工业设计机械基础课程设计-机械手臂设计.doc

工业设计机械基础课程设计机械手臂设计专 业 工业设计 年 级 0901 姓 名 学 号 指导教师 吉林化工学院机电工程学院I目录摘要 II第一章机械手臂介绍 - 1 -1.1 机械手臂的造型 - 1 -第二章 气动机械手的基本结构 - 4 -2.1 气动机械手的结构 - 4 -2.2气动机械手关节结构 - 5 -第3章 气动机械手关节结构参数 - 10 -3.1.1第一肩关节结构参数 - 10 -3.1.2第二肩关节结构参数构图 - 10 -3.1.3第三肩关节结构参数 - 11 -3.2.1肘关节结构参数 - 11 -3.3 腕关节结构参数设计 - 12 -第四章 气动机械手3D运动图 - 13 -4.1第一肩关节的运动仿真 - 13 -4.2第二肩关节的运动仿真 - 13 -4.3肘关节X轴方向的运动仿真 - 14 -4.4肘关节Y轴方向的运动仿真 - 14 -4.5腕关节X轴方向的运动仿真 - 15 -第五章 气动机械手制作材料 - 16 -第六章 机械手的发展与展望 - 17 -参考文献 - 18 -摘要  机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。

尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点第一章机械手臂介绍1.1 机械手臂的造型（1）简单造型（2）复杂构造第二章 气动机械手的基本结构2.1 气动机械手的结构本课题所设计的气动机械手的结构如下图所示1. 机架 2. 气动肌肉 3. 第一肩关节 4. 第二肩关节 5. 机架臂6. 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2.2气动机械手关节结构2.2.1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关节的基本驱动原理如下图； （1）第一肩关节其结构简图如图2-1(a)所示。

三维建模的第一肩关节结构如图2-1(b)所示 图2-1(a) 第一肩关节结构简图 图2-1(b) 第一肩关节三维结构图（2）第二肩关节第二肩关节和其下的4根机架臂相连接，其结构简图如图2-2（a）所示三维建模的第二肩关节结构如图2-2（b）所示 图2-2(a)第二肩关节 图2-2(b)第二肩关节 结构简图 三维结构图（3) 第三肩关节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三维结构如图2-3（a）；图2-3（a）第三肩关节三维结构图2..2.2 肘关节结构肘关节主要是由一个虎克铰的结构构成2-3(a) 2-3(a)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中一些重要的尺寸参数分别由X、Y轴方向来确定，肘关节X轴方向上的结构简图如图2-3(b)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2-3(b)所示。

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2-3(b)肘关节X、Y轴方向的结构简图2.4 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. 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2-1(a)所示 图2-4(a) 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2-4(b)所示，Z轴如图2--4(c)所示b) X轴方向(c) Z轴方向图2-4 腕关节X、Z轴方向的结构简图第3章 气动机械手关节结构参数 3.1.1第一肩关节结构参数第一肩关节的结构简图如图3-1-1(a)所示假定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=35mm两个铰链点的长度L=225+50=275mm，L的范围是（27525）mm。

2）确定a是如图2-8b所示的肩部肌肉连接件宽度的一半，d是长度的一半设为逆时针旋转时的最大角度，可知BOB1=，EOE1=，由于BOCEOC，所以EOC1=BOC=BOC=FBOFCO=arctanarctan=arctanarctan (3-1)由公式（3-1）可知：tan=== (3-2)由于tan在是单调增函数，b，L为已知，所以当a取得最小值时，tan取得最大值，即取得最大值由于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=15mm3）tan=，由于d<

设AB= a，OB= b，AC=L,AO=A1O=EO=E1O=R..图3-1-2(a) 第二肩关节的结构简图3.1.3第三肩关节结构参数第三肩关节通过大臂上的气动肌肉连接到肘关节上第三肩关节的零件尺寸与肘关节的零件尺寸有关，其零件尺寸是通过肘关节的零件尺寸来确定的因此第三肩关节的零件参数化设计详见肘关节的零件设计3.2.1肘关节结构参数肘关节的零件尺寸确定可以分为两个方向，即X轴和Y轴方向下面分别就X轴和Y轴方向上的参数化设计进行阐述3-2（a） 3-2（a）肘关节在x轴上的结构简图肘关节在Y轴方向上的结构简图如图3-2（b）所示假定CAOA1C1是肘关节开始的运动位置，D，B可绕O点旋转,作以O点为圆心，OD为半径的圆顺时针旋转的极限位置是D1OB1，这时出现死点的现象，即当CD1O在同一直线上，连接DO，D1O，BO，B1O，C1O设OA= a，AD= b，DC=L3-2（b）肘关节在Y轴上的结构简图3.3 腕关节结构参数设计腕关节加上小臂的结构等同于肘关节加上大臂的结构，因此肘关节的零件尺寸确定于腕关节的零件尺寸确定完全一样.第四章 气动机械手3D运动图4.1第一肩关节的运动仿真第一肩关节运动前后的位置如图4-1（a）和4-1（b）所示。

a）运动前 （b）运动后图4-1 第一肩关节仿真效果图4.2第二肩关节的运动仿真第二肩关节运动前后的位置如图4-2（a）和4-2（b）所示 （a）运动前 （b）运动后图4-2 第二肩关节仿真效果图4.3肘关节X轴方向的运动仿真肘关节X轴方向运动前后的位置如图4-3所示a1）运动前 （a2）运动后（a） 向上运动（b1）运动前 （b2）运动后（b）向下转动图4-3肘关节X轴方向仿真效果图4.4肘关节Y轴方向的运动仿真肘关节Y轴方向运动前后的位置如图4-5（a）和4-5（b）所示（a）运动前 （b）运动后图4-5 肘关节Y轴方向仿真效果图4.5腕关节X轴方向的运动仿真（a）运动前 （b）运动后图4-6 腕关节X轴方向仿真效果图（a）运动前 （b）运动后图4-7 腕关节Z轴方向仿真效果图该机械手能够实现4个自由度的运动，气动肌肉具有控制精确的特点，在抓取物品等进行生产实践时，能够实现高精度的动作，基本满足了实际应用需要。

该气动机械手具有轻巧、安全和控制简单等特点，可以用于工厂机器人，服务机器人等和人密切接触的场合很符合人机工程学的宗旨第五章 气动机械手制作材料料要根据手臂的工作状况来选择，机械手臂，手臂要完成各类已定，或将定的运动，既然要有这么个运动部件，所以它最好是选用轻型材料，此外需要从质量，刚度，惯性力等多角度综合考虑，这样才能最终提高机械手臂的动态性能和静态性能， 第一：机械手臂在承受载荷时，不能有应变和断裂，也就是说要有足够的强度，所以应该选择“高强度的材料” 第二：由于机械手臂是运动的，需要有良好的受控性，因此不能过笨重，所以至少得“密度小 强度大 而且转动惯量小” 在选材时就根据上面的 “高强度的材料” “密度小 强度大 而且转动惯量小”等几个条件根据你的机械手臂的工况以及经济的角度有条件取舍，选出满足的材料 通常情况下，可以从以下大类材料中选取： 1. 木材是一种非常优秀的材料木材可以使天然木材 也可以是复合胶板木材比金属其他复合材料质地要轻，不易弯曲，切断割削很容易 便于组装相对来说木材更适合制作轻型机械手臂，木材不导电不用担心短路情。