机械手优秀课程设计.doc

《机电系统》课程设计说明书

课程设计任务书

姓名 班级 学号

设计题目 简易型机械手设计

设计任务：
（1）方案论证；在其基础上进行机械手总体设计，并绘制总体布局图。
（2）驱动系统设计：依据机械手特点，选择舍党驱动方法，依据总体设计要求进行电机选型。进行电机选型相关计算。进行驱动系统零部件选型和设计。绘制驱动系统布局图。
（3）控制系统设计：确定机械手控制方法并进行控制系统控制和编程。绘制控制系统布局图。
（4）传感和测试系统设计：进行控制和驱动系统传感和测试系统设计。
（5）机械本体设计：进行机械本体零部件设计，绘制总体和零件图。
设计工作量:
（1）设计说明书一份
（2）CAD图纸 5张
（3）文档整理排版
指导老师 设计时间 1月3日～1月 21日

目 录
第1章 绪论……………… ……………………………………… ……1
1.1机械手概述……………………………… ……………………… ……1
1.2机械手设计目标………… ………………………… …………… … 3
1.3机械手设计内容………… …………… …………………… … ……4
1.4机械手分类及其在生产中应用… ……… … ……………………… 5
1.5机械手应用意义…………… …… … ……………………… ………8
1.6机械手技术发展方向… ……………… … … ………………… ……9
第2章 设计方案论证………………………………………………10
2.1机械手总体设计…………………………………………………10
2.2机械手腰座结构设计………………………………………………12
2.3机械手手臂结构设计………………………………………………14
2.4工业机器人腕部结构………………………………………………16
2.5机械手末端实施器（手爪）结构设计………………………………18
2.6机械手机械传动机构设计………………………………… ………21
2.7机械手驱动系统设计………………………………………………26
2.8机器人手臂平衡机构设计……………………………………………33第3章 理论分析和设计计算…………………………………………34
3.1液压传动系统设计计算………………………………………………………34
3.2电机选型相关参数计算………………………………………………………43

第4章 控制系统设计………………………………………………47
4.1可编程控制器PLC…… …… …………………………………………47
4.2 PLC选型……………………………………………………………51
4.3机械手工艺步骤…………… ……………… ………………………53
4.4 机械手PLC控制系统程序………… …… …………………………57
第5章 机械手本体设计………………………………………………59
5.1 机械手零部件设计………………… ………………………… … …..59
5.2 机械手总成和零件图………………………………………… ...….…61
致谢……………………………………… ………… …………………62
参考文件………………………………………… ………… …………63

第1章 绪论
1.1机械手概述
机械手关键由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）部件，依据被抓持物件形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多个结 构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成多种转动（摆动）、移动或复合运动来实现要求动作，改变被抓持物件位置和姿势。运动机构 升降、伸缩、旋转等独立运动方法，称为机械手自由度。为了抓取空间中任意位置和方位物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计关 键参数。自由度越多，机械手灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。通常专用机械手有2～3个自由度。控制系统是经过对机械手每个自由度电机控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈信息，形成稳定闭环控制。控制系统关键通常是由单片机或dsp等微控制芯片组成，经过对其编程实现所要功效。
机械手通常常机床或其它机器附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传输工件，在加工中心中更换刀具等，通常没有独立控制装置。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主从式操作手也常称为机械手。机械手在铸造工业中应用能深入发展铸造设备生产能力，改善热、累等劳动条件。机械手机械结构采取滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化经典代表仪器之一。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来一个新型装置。多年来，伴随电子技术尤其是电子计算机广泛应用，机器人研制和生产已成为高技术领域内快速发展起来一门新兴技术，它愈加促进了机械手发展，使得机械手能愈加好地实现和机械化和自动化有机结合。
在现代工业中，生产过程机械化、自动化已成为突出专题。伴随工业现代化深入发展,自动化已经成为现代企业中关键支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随地可见。同时，现代生产中，存在着多种多样生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场所和水下作业等，这些恶劣生产环境不利于人工进行操作。
工业机械手是近代自动控制领域中出现一项新技术，是现代控制理论和工业生产自动化实践相结合产物，并以成为现代机械制造生产系统中一个关键组成部分。工业机械手是提升生产过程自动化、改善劳动条件、提升产品质量和生产效率有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声和带有放射性和污染场所，应用得更为广泛。在中国，近几年来也有较快发展，并取得一定效果，受到机械工业和铁路工业部门重视。
专用机械手经过几十年发展，现在已进入以通用机械手为标志时代。因为通用机械手应用和发展，进而促进了智能机器人研制。智能机器人包含知识内 容，不仅包含通常机械、液压、气动等基础知识，而且还应用部分电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，所以它是一项 综合性较强新技术。现在中国外对发展这一新技术全部很重视，几十年来，这项技术研究和发展一直比较活跃，设计在不停地修改，品种在不停地增加，应用领域 也在不停地扩大。
早在40年代，伴随原子能工业发展，已出现了模拟关节式第一代机械手。
50～60年代即制成了传送和装卸工件通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。
60～70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。
80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。
90年代机械手在特殊用途上有较大发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大应用。
90年代以后，伴随计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展，机械手技术也得到飞速多元化发展。
总而言之，现在机械手关键经历分为三代：
第一代机械手关键是靠人工进行控制，控制方法为开环式，没有识别能力；改善方向关键是将低成本和提升精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，含有视觉、触觉能力，甚至听、想能力。研究安装多种传感器，把接收到信息反馈，使机械手含有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中任务。它和电子计算机和电视设备保持联络，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中关键一环。

1.2机械手设计目标
工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业一个关键教学步骤，是学完技术基础课及相关专业课以后一次专业课程内容得综合设计。经过设计提升学生机械分析和综合能力、机械结构设计能力、机电液一体化系统设计能力，掌握实现生产过程自动化设计方法。经过这一步骤要求达成：
（1）经过设计，把握相关课程（机构分析和综合、机械原理、机械设计、液压和气压传动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及应用、自动化机械设计等）中所取得理论知识在实际中综合地加以利用，是这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产亲密结合起来。所以，工业机械手设计是相关专业基础课和专业课以后综合性专业课程设计。
（2）工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业学生一次比较完整机电一体化整机设计。经过设计，培养学生独立机械整机设计能力，树立正确设计思绪，掌握机电一体化机械产品设计基础方法和步骤，为自动化机械设计打下良好基础。
（3）经过设计，使学生能熟练地应用相关参考资料、计算图表、手册、图册及规范，熟悉相关国家标准和部分标准，以完成一个工业技术人员在机械整机设计方面所必需含有基础技能训练。
（4）因为机械手设计工作量比较大，为使学生在短时间内得到完整训练，同学以小组为单位，分工合作共同完成此次机械手设计任务，这么既节省了时间，有处理了量大，时间紧矛盾，同时最大程度培养了学生分工协作完成大型设计能力。

1.3机械手设计内容
1.3.1机械手方案论证
依据中国外同类产品现实状况，设计课题方案。
1.3.2机械手总体设计
在方案论证基础上进行机械手总体设计，并绘制总体布局图。
1.3.3驱动系统设计
依据机械手特点，选择舍党驱动方法，依据总体设计要求进行电机选型。进行电机选型相关计算。进行驱动系统零部件选型和设计。绘制驱动系统布局图。
1.3.4控制系统设计
确定机械手控制方法并进行控制系统控制和编程。绘制控制系统布局图。
1.3.5传感和测试系统设计
进行控制和驱动系统传感和测试系统设计。
1.3.6机械本体设计
进行机械本体零部件设计，绘制总体和零件图。

1.4机械手分类及其在生产中应用
1.4.1机械手分类
（1）油田钻柱操作机械手
本产品由山东科技大学研发而成，关键用于钻井时钻杆、钻铤等装、卸工作。操作机械手设计有两个，一个坐落在一层台井口旁边2米左右处， 简称为下手；一个坐落在二层台上中心台上，简称为上手。下手腰部回转角度≥120°，最大伸缩距离为5.7米，有5个运动关节，在手臂做伸缩运动时,手部保持水平平动。 上手腰部回转角度为310 °，最大伸缩距离≥2800mm，上手有9个运动关节，手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。 机械手采取手动百分比阀控制下液压控制方法。 机械手能够完成操作对象参数为：①钻柱高30 m；②钻杆重量为：40 Kg/m，总重1200 Kg；③钻铤（七英寸直径）重量为：180 Kg /m，总重5400 Kg。
（2）硬臂式助力机械手
硬臂式助力机械手和气动平衡吊和软索式助力机械手一样全部含有全行程“漂浮”功效，区分是在有扭矩产生情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助力机械手， 而必需选择硬臂式助力机械手。比如在工件重心远离臂悬挂点，或是工件需要翻转或倾斜情况下，必需选择硬臂式助力机械手，还有在厂房高度有限情况下，能够选 用硬臂式助力机械手。
硬臂式助力机械手能够实现提升最大500Kg工件，半径最大能够达成3000mm，提升高度 最大2500mm。依据起吊工件重量不一样，应选择符合最大工件重量最小型号机器，假如我们用最大负载200Kg机械手来搬运30Kg工件，那么操 作性能肯定不好，感觉很粗笨。 配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，开启自锁功效，预防工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。 上海永乾制造助力机械手（含硬臂式、软索式）还能够在用户现场气压不足情况下，增加增压泵，能够使设备运行愈加平稳。 配合多种非标夹具，硬臂式助力机械手能够实现起吊多种形状工件。安装形式能够是地面固定、悬挂固定或是导轨移动。
（3）软索式机械手
软索式机械手功效和气动平衡吊类似，含有全行程“漂浮”功效，不过提升位移比气动平衡吊要小，最大只有3000mm，而且最大负载只有450Kg。 配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者。 配合多种非标夹具，软索式助力机械手能够实现起吊多种形状工件。安装形式能够固定地面或悬挂固定使用，不能使用导轨式。
（4）T型助力机械手
区分于硬臂式助力机械手是T型助力机械手没有双关节机械臂，它前后左右位移靠导轨来实现。因为T型助力机械手没有机械臂，所以它比硬臂式显得小巧，更适合于操作空间狭小场所。
T型助力机械手最大负载要比硬臂式小，只有200Kg，但提升高度能够依据用户要求设计，而且搬运范围要比硬臂式大多。 配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，开启自锁功效，预防工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。 配合多种非标夹具，硬臂式助力机械手能够实现起吊多种形状工件。安装形式为导轨移动。
1.4.2机械手在生产中应用
在现代工业中，生产过程机械化、自动化已成为突出专题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续。专用机床是大批量生产自动化有效措施，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效处理多品种小批量生产自动化关键措施。但除切削加工本身外，还有大量装卸、搬运、装配等作业，有待于深入实现机械化。据资料介绍，美国生产全部工业零件中，有75％是小批量生产； 金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工时间仅占零件生产时间5％。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化迫切性，工业机 械手就是为实现这些工序自动化而产生。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适适用于可变换生产品种中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。中国外机械工业、铁路部门中机搬运械手关键应用于以下几方面：
1.热加工方面应用
热加工是高温、危险粗笨体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提升工作效率，和确保工人人身安全，尤其对于大件、少许、低速和人力所不能胜任作业就更需要采取机械手操作。
2.冷加工方面应用
冷加工方面机械手关键用于柴油机配件和轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接关键于段。
3.拆修装方面
拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多部门之一，促进了机械手发展。现在中国铁路工厂、机务段等部门，已采取机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动 缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提升了拆修装效率。多年还研制了一个客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以 改善劳动条件，提升喷漆质量和效率。
近些年，伴随计算机技术、电子技术和传感技术等在机械手中越来越多应用，工业机械手已经成为工业生产中提升劳动生产率关键原因。机械手即使现在还不如人手那样灵活，但它含有能不停反复工作和劳动、不知疲惫、不怕危险、抓举重物力量比人手大等特点，所以，机械手已受到很多部门重视，并越来越广泛地得到了应用，比如：
(1)机床加工工件装卸，尤其是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。
(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它能够用来装配印制电路板，在机械行业中它能够用来组装零部件。
(3)可在劳动条件差，单调反复易子疲惫工作环境工作，以替换人劳动。
(4)可在危险场所下工作，如军工品装卸、危险品及有害物搬运等。
(5)宇宙及海洋开发。
(6)军事工程及生物医学方面研究和试验。

1.5机械手应用意义
在机械工业中，机械手应用意义能够概括以下：
1.能够提升生产过程自动化程度
应用机械手，有利于提升材料传送、工件装卸、刀具更换和机器装配等自动化程度，从而能够提升劳动生产率，降低生产成本，加紧实现工业生产机械化和自动化步伐。
2.能够改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染和工作空间狭窄等场所中，用人手直接操作 是有危险或根本不可能。而应用机械手即可部分或全部替换人安全地完成作业，大大地改善了工人劳动条件。在部分动作简单但又反复作业操作中，以机械手 替换人手进行工作，能够避免因为操作疲惫或疏忽而造成人身事故。
3.能够降低人力，便于有节奏地生产
应用机械手替换人手进行工作，这是直接降低人力一个侧面，同时因为应用机械手能够连续地工作，这是降低人力另一个侧面。所以，在自动化机床和综合加工自动生产线上，现在几乎全部设有机械手，以降低人力和更正确地控制生产节拍，便于有节奏地进行生产。

1.6机械手技术发展方向
现在中国工业机械于关键用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面全部不能满足工业生产发展需要。所以，中国关键是逐步扩大机械手应用范围，关键发展铸锻、热处理方面机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手同时，对应地发展通用机械手，有条件还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，和适于不一样类型夹紧机构，设计成经典通用机构，方便依据不一样作业要求，选择不用典 型部件，即可组成多种不一样用途机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用范围。同时要提升精度，降低冲击，定位正确，以愈加好地发挥机械手 作用。另外还应大力研究伺服型、记忆再现型，和含有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中一个基础单元。
在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。现在关键用于机床、模锻压力机上下料，和点焊、喷漆等作业中，它可根据事先制订作业程序完成规 定操作，不过还不含有任何传感反馈能力，不能应付外界改变。如发生一些偏离时，就将引发零部件甚至机械手本身损坏。为此，国外机械手发展趋势是大 力研制含有一些智能机械手，使其拥有一定传感能力，能反馈外界条件改变，做出对应变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，关键是研究 视觉功效和触觉功效。视觉功效即在机械手上安装有电视摄影机和光学测距仪（即距离传感器）和卫星计算机。工作时，电视摄影机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，方便分析物体种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功效即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻求工件，经过装在手指内压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手抓力大小可经过装在手指内侧压力敏感元件来控制，达成自动调整握力大小。总而言之，伴随传感技术发展，机械手装配作业能力将深入提升。到1995年，全世界约有50%汽车由机械手装配。现今机械手发展更关键是将机械手和柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变现在机械制造系统人工操作状态。
第2章 设计方案论证
2.1机械手总体设计
2.1.1 机械手总体结构类型
工业机器人结构形式关键有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其对应特点，分别介绍以下。
1.直角坐标机器人结构
直角坐标机器人空间运动是用三个相互垂直直线运动来实现，图a2-1.。因为直线运动易于实现全闭环位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达成很高位置精度（μm级）。不过，这种直角坐标机器人运动空间相对机器人结构尺寸来讲，是比较小。所以，为了实现一定运动空间，直角坐标机器人结构尺寸要比其它类型机器人结构尺寸大得多。
直角坐标机器人工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人关键用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。
2.圆柱坐标机器人结构
圆柱坐标机器人空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现，图2-1.b。这种机器人结构比较简单，精度还能够，常见于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状空间。
3. 球坐标机器人结构
球坐标机器人空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现，图2-1.c。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。关键应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形空间。
4. 关节型机器人结构
关节型机器人空间运动是由三个回转运动实现，图2-1。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，全部广泛采取这种类型机器人。 关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。

图2-1 四种机器人坐标形式
2.1.2 设计具体采取方案

图2-2
具体到本设计，因为设计要求搬运加工工件质量达30KG，且长度达500MM，同时考虑到数控机床布局具体形式及对机械手具体要求，考虑在满足系统工艺要求前提下，尽可能简化结构，以减小成本、提升可靠度。该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为手臂回转运动,综合考虑，机械手自由度数目取为3，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个移动自由度，其特点是:结构比较简单,手臂运动范围大,且有较高定位正确度。机械手工作布局图图2-2所表示。

2.2 机械手腰座结构设计
进行了机械手总体设计后，就要针对机械手腰部、手臂、手腕、末端实施器等各个部分进行具体设计。
2.2.1 机械手腰座结构设计要求
工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人回转基座。它是机器人第一个回转关节，机器人运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计标准：
1.腰座要有足够大安装基面，以确保机器人在工作时整体安装稳定性。
2.腰座要承受机器人全部重量和载荷，所以，机器人基座和腰部轴及轴承结构要有足够大强度和刚度，以确保其承载能力。
3.机器人腰座是机器人第一个回转关节，它对机器人末端运动精度影响最大，所以，在设计时要尤其注意腰部轴系及传动链精度和刚度确保。
4.腰部回转运动要有对应驱动装置，它包含驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置通常全部带有速度和位置传感器，和制动器。
5.腰部结构要便于安装、调整。腰部和机器人手臂联结要有可靠定位基准面，以确保各关节相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器传动间隙。
6.为了减轻机器人运动部分惯量，提升机器人控制精度，通常腰部回转运动部分壳体是由比重较小铝合金材料制成，而不运动基座是用铸铁或铸钢材料制成。
2.2.2 设计具体采取方案
腰座回转驱动形式要么是电机经过减速机构来实现，要么是经过摆动液压缸或液压马达来实现，现在趋势是用前者。因为电动方法控制精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人第一个回转关节，对机械手最终精度影响大，故采取电机驱动来实现腰部回转运动。通常电机全部不能直接驱动，考虑到转速和扭矩具体要求，采取大传动比齿轮传动系统进行减速和扭矩放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采取一级齿轮传动，采取大传动比（大于100），同时为了减小机械手整体结构，齿轮采取高强度、高硬度材料，高精度加工制造，尽可能减小因齿轮传动造成误差。腰座具体结构图2-3所表示：

图2-3 腰座结构图

2.3 机械手手臂结构设计
2.3.1 机械手手臂设计要求
机器人手臂作用，是在一定载荷和一定速度下，实现在机器人所要求工作空间内运动。在进行机器人手臂设计时，要遵照下述标准；
1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直轴应尽可能相交于一点，这么能够使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人控制。
2.机器人手臂结构尺寸应满足机器人工作空间要求。工作空间形状和大小和机器人手臂长度，手臂关节转动范围有亲密关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕空间姿态要求，假如对机器人手腕姿态提出具体要求，则其手臂末端可实现空间要小于上述没有考虑手腕姿态工作空间。
3.为了提升机器人运动速度和控制精度，应在确保机器人手臂有足够强度和刚度条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂重量。努力争取选择高强度轻质材料，通常选择高强度铝合金制造机器人手臂。现在，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢1/4，相当于铝合金2/3），不过，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。现在比较有效措施是用有限元法进行机器人手臂结构优化设计。在确保所需强度和刚度情况下，减轻机器人手臂重量。
4.机器人各关节轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成运动误差。所以，各关节全部应有工作可靠、便于调整轴承间隙调整机构。
5.机器人手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提升机器人手臂运动响应速度是很有利。在设计机器人手臂时，应尽可能利用在机器人上安装机电元器件和装置重量来减小机器人手臂不平衡重量，必需时还要设计平衡机构来平衡手臂残余不平衡重量。
6.机器人手臂在结构上要考虑各关节限位开关和含有一定缓冲能力机械限位块，和驱动装置，传动机构及其它元件安装。
2.3.2 设计具体采取方案
机械手垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）伸缩运动全部为直线运动。直线运动实现通常是气动传动，液压传动和电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件重量较大，考虑加工工件质量达30KG，属中型重量，同时考虑到机械手动态性能及运动稳定性，安全性，对手臂刚度有较高要求。综合考虑，两手臂驱动均选择液压驱动方法，经过液压缸直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是实施运动件，不用再设计另外实施件了；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机控制。因为液压系统能提供很大驱动力，所以在驱动力和结构强度全部是比较轻易实现，关键是机械手运动稳定性和刚度满足。所以手臂液压缸设计标准是缸直径取得大一点（在整体结构许可情况下），再进行强度较核。同时，因为控制和具体工作要求，机械手手臂结构不能太大，若仅仅经过增大液压缸缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求。所以，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，和活塞杆一起组成等边三角形截面形式，尽可能增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形部署，为减小质量，各个导杆均采取空心结构。经过增设导杆，能显著提升机械手运动刚度和稳定性，比很好处理了结构、稳定性问题。

2.4 机械手腕部结构设计
机器人手臂运动（包含腰座回转运动），给出了机器人末端实施器在其工作空间中运动位置，而安装在机器人手臂末端手腕，则给出了机器人末端实施器在其工作空间中运动姿态。机器人手腕是机器人操作机最末端，它和机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上末端实施器空间运动轨迹和运动姿态，完成所需要作业动作。
2.4.1 机器人手腕结构设计要求
1.机器人手腕自由度数，应依据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，各关节运动角度愈大，则机器人腕部灵活性愈高，机器人对对作业适应能力也愈强。不过，自由度增加，也肯定会使腕部结构更复杂，机器人控制更困难，成本也会增加。所以，手腕自由度数，应依据实际作业要求来确定。在满足作业要求前提下，应使自由度数尽可能少。通常机器人手腕自由度数为2至3个，有需要更多自由度，而有机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部运动就能实现作业要求任务。所以，要具体问题具体分析，考虑机器人多个布局，运动方案，选择满足要求最简单方案。
2.机器人腕部安装在机器人手臂末端，在设计机器人手腕时，应努力争取降低其重量和体积，结构努力争取紧凑。为了减轻机器人腕部重量，腕部机构驱动器采取分离传动。腕部驱动器通常安装在手臂上，而不采取直接驱动，并选择高强度铝合金制造。
3.机器人手腕要和末端实施器相联，所以，要有标准联接法兰，结构上要便于装卸末端实施器。
4.机器人手腕机构要有足够强度和刚度，以确保力和运动传输。
5.要设有可靠传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提升传动精度。
6.手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以预防超限造成机械损坏。
2.4.2设计具体采取方案
经过对数控机床上下料作业具体分析，考虑数控机床加工具体形式及对机械手上下料作业时具体要求，在满足系统工艺要求前提下提升安全和可靠性，为使机械手结构尽可能简单，降低控制难度，本设计手腕不增加自由度，实践证实这是完全能满足作业要求，3个自由度来实现机床上下料完全足够。具体手腕（手臂手爪联结梁）结构见图2-4。

图2-4手爪联结结构

2.5机械手末端实施器（手爪）结构设计
2.5.1机械手末端实施器设计要求
机器人末端实施器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业附加装置。机器人末端实施器种类很多，以适应机器人不一样作业及操作要求。末端实施器可分为搬利用、加工用和测量用等。
搬利用末端实施器是指多种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运物体。
加工用末端实施器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具机器人附加装置，用来进行对应加工作业。
测量用末端实施器是装有测量头或传感器附加装置，用来进行测量及检验作业。
在设计机器人末端实施器时，应注意以下问题；
1.机器人末端实施器是依据机器人作业要求来设计。一个新末端实施器出现，就能够增加一个机器人新应用场所。所以，依据作业需要和大家想象力而发明新机器人末端实施器，将不停扩大机器人应用领域。
2.机器人末端实施器重量、被抓取物体重量及操作力总和机器人许可负荷力。所以，要求机器人末端实施器体积小、重量轻、结构紧凑。
3.机器人末端实施器万能性和专用性是矛盾。万能末端实施器在结构上很复杂，甚至极难实现，比如，仿人万能机器人灵巧手，至今还未实用化。现在，能用于生产还是那些结构简单、万能性不强机器人末端实施器。从工业实际应用出发，应着重开发多种专用、高效率机器人末端实施器，加之以末端实施器快速更换装置，以实现机器人多个作业功效，而不主张用一个万能末端实施器去完成多个作业。因为这种万能实施器结构复杂且造价昂贵。
4.通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限末端实施器，可适适用于不一样机器人，这就要求末端实施器要有标准机械接口（如法兰），使末端实施器实现标准化和积木化。
5.机器人末端实施器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方便是电气式实施机构。所以，工业机器人实施机构主流是电气式，其次是液压式和气压式（在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换步骤）。

2.5.2机器人夹持器运动和驱动方法
机器人夹持器及机器人手爪。通常工业机器人手爪，多为双指手爪。按手指运动方法，可分为回转型和移动型，按夹持方法来分，有外夹式和内撑式两种。
机器人夹持器（手爪）驱动方法关键有三种
1.气动驱动方法 这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪运动方向，用气流调整阀来调整其运动速度。因为气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，因为气体可压缩性，使气动手爪抓取运动含有一定柔顺性，这一点是抓取动作十分需要。
2.电动驱动方法 电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，通常采取直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以取得足够大驱动力和力矩。电动驱动方法可实现手爪力和位置控制。不过，这种驱动方法不能用于有防爆要求条件下，因为电机有可能产生火花和发烧。
3.液压驱动方法 液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位置控制。
2.5.3 机器人夹持器经典结构
1.楔块杠杆式手爪：利用楔块和杠杆来实现手爪松、开，来实现抓取工件。
2.滑槽式手爪：当活塞向前运动时，滑槽经过销子推进手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不一样物体。
3.连杆杠杆式手爪：这种手爪在活塞推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，因为杠杆力放大作用，这种手爪有可能产生较大夹紧力。通常和弹簧联合使用。
4.齿轮齿条式手爪：这种手爪经过活塞推进齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪夹紧和松开动作。
5.平行杠杆式手爪：采取平行四边形机构，所以不需要导轨就能够确保手爪两手指保持平行运动，比带有导轨平行移动手爪摩擦力要小很多。
2.5.4设计具体采取方案
结合具体工作情况，本设计采取连杆杠杆式手爪。驱动活塞往复移动，经过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指最小开度由加工工件直径来调定。本设计根据工件直径为50mm来设计。手爪具体结构形式图2-5所表示：

图2-5机械手末端实施手爪结构图

2.6机械手机械传动机构设计
2.6.1工业机器人传动机构设计应注意问题
机器人是由多级联杆和关节组成多自由度空间运动机构。除直接驱动型机器人以外，机器人各联杆及各关节运动全部是由驱动器经过多种机械传动机构进行驱动。机器人所采取传动机构和通常机械传动机构相类似。常见机械传动机构关键有螺旋传动、齿轮传动、同时带传动、高速带传动等。因为传动部件直接影响着机器人精度、稳定性和快速响应能力，所以，应设计和选择满足传动间隙小，精度高，低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传输转矩大、谐振频率高和和伺服电动机等其它步骤动态性能相匹配等要求传动部件。
在设计机器人传动机构时要注意以下问题：
1.为了提升机器人运动速度及控制精度，要求机器人各运动部件重量要轻，惯量要小。所以，机器人传动机构要努力争取结构紧凑，重量轻，体积小。
2.在传动链及运动副中要采取间隙调整机构，以减小反向空回所造成运动误差。
3.系统传动部件静摩擦力应尽可能小，动摩擦力应是尽可能小正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精度降低，寿命减小。所以，要采取低摩擦阻力传动部件和导向支承部件，如滚珠丝杠副、滚动导向支承等。
4.缩短传动链，提升传动和支承刚度，如用预紧方法提升滚珠丝杠副和滚动导轨副传动和支承刚度；采取大扭矩、宽调速直流或交流伺服电机直接和丝杠螺母副连接，以减小中间传动机构；丝杠支承设计采取两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。
5.选择最好传动比，以达成提升系统分辨率、降低等效到实施元件输出轴上等效转动惯量，尽可能提升加速能力。
6.缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、降低支承变形等方法。
7.合适阻尼比，机械零件产生共振时，系统阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但大阻尼也会使系统失动量和反转误差增大，稳态误差增大，精度降低。故在设计时要使传动机构阻尼适宜。
2.6.2工业机器人常见传动机构形式
1.齿轮传动机构
在机器人中常见齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。
机器人系统中齿轮传动设计部