機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、四川大學(xué)錦城學(xué)院文獻(xiàn)綜述 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用Manipulator structure design and application專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 姓 名 張凡 學(xué) 號 年級 2011級 指導(dǎo)教師 張月天 二一二年 三月 二十二日機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用Manipulator structure design and application張凡（四川大學(xué)錦城學(xué)院 四川成都）摘要：在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等環(huán)節(jié)中運用的機(jī)械手已經(jīng)越來越普遍。本文參閱了大量的國內(nèi)外期刊雜志,論述了機(jī)械手的肩部、手腕、材料和成本等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究。同時對國內(nèi)外機(jī)械手在工業(yè)和農(nóng)業(yè)中常見的應(yīng)用方式也做

2、了一番分析。關(guān)鍵詞： 機(jī)械手；結(jié)構(gòu)；設(shè)計； 應(yīng)用ABSTRACT：In the mechanical industry, processing, assembly and other links in the use of the mechanical hand is more and more widespread. In this paper, a large number of domestic and foreign periodicals, discusses the mechanical hand shoulder, wrist, material and cost and oth

3、er aspects of structure design and the research. At the same time to the domestic and foreign machinery hand in industrial and agricultural in the common application method is an analysis of the.Key words：Manipulator; Structure; Design; application前言自動化設(shè)備代替人工作業(yè)成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的趨勢. 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用, 結(jié)合計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)、計

4、算機(jī)輔助制造系統(tǒng), 引導(dǎo)工業(yè)自動化向一個新的領(lǐng)域過渡. 機(jī)械手作為一種自動執(zhí)行設(shè)備,能模仿人手和手臂的某些動作功能, 按固定程序抓取、搬運物件或進(jìn)行裝配操作. 它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化, 能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全. 提出一種可用于搬運、自動裝配等任務(wù)的小型機(jī)械手, 并通過控制系統(tǒng)調(diào)試, 驗證此結(jié)構(gòu)的實用性和可靠性.一、機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與設(shè)計（一）機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)如圖1所示, 由底座、轉(zhuǎn)座、大臂、小臂和手抓等部分組成. 考慮到機(jī)械手的作用范圍及其功效, 采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié), 設(shè)定4個自由度, 為轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)( 腰關(guān)節(jié)) 、大臂關(guān)節(jié)( 肩關(guān)節(jié)) 、小臂關(guān)節(jié)

5、( 肘關(guān)節(jié)) 和手抓關(guān)節(jié)( 腕關(guān)節(jié)) . 考慮到所研究的是小型機(jī)械手, 轉(zhuǎn)矩較小, 所以選擇電機(jī)驅(qū)動. 雖然, 氣壓和液壓都能提供驅(qū)動力矩, 但是, 氣壓信號的傳遞速度較慢, 而且空氣具有可壓縮性, 導(dǎo)致運動速度的穩(wěn)定性較差, 而液壓裝置密封困難, 會有一定的漏油, 所以, 綜合來看, 電機(jī)控制性好, 噪音小, 運行精度高, 適合要求. 關(guān)節(jié)獨立驅(qū)動, 采用同步帶傳動, 結(jié)構(gòu)緊湊, 傳動準(zhǔn)確. 控制及驅(qū)動電路部分安裝在底座, 通過導(dǎo)線連接至大臂、小臂及手腕的驅(qū)動電機(jī)能, 合理利用空間.。大臂長220mm, 小臂長180mm, 各關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)角度范圍： 腰關(guān)節(jié)90， 肘關(guān)節(jié)45 肩關(guān)節(jié)18060,

6、 腕關(guān)節(jié)90.臂體采用鋁合金加工, 質(zhì)量輕, 強(qiáng)度剛度大, 耐腐蝕. 底座采用鋼材加工, 質(zhì)量較大, 在機(jī)械手工作期間, 能保持良好的穩(wěn)定性.（二）.主要部件分析與設(shè)計通過UG建模, 模擬裝配, 并通過ADAMS軟件進(jìn)行運動學(xué)分析, 最終設(shè)計出機(jī)械手的三維模型. 下面介紹主要部件的分析設(shè)計.。1.轉(zhuǎn)座及臂體結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)械手轉(zhuǎn)座設(shè)計的關(guān)鍵在于, 使其既能夠穩(wěn)定支撐上面的大臂、小臂和手抓,又能夠繞關(guān)節(jié)軸自由轉(zhuǎn)動. 考慮到這些因素, 轉(zhuǎn)座結(jié)構(gòu)設(shè)計, 其主體由支撐板及固連在其上的空心轉(zhuǎn)軸組成.支撐板作為平臺, 支撐上面的大小臂及驅(qū)動電機(jī), 電機(jī)通信導(dǎo)線通過轉(zhuǎn)座中心的空心轉(zhuǎn)軸與底座的控制系統(tǒng)連接. 空心轉(zhuǎn)

7、軸為臺階軸, 與底座軸承座配合實現(xiàn)腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動. 轉(zhuǎn)座材料為硬鋁, 有一定剛度和強(qiáng)度, 自重輕.大小臂的設(shè)計主要考慮實際應(yīng)用, 在滿足應(yīng)用條件下盡量減輕自重. 大臂主要是有兩片硬鋁板搭建而成, 為增加其剛度, 用一U型鋁板將兩片鋁板連接, 在大臂的臂端安裝有軸承使其順利轉(zhuǎn)動. 小臂為鋁制薄壁圓筒狀結(jié)構(gòu), 薄壁圓筒兩端分別有端蓋,里面安裝有一個小步進(jìn)電機(jī), 從腕部輸出以驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動, 圓筒肘關(guān)節(jié)附近開有小孔, 方便小電機(jī)導(dǎo)線通過. 手抓為末端執(zhí)行機(jī)構(gòu), 獨立結(jié)構(gòu), 完成不同任務(wù)可以更換不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu).2.電機(jī)的選型上面研究了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)原理, 要使機(jī)械手完成指定任務(wù), 則需驅(qū)動其運動, 使其按照

8、任務(wù)要求執(zhí)行控制程序, 完成相應(yīng)的任務(wù). 通過對機(jī)械手的綜合分析, 采用電機(jī)提供驅(qū)動力矩, 下面介紹選型.步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)主要有相數(shù)、步距角、保持轉(zhuǎn)矩和額定電流等, 根據(jù)需要, 在初步選型時, 主要考慮保持轉(zhuǎn)矩, 以確保機(jī)械手能夠正常運動. 在整個系統(tǒng)中, 需要克服驅(qū)動機(jī)構(gòu)的摩擦轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩以及負(fù)載慣量啟動轉(zhuǎn)矩. 由于各關(guān)節(jié)傳動都有軸承支撐, 相對于負(fù)載轉(zhuǎn)矩及負(fù)載慣量啟動轉(zhuǎn)矩, 摩擦轉(zhuǎn)矩要小得多, 所以忽略克服摩擦所需要的轉(zhuǎn)矩. 對于腰關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié), 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩只克服負(fù)載慣量啟動轉(zhuǎn)矩,對于肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)驅(qū)動, 驅(qū)動力矩要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量的啟動轉(zhuǎn)矩.根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式可以估算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩.最終

9、選取腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的電機(jī)型號分別為42HS02、57HS09、57HS04 和28HS02, 這些電機(jī)都是兩相四線或八線, 不能像直流電機(jī)那樣在常規(guī)狀態(tài)進(jìn)行控制, 需選擇與之相匹配的驅(qū)動器, 電機(jī)型號確定后, 廠家會給出相應(yīng)的驅(qū)動器型號, 可以直接選用.3.關(guān)節(jié)傳動方式分析與設(shè)計通常的傳動方式有齒輪傳動、帶傳動和鏈傳動等, 由于肘關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩需要遠(yuǎn)距離傳輸, 不適合齒輪傳動, 而鏈傳動又有噪聲大等缺點, 所以選用同步齒型帶傳動.同步齒型帶傳動是通過帶齒與輪齒的嚙合傳遞運動和動力, 與摩擦型帶傳動相比, 同步帶傳動兼有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的一些特點. 傳動比準(zhǔn)確, 嚙合傳動,

10、 工作時無滑動;傳動效率高, 高于98%, 節(jié)能效果明顯; 不需依靠摩擦傳動, 預(yù)緊張力小, 對軸和軸承的作用力小, 帶輪直徑小, 所占空間小, 重量輕, 結(jié)構(gòu)緊湊, 傳動平穩(wěn),動態(tài)特性良好, 能吸振, 噪音小.肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)：驅(qū)動電機(jī)和機(jī)械臂分別置于轉(zhuǎn)座中心兩旁, 利于轉(zhuǎn)座受力的平衡, 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定. 肩關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)輸出軸上裝有同步帶輪, 大臂末端安裝有相同齒型的帶輪, 通過同步帶將驅(qū)動力矩傳至肩關(guān)節(jié), 從而帶動大臂運動, 傳動比為3：1, 腰關(guān)節(jié)的傳動方式及傳動比和肩關(guān)節(jié)相同. 肘關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)座上, 以減少大臂的負(fù)載, 電機(jī)輸出軸上裝有同步帶輪, 通過同步帶將驅(qū)動力矩傳至肩關(guān)節(jié)

11、處的中間帶輪, 中間帶輪帶動肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動, 從而驅(qū)動小臂運動, 傳動比為3：1.(三).小結(jié) 以機(jī)器人運動學(xué)為基礎(chǔ)的小型機(jī)械手, 結(jié)構(gòu)可靠, 傳動緊湊, 運行平穩(wěn)高效. 通過抓取實驗驗證, 機(jī)械手能夠按照設(shè)定程序執(zhí)行任務(wù), 能夠較為精準(zhǔn)地抓取并移動小物塊. 而且, 機(jī)械手成本低廉, 操作簡便, 能部分代替人工作業(yè), 具有較好的應(yīng)用前景.二. 機(jī)械手的應(yīng)用 (一) 機(jī)械手在工業(yè)上的應(yīng)用工業(yè)機(jī)械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)， 并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生 產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。目前在我國機(jī)械手常用于完成的工作有: 注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序;機(jī)械手加工行業(yè)中

12、用于取料、送料;澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。機(jī)械手在自動化車間中用來運送物料,從事焊接、噴漆、裝配等工藝操作,可將操作工人從繁重、單調(diào)、重復(fù)的體力勞動中解放出來。特別是在高溫、危險、有害的作業(yè)環(huán)境(放射性、有毒氣體、粉塵、易燃、易爆、強(qiáng)噪聲等)中, 可用機(jī)械手代替人的部分操作 。其中鑄造、鍛造、沖壓、切削加工、噴漆、裝配等各種工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用。(二) 機(jī)械手在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 1. 荔枝采摘機(jī)械手果實識別與定位技術(shù)的運用。2.蘋果被動抓取柔性機(jī)械手的運用(三).結(jié)語 以機(jī)器人運動學(xué)為基礎(chǔ)的小型機(jī)械手, 結(jié)構(gòu)可靠, 傳動緊湊, 運行平穩(wěn)高效. 通過抓取實驗驗證, 機(jī)械手能夠按照設(shè)定程序執(zhí)行任務(wù),

13、 能夠較為精準(zhǔn)地抓取并移動小物塊. 而且, 機(jī)械手成本低廉, 操作簡便, 能部分代替人工作業(yè), 具有較好的應(yīng)用前景.參考文獻(xiàn):1 JohnJ.Craig. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論 M .贠 超, 等譯. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.2 安江波,孫昌將, 凌華.機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究 J. 機(jī)械工程與自動化,2009,( 2) :91- 95.3 方傳青,尹麗娟. 仿真設(shè)計(ADAMS)在農(nóng)業(yè)機(jī)械手設(shè)計中的應(yīng)用J. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程, 2008,( 2) :20-22.4 吳振彪.工業(yè)機(jī)器人. 2版 M . 武漢: 華中科技大學(xué)出版社,2006.5 李發(fā)海,王巖. 電機(jī)與拖動基礎(chǔ) M. 北京: 清華大

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