毕业设计（论文）
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：
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，这样当压力油进入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。
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
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
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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。
[1]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。
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4 机械手各部件的载荷计算
4 机械手各部件的载荷计算
4.1 设计要求分析
本课题设计的多自由度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、抓取和手腕回转五个自由度。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、手臂回转机构和手抓的抓取机构等组成，每一部分均由液压缸驱动与控制。
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。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。
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[2]。
手指对工件的夹紧力FN计算：
FN?K1K2K3G （4.1） 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：
[1] K2=1?a （4.2） g其中：g——重力加速度；
a——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。
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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[3]。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： FN?G工件?G手部?G手腕 （4.6） ?——摩擦系数，取0.1，详见机械设计手册表23.4-1；
Fa——启动过程中的惯性力（N），其大小可按下式估算：
Fa?G总?v（4.7）
g?t式中： g——重力加速度，取9.8m/s2；
。如果臂部从静止状态加速到工作速度v时，?v——速度变化量（m/s）
则这个过程的速度变化量就等于臂部的工作速度。
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，一般为0.1～0.5s。对轻载低速运动部件取?t——启动或制动时间（s）
?v小值，对重载高速部件取大值，行走机械一般取?0.5～1.5m/s。
?t经过计算得：
Ff??(G?FN)?0.1?(980?156.8?196?294)?162.7N
Fa?G总?v1626.80.07??116.2N =
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[4]。则手臂俯仰油缸载荷：
F俯仰?1.3M?a （4.8） 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?0.07?151.06 0.1
4.5 机身摆动机构载荷力矩的计算
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。回转动时,由于起动过程中不是等加速运动,所以最大驱动力矩比理论上平均值大一些，计算时一般取1.3倍。计算时还要考虑液压马达的机械效率?m（0.9～0.99），驱动力矩按下式计算：
T手臂?1.3(Tf?Ta)/?m
（4.9）
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