五自由度液压搬运机械手”设计

五自由度液压搬运机械手设计

目录

第1章绪论 (1)

1.1课题背景及研究现状 (1)

1.2 机械手的研究意义及其本身优点 (2)

1.2.1 机械手的研究意义 (2)

1.2.2 机械手本身的优点 (2)

1.3本章小结 (3)

第2章总体方案设计 (4)

2.1设计目标 (4)

2.2总体方案分析 (4)

2.2.1搬运机械手的组成 (4)

2.2.2三大系统设计分析 (4)

2.3搬运机械手的运动及驱动方式 (5)

2.4本章小结 (7)

第3章基本参数及二维外观图 (8)

3.1基本参数 (8)

3.2总体外观图 (8)

3.2.1外观图简图 (8)

3.2.2液压原理设计图截图 (9)

3.3本章小结 (10)

第4章各部分的具体计算 (11)

4.1 手部夹持器的计算 (11)

4.1.1手部夹持器设计要求 (11)

4.1.2手部夹持器设计计算 (11)

4.1.3端盖螺钉校核 (12)

4.2腕部回转油缸计算 (13)

4.3小臂结构设计 (17)

4.4俯仰缸设计 (20)

4.5大臂回转机构设计 (22)

4.6大臂升降结构设计 (24)

4.7手部驱动油缸油孔尺寸计算 (26)

4.8腕部回转油缸油孔尺寸确定 (26)

4.9大臂回转油缸油孔尺寸确定 (27)

4.10大臂升降油缸油孔尺寸确定 (27)

4.11伸缩臂油缸油孔尺寸确定 (27)

第5章各油缸活塞杆校核 (29)

5.1 手部驱动油缸活塞杆校核 (29)

5.2 腕部回转油缸活塞杆校核 (29)

5.3 伸缩油缸活塞杆校核 (30)

5.4 俯仰油缸活塞杆校核 (30)

5.5 本章小结 (31)

第6章总体三维图 (32)

6.1 总体三维图 (32)

6.2 本章小结 (33)

结论 (34)

致谢 (35)

参考文献 (36)

附录 (38)

第1章绪论

1.1课题背景及研究现状

机器人是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机器人产品。机器人产品的实用化，既解决了许多单靠人力难以解决的实际问题，又促进了工业自动化的进程。目前，由于机器人的研制和开发涉及多方面的技术，系统结构复杂，开发和研制的成本普遍较高，在某种程度上限制了该项技术的广泛应用，因此，研制经济型、实用化、高可靠性机器人系统具有广泛的社会现实意义和经济价值。

机械手自六十年代以来问世以来，发展非常迅速。目前，第二代产品，微机控制、直流电动机驱动的小型工业机械手已成产品。

美国是最早研制和应用机械手的国家，早在1967年就定型批量生产了UNIMATE4000型前身。1969年美国通用汽车公司自行研制了SAM工业机械手，并用21台机器手组成了点焊轿车车身的自动生产线。70年代，美国克莱斯勒汽车公司的32条冲绳自动线的448台冲床，全部采用了机械手传送工件。

日本机械手工业虽比美国起步晚（六十年代后期），但是发展速度更快，根据统计，1982年日本拥有工业机械手共13000余台，生产厂家近200家。

此外，瑞典、挪威、德国、意大利、俄国等国家也是发展迅速，例如挪威的TRLLFA公司生产的机械手，瑞典的ASEA公司、ELECTROLUX公司和KA VIELDT公司生产的机械手，德国的VOLKSV AGEN公司生产的机械手在欧洲市场，甚至在北美市场都占有很大的比重。

工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁，单调的操作，如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的，有时候还要用行车员工件，生产速度大大延缓，这种情况采用机械手是很有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作。更显其优越性，有着广阔的发展前途。

工业机械手的主要应用领域是机械加工过程中的上、下料及搬运、装配、焊接、冲压、树脂成型加工及其热处理、锻压等。

表1-1机械手在各个行业所占比例（%）

1.2 机械手的研究意义及其本身优点

1.2.1 机械手的研究意义

机械人手技术是近30年来发展比较快的一种新技术，机械手是一门新兴的的综合性科学，他设计机械设计制造控制工程计算机传感技术仿真生学，人工智能等领域，工业机械手是实现工业生产自动化的重要设备，它本身是机电一体化的典型产品。

工业机械手能模仿人肢体的一些动作，可以代替人的一些动作，代替人们进行工作，一次机械手自问世以来就受到人们的宠爱而且性能不断完善，各种优良的机械手不断出现操作越来越灵活，在一些方面与人手相比，几乎达到了以假乱真的程度，加之各种技能的应用，使得机器人有了自己的头脑能不受控制而独立的处理一些问题，因此其应用越来越广泛。

1.2.2 机械手本身的优点

搬运机械手是机器人家族中的重要一员，其应用最广泛，在自动化流水线生产中劳动强度最大，工作条件差，热尘烟雾毒气等使得环境恶化，使得人的工作受到了种种限制，此时搬运机械手则能够迎难而上，独树一帜，而且其能不知疲倦的工作，搬运机械手具有许多人没法相比的优点：（1）工作时间持久，不会出现人的疲劳，可以重复不间断的劳动，能持流水线的持续工作。

（2）对环境的适应性强，特别能在多粉业，以燃烧以爆炸放射性等恶劣

环境下工作。

（3）运动灵活精确，能够延伸到人手所不能到达的空间区域内进行工作，而不受外界因素的干扰。

（4）通用性好，本搬运机械手在设计过程中，考虑到其通用性，因此留有余地，因此除搬运外，还可以焊接喷漆等。

（5）工作效率高，提高了劳动生产效率，同时也降低了成本。

诸多的优点为机械人的广泛应用开辟了广阔的前景，而我国在这些方面还处于初始阶段，因此需要更进一步发展，本次的设计是对大学四年所学知识的巩固与综合应用。

1.3本章小结

本章介绍了五自由度液压搬运机械手的设计研究背景及其研究现状，列举了一些国家的研究成果，重点讲述了机械手的研究在现实中的应用领域，还介绍了机械手的优点及发展前景。

第2章总体方案设计

2.1设计目标

设计一种五自由度搬运机器手，包括机器手的总体设计，移动方式设计，动作规划设计，三维造型设计等。

重点是机器手的结构设计，即如何在综合考虑机器人的功能和特性要求后，能够完整的设计出合理而优化的机器手。

功能指标包括：机械手的各部件的升降、转动，对压力的敏感反映等，使得机器人可以实现到达任何位置的升降、转动，同时具有重量轻，稳定性好等特点。

由于本设计并没有工业实际的问题的要求，也就是没有要功能模块的具体设计，并且，设计者所希望的创新性也大过实用性。基于以上原因，本设计暂不考虑对于功能模块的搭载问题，仅仅讨论并设计一种合理可行、尽可能优化了的五自由度液压搬运机械手。

2.2总体方案分析

2.2.1搬运机械手的组成

图2-1组成框架图

参考诸多的搬运机械手的设计理念，以及对于本题目——五自由度搬运机械手的理解，现将总体分为五大部件，分别为：大臂升降结构、大臂回转结构、伸缩臂结构、小臂伸缩结构、手爪回转结构、手爪伸缩结构。

2.2.2三大系统设计分析

1．控制系统

此系统是控制驱动机构工作从而实现按预定程序进行工作的机构，并通过位置检测的反馈来检测工作的精度，从而保证能正确实现机械手的运动，迅速准确的完成机械手的运动，包括程序控制部分和行程反馈部分。2．驱动系统

用来为各个部件的运动提供动力，是实现一切运动的动力来源，有气动、液动电动和机械式四种形式，根据设计要求和各自的优点和缺点，本

机械手采用液压驱动实现，五个自由度。

3．执行系统

执行机构是完成各种动作的总称，具体包括以下几个部分

（1）手部：直接与工件接触的部分，根据设计要求，本机械手的手部用夹钳式，用来抓取工件，或用来支撑焊条，喷枪（手部用法兰连接，可以拆换，更换手部，以满足工作需要）

（2）腕部连接手部和臂部的工件用来调整被抓取物体的方位

（3）臂部：支撑被抓物体的手部和腕部的重要部件，带动手指去抓取物体，并按预定要求将其搬运到指定位置。

（4）腰部:机身是支撑机器手所有部件的部位及其零件，是整个机械手的基础。

2.3搬运机械手的运动及驱动方式

1．机械手的运动

机械手的运动包括自由度数和运动范围

本机械手采用双抓，这是因为它具有以下优点：

(a) 运动灵活

(b) 工作空间大

(c) 关节驱动处容易密封，防尘

(d) 作效力大大的提高了

(e) 工作要求低

2．自由度数

自由度是机械手设计中的重要参数，每个运动部件所具有的独立运动的数目称为自由度，自由度是衡量机械手设计水平的重要指标，自由度越多的机械手能完成的运动越复杂，技术难度越大，控制定位越困难，安装越复杂，成本高，因此在具体问题中尽量减少自由度，本机械手是考虑到选用腕部来回转，小臂伸缩，小臂俯仰，大臂回转，大臂升降等5个自由度完全满足工作要求。

3．运动范围

关节3结构的运动范围和形状取决于大臂和小臂的长度比，本机械手大臂长600mm，小臂长800mm，具体范围见后图。图中矩形为包容区域

图2-2 机械手水平面的运动范围

图2-3 空间转动范围

4．运动传动方式

运动传动方式是将动力源的运动传递到实现自由度运动的过程，本设计中将直线油缸的直线运动转换成回转油缸的回转运动传递出去，针对结构的需要和驱动力的大小，各自由度的运动采用不同的传递方式，大臂回转，腕部回转都采用回转油缸，小臂俯仰、小臂伸缩、大臂升降都采用直线油缸。

5．机械手的驱动方式

采用液压驱动的优点是：

（1）速度反映性好; 因为被驱动部件的速度快慢取决于油液容积变化，所以当不考虑温度变化的时候，被驱动系的滞后

几乎不存在，而且液压机构的重量轻，惯性小，他的速度

反应性好。

（2）调速范围大，还可以无极调速，适用于不同的工作要求。

（3）传动平稳，能吸收冲击力，可以实现比较频繁而平稳换向。

（4）在产生相同驱动力的条件下，液压驱动比其他驱动方式体积小，

（5）定位精度高

（6）驱动力或力矩大

存在的不利因素有：

（1）液压系统存在泄漏对机构的稳定性有一定的影响

（2）油液中如果混有空气将降低传动机构的刚性，影响定位精度，产生爬行

（3）油液的温度和黏度的变化影响传动的性能

2.4本章小结

本章对总体方案的设计进行了确定，规划了搬运机械手的三大组成部分，进而对三大组成部分进行了设计分析，确定了搬运机械手的运动方式及其驱动源，设计了运动范围及回转角度，对液压驱动方式的优缺点进行了比较。

第3章基本参数及二维外观图

3.1基本参数

1.名称：工业机械手

2.主要用途：搬运

3.自由度数：5 （腕部转动、小臂伸缩、小臂俯仰、大臂回转、大臂

升降）

4. 抓重：最大 5Kg

5．工作范围与速度

7. 重复定位精度：+2mm

8. 驱动方式：液压驱动

9. 驱动源：液压油泵

3.2总体外观图

3.2.1外观图简图

图3-1 机械手结构简图

1—手腕2—小臂

3—俯仰缸4—大臂

3.2.2液压原理设计图截图

图3-5 液压控制工作原理图

表3-2电磁铁动作循环表

现将本机械手的工作顺序过程介绍如下：

（1）电磁铁11通电，大臂旋转油缸顺时针旋转，实现大臂周向定位（2）电磁铁9通电，大臂升降油缸伸出，实现大臂轴向定位

（3）电磁铁7通电，伸缩臂伸缩缸伸出，实现伸缩臂轴线定位

（4）电磁铁5通电，小臂伸缩缸伸出，实现小臂的轴向定位

（5）小臂到达伸出一定距离，碰到行程开关14，之后将电磁铁3接

通实现手爪旋转缸体的运动。

（6）电磁铁3通电，手爪旋转缸顺时针旋转，实现手爪的周向定位（7）电磁铁1通电，手爪伸缩缸伸出，实现手爪的轴向定位

（8）手爪抓取工件，工件与手爪夹紧到一定压力，压力继电器通电使得电磁铁1断电，电磁铁2通电手爪收缩，实现手爪的轴向

定位。

（9）电磁铁4通电，手爪旋转油缸逆时针旋转，实现手爪的周向定位。

(10) 电磁铁6通电，小臂伸缩油缸回缩，实现小臂的轴向定位。

（11）电磁铁9通电，伸缩臂回缩，实现伸缩臂轴线定位。

（12）电磁铁11通电，大臂升降油缸下降，实现大臂轴向定位。

（13）电磁铁13通电，大臂旋转油缸逆时针旋转，实现大臂周向定位。

在参考了众多机械手手部的结构后，结合自己的设计要求，现在设计出如上图的液压机械手及其驱动液压原理装置。下面介绍各个液压缸体的设计计算及其型号的选用，机械人手部结构形式多样，但总的设计都有如下几点基本要求：

（1）应具有足够的夹紧力和驱动力，手爪握力（夹紧力）大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济；力量过小则会产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑抓取物体重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证夹持安全可靠；

（2）手爪具有一定的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）。

（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证自身刚度、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。

3.3本章小结

本章对机械手的基本参数进行了确定，并且绘制出了总体外观图及液压原理图，同时对液压原理图的工作原理进行了电磁铁的动作表绘制，对工作周期做了具体介绍。

第4章各部分的具体计算

4.1手部夹持器的计算

4.1.1手部夹持器设计要求

1.设计要求

夹持两个棒料，每个不大于5kg

2. 各部分的长度

手腕：300mm

手臂：800mm

俯仰小臂：200mm

大臂：500mm

3. 手抓机构分析

手部夹持器是工业机械手的关键部位之一，它的主要用途是夹持工件或工具按规定的动作程序来完成制定的工作，它的加紧和伸开都是自动完成的。

手部夹持器应具有以下几点：

（a）足够的夹紧力

（b）保证工件在手指的准确定位

( c ) 能适应工作环境所提出的要求

（d）保证在强度和刚度的前提下，尽可能使结构紧凑，重轻。抓起范围：20毫米到50毫米的圆柱体工件其抓取原理图如下：

图4-1 手爪工作原理图

1—铰接点2—手指3—工件

4.1.2手部夹持器设计计算

进分析可知，此手抓作单支点运动，由此可知：

12cos P P a = 12c o s

P

P a =

（4-1） 力矩平衡： 12550P N ?=? （4-2）

N=100 12

2

P

P P == (4-3) 夹紧力： 123N K K K G =

（4-4） = 1.520.5100??? = 150

P=2 1P =4N=600（N ）

P

P η

≥实=560(N)

1K 为安全系数：1.1-1.2 取1K 为=1.5

2K =1+a/g (抓取工件的最大加速度为 a=g)

3K 为方位系数 3K =0.5 P 实=56kg

设液压缸直径为 D 、d 为半径。

=d 4

P P 221实π

（D -） （4-5）

12311620mm mm N K K K GK P D mm D ===实取为，所以d 为10mm ,壁厚取 10。

（4-6） 4.1.3端盖螺钉校核

弹簧刚度： k=3.53 n/m ,行程 ：15mm

弹簧总长： 30mm ，活塞杆总长为 60mm

油的工作压力： 2=13k g f /c m P 1

Q 60.2kgf 4

P A ==1 预紧力： = 1.696.3k Q K Q

Q == 总拉长： b

b m C =QP+

C +C Q F （）=111.4kgf (4-7) 相对刚度: b

b m C C +C （）=0.25, 总拉力需增加 30%

所以：

Q d 3.2m m ≥

= （4-8）

[]s s 3s A 240MPa

N N .5d 8mm σσσσ===1 为普通碳素钢钢，安全系数，由于是静截面，取 =1 所以： 完全符合要求。

4.2腕部回转油缸计算

腕部是臂部和手部的连接部位，其作用实在臂部运动的基础上进一步

改变手部或调整手部在空间的方向，从而增加手部工作的灵活性，扩大手部的工作范围。

本设计将运用回转油缸来驱动，设计时我将考虑以下几点：

a 、 结构紧凑，重量轻

b 、 动作灵活平稳

c 、 保证有足够的刚度和强度

1.腕部回转时所需的驱动力矩

=+M M M M

+驱回偏封 如下图所示：

图4-2 腕部驱动力矩计算图

除工件以外，将摆动体等效为一直径 D=70mm ， 长为 200mm 的圆柱体。则重量 m=pv

=p πD2L/4 （4-9） =6kg

取物重 10kg 平均直径 D=50mm ，

则由 G=mg=pvg

所以：L=4m / p πD 2 = 653mm （4-10） 将手部等效为150mm ，直径为 60mm 的圆柱体，则

m=pv=3.3kg

2.克服启动惯性所需力矩

（4-11）

其中：

222

m 122

m 12J=R +mx 0.21.J =+mx =2.1kg.m kg m

=2222工件（1 + 3）（1 3R ） +

所以：M 0.0175

J+J t ω=惯工件起

（） =9.14kgf.m

3.克服由工件，摆动体重心偏移所需力矩

=m l +m l =10 0.25 +3.3 0.03 =0.35kgfm

M ??手手

偏工件工件 （4-12）

4.密封装置处的摩擦力矩：

12

1121=+=bb 3b r M M M M RP M μμ=封封封封CP

封公式中：（R-）PR （4-13）

腕部摆动时受力图如下:

图4-3 腕部摆动受力图

M 0.0175J+J t ω=惯工件起

（）

其中0.15μ= 50b mm = 15b mm = 45R mm = 20r mm = 10MPa p 取

cp R 32.52R r

mm +=

= 则 1

M 封=14.5mm

2M 封=6.2mm

12=+M M M 封封封= 20.7mm=2.2 kgfm （4-14）

5.回转油缸回转油腔的背压力反力矩：

D/222p d/2

=bp d =b/2 (R - r )p M ?

回回回 （4-15）

其中：取 p 回=1MP b=60mm R=35mm r= 20mm

则 ： D /2

22p d/2

=bp d =b/2 (R - r )p M ?

回回回

=24.5=2.5kgfg 6.总驱动力矩：

=+M M M M M ++驱回偏封惯

=0.36 +9.14 +2.2 +2.5

=14. 19kgf 22·

()M 220.58

pb D d kgf -==驱

则 `M

M ≥驱

驱

所以： 所设计的相关尺寸满足，强度要求合理。

7.缸盖连接螺钉计算：

Q S = Q +Q S ` Q=P/Z=π（ R 2 – r 2 ）p/3Z Q S ： 每个螺钉在危险截面上承受的拉力 Q ： 工作载荷 Q S `： 预紧力 P ： 驱动力 P ： 工作油压

Z : 螺钉数目 取6

则代入已知数据知: Q=P/Z

=π（ R 2 – r 2 ）p/3Z

= 1327 N

Q S ` =1.3Q=1725N 所以： Q S = Q +Q S `

=3025N

螺钉的强度条件为： []s

2

11.3=d /4

Q δδ≤π

所以： 1d ≥

查取机械工程手册第5册，取螺钉工程直径为6mm 8.动片与输出轴连接螺钉计算： 动片与输出轴连接方式如下图：

如图4-4 动片与输出轴连接图

1—动片 2—输出轴 3—定片

依动片所受力矩的平衡条件：

22()QZfr 2

bp

R r M -==摩 （4-16）

22bp()

Q=2R r Zfr

-?

式中： Q —每个螺钉的预紧力

P —油压

B —动片宽度 Z —螺钉数目

F —被连接件配合面处摩擦系数取0.15

螺钉的强度条件为：[]2

1.3d /4

S

Q σσ=≤π （4-17）

所以： 1d ≥将以上数据代入公式得：

Q=15225.4N

螺钉材料选用40Cr ，查取相关资料，

[]δ=400MPa

则：

1d ≥

=7.1mm

查取《机械手册》，取螺钉工程直径为：8mm

4.3小臂结构设计

1.伸缩缸的设计

做水平伸缩直线运动的油缸的驱动力

P P P P P =+++回密摩惯

式中： P 摩—摩擦阻力，手臂运动，运动表面间的摩擦力

P 密—密封圈处的摩擦阻力

P 回—油缸回油腔低压油液所造成的阻力 P 惯—启动或制动时所受的平均惯性力

（a ）P 摩 的计算

由于活塞杆与液压缸的相对运动，它们将产生一定的摩擦 如下图：

如图4-5 受力尺寸图

F 0=∑MA

（） =b G AR 总 P P P P P =+++回密摩惯 b =R a G R +总

得： Ra = l a

G a +总

a b =+P P P 摩摩摩 （4-18）

=u`Ra +u`Rb

`l+a =u a

P G 总摩（2）