仿人机械手的结构设计与现实意义
作者：李明达;祖慧鹏;侯岱双;管书涵
作者机构：长春工程学院，吉林长春130012;长春工程学院，吉林长春130012;长春工程学院，吉林长春130012;长春工程学院，吉林长春130012来源：科技视界
ISSN：2095-2457
年：2013
卷：000
期：034
页码：102-102
页数：1
正文语种：chi
关键词：仿人机械手;三维建模;运动学仿真
摘要：本文阐述了仿人机械手研发的国内外发展现状与存在的问题，并针对这些问题对仿人机械手进行了三维建模以及运动学仿真，同时阐明了仿人机械手研究对社会生活的现实意义。
收稿日期：!""#$"%$!% 作者简介：刘世廉（%&’()），男，河北沧州人，工程师，硕士研究生，主要研究方向为智能机器人系统；周华平，男，副教授，博士；马宏 绪，男，教授，博士。 控制工程!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! *+,-.+/0,12,33.2,1+4*52,67689!""# :+/9%"，;"!""#年<月第%"卷增刊文章编号：%=’%)’>(>（!""#）;")"%(’)"< 一种新型仿人多指机械手的简易实现 刘世廉，周华平，马宏绪 （国防科技大学机电工程与自动化学院，湖南长沙 (%""’#） 摘要：简要介绍了几种典型手爪机构的结构及设计特点，然后从仿生学的角度，模 仿人手的功能、结构，提出了一种仿人型多指机械手机构简易实现的设计。并从结构设计、建模及控制系统的实现等方面给出了较详尽的阐述。最后，运用76-/6?对手指模型和腱传动系统模型进行了仿真。对于机构进行的实验证明，由于该设计采用了“欠驱动”的简化结构方式，因此减轻了质量、降低了能耗及制作成本，同时，对手指的建模、控制也变得更为容易，大大提高了操作的适应性。关键词：仿生学；仿人多指机械手；欠驱动；简易实现 中图分类号：@A !(% 文献标识码：B !引言机器人手爪机构直接作用于工作对象，机器人要完成的各种操作，最终必须通过手爪来得以实现；同时，手爪的结构、质量、尺寸对于机器人整体的运动学、动力学性能以及使用也有着直接、显著的影响。机器人整体水平的高低好坏，最终能否正常按照人们的意图去工作，还要看其末端执行机构。因此，手爪机构是仿人机器人设计中一个重要环节。 在目前的多指机器人手爪机构中，比较典型的有美国C-65D 7E FE @E 设计的由(自由度的三指和(自由度的一个大拇指组成的手爪机构，大拇指朝三指运动，手由气动操作的“腱”及其所驱动的活动连杆、低摩擦滑轮构成。贝尔格莱德手指（G3/1.6H3I6,H ）则是由直流电机通过涡轮、涡杆 带动驱动杠杆，都能操作处理较精细的物体，相应地，其结构也都比较复杂。北京航空航天大学研制的三指&自由度多指机器人手爪机构在紧凑、灵活、实用等方面更进了一步。人手是人类经过世世代代的劳动演变进化而成，其小巧紧凑的结构、灵活稳定的抓取操作功能，应该是研究机器人手爪的理想模型和目标。因此，如何分析并选取合理的简化结构和运作方式，采用何种表现形式才能既有利于功能的实现，又不影响控制的方便，便成为需要首先要解决的任务。 "仿人型多指机械手的设计 机器人手部的结构和设计，对机器人的性能 和使用有着直接的影响。基于对常用手部形式的归类和典型结构的分析，从仿生和美学的角度出发，做了一些对特定手部的设计有帮助、有利于实现手部设计模块化和标准化的尝试及探索。%）基本思想机器人简易手指的设计， 坚持美观实用的原则。从仿生学的角度，仿照人类手指的结构、特点和功能进行设计，使其具有灵巧、美观、通用性、实用性强的特点。因此，手指设计力求结构紧凑，质量轻便。 在材料上，选用轻便坚固的合金钣材；手指在结构上采用三关节，由钢丝绳拉动，模仿人类手指的外型和运动特点。 整个手部结构外形如图%所示，其驱动电机和控制器均内置在手掌之中。 图!手掌结构图 ! ）系统设计原理 万方数据
1 绪论 1.1工业机械手的概述 工业机器手是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置；由计算机控制，是无人参与的自主自动化控制系统；他是可编程、具有柔性的自动化系统，可以允许进行人机联系。可以通俗的理解为“机器人是技术系统的一种类别，它能以其动作复现人的动作和职能；它与传统的自动机的区别在于有更大的万能性和多目的用途，可以反复调整以执行不同的功能。” 工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的.我国的工业机械手是从80年代"七五"科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过"七五","八五"科技攻关,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,控制系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有130多台喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。如：可靠性低于国外产品，机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。影响我国机械手发展的关键平台因素就是其软件，硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在制造业，其中汽车工业占第一位（占28.9%），电器制造业第二位（占16.4%），化工第三位（占11.7%）。发达国家汽车行业机械手应用占总保有量百分比为23.4%～53%，年产每万辆汽车所拥有的机械手数为（包括整车和零部件）：日本88.0台，德国64.0台，法国32.2台，英国26.9台，美国33.8台，意大利48.0台。 世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。 上料机械手与卸料机械手相比，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型铝棒料的搬运及高温材料的自动上料作业，最大抓取棒料直径达180mm，最大抓握重量可达30公斤，最大行走距离为1200mm。根据作业要求及载荷情况，机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。电气控制系统采用OMRON可编程控制器，各种作业的实现可以通过编程实现。 国内外实际使用的多是定位控制的机械手，没有“视觉”和“触觉”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手，使它能够对所抓取的工件进行分辨，能选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确地在机器上定位、定向。 为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零部件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工
目录 中文摘要 I Abstract ....................................................................................................................... II 1 绪论 (1) 1.1前言 (1) 1.2 工业机械手的简史 (1) 1.3工业机械手在生产中的应用 (3) 1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 (3) 1.3.2 在实现单机自动化方面 (3) 1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 (4) 1.4 机械手的组成 (4) 1.4.1 执行机构 (4) 1.4.2 驱动机构 (5) 1.4.3 控制系统分类 (5) 1.5工业机械手的发展趋势 (5) 1.6 本文主要研究内容 (6) 1.7 本章小结 (6) 2 机械手的总体设计方案 (7) 2.1 机械手基本形式的选择 (7) 2.2机械手的主要部件及运动 (7) 2.3驱动机构的选择 (8) 2.4 机械手的技术参数列表 (8) 2.5 本章小结 (8) 3 机械手手部的设计计算 (10) 3.1 手部设计基本要求 (10) 3.2 典型的手部结构 (10) 3.3机械手手抓的设计计算 (10) 3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置 (10) 3.3.2 手抓的力学分析 (11) 3.3.3 夹紧力及驱动力的计算 (12) 3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算 (13) 3.5 本章小结 (16) 4 臂部的结构及有关计算 (17) 4.1 概述 (17) 4.2 手部直线运动机构 (17)
一、总体方案设计 1.1设计任务 基本要求: 设计一个多自由度机械手（至少要有三个自由度）将最大重量为40Kg的工件，由车间的一条流水线搬到别一条线上； 二条流水线的距离为：1000mm； 工作节拍为：70s； 工件：最大直径为160mm 的棒料； 1.2总体方案确定 1.2.1自由度 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的开合自由度。自由度表示了机器人灵活的尺度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。 机械手的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是结构也越复杂，自由度的增加也意味着机械手整体重量的增加。轻型化与灵活性和抓取能力是一对矛盾，，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活性和轻量化之间必须做出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用机械手有5～6个自由度即可满足使用要求（其中臂部有3个自由度，腕部和行走装置有2～3个自由度），专用机械手有1～2个自由度即可满足使用要求。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一动作。在满足前提条件上尽量使结构简单，所以我们这次选择5自由度机械手。 1.2.2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：
特点：操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。 结构图： (2)圆柱坐标型机械手： 特点：操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置。 优缺点：结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高。 结构图：
本科毕业设计(论文) 题目：焊接机械手的结构设计 系别：机电信息系 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 学生： 学号： 指导教师： 2013年5月
焊接机械手的结构设计 摘要 本设计为焊接机械手的结构设计，主要研究内容：腰部回转机构的设计；大、小臂和腕部回转的结构设计。 本设计由整体布局入手，参考现有关节型机械臂的相关设计，初步确定腰部的转动惯量，从而确定电机的选型，安装等相关设计。在机械臂的灵活和精度的前提下完成总体结构的设计，然后根据总体结构，从而确定本设计的机械臂各个主要零部件的设计。 在主要零部件的设计中，主要包括腰部壳体的设计、轴的结构设计、轴承的选择、电机的设计计算、大小臂的结构和固定等。 本设计整体在现有关节型机械臂的结构上做了修改，使得它能够更好的满足本设计的设计要求。本设计结构简单、重量轻、外形尺寸小、设备费用低、运转安全、操作方便、便于维修和管理。 关键词：机械手；谐波减速器；结构设计
Structure design of robot arm Abstract The design for the design of welding structure of the manipulator, the main research contents: the design of the waist turning mechanism；structure design of large, small arm and wrist rotation. This design by the overall layout with reference to the relevant design, the existing joint type manipulator, preliminary determine the moment of inertia of the waist, so as to determine the motor selection, installation and other related design. Complete the design of the overall structure of the flexible manipulator based on precision and the next, and then based on the overall structure, design of mechanical arm to determine the design of all the major components of the. The design of the main components, including the housing design, structural design of shaft, bearing selection, design and calculation of the size of motor, arm structure and fixed. The design of the whole made changes in the existing joint type manipulator structure, so that it can better meet the design requirement of this design. The design has simple structure, light weight, small size, low cost of equipment, operation safety, convenient operation, easy to repair and management. KeyWords：robot arm；harmonic drive；structure design
机电工程学院 《专业综合课程设计》 说明书 课题名称：简易机械手机械机构设计 学生姓名：沈柳根学号：20110611119 专业：机械电子工程班级：11机电 成绩：指导教师签字： 2015年1月5日
摘要 简易机械手是工业机械手的简化，功能相似，而工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。 通过对于气动机械手的设计，展现了各个相关学科知识在这里的整合，有利于理解专业知识。 关键词：简易机械手；结构设计；气动
目录 摘要....................................................... 错误！未定义书签。 1 设计任务介绍及意义 (1) 1.1设计任务意义： (1) 1.2设计任务要求介绍： (1) 2 总体方案设计 (3) 2.1 结构分析 (3) 2.3 设计简介 (3) 3 机械传动结构设计 (5) 3.1传动结构总体设计 (5) 3.2手指气缸的设计 (6) 3.3纵向气缸的设计 (12) 3.4横向气缸的设计 (13) 4最终图纸 (15) 4.1装配图 (15) 5 总结 (16) 参考文献 (17)
任务书 学院：专业：班级：学生情况指导教师情况题目类型 姓名学号姓名职称单位理论研究□科研开发□ 机电工程学院工程设计√论文□ 题目电动式关节型机器人机械手的结构设计与仿真 主要内容以及目标(毕业设计应完成的主要内容，设计任务达到的目标) 主要内容: （1）完成调研报告和开题报告； （2）完成电动式关节型机器人机械手的结构设计； （3）建立该机械手的三维虚拟模型并对其进行运动仿真； （4）中英文摘要各200字，设计说明书不少于15000字； （5）外文资料翻译不少于5000字。 目标: （1）完成电动式关节型机器人机械手的结构设计，其中包括装配图及关键的零件图；（2）对机械手进行三维建模、虚拟装配与仿真。 成果形式（毕业设计完成具体工作量；成果形式；验收方式）（1）3张A0图纸，包括装配图、零件图； （2）调研报告、开题报告以及设计计算说明书；（3）机械手的三维虚拟模型以及运动仿真的录像。 基本要求（对完成设计任务方面的具体要求：设计技术参数、数据及来源、调试所用仪器设备） 设计技术参数： 手部负重：10kg（抓取物体的形状为圆柱体.圆柱半径.高度自定.密度7.8g/cm3.） 运动轴数： 数据来源： 北京机械工业自动化研究所、上海发那科机器人有限公司 实习调研要求（对部分有实习环节的专业，提出实习或调研的具体要求，包括调研提纲、实习时间、地点和具体内容要求） （1）了解国内外工业机器人的现状、水平和发展趋势； （2）了解工业机器人的各个组成部分； （3）掌握电动式关节型机器人机械手的组成机构及其工作原理； （4）分析现有各种类型工业机器人的特点，如运动方式、驱动方式、控制方式等；（5）总结出本设计课题的基本实现方法及结构，分析其技术关键及难点； （6）做出本设计课题的设计安排，如技术线路、研究方法、设计工具、时间安排等。
第三章智能机械手的整体结构设计 智能机械手的结构设计应尽可能从仿生学的角度出发，通过设计出仿人形的多指智能手来代替人手完成各种精细复杂的操作。它是机构、传动、控制三大系统的综合设计，人类的四肢经过了几十万年进化，经过了大自然的优胜劣汰的优化选择，可以说已经是最优的结构，所以本设计决定采用完全模仿能人手的结构。 3.1智能机械手的机构设计 手的机构设计主要是确定机构的自由度、手指数目、机构原理、传动方案、关节、手掌的结构及几何尺寸、传感系统的布置位置。首先要求机构具有较高的运动传动精度，较好的可控性和经济性;其次要求机构本身有较佳的机械特性。本文智能机械手的设计主要包括以下七个方面： 1)手指关节运动副的型式 2)手指自由度 3)手指数目 4)手指的结构型式(关节的数目及相对姿态) 5)手指材料 6)手指具体结构设计 7)手掌结构设计 3.1.1手指关节运动副型式 智能机械手的手指机构同其它任何机构一样，由若干构件组成，构件之间则通过运动副彼此相连，用来产生确定的运动。运动副相当于人手的关节。常见的运动副有转动副、移动副、螺旋副、圆柱副和球面副，它们的约束数分别为5、5、5、4和3，相应的自由度数目为l、1、1、2和3。 - - 16 - -
由于各运动副都要借助于驱动器来实现。而无论是转动的还是移动的驱动器又大多为一个自由度。所以在智能机械手关节驱动中，可以采用的只有转动副、移动副和螺旋副3种。但是采用移动副和螺旋副的关节只能够使手指获得直线运动，其灵活性明显要比只含转动副的手指要差，因此，本文所设计的智能机械手的运动副全部采用转动副。 3.1.2手指的自由度 自由度多的优点是在满足指端到达空间指定点的前提下，可以调整末杆的姿态，从而保证手指与物体的接触处于最佳状态。但是我们也可以看到，自由度增多，结构也更复杂，控制也更难。对于2自由度的手指来说，虽然不存在抓取和操作物体的灵巧性，但其智能机械手的结构设计和控制设计都很方便。本文设计的智能机械手每个手指有2个关节。 3.1.3手指的数目 人手能够抓取各种不同形状、不同材质的物体，其根本原因在于人手能采取各种各样的抓取姿态去适应特殊的任务要求。智能机械手的手指数目若小于3个，则无法完成对抓取物体的微细操作，当手指数为5时，是仿造人手的手指数目和结构，具有很多优势，如果技术允许可以完成人手的所有动作如图2-1，而且如果作为人的假肢则必须为5指。若手指数目多于5，由于每个关节需要分别独立驱动，如果再加上若干传感器，规划过程和控制过程都相当复杂，很难保证实时性，所以智能机械手的手指数目一般取3到5个手指。 从仿生学角度出发，为能实现对各种不同形状物体的抓取，本文设计的智能机械手的手指数目取为5个。 - - 17 - -
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/613641823.html, 仿人按摩机器手的研究与设计 作者：徐银龙王志坤 来源：《农家科技中旬刊》2018年第05期 摘要：为实现人体按摩的智能化，解决医务人员不足的现象，本文介绍的仿人按摩机器 手是基于中医按摩理论，并针对手腕进行机构方面的创新设计。手腕是按摩的重要部位，决定了人型按摩机器手性能的关键。与传统的大型机械按摩手臂相比较，本文介绍了机器手的设计不仅体积小，结构简单，操作方便，而且模拟人手的尺寸，将人工和智能化很好的结合来控制机器手的运动，该机器手的研究具有重要的使用价值。 关键字：仿人按摩手腕和手指研究与设计 0引言 如今随着科技的发展，越来越多的人受工作压力的提高，长期处于疲劳状态，使得工作效率降低。按摩是一种很好的方法，不仅能够帮助我们舒缓神经，释放压力，还可以缓解和治 疗各种慢性疼痛，有助于身体疲劳快速康复。本文以此为背景，并参考传统的研究，将传统 的大型机械按摩手臂进行优化和升级，克服体型庞大，移动起来不够方便等问题。本文介绍的机器手手腕部位拟人化程度更高，手腕部位采用气压传动和连杆传动，手指关节处由双作用小型气缸并设计可调节回路，带动完成手指的伸展和收缩运动，以完成手指的按捏。将人工和智能化很好的结合起来。同时其设计思想也可以为服务机器手领域的研究与发展提供参考，并随着智能化的发展，将该设计方法更广泛的应用于其他需要代替人力工作的领域。 1机器手的机构设计和创新点 传统的按摩机械装置体型庞大，运动不够灵活，移动起来不够方便，发生故障时不能够及时的排除，该机器手的设计是基于以上问题进行优化，具有以下特点： （1）手腕部位拟人化程度更高，能够考虑到不同人群的需求进行有针对性的按摩和治疗，提高亲和力。 （2）在保证传动的可靠性条件下，不仅能够满足手腕和手指体型小，重量轻。而且结构简单，运动状态灵便，操作方法容易掌握，可以完成较多的复杂运动。 （3）手腕部位采用气压传动和连杆传动，其按摩速度和力度能够很好的控制，实现较好的按摩效果。 （4）手指关节处由双作用小型气缸带动来完成手指的伸展和收缩运动，以完成手指的按捏。
题目：搬运机械手及其PLC控制系统设计 摘要 搬运机械手是能模仿人和臂的某些动作功能，用以固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。为了满足生产的需要，机械手要求设置多种工作方式，例如手动和自动（包括连续、单周期、单步和自动返回初始状态）工作方式。在运动控制方面，PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。所以利用PLC程序控制可以实现机械手的控制要求。通过梯形图程序使各动作电磁阀动作，配合各极限位置的限位开关，准确而又循环的连续操作。系统以液压传动为驱动方式，避免使用三相异步电动机，具有防过载的优点。机械手、PLC、液压系统组成的整体具有高效、安全、经济、实用等特点。 下面我主要介绍一下设计过程中的具体展开工作： 初始阶段，指导老师要求我们上网查阅该设计的例子，以及阅读老师发的设计资料。看过之后，在脑子里有了大概的思路。本设计主要涉及的要点、重点、难点都清楚。从大的方面来说有硬件设计和软件设计。硬件设计包括机械手的抓取机构设计、液压系统原理设计、PLC的硬件设计；软件设计只有PLC的软件设计。经小组讨论，一致认为设计的路线为机械手的介绍、机械手抓取机构设计、液压系统原理设计、PLC的硬件设计、PLC的软件设计。下面具体介绍各部分的主要内容与展开的设计内容： 机械手的介绍：主要讲述了目前机械手在国内的发展状况，机械手的功能及应用场合。阐述了机械手的优点和特点，简单介绍了机械手的主要组成部分以及每个部分在机械手的作用。 机械手抓取机构设计： 对手部的设计要求： 1、有适当的夹紧力 2、有足够的开闭范围 3、力系结构简单，重量轻，体积小 4、手指应有一定的强度和刚度 5、其它要求 根据以上要求，计算出手部装置、大臂上下移动机构、上臂左右移动机构的右腔推力、夹紧力的大小，手部活塞杆行程长，确定“V”型钳爪的L,β。根据机械运动范围，确定出各腔流量以及工作压强。计算出各机构工件参数后，绘制成表格，初步计算选取液压缸。 液压系统原理设计：根据泵的供油压力、系统所需的最大流量，选择好溢流阀、调速阀、换向阀。设计出总体液压原理图，如下图所示。根据机械手的工
毕业设计(论文) 题目: 气动机械手升降臂结构设计，面板操纵式（有动力）点位示教部分控制软件设计
摘要 本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，气动技术的特点，PLC控制的特点,触摸屏的特点及国内外的发展状况。 本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的技术参数。同时，设计计算了机械手的升降臂和回转臂结构，设计了机械手的手部结构。 本文系统地研究了机械手的气动系统，对气压系统工作原理图的参数进行了了解，大大提高了绘图效率和图纸质量。 利用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，对机械手的面板操纵式（有动力）点位示教部分控制软件进行了设计。 关键词:工业机器人；机械手；气动；可编程序控制器；触摸屏；示教
Abstract This thesis gives a brief introduction of the conception of industrial robot and domestic and overseas development of industrial robot, including components and categories of manipulator, the characteristics of the system of air pressure drive technique and PLC, and the features of touch screen calibration. This thesis makes a general designation and decides the technique parameter of manipulator. Meanwhile, it designs the elevator arm and Rotary arm structure of manipulator as well as the construction of the hand part. This thesis focus on the analyzing of the air pressure drive system of manipulator and the study of the air pressure system working principle diagram datum, which helps a lot to make a improvement in charting. With the help of PLC we attain the controlling of manipulator. In this thesis, I choose the proper type of PLC, work out the manipulation program of PLC controller according to the working progress of manipulator, and design the manipulation software of the manipulation of Control panel (Dynamic) -Point Demonstration part. Keywords: industrial robot; manipulator; air pressure drive; PLC; touch screen; Demonstration
序 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 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）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。 1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更
滁州职业技术学院成人高等教育毕业设计 课题：机械手的动作控制 设计时间： 班级：09级机电一体化（3）班 学号： 姓名： 指导教师：李文萱
2011届机电一体化专业（09级机电3班）毕业设计任务书 -----机械手动作的控制 一、任务描述 机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，有些操作装置需要由人直接操纵。 二、设计目的 通过本次设计让学生了解一般PLC控制系统设计的过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法，同时也是对既往知识的复习、巩固和灵活应用的过程，可以提高学生的整体观，为今后走向工作岗位提供实践经验。 三、控制任务和一般要求 示意图中为一个机械手取与放的搬运系统，原点为左上方所达到的极限位置，搬运过程是机械手将工件由A传送到B。分别设计出手动和自动控制的程序。 1.上升和下降，左移和右移的执行均由双线圈二位电磁阀推动气缸来完成。 2.当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一但下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使此时线圈断电，机械手要仍然要保持现有的下降动作状态，直到相反方向的电磁阀线圈通电为止。 3.夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电执行放松动作。 4.设备装有上、下限位和左、右限位开关；夹紧和放松可以由限位开关来实现也可以利用定时器来实现。 5.当工件处于B处上方准备下放时，为确保安全，用光电开关检测B处有无 工件，只有在B处无工件时才能发出下放信号。
机械手结构设计Newly compiled on November 23, 2020
轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真 摘要 随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计计算过程。 首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体座标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。 文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。 最后使用软件对机械手的手部实现运动仿真。 关键词：机械手；运动仿真；液压传动；液压缸； 目录 中文摘要 (1) 英文摘要 (2) 主要符号表 (5) 1 绪论 (1) 前言 (1) 工业机械手的简史 (1) 工业机械手在生产中的应用 (3) 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 (3) 在实现单机自动化方面 (3) 铸、锻、焊热处理等热加工方面 (3) 机械手的组成 (4)
执行机构 (4) 驱动机构 (4) 控制系统分类 (5) 工业机械手的发展趋势 (5) 本文主要研究内容 (6) 本章小结 (6) 2机械手的总体设计方案 (7) 机械手基本形式的选择 (7) 机械手的主要部件及运动 (7) 驱动机构的选择 (8) 机械手的技术参数列表 (8) 本章小结 (8) 3 机械手手部的设计计算 (9) 手部设计基本要求 (9) 典型的手部结构 (9) 机械手手抓的设计计算 (9) 选择手抓的类型及夹紧装置 (9) 手抓的力学分析 (10) 夹紧力及驱动力的计算 (11)
手抓夹持范围计算 (12) 机械手手抓夹持精度的分析计算 (13) 弹簧的设计计算 (14) 本章小结 (16) 4 腕部的设计计算 (17) 腕部设计的基本要求 (17) 腕部的结构以及选择 (17) 典型的腕部结构 (17) 腕部结构和驱动机构的选择 (18) 腕部的设计计算 (18) 腕部设计考虑的参数 (18) 腕部的驱动力矩计算 (18) 腕部驱动力的计算 (19) 液压缸盖螺钉的计算 (20) 动片和输出轴间的连接螺钉 (21) 本章小结 (22) 5 臂部的设计及有关计算 (23) 臂部设计的基本要求 (23) 手臂的典型机构以及结构的选择 (24)
1 1前言 1.1工业机器人简介 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 1.2世界机器人的发展 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： （1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修） （2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 （3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 （4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 （5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 （6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 1.3我国工业机器人的发展 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学
设计任务书 (3) 1执行机构的选择 (4) 1.1升降、摆动、伸缩机构的选择 (5) 1.2 升降机构、伸缩机构 (6) 1.3夹持机构的选择 (7) 2传动方案的确定 (8) 2.1 传动类型的确定及传动简图 (8) 2.2 确定总传动比 (8) 3电动机的确定 (9) 3.1 电动机容量的确定 (10) 3.2 电动机转速的确定 (10) 4总体方案的确定 (12) 4.1 机械手系统运动简图 (12) 4.2 机械手运动循环图 (12) 5凸轮尺寸设计 (10) 6设计体会与小结 (14) 7参考文献 (15)
设计任务书 1)设计的目的 械设计课程设计是为机械类专业和近机械类专业的学生在学完机械设计及同类课程以后所设置的实践性教学环节，也是第一次对学生进行全面的，规范的机械设计训练。其主要目的是： a)培养学生理论联系实际的设计思想，训练学生综合运用机械设计课 程和其他选修课程的基础理论并结合实际进行分析和解决工程实际问题 的能力，巩固、深化和扩展学生有关机械设计方面的知识。 b)通过对通用机械零件、常用机械传动或简单机械设计，使学生掌握 一般机械设计的程序和方法，树立正面的工程大合集思想，培养独立、 全面、科学的工程设计能力。 c)课程设计的实践中对学生进行设计基础技能的训练，培养学生查阅 和使用标准规范、手册、图册及相关技术资料的能力以及计算、绘 图、数据处理、计算机辅助设计等方面的能力。 2)设计的任务 械设计械手从工件架上抓起工件，然后送人工作台进行加工。机械手完成以下动作： a)水平面内转30度，上升100mm，前进50mm； b)机械手的夹持器还有夹紧和放松动作。 3)原始数据 机械手工作频率：20r/min 升降 0.3kw，摆动 0.1kw，伸缩 0.1kw，夹持 0.2kw。 4)设计内容 a)原动方案的选择和确定 b)传动方案的分析和拟定 c)电动机的选择 d)绘制运动简图和运动循环图 e)机构的设计 f)设计计算说明书的整理和编写 g)总结和答辩
焦作大学 毕业设计 题目液压传动机械手的结构设计 系别机电工程学院 专业机械制造与自动化专业 班级 1001086班 姓名刘笑笑 学号 100108643 指导教师刘敬平 日期 2012年11月
机电工程学院毕业设计 设计任务书 设计题目： 液压传动机械手的结构设计 设计要求： 1.总装配图以及部分结构图至少五个图（折合为两张A1图纸） 2.结构设计论文（5000字以上） 设计进度要求： 第一周：选择毕业设计课题 第二周第三周：查阅相关资料，了解机械手结构原理及其相关数据第四周第五周：书写设计论文 第六周：检查各项数据及论文 第七周第八周：画装配图 指导教师（签名）：
机电工程学院毕业设计 摘要 本次设计的液压传动机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要的装配图，机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成，采用液压驱动。主要结构为：手部结构、腕部结构、臂部结构。 本设计只是液压机械手的结构部分，拟开发的上料机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件。 关键词：机械手，臂部结构，腕部结构，手部结构
机电工程学院毕业设计 目录 1机械手参数确定--------------------------------------------------------------------------------------- （1） 1.1 臂力的确定--------------------------------------------------------------------------------------- （1）1.2工作范围的确定---------------------------------------------------------------------------------- （1）1.3 确定运动速度-------------------------------------------------------- （1）1.4 手臂的配置形式------------------------------------------------------ （2）1.5 位置检测装置的选择-------------------------------------------------- （2） 1.6 驱动与控制方式的选择------------------------------------------------ （3） 2 手部结构------------------------------------------------------------------------------------------（4）2.1概述-------------------------------------------------------------------------------------------------------（4）2.2 设计时应考虑的几个问题----------------------------------------------------------------------------（4）2. 3 驱动力的计算-----------------------------------------------------------------------------------------（5） 2.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析------------------------------------------------------------（8） 3 腕部的结构---------------------------------------------------------------------------------------（10）3.1 概述------------------------------------------------------------------------------------------------------（10）3.2 腕部的结构形式--------------------------------------------------------------------------------------（10） 3.3手腕驱动力矩的计算-----------------------------------------------------（11） 4 臂部的结构-------------------------------------------------------------------------------------（14）4.1 概述----------------------------------------------------------------------------------------------------（14） 4.2手臂直线运动机构-----------------------------------------------------------------------------------（14） 4.2.1手臂伸缩运动------------------------------------------------------------------------------------（15） 4.2.2 导向装置---------------------------------------------------------------------------------------（15） 4.2.3 手臂的升降运动-------------------------------------------------------------------------------（16）4.3 手臂回转运动----------------------------------------------------------------------------------------（17）4.4 手臂的横向移动-------------------------------------------------------------------------------------（17）4.5 臂部运动驱动力计算------------------------------------------------------------------------------（18） 4.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算------------------------------------------------------------（18） 4.5.2 臂垂直升降运动驱动力的计算------------------------------------------------------------（19） 4.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算---------------------------------------（19） 5 致谢-----------------------------------------------------------------------------------------------------（21）6参考文献--------------------------------------------------------------------------------------------------（22