平面关节型机械手结构设计
摘要机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，目前平面关节型机械手被广泛应用于工业领域中。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。文章中介绍了平面关节型机械手的设计理论与方法，在力学计算的基础上进行结构分析，详尽的讨论了平面关节型机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。
关键词：机械手平面关节型结构设计
Plane joint type manipulator structure design
Abstract Manipulator is a sort of automation device which has the function of grasp and transfer workpieces during the automated production. Today hydraulic manipulator is widely used in industry field. Planar articulated robot with two rotary joints and a prismatic joint; two rotary joints around, movement control, and move up and down movement joint is achieved.This article system elaboration industry manipulator's design theory and method. Mechanical calculations on the basis of the structural analysis.The comprehensive exhaustive discussion has Planar articulated manipulator's hand, the wrist, the arm ，the fuselage and so on ,which the major structural design computation.
Key words: manipulator; Plane joint type; structural design
目录
1绪论 (8)
1.1 机械手的组成 (1)
1.1.1 执行机构 (1)
1.1.2 驱动机构 (2)
1.1.3 控制系统分类 (2)
1.2 机械手的分类 (2)
2 机械手总体设计 (4)
1.1 主要技术参数 (4)
3 手部设计 (5)
3.1 确定手部结构 (6)
3.2 手部受力分析 (6)
3.3 手部夹紧力的计算 (7)
3.4 手部夹紧缸的设计计算 (8)
3.4.1 夹紧缸主要尺寸的计算 (8)
3.4.2 缸体结构及验算 (9)
3.4.3 活塞杆的设计计算 (9)
4 移动关节的设计计算 (11)
4.1驱动方式的比较 (11)
4.2上下移动升降缸的设计 (12)
5 小臂的设计 (14)
5.1 设计时注意的问题 (14)
5.2 小臂结构的设计 (13)
5.3 轴的设计计算 (15)
5.4 轴承的选择................................... 错误！未定义书签。
5.5 轴承的校核................................... 错误！未定义书签。
5.6 伺服系统的选择............................... 错误！未定义书签。
5.6.1 机身回转电机 (17)
5.6.2 齿轮传动的计算 (113)
6 大臂的设计计算.................................... 错误！未定义书签。
6.1 结构的设计................................... 错误！未定义书签。
6.2 轴的设计计算................................. 错误！未定义书签。
6.3 轴承的选择 (20)
6.4伺服系统的选择 (21)
7 机身的设计 (23)
7.1 设计时注意的问题 (23)
7.2 设计的效果 (27)
8 机械手的定位与平稳性 (24)
8.1 常用的定位方式 (24)
8.2 影响平稳性和定位精度的因素 (24)
结论 (26)
致谢词 (27)
参考文献............................................. 错误！未定义书签。
1 绪论
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。
1.1 机械手的组成
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。
1.1.1 执行机构
（1）手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。
传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。
（2）腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。
目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳
定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。
臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。
手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。
（4）行走机构有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。
1.1.2 驱动机构
驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。
1.1.3 控制机构
在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。
1.2机械手分类
根据所承担的作业的特点，工业机械手可分为以下三类：
①承担搬运工作的机械手：这种机械手在主要工艺设备运行时，用来完成
辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。
②生产工业用机械手：可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、
涂漆、弯曲、切断等。
③通用工业机械手：其用途广泛，可以完成各种工艺作业。
按功能分类
①专用机械手：它是附属于主机的具有固定程序而无独立控制系统的机
械装置。专用机械手具有动作少，工作对象单一，结构简单，实用可
靠和造价低等特点，适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自
动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。
②通用机械手：又称工业机器人。它是一种具有独立控制系统的机械装
置。具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强的特点，适
用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。
③示教再现机械手：采用示教法编程的通用机械手。所谓示教，即由人
通过手动控制，“拎着”机械手做一遍操作示范，完成全部动作后，其储存装置即能记忆下来。机械手可按示范操作的程序行程进行重复的
再现工作。
按驱动方式分
①液压传动机械手
②气压传动机械手
③机械传动机械手
按控制方式分
①固定程序机械手：控制系统是一个固定程序的控制器。程序简单，
程序数少，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。
②可编程序机械手：控制系统是一个可变程序控制器。其程序可按需
要编排，行程能很方便改变。
2 机械手总体设计
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，整体结构设计，最后绘出方案草图。
2.1 主要技术参数
主要技术参数见表2-1
表2-1 机械手主要技术参数
机械手类型平面关节型
自由度4个（2个回转1个移动1个手部活动）
大臂长300mm，回转运动，回转角210，直流电机驱动
小臂长200mm，回转运动，回转角240，直流电机驱动
移动关节液压缸驱动
手指液压缸驱动，最大开距80mm ,夹持力100N
3 手部设计
手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面处理等的不同，则机械手的手部机构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的。常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持式和吸附式两大类。本设计采用常用的夹钳式手部结构，它是最常见的夹持式结构。
夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘和套类零件。一般情况下多采用两个手指，少数采用三指或多指。本设计中选择较简单的两指结构。
夹钳式手部设计的基本要求：
1、应具有适当的夹紧力和驱动力手指握力（夹紧力）大小要合适，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件总量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，亦保证工件夹持安全可靠。对于手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传动力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。
2、手指应具有一定的开闭范围手指应具有足够的开闭角度或开闭距离，以便于抓取或退出工件。
3、应保证工件在手指内的夹持精度应保证每个被夹持的工件，在手指内都有准确地相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。
4、要求结构紧凑、重量轻、效率高在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。
5、应考虑通用性和特殊要求一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的适用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法，如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。
3.1 确定手部结构
根据设计要求设计出的手部结构如图3-1所示：
图3-1 手部结构图
图中N F 为手指对工件的夹紧力，F 为夹紧缸活塞杆的推力。 3.2 手部受力分析
经分析，手部受力图如图3-2所示
图3-2 机械手手部受力分析图
由图可知，手部结构对称，则 12F F = 由0y F =∑ 得
'1
F ＝
α
cos 2F
且'1F ＝1F 由0)(1=∑F M o 得
1F h='N F b 且'N F ＝N F
由几何关系有
h ＝α
cos c
由上述等式可得：
F N ＝
F b c 2)cos 1(2α 即 F= 22cos N b F c
α 式中 b —手指回转中心到夹紧力作用点之间的距离； C —手指回转中心到滑槽支点之间的距离；
α—工件被夹紧时手指滑槽方向与回转中心在水平方向的夹角。 3.3 手部夹紧力的计算
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按下式计算：
123N F K K K G ≥＝1.5×1.02×4×G=100N
因为F N =100N 得G=16.3N
式中：K 1—安全系数，取K 1＝1.5；
K 2—工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。取K 2＝1.02；
K 3—方位系数，根据工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，K 3＝4 G —被抓工件所受重力（N ），所以m=1.66kg 。则：
222cos cos 306002250N b F F c α???理论2100＝
＝＝40
100=375N 2647F F η理论
实际2250
＝
＝＝0.85
442N 式中 η—手指传力效率，取η＝0.85。
3.4 手部夹紧缸的设计计算 3.
4.1 夹紧缸主要尺寸的计算
由前知，夹紧缸为单作用弹簧复位液压缸，假设夹紧工件时的行程为25mm ，时间为0.5s ，则所需夹紧力为：
26F F P P =++弹弹
实际＝442+462=904N 式中： F —活塞杆实际输出力；
P 弹—弹簧压缩时的作用力。 其中：
43)4628Z Gd P L S N D Z
+=弹＝（ 式中： G —弹簧材料的剪切模量，对于钢材，528.110(/)G kg cm =?；
D —弹簧的钢丝直径（3mm ）； D Z —弹簧中径（30mm ）； Z —弹簧的有效圈数（18圈）；
L 及S —活塞的行程及弹簧的与预缩量，L=25mm, S=20mm 。 ∴ F=904N<1000N
查表工作压力取1a MP ，考虑到为使液压缸结构尺寸简单紧凑，取工作压力为2a MP 。
由公式 24
F D P π
η=
得：
6
443109
45.73.142100.95
F D mm P πη?=
==???24.5mm 式中: D —液压缸内径；
P —液压缸工作压力；
η—液压缸工作效率，η＝0.95。
由JB826－66标准系列将缸内径圆整为D ＝30mm ，同理查得活塞杆直径d ＝22m ，
3.4.2 缸体结构及验算
缸体采用45号钢无缝钢管，由JB1068－67查得可取缸筒外径为38m ，则壁厚δ＝4mm 。
（1）液压缸额定工作压力()N P MPa 应低于一定极限值，以保证工作安全
2
2622122
1()0.3534010(0.060.05)0.3536.360.06s N D D P MPa D σ-??-≤?===038
.003.0-038.010x 340x 35.0226）（=36.36
式中： D —缸筒内径（m ）； D 1—缸筒外径（m ）；
σs —缸筒材料的屈服点，（45号钢为340MPa ）。
已知工作压力P N ＝2MPa <36.36MPa ，故安全。
（2）为避免缸筒在工作时发生塑形变形，液压缸的额定压力P N 值应与塑性变形压力有一定的比例范围。
P N ≤（0.35～0.42）P Pl
式中：P Pl －缸筒发生完全塑性变形时的压力（MPa ），
1
2.3lg
pl s D P D
σ= 计算可得：61.92pl P =a MP
0.3561.9221.67N a P MP =?=
已知实际工作压力P N ＝2MPa <21.67MPa ,故安全。 3.4.3 活塞杆的设计计算 活塞杆设计
活塞一端用螺纹与活塞相连接，另一端也采用外螺纹与手指连接（如图）
图3-3 活塞杆外端部结构图
活塞杆直径d ＝22mm ，故取A ＝40mm （螺纹长短型）
活塞杆结构（如图）采用实心杆
图3-4 活塞杆结构图
杆体材料采用35号钢，加工后调质到硬度为229～285HBS ，必要时，再经高频淬火，硬度达45～55HRC 。活塞杆直径d 的圆柱度公差值，应按8级精度加工，其圆度公差值，应按9、10级精度加工；端面T 的垂直度公差值应加工成7级精度；外圆表面粗糙度应处于0.4～0.8 m μ之间。
验算活塞杆的强度
取活塞杆的计算长度为150mm ，活塞杆已知32mm 则 150
1032
l d =<，属于短行程活塞杆，主要验算抗拉强度。
64663.53
2
27.531010s
s
Fn d mm πσπ?≥=?
=??2x 6
x10
310x 14.33x 1356 =4.1mm 已知d ＝22mm ，故安全。
式中：F —液压缸最大推力，F 取1.5×904＝1356； D —活塞杆直径，n s —安全系数，一般取n s ＝3；
s σ—活塞杆材料屈服极限（MPa ），查资料知35号钢为310 MPa
4 移动关节的设计计算
4.1驱动方式的比较
机械手的驱动系统有液压驱动，气压驱动，电机驱动，和机械传动四种。一台机械手可以只用一种驱动，也可以用几种方式联合驱动，各种驱动的特点见表4-1。
表4-1 各种驱动的特点比较
比较内
容驱动方式
机械传动电机驱动气压传动液压传动异步电
机，直流
电机
步进或伺
服电机
输出力矩输出力矩较
大
输出力
可较大
输出力矩
较小
气体压力
小，输出力
矩小，如需
输出力矩较
大，结构尺
寸过大
液体压力高，可
以获得较大的
输出力
控制性能速度可高，速
度和加速度
均由机构控
制，定位精度
高，可与主机
严格同步
控制性
能较差，
惯性大，
步易精
确定位
控制性能
好，可精
确定位，
但控制系
统复杂
可高速，气
体压缩性
大，阻力效
果差，冲击
较严重，精
确定位较困
难，低速步
易控制
油液压缩性小，
压力流量均容
易控制，可无级
调速，反应灵
敏，可实现连续
轨迹控制
体积当自由度多
时，机构复
杂，体积液较
大要油减
速装置，
体积较
大
体积较小体积较大在输出力相同
的条件下体积
小
维修使用 维修使用方便
维修使用方便
维修使用较复杂
维修简单，能在高温，粉尘等恶劣环境种使用 维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火
应用范围 适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用
适用于抓取重量大和速度低的专用机械手
可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手 中小型专用通用机械手都有 中小型专用通用机械手都有，
特别时重型机械手多用
成本 结构简单，成本低，一般工厂可以自己制造
成本低
成本较高 结构简单，能源方便，成本低
液压元件成本
较高，油路也较
复杂
4.2 上下移动升降缸的设计
活塞手抓重量的估算
)(231078001502514.32
21N g h r G ≈????==ρ
π
r 为杆的半径，h 为长度，g 取10
因为液压工作压力较低，对组件的材质和精度要求较液压底，无污染，动作迅速反映快，维护简单，使用安全，所以选液压传动。
液压缸内型选择：因为活塞行程较长，往复运动，所以选双作用单活塞液压缸，利用液压油使活塞向两个方向运动。
初选活塞杆直径d=22mm ，估算其重量
)(85.410780055.0)2
012.0(14.3)2(222
N g h d G =????==ρ
π =10x 7800x 55.0x 2
024.0x 14.32
）（
=19.39N 取20N 60202317G G G F 21=++=++= 取80N
液压缸内径D 的计算
按《液压传动与气压传动》（何存兴，2001）公式
η
πP d D F 4
)
(22
-=
D 为汽缸的内径(m)，P 为工作压力（Pa ）,η为负载率，负载率与汽缸工作压力
有关，取40.0=P ，查《液压传动与气压传动》表13-2 65.030.0--=P 由于汽
缸垂直安装，所以取P=0.3。一般3
.02.0--=D d ，此选0.3
)(54.30)(03054.010
91.03.04.014.380
41091.046
6mm m P F D ==?????=?=∴η
π
按《液压传动与气压传动》表圆整取40mm.
一般3.02.0--=D d ，此选0.3
12403.03.0=?==∴D d mm
汽缸壁厚δ的计算
按《液压传动与气压传动》查得4=δ 汽
缸重量的计算
)(7.2310780055.0)020.0024.0(14.3)(2
2223N g h r R G =???-=-=ρ
π
其中：R 为汽缸外径，r 为汽缸内径，h 为汽缸长度，g 取10，ρ为汽缸材料密度
3
G 取25N
且10525801=+=F
5 小臂的设计
臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。；立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。
5.1 设计时注意的问题
(1) 刚度要好，要合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸，空心杆比实心杆刚度大的多，常用钢管做臂部和导向杆，用工字钢和槽钢左支撑板，以保证有足够的刚度。
(2) 偏重力矩要小，偏重力矩时指臂部的总重量对其支撑或回转轴所产生的力矩。
(3) 重量要轻，惯量要小，为了减轻运动时的冲击，除采取缓冲外，力求结构紧凑，重量轻，以减少惯性力。
(4) 导向性要好。
5.2 小臂结构的设计
把小臂的截面设计成工字钢形式，这样抗弯系数大，使截面面积小，从而减轻小臂重量，使其经济、轻巧。
选10号工字钢。理论重
mm
d
mm
h
cm
W
y
5
.
4
,
100
,
72
.
9
,
11.261kg/m
3=
=
=
,小臂长
为200mm。较核：
522
.
22
10
x2.0x
261
.
11
mg
G=
=
=
小臂
（N）取25N
其受力如下图:
图5-1 小臂受力图
5.231.0x 252.0x 1052
L
x
G xL 1=+=+=小臂F M 13010525=+=F （N ）
[]MPa W M y 10042.2)
10(72.95.2332=≤===
-δδ 按《材料力学》（李壮云，2008）
hb
Q =
τ
其中h 为工字钢的高度，b 为工字钢的腰宽，Q 为所受的力。
[]60MPa 29.010
x 5.4x 10x 10013033=≤≈==
--ττhb Q 所以选10号工字钢合适。 5.3 轴的设计计算
大轴的直径取20mm ，材料为45号钢。 受力如下图:
图5-2 小臂传动轴的受力图
验算：
）（N 23510x 105.232
21===
=-l M F F F=180N MPa 75.010x10x 14.32352
3-2===）（πττF []τ≤=60mpa 所以合适
5.4 轴承的选择
因为上轴承只受径向，下轴承受轴向力和径向力，所以选用圆锥滚子轴承，按《机械零件手册》选7304E ，d=20mm c=31.5kN c0=17.2kN e=0.3 5.5 轴承的校核
因为此处轴承做低速的摆动，所以其失效形式是，接触应力过大，产生永久性的过大的凹坑（即材料发生了不允许的永久变形），按轴承静载能力选择的公式为：
《机械设计》（王少怀，2003）
000P S C ≥
其中0P 为当量静载荷，0S 为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条
件。作摆动运动轴承,冲击及不均匀载荷,5.110--=S 此处1.5.
上轴承受纯径向载荷
)(23510N F p ==
所以)(2.17N 5.3525.1x 235000KN C p s =<==）（
因此轴承合适.
下轴承受径向和轴向载荷
A Y R X P 000+=
R 为径向载荷 A 为轴向载荷
X Y 分别为径向轴向载荷系数，其值按《机械设计》表查取
10=X 00=Y R A Y R X P 5.962000==+=
所以）（）（KN 2.17C N 5.3525.1x 235000=≤==p s 因此轴承合适 小轴承受力很小，所以不用教核 5.6伺服系统的选择
臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于启动过程一般不是等加速度运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大一些。
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）
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
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。
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。
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)
江苏城市职业学院 毕业设计（论文） （ 2011 届） 设计（论文）题目平面关节型机械手设计 办学点（系）张家港办学点（工程系） 专业机械设计与制造 班级11机械（普） 学号110404350532 学生姓名邵强 指导教师杜微娜职称助教
摘要 (3) 一、概论 (4) 1、机械手的工作原理及设计思想 (4) 2、机械手应用及应用中容易出现的误区 (5) 3、机械手的发展及发展前景 (6) 二、机械手的总体设计 (7) 三、手指设计 (9) 1、设计时应注意的问题 (10) 2、零件的计算 (10) 3、手指夹紧力的计算 (11) 四、移动关节的设计计算 (12) 1、驱动方式的比较 (12) 2、汽缸的设计 (13) 五、小臂的设计 (14) 1、结构的设计 (14) 2、轴的设计计算 (15) 3、轴承摩擦力矩的计算 (15) 4、驱动的选择 (16) 六、大臂的设计 (16) 1、结构的设计 (17) 2、轴的设计计算 (17) 3、轴承摩擦力矩的计算 (18) 4、伺服系统的选择 (18) 七、机身的设计 (17) 1、设计时应注意的问题 (17) 2、设计的效果说明 (18) 结论 (20) 致谢 (21) 参考文献 (22)
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 l eft and right . the move joints control the moving of up and down . the wor k 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
小型气动机械手的设计 摘要：本文主要进行了气动机械手的总体结构设计和气动设计。机械手的机械结构由气缸、气爪和连接件组成，可按预定轨迹运动，实现对工件的抓取、搬运和卸载。气动部分的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。气动机械手作为机械手的一种, 它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。 关键词：气动机械手；气缸；控制阀；回路；设计 Design of Small Pneumatic Manipulator Abstract:This article mainly has carried on the overall structural design and aerodynamic design of pneumatic manipulator. Robot mechanical structure is composed of a cylinder, a pneumatic claw and a connecting piece, according to a predetermined trajectory, on a workpiece gripping, conveying and unloading. Pneumatic main part of the design is to choose appropriate control valve, the rational design of pneumatic control circuit, the control and regulation of each cylinder of compressed air pressure, flow and direction to the pneumatic actuator to obtain the necessary force, speed of action and change the direction of movement, and according to the prescribed procedures machinery as a manipulator, which has the advantages of simple structure, light weight, quick action, stable, reliable, energy saving and no pollution to environment has been widely used. Key words: Pneumatic manipulator; cylinder; control valve; Circuit; the design 1 前言 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
平面关节型机械手
江苏城市职业技术学院毕业论文 课题名称平面关节型机械手 姓名王如鹏 学号0733010221 专业机电一体化 班级07职机电（2） 指导老师朱云开 2011年12 月
目录 引言----------------------------------------------------------- 3 摘要----------------------------------------------------------- 6 第一章机械手总体设计-----------------------------------------7 1.1 主要技术参数-------------------------------------------- 7 1.2 结构特点图---------------------------------------------- 8 第二章手指设计 ---------------------------------------------- 9 2.1 设计是要注意的问题-------------------------------------- 9 2.2 零件的计算---------------------------------------------- 10 2.3 手指抓紧力的计算---------------------------------------- 10 第三章移动关节的设计计算----------------------------------- 12 3.1 驱动方式的比较 ----------------------------------------- 12 3.2 汽缸的设计---------------------------------------------- 12 第四章小臂的设计------------------------------------------- 14 4.1设计时注意的问题---------------------------------------- 14 4.2 小臂结构的设计------------------------------------------ 15 4.3 轴的设计计算 ------------------------------------------- 16 4.4 轴承的选择 --------------------------------------------- 17 4.5 轴承摩擦力矩的计算 ------------------------------------- 18 4.6 驱动选择 ----------------------------------------------- 18 第五章大臂的设计计算---------------------------------------- 19 5.1 大臂结构的设计------------------------------------------ 19 5.2 轴的设计计算 ------------------------------------------- 20 5.3 轴承的选择 --------------------------------------------- 21 5.4 轴承摩擦力矩的计算 ------------------------------------- 22 5.5 伺服系统的选择 ----------------------------------------- 22 第六章机身的设计 ------------------------------------------ 23 6.1 设计时注意的问题---------------------------------------- 23 6.2 三个自由度 -------------------------------------------- 24 毕业设计总结--------------------------------------------------- 25 参考文献------------------------------------------------------- 26
目录 摘要 (1) 引言 (1) 1.机械手总体方案设计 (2) 1.1设计要求 (2) 1.2运动形式的选择 (2) 1.3驱动方式的选择 (4) 1.4总体结构设计 (5) 2.机械手手部设计 (6) 2.1结构分析 (6) 2.2计算分析 (6) 3.PLC控制系统设计 (11) 3.1机械手移动工件控制系统的控制要求 (11) 3.2机械手移动工件控制系统的PLC选型和资源配置 (13) 3.3机械手移动工件控制系统的PLC程序 (14) 4.动画制作 (18) 4.1建立机械手模型 (18) 4.2制作机械手的动画 (18) 结束语 (26) 致谢 (26) 参考文献 (26) 附录 (27)
摘要 机械手设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。本课题通过对设计要求的分析，设计出机械手的总体方案，重点阐述了手部结构的设计以及控制系统硬软件的设计，完成了整个系统工作的动画设计。实现了机械手的基本搬运功能，达到了预期要求，具有一定的应用前景。 关键词：机械手PLC 动画 引言 随着世界经济和技术的发展，人类活动的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。随着机器人的产生和大量应用，很多领域，许多单一、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来完成。 工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作机, 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。 机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序来抓取、搬运工件或夹持工具，机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能组成，主要完成移动、转动、抓取等动作。 控制系统是机械手的指挥系统，它通过控制驱动系统，让执行器按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否。可编程控制器（PLC）是一种数定运算操作的电子系统，它将逻辑运算、顺序控制、时序、计数、算术运算等控制程序，用指令形式存放在存储器中，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。与继电器控制线路相比，PLC具有可靠性高、抗干扰能力强；编程简单、使用方便；设计、安装容易，维护工作量少；功能完善、通用性强；体积小、能耗低等特点。因此，机械手控制系统越平越多的由可编程控制器来实现。
平面关节型机械手设计 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。 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。 1.1 主要技术参数见表1-1 表1-1
手指气缸驱动行程开关控制 1.2 结构特点如下图： 第2章手指设计 工业机械手的手部是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。 2.1 设计时要注意的问题： (1) 手指应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的 重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。 (2) 手指应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意 手部接近工件的运动路线及其方位的影响。
简述工业机器人的定义 0.1 简述工业机器人的定义，说明机器人的要紧特点。 0.2 工业机器人与数控机床有什么区别？ 0.3 工业机器人与外界环境有什么关系？ 0.4 说明工业机器人的差不多组成及三大部分之间的关系。 0.5 简述下面几个术语的含义：自由度、重复定位精度、工作原理、工作速度、承载能力。 0.6 什么叫冗余自由度机器人？ 0.7 题0.7图所示为二自由度平面关节型机器人机械手，图中L 1=2L 2，关节的转角范畴是0?≤θ1≤180?，–90?≤θ2≤180?，画出该机械手的工作范畴(画图时能够设L 2=3 cm)。 0.8 工业机器人如何样按机械系统的差不多结构来分类？ 0.9 工业机器人如何样按操纵方式来分类？ 0.10 什么是SCARA 机器人，应用上有何特点？ 0.11 试总结机器人的应用情形。 题0.7图 1.1 点矢量v 为[10.00 20.00 30.00]T ，相对参考系作如下齐次坐标变换： 0.866 0.500 0.000 11.00.500 0.866 0.000 3.00.000 0.000 1.000 9.0 0 0 0 1 -???? -? ?=??????A 写出变换后点矢量v 的表达式，并说明是什么性质的变换，写出旋转算子Rot 及平移算子Trans 。 1.2 有一旋转变换，先绕固定坐标系Z 0轴转45°，再绕其X 0轴转30°,最后绕其Y 0轴转60°，试求该齐次坐标变换矩阵。 1.3 坐标系{B }起初与固定坐标系{O }相重合，现坐标系{B }绕Z B 旋转30°，然后绕旋转后的动坐标系的X B 轴旋转45°，试写出该坐标系{B }的起始矩阵表达式和最后矩阵表达式。 1.4 坐标系{A }及{B }在固定坐标系{O }中的矩阵表达式为 1.000 0.000 0.000 0.00.000 0.866 0.500 10.0 {}0.000 0.500 0.866 20.0 0 0 0 1 ???? -? ?=??-????A