机械手的设计.doc

1 前言1.1 国内外发展概况 [1]机械手首先是美国开始研制的 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手 它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统 是示教型的1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机 械手商名为Uni mate （即万能自动）运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、 伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置不少球坐标通用机械手就是在这 个基础上发展起来的同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司 , 专门生产工 业机械手1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手该机械手的中 央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型虽然这两种机械手出 现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学，麻省理工学院研究 Unimate-Vicarm 型 工业机械手， 装有小型电子计算机进行控制， 用于装配作业， 定位误差小于± 1 毫米 联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于喷涂、起重运输、焊接 和设备的上下料等作业。

联邦德国KnKa公司还生产一种喷涂机械手，采用关节式结构和程序控制日本是机械手发展最快、应用最多的国家自 1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究前苏联自六十年代开始发展和应用机械手，至 1977年底，其中一半是国产，一半是进口目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主 要是降低成本和提高精度第二代机械手正在加紧研制它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能 力，甚至听、想的能力研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有 感觉机能第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务 它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FM环口柔性制造单元FMC中的重要一环1.1.1 研究现状自上世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛发展， 机器人技术也得到了飞速发展原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高，各种 用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展机器人的各种功能被相继开发并 得到不断增强，机器人的种类不断增多，机器人的应用领域也从最初的工业控制拓展 到各行各业，从军事到民用，从天上到地下，从工业到农业、林、牧、渔，从科研探 索到医疗卫生行业，从生产领域到娱乐服务行业，甚至还进入寻常百姓家。

工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、 多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中喷涂机器 人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式， 但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使喷枪的 空间位置和姿态调至任意状态，以满足喷涂需要理论上讲，机器人的关节愈多，自 由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换 和各关节位置的控制带来复杂性因为喷涂过程中往往需要把以空间直角坐标表示的 工件上的喷涂位置转换为喷枪端部的空间位置和姿态， 再通过机器人逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制，而这一变换过程的解往往不是唯一的，冗余 度愈大，解愈多如何选取最合适的解对机器人喷涂过程中运动的平稳性很重要不 同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽相同1.1.2 发展趋势[2]工业机器人技术发展与应用水乳交融在第一代工业机器人普及的基础上，第二 代已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重以应用为龙头 拉动工业机器人技术的发展，其重点发展领域与技术特点体现在下述方面：（1） 机械结构（a）以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占 总量的I /3（目前世界工业机器人总数约为750000台），90年代初开发的适用于窄小 空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于喷涂、焊接和上 下料。

b） 应3K（炼钢、炼铁、铸锻）行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求，喷涂机器 人应运而生c） 己普遍采用CAD CAM等技术用于设计、仿真与制造中2） 控制技术（a） 大多数采用32位CPU控制轴多达27轴，NC技术和离线编程技术大量采 用b） 协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正 逐步实现多智能体的协调控制c） 基于PC的开放式结构控制系统由于成本低并具有标准现场网络功能， 己成 为一股潮流3） 驱动技术上世纪80年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中日本23家机器人公司于1998年生产的168种型号机器人产品，其中采用 AC伺服驱 动的有156种，占93.4 %直接驱动技术则广泛用于装配机器人中 新一代的伺服电 机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合， 已由日本FANUC公司开发并用于工业机 器人中；在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术4） 智能化的传感器多有应用在上述167种机型中，装有视觉传感器的有 94种，占56.3 %，不少机器人装有 两种传感器，有些机器人留下了多种传感器接口5） 高速、高精度、多功能化目前所知最快的装配机器人最大合成速度为 16.5m/s;高精度机器人的位置重复性为正负0.01mm有一种大直角坐标喷涂机器人，其最大合成速度达80m/s;而另一种 并联机构的NC机器人，其位置重复性达I um 90年代末的机器人一般都具有两、三 种功能。

最近瑞典Neos公司开发出一种高精度、高可靠性的可喷涂、切割、钻孔、 铣削、磨削、装配、搬运的多功能机器人，用于多家著名汽车厂和飞机公司6） 集成化与系统化1998年ABB公司推出IRbl400系列小机器人，其循环时间只有 0.4s，控制器包 括软件、高压电、驱动器、用户接口等皆集成于一柜，只有洗衣机变换器那样大小 FANU（公司2000年9月宣称它的控制器为世界最小工业机器人的应用从单机、单元向系统发展多达百台以上的机器人群与微机及 周边智能设备和操作人员形成一个大群体（多智能体）跨国大集团的垄断和全球化的 生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制 造”为工业机器人系统化的发展推波助澜在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展喷涂、铸造、热处理方面的机械手， 以减轻劳动强度，改善工人作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机 械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等将机械 手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机 构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构， 即可组成不同用途的机械手。

既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围同 时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手， 并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快目前主要用于机床、横锻 压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定 的操作此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手使它具有一定 的传感能力，能反馈外界条件的变化，并作相应的变更如位置发生稍许偏差时，即 能更正并自行检测，重点是研究视觉功能目前已经取得一定成绩视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微 型计算机工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析 物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前 机械制造系统的人工操作状态1.2 课题来源本设计的课题是喷涂机器人臂部与手部的设计，主要是臂部和腕部的结构设计及 其零件设计此课题来源于生产实际，是针对目前手工喷涂效率低，操作环境差，而 且对操作员技术熟练程度要求高，因此采用机器人技术，可以实现喷涂工作的柔性自 动化，提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程的自动化，改善劳动条件。

1.3 技术要求及预期效果根据设计要达到以下要求：对喷涂机器人机械臂结构及小臂自重平衡系统进行设计喷涂工件外形尺寸 800mm x500mm x500mr长(x宽x髙)；机械臂的结构尺寸为：大臂长约 700mn左右，小臂长约800mn左右，臂杆横截面 尺寸 < 100mm x100mm手部尺寸约150mn左右；小臂摆角80°(上摆30°,下摆 50°)对影响自重平衡的主要结构参数进行优化设计与计算， 示教时的不平衡力w 2kg 此次设计的垂直多关节机器人可以实现大臂小臂的旋转 , 手腕的旋转与摆动此 装置应用在喷涂生产线上将大大提高生产效率和质量，降低了工人的劳动强度，能够 带来可观的经济效益1.4 本课题要解决的主要问题及设计总体思路本课题要解决的问题有以下二个：( 1) 手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部的结构紧凑，减少重 量和体积 2) 设计小臂的平衡系统，使小臂在撤除驱动力的情况不会发生突发性转动 针对上述问题有了以下设计思路：( 1) 手腕部机构的驱动装置采用分离传动，采用传动轴，将驱动器安置在小臂 的后端 2) 驱动电机经联轴器与传动轴驱动一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动来带动 手腕作偏摆运动。

3) 手部的驱动电机安装在小臂内部，以此来减轻手部的重量，让手部能够作 灵活的运动4) 对于小臂平衡是采用重力平衡的方式，及在小臂末端放置铁块2总体方案设计2.1 机械结构类型的确定为实现总体机构在空间位置提供的 4个自由度，可以有不同的运动组合，根据本 课题的要求现可以将其设计成关节型机器人关节型又称回转坐标型，这种机器人的 手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂 组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和 使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性 强，工艺操作精度高2.2 传动方案的确定图2.1是机器人小臂与腕部机械传动系统的简图机械传动系统共有 4个齿轮，为了实现在同一平面改变传递方向 90° ,有2个齿轮为圆锥齿轮，有利于简化系统运 动方程式的结构形式如果采用蜗轮蜗杆结构，则必然以空间交叉方式变向，就不利于 简化系统运动方程式的结构形式其中有 2个齿轮为直齿圆柱齿轮，用于减速小臂 的结构形式是由内部铝制的整体铸件骨架与外表面很薄的铝板壳相互胶接而成 关节电机安装在小臂后面用于带动传动轴与齿轮的旋转来实现手腕的摆动。

小臂图22小臂腕部传动原理图2.3 工作空间的确定工作空间是机器人学中一个重要的研究领域但在实际应用中，可以简化这一问 题，把工作空间看作是机器人操作机正常运行时，手腕参考点（如定位机构的轴线正 交，取交点为参考点）在空间的活动范围，或者说该点可达位置在空间所占有的体积 根据关节型机器人的结构确定工作空间，工作空间是指机器人正常工作运行时，手腕 参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数图2.3机器人的工作空间位置图2.4 手腕结构的确定[3]手腕是操作机的小臂和末端执行器之间的联接部件其功用是利用自身的活动度确。