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幾何分析和綜合性多元化機械手
Jian S.Dai
倫敦大學(xué)國王學(xué)院機械工程協(xié)會機制與機器人學(xué)教授，
英國WC2R 2LS海濱校區(qū)
電子郵件：jian.dai@kcl.ac.uk
Delun Wang
大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院機制與幾何學(xué)教授
中國 PR 大連 116024
電子郵件：dlunwang@dult.edu.cn
這篇論文論述了一種新型的帶有多元化手掌的機械手臂，該機械手改變了傳統(tǒng)機械手臂的結(jié)構(gòu)?；谛滦褪直鄣慕Y(jié)構(gòu)，此文章通過表述手指操作界面和反映手指運動和手掌運動的關(guān)系，來探究與手掌相關(guān)的機械手指的運動。敘述了手指運行界面的常量作為手掌角度的輸入，同時用這些常量將手指運動與手掌運動聯(lián)系起來。這將會引起手指與手掌之間的聯(lián)系達到同軸狀態(tài)，并且此種聯(lián)系還可以轉(zhuǎn)換到所有手指操作界面的常量共面狀態(tài)。此種條件用于產(chǎn)生一種連接軌線，重復(fù)的軌線裝置和曲線近似法被應(yīng)用于手掌連接的組合，根據(jù)多元化手掌長度的角度合成，會導(dǎo)致不同的幾何體。
關(guān)鍵字：多元化 機械手臂 機械手掌 球形機構(gòu) 可變機構(gòu) 幾何 分析 綜合
1 摘要
機器人手臂的手掌通常設(shè)計為帶有手指的不可彎曲的模塊。它的運行空間和抓取能力是根據(jù)手掌的大小和手指的長度而決定的。由于手掌是不可彎曲的，如果機械手的抓取能力需要提升，那么就要增加手指的數(shù)量。這將會實現(xiàn)當前這種增強了的抓取能力的方法并通過增加更多的手指和擴增手掌模塊使機械手運動更加靈活。在某種程度上來說，一種擁有多元化手掌的新型機器人手臂是第一次被提出，它集合了多元化的原則—有多元球面組合成的手掌能夠使機械手臂更加靈活，并能讓其更好的控制。新型的機器人手臂結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的機器手臂的結(jié)構(gòu)不同，并且這也是對機械設(shè)計和整合的一個挑戰(zhàn)。
多元機制是一種用機械裝置去改變一種拓撲結(jié)構(gòu)。這種拓撲結(jié)構(gòu)是從一種結(jié)構(gòu)到另一種結(jié)構(gòu)的一定數(shù)量影響關(guān)系的合成變化，機制的這種不斷流動性會導(dǎo)致自我重新組合。這項研究吸引了廣大研究人員的興趣。在2000年，Parise et al.研發(fā)一種正交二維多元機械裝置，該裝置可以在兩個正交平面內(nèi)創(chuàng)建拓撲結(jié)構(gòu)的變化。此項研究促進了微電機械工程的發(fā)展（MEMS）。在2004年，劉和楊兩人研究了多元機制的本質(zhì)和特征，并在改變機制拓撲結(jié)構(gòu)上探索了多元方法。在2005年，Carroll et al提出了一種多元化處理過程，該過程可在狹義或廣義范圍內(nèi)的生產(chǎn)機制上做進一步改變。這項研究探索了多元機制的特征，并第一次延伸了生產(chǎn)過程的概念。在2006年，嚴和闊兩人強調(diào)了多元機制的各種拓撲含義，同時根據(jù)以圖形和正交矩陣形式為代表的正交結(jié)構(gòu)，研究了各種運動關(guān)節(jié)。者先研究反映了機制的特點，并提供了研發(fā)多元機制的新方法。
基于這種機制的新型機器人手臂有多元機制靈活變化特征的優(yōu)勢，在操作中去改變手掌的結(jié)構(gòu)。這種手臂為機器手臂的承載和抓取提供了新方法，為機械手帶來了新的結(jié)構(gòu)。
多元機械手掌依據(jù)的是球面五桿連接原則。球面連接有益于集成化方位的改變，一個典型例子應(yīng)用在定位系統(tǒng)基于Wiitala和Stanisicy發(fā)明的正交球形八連桿機構(gòu)。分析簡化了因六桿聯(lián)動過約束導(dǎo)致的手腕聯(lián)動。權(quán)衡這項任務(wù)，Bruyninckx研究一種將四桿機構(gòu)機械手轉(zhuǎn)化成球狀耦合的三桿機構(gòu)機械手，Chablat和Angeles發(fā)明了四桿機構(gòu)的球形手腕結(jié)構(gòu)。Hong提出了一種能夠持續(xù)運動的球面四桿機構(gòu)。Gosselin研制出一種能任意擺動的球面連桿機構(gòu)。Gregorio探究的3-RRS手腕是基于球形聯(lián)動機構(gòu)而成的，Ting和zhu基于RSSR機制提出了一種球形聯(lián)動機械手。
這些機構(gòu)通常是機構(gòu)合成的結(jié)果，這些設(shè)備的設(shè)計采用了目前的合成定位精準設(shè)計。即球面四桿機構(gòu)。與機構(gòu)的精準緊密相連的是關(guān)聯(lián)方程的數(shù)目。在這方面，McCarthy介紹了作為一個共同約束的線性方程組共同關(guān)聯(lián)而設(shè)計形成的球形機制McCarthy和Bodduluri運用Filemon的結(jié)論及Waldron的三圓圖確定移動軸，既而通過關(guān)聯(lián)耦合器的作用確定球面機構(gòu)的4R通過制定的方向，由Perez和McCarthy應(yīng)用Clifford指數(shù)函數(shù)推導(dǎo)出其合成方程。Alizade和Kilit通過開發(fā)一個多項式進而又進一步提高其精度，與此同時，Hong和Erdman在機構(gòu)綜合設(shè)計上提出了可調(diào)節(jié)球形機構(gòu)的方法。
權(quán)衡綜上所述，齒輪五桿機構(gòu)的合成更提高了人們的興趣，它首次由Riddle采用球面球面左邊轉(zhuǎn)換理論及伯母斯特理論。Lin、Chiang、Tong、Chiang應(yīng)用了對球面旋轉(zhuǎn)角度的研究找到了相對應(yīng)的由點、中線點、圓、曲線的合成。基于球面四桿機構(gòu)的移動位移及精度的研究，運用合成方法已基本將其制定，基于曲線逼近法的研究仍是個研究的課題，隨著對Suh和Radcliffe提出的議案，多使用目標函數(shù)逼近的方法以限制結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的錯誤，但依然存在著理論與實際相融合的難題。在這方面，由Wang和Wang共同提出的一種新的基于空間幾何的差分近似的空間機構(gòu)。
本文開發(fā)的機械手是在不斷發(fā)展的機械手中一種帶有拓撲結(jié)構(gòu)的可變球形五桿機構(gòu)，揭示了機械手掌和手指的內(nèi)在聯(lián)系，并提出了二維可調(diào)節(jié)合成系統(tǒng)的方法。在本文中，對機器人的多元化進行了分析，特別是根據(jù)手指操作的引進了飛機設(shè)計的有關(guān)議案，手指和手掌之間的多元化，一種合成彈道曲線擬合和五桿機構(gòu)形成的多元化手掌，介紹了手指的操縱說明。
2 多元化機械手的操作平面
2.1 多元化機械手 多元化機械手是由一個球面五桿機構(gòu)，多指機械手在使用過程中能更大范圍的得到操控。如圖1所示
該新型機器人手由一個球形多元化結(jié)構(gòu)和三根手指組成。其結(jié)構(gòu)包含一個基礎(chǔ)環(huán)節(jié)lo，這是用來裝載fo的手指，緊鄰的鏈接L1，是用于安裝手指f1，和一個耦合器連接的L2，這是用來裝載手指F2 的。剩下的兩個鏈接是鏈接L3和曲柄連桿L4。有兩個驅(qū)動器M1 和M2 ，驅(qū)動器M1和M2是用來調(diào)整位置和方向的結(jié)構(gòu)。尤其是在驅(qū)動五桿機構(gòu)M2是用來改變旋轉(zhuǎn)曲柄連桿，形成了可旋轉(zhuǎn)的四連桿的多元化手掌結(jié)構(gòu)。
鏈接L3和曲柄L4在手掌拓撲結(jié)構(gòu)的變化的結(jié)果[4,8]。當驅(qū)動器M2在某一個固定的值通過鎖定它，用手掌操作演變成一個球面四桿機構(gòu)的一自由度階段。在瞬間變化階段的結(jié)果。當曲柄連桿L4 與鏈接L0兩個環(huán)節(jié)鎖定，手掌演變成一個四桿結(jié)構(gòu)階段，成為??一自由度位的自由度階段，如圖 2。 變化次階段的結(jié)果。雖然在瞬間變化時可以實現(xiàn)的，但在其的變化階段前必須考慮其初步設(shè)計。
2.2 運用飛機系統(tǒng)的手指操作 在多元化手掌中，將機器人的手指手掌的位置和方向以拓撲改變。這種方向和位置的變化，現(xiàn)在可以代表手指操作飛機的有關(guān)議案，手掌手指的議案。一個手指操作平面呈現(xiàn)出一個二維工作空間時，一個附加的球形鏈接是靜止的。當連接球形結(jié)構(gòu)的動作及手指操作在三維空間變化時 。在一個正常的手指操作平臺便呈現(xiàn)出來。
固定球形鏈接的手指，手指F0是安裝在相應(yīng)的鏈接L0上。手指F1和F2是安裝在鄰近的鏈接F1和連桿L2上。這架飛機在手指F0操作，如圖 3所示
圖1球面五桿機構(gòu)機器人安裝三個手指圖
圖2球面五桿機構(gòu)機器人安裝四個手指圖
這架飛機是以基準位置P0于R0為基準的，手指F0的基準位置變量向量R 的指向同向。定義n o。因此:
固定向量r1,在手指F1的球形鏈接在相鄰位置，因此
同樣，平面S2的F2鍵操作，手指的形式為
3 操控系統(tǒng)于其多元化的聯(lián)系
球坐標系為X0，Y0，Z0，可以設(shè)置z0的沿重新固定基地之間的連接L0和鏈接L1，如圖4所示。以X0軸為準，在Z0軸上選一點Po, Y0軸為豎坐標，X0軸 、Y0軸遵從右手定則 。
圖3三手指機械手操作圖
圖4 操作平面圖
手指操作平面垂直于基面11，確定??X0軸和Z0及點P0，定義n0:
n0=[c&0,0,-s&0] (4)
分析手指結(jié)構(gòu)F1，結(jié)構(gòu)1在坐標軸中的大概位置，Z1與Z0共線，其位置關(guān)系如式5。
n1=[c&1,0,-s&1] (5)
圖5 操作系統(tǒng)圖
第三個手指要在一個耦合器可以鏈接到相鄰的二進制環(huán)節(jié)上。在局部坐標軸X2的框架2，通過指向和Z2是沿之間的相鄰鏈接轉(zhuǎn)動軸z2聯(lián)合建立，耦合器連接z2在和安排由子形成的基面X2的和點P2華氏度的耦合連接，如式 6。
手指操作飛機22日是固定在垂直耦合器和手指/ 2基面的軸和Z2 X2的形成點P2。在全球坐標系這就決定了手指f2的安裝位置角，因此正常的飛機S2的氮氣在本地坐標系2
n2=[c&2,0-s&2]
同樣，實施坐標轉(zhuǎn)換為本地坐標系2的全球坐標系。這個轉(zhuǎn)變的開始旋轉(zhuǎn)角度約之間的操作飛機和X2 z2（＆2I條+ TT）和有關(guān)的字，然后旋轉(zhuǎn)（ - \我），這是球形連接浙角的長度。轉(zhuǎn)換的最后一步是由旋轉(zhuǎn)角度約8W的z0的。 R20的轉(zhuǎn)換矩陣可以被指定為
圖6 三手指操作交叉圖
4 手指操控的基本介紹
在多元化機械手中，三根手指被安裝到三個球型鏈接中。如前所述，每個手指有三個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動操作運行平面上，與球型結(jié)構(gòu)的鏈接。此操作隨手指的安裝鏈接而提出相應(yīng)的議案。三個手指對應(yīng)其操作系統(tǒng)，確定出其手指的方向和位置。
4.1 同軸條件
4.2 約束三個結(jié)構(gòu)鏈接 其約束方程為：
4.3 該耦合器的軌跡 在開環(huán)運動鏈的基本環(huán)節(jié)包括L0，鏈接L1和L2的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)， 其方程為
圖7 開環(huán)運動鏈的多元化機械手
5 合成鏈接的部分
在合成時，給出了高斯圖像領(lǐng)域，將給予角度k2,手指的安裝參數(shù)L0，L1和L2和K1，使之成為一個理想的曲線，擬合耦合器rbl的軌跡。雖然任何一個耦合器的設(shè)計都將提出一個球形鏈接k2和多元化手掌適合在一個五桿球形結(jié)構(gòu)且同軸Z4的設(shè)計，設(shè)計了一個曲線，當手掌最大化的演變成一四桿的階段。通過改變U和V的參數(shù)，通過Bi這點，在該耦合器第一部分環(huán)節(jié)擴展，然后通Bi點模擬耦合器生成的曲線，這種近高斯圖是在一個標準的圓錐角坐標r的和n的坐標系中形成的。
圓錐體的中心軸可表示為
因此，標準角度可以寫成
假設(shè)近高斯圈的標準圓錐產(chǎn)生是在Ith的耦合中，選合適的軌跡rbi，標準圓錐體的中心軸為可生成
該擬合誤差為
（19）
該合成的第一步是找到最適合的基準，以適應(yīng)Ith的錐耦合器的軌跡。建立的最小于最大最大誤差的差為
e(x)=min max f(x) （20）
在幾何圖形上減少其誤差，如圖8所示
圖8 幾何圖形擬合
對于每個參數(shù)u和v，由公式產(chǎn)生的Eq的軌跡。重復(fù)了上述算法，相應(yīng)的最適合的標準錐就可以得到。其中由方程生成的圖形和并計算其誤差，進一步縮小最大誤差與最小化的變化
)
因此，一個耦合器進入軌道的同軸條件就可以得到。參數(shù)K2和Z3的變化使L2和L3之間存在聯(lián)系，即可得到旋轉(zhuǎn)的位置。其合成過程的流程圖，如圖9所示
該耦合器的軌跡Eq，可以被用來進一步設(shè)計兩個環(huán)節(jié)L3和L4因此，剩下的兩個環(huán)節(jié)都給出
兩個鏈接L3和L4因而獲得。軸Z3和P0的位置即可確定，參數(shù)k0及對應(yīng)的弧長L0也可確定。
因此，球面五桿的多元化聯(lián)動，可根據(jù)同軸條件及設(shè)計過程可呈現(xiàn)在流程圖中。 如圖11和圖12。
圖9 流程圖
圖10 其余的合成鏈接圖
圖11 設(shè)計過程
圖12 模擬機械手圖
6結(jié)論
本人提出了一個新型多元化機械手，提出了經(jīng)分析綜合后的多元化手掌，對其幾何特性進行了研究和手指操作進行研究加入了飛機操縱理念。
手指的操控簡化了多元化機械手的研究，是應(yīng)用機械手的充分必要條件，飛機上使用的操作研究應(yīng)用于機械手領(lǐng)域，年期的要求抓手只限在可以轉(zhuǎn)換成行動的條件由三架飛機橡交于一個共同的傳遞。
因此本文提出了一種分析多元化機器人的手，提出了一種合多元化的方法，描述了機械手的應(yīng)用，并為這種新型機器人手的制造提供了理論依據(jù)。
分 類 號
密 級
寧
畢業(yè)設(shè)計(論文)
智能排爆機械手設(shè)計
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
2012年 3月 20日
誠 信 承 諾
我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《智能排爆機器人機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。
承諾人（簽名）：
年 月 日
摘 要
在當今的大規(guī)模生產(chǎn)中，企業(yè)為了提高自身的生產(chǎn)效率,保證產(chǎn)品的質(zhì)量,生產(chǎn)過程的自動化程度的尤為受到關(guān)注,機械手自動生產(chǎn)線成為重要的一分子,逐漸被企業(yè)通過和采用。技術(shù)水平和機械手的應(yīng)用在一定程度上反映程度一個國家工業(yè)自動化水平,目前,主要承擔機械臂焊接、噴涂、處理、存儲和勞動強度重復(fù)性偉大的工作,工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。
本文是設(shè)計一臺五自由度的機械手，主要功能就是排爆。首先，本文會設(shè)計機器人的底座、大臂、小臂和機械手的結(jié)構(gòu)，然后通過選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式，完成機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
關(guān)鍵詞：機械手，驅(qū)動，傳動，結(jié)構(gòu)
Abstract
In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.
In this paper I will design an industrial robot with five DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot.
Key Words: Robot,Transmission, Driving, Structure
目 錄
摘 要 III
Abstract Ⅳ
目 錄 Ⅴ
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 智能排爆機器人機械手國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1
1.2.1國外的研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 2
1.3 智能排爆機器人機械手的關(guān)鍵技術(shù) 3
1.4 智能排爆機器人機械手的作用及應(yīng)用 4
第2章 總體方案設(shè)計 5
2.1概述 5
2.2系統(tǒng)組成 5
2.3 設(shè)計內(nèi)容 5
第3章 機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
3.1手部機構(gòu) 7
3.1.1 手部設(shè)計基本要求 7
3.1.2 典型的手部結(jié)構(gòu) 7
3.1.3 機械手手抓的設(shè)計計算 7
3.1.4 機械手手抓夾持精度的分析計算 10
3.1.5 彈簧的設(shè)計計算 11
3.2腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計 12
3.2.1 腕部設(shè)計的基本要求 12
3.2.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇 13
3.2.3 腕部的設(shè)計計算 13
3.3橫向氣缸的設(shè)計計算與校核 17
3.3.1 氣缸內(nèi)徑的確定 17
3.3.2 活塞桿直徑的確定 18
3.3.3 缸筒長度的確定 18
3.3.4 氣缸筒的壁厚的確定 19
3.3.5 氣缸耗氣量的計算 19
3.3.6 活塞桿的校核 20
3.3.7 連接與密封 20
3.4臂部 20
3.4.1 臂部結(jié)構(gòu)形式 21
3.4.2 臂部運動的導(dǎo)向裝置 22
3.5機械手機身的設(shè)計計算 23
3.5.1 機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計計算 25
3.5.2 機身升降機構(gòu)的計算 29
3.5.3 軸承的選擇分析 31
3.6驅(qū)動方式 31
3.7制動器及其作用 34
總結(jié)與展望 36
參考文獻 37
致 謝 38
V
第1章 緒論
第1章 緒論
1.1 前言
機器人學(xué)是當今世界中極為活躍的領(lǐng)域之一，這門學(xué)科是近幾十年來飛速發(fā)展起來的。其中包括機械手類，從外形看來，與人的手臂結(jié)構(gòu)是非常相似的，是由一系列剛性連桿和通過一系列柔性的關(guān)節(jié)交替而成的結(jié)構(gòu)。而智能排爆機器人，就是一個機械手成功運用的成功典范。
排爆機器人(Explosive Disposal Robot)是指代替人到不能去或不適宜去的有爆炸、危險等環(huán)境中、或進行了排除危險物工作的機器人，是專門用于搜索、探測、處理各種爆炸危險品的防暴機器人[1]。
機械手臂是排爆機器人的執(zhí)行機構(gòu)，主要是用于對爆炸物和其它危險物的抓取、搬運還有放置工作，還有可能是攜帶武器、輔助工具等，所以對它的要求是能在工作空間內(nèi)靈活地到達任意的位置，并且能夠順利完成捏、握、舉等動作[2]。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化還有自動化，能在有害環(huán)境下操作和保護人身的安全，因而廣泛地應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工、原子能等一些部門。
1.2 智能排爆機器人機械手國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
1.2.1國外的研究現(xiàn)狀
在國外，排爆機器人的研究早于國內(nèi)，發(fā)展也比國內(nèi)迅速，技術(shù)更加成熟，并且已經(jīng)進入了實用性的階段，英、美、德、法、加拿大等許多西方國家已廣泛在軍警部門中裝備使用。
英國P.W.Allen公司生產(chǎn)的Defender是一款大型的排爆機器人，它的一些先進的功能可以滿足正在發(fā)展的反恐需求，例如，處理核生化裝置、擴展的光譜射頻遙感測量裝置，可通過線纜操控，也可以通過無線SSRF遙控，采用全向天線，控制半徑能夠達到2km，車體是采用模塊化結(jié)構(gòu)的，主要的部件使用強度高、質(zhì)量輕的鈦，大范圍配置并采用標準配件，優(yōu)點為結(jié)實耐用、維修簡單、通用性好、可靠性高[4]。
Mini—AndrosⅡ(圖1.1)是美國Remotec公司設(shè)計的Andros機器人家族中的最新產(chǎn)品，在設(shè)計之中它采用了先進地模塊化設(shè)計的思想，能夠使整機方便、快速拆卸。它具有2m延長桿、履帶變向底盤，可以無級調(diào)速。它車身比較小，外形尺寸為107cm×60cm×94cm，因此能夠在大型機械人不能抵達的區(qū)域內(nèi)進行操作。它越障礙能力非常好，可以跨越41cm高臺和53cm的寬溝，也不受天氣干擾，能在干、濕等各種地表環(huán)境中行走，在爆炸物處理、機場安全、反劫持、核放射、生化場所的檢查還有清理等領(lǐng)域具備很大的應(yīng)用潛力[3]。
圖 1.1 Mini—AndrosⅡ排爆機器人
1.2.2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀
相對于國外，我國在排爆機器人研究的方面起步較晚。目前，國內(nèi)在該領(lǐng)域進行研究的主要有中科院沈陽自動化所，北京航空航天大學(xué)，上海交通大學(xué)，華南理工大學(xué)等。
中國科學(xué)院沈陽自動所先后研制出了“靈蜥-A”、“靈蜥-B”和“靈蜥-H”等反恐防暴機器人?！办`蜥-B”(圖2)由本體、電動收纜裝置、控制臺和附件箱四部分組成，自重達180kg，是電池電力驅(qū)動的，最大直線運動速度是40米／分鐘，采用三段履帶設(shè)計可以讓機器人上和下樓梯，能跨越0.45米高的障礙，實現(xiàn)了全方位行走，具備較強地面適應(yīng)能力，并應(yīng)用在第十屆全國運動會期間?！办`蜥-H”是該研究所集和州衛(wèi)富機器人公司研制了反恐防爆機器人，自重有200kg，最大直線運動速度為2.40km /h，可以通過小于40°斜坡、樓梯，三段履帶設(shè)計能讓機器人平衡地上下樓梯，可以跨越400mm高的障礙；裝備有連發(fā)霰彈槍、爆炸物銷毀器、催淚彈等武器；六個自由度機械手最大伸展時抓重達5kg，最大作業(yè)高度為2.2m；還裝備便捷操縱盒、自動收線裝置、高效電池等；2005年8月通過了國家“863”驗收的排爆機器人，采用六個自由度的可伸縮式關(guān)節(jié)手臂聯(lián)動的機構(gòu)，開發(fā)有爆炸物轉(zhuǎn)運箱，可以提高爆炸物的轉(zhuǎn)移速度；車底的爆炸物檢測機器人采用了兩節(jié)等長履帶腿復(fù)合型移動機構(gòu)，有很強的地形的適應(yīng)能力；其控制系統(tǒng)采用的是PC104計算機[5]。
圖 1.2 靈蜥-B排爆機器人
上海交通大學(xué)是我國最早從事于機器人技術(shù)研發(fā)的高校之一，Super-DII型排爆機器人是“863”計劃項目，是由上海交通大學(xué)與北京中泰通公司聯(lián)合研制，曾在北京參加了第二屆國際警用裝備博覽會。最近研發(fā)SPUER-III排爆機器人(圖3)，整機質(zhì)量250kg，長1.6m，寬0.84m，高1.3m，行走速度為2.4km /h，可跨越350mm的障礙物或溝壕，爬30°~ 40°斜坡或樓梯，同時可以將整體機身抬高了350mm，手臂伸展全長為1.75m，5+ 1自由度三臂桿結(jié)構(gòu)組成[6]。
圖 1.3 SPUER型排爆機器人
華南理工大學(xué)的排爆機器人研究室在廣東公安廳的支持下，最新研制出了排爆機器人MRC-5，其控制系統(tǒng)有鮮明特色，除遙控功能之外，它能夠在視覺系統(tǒng)的引導(dǎo)下進行計算可疑目標物的三維坐標，并且控制手爪自動抓取可疑的目標[7]。
1.3 智能排爆機器人機械手的關(guān)鍵技術(shù)
機械手是智能排爆機器人的最主要的裝置，各種作業(yè)的操作基本上都由它完成。對設(shè)計要求為：重量輕、結(jié)構(gòu)簡單且堅固、尺寸和慣量都盡量小、操作必須靈活。在設(shè)計具體結(jié)構(gòu)的時候，應(yīng)該要根據(jù)所要實現(xiàn)的主要功能，選擇合適的自由度。在設(shè)計過程中，可以綜合考慮兩方面因素，以選定最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式。在確定大臂和小臂長度時，若兩者長度不相同，需要在控制系統(tǒng)中采用比例放大或縮小等辦法來使兩者終端上的運動速度和加速度差異減小，以免操作員產(chǎn)生的錯誤，導(dǎo)致了事故發(fā)生。從技術(shù)方面來說，多關(guān)節(jié)驅(qū)動的機械手比較成熟。在設(shè)計手爪時，主要應(yīng)該考慮手爪的多樣性、快速更換要求，根據(jù)可疑物品的結(jié)構(gòu)特征和形狀，可以設(shè)計成鏟抱型、鉤爪型、吸附型等。同時，為機械手結(jié)構(gòu)更簡單、靈活性更好，負載能力的設(shè)計應(yīng)該不能過大，機械手的額定負載在5—20kg左右[3]。
1.4 智能排爆機器人機械手的作用及應(yīng)用
排爆機器人一般具有排除爆炸物、消防、解救人質(zhì)、搬運、射擊、摧毀、爬樓梯等功能。但此主要針對的是小型的排爆機器人，機器人一般裝多臺彩色CCD像機用對爆炸物進行觀察，還有一個多自由度的機械手，一般由多個轉(zhuǎn)動、伸縮關(guān)節(jié)組成，利用手爪、夾鉗可將爆炸物的引信、雷管擰下，運走爆炸物，這是排爆機器人很重要的組成部分。
排爆機器人為機器人中特殊的一類，是為某種特殊應(yīng)用場合而設(shè)計的機器人。排爆機器人能在危險、對人體有害或無法進入的環(huán)境發(fā)揮作用。西方國家，恐怖活動是個令當局頭疼的問題。民族矛盾，一些國家的人民受到爆炸物的威脅?？植阑顒拥钠茐哪芰_到了小型戰(zhàn)爭的標準。美國“9 1 1”恐怖襲擊造成數(shù)千人死亡，損失超過了一些小型戰(zhàn)爭[8]。我國的反恐形勢日趨嚴峻，犯罪分子反社會、甚至鋌而走險。知識水平的提高使得犯罪分子具有自制炸藥、定時爆炸裝置、自制遙控的能力。防爆反恐機器人成為一種重要的反恐裝備[9]。
在排爆機器人研制中不可過分地追求先進的技術(shù)，應(yīng)把針對有限目標的實際應(yīng)用放在首位。排爆機器人的優(yōu)勢決定了機器人能廣泛地應(yīng)用在一切可能對人員健康，甚至生命構(gòu)成威脅的場所[10]。
39
第2章 機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計
第2章 總體方案設(shè)計
2.1概述
畢業(yè)設(shè)計的目的是要把我們所學(xué)的知識綜合起來，進行靈活運用。目前的發(fā)展趨勢是機電一體化，所以，我們的畢業(yè)設(shè)計是讓我們將“機”、“電”合并起來。
2.2系統(tǒng)組成
機械手系統(tǒng)由機體、運輸代理、供電和控制裝置四個部分組成。小車和本體論元器件組成機體;主傳動機構(gòu)的伸縮臂和把握機構(gòu)、電源液壓傳動與機械傳動兩幅形控制裝置，主要由自動控制和手動控制兩部分。
2.3設(shè)計內(nèi)容
“機”指的是機械，機械手的動作過程分為五部分：機械手的上升和下降、機械手的前伸和后縮、機械手的加緊和放松、機械手的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)、小車的前進和后退。在這五部分中我們靠機械完成機械手的上升和下降動作，本課題所做的機械手是采用電動機帶動絲杠、螺母機構(gòu)來實現(xiàn)手臂的上升和下降。
滾珠螺旋傳動是在絲杠、螺母滾道之間放入滾珠，使螺紋之間產(chǎn)生滾動摩擦。滾珠螺旋傳動有以下特點：
（1）傳動效率高：一般的滾珠絲杠副的傳動效率達85%-98%，是滑動絲杠副的3-4倍。
（2）運動平穩(wěn)：滾動摩擦系數(shù)非常接近常數(shù)，啟動工作摩擦力矩差別小。啟動時無沖擊，低速時候無爬行。
（3）能源預(yù)緊：預(yù)緊后能消除間隙產(chǎn)生過盈，提高了接觸剛度和傳動精度。同時增加的摩擦力矩相對較小。
（4）工作壽命長：滾珠絲杠螺母副摩擦的表面是高硬度和精度的，具有較長的工作壽命和精度保持性。
（5）定位精度、重復(fù)定位精度高：由于滾珠絲杠副摩擦小、無爬行、溫升小、無間隙，通過預(yù)緊、預(yù)拉伸的補償膨脹，可以達到較高的定位精度、重復(fù)定位精度。
（6）同步性好：同時用幾套相同的滾珠絲杠副，傳動幾個相同的運動部件。能得到較好的同步運動。
（7）可靠性高：潤滑密封裝置結(jié)構(gòu)比較簡單，維修較方便。
（8）不自鎖：用于垂直運動，要在系統(tǒng)中加自鎖或者制動裝置。
（9）經(jīng)濟性差、成本高：由于結(jié)構(gòu)工藝比較復(fù)雜，故制造成本高
經(jīng)過計算，選擇為：電動機型號：Y802-2，功率：1.1W，絲杠型號：Tr40×7。
機械手的機械機構(gòu)為它的執(zhí)行系統(tǒng)，是機械手進行操作、抓持工件、進行各種運動的機械部件。機械部件包括手部，手臂的前后伸縮部分，手臂的上下升降部分腰轉(zhuǎn)部分以及機座以及行走機構(gòu)。
第3章 機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1手部機構(gòu)
3.1.1 手部設(shè)計基本要求
（1）應(yīng)當具有適當?shù)膴A緊力、驅(qū)動力。應(yīng)考慮到在夾緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需驅(qū)動力的大小是不同的。
（2）手指應(yīng)當具有一定的張開范圍，手指應(yīng)具有足夠的開閉角度（手指張開到閉合繞支點轉(zhuǎn)過的角度），以便抓取工件。
（3）要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能的使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以便利于減輕手臂的負載。
（4）應(yīng)當保證手抓的夾持精度。
3.1.2 典型的手部結(jié)構(gòu)
（1）回轉(zhuǎn)型：滑槽杠桿式、連桿杠桿式。
（2）移動型：兩手指相對支座作往復(fù)的運動。
（3）平面平移型。
3.1.3機械手手抓的設(shè)計計算
（1）選擇手抓的類型及夾緊裝置
本設(shè)計是機械手的設(shè)計，考慮所要達到的原始參數(shù)：手抓的張合角=，夾取的重量為10Kg。常用工業(yè)機械手的手部，按照握持工件的原理，可以分為夾持、吸附兩類。吸附式用于抓取工件表面平整或者面積較大的板狀的物體，不適合用在本方案。本設(shè)計機械手應(yīng)當采用夾持式手指,此機械手按運動形式可以分為回轉(zhuǎn)型和平移型，回轉(zhuǎn)型手指的結(jié)構(gòu)簡單, 適用于夾持平板方料, 而且工件徑向尺寸變化不會影響其軸心位置, 其理論夾持誤差為零。因此選擇回轉(zhuǎn)型。
通過考慮，本設(shè)計采用二指回轉(zhuǎn)型手抓和滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)。夾緊裝置可以選擇常開式夾緊裝置，在彈簧的作用下機械手手抓閉和，壓力油作用下，彈簧壓縮，使機械手手指張開。
（2）手抓的力學(xué)分析
下面對基本結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析：滑槽杠桿（圖3.1）。
(a) (b)
圖3.1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析
1——手指 2——銷軸 3——杠桿
在杠桿3的作用下，銷軸2向上拉力為F，通過銷軸中心O點，手指1的滑槽對銷軸反作用力為F1和F2，力的方向于滑槽的中心線OO1和OO2垂直并指向O點，交F1和F2延長線于A、B。
由 得
由 得
由得
式中 a——手指回轉(zhuǎn)支點與對稱中心的距離（mm）.
——工件夾緊時手指滑槽方向和兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。
分析可得，驅(qū)動力為一定時，角增大，則握力也增大，但角的過大會導(dǎo)致拉桿行程的過大，以及手部結(jié)構(gòu)的增大，因此最好是。
（3）夾緊力及驅(qū)動力的計算
手指夾在工件上的夾緊力，是手部設(shè)計的主要依據(jù)。必須對方向、大小、作用點進行分析和計算。需克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷和工件運動的狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便于工件保持可靠夾緊狀態(tài)。
手指對工件的夾緊力可以按照公式計算：
式中為安全系數(shù)，通常1.2~2.0；
為工作情況系數(shù)，主要受到慣性力的影響?？梢越瓢凑障率焦浪?，其中a是重力方向的最大的上升加速度；
為運載時工件的最大上升速度
t響為系統(tǒng)達到最高速度時間，一般選取0.030.5s
為方位系數(shù)，根據(jù)手指和工件位置不同進行選擇。
G為被抓取工件所受重力（N）。
表3.1液壓缸的工作壓力
作用在活塞上外力F（N）
液壓缸工作壓力Mpa
作用在活塞上外力F（N）
液壓缸工作壓力Mpa
小于5000
0.8~1
20000~30000
2.0~4.0
5000~10000
1.5~2.0
30000~50000
4.0~5.0
10000~20000
2.5~3.0
50000以上
5.0~8.0
計算：先設(shè)a=100mm,b=50mm,, 機械手達到最高的響應(yīng)時間為0.5s，求夾緊力、驅(qū)動力以及驅(qū)動液壓缸的尺寸。
1）設(shè)
根據(jù)公式，將已知的條件帶入：
2）根據(jù)驅(qū)動力公式得：
3）取
4）確定液壓缸直徑D
選取活塞桿的直徑d=0.5D，選擇液壓缸的壓力油的工作壓力：
根據(jù)表4.1（JB826-66），選取液壓缸的內(nèi)徑為：
則活塞桿的內(nèi)徑為:
，選取
3.1.4機械手手抓夾持精度的分析計算
機械手精度設(shè)計的要求：工件的定位準確,抓取的精度高,重復(fù)定位的精度和運動的穩(wěn)定性好,并且有足夠的抓取能。
機械手能否準確地夾持工件，把工件送到指定的位置，不僅僅取決于機械手的定位精度（由臂部、腕部等運動部件決定），而且也于機械手夾持誤差的大小有關(guān)。特別是在多品種中、小批量的生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件的尺寸在一定的范圍內(nèi)變化，必須進行機械手的夾持誤差的計算。
該設(shè)計用棒料來分析機械手夾持誤差的精度。機械手夾持的范圍為80mm180mm。
一般夾持額誤差不超過1mm，分析如下：
（1）工件平均半徑：
手指長,取V型夾角
（2） 偏轉(zhuǎn)角按最佳的偏轉(zhuǎn)角確定：
計算
當時，帶入有：
滿足夾持誤差設(shè)計要求。
3.1.5彈簧的設(shè)計計算
選擇彈簧壓縮條件，用圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計算過程如下。
（1）選擇用硅錳彈簧鋼，查取許用切應(yīng)力：
（2）選擇旋繞比為C=8，則
（3）根據(jù)安裝的空間選擇彈簧的中徑D=42mm，估算彈簧絲的直徑
（4）試算彈簧絲的直徑
（5）根據(jù)變形情況確定彈簧圈有效的圈數(shù)：
選擇標準為，彈簧的總?cè)?shù)為圈
（6）最后確定：，，，
（7）對于壓縮彈簧的穩(wěn)定性的驗算
對于壓縮彈簧，如果長度較大時，則受力之后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是絕對不允許的。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，壓縮彈簧的長細比為，本設(shè)計中彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?
當兩端都固定時，；當其中一端固定，一端自由時，；當兩端都自由轉(zhuǎn)動時，。結(jié)論中本設(shè)計額彈簧，因此彈簧的穩(wěn)定性合適。
（8）疲勞強度和應(yīng)力強度的驗算。
對于在循環(huán)次數(shù)較多、在變應(yīng)力下工作中的彈簧，還應(yīng)該進一步對彈簧的疲勞強度以及靜應(yīng)力強度進行驗算。
現(xiàn)在因為本設(shè)計是在恒定的載荷情況下，所以只需要進行靜應(yīng)力強度驗算。
計算公式：
選取1.31.7：
結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧能夠適應(yīng)。
3.2腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計
3.2.1 腕部設(shè)計的基本要求
（1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕
腕部處于手臂最前端，它連同手部的靜載荷、動載荷均由臂部來承擔。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量以及動力載荷，影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量以及運轉(zhuǎn)性能。因此在腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。
（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局
腕部作為機械手執(zhí)行的機構(gòu)，又有承擔連接、支撐額作用，除保證力和運動的要求，還要有足夠的強度、剛度外，還應(yīng)該綜合考慮，合理額布局，解決好腕部、臂部和手部之間的連接。
（3）必須考慮工作條件
在本設(shè)計中，機械手工作條件是在工作的場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境的影響，沒有處在高溫、腐蝕性的工作介質(zhì)中，對機械手的腕部沒有太多不利的因素[13]。
3.2.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇
（1）典型的腕部結(jié)構(gòu)
1） 具有一個自由度回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等。
2） 齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)角大于270°時，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)外形尺寸大，適用于懸掛式臂部。
3） 具有兩個自由度回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部有水平、垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。
4）機-液結(jié)合腕部結(jié)構(gòu)。
（2）腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的選擇
本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn)180°，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動。
3.2.3腕部的設(shè)計計算
（1）腕部設(shè)計考慮的參數(shù)
夾取工件的重量60Kg，回轉(zhuǎn)180°。
（2）縱向氣缸的設(shè)計計算和校核：
由設(shè)計任務(wù)可得，要驅(qū)動的負載大小為100Kg，考慮到氣缸未加載時實際所能輸出的力，受氣缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前氣缸之間的摩擦力的影響，并考慮到機械爪的質(zhì)量。在研究氣缸的性能和確定氣缸的缸徑時，常用到負載率β：
由《液壓與氣壓傳動技術(shù)》表3.2：
表3.2 氣缸的運動狀態(tài)與負載率
阻性負載（靜負載）
慣性負載的運動速度v
運動的速度v=3m/min=50mm/s，取β=0.60，所以實際的液壓缸負載的大小為：F=F0/β=1633.3N
（3） 氣缸內(nèi)徑的確定
表3.3 氣缸內(nèi)徑確定公式
項目
計算公式
缸
徑
雙作用氣缸
推力
拉力
D=1.27=1.27 =66.26mm
F為氣缸的輸出拉力 N；
P 為氣缸的工作壓力Pa
按照GB/T2348-1993標準進行圓整，取D=80 mm
表3.4氣缸缸徑尺寸系列
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
（4）活塞桿直徑的確定
由d=0.3D 估取活塞桿的直徑 d=25 mm
表3.5 活塞桿直徑系列 （mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
（5）缸筒長度的確定
缸筒的長度S=L+B+30，L為活塞的行程，B為活塞額厚度：
活塞的厚度B=(0.61.0)D= 0.780=56mm，由于氣缸的行程L=800mm ,所以S=L+B+30=886 mm
導(dǎo)向套滑動面的長度A:
一般導(dǎo)向套滑動面的長度A，在D<80mm時，可取A=(0.61.0)D；在D>80mm時, 可取A=(0.61.0)d。
所以A=25mm
最小導(dǎo)向的長度H：
根據(jù)經(jīng)驗，當氣缸最大的行程為L，缸筒的直徑為D，最小導(dǎo)向的長度為：H
代入數(shù)據(jù) 即最小導(dǎo)向長度H + =80 mm
活塞桿的長度l=L+B+A+80=800+56+25+40=961mm
（6）氣缸筒的壁厚的確定
由《液壓氣動技術(shù)手冊》可查得氣缸筒的壁厚能根據(jù)薄避筒計算公式進行計算：
式中：缸筒的壁厚（m），缸筒的內(nèi)徑（m），缸筒承受的最大工作壓力（MPa），缸筒材料許用應(yīng)力（MPa）。
實際缸筒壁厚的取值：對于一般用途氣缸約取計算值的7倍；重型氣缸約取計算值的20倍，再圓整到標準管材尺碼。
參考《液壓與氣壓傳動》缸筒壁厚強度計算及校核
,我們的缸體的材料選擇45鋼，=600 MPa， ==120 MPa
n為安全系數(shù) 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉強度(Pa)
P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當工作壓力p≤16 MPa時，P=1.5p；當工作壓力p＞16 MPa時，P=1.25p
由此可知工作壓力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.5×0.6=0.9 MPa=0.3mm
參照下表 氣缸筒的壁厚圓整取 = 7 mm
表3.6 氣缸筒的壁厚 （mm）
材 料
氣缸直徑
50
80
100
125
160
200
250
320
壁 厚
鑄鐵HT15~33
7
8
10
10
12
14
16
16
鋼A3.45
5
7
8
8
9
9
11
12
鋁合金
8~12
12~14
14~17
（7）氣缸進排氣口直徑d0
v—空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=1015） 選取v = 12 m/s由公式d0 = 2代入數(shù)據(jù)得：d0 = 14.014 mm。
表3.7 氣缸進排氣口直徑 （mm）
汽缸內(nèi)徑D
氣缸進排氣口直徑d0
40
8
50
63
10
80
100
125
15
140
160
180
20
所以取氣缸排氣口直徑為15 mm
Q——工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（）
V——空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=1025）
（8）活塞桿的校核
由于所選活塞桿的長度L10d，所以不但要校核強度校核，還要進行穩(wěn)定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。
參考《機械設(shè)計手冊單行本》 ，由《液壓氣動技術(shù)手冊》式中
FP0— 活塞桿承受的最大軸向壓力（N）；
FP0=1633N
FK — 縱向彎曲極限力（N）；
nK — 穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.54。綜合考慮選取2
K—活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，對于實心桿K=d/4
代入數(shù)據(jù) K =25/4=6.25mm
E— 材料彈性模量，鋼材 E = 2.1 1011 Pa ；
J— 活塞桿橫截面慣性矩（m4）；
d— 活塞桿的直徑（m）；
L— 氣缸的安裝長度為活塞桿的長度為961mm
代入數(shù)據(jù)得 FK =2.685 N
因為FP0 = 1.34所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件；
強度校核：
由公式 d ≥n為安全系數(shù) 一般取 n=5；缸筒材料的抗拉強度(Pa)代入數(shù)據(jù)得
因為FP0= 1.34所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件；
45鋼的抗拉強度=600 MPa
則4.16 mm ＜ d ，所以強度滿足要求；
綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強度滿足要求。
3.3橫向氣缸的設(shè)計計算與校核
如按原方案橫向氣缸活塞桿需承受很大的徑向力，對活塞桿的強度要求很高，耗費原材料，且壽命減短，極為不合理。故在縱向氣缸上端鉸接一工型導(dǎo)軌，以分擔橫向氣缸的徑向力，使整個系統(tǒng)簡約合理。
這樣橫向氣缸的工作載荷主要是縱向氣缸和導(dǎo)軌的摩擦力，取摩擦系數(shù) = 0.17。
估算：縱向氣缸的重量=7.9=12.30 Kg
活塞桿的重量 = 7.9l=3.72 Kg
活塞及缸蓋重量=9 Kg
所以：橫行氣缸的總載荷為:F總=(12.3+3.72+9+100)= 208.3 N
F=347.17N
3.3.1 氣缸內(nèi)徑的確定
表3.8 氣缸內(nèi)徑的確定公式
項目
計算公式
缸
徑
雙作用氣缸
推力
拉力
D=30.55mm
F—氣缸的輸出拉力 N；
P —氣缸的工作壓力Pa
按照GB/T2348-1993標準進行圓整，取D=32 mm
表3.9 氣缸缸徑尺寸系列 （mm）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
3.3.2 活塞桿直徑的確定
由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=10mm
表3.10 活塞桿直徑系列 （mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
3.3.3缸筒長度的確定
缸筒長度L為活塞行程，B為活塞厚度。
活塞厚度B=(0.61.0)D= 0.732=23mm由于氣缸的行程L=800mm ,所以。
導(dǎo)向套滑動面長度A:
一般導(dǎo)向套滑動面長度A，在D<80mm時，可取A=(0.61.0)D；在D>80mm時, 可取A=(0.61.0)d。所以A=20mm
最小導(dǎo)向長度H：
根據(jù)經(jīng)驗，當氣缸的最大行程為L，缸筒直徑為D，最小導(dǎo)向長度為：H代入數(shù)據(jù) 即最小導(dǎo)向長度H=56 mm
活塞桿的長度l=L+B+A+40=800+23+20+60=903 mm
3.3.4氣缸筒的壁厚的確定
由《液壓氣動技術(shù)手冊》可查氣缸筒的壁厚可根據(jù)薄避筒計算公式進行計算：
式中：缸筒壁厚（m），缸筒內(nèi)徑（m），缸筒承受的最大工作壓力（MPa），缸筒材料的許用應(yīng)力（MPa）。
實際缸筒壁厚的取值：對于一般用途氣缸約取計算值的7倍；重型氣缸約取計算值的20倍，再圓整到標準管材尺碼。
參考《液壓與氣壓傳動》缸筒壁厚強度計算及校核，我們的缸體的材料選擇45鋼
n為安全系數(shù)一般取 n=5；缸筒材料的抗拉強度(Pa)。
P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當工作壓力p≤16 MPa時，P=1.5p；當工作壓力p＞16 MPa時，P=1.25p。由此可知工作壓力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.5×0.6=0.9 MPa
表3.11 氣缸筒的壁厚 （mm）
材 料
氣缸直徑
50
80
100
125
160
200
250
320
壁 厚
鑄鐵HT15~33
7
8
10
10
12
14
16
16
鋼A3.45
5
7
8
8
9
9
11
12
鋁合金
8~12
12~14
14~17
3.3.5氣缸耗氣量的計算
氣缸進排氣口直徑d0
v—空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=10~15m/s 選取v = 12 m/s由公式d0 = 2，代入數(shù)據(jù)得d0 = 5.643 mm。
表3.12 氣缸進排氣口直徑 （mm）
汽缸內(nèi)徑D
氣缸進排氣口直徑d0
40
8
50
63
10
80
100
125
15
140
160
180
20
所以取氣缸排氣口直徑為8 mm
Q— —工作壓力下輸入氣缸的空氣流量
V——空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=10~25m/s
3.3.6活塞桿的校核
由于所選活塞桿的長度L10d，所以不但要校核強度校核，還要進行穩(wěn)定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。參考《機械設(shè)計手冊單行本》，由《液壓氣動技術(shù)手冊》：
L— 氣缸的安裝長度為活塞桿的長度為903mm，代入數(shù)據(jù)得 FK =3.11 N，n為安全系數(shù) 一般取 n=5；缸筒材料的抗拉強度(Pa)，45鋼的抗拉強度=600 MPa。
綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強度滿足要求。
3.3.7連接與密封
氣缸的連接與密封直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確的選用連接和密封裝置，對保證氣缸正常工作有著十分重要的意義。
缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，本氣缸四根采用拉桿式雙頭螺栓連接，由于工作壓力小于1MPa，不需要強度校核。根據(jù)許用靜載荷，查《機械設(shè)計手冊單行本》表22-1-58，分別選用M10、M6的螺栓。
對于活塞與氣缸筒之間采用兩個Y型密封圈，其它摩擦副均使用O型密封圈密封。O型密封圈密封可靠，結(jié)構(gòu)簡單，摩擦阻力小。O型密封圈安裝后，比被密封表面的內(nèi)徑大。Y型密封圈密封可靠，使用壽命長，摩擦阻力較O型圈大。
3.4臂部
臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并改變手部在空間的位置。機械手的臂部一般具有2~3個自由度，即伸縮、回旋、俯仰或升降；專用機械手的臂部一般具有1~2個自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)或直移。臂部總重量較大，受力一般較復(fù)雜，在運動時，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的靜、動載荷，尤其高速運動時， 將產(chǎn)生較大的慣性力（或慣性距），引起沖擊，影響定位的準確性。臂部運動部分零部件的重量直接影響著臂部結(jié)構(gòu)的剛度和強度。專用機械手的臂部一般直接安裝在主機上；機械手的臂部一般與控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)一起安裝在機身（即機座）上，機身可以是固定的，也可以是行走式的、即可沿地面或?qū)к壱苿印?
臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設(shè)計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及倒向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素，它們分別是，剛度要大，倒向性要好，偏重力矩要小，運動要平穩(wěn)、定位精度要高。
3.4.1 臂部結(jié)構(gòu)形式
機械手的臂部結(jié)構(gòu)一般包括臂部伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰或升降等運動的結(jié)構(gòu)以及與其有關(guān)的結(jié)構(gòu)，如傳動機構(gòu)、驅(qū)動裝置、導(dǎo)向定位裝置、支撐連接件和位置檢測元件等。此外還有與腕部連接的有關(guān)構(gòu)件及配管、線等。下面介紹一些臂部結(jié)構(gòu)。
（1）圓柱坐標機器人的臂部結(jié)構(gòu)，其臂部具有回轉(zhuǎn)、升降、伸縮自由度回轉(zhuǎn)運動通過齒條缸驅(qū)動齒輪回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)升降與伸縮分別由升降油缸和伸縮油缸驅(qū)動。
（2）極坐標機器人的臂部結(jié)構(gòu)，臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為齒輪齒條缸結(jié)構(gòu)，臂俯仰、臂伸縮均采用直線運動油缸。
（3）多關(guān)節(jié)型機器人的臂部結(jié)構(gòu)，這種類型的機械手多用于噴漆，故也稱為噴漆機器人。其臂部有回轉(zhuǎn)、俯仰和前后移動三個運動?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)為齒輪齒條缸結(jié)構(gòu)，俯仰和前后運動均采用鉸鏈油缸驅(qū)動。
（4）臂部伸縮運動結(jié)構(gòu)，用鋼管做成伸縮臂，由活塞桿帶動齒輪沿固定齒條滾動而產(chǎn)生伸縮運動，這種結(jié)構(gòu)的特點是傳動效率高，易于實現(xiàn)較大行程和速度，它的行程和速度的大小與齒輪的直徑大小有關(guān)。
（5）臂部俯仰運動的結(jié)構(gòu)，一般采用鉸接油（氣）缸來實現(xiàn)。鉸接油（氣）缸位于手臂下方，活塞桿與手臂之間用鉸鏈連接，缸體與立柱之間用耳叉銷軸等方式連接。
（6）臂部回轉(zhuǎn)及升降運動的結(jié)構(gòu)，可采用齒條缸與升降缸實現(xiàn)臂回轉(zhuǎn)和升降，臂回轉(zhuǎn)還可用回轉(zhuǎn)缸與行星齒輪傳動，鏈條鏈輪傳動。
（7）臂部復(fù)合運動機構(gòu)，它是將一個驅(qū)動運動分解為1~3個運動，并能依合成運動的形式實現(xiàn)復(fù)雜運動的機構(gòu)。在一些專用機械手中常采用行星齒輪機構(gòu)、凸輪機構(gòu)及連桿機構(gòu)等來實現(xiàn)臂部的復(fù)合運動。
3.4.2 臂部運動的導(dǎo)向裝置
臂部的導(dǎo)向裝置，機械手的手臂伸縮及升降運動機構(gòu)上常設(shè)置導(dǎo)向裝置，其目的是：一、防止移動部件在伸縮及升降時產(chǎn)生不必要的轉(zhuǎn)動，以保證手臂運動方位的準確性。二、增大移動部件的剛性，減少移動部件由于自重與抓取重量所引起的變形和位移。三、承受移動部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。
導(dǎo)向裝置一般根據(jù)臂部的安裝形式、具體的結(jié)構(gòu)及抓取重量等因素來確定，就導(dǎo)向裝置而言，其導(dǎo)向精度、剛度和耐磨性對機械手的精度和其它工作性能影響很大，在設(shè)計時必須充分注意。這里僅就幾種特殊形式作一簡單介紹：
（1）單導(dǎo)向桿式
單導(dǎo)向桿一般配置在驅(qū)動油（氣）缸體的一側(cè)或活塞桿內(nèi)。放在活塞桿內(nèi)時，雖然結(jié)構(gòu)緊湊，但是工藝性比較差。單導(dǎo)向桿導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、摩擦力小，但是承載能力較低，剛性差，而且導(dǎo)向桿內(nèi)走管通道少。一般用于較小型的機器人。
單導(dǎo)向桿一般采用實心圓桿、方桿、空心圓桿、花鍵軸等。方桿比圓桿剛性好，但加工比較困難。
（2）雙導(dǎo)向桿式
雙到向桿一般對稱配置在驅(qū)動油（氣）缸兩側(cè)。這種形式受力情況好、剛性大，可承受重載，導(dǎo)向桿內(nèi)部走管道多，便于油路配置。但轉(zhuǎn)動慣量增加，不利于回轉(zhuǎn)定位。雙導(dǎo)向桿一般采用圓桿，以便內(nèi)部通走管。
（3）導(dǎo)軌式
導(dǎo)軌式的形式較多，其共同特點是剛性好，工作平穩(wěn)、導(dǎo)向性能好，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。適用于負載較重、速度較低的機器人或?qū)Ｓ脵C械手。
（4）滾珠花鍵式
焊接結(jié)構(gòu)的軸套前端固接一個循環(huán)滾珠套，套內(nèi)裝有若干鋼珠，并設(shè)有保持架。滾珠花鍵軸的圓弧性花鍵槽與其中一部分鋼珠配合，軸套的轉(zhuǎn)動通過循環(huán)滾珠套及鋼珠傳給花鍵軸，花鍵軸在隨手臂移動時便帶動鋼珠滾動并自行循環(huán)，實現(xiàn)滾動摩擦代替普通花鍵軸的滑動摩擦。這種結(jié)構(gòu)摩擦阻力小，定向精度高，移動速度快，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本高。
本課題中要求臂部具有3個自由度、即升降、回轉(zhuǎn)、伸縮運動。臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。為了防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂要有足夠的剛度，導(dǎo)向性要好，偏重力矩要小，運動要平穩(wěn)，定位精度要高，回轉(zhuǎn)運動用伺服電機驅(qū)動，通過一對內(nèi)齒輪實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動。伸縮運動用伺服電機驅(qū)動，由斜齒輪帶動螺桿、螺母作相對的移動，使手臂能靈活地伸縮。升降運動用伺服電機驅(qū)動，通過絲杠與滾珠的回轉(zhuǎn)，帶動外殼體在機座外側(cè)表面作相對滑動，實現(xiàn)手臂的升降。
在手臂回轉(zhuǎn)運動中，手臂的重量通過大齒輪由交叉軸承。該軸承是根據(jù)標準的止推軸承特制設(shè)計的，8320型屬此種。8320的額定運載荷是21700ckN，額定靜載荷是57200ckN，完全可以滿足許用條件要求。該軸承的內(nèi)、外圈都可有螺孔以聯(lián)接用，并且在淬火之前銑一外圈的鍵槽和大齒輪進行周向固定。
特制的交叉滾珠軸承結(jié)構(gòu)尺寸如下： d=140.0mm
D=278.0mm
B=54.0mm
潤滑方式：脂潤滑。
機座：是機械手用來手臂部件，并安裝驅(qū)動裝置與其它裝置的部件，故穩(wěn)定性要好，且滿足足夠的剛度，機座為φ700的尺寸，足夠滿足運動時的平穩(wěn)。
總體結(jié)構(gòu)圖見附圖
3.5機械手機身的設(shè)計計算
機身是直接支撐和驅(qū)動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動，這些運動的傳動機構(gòu)都安在機身上，或者直接構(gòu)成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。
按照設(shè)計要求，機械手要實現(xiàn)手臂1800的回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)一般設(shè)計在機身處。為了設(shè)計出合理的運動機構(gòu)，就要綜合考慮，分析。
機身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結(jié)構(gòu)有以下幾種：
（1）回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉(zhuǎn)運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大。
（2）回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運動部件較大。
（3）活塞缸和齒條齒輪機構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運動是通過齒條齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)：齒條的往復(fù)運動帶動與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動。
分析：
經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計機身包括兩個運動，機身的回轉(zhuǎn)和升降。如上圖所示，回轉(zhuǎn)機構(gòu)置于升降缸之上的機身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉(zhuǎn)運動?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的?；钊麠U采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向?；ㄦI軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊。具體結(jié)構(gòu)見下圖。
驅(qū)動機構(gòu)是液壓驅(qū)動，回轉(zhuǎn)缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來實現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設(shè)計就是考慮兩個葉片之間可以轉(zhuǎn)動的角度，為滿足設(shè)計要求，設(shè)計中動片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)1800。
圖3.2 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機身結(jié)構(gòu)示意圖
3.5.1 機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計計算
（1）回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算
手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩，應(yīng)該與手臂運動時所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡。
慣性力矩的計算：
式中 ——回轉(zhuǎn)缸動片角速度變化量（），在起動過程中；為起動過程的時間(s);J0——手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（）。
若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為，則
式中 ——回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動慣量。
回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個長1800mm，直徑為60mm的圓柱體，質(zhì)量為159.2Kg.設(shè)置起動角度，則起動角速度，起動時間設(shè)計為0.1s。
密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計。
經(jīng)過以上的計算
(2)回轉(zhuǎn)缸尺寸的初步確定
設(shè)計回轉(zhuǎn)缸的靜片和動片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強為8Mpa。d為輸出軸與動片連接處的直徑，設(shè)d=50mm,則回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)徑通過下列計算：
D=151mm
既設(shè)計液壓缸的內(nèi)徑為150mm,根據(jù)表4.2選擇液壓缸的基本外徑尺寸180mm(不是最終尺寸)，再經(jīng)過配合等條件的考慮。
（3）液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
根據(jù)表4.3所示，因為回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,根據(jù)初步估算， ，，所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目為（一個面6個，兩個面是12個）。危險截面
所以，
所以
螺釘材料選擇Q235，則（）
螺釘?shù)闹睆?
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=20mm.選擇M20的開槽盤頭螺釘。
經(jīng)過以上的計算，需要螺釘來連接，最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖5.2所示，內(nèi)徑為150mm，外徑為230mm，輸出軸徑為50mm。
圖3.3回轉(zhuǎn)缸的截面圖
（4）動片和輸出軸間的連接螺釘
動片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)如圖6.2。連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密。
于是得
式中FQ——每個螺釘預(yù)緊力；
D——動片的外徑；
f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對銅取f=0.15
螺釘?shù)膹姸葪l件為
或
帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得
螺釘材料選擇Q235，則 (n=1.2~1.5)
螺釘?shù)闹睆?
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm.選擇M14的開槽盤頭螺釘。
3.5.2 機身升降機構(gòu)的計算
(1)手臂偏重力矩的計算
圖3.4 手臂各部件重心位置圖
1） 零件重量、、、
現(xiàn)在對機械手手臂做粗略估算：和總共=33Kg
2）計算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離。
所以，回轉(zhuǎn)半徑
3）計算偏重力矩
（2）升降不自鎖條件分析計算
手臂在的作用下有向下的趨勢，而里柱導(dǎo)套有防止這種趨勢。
由力的平衡條件有
即
所謂的不自鎖條件為：
即
取則
當=1650mm時，0.32=528mm
因此在設(shè)計中必須考慮到立柱導(dǎo)套必須大于528mm
（3）手臂做升降運動的液壓缸驅(qū)動力的計算
式中摩擦阻力，參考圖5.3
取f=0.16
G——零件及工件所受的總重。
1）的計算
設(shè)定速度為;起動或制動的時間差;近似估算為286.1Kg;將數(shù)據(jù)帶入上面公式有：
2）的計算
3）液壓缸在這里選擇O型密封，所以密封摩擦力可以通過近似估算
最后通過以上計算
當液壓缸向上驅(qū)動時，F(xiàn)=6756N
當液壓缸向下驅(qū)動時，F(xiàn)=6756-=6184N
3.5.3 軸承的選擇分析
對于升降缸的運動，對于機身回轉(zhuǎn)用的軸承有影響，因此，這里要充分考慮這個問題。對于本設(shè)計，采用一支點，雙固定，另一支點游動的支撐結(jié)構(gòu)。作為固定支撐的軸承，應(yīng)能承受雙向軸向載荷，故內(nèi)外圈在軸向全要固定。其結(jié)構(gòu)參看本章開始的——機身結(jié)構(gòu)示意圖。
本設(shè)計采用兩個角接觸球軸承，面對面或者背對背的組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以承受雙向軸向載荷。
3.6 驅(qū)動方式
該機器人一共具有四個獨立的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，連同末端機械手的運動，一共需要五個動力源。
機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動