重物搬运机械手毕业设计方案2

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题 目 重物搬运机械手的结构设计 学 院 机械工程学院

专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机自0917班 学 生 廉开发 学 号 20090421170 指导教师 苏东宁

二〇一 三 四月 十日

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学院 机械工程学院 专业 机械设计制造及其自动化 学生 廉开发 学号 20090421170

设计题目 重物搬运机械手的结构设计 一、选题背景与意义

1.国外研究现状

1962年，美国机械铸造公司在试制成一台数控试教再现型机械手。商名为Unimate。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司，专门生产工业机械手。

1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，愿意是灵活搬运，该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是试教再现型。虽然这两种机械手出现在60年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到0.1毫米。

德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和准备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用试教方法编制程序。 瑞士安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，着力研究机械手。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年各大学和国家研究部门用在机械手的研究费用为42%。1979年日本机械手的产值达443亿元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约为一半，达222亿日元，是1978年的2倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位。约占70%，并以每年50%~60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。

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，使机械手具有感觉性能。目前国外 - 1 - 济南大学

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已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手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FMS和柔性制造单元中重要一环。

在国外机械制造业中，工业机械手应用最多，发展最快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制定的规定程序完成规定的作业，但还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生一些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。

为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有一种智能的机械手。使他拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。

视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。视觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工作，通过装在手指内的压力传感器产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力感敏元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。

更主要的是将机械手和柔性控制制造系统及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 2.国内研究现状

在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制试教型机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手个运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，用在不同类型的加紧机构，设计典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。

此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 3.流水线搬运机械手的意义

在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： （1）以提高生产过程中的自动化程

应用流水线机械手作业有利于实现材料的传送、工件的装卸以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 (2)可以减轻人力，并便于有节奏的生产

应用流水线机械手作业，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用流水线机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前更广泛的应用了流水线机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍,便于有节奏的进行工作生产。

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二、设计内容

2．1机械手机构设计

机器人的组成一般可分成三大部分，即机械系统、驱动系统、和控制系统。而本体结构是具有和人手臂相似的动作功能。可在空间抓放物体或进行其他操作，由机械结构、驱动装置及传动装置组成。

本体结构的首要问题是选择极坐标型式、圆柱坐标式、直角坐标式和关节式，根据设计要求采用多关节结构，其特点是工作范围大、动作灵活、通用性强，能抓取靠近机座的物体，但是，其运动直观性差，手部中心位置由多个转角确定，要达到较高的定位精度很困难。其次是考虑自由度数，以及各自由度数在臂部、腕部、或整个机械手如何配置。

机械结构设计包括末端执行器，臂部、腕部、机座和行走机构的设计。本机械手的机械结构设计主要设计如下四部分的内容：

1)末端执行器俗称手爪。是机器人直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或夹持专用工具（如喷枪、扳手、焊接工具）进行操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，安装机器人手臂的前端其结构和尺寸根据不同作业要求来设计的。，从而形成了多种多样的结构型式，一般可分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具三类。需要强调的是我所设计的机械手需要完成搬运功能，在一定条件下可以焊接。

末端执行器的设计要求：具有满足作业要求的足够的夹持力和所需的夹持位置精度；手指间应具有一定的开闭角；保证工件准确定位；具有足够的强度与刚度；应尽可能使其结构简单、紧凑、重量轻、以减轻手臂的负荷。

本机械手应能抓取生产线上的零件，转过一定角度(>90°)后将零件放下。要求抓取零件的 重量可达到7公斤，手爪的开合尺寸可达到110毫米。另，并通过设计不同形式的手爪结构形式能适应不同零件结构及尺寸的需求。

2）腕部又称手腕。是连接手臂与末端执行器的部件其功能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业部空间的三个位置坐标的基础上，在由腕部来实现在作业空间的姿态坐标。

腕的设计要求：由于腕部处于手臂末端，为减轻手臂负荷，应力求腕部部件的结构紧凑，减少其重量与体积；不盲目增加腕部的自由度数；为提高腕部的精度，应提高传动的刚度，应尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转会差。

本机械手拟采用两自由度腕部结构，分别为腕关节摆动和手爪转动，以满足搬运作业的空间姿态要求。为使腕部结构简单紧凑，将腕关节驱动安排在小臂内，通过传动机构带动手腕套筒绕腕关节轴实现摆动；电机安装在手腕套筒内，由电机的转动带动手爪的转动。

臂部又称手臂。由动力关节和连接杆件等构成，用来支撑和调整手腕和末端执行器的部件。

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一般具有2-3个自由度，包括驱动装置、传动装置、定位装置和检测原件等。因臂部自身重量较大，还要承受手腕、末端执行器和工件的重量，以及在运动中产生的动载荷，故其受力情况较复杂。

臂部的设计要求：结构和尺寸应满足作业任务的工作空间要求；根据手臂所受载荷和结构特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料；应尽量减少手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和力矩，以减少驱动装置的负荷；减少运转的动载荷和冲击，提高运动的响应速度；设法减少机械间隙引起的运动误差，提高运动精度和刚度，提高定位精度。

本机械手臂拟采用三自由度结构形式，分别为两个俯仰自由度和一个回转自由度，以满足搬运作业的空间位置要求。为减轻手臂重量，综合考虑材料各性能参数，采用铝合金作为选材。小臂绕肘关节和大臂绕肩关节转动实现俯仰运动，综合转矩、惯性和平衡性等要求，将各关节驱动源分别放在前一关节处，通过传动装置带动大、小臂绕各自关节轴实现转动。肩部绕机座腰关节转动实现回转运动，大臂、小臂以及手爪随之转动，腰关节轴驱动放置在机座内。

机座是机器人的基础部分，起支承作用，可分为固定式与移动式两种。因为这里研究的机器人为流水线机器人，所以，选择固定式机座。其直接支承和驱动手臂部件、实现臂部回转。 2.2传动、驱动方式的分析与选择

传动方式的选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动方式。基本的连接形式和驱动方式有如下几种:直接连接传动、远距离连接传动、间接驱动、直接驱动。 驱动源常用的方式主要有：液压驱动、气压驱动、直流电机驱动和交流电机驱动四种基本类型。交流电机驱动是新近发展起来的一种驱动方法。

液压驱动：液压驱动主要通过油缸、马达、齿轮齿条实现直线运动，利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮与链条实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大，运动平稳，可无极变速，自锁方便，并能在中间位置停止。需要配备压力源，系统复杂，成本较高。

气压驱动：气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10各大气压。它的优点是气源方便、维护简单、成本低。缺点是出力小、体积大。由于气压的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，速度不宜控制，响应慢，动作不平稳，有冲击，只能用于点位控制，而且润滑性差，气压系统容易生锈，为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。

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电气式：其驱动系统一般由电机驱动，现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；优点是电源方便，信号传递，运算容易、响应快、驱动力大，适用于中小型工业机械手，但是必须使用减速机构（如齿轮减速器、谐波齿轮减速器），所需要的电机有步进电机，DC伺服电机和AC伺服电机。

传动装置与一般机械的传动装置的选用和计算大致相同。但工业机器人的传动系统要求结构紧凑、质量轻、转动惯量和体积小，要求消除传动间隙，提高其运动和位置精度。传动装置除齿轮传动、蜗杆传动、链传动和行星齿轮传动外，还常用滚珠丝杠、谐波齿轮、钢带、同步齿形带和绳带传动。

经综合分析并考虑系统的整体平衡性，本机械手拟采用直接连接传动、间接驱动。驱动源采用交流伺服电机（在未通电时，具有一定的自锁紧力矩），传动装置采用齿轮传动和丝杠传动。各关节所采用的驱动方式如下：

1）机座回转：由伺服交流电机通过一对直齿轮进行竖直方向传动，带动机械手的整体转动。 2）大臂回转的肩关节：由安装在机座内的伺服交流电机驱动齿轮传动，从而带动大臂绕肩关节转动，从而产生上下运动，此运动由电动机1驱动。

3）小臂的上下运动。此运动由安装在大臂内的电机驱动，即电动机2驱动。 4）小臂的回转运动。此运动由电动机3运动。 5）手腕的回转运动。此运动由腕部的电动机带动。

6）手腕的上下运动。此运动也由腕部的电动机带动（腕部结构内部有两个电动机组成）。以上标注见下图1。

三、设计方案

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图1：重物搬运机械手的结构简图

不仿假设手臂先左旋抓取物体后右旋放置物体，然后步骤如下：

1） 手臂上升：使机械手相对于工作台向上移动，提高它的高度，以满足提取工件的要求。 2） 手臂左旋：使机械手在不改变高度的情况下，相对工作台向左旋转，以便完成工件移动的要

求。

3） 手臂抓紧：使多关节机械手抓紧工件，以完成工件的抓紧要求。 4） 手臂放松：使多关节机械手放松工件，以便完成工件松开的要求。 5） 重复步骤1）。

6） 手臂右旋：使机械手在不改变高度情况下，相对工作台向右旋转，以便完成工作移动的要求。 7） 重复步骤3）。 8） 重复步骤4）。

该机械手的自由度，分别为：底座绕S轴作360度的旋转运动；大臂绕L轴的旋转运动（左右运动）；小臂绕U轴的旋转运动（上下运动）；小臂绕R轴的回转运动；手腕的回转运动；手腕的上下运动。

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四、参考文献

[1] 吴宗泽。机械零件设计手册 [M]. 北京工业出版社，2004：188~199 [2] 陈新元 张安龙。 装配线机械手电气混合控制[J].液压与气动。2007（3） [3] 陶相厅、袁锐波、罗景气，动机械手的应用现状与发展前景[OL],中国传动网 2008 [4] 上海工业大学流控实验室。气动技术基础[M]。机械工业出版社。1982 [5] 李允文. 工业机械设计手册。北京：机械工业出版业，1994,8 [6] 候析、刘涛。装卸机械手设计研究。机械，2004,7

[7] 卢松峰。机械课程设计手册。第一版。北京工业出版社，1994,8 [8] 李昌辉。自动上料机器人系统开发[D]。哈尔滨工业大学，2009 [9] 陈志权。基于PLC气动机械手的控制系统[J]。兵工自动化 2008,4 [10] 孙迎远。PLC在气动机械手中的应用[J]。煤矿机械 2008,9

[11] 王雄耀。近代气动机器人的发展与应用[J]。液压气动与密封。1999,5 [12] 彭坚。气动机械手与PLC控制系统的设计与实现[J]。同用机械。2004,7 [13] 杨振球、易孟林。高精度气动机械手的研发及应用[J]。液压与气动 2006,2 [14] Modular Robot for Flexible Assembly。Pritschow.G.Wurst K.H

[15] Industrial Robots For Manipulation with Parallel Kinematic Machines Zdenek Kolibal

五、指导教师评语

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指导教师（签字） 201 年 月 日 六、审核意见

系主任（签字） 201 年 月 日

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fzm3.html