机械手（共12篇）
机械手 篇1
0 引言
机械手是模仿人手的部分动作, 按给定程序、执行轨迹、实现自动抓举或搬运的自动化机械装置。产品机械手价格昂贵, 一些小型机械企业望而止步。文中所研究的机械手采用液压驱动方式, 主要功能是实现上下料过程的自动化。其造价低廉、控制性好, 可为小型机械行业所用。现将设计过程简单介绍。
1 机械手的技术参数
(1) 自由度 (四个自由度)
臂转动180°
臂上下运动175mm
臂伸长 (收缩) 400mm
手部转动±90°
(2) 手指握力392N
(3) 驱动方式液压驱动
2 主要设计内容
2.1 结构原理设计根据设计要求绘制出其机械手结构原理图, 如图1 所示。
2.2 系统结构分析本次液压机械手的设计主要是由执行机构, 驱动装置, 被抓取工件等部分组成, 各系统之间的相互关系如图2 所示。
2.3 机械手机械系统结构设计机械手的机械结构部分主要是由执行机构构成的, 其中执行机构又包括末端操作器、手腕、手臂和机身。
2.3.1 末端操作器
机械手为了进行作业, 在手腕上装上了操作机构被定义为末端操作器。它的最为基本作用是:直接抓取工件、工具或物体等, 末端操作器的功能与人手相似, 工件的形状和特征直接决定末端操作器的机构形式。本次设计手部的结构选择为滑槽杠杆式夹钳。
2.3.2 手腕
机器手的手腕是连接手部和手臂的桥梁, 其主要用途是调节、改变工件的坐标, 因此具有相对独立的自由度, 从而使机器人的手部能够完成各种复杂的动作。一般, 按照自由度分类, 手腕可以设计为三个自由度。分别为:单自由度、二自由度和三自由度。本次设计中选用的是单自由度手腕。
2.3.3 手臂
手臂是机械手执行机构的尤为重要组成部件。手臂根据它的运动方式可以分成四种类型, 它们分别是“直线运动、回转运动、俯仰运动和复合运动。此次设计选用的是直线运动、回转运动的复合运动。
2.3.4 机身
机械手的最基础的部分是机身, 它的主要作用是连接、支撑。所以机械手主要承受动力装置、液压装置的重量。
通过Pro/E软件完成机械手的三维造型如图3 所示。
2.4 液压驱动系统总体设计机械手液压系统原理图如图4 所示。
3 结束语
四自由度液压机械手系统运转平稳, 能准确完成上下料工作, 机械密封可靠, 说明液压回路的设计及液压元器件的选择满足产品使用的需求。最为重要的是整套设备的制作费用在五千元左右, 与产品工业机器手数万元的价格相比, 很大程度上满足了小型机械企业向自动化、智能化发展的需求, 可为同类产品的设计提供经验。
摘要：液压机械手主要是以液体为介质, 并且利用液体的压力由此来驱动执行机构的运动。其主要特点是:首先, 能够实现循环工作的自动化和自动过载保护;其次, 控制调节简单, 方便省力;最后, 这样能够更好地实现无间隙传动, 还可以让操作更加平稳。
关键词：液压,机械手,控制
参考文献
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机械手 篇2
本科毕业设计（论文）文献综述
课题名称： 顺序动作机械手 学院（系）： 机械工程学院 年级专业： 机电控制 学生姓名： 杨忠合 指导教师： 郑晓军 完成日期： 2014.03.25
一、课题国内外现状
目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量新产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械 手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。
二、研究主要成果
机械手通常用作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。
搬运机械手仿真设计和制作，机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的气缸来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车的进退运动，并利用ADAMS 软件对搬运机械手进行建模，对其进行运动学及动力学仿真，检查机械手在运动工作过程中的正确性和准确性，同时获得各部件机械手结构设计及其受力情况是否合理，为机械手设计提供参考。并在此基础上成功研制出物理样机，通过仿真设计提高了设计质量并缩短了设计周期。
采摘机械手虚拟设计与仿真系统的研究，在产品虚拟设计与仿真系统的开发中，为了实现智能设计，虚拟设计与企业产品设计的协同性、同一性和可重用性，实体建模属性的统一规范和标准定义十分必要。第一，首次提出和制定了可以用于虚拟产品建模与仿真的命名规则标准，为虚拟机械产品的设计提供参考。第二，构建水果采摘机械手虚拟设计与仿真系统的体系结构，建立了机械手机构设计模块，它包括机构的参数化设计和知识重用；第三，构建了机械手设计知识库和三维仿真模块；第四，已知机械手视觉获取目标的三维坐标，用软件实现反求机械手运动及其算法，并实现虚拟环境下的机械手对目标定位和采摘的三维仿真；第五，开发了水果采摘机械手虚拟设计与仿真系统。最后，通过三维仿真和实验样机对关键技术进行了验证。
工业机器人机械手设计，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。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。工业机器人多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置。机器人是一种具有人体上肢的部分功能工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。
假肢用机械手的机构设计与运动学分析，一般而言,人们所称的“手”有两种意义,一是指整个的上肢,二是腕部到指尖的部分,也就是所谓的手部。人类的单只手臂以机械学的形式分析,可以用大约27 个自由度的连杆机构来表示。但其中大约20 个自由度集中在手部[1 ]。文中着重于假肢的手部设计。在假肢的手部应用方面,目前主流的应用是一种具有手形状的假手,市场上销售的假手大都已经具有一个自由度,可以利用拇指、食指、中指进行三指的抓取动作,自由度位于手指的根部,手指本身并没有关节。文中所设计的假手也有三个手指,除指根部的关节外,拇指另有一个关节,其余二指有两个关节,而且假手的腕部有2 个自由度,可以完成腕部的屈伸和回转。
水下机器人-机械手系统构建与研究，近年来, 随着海洋资源开发和海洋科学研究需求的不断提高, 人们对水下机器人的作业能力提出了挑战, 如进行定点取样、水下结构的建造与维护、管线铺设、援潜救生以及军事应用等。水下机器人2机械手系统(U nderw aterV eh i2cle2M anipulato r System , UVM S)是配备机械手的水下机器人系统, 是水下作业系统的一个重要分支, 对其的科学和军事、民用应用研究逐渐受到重视。受水下机器人发展的影响, 早期的UVM S 研究主要集中于遥控水下机器人(ROV)与搭载的液压机械手系统之间的研究, 随着自主水下机器人技术的成熟, 研究热点转移至自治水下机器人2机械手系统的研究上。如斯坦福大学开展的自治水下机器人(A utonomous U nderw ater V eh icles, AUV)与单关节机械 手的协调控制研究[1 ] , 日本开展的水下电动机械手与Tw in2Burger AUV 之间的控制技术研究[2 ] , 另有部分单位对半自主作业型AUV 展开研究, 如夏威夷大学启动的SAUV IM [3 ](Sem i2A utonomousU nderw aterV eh icle fo r In2tervent ionM issions)项目, 韩国海洋系统发展中心开展的半自主作业型水下机器人计划, 法国Cyber2net ix 公司进行的轻作业型AUV 开发, 美国Woods Ho le 海洋学研究所着手研制的半自主作业型11 000 m 混合型遥控水下机器人[4 ] , 均对半自主水下机器人系统进行载体和机械手的开发设计。
三、发展趋势：
目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能在不断提高。由于发展时间较短，人们对它有一个逐步认识的过程，机械手在技术上还有一个逐步完善的过程，其目前的发展趋势是：
(一)扩大机械手在热加工行业上的应用，国内机械手应用在机械工业冷加工作业中的较多，而在铸、锻、焊、热处理等 热加工以及装配作业等方面的应用较少。因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带来不少困难，这就需要解决技术上的难点，使机械手更 好地为热加工作业服务。同时，在其它行业和工业部门，也将随着工业技术水平的不断提高，而逐步扩大机械手的使用。
(二)提高工业机械手的工作性能
机械手工作性能的优劣，决定着它能否正常地应用于生产中。机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成操作任务的关键因素。因此要解决好机械手的工作平稳性和快速性的要求，除了从解决缓冲定位措施入手外，还应发展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀，将伺服控制系统应用于机械手上。(三)发展组合式机械手
从机械手本身的特点来说，可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新，多品种 小批量的要求，但是它的成本高，专用机械手价廉，但适用范围又受到限制。因此，对一些特殊用途的场合，就需要专门设计、专门加工，这样就提高了产品成本。为了适应 应用领域分门别类的要求，可将机械手的结构设计成可以组合的型式。组合式机械手是将一些通用部件(如手臂伸缩部件，升降部件、回转部件和腕部回转、俯仰部份等>根据作 业的要求S选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其业的要求S选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。它可以简化结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，便于标准化、系列化设计和组织专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价，是一种有发展前途的机械手。
(四)研制具有“视觉’’和“触觉”的所谓“智能机器人”
对于需用人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合，工业机械手很难代替人的劳动。如在工作过程中出现事故、障碍和情况变化等，机械手不能自动分辨纠正，而只能停机，待人们排除意外事故后才能继续工作。因此，人们对机械手提出了更高的要求，希望使其具有“视觉”、“触觉”等功能，使之对物件进行判断、选择，能连续调节以适应变化的条件，并能进行协调动作。这就需要一个能处理大量信息的计算机，要求人与机器“对话”进行信息交流。这种带“视觉"、“触觉”反馈的，由计算机控制的，具有人的部分“智能”的机械装置称为“智能机器人”。所谓“智能”，是包括。识别、学习、记忆、分析判断的功能。
四、存在问题
(一)应具有足够的握力(HP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)应保证工件准确定位
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，选择相应状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)应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，但应尽量使结构简单紧凑，但出尽重傥玷嗣间早紫暌，目重轻，并使手部的重心在手腕的回转轴线上，使手指开闭角示意图手腕的扭转力矩最小为佳。
(五)应考虑被抓取对象的要求
1．抓取形状手指形状应根据工件形状而设计。如工件为圆柱形，则采用“V”形手指，圆球状工件用圆弧形三指手指方料用平面形手指；细丝工件用尖指勾形或细齿钳爪手指。总之应根据工件形状来选定手指形状。2．抓取部位抓取部位的尺寸尽可能是不变的，若加工后尺寸有变化，手指应能适应尺寸变化的要求，否则不允许定为抓取部位。对于工件表面质量要求高的，抓取时尽 量避开高质量表面或在手指上加软质垫片(如橡皮、泡沫塑料、石棉衬垫等)以防夹持时损坏工件。
3．抓取数量若用一对手指抓取多个工件，为了不发生个别工件的松动或脱落现 象，在手指上可增加弹性衬垫，如橡皮、泡沫塑料等。
(六)应考虑手指的多用性
手指是专用性较强的部件，为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求，可制成组合式的手指。对于这种手指要求结构简单，安装维修方便，更换简便。
五、主要参考文献
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年 月 日
说明：
1.文献综述版面设置为：B5纸，上下页边距分别为2.5cm和2cm，左右页边距分别为2.4cm和2cm。
2.文献综述正文标题及内容，宋体，小四号，行间距为固定值20磅。3.本科毕业设计（论文）文献综述一般不少于1000字。
4.查阅文献资料篇数，按《燕山大学关于本科生毕业设计（论文）工作的规定》执行。
工业机械手的设计 篇3
摘要：随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。主要叙述了机械手的设计计算过程。首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体坐标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。文中介绍了工业机械手的设计理论与方法。比较全面地讨论了工业机械手的手部和腕部、手臂伸缩机构以及上升和回转机构等主要部件的结构设计。并在最后做了一些液压控制方面的设计，绘制了液压系统图等。
关键词：机械手自由度腕部和手部伸缩机构上升和回转机构
0引言
用于再现人手功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。
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。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。
1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。
2机械手的总体设计方案
本课题是轻型平动搬运机械手的设计。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及液压系统方面的简单设计。在本章中对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。
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，因此本设计采用圃柱坐标型。
2.2机械手的主要部件及运动坐标型式采用圆柱坐标型的基本方案选定后，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个自由度即腕部回转、手臂伸缩、手臂回转、手臂升降4个。
本设计机械手主要由3个大部件和5个液压缸组成：①手部和腕部，手部采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手爪的张合，腕部采用一个回转液压缸实现腕部带动手部回转。②臂部伸缩机构，采用直线缸来实现手臂平动800mm。③臂部回转及升降机构，采用一个回转缸和一个直线缸来实现手臂回转和升降。
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
2.4.1用途：车间搬运
2.4.2设计技术参数：①抓重：3DON(夹持式手部)；②自由度数：4个自由度i③坐标型式：圆柱坐标；④最大工作半径：800mm；⑤手臂最大中心高：1115mm，⑥手腕运动参数(见表1)：⑦手臂运动参数(见表2)；⑧手指夹持范围：棒料65-85；⑨定位方式：电位反馈式⑩驱动方式：液压；⑨控制方式：可编程控制。
3结论
五轴机械手控制设计 篇4
随着自动化程度的提高,一般生产过程逐渐以机械设备代替人力完成。模仿人手臂动作,按照预定的程序和动作要求来实现抓取和搬运工作的自动化设备——机械手在工业生产过程中的的应用也越来越广泛,它能在有害环境下操作、可代替人的繁重劳动,从而实现生产的机械化和自动化,保护人身安全。目前机械手广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门[1,2]。可编程控制器(PLC)由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改、易于扩展和维护、环境要求低、体积小巧、安装测试方便等性能在工业控制中有着广泛的应用。本文利用伺服电机、气动装置、PLC等共同实现机械手通过旋转换位将工件从一个地方搬运到另一个地方,并且实现工件的堆叠。
2 控制要求
机械手结构如图1,其设计控制要求如下:
(1)机械手水平移动U轴前伸一定长度后(根据工件摆放位置确定,L1),垂直移动L轴下降一定高度(根据工件摆放位置确定高度,L2),然后将机械手夹紧,抓取工件;
(2)垂直移动L轴回升L2高度,机械手臂旋转180°,将工件件翻转,水平移动U轴反转使机械手后缩L1长度;
(3)底盘旋转一定角度θ,水平移动U轴前伸一定长度后(根据工件需摆放位置确定,L3),垂直移动L轴下降新的摆放位置(L4),然后释放机械手,松开工件;
(4)然后机械手垂直移动L轴上升L4高度,机械手臂旋转180°,回到机械手臂加持位置;然后水平移动U轴反转,机械手后缩,底盘反转一定角度回到原始位置。
3 控制思路
(1)系统在水平移动U轴和垂直移动L轴的移动位置用伺服电机进行控制。
(2)旋转手臂T轴采用直流电机进行控制。
(3)旋转底盘S轴采用变频器、三相异步电动机进行控制。
(4)机械夹手B轴采用电磁阀来进行气动控制。
4 控制设备选择和设备接线
4.1 传感器
在本系统中,机械手水平移动U轴和垂直移动L轴在动作过程的原点判断及限位保护都是采用光电传感器来实现的;原点初始化采用水平移动U轴到最左边,垂直移动L轴到最上面的传感器进行位置确定。机械手B轴原点位置判断及限位保护采用接近开关进行检测。机械手的底盘原点位置采用接近开关确定,旋转底盘S轴的旋转角度θ可以用光电传感器确定或者用旋转码盘来记录其旋转位置。
这些传感器从功能上分为有光电传感器、光电开关、磁性开关等;从接线方式上分为两种,一种是三线式,另一种是二线式。光电传感器采用三线式接线方式,光电开关、磁性开关是二线式。
三线式传感器分为电源线和信号线,其中电源线为两根,分别接24V直流电源的正端(可以从PLC引出,也可以单独设置直流电源)和负端子(或COM口),信号线根据I/O分配表与PLC的输入端进行连接,如图2所示。二线式传感器分为信号线和公共线,公共线接24V直流电源的负端子(或COM口),信号线根据I/O分配表与PLC的输入端进行连接,如图3所示。
4.2 伺服电机
伺服电动机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。基本上可以这样理解,伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为,伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确地控制电机的转动,从而实现精确的定位。对于带标准2000线编码器的伺服电机而言,由于伺服电机驱动器内部采用了四倍频技术,其脉冲当量为360°/8000=0.045°。对于带17位编码器的伺服电机而言,伺服电机驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈,即其脉冲当量为360°/131072=0.0027466°,是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。精度非常高。本例中采用松下MHMD022P1U永磁同步交流伺服电机,及MADDT1207003全数字交流永磁同步伺服驱动装置作为机械手的水平移动控制装置[3]。
4.2.1 伺服电机与步进电机的比较
步进电机在低速时易出现低频振动现象。交流伺服电机运转非常平稳,即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能,可涵盖机械的刚性不足,并且系统内部具有频率解析机能(FFT),可检测出机械的共振点,便于系统调整。
步进电机的输出力矩随转速升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,所以其最高工作转速一般在300~600r/min。交流伺服电机为恒力矩输出,即在其额定转速(一般为2000r/min或3000r/min)以内,都能输出额定转矩,在额定转速以上为恒功率输出。
步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。
步进电机的控制为开环控制,启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象,停止时转速过高易出现过冲的现象,所以为保证其控制精度,应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制,驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样,内部构成位置环和速度环,一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象,控制性能更为可靠。
步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200~400ms。交流伺服系统的加速性能较好,从静止加速到其额定转速3000r/min仅需几毫秒,可用于要求快速启停的控制场合。
综上所述,交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以,在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素,选用适当的控制电机。
4.2.2 伺服电机驱动器参数设置
伺服电机驱动器参数设置如表1所示。
4.2.3 伺服电机驱动器与伺服电机的接线
伺服电机、伺服驱动器接线如图4所示。
4.3 变频器参数设定
变频器是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。本系统采用三菱E540系列高性能变频器,三相交流380V电源供电,具有八段速控制制动功能、再试功能以及根据外部SW调整频率和记忆功能。具备电流控制保护、跳闸(停止)保护、防止过电流失控保护、防止过电压失控保护[4]。主要设置的参数如表2所示。
5 软件设计
5.1 控制流程
由于本次设计的控制要求对动作先后动作控制非常清楚,故选用步进状态编程将非常容易,可以通过若干状态实现本次控制。如下表所示,首先进行机械手的回原点动作(状态S0~S22),然后进行抓工件动作及工件翻转动作(状态S23~S30),最后进行工件堆叠及返回抓工件工作位的动作(S30~S39),程序返回S23状态,可以实现单次动作,也可以返回S24状态,实现循环动作。程序状态如表3所示。
5.2 伺服电机程序控制简介
晶体管输出的FX2N系列PLC CPU单元支持高速脉冲输出功能,但仅限于Y000和Y001点。输出脉冲的频率最高可达100kHz。
对机械手水平移动的伺服电机的控制主要是返回原点和定位控制。可以使用FX2N的脉冲输出指令PLSY、带加减速的脉冲输出指令PLSR、可变速脉冲输出指令PLSV、原点回归指令ZRN、相对位置控制指令DRVI、绝对位置控制指令DRVA来实现。
5.2.1 机械手回原点程序设计
当可编程控制器断电时会消失,因此上电时和初始运行时,必须执行原点回归将机械动作的原点位置的数据事先写入。原点回归指令如图5所示。
M10闭合后,Y1开始以20000Hz的频率输出脉冲,机械手快速向原点移动(此时M8148为闭合状态);在机械手移动到近原点开关时(比如接近开关),近原点信号X3闭合,Y1减速到300Hz的频率输出脉冲,机械手慢速爬行。当机械手慢速离开近原点开关时,近原点信号X3断开,Y1停止脉冲输出(此时M8148为断开状态),执行元件此时已经回到了原点。
由于M148为断开状态,则M8148的常闭触点令M0置位,将D8142清零。令程序原点D8142与机械原点一致。
要注意的是,由于受扫描周期的影响,近原点信号断开后,Y1还会继续输出一些脉冲。要减小脉冲数量,可以减慢脉冲发送频率来实现。慢速输出脉冲频率越低,误差就越小[5]。
5.2.2 机械手定位控制[5]
为了将机械手移动到对应的抓取工件或者释放工件位置,需要向伺服电机发出表示一定距离的脉冲数,使机械手从当前位置移动到目标位置。此种情况一般可以采用FX2N的脉冲输出指令PLSY、带加减速的脉冲输出指令PLSR、可变速脉冲输出指令PLSV、原点回归指令ZRN、相对位置控制指令DRVI、绝对位置控制指令DRVA来实现。本系统采用绝对位置控制指令DRVA来进行定位控制。
从PLC的Y0口以5000Hz的速度发送脉冲,输出脉冲数是根据D8140(D8142)的值来决定。如DRVA执行前D8140(D8142)的值为0,那么图6的右行输出脉冲数则为2200;如DRVA执行前D8140(D8142)的值为1000,那么图6的右行输出脉冲数则为1200;如DRVA执行前D8140(D8142)的值为2000,那么图6的右行输出脉冲数则为200。PLC的Y2口控制方向,根据2200与当前D8140内容的差值来确定,当2200大于D8140当前内容,则Y2为ON,顺时针方向旋转,当2200小于D8140当前内容,则Y2为OFF,逆时针方向旋转。
6 结束语
经应用实践表明:该机械手机械结构简单,工作平稳,精度可靠。采用了PLC控制,简化了电气控制系统,使机械手工作更稳定、可靠、灵活,工作效率明显提高。
参考文献
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关节型机械手设计 篇5
而且，机械手的工作环境相当广泛，可以在高低温、放射性等有毒污染环境下工作，占据相当大的优势，所以机械手在工厂运作中占据着不可替代的作用。
本次课程设计基于机械设计原理，在了解了四自由度关节型机械手的基本信息后，介绍了其使用范围，按照设计原理和步骤设计了一台有着四自由度的关节型机械手。机械手的发明极大地改善了工人的工作环境，简化了工人的工作内容，提高整体的生产劳动效率，是人类生产活动中有利的帮手。本论文运用了机械手工作原理和设计、四自由度设计等各方面的专业知识，在设计四自由度的关节型机械手的过程中，结合已有的知识解决过程中的难题，并进行深入探讨，如何在已有的基础上融入自己的创意和想法，使机械手设计得更为简洁，实用性更强。
关键词：关节型机械手，机械设计，四自由度 ABSTRACT The manipulator, as the name implies, is a human-like device made of mechanical originals, which can replace a lot of repetitive, complicated and dangerous work.The robot is a product produced by the combination of machinery and electronics.The purpose of using the robot is as follows: the labor productivity is improved, the processing process is more advanced, more efficient, the labor burden is reduced, the working environment is improved, and the like.Automated technical equipment is available upon request.The robot can replace the manual work, reduce the labor consumption, improve the physical and equipment conditions required in the work, and increase the number of products produced per unit time.When the frequent occurrence of frequent workpieces in industrial production cannot be solved by hand, it is the most effective way to use the robot at this time;moreover, the robot can work under high and low temperature, radioactive and other toxic pollution environments, occupying considerable advantages.Therefore, the robot plays an irreplaceable role in the operation of the factory.This course design is based on the mechanical design principle.After understanding the basic information of the four-degree-of-freedom articulated manipulator, the scope of its use is introduced.An articulated manipulator with four degrees of freedom is designed according to the design principles and steps.The invention of the robot greatly improved the working environment of the workers, simplified the work content of the workers, and improved the overall production labor efficiency, which is a favorable helper in human production activities.This thesis uses the professional knowledge of the working principle , and in-depth discussion, How to integrate your own ideas and ideas on the existing basis, so that the robot is designed to be more concise and practical.Key Words: Articulated manipulator；
Mechanical Design；
Four degrees of freedom 目录 1 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 设计目的 2 1.3 关节机械手研究概况 2 1.3.1 国外研究现状 2 1.3.2国内研究现状 3 1.4 关节型机械手构成机件的作用 4 2 总体方案设计 5 2.1 机械手工程概述 5 2.2 工业机械手总体设计方案论述 6 2.3 机械手机械传动原理 7 2.4 机械手总体方案设计 8 3手部设计计算 9 3.1对手部设计的要求 9 3.2拉紧装置 10 3.3机械运动范围（速度）12 3.4手部右腔流量 12 3.5手部工作压强 12 4 移动关节的设计计算 12 4.1驱动方式的比较 12 4.2汽缸的设计 13 5小臂的设计 16 5.1 小臂结构的设计要求 16 5.2 小臂结构的设计 16 5.3小臂电机及减速器选型 16 5.4小臂的计算 17 5.5 轴的设计计算 18 5.6 轴承的选择 18 5.7 轴承的校核 18 5.8 计算轴承摩擦力矩： 5.9步进电动机和齿轮选择 20 6 大臂的设计计算 20 6.1大臂部结构设计的基本要求 20 6.2 大臂的结构设计 22 6.3 大臂电机及减速器选型 22 6.4大臂的计算 23 6.5 轴的设计计算 24 6.6轴承的选择 24 6.7 轴承摩擦力矩的计算 25 6.8步进电动机和齿轮的选择 25 7.机身的设计 27 8 电机选型有关参数计算 27 8.1 相关参数的计算 28 8.2 电机型号的选择 30 总结与展望 31 致 谢 32 参考文献 33 1 绪论 1.1 引言 上世纪八十年代以来，我国的社会、经济、科学技术都取得了突飞猛进的进展，在科学技术这一领域，机器人学也在不断地发展与进步。它在机械设计制造技术方面取得了非常高成果。机械手是机械和电子融合创新出的一款产品，结合了多个学科的知识，是非常有价值的新生产品，在机械手类型中，关节型机械手由于用途最广泛而占据了最重要的位置。关节型机械手的研究结合许多科学，如力学，电子学信息论和计算机等，同时由于机械手的诞生，在改良和升级过程中，也促进了多种学科的发展和内容的更新。除了关节型机械手，还有许多其他的机械手类型，在不同的工作环境下使用。
世界上第一台工业机械手诞生于上世纪五十年代末，它的出现使机械手开创一个新的历史时代，伴随科技的进步，机械手的形态、使用范畴、工作内容也在不断改变。日本早稻田大学的加藤一郎教授认为，机械手的功能是其最重要的特征。而机械手的“双臂”则具有极高的自动调节功能，可以维持系统的动态平衡。电灯泡的发明者爱迪生曾说：“在造物者的鬼斧神工中，人类的双臂和双腿是最伟大的杰作。”这就说明了双臂的重要程度，对机械来说，机械手也是同等重要。它不单使用范围广，而且具有很强的适应环境能力。正因为有这样的功能为以后机械行业的发现开辟了无限广阔的前景，在机械行业方面上奠定了坚实的基础。
制作出各种各样机械手，生产生活中它具备哪些作用，其包括这些方面：制造出的机械手，可在各种类型的工作环境中使用，代替人工操作，避免危险、重复、单调的工作对工人的浪费和伤害。能让机械手熟悉和掌握人类的基本特征，在人们生活等到帮助，例如：人造假肢。它拥有非常充足动力学特证，对这方面的讨论使力学和机械人的探索得到发展。机械手属于自动化机械手，它在人类生产生活中表现出至关重要作用。
关节型机械手的定义，世界上也没有一个明确的规定，分类方式有很多。按照美国机械手协会的对机械手的定义——联合国也采用的这种定义方式：关节型机械手是机械手臂的一种，可重复编程，操作多种动作的多功能机械装置，通过不同机械动作的编程方式，改变执行的工作内容，主要作用是搬运工件，传递工件等。通过外国的理解和我国对机械手的介绍和总结。关节型机械手定义是：
关节型机械手是一种自动操作机器，它像人的手臂，可以实现多自由度，能自由移动，灵活程度非常高的自动操作机器。可以自动的进行搬运和传动各种各样物体。
关节型机械手与人对比，机械手具备快速的移动速度，可以运输大于自身质量零件，定位和操作准确度都不是人手可以达到的，根据输入的要求，外部信号的改变，机械手可以执行各种任务，并且可以及时地更正和调节工作内容。
关节型机械手的手臂具有很强的刚性。计算机控制系统属于机械手系统一种，能够使机械手自动运动。机械手可以代替手工进行工作，降低劳动消耗程度，改进在工作中所需的物质设备条件，提升单位时间制作产品的数量。虽然机械手出现的和发展只有30多年的历史，但是它靠着自己独特的优点，在世界上各种行业各个领域都得到的应用。有着非常好得发展前景，为各种行业的发展做出巨大贡献。
1.2 设计目的 这次设计用大学四年来学到的机械设计制造及自动化的有关知识，来完成一个具有搬运功能和要求的关节型机械手设计，在此过程中可以考察自动化专业的学生对于机械制造原理、机械设计原理、机械手相关专业知识的把握程度，将理论应用于实际的能力，可以考察学生是否具备合格的专业能力。该毕业设计的指导目标非常明确，就是希望自动化毕业生能够学以致用，将理论知识运用到实践过程中，完成关节型机械手的整个设计过程。
要完成机械手的设计和制造，需要用到生产线上的数控车床、铣床等加工，整个机械手的制造过程是全自动化的。我国制造行业近年来发展形势较好，国家投入了大量人力物力，聚拢了很多资金进入制造行业，造就了制造业的迅速发展。这次机械手的加工可以交给工厂车间的自动车床来进行，可以较好地满足加工要求。机械手可以代替手工进行工作，降低劳动消耗程度，改进在工作中所需的物质设备条件，提升单位时间制作产品的数量。
1.3 关节机械手研究概况 1.3.1 国外研究现状 Muybridge是最早研究动物运动机制的学者之一，他发明了一种相机，是一种触发相机。用这种相机拍摄了各种各样动物在奔跑时的照片。后来一个叫Demeny的人用相机对人类运动进行拍照，并对照片进行了深刻的研究。上世纪三十至五十年代间，前苏联的科学家——伯恩斯坦运用生物动力学理论，对动物的运动机制进行了长达二十年的研究，并提出了自己的理论成果。
在20世纪60年代对机械手进行了全面的研究。到目前为止，对机械手的研究具有比较完整的理论体体系。在日本、美国和苏联等国家。机械手已近研制成功。
在上世纪六十年代末，机械手控制理论取得了突破性进展，三种重要的控制方法被提出，并且成为后来学者的参考标准之一。这三种控制方法分别是模型参考控制、算法控制和有限状态控制。各种各样的机械手对于在这3种控制方法中都是适用的。美国学者Farnsworth提出了模型参考控制，南斯拉夫学者Mikhail提出了算法控制，美国学者Vukobratovic提出了有限状态控制。这三种控制方法并不是独立存在的，而是相互之间都有某种深层次的关系。
对于步态的研究，许多学者也提出了自己的看法，苏联的Umnov等学者提出了“最优步态”的定义，而Kugushev等人则解释了什么是自由步态。自由步态与规则步态是一组相对的概念。当地面情况不平整，那么机械人在工作时，按照设置好的步序行进则不适应实际情况，会出现诸多失误。所以机械人在走路时应该充分考虑环境的影响，实时改进步伐，以适应地面环境，这种步态就称为自由步态。
为了提高机械手的稳定性，美国学者Hemami等人提出，如果把系统自身的稳定性和和对系统控制能力简化看成是一个倒立振子的模型，那么机械人前进的运动就是让这个振子从倒立状态恢复成直立状态。为了使控制更为简便容易，Hemami等人还研究了机械手的“降阶模型”问题。
提出有限状态控制方式的美国学者Vukobratovic还研究了随着时间的推移，每个联合系统的能力也会逐渐改变，但他并没有对机械手耗能这个问题进行研究。但是在这在探索中，Vukobratovic提出个非常关键问题，就是表面越光滑，该系统损耗的功率就越小。
1.3.2 国内研究现状 在中国，对机械手探究和发展相比于外国要迟一段时间。从1980左右中国就开始对工作行业进行的探索和操作。1986年，进行“第七个五年”机械手项目进行考察。上世纪80年代末，我国正式高度重视机械手的设计及制造，并将该技术的探索列入了我国的“863”高技术计划中。直到现在，我国依然不断地在对机械手技术进行研究和探索，并推出新的研究成果。在之前，我国对机械手技术探究的主要原因为了与世界各个国家对机械手设计探究接轨，然而获得一些成果。
上世纪八十年代中期，我国研究学者就制作出了一款两脚的机械手，型号是HIT-I，它上下长度110厘米，质量70公斤，包含10个自由度，可以地面上移动，可以左右两侧上下移动，移动距离45cm，移动速度10步每秒，随后还制作HIT-II，HIT-III，质量42公斤，上下长度103厘米，包含12个自由度，移动距离25厘米，移动速度达到了2.3步每秒。目前还在持续研发新型机械手，自由度超过50个，不管是移动距离还是移动速度都在前面研究的基础之上提高了一个档次。
在1988年，我国成功研制了多方位运动的机械手，不单可以直线前后行走，同时还可以上下楼梯，它的型号是 KDW-1，包含着六个自由度，最高的移动距离40厘米，移动速度能达到四步每秒。接着在下一年制作出了KDW-1的升级款——KDW-II，在自由度上做了拓展，总共有十个自由度。上下长度达到了69厘米，质量也尽可能地减少，只有13公斤。1990年在KDW-II表面上添加了几个机械手，使其变成KDW-III，包含12个自由度。在工作时，可以手臂可以自由旋转。完成了在工作时的各个方向运动。其中移速度0.8步每秒，移动距离20厘米～22厘米，其中地面与坡面之间夹角为13度。2000年根据KDW-III条件下顺利制造出我国一台能仿照人动作“先行者”。其中上下高度1.4m，质量20kg，具有人类五官的特征，还具有语言功能。
1.4 关节型机械手构成机件的作用 关节型机械手由三部分构成，一是包含执行和驱动双重系统在内的机械系统，二是控制系统，以及第三部分智能系统。
（1）执行系统：关节型机械手是依据执行系统来完成关节部件的操作的，所以整个执行系统包含一系列零件，如手臂、手腕、机身等，同时有这些零件所完成的动作也包含在内。
（a）末端执行器：机械手要想能举起、搬动、挪动工件，需要末端执行器来配合执行。
(b)手腕：是手爪和手臂连接的部位，它可以使手爪按照工作的要求进行多角度运动。
(c)臂部：连接机座和手部的部分，能旋转和升降等，可以将手抓移动到各种位置，还可以承受手抓抓工件的最大质量。扩大机械手在工作中的活动范围，同时还可以将载荷传递到机座。
(d)机身：机械手的根源，用来让手臂运动，机械手需靠机身进行支撑。
(2)驱动系统：可以认为是机械手最重要的部分，机械手要想完成各种运动、操作，都需要驱动系统供给能量，并且驱动系统还可以定位等。
(3)控制系统：通过对驱动系统的控制，执行系统根据需求来完成任务，在机械手运动遇到困难时会及时的给出信息。
通过各种工厂的使用情况来看，关节型机械手相较人力，可以完成许多人可以完成的繁琐、重复的工作，也可以完成人手不能完成的危险、高难度的工作。机械手的应用可以 降低劳动消耗程度，改进在工作中所需的物质设备条件，提升单位时间制作产品的数量。在工业生产中经常出现由于工件过重或者各种原因靠人的双手是无法进行工作的，这个时候机械手的优势就可以体现出来了。同时该机械手可以在高低温、放射性等有毒污染环境下工作，占据相当大的优势，具有良好的发展前景。
总体方案设计 2.1 机械手工程概述 机械手工程具有很强综合性，包括各种各样知识，如力学、机构学、仿生学、机械设计、机械制造、广电学、传感技术、计算机技术和自动控制技术等。如今，我们系统地将现有学科内容的知识结合起来，解决了综合复杂的工程问题。在机械手制造方面，工程学觉得，应该看做整个系统进行探索，开发，创新应用。将系统的内外部的组成部分有机的结合起来。
系统其实就是用整体的眼光去看待一处机械部位，这一个机械部位并不是单一的，而是由多个零件有机结合的一个整体，是由许多子系统按照既定规律进行组合的一个更大更统一的系统，这个系统是作为一个整体存在的，如果被拆分成一个个零部件，则这个系统的功能也会丧失。所以要有整体和宏观意识，设计和制作机器时，应该首先明确整个系统的框架和工作机制，所以系统具有以下特点：
（1）整体性：系统具有完整的属性，被拆分开的话则功能丧失。
（2）相关性：在系统中它们都有各自相互配合，协调工作。使系统各零部件都具有相关性。
（3）目的性：不同的系统，有不同的针对性和目的性，能完成的工作是不一样的。同时，由于结合方式的不同，系统的功能也会相应变化。
（4）环境适应性 ：系统会随着环境的改变而适应相应的环境。
所以机械手的设计和制造中，不单单只有各零部件的设计是关键，而且还需要将各零部件当成一个整体进行考虑，对其功能进行考察，只有满足机器人功能的零件组合才是一个成功的系统。制造出具有良好机械手产品，用在机械工厂中来满足工作的需求。复杂的机械手中，系统组成也非常复杂。
在工业操作中，机械手的功能多样和调整的灵活性是其最重要的优势和特点，所以在柔性制造系统中，机械手可以发挥重要作用。比如灵活地传送各类零件，完成零件的组合和装配等。在柔性制造系统中，除了机械手以外，基础的工艺设备、辅 助设备、控制装置通过相互配合，组成了各种功能的技术综合体系。除了制造业生产部门，非制造业也会用到机械手系统，与制造业的类似，例如医疗、农用、军工、采矿、交通运输等。
2.2 工业机械手总体设计方案论述（一）确定负载 国内外目前普遍使用的机械手，额定负载大小不一，差别范围较大，最大负载已经超过了九千N，最小额定负载比5N更低。机械手的额定负载的大小与以下因素有关：在每个运动方向上，机械接口上所受到的的力以及扭矩。确定机械手负载也是机械手设计中较为关键的一步，机械手末端执行器的质量以及关节结构部件的质量是这些力和扭矩的来源，除此之外，还包含工件在运动中的加速度和速度产生的惯性力。通过这次设计所给的参数可以知道，负载数是一个很小的值。
（二）驱动方式 伺服电动机的优势很多，如在控制系统中具有较好的控制性能，能够精准控制速度和位置，灵活性较强等等，该驱动方式噪音较小，对周围环境产生的影响小，有很高效率，适用在中小型机械手中，因为这些机械手在运动中具有严格的控制要求，所以这次设计选用伺服电机驱动。
（三）传动系统设计 在机械手装置中尽量使机构变的紧密、质量较轻、减少惯性力和降低占用的面积，首先在传动链中需要对间隙进行处理，去除间隙可以提升机械手的运动稳定性和精准点位。在传动系统中，我们常用的传动机构包括：齿轮传动、蜗杆传等。因为齿轮传动具备高效率，有精确的传动比，机构紧密、在作业时质量可以得到保障、使用时间长，再加上在大学期间对传动系统学习，更好的掌握了传动比设计，齿轮传动系统是适合本次机械设计的。
（四）工作范围 机械手的工作范围较广，但也有局限性，工业操纵器在操作期间的操作范围和轨道是机械手工作范围的衡量标准，并且由工作地方实现。工作地方的外形以及面积会对机械手的机械坐标、自由度个数和每个机械臂的大小长短有影响，同时工作地点还会影响到机械手臂关节的旋转角度，以及整个机械手的移动范围。
（五）运动速度 在确定机械手的机械臂在工作时最大的运动范围后，接下来就可以确定机械臂的运动速度，用m/s来表示，并且在每个机械臂运动的时间分派中有非常多的因素需要考虑。例如：机械臂在旋转一圈所需要的时间，还有考虑各个机械臂在工作时先后顺序。应给制作一个各个机械臂在工作不同时间的表格，并进行分析，在制作时间表格时，不仅需要思考机械臂工作时运动的范围，还需要考虑到定位的精度是否满足要求、驱动和控制采用哪种方式、机械臂路径以及长短的规划。
2.3 机械手机械传动原理 下图是关节型机械手的示意图：
关节型机械手示意图 关节型机械手的组成部件如下：
机身部位，可列举出基座，齿轮传动构件，轴承，步进电动机等。机身和底座用于支撑，支撑和旋转机械臂部件，并且臂应具有非常高的硬度=度和容量，而所有关节操纵器支持工作重量和负载。这也需要底座底部的大面积，以确保机器人在运动过程中能够正常工作。
机械臂像人的手臂一样，分为上半部分的大臂，包括步进电动机整个臂架和齿轮传动装置，以及下半部分的小臂——包括小臂、驱动轴以及传动带等。在小臂左端，安装有一个能使手腕运动的电动机。
2.4 机械手总体方案设计 下图展示了关节型机械手的运动，三个旋转机构共同完成了机械手的运动，机械手结构十分紧凑，占地面积小，并且在工作时，具有较大的灵活性。对机械手自身的长度来说，机械手工作环境比较大，可以完成所需要的工作需求。这种关节型机械手生产和生活有着起着至关重要作用。比如焊接、喷漆、搬运、装配等工作。关节型机械手在生产和生活被普遍使用。
按照任务书数据要求应给选择机械手类型是关节型 主要技术参数见表1-1 3手部设计计算 3.1对手部设计的要求(a)夹紧力应合适 机械手臂只有有足够大的夹紧力才能夹住工件，避免工件掉落；
同时夹紧力也不能太大，容易导致工件形状发生变化，而且还要要求不破坏工件面的粗糙度。而刚性较小的工件夹取的力度并不能完全不变，应该留有调节的余地，并且应该设置自动锁，保证工作时工件的安全。
(b)开闭范围应保持足够 由工件外部圆的直径长度可知,夹具尺寸至少比120mm大。
机械手的手抓具有打开关闭功能。在手抓抓取零件是，手爪打开和关闭两点之间的最远距离叫做闭合区间。机械手的开闭范围受很多因素的影响，例如零件样式和零件表面积的尺度，通常，假如在工作条件状况允许的情况下，手爪打开和关闭之间的距离应该变的大，这样能满足对零件工作要求。如下图所示：
(c)手抓的设置应合理 手腕的最前端，即是手抓所在的位置。在操作期间运动状况是可变的，完整手抓机构的构造受零件质量和占用面积的影响。并且手爪部还具有抓取零件，确定位置的准确度，运动速度等功能。所以，手抓在设置和制作过程中应充分考虑到使机构简单便利的需求，尽可能自重较小，不增加整体占用空间。
(d)机械臂的手指具有较大的强度和刚度(e)除以上要求外，还应满足：
工件大小，重量，形状，进给和夹紧机械手机构，最常用外卡式双指钳口，夹取零件的常用方法用弹簧进行加紧零件，松开零件时，使用单一式液压缸。这样的好处是制作和使用过程都比较简单。
3.2拉紧装置 下图是整个油缸的工作示意图，油缸在右边机器里，当不进油时，弹簧自身的弹力将工件夹紧，当进油时，单一式液压缸使弹簧将工件松开。
P（1）设定活塞的直径D=50mm,系统压力P=25Mpa，可计算右腔推力：
（2）根据手爪抓取工件的位置，通过查表，得出以下夹紧力计算公式：
其中 N′=498N=392N，带入公式计算得到：
可求得实际加紧力为：
取整可得：F1=3500N 由公式得：
（3）手部活塞杆行程长L的计算 取整可得：L=25mm（4）确定“V”型钳爪的L、β。
取L/Rcp=3 式中：
Rcp=P/4=200/4=50 由公式得：L=3×Rcp=150 选用机械手手部的角度2α=120º，那么旋转角β采取最优旋转角。
查表得：
β=22º39′ 3.3机械运动范围（速度）(a)伸缩运动 Vmax=500mm/s Vmin=50mm/s(b)上升运动 Vmax=500mm/s Vmin=40mm/s(c)下降Vmax=800mm/s Vmin=80mm/s(d)回转 =90º/s =30º/s 所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s 3.4手部右腔流量 =60 =60×3.14×25² =1177.5mm³/s 3.5手部工作压强 =3500/1962.5=1.78Mpa 4 移动关节的设计计算 4.1驱动方式的比较 机械手的驱动方式有四种：根据驱动是由液体还是气体压力，分为液压和气压驱动，除此之外还有电机驱动和机械传动。机械手的驱动方式很少只用到其中一种，大多是组合式，在一些工作比较复杂的机械手中可采取多种方式驱动，各种驱动的特点见表4-1。
4.2汽缸的设计 由于气压运行时较小，所以对组成气动各个元件和加工零件的形状，尺寸低于液压，而且对环境没有影响，工作时活动灵活，反应快。保养外型容易，利用起来安全。因为这个地方对物体的力没有必要太大，所以选气压传动。
汽缸内型选择：由于活塞来回移动的时间较长并且来回反复移动动，所以因此选单活塞汽缸。采用挤压气体的方式，活塞可在来回反复运动。
令活塞杆直径d=12mm，则活塞杆的质量可以估算得到：
取整可约等于5N。
取80N 气压缸内径D的计算 按《液压传动与气压传动》公式 13-1 D表示汽缸的里面圆的大小(m)，P表示工作压力（Pa）,表示单位时间担负的工作量，其中单位时间担负的工作量与汽缸工作压力有这一定的关系，取，查《液压传动与气压传动》表13-2 由于汽缸垂直安装，所以取P=0.3。一般，所以选0.3 根据“液压传动与气压传动”表13-3得出圆的直径为40mm 一般，此选0.3 mm 汽缸壁厚的计算 根据“液压传动与气压传动”表13-5查得 汽缸重量的计算 其中：R表示汽缸外部圆的半径，r表示汽缸里面圆的半径，h表示汽缸尺寸，g取10，表示汽缸材料密度 取25N 5小臂的设计 机械臂是机械手的主要操作部分，它的功能是支持手爪和手腕，机械臂可以使零件的方位发生变化。手臂的运动决定手爪的活动范围。
5.1 小臂结构的设计要求(1)小臂选取的材料很坚固，应正确选用机械臂部的表面外形和尺寸，普通用钢管做机械臂和导杆。支撑板由工字钢和槽钢制成。用来保证刚度的要求，达到最佳选材效果(2)偏重力矩不能过大。
(3)机械臂本身的质量和惯量都不能太大，这是为了尽可能地减小机械臂在工作过程中遭受的冲击和碰撞，缓冲是解决办法之一，同时机械臂的结构应该设置得更为紧凑合理，保障一体性，重量上也需要达到较轻程度，这样可以降低惯性力。
(4)具有较好的导向性。
5.2 小臂结构的设计 小臂的表面采用工字钢的造型，抗变型程度可以显著增强，小臂的表面积也可以因此设计的更小。从而可以降低机械手小臂重量，降低的制造的成本，手臂活动起来也方便快捷。
5.3小臂电机及减速器选型 将小臂转速w设置为15度，角速度从0一直增加到15度所需要的时间为，输出转矩计算得到：
当考虑惯性力矩和围绕机器人臂的每个部分的重心的摩擦力矩时，在臂的旋转开始时假设起动扭矩为10N / m并且安全系数为2。
这是输出谐波减速器所需的最小转矩计算为：
选择型号为XB3-50-100的谐波减速器，额定输出转矩和减速比分别为：20N.m，i1=100 设谐波减速器的的传递效率为：，可计算出步进电机应输出力矩：
选择型号为55BF003的BF反应式步进电机 静转矩：0.686N.m 步距角：1.5° 5.4小臂的计算 选10号工字钢。理论重,小臂长为600mm。
较核：（N）取75N 其受力如下图: F=75+105=180（N）根据“材料力学”公式5.11 其中h表示工字钢的长度，b表示 工字钢腰部的长度，Q表示受到的力。
所以 所以选10号工字钢合适。
5.5 轴的设计计算 轴的直径为20mm，材料为45号钢。
受力如下图: 验算：
F=180N 所以合适 5.6 轴承的选择 由于上轴承仅承受径向力，下轴承承受轴向力和径向力，因此选择圆锥滚子轴承，并根据“机械零件手册”表9-6-1（GB 297-84），选择7304E。
d为20 mm e为0.3 5.7 轴承的校核 由于臂轴承在工件工作期间以低速振荡，因此需要进行轴承试验。如果接触应力太大，则永久压痕也会增加（即，材料具有不可接受的永久变形）并且选择负载能力。公式是：
根据“机械设计”13-17 其中静载荷用表示，轴承静强度安全系数表示，都是由轴承的使用决定的。根据“机械设计”表3-8 作摇晃运动轴承,在碰撞时产生不同的载荷, 此处1.5.上轴承受纯径向载荷, 所以 因此轴承合适.下轴承受径向和轴向载荷, R为径向载荷 A为轴向载荷 用X 和Y分别代表径向和轴向载荷系数。根据“机械设计”表13－5查取需要的参数值 从 可得：
进而，从而轴承是适合的并且承受的力较小，不必进行校准。
5.8 计算轴承摩擦力矩：
如果（C和P分别表基本额定动载荷和当量动载荷），根据“机械设计手册”第二版(16.1-13)公式: 估算可以得到数值 上式子中的FD分别是滚动轴承摩擦因数，轴承载荷，轴承内径。
查表可得得 所以 根据“机械设计手册”第二版 表16.1-29得，同样可以估算 保留两位小数是0.1 5.9步进电动机和齿轮选择 驱动机械臂的力并不需要多大，精度没有特别高的要求，控制越方便越好，所以选择步进电动机的时候，最好是误差不容易积累的类型。
可选择步距角度较小并且同时还能达到最大静转矩，两个要求都满足的情况下，矩频特性就可以不用考虑了，因为转速不大，按照参数表可以选45BF005，相关参数为：步近电动机矩角=1.5°，U=27V，最大静转矩0.2N/M，m=400g,D=45mm,l=58mm,轴的直径4mm。
验证精度后发现可以满足要求：
采用一级齿轮传动，目的是为了提高精度：.5 和的齿数分别为二十和七十。
根据“机械原理”表8-2标准模数系列表GB1357-87取m=1，取 则 齿轮宽度计算：
根据“机械设计”表10-7 圆柱齿轮的齿宽度系数 两个轴承相对于小齿轮对称布置，取值范围在0.9-1.4之间，本文取1.则 两个齿轮组装在机械手机上后，应避免少量齿轮在轴向上错位，使齿轮的齿轮宽度减小，因此宽度需要再增加一些，所以需要24 mm。
大臂的设计计算 6.1大臂部结构设计的基本要求 在关节型机械手中，大臂用来将机身和小臂结合起来，并且带动小臂做旋转。
是最为重要的零部件之一，大臂部运动的目的:主要带动小臂部运动这样可以使手部抓取的工件按任意方向转动，达到工作的需要。假如改变了手部旋转姿势，那么机械手臂部自由度得到实现。因此，一般来说臂部设计基本要求:(1)大臂应当有很强的承受能力、硬度要好、自身的质量轻。
手臂部通常是弯曲的(可以在任何地方发生的弯曲)，而且还能扭曲，因此使用更大硬度的弯曲和抗扭的横截面形状，所以在具有同等大的横截面积下，重量基本一致的前提下，圆钢的轴向力矩是远小于工字钢，钢管和槽钢的。所以在制造关节型机械手的导杆时，钢管是合适的材料。用工字钢或槽钢作为支撑钢，这样不仅提增大了机械手臂的硬度，还大幅度降低了自身的重量，而且在空心的内部还可以装备驱动装置、传动装置以及管道，由此可以让机械臂结构紧密、外部形状看起来美观又能节省制作时用的材料。
(2)大臂的运动速度快，惯性小 通常情况在，手臂在工作时要运动速度均匀，正常工作是这样，但是在启动和关闭的时候，运动状态发生了改变，所以瞬时速度也发生了变化，要求机械手在开始时，加速度不能太大，在停止时，速度不能过快，为了避免发生碰撞和损坏，要不然会引起手臂碰撞。
(3)为减少刚体绕轴转动时的惯性量度，对其作出了规定: 第一，机械臂制作应选择自重轻，有一定刚度和硬度的材料 第二，机械臂整体尺寸尽量缩减 第三，回转半径应尽量减小 第四，缓冲装置的设置必不可少(4)手臂应灵活运转。
降低臂在工作时个工件之间存在摩擦力，选用滚动摩擦去替换滑动摩擦。
(5)要求有较高的位置精度。
机械手的位置精度依照关节手的不同类型而不同，关节型的机械手就属于较难定位，位置精度不好控制的一种类型，所以更需要在关节型机械手的设计过程中，对位置精度提出更高的要求。为了提高机械臂的定位精度，可以在小臂上设置定位装置，同时应设置相应的位置检测装置。
机械臂的外壁材料采用铝合金，就是为了使机械臂的强度和硬度达到要求，同时可降低机械臂质量，降低机座关节型电动机所承受重量并增大了机械臂运动时瞬时反应的困难。壁厚不能铸造得过大：各种各样合金材料都有适合自己厚度，各种各样合金的“最小壁厚””也是不一样的。壁厚是跟材料和尺寸相关，下表反映了壁厚和尺寸材料的关系：
上表描述了砂型铸件结构设计的特点，但在铸造工艺的特殊情况下，工艺和方法的不同，应根据铸件结构的不同应采用不同的铸造方法，性能也不一样。关节型机械臂的外币材料采用的是铝合金，生产方式为铸造。
6.2 大臂的结构设计 大臂机身材料使用铸铝材料，形状为长方形，自身的体重较轻，具有较大的强度和硬度。
6.3 大臂电机及减速器选型 假设臂部围绕轴的质量：
大臂转速为每分钟十转，转矩如下：
式中：T-旋转开始时转矩 N.m J – 转动惯量 kg.m2-角加速度rad/s2 到所花费时长：则：
当考虑惯性力矩和围绕机器人臂的每个部分的重心的摩擦力矩时，在臂的旋转开始时假设起动扭矩 10Nm和安全系数2。
这是输出谐波减速器所需的最小转速。则可以得到：
选择谐波减速器：
⑴型号：XB3-50-120（XB3型扁平式谐波减速器）额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=120 设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为：
选择BF反应式步进电机 型号：55BF003 静转矩：0.686N.m 步距角：1.5° 6.4大臂的计算 选14号工字钢。理论重,大臂长为700mm。
较核：（N）取140N 其受力如图: 依据书中公式可知：
其中h表示工字钢的长度，b表示工字钢腰部的尺寸，Q表示所受的力。
算出 结果表明10号工字钢是适合的。
6.5 轴的设计计算 轴的材料选择为45号钢，D=20mm。
其受力如下图: 验算：
材料选择和直径选取是可以的。
6.6轴承的选择 当工件工作时，臂轴承总是以低速摆动，因此需要进行轴承检查。如果接触应力太大，永久压痕也会增加（即，材料具有不可接受的永久变形）并且轴承载荷是：
上式中的分别是静载荷和轴承静强度安全系数，根据书上表中的数据,在碰撞时产生不同的载荷,选择1.5是合适的.上轴承受纯径向载荷, 因此 可知轴承的选择是可以的 下轴承受径向和轴向载荷, R为径向载荷 A为轴向载荷 用X 和Y分别代表径向和轴向载荷系数。那么需要的参数值根据“机械设计”表13－5查取 依据 可得到 因此 可知轴承的选择是可以的，不必校准因为受力小。
6.7 轴承摩擦力矩的计算 如果（C表示基本额定动载荷，P表示所受当量动载荷），那么数值根据“机械设计手册”第二版(16.1-29)公式: 估算 其中:滚动轴承摩擦因数用代表，轴承载荷用F代表，轴承内径用d代表。
查表《机械设计手册》第二版 表16.1-29得，所以也可以用这个公式估算 所以 根据“机械设计手册”第二版 表16.1-29得，所以也可以用此公式估算 所以 取0.1 6.8步进电动机和齿轮的选择 由于机械臂需要较少的驱动功率并且所需的精度不是很高，因此选择具有实际控制和输出角度而没有频繁累积误差的步进电机。
步进电机选择：步进角必须更小，并且需要最大静态扭矩。由于发动机转速低，因此不需要考虑转矩频率曲线。为此，请根据“机械和电气设计一般说明”中表2-11中反应型BF的步进电机技术参数检查表格。
选择45BF005。相关参数为：
步进电机的扭矩角为1.5°，U=27V，最大静止扭矩为0.196Nm,m=400g，外径为45mm，长度为58mm，轴直径为4mm。
进行精度验算后发现：
精度是不满足要求的,所以直接传动的可能性被排除了,需要变速机构来辅助完成传动，此处选择直齿圆柱齿轮是合适的。
一级齿轮传动有助于提高精度： 的齿数分别是二十和七十。
根据书上相关参数表，取，则 齿轮宽度计算：
根据“机械设计”表10-7 圆柱齿轮的齿宽度系数 两个承相对小齿轮进行对称布置取0.9—1.4,选择1是合适的 则 两个齿轮组装在机械手上后，应避免少量齿轮在轴向上错位，使齿轮的齿轮宽度减小，因此需要适当加宽，所以需要24 mm。
7.机身的设计 机械手的机身是直接支承和传动手臂的部件。通常促进机械臂的运动。起落、回旋等操作的驱动装置和传动构件都装配在主体上。要不就组成机身主体与底盘相通。机械臂和身躯的配置组成说明了机械手机构的基本分布。
机械臂机构的主体设计为座椅式。使得机械臂装置独立，具有独立系统的整体机构，易于任意摆放和移动，还具有行走功能。机械臂装置在底座中柱之间，常在回旋型机械臂装置。手臂的旋转由齿轮在减速器轴上的旋转从而带动机身的旋转，可以实现自由度。
机身部运用了电动机，为了带动机身的回旋转动。
带动机身回转的电机：
初选转速 W =60º/s N =1/6转/秒 =10转/分 由于齿轮 I =3 减速器 I =30 所以 n =10×3×30=900转/分 使用 Y90L-6型笼型异步电动机 电动机采用B级绝缘。外部防护等级为IP44，降温方式为I（014）U为380V，P为50Hz 如表 Y90S-6电动机技术数据所示：
Y90L-6电动机技术 型号 额定功率KW 满载时 堵转电流 堵转转矩 最大转矩 电流 A 转速 r/min 效率 % 功率因素 额定电流 额定转矩 额定转矩 Y9OL-6 1.1 3.2 910 73.5 0.72 6.0 2.0 2.0 8 电机选型有关参数计算 8.1 相关参数的计算(1)如果传动负载的运动方式为直线运动，那么有 负载额定功率：
负载加速功率：
负载力矩：
负载：
起动时间：
制动时间：
(2)若传动负载作回转运动 负载额定功率：
负载加速功率：
负载力矩：
起动时间：
制动时间：
式中-----为额定功率，KW；
-----为加速功率，KW；
-----为负载轴回转速度，r/min；
-----为电机轴回转速度，r/min；
-----为负载的速度，m/min；
-----为减速机效率；
-----为摩擦系数；
-----为负载转矩（负载轴），；
-----为电机启动最大转矩，；
-----为负载转矩（折算到电机轴上），；
-----为负载的，；
-----为负载（折算到电机轴上），；
-----为电机的。
因为机械臂的腰部没有受其他扭转力，只有摩擦力，但它存在旋转轴上。
式中-----为滚动轴承摩擦系数，取0.005；
-----为机械手本身与负载的重量之和，取100；
-----为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240。
将这些数据带入计算得到的结果为: =0.12；
同时，腰部回转速度定为=5r/min；
传动比定为1/120；
且，带入数据得：
=10.45667。
带入计算公式式，可以算出：
并且计算出启动和停止时间 ；
；
负载转矩（折算到电机轴上）算出来是：。
8.2 电机型号的选择 按照上文的计算和分析，可以选择三种型号的步进电机：
110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301, 以上选择的步进电机具有以下特点：转矩高，振副频率小，各种功能都比较良好，下面是此型电机矩频有关性能参数。
采用升频升压的驱动方式，步距角度为0.36°。
机械臂的腰部齿轮传动比为一比一百二，减速以后，步进电动机被驱动到旋转轴，在理论上，电动机实际步进角应该是旋转轴的实际的步进角的120倍，旋转角的最小步距角也时非常小的，因此精度非常高，他只是满足机械手在工作时有很好位置确定。
图3-2 所选电机相关参数 总结与展望 本文首先研究了关节型机械手臂整体机构的运转方式和功能，重点完成了各重要零件的设计计算。
因为对关于机械手制作设计过程并不是很了解，如传感器技术、控制技术等，仍然有很多需要去更深一步讨论或者研究：
(1)对机械手的机械结构进一步优化和升级 机械手的设计和制造过程中，最关键的两个部分，一是机械臂的设计，二是对每一个模块的细节化设计，对机械臂的每一个重要零部件，都进行协调设计和规结构规划，以保证在组合成一个系统的整体时可以有效运转。但是在设计过程中，每个参数的选择都要经过合理的运算，并且要符合强度和硬度的多方位要求，有相当多的零件为了满足设计要求的值，实际零件会比计算选择的结果小。在一些非关键的零部件的设计上，通常会采用前人经验进行型号选择，这样会导致制造零件时的材料浪费，也在无形之间增加了机械制造成本。
（1）在机械臂的设计过程中，计算机有限元软件分析是比较有用的工具，但是由于笔者缺乏对相关软件的了解和认知，可以得到零件的强度和刚度以及机械臂动力学分析达到最有的结构，所以在此次设计中并没有用到，之后可以进一步学习。
（2）笔者在论文中并没有深入讨论机械手控制系统如何建立，控制系统中涉及到的运动如何控制、路径如何规划、如何进行定位和导航等等技术都是以后的研究方向。
机械手在工厂及非制造业公司中有非常广阔的用途，并且随着技术的提升，会有更广阔的的技术前景。如应用在军事中的话，我国的国防和军事力量也将有显著的进步。在此次机械手的毕业设计中，笔者及同学都积累了大量理论应用于实际的经验，也对关节型机械手的认知更为深刻，相信笔者可以在改良机械手的进程中贡献自己的一份力量，使机械手臂的技术更为先进、实用程度更高。
致 谢 经过近三个月的毕业，最终论文终于完成了。在此期间，我成功完成了四年大学知识的最终设计。一步一步的地进行理论设计计算，机械结构的设计，技术图纸的绘制，撰写设计规范等。个人理论水平和个人的实际操作技能的设计得到了进一步改进和有关个人的技能在设计，分析和实际应用等方面的实践，同时采用以前学到的知识。得到巩固和加强。
最终项目已成功完成。我的导师和同学在专业知识方面给了我很多帮助。我想先谢谢他们。在初步设计阶段的准备阶段，我的导师非常关注我的设计题目，给出了主题的方向，并帮助分析了主题的可行性和实际情况中可能出现的问题。在选择过程中，向我展示需要掌握的知识量，并帮助我分析设计知识和困难的原则，以便我的最终设计能够顺利进行。
与此同时，我要感谢那些在大学里没有给我很多帮助四年的老师们。他们的教诲使我学到了很多专业知识，为我未来的工作和未来的学习奠定了坚实的基础。正是老师们的敬业精神使我更加了解应该如何做事、做人，并给我一个关于我未来生活的更深刻印象。我真诚地感谢所有帮助过我的老师。此外，我很感谢许多其他学生，他们的许多想法和建议给了我很大的启发。谢谢你们！由于时间和个人知识和技能有限，论文中可能存在缺陷或错误。希望老师批评和纠正。谢谢！参考文献：
机械手 篇6
他叫谢元立，1988年，职高毕业考进长客焊接车间水箱工段。1999年，长客开始大批量引进机械手，他过五关斩六将，经过考试如愿以偿当上了机械手班班长，从此步入了一片崭新的技术天地。
机械手虽焊得又好又快，但厂里每上新产品，都得花大价钱请老外重新编程。“编程绝不能受制于人！”谢元立暗下决心，要像成为手工焊状元那样，当机械手焊接的行家里手。从最基础的计算机原理开始，谢元立开始了艰难的自学之旅。经过四年的钻研，他逐渐掌握了4种不同的编程方法，并确立了新目标：开发大型程序，不仅要让机械手更大范围地将一线焊工从繁忙的岗位劳动中解放出来，还要力争达到手工焊不能实现的新高度！
“通过调整快门和光圈，单反相机能拍出无限种效果的照片;通过不断开发新程序，焊接机械手也可以无限拓展应用领域。”怀着这份雄心壮志，谢元立带领工友们马不停蹄地挑战新领域，不断把“不可能”变为“可能”。
“长客制造”城轨地铁车的转向架横梁，80%以上是横梁管配纵梁的结构。因结构复杂，工人施焊时几乎看不到焊缝状况，兼之焊缝多为弧形，一直是手工焊接的难点，经常出现质量缺陷。为此，谢元立主动担当起开发相关机械手焊接程序的重任，如期编制出了总长超过1000步的大型机械手程序，达到了手工焊接无法企及的性能与质量标准，填补了公司又一项技术空白，在这道工序上彻底用机械手取代了手工焊。
目前，这一创新已广泛应用于北京15号线地铁车、香港地铁车、巴西EMU电动车组等项目的转向架制造过程中。2014年，该技术创新获得铁道行业质量管理小组活动成果优胜奖。
在谢元立眼中，机械手设备的性能开发永无止境。
2010年，已成为央企劳动模范、全国技术能手、全国五一劳动奖章获得者的谢元立，光荣当选为全国劳动模范。2011年1月25日，谢元立第一次走进中南海，作为央企1000多万职工的代表，参加《政府工作报告》征求意见座谈会;次年，他又成为党的十八大代表。2014年12月29日，谢元立第二次走进中南海。这次，他是作为中华技能大奖得主，参加高技能人才座谈会，代表全国各行业技术精英，向党和政府提建议。
装卸料机械手总体设计 篇7
1 机械手结构概述
笔者研究的是具有5个自由度的关节型装卸料机械手, 即腰关节、肩关节、肘关节和腕关节, 都为转动关节, 其中腕部有2个转动关节, 还有1个用于夹持物料的机械手爪。机械手结构见图1。
2 驱动方式的选择
驱动装置是机械手的重要组成部分, 机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动3种类型, 它们各有所长。笔者所设计机械手属于小型机械手, 且位置精度要求较低, 负载力矩较小, 因而均采用步进电机驱动。
该机械手一共具有5个独立的转动关节, 连同末端机械手爪的运动, 一共需要6个动力源。其中5个关节使用5台步进电机进行控制, 分别控制机械手的腰部旋转、大臂转动、小臂转动、腕部回转、腕部俯仰。手爪的张合采用气压驱动方式。
3 传动方式的选择
由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小, 需要通过传动机构来增加力矩, 提高带负载能力。对机器人传动机构的一般要求有以下四方面:一是结构紧凑, 即具有相同的传动功率和传动比时体积最小, 重量最轻;二是传动刚度大, 即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小, 这样可以提高整机的固有频率, 并极大减轻整机的低频振动;三是回差小, 即由正转到反转时空行程要小, 这样可以得到较高的位置控制精度;四是寿命长、价格低。
笔者所选用的电机都采用了电机加谐波齿轮减速器一体化的设计, 结构紧凑, 具有很强的带负载能力。为减小机构运行过程的冲击和振动, 并且不降低控制精度, 采用了同步带传动。
同步带是用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动, 在这里主要用于腰关节、肩关节、肘关节和腕关节的传动。而手爪则采用单作用活塞缸, 利用弹簧自动恢复来驱动。
4 装卸料机械手的手腕部分设计
手腕部分介于手爪和小臂之间, 它的作用是为了进一步调节手爪部分在空间的姿态, 以提高其工作的灵活性、适应性。腕部的运动包括回转运动和俯仰运动, 即由2个转动关节组和而成, 组合方式由2台步进电机驱动。俯仰运动的实现路径是:电机转动, 将运动传递给谐波齿轮减速器, 驱动轴转动, 并通过同步带传递到俯仰轴上, 完成俯仰动作动作。回转运动的实现, 前部分与俯仰结构相同, 后部分则通过一对锥齿轮传动来实现。装卸料机械手的手腕部分结构示意图, 见图2。
4.1 手腕回转时所需的驱动力矩计算
手腕回转时所需的驱动力矩计算公式为
M驱=M惯+M偏+M摩, (1)
其中, M驱为驱动手腕转动的驱动力矩;M惯为惯性力矩;M偏为参与转动的零部件对转动轴线所产生的偏重力矩;M摩为转动轴与支承孔的摩擦力矩。
4.2 手腕俯仰关节的驱动力计算
驱动手腕俯仰的驱动力矩, 应克服手臂等部件的重量对回转轴线所产生的偏重力矩、手臂在加速启动时产生的惯性力矩, 以及各回转副处的摩擦力矩。计算公式同式 (1) 。由于手腕部分的回转和俯仰所需的驱动力矩都不大, 因此选择杭州谐波减速机厂产的XB1-25型号的减速器。
4.3 手腕步进电机的选择
所需电机转矩计算公式为
其中, TL为所需电机转矩, N·m;Nl为手腕俯仰转速;Nm为电机轴回转速度;η为表示传动效率, 取0.95。选用横店联谊集团产的57型步进刹车电机。
5 装卸料机械手的手爪部分设计
装卸料机械手总体设计要求在抓取的工件重量为5 kg。气压传动组件工作气压较低, 对材质和精度要求比对液压传动组件的低, 同时气压传动组件还具有无污染、动作迅速、反应快、维护简单、使用安全等优点, 因此此处选用气压传动组件。
该气缸属于单向作用气缸。根据力的平衡原理, 单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力, 作用在活塞杆上的推力, 推动齿轮旋转, 促使手指的开合。装卸料机械手的手爪部分结构示意图, 见图3。
6 结束语
笔者分别对装卸料机械手的腰部、大臂、小臂、腕部及手爪进行了设计。根据各部分的不同特点, 计算及选择电机、谐波齿轮减速器、轴承等元件, 并进行了结构设计, 完成了腰部、大臂、小臂的回转, 以及腕部的回转及俯仰。其中腰部、大臂、小臂各有1个自由度, 腕部2个自由度。手爪部分采用气缸驱动来实现手爪的开合。
参考文献
[1]周惠民.关节型机械手的结构创新设计[J].煤矿机械, 2007 (10) :17-18.
[2]杨光, 席伟光, 李波, 等.机械设计课程设计[M].2版.北京:高等教育出版社, 2009.
装卸机械手研究设计 篇8
对在日常的生产线工作中, 装卸工作主要由人工完成, 对于生产企业来说, 这种人工方式消耗的劳动强度较大, 而且生产效率比较低, 安全隐患大。生产工具是第一生产力, 为了能够提升企业生产线的工作效率, 减少人工方式消耗的劳动成本, 将生产线发展为柔性制造系统, 应该从实际的生产工艺出发, 设计并且研究自动化控制装卸机械手, 以机械化代替人工化。
装卸机械手按照日常的作业情况, 其手臂的动作顺序主要为机械手伸出手臂, 机械手手指闭合, 机械手机身上升, 机械手手臂缩回, 机械手手臂旋转, 机械手手腕旋转, 机械手机身下降, 机械手手臂伸出, 机械手手指张开, 机械手手臂缩回, 机械手手腕反转, 机械手停机料。针对这一机械手连贯性动作, 本文通过研究与介绍根据实际情况, 讨论平动搬运机械手的内部结构设计、可编程控制系统设计以及液压控制系统的设计, 以此来满足机械在日常生产线中的应用需求。
1、装卸机械手结构设计
装卸机械手整体结构按照人体仿生学, 装卸机械手主要部件分为机械手部, 机械腕部以及机械臂部, 只有合理的设计这3个关键部位, 才能够设计出完善的装卸机械手。除此之外, 为了能够实现机械手的自动化, 完善的机械手还应该包括其动力装置, 即装卸机械手液压系统以及装卸机械手控制系统。
在装卸机械手的结构中, 夹持工件占主要比重, 其重量达到16kg以上, 所以其动力系统主要采用液压动力、PC编程控制系统来完成。机身主要组成部分为结构简单并且刚性较好的液压油缸, 其升级幅度为400mm;机身的回转采用叶片的回转油缸驱动, 其回转的范围在[00, 1200];对于手臂的伸缩采用直线油缸驱动, 伸缩幅度在[0mm, 800mm]之间。在整个结构中油缸是机械手主要部件手臂、手腕、机座的主体, 它们会根据自身的需求而自由运动, 在自由运动的过程中形成了个体系部件的相对运行, 是整个运行系统的执行机构和支撑机构。
机械手手部, 机械手的手部应该具有适当的夹紧力和手部驱动力, 手部应该具有一定的张开范围, 机械手指应该具有足够的开闭角度, 这样才能便于抓取工件。在设计过程中, 确定手抓张合角度为600, 夹取重量为60Kg。在常用的工业机械手手部, 按照握持工件的原理, 可以将其分为夹持和吸附两类, 在本文中采用夹持工业。该工业的主要动作分为平移型和回转型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动来完成, 但是其结构复杂。经过综合考虑分析, 仅考虑分析回转型手抓。
如图所示, 该图为机械手手部的受力分析图。其中1为手指, 2为销轴, 3为杠杆。在杠杆3的作用下, 销轴向上的拉力为F, 并通过销轴中心O点, 两手指对滑槽对销轴的反作用力为F1和F2, 其力的方向垂直与滑槽的中心线, 并交F1与F2的反向延长线与A及B。由坐标系中X方向力的合力为0可以知道F1=F2。由于Y方向的合力为0可以知道
经过综合分析可以得出F=b cos2μFN/a。在该式中a为手指的回转支点到对称中心的距离, μ为工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。通过上式可以知道, 当驱动力F一定时, μ角度增大, 则握力FNy也随之增大, 但是其过度增加会导致拉杆的行程过大以及手部的结构增大, 通过实际工作经验表明, 该角度设置在300~400为宜。
机械手腕部, 腕部处于机械手手臂的最前端, 它连同手部的静动载荷均由臂部承担, 所以其内部结构直接影响到机械手臂部的设计结构, 因此在腕部设计的要点是结构紧凑, 并且其重量适轻。具有一个自由度得回转驱动腕部结构的总力矩M应该克服惯性作用。
机械手臂部, 臂部是机械手主要的握持部件, 它的主要作用是支撑腕部和手部, 并带动它们做空间运动。臂部在设计时, 首先应该满足应承载能力大、刚度好、自重轻, 可以通过合理布置作用力与反作用力方向, 提高配合精度, 简化结构来满足;其次运动速度快, 惯性要小, 惯性与物体的质量有关, 可以通过减少机械手臂部件的质量来减低惯性作用, 比如说减少手臂运动件的质量, 采用铝合金材料以及其轮廓尺寸等方式。
根据企业的实际生产工艺路线, 可以知道普通的装卸机械手必须满足以下功能, 即机械手的机身可以完全伸降和回转, 机械手臂可以伸缩, 手腕回转、手指夹紧等动作。这些动作应该设计出相应的控制回路来将其实现, 液压系统应该采用O型电磁换向阀换向, 单向调速阀调速及采用限位器来协调机械部分和控制部分的工作。采用双联油泵供油, 既能实现分步运动又能满足需要大流量时的合流。
2、装卸机械手控制系统
机械手的运动靠的是液压驱动来完成的, 这些动作包括机体的上下运动, 手臂的伸缩运动, 以及回转运动等。运动的幅度均由线圈电磁控制, 根据设计理论为, 当线圈通电时, 由于通电导向在磁场中受到力的作用, 会沿着磁场方向运动, 所以线圈通电, 促使机械各部件运动, 但线圈断电, 停止运动。
根据上述分析可以知道, 机械手的运动属于步进型运动, 控制的输入输出为开关量, 所以在系统的控制中使用PC器进行编程控制, PC控制通过检测输入信号的上下电平限做为机械手的动作命令, 这写电平限包括:伸缩限、上下限、手臂正反旋转限、手腕正反旋转限8个输入端。在设计过程中, 一般将机械手的控制方式分为两种控制方式, 分别为手动式控制和自动式控制。
4、总结
装卸机械手整体结构按照人体仿生学, 在设计过程中应该首先将机械手进行模块划分。将装卸机械手主要部件分为机械手部, 机械腕部以及机械臂部, 机械手控制系统, 只有根据实际需求, 将这4大模块有机的整合才能设计出满意的机械产品。
摘要：随着国民经济的发展, 工业水平已经由手工作业面向机械化作业转变, 本文通过对机械设计理论与实际工作的结合, 检验分析了常用装卸机械手的研究与设计方法。
关键词：国民经济,机械设计,装卸机械手
参考文献
[1]孟庆波.基于PLC的专家控制系统开发工具的设计与应用[D]广西大学, 2001.
[2]王小北, 赵罘, 林建龙.平动式轻型装卸机平行臂的优化设计[J]北京轻工业学院学报, 2000, (01) .
苹果采摘机械手设计探讨 篇9
关键词：机械手,平面四杆机构,三维建模
1 设计方案
苹果采摘机械手是直接作用于苹果的。一般来说, 为了防止果实被碰伤, 大多数的机械手的手指内侧都会采用尼龙或者是橡胶材料来接触苹果的。因为苹果的外形, 大小等条件, 所以机械手的设计部分应该仔细考虑尺寸, 手指的关节数量等。
2 手指数量
苹果的外形有时会因为各种外界原因而生长得不规律, 大部分外形相对比较规则的小型果实, 会采用带有吸盘的两个手指用来直接抓取果实。相对两个手指, 3个手指的收获机械手在抓取果实的过程中它的稳固性会更好地体现出来。若是采用4个手指的苹果采摘机械手的话, 它的效果会更好, 但是对于控制方面会有点困难。机械手指的设计要求和苹果果实的外形尺寸方面有着密切联系。一般来说, 机械手指的抓取效果与机械手指的数量成正比, 但是随着手抓的数量越多, 它的控制也越来越难。这个时候就需要在这几个条件中寻求一个平衡点了, 根据需求本设计选取了4个机械手指。
3 关节数量
一般来说, 苹果形状规则的, 采用的是1个关节手指的苹果采摘机械手。但是与人类手指相似的手指, 因为控制与材料相对比较麻烦, 研究相对不是很多。苹果的采摘机械手的原理是指尖通过类人类的肌肉组织与细软钢丝相连, 在类人类肌肉收缩时, 产生的拉力能够让指尖柔软地弯曲。收获苹果机器手由于要控制其表皮不受到伤害, 设计了四个机械手指, 每个机械手指都有四个关节, 通过控制绳的伸缩及其控制采摘机械手的设计, 使手指弯曲成想要的形状。
4 三维建模
软件Pro-e是美国PTC公司旗下的产品Pro Engineer软件的简称。在现今的三维软件中有着非常重要地位, 是当今世界机械行业CAD/CAE/CAM领域的新标准, 得到机械行业的认可和广泛使用, 是目前最成功的三维制图CAD/CAM应用软件之一。模型的参数化设计的理念是由Pro/E第一个提出来的, 还利用单一的数据库来处理特征的相关问题。此外, Pro/E运用模块化的方式, 用户根据自身的需要选择, 而不用安装全部的模块。Pro/E的特征方法能够将产品的设计和生产过程结合在一起, 用来实现并行工程方案的设计。Pro/E软件不但能应用在工作站上, 而且也能应用在单机中。Pro/E应用模块的方式可以进行产品的草图绘制, 零件制作和装配设计以及加工处理等等, 确保用户按照自己的需要进行选择使用。PRO-EENGLISH的功能特点主要由以下几个部分:具有完整的3d建模功能, 提高用户的产品质量和减小新产品的研发周期;模具设计, 装配指令和机床代码能后自动生成, 生产效率高, 技术人员劳动强度小, 减少人为误差;具有仿真和分析虚拟样机的功能, 从而优化产品性能和产品设计;数字化产品数据能够在适当的团队成员之间共享, 避免重复地劳动;可以与各种cad软件和业界标准数据格式兼容, 文件的通用性高, 有利于工作人员的技术交流和合作。三维建模软件的版本为pro-e4.0, 仿真软件的版本也为pro-e4.0, 但是高版本的pro-e可以通过设置某些参数, 在一定的条件下, 将pro-e创建的装配图或者零件图以一定的方式导入进去。为了保证这些零件在导入过程中的正确率, 在pro-e中造型是应该注意以下几点:
(1) 尽量采用pro-e中提供的缺省模块。 (2) 在三维建模时要尽量减少零件的数量。如果不同的零件的相对位置是固定的, 那么在不影响仿真效果的前提下, 可以考虑将他们做成一个零件; (3) 做好零件区别。在系统中如果存在几个相同的零件时, 应将他们另存为不同的名字, 以示区别。创建装配体, 需要在proe4.0中创建机械手各个部件, 包括活塞, 手爪支架, 手爪, 连杆和刀片等各零件的三维图, 标示所有零件及其对应的名称, 将所有的零件图pro-e文件放置在一个文件夹中, 以便于装配的时候能够快速准备找到零件。在装配模式下, 采用不同的连接方式, 包括匹配, 对其等对元件进行约束, 放置相应零件, 并对零件之间的位置关系做出准确的定位。在完成连续定义后, 还可适当增加一些约束, 以便与在动画生成设定各约束的关键点, 此类点在仿真的时候是可以捕捉到的点, 有利于减少将模型导入后, 设置约束着一块的工作量。完成的装配图, 并将其转化为工程图。根据苹果采摘机械手的工程图, 对该机械手的结构进行描述。其中大体组成从左向右分别是:活塞缸, 连杆, 手抓支架, 手抓, 刀片等零件。可以将其主要的工作原理概况为:将支架固定在行动机构中, 行动机构完成整个机械手和苹果相对位置的控制工作。当机械手和苹果具有正确的采摘位置时, 驱动机械手向苹果靠近, 与此同时, 通过拉动活塞来实现活塞前运动以使手指张开。直到苹果在机械手的包围范围内, 控制机械机构是活塞向后以将手指合拢, 实现苹果的抓取。
5 结语
随着国民经济的发展, 农业生产逐渐向精准化, 多样化, 规模化发展, 我国农业劳动力严重不足, 随着现代先进技术逐渐向农业领域渗透, 农业技术的日趋成熟和现代化技术的发展, 农业机器人将越来越多地运用到农业生产过程中去。
参考文献
菠萝采摘机械手结构设计 篇10
关键词：菠萝,采摘机械手,仿真分析
0 引言
水果是人类生存不可或缺的重要食物, 菠萝是水果中的优品。菠萝因营养丰富、品质优异、香气诱人而深受人们喜爱, 其需求量在不断增大。然而菠萝的采收却是一项繁重的工作。水果采摘是农产品生产链中最费力、最耗时的环节之一, 采摘作业季节性强、耗时费力、费用高, 因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是果农增收的重要途径。由于水果采摘的复杂性, 我国采摘自动化程度仍然很低, 目前基本上都是人工进行, 其费用约占成本的50%~70%, 并且采摘时间较为集中[1]。
自20世纪80年代美国成功研制第一台西红柿采摘机器人以来, 采摘机器人的研制和开发得到了快速发展。荷兰、法国等国家相继立项研制了采摘柑橘、苹果、西红柿和西瓜等智能机器人[2]。近年来, 日本在收获机器人的研究方面进展很快, 但技术不太成熟, 还没有真正实现商业化应用。我国在农业机器人领域的研究始于20世纪90年代中期, 上海交通大学机器人研究所刘成良等人完成了智能化联合收割机样机的研制。2001年, 张瑞合等人运用双目立体视觉的方法, 研究了番茄收获中果实的精确定位问题[3]。南京农业大学沈明霞和浙江工业大学张立斌等人正在进行农业机器人视觉方面的研究。2008年, 江苏大学周小军等人已开发出柑橘采摘机器人障碍物识别技术。但是果蔬采摘机器人的智能水平还很有限, 无法将其推向市场, 离实用化、商品化应用还有一定的距离。在菠萝采摘机中, 采摘机械手起着至关重要的作用。
1 菠萝的物理特性
1.1 测定菠萝果实的相关参数
菠萝果实呈椭圆球状, 纵向直径较长 (约为20~26 cm) , 横向直径较短 (为18~24 cm) , 果实平均质量为1.28 kg/个, 资料显示, 菠萝植株高为0.7~1.0 m[4], 与果实连接处的果柄直径为3~6 cm。随机选取10个菠萝进行测试, 测出菠萝果实直径、果柄直径和质量。
菠萝果实的相关测试结果见表1。
1.2 菠萝的物理机械特性测定实验
菠萝与果柄相邻, 切断果柄的作用力关系到采摘机构的采摘效果及采摘效率。切断力过大, 会增加功率损耗;切断力过小, 无法实现采摘菠萝的效果, 因此测定菠萝果柄的切断力成为设计的重要依据。为获取菠萝与植株的连接力数值, 随机选取10个带植株的菠萝, 在剪切力测试机上对其进行测试, 获得10次测试的平均值为30.8 N。另外, 切断果柄的作用力与刃口锋利程度、功率消耗等因素有关。在设计过程中, 需将测定的切断力放大, 放大系数设定为1.2。因此, 设计所用切断力为:30.8N×1.2=36.96N。
2 采摘机械手工作原理
采摘原理示意见图1。
1-固定架;2-液压杆;3, 4-拉杆;5, 6-连杆;7, 8-夹具;9-菠萝果实;A, B, C, D, E-铰链
采摘机械手机由固定架1固定液压缸, 固定架1通过铰链A、B分别连接连杆5、6, 连杆5、6连接夹具7、8, 液压杆通过铰链E连接拉杆3、4, 拉杆3、4分别通过铰链C、D连接连杆5、6。当固定架1定准位后, 液压杆2向上运动, 通过拉杆3、4带动连杆5、6和夹具7、8合并, 夹具7、8下端设置锋利刀具, 切断菠萝果柄, 套住菠萝果实9, 完成采摘。
3 抓取机构动力分析
3.1 采摘机械手极限位置分析
根据图1, 当拉杆3、4处于水平位置时, 液压缸处于伸出状态极限位置, 机械手的夹具7、8处于张开的最大尺寸;当液压缸缩回到极限位置时, 夹具7、8处于闭合的极限位置。在设计过程中, 拉杆的行程设计为62 mm, 夹具便可从最大极限位置回到闭合极限位置。
3.2 切断力反作用力分析
线性驱动初始设置见图2。
基于Solidworks中的Motion分析, 在虚拟3D模型中, 当夹具处于线性张开最大时, 设置线性驱动运动62 mm, 如图2线性驱动初始设置, 可以得到刀具刃口在果柄径向方向上的线性位移曲线图。
刃口线性位移见图3。
由图3可知, 夹具刃口在果柄径向方向上的线性位移为541-451=90 mm。根据表1可知果柄的平均直径为43.8 mm, 则当夹具刃口在果柄径向方向上的线性位移为 (90-43.2÷2) =68.1 (mm) 时, 刀具刃口开始与果柄接触;当刀具刃口至541-68.1=472.9 (mm) 时, 刃口开始与果柄接触, 因此由图3可知, 当刃口开始果柄接触时, 即是3.8 s。
3.3 采摘机械手动力设置
机械手动力设置见图4, 切断力反作用力见图5。
基于Solidworks中的Motion进行动力分析, 需对模型进行动力设置。机械手动力设置:液压杆拉力作为线性驱动 (红色) , 刀具接触到果柄时产生的切断力反作用为36.96 N, 且其在时间上的大小设置如图5切断力反作用力 (蓝色) 、重力 (绿色) 、液压杆与固定架的摩擦力 (无显示) 。各个铰链的摩擦力忽略不计。
最后模型进行运算求解, 在这些作用力的环境下, 设置生成的线性马达即是液压杆负载力曲线变化图。
液压缸负载力曲线见图6。
4结论
本文主要对菠萝采摘机械手进行设计。运用Solidworks软件, 对采摘机械手进行了虚拟建模, 运用Motion对其进行动力分析。结果表明, 只要液压杆的负载力能够达到181N, 便可实现机械手的使用。机械手结构简单, 安全可靠, 制造成本和运行成本低, 并保证了采摘过程中菠萝不受损伤, 为菠萝采摘机的进一步优化设计与推广利用奠定了基础。
参考文献
[1]《工业机械手图册》编写组.工业机械手图册[M].北京:机械工业出版社, 1978.
[2]张日红, 施俊侠, 张瑞华.菠萝自动采摘机的结构设计[J].安徽农业科学, 2011 (16) :9861-9863.
[3]濮良贵, 纪名刚.机械设计[M]. (第八版) .北京:高等教育出版社, 2006.
机械手 篇11
关键词：机械手；虚拟设计；仿真；图像识别
1.前言
随着科技的不断发展进步，农业机械也朝着自动化和智能化的方向发展。最早研究智能机器人的国家是日本。上个世纪七十年代以来，工业机器人开始发展。而农业机器人的研究和应用也逐渐开始启动。随着我国人口老龄化的比例不断加大，人工采摘在农业生产成本中占据相当大的比例。如何通过设计和完善农业机器人成为我国当前面临的一个重大问题。本文基于对农业果蔬采摘机器人的研究，将农业机器人的识别和定位做了深入研究，并呈现了智能参数与虚拟仿真相结合的研究成果，通过将先验知识纳入农业水果采摘机械手的系统设计中，实现了重用性，缩短了开发周期，具有一定的参考价值。
2.机械手虚拟设计与仿真系统搭建
机械手虚拟设计与仿真系统主要由机构设计、误差分析、立体视觉、机械仿真以及数据库五个子模块构成。如图1所示。机构设计主要是将底座、手臂以及末端执行器三部分按照功能进行搭建。误差分析是从视觉误差、机械误差方面分析立体视觉是通过使用图像的一系列处理算法对视觉图像进行分析，使用EON仿真软件处理机械手的三维视觉，并将解决倒入机械手中进行其行为控制。机械手仿真包含正运动和负运动两方面。而数据库则是通过实际的先验知识构成的。
3.机械手的虚拟设计
3.1 虚拟样机技术简介
虚拟样机是基于智能技术、仿真工程以及网络技术的先进制造技术。通过计算机的仿真和建模为支撑来对实际的产品进行性能和功能预测，进而对设计的方案进行评估和优化，最终达到产品最优的目的。这里使用的虚拟样机软件为ADAMS软件。
3.2 虚拟样机的建立
ADAMS软件具有强大的运动学及其分析能力功能。通过使用ASAMS和Pro/E之间的接口程序，从而将三维的机械手实际模型倒入到ADAMS。此次设计使用Pro/E建立起机械手的三维模型，并导入至ADAMS进行动力学分析。进行动力学的分析之后，使用MECH/Pro中的Interface下拉子菜单进行模型的转化。由此，就完成了模型的建立。最后，使用ADAMS/Views中的信息按钮显示信息工具库，在Tool菜单中选择Modify Verfiy命令显示信息窗口，完成对模型的验证工作。
3.3知识库的建立
通过在计算机中存储、组织和使用相互关联的知识的集合，进而解决某一领域需求就叫做建立知识库。具体来讲，机械手设计中的知识库包含实例库和规则约束。由于科学的数据库使得系统有组织，更容易操作和管理，因而能够使构件的机械手具有一定的智能性。总的来讲，机械手臂的模型数据库中应当含有知识库的链接、规则映射表以及知识属性等。为此，首先，使用SQL语言创建代码，将系统中零件的属性加入表中，并设置主键及数据表中的字段。其次，零件与零件之间的关系映射到数据表中。一个部件可以有多个零件组成，因而在关系数据库中是一对多的形式。再次，部件与部件之间的关系映射到数据表中，并根据方案的不同设置不同的权值。当用户所给的数据模糊时，就可以根据知识库中的知识进行分析判断，从而给用户提供最合适方案的参考。最后，根据具体的需求进行数据库中的增添查改等操作。从而为方案的制定提供更多的便利。
3.4系统仿真与误差分析
通过对机械手建立数学模型，并通过迭代算法最终求得机械运动过程中的各个参数，进一步就可以通过矩阵运算算出机械手的各个关节的运动表达式。系统的仿真就是建立在表达式和参数的基础之上。这里使用MATLAB作为编程工具，构建系统界面，输入目标参数，进而由MATLAB进行矩阵运算，求得所需的运动参数，进而控制机械手按照规定的运动轨迹仿真。其中的反解程序是编写M文件进行的。同时通过EON仿真软件对机械手的三维视觉进行分析和处理。然后，通过将VC++与MATLAB的混合编程技术，调用M文件，执行运动方程的求解和模型的仿真。
当前，机械手系统的误差存在于其识别和定位的精度。系統通过立体视觉来对目标进行识别和定位，从而指导机械手的运动轨迹。因而，在识别与控制机械手相连接的过程中存在一定的误差。通过仿真数据的计算可以得到误差结果。为了缩小误差范围，这里采用神经网络的方法，通过多次训练，使结果最趋近真实的运动轨迹。
4.结论
综上所述，机械手的虚拟设计和仿真系统的研究对于农业机械智能化有着重要的意义。通过将智能化与参数化的知识相结合，并使用多次训练的神经网络方法，构建起机械手的虚拟设计与仿真系统。该虚拟产品符合一定的标准，但还有待进一步加工和完善。机械手控制单元的可重用性是其一大创新点，这样的重用特点能够大大降低生产成本，达到设计的最优化。最后，还要充分考虑到误差的来源，做好误差分析，进一步通过神经网络的方法减低误差，从而为机械手的立体视觉定位和识别提供更稳定的帮助。
参考文献：
[1]吴建伟，张卫红，秦献疆.基于simulink的机械控制系统的仿真设计[J].软件.2013（01）.
[2]徐苏，李想.基于嵌入式控制芯片在机械控制系统的应用[J].制造业自动化.2010（11）.
作者简介：
气动机械手的结构设计 篇12
1 机械手结构设计
为了使该机械手在实际应用中有着更强的通用性, 这里将该机械手设计为可更换式手部结构, 以期在实际应用中能够按照实际需要更换结构。
1.1 小臂升降设计
小臂升降模块的作用是将模拟刀具从刀架槽中插入或提出。对其的设计需要考虑气缸内径、气缸的耗气量以及小臂升降气缸计算三个重点部分。
1.1.1 气缸内径的确定
由初始工作压力以及工作载荷的相对关系, 可以根据式 (1) 将缸径D计算出来。
其中, D为气缸的内径, F代表活塞推力, P代表初始压力, 通常情况下P= (0.46-1) MPa, η=0.29-0.51, 取值与速度呈相反的趋势。对于气缸的动态性能则没有特殊严格苛刻的要求。
1.1.2 气缸耗气量
气缸的耗气量与气缸的行程S、直径D、换向阀到气缸管道的容积和缸的动作时间有关。一般情况下, 忽略气缸管道自身的容积, 那么气缸在单位时间内用掉的空压可以根据式 (2) 得出。
其中, Q代表每秒钟消耗的压缩空气量, Q1、Q2分别代表气缸有、无进气时消耗的压缩空气量, D与d分别代表缸的内径以及活塞杆直径, M则代表气缸的行程。
1.1.3 小臂升降气缸计算
按照换刀机械手在实际生产中的最基本要求, 气缸吸住载荷时要求的力F≤15N, 所走的路程为30s, 剩余的时间为0.3s。其主要尺寸的确定如下。
缸径D的计算:取d/D为0.5, 取P为0.5MPa, η=0.3来进行计算, 可以得到D=16.6mm。
按照文献报道, 取SMC标准缸径为20mm, 取活塞杆的直径为d=8mm, 行程S取30mm, 如图1所示。
1.2 手腕结构的设计
实现机械手手臂手腕运动的机构形式是多种多样的。本文机械手的一切气动元件全部购买SMC标准气动件。
气缸的理论输出力矩为:
其中, M代表气缸所受到实际的力矩, η代表负载率, 且η≤0.3。
如果工作压力处于0.5MPa, 则输出的扭矩会达到0.53N·m, 可以得出允许动能大约在0.40J左右。除此以外, 摆动角度可以达到90°, 可调角度也能够精确到在±5°, 摆速也能够控制在0.2~1.0s/90°, 使用气压可以从0.1MPa一直到0.99MPa。
2 结束语
本文对气动机械手进行研究, 对小臂升降以及手腕进行详细设计, 给出了各个参数的定量计算, 为下一步的机械手自动化控制提供了有力的机械基础。
参考文献
[1]刘明保, 吕春红, 张春梅.机械手的组成机构及其技术指标的确定[J].河南高等专科学校学报, 2004, (1) :18-20.
[2]李超.气动通用上下料机械手的研究与开发[D].西安:陕西科技大学, 2003.