为紧凑，占空比最小，适合中小负载，能够达到设计要求且结构不复杂，所以本次设计选择关节式机械手。
2.2 机械手驱动系统的比较与选择
工业机械手的驱动可分为液压，气动和电动三种基本类型。 1 液压驱动
液压传动机械手有很大的抓取能力，抓取力可高达上百公斤，液压力可达7Mpa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求高，不宜在高或低温现场工作，需配备一套液压系统，整体结构庞大。
液压驱动有以下特点：
(1) 输出功率很大，压力范围为50-140N/cm2。
(2) 控制性能较强，利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制。
(3) 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大。
(4) 液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。
液压驱动需配置液压系统，易产生泄漏而影响运动精度。系统易发热，出现故障后较难找出原因。
(5) 适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、点焊机械手和托运机械手。
2 气压驱动
气压传动机械手结构简单，动作迅速，价格低廉，由于空气可压缩，所以工作速度稳定性差，气压一般为0.7Mpa，因而抓取力小，只有几十牛到百牛力。
气压驱动具有以下特点：
(1) 输出功率不大，压力范围为48-60N/cm2，最高可达100N/cm2
(2) 可控性不强，气体压缩性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速高精度的连续轨迹控制。
(3) 执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题比液压小。
(4) 适用于中小负载驱动，精度要求较低的有限点位程序控制机器人，
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如冲压机械手本体的气动平衡和及装配机械手气动夹具[11]。
3 电力驱动
这种驱动是目前在机器手中用的最多的一种。早期多采用步进电动机（SM）驱动，后来发展了直流伺服电动机（DC），现在交流伺服电动机（AC）驱动也开始广泛应用。上述驱动单元有的直接驱动机构运动，有的通过减速器装置来减速，结构简单紧凑。
电动驱动的控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC伺服喷涂机械手、点焊机械手、弧焊机械手、装配机械手等。
电力驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。
各种电机驱动的特点：
(1) 普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机械手。
(2) 直流伺服电动机：直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在较宽范围内实现平滑的无级调速，动态响应特性和稳定性好，可适应频繁启动、反向、制动等工作状况。直流伺服电动机按励磁方式不同，有永磁式和电磁式之分；按转速高低及转子的转动惯量大小，有高速、小惯量（小惯量直流伺服电动机有多种：无槽电枢直流伺服电动机，绕组铁芯细长，故转动惯量小，其功率较大；空心杯转子直流伺服电动机，转动惯量很小，灵敏度更高，功率较小；印制绕组直流伺服电动机，可承受频繁的起动、换向，切率中等。这类电动机的转子转动惯量小，电感小，故换向性能好，动态响应快，快速性能好，低速无爬行。）和低速、大惯量（大惯量直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种，其中永磁式用得较多，它的低速性能好，输出转矩大，调速范围宽，转子惯量大，受负载影响小，故可与丝杠直接连接，承受过载、重载能力强。）之分。
(3) 交流伺服电动机：交流伺服电动机几乎具有直流伺服电动机的所有优点，且结构简单，制造、维护简单，具有调速范围宽、稳速精度高，动态响应特性更好等技术特点，可达到更大的功率和更高的转速。
(4) 步进电动机：步进电动机是由电脉冲信号控制的，它可将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移，有回转式和直线式两种。步进电动机结
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构简单、控制简便、价格较低，但易失步，具有转子惯量低、反应灵敏、能提供较大的低速转矩、无漂移、无积累定位误差等优良性能，其控制线路简单，不需反馈编码器和相应的电子线路。步进电动机输出转角与输入脉冲个数成严格正比关系，转子速度主要取决于脉冲频率，故控制简便。步进电动机系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电动机组成。纯硬件的步进电动机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成，它的作用就是把脉冲串分配给步进电动机的各个绕组，使步进电动机按既定的方向和速度旋转。若采用微机技术，用软件与硬件相结合，则控制器不仅可在硬件上简化线路，降低成本，而且又提高可靠性[12,13]。
综上所述，由于本次设计机械手负载较小，对体积有一定要求，又考虑到机械手的特点和各驱动方式的优缺点，直流伺服电机体积小，控制精度高，与传动系统配合结构最为紧凑，故机械手关节处选择直流伺服电机驱动，手部采用气动驱动。
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第3章 驱动源的选择与设计计算
3.1 主要技术参数的确定
重心重心
图3-1 机械手手臂重量分布图
重心
图3-2 开口盘重量分布图
如图3-1所示，设计机械手大臂与小臂的尺寸和重量如下：
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1. 大臂的第一和第二关节轴之间的距离为397mm，质量为M1(6kg左右)，重心在距离第一关节轴220mm处，L1=220mm。
2. 小臂的第二关节轴和手爪前部之间的距离为435mm，质量为M2(7kg左右)，重心在距第二关节轴280mm处，L2=397+280=677mm。
如图3-2所示，设计机械手开口盘质量和尺寸如下： 旋转轴与转盘中心距离为160mm，转盘质量为15Kg。 本次设计机械手的基本设计参数如下：
负载1kg；大臂回转：0~90?，60?/s；小臂回转：0~?60?，60?/s； 腰部旋转：0~?360?，600/s；手爪夹持半径45mm～95mm。
3.2 各关节电机的选择计算
当机械手手臂旋转时，当臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生电机的转矩不足。如图3-1所示，设两臂绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2，根据平行轴定理可得绕大臂轴的转动惯量为[14]：
J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （3-1）
其中：M1，M2，分别为6Kg，7Kg；L1，L2，分别为220mm，677mm。JG1M1L12、JG2M2L22，故可忽略不计，所以绕大臂轴的转动惯量为：
J1= M1L12+M2L22 (3-2) =6×0.22+7×0.6772 =3.45kg.m2
同理可得小臂绕小臂关节轴的转动惯量： M2=7Kg，L4=280mm。
J2=M2L42 (3-3) =7×0.282 =0.5488kg.m2
腰关节旋转轴的转动惯量为开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量加上大臂与小臂绕腰关节旋转轴的转动惯量之和。
设开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量为J3，所以同理可得腰关节旋转转轴的转动惯量：
M3=15Kg，L5=160mm。 J0?J1?J3?J1?M3L5?3.45?15?0.162?3.834Kg?m2 （3-4）
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