四自由度搬运机械手液压系统设计
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抓重 ：０ｋ ２ ｇ
最大 工作半 径 ：７０ｍｍ １０ 手臂 最大 中心 高度 ：００ｍｍ １０ 手臂 运动参 数 ：
伸缩 行程 ：０ ｍ ７０ｍ
伸缩 速度 ：．０ｍ ｓ ０ ３ ／ 升 降行程 ：５ ｍ ３ ０ｍ 升 降速 度 ：．５ｍ ｓ ０ ０ ／
图 １ 四 自由度 搬 运 机 械 手 结 构 示 意 图
Ａ
力确， 内 ／ 来定 缸径 油
ｌ ３ ／
式中： Ｐ— — 活塞 承受 的最 大推 力 （ ， ＝Ｐ ＋ ＋ Ｎ）Ｐ ＋Ｐ ２＋Ｐ ， 中 ， 、 １ 、 Ｐ 分 别 为 作用 在 活 ３其 ＰｌＴ 、 Ｐ 、３ 塞 上 的总推 力 、 活塞 密封 与油缸 内孔 的摩 擦力 、 塞杆 活 与 缸盖 或导 套处 的摩 擦 力 、 回油 腔 中 的背 压力 和运 动 部 件 的惯性 力 ； 为油 缸 的机 械 效率 ；ｐ为 油 缸进 出 叼 △
２ １ 液压缸 的设 计计 算 ． １ ）液压 缸 内径 Ｄ及 活塞杆 直径 设计 计算 油 缸 的 内径 Ｄ 由油 缸 所 需 输 出 的 最 大 拉 力 或 推
：
孚。 ：
华 ：
×２ ０ ． ５
×６ ０ ． ０
４． ０ １ ９ ６ Ｘ ０～ｍ ／ｓ
升 降缸 的流量 ：
运机 械手液 压 系统原 理 图如图 ３所 示 。
收稿 日期 ：０ １ ５３ ２ １ － －０ ０
图 ２ 机 械 手 夹 持 部 分 结 构 图
作者简介 ： 耿跃峰 （ ９８ ） 男 ， １７ 一 ， 河南汝州人 ， 师 ， 讲 主要从 事 机械 电子及其控制方面的教学与研 究工作 。
４ ２
液压与 气动
２１ ０ ２年第 ２期
四 自 由度 搬 运 机 械 手 液 压 系 统 设 计
耿跃 峰 ，夏政伟
Ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｆｈ ｄ ａ ｌ ｓｓ ｓｅ ｆｒｔ ｅｆ ｕ －ｒ ｅ－ｅ ｒ ｅ ｍａ ｉｕ ａｏ ｈ ｅ ｉｎ ｏ ｙ ｒ ｕｉ ｙ ｔｍ ｏ ｈ ｏ ｒｆｅ － ｇｅ ｎｐ ｌｔｒ ｃ － ｄ
２１ ０ ２年第 ２期
液压 与 气动
４ ３
式中 ： 。 Ｐ 指油缸工作压力 ， 其值为 １ Ｐ ，ｐ 为进 、 ６Ｍ ａａ 回油路总压力损失 ， 由于本系统流速不大 ， 且管路简 单， 故取 △ 。 ． Ｐ 。 ｐ ＝０ ５Ｍ ａ
油泵 流量 Ｑ 。≥ Ｋ（ Ｑ）≥ １ １Ｘ２ ． ７×１ 一 ＝ ． ６ ６ ０
回转范 围 ：。一 ２ 。 ０ ２０
回转速 度 ： 。ｓ ７ ／ ０ 手 腕运 动参数 ： 回转范 围 ：。 ８ 。 ０ 一１０ 回转速 度 ：５ ／ ９ 。ｓ 手指夹 持范 围 ：， ０ｍ ４ ｏ一 ｍ ６
夹持 部分是 机 械手 的重要部 件 之一 ， 主要 由手指 、
２９ ３ ７ × １ ／ｓ ．３ ０一 ｍ。 。
根据 以上设计计算 ， 选用 Ｃ －Ｉ０型油泵 ， ＢＥ Ｏ 其主 要技术指标为： 公称排量 １０ｍ ／， ０ Ｌ ｒ额定压力 １ Ｐ ， ６Ｍ ａ
１泵 ． ２ 吸 油 过滤 器 ． ３１． 沉阔 、３ 溢 ４ 回油过滤器 ． ５油箱 ．
杠杆 、 杆 支座 、 杠 楔块 、 拉簧 、 紧缸 体 等 组 成 ， 图 ２ 夹 如 所示 。工作 时 ， 油缸 在压 力油作 用下 推动 活塞运 动 ， 活 塞 带动 楔块移 动 ， 而带 动手 指绕销 轴转 动 ， 手指握 从 使 紧或在 弹簧作 用下 松开 工件 。
手指握 力 ：０ ５０Ｎ 根据 系统 的工作 要 求 和特 点 ， 定 的 四 自 由度 搬 拟
程 序 、 迹 和要 求代 替 人 手 去搬 运 工 件 或进 行 操 作 的 轨 自动化 装置 。它移 动方 便 、 作灵 活 ， 于实现 生产 过 操 对 程 自动 化 ， 高 劳动生产 率 ， 轻 劳动强度 起着 十分 重 提 减 要 的作 用 。本文所 研究 到 的搬 运机 械手具 有 四个 自由 度 ， 别为手 腕 的旋转 运 动 ， 臂 的伸缩 运 动 、 转 运 分 手 旋 动和升 降运 动 ， 坐标形 式为 圆柱坐 标 ， 用液 压驱动 控 采 制方式 ， 结构示 意 图如 图 １所示 。 其
液压 系统作 为搬 运 机械 手 的重要 驱 动 方 式 ， 主要 用来使 机 械手完 成 工 作夹／ 、 部 摆动 、 松 手 手臂 水 平 位 移 和垂 直 升降等 动作 ， 主要 由油 缸 、 油泵 、 油压 马 达 和 各种 阀组成 ， 本文 主要 对 其进 行 分 析设 计 。 系统 主 要 技术 参数 如下 ：
ＧＥＮＧ ｅ ｆｎｇ，ＸＩ Ｚ ｎ — ｉ Ｙｕ －ｅ Ａ ｈｅ ｇ ｗｅ
（ 昌学 院 电气 信息工程学 院 ， 许 河南 许 昌 ４ １０ ） ６０ ０
摘
要： 简述 了四 自由度 搬运机 械 手及其 夹持部 分 结构特 点及 工作 原理 ， 计 了机 械 手液 压 系统 ， 对 设 并
系统 其 它主要 元件 （ 油缸 、 如 油泵 、 马达等 ） 行 了设计 选型 。 阀、 进
７ 压力表 ．
８ １ ２ 、４ ２ ． 、６、０ ２ 、７ 调速 阀
９、７ ２ 、５ 电磁换 向阀 １ 、 １２ ． １ 、２２ ． １１ 、６ 液压缸
１ 、５ １ 、３ 电液方 向阀 ０ １ 、９ ２ ． １ 、２ 液压马达 ８２ ．
图 ３ 液压系统原理图
伸缩缸 的流量 ：
Ａ
＝Leabharlann ２ 液压 系统 部分 重 要元 件选型
最高压力 ２ Ｐ ， 定 转 速 ２ ０ ／ ｉ， ０Ｍ ａ额 ００ ｒ ｎ 最高 转 速 ｍ ２ ０ ｍｎ 额定驱动功率 ６． ｗ。 ５０ｒ ｉ， ／ １０ｋ
２ ３ 阀的设 计计 算 ． 溢流 阀按 最大工 作压 力 Ｐ 。＝ １ ａ和泵 的最大 ６ＭＰ
流量 选取 。
６ １ 、８ 单 向阀 、４ ２ ．
关 键词 ： 机械 手 ； 自由度 ； 四 夹持 手 爪 ； 压 系统 液 中图分 类号 ：Ｈ１７ 文献标 识码 ： 文章编 号 ：０ ０４ ５ （０ ２ ０ － ４ －３ Ｔ ３ Ｂ １０ －８ ８ ２ １ ）２０ ２０ ０
前 言
１ 液压 系统设计
工业机械手是一种模仿人手动作 ， 并按照设定的
最大 工作半 径 ：７０ｍｍ １０ 手臂 最大 中心 高度 ：００ｍｍ １０ 手臂 运动参 数 ：
伸缩 行程 ：０ ｍ ７０ｍ
伸缩 速度 ：．０ｍ ｓ ０ ３ ／ 升 降行程 ：５ ｍ ３ ０ｍ 升 降速 度 ：．５ｍ ｓ ０ ０ ／
图 １ 四 自由度 搬 运 机 械 手 结 构 示 意 图
Ａ
力确， 内 ／ 来定 缸径 油
ｌ ３ ／
式中： Ｐ— — 活塞 承受 的最 大推 力 （ ， ＝Ｐ ＋ ＋ Ｎ）Ｐ ＋Ｐ ２＋Ｐ ， 中 ， 、 １ 、 Ｐ 分 别 为 作用 在 活 ３其 ＰｌＴ 、 Ｐ 、３ 塞 上 的总推 力 、 活塞 密封 与油缸 内孔 的摩 擦力 、 塞杆 活 与 缸盖 或导 套处 的摩 擦 力 、 回油 腔 中 的背 压力 和运 动 部 件 的惯性 力 ； 为油 缸 的机 械 效率 ；ｐ为 油 缸进 出 叼 △
２ １ 液压缸 的设 计计 算 ． １ ）液压 缸 内径 Ｄ及 活塞杆 直径 设计 计算 油 缸 的 内径 Ｄ 由油 缸 所 需 输 出 的 最 大 拉 力 或 推
：
孚。 ：
华 ：
×２ ０ ． ５
×６ ０ ． ０
４． ０ １ ９ ６ Ｘ ０～ｍ ／ｓ
升 降缸 的流量 ：
运机 械手液 压 系统原 理 图如图 ３所 示 。
收稿 日期 ：０ １ ５３ ２ １ － －０ ０
图 ２ 机 械 手 夹 持 部 分 结 构 图
作者简介 ： 耿跃峰 （ ９８ ） 男 ， １７ 一 ， 河南汝州人 ， 师 ， 讲 主要从 事 机械 电子及其控制方面的教学与研 究工作 。
４ ２
液压与 气动
２１ ０ ２年第 ２期
四 自 由度 搬 运 机 械 手 液 压 系 统 设 计
耿跃 峰 ，夏政伟
Ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｆｈ ｄ ａ ｌ ｓｓ ｓｅ ｆｒｔ ｅｆ ｕ －ｒ ｅ－ｅ ｒ ｅ ｍａ ｉｕ ａｏ ｈ ｅ ｉｎ ｏ ｙ ｒ ｕｉ ｙ ｔｍ ｏ ｈ ｏ ｒｆｅ － ｇｅ ｎｐ ｌｔｒ ｃ － ｄ
２１ ０ ２年第 ２期
液压 与 气动
４ ３
式中 ： 。 Ｐ 指油缸工作压力 ， 其值为 １ Ｐ ，ｐ 为进 、 ６Ｍ ａａ 回油路总压力损失 ， 由于本系统流速不大 ， 且管路简 单， 故取 △ 。 ． Ｐ 。 ｐ ＝０ ５Ｍ ａ
油泵 流量 Ｑ 。≥ Ｋ（ Ｑ）≥ １ １Ｘ２ ． ７×１ 一 ＝ ． ６ ６ ０
回转范 围 ：。一 ２ 。 ０ ２０
回转速 度 ： 。ｓ ７ ／ ０ 手 腕运 动参数 ： 回转范 围 ：。 ８ 。 ０ 一１０ 回转速 度 ：５ ／ ９ 。ｓ 手指夹 持范 围 ：， ０ｍ ４ ｏ一 ｍ ６
夹持 部分是 机 械手 的重要部 件 之一 ， 主要 由手指 、
２９ ３ ７ × １ ／ｓ ．３ ０一 ｍ。 。
根据 以上设计计算 ， 选用 Ｃ －Ｉ０型油泵 ， ＢＥ Ｏ 其主 要技术指标为： 公称排量 １０ｍ ／， ０ Ｌ ｒ额定压力 １ Ｐ ， ６Ｍ ａ
１泵 ． ２ 吸 油 过滤 器 ． ３１． 沉阔 、３ 溢 ４ 回油过滤器 ． ５油箱 ．
杠杆 、 杆 支座 、 杠 楔块 、 拉簧 、 紧缸 体 等 组 成 ， 图 ２ 夹 如 所示 。工作 时 ， 油缸 在压 力油作 用下 推动 活塞运 动 ， 活 塞 带动 楔块移 动 ， 而带 动手 指绕销 轴转 动 ， 手指握 从 使 紧或在 弹簧作 用下 松开 工件 。
手指握 力 ：０ ５０Ｎ 根据 系统 的工作 要 求 和特 点 ， 定 的 四 自 由度 搬 拟
程 序 、 迹 和要 求代 替 人 手 去搬 运 工 件 或进 行 操 作 的 轨 自动化 装置 。它移 动方 便 、 作灵 活 ， 于实现 生产 过 操 对 程 自动 化 ， 高 劳动生产 率 ， 轻 劳动强度 起着 十分 重 提 减 要 的作 用 。本文所 研究 到 的搬 运机 械手具 有 四个 自由 度 ， 别为手 腕 的旋转 运 动 ， 臂 的伸缩 运 动 、 转 运 分 手 旋 动和升 降运 动 ， 坐标形 式为 圆柱坐 标 ， 用液 压驱动 控 采 制方式 ， 结构示 意 图如 图 １所示 。 其
液压 系统作 为搬 运 机械 手 的重要 驱 动 方 式 ， 主要 用来使 机 械手完 成 工 作夹／ 、 部 摆动 、 松 手 手臂 水 平 位 移 和垂 直 升降等 动作 ， 主要 由油 缸 、 油泵 、 油压 马 达 和 各种 阀组成 ， 本文 主要 对 其进 行 分 析设 计 。 系统 主 要 技术 参数 如下 ：
ＧＥＮＧ ｅ ｆｎｇ，ＸＩ Ｚ ｎ — ｉ Ｙｕ －ｅ Ａ ｈｅ ｇ ｗｅ
（ 昌学 院 电气 信息工程学 院 ， 许 河南 许 昌 ４ １０ ） ６０ ０
摘
要： 简述 了四 自由度 搬运机 械 手及其 夹持部 分 结构特 点及 工作 原理 ， 计 了机 械 手液 压 系统 ， 对 设 并
系统 其 它主要 元件 （ 油缸 、 如 油泵 、 马达等 ） 行 了设计 选型 。 阀、 进
７ 压力表 ．
８ １ ２ 、４ ２ ． 、６、０ ２ 、７ 调速 阀
９、７ ２ 、５ 电磁换 向阀 １ 、 １２ ． １ 、２２ ． １１ 、６ 液压缸
１ 、５ １ 、３ 电液方 向阀 ０ １ 、９ ２ ． １ 、２ 液压马达 ８２ ．
图 ３ 液压系统原理图
伸缩缸 的流量 ：
Ａ
＝Leabharlann ２ 液压 系统 部分 重 要元 件选型
最高压力 ２ Ｐ ， 定 转 速 ２ ０ ／ ｉ， ０Ｍ ａ额 ００ ｒ ｎ 最高 转 速 ｍ ２ ０ ｍｎ 额定驱动功率 ６． ｗ。 ５０ｒ ｉ， ／ １０ｋ
２ ３ 阀的设 计计 算 ． 溢流 阀按 最大工 作压 力 Ｐ 。＝ １ ａ和泵 的最大 ６ＭＰ
流量 选取 。
６ １ 、８ 单 向阀 、４ ２ ．
关 键词 ： 机械 手 ； 自由度 ； 四 夹持 手 爪 ； 压 系统 液 中图分 类号 ：Ｈ１７ 文献标 识码 ： 文章编 号 ：０ ０４ ５ （０ ２ ０ － ４ －３ Ｔ ３ Ｂ １０ －８ ８ ２ １ ）２０ ２０ ０
前 言
１ 液压 系统设计
工业机械手是一种模仿人手动作 ， 并按照设定的