第3章 机械手结构的设计分析
3.1 末端操作器的设计分析 3.1.1 末端操作器的概述
工业机器人的末端操作器是机器人直接用于抓取、握紧、吸附专用工具等进行操作的部件，根据被操作工件的形状、尺寸、重量、材质及表面形态各有不同，其形式也多种多样，大部分末端操作器的结构是根据特定的工件专门加工的，常用的有四类：1）夹钳式取料手2）吸附式取料手3）专用操作器及转换器4）仿生多指灵巧手
[1]。
夹钳式取料手是工业机器人最常用的一种末端操作器形式，在流水线上应用广泛。它一般由手指、驱动机构、传动机构、连接与支承元件组成，工作机理类似于常用的手钳。
吸附式取料手靠吸附力取料，根据吸附力的不同分为气吸附和磁吸附两种。吸附式取料手应用于大平面（单面接触无法抓取）、易碎（玻璃、磁盘）、微小（不易抓取）的物体。
因为专用操作器及转换器和仿生多指灵巧手的技术难度及成本要求都比较高，故在此不多做介绍。
3.1.2 末端操作器结构的设计分析
根据发动机电机壳体结构特点，本次设计的机械手的末端操作器宜采用夹钳式取料手。 夹钳式取料手的手指的结构形式通常取决于被夹持工件的形状和特性。其中V形指一般用于夹持圆柱形工件，具有夹持平稳可靠，夹持误差小等特点。
3.2 手腕的设计分析
机器人手腕是连接末端操作器和手臂的部件，它的作用是调节或改变工件方位，因而它具有独立的自由度，以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求。此处手腕需实现手部的翻转（Roll）动作,腕部结构主要体现在手部相对于臂部的旋转运动上。
3.3 手臂的设计分析
手臂是机器人执行机构中重要的部件，它的作用是将被抓取的工件运动到给定的位置上。手臂的结构要紧凑小巧，才能使手臂运动轻快、灵活。
手臂一般有伸缩运动、左右回转运动、升降（或俯仰）运动三个自由度。在一般情况，手臂的伸缩和回转、俯仰均要求匀速运动，但在手臂的起动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前速度不能太大，否则引起冲击和振动。伸缩运动一般采用直线液压缸驱动，俯仰运动大多采用伸缩单作用（单活塞杆）驱动，而回转运动则大多用回转缸或齿条缸来实现
[1]。
本设计采用单作用（单活塞杆）缸来实现手臂的伸缩。为了增加手臂的刚性，防止手臂在伸缩运动时绕轴线转动或产生变形，手臂的伸缩机构需设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。根据手臂的结构、抓重等因素，为了使抓取时不产生偏重力矩使抓取可靠，本设计中采用四根导向柱的臂伸缩结构。这种结构的特点是行程长，抓重大，而工件不规则时还可以防止产生过大的偏重力矩。简图如下：
6
图3-1 四导向杆式手臂机构简图
从图中可以比较清楚地看到手臂伸缩油缸结构及导向杆的安放方式以及手臂与其他部件的连接点。
手臂俯仰运动采用单作用（单活塞杆）缸来驱动。直线油缸的缸底与机身通过铰链相连，而油缸活塞杆的伸出端则与臂部铰接，这样当压力油进个油缸时就驱动活塞杆往复运动，通过活塞杆的运动就使与其相连的手臂形成了俯仰的运动。由于俯仰油缸是采用底部耳环摆动式直线缸，所以在活塞杆往复运动的同时，缸体可在平面内摆动。
采用摆动马达来实现手臂的回转。摆动马达布置在机身上部，手臂部件用销轴与回转缸体上的耳叉连接，作为手臂俯仰运动的支点。回转缸的转轴和机身固定连接，摆动缸的动片与缸体相连，当摆动缸进压力油时，通过叶片的带动，缸体随之转动，从而实现机身的回转。
对于悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂上的布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩对手臂运动很不利。偏重力矩过大，会引起手臂的振动，在升降时还会发生一种沉头现象，也会影响运动的灵活性，严重时手臂与立柱会卡死。所以在设计手臂时要尽量使手臂重心通过回转中心，或离回转中心要尽量地近，以减少偏重力矩
[15]
。为减少转动惯量：1）可减少手臂运动件的轮廓尺寸2）减少回转半径，
在安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸），尽可能在较小的前伸位置进行回转动作3）在驱动系统中设有缓冲装置。
3.4 机身和机座的设计分析
机身，又称为立柱，是支撑手臂的部件，并能辅助实现手臂的升降、回转或俯仰运动。它是机器人的基础部分，起支承作用。对固定机器人，直接连接在地面基础上，对移动式机器人，则安装在移动机构上。
机器人机座可分为固定式和行走式两种，一般工业机器人的机座为固定式。固定式机器人的机身直接连接在地面基础上，也可以固定在机身上。
此处要求机械手的工作范围比较小，故设计为固定式机器人，机身与机座用螺柱连接，机座用螺栓固定在地面基础上。
机身设计要求：1）刚度和强度大，稳定性好2）运动灵活，导套不宜过短，避免卡死3）驱动方式适宜，结构布置合理。
7
[1]
第4章 机械手各部件的载荷计算
4.1 设计要求分析
本课题设计的电机壳体搬运机械手采用关节型坐标系、全液压驱动，具有手臂伸缩、俯仰、回转和手腕回转四个自由度，以及手指的抓取动作。执行机构相应由手部抓取机构、手腕回转机构、手臂伸缩机构、手臂俯仰机构、手臂回转机构和各定位装置等组成，每一部分均由液压缸驱动与控制。
它完成的动作循环为：手臂前伸→手指夹紧抓料→手臂上升→手臂缩回→机身回转180度→手腕回转90度→手臂下降→手臂前伸→手指松开→手臂缩回→机身回转复位→手腕回转复位→待料。
4.2 手指夹紧机构的设计
设计中采用四指V形结构，指面光滑，避免工件被夹持部位的表面受损。手指的驱动采用弹簧复位（单活塞杆）单作用液压缸，传动机构采用斜楔杠杆式复合回转传动，并在杠杆上装有张紧弹簧，以保证手指夹紧驱动液压缸的复位
[1]。手指厚度根据需要夹持的工件设
定，V形指合拢后的的尺寸为工件被夹持部位直径的外接正六边形，保证了机械手工作时的可靠性。
4.2.1 手指夹紧机构载荷的计算
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部结构的主要依据。夹紧力必须克服工件重力所产生的载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态
[5]。
手指对工件的夹紧力FN计算：
（4-1） FN?K1K2K3G
式中： K1——安全系数，通常取1.2～2.0；
K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可估算：
K2=1?其中：g——重力加速度；
a （4-2） ga——运载工件时重力方向的最大上升加速度，可计算：
a?vmax （4-3） t响vmax——运载工件时重力方向的最大上升速度，vmax?0.07m/s。
8
t响——系统达到最高速度的时间，一般取0.3～0.5s。
K3——方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。K3?0.9～1.1。
G——被抓取工件所受重力（N）。
计算可得：
?0.07/0.35?FN?K1K2K3G?1.0??1???1.0?156.8?160N
9.8??手指夹紧由单作用液压缸驱动实现，则手指夹紧缸的载荷为：
F夹紧?160N
4.3 手臂伸缩机构载荷的计算
手臂伸缩采用双作用液压缸实现，臂部作水平伸缩运动时，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，还在克服启动过程中的惯性力
[13]
。其驱动力可F伸缩可按下式计算：
F伸缩?(Ff?Fa)/?m
（4-4）
式中： Ff——各支承处的的摩擦阻力（N），其大小可按下式估算：
Ff??(G?FN) （4-5）
式中： G——运动部件所受的重力（N）；
FN——外载荷作用于导轨上的正压力（N），其大小可按下式计算：
（4-6） FN?G工件?G手部?G手腕
?——摩擦系数，取0.1，详见机械设计手册表23.4-1；
，其大小可按下式估算： Fa——启动过程中的惯性力（N）
Fa?G总?v（4-7）
g?t2式中： g——重力加速度，取9.8m/s；
?v——速度变化量（m/s）。如果臂部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臂部的工作速度。
?t——启动或制动时间（s），一般为0.10.1～0.5s。对轻载低速运动部件取小
9
值，对重载高速部件取大值，行走机械一般取经过计算得：
?v?0.5～1.5m/s。 ?tFf??(G?FN)?0.1?(980?156.8?196?294)?162.7N
G总?v1626.80.07??116.2N =Fa?9.80.1g?tF伸缩?(Ff?Fa)/?m?(162.7?116.2)/0.95?293.6N
4.4 手臂俯仰机构载荷的计算
当手臂从水平位置成仰角?时或从?角度恢复为水平时的加速或减速过程，铰接活塞杆的载荷F俯仰（即俯仰直线缸驱动力）达到最大。其在垂直方向上的最大线速度为
v?0.07m/s，加速时间为t?0.1s，由于升降过程一般不是等加速运动，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
[15]
。则手臂俯仰油缸载荷：
（4-8） F俯仰?1.3M?a
式中： M——手臂俯仰缸所支撑的重量（kg），由下式可得：
M?M手臂?M手腕?M手指?M工件?16?20?30?100kg
a——手臂俯仰缸的活塞杆的加速度。 经过计算得：
F俯仰?1.3M?a?1.3?166?
4.5 手腕摆动机构载荷力矩的计算
0.07?151.06 0.1设计采用摆动液压缸实现，缸盖通过法兰与手臂活塞杆联接，结构如图所示：
10