳動效率高（可達 98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達 40m/s）、傳動比可達 10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機器人中使用很多。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴格，同時具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。 鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大， 無滑動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行可靠、噪聲低，驅(qū)動力矩大、壽命長，鋼 12 帶無蠕變、傳動效率高。 在機器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機器人末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關(guān)節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。 鋼絲繩輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。 設計具體采用方案 具體到本設計，因為選用了液壓缸作為機械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓缸實現(xiàn)直接驅(qū) 動，它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，又是動力元件。故不需要中間傳動機構(gòu)，這既簡化了結(jié)構(gòu)，同時又提高了精度。 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設計 機械手各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點 工業(yè)機械手的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下。 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需 要進行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大 13 量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換 ，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。 我選擇了液壓驅(qū)動。 機械手液壓驅(qū)動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)在機械手中所起的作用是通過電 液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構(gòu)進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機械手手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動馬達，連續(xù)回轉(zhuǎn)的液壓馬達用得很少。在工業(yè)機器 人中，中、小功率的液壓驅(qū)動系統(tǒng)用節(jié)流調(diào)速的為多，大功率的用容積調(diào)速系統(tǒng)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是效率低。容積調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。 這類機械手屬非伺服控制的機器人，在只有簡單搬運作業(yè)功能的機器人中，常常采用簡易的邏輯控制裝置或可編程控制器對機器人實現(xiàn)有限點位的控制。這類機器人的液壓系統(tǒng)設計要重視以下方面： （ 1） 液壓缸設計：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減小摩擦阻力 ，提高液壓缸的壽命。 （ 2） 定位點的緩沖與制動：因為機器人手臂的運動慣量比較大，在定位點前要加緩沖與制動機構(gòu)或鎖定裝置。 （ 3） 對慣量比較大的運動軸的液壓缸兩側(cè)最好加設安全保護回路，防止因碰撞過載而損壞機械結(jié)構(gòu)。 在機械手的驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的電 液伺服動力機構(gòu)是電 液伺服液壓缸和電 液伺服擺動馬達，也可以用電 液步進馬達。液壓回轉(zhuǎn)執(zhí)行器是一種由伺服電機，步進電機或比例電磁鐵帶動的一個安放在擺動馬達或連續(xù)回轉(zhuǎn)馬達轉(zhuǎn)子內(nèi)的一個回轉(zhuǎn)滑閥，通過機械反饋，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的一種電 液伺服機構(gòu) 。它可安裝在機械手手臂關(guān)節(jié)上，實現(xiàn)直接驅(qū)動。它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，又是動力元件。 機身擺動驅(qū)動元件的選取 14 能實現(xiàn)擺動的驅(qū)動系統(tǒng)有很多，如電機驅(qū)動、馬達驅(qū)動、齒輪齒條機構(gòu)、擺動氣缸等。步進電機驅(qū)動能實現(xiàn)精確控制，能實現(xiàn)精準的機身擺動，但控制比較困難，且容易受到外界的干擾。最主要的是我所設計的機械手都是用液壓系統(tǒng)，如果轉(zhuǎn)動部分應用電機，會增加成本，違背現(xiàn)代設計的原則。齒輪齒條驅(qū)動也能實現(xiàn)機身的旋轉(zhuǎn)，但齒輪齒條也也要有驅(qū)動部分，如電機、馬達等，這也比較復雜。擺動氣缸是氣壓元件，不適合本設計。而液壓馬達就相當于擺動液壓缸，能很好的實現(xiàn)機身的擺動且有很強的動力，完全滿足本設計的要求，最主要的是與其他液壓元件共同一起實現(xiàn)一個整體，控制起來更加方便，大大節(jié)省了設計及制造成本，體現(xiàn)了科技進步的要求。故綜合前面幾點，實現(xiàn)機身擺動的元件我選擇的是液壓馬達。 設計具體采用方案 具體到本設計，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素。機械手腰部的旋轉(zhuǎn)運動需要一定的載荷動力，故采用液壓擺動馬達驅(qū)動來實現(xiàn)；因為采用液壓執(zhí)行缸來做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅(qū)動。 而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞 缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉合。 機械手手臂的平衡機構(gòu)設計 直角坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機器人可以通過合理布局，優(yōu)化設計結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達到平衡。關(guān)節(jié)機械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動器的負荷，同時縮短啟動時間。 機器人平衡機構(gòu)的形式 主要有以下幾種： 這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機器人手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機器人手臂的不平衡力矩 比較小的情況下采用這種平衡機構(gòu)。 彈簧平衡機構(gòu)，機構(gòu)簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應用廣泛。 活塞式平衡系統(tǒng)有液壓和氣動兩種：液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小， 15 有一定的阻尼作用；氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大?；钊狡胶庑枰鋫溆袑ｉT的液壓或氣動裝置，系統(tǒng)復雜，因此造價高，設計、安裝和調(diào)試都增加了難度，但是平衡效果好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。 此處選擇了配重平衡機構(gòu)及添加配重鐵的形式。 16 第 3 章 理論分析和設計計算 液壓傳動系統(tǒng)設計計算 確定液壓系統(tǒng)基本方案 液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達，前者實現(xiàn)直線運動，后者實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。 二者的特點及適用場合見表 31： 表 31 液壓缸液壓馬達的特點及應用場合 名 稱 特 點 適 用 場 合 雙活塞桿液壓缸 雙向?qū)ΨQ 雙向工作的往復場合 單活塞桿液壓缸 有效工作面積大、 雙向不對稱 往返不對稱的直線運動，差動連接可實現(xiàn)快進 柱塞缸 結(jié)構(gòu)簡單 單向工作，靠重力或其它外力返回 擺動缸 單葉片式小于 360 雙葉片式小于 180 小于 360 的擺動； 小于 180 的擺動 齒輪馬達 結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜 高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 葉片馬達 體積小、轉(zhuǎn)動慣量小 高速低轉(zhuǎn)矩、動作靈敏的回轉(zhuǎn)運動 擺線齒輪馬達 體積小、輸出轉(zhuǎn)局大 低速、小功率大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 軸向柱塞馬達 運動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬 大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 徑向柱塞馬達 轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)復雜，輸出轉(zhuǎn)矩大 低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運動 本設計因為機械手的形式為圓柱坐標形式，具有 3 個自由度，一個轉(zhuǎn)動，兩個移動自由度。腰部的回轉(zhuǎn)用擺動馬達驅(qū)動實現(xiàn)， 剩下的兩個運動均為直線運動。因此，機械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實現(xiàn)直線往復運動。 17 擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路 液壓執(zhí)行元件確定后，其運動方向和運動速度的控制是液壓回路的核心問題。 方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。 速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現(xiàn)。相應的調(diào)速方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速 以及二者結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速。 本設計的方向控制采用電磁換向閥來實現(xiàn)，而速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速，主要方式是采用比較簡單的節(jié)流閥來實現(xiàn)。 液壓源系統(tǒng)的設計 液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。 油液的凈化裝置是液壓源中不可