遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 I 頁(yè)裝卸工件機(jī)械手設(shè)計(jì)摘 要工業(yè)機(jī)器人自本世紀(jì) 60 年代初問(wèn)世以來(lái)，已有 80 萬(wàn)余臺(tái)用于世界各國(guó)的自動(dòng)化生產(chǎn)線上，扮演著靈巧自如、不知疲倦“操作者” 的角色，替代生產(chǎn)工人出色的完成極其繁重、復(fù)雜、精密或者充滿著危險(xiǎn)的各種各樣的工作。不同用途的工業(yè)機(jī)器人正在工業(yè)生產(chǎn)中起到其它機(jī)器無(wú)法替代的作用。一般機(jī)器人由基座、腰、臂、腕和手五部分組成。腰和臂控制手的空 間位置，腕控制手的空間姿態(tài)，而手則是實(shí)現(xiàn)對(duì)操作物體的抓放。本文設(shè)計(jì)的是裝卸工件機(jī)械手，根據(jù)設(shè)計(jì)要求本文制定了一個(gè)由液壓系統(tǒng)控制夾爪松開(kāi)、夾緊物體的設(shè)計(jì)方案，對(duì)手部、腕部及整體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同 時(shí)對(duì)其主要零部件進(jìn)行了選擇、設(shè)計(jì)和計(jì)算，內(nèi)容包括液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，軸 的設(shè)計(jì)和校核， 對(duì)設(shè)計(jì)的液 壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析與編程等。通過(guò)分析計(jì)算可以得出結(jié)論，此次 設(shè)計(jì)基本 滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：裝卸;工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械手遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 II 頁(yè)The design of the manipulator for loading and unloading workpieceAbstractSince the beginning of 1960s, more than 800000 industrial robots have been used on automatic production lines of many countries all over the world, playing a role dexterous and as a free “operator” who has no sense of tireness. It can also accomplish various works that are very arduous and complicated or even full of danger instead of workers. The different application of industry robots to industrial production is playing an important role of which other machines are unable to take the place. The common robot basically consists of the waist, the arm, the wrist and the hand. Waist and arm control space position, while wrist controls special attitude, and the hand is used to realize grasping or putting objects. The design of this article is the mechanical arm of loading and unloading workpiece. According to the design requirements a schematic design has been developed with a hydraulic system controlling the claws from releasing and clamping objects, also it has been carried on the design to the structure of the hand, the wrist, and the whole. The contents including the selection of prime movers, design and check of gears, belts, and axes, the economic analysis to the feasibility of design proposal. Conclusions can be drawn through the computational analysis and this design can by and large meet the needs of the design request.Key words：load and unload；Industrial robot ;manipulator遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 III 頁(yè)目錄1 緒論 11.1 選題的背景、目的和意義 11.2 機(jī)器人的發(fā)展概況 21.2.1 機(jī)器人的定義 .21.2.3 國(guó)內(nèi)機(jī)器人研究狀況 .41.2.4 國(guó)外機(jī)器人的最新發(fā)展 51.2.5 機(jī)器人目前研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì) 62 手指部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .82.1 夾緊機(jī)構(gòu)的類型 .82.2 信息傳感器 82.2.1 內(nèi) 部信息傳感器 .92.2.2 外部信息傳感器 .92.3 液壓傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 102.3.1 手爪夾緊液壓傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 112.3.2 手爪回轉(zhuǎn)液壓傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 122.4 夾緊力的計(jì)算 142.4.1 液壓缸產(chǎn)生的推力及運(yùn)動(dòng)速度 142.4.2 夾緊力的計(jì)算 163 手腕部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 193.1 確定油缸的工作壓力 193.2 確定經(jīng)油缸的流量 .193.3 確定油泵所需電機(jī)功率 193.4 液壓缸的輸出扭矩計(jì)算 204 手臂部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 22遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 IV 頁(yè)4.1 手臂的作用和組成 .224.2 對(duì)設(shè)計(jì)手臂的要求 .224.3 手臂的結(jié)構(gòu) .234.4 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 234.4.1 確定油剛工作壓力 .234.4.2 驅(qū)動(dòng)力的設(shè)計(jì)計(jì)算 .244.4.3 偏重力矩的設(shè)計(jì)計(jì)算 265.機(jī)身的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .295.1 機(jī)身升降液壓轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 295.1.1 確定油缸的工作壓力 295.1.2 確定經(jīng)油缸的流量 .295.1.3 確定油泵所需電機(jī)功率 295.1.4 液壓泵的校核 305.1.5 活塞桿強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核 .325.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)液壓轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 335.2.1 確定油缸的工作壓力 335.2.2 確定經(jīng)油缸的流量 335.2.3 確定油泵所需電機(jī)功率 345.2.4 液壓缸的扭矩計(jì)算 .346.PLC 控制 366.1PLC 實(shí)現(xiàn)的功能 366.2PLC 控制電路接線圖 .366.3PLC 輸入（I/O）點(diǎn)數(shù)的分配 .376.4PLC 輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的分配 .386.5PLC 控制梯形圖 386.5 程序調(diào)試 .426.5.1 主程序調(diào)試 426.5.2 手動(dòng)操作子程序調(diào)試 426.5.3 自動(dòng)運(yùn)行子程序調(diào)試 43遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 V 頁(yè)結(jié)論 44致謝 45參考文獻(xiàn) 46 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè)1 緒論1.1 選題的背景、目的和意義現(xiàn) 代 機(jī) 器 人 的 研 究 始 于 20 世 紀(jì) 中 期 ， 其 技 術(shù) 背 景 是 計(jì) 算 機(jī) 和 自 動(dòng) 化 的發(fā) 展 ， 以 及 原 子 能 的 開(kāi) 發(fā) 利 用 。 自 1946 年 第 一 臺(tái) 數(shù) 字 電 子 計(jì) 算 機(jī) 問(wèn) 世 以 來(lái) ，計(jì) 算 機(jī) 取 得 了 驚 人 的 進(jìn) 步 ， 向 高 速 度 、 大 容 量 、 低 價(jià) 格 的 方 向 發(fā) 展 。 大 批 量生 產(chǎn) 的 迫 切 需 求 推 動(dòng) 了 自 動(dòng) 化 技 術(shù) 的 進(jìn) 展 ， 其 結(jié) 果 之 一 便 是 1952 年 數(shù) 控 機(jī)床 的 誕 生 。 與 數(shù) 控 機(jī) 床 相 關(guān) 的 控 制 、 機(jī) 械 零 件 的 研 究 又 為 機(jī) 器 人 的 開(kāi) 發(fā) 奠 定了 基 礎(chǔ) 。 另 一 方 面 ， 原 子 能 實(shí) 驗(yàn) 室 的 惡 劣 環(huán) 境 要 求 某 些 操 作 機(jī) 械 代 替 人 處 理放 射 性 物 質(zhì) 。 在 這 一 需 求 背 景 下 ， 美 國(guó) 原 子 能 委 員 會(huì) 的 阿 爾 貢 研 究 所 于1947 年 開(kāi) 發(fā) 了 遙 控 機(jī) 械 手 ， 1948 年 又 開(kāi) 發(fā) 了 機(jī) 械 式 的 主 從 機(jī) 械 手 。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，也同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹?lái)越不斷探討自然過(guò)程中，在改造自然過(guò)程中，認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過(guò)程中的一個(gè)客觀需要。而在機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算中包含了機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)所學(xué)的大部分專業(yè)課程內(nèi)容，對(duì)以往的學(xué)習(xí)起到了一個(gè)很好的鞏固和獲得新知識(shí)的作用，對(duì)以后的工作也會(huì)有很大的幫助。這也是選擇這個(gè)題目的目的。此課題的研究在現(xiàn)實(shí)生活中具有重要的意義。有些工作會(huì)對(duì)人體造成傷害，比如噴漆、重物搬運(yùn)等；有些工作要求質(zhì)量很高，人難以長(zhǎng)時(shí)間勝任，比如汽車焊接、精密裝配等；有些工作人無(wú)法身臨其境，比如火山探險(xiǎn)、深海探密、空間探索等；有些工作不適合人去干，比如一些惡劣的環(huán)境、一些枯燥單調(diào)的重復(fù)性勞作等；這些都是機(jī)器人大顯身手的地方。服務(wù)機(jī)器人還可以為您治病保健、保潔保安；水下機(jī)器人可以幫助打撈沉船、鋪設(shè)電纜；工程機(jī)器人可以上山入地、開(kāi)洞筑路；農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以耕耘播種、施肥除蟲(chóng)；軍用機(jī)器人可以遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè)沖鋒陷陣、排雷排彈……1.2 機(jī)器人的發(fā)展概況1.2.1 機(jī)器人的定義什么是機(jī)器人呢?這個(gè)問(wèn)題是一個(gè)非常有意思的一個(gè)問(wèn)題。但人們一般的理解，機(jī)器人是具有一些類似人的功能的機(jī)械電子裝置或者叫自動(dòng)化裝置，它仍然是個(gè)機(jī)器。它有三個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是有類人的功能，比如說(shuō)作業(yè)功能；感知功能；行走功能；還能完成各種動(dòng)作，它還有一個(gè)特點(diǎn)是根據(jù)人的編程能自動(dòng)的工作，這里一個(gè)顯著的特點(diǎn)，就是它可以編程，改變它的工作、動(dòng)作、工作的對(duì)象和工作的一些要求。它是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置，所以這個(gè)機(jī)器人仍然是個(gè)機(jī)器。但是目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的有關(guān)機(jī)器人定義，一般來(lái)說(shuō)我們認(rèn)為機(jī)器人是計(jì)算機(jī)控制的可以編程的目前能夠完成某種工作或可以移動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)械，這是美國(guó)工程師協(xié)會(huì)定的一個(gè)定義，但日本和其他國(guó)家也對(duì)機(jī)器人有不同的看法，他們認(rèn)為從完整的更為深遠(yuǎn)的機(jī)器人定義來(lái)看，應(yīng)該更強(qiáng)調(diào)機(jī)器人智能，所以人們又提出來(lái)機(jī)器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、情感和對(duì)外界一種邏輯判斷思維的這種機(jī)器。那么這給機(jī)器人提出來(lái)更高層次的要求，那么比方說(shuō)機(jī)器人在這里邊可以代替人進(jìn)行焊接，焊接的環(huán)境是非常復(fù)雜的，可以搬運(yùn)，它在生產(chǎn)線中搬運(yùn)玻璃和各種各樣的一些零件的搬運(yùn)的工作，還可以在生產(chǎn)線中碼垛等等，這都是把人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)的一個(gè)例子。1.2.2 機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程1920 年，有一個(gè)捷克斯洛伐克的一個(gè)作家叫卡佩克，他寫了一本科幻小說(shuō)，叫《羅薩姆的機(jī)器人萬(wàn)能公司》。這本小說(shuō)中他構(gòu)思了一個(gè)和幻想了一個(gè)機(jī)器人，它的名字叫羅伯特，也就是我們英文中的 Robot，它可以不吃飯，它能夠不知疲勞的，不知疲倦地進(jìn)行工作。在 1920 年前后，大家也知道是在第一次世界大戰(zhàn)以后，是各國(guó)工業(yè)發(fā)展比較迅速的時(shí)期，我們看到電影《摩登時(shí)代》，卓別林主演的人變成了機(jī)器人，在生產(chǎn)線中天天的進(jìn)行勞動(dòng)。人們?cè)谶@種煩躁的體力勞動(dòng)中就幻想有一種能代替人完成這樣工作的想像、一種需要，這個(gè)小遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè)說(shuō)在 1924 年和 1927 年的時(shí)候被紛紛傳到了日本、法國(guó)和歐洲國(guó)家，還變成了一種當(dāng)時(shí)的木偶劇和一些話劇，所以這樣的一個(gè)機(jī)器人的名詞就向全世界鋪展開(kāi)來(lái)，當(dāng)時(shí)人們還認(rèn)為是一個(gè)科幻小說(shuō)，還沒(méi)有把它跟我們?nèi)粘５膶W(xué)習(xí)工作和生產(chǎn)結(jié)合起來(lái)。但通過(guò)這樣一個(gè)小說(shuō)，一個(gè)羅伯特這樣一個(gè)名詞，它體現(xiàn)了人類長(zhǎng)期的一種愿望，這種愿望就是創(chuàng)造出一種機(jī)器，能夠代替人進(jìn)行各種工作。這種想法是機(jī)器人產(chǎn)生的一種客觀的要求，那么真正機(jī)器人的發(fā)展是在 1947 年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在研究核燃料的時(shí)候，大家知道核燃料，它有 X 射線對(duì)人體是有傷害的，必須有一臺(tái)機(jī)器來(lái)完成像搬運(yùn)和核燃料的處理這樣的工作。在 1947 年產(chǎn)生了世界上第一臺(tái)主從遙控的機(jī)器人，那么 1947 年以后大家知道，是計(jì)算機(jī)電子技術(shù)發(fā)展比較迅速的時(shí)期，因此各國(guó)已經(jīng)開(kāi)始利用當(dāng)時(shí)的一些現(xiàn)代的技術(shù)，進(jìn)行了機(jī)器人研究。那么在 1962 年美國(guó)研制成功 PUMA 通用示教再現(xiàn)型機(jī)器人，那么這就標(biāo)志著機(jī)器人走向成熟，應(yīng)該說(shuō)第一臺(tái)可用的機(jī)器人在1947 年產(chǎn)生，真正意義的機(jī)器人在 1962 年產(chǎn)生。那么相繼不久，在英國(guó)等國(guó)家，也相繼研究出一些機(jī)器人，那么到了 20 世紀(jì) 60 年代末，日本人將它的國(guó)民經(jīng)濟(jì)的汽車工業(yè)與機(jī)器人進(jìn)行結(jié)合，它購(gòu)買了美國(guó)的專利，在日本進(jìn)行了再次開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)機(jī)器人。到 20 世紀(jì) 70 年代的時(shí)候，日本已經(jīng)將這種示教再現(xiàn)型的機(jī)器人進(jìn)行了工業(yè)化，出現(xiàn)了很多公司，現(xiàn)在的像 ABB，MOTOMAN，還有安川公司，還有很多機(jī)器人公司像 OTC 等等公司。它們都是已經(jīng)將機(jī)器人進(jìn)行了工業(yè)化，進(jìn)行了批量生產(chǎn)，而且成功的用于了汽車工業(yè)，使機(jī)器人正式的走向應(yīng)用。在 20 世紀(jì) 70 年代到 20 世紀(jì) 80 年代初期，工業(yè)機(jī)器人變成產(chǎn)品以后，得到全世界的普遍應(yīng)用以后，那么很多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究第二代具有感知功能的機(jī)器人，出現(xiàn)了瑞典的 ABB 公司，德國(guó)的 KUKA 機(jī)器人公司，日本幾家公司和日本的 FUNAC 公司，都在工業(yè)機(jī)器人方面都有很大的作為，同時(shí)我們也看到機(jī)器人的應(yīng)用在不斷拓寬，它已經(jīng)從工業(yè)上的一些應(yīng)用，擴(kuò)展到了服務(wù)行業(yè)，擴(kuò)展了它的作業(yè)空間，向海洋空間和服務(wù)醫(yī)療等等行業(yè)的使用?？偨Y(jié)一下，我們認(rèn)為，機(jī)器人有三個(gè)發(fā)展階段，那么也就是說(shuō)，我們習(xí)慣于把機(jī)器人分成三類，一種是第一代機(jī)器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它是通過(guò)一個(gè)計(jì)算機(jī)，來(lái)控制一個(gè)多自由度的一個(gè)機(jī)械，通過(guò)示教存儲(chǔ)程序和信息，工作時(shí)把信息讀取出來(lái)，然后發(fā)出指令，這樣的話機(jī)器人可以重復(fù)的根據(jù)遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè)人當(dāng)時(shí)示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動(dòng)作，比方說(shuō)汽車的點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要把這個(gè)點(diǎn)焊的過(guò)程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作，它對(duì)于外界的環(huán)境沒(méi)有感知，這個(gè)力操作力的大小，這個(gè)工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實(shí)際上這種從第一代機(jī)器人，也就存在它這種缺陷，因此，在 20 世紀(jì) 70年代后期，人們開(kāi)始研究第二代機(jī)器人，叫帶感覺(jué)的機(jī)器人，這種帶感覺(jué)的機(jī)器人是類似人在某種功能的感覺(jué)，比如說(shuō)力覺(jué)、觸覺(jué)、滑覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和人進(jìn)行相類比，有了各種各樣的感覺(jué)，比方說(shuō)在機(jī)器人抓一個(gè)物體的時(shí)候，它實(shí)際上力的大小能感覺(jué)出來(lái)，它能夠通過(guò)視覺(jué)，能夠去感受和識(shí)別它的形狀、大小、顏色。抓一個(gè)雞蛋，它能通過(guò)一個(gè)觸覺(jué)，知道它的力的大小和滑動(dòng)的情況。那么第三代機(jī)器人，也是我們機(jī)器人學(xué)中一個(gè)理想的所追求的最高級(jí)的階段，叫智能機(jī)器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運(yùn)動(dòng)，感知思維和人機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能，那么這個(gè)目前的發(fā)展還是相對(duì)的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機(jī)器人實(shí)際上并沒(méi)有存在，而只是隨著我們不斷的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來(lái)越豐富，它內(nèi)涵越來(lái)越寬。從三代機(jī)器人發(fā)展過(guò)程中，從另一個(gè)方面，我們對(duì)機(jī)器人從應(yīng)用的角度進(jìn)行了分類，比如說(shuō)工業(yè)機(jī)器人，它包括點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、搬運(yùn)、碼垛，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中工作的這種機(jī)器人，我們統(tǒng)稱為工業(yè)機(jī)器人，那么從不同的應(yīng)用中，到水下去作業(yè)的叫水下機(jī)器人，到空間作業(yè)的叫空間機(jī)器人，同時(shí)又存在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)，對(duì)醫(yī)療機(jī)器人叫醫(yī)用機(jī)器人，還包括娛樂(lè)機(jī)器人，建筑和居室上用的機(jī)器人，所以從應(yīng)用分類，它包括從行業(yè)、應(yīng)用角度，也可以進(jìn)行這樣簡(jiǎn)單的分類。1.2.3 國(guó)內(nèi)機(jī)器人研究狀況由于我們國(guó)家存在很多其他的各種因素、問(wèn)題。我們國(guó)家在機(jī)器人的研究，在 20 世紀(jì) 70 年代后期，當(dāng)時(shí)我們?cè)趪?guó)家北京舉辦一個(gè)日本的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品展覽會(huì)，在這個(gè)會(huì)上有兩個(gè)產(chǎn)品，一個(gè)是數(shù)控機(jī)床，一個(gè)是工業(yè)機(jī)器人，這個(gè)時(shí)候，我們國(guó)家的許多學(xué)者，看到了這樣一個(gè)方向，開(kāi)始進(jìn)行了機(jī)器人的研究，但是這時(shí)候研究，基本上還局限于理論的探討階段，那么真正進(jìn)行機(jī)器人研究的時(shí)候，是在七五、八五、九五、十五將近這二十年的發(fā)展，發(fā)展最迅速的時(shí)遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè)候，是在 1986 年我們國(guó)家成立了 863 計(jì)劃是高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，就將機(jī)器人技術(shù)作為一個(gè)重要的發(fā)展的主題，國(guó)家投入將近幾個(gè)億的資金開(kāi)始進(jìn)行了機(jī)器人研究，使得我們國(guó)家在機(jī)器人這一領(lǐng)域得到很快地、迅速地發(fā)展。目前主要單位像中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所，原機(jī)械部的北京自動(dòng)化所，像哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，清華大學(xué)，還包括中科院北京自動(dòng)化所等等的一些單位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前這幾年來(lái)看，我們國(guó)家在高校里邊，有很多單位從事機(jī)器人研究，很多研究生和博士生都在從事機(jī)器人方面的研究，目前我們國(guó)家比較有代表性的研究，有工業(yè)機(jī)器人，水下機(jī)器人，空間機(jī)器人，核工業(yè)的機(jī)器人，都在國(guó)際上應(yīng)該處于領(lǐng)先水平，總體上我們國(guó)家與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在很大的差距，主要表現(xiàn)在，我們國(guó)家在機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化方面，目前還沒(méi)有固定的成熟的產(chǎn)品，但是在上述這些水下、空間、核工業(yè)，一些特殊機(jī)器人方面，我們?nèi)〉昧撕芏嘤刑厣难芯砍删汀?.2.4 國(guó)外機(jī)器人的最新發(fā)展近年來(lái)，人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開(kāi)發(fā)、宇宙探測(cè)、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對(duì)機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能，對(duì)外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。（1）水下機(jī)器人：美國(guó)的 AUSS、俄羅斯的 MT-88、法國(guó)的 EPAVLARD 等水下機(jī)器人已用于海洋石油開(kāi)采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護(hù)、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機(jī)器人（remote operated vehicle）和無(wú)纜水下機(jī)器人（autonomous under water vehicle）兩大類。（2）空間機(jī)器人：空間機(jī)器人一直是先進(jìn)機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國(guó)已研制出各種空間機(jī)器人。如美國(guó) NASA 的空間機(jī)器人 Sojanor 等。Sljanor 是一輛自主移動(dòng)車，重量為 11.5kg，尺寸 630~48mm，有 6 個(gè)車輪，它在火星上的成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān)注。（3）核工業(yè)用機(jī)器人：國(guó)外的研究主要集中在機(jī)構(gòu)靈巧，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠、反應(yīng)遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè)快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動(dòng)機(jī)器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國(guó) ORML 基于機(jī)器人的放射性儲(chǔ)罐清理系統(tǒng)、反應(yīng)堆用雙臂操作器，加拿來(lái)大研制成功的輻射監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，德國(guó)的C7 靈巧手等（4）地下機(jī)器人：地下機(jī)器人主要包括采掘機(jī)器人和地下管道檢修機(jī)器人兩在類。主要研究?jī)?nèi)容為：機(jī)械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達(dá)國(guó)家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機(jī)器人，各種采機(jī)器人及自動(dòng)化系統(tǒng)正在研制中。（5）醫(yī)用機(jī)器人：醫(yī)用機(jī)器人的主要研究?jī)?nèi)容包括：醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機(jī)器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場(chǎng)感外科手術(shù)等。美國(guó)已開(kāi)展臨場(chǎng)感外科（telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場(chǎng)模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。法、英、意、德等國(guó)家聯(lián)合開(kāi)展了圖像引導(dǎo)型矯形外科（telematics）計(jì)劃、袖珍機(jī)器人（biomed）計(jì)劃以及用于外科手術(shù)的機(jī)電手術(shù)工具等項(xiàng)目的研究，并已取得一些卓有成效的結(jié)果。（6）建筑機(jī)器人：日本已研制出 20 多種建筑機(jī)器人。如高層建筑抹灰機(jī)器人、預(yù)制件安裝機(jī)器人、室內(nèi)裝修機(jī)器人、地面拋光機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人等，并已實(shí)際應(yīng)有和。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進(jìn)行管道挖掘和埋設(shè)機(jī)器人、內(nèi)墻安裝機(jī)器人等型號(hào)的研制、并開(kāi)展了傳感器、移動(dòng)技術(shù)和系統(tǒng)自動(dòng)化施工方法等基礎(chǔ)研究。英、德、法等國(guó)也在開(kāi)展這方面的研究。（7）軍用機(jī)器人：近年來(lái)，美、英、法、德等國(guó)已研制出第二代軍用智能機(jī)器人。其特點(diǎn)是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場(chǎng)上具有看、嗅和角摸能力，能夠自動(dòng)跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動(dòng)搜索、識(shí)別和消滅敵方目標(biāo)的功能。如美國(guó)的 Navplab 自主導(dǎo)航車、SSV 半自主地面戰(zhàn)車，法國(guó)的自主式快速運(yùn)動(dòng)偵察車（DARDS） ，德國(guó) MV4 爆炸物處理機(jī)器人等。目前美國(guó) ORNL 正在研制和開(kāi)發(fā) Abrams 坦克、愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈裝電池用機(jī)器人等各種用途的軍用機(jī)器人。可以預(yù)見(jiàn)，在 21 世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè)1.2.5 機(jī)器人目前研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究?jī)?nèi)容集中在以下 10 個(gè)方面：（1）工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。（2）機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開(kāi)放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于 PC 機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。（3）多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問(wèn)題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問(wèn)題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。（4）機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。（5）機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。（6）虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。（7）多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。（8）微型和微小機(jī)器人技術(shù)（micro/miniature robotics）：這是機(jī)器人研究的一個(gè)新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過(guò)去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命，并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。（9）軟機(jī)器人技術(shù)（soft robotics）:主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂(lè)場(chǎng)合。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè)軟機(jī)器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安全的，機(jī)器人對(duì)人是友好的。2 手指部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)械手手爪是用來(lái)抓取工件的部件。手爪抓取工件時(shí)要滿足迅速、靈活、準(zhǔn)確和可靠的要求。所以機(jī)械手手爪是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。設(shè)計(jì)制造加緊機(jī)構(gòu)——手爪時(shí)，首先要從機(jī)械手的坐標(biāo)形式、運(yùn)行速度和加速度的情況來(lái)考慮。其夾緊力的大小則是根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力的大小來(lái)計(jì)算。同時(shí)考慮有足夠的開(kāi)口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化。為擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用范圍，還須備有多種抓取機(jī)構(gòu)，以根據(jù)需要來(lái)更換手爪。為防止損害被夾持的物體，夾緊力要限制在一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動(dòng)定心機(jī)構(gòu)。為防止突然停電造成的被抓物體落下，又需要有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、動(dòng)作靈活和工作可靠。2.1 夾緊機(jī)構(gòu)的類型夾緊機(jī)構(gòu)形式多樣，有機(jī)械式、吸盤式和電磁式等。機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。此次設(shè)計(jì)中也是應(yīng)用的機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)。機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)是由驅(qū)動(dòng)元件、手爪支持部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、手指及各種墊片、附件等組成：（1） 驅(qū)動(dòng)元件，主要是油缸。（2） 手爪支持部件，一般固定在手腕或者手臂上，而驅(qū)動(dòng)件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和手指則安裝在手爪的支持部件上。（3） 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，是把活塞桿的運(yùn)動(dòng)變成手指開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)中采用的是鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅把活塞桿的運(yùn)動(dòng)傳遞給手指，而且有又將這個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為力的倍增機(jī)構(gòu)。2.2 信息傳感器工業(yè)機(jī)械手采用的傳感器大致可分為兩類：遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè)第一類用以檢測(cè)、判斷對(duì)象的情況，便于機(jī)械手進(jìn)行操作，稱為外部信息傳感器；第二類在機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)檢測(cè)控制動(dòng)作，以便實(shí)現(xiàn)控制回路的功能，稱為內(nèi)部信息傳感器。內(nèi)部信息傳感器種類較多，但外界信息傳感器則處于發(fā)展階段。其中主要要求有位置傳感器、觸覺(jué)傳感器，即需要具備能檢測(cè)對(duì)象（工件）的位置，或具有觸覺(jué)，甚至具備視覺(jué)的判斷功能，2.2.1 內(nèi)部信息傳感器機(jī)械手手臂能移動(dòng)到要求的位置，并能重復(fù)規(guī)定的動(dòng)作，一般采用有反饋的伺服機(jī)構(gòu)。伺服機(jī)構(gòu)的主回路有檢測(cè)部分、放大部分、驅(qū)動(dòng)部分等組成，用以檢測(cè)位置和角度等。內(nèi)部信息傳感器主要采用電阻電位計(jì)，自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器和其他模擬數(shù)字變換器等。也有采用開(kāi)關(guān)控制如限位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)和光電繼電器等。對(duì)反饋元件的內(nèi)部信息傳感器的要求是：（1） 可靠性高，壽命長(zhǎng)，無(wú)故障及少維修；（2） 小型簡(jiǎn)單，不帶附屬裝置；（3） 抗干擾，在惡劣工作環(huán)境下，如電噪音、電壓、頻率變化較大的情況下，能夠正常工作；（4） 不因溫度、濕度、振動(dòng)沖擊等環(huán)境變動(dòng)時(shí)發(fā)生誤差與損壞；（5） 回路獨(dú)立，輸入輸出回路相互獨(dú)立；（6） 容易調(diào)整和微調(diào)；（7） 應(yīng)用絕對(duì)值表示停止位置；（8） 價(jià)格低廉。2.2.2 外部信息傳感器外部信息傳感器用得比較多的主要有距離傳感器、力傳感器、識(shí)別傳感器和自適應(yīng)診斷傳感器。（1）距離傳感器測(cè)量距離有兩種方法，一種是接觸物體的測(cè)距，另一種是不接觸物體測(cè)距。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè)接觸物體時(shí)可采用微型開(kāi)關(guān)、放大比例尺、齒條齒輪和編碼器等。非接觸傳感器一般是利用激光和超聲波。激光傳感器是用旋轉(zhuǎn)反光鏡使激光在物體上進(jìn)行掃描，用光電晶體管接收確定光軸上物體的反射光，根據(jù)接收到光的時(shí)間測(cè)出距離。（2）力傳感器力傳感器大多使用應(yīng)變儀，也可使用壓敏元件和導(dǎo)電橡膠。應(yīng)變儀安裝在懸壁上，當(dāng)手指沒(méi)有外力影響時(shí)，它的四個(gè)輸出口處于平衡狀態(tài)，如手指接觸到物體，而又加上外力時(shí)，就會(huì)處于不平衡狀態(tài)。當(dāng)將手指軸放到應(yīng)變儀孔內(nèi)時(shí)，向外力大的方向就產(chǎn)生反作用力，使應(yīng)變儀四個(gè)輸出口出現(xiàn)不平衡狀態(tài)，從而體現(xiàn)傳感作用。（3）識(shí)別傳感器識(shí)別形狀傳感器，一般使用由電視攝像機(jī)或光電二極管陣列構(gòu)成的矩陣式攝像機(jī)。在使用這種傳感器時(shí)，關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)存取及其處理的速度，如速度過(guò)于遲緩，就不可能使機(jī)械手的作業(yè)與有關(guān)作業(yè)同步。（4）自適應(yīng)診斷傳感器自適應(yīng)診斷傳感器安裝在手指上，用以對(duì)夾持力的大小進(jìn)行自適應(yīng)控制。只要不改變手指和被夾持物體的相對(duì)位置，就能準(zhǔn)確地進(jìn)行控制。利用電唱機(jī)拾音器心坐的原理，使針接觸物體。2.3 液壓傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算油泵是液壓系統(tǒng)的心臟，他把電動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成油壓，同時(shí)向液壓系統(tǒng)提供具有一定壓力和流量的壓力油。油泵種類較多，目前在機(jī)械手上多數(shù)是采用齒輪泵和葉片泵，而從流量的特性來(lái)看，多數(shù)是采用葉片泵。手爪夾緊設(shè)計(jì)中所選擇的是葉片泵。機(jī)械手常用的葉片泵(YB)型額定工作壓力一般為63 。而定量泵是根據(jù)液壓系統(tǒng)所需的油泵工作壓力 和所需要的2/kgcmP泵流量 這兩個(gè)參數(shù)來(lái)確定的。q泵在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中任何油缸工作時(shí)，都要有一定的輸出力（或力矩） 、運(yùn)動(dòng)速度和方向。凡控制油缸輸出力大小、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向都需要有閥來(lái)控遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè)制。壓力閥——實(shí)現(xiàn)機(jī)械手所需輸出力（或力矩） ，它包括溢流閥、減壓閥、安全閥、順序閥和壓力繼電器；流量閥——控制流量大小，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的運(yùn)動(dòng)速度。如節(jié)流閥、調(diào)速閥；方向閥——由減壓閥與節(jié)流閥串聯(lián)，保證節(jié)流閥進(jìn)出口壓力差趨于穩(wěn)定，使流量不受外界負(fù)荷變化的影響。常用的有二位三通及三位四通電磁換向閥。2.3.1 手爪夾緊液壓傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算(1)確定油缸的工作壓力 P????缸C缸 1.5.??()MPa式中： ——油缸的工作壓力 ；缸 ()a——油缸的最大工作壓力 ；——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失 ；P??()a——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長(zhǎng)時(shí)，C一般取 。1.05~.?(2)確定經(jīng)油缸的流量經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量 和總泄maxq漏量來(lái)確定。即： maxqk??缸 1.204??(/in)L式中： ——經(jīng)油缸的液壓油路中的流量 ；q缸 (/in)L——泄漏系數(shù)取 ；k.——系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，油缸速度最大時(shí)所需要的總流量 。max (/min)L(3)確定油泵所需電機(jī)功率遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè)612PqN???泵 額 泵 5.982.30.???()kw式中： ——油泵所需要的電動(dòng)機(jī)功率 ；()kw——所需油泵工作壓力 ；P泵 Ma——油泵額定流量 ；q額 (/min)L——油泵總效率，一般葉片泵 ，?泵 =0.75~8?泵柱塞泵 。=0.75~9泵2.3.2 手爪回轉(zhuǎn)液壓傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算(1)確定油缸的工作壓力 P????缸 C缸 1.3.?()MPa式中： ——油缸的工作壓力 ；缸 ()a——油缸的最大工作壓力 ；——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失 ；P??()a——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長(zhǎng)時(shí)，C一般取 。1.05~.?(2)確定經(jīng)油缸的流量經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量 和總泄maxq漏量來(lái)確定。即： maxqk??缸 1.204??(/in)L式中： ——油缸所需流量 ；q缸 (/in)L——泄漏系數(shù)取 ；k.遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè)——系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，油缸速度最大時(shí)所需要的總流量 。maxq (/min)L(3)確定油泵所需電機(jī)功率 612PqN???泵 額 泵 3.98251.30.???()kw式中： ——油泵所需要的電動(dòng)機(jī)功率 ；()kw——所需油泵工作壓力 ；P泵 Ma——油泵額定流量 ；q額 (/min)L——油泵總效率，一般葉片泵 ，?泵 =0.75~8?泵柱塞泵 。=0.75~9泵(4)液壓缸的扭矩計(jì)算當(dāng)擺動(dòng)式液壓缸的兩油口相繼通以壓力油時(shí)，葉片即帶動(dòng)擺動(dòng)軸作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)考慮到機(jī)械效率時(shí)，液壓缸缸的擺動(dòng)軸輸出扭矩 T 為：212()(8mbTDdp???60.3.60.5)(3.02)1.98????29.()N?式中： ——葉片寬度 ；b()m——擺動(dòng)軸直徑 ；d——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 ；D()——供油壓力 ；1p()Pa——回油壓力 ；2——液壓缸的機(jī)械效率。m?根據(jù)能量守恒原理，結(jié)合上式得出角速度 為：?遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè)28()vqbDd?????322410.9605)0???398(/)ras式中： ——液壓缸葉片寬度 ；b)m——擺動(dòng)軸直徑 ；d(——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 ；D)——液壓缸的流量 ；q3(/s——液壓缸的容積效率。v?2.4 夾緊力的計(jì)算2.4.1 液壓缸產(chǎn)生的推力及運(yùn)動(dòng)速度手爪夾緊所用的液壓缸是單桿活塞式液壓缸，活塞的伸縮使得手爪夾緊與放開(kāi)。單桿活塞式液壓缸的活塞桿只從液壓缸的一端伸出，液壓缸的活塞在兩缸有效作用面積不相等，當(dāng)向液壓缸兩腔分別供油，且壓力和流量都不變時(shí)，活塞在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)速度和推力都是不相等的，即運(yùn)動(dòng)具有不對(duì)稱性。(1)手爪夾緊的設(shè)計(jì)計(jì)算當(dāng)無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度 V 為： 214vvqAD???320.96.??478（ m/s）式中： ——液壓缸的流量 ；q3(/)——無(wú)桿腔部分液壓缸的橫截面積 ；1A2()遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè)——液壓缸的容積效率；v?——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 。D()m液壓缸所產(chǎn)生的推力 F 為： 12mAp???2[()]4mDdp?2220.35.03.17)0.]???619834.?()N式中： ——無(wú)桿腔部分液壓缸的橫截面積 ；1A2m——有桿腔部分液壓缸的橫截面積 ；2 ()——供油壓力 ；1p()Pa——回油壓力 ；2——液壓缸的機(jī)械效率；m?——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 ；D()a——活塞桿直徑 。dP(2)手爪放開(kāi)的設(shè)計(jì)計(jì)算當(dāng)有桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度 V 為： 224()vvqADd?????32210.967??065（ m/s）式中： ——液壓缸的流量 ；q3(/)遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè)——無(wú)桿腔部分液壓缸的橫截面積 ；1A2()m——液壓缸的容積效率；v?——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 。D()液壓缸所產(chǎn)生的推力 F 為：212mAp???21[()]4mDdp?2260.3.75.10.98???()N式中： ——無(wú)桿腔部分液壓缸的橫截面積 ；1A2——有桿腔部分液壓缸的橫截面積 ；2 ()m——供油壓力 ；1p()Pa——回油壓力 ；2——液壓缸的機(jī)械效率；m?——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 ；D()a——活塞桿直徑 。dP2.4.2 夾緊力的計(jì)算夾緊機(jī)構(gòu)在抓取工件時(shí)必須要有一定的夾緊力（即握力） ，其握力的大小與夾緊機(jī)構(gòu)的形式、夾緊方位和工件的形狀都有關(guān)。因而研究夾緊機(jī)構(gòu)處在什么方位時(shí)，夾緊工件所需要的驅(qū)動(dòng)力為最小，這個(gè)最小的夾緊力稱之為當(dāng)量夾緊力。當(dāng)量夾緊力就是使工件處于水平位置時(shí)的最小驅(qū)動(dòng)力。(1)當(dāng)量夾緊力的計(jì)算當(dāng)卡爪平衡時(shí)，夾緊力與驅(qū)動(dòng)力的平衡條件是：遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè)，0aM??10NbPC???即： 式中： ——滑槽方向與兩銷軸的距離 ；a()m——夾緊力 ；N()——工件重心距手指回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離 ；b()——滑槽對(duì)銷軸的反作用力 ；1PN——夾緊系數(shù)。C其中： ， cosa??12cosP式中： ——鉗口與水平面的夾角；?——油缸產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力 。P()N(2)考慮工件重量時(shí)的最小驅(qū)動(dòng)力當(dāng)手爪夾緊時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力 P 為： 212()cosbGa???20.594059.8)cs303??.?()N式中: ——油缸產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力 ；P()——滑槽方向與兩銷軸的距離 ；am——工件重心距手指回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離 ；b()——鉗口對(duì)工件的夾緊力 ；1N()N——鉗口對(duì)工件的夾緊力 ；2——手指部分的重量 ；G()kg遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè)——鉗口與水平面的夾角。?當(dāng)手爪尚未夾緊，油缸保持水平位置時(shí)其驅(qū)動(dòng)力最小，其最小驅(qū)動(dòng)力為：minP2mincosbGPa???20.59.8cs3031??7.4()N(3)手爪夾緊力的計(jì)算手指對(duì)工件的夾緊力可按下列計(jì)算： 123KG???.59.8??7()N式中： ——手指對(duì)工件的夾緊力 ；N——安全系數(shù)，通常取 ；1K21.~K——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可取 ；2 21.~5K?——方位系數(shù)，查表得 ；3 35?——被抓取工件的重量 。G()kg綜上所述，油缸產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力滿足驅(qū)動(dòng)的要求。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè)3 手腕部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1 確定油缸的工作壓力 P????缸C缸 1.5.??()MPa式中： ——油缸的工作壓力 ；缸 ()a——油缸的最大工作壓力 ；——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失 ；P??()a——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長(zhǎng)時(shí)，C一般取 。1.05~.?3.2 確定經(jīng)油缸的流量經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量 和總泄maxq漏量來(lái)確定。即： maxqk??缸 1.204??(/in)L式中： ——油缸所需流量 ；q缸 (/in)L——泄漏系數(shù)取 ；k.——系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，油缸速度最大時(shí)所需要的總流量 。max (/min)L遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè)3.3 確定油泵所需電機(jī)功率 612PqN???泵 額 泵 5.982.30.???()kw式中： ——油泵所需要的電動(dòng)機(jī)功率 ；()kw——所需油泵工作壓力 ；P泵 Ma——油泵額定流量 ；q額 (/min)L——油泵總效率，一般葉片泵 ，?泵 =0.75~8?泵柱塞泵 。=0.75~9泵3.4 液壓缸的輸出扭矩計(jì)算當(dāng)擺動(dòng)式液壓缸的兩油口相繼通以壓力油時(shí)，葉片即帶動(dòng)擺動(dòng)軸作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)考慮到機(jī)械效率時(shí)，葉片缸的擺動(dòng)軸輸出扭矩 T 為：212()(8mbTDdp???60.7.0.37)(5.02)1.98????2.65()N?式中： ——葉片寬度 ；b()m——擺動(dòng)軸直徑 ；d——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 ；D()——供油壓力 ；1p()Pa——回油壓力 ；2——液壓缸的機(jī)械效率。m?遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè)根據(jù)能量守恒原理，結(jié)合上式得出角速度 為：?28()vqbDd????322410.960.7.7)0???(/)ras式中： ——液壓缸葉片寬度 ；b)m——擺動(dòng)軸直徑 ；d(——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 ；D)——液壓缸的流量 ；q3(/s——液壓缸的容積效率。v?遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè)4 手臂部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算手臂是機(jī)械手的主要部分，它是支撐手腕、手指和工件并使它們運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。4.1 手臂的作用和組成手臂一般有三個(gè)運(yùn)動(dòng)——伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、升降運(yùn)動(dòng)是由橫臂和立柱去完成。手臂的基本作用是將手爪移動(dòng)到所需位置和承受手爪抓取工件的最大重量，以及手臂的自身的重量等。手臂由以下幾部分組成：(1)動(dòng)作元件，如油缸、氣缸、齒條、齒輪等是驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件。(2)導(dǎo)向裝置，是保證手臂的正確放心及承受由于工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。(3)手臂，起著連接和承受外力的作用。手臂上的零部件如油缸、導(dǎo)向桿、控制剛等都安裝在手臂上。此外，根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作和工作的要求，如管路、冷卻裝置、行程定位裝置和自動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)等，一般也都裝在手臂上。所以手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、承載能力和動(dòng)作精度都直接影響機(jī)械手的工作性能。4.2 對(duì)設(shè)計(jì)手臂的要求(1)手臂應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕。手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件時(shí)動(dòng)作的平穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)的速度和定位精度。如果剛性差則會(huì)引起手臂在垂直平面內(nèi)的彎曲變形和水平面內(nèi)的側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形，手臂就要產(chǎn)生振動(dòng)，或動(dòng)作時(shí)工件卡死無(wú)法工作。為此，手臂一般都采用剛性較好的導(dǎo)向桿來(lái)加大手臂的剛度，各支承、連接件的剛性也要有一定的要求，以保證能承受所需要的驅(qū)動(dòng)力。(2)手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng)，慣性要小。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度一般是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍要求來(lái)決定，但不宜盲目地追求高速度。手臂的自重輕，其啟動(dòng)和停止的平穩(wěn)性就好。(3)手臂動(dòng)作要靈活遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè)手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能使手臂運(yùn)動(dòng)輕快、靈活。如在運(yùn)動(dòng)臂上加裝滾動(dòng)軸承或采用滾珠導(dǎo)軌也能使手臂運(yùn)動(dòng)輕快、平穩(wěn)。此外，對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，還要考慮零件在手臂上的布置，就是要計(jì)算手臂移動(dòng)零件時(shí)的重量對(duì)回轉(zhuǎn)、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩對(duì)手臂運(yùn)動(dòng)很不利。偏重力矩過(guò)大，會(huì)引起手臂的振動(dòng)，在升級(jí)時(shí)還會(huì)發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象，也會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的靈活性，嚴(yán)重時(shí)手臂與立柱會(huì)卡死。所以在設(shè)計(jì)手臂時(shí)要盡量使手臂重心通過(guò)回轉(zhuǎn)中心，或離回轉(zhuǎn)中心要盡量的近，以減少偏重力矩。對(duì)于雙臂同時(shí)操作的機(jī)械手，則應(yīng)使兩臂的布置盡量對(duì)稱于中心，以達(dá)到平衡。(4)位置精度要高機(jī)械手要獲得較高的位置精度，除采用先進(jìn)的控制方法外，在結(jié)構(gòu)上還要注意如下幾個(gè)問(wèn)題：機(jī)械手的剛度、偏重力矩、慣性力及緩沖效果都直接影響手臂的位置精度；加設(shè)定位裝置和行程檢測(cè)機(jī)構(gòu)。合理選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式。直角坐標(biāo)式機(jī)械手的位置精度較高，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)都比較簡(jiǎn)單、誤差也?。换剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差，是放大式的尺寸誤差，當(dāng)轉(zhuǎn)角位置一定時(shí)，手臂伸出越長(zhǎng)，誤差越大。(5)通用性強(qiáng)，能適應(yīng)多種作業(yè)；工藝性好，便于維修調(diào)整。4.3 手臂的結(jié)構(gòu)手臂的伸縮和升降運(yùn)動(dòng)采用直線油缸驅(qū)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角小于 360 度的情況下，采用擺動(dòng)油缸。手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)，常用直線油缸帶動(dòng)鉸鏈杠桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。(1)手臂直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)手臂作直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，基本上是由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向裝置所組成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手中實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)運(yùn)動(dòng)用的的雙作用雙活塞桿油缸。因?yàn)樾谐瘫容^大，因此將油缸做得很長(zhǎng)，體積很大，則加工上有困難。而伸縮式雙活塞桿油缸既能滿足行程要求，油缸體積又小，其缺點(diǎn)是一次行程有兩種速度。在結(jié)構(gòu)上可以是油缸體固定、活塞剛運(yùn)動(dòng)；也可以是活塞桿固定，而缸體運(yùn)動(dòng)。(2)手臂的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)手臂的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)采用葉片式擺動(dòng)缸，葉片式擺動(dòng)缸的回轉(zhuǎn)角小于 360 度，缸的結(jié)構(gòu)定片可以與缸體固聯(lián)，有時(shí)也可以相反。只要選取適當(dāng)?shù)臏p速機(jī)構(gòu)，便可得到需要的手臂擺動(dòng)速度。（3）手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由于手臂懸伸后加持工件，其偏重力矩較大，故必須采用強(qiáng)有力的俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。往復(fù)直線油缸可繞其支承銷軸擺動(dòng)。當(dāng)油缸活塞桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)鉸鏈帶動(dòng)支架上下擺動(dòng)，而手臂安裝在支架上。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè)4.4 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算4.4.1 確定油缸工作壓力 P????缸 C缸 1.0=?()MPa式中： ——油缸的工作壓力 ；缸 ()a——油缸的最大工作壓力 ；——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失 ；P??()a——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長(zhǎng)時(shí)，C一般取 。1.05~.?經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量 和總泄maxq漏量來(lái)確定。即： maxqk?缸 .23=4?(/in)L式中： ——經(jīng)油缸的液壓油路中的流量 ；q缸 (/i)——泄漏系數(shù)取 ；k1.?——系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，油缸以最大速度運(yùn)行所需要的總流量。max4.4.2 驅(qū)動(dòng)力的設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)手臂運(yùn)動(dòng)的不同，驅(qū)動(dòng)力可以分為兩種情況來(lái)計(jì)算。（1）手臂水平伸縮時(shí)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算當(dāng)手臂水平伸縮時(shí)，主要克服摩擦阻力 和慣性力 ，所以驅(qū)動(dòng)力的大F摩 慣小為： =P?驅(qū) 摩 慣 20.853.7156.??()N其中摩擦力應(yīng)包括手臂與伸縮導(dǎo)軌間的摩擦阻力、活塞與密封裝置處的摩擦阻力。而活塞與密封裝置處的摩擦阻力相對(duì)于導(dǎo)軌間的摩擦阻力可忽略不計(jì)，則摩擦阻力為：遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁(yè)F=mg1059.820.58f????摩 ()N式中： ——摩擦阻力 ；摩 ()N——手臂、手腕、手爪及工件的總重量 ；()kg——重力加速度 。g2(/)s慣性力的大小可按照下列方式計(jì)算：F慣 V=mgt??1059.82??3.71()N式中： ——手臂在啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力 ；F慣 ()N——手臂、手腕、手爪及工件的總重量 ；kg——重力加速度 ；g2(/)s——啟動(dòng)或制動(dòng)前后的速度差 ；V?(/)ms——啟動(dòng)或制動(dòng)前后的時(shí)間差 。t（2）手臂水平回轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)力距的計(jì)算手臂啟動(dòng)水平回轉(zhuǎn)時(shí)主要克服慣性力矩和摩擦力矩，由于摩擦力矩比較小，可以近似的取 。因此驅(qū)動(dòng)力矩為：0.1M?摩 慣 =?驅(qū) 慣 摩49.60149.6?5Nm?（ ）式中： ——驅(qū)動(dòng)力距 ；驅(qū) ?（ ）——慣性力矩 ；M慣 （ ）——摩擦力矩，包括各支承處摩擦力矩 。摩 ?（ ）其中慣性力矩的大小可按下式計(jì)算： 0=()CJJtt?????慣遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 26 頁(yè)6.9(4.260.1)2???9Nm?（ ）式中： ——手臂回轉(zhuǎn)部件對(duì)其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)到慣量 ；J 2()kgs?——手臂回轉(zhuǎn)的角速度差 ；??(/)rads——啟動(dòng)時(shí)所需的時(shí)間 ；t——零件對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ；0J 2()kgms?——零件作為其重心位置的質(zhì)點(diǎn)對(duì)手臂回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)C慣量 。2()kgms?由于所夾持的工件為圓柱體，所以零件對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小為：2CGJ???2105.6398?4()kgms?式中： ——手臂回轉(zhuǎn)半徑，即工件重心到回轉(zhuǎn)中心的距離 ；?()——手臂運(yùn)動(dòng)件的重量 。G()零件作為其重心位置的質(zhì)點(diǎn)對(duì)手臂回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量則可按下式計(jì)算： 201GJlg?（ +3R） 225(0.61.05)98??.)kms?式中： ——所夾圓柱體的長(zhǎng)度 ；l()——所夾圓柱體的半徑 。R遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 27 頁(yè)4.4.3 偏重力矩的設(shè)計(jì)計(jì)算偏重力矩就是手部懸伸部分的全部零件重量（作用在各自的重心上）對(duì)手臂回轉(zhuǎn)中心的靜力距 。最大偏重力矩產(chǎn)生于手臂伸縮缸全部伸出，并夾持eM額定重量的零件時(shí)，各零件的重量可按其結(jié)構(gòu)形狀、材料比重進(jìn)行粗略計(jì)算。重心位置，由于零件多數(shù)均采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故重心應(yīng)位于其幾何截面的形心上，計(jì)算時(shí)可把手臂的偏重部分分解成幾個(gè)單元，先分別計(jì)算，然后匯總。首先計(jì)算立柱支承的全部零件的重量 ：G總=+工總 爪 腕 臂5170??()kg式中： ——立柱支承的全部零件的總重量 ；G總——工件重量 ；工 ()——手爪部分重量 ；爪 kg——手腕部分重量 ；腕 ()——手臂部分重量 。臂立柱支承的全部零件的總重量 的重心位置距回轉(zhuǎn)中心的距離為 ，則：G總 ??1=niiiiiX???G++GX????工 工 爪 爪 腕 腕 臂 臂工 爪 腕 臂50.741.6350.74.0?????.2()m遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 28 頁(yè)式中： ——工件重量 ；G工 ()kg——手爪部分重量 ；爪——手腕部分重量 ；腕 ()——手臂部分重量 ；臂 kg——工件重心距離回轉(zhuǎn)中心的距離 ；X工 ()m——手爪重心距離回轉(zhuǎn)中心的距離 ；爪——手腕重心距離回轉(zhuǎn)中心的距離 ；腕 ()——手臂重心距離回轉(zhuǎn)中心的距離 。臂其偏重力矩 為：eMGe???總105.2?36Nm?（ ）如果求出的偏重力矩過(guò)大，可重新布置各部件在手臂上的位置，也可加平衡塊來(lái)改善受力情況。但這樣又會(huì)增大手臂重量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因此要多方考慮。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁(yè)5.機(jī)身的設(shè)計(jì)與計(jì)算5.1 機(jī)身升降液壓轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算5.1.1 確定油缸的工作壓力 P????缸C缸 1.56.??()MPa式中： ——油缸的工作壓力 ；缸 ()Ma——油缸的最大工作壓力 ；——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失 ；P??()a——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長(zhǎng)時(shí)，C一般取 。1.05~.?5.1.2 確定經(jīng)油缸的流量經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量 和總泄maxq漏量來(lái)確定。即： maxqk??缸 1.2607??(/in)L式中： ——經(jīng)油缸的液壓油路中的流量 ；q缸 (/in)L遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 30 頁(yè)——泄漏系數(shù)取 ；k1.2k?——系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，油缸以最大速度運(yùn)行所需要的總流量。maxq5.1.3 確定油泵所需電機(jī)功率612PqN???泵 額 泵 .598720.6???()kw式中： ——油泵所需要的電動(dòng)機(jī)功率 ；()kw——所需油泵工作壓力 ；P泵 Ma——油泵額定流量 ；q額 (/min)L——油泵總效率，一般葉片泵 ，?泵 =0.75~8?泵柱塞泵 。=0.75~9泵5.1.4 液壓泵的校核當(dāng)無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度 V 為： 214vvqAD???3270.96.??5（ m/s）式中： ——液壓缸的流量 ；q3(/)——無(wú)桿腔部分液壓缸的橫截面積 ；1A2()——液壓缸的容積效率；v?——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 。D()m液壓缸所產(chǎn)生的推力 F 為：