机械手设计剖析

一、总体方案设计

1.1设计任务

基本要求:

设计一个多自由度机械手（至少要有三个自由度）将最大重量为40Kg的工件，由车间的一条流水线搬到别一条线上；

二条流水线的距离为：1000mm；

工作节拍为：70s；

工件：最大直径为160mm 的棒料；

1.2总体方案确定

1.2.1自由度

自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的开合自由度。自由度表示了机器人灵活的尺度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。

机械手的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是结构也越复杂，自由度的增加也意味着机械手整体重量的增加。轻型化与灵活性和抓取能力是一对矛盾，，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活性和轻量化之间必须做出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用机械手有5～6个自由度即可满足使用要求（其中臂部有3个自由度，腕部和行走装置有2～3个自由度），专用机械手有1～2个自由度即可满足使用要求。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一动作。在满足前提条件上尽量使结构简单，所以我们这次选择5自由度机械手。

1.2.2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：

特点：操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置。

优缺点：结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低。

结构图：

(2)圆柱坐标型机械手：

特点：操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置。

优缺点：结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高。

结构图：

( 3)球坐标(极坐标)型机械手：

特点：操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置。优缺点：结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂。

结构图：

(4)多关节型机机械手。

特点：操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节。

优缺点：运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差。

结构图：

因为本次设计的三自由度机械手主要用来运输2流水线的零件，2者距离1000mm，这就要求机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小。根据上面4种坐标形式，我选择了圆柱坐标形式，这种形式比较符合这次设计的需要。图1-2-3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。

图1-2-3机械手搬运物品示意图

1.2.3机械手的主要部件及运动

在圆柱坐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，本设计关于机械手具有3个自由度既：手抓张合；手臂回转；手臂升降3个主要运动。本设计机械手主要由3个大部件：

（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。

（2）腕部，腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，采用一个回转液压缸实现手部回转。

（3）臂部，臂是机械手机构的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。

（4）机身，机身是直接支承和传动手臂的部件。

1.2.4机械手的驱动元件

在机器人驱动系统中，使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机以及最近几年出现的超声波电机和HD电动机等几种。

步进电机可直接将电脉冲信号转换成转角，每输入一个脉冲，步进电机就回转一定的角度，其角度大小与脉冲数成正比，旋转方向取决于输入脉冲的顺序。步进电机可在很宽的范围内，通过改变脉冲的频率来调速，能够快速起动、反转和制动，有较强的阻碍偏离稳定的能力。在机器人中无位置反馈的位置控制系统

中得到了广泛的应用。

直流伺服电机在机器人中应用也很广泛。常用它直接带动滚珠丝杠驱动关节手臂关节运动。直流伺服电机的工作原理和基本结构均与一般动力用直流电机相同。按激磁方式直流伺服电机可分为永磁式、他激式、并激式和串激式等。在机器人驱动系统中多采用永磁式直流伺服电机。.

交流伺服电机在机器人中的应用情况与置流伺服电机相同，但交流伺服电机与直流伺服电机相.比，，功率大、过载能力强、无电刷、环境适应性好，因而交流伺服电机是今后机器人用电机的发展方向。

低速电机主要用于系统精度要求高的机器人。为了提高功率体积比，伺服电机制成高转速，经齿轮减速后带动机械负载。由于齿轮传动存在间隙，系统精度不易提高，若对功率体积比要求不十分严格，而对于精度有严格的要求，则最好取消减速齿轮，采用大力矩的低速电机，配以高分辨率的光电编码器及高灵敏度的测速发电机，实现直接驱动。环形超声波电动机具有低速大转矩的特点，使用在机器人的关节处，不需齿轮减速，可直接驱动负载，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空结构传递信息。HD电动机是一种小型大转矩(大推力)的电动机，电动机可直接与负载连接，可应用在系统定位精度要求高的机器人产品中。

通过上述对几种机器人常用电机的分析和比较，综合考虑本文机械手臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有较高精度并要求能够快速启动和制动，所以选择应用较为广泛的直流伺服电机作为驱动电机。

1.2.5机械手的技术参数列表

一、用途：搬运:用于传送带间搬运

二、设计技术参数:

1、抓重:40Kg (夹持式手部)

2、自由度数:5个自由度

3、座标型式:圆柱座标

4、最大工作半径:1000mm

6、手臂运动参数

回转范围：0~180°