多用途气动机器人的机构设计

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摘要

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已经成为当今工业生产的主题，机械工业中，加工、装配等环节机械手的运用也越来越普遍。机械手主要用来实现工件的自动上下料及搬运，完成单机和生产线的自动化生产。经过实践可知机械手可以减轻人手的繁重劳动，降低工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率。此多用途气动机械手是一种按照预先设定的程序、轨迹或其他要求，模仿人手部的类似动作，实现抓取及搬运工件或操作工具的自动化机械装置。本设计的关节型气动机械手采用三个回转关节：三个回转关节分别控制机械手臂的前后左右移动、摆动及手爪的转动，其工作空间相比其他类型机械手有明显的提高，它的形状是一个回转体纵截面为类长方形，纵截面长度为各个关节的长度，这三个回转关节的转角大小决定了该转体截面的大小及形状。通过预先设定的程序该机械手能够完成较复杂的运动动作。

关键词：多用途，机械手，关节型，气动

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多用途气动机器人的机构设计

ABSTRACT

In modern industry, the mechanization and automation of production process become the subject of industrial production.In the mechanical industry, the use of manipulator in the machining，assembly and other links is becoming more and more universal.The manipulator is mainly used to realize the automatic feeding and unloading of the workpiece, and the automatic production of the single machine and the production line is finished. The manipulator is mainly used to realize the automatic upper and lower feeding and handling of the workpiece to completing the automatic production of single machine and production line.Through practice, it can be known that the manipulator can lighten the manual labor, reduce the labor intensity of workers, improve the labor conditions, improve the labor productivity.The multipurpose gas dynamic manipulator is a machinery automation device of mimicking the hand similar action, crawling and porters or operation tools by according to the preset program, track or other requirements.The design of the joint type gas dynamic manipulator use three rotary joints: three rotary joints respectively control mechanical arm around mobile, swing and gripper rotation, its working space compared to other types of mechanical hand has significantly improved. Its shape is a gyrator, the longitudinal section is rectangular. Its longitudinal section length is the length of each joint, the three rotary joint angle determines the size and shape of the swivel section.The manipulator can accomplish the complicated movement by the pre - setting procedure.

KEY WORDS : multipurpose, manipulator, joint type, pneumatic

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目录

1 绪论 ...................................................................................................................... 1

1.1机械手简介................................................................................................ 1 1.2课题研究背景、国内外现状以及发展趋势 ................................... 3

1.2.1研究背景 .............................................................................................. 3 1.2.2机器人国内外现状 .............................................................................. 4 1.2.3气动技术发展状况及优缺点 .............................................................. 9 1.2.4.发展趋势 .............................................................................................11

1.3 本课题主要的设计内容 ..................................................................... 12 1.4 本章小结 ................................................................................................. 12

2 机械手的整体设计方案 ............................................................................ 13

2.1坐标形式及自由度的选择 ................................................................. 13 2.2 各部的设计方案 ................................................................................... 15 2.3本章小结 .................................................................................................. 16

3 机械手的机构设计 ...................................................................................... 17

3.1 机械机构的设计要求 .......................................................................... 17 3.2手部机构的设计 .................................................................................... 19

3.2.1设计时应考虑的问题 ........................................................................ 19 3.2.2零件的选用及计算 ............................................................................ 20 3.2.3手部机构的设计 ................................................................................ 20 3.2.4.驱动方式的比较 ................................................................................ 22 3.2.5 夹持气缸的设计 ............................................................................... 24

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3.3机械手小臂的设计 ............................................................................... 25

3.3.1设计时注意的问题 ............................................................................ 25 3.3.2小臂结构的设计 ................................................................................ 26 3.3.3小臂轴及轴承的设计计算 ................................................................ 27

3.4 机械手大臂的设计 .............................................................................. 29

3.4.1设计时应考虑的问题 ........................................................................ 29 3.4.2大臂结构的设计 ................................................................................ 30 3.4.3大臂轴及轴承的设计与计算 ............................................................ 31

3.5 机身立柱的设计 ................................................................................... 32 3.6本章小结 .................................................................................................. 34

4 机械手的运动学分析和轨迹规划 ........................................................ 35

4.1机械手几何模型 .................................................................................... 35 4.2 机械手运动学模型 .............................................................................. 35

4.2.1 运动学方程 ....................................................................................... 35 4.2.2逆运动学问题 .................................................................................... 38 4.2.3 微分关系 ........................................................................................... 38

4.3 机械手的位置控制系统 ..................................................................... 40

4.3.1 轨迹规划 ........................................................................................... 40 4.3.2 位置控制系统 ................................................................................... 40

4.4 本章小结 ................................................................................................. 41

5 气压系统及控制系统的设计 .................................................................. 42

5.1机械手气压系统的设计 ...................................................................... 42

5.1.1气压传动系统工作原理图 ................................................................ 42 5.1.2气动元件介绍 .................................................................................... 43

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5.2机械手控制系统设计 ........................................................................... 46

5.2.1 控制系统的结构分类 ....................................................................... 46 5.2.2 控制方式 ........................................................................................... 47 5.2.3控制动作及程序的编制 .................................................................... 48

5.3 本章小结 ................................................................................................. 49

6 机械手部的仿真 ........................................................................................... 50

6.1爪部的建模仿真 .................................................................................... 50 6.2 本章小结 ................................................................................................. 58

结论 ......................................................................................................................... 59 致谢 ......................................................................................................................... 60 参考文献 ............................................................................................................... 61 附录: ........................................................................................................................ 63

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1 绪论

1.1机械手简介

机械手是用于再现人手的的功能的科学技术装置。机械手是一种通过模仿着人手的部分动作，按已给定程序、轨迹和相关要求实现自动抓取、搬运、操作等的自动化机械装置。在工业生产中使用的机械手被称为工业机械手，工业机械手在社会生产中被广泛的使用。

机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，其已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手技术发展很快，已逐渐成为一门新兴的学科一一机械手工程。机械手涉及到了力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科的综合技术。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技机械化生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。它的特点是通过编程来可以完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器的二者的共同的优点，在人工智能和适应性上尤为突出。机械手作业的准确度和在环境中完成工作的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手是一种可自动控制，从新编程以改变运动动方式的多功能机器，它可以含有多个自由度，可以搬运物体在不同环境中以完成不同的的工作。起初，机械手的结构形式比较简单，专用性较强，但随着工业技术的发展，发展成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用型机械手”，简称通用机械手。

由于计算机的积极作用机械手的发展迅速，其正日益为人们所认识。因而，机械手受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究。其中气动机械手由于其固有的优点被广泛使用。虽然由于气体的压缩性较大，气动机械手的精度相比其他类型较差，但是气动机械手还是具有相当多的优点。气动机械手的相比机械传动，液压传动，电机驱动，气动机械手机构简单尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，气动机械手应用的更为广泛。在我国，近几年机械手也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的广泛重视。

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进入信息时代，在科学技术高速发展的今天，传统产业特别是传统的机械加工行业面临着一场严峻的挑战。要生存要发展传统的机械机械加工行业就必须要进行一场深刻的变革，机器人技术就越来越受到各方面的关注，机械加工中要提高自动化程度儿乎成了许多科学技术人员的共识。机械手近几年在机械加工中的应用出现了百花争放的可喜局面，它将在提高产品质量、提高工作效率、节约能源、降低生产成本、少消耗能源、增加企业的竞争力，缩小同发达国家的差距等方面都将起到重要的作用。机械加工自动化尤其是机器人技术是机械加工行业发展的必然趋势。实现机械加工自动化的程度表现出该行业的技术发展水平。想像一下机器人自动化技术将引起机械加工行业一场革命，使机械行业驶入快车道而迅猛发展，因为它大大减轻人工操作的诸多不便，提高生产率加快工件的标准化大量化生产。机械人加工自动化的实质就是利用机械装置来代替人，来完成人的工作。把人从繁重、单调、恶劣的环境中解放出来，而更高效率的完成生产任务。

加工自动化的重要环节一一机械手的运用已被人们研究了几十年，也已经应用了几十年。期间机器人技术得到了飞速的发展，它己经被应用到人类生活的各个方面并成了人类的好朋友，伴随它的发展，机器人将对人类的生产、生活做出更大的贡献。机械手是在早期就有的古机器人基础上发展起来的，我国古代的机关人制造者是最早研究有关机械手、关节活动等问题的。近期有一部叫《秦时明月》的动画片中显示出了我国古代对机关术的研究，其中墨家，公输家的机关术令我如痴如醉。现代机械手的研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世，机器人技术取得了惊人的进步，开始向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，工件大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，这又为机器人的快速开发奠定了基础。随着核能技术的研究，其中的一些工作要求操作机械来代替人处理放射性物质。在这样的需求背景下，美国于1947年研究出了了一种遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。自此机械手走入快速发展的轨道。

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1.2课题研究背景、国内外现状以及发展趋势

1.2.1研究背景

机械手最开始是由美国开始研制的，1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。此专利的主要内容是借助伺服技术控制机器人的各个关节，利用人员对机器人进行动作示教，机器人能实现人手动作的记录和再现。这就是所常说的的示教再现型机器人。现有的机器人差不多都采用了这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手——铆接机器人。1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”是机器人产品最早的实用机型（示教再现）。这些工业机器人主要由类似人类的手和臂组成，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下进行操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等领域。

机械手的分类很广，按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手。在不同领域中机械手配件种类也不尽相同，如注塑机机械手配件就有：吸盘系列、抱具系列、夹具系列等等。

机械手通常作为一些机床或其它机器的附加装置，例如自动机床和自动生产线上可装卸或传递工件的运用，在加工中心中更换刀具等。但机械手一般没有独立的控制装置，操作装置有时需要由人直接操控。如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。另外在锻造工业中机械手的应用能改善劳动条件如热、累等，进一步改善锻造设备的生产能力。机械手配件主要由这三大部分组成——手部、运动机构、控制系统。手部是抓持工件（或工具）的部件，参照被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求可以分为多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。机械手的运动机构，是通过手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动等来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。其中运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械

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手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。为了让机械手能抓取空间中任意位置和方位的物体，其需有6个自由度。一般专用机械手有2～3个自由度。机械手的控制系统是通过对机械手每个关节的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的开环或闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或PLC等微控制芯片构成，通过对其编程可实现所需功能。

机器人按机构类型可分为串联和并联机器人。其中串联式机械手是一种典型的工业机器人，在自动搬运、装配、焊接、喷涂等现场作业中有着广泛的应用，借助该系列机器人工作人员在工业现场的能够方便的作业。串联机器人具有高度的灵活性、结构紧凑、工作范围大，是进行运动规划和编程系统设计的理想选择对象。通常的机械手只能完成单一工作任务或者较简单的操作，多自由度机械手在很多的实际工程作业中能更为合理的进行一些现实性的操作。随着技术的发展以及不断更新，多自由度机械手逐渐成为现代机器人的重要组成部分。

1.2.2机器人国内外现状

现今机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点：在横向上，机器人的应用领域在不断扩大，机器人的种类日趋增多；纵向上，机器人的性能不断提高，并逐步向智能化方向发展。迈入21世纪，机器人科学技术将仍旧是科学技术发展的一个热点。机器人技术的进一步发展必将对社会经济和生产力的发展产生更加深远的影响，它将成为集电子、传感器、计算机、机械、控制、人工智能和仿生学等多学科理论与技术于一体的机电一体化机器。设想未来的几十年，科学与技术的发展将会使机器人技术提高到一个更高的水平，机器人会变为我们多才多艺和聪明伶俐的“伙伴”，将广泛地参与人类的生产活动和社会生活。

然而总的来说，我国的工程应用的水平及其工业机器人技术和国外比还有一定的差距，如：机器人应用工程起步较晚，生产线系统技术与国外比有差距，应用领域窄；可靠性低于国外产品；在应用规模上，我国安装的国产工业机器人约200台，只占全球已安装台数的万分之四。综上所述原因主要是由于没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是迎合用户的要求，“一客户，一次重新设计”，批量小、品种规格多、供货周期长、零部件通用化程度低、成本较高，并且质量、可靠性不稳定。因此急需

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需要解决产业化前期的关键技术，搞好系列化、通用化、模块化设计，对产品进行全面规划，积极推进产业化进程。我国的特种机器人和智能机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成就居世界领先水平，我国开发出了双臂协调控制机器人、直接遥控机器人、管道机器人、爬壁机器人等机种：在机器人力觉、视觉、声觉、触觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。然而在多传感器信息融合控制技术、智能装配机器人、机器人化机械、遥控加局部自主系统遥控机器人等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，进行有重点地系统研究，才能形成可供实用系统配套的技术和产品，以期在未来的国家建设中立于世界先进行列。

近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展。现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究[1]。

从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本国家，该比例已达到6:4，甚至接近5:5。我国的气动行业起步较晚，但发展较快。从20世纪80年代中期开始,气动元件产值的年递增率达20％以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。

传统的机器人关节多由电机或液(气)压缸等来驱动。以这种方式来驱动关节，位置精度可以达到很高，但其刚度往往很大，实现关节的柔顺运动较困难。而柔顺性差的机器人在和人接触的场合使用时，容易造成人身和环境的伤害。因此，在许多服务机器人或康复机器人研究中，确保机器人的关节具有一定的柔顺性提高到了一个很重要的地位。

人类关节具有目前机器人所不具备的优良特性，既可以实现较准确的位置控制又

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具有很好的柔顺性。这种特性主要是由关节所采用的对抗性肌肉驱动方式所决定的。目前模仿生物关节的驱动方式在仿生机器人中得到越来越多的应用。在这种应用中为得到类似生物关节的良好特性，一般都采用具有类似生物肌肉特性的人工肌肉。

气动肌肉是人工肌肉中出现较早、应用较广泛的一种驱动器，具有重量轻、结构简单及控制容易等优点，在类人机器人、爬行机器人及康复辅助器械中得到了应用。其基本应用形式大都采用一对气动肌肉组成关节的方式。气动肌肉最简单和最常见的使用方式是利用一对气动肌肉以生物体中拮抗肌的形式驱动关节，这种方式克服了气动肌肉变化长度较小的缺点，能够实现大的转动位移。而且由于其类似生物体驱动关节的方式，因此具有刚度和位置能独立控制等仿生关节具有的优点。

气动机械手是集机械、电气、气动和控制于一体的典型机电一体化产品。近年来，机械手在自动化领域中，特别是在有毒、放射、易燃、易爆等恶劣环境内，与电动和液压驱动的机械手相比，显示出独特的优越性，得到了越来越广泛的应用。

国外的机器人的发展现状有几个方面，包含了机械机构，控制系统，传感器，虚拟现实技术，人机交互控制等：

(1)．机械结构向可重构化、模块化发展。如关节模块中的减速机、伺服电机、检测系统三位一体化：由连杆模块、关节模块用重组方式形成机器人整机。国外己有模块化装配机器人产品问市。

(2)．机器人的控制系统朝向基于PC机的开放型控制器方向发展，此便于机器人的网络化、标准化；控制距日见小巧，器件集成速度高，且采用模块化机构；大大提高了系统的可靠性、可维修性和易操作性。

(3)．机器人中的传感器作用日益重要。除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器:而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中己有成熟应用。

(4)．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到过程控制，如使遥控机器人操作者本身产生置身于远端作业环境中的虚拟环境中来操纵机器人。

(5)．当代遥控机器人系统发展的特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即运用遥控加局部自主系统来组成完整的监控遥控操作系

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统，使得智能机器人走出实验室能进入实用化的状态，美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名的实例。随着机器人机械化的兴起，从1994年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一。各国纷纷探索并开拓其实际应用的领域。

由于机器人或机械手都需要能快速、准确的抓取工件，因而对机器人或机械手提出了更高的要求，即他们必须具有高定位精度、能快速反应、有一定的承载能力、足够的空间和灵活的自由度以及在任意位置都能自动定位。

传统观点认为，由于气体具有压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外，气源工作压力较低，抓举力较小。气动技术作为机器人中的驱动功能已经被工业界广泛接受，对于气动机器人伺服控制体系的研究起步较晚，但已取得了重要成果，它在工业自动化领域应用正在受到越来越多的广泛关注。

90年代初，有布鲁塞尔皇家军事学院Y.Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人——“阿基里斯”六脚勘测员，也被称为FESTO的“六足动物”。Y.Bando教授采用了世界上著名的德国FESTO生产的气动元件、可编程控制器和传感器等，创造了一个在荷马史诗中最健壮最勇敢的希腊英雄——阿基里斯。它能在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察。六脚电子气动机器人的上方安装了一个照相机来探视障碍物，能安全的绕过它，并在行走过程中记录和收集数据。六脚电子气动机器人行走的所有程序由FPC101-B可编程控制器控制，FPC101-B能在六个不同方向控制机器人的运动，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三个脚与地面接触，机器人便能以一种平稳的姿态行走，六脚中的每一个脚都有三个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下，一个摆动马达控制脚伸展、退回，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心作旋转运动。每个气缸都装备了调节速度用的单向节流阀，使机械驱动部件在运动时保持平稳，即在无级调速状态下工作。控制气缸的阀内置在机器人体内，由FPC101-B可编程控制器控制。当接通电源时，气动阀被切换到工作状态位置，当关闭电源时，他们便回到初始位置。此外，操作者能在任何一点上停止机器人的运动，如果机器人的传感器在它的有效范围内检测到障碍物，机器人也会自动停止。

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由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它能在两个相互垂直的表面上行走(包括从地面到墙面或者从墙面到天花板上)。该机器人轴心的圆周边上装备着等距离(根据步距设置)的吸盘和气缸，一组吸盘吸力与另一组吸盘吸力的交替交换，类似脚踏似的运动方式，使机器人产生旋转步进运动。这种攀墙式机器人可被用于工具搬运或执行多种操作，如在核能发电站、高层建筑物气动机械手位置伺服控制系统的研究或船舶上进行清扫、检验和安装工作。机器人用遥控方式进行半自动操作，操作者只需输入运行的目标距离，然后计算机便能自动计算出必要的单步运行。操作者可对机器人进行监控。

从上述实例可见，气动机器人己经取得了实质性的进展。就它在三维空间内的任意定位、任意姿态抓取物体或握手而言，“阿基里斯”六脚勘测员、攀墙机器人都显示出它们具有足够的自由度来适应工作空间区域。气动技术发展至今，用直线气缸、旋转马达来解决气动机器人中一般的关节活动和空间自由度己经不成问题了，气缸低速运动平稳性这一点也不成问题了，很多场合使用低速气缸，其速度在5mm/s的情况下也能平稳运行。因此从根本上改变了传统上的观点——“由压缩性的空气作为介质的气缸运动速度有冲击颤动或低速运行不平稳的缺陷”。气缸的运行从低速5mm/s到高速5~10m/s，表明了它有一个十分丰富、宽广的速度区域，以适应各种层次的速度等级需要[5]。

气动技术经历了一个漫长的发展过程，随着气动伺服技术走出实验室，气动技术及气动机械手迎来了崭新的春天。目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。由于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。

由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作[6]。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实

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现过载保护、易实现复杂的动作等优点[7,8-9]。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工[10] ，食品和药品的包装[7,11-12]、精密仪器和军事上[13,14-15]。

现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺是焊接的生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一[2]。

气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等[8,11]。

此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气动自动调节病床[15]，Robodoc机器人，daVinci外科手术机器人等[17]。

1.2.3气动技术发展状况及优缺点

气动技术是一门正在蓬勃发展的新技术，气动元件是气动技术中最重要的组成部分，用气动元件组成的传动和控制系统己广泛应用于国民经济各部门的成套设备和自动化生产线上。气动技术是以压缩气体(例如压缩空气或惰性气体和热气体)为工作介质进行能量和信号的传递，从而实现生产过程自动化的一门技术，它包含气压传动和气动控制两方面的内容[18,19]。

气动技术的发展历程，是从单个元件到控制系统，从单纯机械系统到机电一体化的复杂高科技产品的历程。

人类对空气进行利用，以其为传递能量的介质可追溯到几千年以前。但真正对起性质和基本原理进行系统的研究也是从本世纪开始，形成以气压传动系统动力学和气动控制理论为主要内容的一门学科——气动系统理论。

目前，气动和液压是两种较为普遍应用的传动和控制方式，两者有许多相同点，也有许多不同点，气动技术真正成为全世界各个工业部门所接受并广泛应用，是由于日益迫切的生产自动化和操作程序合理化的需要，也由于气动技术具有以下许多优

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点:

(1).气动技术以空气为工作介质，空气随处可取，且粘性小，在管内流动阻力小，便于集中供气和远距离输送。因而，大多数工厂有方便的压缩空气气源。作为工作介质的压缩空气的物理性质，是气动技术在广泛的各种应用具有安全、方便和费用低的优点。压缩空气没有生产火花的危险。因此，它始于有易燃或爆炸潜在危险的工矿。

(2).气动元件机构简单，价格低廉，用过的空气可向大气排放，处理方便，不必使用回收管道。

(3).气动系统清洁，即使有泄漏，也不会像液压系统那样污染产品和环境，不受电磁干扰，电子系统则有之。

(4).气动系统维护不复杂，也不需要特殊的培训和实验设备。

(5).适应性强，现有的机器可方便的改为气动传动，气缸可以直接安装在要求出力的地方。

(6).便于进行能量储存，可以进行应急或系统需要用。

(7).气压传动本身有过载保护性能。气动执行元件能长期在满负荷下工作，在过载时自动停止。

(8).气动元件运动速度高，普通气缸的运动速度一般为0.05~0.7m/s，有的高达1~3m/s，高速气缸可达15m/s。

调查资料表明，目前气动装置在工业自动化装备中占很重要的地位。 当然，气动技术也有其缺点：

(1).压缩空气需要进行除尘、除水处理。

(2).空气的可压缩性使系统效率低，且使气动系统的稳定性差，给位置和速度的精确控制带来很大的影响。

(3).系统运行时排放空气的噪声较大。

(4).气动信号的传递速度远比电信号低，而且有较大的延迟和失真，因而气动控制技术不宜用于高速传递和处理信息的复杂系统，而且气动信号的传送距离也受到限制。

尽管气动技术上有一些缺点，但它的优点还是主要的，所以气动技术能在各个工业部门中得到日益广泛的应用。而气动元件更是一种经济实用的机械化、自动化的理

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想元件。现在，气动技术和电子电器、液压技术一样，都成为自动化生产过程的有效技术之一，在国民经济中起着越来越大的作用。气动技术由风动技术及液压技术演变、发展而成为独立的技术门类不到50年，却已经充分显示出它在自动化领域中强大的生命力，成为二十世纪应用最广、发展最快，也最容易接收及重视的技术之一，气动技术己成为各个行业不可缺少的一部分。在国外，气动被称为“廉价的自动化技术”。

气动技术由几个主要的历史发展阶段。至50年代初，大多数元件从液压元件改造或演变过来，体积很大。60年代，开始构成工业控制系统，应用成体系，不再与风动技术相提并论。在70年代，由于与电子技术的结合应用，在自动化领域得到广泛的推广。80年代则是集成化、微型化的时代。90年代末本世纪初，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展，重复精度达0.01mm的模块化气动机械手，5mm/s低速平稳运行及5~10m/s高速运动的不同气缸相继问世。在与计算机、电气、传感、通讯等技术相结合的基础上产生了智能气动这一概念(气动比例与伺服、智能阀岛、模块化机械手)。气动伺服定位技术可使气缸在气动机械手位置伺服控制系统的研究高速运动3mm/s情况下实现任意点自动定位。智能阀岛技术十分理想的解决了整个自动化生产线的分散与集中控制问题。现代气动的发展趋势是微型化、集成化、模块化、智能化。

1.2.4.发展趋势

随着科学技术和加工工艺的不断进步，各个行业对机器人需求增加，机器人尤其是机械手的发展趋势越来越趋于重复高精度化、模块化、机电一体化。

(1).重复高精度：精度是指机械手、机器人到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指假若动作需要重复多次，机械手能够到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，因为如果一个机器人定位不够精确，通常会有一个固定的误差。这个误差是可以预知的，因此此误差可以通过编程予以校正。重复精度确定了一个随机误差的范围，它通过机器人的一定次数地重复运行来测定。随着现代控制技术和微电子技术的发展，机械手的重复精度要求将越来越高，它的应用领域也将更广阔。

(2).模块化：如今有的企业把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技

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术，把含有模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置的机械手具有更加灵活的安装体系。它集成了带电缆及油管的导向系统装置和电接口，使机械手运动的更加自如。模块化机械手使同一机械手由于应用的模块不同而具有不同的功能，这扩大了机械手的应用范围是机械手的一个重要发展方向。

(3).机电一体化：由“可编程序控制器—传感器—液压元件”组成的典型控制系统仍然是自动化技术的一个重要方向；机械与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”步入到高精度的“反馈控制”； 节省配线的复合集成系统，不仅减少了配线、配管和元件， 而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。本课题设计正是在此背景下，研究多用途气动机械手的机构设计。

1.3 本课题主要的设计内容

(1) 机械手主体机构的设计，包括大臂、小臂的材料选择，力矩计算、结构尺寸的设计，机械手爪的机构选择与尺寸设计,机械手机身的尺寸设计等；

(2) 机械手简单的轨迹规划；

(3) 气压系统的设计主要包括气压元件的选择、气压回路的绘制等，控制系统的设计包括控制元件的选择，控制程序的编写等；

(4) 机械手的手部仿真以及实际功能验证。

1.4 本章小结

本章主要介绍了机械手的历史、国内外发展现状、气动机械手的特点及未来的发展趋势，为本课题的机械人设计提供了一个大体的方向。

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2 机械手的整体设计方案

机械手当今的发展趋势力求高精度、重复高精度、模块化、机电一体化等。整体设计方案的确定为下面章节的设计做好了良好的铺垫。本章结合当今最前沿的设计思路，对机械手设计的整体方案进行了思考。

2.1坐标形式及自由度的选择

气动机械手的基本设计要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。

机械手的坐标型式，机械手的坐标型式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构四种[7]。各结构型式及其相应的特点，分别介绍如表2-1：

表2-1机械手的坐标形式

结构形式方案 特点 优缺点 结构刚度较好，操作机的手臂控制系统的设计最结构简图 具有三个移动关节，为简单，但其占空间1直角坐标型 其关节轴线按直角坐标配置 较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低 操作机的手臂2圆柱坐标型 至少有一个移动关结构刚度较好，运动所需功率较小， 节和一个回转关节，控制难度较小，但运

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其关节轴线按圆柱坐标系配置 操作机的手臂具有两个回转关节3球坐标型 和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置 动轨迹简单，使用过程中效率不高 结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂 运动轨迹复杂，操作机的手臂控制系统的设计难类似人的上肢关节4关节型 动作，具有三个回转差，但结构最为紧关节 凑。 度大，机械手的刚度 本课题设计初步选用关节坐标型运动机构，其原因有：因本次设计的机械手是机电一体化产品，因此在进行机械结构设计时必须兼顾控制部分的要求。直角坐标型机械手的控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低；圆柱形型机械手的控制系统的虽设计难度不大，机械手臂的刚度一般，运动轨迹简单不适合多用途的需要；球坐标型机械手结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足。综合看来，关节型坐标型机械手结构复杂很适合多用途的需求，本设计是设计一台多用途的搬运机械手，因此用于本次毕业设计的选型比较合适。

机械手的自由度，自由度是指描述物体运动所需的独立运动参数的数目，三维空间需要6个自由度。所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手操作位置时所需的独立运动参数的数目，它表示机械手动作的灵活程度。

一般固定程序的机械手，动作比较简单，自由度数较少。工业机器人自由度数较多，动作灵活性和通用性较大。一般说来，机器人靠近机座的3个自由度是用来实现手臂未端的空间位置的，再用几个自由度来定出未端执行器的方位：7个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。自由度的选择也与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，周围设备构成比较复杂，工件质量轻时，机械手的

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自由度数可少；如果要便于产品更换，增加柔性，则机械手的自由度要多一些。计算机械手的自由度时，末端执行器的夹持器动作是不计入的，因为这个动作不改变工件的位置和姿态。在满足机械手工作要求前提下，为简化机械手的结构和控制，应使自由度数最少。

本设计的机械手力求结构紧凑简单，可实现多种物体的抓取，因此，自由度选择为5个自由度。

2.2 各部的设计方案

本文设计的5自由度关节型机械手， 其主要包括三个俯仰旋转关节(分别包括机械大臂的俯仰、小臂俯仰以及手抓的俯仰)和两个旋转关节(大臂的旋转、小臂的旋转) ，臂俯仰关节采用直流电机作为驱动装置，旋转关节采用回转气缸来控制。在机械手的大臂和小臂的俯仰旋转关节上还装配有增量式光电编码器，能够提供半闭环控制所需的反馈信号。直流电机的运动控制采用自行开发的基于PLC构成的多关节控制卡，并编制了能满足运动控制要求的软件程序，实现对机械手的速度、位置以及关节的联动控制。

机械手的组成：机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。本设计的机构设计方案如下：

(1).执行机构

1.手部：类似人的手臂机械手部是安装在手臂的前端部分。手臂的内孔装有连杆气压缸，可把通过连杆把动作传给手腕，包括伸屈手腕、转动、开闭手指。机械手手部的构造系模仿人的手指掌，分为无关节、自由关节和固定关节三种，手指的数量又可分为二指、三指、四指等， 其中以两指用得最多。为适应作业的需要可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头。而所谓没有手指的手部结构，一般指真空吸盘或磁吸盘。本设计采用V型手爪夹持机构，其设计抓重2千克，回转范围 00—1800，回转速度1800/s，定位精度±0. 5mm。

2.手臂：手臂有无关节手臂和有关节手臂之分。目前采用的手臂几乎都是无关节手臂。多关节臂还处在研究阶段。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并将其运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要准确

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地定位，其设计最大工作半径1350mm，手臂最大中心高1700mm，大臂回转范围00—3600，小臂回转范围00—2400，回转速度900/s。

(2).驱动机构

结合现今机械手的研究情况对机械手驱动装置的一般要求如下：

1. 驱动装置的重量尽可能要轻便，单位重量的输出功率(即功率/重量)要高，效率也要高；

2. 反应速度要快，即要求力/重量的比和力矩/惯量的比要大； 3. 动作平滑，不产生冲击；

4. 控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； 5. 安全可靠； 6. 操作和维护方便； 7. 对环境无污染，噪声要小；

8. 经济上合理，尤其是要尽量减少面积。

结合实际要求，并参考相关设计。本设计的大臂、小臂、手部的俯仰回转关节采用电机驱动，大臂和小臂处的旋转关节采用气压驱动。这样既可以保证机械手的运动精度，又可以增加机械手臂的柔性。

(3).控制系统

预计实现此多用途气动机械手的控制，本设计预计采用89C52单片机进行控制。

2.3本章小结

本章主要介绍了机械手的坐标形式及自由度的选取，机械机构的参数选择（包括大臂、小臂、机械爪的长度，运动范围，运动精度等），驱动方式的选择，及控制方式的选择等。

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3 机械手的机构设计

机械手的机械机构是其设计的主体部分，如何选择、材料的选取、气缸的设计、驱动电机的选择，影响其工作性能但又要考虑物美价廉的因素，所以要合理的设计选择。

3.1 机械机构的设计要求

本设计多用途机械手是一种模仿人手部的动作，按照预先设定的程序、轨迹或其它要求，实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。在二十世纪五十年代机械手就已用于生产，它是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置，开始时期主要被用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化。随着应用范围的不段扩大，现在用来夹持工具和完成一定的作业。经过实践证明机械手可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件从而提高劳动生产率。机械手按照工作空间范围可分为平面型和空间型。平面关节型机器人又称SCARA 型装配机器人，是Selective Compliance Assembly Robot Arm 的缩写，意思是具有选择性柔性的装配机器人手臂，在水平方向有柔性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多应用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业零件的插接、装配中应用非常广泛。空间型机械手运动空间很大，在水平和垂直方向上都具有一定的柔性。本设计的总体设计的任务：包括进行机械手的运动设计，确定主要工作参数，选择驱动系统和电控系统，整体结构设计。它们的机构草图如图3-1，图3-2所示。

本设计预采用空间型机械手以增加机械手臂的多用途性能及灵活度。工业机械手的手部是抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速度、准确度和牢靠度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。因此设计时要注意的问题有：

(1).手指应有足够的夹紧力， 为使手指牢靠的夹紧工件， 除考虑夹持工件的重力外， 还应考虑工件在传送过程中的动载荷。

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(2).手指应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关， 而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。

(3).应能保证工件在指内准确定位。

(4).结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。 (5).根据应用条件应考虑其通用性、多用途性。

图3-1 平面型机械手

图3-2 空间型机械手

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3.2手部机构的设计

3.2.1设计时应考虑的问题

手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部:如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构。综合考虑机械手应具有以下的性能：

(1).具有足够的握力(即夹紧力)

在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。

(2).手指间应具有一定的开闭角

两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。

(3).保证工件准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。

(4).具有足够的强度和刚度

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手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。

(5).考虑被抓取对象的要求

根据机械手的工作需要，通过比较，我采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V 型，其结构如图3-4所示。

3.2.2零件的选用及计算

本课题为计算方便，选用一横截面为圆环形铁制工件块零件。 其中R 为外圆半径，r 为内圆半径。

V（R2-r2）h3.14（402-302）100219800(mm3)

mv

Gmgmg78002198001091017.14（kgm/s2） 其中：

图3-3 夹持零件

g=10（N/kg）； R——工件外径，单位mm； r——工件内径,单位mm； ρ——密度，单位kg/m3； V——体积，单位m3； m——质量，单位kg；

G——重力，单位N ； h——高度，单位mm。 圆整取G=20 (N)

3.2.3手部机构的设计

夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。机械手手指夹持件是机械手上直接与工件相接触的部位，它的结构形式多种多样，但具体选用时要取决于所夹持

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工件的形状。最常见的有平面指形、尖指或薄、长指形和V 形指三种。平面指形一般用于夹持方形工件（具有两个平行平面）、板形或细小棒料等。尖指或薄、长指形一般用于夹持小型或柔性工件，薄指常用于夹持狭窄工作场合的细小工件，长指常用于夹持炽热的工件，以避免热辐射对手部传动机构及电子元件的影响。V 形指常用于夹持圆柱形工件，本设计手爪长度与设计为350mm。

(1).手部机构的选择及设计：

图3-4 齿轮-齿条式V型手爪机构

如图活塞杆左右运动时，活塞杆末端的齿条将带动齿轮旋转，齿轮的旋转再带动手指齿条的平行运动从而实现手指的开合运动。

(2).手指夹紧力的计算：

由式子 4fNG G——重力，单位N N——正压力，单位N

f——为手指与工件的静摩擦系数

工件材料为40号钢，手指为钢材，查《机械零件手册》 表2-5 ，f=0.15 。 所以

N取N=35N

驱动力的计算：

G2033.33(N) 4f4×0.15 21

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F4tgN1

F——驱动力，单位N； ——为斜面倾角，=15o，

——为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，查《机械零件手册》表2-2 =0.85—0.92，这里取 0.85，所以

1F4×tg15×35×44.13(N)

0.85o取F=45N

活塞手抓重量的估算:

G手爪r2lg3.14×302×100×7800×1030(N)

r——杆的半径，单位mm ； L——长度单位mm,

——杆件密度，单位kg/m3； g——重力加速度10m/s2。

3.2.4.驱动方式的比较

机械手的驱动系统有机械传动、气压驱动、液压驱动、电机驱动和四种。一台机械手可以只用一种驱动，也可以用几种方式联合驱动，各种驱动的特点见下表3-1：

表3-1 驱动方式的性能优劣比较

比较类别 机械驱动 电机驱动 异步、直流电机 步进、伺服电机 气压传动 液压传动 驱动类型 22

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体积 自由度多时，机构复杂体积较大 含有减速装置，体积较大 较小 较大 输出力矩相同时较小 控制性能 速度很高，速度和加速度由机构控制定位精度高，可与主机同步 控制方面较控制性能优秀，可速度高，由于气体压缩性大阻力效果差冲击严重精确定位困难低速时不易控制 由于液体压缩性小，压力流量易控制，反应灵敏，无级调速，可实现轨迹的连续控制 差，惯性大，精确定位，但控制不易精确定位 系统复杂 输出力矩 较大 较大 较小 气体压力小力矩较小，若较大力矩则，机构尺寸加大 油液压力高，可获得较大的力矩 维修使用 方便 方便 复杂 维修简单泄露影响小可以在高温粉尘等恶劣环境中使用 维修方便油液对温度变化敏感油液易着火 油路复杂液压元件成本较高 成本 结构简单成本低 成本低 成本较高 结构简单能源方便成本低 应用范围 适用于自由度较少场合的专用机械手 用于抓取重量大、速度低的专用机械手 用于程序复杂，运动轨迹要求严格的小型通用机械手 专用、中型、小型机械手都有 中型、小型尤其是重型机械手 经过比较，本设计为实现多用途性能，力求就够简单，便于维修预采用步进电机与气动的联合传动方式。在大臂的回转、俯仰，小臂的俯仰，和手部的回转三个自由

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度采用电机驱动。手部的回转和手爪的开合采用气缸驱动。

3.2.5 夹持气缸的设计

因为气压工作压力较低，对气动组件的材质和精度要求较液压底， 无污染，动作迅速反映快， 维护简单，使用安全。而且此处作用力不大， 所以选气压传动。气缸内型选择:因为活塞行程较长，往复运动，所以选双作用单活塞汽缸，利用压缩空气使活塞向两个方向运动。

(1).查阅《气压与液压传动》表13-3初选活塞杆直径d=15mm，估算其重量

d0.015G2()2lg3.14()0.67800108.27(N)

22其中： d——活塞杆直径；单位mm ；l——活塞杆长度，单位mm；

ρ——活塞杆密度，单位kg/m3；g——重力加速度，单位N/kg； G2——活塞杆重量 取G2=10N。

FGG手爪G活塞杆20301060(N)

其中： F——气缸驱动力，单位N；G——工件重力，单位N

G手爪——手爪重力，单位N；G活塞杆——活塞杆重力，单位N 取F=90N

(2).气压缸内径D 的计算： 由《液压传动与气压传动》公式13-1

F(D2d2)4P

D——气缸的内径，单位(m)； P ——工作压力(Pa)； η——负载率，负载率与气缸工作压力有关

取P = 0.35，查《液压传动与气压传动》表13-2得η= 0.30——0.65由于汽 缸斜线安装，所以取η=0.35。通常d/D=0.2——0.3此选0.3。 所以： D4F49034.64(mm)

P0.911063.140.30.350.91106查《液压传动与气压传动》表13-3圆整取40mm。

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一般d/D= 0.2——0.3，此处取0.3，

则 d0.3D0.34012(mm)

(3).气缸壁厚δ及气缸重量的计算

查《液压传动与气压传动》表13-5 ，得δ= 4； 则 D外D240848(mm) 所以气缸重量可估算：

G气缸（R2r2）gl3.14(0.02420.022)7800100.625.86(N) 其中：

R ——气缸外径，单位mm； r——气缸内径，单位mm; h ——气缸长度，单位mm； g——取10N/kg； ρ——为气缸材料密，单位kg/m3。 G气缸取30N

3.3机械手小臂的设计

3.3.1设计时注意的问题

小臂是机械手的中间联系大臂和手爪的部件，其作用是支撑手部和腕部，可以用来改变工件的位置。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。

(1).刚度要好，要合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸，空心杆比实心杆刚度大的多，常用钢管做臂部和导向杆， 用工字钢和槽钢做支撑板，以保证有足够的刚度。

(2).偏重力矩要小，偏重力矩时指臂部的总重量对其支撑或回转轴所产生的力矩。 (3).重量要轻，惯量要小，为了减轻运动时的冲击，除采取缓冲外，力求结构紧凑， 重量轻，以减少惯性力。

(4).导向性要好。

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3.3.2小臂结构的设计

把小臂的截面设计成工字钢形式，这样抗弯系数大，使截面面积小，从而减 轻小臂重量， 使其经济、轻巧。

查阅《机械工程材》表5-13选取10号工钢。10号工字钢理论重11.261kg/m Wy=9.72cm3 ,h=100mm，b=4.5mm，小臂长为500mm。 较核:

G小臂mg11.2610.59.855.18(N)

取60N。 其受力如下图3-5:

图3-5 小臂受力简图

力平衡： FF1G75105180(N)

力矩平衡： MF1LG0.5L1050.5600.2567.50(N)

M67.506.94Mpa100Mpa 6Wy9.7210Q hb按《材料力学》公式5-11： 其中，h为工字钢的高度，b为工字钢的腰宽，Q为所受的力。 所以:

Q1800.4Mpa[]60Mpa hb1001034.510326

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所以选10 号工字钢合适。

3.3.3小臂轴及轴承的设计计算

(1).查《机械设计手册》表16-6得大轴的直径取20mm，材料为45 号钢。 受力如下图3-6：

图3-6 小臂大轴受力图

验算:

M67.5675.00(N) 2l1010F67522.15Mpa[]600Mpa

r3.14(10103)2F1F2所以合适。

(2).因为上轴承只受径向力， 下轴承受轴向力和径向力，所以选用圆锥滚子轴承，按《机械零件手册》表9-6-1 (GB292-07)选择7304B型，其参数为d=20mm,C=31.5kN ,C0 = 17.2kN e=0.3。

轴承的校核：因为此处轴承做低速的摆动，所以其失效形式是接触应力过大， 将产生永久性的过大凹坑(即材料发生了不允许的永久变形)，按轴承静载能力选择的《机械设计》公式13-17为:

C0S0P0

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其中P0为当量静载荷，S0为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条件。按《机械设计》表3-8作摆动运动轴承，冲击及不均匀载荷，S01~1.5此处取1.5。

上轴承受纯径向载荷，所以P0F1675.00(N)

所以 S0P06751.51012.5(N)1.01(kN)C017.2(kN) 因此轴承合适。

下轴承受径向和轴向载荷，P0X0RY0A R——径向载荷 A——轴向载荷

X，Y分别为径向轴向载荷系数，其值按《机械设计》表13-5 查取 因为

A1650.24e0.3 R675所以

X01,Y01,P0X0RY0AR675.00 （N）所以

S0P06751.51012.50(N)C017200(N)

因此轴承合适小轴承受力很小，所以不用教核。

(3).步进电机的选择 因为所需驱动力小，精度要求不很高，所以选择控制方便，输出转角无长期积累误差的步进电机，并采用含有减速机构的驱动系统。

步进电机的选择: 步距角要小，要满足最大静转矩，因为转速低不考虑矩频特性，按《机电综合设计指导》表2-11 BF 反应式步进电动机技术参数表查取，选45BF005Ⅱ，数量2。其主要参数如下:

步矩角1.5度，电压27伏，最大静转矩0.196N. M ，质量0.4kg，外径45mm，长度58mm，轴径4mm。

1.50)13.74(mm) 精度验证： 1050sin(2所以不能满足精度要求，不能直接传动， 要变速机构

28

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在此选用直齿圆柱齿轮

为了提高精度， 采用一级齿轮传动iZ1的齿数为20，Z2 的齿数为70。

按《机械原理》表8-2 标准模数系列表（GB1357-87) 取m=l，取α= 200。 则

d1mz112020(mm) d2mz217070mm

 haham111(mm)

z23 z1 hfm(hc)1（10.25）1.25

齿轮宽度计算：

按《机械设计》表10-7 圆柱齿轮的齿宽度系数ψd两支承相对小齿轮作对称布置取0. 9-1. 4，此处取1

则 b1d1d20120 （mm）为了防止两齿轮因装配后轴向稍有错位而导致喝合齿宽减少，要适当加宽，所以取b=25mm。

小臂处回转气缸的设计与立柱处基本相同具体设计参见气缸长度设计为b=70mm，气缸内径设计为D180mm，半径R=40mm，轴径D216mm，半径R=8mm，壁厚7mm,气缸运行角速度90/s，加速度时间t0.1s，压强P=0.4Mpa。

3.4 机械手大臂的设计

3.4.1设计时应考虑的问题

大臂是机械手连接小臂和机身立柱部件，其是支撑机械手主要工作部分的部件，除了满足刚度要好、偏重力矩要小、重量要轻，惯量要小、导向性要好的要求外，还

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需让大臂满足有一定的的弧度，以满足大臂具有良好的工作空间，大臂底部应考虑整个机械手的平衡问题，需考虑是否安装平衡缸体，本设计尽量满足中心线安装不需要在加装平衡杠。

3.4.2大臂结构的设计

把大臂的截面设计成工字钢形式，这样抗弯系数大，使截面面积小，从而减轻小臂重量，使其经济、轻巧。

查阅《机械工程材料》表5-13选14号工字钢。14号工字钢理论重16.890kg/m Wy=16.lcm3，h =140mm，b=5.5mm，臂长为550mm。

较核: G小臂mg16.8900.551092.895(N) 取100N 其受力如图3-7:

图3-7 大臂受力简图

力平衡： FG小臂G大臂F160100105265 （N）

力矩平衡：

MF1(L1L2)G小臂(L1LL2)G大臂2220.50.55105(0.50.55)60(0.55)100

22185.75(Nm) 30

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M185.7511.54Mpa[]100Mpa 5Wy1.6110Q知，其中h 为工字钢的高度，b 为工字钢的腰hb按《材料力学》公式5. 11宽，Q为所受的力。 所以

Q2650.34Mpa[]60Mpa hb1401035.5103所以选14 号工字钢合适。

3.4.3大臂轴及轴承的设计与计算

(1).轴 查《机械设计手册》表16-6得轴的直径取20mrn，材料为45 号钢。 其受力如下图3-8:

图3-8 大臂轴受力简图

验算:

F1F2M185.751326.79(N) h140103 F265.00(N)

所以合适。

(2).轴承 大轴轴承的选择：因为上轴承只受径向，下轴承受轴向力和径向力，所以选用圆锥滚子轴承，按《机械零件手册》表9-6-1（GB 292-07)，选用7304B，d=20mm C=31.5kN ，Co =17.2kN，e=0.3。

31

F11326.794.23Mpa[]60Mpa 24r3.1410多用途气动机器人的机构设计

轴承的校核：

因为此处轴承做低速的摆动，所以其失效形式是，接触应力过大，产生永久性的过大的凹坑（即材料发生了不允许的永久变形），按轴承静载能力选择的公式为： 《机械设计》13-17式 C0S0P0

其中P0为当量静载荷，S0为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条件。按《机械设计》表3-8作摆动运动轴承，冲击及不均匀载荷，So = 1-1.5此处取为1.5。

上轴承受纯径向载荷，所以P0=F1=1326.79(N)

所以 P0S01326.791.52051.85(N)C017.2(kN) 因此轴承合适。

下轴承受径向和轴向载荷，P0X0RY0A R为径向载荷，A为轴向载荷

X0、Y0分别为径向轴向载荷系数，其值按《机械设计》表13-5查取 因为

A2650.20e0.3 R1326.79所以 X0= 1，Y0=0 P0=X0R+Y0A=R=,1326.79（N） 所以 S0P01.51326.792051.85(N)C017.2(kN) 因此轴承合适，轴承受力很小，所以不用校核。

(3).步进电机的选择 步距角要小，要满足最大静转矩，因为转速低不考虑矩频特性，按《机电综合设计指导》表2-11 BF 反应式步进电动机技术参数表查取，选90BF005Ⅱ，数量1。其主要参数如下:

步矩角1.5度，电压27伏，最大静转矩0.392N. M ，质量0.8kg，外径90mm，长度116mm，轴径8mm，大臂小臂总长1050mm。

3.5 机身立柱的设计

机身是支承臂部的部件的回转和俯仰运动，臂部机构都可以装在机身上。经过查阅机械手的相关设计，我认为机械手机身立柱设计时应注意以下的的问题: (1) 要有足够的刚度和稳定性。

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(2) 运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，否则可能产生卡死现象，一般要有导向装置。

(3) 由于机械手的高度、旋转所引起的运动不平衡性会增大手臂的运转，因此立柱上应该设置一平衡缸以抵消机械手臂在垂直面上的弯矩。 (4) 结构布置要合理，便于装修。

由于此设计要求为五个自由度，所以此处有支撑及旋转运动要求，除了用来支承刚度能满足要求，高度可根据自动线的高低确定外。还需设计其旋转运动的机构。其回转缸的设计与3.3节小臂处的回转气缸设计基本相同，为同一结构设计此处其结构简图如下：

3 图3-9 回转气缸简图

33

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回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。

在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图3-9所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时针方向回转，则低压的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。

pb(R2r2)M

2式中: M——回转气缸的驱动力矩((N·cm)；P——回转气缸的工作压力(N·cm)； R——缸体内壁半径(cm)； r——输出轴半径(cm)； b——动片宽度(cm)。

上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定的背压，则上式中的P应代以工作压力P1与背压P2之差。

气缸长度设计为b=120mm，气缸内径设计为D1100mm，半径R=50mm，轴径

D226mm，半径R=13mm，壁厚7mm，气缸运行角速度90/s，加速度时间t0.1s，压强P=0.6Mpa。

机身立柱高度为350mm，具体结构可查看零件图。

3.6本章小结

本章主要介绍了机械手的机械机构的设计，包括工件的选取、机械爪的抓紧力的计算、大臂小臂的设计以及大小臂转动轴的设计及校核、机身立柱的的设计、直动气缸、回转气缸的设计等。

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4 机械手的运动学分析和轨迹规划

关节型机械手如何运动才能到达指定的位置，我们需要通过相关的分析对其运动轨迹进行规划以确保机械手运动的合理、迅速、高效，本章通过建立一个简单的5自由度连杆模型对所设计机械手进行了运动分析和轨迹规划。

4.1机械手几何模型

设计了一种五自由度机械手用于示敏。该机械手的主要任务是，在给定点抓取柱状物，从一个位置送至另一位置。诙机械手几何模型如图4-1 所示。其中，θ1为肩关节偏航自由度，θ2为肩关节俯仰自由度，θ3为肘关节偏航自由度，θ4为腕关节偏航自由度，θ

5

为腕关节俯仰自由度。L1 ，L2 分别为机械手上、下臂的长度，L3

为腕关节中心到抓手中心的距离。

图4-1 机械手几何模型及D-H 坐标系

4.2 机械手运动学模型

4.2.1 运动学方程

假定机械手伸直状态下所处位置为停止位置根据D-H( Denavit & Hartenberg)方法建立各坐标系，如图4-1所示；相应的各连杆及关节的参数如表4-1。

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表4-1 机械手各关节参数

连杆 1 2 3 4 5 θ θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 α（0） -90 90 0 -90 90 a 0 L1 L2 0 L3 d 0 0 0 0 0 cos 0 0 1 0 0 sin -1 1 0 -1 1 其中本设计大臂L1=550mm，小臂L2=500mm，手爪L3=300mm。

将参数代人D-H 齐次变换矩阵得：

s10sin1cosin10cos1 T01010000

00 (1) 01s2cosin22 T1000sin20-cos21000

l1cos2l2sin2 (2) 01s3cosin33 T200-sin3cos300

0l2cos30l2sin3 (3) 1001s4cosin44 T3000010

sin4cos40000 (4) 01 36

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s5cosin5 T4500

0sin5l3cos50-cos5l3sin5 (5) 100001i式中Ti1(i1,2,,5) 为机械手两相邻连杆间第i个抨坐标系相对于第i -1个杆坐

标系的齐次变换矩阵。

将式(1)~(5)相乘可得末端抓手坐标系。O5X5Y5Z5相对于参考坐标系。O0X0Y0Z0 的齐次变换矩阵为：

nxn512345 T0T0T1T2T3T4ynz0式中：

oxoyoz0axayaz0pxpyRP (6)

pz011nxc5(c1c2c34s1s34)c1s2s5 nyc5(s1c2c34c1s34)s1s2s5 (7)

nscccs234525zoxs5(c1c2c34s1s34)c1s2c5oys5(s1c2c34c1s34)s1s2c5 (8) oscscc234525zaxc1c2s34s1c34ays1c2s34c1c34 (9) ass234zpxc1c1l2c3c1l1c2s1l2s3 pys1c2l2c3s1l1c2c1l2s3 (10)

pslcls22312zssinccos (11) c34cos(34)s34sin(34)

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nx式(6)即机械手的运动学方程。RnynzoxoyozaxT

ay为旋转变换矩阵，p = (px, py, pz) 为az平移变换矩阵。当已知各关节变量的值时，可根据式(6)求出当前的末端抓手的位置和姿态。

4.2.2逆运动学问题

在实际控制中，规定末端抓手的运动轨迹，并从中得到每一时刻末端抓手在基座坐标系中的位置表达式，即已知的是式(6)，要反求出相应时刻各关节变量的表达式。

1根据式(1) ~ (5)求出相应的逆矩阵Ti,2,,5)依次左乘末端抓手的位置矩阵T05，得1(1到方程组(12) ：

T01T05T12T23T34T45110345TTTTTT1052 11103445 (12)

T2T1T0T5T3T4111105TTTTTT432105联立运动学方程(1)~(6)的和方程组(12)可以求出各关节变量θi (i = 1,2,....,5) 的解析解，这一组解具有不唯一性，根据关节的作业要求、防止碰撞障碍物、防止受到机械约束等实际情况，可以得到各关节变量。θi (i = 1,2, ....,5) 的一组范围：

-100162000-151520 3731360 (13)

-800800400-15155在约束(13) 的限制下可以得到逆运动学问题的一组唯一解。

4.2.3 微分关系

在机械手的运动控制中，速度控制是必不可少的，所以有必要求出机械手各关节速度与末端抓手速度的关系。

通常的方法是先求出机械手的雅可比矩阵J，再求出逆雅可比矩阵J-1 ，即可解

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出机械手各关节速度的解析式。设机械手关节速度向量为：

θ1，2，，5 (14) T式中i(i1,2,,5)为关节变量θi的角速度，同时设末端抓手在基座坐标系中的广义速度向量为：

ν γx,y,z,ωx,ωy,ωz (15) ω式中， ν,ω分别为线速度和角速度分向量，用雅可比矩阵将式(14)，(15) 联系起来即为机械手各关节角速度的解析式:：

θJ1γ (16)

T因所讨论的机械手只有5个自由度，对应的雅可比矩阵不是方阵，所以相应的逆雅可比矩阵是一个广义逆矩阵：

JJT(JJT)1 (17)

式(17)的求取比较繁琐，而且在工作空间的某些位置上，JJT会变为奇异阵，无法求逆。所以，采用对逆运动学解直接微分的方法来得到θ关于γ的解析式。

对于三角函擞表达式，可以导出: (1) 当已知sin和cos的表达式时，有：

sd(sin)sind(cos) (18) dco(2) 当已知tanNsin时，有：

NcosNcosd(Nsin)Nsind(Ncos) d (19)

(Nsin)2(Ncos)2在求解逆运动学方程解的过程中，不难得到各关节变量的三角函数表达式，再利用式(18) 、(19) 可以迅速求得θ关于γ的解析式，在实际操作中可将各个参数代入计算机已编写编程，反解出各个变量即可。

 39

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4.3 机械手的位置控制系统

4.3.1 轨迹规划

以直线轨迹运动，且不要求改变姿态为例(其他轨迹原理相似)。具体的插补算法如下：设直线段的起点、终点分别为P0(x0，y0，z0) , Pe(xe，ye ，ze)，同时设末端抓

ν手在基座坐标系中的广义速度向量为：γx,y,z,0,0,0，Ts为轨迹插补时间

0T间隔，对于末端抓手得到以下等式：

(1)直线段长

L(xex0)2(yey0)2(zez0)2 (20) (2)Ts时间内的位移dvTs

L(3)整个直线段轨迹中的插补步Nint()1

v(4) 每一步的增量

x(xex0)N y(yey0)N (21)

z(zz)Ne0(5)各插补点的坐标值

xi1xix yi1yiy(i0,1,2,,N) (22)

zzzi1i(6)每一步的近似速度分别为

xyz、、 TsTsTs这样，根据前述逆运动学方程的解以及微分关系，可以从末端抓手的各个插补值求出相应点上的关节运动控制参数，在实际操作中可将机械手的各个参数代入计算机已编写编程，反解出各个变量即可。

4.3.2 位置控制系统

机械手单个关节的位置控制系统如图4-2 所示。这是一个典型的双环路位置随动

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控制系统，内层速度环由测速电机产生模拟反馈速度信号，外层位置环由增量式光电编码器产生数字式位置信号，系统中设有相应的部分来完成归零操作。插补器采用直接画数计算法来产生位置坐标值，直线轨迹的初始参数存放在存储器中，直线插补器通过运算来产生插补点坐标值，逆运动学运算器根据这些值求出相应的各个关节的位置值;微分运算器按照4.2.3 节中的微分关系式来求得速度参照值。

图4-2 机械手单关节位置控制系统框图

各关节位置采用顺序运动的方式解决各关节位置控制的协调问题。

进行机械手的运动学分析和轨迹规划后，已知机械手的L1=550mm、L2=500mm、L3=300mm的，在实际操作中可将机械手的各个坐标及运动角度θ代入计算机已编写编程，反解出各个变量即可。

4.4 本章小结

本章主要创建了一个机械手的简单模型，利用D-H矩阵方法对机械手进行了简单的运动学分析，逆运动学分析，确定其微分关系，最后对其进行了简单的轨迹规划。

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5 气压系统及控制系统的设计

气压系统是气动机械手区别于其他机械手的显著特征，气压系统回路如何设计影响机械手直动气缸及回转气缸是否能良好的运转；控制系统是每种机械手都必须考虑的，选择何种控制元件，如何控制气缸及电机的运转可能会影响机械手的响应速度及精度。

5.1机械手气压系统的设计

机械手爪采用气动驱动，是因为气动手爪相比液动和电动来说具有一些优点，由于气体具有一定的可压缩性，故手爪在夹持工件时具有一定的柔性，如此工件不易损坏，另外气动驱动的装置简单，价格便宜。基于以上考虑，我查阅了一些资料并参照了其他相关机械手臂的设计，设计出其气压系统。

5.1.1气压传动系统工作原理图

气动机械手的气动原理见图5-1，它的气源是由空气压缩机（排气压力大于0.4-0.6Mpa）通过快速接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作。

图5-1气动原理图

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表5-1 气路元件表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 名称 手动截止阀 储气缸 分水滤气器 减压阀 油雾器 压力继电器 二位四通电磁滑阀 手腕回转气缸 手指夹持气缸 立柱回转气缸

5.1.2气动元件介绍

(1).分水过滤器

分水过滤器的作用是滤去空气中的灰尘、杂质、并将空气中的水分分离出来。目前，分水过滤器的种类很多，但工作原理及结构大体相同。

1.工作原理

图5-2是分水过滤器的结构原理图。

当压缩空气从输入口进入后被引进旋风叶子1，旋风叶子上冲制有很多小缺口，迫使空气沿切线方向产生强烈的旋转，这样，混杂在空气中较大的水滴、油污、灰尘便获得较大的离心力，并与存水杯2的内壁高速碰撞，而从气体中分离出来，沉淀于存水杯2中。然后，气体通过中间的滤芯4，少量的灰尘、雾状水被拦截而滤去，洁净的空气便从输出口输出。

挡水板3是起防止杯中污水卷起而破坏分水过滤器的过滤作用。污水由排水阀5放掉。

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图5-2 分水过滤器

1-旋风叶子 2-存水杯 3-挡水板 4-滤芯 5-手动排水阀

2.分水过滤器的主要性能指标

①.过滤度 是指能允许通过的杂志颗粒的最大直径。常用的规格有：5-10m,10-20m，25-40m，50-75m四种，需要精过滤的还有0.01-0.1m，0.1-0.3m，0.3-3m，3-5m四种规格，以及其他规格如气味过滤等。

②.水分离率 是指分离水分的能力，用符号表示。

12 1式中 1——分水过滤器前空气的相对湿度

2——分水过滤器后空气的相对湿度

规定分水过滤器的水分分离率不小于65%。 ③.分水过滤器的其他性能

滤灰效率 指分水过滤器分离灰尘的质量和进入分水过滤器的灰尘质量之比。 流量特性 表示一定压力的压缩空气进入分水过滤器后，其输出压力与输入流量之间的关系。在额定流量下，输入压力与输出压力之差不超过输入压力的5%。

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(2).油雾器

油雾器是一种特殊的注油装置。当压缩空气流过时，它将润滑油喷射成雾状，随压缩空气一起流进需要润滑的部件，达到润滑的目的。

图5-3 油雾器

1.油雾器结构

油雾器分一次油雾器和二次油雾器两种。图4-3所示为普通型油雾器（一次油雾器）的结构图。压缩空气从输入口1进入后。通过小孔3进入截止阀（由阀座5、钢球12和弹簧13组成），如图4-3c，在钢球12上下表面形成压力差，此压力差被弹簧13的弹簧力所平衡，而使钢球处于中间位置，因而压缩空气就进入贮油杯6的上腔A，油面受压，压力油经吸油管10将单向阀9的钢球托起，钢球上部管道有一个边长小于钢球直径的四方孔，使钢球不能将上部管道封死，压力油能不断地流入视油器8

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内，到达喷嘴小孔2中，被主通道中的气流从小孔2中引射出来，雾化后从输出口4输出。视油器上部的节流阀7用以调节油量，可在0~200滴/min范围内调节。

2.油雾器的工作原理

其工作情况如图5-3c、d、雾油器能在进气状态下加油，这时只要拧松油塞11后，A腔与大气相通而压力下降，同时输入进来的压缩空气将钢球12压在阀座5上，切断压缩空气进入A腔的通道，如图4-3e所示。又由于吸油管中单向阀9的作用，压缩空气也不会从吸油管倒灌到贮油杯中，所以就可以在不停气状态下向油塞口加油。加油完毕，拧上油塞，截止阀又恢复工作状态，油雾器又重新开始工作。

5.2机械手控制系统设计

机械手的控制系统相当于人的大脑，它指挥机械手的动作。机械手的工作顺序、应达到的位置，如手臂上下移动、伸缩、回转及摆动、手腕上下、左右摆动和回转、手指的开闭动作，以及各个动作的时间、速度等，都是在控制系统的指挥下、通过每一运动部件沿各坐标轴的动作按照预先整定好的程序来实现的。

一般机械设备的控制系统，多着眼于自身运动的控制，而机械手的控制系统更注意本部与操作对象的关系。因此，对于机械手的控制系统来说，无论多么高级的系统，如果不能按要求把工件搬运到指定的位置，都是毫无意义的。

5.2.1 控制系统的结构分类

控制系统的结构一般分为开换系统和闭环系统两种结构，如图5-4、图5-5所示。

图5-4开环控制系统的结构

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图5-5 闭环控制系统的结构

闭环控制系统也叫反馈控制系统，是一种不断把给定值和各控制量进行比较，使其偏差为零的控制系统。而开环控制系统，即使有局部的小的闭环存在，但主要控制量是不用反馈控制的。对比两者，通常闭环系统的抵抗外部干扰和系统中主要单元的特性变化(参数变化)和能力强，而开环系统较弱。

但是，机械手的闭环控制系统受各种因素的影响，如外部负荷力(重力、强制力)，活动部分的内部摩擦，伺服阀的漂移、滞后，比较仪、伺服放大器的漂移，随动系统的粘滞性摩擦，反向电动势的影响等导致闭环控制系统产生静态误差。因而闭环控制的精度和定位时间等控制性能也有一定限度。要超过闭环控制系统的控制性能的界限必须采用由最佳控制理论所规定的控制结构，其中有时采用开环控制。因此要提高机械手的性能，应不局限于开环或闭环系统而吸收两者之长。

5.2.2 控制方式

运动控制方式有点位控制(PTP)和连续轨迹控制(CP)两种。这两种控制方式的区别如图5-6所示。

点位控制方式就是由点到点的控制方式，只对机械手运动部件(手腕、臂)所应到达空间点的定位进行控制，而对两个定位点之间的运动轨迹则不加控制。这种方式可达到较高的重复定位精度。点位控制又分为两点控制和多点控制两种。如果机械手抓取和放置工件的位置都是准确而固定的，如上下料专用机械手，可由挡块、行程开关等来定位，采用起点和终点的“两点控制方式”。通用机械手则要求多点定位，而且要经常更换设定位置，这时一般装有位置检测器作为运动位置的反馈，即采用“多点式控制”。两点的点位控制可用普通的继电器控制线路实现，多点式的点位控制则采用继电器顺序控制器、可编程序控制器和微机控制系统等。

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图5-6 点位控制和连续轨迹控制的区别

连续轨迹控制方式不仅要控制行程中所有中间点的位置和终点位置，而且还应对运动轴同时进行连续控制。这种控制方式的中间定位点是无限多的，如电弧焊、喷漆等机械手，需要采用连续轨迹控制方式，在控制其运动轨迹的同时，还需要控制其运动速度和加速度。

5.2.3控制动作及程序的编制

如图5-7所示，机械手的动作顺序框图：

图 5-7 机械手的动作顺序框图

单片机硬件布置如图5-8所示：

这次设计采用89C52单片机来控制9个继电器的得失电，由于单片机的IO驱动能力不够，所以加了两片ULN2003来驱动继电器，一个ULN2003能驱动7个继电器。

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图5-8 电磁铁得失电控制单片机硬件布置

其仿真程序可参见附录。

5.3 本章小结

本章主要介绍了气动机械手的气压系统设计包括气压回路的的设计、气压元件的介绍，控制系统的选择及仿真程序的编写。通过查阅相关设计资料对气压系统及控制系统进行了简单的设计，由于经验及知识的欠缺难免有不足之处。

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6 机械手部的仿真

机械手爪的开合运动是机械手末端执行器的关键运动，本章通过PROE的简单建模来验证机械手爪机构设计的正确性。

6.1爪部的建模仿真

机械手部的动作原理：如图3-4所示，为齿条齿轮杠杆式手部结构简图。由齿条直接传动给齿轮杠杆结构，驱动杆2 末端制成双面齿条，与扇形齿轮4 相啮合，而扇形齿轮4 与手指5 相固连在一起，可绕支点回转，驱动力推动齿条作直线往复运动，即可带动扇形齿轮回转，从而实现手指的加紧与松开。

据此原理设计出机械手爪总装图如下：

图6-1机械手爪的装配图

(1)机械手爪各零部件实体建模

①齿条的建模

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图6-2 齿条的三维模型生成图

② 齿轮的建模

图6-3齿轮渐开线生成图

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图6-4 单齿生成图

图6-5 全齿阵列生成图

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图6-6 齿轮的三维模型生成总图

③手指的建模

图6-7 手指的三维模型生成图

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两只平行手指与抓手连接一只与齿轮连接，一只与支架连接。齿轮运动时带动手指开合抓紧或放开工件。

④抓手的建模

图6-8 抓手的三维模型生成图

⑤支架的建模

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图6-9 支架的三维模型生成图

⑥螺栓的建模

图6-10 螺栓的三维模型生成图

⑦ 螺母的建模

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图6-11 螺母的三维模型生成图

⑧机械手爪的装配 具体操作如下：

首先将元件添加到组件中点击

弹出对话框如下

将各个零件依次添加到组件中对各零部件进行放置设置完成总装配，并对各部件进行染色如图6-1所示：

(2)机械手的仿真

机械手装配好后进行仿真，具体操作步骤如下： 打开应用程序点击机构

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打开电动机中的伺服电机中的ServoMptorl，然后打开分析中的机构分析弹出对话框

设定终止时间、帧频、最小间隔最后点击确定。然后点击回放以前进行的分析弹出如下窗口

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点击窗口中

的弹出如下窗口

点击其中

的便可播放动画，然后点击捕获，进行录像。

6.2 本章小结

本章通过三维建模，建立齿条、齿轮、手指的简单模型，模拟了手爪部的开合运动论证了所设计爪部机构的正确性，为整个机械手的设计充实了基础。

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结论

本文主要是设计一台多用途气动搬运机械手，可实现手部五自由度运动，即手臂的俯仰以及手臂、手腕的回转，从而准确夹持物体并送到指定位置。在设计过程中主要解决了以下几方面的工作：

1.结合课题背景，对机械手设计的总体方案进行了比较、选择，所设计的机械手成本低廉、性能优越、结构简单等，必要时可以降低精度要求；

2.根据机械手的设计参数，对机械手机械系统的结构部件进行了设计计算，并对相关机构进行了设计计算；

3.比较了目前工业机械手的驱动系统，选择了气压驱动和电机驱动两种方式的驱动作为本机械手的驱动系统，兼有电机驱动的高精度和气压驱动的柔性双重优点，可以实现连续控制扩展了机械手用途，经过相关验证该机械手可实现多用途的实际操作，比较单一的电机驱动或气压驱动具有更好的应用效果。

由于设计经验和知识水平的局限，本文只对机械手的机械结构和驱动系统做了设计，关于机械手控制系统的设计涉及到很少，不足之处恳请老师加以批评指导。

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致谢

本次设计是在李坤全老师帮助和指导下完成的。从课题选择到设计定稿，整个过程中都得到了李老师的悉心指导，他严谨的治学态度和认真负责的工作精神，让我学会了很多、体会了很多。在此，我首先向李老师表示真诚的感谢，并致以崇高的敬意。

在大学生涯的最后日子里，也是我们求职的较佳时间段，这就在时间上和做好毕业设计起了一定的冲突。经过学院领导、老师的统筹安排，我在做好毕业设计的同时也寻求了一份理想的工作。在此，我向尊敬的学院领导、老师表示诚挚的感谢，谢谢您们的支持和帮助。

最后，在即将毕业之际，我向帮助过我、支持过我的老师和同学们表示由衷的感谢，感谢您们给我的“财富”，谢谢！

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参考文献

[1] 江鹏. 无人车间的发展趋势[D]. 山西. 山西电子科技大学, 2007. [2] 李飞，王方建. 先进制造技术的研究[D]. 天津. 南开大学滨海学院, 2003. [3] 张建民. 工业机器人[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1996.

[4] 陆鑫盛. 气动自动化系统的优化设计[M] . 上海: 上海科学技术出版社, 2000. [5] 李洪剑. 西方机器人技术[D]. 哈尔滨. 哈尔滨工业大学, 2008. [6] 何存兴. 液压传动与气压传动[M]. 武汉:华中科技大学出版社, 2000. [7] 蔡自兴. 机器人学[M] . 北京: 清华大学出版社, 2000. [8] 龚振帮.机器人技术研究[M].北京：电子工业出版社，1995.

[9] 陆祥生, 杨秀莲. 机械手理论及应用[M]. 北京中国铁道出版社, 1985. [10] 王天然. 机器人技术改良[M] . 北京:化学工业出版社, 2002. [11] 李寿刚. 关节型机械手[M].北京: 北京理工大学出版社, 2002. [12] 左键民. 液压与气压传动[M]. 北京: 机械工业出版社, 1996. [13] 朱春波. 气动关节型机械手[J] 液压气动与密封, 1999, 78(6): 21-24. [14] 何广平. 连杆型机械臂的线性分析 [M]. 北京:机械工业出版社,2004. [15] SMC(中国) 有限公司. 现代实用气动技术[ M]. 北京: 机械工业出版社, 1998. [16] 刘双全. 基于飞利浦P8XC591 的CAN总线节点扩展[J ]. 电子设计应用, 2003 (3) :77 - 80.

[17] 孙靖. 机器人执行机构分析[D]. 北京. 北京邮电大学, 2002. [18] 孙靖民.机械优化设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000年. [19] 邱宣怀, 郭可谦. 机械设计[M]. 北京: 高等教育出版社, 1989. [20] 申永胜. 机械原理[M] . 北京: 清华大学出版社, 2007.

[21] 刘团辉. 机器人末端执行器的研究综述[D].河北. 河北大学, 2002.

[22] 姜丽萍. 果实采摘机器人的研究综述[D]. 江苏. 江苏大学农业工程研究院, 2004. [23] 王殿君, 刘淑晶. 三指机械手可达空间的仿真技术研究[D]. 北京. 北京石油化工 学院, 2007.

61

多用途气动机器人的机构设计

[24] 李平. 三指灵巧手指及抓取动作规划的研究[D]. 哈尔滨. 哈尔滨工业大学2003. [25] 马香峰. 机器人机构学[M]. 北京. 机械工业出版社，1991.

[26] STEVEN M. SPANO and NIKOLAOS G. BOURBAKIS. Design and Implementation of a Low Cost Multi-Fingered Robotic Hand Using a Method of Blocks [J]. Journal of Intelligent and Robotic Systems Vol. 30: 209–226, 2001.

[27] Naoshikondon , Ting K C. Robotics for bio-production system . ASAE paper, 1998. [28] Brock, D.L. and Salisbury, J.K. 1991. Implementation of Behavioral Control on a Robot Hand/Arm System [J]. Brooks, R.A. 1994. L. IS Robotics, Inc. [29] Ceres R, Pons FL, Jimenez AR. Design and implementation of an aided fruit-harvesting Robot (Agribot) [J] Industrial Robot, 1998, 25(5): 337-346.

[30] Bue mi F, Massa M, Sandini G'et a1. The robot project [J]. Advanced Space Research, 1996. 18(1/2): 185-189.

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附录:

仿真程序： #include

#define TH0_TL0 (65536-1000)//设定中断的间隔时长 unsigned char count0 = 0; unsigned char count1 = 0;

bit Flag = 1;//电机正反转标志位,1 正转，0 反转 sbit Key_add=P3 ^ 2; //电机减速 sbit Key_dec=P3 ^ 3; //电机加速 sbit Key_turn=P3 ^ 4; //电机换向 sbit PWM1=P3 ^ 6;//PWM 通道 1 sbit PWM2=P3 ^ 7;//PWM 通道 2 unsigned char Time_delay; //函数声明

void Delay(unsigned char x); void Motor_speed_high(void); void Motor_speed_low(void); void Motor_turn(void); void Timer0_init(void);

/***************************************************************** ***/

void Delay(unsigned char x)//延时处理 {

Time_delay = x; while(Time_delay != 0); }

/***************************************************************** ***/

void Timer0_int(void) interrupt 1 using 1//定时0 中断处理 { TR0 = 0;

TL0 += (TH0_TL0 + 9) % 256;

TH0 += (TH0_TL0 + 9) / 256 + (char)CY;

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TR0 = 1;

if(Time_delay != 0)//延时函数用 {

Time_delay--; }

if(Flag == 1)//电机正转 {

PWM1 = 0;

if(++count1 < count0) {

PWM2 = 1; } else PWM2 = 0; if(count1 >= 100) { count1=0; } }

else //电机反转 {

PWM2 = 0;

if(++count1 < count0) {

PWM1 = 1; } else PWM1 = 0; if(count1 >= 100) { count1=0; } }//反转 }

/*****************************************************************

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***/

void Motor_speed_high(void)//按键处理加pwm 占空比，电机加速 {

if(Key_add==0) { Delay(10); if(Key_add==0) {

count0 += 5; if(count0 >= 100) {

count0 = 100; } }

while(Key_add == 0);//等待键松开 } }

/***************************************************************** ***/

void Motor_speed_low(void)//按键处理减pwm 占空比，电机减速 {

if(Key_dec==0) { Delay(10); if(Key_dec==0) {

count0 -= 5; if(count0 <= 0) {

count0 = 0; } }

while(Key_dec == 0); } }

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/***************************************************************** ***/

void Motor_turn(void)//电机正反向控制 {

if(Key_turn == 0) { Delay(10); if(Key_turn == 0) {

Flag = ~Flag; }

while(Key_turn == 0); } }

/***************************************************************** ***/

void Timer0_init(void)//定时器0 初始化 {

TMOD=0x01; TH0=TH0_TL0 / 256; TL0=TH0_TL0 % 256; TR0=1; ET0=1; EA=1; }

/***************************************************************** ***/

void main(void)//主函数 {

Timer0_init(); while(1) {

Motor_turn(); Motor_speed_high(); Motor_speed_low();

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} }

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