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。
主要参考文献（指导教师提供有关参考资料、工具书、期刊论文等）
（1）费仁元张慧慧. 机器人机械设计和分析.北京：北京工业大学出版社，1998 （2）马香峰. 机器人机构学.北京：机械工业出版社，1991
（3）加藤一郎. 机械手图册.上海：上海科学技术出版社，1979
（4）张铁谢存禧. 机器人学.广州：华南理工大学出版社，2000
（5）宗光华张慧慧译. 机器人设计与控制.北京：科学出版社，2004
（6）张建民. 工业机器人.北京：北京理工大学出版社，1988
（7）周伯英. 工业机器人设计.北京：机械工业出版社，1995
（8）索罗门采夫. 工业机器人图册.北京：机械工业出版社，1993
（9）余达太. 工业机器人应用工程.北京：冶金工业出版社，1999
（10）吴芳美. 机器人控制基础.北京：中国铁道出版社，1992
（11）任大为. 机械设计手册.北京：化学工业出版社，1998
（12）徐灏. 新编机械设计师手册.北京：机械工业出版社，1995
（13）黄靖远. 机械设计学.北京：机械工业出版社，1999
（14）孟宪源等. 现代机构手册（上、下册）.北京：1994
主要仪器设备（根据毕业设计题目情况需要填写）
（1）机电工程学院机器人机研究室的FUNC（发那科）机器人；
（2）机电工程学院机械创新设计实验室广茂达机器人模型以及慧鱼机器人创意组合模型；
（3）计算机一台。
毕业设计（论文）开始日期毕业设计（论文）完成日期
毕业设计（论文）进度计划（起止时间、工作内容）
（指导教师对毕业设计（论文）的进度计划提出要求,至少详细到前期、中期和答辩阶段）
前期（到第4周止）：
对题目进行调研，确定设计方案，完成调研报告和开题报告；
中期（到10周止）：
完成工作量的60％～70％，即完成电动式关节型机器人机械手的结构设计，包括3张A0图纸的装配图、零件图；
后期（到16周止）：
完成所有工作量，包括对建立机械手的三维虚拟模型，进行运动仿真，对实验室的机械手模型进行调试，完成设计计算说明书，准备答辨提纲等。
指导教师（签字）：2009年2月23日
督导教师（签字）：年月日
系毕业设计（论文）领导小组审查意见：
组长（签字）：年月日
目录
摘要............................................................................................................... 错误！未定义书签。Abstract ........................................................................................................... 错误！未定义书签。第1章绪论................................................................................................. 错误！未定义书签。
1.1绪言.................................................................................................. 错误！未定义书签。
1.2课题工作要求.................................................................................. 错误！未定义书签。
1.3课题基本参数的确定....................................................................... 错误！未定义书签。第2章结构的设计....................................................................................... 错误！未定义书签。
2.1手部机构.......................................................................................... 错误！未定义书签。
2.2 手腕结构设计................................................................................. 错误！未定义书签。
2.3手臂伸缩，升降，的尺寸设计与校核 .......................................... 错误！未定义书签。第3章控制系统设计................................................................................. 错误！未定义书签。总结............................................................................................................... 错误！未定义书签。致谢............................................................................................................. 错误！未定义书签。参考文献......................................................................................................... 错误！未定义书签。
摘要
本文简要介绍了电动式关节型机器人机械手的概念，机械手硬件和软件的组成，机械手各个部件的整体尺寸设计，气动技术的特点。本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，大大提高了绘图效率和图纸质量，画出了机械手的装配图图。关键词：工业机器人机械手电动电动式关节型机器人机械手
Abstract
At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy information of the development briefly. What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic.The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator. This paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm. The paper institutes two control schemes of according to the work flow of the manipulator. The paper draws out the work time sequence chart and the trapezium chart.
KEY WORDS: Industrial robot robot electric
electric-type joints robot manipulator
第1章绪论
1.1绪言
到目前为止，世界各国对“机器人机械手”还没有做出统一的明确定义。通常所说的“机器人机械手”是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照予定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运或操纵工具的自动化装置。而“机械手”一般具有固定的手部、固定的动作程序（或简单可变程序）、一般用于固定工位的自动化装置。因为国内外称作“机器人机械手”、“机械手”、“操作机”的这三种自动化和半自动化装置，在技术上有某些相通之处，所以有时不易明确区分，就它们的技术特征来看，其大致区别如下。
“机器人机械手”（Industrail Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操纵工具的装置（国内称作机器人机械手或通用机械手）。
“机械手”（Mechanical Hand）：多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手）。如自动线、自动线的上、下料，加工中心的自动换刀的自动化装置。
“操作机”（Manipulator）：一般是指由工人操纵的半自动搬运、抓取、操作装置。如锻造操作机或处理放射性材料、火工品的装配等所使用的半自动化装置。
机器人机械手（Industral Robot ,简称IR）是1960年由《美国金属市场》报首先使用的，但这个概念是由美国George·C·Pevol在1954年申请的专利“程序控制物料传送装置“时提出来的。在这专利中所记述的机器人机械手，以现在的眼光来看，就是示教再现机器人。根据这一专利，Devol与美国Consolide Control Corp合作，于1959年研制成功采用数字控制程序自动化装置的原型机。
随后，美国的Unimation公司和美国的机械铸造(AMF)公司于1962年分别制造了实用的一号机，并分别取名为Unimate和Ver·satran。Unimate机器人外形类似坦克炮塔，采用极坐标结构，而Versatran机器人采用圆柱坐标结构。
上述两种机器人成为机器人结构的主流，美国通用汽车公司和福特汽车公司在其金属冷热加工中，采用这类机器人进行压、铸、冲压等上、下料，收到了良好的效果。
美国的机器人机械手技术的发展，大致经历了以下几个阶段：
（1）1963~1967年为实验定型阶段。1963~1967年，万能自动公司制造的机器人机械手供用户做工艺实验。1967年，该公司生产的机器人机械手定型为1900台。
（2）1968~1970年为实验应用阶段。这一时期，机器人机械手在美国进入应用阶
段。例如美国通用汽车公司1968年订购了68台机器人机械手；1969年又自行研制出SAM型机器人机械手，并用21台组成了点焊小汽车车身的焊接自动线。
（3）1970年至今一直出于技术发展和推广应用阶段。1970~1972年，机器人机械手处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国机器人机械手会议。据当时统计，美国已采用了大约200台机器人机械手，工作时间共达60万小时以上。与此同时，出现了所谓高级机器人，例如森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人机械手的系统。
在欧洲第一台机器人机械手是1963年瑞典Kavieldt公司发表的第一台操作机。
日本在六十年代初期就开始研制固定程序控制的机器手，并从其他各国引进了用于不同生产过程的机器人，并获得迅速，很快研制出日本国产华的机器人机械手，技术水平很快赶上了美国并超过了其它国家，目前机器人机械手在日本已得到迅速发展并很快得到普及。
我国虽然开始研制机器人机械手仅比日本晚5~6年，但由于种种原因，机器人机械手的技术发展比较慢。但目前已引起了有关方面的极大关注。除了引进、消化、仿制外，已经具备了一定的独立设计和研制能力。在1958年新疆维吾尔自治区成立30年大庆站展览馆展出了由新疆机械局研制的跳舞机器人《阿依古丽》。在1986年地十六届广交会上，成都电讯工程学院研制的第三代仿人机器人《成蓉小姐》已经用汉语或英语向来宾问好，并能简要的介绍的展览产品及回答简单问话。西北电讯工程学院研制的微机控制示教再现式机器人《西电I号》，也于1985年9月在陕西省科技贸易大会上进行了表演。此外，清华大学自动化系研制的具有视觉手眼系统，北京钢铁学院研制的焊接机器人，均已达到了较高的水平。同时，在机器人学科中的视觉、听觉、语音合成、触觉、计算控制以及人工智能诸领域研究，也取得了一定的进展。
近几年来的成就表明，我国机器人技术已经迈出了可喜的一步。相信在不久的将来，我们一定回赶上世界各国前进的步伐。
1.2课题工作要求
为了保证机器人在抓取工件时的精确度，我们在机器人的手部安装了力觉传感器。用以对机器人的检测和监控。该检测系统运用的是闭环控制。整个抓取动作的流程见图。
图1.1机械手的工作程序图
1.3课题基本参数的确定
1、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.）
2、自由度数：4个，沿Z 轴的上下移动，绕Z 轴转动，沿X
Ｎ
Ｙ
初始化
手部下降
夹持工件 是否夹紧？
手臂伸长
手臂上升
手腕回转180度
手臂回转180度
手爪松开
手臂缩回
回到原位
启动
轴的伸缩，绕X轴的转动
3、坐标型式：圆柱坐标，其圆柱坐标型式的运动简图如图所示（见图1）
4、最大工作半径：1800mm，最小工作半径1350mm
5、手臂最高中心位置：1012mm
或伺服电机上端最高行程：1387mm（见图2）
最小行程：1237mm
ωφ
X
Z
图1.2
6、手臂运动参数：
伸缩行程（X）：450
伸缩速度：〈250mm/s
升降行程（Z）：150mm
升降速度：〈60mm/s
回转范围（φ）：0~180度
回转速度：〈70/s
7、手腕运动参数：
回转范围（ω）：0~180
回转速度：90/s
8、手臂握力：由N=0.5/f*G定
这里取f=0.1 G=10kg
N=0.5/f*G=50kg
即手指握力为50kg
9、定位方式：闭环伺服定位
10、重复定位精度：±0.05mm
11、驱动方式：电气（伺服电机）
12、控制方式：采用MGS-51单片微机
第2章结构的设计
2.1手部机构
手部机构是机器人机械手直接与工件、工具等接触的部件，它能执行人手的部分功能。目前，根据被抓取工件、工件等的形状、尺寸、重量、易碎性、表面粗糙度的不同，在工业生产中使用着多种形式的手部机构，最常见的是钳爪式、磁吸式和气吸式，也有少数的特殊形式。不同形式的手部机构其夹紧力的计算各有不同。
钳爪式手部机构是最常见的形式之一。手爪有两个、三个或多个，其中两个的最多。抓取工件的方式有两种：外卡式和内撑式。从其机械机构特征、外观与功用来看，有多种形式，它们分别是：
（1）拨杆杠杆式钳爪
（2）平行连杆式钳爪
（3）齿轮齿条移动式钳爪
（4）重力式钳爪
（5）自锁式钳爪
（6）自动定心钳爪
（7）抓取不同直径工件的钳爪
（8）具有压力接触销的钳爪
（9）抓勾与定位销十钳爪
（10）复杂形状工件用的自动调整式钳爪
（11）同时抓取一对工件的钳爪与内撑式三指钳爪
（12）特殊式手指钳爪
同时对钳爪的选用也非常重要，应考虑以下几个方面：
1应具有足够的夹紧力，这样才能防止工件在移动过程中脱落，一般夹紧力为工件重量的2到3倍。
2应具有足够的张开角，来适应它抓取和松开工件之间较大的直径范围，而且夹持工件中心位置变化要小（即定位误差小）。
3应具有足够的强度和刚度，以免承受在运动过程中产生的惯性力和震动的影响。
4应能保证工件的可靠定位
6尽可能具有一定的通用性
夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。
2.1.1手指的形状和分类
夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。
2.1.2设计时考虑的几个问题
(一)具有足够的握力(即夹紧力)
在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。
(二)手指间应具有一定的开闭角
两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。
(三)保证工件准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。
(四)具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。
根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V 型，其结构如附图所示。
2.1.3手部夹紧的设计
1、手部驱动力计算
本课题电动机械手的手部结构如图2-1所示：
图2-1齿轮齿条式手部
其工件重量G=10公斤，
V 形手指的角度 1202=?，mm R mm b 24120=>=,摩擦系数为10.0=f (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:
R b p 2=N (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:
)(5.0?θ-=tg N
)(25)
42560(55.0'N tg =-??=
所以
R
b
p 2=
N )(245N = (3)实际驱动力:
η
2
1K K p
p ≥实际
1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取94.0=η，并取5.11=K 。若被抓取工件的最大加速度取g a 3=时，则:412=+=g
a
K 所以)(156394
.04
5.1245N p =??
=实际 所以夹持工件时所需夹紧的驱动力为N 1563。
2.2 手腕结构设计
2.2.1 手腕的自由度
手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x 轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，因此我们选用。它的结构紧凑，但回转角度小于 360，并且要求严格的密封。
2.2.2 手腕的驱动力矩的计算
手腕转动时所需的驱动力矩
手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产
生的偏重力矩.图2-2所示为手腕受力的示意图。
1.工件
2.手部
3.手腕 图2-2手碗回转时受力状态
手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:
封摩偏惯驱M M M M M +++=
式中: 驱M - 驱动手腕转动的驱动力矩(cm N ?);
惯M - 惯性力矩(cm N ?);
偏M - 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩(cm N ?).
封M - 手腕回转的动片与定片、径、端盖等处密封装置的摩擦阻力 矩(cm N ?);
下面以图2-3所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算: 1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M 悦
若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为ω，起动过程所用的时间为t ?，则:
).(1cm N t
J J M ?+=ω
）（惯
式中:J - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量)..(2s cm N ;
1J - 工件对手腕转动轴线的转动惯量)..(2s cm N 。 若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量1J 为:
g
G J J c 11+
=2
1e 式中: c J - 工件对过重心轴线的转动惯量)..(2s cm N :
1G - 工件的重量(N);
1e - 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), ω- 手腕转动时的角速度(弧度/s);
t ?- 起动过程所需的时间(s);
??— 起动过程所转过的角度(弧度)。
2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M 偏
=偏M 11e G +33e G (cm N ?) 式中: 3G - 手腕转动件的重量(N);
3e - 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm) 当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则11e G 0=. 3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩封M
=
封M )(2
12d R d R f
B A +(cm N ?) 式中:1d ，2d - 转动轴的轴颈直径(cm);
f - 摩擦系数，对于滚动轴承01.0=f ，对于滑动轴承1.0=f ;
A R ,
B R - 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，
根据0=∑）
（F M A ,得: 33l G l R B +=l G l G 122+
B R =
l
l G l G l G 3
32211-+
同理，根据B M ∑(F)0=,得:
l
l l G l l G l l G R A )
()()(332211-++++=
式中:2G - 的重量(N)
321,,,l l l l ,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm).
4、转的动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M 封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。 驱动力矩计算
手腕回转的尺寸及其校核 1.尺寸设计
长度设计为mm b 100=,内径为1D =96mm,半径mm R 48=,轴径mm D 262=2D =26mm,半径mm R 13=,运行角速度ω=s /90 ，加速度时间t ?=0.1s, 压强MPa P 4.0=, 则力矩：
2
)
(22r R pb M -=
)
.(6.322
)026.0048.0(1.0104.0226m N =-??=
2.尺寸校核
（1）测定参与手腕转动的部件的质量kg m 101=,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径mm r 50=的圆盘上，那么转动惯量：
221r m J =
2
05.0102
?=
0125.0=（2.m kg ）
工件的质量为5kg ,质量分布于长mm l 100=的棒料上，那么转动惯量：
)
.(0042.0121.051222
2
m kg m l J c =?=
=
假如工件中心与转动轴线不重合，对于长mm l 100=的棒料来说，最大偏心距
mm e 501=，其转动惯量为:
)
.(0167.005.050042.0222
1
1m kg e m J J c =?+=+= 惯M t
J J ?+=ω
)
(1
)
.(3.261.090)0167.00125.0(m N =+=
（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M 偏，考虑手腕转动件重心
与转动轴线重合，01=e ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线mm e 503=,则：
=偏M 11e G +33e G
)
.(5.205.010501010m N =??+??=
（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为摩M ，对于滚动轴承01.0=f ，对于滑动轴承f =0.1，1d ，2d 为手腕转动轴的轴颈直径，mm d 301=, mm d 202=, A R ,B R 为轴颈处的支承反力，粗略估计N R A 300=,N R B 150=,
摩M =
)(212d R d R f
B A + =)03.015002.0300(2
01
.0?+? =).(05.0m N
4．回转的动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M 封，与选用的密衬装置
的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计封M 为摩M 的3倍，
封M =3?摩M =05.03? =).(15.0m N
∴ 封摩偏惯驱M M M M M +++= =15.005.05.23.26+++ =).(29m N
M M 〈驱
∴设计尺寸符合使用要求，安全。
2.3手臂伸缩，升降，的尺寸设计与校核
2.3.1 手臂伸缩的尺寸设计与校核
手臂伸缩的尺寸设计
手臂伸缩采用烟台气动元件厂生产的标准，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，尺寸系列初选内径为φ100/63。 尺寸校核
1. 在校核尺寸时，只需校核内径1D =63mm,半径R=31.5mm 的的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强MPa P 4.0=, 则驱动力： 2R P F π?=
)
(12460315.014.3104.026N =???=
2．测定手腕质量为50kg,设计加速度)/(10s m a =，则惯性力：
ma F =1
)
(5001050N =?=
3.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数2.0=k ,
1.F k F m =
)
(1005002.0N =?=
∴ 总受力m F F F +=10
)
(600100500N =+=
F F <0
所以标准CTA 的尺寸符合实际使用驱动力要求。 导向装置
气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。
导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。 平衡装置
在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。
2.3.2 手臂升降的尺寸设计与校核
尺寸设计
运行长度设计为l =118mm,内径为1D =110mm,半径R=55mm,运行速度，加速度时间
t ?=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力：
``20.R p G π=
26055.014.3104.0???=
)(3799
N = 尺寸校核
关节型搬运机器人设计 摘要 随着现代工业机器人技术的发展，工业机器人的使用迅速增长。本文通过对国内外工业机器人的分析，并结合搬运所需要的条件，设计出了工厂自动化生产和生产线使用的搬运机器人。 本文着重对搬运机器人的总体设计方案、机构及控制系统从理论上进行了详细的分析和设计。在搬运机器人总体设计中，采用了应用最为广泛的平面关节型；在机构设计中，主要设计了搬运机器人末端执行器、手腕、手臂和腰的机械结构；在末端执行器设计上采用了一种具有接近觉、接触觉及滑动觉的初级智能机械手；在控制系统的设计中，采用可编程控制器（PLC）进行控制，并对控制系统的硬件原理做了分析，对PLC 的程序也进行了编译；在驱动系统设计中，采用了气动和电机两种驱动方式，主要动作采用电机驱动。 关键词：搬运机器人，三感觉机械手，可编程序控制器 Design of the joint transporting robot Abstract Under the development of the modern industrial robot’s technology , the use of industrial robot increases rapidly. Through analyzing the domestic and foreign industrial robots, combing the conditions of the transportation, the transporting robot for the factory automation produce and the production line is designed in this article. The emphasis on this article is to analyze and design the transporting robot in theory. The analytical objects include the total scheme, the mechanism design, and the control system design. In the total scheme design, the most wildly applied plane joint type is chosen. In the mechanism, the transporting robot’s end-effector, the wrist, the arm and the waist are mainly designed. A kind of the approaching sense, the contact sense and the skidding sense primary intelligence manipulator is adopted in the end-effector; In the control system, the programmable controller (PLC) is used, the principle of hardware is analyzed and the programs in PLC are compiled. In the actuating system, two driving types are used which include the pneumatic operation and the motor. The main movement is driven by the motor. Key words: Transporting robot, three feelings manipulators, programmable controller （PLC）
六轴关节机器人机械结构 e y . <7>J4 akis motor <8>J5 axis / tiKi呂motor 说uation Mdr / Flhaw -U 」￡: □nis rritx r crc .inTi * 12；、JE处也mn空 < 13 ■ J6 axis red jction gear ■ S J3 axi reduct ken / \<1t）〉J5 酣仪timi啊belt i < / /<1 1>J5 3ME Wrist hoqsine/ / r也［juGlidn 営凸mr <2>J1 axis n'dijnt rm 3" J? miG irctci： <4>J2 axis rrdi.nt nn ￡rn^ 上图为常见的六轴关节机器人的机械结构，六个伺服电机直接通过谐波减速器、同步带 轮等驱动六个关节轴的旋转，注意观察一、二、三、四轴的结构，关节一至关节四的驱动电机为空心结构，关节机器人的驱动电机采用空心轴结构应该不常见，空心轴结构的电机一般 较大。采用空心轴电机的优点是：机器人各种控制管线可以从电机中心直接穿过，无论关节轴怎么旋转，管线不会随着旋转，即使旋转，管线由于布置在旋转轴线上，所以具有最小的 旋转半径。此种结构较好的解决了工业机器人的管线布局问题。对于工业机器人的机械结构 设计来说，管线布局是难点之一，怎样合理的在狭小的机械臂空间中布置各种管线（六个电机的驱动线、编码器线、刹车线、气管、电磁阀控制线、传感器线等），使其不受关节轴旋 转的影响，是一个值得深入考虑的问题。 机器人的腕部结构常见有如下几种结构
?3RS 在这三种手腕部的结构中，以第一种（RBR型）结构应用最为广泛，它适应于各种工作场合，后两种结构应用范围相对较窄，比如说3R型的手腕结构主要应用在喷涂行业等关节设计： 对于国外的工业机器人主要制造国家来说，六轴关节机器人的研发设计及制造已经有好几十 年的历史了，整个工业机器人的研发制造体系较为完善，他们的技术相对来说比较成熟，他们 在相互竞争中可以相互模仿、改善、不断推陈出新，他们的技术对于国内来说，近乎完美?而 国内目前这个行业还处在黎明前的黑暗阶段，虽然有不少公司有这个研发意图，或者正在研发途中，不管怎么说，浮出水面公布自己正在研发或者研发成功的公司应该说是极少数，即使宣布自己研发成功，也只是初步试验成功，真正产业化、商品化还有一段相当漫长的路要走?而更多的公司还停留在项目立项、技术评估、投入风险分析的阶段?由于国内做这个行业的 很少，相关的结构也没有什么可参考的，技术储备不足，少数的单位或个人有机会能够拆拆别 人的机器，拆个一知半解，更多的人只能在旁边看看了（比如说我，想拆都没机会A_A），还好了，网络资源丰富，今搜集到不少机械结构方面的图片，分享给大家参考，希望咱们做机械设计的（我应该也算是个机械工程师啊A_A毕竟我也是做机械的）少走点弯路，做出更好的机器? 六轴关节机器人的腕部关节设计较为复杂，因为在腕部同时集成了三种运动?小型的六轴关 节机器人的腕部关节主要采用谐波减速器?下面的图片较为详细的描述了常见的六轴关节机 器人的腕部结构?
机器人技术是综合了许多学科的知识，例如计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当今研究领域十分重视的课题，机器人在很多领域都得到广泛应用。机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志，因而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。 本文的主要任务和要解决的问题，是设计一台六自由度的机器人，在已有的技术资料的基础上，通过分析，确定腕部的传动系统，然后假设腕部末端的结构，确定腕部的输出功率，然后计算出腕部所需的电机。在确定电机和传动机构的基础上，对锥齿轮和传动中所需的带轮以及同步齿形带进行设计，并且对它们进行校核，确定所设计的腕部结构能够配合机器人的其他结构进行喷漆动作。并用CAD软件完成从建模到运动学分析、应力分析的全过程。需要全面理解机械原理、机械设计、机械系统设计以及CAD制图标准等相关的知识，并考虑其可靠性、实用性、经济性等性能。 本课设在已有理论基础上，针对以往研究的不足，根据实际使用要求，确定采用六自由度的关节型机器人结构方案;由于机器人结构复杂，构件繁多，需要用高端软件配合进行建模，装配的工作，而我们现有的材料相当有限，所以本课设只是设计了机器人的腕部结构;并采用CAD绘制了其装备和零件图，并对其中某些零件的强度进行了校核，使腕部的整体结构能够满足工作的要求。 关键词:机器人腕部
1绪论 (1) 1.1机器人的组成 (2) 1.1.1驱动装置 (2) 1.1.2控制系统 (2) 1.1.3执行机构 (2) 1.2机器人分类 (4) 1.2.1按用途分类 (4) 1.2.2按控制形式分类 (4) 1.2.3按驱动方式分类 (4) 1.3腕部结构选形 (5) 1.3.1单自由度手腕 (6) 1.3.2两自由度手腕 (7) 1.3.3三自由度手腕 (8) 1.3.4装配机器人腕部结构选型 (9) 1.4机器人设计 (11) 2末端执行器 (12) 2.1夹持器 (12) 2. 2拟手指型执行器 (13) 2. 3吸式执行器 (13) 3腕部设计 (15) 3.1手腕结构的选择 (15) 3.2传动装置的运动和动力参数计算 (17) 3.2.1选择电机 (17) 3.2.2分配系统传动比和动力参数的设计 (19)
平面关节型机械手设计 设计任务书 一、通过设计平面关节型机械手，培养综合运用所学知识，分析问题和解决问题的能力。 有关资料：上下料搬运机械手，个自由度，平面关节型；需要搬运的工件：环类零件，内孔直径；高,厚,（只能从内孔夹持工件），材料钢，将工件从一条输送线搬运到与之平行的另一条输送线上，（两输送线距离为,高度差）。 要求：设计方案和计算正确，叙述清楚，图纸符合规范。 二、图纸： .机械手机构简图 .工作空间投影图 .机械手传动原理图 .机械手装配图 .零件图 三、实习： .本校机械实验室组装各类机械手模型。 .学习工业机械人设计方面知识。 五、进度： 月日到月日实习，拟订设计方案 月日到月日机械手传动原理图 月日到月日机械手装配图
月日到月日零件图 月日到月日写说明书 引言 平面关节型机械手是应用最广泛的机械手类型之一，既可以用于实际生产，又可以用于教学实验和科学研究。用于实际生产，它能够满足装配作业内容改变频繁的要求；用于教学实验，它能够使人直观地了解机器人结构组成、动作原理等，所以开发设计和研究平面关节型机械手具有最广泛的实际意义和应用前景。其中比较突出的是美国国家半导体公司生产的可编程全数字运动控制芯片，它具有位的位置、速度和加速度寄存器，内置算法，其参数可以修改；支持实时读取和设定速度、加速度以及位置等运动参数，内置的梯形图发生器能够自动生成速度曲线，平稳地加速、减速；支持增量式光电码盘的倍频输入；芯片的主频为和。 一机械手结构 本文设计的平面关节型机械手的实物照片如图所示，其主要包括两个旋转关节（分别控制机械大臂和小臂旋转以及手抓张合）和一个移动关节（控制手腕伸缩），图为机械手简化模型。各关节均采用直流电机作为驱动装置，在机械大臂和小臂的旋转关节上还装配有增量式光电编码器，提供半闭环控制所需的反馈信号。直流电机的运动控制采用自行开发的基于和构成的多关节控制卡，并编制了能满足运动控制要求的软件，实现对机械手的速度、位置以及关节联动控制。由于机械手个关节电机的控制系统基本类似，因此在下文中，笔者将以单个关节电机为例向读者介绍平面关节型机械手的控制系统设计过程。
河南机电高等专科学校《机器人应用技术》课程作品 设计说明书 作品名称：多功能机械手 专业：机电一体化技术 班级：机电124班 扣号： 姓名：流星 2014 年 10 月 1 日
目录 一课题概述 (2) 1、选题背景 (2) 2、发展现状和趋势 (3) 3、研究调研 (4) 二机械手组成及工作过程 (6) 1、整体结构分析 (6) 2、所需器材 (6) 3、底座部分 (8) 4、躯干部分 (9) 5、上臂部分 (10) 6、手爪部分 (11) 7、机械手系统的总调试 (12) 三软件部分 (13) 1、机械手软件编制流程图 (13) 2、机械手运行控制程序图 (14) 四设计体会 (15) 一课题概述 1、选题背景 随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一
步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前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的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。 在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，利用限位开关来保护电机和控制机械手位置的准停。 这个课题可以充分的体现机电一体化的由程序自动控制机械结构的运动，对自己以前的所学的课程也是一种巩固。另一方面这个机械手可以实现一定的搬运功能具有很强的实用性能。 2、发展现状和趋势
关节型机器人腕部结构结构设计 1绪论 1.1 选题背景及其意义 本题设计的是关节型机器人腕部结构，主要是整体方案设计和手腕的结构设计及控制系统设计，此课题来源于实际生产，对于目前手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练成都要求高，因此采用机器人技术，实现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产力，实现生产过程自动化， 改善劳动条件。题目要求是：动作范围：手腕回转ο150,摆动ο90,旋转ο360。各 轴最大速度要求：s /30ο。额定载荷kg 5，最大速度s m /3。2、腕部最大负荷： 5kg 。机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术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，也是新技术革命的一个重要内容。自古以来,人们所设想的机器人一般是一种在外形和功能上均能模拟人类智能的机器。特别是在20世纪20年代前后,捷克和美国的一些科幻作家创作了一批关于未来机器人与人类共处中可能发生的故事之类的文学作品,更使机器人在人们的思想中成为一种无所不能的“超人”。在现实生活中,一些民间工匠根据这些文学描绘,也制造出一些仿人或仿生的机器人。然而在当时的科技条件下,要使机器人具有某种特殊的“智能”而成为“超人”,显然是不可能的。美国的戴沃尔设想了一种可控制的机械手,他首先突破了对机器人的传统观点,提出机器人并不一定必须像人,但是必须能做一些人的工作。1954年,他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置,发表了《适用于重复作业的通用性工业机器人》一文,并获得了美国专利。戴沃尔将遥控操纵器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴联结在一起,预定的机械手动作一经编程输入后,机械等就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人也可以接受示教而完成各种简单任务。示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器中，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。 1.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势） 随着全球能源短缺、环境污染以及温室效应等问题的日益突显。寻找可持续
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,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。 机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造中的一个重要组成部分。机器人显著地提高了劳动生产率，加快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、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。因而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。 机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手,统称为机器人。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，以完成各项规定操作。它的特点是除了具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。它可以灵活运用在工业上的各个方面，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，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。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传送。这种机器人在国外称为“Mechanical Hand "，它是为主机服务的，由主机驱动;除少数外，工作程序一般是固定的，采用机械编程。因此是专用的。 本课题通过对通用机器人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、大臂能够协调工作，能够完成各种现代工业加工过程中所要求的动作。 本课题的设计思路是：借助已有的通用机器人的腕部设计思想和方法，综合考虑腕部机构在机器人运动中所起的作用和机器人的整体技术参数。
设计要求 一、通过设计平面关节型机械手，培养综合运用所学知识，分析问题和解决问题的能力。 有关资料：上下料搬运机械手，3个自由度，平面关节型；需要搬运的工件：环类零件，内孔直径50mm；高150mm,厚10mm,（只能从内孔夹持工件），材料40钢，将工件从一条输送线搬运到与之平行的另一条输送线上，（两输送线距离为2.5m,高度差0.4m）。 要求：设计方案和计算正确，叙述清楚，图纸符合规范。翻译一篇有关外文资料。 二、图纸： 1.机械手机构简图 2.工作空间投影图 3.机械手传动原理图 4.机械手装配图 5.零件图 三、实习： 1.本校机械实验室组装各类机械手模型。 2.学习工业机械人设计方面知识。 四、参考书： 1. 《工业机器人设计》周伯英机械工业出版社 1995 2. 《机器人机械设计》龚振帮电子工业出版社 1995 3. 《机构设计》（日）藤森洋三机械工业出版社 1990 4. 《机械手图册》（日）加藤一郎上海科技出版社 1989 5. 《机械设计图册》（5）成大先化学工业出版社 1999 五、进度： 3月24日到4月25日实习，拟订设计方案 4月264日到5月3日机械手传动原理图 5月4日到5月17日机械手装配图 5月18日到5月24日零件图 5月25日到6月1日写说明书
平面关节型机械手设计 [摘要]平面关节型机械手采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间如工作空间图，它的纵截面为矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体截面的大小、形状。关键词:机械手轴承汽缸 [Abstract]Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints , two slew joints control the moving of the front and back left and right . the move joints control the moving of up and down . the work room as work room drawing . the vertical section is a rectangle slew . the high of the vertical section is move joints’journey ,the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section . Key words:manipulator axletree cylinder 第1章机械手总体设计 工业机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序，轨迹或其他要求，实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。它在二十世纪五十年代就已用于生产，是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置，开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化，随着应用范围的不段扩大，现在用来夹持工具和完成一定的作业。实践证明它可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率。 平面关节型机器人又称SCARA型装配机器人，是Selective Compliance Assembly Robot Arm的缩写，意思是具有选择柔顺性的装配机器人手臂。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业零件的插接、装配中应用广泛。 总体设计的任务：包括进行机械手的运动设计，确定主要工作参数，选择驱动系统和电控系统，整体结构设计，最后绘出方案草图。
六轴关节机器人机械结构 上图为常见的六轴关节机器人的机械结构,六个伺服电机直接通过谐波减速器、同步带轮等驱动六个关节轴的旋转，注意观察一、二、三、四轴的结构,关节一至关节四的驱动电机为空心结构，关节机器人的驱动电机采用空心轴结构应该不常见,空心轴结构的电机一般较大.采用空心轴电机的优点是：机器人各种控制管线可以从电机
中心直接穿过，无论关节轴怎么旋转，管线不会随着旋转,即使旋转，管线由于布置在旋转轴线上，所以具有最小的旋转半径。此种结构较好的解决了工业机器人的管线布局问题。对于工业机器人的机械结构设计来说，管线布局是难点之一，怎样合理的在狭小的机械臂空间中布置各种管线(六个电机的驱动线、编码器线、刹车线、气管、电磁阀控制线、传感器线等)，使其不受关节轴旋转的影响，是一个值得深入考虑的问题.?机器人的腕部结构常见有如下几种结构:?
在这三种手腕部的结构中，以第一种(ＲBＲ型)结构应用最为广泛,它适应于各种工作场合，后两种结构应用范围相对较窄，比如说3Ｒ型的手腕结构主要应用在喷涂行业等。?关节设计：?对于国外的工业机器人主要制造国家来说，六轴关节机器人的研发设计及制造已经有好几十年的历史了,
整个工业机器人的研发制造体系较为完善,他们的技术相对来说比较成熟，他们在相互竞争中可以相互模仿、改善、不断推陈出新，他们的技术对于国内来说，近乎完美。而国内目前这个行业还处在黎明前的黑暗阶段，虽然有不少公司有这个研发意图，或者正在研发途中，不管怎么说，浮出水面公布自己正在研发或者研发成功的公司应该说是极少数，即使宣布自己研发成功，也只是初步试验成功,真正产业化、商品化还有一段相当漫长的路要走.而更多的公司还停留在项目立项、技术评估、投入风险分析的阶段.由于国内做这个行业的很少，相关的结构也没有什么可参考的，技术储备不足，少数的单位或个人有机会能够拆拆别人的机器，拆个一知半解，更多的人只能在旁边看看了(比如说我，想拆都没机会＾_^），还好了,网络资源丰富,今搜集到不少机械结构方面的图片,分享给大家参考，希望咱们做机械设计的(我应该也算是个机械工程师啊^_^毕竟我也是做机械的）少走点弯路,做出更好的机器.?六轴关节机器人的腕部关节设计较为复杂,因为在腕部同时集成了三种运动．小型的六轴关节机器人的腕部关节主要采用谐波减速器。下面的图片较为详
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８卷第６期２００８年１１月 潍坊学院学报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｅｉｆａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖ０１．８ＮＯ．６ ＮＯＶ．２００８关节型搬运机械手设计。 蔡卫国 （大连水产学院，辽宁大连１１６０２３） 摘要：对一类搬运机械手的机构及控制系统进行了分析和设计。在机构设计中，采用了平面关节型机械手，能够实现对工件的夹紧、提升和转动；在控制系统的设计中，采用可编程控制器（ＰＬＣ）对机构进行控制，完成了软件的编程，并对控制系统的硬件原理做了分析。 关键词：关节型；搬运机械手；可编程序控制器 中图分类号：ＴＨｌ６５文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—４２８８（２００８）０６—００６３一０２ 工业机械手是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从１９６２年美国研制出世界上第一台工业机械手以来，机械手技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（ＦＭＳ）、自动化工厂（ＦＡ）、计算机集成制造系统（Ｃ１ＭＳ）的自动化工具。工业机械手作为现代制造业主要的自动化设备。已经广泛应用于汽车、工程机械、电子信息、家电等各个行业，进行焊接、装配、搬运、加工等复杂作业。在日本、欧美等国得到广泛的应用。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的距离．因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，进行系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程［１ｑ］。从近几年国外机械手推出的产品来看，机械手技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、ＰＣ化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；系统的网络化和智能化等方面［４‘５］。 ｌ搬运机械手机构设计 工业机械手由操作机（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。本设计的搬运机械手机构主要由机座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部等六个部分组成。（见图１） 机械手具有四个自由度，分别是腰部转动、臂部的伸缩运动及手腕的回转和俯仰运动。手部，亦称末端执行器，功能是用来直接抓取工件，其结构有吸盘式、手爪抓取式、卡钳式等多种形式，本设计选择卡钳式的平移型抓取方式，由齿轮齿条作为传动机构，适用于不规则工件和非金属工件的抓取；手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其功能取决于自由度的多少，自由度越多则其动作越灵活，但随着自由度的增多，结构和控制也越复杂，在本次设计中，手腕应该具有两个自由度，即能实现手腕的回转和俯仰运动；手臂结合了ＰＵＭＡ机械手结构并进行了改进，臂部的结构形式需根据机械手的运动形式、抓取重量、运动自由度、运动精度等因素来确定，为了实现伸缩运动的平稳和动作的精确，采用了谐波减速器，利用一个构件可控制的弹性变形实现机械运动的传动；回转机座又叫机械手的腰座，除了对机械手起到固定和支撑作用外，还要确保机械手腰部的回转运动。 １．机座２．腰部３．大臂４．小臂５．腕部６．手部 圈１搬运机械手结构简图 ＊收稿日期：２００８一０４—２０ 作者简介：蔡卫国（１９７０一），男，内蒙古赤峰人，大连水产学院理学院副教授，硕士。 一６３—万方数据
机电液综合课程设计 ——简易机械手的设计 学校： 学院：机械与动力工程学院 班级：机制09-1班 指导教师: 组员： 组长：
目录 第1章绪论 (1) 1.1机械手概述 (1) 1.2机械手的设计目的 (4) 1.3机械手的设计内容 (5) 1.4机械手的分类及其在生产中的应用 (6) 1.5机械手的应用意义 (9) 1.6机械手的技术发展方向 (10) 第2章设计方案的论证 (11) 2.1机械手的总体设计 (11) 2.2机械手腰座结构的设计 (12) 2.3机械手手臂结构的设计 (12) 2.4工业机器人腕部的结构 (14) 2.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计 (15) 2.6机械手的机械传动机构的设计 (17) 2.7机械手驱动系统的设计 (18) 第3章理论分析和设计计算 (26) 3.1液压传动系统设计计算 (26) 3.2电机选型有关参数计算 (35) 第4章控制系统的设计 (38) 4.1单片机控制系统选择 (38)
4.2单片机控制程序 (39) 4.3机械手的工艺流程 (41) 第5章机械手总成及零件图 (42) 总结 (44) 参考文献 (45)
第1章绪论 1.1机械手的概述 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。 机械手通常常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，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。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。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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。 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代
1 前言 1.1 国内外发展概况]1[ 机械手首先是美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 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，麻省理工学院研究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，主要用于喷涂、起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国KnKa公司还生产一种喷涂机械手，采用关节式结构和程序控制。 日本是机械手发展最快、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和应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。 目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。
1前言 1.1机器人的概念 机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会提出的工业机器人定义为：“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。英国和日本机器人协会也采用了类似的定义。我国的国家标准GB/T12643-90将工业机器人定义为：“机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。 机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。 1.1.1操作机 操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下列部分组成： a.末端执行器又称手部，是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。 b. 手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有2～3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。 c. 手臂它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。 d. 机座有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分固定式和移动式两类。 1.1.2驱动单元 它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。 1.1.3控制装置 它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。 1.1.4人工智能系统
本科毕业设计 题目：关节型机械手的机构设计 学院：工学院 姓名： 学号： 20100962 专业： 班级： 指导教师： 2014年5月 摘要 本说明书所设计的关节型机械手应用圆柱坐标式整体机构，能够实现夹取、安放、搬运棒形工件等功能。这个机械手主要由手爪、手腕、手臂、腰部和机座等部
分组成，主要的活动功能体现在整个机械手的四个自由度以及手爪的闭合。其中四个自由度包括腰部的回转，腰部的升降，手臂的伸缩，手腕部的回转。这个机械手的整体规模一般，适用于小巧型工业零件的抓取和搬运，如电子加工业等。 该机械手主要就是靠液压缸的油压变化来实现4个自由度和手爪的夹取。在油路的布置和规划中应用了液压传动的原理以及机械制造的原理，使得油路能够更加的符合机械设计过程中的合理性和可靠性，安全性和经济性。充分利用好机构的相互配合关系，合理布置零件间的空间结构，使本设计更加的合理完善。 关键字：关节型机械手圆柱坐标液压缸四自由度 Abstract
This explanation is designed articulated robot application type cylindrical coordinates overall organization, to achieve gripping, put the rod work piece handling functions. The robot gripper mainly by the wrists, arms, waist and base and other components, the main event features embodied in the entire four degrees of freedom and the robot gripper closure. Four degrees of freedom, including rotation, waist lifting, telescopic arm, wrist rotation of the waist. The overall size of the robot is generally suitable for compact industrial parts crawl and handling, such as electronic processing industry. The robot is mainly by hydraulic cylinders to achieve change gripping four degrees of freedom and a gripper. In the oil circuit layout and planning of the application of the principles and the principles of hydraulic transmission machinery manufacturing, making the oil to be more in line with the mechanical design process rationality and reliability, safety and economy. Take full advantage of a good relationship with each other agencies, rational arrangement of space between the structural components, making the design more reasonable and perfect. Keywords: articulated manipulator cylindrical coordinates cylinder four degrees of freedom 目录 摘要 (1) 目录 (3) 1.1研究目的 (5)
六轴关节机器人机械结构 欧阳学文 上图为常见的六轴关节机器人的机械结构,六个伺服电机直接通过谐波减速器、同步带轮等驱动六个关节轴的旋转,注意观察一、二、三、四轴的结构，关节一至关节四的驱动
电机为空心结构，关节机器人的驱动电机采用空心轴结构应该不常见，空心轴结构的电机一般较大。采用空心轴电机的优点是：机器人各种控制管线可以从电机中心直接穿过，无论关节轴怎么旋转，管线不会随着旋转，即使旋转，管线由于布置在旋转轴线上，所以具有最小的旋转半径。此种结构较好的解决了工业机器人的管线布局问题。对于工业机器人的机械结构设计来说，管线布局是难点之一，怎样合理的在狭小的机械臂空间中布置各种管线（六个电机的驱动线、编码器线、刹车线、气管、电磁阀控制线、传感器线等），使其不受关节轴旋转的影响，是一个值得深入考虑的问题。机器人的腕部结构常见有如下几种结构:
在这三种手腕部的结构中,以第一种(RBR型)结构应用最为广泛,它适应于各种工作场合,后两种结构应用范围相对较窄,比如说3R型的手腕结构主要应用在喷涂行业等.关节设计:对于国外的工业机器人主要制造国家来说,六轴关节机器人的研发设计及制造已经有好几十年的历史了,整个工业机器人的研发制造体系较为完善,他们的技术相对来说比较成熟,他们在相互竞争中可以相互模仿、改善、不断推陈出新,他们的技术对于国内来说,近乎完美.而国内目前这个行业还处在黎明前的黑暗阶段,虽然有不少公司有这个研发意图,或者正在研发途中,不管怎么说,浮出水面公布自己正在研发或者研发成功的公司应该说是极少数,即使宣布自己研发成功,也只是
初步试验成功,真正产业化、商品化还有一段相当漫长的路要走.而更多的公司还停留在项目立项、技术评估、投入风险分析的阶段.由于国内做这个行业的很少,相关的结构也没有什么可参考的,技术储备不足,少数的单位或个人有机会能够拆拆别人的机器,拆个一知半解,更多的人只能在旁边看看了(比如说我,想拆都没机会^_^),还好了,网络资源丰富,今搜集到不少机械结构方面的图片,分享给大家参考,希望咱们做机械设计的(我应该也算是个机械工程师啊^_^毕竟我也是做机械的)少走点弯路,做出更好的机器.六轴关节机器人的腕部关节设计较为复杂,因为在腕部同时集成了三种运动.小型的六轴关节机器人的腕部关节主要采用谐波减速器.下面的图片较为详细的描述了常见的六轴关节机器人的腕部结构.