1、 据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出 现了所谓了高级机器人，例如：森徳斯兰徳公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制 50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自 动线。麻省理工学院研制了具有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。1.2我国的工业机器人我国工业机器人是从二十世纪八十年代开始起步，经过二十多年的努力，已经形成了 一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。先后研发出弧焊、电焊、装配、搬运、注 塑、冲压及喷漆等工业机器人。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线 相关的产品的年销售额已突
2、破10亿元。目前国内市场年需求最在3000台左右，年销售额 在20亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量尽万台，占全球总量 的0.56%,其中完全国产工业机器人（行业规模比较大的前三家工业机器人企业）行业集中 度占30%左右，其余都是从日本、美国、瑞典、徳国、意大利等20多个国家引进的。国 产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为100台左右，年出口额为0.2亿 元以上。目前，工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬用、喷漆、检测、码垛、 研磨抛光和激光加工等复杂作业。在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和II程机械行业，主要用于汽车及匸程机械 的喷涂及焊接。目
3、前，由于机器人技术及研发的落后，工业机器人还主要应用在制造业, 非制造业使用的较少。拥不完全统计，近儿年国內厂家所生产的哦工业机器人有超过半 是提供给汽车行业。由此可见，汽车工业的发展是近儿年我国工业机器人增长的原动力之O搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正H 益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵 循一定的程序、时间和位置來完成工件的传送和装卸：其三、它能操作必要的机具进行焊 接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业 生产机械化和白动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的
4、人力物力來研究和 应用。尤其是在高温、高丿玄、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。 在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手的结 构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制 实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用 机械手能很快的改变匸作程斥，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产 中获得广泛的引用。机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要 求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人, 也即
5、本文所研丸的对象。它是一种独立的、不附屈于某一主机的装置，可以根据任务的需 要编制程斥，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机 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（Manipulator）o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 器人来进行探测月球等。工业屮采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人, 主要附屈于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国 外通常被称之为“Mechanical Hand,它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作 程序一般是固定
6、的，因此是专用的。1.3机器人发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的 生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态, 提高了生产效率。就目前來看，总的來说现代工业机器人有以下几个发展趋势：1） 提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和 模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人：2） 开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关 节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合：3） 硏制各类传感器及检测元器件，如，触觉
7、、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等， 用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态 检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越來越多的系统采用微机进行控 制。2总体方案设计2.1自由度和坐标系的选择机器人的运动门由度是指各运动部件在三维空间相当丁 固定坐标系所具有的独立运 动数，对于一个构件来说，它有儿个运动坐标就称其有儿个自由度。各运动部件自由度的 总和为机器人的自由度数。机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较困难的，因为 人的手指、堂、腕、臂由19个关节组成，共有27个自由度。而生产实践中不需要机器人 的手有这么多的白由度一般为3-6个（不包
8、括手部）。本次设计的搬运机器人为5 H由度即: 手爪张合：腕部回转：臂部伸缩；臂部回转：臂部升降。工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结 构四种.各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：1）直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-l（a）所示。 由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置 精度（pm级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸來讲，是比 较小的.因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机 器人的结构尺寸大得多戮直角坐标
9、机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬 运作业，直角坐标机器人有悬臂式、龙门式、天车式三种结构。2）圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-l（b）o 这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空 间。3）球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动來实现的，如图2-1 （c）o 这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一 个类球形的空间。4）关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1 （d）o
10、关节型机器人动 作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器 人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。根据要求及在实际生产中的用途，本次设计的搬运机器人采用圆柱坐标。（a）直角坐标型（b）圆柱坐标型 （c）球坐标型 （d）关节型图24四种机器人坐标形式Fig 21 four robot coordmate fonn2.2搬运机器人的组成搬运机器人由执行机构、驱动机构和控制机均三部分组成。2. 2. 1执行机构1）手部手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或半动型（多为回
11、转型，因其结构简单）。 手部多为两指（也有多指）：根据需要分为外抓式和内抓式两种：也可以用负压式或真空 式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、 丝杠螺母式、弹赞式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。本次设计的搬运机器人手部执行部件如图22。图2-2搬运机器人手部执行部件示意图Fig 2-2 handlmg robot hands actiiatmg pails schemes如图22的机构简图，手部执行依靠杆的伸缩运动來实现其张合运动，杆的动力源來 门后续驱动源的液压缸，该
12、液压缸采用的是伸缩式液压缸，该液压缸能够节省横向的工作 空间。2）腕部腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作 范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆 动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作 较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运 工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液斥（气）缸，它的结构紧凑，灵巧 但回转角度小（一般小于270。），并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因 此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以
13、及轮系结构。本次设计的搬运机器 人的腕部是实现手部180。的旋转运动。设计的搬运机器人的腕部的运动为一个白由度的回转运动，运动参数是实现手部回转的角度控制在0 180。范围内，其基本的结构形式如图23所示。图2-3腕部回转基本结构示总图Fig 2-3 vnst rotation basic stnictiire schematic drawing腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十 分紧凑可以把驱动源装在手腕上。机器人手部的张合是由双作用单柱塞液床缸驱动的；而 手腕的回转运动则由回转液压缸实现。将夹紧活塞缸的外壳与摆动汕缸的动片连接在一起; 当回转液床缸中
14、不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。3） 臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支掠腕部和手部（包括工作或夹具）， 并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位）， 则用腕部的H由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个白由度才能满足基本要求，即 手臂的仲缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构來实现，从臂 部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为 多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位穩度直接影响机 械手的
15、工作性能。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩、以及臂部的回转运动。手臂 的运动参数：伸缩行程：1200mm；伸缩速度：83nini/s；升降行程：300mm：升降速度： 67mm/s:回转范闱：0180。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在圆柱 坐标式结构中，手臂的绘大匸作长度决定其末端所能达到的圆柱表面直径。伸缩式臂部机 构的驱动可采用液压缸直接驱动。4） 机座机座是机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地而上， 对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由肾部运动（升降、平移、回转和俯仰） 机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转或俯仰
16、等运动的驱动 装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结构和受力越复杂。本次毕业设 计的搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构；臂部和机身的配置型式采用立柱式单臂 配置，其驱动源來|回转液压缸。2.2.2驱动机构驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构 大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类.液斥驱动圧力高，可获得大的输出力，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维修方便， 但是，液压元件成本高，油路比较复杂。气动驱动斥力低，输出力较小如需要输出力大 时，其结构尺寸过大，阻尼效果差低速不易控制，但结构简单，能源方便，成本低。电动 机驱动有：异步电动机、步
17、进电动机为动力源，电动机使用简单，且随着材料性能的提高， 电动机性能也逐渐提高。本次设计的搬运机器人的驱动机构采用液圧驱动的方式。2.3搬运机器人的技术参数1） 用途：用于午间搬运2） 设计技术参数：a） 抓重：20Kg侠持式手部）；b） 自由度数：5个自由度（手爪张合；臂部伸缩：臂部回转；臂部升降5个运动）；c） 坐标型式：圆柱坐标系；d） 最大匸作半径：1600mm；e） 手臂最大中心高：1248mm；f） 手臂运动参数:伸缩行程:1200nun；83111111/s升降彳亍程：30011111167mm/s回转范围:0180；g） 手腕运动参数：回转范【韦I： 0180。3机器人的设计与
18、计算3.1手部设计3.1.1机器人手部的功能机器人的手部是机器人最重要的部件之一，从其功能和形态上看，分为匸业机器人的 手部和类人机器人的手部。目前前者应用较多，也较成熟，后者正在发展中。工业机器人的手部夹持器（亦称抓取机构）是用來握持工件或工具的部件，由于被握 持工件的形状、尺寸、重量、材料及表面状态的不同同。其手部结构也是多种多样的，大 部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的，按握持原理的不同，常用的手部 夹持器分为如下两类：1） 夹持式：包括内撑式与外夹式，常用的还有勾托式和弹赞式等。2） 吸附式：包括气吸式与磁吸式等。在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题：1） 机器人木端
19、执行器是根据机器人作业要求來设计的。一个新的末端执行器的出现， 就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新 的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。2） 机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。 因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3） 机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的万能末端执行器存结构上很复杂， 共至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。因为这种万能的执行 器的结构复杂且造价昂贵。3.1.2手部设计的基本要求1） 应具有适当的夹紧力和驱动力；2） 手指应具有一定的开闭范
20、围；3） 应保证工件在手指内的夹持精度；4） 要求结构紧凑，重量轻，效率高；根据任务要求并考虑到实际操作中手部的工作方式本次设计选择的手部夹持器为：双 支点连杆杠杆式手部结构。3.1.3选择手爪的类型及夹紧装置本次搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手爪夹取重量为20Kg常用的 工业机械手手部，分为夹持和吸附两大类。本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手 按运动形式可分为回转型和平移型。半移型手指的张开闭合靠手指的半行移动，这种手指 结构简单，适于夹持平板方料，其理论夹持误差零凹。若采用典型的平移型手指，使结构 变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本
21、设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置 选择常形式夹紧装置，它靠液压缸的伸缩作用下实现手爪的张开和闭合。3.1.4手爪及其液压缸的设计1）手爪的力学分析图3-1滑槽杠杆式手部结构、受力分析示意图Fig. 31 leveraged sliding channel hand structure、stiess analysis schemes1一一手指2一一销轴3杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F,并通过销轴中心O点，手指滑槽对销轴的反作用力为F1和F2,其力的方向垂直于滑杷（的中心线OO1和002并指向O点。由工耳=0得:由工仔=0得:2 cos aF严-F；式中：a手
22、指的回转支点到对称中心的距离（mm）；a 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力F定时，a角增大，则握力F*也随之增大，但如果角a过 大则会导致拉杆行程过大和手部结构增大，因此垠好取a = 30。-40。，故本次设计选取 a = 30c o根据给定的数据：抓取的重物为20Kg 钢与钢Z间的静摩擦因数卩取为：卩=0.15即:収 、=700N a = 30鴛 gx70（故:=1500N2）夹紧力和驱动力及液斥缸的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生
23、的載荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算：F$ K&F （3-2）K、安全系数，通常1.22.0：K.一一工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估 儿=1 +仝 g其中a为重力方向的最大上升加速度：F-理论驱动力（N）。K. = 1. 1 - 2. 5表31液压缸的工作压力Tab 3-1 the hydraulic cylinder pressui e of work作用在活塞上外力F/N液压缸工作压力/Mpa小于50000.8 120000 300002.0 4.05000100001.520n30000500004 05.010000200002.5 3
24、.0500005.0 8.0表32液压缸的内径系列（JB826-66）Tab 3-2 hydraulic cylinder of nmer senes （JB826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250计算:a）取a=35mm, b=50mm, 10 cr 40,机械手达到最高响应时间为0.5s,求夹 紧力Fn和驱动力F和驱动液压缸的尺寸。心=1.5根据公式，将已知条件带入:0 = 1.5 x 1.2 x 1500 = 2700b）取 =0. 85c）确定液压缸的直径D：选取活塞杆直径d=O.5D,
25、根据表31选择液压缸压力油匸作压力P=0.8IMPa,根据表32 （JB826-66）,选取液圧缸内径为：D=80mm。d = （0. 45 一 0. T）D3.2腕部设计3. 2.1腕部设计的基本要求1） 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动栽荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、 重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重星和运转性能习。因此，在腕部设计时，必 须力求结构紧凑，重量轻。2） 结构考虑，合理布局腕部作为搬运机器人的执行机构，乂承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外, 要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。3） 必须
26、考虑工作条件对于本次设计，搬运机器人的工作条件是在工作场合中搬运质量为20Kg的物体，因 此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对搬运机器人的腕部没有 太多不利因素。3. 2.2腕部结构的选择1） 典型的腕部结构a） 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回 转，总力矩M,需要克服以下儿种阻力：克服启动惯性所用，回转角由动片和静片之间允许 回转的角度來决定（一般小于270。）。b） 齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于270。的情况下，可采用齿条活塞驱动 的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部c） 具有两个门由度的回转驱动的腕部结构它使腕部具有水平和垂直转动的两个门由 度。d） 机液结合的腕部结构。2） 腕部结构和驱动结构的选择本设计要求手腕回转180,综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个 H由度的回转驱动腕部结构，采用液斥驱动。3.2.3腕部及其液压缸的设计计算腕部设计考虑的参数：夹取工件重M20Kg:回转180。1）腕部驱动力计算图3-2腕部支挫反力计算示意图Fig. 32 the mist support coiintei-
