第一章绪论 1.1 前言 用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动 作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。 机械手一般分为三类 : 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, 以完成各项规定的操作。它的特点是具 备普通机械的性能之外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类:是需要人 工才做的, 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:是用专用机械手,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送。 1.2 工业机械手的简史 机械手首先是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机 械手。 (1 1954 年 USA 工程师德尔沃最早提出机械人的概念; (2 1959 年 USA 德尔沃与英格伯制造了世界上的第一台机械人; (3 1962 年 USA 正式将机械人的使用性提出来,且制造出类似人的手臂; (4 1967 年 JAN 成立了人工手研究会,并召开了首届机械手学术会; (5 1970 年在 USA 召开了第一届工业机械人学术会,并的到迅速普及; (6 1973 年辛辛那提公司制造出第一台小型计算机控制的的工业机械人,当时是 液压驱动,能载重大成就 45KG ; (7 到 1980 年在 JAN 得到普及,并定为“机械人元年”此后在日本机械人得到了 前所未有的发展与提升,在就是后来到台湾再到大陆。 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 有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。 第三代机械手(机械人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(Flexible Manufacturing system 和柔性制造单元 (Flexible Manufacturing Cell 中重要一环。 随着工业机器手 (机械人研究制造和应用的扩大, 国际性学术交流活动十分活 跃, 欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。 1.3 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。其组成及相互关系 如下图: 1.4 本文主要研究内容 本文研究了国内外机械手发展的现状,通过学习机械手的工作原理,熟悉了搬运 机械手的运动机理。在此基础上,确定了搬运机械手的基本系统结构,对搬运机械手 的运动进行了简单的力学模型分析, 完成了机械手机械方面的设计工作 (包括传动 部分、执行部分、驱动部分的设计工作。 第二章机械手的总体设计方案分析 本课题是搬运机器人的设计。在本章中对机器人的机械手的座标形式、自由 度、驱动机构等进行了确定。因此,机器人的执行机构、驱动机构是本次设计的主 要任务。 2.1 机械手功能原理图 图 2.1 机械手功能原理图 2.2 机械手基本形式的选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态 , 按坐标形式大致可以分为以下 4 种 : (1 直角坐标型机械手 ;(2 圆柱坐标型机械手 ; ( 3 球坐标 (极坐标型机械手 ; (4 多关 节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑 , 定位精度较高 , 占地面积小, 因此本设计采用圆柱坐标型。 2.3 机械手的主要部件及运动 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。执行机构是用来抓 持工件(或工具的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有 多种 结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。驱动机构,驱动手部完成各种转动(摆 动、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。控制机构 主要利用可编程序控制器、微型计算机等控制驱动机构动作,进而控制执行机构运 动。 机械手详细的运动为:(1 定位 (2 抓取 (3 提升 (4 顺时针转 90° (5 前进 (6 下降 (7 松开 (8 提升 (9 后退 (10 逆时针转 90° (11 下 降,完成一个工作循环。 2.2 机械手基本形式示意 2.4 驱动机构的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分 , 工业机械手的性能价格比在很大程度 上取决于驱动方案及其装置。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。采用液压机构驱动机械手 , 结构简单、 尺寸紧凑、重量轻、控制方便,驱动力大等优点。因此,机械手的驱动方案选择液 压驱动。 第三章机械手手部的设计 3.1 概述 手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件,它具 有模仿人手的功能,并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手,它的手 指形状也不象人的手指、 , 它没有手掌, 只有自身的运动将物体包住, 因此, 手部结 构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状,尺寸,重量,材质以及被抓取部位等 的不同而设计各种类型的手部结构,它一般可分为钳爪式,气吸式, 电磁式和其他型 式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多,如滑槽杠杆 式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆等,这里采用滑槽杠杆式。 3.2 设计时应考虑的几个问题 (1 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下,不同的传动 机构所需的驱动力大小是不同的。 (2 手指应具有一定的张开范围,手指应该具有足够的开闭角度(手指从张开到闭 合绕支点所转过的角度 γ,以便于抓取工件。 (3 要求结构紧凑、重量轻、效率高,在保证本身刚度、强度的前提下,尽可能使 结构紧凑、重量轻, 以利于减轻手臂的负载。 (4 应保证手抓的夹持精度。 3.3 驱动力的计算 1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座 图 3.1 滑槽杠杆式手部受力分析 如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆 3 作用下销轴 2 向上的拉力为 P ,并通过 销轴中心 O 点,使手指 1 的左右部分分别绕 O 1 与 O 2 转动,最终夹取物体。手指 1 的滑槽对销轴的反作用力为 P1 、 P2, 其力的方向垂直于滑槽中心线 并指向 O 点, P1 和 P2 的延长线 于 A 及 B , 由于△ O1OA 和△ O2OA 均为 直角三角形, 故∠ AOC= ∠ BOC=α 。根据销轴的力平衡条件,即 ∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0 得P=2P1cosα P1=P/2cosα 销轴对手指的作用力为p1′ 。手指握紧工件时所需的力称为握力(即夹紧力 ,假 想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内,并设两力的大小相等,方向相 反, 以 N 表示。由手指的力矩平衡条件,即∑m01(F=0 得 P1′h=Nb 因为h=a/cosα 所以P=2b(cosα 2N/a

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