关节型机械手设计

摘要
本说明书所设计的关节型机械手应用圆柱坐标式整体机构，能够实现夹取、安放、搬运棒形工件等功能。

这个机械手主要由手爪、手腕、手臂、腰部和机座等部分组成，主要的活动功能体现在整个机械手的四个自由度以及手爪的闭合。

其中四个自由度包括腰部的回转，腰部的升降，手臂的伸缩，手腕部的回转。

这个机械手的整体规模一般，适用于小巧型工业零件的抓取和搬运，如电子加工业等。

该机械手主要就是靠液压缸的油压变化来实现4个自由度和手爪的夹取。

在油路的布置和规划中应用了液压传动的原理以及机械制造的原理，使得油路能够更加的符合机械设计过程中的合理性和可靠性，安全性和经济性。

充分利用好机构的相互配合关系，合理布置零件间的空间结构，使本设计更加的合理完善。

关键字：关节型机械手圆柱坐标液压缸四自由度
Abstract
This explanation is designed articulated robot application type cylindrical coordinates overall organization, to achieve gripping, put the rod work piece handling functions. The robot gripper mainly by the wrists, arms, waist and base and other components, the main event features embodied in the entire four degrees of freedom and the robot gripper closure. Four degrees of freedom, including rotation, waist lifting, telescopic arm, wrist rotation of the waist. The overall size of the robot is generally suitable for compact industrial parts crawl and handling, such as electronic processing industry.
The robot is mainly by hydraulic cylinders to achieve change gripping four degrees of freedom and a gripper. In the oil circuit layout and planning of the application of the principles and the principles of hydraulic transmission machinery manufacturing, making the oil to be more in line with the mechanical design process rationality and reliability, safety and economy. Take full advantage of a good relationship with each other agencies, rational arrangement of space between the structural components, making the design more reasonable and perfect.
Keywords: articulated manipulator cylindrical coordinates cylinder four degrees of freedom
目录
摘要 (1)
目录 (3)
1.1研究目的 (4)
1.2 研究意义 (4)
2 机械手的总体设计 (6)
2.1 关节型机械手的组成 (6)
2.1.1 执行机构 (9)
2.1.2 驱动机构 (10)
2.2 圆柱坐标式机械手运动简图 (10)
3 关节型机械手机械系统设计 (11)
3.1 手部 (11)
3.1.1 夹紧力的计算 (11)
3.1.2夹紧缸驱动力计算 (11)
3.2 腕部 (12)
3.2.1 腕部设计的基本要求 (12)
3.2.2 腕部回转力矩的计算 (13)
3.2.3 手腕回转缸的设计计算 (14)
3.3 臂部 (14)
3.3.1 手臂伸缩液压缸 (14)
3.3.2手臂回转液压缸 (20)
结论 (22)
参考文献 (23)
致谢 (24)
+
1 绪论
机械手这几十年在中国已经发展起来成为一种高新技术自动化生产设备。

它的特点是可通过编程来控制各种预期的工作任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的灵活性和适应性。

机械手工作的准确性和耐各种环境中完成作业的能力，在社会化大生产中的各个领域有着广阔的应用前途。

1.1研究目的
本次毕业设计是关节型机械手的机构设计，在社会生产中关节型机械手的使用已经十分广泛，被大量的应用于重工业、轻工业等领域。

实际上这个课题的设计在国内外都已有了相当先进的科学研究成果。

国外对机械手的研究早已在上个世纪九十年代就达到了机电一体化的程度，他们现在更多地是在研究如何用人们的思维或人体的简单动作去完成去机械手的控制与操作。

国内这几年在这些领域也有了快速的发展，在各大院校的研究室以及各个科研机构的研究室都积极地开发相关产品。

所以，我此次的设计是在参考阅读了大量相关已有的技术资料，并在符合指导老师肖老师所提出的各类要求下对大学四年所学知识的一次应用和升华。

此次的设计过程需应用到大学学到的许多门相关课程如机械设计、机械原理、液压与气压传动等等。

同时也要求我熟悉的使用操作CAD、Pro-E软件以及机械制图中的相关知识。

这一切也算是对我大学画上的最好的一个句号！
1.2 研究意义
关节型机械手在当今工业快速发展的中国有着举足轻重的地位。

在许多工业制造机械制造领域工业机械手具有许多人类无法比拟的优点，大大提高了社会生产力满足了社会化大生产的需要，其主要优点如下：
1可以在危险和有害操作代替人。

只要根据工作环境的合理设计，选择合适的材料和结构，机器人可以在一个不正常的高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，辐射效应，以及冲压，火灾等危险环境做的工作。

许多类型的事故，如冲压，铸造，热处理，锻造，绘画和电弧焊接等作业的强紫外线照射，并应促进工业机器人或机器人。

2能长时间工作，不怕疲劳，人们可以从繁重单调的劳动被释放，并拓展和延
伸人类的能力。

经过几个小时的连续工作的人总是感到疲倦或疲劳，只要注意机器人的维护，检修，合格的努力长期单调重复。

3动作准确，这样你就可以稳定和提高产品质量，同时避免人为错误。

4机械臂尤其是常见的工业机器人的通用性，柔韧性好，能更好地适应不断变化的产品品种，满足柔性生产的需要。

可以显著提高生产力并降低成本。

2 机械手的总体设计
2.1 关节型机械手的组成
工业机械手是由执行机构、液压驱动系统组成的。

执行机构的自由度实现形式主要如下：
1）腰部的升降如图所示
腰部升降液压缸的工作原理如下：
液压油从缸底盖右下端的油管进入油腔中，给予一定的油压使得活塞和活塞杆以一定的速度向上运动从而推动机械手的臂部、腕部和手部的整体上下运动。

回程过程时由右侧缸盖上方的油管充入一定量的液压油使活塞和活塞杆整体下降。

由图可知，此机械手腰部的升降距离就由这个空腔的垂直高度决定。

2）腰部的回转如图所示
腰部回转液压缸的工作原理如下：
此图中表示的腰部的回转运动是由回转液压缸来实现的。

由图可知，标号为3处的液压缸动片由键同回转轴固定在一起。

此时当液压油从5左油孔进油时就会产生一定的油压，由于动片与回转轴是固定的，所以油缸就产生了相对的转动同时也带动整个臂部旋转。

同样的，当油从6右油孔进入时油压就会使缸体及臂部向相反的方向转动。

3）手臂的伸缩如图所示：
工作时，液压油从左侧缸体下部的油孔进入，回转轴通过螺纹与缓冲套连在一起，由于两边缓冲套、轴肩的轴向定位以及缸筒的周向约束，活塞和活塞杆就被连在一起。

当活塞杆左端受到油压时，活塞杆与活塞就会一起向右边伸展运动。

（左侧的回油路可以在回程过程中起到维持液压油流速及油压的作用。

）回程时油从左侧的油孔进入油腔。

其中的缓冲节流阀可以在往返过程中控制油腔中的油量以维持活塞杆伸缩的速度。

4）手腕的回转如图所示
手腕部回转液压缸的原理与腰部的回转相似。

区别在于这里是缸体固定，动片和回转轴在油压的作用下完成回转动作。

油路的分布也有所不同。

5）手爪的抓取如图所示
手爪的抓取闭合左侧的油管进油产生油压推动活塞渐而推动弹簧压缩使得楔块向右直线运动，类似凸轮机构一样让两手爪闭合抓取物料。

在搬运过程中保持一定的油压让手爪处的弹簧处于拉伸状态。

当要卸料时就在油孔端减小油量使油压降低让弹簧都缓慢的恢复到初始位置完成下料动作。

2.1.1 执行机构
1.手爪部分也就是机械手直接与件料接触的部分，采用两指式的回转型的手爪，因其结构简单易懂。

手爪的外形采用向内抓取的方式，并截面为梯形的手指使棒料在机械手搬运过程中更加平稳牢靠。

在传力机构方面采用液压动力及弹簧的伸缩来实现。

通过控制油量渐而影响油压来实现整个抓取动作的完成
2.手腕部分是连接手爪部分和手臂的部件，主要需要完成的就是手腕的回转动作。

手腕部分主要由回转液压缸组成。

在设计过程中还把手爪部分所需要的液
压传力机构的油路设计在回转轴内并设计合理的回程。

设计时需要在油缸上开设有两个油孔来实现液压回转功能
3.手臂部分手臂是用来支持手腕及手爪各种运动以及具有伸缩功能的部分。

本文的手臂只有一个部分和一个自由度。

采用圆柱坐标式。

在伸缩过程中的传力机构也是液压缸，并利用了如缓冲节流阀等机构来实现对手臂运动的速度控制。

4.腰部腰部是连接手臂和底座的部分，需要支撑起整个手臂的重量。

这里我有点小偷懒就把腰部和手臂部焊接在一起了。

腰部能够实现两个自由度，腰部的回转以及腰部的升降。

腰部的回转与腕部的回转十分相似。

2.1.2 驱动机构
该机械手的驱动机构主要采用液压缸驱动模式。

采用液压缸的方式来驱动的驱动力范围跨度大，成本也较低。

主要就是有升降液压缸、回转液压缸等。

在合理安排液压油路的同时也增设了缓冲节流阀等来控制液压油速
2.2 圆柱坐标式机械手运动简图
本设计的机械手设计成如下简图形式：
图2.2 圆柱坐标式机械手
3 关节型机械手机械系统设计
3.1 手部
手爪部分是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构多种多样，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而定的。

归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持和吸附两大类。

3.1.1 夹紧力的计算
手指加在工件上的夹紧力，是计算手部的主要依据。

必须对其大小、方向和作用力进行分析、计算。

一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以及工件保持可靠的夹紧状态。

手指对工件的夹紧力可按下式计算：
式中K 1——安全系数，通常取1.2~2.0;
K 2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。

可近似按下式估算
K 2=1+
g
a
其中a —运载工件时重力方向的最大上升速度； g —重力加速度，g ≈ 9.8m/s 2;
a=
响
t v max
max v ——运载工件时重力方向的最大上升速度； t 响——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 。

K 3——方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。

G —被抓工件所受重力（N ）。

3.1.2夹紧缸驱动力计算
如图是液压夹紧装置。

手爪壳和缸壳连成一体，当压力油从液压缸右边油管进油时，活塞杆向左移动，推动手爪闭合；当压力油从液压缸左边进油时，拉动手爪张
开。

缸的拉力（或推力）（N ）为：
p F ）（拉22d D 4-=π
p F 2D 4
π
=
推
式中 D —活塞直径（m ）; d ——活塞杆直径（m ）;
p ——驱动压力（a P ）。

图3.1 液压缸驱动装置
3.2 腕部
手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是连接手爪部分以及手臂部分，关键是他应具有大约260度的回转能力。

手腕部件具有一个的自由度。

一般手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动即可满足工作要求并且要求严格密封，否则就很难保证稳定的输出扭矩。

因此，在要求较大或转角的情况下，应用齿轮传动来实现。

3.2.1 腕部设计的基本要求
1、力求结构紧凑、重量轻
腕部处于臂部的最前端，它连同手部的精、动载荷均由臂部承受。

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、综合考虑，合理布局
腕部作为机械手的执行机构，有承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求
以及具有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局。

如应解决好腕部与臂部和手部的连接，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题。

3.2.2 腕部回转力矩的计算
腕部回转时，需要克服以下几种阻力。

1、腕部回转支承处的摩擦力矩
一般为了简化计算，取=0.1阻力矩
2、克服由于工件重心偏置所需的力矩
=
式中e——工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）。

3、克服启动惯性所需的力矩
启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度ω及启动所用时间，按下式计算
或者根据腕部角速度ω及启动过程转过的角度φ启按下式：
式中J工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量（N m）；
J ——手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量（N m）；
ω——手腕回转过程的角速度（1/s）；
t启——启动过程中所需时间（s），一般取 0.05-0.3s；
——启动过程所转过的角度（rad）。

手腕回转所需的驱动力矩相当于上述三项之和。

3.2.3 手腕回转缸的设计计算
回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力距，为了使该机械手具有更好的通用性，以及与相应的机构尺寸相吻合，设回转的基本尺寸如下：回转缸内径 D=40mm
输出轴与动片连接处的直径d=10mm
动片宽度b=45mm
回转液压缸的工作压力p=3M
∴
因为，所以是符合要求的。

3.3 臂部
手臂部件是机械手的主要支持手腕运动的部分。

它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。

臂部运动的目的：利用自身的伸缩自由度来搬运物料并支撑物料的拿起与放下。

臂部的自由度主要由伸缩液压缸来实现。

从臂部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。

因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能。

机械手的总体设计可知该臂部分两部分：回转缸、伸缩缸回转缸实现的是手臂旋转，伸缩缸实现的是手臂升降，俯仰缸实现的是手臂的俯仰。

3.3.1 手臂伸缩液压缸
3.3.1.1作水平伸缩直线运动液压缸的驱动力
式中——摩擦阻力。

手臂运动时，为运动件表面的摩擦阻力。

若是导向装置，
则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力。

——密封装置处的摩擦阻力。

——液压缸回油腔低压油液所造成的阻力。

——启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。

1）的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况进行估算。

图3.5 水平移动液压缸受力图
图3.5为双导向杆导向，其导向杆截面形状为圆柱面，导向杆对称配置在伸缩缸的两侧，启动时，导向装置的摩擦阻力较大，计算如下：
由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。

得
=0
得
=
∴
式中——参与运动的零部件所受的总重力（含工作重力）（N）；
L——手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支承前端的距离（m）;
a——导向支承的长度（m）；
——当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。

对于圆柱面：
=（1.27~1.57）
——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时；
钢对青铜：取=0.1~0.5
钢对铸铁：取=0.18~0.3
取=0.2，设手爪、手爪驱动液压缸及回转液压缸所受重力为G=400N，手臂伸缩液压缸所受重力为G=150N，则=400+150+300=850N，L=50mm，a=100mm，则
=0.2×1.3×850(=442N
2）的计算不断密封圈其摩擦阻力不同，此处选用“Y”形密封圈。

=pπdl
式中——摩擦系数，=0.06~0.08
P——密封处的工作压力（）；
d——密封处的直径（m）
l——沿轴向的密封长度，相当于唇部的宽度（m）。

根据活塞杆的直径选“Y”形密封圈型号为B16407ACM，内径为16mm，唇部宽度为7mm，设密封处工作压力为2.5，则
=pπdl=0.07×2.5×π×0.016×0.007=61.58N
3）的计算一般背压阻力较小，可按=0.05p,此处忽略不计。

4）的计算
0.7
式中——参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）（N）；
g——重力加速度，取9.8m/;
——由静止加速到常速的变化量（m/s）；
——启动过程时间（s），一般取0.01~0.5s。

已知=0.07m/s，取=0.5s
∴==12.14N
手臂作水平直线运动液压缸的驱动力为
=12.14+442+61.58+0=515.72N
3.3.1.2 手臂作升降运动的液压缸驱动力
±G
式中——摩擦阻力，如下图所示。

=2f，取f=0.16
G——零部件及工件所受总重力。

其他阻力的计算与上相同，省略。

注意，须按h>0.32ρ计算不自锁的条件。

图3.6 手臂各部件重心位置图
3.3.1.3 伸缩液压缸的结构尺寸
3.3.1.3.1 液压缸内径的计算
图3.7双作用液压缸示意图
如图3.7所示，当油进入无杆腔
当油进入有杆腔
液压缸的有效面积：
固有
（无杆腔）
（有杆腔）
式中 F——驱动力（N）；
——液压缸的工作压力（）；
d——活塞杆直径（m）；
D——液压缸内径（m）；
——液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取=0.95。

由总体设计知，手臂在收缩是液压油进入的有杆腔，取=0.95，则
由于前面的手部和腕部的液压缸内径都选的是40mm，为了使该机械手具有更好的通用性，这里也取D=40mm。

3.3.1.3.2液压缸壁厚计算
初选壁厚δ=5mm，则：
因为16>>3.2时属于中等壁厚，所以该壁厚属于中等壁厚，计算公式为：
式中——液压缸内工作压力（）；
——强度系数（当为无缝钢管时=1）；
C——让管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值；
D——液压缸内径（m）。

该钢臂为无缝钢管，则
=0.001mm
所以选取的壁厚满足条件。

取标准液压缸外径为50mm，则壁厚为5mm。

3.3.1.3.3 塞杆的计算
活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求。

对于杆长l 大于直径d的15倍（即l>15d）的活塞杆还必须具有足够的稳定性。

①按强度条件决定活塞杆直径d
0.002m
所以d=16mm是满足要求的。

②活塞杆的稳定性校核当活塞杆l>15d时，一般应进行稳定性校核。

因为此处活塞杆长度为200mm，直径为16mm，200/16<15，所以这里不用进行活塞杆的稳定性校核。

3.3.2手臂回转液压缸
3.3.2.1手臂回转液压缸结构设计
此工作原理采用一个回转液压缸实现旋转运动。

标号为3处的液压缸动片由键同回转轴固定在一起。

此时当液压油从5左油孔进油时就会产生一定的油压，由于动片与回转轴是固定的，所以油缸就产生了相对的转动同时也带动整个臂部旋转。

同样的，当油从6右油孔进入时油压就会使缸体及臂部向相反的方向转动。

手臂回转时，需要克服以下几种阻力：
1、回转处的摩擦阻力，一般为了简化计算，取=0.1
2、启动惯性所需的力矩
式中——手臂回转部分对轴线的转动惯量（Nm）
——工件对回转轴线处的转动惯量（Nm）
——手臂回转过程的角速度（1/s）
——启动过程所转过的角度（rad）
结论
两个多月的痛并快乐即将步入尾声，我也快要离开这有着四年美好回忆的地方。

回想起设计的过程各色各位，以后一定会让我回味无穷的。

虽然时间的紧迫和就业的压力始终徘徊在设计的过程中，但我还是坚持下来了，我相信坚持就是胜利。

本次毕业设计课题内容覆盖面广。

涉及到机械等主干课程，通过认真学习专研查阅大量资料，我就要完成我的毕业设计了。

这次的设计中，我也发现自己在基础课和专业课上存在的缺陷，在萍姐的悉心指导和同组同学的帮助下，我也逐渐地弥补自己的缺陷，努力做到更好。

通过此次毕业设计，我了解和掌握了机械手设计的基本要求、步骤、方法及应考虑的有关问题，并巩固和深化了大学四年中几乎所有专业知识，为将来的工作打下基础。

在本次设计中，由肖丽萍老师指导。

肖老师工作细致，近人爱笑，在设计中给予我了极大的帮助，指导我完成工作。

萍姐我永远不会忘记。

当然还要感谢我的室友刘强陈明以及余高峰同学，学霸宋科辉同学。

大家一起加油毕业吧。

参考文献
[1]李允文.工业机械手设计[M].北京：机械工业出版社，1996.
[2]左健民.液压与气压传动[M].第四版北京：机械工业出版社,2007.
[3]濮良贵.机械设计[M].第八版. 北京：高等教育出版社，2006.
[4]唐增宝.机械设计课程设计[M].湖北：华中理工大学出版社,1999.
[5]付亚子.机械手控制系统[C].湖北：湖北工业大学，2006.
[6]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学.高等教育出版社，2009.
[7]密封技术网信息中心.常用橡胶密封件的类型和适用条件. 密封技术网，．2010-10-7.
[8]郑文纬.机械原理.第七版北京：高等教育出版社，1997.
[9]何铭新.机械制图.第六版北京：高等教育出版社，2010.
致谢
经过两个多月紧张的工作，我的毕业设计终于做完了。

在这里，我首先要感谢我的毕业设计指导老师肖丽萍老师(萍姐)。

这期间如果不是肖老师的督促和鼓励，我想我是很难完成这次毕业设计的。

在刚拿到“关节型机械手”这个毕业设计题目的时候，我感觉一片茫然，不知道从哪里做起，这时肖老师给了我很大的帮助，她指导我该借哪些参考资料以及怎么做。

每次都是通过网络将我做的进度传给谢老师，从开题报告到毕业设计的初稿我都是这样传给肖老师，然后她再根据我做的提出修改意见，尽管这样很麻烦，但肖老师每次都尽心做好，这点让我相当敬佩。

机械手的设计要用到大学里所学的各种知识，所以我不光要感谢肖老师，还要感谢大学四年里我所有的任课老师，当让也要感谢我亲爱的室友，那两个月是我们一起艰苦奋战的大学最美好的时光，还在制图方面给予我很大帮助。

是他们让我巩固了机械设计的各种基础知识。

最后，再次感谢谢老师、各位任课老师、刘强、余高峰、宋科辉同学和所有对我的毕业设计提供帮助的人，谢谢你们！。