第1章概述
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，搬运或操作动作的自动化机械装置。在工业中应用的机械手称为“工业机械手”。
工业机械手由执行系统、驱动系统和控制系统组成。执行系统又可分为抓取，送放和机身三部分，如图1.1所示
1-执行系统 2-控制系统 3-驱动系统
a-手爪 b-手腕 c-手臂 d-机身 e-行走装置
图1.1机械手的组成
1.1执行系统
执行系统是直接握持物件实现所需的各种运动的机械部分，它包括以下机构
（1）抓取机构抓取机构又称手部或手爪，是机械手直接与被抓取物件接触并施加约束和加紧力的部分。
（2）送放机构送放机构是执行系统中将被抓取物件送放到目的地的机械部分。它主要由手臂、手腕、行走装置等部分组成。
手臂是用来支撑腕部和手部并改变被送放物件的空间位置的。它是机械手的主要运动部件。
手腕主要是用来调整和改变被送放物件的方位，并连接手臂和手指。
行走装置的主要作用是扩大机械手的送放范围，以适应远距离操作的需要。
（3）机身机身是机械手中用来支撑送放机构的部件，也是安装驱动系统，控制系统的基础部件。
1.2 驱动系统
机械手的驱动系统是为执行系统各部分提供动力的装置。驱动系统可分为液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等多种形式。液压驱动系统主要由油泵，油缸，油压阀机管路组成。
1.3 控制系统
机械手控制系统的功用是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，并检测其工作位置正确与否。它主要包括程序控制和位置检测等部分.
程序控制装置指挥机械手按规定的程序进行运动,并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序,运动轨迹,运动速度,运动时间等),同时按其控制系统的信息对执行系统发出指令,必要时它还可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时,即发出报警信号.
信息检测装置主要用来控制机械手执行系统的运动位置,并随时竟执行系统的实际位置反馈给控制系统,并与设定的位置进行比较,然后通过控制系统进行调整,从而使执行系统以一定的精度达到设定位置.
第2章方案设计及主要参数的确定
2.1 方案设计
根据课题要求，机械手需要具备上料、翻转和转位等多种功能，并按该自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作，因此可采用以下多种设计方案。
（1）直角坐标系式，自动线成直线布置，机械手空中行走，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种方案结构简单，自由度少，易于配线，但需要架空行走，油液站不能固定，这使设计复杂程度增加，运动质量增大。
（2）机身采用立柱式，机械手侧面行走，顺序完成上料、翻转、转位等功能，自动线仍呈直线布置。这种方案可以集中设计液压站，易于实现电气、油路定点连接，但占地面积大，手臂悬伸量较大。
（3）机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种案具有电液集中、占地面积小、可从地面抓取工件等优点，但配线要求较高。
本设计拟采用第三种方案，如图（1）所示。这是一种球坐标式机械手，具有立
柱旋转(⌒
z )、手臂伸缩(→
x
)、手臂俯仰(⌒
y
)、腕部转动(⌒
x
)和腕部摆动(⌒
y
)五个自由度。
图2.1 球坐标式机械手
2.2主要参数的确定
（1）抓取重量 15kg
（2）坐标形式和自由度 坐标形式为球坐标式，有五个自由度。 （3）工作行程
工作行程由已知条件及方案分析确定： 最大工作半径1500mm ； 手臂最大中心高1000mm ； 手臂水平中心高700mm ； 手臂伸缩行程450mm ； 手臂回转范围：φ=0～270○； 手腕回转范围：翻转θ=0～180○； 腕部摆动范围：转位α=0～90○； 手臂上下摆动角度：β=0～60○。 （4）运动速度
直线运动速度：手臂伸缩行程l=450mm ，运动时间t=2s ，则手臂伸缩速度为：v=t l =0.45/2=0.225m/s ；
回转运动速度：定为60○/s 。 （5）驱动方式
驱动方式采用液压驱动的方式。由于机械手操作时各缸不同时工作，手臂伸缩缸和手臂回转缸所需的流量大，其余各缸所需的流量均较小，因此可选用双联叶片泵。在小流量时，只需高压小流量供油，大流量低压泵卸荷；在大流量时，两泵同时供，这样可以减少系统功率损失，防止油温升高。
（6）定位精度
定位采用机械挡块定位，定位精度为0.5～1mm 。 （7）控制方式
采用行程控制系统实现点位控制。
第3章抓取机构的设计
3．1抓取机构结构形式的确定
抓取机构的结构形式主要决定于工件的形状和质量，本课题的抓取工件为250×170×140mm的箱式零件，因此采用平行连杆杠杆式手部结构较为合适。夹紧装置为常开式，当夹紧液压缸通油时，推动活塞带动杠杆机构合拢将工件夹紧。当夹紧液压缸断油时，活塞杆通过弹簧复位，手爪张开。
3．2夹紧力（握力）的确定
当用不同的手部机构夹紧同一种工件时，由于各手部机构的增力倍数不同，所需拉紧油缸的驱动力也不同。当手部机构选定后，由于工件的方位不同（如工件水平放置或垂直放置），钳爪的受力状态不一样，因而所需拉紧油缸的驱动力也不一样。下图（2）为两钳爪式手部机构，由于驱动力P使一对平行钳口对被夹持的工件产生两个作用力N，当忽略工件重量时（即相当于夹紧一块握力表），这两个力大小相等，力N称为由驱动力P产生的夹紧力。
图3.1 夹紧力
现引入一个称为“当量夹紧力”的概念，所谓当量夹紧力，就是指把重量为G的工件，按某一方位夹紧可以求得其拉紧油缸具有的最小驱动力，这个最小驱动力所能产生的夹紧力，就称为工件在这个方位的当量夹紧力。
当量夹紧力的数值与具体的手部机构方案无关。只与工件的重量G和它相对与钳爪的放置方位有关。证明如下：
（1）首先求驱动力P与夹紧力N的关系。当驱动力推动活塞杆移动一小段距离dy时，两个钳爪都相应产生一微小转角dθ，依据虚功原理，驱动力P所做功（Pdy）和夹紧力N所做功应相等，即
θNbd
θ
=
Nbd
Pdy+
