智能伸缩运载机械臂.doc

2016全国大学生机械创新设计大赛
说明书

作者：刘捷、孙伯乾、陈立新、隋晓谦、张世鹏

指导教师：王洪博、刘元义

目录
第一章、绪论 1
1.1快递的运输中存在的主要问题 1
1.2快递运输创新点及预想方案 1
第二章、快递分拣机的设计理念 1
1.1传统快递分拣的方式及设计任务 1
3.2臂：水平伸缩运动驱动力的计算 3
3.3臂：垂直升降运动驱动力的计算 4
3.4回转运动驱动力矩的计算 4
3.5驱动力的计算 5
3.6两支点回转式钳爪的定位误差的分析 8
四、液压传动系统设计 9
4.1液压传动系统的简介 9
4.2液压系统的组成 9
4.3码垛侠客液压系统的控制回路 10
4.4 码垛侠客的液压传动系统 10
五、识别搬运系统 10
六、底座结构 11
七、主要创新点 11
八、技术推广及应用价值 12

一、作品背景
随着科技的发展,机器人应用越来越广泛。机器人技术的研究在经历了第一代示教再现型机器人和第二代感知型机器人两个阶段之后进入第三代智能机器人的发展阶段。智能伸缩运载机械臂是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
智能伸缩运载机械臂已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分，可以使复杂而繁琐的事情变得简单，工人们只需简单的操作就可以完成大量复杂的搬运工作，同时也降低了人工搬运的危险性。所以大量的智能伸缩运载机械臂出现了。
二、作品特点
1.可以实现远程控制。
2.可以实现人工智能，对部分物品具有识别功能。
3.结构简单，成本较低，故障率低。
4.速度比较快的搬运货物。
5.耗能低，此机器人的功率只有5kw，可很大的节约客户的运行成本。
6．占地面积小，可在极其狭小的空间搬运。
三、作品结构及工作原理
3．1、臂部概述
臂部是智能伸缩运载机械臂的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上因而码垛侠客的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械爪的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接。
刚度要大:为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。曲形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴的好。所以常用钢管臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。
导向性要好:为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。
偏重力矩要小:所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转。轴的旋转惯量。
运动要平稳、定位精度要高:由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。
如图手臂的横向移动机构。手臂的横向移动是由活塞缸5来驱动的，回转缸体与滑台1用螺钉联结，活塞杆4通过两块连接板3用螺钉固定在滑坐 2上。当活塞缸 5 通过压力油时，其缸体就带动滑台1，沿着燕尾形滑 2做横向往复运动。

3．2、臂：水平伸缩运动驱动力的计算
手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。其驱动力Pq可按下式计算：

式中 Fm——各支承处的摩擦阻力；
Fg——启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算：

W ——手臂伸缩部件的总重量 （N）；
g ——重力加速度（9.8m/s）；
a ——启动过程中的平均加速度（m/s）。
而
△v ——速度变化量。如果手臂从静止状态加速到工作速度V时，则这个过程的速度变化量就等于手臂的工作速度；
△t ——启动过程中所用的时间，一般为0.01∽0.5s。
当Fm=80N,W=1098（N），△V = 500mm/s时，

3．3、臂：垂直升降运动驱动力的计算
手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力Fm和惯性力Fg之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力Pq可按下式计算

式中 Fm——各支承处的摩擦力（N）；
Fg——启动时惯性力（N）可按臂伸缩运动时的情况计算；
W——臂部运动部件的总重量（N）；
±——上升时为正，下降时为负。
当Fm=40N，Fg=100N，W =1098N时

3．4、回转运动驱动力矩的计算
臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于启动过程一般不是等加速度运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驱动力矩Mq可按下式计算：

Mm——各支承处的总摩擦力矩；
Mg——启动时惯性力矩，一般按下式计算：

J——手臂部件对其回转轴线的转动惯量；
——回转手臂的工作角速度（rad/s）；
△t——回转臂的启动时间（s）。
当Mm=84(N·m)

3.5、驱动力的计算

1、手指；2、销轴； 3、拉杆；4、指座
图1 杠杆式手部受力分析
如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均为直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根据销轴的力平衡条件，即
，，

销轴对手指的作用力为p1′。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即得

因为
所以
式中 a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。
α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。
由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°~40°，这里取角α=30度。
这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查《工业机械手设计基础》[7]中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即：

η——手部的机械效率，一般取0.85~095；
K1——安全系数，一般取1.2~2
K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。
本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120°,α=30°时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：
根据钳子夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式：

把已知条件代入得当量夹紧力为

由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式

得
P=P计算
P实际=P计算
取,,
则

3.6、两支点回转式钳爪的定位误差的分析
钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O到工件中心O′的距离为x,则

当工件直径变化时,x的变化量即为定位误差△,设工件半径R由Rmax变化到Rmin时,其最大定位误差为
∣-∣
其中l=45mm ,b=5mm ,a=27mm , ,,
代入公式计算得最大定位误差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜0.8。
所以是符合要求。
四、液压传动系统设计
4.1、液压传动系统简介：
智能伸缩运载机械臂的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。
4.2、液压系统的组成：
液压传动系统主要由以下几个部分组成：
① 油泵：它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。
② 液动机：压力油驱动运动部件对外工作部分。手臂做直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸。也有回转运动的液动机一般叫作油马达，回转角小于360°的液动机，一般叫作回转油缸（或称摆动油缸）。
③ 控制调节装置：各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。
4.3、智能伸缩运载机械臂液压系统的控制回路：
智能伸缩运载机械臂的液压系统，根据机械手臂自由度的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些基本控制回路组成。这些基本控制回路具有各种功能，如工作压力的调整、油泵的 卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步运动等。
4．4、智能伸缩运载机械臂的液压传动系统：
液压系统图的绘制是设计液压机械手的主要内容之一。液压系统图是各种液压元件为满足机械臂动作要求的有机联系图。它通常由一些典型的压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用回路所组成。
绘制液压系统图的一般顺序是：先确定油缸和油泵，再布置中间的控制调节回路和相应元件，以及其他辅助装置，从而组成整个液压系统，并用液压系统图形符号，画出液压原理图。
五、识别搬运系统

智能伸缩运载机械臂的头部装有两个微型摄像头，相当于它的眼睛。每个摄像头都可以360度旋转，这样保证了对周围信息的有效捕捉，它的眼睛就是它的光学图像识别系统。该系统由一组特殊配置的透镜和计算机组成，透镜系统完成对三维光学图像的变换运算及相关运算，再由计算机完成控制、分析和判断任务，从而进行有效的工作，动力的输入端在底座部位，设有电源插头和蓄电池，增加了自动搬运机械手臂工作续航能力。
六、底座结构

机械手臂起到固定作用，可以使机械手臂稳定的工作，设计的时候要考虑到夹物体的时候，夹到最大重量时仍能稳定、不动。所以设计成大小圆柱组合形状，可以有效增加其作业时的安全性和稳定性。其中控制机械手臂的电机在底座里面，包括各种芯片，控制系统。可以有效的控制搬运机构的识别搬运和放置动作，完成作业任务。底座下面设有固定装置，可以把底座牢牢的吸在要工作的平面。
七、主要创新点
1、智能伸缩运载机械臂设有多节运动机构，更利于其在复杂的环境下工作。
2、智能伸缩运载机械臂配有自动平衡系统，根据不同的移动姿态，自动平衡系统可实时调整其自身的重心位置，确保它工作时的稳定性。
3、底座有电源插头，同时机体配备有蓄电池组，保证了机器人的长久运行适应多变的工作状态。
4、360的视觉监视，大范围的取景，可以很好的观察四周的环境。进行有效的工作任务。
5、智能伸缩运载机械臂是一种新颖的、用于物料搬运等物体及安装时省力操作的助力设备，可以有效的减轻相关人员负担。
八、技术推广应用价值
1、智能伸缩运载机械臂可以同比例的放大缩小，搬运各种货物。
2、由于本产品可以不使用人工操作，所以可以用于一些危险的操作现场。小到化工工业链，大到核电站
3、可以用于繁忙的码头工作，以为结构简单，维修换件起来容易，不耽误工作。
4、高仿智能伸缩运载机械臂玩具。将自动搬运机械手臂按合理比例缩小，采用塑料主要配件，可以制作成一款生动形象的玩具。
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