气动机械手的设计

- I题目：气动机械手的设计专业：机械设计制造及其自动化学生： （签名）_指导教师： （签名）_摘 要气 动 机 械 手 是 能 模 仿 人 手 和 臂 的 某 些 动 作 功 能 ， 用 以 按 固 定 程 序 抓 取 、 搬 运 物件 或 操 作 工 具 的 自 动 操 作 装 置 。 它 可 代 替 人 的 繁 重 劳 动 以 实 现 生 产 的 机 械 化 和 自 动 化 ，能 在 有 害 环 境 下 操 作 以 保 护 人 身 安 全 ， 因 而 广 泛 应 用 于 机 械 制 造 、 冶 金 、 电 子 、 轻 工和 原 子 能 等 部 门 。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 。关键词：气动机 械 手 ； 气 缸 ； 气 动 回 路 。- IISubject: The design of pneumatic manipulator.AbstractPneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop.- III目 录1 绪 论 11.1 机 械 手 简 史 11.2 机 械 手 的 分 类 .31.3 机 械 手 的 组 成 .61.4 应 用 机 械 手 的 意 义 .82 机 械 手 总 体 设 计 方 案 和 气 动 回 路 的 设 计 102.1 机 械 手 的 运 动 规 划 .102.2 机 械 手 基 本 形 式 的 选 择 122.3 机 械 手 的 主 要 部 件 及 运 动 132.4 驱 动 机 构 的 选 择 .132.5 机 械 手 的 技 术 参 数 列 表 132.6 气 动 回 路 的 设 计 .143 气 动 机 械 手 的 机 械 结 构 设 计 .153.1 机 械 手 末 端 执 行 器 的 设 计 153.1.1 末 端 执 行 器 的 概 述 153.1.2 末 端 执 行 器 的 运 动 和 驱 动 方 式 163.1.3 末 端 执 行 器 的 典 型 结 构 .163.1.4 末 端 执 行 器 的 具 体 设 计 .173.2 机 械 手 手 臂 的 设 计 .193.2.1 机 械 手 手 臂 的 设 计 要 求 .193.2.2 机 械 手 手 臂 的 具 体 设 计 方 案 .203.2.3 伸 缩 手 臂 的 设 计 213.2.4 升 降 手 臂 的 设 计 243.2.5 回 转 臂 设 计 264 结 论 30致 谢 31- IV参 考 文 献 .32- 11 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 。工 业 机 械 手 是 近 几 十 年 发 展 起 来 的 一 种 高 科 技 自 动 化 生 产 设 备 。 工 业 机 械 手 的 是工 业 机 器 人 的 一 个 重 要 分 支 。 它 的 特 点 是 可 通 过 编 程 来 完 成 各 种 预 期 的 作 业 任 务 ， 在构 造 和 性 能 上 兼 有 人 和 机 器 各 自 的 优 点 ， 尤 其 体 现 了 人 的 智 能 和 适 应 性 。 机 械 手 作 业的 准 确 性 和 各 种 环 境 中 完 成 作 业 的 能 力 ， 在 国 民 经 济 各 领 域 有 着 广 阔 的 发 展 前 景 。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 。 在 现 代 生 产 过程 中 ， 机 械 手 被 广 泛 的 运 用 于 自 动 生 产 线 中 ， 机 械 人 的 研 制 和 生 产 已 成 为 高 技 术 邻域 内 ， 迅 速 发 展 起 来 的 一 门 新 兴 的 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 。 机 械 手 虽 然 目 前 还 不 如 人 手 那 样 灵 活 ，但 它 具 有 能 不 断 重 复 工 作 和 劳 动 ， 不 知 疲 劳 ， 不 怕 危 险 ， 抓 举 重 物 的 力 量 比 人 手 力 大的 特 点 ， 因 此 ， 机 械 手 已 受 到 许 多 部 门 的 重 视 ， 并 越 来 越 广 泛 地 得 到 了 应 用 。机 械 手 技 术 涉 及 到 力 学 、 机 械 学 、 电 气 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 是 一 种 能 自 动 化 定 位 控 制 并可 重 新 编 程 序 以 变 动 的 多 功 能 机 器 ， 它 有 多 自 由 度 ， 可 用 来 搬 运 物 体 以 完 成 在 各 个 不同 环 境 中 工 作 。1.1 机械手简史现 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- 2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 ， 1976 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 。 1979 年 120 多 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- 3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 器 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 器 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 。1.2 机械手的分类目 前 对 机 械 手 还 没 有 统 一 的 分 类 标 准 。 按 照 不 同 的 分 类 方 式 可 以 把 机 械 手 分 成多 种 类 型 。1.按 驱 动 方 式 分 类按 驱 动 装 置 的 动 力 源 ， 机 械 手 可 分 为 以 下 的 几 种 。（ 1） 液 压 式 机 械 手 。 这 种 机 械 手 的 驱 动 系 统 通 常 由 液 动 机 （ 各 种 油 缸 、 油 马 达 ）、 伺 服 阀 、 油 泵 、 油 箱 等 组 成 ， 这 种 机 器 人 通 常 具 有 很 大 的 抓 举 能 力 并 且 结 构 紧 凑 ，动 作 平 稳 ， 耐 冲 击 、 耐 振 动 ， 防 爆 性 好 ， 但 对 制 造 精 度 和 密 封 性 能 要 求 很 高 ， 否 则 易发 生 漏 油 而 污 染 环 境 。（ 2） 气 压 式 机 械 手 。 其 驱 动 系 统 通 常 采 用 通 常 汽 缸 、 气 阀 、 气 罐 和 空 压 机 组成 。 特 点 是 气 源 方 便 ， 动 作 迅 速 ， 结 构 简 单 、 造 价 较 低 、 维 修 方 便 ， 但 难 于 进 行 速 度控 制 ， 并 因 气 压 不 能 太 高 ， 固 抓 举 能 力 较 小 。（ 3） 电 动 式 机 械 手 。 电 力 驱 动 是 目 前 机 械 手 使 用 的 最 多 的 一 种 驱 动 方 式 。 其特 点 是 电 源 方 便 ， 响 应 快 ， 驱 动 力 较 大 ， 信 号 检 测 、 传 递 、 处 理 方 便 ， 可 以 采 用 多 种- 4灵 活 的 控 制 方 案 。 驱 动 电 机 一 般 采 用 交 流 伺 服 电 机 、 直 流 伺 服 电 机 和 步 进 电 机 。 由 于电 机 速 度 高 ， 通 常 还 须 采 用 减 速 机 构 （ 如 谐 波 减 速 机 构 、 论 析 减 速 机 构 、 滚 珠 丝 杠 和多 杆 机 构 ） 。 目 前 也 有 一 些 特 制 电 机 直 接 进 行 驱 动 ， 以 简 化 机 构 ， 提 高 控 制 精 度 。其 他 还 有 采 用 混 合 驱 动 的 机 械 手 ， 如 液 -气 混 合 驱 动 机 械 手 或 电 -气 混 合 驱 动 机械 手 。2.按 用 途 分 类机械手按用途可分为下列几种。（1） 搬运机械手;（2） 喷涂机械手;（3） 焊接机械手;（4） 装配机械手;（5） 其他用途的机械手。如航天用机械手，探海用机械手，以及排险作业机械手等。3.按操作机的位置机构类型和自由度数量分类操 作 机 的 位 置 机 构 是 机 械 手 的 重 要 外 形 特 征 ， 固 常 用 作 分 类 的 依 据 。 按 这 一 分类 要 求 ， 机 械 手 可 分 为 直 角 坐 标 型 、 圆 柱 坐 标 型 、 球 坐 标 型 、 关 节 型 机 械 手 。- 5a） 直角坐标型 b）圆柱坐标型 c）球坐标型 d）多关节型 e）平面关节型图 1-1 工业机械手的基本结构形式操 作 机 本 身 的 自 由 度 最 能 反 应 机 器 人 的 作 业 能 力 ， 也 是 分 类 的 重 要 依 据 。 按 这 一分 类 要 求 ， 机 械 手 可 分 为 4 自 由 度 、 5 自 由 度 、 6 自 由 度 和 7 自 由 度 机 械 手 。4.按 其 他 方 法 还 可 以 分 为（ 1） 家 务 型 机 械 手 ： 能 帮 助 人 们 打 理 生 活 ， 做 简 单 的 家 务 活 。（ 2） 操 作 型 机 械 手 ： 能 自 动 控 制 ， 可 重 复 编 程 ， 多 功 能 ， 有 几 个 自 由 度 ， 可 固定 或 运 动 ， 用 于 相 关 自 动 化 系 统 中 。- 6（ 3） 程 控 型 机 械 手 ： 按 预 先 要 求 的 顺 序 及 条 件 ， 依 次 控 制 机 械 手 的 机 械 动 作 。（ 4） 示 教 再 现 型 机 械 手 ： 通 过 引 导 或 其 它 方 式 ， 先 教 会 机 械 手 动 作 ， 输 入 工作 程 序 ， 机 械 手 则 自 动 重 复 进 行 作 业 。（ 5） 数 控 型 机 械 手 ： 不 必 使 机 械 手 动 作 ， 通 过 数 值 、 语 言 等 对 机 器 人 进 行 示 教 ，机 械 手 根 据 示 教 后 的 信 息 进 行 作 业 。（ 6） 感 觉 控 制 型 机 械 手 ： 利 用 传 感 器 获 取 的 信 息 控 制 机 械 手 的 动 作 。（ 7） 适 应 控 制 型 机 械 手 ： 能 适 应 环 境 的 变 化 ， 控 制 其 自 身 的 行 动 。（ 8） 学 习 控 制 型 机 械 手 ： 能 “体 会 ”工 作 的 经 验 ， 具 有 一 定 的 学 习 功 能 ， 并 将 所“学 ”的 经 验 用 于 工 作 中 。（ 9） 智 能 机 械 手 ： 以 人 工 智 能 决 定 其 行 动 的 机 械 手 。1.3 机械手的组成工业机械手通常由执行机构、驱动传动装置、控制系统和智能系统四部分组成。图 1-2 为工业机械手的典型结构，图 1-3 为工业机械手的组成方框图。 图 1-2 工业机械手的典型结构 - 7图 1-3 工业机械手的组成方框图执 行 机 构 （ 也 称 操 作 机 ） 是 机 械 手 赖 以 完 成 工 作 任 务 的 实 体 ， 通 常 由 杆 件 和 关节 组 成 。 从 功 能 的 角 度 ， 执 行 机 构 可 分 为 ： 手 部 、 腕 部 、 臂 部 、 腰 部 和 基 座 等 。手 部 又 称 末 端 执 行 器 ， 是 工 业 机 械 手 直 接 进 行 工 作 的 部 分 ， 可 以 是 各 种 夹 持 器 。有 时 人 们 也 把 诸 如 电 焊 枪 、 油 漆 喷 头 等 划 作 机 器 手 的 手 部 ； 腕 部 与 手 部 相 连 ， 主 要工业机械手执行机构驱动装置控制系统智能系统腕部腰部臂部基座部（固定或移动）电、液或气驱动装置单关节伺服控制器关节协调及其它信息交换计算机感觉装置子视觉装置子语言识别装置手部- 8功 能 是 带 动 手 部 完 成 预 定 姿 态 ， 是 操 作 机 的 中 结 构 最 为 复 杂 的 部 分 ； 臂 部 用 以 连 接 腰部 和 腕 部 ， 通 常 由 两 个 臂 杆 （ 小 臂 和 大 臂 ） 组 成 ， 用 于 带 动 腕 部 做 平 面 运 动 ； 腰 部 是连 接 臂 和 基 座 的 部 件 ， 通 常 是 回 转 部 件 ， 腰 部 的 回 转 运 动 加 上 臂 部 的 平 面 运 动 ， 就 能使 腕 部 做 空 间 运 动 。 腰 部 是 执 行 结 构 的 关 键 部 件 ， 它 的 制 造 误 差 、 运 动 精 度 和 平稳 性 ， 对 机 械 手 的 定 位 精 度 有 决 定 性 的 影 响 ； 基 座 是 整 个 机 械 手 的 支 撑 部 分 ， 有 固定 式 和 移 动 式 两 种 。 该 部 件 必 须 有 足 够 的 刚 度 和 稳 定 性 。工 业 机 械 手 的 驱 动 -传 动 装 置 包 括 驱 动 器 和 传 动 机 构 两 个 部 分 ， 它 们 通 常 与 执 行机 构 连 成 一 体 。 传 动 装 置 常 用 的 有 谐 波 减 速 器 、 滚 珠 丝 杠 、 链 、 带 以 及 各 种 齿 轮 系 。驱 动 器 通 常 有 电 机 （ 直 流 伺 服 电 机 、 步 进 电 机 、 交 流 伺 服 电 机 ） 、 液 压 或 气 动 装 置 ，目 前 使 用 最 多 的 是 交 流 伺 服 电 机 。控 制 系 统 一 般 有 控 制 计 算 机 和 伺 服 控 制 器 组 成 。 控 制 系 统 有 两 种 方 式 。 一 种 是集 中 式 控 制 ， 即 机 械 手 的 全 部 控 制 由 一 台 微 型 计 算 机 完 成 。 另 一 种 是 分 散 （ 级 ） 式控 制 ， 即 采 用 多 台 微 机 来 分 担 机 器 人 的 控 制 ， 如 当 采 用 上 、 下 两 级 微 机 共 同 完 成 机 器人 的 控 制 时 ， 主 机 常 用 于 负 责 系 统 的 管 理 、 通 讯 、 运 动 学 和 动 力 学 计 算 ， 并 向 下 级 微机 发 送 指 令 信 息 ； 作 为 下 级 从 机 ， 各 关 节 分 别 对 应 一 个 CPU， 进 行 插 补 运 算 和 伺服 控 制 处 理 ， 实 现 给 定 的 运 动 ， 并 向 主 机 反 馈 信 息 。 根 据 作 业 任 务 要 求 的 不 同 ，机 械 手 的 控 制 方 式 又 可 分 为 点 位 控 制 、 连 续 轨 迹 控 制 和 力 （ 力 矩 ） 控 制 。智 能 系 统 是 目 前 机 械 手 系 统 中 一 个 不 够 完 善 但 发 展 很 快 的 子 系 统 。 它 可 分 为 两个 部 分 ： 感 知 系 统 和 分 析 -决 策 智 能 系 统 。 前 者 主 要 靠 硬 件 （ 各 种 传 感 器 ） 实 现 ;后者 主 要 靠 软 件 （ 如 专 家 系 统 ） 实 现 。1.4 应用机械手的意义随 着 科 学 技 术 的 发 展 ， 机 械 手 也 越 来 越 多 的 地 被 应 用 。 在 机 械 工 业 中 ， 铸 、 焊 、铆 、 冲 、 压 、 热 处 理 、 机 械 加 工 、 装 配 、 检 验 、 喷 漆 、 电 镀 等 工 种 都 有 应 用 的 实 理 。其 他 部 门 ， 如 轻 工 业 、 建 筑 业 、 国 防 工 业 等 工 作 中 也 均 有 所 应 用 。在 机 械 工 业 中 ， 应 用 机 械 手 的 意 义 可 以 概 括 如 下 ：一 、 以 提 高 生 产 过 程 中 的 自 动 化 程 度- 9应 用 机 械 手 有 利 于 实 现 材 料 的 传 送 、 工 件 的 装 卸 、 刀 具 的 更 换 以 及 机 器 的 装 配 等的 自 动 化 的 程 度 ， 从 而 可 以 提 高 劳 动 生 产 率 和 降 低 生 产 成 本 。二 、 以 改 善 劳 动 条 件 ， 避 免 人 身 事 故在 高 温 、 高 压 、 低 温 、 低 压 、 有 灰 尘 、 噪 声 、 臭 味 、 有 放 射 性 或 有 其 他 毒 性 污 染以 及 工 作 空 间 狭 窄 的 场 合 中 ， 用 人 手 直 接 操 作 是 有 危 险 或 根 本 不 可 能 的 ， 而 应 用 机 械手 即 可 部 分 或 全 部 代 替 人 安 全 的 完 成 作 业 ， 使 劳 动 条 件 得 以 改 善 。在 一 些 简 单 、 重 复 ， 特 别 是 较 笨 重 的 操 作 中 ， 以 机 械 手 代 替 人 进 行 工 作 ， 可 以 避免 由 于 操 作 疲 劳 或 疏 忽 而 造 成 的 人 身 事 故 。三 、 可 以 减 轻 人 力 ， 并 便 于 有 节 奏 的 生 产应 用 机 械 手 代 替 人 进 行 工 作 ， 这 是 直 接 减 少 人 力 的 一 个 侧 面 ， 同 时 由 于 应 用 机 械手 可 以 连 续 的 工 作 ， 这 是 减 少 人 力 的 另 一 个 侧 面 。 因 此 ， 在 自 动 化 机 床 的 综 合 加 工 自动 线 上 ， 目 前 几 乎 都 没 有 机 械 手 ， 以 减 少 人 力 和 更 准 确 的 控 制 生 产 的 节 拍 ， 便 于 有 节奏 的 进 行 工 作 生 产 。综 上 所 述 ， 有 效 的 应 用 机 械 手 ， 是 发 展 机 械 工 业 的 必 然 趋 势 。- 102 机械手总体设计方案和气动回路的设计本 课 题 是 一 个 用 于 传 送 带 上 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 气 动 回 路 的 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 机械手的运动规划机 械 手 运 动 规 划 包 括 序 列 规 划 (又 可 称 为 全 局 路 径 规 划 )， 路 径 规 划 和 轨 迹 规 划3 个 部 分 。 序 列 规 划 是 指 在 一 个 特 定 的 工 作 区 域 中 自 动 生 成 一 个 从 起 始 作 业 点 开 始 ，经 过 一 系 列 作 业 点 。 再 回 到 起 始 点 的 最 优 工 作 序 列 ； 路 径 规 划 是 指 在 相 邻 序 列 点 之 间通 过 一 定 的 算 法 搜 索 一 条 无 碰 撞 的 机 械 手 运 动 路 径 ； 轨 迹 规 划 是 指 通 过 插 补 函 数 获得 路 径 上 的 插 补 点 ， 再 通 过 求 解 运 动 学 逆 解 转 换 到 关 节 空 间 (若 插 补 在 关 节 空 间 进行 则 无 需 转 换 )， 形 成 各 关 节 的 运 动 轨 迹 。序 列 规 划 为 机 械 手 的 所 有 作 业 点 生 成 一 个 最 优 的 工 作 序 列 。 作 业 点 是 机 械 手 为完 成 工 作 所 必 须 达 到 的 位 置 和 姿 态 。 机 械 手 的 一 次 作 业 任 务 往 往 有 几 十 个 到 上 百 个作 业 点 ， 这 些 作 业 点 的 加 工 次 序 通 常 是 任 意 的 ， 或 者 仅 仅 存 在 局 部 的 限 制 (即 某 几个 作 业 点 之 间 存 在 着 固 定 的 前 后 关 系 )， 序 列 规 划 的 目 标 就 是 通 过 某 种 算 法 生 成 一 个能 满 足 作 业 限 制 的 最 优 作 业 序 列 ， 一 般 以 时 间 作 为 规 划 优 劣 的 度 量 标 准 。当 机 械 手 在 有 障 碍 物 的 环 境 中 运 动 时 ， 为 了 从 当 前 作 业 位 置 到 达 下 一 个 位 置 ，需 要 在 机 械 手 工 作 空 间 确 定 一 条 无 碰 撞 的 运 动 路 径 ， 即 这 条 路 径 应 处 于 机 械 手 的自 由 空 间 中 ， 因 此 ， 路 径 规 划 的 过 程 实 际 上 是 一 个 带 几 何 约 束 的 问 题 求 解 过 程 。从 上 面 的 论 述 可 以 看 出 ， 机 械 手 运 动 规 划 主 要 包 括 两 个 方 面 ， 一 是 生 成 所 有 作业 点 最 优 工 作 序 列 的 序 列 规 划 ， 二 是 在 相 邻 作 业 点 之 间 生 成 无 碰 撞 路 径 的 路 径 规 划 。序 列 规 划 和 路 径 规 划 的 总 体 目 标 是 作 业 时 间 最 短 ， 规 划 的 约 束 条 件 是 作 业 顺 序 的 限 制以 及 碰 撞 的 避 免 。- 11机 械 手 运 动 规 划 的 算 法 建 立 在 已 有 的 各 种 方 法 之 上 ， 下 面 简 要 分 析 已 有 的 各 种序 列 规 划 和 路 径 规 划 方 法 ， 以 及 路 径 规 划 过 程 中 的 碰 撞 检 测 方 法 。1 序 列 规 划 目 前 机 械 手 序 列 规 划 方 法 的 研 究 还 处 于 发 展 阶 段 ， 由 于 各 种 作 业任 务 的 复 杂 性 。 至 今 还 没 有 通 用 的 序 列 规 划 算 法 。 在 使 用 机 械 手 进 行 装 配 ， 插 孔 ， 点焊 的 应 用 中 ， 较 为 普 遍 的 方 法 是 把 序 列 规 划 问 题 转 化 为 “旅 行 商 问 题 ”(TSP)来 解决 。 即 机 械 手 从 起 始 点 开 始 ， 经 过 一 系 列 作 业 点 ， 并 在 各 作 业 点 停 留 ， 完 成 所 有 作 业后 ， 最 终 回 到 起 始 点 的 时 间 最 短 规 划 算 法 。旅 行 商 问 题 的 求 解 成 为 求 解 序 列 规 划 问 题 的 关 键 。 目 前 ， 旅 行 商 问 题 的 近 似 最 优解 求 解 算 法 已 经 得 到 了 充 分 的 研 究 ， 提 出 了 很 多 可 行 的 算 法 ， 包 括 启 发 式 算 法 ， 模 拟退 火 算 法 ， 遗 传 算 法 等 。 其 中 启 发 式 算 法 可 以 细 分 为 环 路 扩 充 法 和 环 路 改 进 法 ， 或 是两 种 方 法 的 综 合 ， 一 般 利 用 邻 接 矩 阵 按 照 一 定 的 规 则 变 换 来 求 解 ， 计 算 量 和 求 解 结 果都 能 满 足 要 求 。2 路 径 规 划 机 械 手 路 径 规 划 的 目 标 是 在 两 个 作 业 点 之 间 生 成 一 条 无 碰 撞 路 径 。机 械 手 路 径 规 划 算 法 主 要 有 4 类 ： C-空 间 法 ， 人 工 势 力 场 法 ， 假 设 -修 正 法 ， 预 处理 -规 划 算 法 。另 外 ， 遗 传 算 法 、 神 经 网 络 算 法 等 智 能 算 法 已 经 成 为 机 器 人 路 径 规 划 的 研 究 热点 和 发 展 方 向 ， 这 些 算 法 在 实 际 中 都 有 初 步 的 应 用 ， 取 得 了 较 好 的 规 划 效 果 。3 碰 撞 检 测 路 径 规 划 的 目 标 是 在 起 始 点 和 目 标 点 之 间 生 成 一 条 无 碰 撞 路 径 ，这 使 得 碰 撞 检 测 成 为 解 决 路 径 规 划 问 题 的 关 键 上 面 提 到 的 4 种 路 径 规 划 算 法 都 需要 进 行 碰 撞 检 测 或 需 要 计 算 机 器 人 和 障 碍 物 之 间 的 距 离 。判 断 两 个 物 体 是 否 有 碰 撞 发 生 有 两 种 方 式 ， 一 是 定 性 判 断 。 二 是 定 量 计 算 。 定 性判 断 方 法 最 主 要 有 “包 围 盒 层 次 法 ”， 其 基 本 思 路 是 用 一 个 简 单 的 包 围 盒 将 复 杂 的几 何 形 体 围 住 。 当 对 两 个 物 体 进 行 碰 撞 检 测 时 。 首 先 检 测 两 者 的 包 围 盒 是 否 相 交 ， 若不 相 交 。 则 说 明 两 个 物 体 未 相 交 ， 否 则 再 进 一 步 对 两 个 物 体 做 检 测 。 因 为 求 包 围 盒 的交 比 求 物 体 的 交 简 单 很 多 ， 所 以 可 以 快 速 排 除 很 多 不 相 交 的 物 体 ， 从 而 加 速 了 算 法 。对 于 复 杂 物 体 ， 可 以 将 物 体 及 其 子 部 分 的 包 围 盒 组 成 层 次 结 构 ， 如 二 叉 树 。在 各 种 机 器 人 路 径 规 划 算 法 中 ， 往 往 需 要 以 机 器 人 和 障 碍 物 之 间 的 距 离 及 其 关 于机 器 人 形 位 的 梯 度 作 为 路 径 规 划 的 启 发 性 信 息 ， 以 加 快 规 划 速 度 ， 因 此 在 路 径 规 划 中- 12不 仅 需 要 判 断 有 无 碰 撞 发 生 ， 还 要 计 算 机 器 人 与 障 碍 物 之 间 的 距 离 及 其 关 于 机 器 人 形位 的 梯 度 。目 前 ， 两 个 刚 性 物 体 之 间 的 距 离 计 算 有 很 多 算 法 。 其 中 对 凸 多 面 体 的 计 算 最 为 成熟 。 凸 多 面 体 之 间 的 距 离 有 两 类 ： 分 离 距 离 和 嵌 入 距 离 。 目 前 ， 凸 多 面 体 间 的 距 离 范数 主 要 有 平 移 距 离 、 成 长 距 离 、 收 缩 距 离 、 伪 平 移 距 离 等 。在 现 实 环 境 中 ， 机 器 人 及 障 碍 物 一 般 是 凹 几 何 体 ， 可 以 采 用 分 割 的 方 法 把 凹 几 何体 分 割 为 多 个 凸 几 何 体 的 组 合 。 对 一 般 凸 几 何 体 如 球 、 圆 柱 等 ， 可 以 用 紧 包 围 它 的凸 多 面 体 来 近 似 。 然 后 用 凸 多 面 体 间 的 距 离 近 似 原 凸 几 何 体 之 间 的 距 离 。2.2 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 。图 2-1 是 机 械 手 搬 运 物 品 示 意 图 。 图 中 机 械 手 的 任 务 是 将 传 送 带 A 上 的 物 品搬 运 到 传 送 带 B。 其 工 艺 流 程 ： 机 械 手 原 位 机 械 手 下 降 机 械 手 抓 取 并 夹 紧 机械 手 上 升 机 械 手 正 转 机 械 手 前 伸 机 械 手 下 降 机 械 手 松 开 机 械 手 上 升 机械 手 后 退 机 械 手 逆 转 退 至 原 位 停 止 。- 13图 2-1 机械手基本形式示意图2.3 机械手的主要部件及运动在 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 的 机 械 手 具 有 3 个 自 由 度 ： 手 臂 伸 缩 ； 机 身 回 转 ； 机 身 升 降 。本 设 计 的 机 械 手 主 要 由 3 个 大 部 件 和 3 个 气 缸 组 成 ： （ 1） 手 部 ， 采 用 一 个 气爪 ， 通 过 机 构 运 动 实 现 手 爪 的 张 合 。 （ 2） 臂 部 ， 采 用 直 线 缸 来 实 现 手 臂 的 伸 缩 。（ 3） 机 身 ， 采 用 一 个 直 线 缸 和 一 个 回 转 缸 来 实 现 手 臂 升 降 和 回 转 。2.4 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 。 气 动 机 械 手 因 为 结 构 简 单 、 成 本 低 廉 、重 量 轻 、 动 作 迅 速 、 平 稳 、 安 全 、 可 靠 、 节 能 和 不 污 染 环 境 等 优 点 而 被 广 泛 应 用 在生 产 自 动 化 的 各 个 行 业 。 因 此 ， 机 械 手 的 驱 动 方 案 选 择 气 压 驱 动 。2.5 机械手的技术参数列表一 、 用 途 ： 车 间 皮 带 机 之 间 的 搬 运二 、 设 计 技 术 参 数 ：1、 抓 重 ： 2Kg (夹 持 式 手 部 )2、 自 由 度 数 ： 3 个 自 由 度3、 坐 标 型 式 ： 圆 柱 坐 标4、 最 大 工 作 半 径 ： 335mm5、 机 身 最 大 中 心 高 ： 415mm6、 主 要 运 动 参 数 ：手 臂 伸 缩 行 程 ： 200mm 手 臂 伸 缩 速 度 ： 200mm/s- 14机 身 升 降 行 程 ： 100mm 机 身 升 降 速 度 ： 100mm/s机 身 回 转 范 围 ： 0- 190 机 身 回 转 速 度 ： 60/s2.6 气动回路的设计机 械 手 气 动 回 路 的 设 计 主 要 是 选 用 合 适 的 控 制 阀 ， 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 ， 设 计 的 气 动 回 路 图 如 图 2-2 所 示 。图 2-2 机械手气动回路图本 设 计 的 气 动 机 械 手 完 成 各 个 运 动 的 气 缸 只 有 完 全 伸 出 和 完 全 缩 回 两 个 状 态 ，选 择 两 位 五 通 换 向 阀 控 制 各 个 气 缸 的 运 动 方 向 ， 气 缸 的 进 出 口 回 路 各 设 置 一 个 单向 节 流 阀 ， 通 过 控 制 进 出 口 空 气 流 量 的 大 小 来 控 制 气 缸 执 行 器 动 力 的 大 小 和 运 动 速度 。 设 计 中 采 用 PLC 控 制 机 械 手 实 现 各 种 规 定 的 预 定 动 作 ， 既 可 以 简 化 控 制 线 路 ，节 省 成 本 ， 又 可 以 提 高 劳 动 生 产 率 。- 153 气动机械手的机械结构设计3.1机械手末端执行器的设计3.1.1末端执行器的概述末 端 执 行 器 是 装 在 机 械 手 臂 的 末 端 处 ， 用 于 机 械 手 完 成 作 业 任 务 而 专 门 设 计 的装 置 。 末 端 执 行 器 种 类 繁 多 ， 与 机 械 手 的 用 途 密 切 相 关 ， 根 据 其 用 途 ， 末 端 执 行 器可 分 为 搬 运 用 、 加 工 用 和 测 量 用 等 种 类 。搬 运 用 末 端 执 行 器 是 指 各 种 夹 持 装 置 ， 用 来 抓 取 或 吸 附 被 搬 运 的 物 体 。加 工 用 末 端 执 行 器 是 带 有 喷 枪 、 焊 枪 、 砂 轮 、 铣 刀 等 加 工 工 具 的 机 器 人 附 加 装 置 ，用 来 进 行 相 应 的 加 工 作 业 。测 量 用 末 端 执 行 器 是 装 有 测 量 头 或 传 感 器 的 附 加 装 置 ， 用 来 进 行 测 量 及 检 验 作 业 。在 设 计 机 械 手 末 端 执 行 器 时 ， 应 注 意 以 下 问 题 ；1.机 械 手 末 端 执 行 器 是 根 据 机 械 手 作 业 要 求 来 设 计 的 。 一 个 新 的 末 端 执 行 器 的出 现 ， 就 可 以 增 加 一 种 机 械 手 新 的 应 用 场 所 。 因 此 ， 根 据 作 业 的 需 要 和 人 们 的 想 象力 而 创 造 的 新 的 机 械 手 末 端 执 行 器 ， 将 不 断 的 扩 大 机 械 手 的 应 用 领 域 。2.机 械 手 末 端 执 行 器 的 重 量 、 被 抓 取 物 体 的 重 量 及 操 作 力 和 机 械 手 容 许 的 负 荷力 。 因 此 ， 要 求 机 械 手 末 端 执 行 器 体 积 小 、 重 量 轻 、 结 构 紧 凑 。3.机 械 手 末 端 执 行 器 的 万 能 性 与 专 用 性 是 矛 盾 的 。 万 能 末 端 执 行 器 在 结 构 上 很 复杂 ， 甚 至 很 难 实 现 ， 例 如 ， 仿 人 的 万 能 机 器 人 灵 巧 手 ， 至 今 尚 未 实 用 化 。 目 前 ， 能 用于 生 产 的 还 是 那 些 结 构 简 单 、 万 能 性 不 强 的 机 械 手 末 端 执 行 器 。 从 工 业 实 际 应 用 出发 ， 应 着 重 开 发 各 种 专 用 的 、 高 效 率 的 机 械 手 末 端 执 行 器 ， 加 之 以 末 端 执 行 器 的 快速 更 换 装 置 ， 以 实 现 机 械 手 多 种 作 业 功 能 ， 而 不 主 张 用 一 个 万 能 的 末 端 执 行 器 去 完成 多 种 作 业 。 因 为 这 种 万 能 的 执 行 器 的 结 构 复 杂 且 造 价 昂 贵 。4.通 用 性 和 万 能 性 是 两 个 概 念 ， 万 能 性 是 指 一 机 多 能 ， 而 通 用 性 是 指 有 限 的 末 端执 行 器 ， 可 适 用 于 不 同 的 机 械 手 ， 这 就 要 求 末 端 执 行 器 要 有 标 准 的 机 械 接 口 （ 如 法- 16兰 ） ， 使 末 端 执 行 器 实 现 标 准 化 和 积 木 化 。5.机 械 手 末 端 执 行 器 要 便 于 安 装 和 维 修 ， 易 于 实 现 计 算 机 控 制 。 用 计 算 机 控 制 最方 便 的 是 电 气 式 执 行 机 构 。 因 此 ， 工 业 机 械 手 执 行 机 构 的 主 流 是 电 气 式 ， 其 次 是 液压 式 和 气 压 式 （ 在 驱 动 接 口 中 需 要 增 加 电 -液 或 电 -气 变 换 环 节 ） 。3.1.2末端执行器的运动和驱动方式末 端 执 行 器 即 机 械 手 手 爪 ， 多 为 双 指 手 爪 。 按 手 指 的 运 动 方 式 ， 可 分 为 回 转 型和 移 动 型 ， 按 夹 持 方 式 来 分 ， 有 外 夹 式 和 内 撑 式 两 种 。机 械 手 夹 持 器 （ 手 爪 ） 的 驱 动 方 式 主 要 有 三 种1.气 动 驱 动 方 式 这 种 驱 动 系 统 是 用 电 磁 阀 来 控 制 手 爪 的 运 动 方 向 ， 用 气 流调 节 阀 来 调 节 其 运 动 速 度 。 由 于 气 动 驱 动 系 统 价 格 较 低 ， 所 以 气 动 夹 持 器 在 工 业 中 应用 较 为 普 遍 。 另 外 ， 由 于 气 体 的 可 压 缩 性 ， 使 气 动 手 爪 的 抓 取 运 动 具 有 一 定 的 柔 顺 性 ，这 一 点 是 抓 取 动 作 十 分 需 要 的 。2.电 动 驱 动 方 式 电 动 驱 动 手 爪 应 用 也 较 为 广 泛 。 这 种 手 爪 ， 一 般 采 用 直 流伺 服 电 机 或 步 进 电 机 ， 并 需 要 减 速 器 以 获 得 足 够 大 的 驱 动 力 和 力 矩 。 电 动 驱 动 方 式 可实 现 手 爪 的 力 与 位 置 控 制 。 但 是 ， 这 种 驱 动 方 式 不 能 用 于 有 防 爆 要 求 的 条 件 下 ， 因 为电 机 有 可 能 产 生 火 花 和 发 热 。3.液 压 驱 动 方 式 液 压 驱 动 系 统 传 动 刚 度 大 ， 可 实 现 连 续 位 置 控 制 。3.1.3末端执行器的典型结构1.楔 块 杠 杆 式 手 爪利 用 楔 块 与 杠 杆 来 实 现 手 爪 的 松 开 和 夹 紧 ， 来 实 现 抓 取 工 件 。2.滑 槽 式 手 爪 当 活 塞 向 前 运 动 时 ， 滑 槽 通 过 销 子 推 动 手 爪 合 并 ， 产 生 夹 紧 动 作 和 夹 紧 力 ， 当 活塞 向 后 运 动 时 ， 手 爪 松 开 。 这 种 手 爪 开 合 行 程 较 大 ， 适 应 抓 取 大 小 不 同 的 物 体 。3.连 杆 杠 杆 式 手 爪这 种 手 爪 在 活 塞 的 推 力 下 ， 连 杆 和 杠 杆 使 手 爪 产 生 夹 紧 （ 放 松 ） 运 动 ， 由 于 杠 杆- 17的 力 放 大 作 用 ， 这 种 手 爪 有 可 能 产 生 较 大 的 夹 紧 力 。 通 常 与 弹 簧 联 合 使 用 。4.齿 轮 齿 条 式 手 爪这 种 手 爪 通 过 活 塞 推 动 齿 条 ， 齿 条 带 动 齿 轮 旋 转 ， 产 生 手 爪 的 夹 紧 与 松 开 动 作 。5.平 行 杠 杆 式 手 爪采 用 平 行 四 边 形 机 构 ， 因 此 不 需 要 导 轨 就 可 以 保 证 手 爪 的 两 手 指 保 持 平 行 运 动 ，比 带 有 导 轨 的 平 行 移 动 手 爪 的 摩 擦 力 要 小 很 多 。3.1.4末端执行器的具体设计由 于 本 设