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摘要:本设计的机械手是基于提高劳动生产率、产品质量和经济效益，减轻工人劳动强度而设计的。在某些劳动条件极其恶劣的条件下，工人难以用手工工作，可用本机械手代替人力劳动。
本设计为四自由度圆柱坐标型工业机械手，其工作方向为两个直线方向和两个旋转方向。
本设计中的四自由度棒料搬运机械手，主要是针对质量少于2KG的圆形棒料的搬运。通过气爪手指的不同选择可满足直径小于60mm的棒料的搬运。在控制器的作用下，机械手执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线并把工件翻转过来这一简单的动作.
关键词：四自由度；机械手；搬运；工业机器人
The Four Degrees-of-freedom Bar Manipulator Designs
Abstract:This paper design for enhances the labor productivity, product quality, economic efficiency and reduces the worker labor intensity. Some job working at extremely bad environment, that people can’t work in hand, so the robots can replace worker to do it.
This scheme introduced a cylindrical robot for four degree of freedom. It is composed of two linear axes and two rotary axis current
This paper mainly use at the transporting of circular good material that quality is short to 2KG. The different fingernail finger was Choice for transporting the good material that diameter is smaller than
60mm.Under controller function the robot move the components from one assembly line to other assembly line and turn over it in space, perform relatively simple takes.
Key words: four degrees of freedom; robot; transporting; Industrial robot
1 前言
1.1 工业机器人的概述与发展
机器人（又称机械手，机械人，英文名称：Robot），在人类科技发展史上其来有自，早在三国时代，诸葛亮发明的木牛流马即是古代中国人的智能结晶。随着近代的工业革命，机器产业的不断发展成为近代工业的主要支柱。
机器人的研究从一开始就是拟人化的，所以才有机械手、机械臂的开发与制作，
也是为了以机械来代替人去做人力所无法完成的劳作或探险。但近十几年来，机器人的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。
工业机器人是典型的机电一体化高技术产品。在许多生产领域，它对于提高生产自动化水平，提高劳动生产率、产品质量和经济效益，改善工人劳动条件的作用日见显著。不少劳动条件恶劣、生产要求苛刻的场合，工业机器人代替人力劳动已是必然的趋势。
工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。
工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。
工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：
第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。
第二代工业机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。
第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。
世界上工业机器人萌芽于50年代的美国，经过40多年的发展，已被不断地应用于人类社会很多领域，正如计算机技术一样，机器人技术正在日益改变着我们的生产方式。
进入90年代，世界机器人工业继续稳步增长，每年增长率保持在10%左右，世界上已拥有机器人数量达到70万台左右，1992、1993年世界机器人市场曾一度出现小的低谷，近年除日本外，欧美机器人市场也开始复苏，并日益兴旺。与全球机器人市场一样，中国机器人市场也逐渐活跃，1997年上半年，我国从事机器人及相关技术产品
研制、生产的单位已达200家，研制生产的各类工业机器人约有410台，其中已用于生产的约占3/4。目前全国约有机器人用户500家，拥有的工业机器人总台数约为1200台，其中从40家外国公司进口的各类机器人占2/3以上，并每年以100～150台的速度增加。
从机器人的应用与发展来看，在很多方面工业机器人代替人力劳动已是必然的趋势，工业机器人将来必定有广阔的发展前景[2]。
1.2 本设计中的四自由度棒料搬运机械手所实现的功能
本设计中的四自由度棒料搬运机械手，主要是针对质量少于2KG的圆形棒料的搬运。
本设计中的机械手有四个自由度，由底座的旋转，手臂的升降，手臂的伸缩，手爪的旋转组成。本设计中的机械手是一种通用型棒料搬运机械手。通过气爪手指的不同选择可满足小于直径60mm的棒料的搬运。通过示教再现或程序的直接控制可实现在机械手工作范围内把棒料从指定点搬运到另一指定点，并把棒料翻转过来。通过对机械手的相应控制还可实现对棒料的排列。
1.3 本设计中的四自由度棒料搬运机械手设计的意义
机器人工程是近二十多年迅速发展起来的，目前已应用与许多生产领域。由目前的发展状况看，在可预见的将来它将在生产中扮演越来越重要的角色。本机械手就是基于此并为提高劳动生产率、产品质量和经济效益，减轻工人劳动强度而设计的。在某些劳动条件极其恶劣的条件下，工人难以用手工工作，可用本机械手代替人力劳动。在社会不断发展的今天，机器人在工业现场中的应用也越来越广泛，用机器的力量代替人力，而将人类从繁重的体力劳动中解放出来是历史发展的趋势[4]。
2 机械手的总体设计
2.1 设计要求
要求：本毕业设计要求学生掌握机器人或工业机械手的结构及工作原理，实现机械手的上升、下移、左移、右移抓紧和放松等多个自由度，完成一四自由度搬运机器人设计，要求所设计机器人能抓取一定质量的工件并到达规定的地点。
2.2 机器手的组成
图1 机械手的组成图
Fig1 The composition diagram of the robotic
机械系统：本机械手由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统组成。2.2.1 执行系统：
执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括气爪、手臂升降、手臂伸缩、底座旋转。
2.2.2 驱动系统：
为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。本设计选用机械传动、气压传动和电机驱动。
控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。
2.3 总体方案拟定
由设计要求本设计机械手实现的作用：自动线上有Ａ，Ｂ两条输送带，之间距离为0.7m，现设计机械手将一棒料工件从A带送到B带并将棒料翻转过来。
确定为四自由度的机械手。其中2个为旋转，2个为平移。
在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定机械手，利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机械手工作范围不大，故利用气缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则选用气爪来做夹持器，用小型气缸驱动夹紧。气爪的旋转则由与气爪连接的摆动气缸实现[7]。
其外观与工作移动方位如图2。
图2 机器人外形图
Fig2 Robot Outline Drawings
2.4 机器人的工作空间
本机械手底座采用圆柱坐标型结构，其工作空间是一个具有一定角度的绕机械手转动轴的扇形体立体空间。机器人具有较大的相对工作空间和绝对工作空间，所谓相对工作空间是指手腕端部可抵达的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比，绝对工作空间是指手腕端部可抵达的最大空间体积，只要工件搬运点都在此范围内即可实现搬运。
下图3描述了本机械手的工作空间，是顶视图。高度即为手臂可升降的高度。
图3 工作空间图
Fig3 Workspace map
2.5 机械手驱动系统设计
2.5.1 机械手驱动器
机械手驱动系统包括驱动器和传动机构,它们常和执行器联成一体,驱动臂，杆和载荷完成指定的运动。常用的驱动器有电机、液压和气动等驱动装置，其中采用电机驱动器是最常用的驱动方式，包括直流伺服电机，交流伺服电机及其步进电机等。本设计中底座的旋转与手臂升降都是采用步进电机作为驱动器（在第5章计算说明步进电机的选择），而手臂的伸缩则选用七缸作为驱动器。气爪的翻转是通过摆动气缸来作为驱动器[6]。
2.5.2 机械手传动机构
手臂的升降是步进电机通过联轴器直接与丝杆连接。手臂上安装丝杆螺母副，从而驱动手臂的升降。
手臂的伸缩是通过气缸杆直接连接装有摆动气缸的摆动气缸安装板，从而实现伸缩运动的。
气爪的旋转是摆动气缸通过气爪的连接附件直接相连接。如下图4。
图4 气爪连接示图
Fig4 Gripper connection diagram
底座的旋转是通过步进电机联接谐波齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机械手的旋转运动。如下图5。
1—支座，2—电机，3—轴承，4—带传动，5—壳体
6—位置传感器，7—柔轮，8—波发生器，9—刚轮
图5 机械手底座传动示图
Fig5 Robot base transmission diagram
本设计中的四自由度棒料搬运机械手的有关技术参数见表1。
表1机械手参数表
Table 1 Robot parameter table
机械手类型四自由度圆柱坐标型
抓取重量2Kg
自由度4个（2个回转2个移动）
底座长290mm，回转运动，回转角240°，步进电机驱动 PLC控制
手臂升降机构长550mm，升降运动，升降范围400mm，步进电机驱动 PLC控制
手臂伸缩机构长826mm，伸缩运动，伸缩范围270mm，气缸驱动活塞位置控制
气爪旋转机构旋转运动，旋转角180o，气缸驱动，行程开关控制
3机械手的传动设计
此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩
3.2 谐波齿轮减速器参数的确定
一般一级谐波齿轮减速比可以在50～500之间，谐波齿轮结构简单，零件少，重量轻，运动误差小，无冲击，齿的磨损小，传动精度高，传动平稳。谐波齿轮减速传动装置明显的优点，已广泛用于机器人和其它机电一体化机械设备中。本设计的底座旋转采用谐波齿轮减速器传动。谐波齿轮采用带杯形柔轮的谐波传动组合件。它是由三个基本构件构成的，带凸缘的环形刚轮，杯形的柔轮和柔性轴承、椭圆盘构成的波发生器[11]。
谐波齿轮的设计基本参数如下：
传动比：i2=100；
柔轮变形波数：U=2 ；
柔轮齿数： Z R=U×i=2×100=200
刚轮齿数： Z G=Z R+U=200+2=200
模数：m=0.4mm
柔轮臂厚：H=0.5mm
尺宽：b=20mm
其中，柔轮与柔轮的啮合参数经计算分别确定如下：
全齿高：h R =07mm h G =0.72mm
分度圆直径：d R =80mm 80.8G d mm =
齿顶圆直径：d aR =83.2mm 82.8aG d mm =
齿根圆直径：d fR =79.7mm 84.28fG d mm =
齿形角：a R =20 o
20G α=? 变位系数：X R =3.7 3.71
G X = 柔轮与刚轮均采用渐开线齿形，波发生器采用控制式发生器，其中长轴
2a=59.9mm ，短轴2b=58.2mm ，并且采用具有23个直径为7.14mm 滚珠的薄臂轴承。
谐波齿轮轮齿的耐磨计算：
由于谐波齿轮的柔轮和刚轮的齿数均很多，两齿形曲线半径之差很小，所以轮齿
工作时很接近面接触，则轮齿工作表面的磨损可由齿面的比压P 来控制。轮齿工作表
面的耐磨损能力可由下式计算： P v n R P bZ h d TK p ≤=
2000 （1）
式中：T ——作用在柔轮上的转矩（Nm ），由前计算取得T=2 Nm ；
dR ——柔轮分度圆直径，本设计中取为dR=80mm ；
hn ——最大啮入深度，近似取hn=（1.4~1.6）m ，本设计中取
1.40.40.56n h mm =?= ；
b ——齿宽（mm ），设计中取为b=20mm ；
ZV ——当量于沿齿廓工作段全啮合的工作齿数 ，一般可取
0.07520015v Z =?=；
K ——载荷系数，取K=1.3~1.75 ，设计中取为K=1.5 ；
PP ——齿宽许用比压 ，对于无润滑条件下工作的调质柔轮，取PP=8MPA ；
所以，代入 P v
n R P bZ h d TK p ≤=2000 得： 20002 1.5
800.562015
0.4464MPa P ??=
???= 因0.4464MPa 8MPa ≤满足p ≤p p ，所以符合耐磨性要求 。
柔轮强度计算：
谐波齿轮工作时，柔轮筒体处于变应力状态，其正应力基本上是对称变化的，而
切应力则呈脉动变化，若以,,,a m a m σσττ分别表示正应力和切应力的应力幅和平均应力。
（1）正应力的应力幅和平均应力分别为： 035.321=??=m p
a D Eh σσ (2) （2）由变形和外载荷所引起的切应力分别为： 1
22120005.0h D T D Eh p p y πττφ=??
= (3) 则，切应力的应力幅和平均应力为： 0.5()a m y ?ττττ==?+ (4)
以上式中：T ——柔轮工作转矩（m N ?），由前计算取为：T=2 m N ? ；
h1——柔轮齿根处的臂厚（mm ），设计中取为：h1=0.6mm ；
DP ——计算平均直径（mm ），设计中为：
DP=df Ｒ－h1＝79.7－0.6＝79.1mm ；
E ——弹性模量（MPa ），设计中为E =206000 MPa ；
?——变形量（mm ），G R d d ?=-，本设计中为
?=80.8－80=0.8mm ；
柔轮工作条件较恶劣，为使柔轮在额定载荷下不产生塑性变形和疲劳破坏，并考
虑加工工艺较高的要求，决定选用30CrMnSiA 作为柔轮材料。
将具体数据代分别代入上式中得： 323220.8206100.63.5556.103()79.1
0.8206100.60.57.902()79.1
200020.339()79.10.6
0.5()0.5(7.9020.339) 4.121()a a m y a a a m y a MP MP MP MP ??σσττπττττ???=?==???=?=?==??==?+=?+= (5)
30CrMnSiA 的力学性能如下：
1100,900b a s a MP MP σσ== ，球化处理后硬度为24~26HRC ，
且，取：
110.450.451100495()
0.250.251100275()b a b a MP MP σστσ--==?===?=
柔轮正应力安全系数和切应力安全系数分别为：
11495 3.5292.556.103
27523.380.2 2.25 4.8010.2 4.801a a m n k n k σσττσστττ--===?===+?+?
柔轮的安全系数： 3.489n === (6)
此数值大于许用安全系数1.5，则柔轮强度满足要求。
4 机械手的各电动机的选择
进电动机又称脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移
或直线位移的执行电机。本机械手系统所要求的定位精度较高，而步进电机对系统位
置控制比较准确且控制易于实现。故本机械手选用的驱动电机都是步进电机。
4.1 机械手手臂升降步进电机的选择
机械手手臂升降用步进电机来驱动，通过丝杆传动来实现升降。
初选步进电机75BF003
由前计算丝杆导程为 L 0=6mm
本设计机械手手臂升降速度选定为 S=35mm/s
所以丝杆转速 0w =S/L =35/6 =5.833r/s=349.98(r/min)β (7) 回转转矩： M c =M ga +M f (8)
式中：M c ——机械手手臂升降相对丝杆的回转力矩 ；
M f ——机械手手臂升降相对丝杆的摩擦阻力矩 ；
M ga ——机械手手臂升降在停止（制动）过程中相对与丝杆的惯性力矩 ；
其中： t w J M ga 0= ， (9)
式中：w ——手臂升降启动或制动过程中角速度的变化量，也就是工作的角速度：
)/(649.3660
298.349min)/(98.349s rad r w w =?===πβ； (10) t ——手臂升降启动或制动的时间：本设计取为)(3.0s t =；
0J ——手臂升降时各部件对回转轴线的转动惯量)(2kgm ，
其中：0S l d J J J J =++ (13)
式中：s J ——丝杆对其转动轴的转动惯量)(2kgm ，
其中：
437.810s m J D L = (11) 式中：m D ——丝杆的公称直径由前计算得0.025()m D m =
L ——丝杆的长度本设计取为0.6(m)
代入得： 43
27.80.0250.45100.00137()s J kg m =???=?
l J ——升降电机与丝杆间的联轴器的转动惯量2s J =0.0018(kg )m ?
查机械设计手册(软件版)R2.0得；
d J ——步进电机转子的转动惯量20.0001764()d J kg m =?
查机电综合设计指导书表2-18得；
代入得：J 0=J S +J l +J d
2 =0.00137+0.0018+0.0001764
=0.00335()kg m ? 把以上代入t
w J M ga 0=得：36.6490.003350.3ga M =? (12) 0.409()N m =?
其中： /2m f M GfD = ； (13) 式中： G ——手臂的自重约为200N
f ——丝杆螺母副与丝杆间的摩擦系数f=0.08
查机械设计手册(软件版)R2.0得
代入得：/2m f M GfD =2000.080.025/2
0.2()N m =??=? (14)
得： M c =M ga +M f
0.20.409
0.609()N m =+=?
电机与丝杆直接联接所以i=1；
所以 0.609()ip c M M N m ==?
36.649(/)lp w w rad s β==
上式中：lp w ——负载峰值转速（rad/s ），如上计算 ：36.649(/)lp rad s ω=；
lp M ——负载峰值力矩（Nm ），如上计算：0.609()ip M N m =?
电动机的功率计算式： lp lp m M P ωλη= (15)
上式中：λ——计算系数，其中一般5.25.1?，本设计中取：2λ=；
η——丝杆传动装置的效率，一般取9.07.0?，本设计中取：0.8η=；
代入以上数据得：lp lp m M P ωλη= (16) 20.60936.649/0.8
55.80()W =??=
根据负载峰值力矩M lp ≤最大静转矩，选用步矩角为3 o步进电机75BF003，其最大静
转矩为0.882N m ，满足负载峰值力矩M lp ≤最大静转矩的要求.
电机参数表2
Table2 Motor parameter table
电机型
号 相数 步距角 /（°） 电压
/V 最大静转矩 /N ·m(Kgf ·cm) 最高空载启动
频 率
/HZ
运行频率 /HZ 转子转动惯量 105-Kg ·m 2 分配方式 质量 /Kg 75BF003 3 3 30 0．882（9） 1250 16000 1．568 三相
六拍 1．58
4.2 机械手底座回转驱动电动机的选择
机械手机身安装在底座上所以底座作旋转时将手臂与机身一起旋转
机械手底座转速： 设计选取为10/min r αω=即旋转1800的时间为3s ；
回转转矩： c
ga f M M M =+ (17) 式中：
c M ——机械手整体相对底座回转轴的回转力矩 ； f M ——机械手整体相对底座回转轴的摩擦阻力矩 ；
ga M ——机械手底座在停止（制动）过程中相对与丝杆的惯性力矩 ；
其中： t w J M ga 0
= ， (18) 式中： w ——底座旋转在启动或制动过程中角速度的变化量，也就是工作角速度：
)/(047.160
210min)/(10s rad r w w =?===πβ； t ——底座旋转启动或制动的时间：本设计中)(3.0s t =；
η ——f M 与ga M 的转化系数：95.085.0?=η，本设计中取0.85η=
0J ——手臂、机身、转轴对底座旋转轴线的转动惯量)(2kgm
由于本机械手是一个不规则，不均匀的回转体,所以算得在选用电机时
相应把最大静转矩要求提高来选择。 2
22223322221107.99.0202
14.015314.015312
13131m kg r m r m r m J ?=??+??+??=++= (19) 式中：1m ——手臂无气爪边的质量（kg ），本机械手为kg m 151= ；
2m ——手臂有气爪边的质量（kg ）
，本机械手为kg m 152= ； 其中：21m m +手臂的质量，手臂两边都看作长杆来计算转动惯量；
3m ——机身的质量（kg ），本机械手为kg m 203=；
其中：3m 的转动惯量看作均匀圆柱体来计算；
321,,r r r ——与321,,m m m 相对应的长度（m ） 。
把以上数据代入得：
)(827.3985.0853.33m N M M ga
f ?===η (20)
)(68.73827.39853.33m N M M M f ga c ?=+=+= (21)
底座电机通过谐波减速器连接转动轴，偕波减速器传动比为i=100。
所以：
)(737.0100
68.73m N i M M c lp ?=== (22) 1.047100104.7(/)
lp i rad s βωω=?=?= 上式中：
lp w ——负载峰值转速（rad/s ），如上计算 ：104.7(/)lp rad s ω=；
lp M ——负载峰值力矩（)(m N ?），如上计算：0.737()ip M N m =?
电动机功率的计算公式式：
lp lp m M P ωλη= (23)
0.737104.7
20.8
192.910W ?=?
=
式中：
m P ——步进电动机的功率（W ） ；
lp ω ——负载峰值转速（rad/s ），由前计算 ：104.7(/)lp rad s ω=； lp M ——负载峰值力矩（)(m N ?），由前计算：Mlp=0.737（)(m N ?）；
λ ——计算系数，其中一般5.25.1?，本设计中取：2λ=；
η ——底座传动装置的效率，估算为9.07.0?=η，本机械手取为：0.8η=。
根据负载峰值力矩M lp ≤最大静转矩，选用步矩角为3 o的步进电机90BF003，其
最大静转矩为1.96m N ?，满足要求。
电机参数表 3
Table3 Motor parameter table
电机型
号 相数 步距角 /（°） 电压
/V 最大静转矩 /N ·m(Kgf ·cm) 最高空载启动
频 率
/HZ 运行频率 /HZ 转子转动惯量 105-Kg ·m 2 分配方式
质量 /Kg 90BF003 3 3 60 1．96（20） 1500 8000 17．64 三相
六拍 4．2
5 机械手各气动件的设计计算
5.1 气爪夹紧力的计算与气爪的选择
5.1.1 气爪夹紧力要求
由设计任务书的要求气爪连工件的重量为5KG ，从而确定夹紧的工件重量约为2kg 。
本设计设计的机械手搬运的工件定为圆柱形的棒料。
工件重力 G=2x9.8=19.6N
夹起工件主要是靠气爪手指与工件的静摩擦力克服工件的重力。
其加紧视图如图6:
图6 工件夹紧视图
Fig6 Workpiece clamping view
气爪拿起工件所需的力 123L F K K K G ≥
式中：G ——机器人的手爪抓取的工件的重力（N ），本设计G=19.6；
K1——安全系数，一般取K1=1.2~2.0,本设计中取K1=1.2；
K2——机器人的手部工作状况系数，按
21a
K g =+ (24) 计算得K2=1.2；
a 为机器人手爪运动加速度的绝对值；
K3——方位系数，根据机器人手爪与工件形状选K3=1
把以上数据代入123L F K K K G ≥得：
FL=1.2X1.2X1X19.6
=28.224N 气爪能拿起工件所需的夹紧力：L
N F F μ= (25)
式中：μ——钢与钢接触的摩擦系数μ=0.2
查机械设计手册(软件版)R2.0得
把以上数据代入
2L
N F F μ=(19)得： 28.224114.120.2
N F N == (26) 气缸的选定中，首先确定其负载的大小，负载决定了缸径的大小；其次要确定其
行程、安装形式等.
5.1.2 缸径的确定
缸径与所使用的气源的压力有关，同时要确定动作方向是推力还是拉力。
本设计的气爪气缸工作主要以拉力。
本设计满足气缸理论推力、拉力速度为50-500mm/s的范围，其力学计算公式为：拉力F=0.25π(D2-d2)P
式中：D——气缸直径（m）,本设计初取为0.04m ；
d——气缸活塞杆直径（m），本设计初取为0.012m ；
P——气缸工作压力（Pa），本设计取为0.6MPa；
F——气缸理论推力、拉力（N）
把以上数据代入F=0.25π(D2-d2)P得：
226
π?-??
F=0.25(0.040.012)0.610
=
686.104N
计算得的F为理论拉力，其实际拉力可根据F s=ηF计算。
式中：η——气缸的工作效率，一般在0.7~0.95之间。当工作压力增高、缸径增大时效率增大。本设计工作压力交大取为0.85。
把以上数据代入F s=ηF得：
F=? (27)
0.85686.104
s
=
583.189N
图中L=50mm为气爪手指夹紧工件的力臂。R=22mm为活塞杆推动手指的力臂。
气爪夹紧工件的力F N1=F s R/L
F=?÷
代入数据得：1583.1892250
N
=
256.603N
由计算得F N1＞F N所以初选的缸径40mm，活塞杆直径12mm满足设计要求。
气缸是气爪的的驱动器，气缸与气爪手指的连接结构如下图7。
图7 气缸与气爪手指的连接结构
Fig7 The connection structure of the cylinder and the gripper fingers
5.1.3 行程的确定
气缸的行程就是活塞移动的距离，对外表现为负载移动的距离，确定此距离时要充分考虑工况情况，应预留出一点行程，避免活塞杆撞坏。
由气爪的工作要求本气缸的行程为15mm。
5.1.4 气缸的运动速度
气缸的运动速度主要由所驱动的工作机构的需要来决定。
本气爪要求速度缓慢、平稳，采用节流调速。节流调速的方式有：本气缸为水平安装采用用排气节流；
本设计中缸体选用的是不锈钢式，固本气缸需要加油润滑。
本气缸使用注意事项
1）一般气缸的正常工作条件：环境温度为-35～80℃，工作压力为0.4～0.6MPa； 2）安装前，应在1.5倍工作压力条件下进行试验，不应漏气；
3）装配时，所有密封元件的相对运动工作表面应涂以润滑脂；
4）安装的气源进口处必须设置气源调节装置：过滤器-减压阀-油雾器；
5.1.5 摆动气缸的选择
前选择的HGW—40—A的气爪其转动惯量Jq=124X10-4kgm2
其爪夹持的工件的转动惯量为：
22
(3)
12
g
m
J R l
=+
(28)
式中：m——工件的质量（kg），本设计为m=2kg; R——工件的半径（m），本设计为R=20mm;
l ——工件的长度（m ），本设计为l=50mm; 把以上数据带入
22(3)12g m J R l =+得： 222(30.020.05)12g J =?+
426.16710kgm -=?
加在摆动气缸工作上的转动惯量为：J=Jg+Jq=124X10-4+6.167X10-4=130.167 kgm2
由摆动气缸工作转动惯量J=130.167 kgm2选用预选费斯托(festo)公司的
DSM-32-270-P-PW 型气缸。
该气缸的许用转动惯量为：500X10-4 kgm2满足要求。
由下图5-3摆动的时间约需0 .3s
该气缸是叶片驱动双作用气缸，在整个摆角范围内可实现无极摆角调节，终端位
置可通过止动螺钉和紧固螺母调节。止动杆上的冲击能量由弹性缓冲板吸收，终端缓冲由缓冲器实现。转动叶片本身不用于确定终端位置，既止动杠杆和止动装置不能移动。该摆动气缸防水防尘[10]。
图8 气缸工作转动惯量与摆动时间关系 Fig8 Cylinder working the moment of inertia and swing time relationship
本气缸可实现摆角范围内无极摆角调节下图9为其摆角调节结构示图：
图 9 摆角调节示图
Fig9 Swing angle adjustment diagram
摆动气缸参数表4
Table4 Swing cylinder parameter table
结构特点工作压力缓冲角重量
32MM 叶片驱动的摆动缸1．5-10bar0．9o-1．7o 1.02kg
5.2 手臂伸缩气缸的选择
缸径的确定：
D= (29) 缸径的计算公式
查《液压气动系统设计手册》得
式中：P——气缸的工作压力（Pa）,本气缸选为0.6MP
η——气缸总的机械效率，本气缸估算为0.4
D——气缸的内径（m）。
F110N
D=
把以上数据代入
D=
=0.02526m
查《机械设计手册-气压传动》表22-1-64气缸内径取标准为32mm。
行程的确定由设计的工作要求活塞行程取为320mm。
气缸型号的选择：
由以上参数的计算选费斯托(festo)公司的DNG-32-320-PPV-A型气缸
本气缸活塞安装有传感装置，活塞位置可以被行程开关检测到，从而实现对气缸位置
的控制。选用的控制安装附件为SMB-2-B。该气缸的缓冲长度为19mm。
全套设计通过答辩优秀CAD图纸QQ 36396305 XX学院 毕业设计说明书(论文) 作者: 学号： 学院(系): 专业: 题目: 重载搬运机器人本体结构设计【六自由 度机械手】 2015 年5月
全套设计通过答辩优秀CAD图纸QQ 36396305 毕业设计说明书（论文）中文摘要 机械手是一种典型的机电一体化产品，搬运机械手是机械手研究领域的热点。研究搬运机械手需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。 本文对一种使用在搬运机械手的结构进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。要求对机械手模型进行力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。 关键词：结构设计，机器臂，关节型机械手，结构分析
毕业设计说明书（论文）外文摘要
目录 1 绪论 (1) 1.1 引言 (2) 1.2 搬运机械手研究概况 (3) 1.2.1 国外研究现状 (3) 1.2.2 国内研究现状 (4) 1.4 搬运机械手的总体结构 (5) 1.5 主要内容 (5) 2 总体方案设计 (6) 2.1 机械手工程概述 (6) 2.2 工业机械手总体设计方案论述 (7) 2.3 机械手机械传动原理 (8) 2.4 机械手总体方案设计 (8) 2.5 本章小结 (10) 3 机械手大臂结构设计 (1) 3.1 大臂部结构设计的基本要求 (1) 3.2 大臂部结构设计 (2) 3.3 大臂电机及减速器选型 (2) 3.4 减速器参数的计算 (3) 3.5承载能力的计算 (7) 3.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算 (7) 3.5.2 柔轮疲劳强度的计算 (7) 3.6 轴的计算校核 (8) 3.7 大臂的平衡设计 (11) 3.7.1 弹簧的受力分析 (11) 3.7.2 弹簧的设计计算 (14) 4机械手小臂结构设计 (18) 4.1 腕部设计 (18) 4.2 小臂部结构设计 (31)
摘要 本次设计的多功能机械手为液压通用机械手，主要由手爪、手腕、手臂、机身、机座等组成，具备上料、翻转和转位等多种功能，并按自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。本机械手机身采用机座式，自动线围绕机座布置，其坐标形式为圆柱坐标式，具有立柱旋转、手臂伸缩、腕部转动和腕部摆动等4个自由度；驱动方式为液压驱动，利用油缸、齿轮、齿条实现直线运动；利用油缸与齿轮、齿条或链条实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，并能在中间位置停止。本次设计的机械手能对不同物体完成多种动作。 关键词：机械手；圆柱坐标；液压驱动
Abstract The design of multi-manipulator hydraulic manipulator general, mainly by the gripper, wrist, arm, body, base etc., with the material, flip, and a variety of functions such as translocation, in accordance with the unified autom ated production line beat and production program have done so. This machine adopts the base-type mobile phone, automatic wire around the base layout, its coordinates in the form of cylindrical coordinate type, with column rotation, arm stretching, wrist rotation and wrist swing and so four degrees of freedom; drive mode for the hydraulic drive, use fuel tank, gear, rack to achieve linear motion，use of tanks and gear, rack or chain to achieve rotary motion. Hydraulic drive has the advantage of high pressure, small size, contribute to a large, gentle movement and can stop in the middle. The design of the robot can complete a variety of different objects in action. Keywords: mechanical hand; cylindrical coordinate; fluid power drive
第一章引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 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，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 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。 1.1 机械手的分类 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。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
前言 可编程控制器是20世纪70年代以来，在集成电路，计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为现实工业生产自动化的支柱产品。近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备，自动化生产线外，国内的机床设备已越来越多采用PLC控制系统采用控制系统取代传统的继电—接触器控制系统小；价格上能与继电—接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀，接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传播数据等。 本课题是基于PLC控制四自由度机械手运行。 工业机械手是一种模仿人体上肢部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，它可以代替手的繁重劳动，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。有着广阔的发展前途。本课题通PLC自动控制对机械手实现机械手规定动作并实现回原点、手动方式和自动方式三种工作方式的选择，并对系统进行运行效率分析。
摘要 随着工业机械手的进一步发展，其发展将更趋向于人性化、智能化并将在更加广泛的领域得到应用。机械手是一种模仿人体上肢运动的机器，它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率和自动化水平。通过对机械制造与自动化大学专科三年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，确定机械手的工作原理和运动机理。设计了一种四自由度机械手，采用可编程序控制器（PLC）设计其控制系统,以提高其工作的稳定性能。 关键词：机械手梯形图 PLC 电磁阀 Abstract With the further development of industrial robots, and its development tends to be more humane, intelligent and in a wider range of applications. Manipulator is a kind of imitation of the upper body movement machine, it can be scheduled according to request type or holds the automation tool operation of technical equipment, industrial automation, promote the production of industrial production of the further development plays an important role .Manipulator noted extensively and welcome by people for it has powerful vitality. Industrial robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce labor intensity, and improve labor productivity and automation level.Mechanical manufacturing and automation through the junior college for three years to integrate the knowledge of industrial manipulator mechanical structure and function of various parts of exposition and analysis to determine the robot motion principle and mechanism.Design a four-DOF manipulator to enhance the stability of their work for using the programmable logic controller to control system. Keywords: Manipulator Ladder diagram PLC Solenoid valve
四自由度搬运机械手的设计毕业论文 1引言 1.1机械手研究的背景及其意义 机械手是当今世界的科技革命发展飞速变革的必然产物，它的出现标志着现今的工业、制造业水平发展到了前所未有高水平阶段。最初出现的机械手只是应用在航空航天和海洋勘探等高端科技领域，随着近几十年来计算机在科技领域全面应用，科技革命的变革也加速了科学技术的蓬勃发展。在此背景下机械手技术也在飞速发展，并且在其应用领域也不断地深入、飞速地拓宽，特别是近些年来机械手在现代制造业领域更是得到了非常广泛的应用。由于机械手是通过预先编写好的程序来控制其动作次序和轨迹，所以机械手可以代替人力去完成那些单调的、重复的、特别是对于人类来说毫无意义的工作，除此之外机械手还能够在恶劣的环境中完成那些人类不想完成的或不能完成的工作，特别是在一些危险的工作环境或者是对精度要求较高的工作条件之下，机械手相比较人力有得天独厚的优势——机械手在某些邻域能够完全替代人力，将人类从脏、乱、差的工作环境中解放出来，这是人类社会几千年来的又一次变革和人类生活方式的又一次蜕变。特别是近几十年来工业、制造业领域在机械手的广泛应用下发生了伟大的变革，在此背景下整个社会的生产力水平、产品生产质量和生产效率大大提高，与此同时在工业生产中现代工人的劳动强度也大大降低。 机械手技术虽然发展迅猛，但现在市场上的机械手大多还处在高端应用领域，价格也相对昂贵，不能满足低成本、低层次应用领域的需求。所以本课题希望设计出一种成本低、应用层次相对较低的机械手，填补这一领域市场的空白，这对
于工业、制造业领域以及人类社会的发展都具有及其重要的意义和价值。在机械手技术领域中，机械手在模型设计上，四自由度机械手是机械手产品中的典型设计模型，在技术上，四自由度机械手技术门槛相对较低——四自由度便于设计和实现，在应用层面上，四自由度机械手对于一般的重复性工作条件完全满足，在成本上，四自由度机械手在满足一些复杂动作的工作条件下便于实现低成本，也就说其性价比相对较高，所以本论文以《四自由度搬运机械手》为课题进行研究旨在设计出一个比较实用的、成本低的、具有一定的实际应用价值的机械手。1.2机械手的研究现状和发展前景 机械手是现代工业革命变革、现代工业水平高度提高催生的一种新技术产品，从较高应用层次来说，机械手是集机械设计、计算机程序控制等多领域知识和多种设计方法于一身的一种新型自动化装备，特别是近年来互联网、大数据的出现和应运机械手已开始从自动化向智能化领域迈进。机械手虽然在近几十年来才出现，其发展历史并不算太长，机械手最早起源于美国，接着又在德国、日本等工业发达国得到了飞速发展，然而我国近十年来虽然工业发展迅猛，可机械手在工业领域的应用才刚刚起步，机械手设计的技术水平同国外仍有很大差距，特别实是在机械手的高端应用领域，主要体现在机械手的可靠性和精度指标上面。 近年来机械手在工业、制造业领域的应用突飞猛进，这对于工业文明的进步产生了“雪崩式效应”，越来越多的无人化工厂随着机械手的发展如春笋般涌现。随着进入21世纪以来，互联网技术飞速发展，工业、制造业领域正发生着一场伟大的变革，从美国的“工业互联网”到德国的“工业 4.0”，再到“中国制造2025”，世界工厂已经开始由“无人化工厂”向“智能化工厂”转变，在此历
六自由度机械手设计说明书
设计参数
摘要 随着现代科技和现代工业的发展，工业的自动化程度越来越高。工业的自动化中机械手发挥了相当大的作用，小到机床的自动换刀机械手，大到整个的全自动无人值守工厂，无一不能看到机械手的身影。 机械手在工业中的应用可以确保运转周期的连贯，提高品质。另外，由于机械手的控制精确，还可以提高零件的精度。机械手在工业中的应用十分广泛，如：一、以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 二、以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 应用前景 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，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用
六自由度转动关节工业机器人调查报告 一 ,定义 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。 戴沃尔提出的工业机器人有以下特点:将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构联接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作，示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。
1962年美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形主要由类似人的手和臂组成。后来，出现了具有视觉传感器的、能识别与定位的工业机器人系统。 当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。目前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位。 具体的特点如下： （1）技术先进工业机器人集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，实现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业自动化水平的最高体现。 （2）技术升级工业机器人与自动化成套装备具备精细制造、精细加工以及柔性生产等技术特点，是继动力机械、计算机之后，出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能化的重要手段。 （3）应用领域广泛工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版
四自由度机械手 本科毕业设计说明书(论文) 摘要 在中国工业韧带发展中，很多高生产率高精度的机械加工设备从国外引进，比如数控车床和铣床等，还有把几种机床的功能集中在一起的加工中心等。总之这类CNC机床大大的提高了工作速度，产品的加工精度，降低了工作的劳动强度，所以大受欢迎。但是这类设备引进费用也是相当的昂贵，所以国内很多企业的技术人员在原先的旧机床上进行改进，来达到提高生产率和降低工人的劳动强度，实现工业自动化，这类改进同样也大受欢迎。 本文所设计的机械手主要用于搬运工件，工件总重不大于10Kg，长150cm，宽150cm，高150cm的立方体。为了增加本机械手的通用性，在结构尽可能紧凑的情况下，最大限度的是机械手具有较大的抓取范围。 本文主要介绍了搬运机械手的概念、组成和分类，接受的自由度和坐标形式、运动及国内外的发展状况。对于搬运接受进行总体方案设计，首先机械手的驱动装置为液压缸，然后确定了机械手的坐标像是为圆柱坐标型，自由度数为4，接着确定了机械手的驱动装置为液压缸，然后确定了机械手的主要技术参数。同时，设计了机械手的手部结构形式为气缸杠杆式手爪、臂部结构形式采用液压缸导向连接的双横臂结构，底座采用电机带动竖臂的旋转。机身结构形式为升降缸用液压缸的结构形式，计算出夹紧工件所需的驱动力、手爪转动时所需的驱动力矩、手臂的伸缩所需的驱动力手臂的俯仰所需的驱动力、手臂的升降所需的驱动力，和手臂回转所需的驱动力矩。继而设计了装箱机械手的各部分液压缸的尺寸和结构及各部分之间连接与支承部件的结构与尺寸。 关键词:搬运机械手; 液压驱动;液压缸;自动化
I 本科毕业设计说明书(论文) Abstract In China industrial ligament development, a lot of high productivity high precision machining equipments imported from abroad, such as CNC lathes and milling machines, and have several function of machine together in processing center, etc.. In this kind of CNC machine greatly improves the speed of work, product processing precision, reduces the labor intensity of work, so popular. But this kind of equipment is also very expensive, so many domestic enterprises technical personnel in the original old machine is improved, to improve productivity and reduce labor intensity of workers, industrial automation, this kind of improvement is also very popular. The manipulator is designed in this paper is mainly used for handling the workpiece, the workpiece weight is less than 10Kg, length 150cm, width 150cm, high 150cm cube. In order to increase the versatility of manipulator in structure, as far as possible compact case, maximum limit is the manipulator has a large capture range. This paper mainly introduces the concept, composition and classification of the manipulator, freedom and coordinates, movement and development at home and abroad to accept. For the handling of acceptance for the overall program design, first drive manipulator for hydraulic cylinder, and then determine the coordinate manipulator like cylindrical coordinate, the number of degrees of freedom is 4, then the drive
机械设计课程设计说明书 六自由度机械手 TOPWORK 上海交通大学机械与动力工程学院专业机械工程与自动化 设计者： 李晶(5030209252) 李然(5030209316) 潘楷 (5030209345) 彭敏勤 (5030209347) 童幸 (5030209349) 指导老师：高雪官 2006616
、八— 刖言 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业 的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自 动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、 华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越 来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交 货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另 外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定， 而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手 提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将 被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机 械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
目录 一.设计要求和功能分析 4 - ?- ■基座旋转机构轴的设计及强度校核 5 三.液压泵俯仰机构零件设计和强度校核 8 四.左右摇摆机构零件设计和强度校核 11五.连腕部俯仰机构零件设计和强度校核 14六.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核 19七.机构各自由度的连接过程 25八.设计特色 28九.心得体会 28十.参考文献30 一. 任务分工31 十二.附录（零件及装配图）31
本文以示教型六自由度串联机械手为试验设备，进行机械手的复杂运动控制，使机械手完成各种复杂轨迹的运动控制等功能，能够在现代工业焊接、喷漆等方面的任务。 本文从运动学分析的基础上着手研究轨迹控制的问题，利用运动学逆解的方式分析复杂轨迹运动的可行性和实用性。目前，六自由度机械手的复杂运动控制已经有了比较好的逆解算法，也有一些针对欠自由度机械手的逆解算法。逆解算法求出的解不是唯一的，它能使机械手达到更多位姿，完成大部分的原计划任务，但其中的一些解并不是最优化的，因此必须讨论其反解的存在性和唯一性。 本文通过建立机械手的笛卡尔坐标系，推导出机械手的正、逆运动学矩阵方程，并研究了正、逆运动学方程的解；在此基础上建立机械手的工作空间，并讨论其工作空间的灵活性和存在可能性。因此本文的另一种方式对六自由度串联机械手的复杂运动控制问题进行研究，提出以机械手示教手柄引导末端执行器对复杂运动轨迹进行预设计。然后通过记录程序进行复杂轨迹的再实现，再对记录程序进行预修改，最终通过现有的程序进行设计编程完成复杂轨迹设计任务。并利用MATLAB对轨迹进行仿真，对比其实际与计算的正确性。 最后本设计通过六自由度串联机械手实现平面文字轨迹，得出其设计的方式。即首先利用示教手柄实现轨迹预设，记录预设轨迹程序，然后再对比程序初始化坐标进行手动编程。 关键词：六自由度机械手，笛卡尔坐标系，运动学方程，仿真，示教手柄ABSTRACT
In this paper, mechanical hand control the complex movement based on the series of six degrees of freedom manipulator so that the mechanical hand complete the complex trajectory of the movement control functions. In modern industrial welding, painting, and other aspects of the mandate can be used. This article based on the analysis of kinematics to study the trajectory control problems, use of inverse kinematics of the complex mode of tracking movement of the feasibility and practicality. At present, the six degrees of freedom manipulator complex movement has been relatively good control of the inverse algorithm.There are also some less freedom for the inverse of the manipulator algorithm. Solutions sought by inverse algorithm is not the only solution, it can reach more manipulator Pose, originally planned to complete most of the task.But some of these solutions is not the most optimal, it is necessary to discuss their anti-the existence of solutions and uniqueness. Through the establishment of the manipulator Cartesian coordinates, derived manipulator is the inverse kinematics matrix equation and the study is the inverse kinematics of the equation solution on the basis of this establishment manipulator working space. And discuss their work space The flexibility and the possibility exists. So in another way to the six degrees of freedom series manipulator motion control the complex issues of research, to handle the machinery Shoushi guide for the implementation of the end of the complex pre-designed trajectory. Then track record of the complicated procedure to achieve, and then record the pre-amended procedures.The eventual adoption of the existing procedures designed trajectory design of complex programming tasks. And using MATLAB simulation of the track, compared with its actual calculation is correct. The final design through six degrees of freedom series manipulator track to achieve flat text, draw their design approach. That is, first of all use of teaching handle achieve trajectory default the track record of default procedures, and then compared to manual procedures initialized coordinate programming. key words：Six degree-of-freedom manipulators，Cartesian coordinates，Equations of motion，Simulation，Demonstration handle.
机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。 机械手的组成方框图 (一)执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。 夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。 手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。 而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。
对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。 对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。 用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。 此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式. 2、手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置. 工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。 手臂可能实现的运动如下: 手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。 导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。
本科毕业设计(论文) FINAL PROJECT/THESIS OF UNDERGRADUATE (2014届) 六自由度机器人机械机构设计 学院机械工程学院 专业机械设计制造及其自动化学生姓名** 学号 指导教师*** 完成日期2014年5月
承诺书 本人郑重承诺：所呈交的毕业论文“六自由度机器人机械结构设计”是在导师的指导下，严格按照学校和学院的有关规定由本人独立完成。文中所引用的观点和参考资料均已标注并加以注释。论文研究过程中不存在抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。如若出现任何侵犯他人知识产权等问题，本人愿意承担相关法律责任。 承诺人(签名)：______________________ 日期：年月日
六自由度机器人机械结构设计 摘要 机械手是模仿人手的部分动作，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，其主要由执行机构、驱动机构、控制机构以及位置检测装置等所组成。本论文围绕机器人本体结构设计，进行机器人静力学分析及研究极限位置下关节力矩情况，并以此为依据为机器人机构改进奠定理论基础，主要设计内容如下：（1）阐述六自由度工业机器人当前发展现状，对比现有机械手传动方式及空间布局，分析其技术特点。 （2）根据预期假定机器人工作运动范围及有效负载，参考目前应用较广泛的本体结构，在solidworks环境下先设计简单机器人初期模型。通过静力学分析得出关节所受负载，进行伺服电机、减速机选型以及确定同步齿形带相关参数，完成机械手内部空间整体布局，确定传动方式并能达到相关目标要求完成理论作业。 （3）建立考虑约束及质量等效转换的机械手模型，分析典型工况下各关节的运动情况。对关键零件及手部轴承通过施加约束、负载完成相应应力分析，验证不同电机、减速机选型的合理性，完成机器人结构校核与优化。 关键词：六自由度传动方式静力学分析 i
论文提要 随着大工业时代的到来，自动化设备代替人工作业成为现代化工业发展的一大趋势。机械手作为一种自动化执行设备，解放了人类的双手，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。它能模仿一些人手和手臂的动作，进行抓取、搬运或装配工作，被广泛应用在大型工厂的生产流水线上，尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，机械手的应用更加重要。随着现代科技的发展，借助计算机辅助设计系统、计算机辅助制造系统，使机械手得到了更快的发展和应用，过渡到了一个新的工业自动化阶段。本文主要是对四自由度机械手的结构设计和工作原理进行阐述和说明，并推导出了机械手的运动轨迹方程。
四自由度机械手的设计与规划 摘要：随着大工业时代的到来，自动化设备代替人工作业成为现代化工业发展的一大趋势。机械手作为一种自动化执行设备，解放了人类的双手，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。它能模仿一些人手和手臂的动作，进行抓取、搬运或装配工作，被广泛应用在大型工厂的生产流水线上，尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，机械手的应用更加重要。随着现代科技的发展，借助计算机辅助设计系统、计算机辅助制造系统，使机械手得到了更快的发展和应用，过渡到了一个新的工业自动化阶段。本文主要是对四自由度机械手的结构设计和工作原理进行阐述和说明，并推导出了机械手的运动轨迹方程。 关键词:四自由度机械手自动化 一、什么是机械手 机械手是一种主要由机械主体、控制器、驱动系统和传感器装置等组成的,能模仿人手和臂的某些动作的运动机构。机械手的设计是模仿人的动作，所以在设计机械手时，为了使机械手能更像人手那样灵活好用，可以遵循三个设计原则：一是使机械手的覆盖范围尽可能的大；二是使机械手可以根据外界的环境改变自己的运动姿态；三是在使自身重量足够小时，承受的负载足够大。美国机器人工业协会定义了工业机械手的含义：机械手是一种可以用于移动各种生产材料零部件工具或专用设备的，并通过可编程序动作来执行各种任务的，具有编程能力的多功能自动化设备。自从机械手被发明以来，工厂生产中相应的各种难题迎刃而解。机械手被广泛应用于多品种、变批量的柔性生产中，改善了劳动条件，提高了产品质量和生产效率，在工农业生产中有着十分重要的意义。机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多种学科知识，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。一个国家工业自动化水平的重要标志就是这个国家对机器人的应用情况。机器人是一种模拟人的电子机械装置，它综合了人的特长和机器特长，既拥有人在环境变化状态下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，所以它并不是简单意义上的代替人工劳动，更确切的说，它是机器进化过程的产物，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。机械手按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作，模仿着人手的部分动作。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。机械手在工业生产中的应用可以提高生产过程的自动化水平和劳动生产率，可以减轻工人的劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。所以它在机械加工、焊接、电镀、装配以及交通运输业等领域得到了越来越多的应用。机械手由于结构形式简单，专用型强，而成为固定机床的附加装置，为机床的上下料提供了方便。随着工业技术的发展，逐渐出现了能够独立的按照编好的程序来控制机械手以实现重复操作的通用型机械手，这种机械手适用范围比较广，在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。 二、机械手的组成
四自由度液压搬运机械手设计摘要: 通过对机床工件搬运机械手主要结构和运动形式的探究，以及对机械手的工作过程和控制要求分析，根据机械手动作循环图设计液压系统控制图;并采用欧姆龙控制器系统进行电气部分的软硬件设计，绘制了 PLC 的外部接线图和单循环自动工作状态流程图，将 PLC 技术应用于机械手具有整体技术及经济效益Abstract: The hydraulic system control was designed according to the cycle operation of manipulator，through the study of main structures and movement forms of the manipulator and the analysis on working processes and control requirements of the manipulator． The software and hardware design for the electrical part was done by using the Omron controller system． The external wiring diagram and automatic single cycle working state flow chart of the PLC were drawn． The application of PLC to manipulator would have technological and economic benefits． 关键词:机械手，四自由度，搬运，液压驱动，PLC控制 Key words: manipulator; Four dof handling PLC control hydraulic system 1、结构设计方案 1.1机械手的机械结构 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）极坐标系机械手；（4）多关节型机械手 1.1.1机构原理 这里的机械手可完成的动作有夹紧工件、手臂转位、松开卸料、手臂复位等基本动作，该机械手可看成是一个由4个自由度构成的机构（各组成部分的定义如图1所示）四自由度分别为基座的旋转、立柱的升降、大臂的伸缩以及小臂的旋转。