码垛机械手设计

摘要

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，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。机械手技术涉及到力学、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。

本次毕业设计以“码垛机械手”作为设计课题，将先进的设计理念，先进的设计技术和方法相结合应用于传统产品的设计中，采用当今比较先进的设计软件。它需要完成将毛坯材料（直径80mm）从传送带上移到加工中心，再将加工好的零件放回传送带的任务。并且整个过程要求用PLC控制。

通过对机械手在国内外的使用现状的介绍，以及它们在使用中存在的问题，对各种支护设备进行比较，从而确定设计方案和设计参数，进而对机械手进行受力分析和控制系统的设计，以确保它的可行性。为以后机械手的设计与改进提供了依据。

关键词：机械手液压 PLC 设计

Abstract

Robots are a kind of automatic positioning control and can be programmed to change to the multi-function machine, it is more freedom, and can be used to carry objects to complete the work in different environments. Robot technology involves mechanics, mechanics, electric hydraulic technology, automatic control technology, the sensor technology and computer technology, science, is an interdisciplinary comprehensive technology.

The graduation design in "palletizing robot" as a design topic, the advanced design idea, method and technology of advanced design combined application of traditional product design, the comparison of advanced software design today. It will need to complete blank materials (diameter 80mm) from the conveyor belt to machining center, again will be processed parts put back the conveyor belt. And the whole process requirements with PLC.

Through the use of robots at home and abroad are introduced, and the current problems existing in the use of various supporting equipment, compared to determine the design scheme and design parameters, then analyzes forces of manipulator and the design of control system, to ensure its feasibility. For the design and improvement of the manipulator.

Keyword: Manipulator Hydraulic PLC Design

目录

第1章绪论 (1)

1.1工业机械手概述 (1)

1.1.1机器人的定义 (1)

1.1.2机械手概述 (2)

1.2总体方案设计 (4)

1.2.1平行夹持机构方案设计 (4)

1.2.2平行四边形机构设计 (4)

1.2.3大臂设计方案 (5)

1.2.4液压控制系统设计方案 (5)

1.2.5 PLC电控系统设计方案 (6)

1.3设计要求 (6)

1.4我国工业机器人现状及发展趋势 (7)

1.5国外机器人研究与发展趋势 (9)

第2章夹持器的设计 (11)

2.1夹持器的总体机构设计 (11)

2.2夹持器的结构计算及其说明 (11)

2.2.1设计要求 (11)

2.2.2夹持器的设计计算 (11)

2.2.3运动部件的主要设计校核 (12)

2.3液压缸的选择 (14)

2.3.1 设计要求 (14)

2.2.2 液压缸的设计计算 (14)

第3章平行四边形机构设计方案 (17)

3.1四边形升降机构具体设计 (17)

3.1.1设计目的及要求 (17)

3.1.2设计参数 (17)

3.1.3液压驱动的设计 (17)

3.2具体设计计算与校核 (17)

3.2.1对BE杆的设计计算 (18)

3.2.2研究CD杆件 (20)

3.3平行四边形机构行程计算 (21)

3.3.1平行四边形机构的简图 (21)

3.4动态计算 (22)

3.4.1平行四边形机构动态计算 (22)

3.4.2底座回转时的动态计算 (24)

3.4.3液压缸1运动时平行四边形机构的动态计算 (27)

3.5带动平行四边形机构的液压缸2的设计与计算 (27)

3.5.1液压缸2的行程计算 (27)

第4章液压控制系统的设计与计算 (33)

4.1设计内容 (33)

4.2 设计方案 (33)

4.3总体设计要求 (33)

4.4液压回路设计 (34)

4.5油泵的选择计算 (34)

4.5.1油泵的选择计算 (34)

4.5.2泵驱动电机的选择计算 (34)

4.5.3液压阀的选择 (34)

4.5.4辅助元件的选择 (35)

4.5.5液压系统性能的验算 (36)

4.5.6液压系统图 (36)

第5章 PLC控制系统设计 (37)

5.1 PLC的构成及工作原理 (37)

5.2选择PLC (37)

5.3 PLC外部I/O分配图 (37)

5.4软件设计 (39)

5.5硬件设计 (46)

第6章结论 (47)

参考文献 (48)

致谢 (49)

第一章绪论

1.1工业机械手概述

首先我介绍一下机器人产生的背景，机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。

另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。

1.1.1 机器人的定义

在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定义，但机器人问世已有几十年，机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。

操作型机器人：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。

程控型机器人：按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。

示教再现型机器人：通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。

数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。

感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的动作。

适应控制型机器人：机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。

学习控制型机器人：机器人能“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。

智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。

我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。

1.1.2 机械手概述

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。

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大等特点，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，例如：

(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍

(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。

(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。

(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。

(5)宇宙及海洋的开发。

(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。

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。

机械手主要由手部和运动机构组成。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。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

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，机械手在操作人员的轻松操作下，可完成复杂的自动机器人的许多工作，而生产及使用成本却大大低于自动机器人，同时使用范围较之自动机器人更为广泛，灵活性和机动性更

大。将在在汽车制造，家电视讯，金属制造工业铸造航空以及造纸，食品烟草，玻璃陶瓷，制药，化工石油等行业为生产的优化发挥着巨大的作用。

机械手由以下结构：执行机构——驱动-传动机构——控制系统——智能系统——远程诊断监控系统，五部分组成。驱动-传动机构与执行机构是相辅相成的，在驱动系统中可以分:机械式、电气式、液压式和复合式，其中液压操作力最大。机械手是模仿人的手部动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置，它是机械化、自动化的重要手段。因此，获得了日益广泛的应用，特别在高温、高压、危险、易燃、易爆、放射性等恶劣环境，以及笨重、单调、频繁的操作中，它代替了人的工作，具有重要的意义。在机械加工中，冲压、铸、锻、焊、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输、国防工业等各方面，也已愈来愈引起人们的重视。

机械手一般由执行机构、驱动机构、控制机构以及位置检测装置等组成，驱动系统可采用液压传动、气动传动、电气传动和机械传动等形式，而多数采用电液机联合传动。

该机械手是将圆柱形零件从传送带上夹装到专用机床上，待加工完毕后再夹装回传送带的专用机械手(图1)。机械手总体设计分为夹持器、伸缩臂、升降臂和底座四大部件设计及二个系统：PC电控系统与液压控制系统设计。夹持器安装于伸缩臂上，伸缩臂安装在升降臂上，升降臂安装在底座上。连接方式均为法兰盘螺栓连接。

机械手工作过程如图所示。

图1-1 机械手工作流程图

码垛机械手结构如图3所示。

工作程序为：液压缸1伸出→四边

形机构3下降→夹持器4夹紧工件

5→液压缸1缩回→四边形机构3上升→底座1回转→（到达位置后）液压缸1伸出→四边形机构3下降→夹持器4放开工件5→液压缸1缩回→→四边形机构3上升→底座1回转至原位。然后进行下一循环。

改变夹持器形状，可夹持不同工件或物体。

1.2总体方案设计

1.2.1 平等夹持机构设计方案

本设计为工业机器人平等夹持机构的设计，机器人通过液压缸驱动楔块使两手指产生夹紧动作。实现物体的移动，采用液压缸带动。取料手连接于平行四边形机构上的BF杆，随着升降台做升降运动和转动。

1.2.2 平行四边形机构设计

1.设计要求：平行四边形机构固定于升降台上，随升降台做上升下降运动和旋转运动。平行四边形机构前端安装平等夹持机构，用于抓取工件。四边形机构以上下转动实现水平伸缩，完成物体工位的转换。

2.设计参数：

1) 伸缩长度：300mm，平行四边形机构固定在升降台上，随升降台做上下运动和旋转运动；平行四边形机构前端安装机械手，用于夹持工件；平行四边形上下转动，完成工件的工位转换。

2) 单方向伸缩时间：1~1.5S

3)可采用电机(伺服电机、步进电机)驱滚珠丝杠传动或液压驱动，共两种方案。

4)上下转动要有定位措施

3.液压驱动方案

1) 转动原理：以液压泵带动液压缸的伸缩，同时液压缸小角度的摆动，实现与平行四边形机构的运动轨迹的重合与转动。

2) 结构方案设计参见后面章节

3) 缓冲装置与定位装置的设计

4) 液压泵的选择

1.2.3 大臂设计方案

1.大臂设计参数和要求

1)行程：0-800㎜，任意可调；

2)运动时间：单向升降运动时间：0—3s；

3)采用液压传动齿轮倍程升降机构方案。

4)升降臂定位可靠、精确。

5)升降臂与旋转底座、伸缩臂为法兰连接；

6)结构设计时考虑伸缩臂工作时的整机平衡；

2.液压驱动方案采用直线油缸

3.设计内容

1)大臂结构设计；

2)大臂结构强度设计；

1.2.4 液压控制系统设计方案

此设计的工业机械手属于圆柱坐标式的液压驱动机械手，具有手臂升降、转动和回转三个自由度。因此相应地由手臂转动平行四边形机构、手臂升降机构、手臂回转机构等组成。每一部分用液压缸驱动与控制。要求画出液压传动系统图。对系统图的具体要求如下：

1.满足工业机械手动作顺序要求。动作顺序的各个动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁（电磁换向阀），按照程序依次步进动作从而实现要求。

2.手臂伸缩采用摆动液压缸驱动。

3.手臂升降运动采用单杆双作用缸，上升和下降均由单项调速阀回油截流，由电液动三位四通O型换向阀换向。上升速度约为100毫米／秒。上升为工作行程，其缓冲定位是靠行程开关适时发讯号，提前切断油路滑行缓冲定位。由于升降缸为立式，在其液压缸下腔油路上安装有单向顺序阀，用以避免因整个手臂自重而下降，起到支撑与平衡的作用。

1.2.5 PLC电控系统设计方案

设计内容

1.设计该系统液压泵电机及各部分总成驱动电机的主电路。

2.参照主电路及液压控制系统图设计控制柜，画出所有元件的柜中布置图。

3.确定全部的行程开关的安装、调试方案。

4.选择电控系统中所有电机及元器件的型号。

5.以F1系列基本指令、移位寄存指令、步进指令编程。要求编写错误！未找到引用源。分配图、、程序总框图、各部分的梯形图并编写出完整的语句表。

1.3 设计要求

1) 功能性的要求

机械手平行四边形机构安装在升降大臂上，前端安装吸盘取料手，按照控制系统的指令，完成软包装液体的自动转换工作。四边形机构转动要求平稳灵活，定位准确，工作协调。

2) 适应性要求

为了便于调整，适应工件大小不同的要求，起止位置要方便调整，要求设计可调式定位机构。为了控制惯性力，减少运动冲击，动力的大小要能与负载大小相适应，如步进电机通过程序设计改变运动速度，力矩电机通过调整工作电压，改变堵转力矩的大小，达到工作平稳、运动快捷、定位准确。

3) 寿命的要求

产品寿命是产品正常使用时因为磨损是性能下降并在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。设计中要考虑采取减磨的措施，如：选择耐磨材料、采取合适的润滑措施、合理设计零件的形面等。因各零件部位难以设计成相等的寿命，所以容易受到磨损的零件应及时适时的更换。

4) 可靠性的要求

可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求工业机械手工作必须可靠。设计时需要进行可靠性及强度的要求进行设计。

5) 经济性的要求

机械产品的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占着很大比重，设计时必须予以充分重视。将机械课程设计中所学的知识合理进行运用。

提高产品设计制造经济的主要措施：

(1)采用先进的现代设计方法，使设计参数最优化以达到精确的结果，保证机器足够的可靠性。

(2)最大限度的采用标准化、系列化及通用化的零部件。这是设计中要得到重视的一点。要对标准件、通用零件、部件、通用的设计规范有所了解。作为初学者，要学习、参考已有的成功设计成果，还要进一步的进行研究创新。

(3)尽可能采用新工艺、新技术等。

(4)合理的组织设计制造等工艺过程。

(5)力求改善零件的结构工艺性，使用最少的材料，达到容易加工，容易装配。在设计中要特别注意。

提高使用的经济性的主要措施：

(1)合理的提高机械的机械化与自动化的水平，以期提高机器的生产率。工业机械手是提高机械工作效率的方式之一。

(2)降低能源消耗是提高经济性的主要措施。要合理配置动力系统，选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间环节，已达到减低消耗能源的目的。

(3)选择适当的防护及润滑措施，减少机械摩擦，来延长机器的使用寿命。

(4)采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象，减少消耗保护环境。

6）人机工程学的要求

人机工程学称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力高效，照明适度，现实清晰，造型美观，色彩和谐，维修保养容易等。本设计中要充分重视外形设计，各调整环节的设计要方便人体接近，方便工具的使用。

7）安全保护和自动报警的要求

按照规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必须有的，是必不可少的。在程序设计中要考虑因故障造成的突然中断，如机构卡死，工件不到位，突然断点等情况，要设置报警装置。

1.4 我国工业机器人现状与发展趋势

我国机器人技术大约起步于20世纪70年代。到80年代中期，我国已研制了100

多台工业机器人，其中有6台为示教再现型，拥有了生产第一批工业机器人的技术能力，缩短了与国外的差距。在这时期，工业机器人技术发展迅猛，所开发的四大类型机器人产品（点焊、弧焊、喷漆、上下料）主要用于汽车工业。且在1985年先后在几个国家级学会内设立了机器人专业委员会，以组织和开展机器人学科的饿学术交流，促进机器人技术的发展。1987年，在北京首届国际机器人展览会上，我国展示了10余台自行研制的工业机器人。

随着工业技术和经济的发展，机器人的应用范围不断扩大，技术性能也在不断提高。

目前，应用于生产实际的工业机器人多为示教再现型机器人，而且计算机控制的工业机器人占有相当比例。带有“触觉”、“视觉”等感觉的“智能机器人”尚处于开发试用阶段。带有一定智能的工业机器人技术的发展方向。目前所使用的工业机器人一般

没有“视觉”、“触觉”“听觉”、“逻辑判断”等机能，所以它不能对所抓取的工作进行识别，并选取所需要的工件，不能进行适应性操作。

“七五”期间，制订了国家“863”发展规划，在自动化领域中设立了智能机器人主题研究方向，经过“七五”、“八五”攻关，我国研制了各种类型的机器人，已初步实现了工业机器人的产业化，生产的工业机器人已达到了工业应用水平。目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。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，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。

我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

工业机器人技术的发展趋势是：

1) 提高运动速度和动作精度，减小质量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块组合化；将机器人的回转、伸缩、俯仰、和摆动等各种功能的机械模块、控制模块和检测模块组合成不同结构和用途的机器人。

2) 开发新型结构，如微动机构保证动作精度；开发多关节、多自由度的手臂和灵巧手；研制新型的行走机构，以适应各种作业的机器人。

3) 研制各种传感器检测装置，如视觉、触觉、听觉和接近觉，用传感器获取有关工作对象和外部环境信息完成模式识别，并采用专家系统进行问题求解、动作规划，组成

计算机控制系统，使机器人能够准确抓住方位在变化的物体；能自动避开障碍物；可根据不同对象自主决定夹持力的大小；并能判断抓取工件的质量等等。这种具有感知、判断能力的机器人是大有发展前途的。

4) 工业机器人的一种新发展方向是机器人与机器人之间或多机器人之间的协调作业。

1.5国外机器人研究与发展趋势

目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下10个方面：

1) 工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。

2) 机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。

3) 多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。

4) 机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。

5) 机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。

6) 虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。

7) 多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。

8) 微型和微小机器人技术（micro/miniature robotics）:这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。

9) 软机器人技术（soft robotics）:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。

10)仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：

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。

第二章夹持器的设计

2.1 夹持器的总体机构设计

本设计方案为液压缸驱动连杆杠杆式回转型夹持器。经过反复思考及论证，先做出装配图，如图中所示。

夹紧和松开动作：当驱动器驱动杆1移动时，由杆1、连杆2、杠杆3和夹持爪4

组成四杆机构，使手指完成夹紧和松开动作。

此结构的夹紧方式产生较大的夹紧力，缺点是手抓的张开角小。

2.2 夹持器的结构计算及其说明

2.2.1 设计要求

1）所设计的夹持器要有足够的夹持力和所需的夹持精度；

2）夹持器靠法兰联接在四杆机构上，应尽可能使结构简单、紧凑、质量轻，以减轻

手臂负荷；

3）夹持器由液压缸提供动力；

4）采用双指手爪式夹持器，执行动作为抓紧、放松；

5）所要夹紧的工件直径为80mm ，高为150mm ；夹持器重约0.5kg ，长约为250mm ，

放松时两爪间最大距离为110——120mm ；

6）工件重约6kg ，材质为45#钢。

2.2.2 夹持器的设计计算

1)加紧力的计算

手指加在工件上的加紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进

行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性

力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。

手指对工件的加紧力可按下列公式计算：

G K K K N 321≥，式中：

K1—安全系数，通常取1.2 2.0-，取1.5；

K2—工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按K2=1+a/g 估算，其中a 为机器人

搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（2/m s ），工件的最大速度为s m V /1.0max

=（即运载工件时重力方向的最大速度），t 为系统达到最高速度的时间根据设计参数选

取，一般取0.03～0.5s 。K2=1+a/g ＝1+0.25÷9.8=1.025；

K3—方位系数，手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，如手指水平放

置，夹持器垂直放置时，5.03=K ，手指水平（或垂直）放置，夹持垂直工件时，

5~43=K （平直指为5，V 型指为4），本设计中夹持垂直工件，故K3取4。

G —被抓取工件的重量

因为前者的情况，工件重力和惯性力直接作用在手指上，所需夹紧力最小；后者的

情况，工件重力和惯性力要由加紧力所产生的摩擦力来克服，所以，所需夹紧力要大若

干倍。

可确定夹紧力：

N

G K K K N 62.3618.964025.15.1321=????=≥

对夹紧力取整：

FN=362N

2)驱动力的计算

根据驱动力和夹紧力之间的关系式

αsin 2b c

F F p N = 式中：

c ：杠杆上两销轴之间的距离，设计为60mm ；

b ：杠杆上固定销轴至爪间的距离，设计为60mm ；

α：连杆与夹具体之间的夹角为30 o

可得：

N c b F F N p 362605.0603622sin 2'=???==

α

对驱动力取整： 'p F ＝362N

对于实际驱动力的计算可遵循

η?='p p F F 进行计算，

其中： η—手部机构机械效率N=0.85–0.9；

可得：

36.41188.0362==p F N

在实际工作中，驱动力应足够大，故在实际中应取只偏大，确定驱动力为FP=500N 。

2.2.3 运动部件的主要设计校核

1)对于杠杆的校核

(a ）杠杆材料为45钢

加工方法：铸造。

形状尺寸如装配图

(b ）垂直方向弯曲强度校核

杠杆的受力情况如下

受到的夹紧力为362N

工件重量约为G=60N

自身重量约为

N G N vg G 22.18.906.0025.001.0785011==????==取ρ

夹持器手指重量G2大至估算为3N ，

则臂的弯曲应力

MPa MPa bh WZ M 08.886

01

.0025.07.36611.422max =?===σ 铸钢的弯曲应力MPa 220][=σ。

(c ）校核夹持力对竖杆的弯曲应力，H 处为危险截面，受力弯矩图如图（2-1）所示：

M Pl

P

图2-1 弯曲应力图

经校核H 处不会发生弯曲断裂。

(d ）夹持器臂上加工两销孔，一个孔用于与支撑板连接，端部孔用于与V 形爪连接，

连接均用销轴和螺母配套使用，且螺母应用锁紧螺母。

销轴的规格：公称直径d=8mm,长度l=40mm 。

螺母规格：内径为d=8mm ，用于两螺母均可采用薄螺母。

V 形爪：V 形爪加工方法为铸造。

V 形爪张开角度为90度，如装配图所示

V 形爪两侧的内侧加工出用来安装橡胶块的凹槽，橡胶块用来增加工件与爪子之间

的摩擦力，使夹持工件更稳定牢固，这样又能起到保护工件表面的作用。

2.3液压缸的选择

2.3.1 设计要求

机械手液压系统与其它机器的液压系统具有许多共性，其中最突出的特点是缓冲与

定位问题，从生产效率来讲，机械手正常工作速度越快越好，但丛稳定性缓冲与定位精

度来考虑，速度太大，缓冲与定位就不容易达到，为达到其运动平稳性和定位精确要求，一般在定位前采取缓冲制动措施，从液压原理讲增加液压阻尼力，在液压缸结构上，缓

冲或缓冲回路。

2.3.2 液压缸的设计计算

1）根据夹持器驱动力由液压缸提供的原则，所选液压缸要满足工作的要求。

本方案选用了W70L-1系列轻型拉杆液压缸，与同等压力等级液压缸相比，该液压缸

具有结构简单、零件通用化程度高和安装形式多样等特点，广泛应用于橡塑、纺织等轻

工机械，以及机床、汽车、农机、化工、冶金和矿山等机械。该液压缸符合本方案“结

构紧凑、质量轻”的设计要求。液压缸结构如图2-2所示。

110

506035

40

10010

20

2516

图2-2 液压缸示意图

其中液压缸活塞杆的终端与外部连杆用螺纹连接，其结构简图2-3如下：