四自由度通用液压机械手设计

摘 要

本次设计的多功能机械手为液压通用机械手，主要由手爪、手腕、手臂、机身、机座等组成，具备上料、翻转和转位等多种功能，并按自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。本机械手机身采用机座式，自动线围绕机座布置，其坐标形式为圆柱坐标式，具有立柱旋转、手臂伸缩、腕部转动和腕部摆动等4个自由度；驱动方式为液压驱动，利用油缸、齿轮、齿条实现直线运动；利用油缸与齿轮、齿条或链条实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，并能在中间位置停止。本次设计的机械手能对不同物体完成多种动作。

关键词： 机械手；圆柱坐标；液压驱动

I

Abstract

The design of multi-manipulator hydraulic manipulator general, mainly by the gripper, wrist, arm, body, base etc., with the material, flip, and a variety of functions such as translocation, in accordance with the unified automated production line beat and production program have done so. This machine adopts the base-type mobile phone, automatic wire around the base layout, its coordinates in the form of cylindrical coordinate type, with column rotation, arm stretching, wrist rotation and wrist swing and so four degrees of freedom; drive mode for the hydraulic drive, use fuel tank, gear, rack to achieve linear motion， use of tanks and gear, rack or chain to achieve rotary motion. Hydraulic drive has the advantage of high pressure, small size, contribute to a large, gentle movement and can stop in the middle. The design of the robot can complete a variety of different objects in action.

Keywords: mechanical hand; cylindrical coordinate; fluid power drive

II

目 录

摘 要 ............................................................................................. I Abstract .......................................................................................... II

目 录 ........................................................................................... III 第1章 绪论 .................................................................................. 1

1.1 机械手的基本概念 ............................................................ 1 1.2 机械手的发展现状及应用 ................................................. 1

1.2.1 发展现状 ................................................................... 1 1.2.2 应用 .......................................................................... 3

第2章 方案的确定 ....................................................................... 7

2.1 直角坐标型机械手 ............................................................ 8 2.2 圆柱坐标式机械手 ............................................................ 9 2.3 球坐标式机械手 ................................................................ 9 2.4 关节式机械手 ................................................................. 10 第3章 手部结构设计 ................................................................. 11

3.1 设计的原始参数 .............................................................. 11 3.2 夹持式手部结构 .............................................................. 11

3.2.1 手指的形状和分类 ................................................... 11 3.2.2 设计时考虑的几个问题 ........................................... 12 3.2.3 手部夹紧油缸的设计 ............................................... 13

第4章 手腕结构设计 ................................................................. 17

4.1 手腕的自由度 ................................................................. 17 4.2 手腕的驱动力矩的计算 ................................................... 18

4.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩 .................................... 18 4.2.2 手腕回转油缸的驱动力矩计算................................. 21 4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核 .................................... 22

第5章 手臂工作油缸的设计与计算 ............................................ 27

5.1 手臂伸缩油缸的设计与校核 ............................................ 27

5.1.2 尺寸校核 ............................................................... 27 5.1.3 导向装置 ............................................................... 33

III

5.1.4 平衡装置 ............................................................... 33 5.2 手臂升降油缸的设计与校核 ............................................ 33

5.2.1 尺寸设计 ................................................................. 33 5.2.2 尺寸校核 ................................................................. 33 5.3 手臂回转油缸的设计与校核 ............................................ 34

5.3.1 尺寸设计 ................................................................. 35 5.3.2 尺寸校核 ................................................................. 35

第6章 其它零部件的选择设计 ................................................... 38

6.1 油缸的密封 ..................................................................... 38

6.1.1 活塞式油缸的泄漏与密封 ........................................ 38 6.1.2 回转油缸的泄漏与密封 ........................................... 42 6.2 控制调节阀的选择 .......................................................... 44 6.3 辅助装置的选择 .............................................................. 44 6.4 液压传动机械手的缓冲与定位 ........................................ 45 结论 .............................................................................................. 47 致谢 .............................................................................................. 48 参考文献 ....................................................................................... 49

IV

CONTENTS

Abstract ........................................................... 错误！未定义书签。

Chapter 1 Introduction .................................... 错误！未定义书签。

1.1 The basic concept of a robot ................ 错误！未定义书签。 1.2 Manipulator Development and Application错误！未定义书签。

1.2.1 Development Status ...................... 错误！未定义书签。 1.2.2 Application ............................... 错误！未定义书签。

Chapter 2 program to determine ...................... 错误！未定义书签。

2.1 Cartesian coordinate type robot ........... 错误！未定义书签。 2.2 Cylindrical coordinate manipulator ...... 错误！未定义书签。 2.3 Spherical manipulator ......................... 错误！未定义书签。 2.4 Joint Manipulator ............................... 错误！未定义书签。 Chapter 3 Design of hand ................................. 错误！未定义书签。

3.1 The original design parameters ............ 错误！未定义书签。 3.2 Clamp-type structure of the hand ......... 错误！未定义书签。

3.2.1 Finger shape and classification ..... 错误！未定义书签。

3.2.2 Some consideration for the design problem错误！未定义书签。 3.2.3 Hand clamping cylinder design ..... 错误！未定义书签。

Chapter 4 Structural Design of the wrist ......... 错误！未定义书签。

4.1 degrees of freedom wrist ..................... 错误！未定义书签。 4.2 Calculation of torque of the wrist ........ 错误！未定义书签。

4.2.1 Wrist rotation torque required .... 错误！未定义书签。

4.2.2 Wrist rotation torque of cylinder calculation错误！未定义书签。4.2.3 Wrist rotation cylinder and check the size of错误！未定义书签

Chapter 5 Arm cylinder design and calculation work错误！未定义书签。

5.1 Telescopic arm design and checking the size of fuel tanks错误！未定义

5.1.2 Size Check ................................ 错误！未定义书签。 5.1.3 Oriented devices ........................ 错误！未定义书签。 5.1.4 Balance device .......................... 错误！未定义书签。

5.2 Arm lift cylinder design and checking the size of错误！未定义书签。

5.2.1 Dimension Design ..................... 错误！未定义书签。

V

5.2.2 Size Check ............................................................. 33 5.3 Rotary arm design and checking the size of fuel tanks ....... 34

5.3.1 Dimension Design ..................... 错误！未定义书签。 5.3.2 Size Check ............................................................. 35

Chapter 6 Other parts of the selection of design ........................... 38

6.1 Cylinder seal ................................................................... 38

6.1.1 Piston cylinder leak in the seal ................................ 38 6.1.2 Rotating cylinder leakage and seal .......................... 42 6.2 Control Valve Selection .................................................... 44 6.3 The choice of auxiliary devices ........................................ 44 6.4 Hydraulic manipulator and positioning cushion ................. 45 Conclusion .................................................................................... 47 Express thanks .............................................................................. 48 References ..................................................................................... 49

VI

第1章 绪论

1.1 机械手的基本概念

液压通用机械手，就其本质上来说，属于工业机器人的范畴，机器人学是近几十年来迅速发展起来的一门综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机科学、自动控制以及人工智能等多种学科的最新研究成果，体现了光机电一体化技术的最新成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要课题。

“机械手”（Machanical Hand）：多数指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手）。如自动线、自动机的上下料，加工中心的自动换到的自动化装置。

1.2 机械手的发展现状及应用

机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工作的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人工物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉压、噪音以及带有放射性的污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视[1]。

1.2.1 发展现状

专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。通用机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于通用机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。通用机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、

1

液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。目前国内外对发展这一技术都很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大力支持相关的设计及产品的开发。在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交流与合作。

目前国内外的发展趋势是：

1．研制有更多自由度的液压机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。

2．研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。

3．研制维修维护方便的通用机械手。

4．研制能自动编制和自动改变程序的通用机械手。

5．研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊

语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。 6．机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。

7．研制具有柔性系统的通用机械手

目前，在国外广泛应用的再现式通用机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。如果把这种再现式通用机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。现在研究的机械手正在朝着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度。现在国内具有越来越强的自主研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位。

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机械手的研究意义

随着现代科学技术的发展，机械手的应用也越来越广泛。在机械工业中，大量应用于铸、锻、焊、冲、热处理、机械加工以及装配等工种。在其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也均有应用[2]。

在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： 1.可以提高生产过程的自动化程度。

应用机械手有利于在自动生产线中实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换、以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本。

2.可以改善劳动条件，避免人身事故。

在高温、高压、低温、低压、噪声、臭味、有放射性物质的环境场合，用人手直接操作是很危险的甚至是不可能的。而应用机械手即可部分或者全部代替人完成作业，使劳动条件得以改善。

3.可以减少人力，并便于有节奏的生产。

应用机械手代替人手进行作业，这是直接减少人力的一个侧面，同时应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一方面。因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的生产。

4.用液压系统来控制机械手，比一般的机械控制具有更好的稳定性，并且控制的精确度更高。

5.运用机械手可以实现连续的生产，而大大提高在生产线的工作的时间，从而能大幅提高劳动的生产率。

1.2.2 应用

机械手一半分为三类。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，以完成各项规定操作。它的特点是具备普通机械的物理性之外，还具备使用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，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械手来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是

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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件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数外，工作程序 是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手[3]。

机械手首先是从美国开始研制的。1985年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一回转长臂。端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓作存贮装置。不少球坐标式通用机械手都是在这个基础上发展起来的。

日本式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，大力从事机械手的研究。据报导，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位达50多个。1976年各大学和国家研究部门用在机械手的研究经费约占总研究费用的42%。1979年日本的机械手的产值达433亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。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。

目前工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。下面就国内机械工业、铁路部门应用机械手的简况，以及国外机械工业发展和应用机械手的简况，分别介绍如下。 1.热加工方面的应用

热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了实现高效率和工作安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。

机械手在锻造工业中的应用能进一步发挥锻造设备的生产能力，改善热、累的劳动条件。因此，国内首先是采用锻造操作机，装取料机械手来代替人工操作，减轻劳动强度。后来在精锻机上采

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用机械手，使精短过程自动化，代替人工喂料。

国外对锻造机械手的研制工作十分重视，如美国采用圆柱坐标式机械手在1300吨锻压机上锻造齿轮毛坯；瑞典采用Unimate型机械手在压力机上锻造曲轴；采用Versatran型机械手生产大型轴承环，机械手在两台液压机间传送轴承环的坯料。

锻压机械手的手指部位必须采用耐热钢锻造，相当于40CrNi2Mo的材料。同时用空气、水喷雾冷却。机械手外部装有防热护罩，内部通水冷却。

机械手在锻造、熔炼方面的应用，国内已研制成功压铸机上下料机械手，上下箱、合箱、浇注机械手，以及铸件表面清理机械手等。有些工厂还将机械手和造型机配合组成铸造生产自动线，彻底改变了铸造生产的面貌。

国外对电炉炼钢过程中采用机械手进行了大量的研究。由于强大电流的干扰，影响了机械手的采用，并由于熔渣和钢水难以区别，往往在浇注过程中容易液、渣不分，需研究带有特殊传感装置的机械手，才能实现浇注的机械化和自动化。 2.冷加工方面

冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，称为机床、设备上下工序联接的重要手段。

国内机械工业、铁路工业中首先在单机、专业上采用机械手上下料、减轻工人劳动强度。如在轴类、螺栓、气阀和螺撑帽坐等零件的加工机床上配置了机械手，代替人工上下料。在三通阀体、轴瓦、平斜铁、柴油机摇臂加工生产自动线上采用单臂、双臂圆柱式机械手，成为联接工序、运送工件的重要装备。并在连杆粗加工自动线上采用数控机械手，这样它不仅担负自动线上机床工件的装卸、运输，并能发出指令指挥全线工作。

国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮对等大、中批量零部件。并和机床设备共同组成一个综合的数控加工系统。 3.拆修装方面

拆修装是铁路工业系统房中体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门。已采用机械手

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拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清楚石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。采用机械手进行装配更是目前研制的重点，国外已研究采用摄像机和力的传感装置和微型计算机联接在一起，能确定零件的方位，达到镶装的目的。

综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势[4]。

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第2章 方案的确定

本毕业设计是通用机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，其结构形式方案一般有一下几种[5]：

表2-1 机械手结构选型表

结构形式方案 直角坐标型 特点 作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置 优缺点 结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低 圆柱坐标型 操作机的手臂至少有一个移动关节和其关节轴线按圆柱坐标系配置

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结构简图 结构刚度较好，运动所需功率较小，小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高 一个回转关节，控制难度较续表2-1 机械手结构选型表

结构形式方案 特点 优缺点 结构简图 球坐标型 操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置 结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂 关节型 操作机的手臂类似人的具有三个回转关节 运动轨迹复杂，结构最制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差 上肢关节动作，为紧凑，但控2.1 直角坐标型机械手

直角坐标式机械手是适用于工作位置成行排列或与传送带配合

使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。结构简图见表2-1。 其工作范围可以使一个直线运动；二个直线运动或三个直线运动。如在X、Y、Z三个直线运动方向上各具有A、B、C三个回转运动，即构成六个自由度。但在实际上式很少有的。缺点是这种机械手作业范围较小。

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2.2 圆柱坐标式机械手

圆柱坐标式机械手是应用最多的一种形式，它适用于搬运和测量工作。 具有直观性好，结构简单，本体占用的空间小，而动作范围较大等优点。

圆柱坐标式机械手由X、Z、φ三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。结构简图见表2-1.

圆柱坐标式机械手有五个基本动作： 1. 手臂水平回转； 2. 手臂伸缩； 3. 手臂上下；

4. 手臂回转动作； 5. 手爪夹紧动作。

圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒、手臂装在滑动套筒上，手臂可作上下直线运动（Z）和在水平面内做圆弧状的左右摆动（φ）。

据国外140中机械手的统计，圆柱坐标式机械手就有86种，其中76中式具有X、Z、φ三个运动，而具有六个自由度的机械手仅有六种。

本次设计方向与该类型机械手特点相符。

2.3 球坐标式机械手

球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它是由X、θ、φ三个方向的运动组成。结构简图见表2-1。球坐标式机械手的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。

球坐标式机械手可实现以下八个动作： 1．手臂上下动作，即俯仰动作； 2．手臂左右动作，即回转动作； 3．手臂前后动作，即伸缩动作； 4．手腕上下弯曲； 5．手腕左右摆动； 6．手腕旋转运动；

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7．手爪夹紧动作； 8．机械手整体移动。

球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧状上下俯仰运动，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，工作范围和人手的动作类似。它的特点是能自动选择最合理的动作路线。所以工效高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，二动作范围大。

2.4 关节式机械手

关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。它像人手一样有肘关节，可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄空间工作。关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用，随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。

关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。关节式机械手具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。为具有近似人手操作的机能，需要研制最合适的结构。

关节式机械手的传动机构采用齿轮、齿条式和摆动式，传动机构采用哪一种型式，主要根据工件的轻重来决定。

本次设计的目标是4自由度体型小的通用液压机械手，上述4种类型机械手中圆柱坐标机械手体型合适，机构适宜，能够达到设计要求且结构不复杂，所以选择圆柱坐标式机械手。

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第3章 手部结构设计

为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构或电磁式吸盘结构。手爪是机械手直接用下抓取和握紧(或吸附)工件夹持专用工具(如喷枪。扳子、焊接工具)进行损作的部件。它具有模仿人手动作的功能，，并安装于机械手手

[6]

臂的前端。

3.1 设计的原始参数

本次设计的机械手为4自由度机械手，能够实现大臂的升降和旋转，小臂的伸缩和旋转动作。主要设计参数如下：

1．手臂力至少达90N 2．自由度数 4

3、手臂伸缩速度750 mm /s，手臂升降速度250mm/s，手臂回转速度110o／s，手腕回转速度360o/s

4、手臂伸缩行程范围0~500mm，手臂升降行程范围最大0～200mm，手臂回转行程范围0o~220o。

5、驱动方式 液压驱动

3.2 夹持式手部结构

夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。

3.2.1 手指的形状和分类

夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。

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当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件[7]。

3.2.2 设计时考虑的几个问题

1．具有足够的握力(即夹紧力)

在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。

2.手指间应具有一定的开闭角

两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。

3.保证工件准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。 4.具有足够的强度和刚度

手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。 5.应考虑被抓取对象的要求

(1)抓取形状 手指形状应根据工件形状而设计。如工件为圆柱形．则采用“V”形手指；圆球状工件用圆弧形三指手指，方料用平面形手指，细丝工件用尖指勾形或细齿钳爪手指。总之应根据工件形状来选定手指形状。

(2)抓取部位 抓取部位的尺寸尽可能是不变的．若加工后尺寸

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有变化，手指应能适应尺寸变化的要求，否则不允许定为抓取部位。对于工件表面质量要求高的，抓取时尽量避开高质量表面或在手指上加软质垫片(如橡皮．抱沫塑料．石棉衬垫等)，以防夹持时损坏工件。

(3)抓取数量 若用一对手指抓取多个工件，为了不发生个别工件的松动或脱落现象，在手指上可增加弹性衬垫，如橡皮、泡沫、塑料等 ，对于较长工件可采用双指或多指抓取。 6.应考虑手指的多用性

手指是专用性较强的部件，为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求，可制成组合式的手指，对于这种手指要求结构简单，安装维修方便，更换迅速和准确，以便扩大机械手的使用范围[8]。

3.2.3 手部夹紧油缸的设计

1、手部驱动力计算

本课题液压机械手的手部结构如图3-1所示，

1-夹持器 2-齿条活塞杆 3-小齿轮 4-销 5-套筒 6-销轴 7-压力弹簧 8-法兰

图3-1齿轮齿条式手部结构图

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1．根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式[9]:

N?Gsin?2f 式中：N-为夹持工件的握力，N

G-为工件重量，N，要求抓取重量为90N

?-为手指夹角的1/2,角度,V形手指的角度2?=120

f—为摩擦系数 取f?0.1

代入式中

N?90sin602?0.1?390N

2．根据手部结构的示意图3-1，其驱动力为:

P2bN理?R

式中：P理—为理论驱动力，N

b—为夹持物体中心到销轴的中心距，b=60mm R—销轴到小齿轮的中心距 R=17mm

代入式中

P2?60?390理?17?2753N

3．实际驱动力:

PPk1k2实际?理?

式中P实际—为实际驱动力, N

?—为工作效率因为传动机构为齿轮齿条传动，故取??0.9k1—为安全系数 通常取1.2~2 这里取k1?1.5

k2—为工作情况系数 若被抓取工件的最大加速度取a?0.5g时， 14

则:

k2?1?0.5g?1?0.5?1.5 g1.5?1.5?6883N 0.9所以 P实际?2753?夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为6883N。 2、 手指夹紧工件时，弹簧变形所产生的弹簧力（选择弹簧型号为GB1239-89）

Gd P弹??38CZ式中 P弹—为弹簧变形所产生的弹力

?—为手指夹紧工件时弹簧的变形量，mm，??25mm G—弹簧材料的切变模量 G?8?1010N/m2 d—为使手指松开的复位弹簧丝直径d=3mm C—为弹簧的旋绕比（又称为弹簧指数 ）C=D2d?D?d30?3??9 d3Z—为弹簧的有效圈数Z?12；

25?10?3?8?1010?3?10?3 P弹??86N 38?9?123、求夹紧缸的工作压力

作用在夹紧缸活塞上的机械载荷P为：

?P P?P弹?P封 实式中 P—为夹紧活塞上的机械载荷,N

—为实际驱动力,N P实—为弹簧变形所产生的弹簧力,N P弹P封—为密封处的工作压力 由于密封装置的摩擦阻力较工作阻力（

P?P?P（0.05～）1P，取P弹）小，故按照经验取P实封?0.06P 封? 15

（P?P?1.06（?计算得P?1.06弹）实6883?）86?738

因作用在活塞上的合成液压力即驱动力与机械载荷p相平衡，

故夹紧缸的工作压力p为：

p?P ?D24式中D—为夹紧缸直径，从结构设计得知D?40mm，所以

p?P?2?D44?7387?58.8?105N/m2 ?323.14?（40?10） 16

第4章 手腕结构设计

考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转油缸。

4.1 手腕的自由度

手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。如图4—1所示的手腕运动有绕X轴转动称回转运动，绕y轴转动称为上下摆动(或俯仰)，绕Z轴转动称为左右摆动，沿y轴方向的横向移动(或沿Z轴方向纵向移动)。因此手腕最多具有四个独立运动即四个自由度[10]。

图4-1 手腕运动示意图

手腕自由度的选用与机械手的通用性，加工工艺要求，工件放置方位和定位精度等许多因素有关，一般手腕没有回转运动或再增一个上下摆动即可满足工作的要求，也有的专用机械手没有手腕的运动，若有特殊要求的可增加手腕左右摆动或沿y轴方向的横向移

17

动。

手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油缸，我们选用的是回转油缸，它的结构紧凑，并且要求严格的密封。

4.2 手腕的驱动力矩的计算

4.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩

手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩[11].图4-2所示为手腕受力的示意图。

1.工件2.手部3.手腕 图4-2手碗回转时受力状态图

18

手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:

M驱?M惯?M偏?M摩?M封

式中:M驱- 驱动手腕转动的驱动力矩，N?cm

M惯- 惯性力矩，N?cm

M偏- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸

的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩，N?cm

M封- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的

摩擦阻力矩，N?cm

下面以图4-2所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算: 1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M惯

若手腕起动过程按等加速运动，则:

?M惯?（J?J1）(N?cm?s2)

?t式中:J- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量，N?cm?s2

J1- 工件对手腕转动轴线的转动惯量，N?cm?s2。

?—手腕转动时的角速度，弧度/s

?t—起动过程所用的时间，s

若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1为:

J1?Jc?G12e1 g式中: Jc- 工件对过重心轴线的转动惯量，N?cm?s2；

G1- 工件的重量，N

19

e1- 工件的重心到转动轴线的偏心距, cm ?- 手腕转动时的角速度，弧度/s；

?t- 起动过程所需的时间，s

??— 起动过程所转过的角度，弧度

2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏

M偏?G1e1?G3e3 ，N?cm

式中: G3- 手腕转动件的重量，N；

e3- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距，cm

当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则G1e1?0。 3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M封

M封?f(RAd2?RBd1) ，N?cm 2式中:d1 ，d2- 转动轴的轴颈直径，cm

f- 摩擦系数，对于滚动轴承f?0.01，对于滑动轴承f?0.1；

RA,RB- 处的支承反力，N，可按手腕转动轴的受力分析求解，

?0,得: 根据?M（AF）RBl?G3l3?G2l2?G1l

RB?G1l1?G2l2?G3l3

l同理，根据?MB(F)?0,得:

20

RA?G1(l?l1)?G2(l?l2)?G3(l?l3)

l式中:G2- 手部的重量，N

l,l1,l2,l3- 如图4-2所示的长度尺寸，cm

4.2.2 手腕回转油缸的驱动力矩计算

在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转油缸，它的原理如图4-3所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把油腔分隔成两个.当压缩油从孔a进入时，推动输出轴作逆时针方向回转，则低压腔的油从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转[12]。单叶片回转油缸的压力P和驱动力矩M的关系为:

bp228M M?（D-d）, 或p? （4-1）

8b(D2?d2)

1-定片 2-缸体 3-动片 4-动片风圈 5-回转轴 a-进油口 b-出油口

图4-3 回转油缸简图

21

4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核

1.尺寸设计

设计油缸内径为D1?90mm,半径R?45mm,轴径D2?20mm,半径

R?13mm,油缸运行角速度??360°/s，加速度时间?t?0.1s，回转油缸的工作压力为80?105N/m2，动片宽度为50mm。

由公式（4-1）计算力矩：

bp力矩M?（D2-d2）

8????????105?（0.092-0.022）=?385N.m

82.尺寸校核

1．测定参与手腕转动的部件的质量m1?10kg,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径r?60mm的圆盘上，那么转动惯量：

m1r210?0.062??0.018 kg?m2 J?22工件的质量为5kg,质量分布于长l?80mm的棒料上，那么转动惯量

ml2Jc?125?0.082?

12?0.0027 kg.m2假如工件中心与转动轴线不重合，对于长l?80mm的棒料来说，最大偏心距

e1?40mm，其转动惯量为:

22

J1?Jc?m1e12?0.0027?5?0.042 ?0.0117 kg?m2则：M惯?(J?J1)??t

?(0.018?0.0117)?3600.1

?106.9 N?m2．手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，e1?0，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线e3?40mm,则

M偏?G1e1?G3e3

式中：G1—为手腕回转部件的重量，N G3—为工件的重量，N

M偏?10?10?0?5?10?0.04?2 N?m

3．手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩

由于是液压传动，润滑比较好，根据经验得知摩擦力矩很小，故忽略不计。

4．回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封

M封?2M封1?2M封侧?M封径

式中M封—为回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦

阻力矩，N?m

23

M封1—为输出轴与缸盖密封装置处的摩擦阻力矩，N?m

M封1?1?d2l?p 2式中d—输出轴与缸盖密封处直径，d?20mm

l—密封的有效长度（或密封宽度）,l?d02k?k2

l?0.03?2?0.04?0.042?0.0084m d0—“O”形密封圈的截面直径；d0?3mm

k—“O”形圈在装配时的压缩率，对于回转运动，

k?0.03~0.05,取k?0.04

?—摩擦系数，??0.1

p—回转油缸的工作压力,p?80?105N/m2

则： M封1???0.022?0.0084?0.1?80?105

?4.2N?m

12M封侧—为动片侧面与缸盖密封处的摩擦阻力矩，N?m M封径—动片外径与油缸密封装置处的摩擦阻力矩，N?m

M封侧—动片侧面与缸盖密封处的摩擦阻力矩

1M封侧?（l1D2-d2）p?

8其中： l1?d02k?k2 ?0.03?2?0.04?0.042

?0.0084 m

24

D— 回转油缸直径

d— 回转油缸与动片连接处直径

由设计得：D?90mm,d=20mm

1?0.0084?（0.092-0.022）?80?105?0.1 8 ?6.5N?m

则M封侧?M封径：动片外径与油缸密封装置处的摩擦阻力矩

M封径?bl1Dp? 2其中b为动片的宽度，b?50mm，l1，D，p和?同上述。 M封径?0.05?0.0084? ?15.1N?m 则：

0.09?80?105?0.1 2M封?2?4.2?2?6.5?15.1?36.5N?m

5、回转油缸回油腔的背压反力矩M回 M回?（D2-d2）p回

其中p回为回油腔的油液压力，在这里初步估算为20?105N/m2

0.05?（0.092-0.022）?20?105 8 ?96.3N?m

b8则： M回?则手腕回转油缸所需的驱动力矩M驱为：

M驱?M惯?M封?M偏?M回

?106.9?36.5?2?96.3

25

?241.7N?m

M驱?241.7N?m?M?385N?m

所以设计尺寸符合使用要求，安全。

26

第5章 手臂工作油缸的设计与计算

5.1 手臂伸缩油缸的设计与校核

手臂的伸缩动作由伸缩油缸带动，需要计算油缸的驱动力。所谓油缸的驱动力是指油缸的高压油腔的压力油所产生的合成液压力。在机械手工作时，各油缸的驱动力要分别克服作用在各自油缸活塞上的总机械载荷，以保证机械手正常运动[13]。

手臂伸缩油缸运行长度设计为l?500mm,油缸内径为D1?40mm，半径R?20mm。

5.1.2 尺寸校核

1、设计油缸运行长度设计为l?500mm,油缸内径为D1?40mm,半径

R?20mm, 活塞运行速度为?1?750mm/s，加速度时间?t?0.1s，进油压

力为P=10?105N/m2。

当压力油输入无杆腔，使活塞以速度?1而运动是所需输入油缸的流量Q1为：

Q1??D24?1

式中：D — 油缸（或活塞）直径，mm D1=40mm

Q1— 输入无杆腔的流量，L/min ?1— 活塞的移动速度，m/s ?1?750mm/s

27

流量Q1为：Q1?2??0.44 in?7.5?60?56.5L/m油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P1即油缸的驱动力为：

P1???D24p

式中： p— 进油压力，N

N P1— 油缸驱动力，

P1???0.0424?10?105?1256N

当压力油输入有杆腔，使活塞以速度?2而运动是所需输入油缸

的流量Q2为：

?（D2?d2）Q2??2

4式中：d— 活塞杆直径（mm） d?20mm

Q1— 输入无杆腔的流量，L/min

?2— 活塞的移动速度，mm/s，?2?1500mm/s 则流量Q2为：

Q2???（0.42?0.22）4?84.8L/min

?15?60

油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P2即油缸的驱动力为：

28

?（D2?d2） P2?p442、计算作用在活塞上的总机械载荷

机械手手臂移动油缸的受力简图如图5-1所示。作用在活塞上的总机械载荷P为：

??（0.042?0.022）10?105?942N

P驱?P工?P导?P回 封?P惯?PI处放大ICG总AdaP工P导

图5-1 手臂伸缩油缸受力简图

1.工作阻力P工：工作阻力P工的数值要根据油缸工作的 具体情况确定有无，并进行计算或估算。

在此为完成搬运工件的伸缩油缸，故不受工作阻力，即P工为0。 2.导向装置处的摩擦阻力P导：不同配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况进行估算。

本设计如图5-1所示的是双向杆导机构，其导向杆截面形状是圆柱面。导向杆对称配置在油缸的两侧，并布置在过油缸活塞杆的平面内。

29

图5-1所示的油缸在启动时，导向装置处的摩擦阻力较大，估计如下：

由于导向杆对称配置，两导向杆受力均匀，可按一只导向杆估算，忽略导向杆直径的影响，根据它手里的平衡条件推得：

2L?a P导?G总??1

a式中 G总— 参与运动的零部件的总重量，N（包括被抓物件重量）估算G总为80kg

L — 手臂缩回时参与运动的零部件的总重量的重心C到导向支承前端的距离mm L?50mm

a — 导向支承的长度，mm a=160mm

?— 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时，钢对钢的取??0.1 ?1— 当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关，对于

圆柱面?1?1.27?1.57 ，取?1=1.4

则： P导?80?10?0.1?1.4? ?182N

2?50?160

1603.密封装置处的摩擦阻力

P封

P封，

在压力油驱动活塞运动时，各密封装置处摩擦阻力之和为即

P封?P封1?P封2?P封3

P封1、P封2、P封3分别为活塞杆和缸盖处、活塞与缸壁处、伸缩油管

处等密封装置处的摩擦阻力，其值随密封圈结构的不同而异。

当油缸的工作压力不大于100?105N/m2时，活塞杆直径为油缸直

30

径的一半，活塞和活塞杆处走采用O型密封圈时，油缸密封处的总摩擦力为：

P封1?P封2?0.03p1

=0.03?1256=37.7N

伸缩油管处的摩擦阻力P封3为：

P封3??p?dl

式中 ?—密封圈与配合面的摩擦系数，主要与密封圈形式、材料与配合接触的零件材料和油液压力有关。

对于O型橡胶密封圈，当油液压力p???????5N/m2时，

???????。油????压?力高时?取小值，压力低时?取大值，在本次液设计中取??????。

P—密封处的工作压力，N，P=10?105N/m2

d—伸缩油管直径，m，d=0.006m

l—密封的有效长度，m

密封的有效长度l近似估算为：

2 l?d02k?k

?0.14在这里取k=0.12 式中：k—为压缩率 一般为0.08，

d0—为O型密封圈截面直径，m 对应图带入

则： l??????2?0.?12 ?0.0014m

20?. 12P?dl 封3??p5 ?0.04?10?10?3.14?0.006?0.0014?1.1N

31

P封?P封1?P封2?P封3

?37.7?1.1?38.8N

4.惯性力P惯

机械手的手臂在起动时，活塞杆上所受到的平均惯性力，可近

似计算如下：

P惯?G总?v

g?t式中： G总 — 参与运动的零部件的总重量，N（包括被抓物件重

量）G总?80kg

g — 重力加速度，m/s2 g?10m/s2 ?v — 速度变化量，m/s ?v?0.75m/s，

?t — 启动过程的时间，s ?t?0.1s

80?100.75?则： P惯? 100.1 ?600N 5.背压阻力P回

背压阻力为油缸低压油液所造成的阻力。一般被压阻力较小，

可按PP工计算。 回?0.05由于P工?0，故P回?0。 所以：

P驱?P工?P导?P回 封?P惯?P = 0+182+38.8+600+0

= 821N

因为：P 驱? 821N?P?1256N，故该油缸的尺寸符合使用要求。

32

5.1.3 导向装置

液压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。目前导向杆常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中采用双向导向杆来增加手臂的刚性和导向性[16]。

5.1.4 平衡装置

在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩油缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和油缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。

5.2 手臂升降油缸的设计与校核

5.2.1 尺寸设计

油缸运行长度设计为l?100mm,油缸运行速度为250mm/s，加速度时间?t?0.1s,油缸内径为D1?80mm,半径R=40mm,进油压力为

p=50?105N/m2，做升降运动的总重量G总?900N。

5.2.2 尺寸校核

驱动力P驱为：

33

P驱?P工?P背?P惯?P摩?P封

由经验公式可得：

P工?G总?900N

P工?0.05?900?45N 背?0.05PP惯?G总9000.25a???225N g100.1PG总?0.1?900?90N 摩?0.1P封?0.06G总?0.06?900?54N

P?惯P?回P故：P 驱?P工?P导?封 =900+45+225+80+54 =1304N

作用在活塞上的推力P： P??D243.14?0.082?50?105 =4 ?25120N

p

?P?25120N因为P，所以伸缩油缸的尺寸符合要求。 驱?1304N5.3 手臂回转油缸的设计与校核

采用回转油缸实现手臂回转运动时，其受力情况可简化成如图

5-2所示。

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