机械手结构设计.doc

四川大学锦城学院文献综述

机械手结构设计与应用
Manipulator structure design and application

专 业 机械设计制造及其自动化
姓 名 张凡
学 号 110920627 年级 2011级
指导教师 张月天

二Ο一二年 三月 二十二日

机械手结构设计与应用
Manipulator structure design and application

张凡

（四川大学锦城学院 四川•成都）

摘要：在机械工业中，加工、装配等环节中运用的机械手已经越来越普遍。本文参阅了大量的国内外期刊杂志,论述了机械手的肩部、手腕、材料和成本等方面进行结构设计和研究。同时对国内外机械手在工业和农业中常见的应用方式也做了一番分析。
关键词： 机械手；结构；设计； 应用

ABSTRACT： In the mechanical industry, processing, assembly and other links in the use of the mechanical hand is more and more widespread. In this paper, a large number of domestic and foreign periodicals, discusses the mechanical hand shoulder, wrist, material and cost and other aspects of structure design and the research. At the same time to the domestic and foreign machinery hand in industrial and agricultural in the common application method is an analysis of the.
Key words：Manipulator; Structure; Design; application

前言
自动化设备代替人工作业成为现代工业发展的趋势. 工业机器人的发展和应用, 结合计算机辅助设计系统、计算机辅助制造系统, 引导工业自动化向一个新的领域过渡. 机械手作为一种自动执行设备,能模仿人手和手臂的某些动作功能, 按固定程序抓取、搬运物件或进行装配操作. 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. 提出一种可用于搬运、自动装配等任务的小型机械手, 并通过控制系统调试, 验证此结构的实用性和可靠性.

一、机械手的结构与设计
（一）机械手总体结构分析与设计
机械手总体结构如图1所示, 由底座、转座、大臂、小臂和手抓等部分组成. 考虑到机械手的作用范围及其功效, 采用转动关节, 设定4个自由度, 为转座转动关节( 腰关节) 、大臂关节( 肩关节) 、小臂关节( 肘关节) 和手抓关节( 腕关节) . 考虑到所研究的是小型机械手, 转矩较小, 所以选择电机驱动. 虽然, 气压和液压都能提供驱动力矩, 但是, 气压信号的传递速度较慢, 而且空气具有可压缩性, 导致运动速度的稳定性较差, 而液压装置密封困难 会有一定的漏油, 所以, 综合来看, 电机控制性好, 噪音小, 运行精度高, 适合要求. 关节独立驱动, 采用同步带传动, 结构紧凑, 传动准确. 控制及驱动电路部分安装在底座, 通过导线连接至大臂、小臂及手腕的驱动电机能, 合理利用空间.。大臂长220mm, 小臂长180mm, 各关节的回转角度范围： 腰关节±90°， 肘关节±45° 肩关节﹣180°~－60°, 腕关节±90°.臂体采用铝合金加工, 质量轻, 强度刚度大, 耐腐蚀. 底座采用钢材加工, 质量较大, 在机械手工作期间, 能保持良好的稳定性.
（二）.主要部件分析与设计
通过UG建模, 模拟装配, 并通过ADAMS软件进行运动学分析, 最终设计出机械手的三维模型.
下面介绍主要部件的分析设计.。
1.转座及臂体结构设计
机械手转座设计的关键在于, 使其既能够稳定支撑上面的大臂、小臂和手抓,又能够绕关节轴自由转动. 考虑到这些因素, 转座结构设计, 其主体由支撑板及固连在其上的空心转轴组成.支撑板作为平台, 支撑上面的大小臂及驱动电机, 电机通信导线通过转座中心的空心转轴与底座的控制系统连接. 空心转轴为台阶轴, 与底座轴承座配合实现腰关节的转动. 转座材料为硬铝, 有一定刚度和强度, 自重轻.大小臂的设计主要考虑实际应用, 在满足应用条件下尽量减轻自重. 大臂主要是有两片硬铝板搭建而成 为增加其刚度, 用一U型铝板将两片铝板连接, 在大臂的臂端安装有轴承使其顺利转动. 小臂为铝制薄壁圆筒状结构, 薄壁圆筒两端分别有端盖,里面安装有一个小步进电机, 从腕部输出以驱动手腕转动, 圆筒肘关节附近开有小孔, 方便小电机导线通过. 手抓为末端执行机构, 独立结构, 完成不同任务可以更换不同的执行机构.
2.电机的选型
上面研究了机械手的结构原理, 要使机械手完成指定任务, 则需驱动其运动, 使其按照任务要求执行控制程序, 完成相应的任务. 通过对机械手的综合分析, 采用电机提供驱动力矩, 下面介绍选型.步进电机的技术参数主要有相数、步距角、保持转矩和额定电流等, 根据需要, 在初步选型时, 主要考虑保持转矩, 以确保机械手能够正常运动. 在整个系统中, 需要克服驱动机构的摩擦转矩、负载转矩以及负载惯量启动转矩. 由于各关节传动都有轴承支撑, 相对于负载转矩及负载惯量启动转矩, 摩擦转矩要小得多, 所以忽略克服摩擦所需要的转矩. 对于腰关节和腕关节, 驱动转矩只克服负载惯量启动转矩,对于肩关节和肘关节驱动, 驱动力矩要克服负载转矩和负载惯量的启动转矩.根据转矩公式可以估算出相应的转矩.
最终选取腰关节、肩关节、肘关节和腕关节的电机型号分别为42HS02、57HS09、57HS04 和28HS02, 这些电机都是两相四线或八线, 不能像直流电机那样在常规状态进行控制, 需选择与之相匹配的驱动器, 电机型号确定后, 厂家会给出相应的驱动器型号, 可以直接选用.
3.关节传动方式分析与设计
通常的传动方式有齿轮传动、带传动和链传动等, 由于肘关节驱动力矩需要远距离传输, 不适合齿轮传动, 而链传动又有噪声大等缺点, 所以选用同步齿型带传动.同步齿型带传动是通过带齿与轮齿的啮合传递运动和动力, 与摩擦型带传动相比, 同步带传动兼有带传动、链传动和齿轮传动的一些特点. 传动比准确, 啮合传动, 工作时无滑动;传动效率高, 高于98%, 节能效果明显; 不需依靠摩擦传动, 预紧张力小, 对轴和轴承的作用力小, 带轮直径小, 所占空间小, 重量轻, 结构紧凑, 传动平稳,动态特性良好, 能吸振, 噪音小.
肩关节和肘关节传动结构：驱动电机和机械臂分别置于转座中心两旁, 利于转座受力的平衡, 结构稳定. 肩关节驱动电机输出轴上装有同步带轮, 大臂末端安装有相同齿型的带轮, 通过同步带将驱动力矩传至肩关节, 从而带动大臂运动, 传动比为3：1, 腰关节的传动方式及传动比和肩关节相同. 肘关节驱动电机安装在转座上, 以减少大臂的负载, 电机输出轴上装有同步带轮, 通过同步带将驱动力矩传至肩关节处的中间带轮, 中间带轮带动肘关节转动, 从而驱动小臂运动, 传动比为3：1.
(三).小结
以机器人运动学为基础的小型机械手, 结构可靠, 传动紧凑, 运行平稳高效. 通过抓取实验验证, 机械手能够按照设定程序执行任务, 能够较为精准地抓取并移动小物块. 而且, 机械手成本低廉, 操作简便, 能部分代替人工作业, 具有较好的应用前景.

二. 机械手的应用
(一) 机械手在工业上的应用
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术， 并已成为现代机械制造生 产系统中的一个重要组成部分。
目前在我国机械手常用于完成的工作有: 注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序;机械手加工行业中用于取料、送料;浇铸行业中用于提取高温熔液等等。机械手在自动化车间中用来运送物料,从事焊接、喷漆、装配等工艺操作,可将操作工人从繁重、单调、重复的体力劳动中解放出来。特别是在高温、危险、有害的作业环境(放射性、有毒气体、粉尘、易燃、易爆、强噪声等)中, 可用机械手代替人的部分操作 。其中铸造、锻造、冲压、切削加工、喷漆、装配等各种工艺已经广泛应用。
(二) 机械手在农业上的应用
1. 荔枝采摘机械手果实识别与定位技术的运用。
2.苹果被动抓取柔性机械手的运用

(三).结语
以机器人运动学为基础的小型机械手, 结构可靠, 传动紧凑, 运行平稳高效. 通过抓取实验验证, 机械手能够按照设定程序执行任务, 能够较为精准地抓取并移动小物块. 而且, 机械手成本低廉, 操作简便, 能部分代替人工作业, 具有较好的应用前景.

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