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基于PLC的自动机械手设计【实用文档】doc
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１基于ＰＬＣ的气动机械手设计

摘 要

机械手是能够模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓(吸)

取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置，它能部分的代替人的手工劳

动.较高级型式的机械手,还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。在

机械制造业中,机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人的劳动条件，

显著的提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐.在我国,

工业机械手近年来有较快的发展，投入了大量的人力物力加以研究和应用，

并且很好的效果.本课题主要研究的问题是"近距离自动移动式机械手臂设计

-—气压驱动式＂。设计包括两大方面,其中之一是自动行走部分，另一部分为

手臂的运转。采用同一驱动能源－-气泵。行走部分可以采用气压马达带动两

轮转动。气压泵固定在某处,用一根软管将泵与马达相连，马达安装在行走

装置中。运动手臂的直线运动用气缸来实现，旋转运动用气压马达来实现.

行走的时候手臂不动，手臂运动的时候，行走部分停止运动。

关键词 　机械手，气压驱动，自动移动,气泵

２ＴHE DESIGN OF ＭＥCＨANＩＣ　AＲＭ ＭＯVINＧ

ＡＵTOMAＴICLY ＩN CLOＳＥ ＲANGE——-THE DＲIVE

OF ATMOSPHERIC PRESSＵＲE

ABSTRAＣT

Manipulatoｒ ｉs to be abｌe to ｉmｉtaｔe　manpower　ｍｏvemenｔ,　and

accordiｎg to set progｒaｍ，　locｕs anｄ rｅqｕirｅｍeｎｔ　substitｕｔe manｐoweｒ to gｒab

（ｉnhａlｅ),　tａke tｈiｎgs　ｏr tｏol　or ｔhｅ ａｕtｏｍatｉｏn instａlｌatｉon thaｔ opｅraｔeｄ，　it ｃaｎ

ｂe partｉal ｔo rｅplaｃe the ｈandworｋ labｏr　ｏf persｏn. Tｈe　ｍanipｕlaｔoｒ of highｅr

level　type caｎ stiｌｌ　ｉｍｉtate the arｍ movｅｍｅnt of person,coｍpleｔes more cｏｍplex

ｗorｋ.　Ｉn mecｈaniｃal manufａcturiｎg industry， mａnｉpulatoｒ has　ｂｅen appliｅd

eｘｔeｎsiｖｅly，so　ｉmproved thｅ labor condition　of worker ｇreａｔlｙ， raｉsing ｌａbｏr

pｒｏｄuctivity nｏｔably， quickly realize the steｐ of inｄustrial　pｒｏｄuction

mｅchanizａtｉon and aｕtomatiｏn． Ｉn our ｃountrｙ, iｎdusｔrial　mａnipｕlator has moｒe

rａpid deveｌopment in recｅnt yeaｒs， have put in pｌenty of manpoweｒ materiaｌ

resouｒces to stｕdy ａｎd appｌy,and gｅt very good eｆｆｅcｔ。　The　proｂlem ｏｆ　this

proｇram　maｊor rｅseａrch is "tｈe ｄesign of ｍaniｐulator arm mｏｖｉng ａutomatiｃally

in cｌose　ranｇe　—— tｈe drive　of ａtmosｐherｉc　pｒｅssurｅ　”。　Ｄｅsign incｌuｄes tｗo　ｂiｇ

ａsｐeｃtｓ，　one is pｕshcａｒt　movｅ part，ｔhｅ　ｏｔheｒ is the　ｏperaｔion of arm． They both

Ｗith ｓame drive eｎergy —－ air　ｐｕmｐ。 Walk　ｐarｔ ｃan drive ｔｗo wheｅls ｔo turn ｗitｈ

tｈe ｍoｔｏｒ of ａtmoｓｐheriｃ pressｕrｅ。 Tｈｅ ｐump oｆ atmospｈeric prｅｓsure　fixed　iｎ

cｅrtａｉｎ　ｐlaｃe，　ｕse　a flexｉblｅ tube lｉｎｋed tｈe ｐuｍp aｎd mｏｔoｒ， ｍotor iｎｓtallaｔiｏn iｎ

waｌｋ　ｐart。　The moveｍent oｆ　ａrm in stｒaight lｉne ｒｅalizeｓ　wｉth　ｃylindeｒ, reｖｏlvinｇ

moｖemｅnt reaｌizes with the moｔor of atmoｓpheric ｐresｓｕre。 Walkinｇ ａrm　ｄo ｎot

ｍove， ｗhen tｈｅ arm movinｇ, ｗａlk parｔ stop　ｓｐort。

KEY ＷORDS 　ｍaniｐｕｌator, ｔhe drive oｆ atｍｏｓpheｒic pｒｅｓsure， ａutomａｔｉc

3mｏｖabｌｅ , ａir puｍｐ

４目 录

中英文摘要

……………………………………………………………1

前言（或绪论)……………………………………………………… 5

第一章　机械手……………………………………………………… 6

1. 1机械手及其组成…………………………………………………6

1. 2机械手的分类……………………………………………………7

1. 3应用机械手的意义………………………………………………７

1. 4机械手的发展概况………………………………………………8

第二章 机械手的设计………………………………………………11

2. 1机械手设计的总体方案……………………………………… 11

3. 2机器人的规格参数…………………………………………… 11

4. 3气动机械手关节结构设计……………………………………　１２

第三章　气动机械手关节结构参数设计……………………………１９

5. 1设计手臂结构应注意的问题………………………………… 19

6. ２肩关节结构参数设计………………………………………… 20

7. 3肘关节结构参数设计………………………………………… 2５

8. 4腕关节结构参数设计………………………………………… 30

第四章 气动机械臂的PLＣ控制…………………………………31

9. 1ＰLＣ简介…………………………………………………………31

10. ２机械臂的PLC控制……………………………………………　34

结论　…………………………………………………………………41

致谢 …………………………………………………………………42

参考文献…………………………………………………………… 43

前 言

11. 随着我国工业生产的飞跃发展,自动化程度的迅速提高,实现工件的装

卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自

动化，已愈来愈引起人们的重视.

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年

来,随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成

为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，

使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓

取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为"工业机

械手"。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳

动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此,机械手

已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用,生产中应用机械手可

以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、

实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和

放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

本文介绍的PＬC是可编程序控制器(Ｐrogrammablｅ　Logｉc Ｃonｔrolleｒ）

的简称,是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工

业自动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也

越来越强大,更多地具有计算机的功能,所以又简称ＰC（PROGRAMMAＢLE

CONＴＲＯLＬER）,但是为了不和PERSＯNAL COMPUTＥR混淆,仍习惯称为PＬC.目

前PLＣ已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出现

SOFＴPLC，更是PLＣ领域无限的发展前景。本文将通过对PLC控制机械手的系

统设计使读者更进一步的认识PLＣ技术。

6第一章　 机械手

1.1 机械手及其组成

１.１.1　 什么是机械手

机械手是一种能模仿人手臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物

件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化

和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、

冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手是工厂企业高度自动化的标志,

它能完成许多高技术难度和繁重的体力劳动,尤其对于高温、高压、高湿度、

污染等不适宜以人工工作的环境中，机械手起到了不可取代的作用。

1．1．2　 机械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。

一、执行机构

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构.

１、　手部 即与物件接触的部件.手部是用来抓持工件（或工具)的部件，

根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,

如夹持型、托持型和吸附型等。

2、手腕 是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。

３、手臂　 支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。

4、立柱　 是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动

和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系.

5、行走机构 机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮

行走机构。滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。

6、机座 它是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安

装于基座上，故起支承和联接的作用。

7、其它部分 行程检测装置和传感装置等。行程检测装置是检测和控制机械

手各运动行程(位置）的装置。传感装置其中装有某种传感器，使手指具有

敏感性和自控性，用以反映手指与物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物

７件的位置是否准确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应。

二、运动机构

使手部完成各种转动（摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作，改变

被抓持物件的位置和姿势.运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,

称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有６个自

由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，

通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有２～3个自由度.

1．2　 机械手的分类

一、按机械手的使用范围分类:

1、专用机械手　 　一般只有固定的程序，而无单独的控制系统.它从属于某

种机器或生产线，用以自动的传送物件或操作某一工具.这种机械手结构较

简单,成本较低,适用于动作比较简单的大批量生产的场合。

２、通用机械手（也称工业机器人）即指具有可变程序和单独驱动的控制系统，

又不从属于某种机器，而能自动地完成传送物件或操作某些工具的机械装置。

二、按机械手的驱动方式分类：

１、 液压驱动机械手 以压力油进行驱动。

2、　 气压驱动机械手 以压缩空气进行驱动。

3、　 电力驱动机械手　 直接用电机进行驱动.

4、 机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等

传给机械手的一种驱动方式。

三、按机械手臂力大小分类：

1、 微型机械手 臂力小于１公斤。

２、　小型机械手　　 臂力为1～１0公斤。

3、　中型机械手 臂力为１0~30公斤.

4、 大型机械手　 臂力大于30公斤.

四、　按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等.

1．3 应用机械手的意义

８ 　 　随着科学技术的发展，机械手也越来越多地被应用.在机械工业中,铸、

锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都

有应用的实例。其它部门,如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所

应用。

机械工业中，应用机械手的主要目的：

一、可以提高生产过程的自动化程度

应用机械手,有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机

器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本.

二、可以改善劳动条件、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

毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作时有危险或根本不可

能的.而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业,使劳动条件得

以改善。

在一些简单、重复,特别是较笨重的操作中，以机械手代替人手进行工

作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

三、可以减少人力，并便于有节奏地生产

应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由

于应用机械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动

化机床和综合加工自动线上,目前几乎都设机械手,以减少人力和更准确地

控制生产的节拍，便于有节奏进行生产。

综上所述，有效地应用机械手,使发展工业的必然趋势。

1。4　 机械手的发展概况

1.４。１ 对机械手的一般要求

一、降低机械手的成本

为了扩大机械手的使用范围,必须降低机械手的成本.据统计，机械手

电气控制装置所占成本的比重较大。

二、品种多样化

为了适应不同工作的需要，应使的机械手的品种多样化，用机械手代替

更多的人的手工劳动,进而实现生产过程的自动化.特别是那些工作比较单

9一、重复性很大而工作条件又较差和劳动量较大的工种，更应注意设计和使

用各种类型的机械手。

三、零件、部件系列化、通用化、标准化

为了加速扩大机械手的应用领域，应尽量缩短其设计和制造周期。这样，

就要求机械手的某种零件、部件（如手部、臂部等)系列化、通用化、标准化。

然后，即可根据具体工作的需要,将这些零件、部件(或再相应地增加一些

其它零件、部件)进行组合，组成需要的机械手.当然,这样的机械手还应

保证组合方便，一旦工作变更时,就能迅速而顺利的重新组合。

四、产品性能应准确可靠

机械手的重要技术指标之一,就是其性能应稳定可靠。为此，要求设计

合理，元件稳定,制造精确。

1.4。2　 机械手的发展概况与发展趋势

机械手是机械、电子、计算机、液压液力与气压传动等多学科高新技术

融合的成果，是当代技术进步的典型范例。机械手通常用作机床或其它机器

的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中

更换刀具等，一般没有独立的控制装置。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的主从式操作手。

专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。

由于通用机械手的应用发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉

及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气压传动等基础知识,而且还

应用一些电子技术、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,因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一

新技术都很重视.

气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受,而且对于

不太复杂的机械手,用气动元件组成的控制系统已被接受。由于气动技术与

电子技术的结合,以及周边技术的成熟，在工业自动化领域里，气动机械手、

气动机器人的实用性已经充分体现出来。因为气动伺服定位技术一出现，就

受到工业界和学术界的高度重视，同时为气动机器人、气动机械手大规模进

入工业自动化领域开辟了十分宽广的前景。

研制具有一定＂感触”和”智力”的智能机器人.这种机器人，具有各种传

１0感装置，并配备有计算机。根据仿生学的理论,用计算机充当起＂大脑"，使

它能"思考＂、能"分析”、能”记忆".用电视摄像机、测距仪、纤维光学传感

器、导光管或其它光敏元件作为”眼睛＂，在其”视野"的范围内能”看”。用听

筒和声敏元件等作"耳朵"能"听"。用扬声器等作"嘴"能"说话”进行"应答"。

用热电偶和电阻应变仪等作＂触觉＂能"感触＂.用滚轮或双足式的行走机构作

为"脚"来实现自动移位。这样的智能机器人，可以由人用特殊的语言对其下

达命令,布置任务。受令后的智能机器人，即可根据现场环境的各种条件或

信息，独立地＂分析"和"判断＂并自编或自变程序的进行工作；能够自找（选

择）物件的方位，字调握力的大小，自找传送路线以避开障碍物。因此,它

将成为＂无人化”系统的重要组成环节之一.

11 第二章 　机械手的设计

２．１ 　机械手设计的总体方案　本次设计的机械手需要通过气缸来提供动力，设计如图２－1所示

图2－1 气动机械手的结构　１． 机架 　2。 气动肌肉 3。　第一肩关节 　4．　第二肩关节 　 5． 机架臂

12. 第三肩关节 　 7。　大臂 　8.　肘关节　 9。　小臂 10.　腕关节　 11。 气爪

气动机械手主要由起固定支撑作用的机架、机械臂和气爪三部分组成。

气动机械手能够实现4个自由度(由于机构运动确定,因此机构的自由度等

于机构的原动件数目，此机构有4个原动件，因此可得有4个自由度）的运

动，其各自的自由度的驱动全部由气动肌肉来实现。最前端的气爪抓取物品，

通过气动肌肉的驱动实现各自关节的转动,使物品在空间上运动,根据合理

的控制,最终实现机械手的动作要求。驱动第一肩关节的运动有2根气动肌

肉组成，机架臂有4根气动肌肉组成,大臂上安装有4根气动肌肉,小臂上

安装有４根气动肌肉.

2．２　 机器人的规格参数　１、主参数 机械手的最大抓重是其规格的主参数，机械手最大抓重以10公

斤左右的为最多。故该机械手主参数定为１０公斤.

2、基本参数　　运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提

12出了要求,设计速度过低则限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的

主要因素是手臂伸缩及回转的速度。

该机械手最大移动速度设计为１20０毫米/秒，最大回转速度设计为1200/

秒。平均移动速度为1000毫米/秒，平均回转速度为900/秒。机械手动作时

有起动、停止过程的加、减速度存在，用速度－行程曲线来说明速度特性较为

全面,因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速

度特性.则手臂前后伸缩平均速度为1000毫米/秒，手臂上下升降平均速度

为５0０毫米／秒,手臂回转平均速度为900/秒。

除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大

部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸

缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而使刚性降低.在这种情况下宜

采用自动传送装置为好.据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600

毫米，最大工作半径为1500毫米，手臂安装前后可调２00毫米。手臂回转行

程范围定为2400,又由于该机械手设计成手臂安装方位可调,从而扩大了它

的适用范围.手臂升降行程定为150毫米。气压驱动工作压力P为４～6公斤

／厘米2。机械手臂定位和缓冲采用机械挡块和缓冲器定位；定位精度为±

０。5~±1毫米.

2.3　 气动机械手关节结构设计

2.3。1 　关节的基本方式

在气动机械手设计中，有4个自由度，相当于４个独立的关节.每个关

节的驱动原理都是相同的，即由一对相当于人类拮抗的气动肌肉相互之间的

对抗作用来驱动关节。其原理如图2—2所示。这种方式驱动的关节，其刚度

和两个肌肉的压力之和有关，而其位置则和2个肌肉的压力差有关，因此可

以实现关节位置和刚度的独立控制.

图2—2 关节的基本驱动方式 2.３．2 肩关节结构设计

131） 第一肩关节的设计

第一肩关节主要是由２根气动肌肉作为驱动，实现绕Z轴(X、Y、Ｚ轴

的方向标在图2-1中，下同)转动这1个自由度,其结构简图如图2-３（ａ）所

示.三维建模的第一肩关节结构如图2－3(ｂ）所示。

图2—３（ａ)　 第一肩关节结构简图 图２-３（ｂ） 第一肩关节三维结构图 2） 第二肩关节的设计

第二肩关节和其下的4根机架臂相连接，为的是实现绕X轴旋转这1

个自由度,其结构简图如图2—4a所示.三维建模的第二肩关节结构如图

2－４b所示.

1４

图２－4（a） 　 　 图2—4(b)

第二肩关节结构简图 　　 　　 第二肩关节三维结构图

3) 第三肩关节的设计

第三肩关节是连接第二肩关节和大臂的纽带。主要零件是肩部连接腕和

中部支撑杆.其中肩部连接腕固定在肩部连接轴上,在机架臂的带动下,使

得大臂、小臂及气爪整体绕X轴的转动，其另一功能是连接大臂的4根气动

肌肉。中部支撑杆是用来固定肘关节，是大臂的支撑杆。其三维结构图如图

２-5所示。

15 图２—5 第三肩关节三维结构图

2．3．３ 肘关节结构设计

1) 虎克铰简介

气动机械手的设计难点主要在于肘关节和腕关节的实现。最灵活的关节

形式就是球铰，有3个自由度,但是其实现复杂，控制难度比较大。在许多气

动机械手的研究中，采用的驱动器都是电机，为实现肩关节的3个自由度，结

构往往比较复杂[28，29］。作为2个自由度的机构,虎克铰的结构比较简单，且2

个自由度之间的运动可以独立进行控制。由于驱动方式的限制，虎克铰的应

用在机器人中不是很常见。本研究采用气动肌肉，可以方便地对这种机构进

行控制,实现两个自由度的运动。在本设计中,采用如图2－６所示的虎克铰形

式来实现肘关节的２个自由度。

图2-６　 虎克铰的基本结构 2） 肘关节的结构设计

１6肘关节主要是由一个虎克铰的结构构成。由于虎克铰能够实现2个自由

度，并且虎克铰的2根轴相互垂直，这就要求肘关节与大臂的气动肌肉的连接

件必须具有两个方向单一的铰链点结构,其三维结构如图2—７所示。

图2－7 　气动肌肉连接件 肘关节是连接大臂与小臂的重要关节。分别是通过中部支撑杆和前部支

撑杆维系着这两个结构，其三维结构图如图2—8所示。其中一些重要的尺寸参

数分别

图2-8 肘关节三维结构图 由X、Y轴方向来确定,肘关节X轴方向上的结构简图如图2-９a所示，绿色表示

的是肌肉连接件，由于在X轴方向上，其与气动肌肉没有相互转动，因此表示

成同一条直线，绿色只是说明这里另一个零件,Y轴方向上的结构简图如图

２—9b所示。当不同相邻的两根气动肌肉组成一对时，可以实现绕不同轴的旋

转。如图2－8(左图）所示,当前面的两根气动肌肉组成一对，即两根肌肉有

17相同的运动形式，可知后面的是一对，在运动过程中可以实现绕Ｙ轴的转动.

同样的左、右各为一对时,可以实现绕X轴的转动。

（a) Ｘ轴方向 　 　　 　　　 　（b） Y轴方向

图2-9 　肘关节X、Ｙ轴方向的结构简图

2。3．4 腕关节结构设计

腕关节大体上与肘关节的结构相似,主要有一个虎克铰的结构构成。同

样能够实现２个自由度,与肘关节不同的是绕着Ｘ轴、Z轴的旋转。腕关节和小

臂的连接件和肘关节的连接件一样(如图２—7）,是两个方向单一的铰链点.

腕关节通过前部支撑杆和肘关节固定,前端安装有一个气爪.其三维结构如

图2—１0所示。

18 图2-１0 　腕关节三维结构图 腕关节设计过程中的一些重要尺寸参数有X轴，Z轴方向来确定。其在X

轴方向上的结构简图如图2－11(a）所示，Z轴如图2-１１（b）所示。

(a） X轴方向 （b)　Z轴方向

图２—１1　 腕关节Ｘ、Z轴方向的结构简图

１9第三章 　气动机械手关节结构参数设计

３.1 设计手臂结构应注意的问题　 手臂的结构形式是根据机械手的抓取重量、自由度数、运动速度、工作

范围、定位精度以及机械手的整体布局等因素决定的.手臂结构是否设计的

合理，对机械手的工作性能有着很大的影响,在设计手臂结构是,除了考虑

上述诸因素外,还应注意以下几点：

Ⅰ、应使手臂刚度大、重量轻

由于机械手的手臂一般悬伸长度比较长，若手臂的刚度不够时,会发生

手臂弯曲变形过大，就会引起手臂的定位不准，而且也直接影响活塞杆(即

手臂）运动的灵活性。另外，手臂在起动或制动过程中受到惯性力或惯性力

矩的作用，手臂将发生颤动,由于手臂的颤动,也会影响手臂的定位精度，

除了采用可靠的定位装置外，应对手臂结构有一定的刚度要求,才能保证手

臂的准确的工作和一定的定位精度。

Ⅱ、应使手臂运动速度快、惯性小

为了减小惯性冲击,一般采取的措施有:

⑴ 手臂架选用铝合金等轻质材料来制造,以减轻手臂运动件的质量.

⑵ 尽量缩短手臂悬伸部分的长度,使手臂未伸出时的总重量的重心偏

于伸缩方向的反侧，以减小回转半径。

⑶　 减小手臂运动件的轮廓尺寸,使其结构紧凑。

⑷ 在驱动系统中增设缓冲装置,使运动件减速缓冲。

Ⅲ、手臂动作应灵活

为使手臂运行轻快、灵活，除手臂本身结构紧凑轻巧外，应减少手臂运

动件之间的摩擦阻力，用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬伸式的机械手,手

臂上零部件（如传动件、导向件、定位件等）的布置应合理，使手臂运动过

程中尽量保持平衡，以减少对升降支承轴线的偏重力矩,使手臂运动灵活,

防止发生＂卡死＂(即自锁)现象。

Ⅳ、应使手臂传动准确、导向性好

为了能准确的传递工件和保证传动的平稳，应设有导向支承装置,以保

证手指的正确方向,并增强手臂的刚性。另外装在手臂上的零部件要求便于

20装拆和调整.

Ⅴ、输气管道的布置应合理

机械手上的各工作气缸彼此在空间作相对的直线运动或回转运动,要求

结构紧凑、外形整齐、动作灵活，因此对各个工作气缸的输气管道布置应给

予足够的重视，尤其是接近工作对象的手腕和手指夹紧缸，在外部用很多的

软管向气缸输入压缩空气,虽然软管安装维修较方便,但是他会影响机械手

的运动，并易损伤,而且手臂外形不整齐。

Ⅵ、其他要求

对于在粉尘场合工作的机械手，应设有防尘装置等。

3．２ 肩关节结构参数设计

3。2．１第一肩关节结构参数设计

第一肩关节的结构简图如图3—1所示。

图3－1　第一肩关节的结构简图 假定CBOEC1是第一肩关节开始的运动位置，ＢＤＤ1E可绕O点旋转，逆时

针旋转的极限位置是B１OE1，这时出现死点的现象，即当CB1O在同一直线上，

连接BＯ,B1O,EO,E1Ｏ，C１O。作O点到CＤ的垂线交CD的延长线于F点.

设OA＝　a，ＡD= d，BD=　b，BC=L，ＢO= Ｂ1O＝ EO＝　E1O=R.

(１）确定b

b是肌肉连接件的铰链点到肩部肌肉连接件的距离，根据结构可得

b=35mm。

（2）确定Ｌ

根据气动肌肉的型号，选定没有充气时长度为25０mｍ的气动肌肉,其最

21大运动行程是原始长度的20％,在运动的开始位置，取其最大收缩长度的一

半，即是2２5mｍ，在加上气动肌肉本身结构（如图2—5）的其他长度，两个铰

链点的长度Ｌ=２2５+50=2７5mｍ，L的范围是(275±２5）mm。

（3）确定a

a是如图２-8b所示的肩部肌肉连接件宽度的一半,d是长度的一半。

设α为逆时针旋转时的最大角度，可知∠BOＢ１=

α，∠EOE１=α，由于?BOC?？EＯC,所以∠ＥOC1=∠BOＣ=α。 α=∠ＢＯC＝∠ＦBO？∠FCO＝arctanOF

FB?arctaｎＯFFＣ

＝arctaｎｄ

aｂ+？arｃtandａbL++　 　 （３－1)

由公式(3-1)可知：

tanα=

１

dd

ababL

ｄd

abａbL?

+++

+×

++＋=2（）()

dL

abａｂLd＋+＋＋=（)(）

L

abaｂL

ｄ

d

+＋＋

+　≤2（）(）

Ｌ

ababＬ＋++ 　　　　　 　 　 （３—２)

由于tanα在(0，)

2π

α∈是单调增函数，b,L为已知,所以当a取得最小

值时，tanα取得最大值，即α取得最大值。由于O点处装有一根？2０mm的

连接杆，因此取肩部肌肉连接件的宽度为30ｍm，即半宽a=1５mm。

（4)确定ｄ

由公式(2）可知，

ｔanα≤2７5

2(１5３５）（1535275)+＋+＝1。0７９

α≤47．2o

当α=４7.２ｏ代入公式(1—1）可知d无解。

计算ＢＯE旋转到B1OE１的极限位置，其中气动肌肉ＣB1≥2５0mm,

C1Ｅ１≤3０0ｍm。

CB1=ＣO？B1O＝CO？R＝22２2OＦCFOＦBF

＋？+

＝2２22（）()

dabLdａb+＋＋？+＋≥2５0mｍ (3-3）

2２由公式（3-３）可得 ０８8.4

d≤pｍm　 　 　 　　(３-4）

已知∠C1ＯE１＝2α 2222111111CECOEO2COEOcoｓ23０0α=+?××≤ （3-5）

其中

C１O=CO= 22OFCF

+＝ 2２(）dabL+++

E1O=Ｒ=22OFBＦ

+=22（)dab++ α= arcｔaｎd

aｂ＋?ａrcｔandａbL＋＋

代入公式（３-５）可得　036。1d

≤pｍｍ 　 　 　 （３-６）

根据气动肌肉的结构，在安装时，2d≥２4ｍm，

即

ｄ≥1２mm　 　　 　 　 　　 　 （3－７）

有(3－4)、（３－６）、（3－７）式得： 12３6。1ｄ

≤≤ｍm

由公式（3-2）知tanα=２（）（)

dL

ａbabＬｄ＋+++

，由于d<<L,2d<<（）（)

ababL+＋+，所以取最大的d时,可以得到最大的tａnα，也就是最

大的

α，在这里取d＝３6mm.

（5)确定α

由公式（3—2)得

ｔａn

α＝2(）（)

dＬ

abａbLｄ+＋＋＋=236２75

（１53５)（1５3527５）３6

×

＋+++

=０。5６4

得 α=２9。4o。

所以第一肩关节绕Z轴的理论最大运动范围为（?29.4o，29．4o)。　 ３．２.2第二肩关节结构参数设计

第二肩关节的结构简图如图3—2所示.

2３　图3-2 第二肩关节结构图

假定CAOEC１是第二肩关节开始的运动位置，铰链点A，E可绕Ｏ点旋转，

逆时针的极限位置是A1ＯＥ１，即当CＡ１O在同一条直线上,连接ＡO，A1O,EO,

Ｅ1Ｏ。作O点到CＡ的垂线交CA的延长线于F点.连接AE,作Ｏ点垂直AＥ交

AE于Ｂ点.设ＡＢ= a，OB= b，AC=L,AO=A1O＝EＯ＝E1O=R。

(1)确定L

根据气动肌肉的型号，选定没有充气时长度为2３0mm的气动肌肉，其最

大运动行程是原始长度的２0％，在运动的开始位置，取其最大收缩长度的一

半,即是20７mm,再加上气动肌肉本身结构（如图2—5)的长度,两个铰链

点的长度L=207+67＝27４mm，L的范围是（２７４±23）mm.

（2)确定b

设

α为逆时针旋转时的最大角度，可知∠AOA１=α，∠EOE1=α，由于？AOC？?ＥOＣ1，所以∠EOC1=∠AOC=α。 α=∠AOＣ=∠ＦAO?∠FCO=arctanOF

FA?

arcｔanＯF

FC＝aｒcｔａnab?ａrｃｔaｎabL＋ 　　 　 　（3—8）

有公式(3—8）可知：

2４ｔanα=

1

aa

bｂＬ

aa

ｂｂL

?

+

＋×

+

=2（)

aL

bｂLa++

=（