用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。暇蟛戮川客愦合菔辋铗机械手一般分为三类:钆踝称敷湄犸躺己鄢石第一类：是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类：是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类：是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工12工业机械手的简史疴杠骨据阚瞳蛰芒诘丹机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。（1）1954年USA工程师德尔沃最早提出机械人的概念；挛洁卤傅煌怃稀棣垃丶（2）1959年USA德尔沃与英格伯制造了世界上的第一台机械人；卦氧丑共翰酷渲秀侄嗓（3）1962年USA正式将机械人的使用性提出来，且制造出类似人的手臂；刺测邑烈锑衩忌片鹬裨（4）1967年JAN成立了人工手研究会，并召开了首届机械手学术会；徊阅坛脊杂垄壤柁铊迫（5）1970年在USA召开了第一届工业机械人学术会，并的到迅速普及；患脉思冯熳要膂帽邻甘（6）1973年辛辛那提公司制造出第一台小型计算机控制的的工业机械人，当时是液压驱动，能载重大成就45KG；澈型培铬必形憷弧妥噜（7）到1980年在JAN得到普及，并定为“机械人元年”此后在日本机械人得到了前所未有的发展与提升，在就是后来到台湾再到大陆。蔷愆冲俊论盲忌昼劈缫第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。妤宽昱峭侃滤夂搴却萨第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMSFlexibleManufacturingsystem和柔性制造单元FlexibleManufacturingCell中重要一环。惠凼脶子疳溺碌烙征觎随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。瓶秧锐光廪捱阵帧耵聚13机械手的组成鲋恧灸岿码珑缂麻巡哓机械手主要由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。其组成及相互关系如下图：档六臬驯芝冉执行机构跃膛沐壳砍龅蠲蛋摁漠行程检测装置胺誓肋静可澡鳌咙弑臧被传动物件畦静醺14本文主要研究内容鼗频普挹丸班辟赌露绛本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。焦巨胖蜗医塔稞嬖麻瞰第二章机械手的总体设计方案分析刀啶墓述狼害冰裎熬弼本课题是搬运机器人的设计。在本章中对机器人的机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，机器人的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。扶佃手莅骗汕咴俺店力21机械手功能原理图榻汩裴孛牌滥矛硷杷抚图21机械手功能原理图愉薤骇忿螟垤镜没黠辉22机械手基本形式的选择拿铬讼蚩窖亥宽雷鲍估常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下43球坐标极坐标型机械手;4多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。芟枥谱卩搿骄哆讨砖葆23机械手的主要部件及运动拳拍雷铐胲妹敬泛刳焦机械手主要由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。执行机构是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。驱动机构，驱动手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。控制机构主要利用可编程序控制器、微型计算机等控制驱动机构动作，进而控制执行机构运动。莛帐殴降踞挡凹懦咪惜机械手详细的运动为：（1）定位（2）抓取（3）提升（4）顺时针转90前进（6）下降（7）松开（8）提升（9）后退（10）逆时针转90（11）图22机械手基本形式示意图态萌皖凡符砭嗷戬兹芈24驱动机构的选择菜妆肓繁敕寓檎猪猁靴驱动机构是工业机械手的重要组成部分,工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。陈灸疟片此蝗鸱瀛氍钐第三章机械手手部的设计咀遐坩隽浣绂觯钨堡慌31手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆等，这里采用滑槽杠杆式。揉瑟痞镍挛瞽鄣蹬艾仪32设计时应考虑的几个问题瞵蓝庥缨丽针瓤叻度皖应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。齑恝呖盼贱安洌胪仳犋手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。性逗斑彼杞吩陔液悚岵33驱动力的计算图31滑槽杠杆式手部受力分析咤还童奎峡俭茎展憾镉如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，使手指1的左右部分分别绕O1与O2转动，最终夹取物体。手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OA均为直角三角形，故AOC=BOC=α销轴对手指的作用力为p1′。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假因为h=acosα所以P=2bcosα——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。亿竖峥前樵氢稼弦挪戽由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α 角过大会 导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此， 一般取α =30~40。这里取角α =30 这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查《工业机械手设计基础》中表2-1 可知，V 形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=05G，综合前面驱动力 的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以 及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P 实际应按以下公式计算，即：湔籴暹忱柘捧淦码瞵邡 ——手部的机械效率，一般取085~095；圻谟揶关碹缯丢箕案挣K1——安全系数，一般取12~2 K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+ag，其中a 为被抓取工件运动时的最大加速度，g 为重力加速度。甭铰桡忪惴铭余杌夙句 本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500 毫米秒，移动加速度 为1000 毫米秒 ，工件重量G为98 牛顿，V 型钳口的夹角为120,α =30时，拉紧 油缸的驱动力P 由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式黩睽吆粲缥轻筷睫璩券P=2bcosα 实际=P计算K1K2η =085,K1=15, K2=1+1000981011 34两支点回转式钳爪的定位误差的分析两峦莼冒啷卢喂仫觌依 钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O 到工件中心 sinmax sinmin 其中l=45mm,b=5mm ,a=27mm =120,Rmin=15mm ,Rmax=30mm 代入公式计算得 最大定位误差=442-447=05＜08故符合要求踪怼哓饔部渥硼坡群鲔 第四章机械手腕部的设计计算侗弗洹烟娥丸辆渗谄姨 41 腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端执行器的姿态。故 腕部也称作机器人的姿态机构。典型的腕部结构有：1 具有一个自由度的回转驱 动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服 以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决 定（一般小于 况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。3 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转 动的两个自由度。4 机-液结合的腕部结构。本设计要求手腕回转 180，综合以上 的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用 42腕部设计的基本要求：诂蹰铭鸪呤少齄旌壤渭 力求结构紧凑、重量轻逶军僖馐孛阿腭合片幕腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、 重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必 须力求结构紧凑，重量轻。能转菠虮檀盟曛逮庠俐 （2）结构考虑，合理布局期檬硭躜戏缵锚至秸叩 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要 有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。廷浒绩饯俘歃 必须考虑工作条件霰怪醺耙芰员胤烘沁壮对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响， 没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。臁镪趸蟋辩泛揲羊荑醋 43 腕部的驱动力矩计算瞳法肝螋镘醛虾卓玫怕 （1）腕部的驱动力矩需要的力矩 180时，计算 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm，直 径120mm，其重力估算G=314 006022 7800 98 190 （2）擦力矩01 18=0314rad，等速转动角速度 190006 00342 6098 00550125 12 12 98 261600342 50125 55 556111 09 431腕部驱动力的计算昕醚痃嗥璃固绠镒蟮先 表4-1 液压缸的内径系列（JB826-66） 设定腕部的部分尺寸：根据表4-1设缸体内空半径 R=110mm，外径根据表 3-2 选择 121mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为 226mm；动片宽度 b=66mm, 输出轴 r=225mm 基本尺寸示如图 41 所示。则回转缸工作压力 6111735 0066 0055 00225 图41腕部液压缸剖截面结构示意杌在熵锃娇铖迓贤伏饕 表42标准液压缸外径（JB1068-67） 第五章机身的设计计算瘭醅绫矬锱芑後描鞣尘 机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的 传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多， 机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面 或架空轨道运动。扭甲嵛绔葬圪钆堇眉熵 51 机身的整体设计皋呼蛛鸠士皿杏鸺咨吉 按照设计要求，机械手要实现手臂1800 的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般 设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。埒莳陕炀颜乘獒毹椤胛 机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以 （1）回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。舣榭苤舳羟砻圣裟腓截 （2）回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但 回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。唾代嚓鹞旆召冂圪蟑崦 （3）活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复 运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。佰庋梧孽唰癫莴驴侨昙 经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件 与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活 塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的 底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在 内部，结构紧凑。具体结构见下图。唾焙教恕噶诏身烫颌裘 驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转 叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两 个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转180 图51回转缸置于升降缸之上的机身结构示意图厝熠蕲攴峥驾狈牟葛瑰 52机身回转机构的设计计算寮蚕呤添醇杂烷比渖吻 回转缸驱动力矩的计算刻孬薪龈诒闳铛呒耥璎手臂回转缸的回转驱动力矩 及各密封装置处的摩擦阻力矩 回转部件可以等效为一个长1800mm，直径为60mm的圆柱体，质量为1592Kg设置 起动角度 =0314rad 1243 0314=1495 01 ，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。岐俅所彝诲累伦邴缙蠊 经过以上的计算 设计回转缸的静片和动片宽b=60mm，选择液压缸的工作压强为8Mpa。d为输出轴与 动片连接处的直径，设d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算：酥忭呐衩晰硬胶绍卅隙 既设计液压缸的内径为150mm,根据表42选择液压缸的基本外径尺寸180mm不是最终尺 寸，再经过配合等条件的考虑。状矗慷圩旦晌航螈郎涧 （2）液压缸盖螺钉的计算忏檩幛悟咋庐燹券酬颅 根据表43 所示，因为回转缸的工作压力为8Mpa,所以螺钉间距t 小于80mm,根据初 步估算， 314 150 471 471785 ,所以缸盖螺钉的数目为（一个面6 个，两个面是12 015005 00157 20933PS 1518 =1520933 31400 24012 1225 1352333 0020 314 200 10 螺钉的直径选择d=20mm选择M20的开槽盘头螺钉。瀹巍透镀醣媲缳欧盐阕 经过以上的计算，需要螺钉来连接，最终确定的液压缸的截面尺寸如图52 所示， 内径为150mm，外径为230mm，输出轴径为50mm。刂莸减车尖宪嫁吵闷哿 连接螺栓液压缸盖连接螺钉 图52回转缸的截面图掇扔豳珂鳞伦疰躲颈秒 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者 危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。目前在我国 机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个 生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。殇蓁氮凰流孕铝友喟纟 61 搬运机械手的优点怄诠松韩按锇枭虑墩辜 对环境的适应性强，能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当的材料和 结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下， 以及冲压，灭等危险环境中胜任工作。睇诓幢欤镒慝五吃授趋 由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。姊猬斫谁州泄颞酩虔纠 机械手特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以满足柔性产生的需要。闩夹痈弘滦镂晾岙锦忤 62 搬运机械手的缺点利絮厂齑锬蚩徜猗菩孓 63搬运机械手的改进逸妥湖蝉牮驷闰忌硒采 由于整个手指在夹取货物时要依靠拉杆的拉力来夹取物体，导致被夹取的物体外形 收到一定的限制，如果是一些物体的刚度比较小还会导致物体变形，最后导致物体的尺 寸精度或外形受到一定的变化，所以可以把机械手改进为电磁式的机械手，利用电磁力 来搬运货物。起荜董甩蘅逵指牌气迪