关节机械手腕部设计

第一章 绪论

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,仍是新兴产业，都离不开各类各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和本钱，对国民经济各部门技术进步和经济效益有专门大的和直接的阻碍。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，世界各国都把进展机械工业作为进展本国经济的战略重点之一。

机械手是近代自动操纵领域中显现的一项新技术，并已成为现代机械制造中的一个重要组成部份。机械人显著地提高了劳动生产率，加速实现工业生产机械化和自动化的步伐。尤其在高温、高压、粉尘、噪音和带有放射性和污染的场合，应用得更为普遍。因此受到各先进工业国家的重视，投入大量人力物力加以研究和应用。

机械手一样分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手,统称为机械人。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它能够依照任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它的特点是除具有一般机械的物理性能之外，还具有通用机械、经历智能的三元机械。它能够灵活运用在工业上的方方面面，如喷漆、焊接、搬运等。第二类是需要人工操作的，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，后来进展到用无线电讯号操作机械人来进行探测月球等。工业中采纳的锻造操作机也属于这一范围。第三类是专用机械手，要紧附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械人在国外称为“Mechanical Hand "，它是为主机效劳的，由主机驱动;除少数外，工作程序一样是固定的，采纳机械编程。因此是专用的。

本课题通过对通用机械人smart6.50R 的结构进行分析和研究，完成对其腕部的设计，最终期望腕部与小臂、手部、大臂能够和谐工作，能够完成各类现代工业加工进程中所要求的动作。

本课题的设计思路是：借助已有的通用机械人的腕部设计思想和方式，综合考虑腕部机构在机械人运动中所起的作用和机械人的整体技术参数。

第二章 关节机械电话构原理

机械手要紧由执行机构、驱动机构和操纵系统三大部份组成。其组成及彼此关系如以下图所示:

图2.1 机械手的组成及彼此关系

驱动机构要紧有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。

液压驱动主若是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优势是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂本钱较高。

气压驱动所采纳的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一样采纳4-6 个大气压，个别的达到 8-10 个大气压。它的优势是气源方便，保护简单，本钱低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可紧缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位操纵，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度操纵机构或缓冲机构。

采纳的不多。此刻都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来

驱动执行机构；直线运动那么用电动机带动丝杠螺母机构；有的采纳直线电动机。通用机械手那么考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优势是动力源简单，保护，利用方便。驱动机构和操纵系统能够采纳统一形式的动力，出力比较大；缺点是操纵响应速度比较慢。 机械驱动只用于固定的场合。一样用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优势是确实靠得住，速度高，本钱低；缺点是不易调整。

工业机械手装置包括驱动器和传动机构两部份，它们通常与执行机构连成一体。传动机构经常使用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带和各类齿轮轮系。驱动器通常有电机(直流伺服电机，步进电机，交流伺服电机)，液动和气动装置，

机械手操纵系统的要素，包括工作顺序、抵达位置、动作时刻和加速度等。

操纵系统可依照动作的要求，设计采纳数字顺序操纵。它第一要编制程序加以存

储，然后再依照规定的程序，操纵机械手进行工作。

操纵系统一样由操纵运算机和驱动装置伺服操纵器组成。后者操纵各关节的驱动器，使各杆按必然的速度，加速度和位置要求进行运动。前者那么是要依照作业要求完成误差，并发出指令操纵各伺服驱动装置使各杆件和谐工作，同时还要完成环境状况，周边设备(如电焊机，工卡具等)之间的信息传递和和谐工作。

执行机构由腰部、基座、手部、腕部和臂部等运动部件组成。 1) 腰部 腰部是连接臂和基座的部件，一般是回转部件，腰部的回转运动再加上臂部的平面运动，就能够使腕部作空间运动。腰部是执行机构的关键部件，它的制造误差，运动精度和平稳性，对机械人的定位精度有决定性阻碍。

2) 基座 基座是整个机械人的支持部份，有固定式和移动式两种。该部件必需具有足够的刚度和稳固性。

3)手部 手部它具有人手某种单一动作的功能。由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等形式。

夹持式手部是由手指和传力机构所组成。

手指是直接与物件接触的机构。经常使用的手指运动形式有回转型和平移型。 吸附式手部有负压吸盘和电磁吸盘两类。

关于轻小片状零件、滑腻薄板材料等，通经常使用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。关于导磁性的环类和带孔的盘类零件，和有网孔状的板料等，通经常使用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。

4)腕部 腕部与手部相连，通常有3个自由度，多为轮系结构，要紧功用是带动手部完成预订的姿态，是操作机中结构最为复杂的部份。

5)臂部 臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆(小臂和大臂)组成，用以带动腕部作平面运动。

随着科学技术的进展，机械手也愈来愈多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处置、机械加工、装配、查验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。

在机械工业中，应用机械手的意义能够归纳如下：

(1)以提高生产进程中的自动化程度

应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的改换和机械的装配等的自动化的程度，从而能够提高劳动生产率和降低生产本钱。

(2)以改善劳动条件，幸免人身事故

在高温、高压、低温、低压、有尘埃、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染和工作空间狭小的场合中，用人手直接操作是有危险或全然不可能的，而应用机械手即可部份或全数代替人平安的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，专门是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，能够幸免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

(3)能够减轻人力，并便于有节拍的生产

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能够持续的工作，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，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的操纵生产的节拍，便于有节拍的进行工作生产。 综上所述，有效的应用机械手，是进展机械工业的必然趋势。

专用机械人是专为必然设备效劳的，简单、有效，目前在生产中运用比较普遍。它一样只能完成一、二种特定的作业，如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可依照需要编制程序操纵，以取得多种工作程序，适应多种作业的需要。

通用机械人是在专用机械人的基础上进展起来的。它能对不同的物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动扮装置。它的动作程序能够依照工作需要来改变，多数是采纳运算机操纵系统。

点位操纵型机械人的运动轨迹是空间二个点之间的联接。操纵点数愈多，性能愈好。它大体能知足于各类要求，结构简单。绝大部份机械人是点位操纵型。

这种机械人的运动轨迹是空间的任意持续曲线，它能在三维空间中作极为复杂的动作，工作性能完善，但操纵部份比较复杂.

1.液压机械人:输出力大，传动平稳。

2.气压机械人:气源方便，输出力小，气压传动速度快，结构简单，本钱低。

但工作不太平稳，冲击大。

3.电动式机械人:电力驱动是目前机械人利用的最多的一种驱动方式，其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测，传递，处置方便，能够采纳多种灵活的操纵方案。

4.机械式机械人:工作靠得住，动作频率高，结构简单，本钱低。但动作固定不可变。

手腕是操作机的小臂(上臂)和结尾执行器(手爪)之间的连接部件。其功用

是利用自身的活动度确信被结尾执行器夹持物体的空间姿态，也能够说是确信结尾行器的姿态。故手腕也称作机械人的姿态机构。对一样商用机械人，末杆(即与结尾执行器相联结的杆)都有独立的自转功能，假设该杆再能在空间取任意方位，那么与之相联的结尾执行器就可在空间去任意姿态，即达到完全灵活的境界。关于任一杆件的姿态(即方向)，可用两个方位确信。如图2.1所示

图2.2 末杆姿态示用意

1．大臂 2.小臂 3.末杆(L)

在图2.1中，末杆L的图示姿态能够看做是由处于x1方向的原始位置先绕z1在x1 o1 y1平面内转α、β角，然后在a o1与z1组成的垂直平面内再向上转β角取得的。可见是由α、β两角决定了末杆（L）的方向(姿态)。从理论上讲，若是0°≤α≤360°，0°≤β≤360°，那么L在空间可取任意方向。若是L的自转角γ也知足0°≤γ≤360°，咱们就说该操作机具有最大的灵活度，即可自任意方向抓取物体并可把抓取的物体在空间摆成任意姿态。为了定量的说明操作机抓取和摆放物体的灵活度，咱们概念组合灵活度(dex)为:

dex=α/360°+β/360°+γ/360°=xx%+xx%+xx%

上式取“加”的形式，但一样不进行加法运算，因为分开更能表现结构的特点。

腕结构最重要的评判指标确实是dex值。假设为3个百分之百，该手腕确实是最灵活的手腕。一样说来，α、β的最大值取360°，而γ值可取的更大一些，若是拧螺钉，最好γ无上限。 腕结构是操作机中最复杂的结构，而且因转动系统相互干扰，更增加了腕结构的设计难度。腕部的设计要求是:重量轻，dex的组合值必需知足工作要求并留有必然的裕量(约5%—10%，转动系统结构简单并有利于小臂对整机的静力平稳。

SCARA水平关节装配机械人多采纳单自由度手腕，该类机械人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度。为了减轻操作机的悬臂的重量，手腕的驱动电机固结在机架上。手腕转动的目的在于调束装配件的方位。由于转动为两级等径轮齿形带，因此大、小臂的转动不阻碍结尾执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕传动的驱动电机。这时确信结尾执行器方位的角度(以机座坐标系为基准)将是大小臂转角和腕转角之和。

两自由度手腕有两种结构:

1）汇交式两自由度 手腕两自由度手腕的末杆与小臂中线重合，两个链轮对称分派在两边。β≤200° ,γ≥360°, dex= 0+80%+100%，如图1.3，

2）偏置式两自由度手腕 手腕的末杆偏置在在小臂中线的一边。