工业机器人结构设计
1 绪论
1.1前言
工业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生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、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。
机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
1.2 工业机械手的简史
现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。
1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之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)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式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（Unimaton）,专门生产工业机械手。
1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、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、麻省理工学院联合研制一种
Unimate-Vic-arm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，定位误差可小于±1毫米。
美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。
德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。
瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。
瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。
日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。
第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，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，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。
第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。
随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。
1.3工业机械手在生产中的应用
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。
在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。
1.4 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。
1.4.1 执行机构
（1）手部（2）腕部（3）臂部（4）机身
1.4.2 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。
1.4.3 控制系统分类
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。
1.5工业机械手的发展趋势
(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。
(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模
块化装配机器人产品问市。
(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
1.6 本文主要研究内容
本文研究了国内外机械手发展的现状，根据设计任务要求，确定了搬运机械手的基本结构，完成了机械手机械设计工作。
1.7 本章小结
本章简要的介绍了机械手的基本概念，机械手的发展趋势，叙述了工业机械手在生产中的应用状况，描述本文研究的主要内容。
2 机械手的总体设计方案
本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计。在本章中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。
2.1 机械手基本形式的选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。
2.2 机械手的主要部件及运动
在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有4个自由度既：手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降5个主要运动。
本设计机械手主要由手部，腕部，臂部，机身和液压系统组成：（1）手部，采用一个直线液压缸驱动，通过机构运动实现手抓的张合。（2）腕部，采用一个回转液压缸实180（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动1.2m 。（4）机身，采用一个直现手部回转0
线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。
2.3驱动机构的选择
驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。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，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。
2.4 机械手的技术参数列表
一、用途：用于车间搬运
二、设计技术参数:
1、抓重:1.25Kg (夹持式手部)
2、自由度数:4个自由度，沿Z 轴上下移动，绕Z 轴转动，沿X 轴伸缩，绕X 轴转动
3、座标型式:圆柱座标
4、最大工作半径:1800mm 最小工作半径:1350mm
5、手臂最大中心高:1012mm
6、手臂运动参数
伸缩行程：450mm
伸缩速度：<250mm/s
升降行程： 150mm
升降速度：<60mm/s
回转范围: 度180~0
回转速度：<70/s
7、手腕运动参数
回转范围: 度180~0
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=1.25kg
N=0.5/f*G=6.25kg
即手指握力为6.25kg
2.5 本章小结
本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确定了本设计采用液压驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设计计算将以次进行。
3 机械手手部的设计计算
3.1 手部设计基本要求
（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。
（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）?γ，以便于抓取工件。
（3）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。
3.2 典型的手部结构
（1）回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。
（2）移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。
（3）平面平移型。
3.3机械手手抓的设计计算
3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置
本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角γ?=0
60，夹取重量为1.25Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。
通过综合考虑，本设计选择二指回转型手爪，采用滑槽杠杆这种结构方式，夹紧装置选择常开式夹紧装置。
3.3.2 夹紧力及驱动力的计算
手爪夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。
夹紧力可按公式计算： 123N F K K K G ≥
式中 1K ——安全系数，通常1.2 2.0；
2k ——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估21b
K a =+其
中a ，重力方向的最大上升加速度；max v a t =
响
max v ——运载时工件最大上升速度
t 响——系统达到最高速度的时间，一般选取0.03～0.5s
3K ——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。
G ——被抓取工件所受重力（N ）。
计算：设a=100mm,b=50mm,010<α<0
40;机械手达到最高响应时间为0.5s ，求夹紧力N F 和驱动力F 和 驱动液压缸的尺寸。
(1) 设1 1.5K = 21b K a =+ =0.10.519.8
+=1.02 30.5K =
根据公式，将已知条件带入：
∴ N F =1.5?1.020.5588449.8N N ??=
（2）根据驱动力公式得： ()202100cos30449.850F ?=
?计算=1378N
（3）取0.85η=
137816210.85F F N η===计算实际 （4）确定液压缸的直径D ()224F D d p π=-实际
选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa,
∴
0.587==
根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm
则活塞杆内径为:
D=63?0.5=31.5mm ，选取d=32mm
3.3.4 手抓夹持范围计算
为了保证手抓张开角为0
60，活塞杆运动长度为34mm 。
手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，，根据机构设计，它的最小夹持半径1R 40=，当张开060时，
最大夹持半径2R 计算如下：
0021003040cos3090R tg =?+≈ ∴机械手的夹持半径从40～
90mm
（a ） (b)
图3.2 手抓张开示意图
3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算
机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并
有足够的抓取能力。
机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、
小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。 该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。
机械手的夹持范围为mm mm 180~80。
一般夹持误差不超过1mm,分析如下： 工件的平均半径：9040
2
cp R +=65mm = 手指长100l mm =,取V 型夹角02120θ=
偏转角β按最佳偏转角确定： 110060cos cos 46sin 100sin 60CP R l βθ--===?
计算 0sin cos 100R l θβ==?00sin 60cos 4660.15=
当0R MAX MIN R R ≥≥S 时带入有：
678.0cos sin 2sin cos sin 2sin 2εmin 2
max 22max 2max 2=-??? ??+---??? ??+=βθθαβθθR l R l R l R l
夹持误差满足设计要求。 3.5 本章小结
通过本章的设计计算，先对滑槽杠杆式的手部结构进行力学分析，然后分别对滑槽杠杆式手部结构的夹紧力、驱动力进行计算，在满足基本要求后，对手部的夹持精度进行分析计算。
4 腕部的设计计算
4.1 腕部设计的基本要求
（1）力求结构紧凑、重量轻
腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。
（2）结构考虑，合理布局
腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。
（3）必须考虑工作条件
对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。
4.2 腕部的结构以及选择
4.2.1典型的腕部结构
(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间
270）。
允许回转的角度来决定（一般小于0
270的情况下，可采用齿条活塞驱
(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于0
动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。
(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。
(4) 机-液结合的腕部结构
4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择
本设计要求手腕回转0
180，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。 4.3 腕部的设计计算
4.3.1 腕部设计考虑的参数
夹取工件重量1.25Kg ，回转0
180。 4.3.2 腕部的驱动力矩计算
（1） 腕部的驱动力矩需要的力矩M 惯。
（2） 腕部回转支撑处的摩擦力矩M 摩。
夹取棒料直径100mm ，长度1000mm ，重量60Kg ，当手部回转0180时，计算 力矩：
（1） 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm ，直径120mm ，其重力估算G=3.14
230.060.2278009.8190G Kg m N Kg N π=????=
（2） 擦力矩0.1M m =摩。
（3） 启动过程所转过的角度φ=启018=0.314rad ，等速转动角速度2
2.616s ω-=。 ()2
2M J J ωφ=+惯工件启 查取转动惯量公式有：
2222111900.060.0342229.8N J MR N m s N m s N Kg
==???=?? ()()s R l m N g G J 22
22105.08
.928.925.1121312105.031??=?=+=?+工件 代入： ()m N M ?=?+=5158.1314
.021049.00342.0616.22惯
0.1M M M M M =+=+惯摩惯
m N M ?==3642.19
.05158.1 4.3.3 腕部驱动力的计算
表4-1 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm ）
设定腕部的部分尺寸：根据表4-1设缸体内空半径R=110mm ，外径根据表3-2选择121mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为226mm ；动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm.基本尺寸示如图 4.1所示。则回转缸工作压力()()
22222261.117.350.0660.0550.0225M P Mpa b R r ?≥==-?-，选择8Mpa
表4.2 标准液压缸外径（JB1068-67） （mm ）
4.4 本章小结
本章通过四种基本的手腕结构，选择了具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。并进行的腕部回转力矩的计算。
5 臂部的设计及有关计算
手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。
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，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。
5.1 臂部设计的基本要求
一、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻
1根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。
2提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。
3合理布置作用力的位置和方向。
4注意简化结构。
5提高配合精度。
二、臂部运动速度要高，惯性要小
机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在1000～1500mm/s,最大回转角速度设
计在
180s内，大部分平均移动速度为1000mm s，平均回转角速度在0
90s。在速度
和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径：
1减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。
2减少臂部运动件的轮廓尺寸。
3减少回转半径 ，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。
4驱动系统中设有缓冲装置。
三、手臂动作应该灵活
为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。
总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。
5.2 手臂的典型机构以及结构的选择
5.2.1 手臂的典型运动机构
常见的手臂伸缩机构有以下几种：
1双导杆手臂伸缩机构。
2手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。
3双活塞杆液压岗结构。
4活塞杆和齿轮齿条机构。
5.2.2 手臂运动机构的选择
通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。
5.3 手臂直线运动的驱动力计算
先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。
做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。
=+++
F F F F F
回
摩密惯
5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算