氣動機械手系統(tǒng)設(shè)計

1、密級：編號：分類號：U D C： 氣動機械手系統(tǒng)設(shè)計The design of pneumatic manipulator system學(xué)位授予單位及代碼：長春理工大學(xué) （10186）學(xué)科專業(yè)名稱及代碼：機械工程（080201）研究方向：精密、超精密加工、檢測及裝備申請學(xué)位級別：3_±指導(dǎo)教師：田春林副研究員研究生：陳紅 論文起止時間：2008.112010.6長春理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的碩士學(xué)位論文，氣動機械手系統(tǒng)設(shè)計是本人在 指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中己經(jīng)注明引用的內(nèi) 容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作

2、品成果。對本文 的研究做出重要貢獻的個人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識 到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。作者簽名：年_月_日長春理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解“長春理工大學(xué)碩士、博士學(xué)位論文版 權(quán)使用規(guī)定”，同意長春理工大學(xué)保留并向中國科學(xué)信息研究所、中國優(yōu)秀博碩 士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫和CNKI系列數(shù)據(jù)庫及其它國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學(xué) 位論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被査閱和借閱。本人授權(quán)長春理工大學(xué)可以 將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，也可采用影印、縮印 或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文。作者簽名：導(dǎo)師簽名：年_日年_月_日

3、隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術(shù)自身的一些優(yōu)點，氣動機械手己經(jīng) 廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。本文就氣動機械手的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景作了簡 單概述。本文研制了一種基于氣動元件開發(fā)的五自由度機械手，該機械手應(yīng)用四個兩 種類型的氣缸實現(xiàn)所有的動作，并留有底層的控制接口，使單片機（ARM、DSP）、PLC以 及計算機都可方便地對其進行控制。該機械手可以廣泛應(yīng)用在機械制圖的測繪中、氣 動技術(shù)、單片機（ARM、DSP）原理與應(yīng)用、PLC與電器控制、計算機控制技術(shù)等課程的 實驗以及機電綜合實驗中、機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計等綜合性實驗中，應(yīng)用效果理想。關(guān)鍵詞：氣動技術(shù)；氣動機械手；單片機ABSTRACTWi

4、th the development of the industry mechanization 9 automation and some advantages of pneumatic technology, pneumatic manipulator is applied extensively to various field of the automatic produce line. The applications and developments of the pneumatic manipulator were discussed In this paper, a 5 dim

5、ensions manipulator is designed which is based on pneumatic technology. All movements of the manipulator are completed by four cylinders which are two different types. The lower control interfaces are set in the manipulator so that it can be cont rolled by MCU (ARM, DSP), PLC and computer convenient

6、ly. This manipulator can be used in experiments of many different courses such as mechanical drawing, pneumatic technique, MCU (ARM, DSP) principle and application PLC and electrical equipment control technique, PC control technique etc. As well as the mechatronics comprehensive experiment weeks and

7、 product innovation design All of the applications of the manipulator show t he experiment effect is ideal.Keywords: Pneumatic technology； Pneumatic manipulator； MCU摘要ABSTRACT目錄第一章緒論11.1機械手構(gòu)成11.2機械手的種類11.3氣動技術(shù)的發(fā)展11.4氣動技術(shù)與氣動機械手的發(fā)展過程11.5氣動機械手的應(yīng)用216氣動機械手的特點31.7機械手的規(guī)格參數(shù)4第二章研究內(nèi)容及參數(shù)52.1方案設(shè)計52.2規(guī)格參數(shù):62.3主要

8、參數(shù)的確定7第三章氣動機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計103.1抓取機構(gòu)的設(shè)計103.2送放機構(gòu)的設(shè)計'163.3手臂和機身20第四章 機械手傳感技術(shù)284.1機器人傳感器技術(shù)284.2機械手手爪傳感器294.3傳感器的選用及布賈29第五章氣動機械手的氣動系統(tǒng)原理315.1空氣壓縮機 315.2空氣壓縮機的選擇31-5.3氣缸的工作原理325.4氣缸的選取34第六章機械手圖形仿真35結(jié)論36致謝37參考文獻38第一章緒論1 1機械手構(gòu)成機械手蘭要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或 工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu) 形式，如夾持型、托

9、持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移 動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、 伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為r抓取空間中任意位置和方位 的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手 的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有23個自由度。1.2機械手的種類按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為 專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制 機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線 上

10、裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作 裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機 械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等 勞動條件。機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺 機械手。1.3氣動技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)80年代以來，氣動技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，在各種自動化生產(chǎn)線上及機 床夾具上得到廣泛應(yīng)用。PLC技術(shù)與氣動技術(shù)相結(jié)合，使氣動技術(shù)控制方式更靈活； 氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動控制技術(shù)提岀了越來越高的要求； 而電氣比例伺服技術(shù)與現(xiàn)代控制理論的發(fā)

11、展，把氣動控制技術(shù)從開關(guān)控制發(fā)展成閉環(huán) 比例伺服控制，控制精度不斷提高，現(xiàn)在國內(nèi)外都在進行該技術(shù)的研究。從國內(nèi)外的統(tǒng)計資料來看，20世紀(jì)70年代，液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為9：1, 到21世紀(jì)初，在歐美、日本等工業(yè)化國家，該比例己達到6： 4,甚至接近5： 5。我 國的氣動控制技術(shù)研究較晚，但發(fā)展速度較快。從20世紀(jì)80年代開始，氣動元件產(chǎn) 值的年遞增率在20%以上。1.4氣動技術(shù)與氣動機械手的發(fā)展過程氣動技術(shù)是以空氣壓縮機為動力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進行能量傳遞或信 號傳遞的工程技術(shù)，是實現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動控制的重要手段之一。大約開始于 1776年，Johnwilkimson發(fā)明能產(chǎn)生

12、1個大氣壓左右壓力的空氣壓縮機1880年，人們第 一次利用氣缸做成氣動剎車裝置，將它成功地用到火車的制動上。20世紀(jì)30年代初， 氣動技術(shù)成功地應(yīng)用于自動門的開閉及各種機械的輔助動作上。至50年代初，大多數(shù) 氣壓元件從液壓元件改造或演變過來，體積很大。60年代，開始構(gòu)成工業(yè)控制系統(tǒng)， 自成體系，不再與風(fēng)動技術(shù)相提并論。在70年代，由于氣動技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合應(yīng) 用，在自動億控制領(lǐng)域得到廣泛的推廣。80年代進入氣動集成化、微型化的時代。90 年代至今，氣動技術(shù)突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展，人們克服了閥的物理 尺寸局限，真空技術(shù)日趨完美，高精度模塊化氣動機械手問世，智能氣動這一概念產(chǎn) 生，

13、氣動伺服定位技術(shù)使氣缸高速下實現(xiàn)任意點自動定位，智能閥島十分理想地解決 了整個自動生產(chǎn)線的分散與集中控制問題。氣動機械手作為機械手的一種，它具有結(jié) 構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。 氣動機械手強調(diào)模塊化的形式，現(xiàn)代傳輸技術(shù)的氣動機械手在控制方面采用了先進的 閥島技術(shù)（可重復(fù)編程等），氣動伺服系統(tǒng)（可實現(xiàn)任意位置上的精確定位），在執(zhí)行機 構(gòu)上全部采月模塊化的拼裝結(jié)構(gòu)。90年代初，由布魯塞爾皇家軍事學(xué)院YBando教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開發(fā)研制的 電子氣動機器人一“阿基里斯”六腳勘探員，是氣動技術(shù)、PLC控制技術(shù)和傳感技術(shù) 完美結(jié)合產(chǎn)生的“六足動物”。6個腳

14、中的每一個腳都有3個自由度，一個直線氣缸把腳 提起、放下，一個擺動馬達控制腳伸展/退回運動，另一個擺動馬達則負貴圍繞腳的軸 心做旋轉(zhuǎn)之用。由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計的氣動攀墻機器人，它集遙感技術(shù) 和真空技術(shù)于一體，成功地解決了垂直攀緣等視為危險工作的操作問題【嘰Tron2X電 子氣動機器人，能與人親切地握手，它的頭部、腰部、手能與人類一樣彎曲運動，并 且有良好的柔韌性。在幕后操縱人員的操作下（或通過自身的編程控制）能與人進行對 話，或作自我介紹等。Tron2X電子氣動機器人集電子技術(shù)、氣動技術(shù)和人工智能為一 體，它告訴我們，氣動技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機器人中最難解決的靈活的自由度，具有在足夠 工作空

15、間的適應(yīng)性、高精度和快速靈敏的反應(yīng)能力。1.5氣動機械手的應(yīng)用由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、 強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、 重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過 載保護、易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等優(yōu)點。所以，氣動機械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半 導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事上忙現(xiàn)代汽車 制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動機械手。車身在 每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊 機焊頭的快速

16、接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機 械手。高頻率的點焊、力控的準(zhǔn)確性及完成整個工序過程的高度自動化，堪稱是最有 #代表性的氣動機械手應(yīng)用之一。在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半 導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、 形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像 管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標(biāo)位置。對加速度限制十分嚴格的芯片搬 運系統(tǒng)，釆用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸。氣動機械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀 物料的自動計量包裝；用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆

17、 灌裝氣動機械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機械手，牛奶盒裝箱氣動機械手等。此 外，氣動系統(tǒng)、氣動機械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如:氣動自動調(diào)節(jié)病床， Robodoc機器人，da Vinci外科手術(shù)機器人等®。1.6氣動機械手的特點1重復(fù)精度高精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋 裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次，機械手到達同樣位置的精確程度。重復(fù) 精度比精度更重要，如果一個機器人定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這 個誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機誤差 的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機器人來測

18、定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù) 的發(fā)展，以及氣動伺服技術(shù)走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動機械手的 重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。2. 模塊化有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊 化拼裝的氣動機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動機械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝 置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機械手運 動自如。由于模塊化氣動機械手的驅(qū)動部件采用了特殊設(shè)計的滾珠軸承，使它具有高 剛性、高強度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要 特點。模塊化氣動機械手使同一機械手可

19、能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能， 擴大了機械手的應(yīng)用范圍，是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向：可。智能閥島的出現(xiàn) 對提高模塊化氣動機械手和氣動機器人的性能起到了十分重要的支持作用。因為智能 閥島本來就是模塊化的設(shè)備，特別是緊湊型CP閥島，它對分散上的集中控制起了十分 重要的作用，特別對機械手中的移動模塊。3. 無給油化為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求， 不加潤滑脂的不供油潤滑元件己經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進步，新型材料（如燒結(jié)金 屬石墨材料）的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、 不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽

20、命長。機電氣一體化由“可編程序控制器傳感器氣動元件"組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù) 的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動元件，使氣動技術(shù)從“開關(guān)控 制''進入到高精度的“反饋控制”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元 件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小， 而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能c氣動機械手、氣動 控制越來越離不開PLC,而閥島技術(shù)的發(fā)展，又使PLC在氣動機械手、氣動控制中變 得更加得心應(yīng)手國。1.7機械手的規(guī)格參數(shù)機械手的規(guī)格參數(shù)，是說明機械手規(guī)格和性能的具體指標(biāo)，

21、一般包括以下幾個方 面：1. 抓重（又稱臂力）：額定抓重量或稱額定負荷，單位為kg （必要時注明限定運動 速度下的抓重）。2. 自由度數(shù)和坐標(biāo)形式：整機、手臂和手腕等運動共有幾個自由度，并說明坐標(biāo) 形式。3. 定為方式：固定機械擋塊、可調(diào)機械擋塊、行程開關(guān)，電位器及其各種位置設(shè) 定和檢測裝置；各自由度所設(shè)定的位置數(shù)目或位置信息容量；點位控制或連續(xù)軌跡控 制。.4. 驅(qū)動方式：液動、電動、氣動和機械傳動。5. 手臂運動參數(shù)：手臂的運動參數(shù)包括伸縮、升降、橫移、回轉(zhuǎn)以及俯仰。當(dāng)手 臂的運動速度很髙時，手臂在啟動和制動時會產(chǎn)生很大的沖擊和振動，這會影響手臂 的定位精度。因此，手臂運動速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)

22、拍時間的長短、生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性和 定位精度等要求來確定冋。6. 手指夾持范圍（mm）和握力（夾緊力或吸力）（N）。7. 定位精度：位置設(shè)定精度及重復(fù)定位精度（士mm）。&程序編制方法及程序容量：如插銷板、二級管矩陣插銷板、可編程序控制、微 機控制以及示教存儲等。9. 收信、發(fā)信數(shù)目、聯(lián)鎖控制信號數(shù)。10. 控制系統(tǒng)動力：電、氣。11驅(qū)動源：氣動的氣壓大小，液壓的使用壓力，液壓泵的瓶格，電動機功率，電 動機類型、規(guī)格。12.輪廓尺寸：長x寬x高（mm）。13重量：整機重量（kg）。#第二章研究內(nèi)容及參數(shù)設(shè)計要求完成以下內(nèi)容：1擬定整體方案，特別是氣動技術(shù)、傳感器與機械本體的有機結(jié)合的設(shè)計

23、方案。2根據(jù)給定的自由度和技術(shù)參數(shù)選擇合適的手部、腕部、臂部和機身的結(jié)構(gòu)。3. 各部件的設(shè)計計算。4 .傳感器的選擇4. 氣動機械手工作裝配圖的設(shè)計與繪制2.1方案設(shè)計根據(jù)課題要求，機械手需要具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按該自動線的 統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動作，因此可采用以下多種設(shè)計方案。1直角坐標(biāo)式如圖21 (a)所示，這是一種直移型機械手，即所有的運動均為直線運動。這種機械手，結(jié)構(gòu)簡單，直觀性強，便于實現(xiàn)一定的精度要求。自動線成直線布 置，機械手空中行走，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種方案結(jié)構(gòu)簡單,自由 度少，易于配線，但需要架空行走，所需的空間位置較大，工作范圍較小，

24、靈活性差 且油液站不能固定，這使設(shè)計復(fù)雜程度增加，運動質(zhì)量增大。2. 圓柱坐標(biāo)式如圖2-1 (b)所示，這是一種回轉(zhuǎn)型機械手，其手臂除了可以伸縮、可以升降外, 還可以繞立柱回轉(zhuǎn)。這種機械手與直角坐標(biāo)式機械手相比，占地面積小而活動范圍較 大，結(jié)構(gòu)亦較簡單，并能達到較高的定位精度，因而應(yīng)用范圍較廣泛。機身采用立柱 式，機械手側(cè)面行走，順利完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能，自動線仍呈直線布置。這 種方案可以奧中設(shè)計液壓站，易于實現(xiàn)電氣、油路定點連接，但機械手的升降手機械 結(jié)構(gòu)的限制，距地面總有一定的距離，因而不能從地面上抓取物體且手臂懸伸量較大。3. 球坐標(biāo)式如圖21 (c)這是一種俯仰型機械手，其手臂除

25、了具有回轉(zhuǎn)運動外，還具有俯仰 運動(即上擺動和下擺動)，這種運動與手臂的伸縮運動組合成一個球狀送放空間。這 種機械手與圓柱坐標(biāo)式相比，在占有同樣大小空間情況下，可擴大工作范，能將手臂 伸向地面抓取物件。機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、 轉(zhuǎn)位等功能這種方案具有電液集中、占地面積小等優(yōu)點，但配線要求較高。4. 多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式如圖21 (d)這是一種屈伸型機械手，臂部有大臂和小臂組成。除了大臂本身具 有回轉(zhuǎn)和仰附運動外，小臂相對于大臂還可以屈伸，具有與人體丄肢結(jié)構(gòu)相類似的結(jié) 構(gòu)。這種機械手可以在以臂部最大伸展長度為半徑的球體空間范圍內(nèi)任意抓取物件， 靈活性大。它與其他坐標(biāo)形式的

26、機械手相比，所占空間最小，而且可以繞過障礙物抓取物件。但其運動直觀性差，臂部前端的位置由多個回轉(zhuǎn)運動決定，要達到較高的運 動精度比較因難，為此必須提高制造精度，因而使設(shè)計和制造均較為復(fù)雜問。宜移整<b)03j值仰型圖21機械手的坐標(biāo)形式2. 2規(guī)格參數(shù)抓 1： 150N自由度數(shù)：6個坐標(biāo)型式：球坐標(biāo)最大工作半徑：lm手臂最大中心高：1.5m俯仰行程（Z）： 1000mm升降速度：230mm/s回轉(zhuǎn)范圍（V）： 0°270°回轉(zhuǎn)速度:60%手腕運動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍（co）： 0。180?；剞D(zhuǎn)速度：60%手指夾持范圍：160140mm重復(fù)定位精度：0.5】mm驅(qū)動方式：氣動

27、驅(qū)動系統(tǒng)控制方式：可編程序控制2. 3主要參數(shù)的確定2.3.1抓重（或稱臂力）機械手的抓重是指機械手手臂所能抓取的物件的最大重量，它是機械手的主要參 數(shù)之一。根據(jù)抓重范圍的不同機械手可分為以下幾種類型：微型機械手：抓重在lkg以下；小型機械手：抓重為15kg；中型機械手：抓重為530 kg；大型機械手：抓重為3050 kg；巨型機械手：抓重在50 kg以上；目前廣泛使用的機械手中，以中型和小型的占絕大多數(shù)。本設(shè)計屬于中型機械手。2. 3.2自由度機械手的自由度是指機械手的送放運動所具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，亦即主運 動和輔助運動所具有的獨立運動參數(shù)的總和。機械手是模仿人手的部分動作的自動機械裝

28、置，而人手是一種經(jīng)過了億萬年進化 后所形成的高超機構(gòu)。按機械原理的法則，它可簡化為一種多機構(gòu)的空間連桿機 構(gòu)。這一連桿機構(gòu)的自由度為：= （2-1） /-I J式中：n-構(gòu)件數(shù)，即人手的骨骼書數(shù)，n=19；一運動副的數(shù)目，人手關(guān)節(jié)可簡化為運動副，尺關(guān)節(jié)為級副（共1處），肩關(guān) 節(jié)為/級副（共2處），腕關(guān)節(jié)和掌關(guān)節(jié)為"級副（共6處），指關(guān)節(jié)為卩級副（共 11 處）；£一運動副引入的約束數(shù)，級副約束數(shù)為2,級副約束數(shù)為3, 級副約束數(shù)為4, V級副約束數(shù)為5。(2-2)將上述數(shù)值代入上式得:, = 6x19-(1x2 + 2x3 + 6x4 + 11x5) = 27由此可知，人手

29、的自由度有27個，其中有22個集中在掌部。如果用人工方法制 造出完全與人手一樣靈巧的機械手，則會相當(dāng)復(fù)雜。機械手的自由度標(biāo)志著機械手所具有的功能大小，自由度越大，機械手的動作越 靈活，適應(yīng)性越強，但結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般通用機械手有56個自由度即可滿足使用 要求（其中臂部有3個自由度，腕部和行走裝置有23個自由度），專用機械手有12個自由度即可滿足使用要求【卩】。本機械手的坐標(biāo)形式為球坐標(biāo)式，有6個自由度。2. 3. 3運動速度機械手的運動速度是指機械手在全程范圍內(nèi)的平均運行速度，它反映了機械手的 使用效率與生產(chǎn)水平。機械手的運動速度越高，則其使用效率越高，生產(chǎn)水平越高； 但速度越高，機械手在運動

30、過程中啟動和制動時產(chǎn)生的沖擊和振動也較大，對機械手 的定位精度的影響也越大。一般情況下，機械手的運動速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)過 程中的平穩(wěn)性要求和定位精度要求而定。目前使用的機械手的最大移動速度可達 lOOOmm/s,最大回轉(zhuǎn)速度達180%左右。一般的速度范圍為：移動速度常在200 300mm/s左右，回轉(zhuǎn)速度在50%左右。本機械手的直線運動速度：手臂伸縮行程/=460mm,運動時間t=2s,則手臂伸縮 速度為：v = - = 5 = o 23m/5(2-3)t 2回轉(zhuǎn)運動速度：定為60%2. 3.4工作行程機械手手臂的行程范圍與機械手的抓重、坐標(biāo)形式、驅(qū)動方式、運動速度等多方 面因素有關(guān)。一

31、般來說，對于通用機械手，其手臂回轉(zhuǎn)的行程范圍應(yīng)盡可能大些，使 機械手具有較大的通用性。因此，機械手的手臂回轉(zhuǎn)行程范圍均大于180%機械手的 手臂伸縮形成范圍及工作半徑適當(dāng)，若過大，則手臂的偏重力矩都將增大，使剛度降 低，振動增加，定位精度難以保證。因此，機械手的手臂行程大多在5001000mm范 圍內(nèi)選取。機械手的行程范圍與人手操作時所能達到的空間范圍大致相當(dāng)如下：<0.01m3：相當(dāng)于微小精細的操作；>0.01:13：相當(dāng)于坐著操作；>1:10卅：相當(dāng)于人站著或略有走動的操作；>10"：相當(dāng)于人巡回操作；目前應(yīng)用的氣動機械手的行程范圍大多數(shù)相當(dāng)于人坐著或站著

32、的操作范圍。 工作行程由己知條件及方案分析確定：最大工作半徑lm；手臂最大中心高:1.5mm；手臂伸縮行程:460mm；手臂回轉(zhuǎn)范圍：0=0270。手腕回轉(zhuǎn)范圍：翻轉(zhuǎn)40180。2. 3.5定位精度位置精度是衡量機械手工作質(zhì)量的一項重要指示，它包括位置設(shè)定精度和重復(fù)定 位精度。一般所說的位置定位精度是指重復(fù)定位精度。位置精度的高低取決于位置的控制方式及機械手運動部件本身的精度和剛度，此 外它還與機械手的抓重及運動速度等因素有關(guān)。目前，氣動機械手大多數(shù)采用點位控 制。其中，采用行程開關(guān)、電位計等電控元件進行控制時位置精度較低（大于1mm）, 采用固定擋塊進行控制時可達到較高的定位精度（±

33、;0.5rnm,或更高），采用電位私服 系統(tǒng)進行控制時可以獲得更高的位置精度（這種控制方式適應(yīng)于高速重載情況）。本機械手定位采用機械檔塊定位，定位精度為0.51mm。9第三章氣動機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1抓取機構(gòu)的設(shè)計3.1.1抓取機構(gòu)材料選擇機器人常用材料：1. 碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼：這類材料強度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼，其強度增加了 45倍.彈性模量E大，抗變形能力強，是應(yīng)用最廣泛的材料。2. 鋁、鋁合金及其它輕合金材料：此類材料的共同特點是重量輕，彈性模量E不 大，但材料密度小。3. 纖維增強合金：此類合金如硼纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金等。其E/p 比分別達11.4xl07 m2/s2

34、和8.9x107加2“2這種纖維增強金屬材料具有非常高的比 E/pt而沒有無機復(fù)合材料的缺點，但價格昂貴。4. 陶瓷；陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工成具有長孔的連桿， 與金屬零件連接的接合部需特殊設(shè)計。5. 纖維增強復(fù)合材料：此類材料具有極好的E/p比，但存在老化，蠕變高溫?zé)崤?脹以及與金屬連接困難等問題。這類材料不但重量輕，剛度大，而且還具有十分突出 的大阻尼的優(yōu)點。傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼，所以在高速機器人上應(yīng)用 復(fù)合材料的實例越來越多。6. 粘彈性大阻尼材料：增大機器人連桿件的阻尼是改善機器人動態(tài)特性的有效方 法。目前有許多方法用來增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合

35、機器人采用的一種方法 是用粘彈性大阻尼材料對原構(gòu)件進行約束層阻尼處理。材料選擇的基本要求：1. 強度高；2.彈性模量大；3.重量輕；4.阻尼大；5.材料經(jīng)濟性。手指的材料：為減輕重量，同時也由于手指所抓取物體一般都不是很大，所以，手指的結(jié)構(gòu)材 料選用鋁合金。在一些特殊情況下，也可以采用碳素鋼、鑄鋼、合成塑料等。一般在 手指的表面再粘附一層橡膠或軟塑料等材料，以減小手指與物體克觸時的沖擊，同時 也可以增大接觸摩擦力。3.1.2抓取機構(gòu)的設(shè)計要求1.具有足夠的握力抓取結(jié)構(gòu)的手指握僅工件時所需要的力成為握力或夾緊力。握力的大小與被夾持 工件或工具的重量、重心位置以及夾持方式的方位有關(guān)。計算握力時還應(yīng)

36、考慮傳動和 操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動力。以保證工件或工具不致松動或脫落。2. 具有一定的開角抓取機構(gòu)的手指張開與閉和時兩個極限位置所夾的角稱為手指的開閉角0。手指 的開閉角0應(yīng)能保證工件順利進入或脫落，在需要夾持不同工件尺寸時，應(yīng)按最大直 徑的工件考慮。'3.具有一定的定位精度為了使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被夾持工件的形狀選擇 相應(yīng)的手指結(jié)構(gòu)，并進行定位精度的計算。為了使機械手能適用多品種、小批量、工 件尺寸在一定范圍內(nèi)變化的生產(chǎn)中，可采用自動定心的手部結(jié)構(gòu)，以減少對機械手的 調(diào)整工作。4 .具有足夠的強度和剛度機械手的抓取機構(gòu)除受到被夾持工件的反作用力外，還

37、將受到機械手在運動過程 中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響。因此，要求防止機械手抓取機構(gòu)變形、彎曲和折斷。3.1.3抓取機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的確定抓取機構(gòu)又稱手部或爪部，是機械手直接與被抓取物件（工舛或工具）接觸并施 加約束和夾緊力的部分。根據(jù)與物件接觸的形式之不同，抓取機構(gòu)可分為夾鉗式與吸 附式兩大類。抓取機冏的結(jié)構(gòu)形式主要決定于工件的形狀和質(zhì)量，本課題的抓取工件為 250x170x140 mm的箱式零件，當(dāng)夾緊氣壓缸通氣時，推動活塞帶動杠桿機構(gòu)合攏將 工件夾緊。當(dāng)夾緊氣壓缸斷開時，活塞桿通過彈簧復(fù)位。手指間相對尺寸：如圖31所示，靈巧手有兩個手指之間的相對結(jié)構(gòu)尺寸：食帝和中指之間的距離 /f；拇指與食指

38、、中指之間的距離/J，41o1. /,的分析：食指和中指既能配合拇指完成對物體的抓持和操作，又能單獨對物體進行夾持操 作，如圖31所示。因而，仃可以由后者確定。圖3-1兩指夾持物體物體示意假設(shè)手指側(cè)面與物體之間為有摩擦點接觸，摩擦系數(shù)為被抓物半徑為九由力平術(shù)方程有：2F-sina = 2F f-cosa(3-1)a = arctg(J)(3-2)而le=2 (/j+/2+Z3)sina + r-cosa(3-3)當(dāng)尸=0Wle=2& t/2 +/3)sina(3-4)當(dāng)Zj =22mm, /2=53mm, /3=42.5mm, /=0.2 時，lt =46.087mm2&的優(yōu)化

39、：拇指與另外兩指之間的距離厶直接關(guān)系到整個手指的抓取和操作特性，所以這一 尺寸的優(yōu)化評價指標(biāo)應(yīng)從整個靈巧手來考慮。目前，對多指靈巧手抓取物體后的構(gòu)形 的評價主要有以下指標(biāo)：(1)穩(wěn)定性；(2)可操作性；(3)靈巧性；(4)精確性：(5) 扭矩可施加性；(6)可轉(zhuǎn)動性；(7)靈敏性；(8)安全性等。從穩(wěn)定性、靈巧性和任務(wù)三方面考慮，在食指和中指的中線及拇指所確定的平面 內(nèi)，將三指近似筒化為兩指。如圖32,在此平面內(nèi)，當(dāng)被抓物體的可操作面積取得最 大值時，則該靈巧手的可操作體積通過網(wǎng)格法計算得出：可操作面積$與物體的大小廠 之間基本上成線性關(guān)系，越大，貝農(nóng)越小。并進一步證明，當(dāng)被抓取物體尺寸廠有確

40、 定值時，拇指和食指之間的結(jié)構(gòu)距離匚存在最優(yōu)值，如圖32所示根據(jù)以上結(jié)論，對厶最優(yōu)值進行加權(quán)平均，所選厶為60mm.圖34(b)機械手受力圖圖3-4(a)機械手結(jié)構(gòu)簡圖 該機械手的速度雅可比為-lxS0x -/212_+ l2C2hC2 .則該機械手的力雅可比為/C0 + l2cn/】2根據(jù)tJtF得(3-5)所以斤=H/理 +l2sn)Fx +(何 +也2)耳耳二一/皿乙+如斤(34)在某一瞬時=0*, 02 =90如圖所示，則與手部端點力相對應(yīng)的關(guān)節(jié)力矩為 可"硏+再，巧3.1.4夾緊力(握力)的確定握力的大小與被夾持工件的重量、重心位置以及夾持的方位有關(guān)。計算握力時， 應(yīng)先進行

41、必要的簡化，以便建立力學(xué)模型，進行求解。下面以水平位置夾持懸伸工件 為例，介紹握力的計算。假想地認為握力集中作用在手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)。并設(shè)兩力的大小相 等、方向相反。由于工件重力作用線與手指夾持工件時的對稱面不重合，因此手指受 到懸伸工件的偏重力矩的作用。將工件重力向夾持中心點簡化，可得一集中力和一集中力矩如圖中虛線所示。為 了防止工件匸移，下手指對工件產(chǎn)生一反作用力RrG；為了防止工件轉(zhuǎn)動，上、下 手指對工件產(chǎn)生一約束力矩M = R2l3 = GL,其中用為手指對工件的反作用合力，假 定反作用力矩按三角形分布，且合力作用點在三角形的形心上。根據(jù)手指的受力分析，可得如下公式：H為 A

42、/oi(F) = O NbRi(b-)(3-7)Mo2(F) = OijNb二Eb + R2(b+46(3-8)#(3-9)(3-10)聯(lián)立解以上兩式，并整理得：1AT = (+-X?NH 1當(dāng)機械手水平夾持懸伸工件時，可進行握力計算:y =(+l)GNH 2式中：N夾持工件時所需的握力；G工件的重量，G=15kg=150NL、H尺寸，L=50mm» H=80mm.將上述數(shù)值代入得：g晉+扣叫356.25N(3-11)考慮到工件在傳動中還會產(chǎn)生慣性力、振動以及受到傳力機構(gòu)效率的影響，故實際握力還應(yīng)按下式計算:(3-12)NQN型(3-13)式中：L手部的機械效率，一般"=0

43、.850.95；kl安全系數(shù)，一般取kl=1.22；k2 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，按下式估算：k>l+a/g ,其中，a為抓取工件傳送過程中的最大加速度，g為重力加速度。若取 t=0.9； kl=1.5； k2 按 a=g/2 計算，k2=l+a/g=1.5,則：Jrilrj1 5 X1 SNS 亍 356.25X 飛耳 890N3.1.5夾緊缸驅(qū)動力的計算根據(jù)夾緊缸受力分析，P為驅(qū)動力N實為握力。由受力分析可得:P = 2RsinaRh = LcdR因為 h= Lbc cos(l 80°-y-p+a)= Lbc cos(y+p-a)(長度取正值)所以IcDsina

44、cosflP = 2R sin a:r. N*/BcCos(/? + a-/)(3-14)由結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定 a=10t y=120, p=50» /a>=130mm,人=36mm, p=2xl30x0.136xa6427x890te代入上式得:36x0.9396763N （長度取正值）3.1.6夾緊缸主要尺寸的確定1氣壓缸內(nèi)徑D(3-15)式中:P-驅(qū)動力，即氣壓缸的實際工作載荷；P系統(tǒng)的工作壓力，Pi=2.5Mpa=2.5y/mm2;rjm 機械效率，一般取Tm =0.95 0將上述數(shù)值代入得:D = L13J 763=20,25m?n(3-16)V 2.5x0.95按JB8

45、26-66標(biāo)準(zhǔn)系列直徑圓整，取D=20mm, d=10mm (活塞桿直徑)。PPD式中:2氣壓缸壁厚5(3-17)實驗壓力，/=1.3x2.5=3.25Mpa；可一許用應(yīng)力，選用鑄鐵材料，5=60Mpa. 將已知數(shù)據(jù)代入上式得：3.25x20ca = 0.5mm 取 o=5mmo2x603. 氣壓缸外徑Do及長度L£>o+ = 20 + 2x5 = 30加加由結(jié)構(gòu)需要確定，取/=50mnio3. 2送放機構(gòu)的設(shè)計3.2.1概述送放運動、送放范圍、送放圖形、送放運動的自由度和送放坐標(biāo)及計算。1. 送放運動改變被抓取物體（工件或工具）的位置和方向，并將其送放到一定的目的位置上, 這

46、一運動過程稱為送放運動。送放運動是機械手或機器人最主要的運動，包括手臂、 手腕和行走裝置的運動，但不包括機械手或機器人手抓抓取物體的運動。因為抓取運 動只有抓取功能，不能改變被抓物體的位置和方向，因而不是送放運動。送放運動又 可分為主運動和輔助運動兩部分，手臂的運動為主運動，手腕的運動和整機的行走運 動為輔助運動。主運動決定送放運動的空間范圍的形狀和性質(zhì)，輔助運動可擴大送放 范圍或改變被送放物體在空間的方位。送放范圍17機械手或機器人將被抓取的物體（工件或工具）送放到某一位置，其所能達到的 空間范圍稱為機械手或機器人的送放范圍。當(dāng)送放位置為一點時，稱為點位送放；當(dāng) 送放位置在一個確定的表面內(nèi)時

47、，這樣的送放范圍稱為體位送放。點位送放、面位送 放、體位送放均由主運動的運動形式、自由度數(shù)及組合來決定。2. 送放怪形送放范圍可用送放圖形（送放運動的軌跡或空間的形狀及大小）來描述。點位送放的送放位置為確定的點，其主運動只有一個自由度。其運動形式為直線 運動時，送放圖形為一直線；為回轉(zhuǎn)運動時，送放圖形為一圓?。粸閺?fù)合運動時，送 放圖形為一空間曲線。面位送放，其送放圖形為一確定的表面，由兩個參變量決定，故主運動需要兩個 自由度。送放圖形有三種不同的情況：兩個直線運動組合時，送放圖形為一矩形；兩 個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為一組合面圓弧面；一個直線和一個回轉(zhuǎn)運動組合時， 送放圖形為一扇形面（如手臂

48、伸縮和手臂回轉(zhuǎn)組合）或圓柱面（如手臂升降和手臂回 轉(zhuǎn)組合）。體位送族，其送放圖形為一個確定的空間體，主運動有三個自由度。其圖形也有 幾種不同的情況：三個直線運動組合時，送放圖形為一空間立方體；兩個直線運動和 一個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為一空間圓柱體；三個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為 空間球體或多球體。3. 送放運動的自由度送放運勵具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，即送放運動的自由度，亦即機械手或機器 人的自由度。它等于主運動自由度和輔助運動自由度數(shù)之和。一般情況下，主運動有 13個自由度：當(dāng)主運動有1個自由度時，送放圖形為點位圖形；當(dāng)主運動有2個自 由度時，送放圖形為面位圖形；當(dāng)主運動有三個自由度時，

49、送放圖形為體位圖形。如 果采用多關(guān)節(jié)的送放機構(gòu)，則機械手的主運動自由度數(shù)還可以增加，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù) 雜，故實際應(yīng)用不多。此時，宜采用增設(shè)輔助運動的方法來增加機械手的功能，如增 加腕部的平移或整機的行走運動以擴大送放范圍，或增設(shè)腕部的回轉(zhuǎn)和擺動運動以改 變被送物體的方位。機械手有幾個自由度就說明有幾個送放運動。自由度越多，送放動作越多，則機 械手越靈活，其送放范圍也越大，但機械手的結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。4. 送放坐標(biāo)及其計算機械手或機器人任意瞬間在空間的位置坐標(biāo)稱為送放坐標(biāo)一般用手爪或手腕的中 心位置來表示，它是由手臂、手腕及整機行走等獨立運動合成來確定的。其中，主運動有三個自由度一手臂的升降（山）、伸

50、縮（厶2）和回轉(zhuǎn)（山）；輔 助運動有兩個自由度一腕的上下擺動（02）及回轉(zhuǎn)（03）。但03不影響xoy平面內(nèi)的坐標(biāo)計算，因此抓取機構(gòu)手爪中心C點的送放坐標(biāo)為(3-18)Xc = £2COS+/?COS2jc = Li+£2sin +Rsin02式中，R手腕關(guān)節(jié)至掌心的距離。當(dāng)送放運動的自由度較多，送放運動組合較復(fù)雜（如多臂送放）時，必須進行坐 標(biāo)變換，可采用旋轉(zhuǎn)矩陣或分塊矩陣的方法求解。所設(shè)計的機械手的送放運動共有5個自由度，即主運動有3個自由度（手臂的伸 縮、回轉(zhuǎn)、仰俯），輔助運動有2個自由度（腕部的回轉(zhuǎn)、擺動），全部采用液壓驅(qū)動，分別有兩個直動液壓缸和三個回轉(zhuǎn)液 壓缸來

51、實現(xiàn)。3.2.2腕部的設(shè)計腕部設(shè)計時應(yīng)注意的問題：機械手的手腕部（簡稱手腕或腕部）是連接機械手的手臂和手部（抓取結(jié)構(gòu)）的 中間部件，用以擴大機械手的送放范圍或改變送放物在空間的方位，使機械手更靈活, 適應(yīng)性更強。設(shè)計腕部時應(yīng)注意以下幾個問題：1. 力求結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、重量輕由于腕部位于手臂的前端并連接手部，因而腕部的結(jié)構(gòu)、重量和載荷，直接影響 著手臂的轉(zhuǎn)動性能，因此，在設(shè)計腕部時應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、重量輕。2合理確定自由度腕部自由度越多機械手就越靈活，適應(yīng)性就越強，但結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。3. 有足夠的剛度和強度腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，承擔(dān)著連接和支撐手部的任務(wù)，應(yīng)具有足夠的剛度 和強度。除此之外

52、，在腕部較小空間內(nèi)，安裝幾個原動件，且考慮每個原動件的布置、 潤滑、維修調(diào)整等問題。4. 充分考慮工作條件的影響腕部直接與手部相連，且離工件或工作介質(zhì)較近，因此應(yīng)充分考慮工作條件對腕 部的影響。例如，對于在高溫區(qū)域或腐蝕性介質(zhì)中工作的機械手，應(yīng)考慮熱膨脹，壓 力油變質(zhì)等問題，應(yīng)釆取相應(yīng)的措施，保證機械手的腕部具有較好的性能和足夠的壽 命。5. 腕部運動形式的選擇俯仰機械手腕部運動形式由于手臂具有回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮運動，送放范圍為一球 狀空間，因此增設(shè)腕部繞x軸轉(zhuǎn)動可實現(xiàn)工件的掉頭和翻身。3. 2. 3腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算腕部回轉(zhuǎn)時，需要克服以下幾種阻力：1. 腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩"f

53、(FrDi + F/tiDi)(3-19)式中：Fri、皿2軸承處支反力(N),可有靜力平衡方程求得；D、Di軸承直徑：F軸承的摩擦系數(shù)，對滾動軸承A0.010.02；對于滑動軸承:冃).1。為簡化計算，取= 0.1 動力，G】為工件的重量(kg), G2為手部重量(kg), G3為手腕轉(zhuǎn)動件重量(kg)。2. 克服臣于工件重心偏置所需的力矩 A/®=Gie(3-20)A/«=Gie(3-21)式中，一工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離(m)。3. 克服啟動慣性所需的的力矩M慣啟動過程近似等加速度運動，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角加速度及啟動所用的時間t啟,按下式計算:(3-22)或者根

54、據(jù)腕部角速度血及啟動過程轉(zhuǎn)過的角速度啟按下式(3-23)M復(fù)=(丿+丿工件)缶20啟式中：/工件一工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量(N-m ?)；</一手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量(NmsJ； Q手腕回轉(zhuǎn)過程的角加速度(-);Sq啟動過程中所需的時間(s), 一般取0.057.3s；啟一啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度(rad)；手腕回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動力矩相當(dāng)于上述三項之和。M總=姙+見+M慣（3-24）把手爪、手爪驅(qū)動液壓缸幾回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等為一個等效圓柱體，高為30cm,直徑為10cm,重為400G,摩擦阻力矩A/,=0.1M,手腕回轉(zhuǎn)過程的角加速度60°/s,啟動過程中所需的時間0

55、.2s,求M債均物質(zhì)的轉(zhuǎn)動慣量有:1 ICy Q Q厶件二一M12+3/)= -£_x(0172 + 0142) = 006N"s1212x9.8(0.051+0.06) x =31 AT. A/11 0.2心=0.1M心=0代入得M = 0.1M+31M =35 N M3. 3手臂和機身3. 3.1手臂和機身的設(shè)計要求手臂部件簡稱臂部或手臂是機械手的主要執(zhí)行部分，其作用是支承手腕及抓取機 構(gòu)（包括被抓取的工件或工具），有時其它一些裝置如傳動機構(gòu)或驅(qū)動裝置也安裝在手 臂上。機身則直接支承和帶動手臂部件，并實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)、升降、俯仰等運動。因 此，手臂的送放運動越多，機身的結(jié)

56、構(gòu)和受力狀況也越復(fù)雜。1. 手臂材料的選擇機器人手臂材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計要求，機器人手臂要完 成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一 方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這將大大降低它的運動精度。因此，選擇 材料時，需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效的提高手臂的動態(tài)性能。機器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué) 角度看，即要有定的強度。手臂材料應(yīng)選擇高強度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。 機器人手臂是運動的，又要有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng) 優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料制作手臂，其中，非金屬材料有尼龍6、聚乙烯（PEH） 和碳素纖維等；金屬材料以輕合金（特別是鋁合金）為主2. 設(shè)計手臂時應(yīng)注意以下幾個問題：(1) 承載能力足不僅要考