1、按照机械手的运动轨迹又可以细分为：点 位控制型机械手、连续式控制型机械手。机械手种类繁多其应用领域和应用场 合颇多，特别是在工业、制造领域，机械手正在逐步取代人力成为工业生产中必 不可少的装备。1.4机械手研究的主要容本课题研究的是四自由度搬运机械手，此类型的机械手大多为应用于工业、 制造业领域的机械手，一般执行一些单调的、重复性的工作，所以从设计层面上 来说，在控制方面的设计比较容易实现，本论文关于四自由度搬运机械手的设计 方法采用的是机械设计领域比较前瞻的模块化设计方法，模块化设计的工作主要 是应运在机械手控制系统的设计工作中，通过主程序和子程序的单独编程和有效 调用大大简化了机械手控制系
2、统设计的难度z。此外针对机械手的驱动系统、传 动及执行机构、数控系统以及各零部件等分类、分步进行设计，使得设计工作简化且有序进行。机械手设计的总体工作容如下：机械手的总体方案的设计。机械手的传动机构以及执行机构设计。机械手的驱动系统设计。机械手的控制系统设计。2机械手总体方案的设计2.1机械手的功能以及技术要求机械手是通过模仿人手臂的功能实现各种复杂的动作次序和轨迹来完成各 种具体的工作和实现既定的功能，特别是在完成一些比较复杂的运动形式和在一 些比较危险或有限的空间工作。本课题研究的四自由度固定式搬用机械手，主要 应运于一般的流水作业线和一些重量较轻的个体货仓搬运等工作中，因其可实现 大部分
3、人手的功能，所以在现实应运中具有一定的实际意义和较大的应运价值。因为机械手大多应运于一般的流水作业线，所以对其具体动作路劲和动作次 序、时间的精度和偏差有较高的要求，我们要求机械手在实现其基本功能的过程 中能够做到平稳的、迅速的、准确的搬运物体，保证整条流水线工作的有序运行， 完成预先设定各种工作要求。2.2机械手的整体结构设计在对机械手进行结构的设计时，不仅要满足理论上对其动作具体过程的要求， 还要同机械手的具体工作环境、工作空间的要求和限制相匹配，所以在机械手的 设计过程中必须严格遵守如下基本原则：要给予机械手的动作围留有尽可能大 的活动空间，并且所设计的机械手应能完成多种运动形式以满足不
4、同的工作要求。 在进行机械手的结构设计时，要根据具体的工作环境和要求通过模仿人的手臂 功能，然后在满足工作要求的运动形式下来设计机械手的具体结构和机械手的姿 态以及运动方式。机械手结构的设计并不是淡淡的做到其性能的最佳，还要同 时考虑它的经济性，要力求以最简单的结构、最轻的自身重量、最低的成本取满 足具体的工作性能要求，如机械手的行程围、最大负载能力和运动的平稳性、准 确性等。2. 3机械手的主要部件及其自由度2. 3.1机械手的主要部件组成本论文所研究的四自由度搬运机械手，主要是用来模仿人手的功能，所以其 结构部件也类似人手臂的组成，从整体上来说包括机械手部、机械臂、和底座三 大部分。可是机
5、械手毕竟和人手有很大的不同，它还需要有动力驱动的部分、控 制的部分和执行的部分，所以机械手的主要部件包括：电动机、气压泵、 气压缸、底座、立柱、大臂、小臂、机械夹手部等。2.3.2机械手的自由度机械手是对于人的手臂功能模仿相当成功的产品，基本上可以实现人手的一 些基本的动作形式，不过区别在于机械手不需要做的像人手那样灵活自如，在具 体实际工作的应用中进行了一定的简化处理，具体结构设计这要看机械手实际的 工作环境、要求以及成本等问题，也就是尽可能以最少的自由度实现实际的工作 要求。人的手臂堪称是世界上最完美的机器，因为它共有6个自由度，能过完成 任何复杂的动作过程和任何方式的运动，所以在各种仿生
6、学井喷的今天，对机械 手的研究具有极其重要的意义和价值。本课题研究的四自由搬运机械手主要用于 一般的流水作业线和搬用个别重量较轻物体的搬运，为了满足具体的工作要求本 课题所设计的机械手应该具备：上升、下降、水平移动、回转和机械手夹持手部 的伸缩等运动形式，针对目标工作要求及机械手的动作形式的研究，本课题设计 的机械手4个自由度。根据本课题设计的机械手的具体运动形式，我们可以将机械手的四个自由度 大致分为：方向控制、工作执行两个方面。其中在方向控制方面包含：水平 回转和水平移动2个自由度，在工作执行方面包括：小臂的升降和机械手手部的 夹放2个自由度。此外，以上自由度在实际工作中可进行有序组合，从
7、而完成一 些复杂的动作形式和要求。2.4机械手的动作过程及其时间配置2.4.1机械手动作形式及其顺序的确定本课题研究的机械手主要用于在一般的流水作业线上和重量较轻的个体货 物搬运工作中执行一些简单且重复性的动作，所以机械手的整体动作形式具体可 以切分为如下几个相互独立的动作形式：水平回转机械手的大臂随着立柱可以实现水平回转240度，然后在配合上大臂的水平 移动可以使机械手到达以底座为圆心以大臂为半径的半圆围的任意一点。2轴向移动机械手小臂可以随着机械手大臂通过气压缸的收缩实现小臂的轴向移动 300mm 大大扩大了机械手的移动行程和动作围。3竖直升降机械手大臂在立柱上通过气压缸的伸缩可以达到32
8、0inm的升降行程，这个行 程可以有效避开工作过程中的大多障碍物，大大提升了机械手的应用围。4机械手手部的旋转机械手手部可水平旋转180便于调整夹取器件的角度。5机械手的夹放通过气压缸控制机械手夹放力度，保证物体在搬运不会意外掉落，通过PLC 准确控制机械手的夹放时间，保证物体在搬运过程的有序进行。以上机械手的各部件动作形式在工作过程相互独立，通过PLC可编程控制器 的有效控制，实现各部件之间的动作相互组合且有序进行，从而完成具体的工作 要求。2.4.2机械手动作过程中的时间配置本课题所研究的机械手主要是用于一般的流水作业线和一些器件的搬运，其 基本动作轨迹大多都是类似的，只不过是在具体动作形
9、式和时间配置上有参数上 的区别，所以本课题研究的机械手的新颖之处就在于充分解决了这一问题，本论 文中的控制系统采用的是PLC可编程控制器，它可以实现随工作环境和任务的不 同，把机械手的每一个具体动作形式和动作时间根据具体工作情况参数化，如此 设计出的机械手可适用于任何工作环境和完成任何工作任务，大大提高的机械手 的通用性。2.3机械手动作过程中基本参数的确定机械手的设计包括结构设计、功能设计以及各种驱动及动力系统的设计，不 过这些设计首先要得在机械手动作过程中的基本参数确定的基础上，然后再展开 后续的设计工作，机械手动作过程中的基本参数如下表2-1所示：表2-1机械手动作过程中的基本参数伸缩伸
10、缩行程300nun升降升降行程320mm伸缩速度80m m/s升降速度35m m/s回转回转180 人 240手指夹放夹放围609001111回转速度10r/inin转动速度30r/min机械手的最大工作半径1700mm机械手手臂的最大中心高度1000mm机械手的抓取重量2kg3机械手的传动机构以及执行机构的设计3.1机械手机构的模块化设计模块化的设计思想就是将一个系统和机构组成复杂的机械产品在设计时划 分为若干个彼此相互独立的单元体，对每个单元体单独设计，这样可以大大降低 机械产品的设计难度。在设计时各个单元体之间要分开自行设计，但是过程中必 须要保证的一点是对于各个模块、各个单元体的设计一
11、定要实现标准化，这样既 可以使设计过程标准化降低设计难度和成本，也可以便于产品最后的模块组合， 同时还有利于提高各模块在设计过程中的可调整性以及各同类单元体之间的互 换性。模块化设计思想是机械设计领域比较前瞻的设计思想，它的出现是为了适 应新形势下产品设计的快节奏、多样化、产品越来越复杂的新要求。一个优秀的 机构设计必须实现在机构中各单元体的功能独立和物理机构独立的有机结合，这 样不仅在设计时使复杂的机械结构简单化大大降低了设计难度，而且有利于后期 对机械产品的维修和更新换代。3.1.1机械手结构模块划分所遵循的原则在模块化的设计思想中需要将产品划分为若干个彼此间相互独立的单元体， 对于模块的
12、划分一般遵循如下基本原则：模块数的划分不是越多越好，在减少模块自身复杂程度的同时，还应尽量 减少模块总数，这样有利于降低设计时的工作量和设计后期的模块组合复杂度。模块数的划分越多那么其组合方案也就越复杂，所以我们力求用最少的模 块数来实现最多的模块组合。模块的划分要考虑其对成本的影响，我们要力求实现其成本和成果的统一， 对于我们所设计出的产品要做到性能和经济性的最优化。模块的划分必须保证各模块功能和机构的独立以及二者有机结合。模块的划分必然会对其产品的质量（精度、刚度等）产生一定的影响，所 以我们在划分过程中应苑分考虑这一影响。3.1.2机械手模块化设计的一般方法对于一个机械产品来说，机构和功
13、能的关系是相互依存的，而相对于机构之 间的联系，功能之间的关系更加重要。在产品的整个系统中，各项功能之间存在 着并行和上下两种关系。所谓上下级关系我们又称之为前后级关系，它是指在系 统中的某个功能会因另一个功能的出现而出现，其中，最先出现的功能我们称之 为上位功能，而被引出的功能我们称之为下位功能。由此可见它们之间的关系是 相对的，随二者出现的先后次序而改变。而并行关系则是指虽然一个功能仍是因 某一功能的出现而出现，但不同的一点是此时出现2个功能，这时的关系则为并 行关系。3.2机械手的组成及其模块化本课题研究的是四自由度搬运机械手，这种机械手主要用于一般的流水作业 线和一些重量较轻的货物搬用
14、，为了降低机械手的设计难度我们将机械手按其功 能用模块化的方法分成若干个基本的独立功能分别进行设计，然后对各个相互独 立的功能模块按要求进行组合，从而可以设计出不同规格、不同功能系列的产品 当产品需要维修或更新换代时，可以通过对产品的部分功能模块进行改进或 重新设计，这样可以使得设计成本和后期维修成本大大降低，同时也大大缩短了 产品的设计周期。通过对机构零部件标准化和功能模块化的有机统一，充分实现 产品的可变性和系列化，满足不同的工作要求，大大提高机械手的通用性。3.3机械手基本结构构成及其设计流程3. 3.1机械手的基本结构本课题设计的四自由度搬运机械手要求具有占地面积较小而活动围相对较 大
15、的特点，同时还要求有较高的平稳性和精度。所以对于机械手的结构的设计应 尽量简单，这样可以减少动作的误差叠加，同时还应该尽量提高产品的通用性和 降低成本$。机械手的基本结构设计如图3-1所示。图3-1机械手的整体结构简图3. 3.2机械手的总体设计流程由于本课题研究的机械手主要用于器件的搬用，所以只有首先确定了机械手 搬用器件的有效重量，之后才能确定相关的力、力矩等技术参数，然后才能进行 整个机构及其各个模块的设计，最后才能对模块进行组合以及结构的调整和修改， 实现对产品的设计和完善0所以关于机械手的设计必须遵循一定的设计流程，这 样便于实现设计过程的标准化并大大简化流程，有利于成本的降低。机械
16、手的具 体的设计流程图如图3-2所示。3.4机械手执行机构的设计机械手在作业时，与完成具体工作直接相关的机构称为执行机构，执行机构 设计的合理与否直接影响机械手工作性能的好坏以及机械手的整体成本，所以执 行机构设计的质量对于整个机械手的性能有着至关重要的影响。基本上机械手的 整个设计工作都是以执行机构为中心，首先根据目的功能来进行执行机构的设计， 然后再通过执行机构设计驱动系统和控制系统，最后整个设计工作完成。图3-2机械手的设计流程图3.4.1机械手手部的结构设计本课题研究的机械手主要用于流水线上器件的搬用，而机械手手部的结构是与实际工作物体直接接触的箴终执行机构，所以机械手手部结构的确定应
17、与实际工作中所搬用物体的类型相适应。我们此次设计的机械手要求起具有一定的通用 性、低成本、且便于控制，所以最终选用气动控制型机械手，并且采用夹持式结构以便满足其通用型的要求7。机械手手部的具体结构如3-3图所示。图3-3机械手手部结构简图3.4.2机械手手部结构（夹持爪）的计算夹持气爪的选择要根据气爪的具体工作环境而定，包括夹持气爪所搬运货物 的重量、尺寸以及气爪的工作行程和空间围等，本课题所研究的机械手在工作时 搬运的标准器件其具体参数为：M = 60g,Dmax = 3加m,夹持点距转轴中心的最大 力臂为46mm,由此计算并确定夹持气爪的规格。夹持气爪对器件加持力的计算如下：N Ki K2
18、 K3 G （3-4）其中：K表示安全系数，（一般取值1.22）；直表示工况系数（一般情况下受器件惯性力的影响较大腿=1 + a/g a表示器件的加速度，g表示器件的重力加速度）；%表示位置系数；G表示器件的重量；计算过程中分别取K| = 2 * K2 = 2 K3 = 4 ；则由式3-1可得：N 1.2 x 1.005 x 4 x 20N = 96.8N所以夹持力矩（根据最小的夹持力计算）为：M = F S = 96.8 x 0.45N m = 43.56N - m根据上述计算结果，选取SMCMHC2- 16D-A193S气爪，其主要性能参数为： 手抓开合时间为0.02s ；气爪的夹持力矩为
19、45N - m :机械手部的重复定位精度 为土O.Olmni。3.5机械手手臂结构的设计本课题研究的机械手其手臂的结构组成包括：大臂（水平臂）和小臂（垂直 臂）两部分，大臂用来实现水平的回转然后再配合小臂在大臂上的伸缩移动实现 水平面位置的全覆盖，小臂部分利用气动系统实现垂直的升降，这样机械手便可 在一定的立体空间任意移动，实现货物的准确定位和搬用。此外，对于机械臂的 设计还应该遵循2个基本原则：机械臂在工作过程中需具备一定的运动精度和 定位精度，所以在设计时要保证各机械臂必须有一定的刚度；（2）涉及到对于机械 手产品成本问题以及具体实际工作的要求，应保证手臂的结构尽量简单、重量尽 量轻，以达
20、到节约材料、减少机械手的运动惯性使其动作灵活的目的。机械手手臂是保证机械手爪部按照指定路线移动的重要运动部件，机械手四 自由度就是由手臂的结构来保证的，因此我们对于机械手手部运行轨迹和定位精 度的要求都要通过手臂来保证，所对于手臂我们有如下要求：要求手臂的重量尽可能轻，这样可以大大降低手臂运动时的惯性冲击、使动作更加灵活，同时还 可以大大节约材料。要求机械臂必须具有一定的刚度，因为这样可以大大提高 机械手运动的精度和定位的精度8。竖直升降模块的设计竖直臂是实现机械手上下升降的模块，它的动力驱动用到的是气压缸，竖直 臂由于定位不可靠，在运行过程中受工作行程、工作压力等因素影响较大，所以 为了保证
21、气缸在运行过程之中的稳定性，故而选择双联气缸。当活塞杆克服载荷收缩做工时，根据机械臂初选的工作压力以及工作载荷， 确定气缸的径I）为：（3-2）1）为气压缸的径（in）；F为气压活塞的载荷（N）；P为气压缸受到的压力（Pa）；H为气缸总的机械效率（一般取 =0.30.5）；考虑到气缸中活塞杆的直径以及具体工况：（3-3）根据竖直臂收缩气缸的具体工作要求以及工作过程中的具体数据参数：伸缩 时间t = 0.6s,行程S = GOinin，气缸中活塞的工作载荷FA 15N，可得气缸的径I） 为（取 P = 0.5MPa, 7 = 0.3）:水平伸缩模块的设计由于水平臂只在平面运动而且只有一端定位，所
22、以为了保证水平臂的刚性， 我们采用水平钢杆和气压缸组合使用的方法，所以气缸只需要选用笔形气缸即可， 根据水平臂收缩气缸的具体工作要求以及工作过程中的具体数据参数：伸缩时间t = 0.5s,行程S = 70mm 气缸中活塞的工作载荷Fs 10N /可得气缸的径D为（取 P = 0.5MPa, Ti = 0.3）:4F4x 100D=1-15Jw=115J 3.14 x 0.5 x 0.3 33-5mm根据上述计算结果，选取SMCCXSM10-70-Z73气缸/水平安装重复定位的精度为土0.02mm 3.6机械手底座结构的设计本课题研究的机械手出于对其成本和应运场景的考虑，故决定设计为固定式 机械
23、手，这就要求它的底座采用固定式，如此不仅有利于降低成本，对于机械手 整体刚性的提高也非常重要。此外，固定式机械手对底座的结构要求较低，只需 其满足机械手的定位要求即可。机械手底座的机构设计如附件底座图。4机械手的驱动系统的设计本课题研究的机械手的驱动系统共分为电力驱动和气动驱动2种驱动系统， 但一般情况下对这2种驱动系统的工作同步性的要求，所以一般作为电气驱动系 统来综合设计。驱动系统的设计就是扌旨对于驱动系统动力源的选择以及对于驱动 系统传动机构的设计，此外还包括对于驱动元件的选型和设计校核。4. 1气动驱动系统的设计本课题所设计的气动驱动系统基本上用于机械手动作的各个环节，从机械手 大臂的
24、摆动到小臂的伸缩进退再到小臂的上升下降，以及机械手手部的夹紧和松 放都用到了气动驱动，故本课题关于四自由度搬运机械手的设计核心在于一整套 气动驱动方案的设计，驱动原理图的设计如附件气动驱动原理图：本课题设计的机械手的气动驱动系统用到气压泵、过滤调压器（消除脉动、 吸收水气、冷却）、电磁换向阀、气压回路、笔形气缸、双联气缸、旋转气缸还 有气爪等各类元器件。当机械手工作时，气动驱动系统中的各执行元件将会按照 预先设定好的程序有序工作，具体工作原理为：2位5通先导式电磁换向阀接受 由可编成控制器PLC控制的短脉冲信号，控制各气压缸前进后退动作，同时我们 再利用串联在电磁换向阀进出口位置的单向节流阀来
25、控制其开口大小，从而实现 对气压回路中压缩气流速度的控制，如此实现气压系统中气压元件的有序工作幻。4.2气动元件的选择4. 2.1气压泵的选择气压泵是气压回路中提供动力源（压缩空气流）的气压元件，气压泵的选择， 首先是对气压泵的类型的确定，这要看气压回路对气压的特性要求而定，紧接着 就是气对压泵具体型号的确定，这就要通过计算出气压回路中气压缸的耗气量总 和以及所需的气体压力来确定气压泵的吸入流量和输出气压，如此，便可最终确 定出气压泵的具体型号。为了方便计算我们一般忽略气缸管道的容积、气缸的直径I）、行程S、换向阀 到气缸管道的容积以及气缸的动作时间等因素这些都直接影响气缸的换气量Q， 所以在
26、单位时间气缸空气耗气量Q的计算过程如下：Q = Qi 或 Q = Q?Q严畔3欝 （4-1）式中：Q表示在单位时间气缸压缩气体的消耗量（,I,3/S）；Qi表示无活塞杆端气缸进气时压缩气体的消耗量（m3/s）；Q2表示有活塞杆端气缸进气时压缩气体的消耗量（M/s）；D为气缸部的直径5）；d为气缸活塞杆的直径（m）；t和t2分别表示气缸活寒的往返程时间（s）；S表示气缸活塞的行程（m）；水平臂气缸的压缩空气耗气量计算过程如下：时间t = 0.6s，行程S = 6Omni 缸径D = 13 ,由公式4-1可得:竖直臂气缸的压缩空气耗气量计算过程如下：时间t = 0.5s，行程S = 70mm，缸径I） = 35mm 由公式4-1可得：综合以上计算，本课题最终决定选用的气压泵为上海日豹，其具体性能参数 为:
