畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-六自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、六自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 為了解決靶場試射的瞎彈的處理問題，即：人員傷亡嚴(yán)重、工作環(huán)境惡劣、效率低以及耗資巨大等實(shí)際問題，本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)用的靶場瞎彈處理裝置。它由機(jī)械手代替人工實(shí)現(xiàn)自動搜索和排除瞎彈的任務(wù)，在處理瞎彈的過程中能充分保證操作人員的安全，而且效率高成本低廉。 本系統(tǒng)為六自由度的機(jī)械手，在工業(yè)機(jī)器人方面實(shí)為難度較大的設(shè)計(jì)，但本著能源充分利用的原則，本設(shè)計(jì)的六個(gè)自由度全部采用液壓控制，一方面可以充分利用施放車的液壓控制系統(tǒng)；另一方面可以很大程度上減小處理系統(tǒng)的輪廓尺寸，從而減小了能源的無謂的消耗。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手，傳動系統(tǒng)，輔助裝置，手部 全套圖紙加扣 33

2、46389411或3012250582 Structure design of six degree of freedom manipulator Abstract In order to solve the problem of blind projectile firing in shooting range, such as serious casualties, poor working environment, low efficiency and huge cost, a practical target shooting device is designed in this

3、 paper. It is a robot instead of manual operation to automatically search and exclude the task of blind projectile. In the process of dealing with the blind projectile, it can fully ensure the safety of the operator, and it is efficient and low cost. This system is a manipulator with six degrees of

4、 freedom, the industrial robot is difficult to design, but the spirit of making full use of energy principle, the design of the six degrees of freedom with hydraulic control, on the one hand can make full use of the hydraulic control system of cast car; on the other hand, we can greatly reduce the s

5、ize of contour processing the system, thereby reducing unnecessary energy consumption. Key words：Manipulator, transmission system, auxiliary device, hand 目 錄 第1章 緒論 1 1.1 項(xiàng)目的背景和意義 1 1.2 國內(nèi)外研究發(fā)展的現(xiàn)狀 1 1.3 系統(tǒng)組成 2 1.3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 1.3.2 系統(tǒng)工作原理 3 1.3.3 分系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 1.3.4 總體方案的論證分析 4 1.3.5 系統(tǒng)精度分析 5

6、 1.3.6 系統(tǒng)可靠性分析 5 第2章 機(jī)械手傳動部分的總體設(shè)計(jì) 6 2.1 傳動部分的組成和實(shí)現(xiàn) 6 2.2 驅(qū)動系統(tǒng)的選擇 6 2.3 傳動機(jī)構(gòu)自由度的選擇 8 2.4 傳動機(jī)構(gòu)方案的選擇 9 2.5 傳動機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)變換與運(yùn)動學(xué)分析 11 第3章 機(jī)械手傳動部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 3.1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 3.1.1 機(jī)械手開合行程以及夾持力的計(jì)算 20 3.1.2 機(jī)械手方案的選擇 21 3.1.3 機(jī)械手主要尺寸的確定 23 3.1.4 自鎖彈簧的設(shè)計(jì) 24 3.2 腕部的設(shè)計(jì) 24 3.2.1控制手指動作的小油缸的基本參數(shù)的確定 25 3.2.2

7、 腕部擺動關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 27 3.3 伸縮臂的設(shè)計(jì) 32 3.4 手臂水平擺部分的設(shè)計(jì) 37 第4章 其他輔助裝置的設(shè)計(jì) 39 4.1 緩沖和定位 39 4.2 手部傳感器的選擇 40 結(jié) 論 44 參考文獻(xiàn) 45 致 謝 46 I 第1章 緒論 第1章 緒論 1.1 項(xiàng)目的背景和意義 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和兵器工業(yè)的迅速發(fā)展，炮彈的研制正以飛快的速度發(fā)展和更新，從而對炮彈的試驗(yàn)也有更進(jìn)一步的要求。在炮彈試射的過程中避免不了的會有瞎彈的存在，對于軍用靶場試射的瞎彈的排除一直是一個(gè)難以解決的問題，至今尚未得到妥善的解決。對于我國的瞎彈處理一直是由人工將

8、炸藥放置在瞎彈處，然后進(jìn)行人工引爆。在人工搜索和排除的過程中，避免不了的會有誤觸發(fā)或意外爆炸的情況出現(xiàn)，因而造成了很大的人力、物力的損失。處理瞎彈目前有兩個(gè)需要解決的問題：一個(gè)是探測和搜索，首先必須探測到瞎彈的位置和狀態(tài)，搜索時(shí)不得有遺漏，否則會對工作人員的人身安全構(gòu)成威脅。因此，為了切實(shí)解決以上存在的諸多問題，急需研制一套瞎彈處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)該具備兩大功能：搜索和排除。搜索中不能有盲區(qū)，并且有足夠的速度。排除瞎彈時(shí)，處理系統(tǒng)會摹擬人的動作將炸藥放置于瞎彈處，并安全引爆。放置精度接近或等于人工放置的精度。用機(jī)械手代替人工，是一套切實(shí)可行的技術(shù)方案，它可以實(shí)現(xiàn)自動搜索，自動排除，從而減少人員傷

9、亡，提高了工作效率。 1.2 國內(nèi)外研究發(fā)展的現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)外對靶場試射的瞎彈的處理還未有專門的裝置。國外雖然己經(jīng)有類似的裝置，例如，德國新近研制和生產(chǎn)的一種新型爆炸物遙控處理車已經(jīng)問世，如圖（ l - l ）所示，該車是根據(jù)先前的 MV4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)制造的。 MV4系統(tǒng)迄今為止已生產(chǎn)了100多輛，銷往世界各地。新系統(tǒng)性能更佳，速度更快，噪聲更小。該車裝有七節(jié)機(jī)械手，有一車載式伸縮臂，最大臂展長度為 2 . 8 米，有效負(fù)載 30 公斤。驅(qū)動馬達(dá)和機(jī)械手操作馬達(dá)由四象限控制系統(tǒng)工作，并且，該車前進(jìn)和倒退行使可實(shí)現(xiàn)無級變速。該車采用全履帶式底盤，具有優(yōu)良的越野機(jī)動性；它可以自動完

10、成換裝工具、疊合和伸縮工作臂的常規(guī)操作。該車最多可以安裝 6 具攝像儀，此外還裝有一個(gè)專用 X 射線探測系統(tǒng)，從而能在安全的距離上，對目標(biāo)內(nèi)部加以檢查。而且可用無線電或電纜來操縱，電纜長 200 米，裝有電纜制式自動纏繞裝置，以免電纜纏結(jié)或損壞；該車還裝有一種特殊的冷凍裝置，可以使可疑的爆炸裝置失效。迄今為止，己生產(chǎn)出兩輛，一輛供德國國防部使用，另一輛供生產(chǎn)廠家試驗(yàn)用，而且價(jià)格十分昂貴。 圖1-1 新型爆炸物遙控處理車 但是針對我國國情來說，這套新型爆炸物處理車從國外引進(jìn)耗資巨大，而且不適合我國的試射靶場。 對于經(jīng)濟(jì)和武器裝備等相對比較落后的我國，極其需要大量的武器研究和試驗(yàn)工作，因

11、此，對于靶場試射的各種炮彈的處理也變得愈加緊迫。研究一種既適合我國國情又高效安全的靶場瞎彈處理裝置已迫在眉睫了。 1.3 系統(tǒng)組成 根據(jù)以上的分析結(jié)果，需要研制和設(shè)計(jì)的這套靶場瞎彈處理系統(tǒng)應(yīng)該具有如下的功能： ( 1 ) ．大面積快速搜索，迅速找到瞎彈所在位置； ( 2 ) ．使用機(jī)械手，放置并完成引爆炸藥的實(shí)施工作； ( 3 ) ．通過遠(yuǎn)距離的操作，實(shí)現(xiàn)安全引爆； ( 4 ) ．利用遙控自由旋轉(zhuǎn)攝像頭，安全準(zhǔn)確地檢查瞎彈處理結(jié)果。 1.3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 從總體結(jié)構(gòu)上提出頂桿施放式（見圖 1- 2 ) ，地桿施放式（見圖 1 - 3 ) ，自殺爆炸車，遙控施放車（見

12、圖 1 - 4 ）和步行機(jī)施放車等五種設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過反復(fù)比較和篩選，最后認(rèn)定頂置施放式是比較好的一種。它主要由瞎彈探測器、裝甲施放車、上置式施放桿、施放機(jī)械手以及控制和攝像監(jiān)控系統(tǒng)組成。 圖1-2 頂桿式施放原理圖 圖1-3 地桿式施放車原理圖 圖1-4 遙控施放車原理圖 1.3.2 系統(tǒng)工作原理 整套系統(tǒng)經(jīng)過嚴(yán)密的科學(xué)論證分析，初步認(rèn)為頂置施放桿式處理系統(tǒng)是比較好的一種方案。（如圖1-2） 它主要由瞎彈探測器、裝置施放車、上置折疊式施放桿、施放機(jī)械手以及控制和攝像監(jiān)控系統(tǒng)組成。其工作原理是：當(dāng)車體行至現(xiàn)場后，收縮的頂置施放桿開始向前伸展，裝在車體前端及左右兩側(cè)的探測器

13、開始搜索瞎彈，發(fā)現(xiàn)并鎖定目標(biāo)，操縱施放裝置，將炸藥施放在瞎彈上（或附近），然后收起施放裝置，退至安全距離遙控引爆炸彈。從而使瞎彈爆炸，達(dá)到排除之目的。頂置式施放裝置由液壓或電動推桿控制俯仰。 采用該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，施放精度較高，控制方便。由于施放桿頂置且可折疊，因此使作業(yè)車輛行進(jìn)方便，實(shí)現(xiàn)高速行駛和快速搜索。但考慮到結(jié)構(gòu)剛度和施放精度，施放桿不能太長，這也成為本方案受限制的主要之處。 1.3.3 分系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的原理方案選定之后，應(yīng)該對其他輔助的設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)或選取。現(xiàn)在對本系統(tǒng)所需的一些輔助裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)如下： ( 1 ) ．施放車體采用工程車底盤，前大輪驅(qū)動，后輪轉(zhuǎn)

14、向，通過性良好，行動靈活，有利于施放作業(yè)。根據(jù)情況，考慮將柴油機(jī)改為電瓶動力。車上配有防護(hù)裝甲（或全裝甲）。 ( 2 ) ．作業(yè)機(jī)械手為對開爪式，油缸控制開合，負(fù)載十公斤。通過駕駛室控制。 ( 3 ) ．瞎彈探測器為電磁感應(yīng)式，探測距離不小于 8 米，用聲光報(bào)警。 ( 4 ) ．?dāng)z像監(jiān)視系統(tǒng)。采用 CCD 彩色微攝像頭，控制自由平臺，可實(shí)現(xiàn)近距離多角度全方位攝像。 1.3.4 總體方案的論證分析 采用頂置施放桿式控制，結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，施放精度較高，控制方便。由于施放桿頂置而且可折疊，因此行進(jìn)方便，可高速行使，待開始作業(yè)時(shí)再放低速度，而采用地桿式就不易作到這一點(diǎn)?？紤]結(jié)構(gòu)剛度和

15、施放精度，施放桿不能太長，這是本方案受限制之處。若改為遙控車，則可以解決這一問題，但需要作業(yè)車和遙控車兩車作業(yè)，復(fù)雜了些，費(fèi)用也較高，因此，在滿足基本要求的情況下，我們還是采用頂置式施放桿設(shè)計(jì)。 由于施放車要在自然地表面上行走，必須有良好的通過性。因此我們采用了大前輪深紋輪胎，前輪主動，后輪轉(zhuǎn)向，基本能夠滿足要求，至于步行機(jī)行走機(jī)構(gòu)，雖然通過性最好，但結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，成本過高，除非山石路面，不予考慮。 自殺式炸藥車每次損失一輛，雖然簡化設(shè)計(jì)，但是代價(jià)仍然太大，難以接受。而日為降低成本，車體轉(zhuǎn)小，通過性大受影響。 1.3.5 系統(tǒng)精度分析 系統(tǒng)精度主要有機(jī)械手操作精度和頂置施放桿的施放精度

16、兩項(xiàng)。 ( 1 ) ．機(jī)械手由于采用對開，而且由液壓缸控制開合，技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)也簡單。開合時(shí)可控制在 1 毫米以內(nèi)，足以夾穩(wěn)或妥善放開引爆炸藥。接近炸藥夾持位置時(shí)，可以點(diǎn)動，步進(jìn)精度可高于 1 毫米。 ( 2 ) ．由于施放桿較長，其剛度將是影響施放精度的主要因素。采用伸縮箱式的施放桿可以最大限度地提高其剛度。施放時(shí)的位置精度可控制在 0 . 1 米以內(nèi)，能夠滿足要求。對于要求更高的場合，頂置施放桿的前端再加 0 . 5 - 1 米的接長段，對該接長段進(jìn)行控制，可以使精度提高近十倍，達(dá)到 0 . 01 米（ l 厘米）以內(nèi)。 1.3.6 系統(tǒng)可靠性分析 可靠性是衡量一個(gè)系統(tǒng)在規(guī)定條

17、件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，對于本文所論述的靶場瞎彈處理系統(tǒng)來說，保證其可靠性是十分重要的?，F(xiàn)在從三個(gè)方面分述如下： ( 1 ) ．施放的可靠性由于施放機(jī)械手的操作精度和施放桿的定位精度都較高，這就保證了施放的可靠性。另外，施放機(jī)械手及其驅(qū)動和控制機(jī)構(gòu)等全部是成熟的在用技術(shù)，很多都采用標(biāo)準(zhǔn)件，十分可靠。 ( 2 ) ．引爆的可靠性炸藥引爆采用遠(yuǎn)距離線控或無線遙控，采用雙重編碼控制，誤觸發(fā)概率幾乎為零。 ( 3 ) ．防護(hù)的可靠性由于施放桿長達(dá) 8 - 12 米，在這個(gè)距離外操作，加上防護(hù)裝甲，完全可以保證操作人員的安全。當(dāng)然，采用遙控施放車，可以在百米之外進(jìn)行操作，絕對安全

18、。 45 第2章 機(jī)械手傳動部分的總體設(shè)計(jì) 第2章 機(jī)械手傳動部分的總體設(shè)計(jì) 2.1 傳動部分的組成和實(shí)現(xiàn) 前一章己經(jīng)概述了整套系統(tǒng)由瞎彈探測器、裝置施放車、上置折疊式施放桿以及施放機(jī)械手、攝像監(jiān)控系統(tǒng)組成，其中探測器的作用是：探測、搜索瞎彈的方位，發(fā)現(xiàn)及鎖定目標(biāo)后，通知系統(tǒng)施放炸藥，并時(shí)時(shí)反饋施放精度。裝置施放車能使整套系統(tǒng)在靶區(qū)內(nèi)行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)較大范圍搜索并且起到保護(hù)系統(tǒng)裝置和人員的人身安全的作用。上置折疊式施放桿應(yīng)該起到施放車和施放機(jī)械手的聯(lián)接作用，從而避免控制人員與瞎彈距離太近，導(dǎo)致意外事故的發(fā)生。鑒于車體的防護(hù)作用以及安全操作范圍，該施放桿的長度應(yīng)該達(dá)到 8 -12 米

19、。若使施放桿伸出 8 -12 米，由于材料本身的重量，將產(chǎn)生較大的力矩和應(yīng)力，因而對結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的優(yōu)化，以獲得較小的外部輪廓尺寸和重量，滿足設(shè)計(jì)要求成為本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之處。施放機(jī)械手的作用是能摹擬人的手部動作，抓取和施放炸藥。控制和監(jiān)控系統(tǒng)的作用是及時(shí)處理系統(tǒng)反饋的各種數(shù)據(jù)，在整個(gè)系統(tǒng)中起人的大腦的作用，指揮執(zhí)行部分按預(yù)定要求動作。 1 ．技術(shù)指標(biāo) ( 1 ) ．車體行進(jìn)速度 15 公里／小時(shí)； ( 2 ) ．搜索速度＞ 10 公頃（ 105 米 2 ) ／小時(shí)； ( 3 ) ．施放車車體長度為 4 米； ( 4 ) ．工作臂長度為 8 米； ( 5 ) ．機(jī)械手承載重量：

20、 10 千克； ( 6 ) ．施放精度＜ 01 米。 2 ．系統(tǒng)對傳動部分的技術(shù)要求主要有以下幾點(diǎn)： （1） 機(jī)械手的重量約5kg ，采用 3cm×5cm×8cm 的立方型的炸藥包； （2） 施放桿的長度至少8m ，可實(shí)現(xiàn)折疊式伸縮，以減小其非工作狀態(tài)時(shí)的尺寸； （3） 施放精度小于 0 . lm ; （4） 機(jī)械手應(yīng)能夠自鎖，以免出現(xiàn)系統(tǒng)故障時(shí)炸藥會失落，造成意外事故的發(fā)生。 2.2 驅(qū)動系統(tǒng)的選擇 傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)是直接使各運(yùn)動部件運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，對工作機(jī)的性能和功能影響很大。如果沒有有效的伺服系統(tǒng)，無論是機(jī)械手具有多么高的智能和優(yōu)越的傳感器，也是無濟(jì)于事。一個(gè)系統(tǒng)

21、的驅(qū)動與控制方式是根據(jù)它的特點(diǎn)并結(jié)合生產(chǎn)工藝的要求來選擇的，要盡量選擇控制性能好、體積小、維修方便、成本低的方式。 本傳動系統(tǒng)的運(yùn)動動作自由度多，運(yùn)動速度快，驅(qū)動元件本身為安裝在活動的機(jī)架（手臂或轉(zhuǎn)臺上），這些特點(diǎn)要求驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須做到外形小、重量輕、工作穩(wěn)定可靠。另外，由于要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位，工作程序又能靈活多變，所以須采用伺服系統(tǒng)，使其功能得以實(shí)現(xiàn)。 目前，驅(qū)動系統(tǒng)方式主要有液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、機(jī)械聯(lián)動這幾種驅(qū)動方式，它們各有優(yōu)點(diǎn)之處。一臺工業(yè)機(jī)器人或機(jī)械手可以只采用一種方式驅(qū)動，也可以采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動，使用單位有氣壓站的盡量選用氣壓驅(qū)動。為便于選擇，表 2 - 1 對各

22、種驅(qū)動方式的特點(diǎn)進(jìn)行了比較。 現(xiàn)在我們對靶場瞎彈處理系統(tǒng)的工作狀況進(jìn)行一些簡單必要的分析： 1 ．靶場的地理位置 它可能處于人跡罕至的大沙漠，也可能處在空曠平坦的草原，亦或坎坷起伏的丘陵，這就決定了作業(yè)現(xiàn)場供電設(shè)備或有或無，為使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有更廣泛的適應(yīng)性，驅(qū)動系統(tǒng)不可能使用大型的電機(jī)。 2 ．爆炸的隨機(jī)性 瞎彈爆炸的機(jī)率雖然不高，但隨機(jī)性強(qiáng)，而且機(jī)械手直接抓取和施放的是炸藥，對于響應(yīng)慢、動作不平穩(wěn)、有沖擊的氣動方式也須慎重考慮。而且對于空曠的靶場氣壓也不易獲得。因此，利用氣壓驅(qū)動也是不科學(xué)的。 3 ．環(huán)境的復(fù)雜性靶場的地理位置的復(fù)雜性決定了本系統(tǒng)工作環(huán)境的惡劣性，它可

23、能布滿了灰塵、泥土甚至是腐蝕性的介質(zhì)。因此，要求本機(jī)械手必須具有驅(qū)動力大、耐腐蝕、耐沖擊、耐振動等特點(diǎn)。 鑒于液壓驅(qū)動方式的許多優(yōu)點(diǎn)，如：操作力大、體積小、動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動、自鎖方便、并能在中間位置停止等，這正是本系統(tǒng)作業(yè)所需。至于其防爆能力較差、漏油等缺點(diǎn)可以通過改進(jìn)其液壓缸的工藝來得以克服。另外，液壓驅(qū)動方式中液壓源部分可以與施放車輛共用，從而更大地減少了車體負(fù)載和成本。綜合考慮以上各種因素，驅(qū)動方式選用液壓輔以機(jī)械、電動來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。 表2-1 驅(qū)動方式的比較 驅(qū) 動 方 式 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 成 本 適應(yīng)范圍 液 壓 操作力大，體積小，動作平穩(wěn)，

24、耐沖擊，耐振動，易控制 對油液過濾和液壓件密封要求高，油液豁度隨溫度變化 較高 廣泛 電 動 較液壓方便，信號傳遞容易，響應(yīng)快捷，驅(qū)動力大，維修和使用方便 需要減速機(jī)構(gòu)，而且須步進(jìn)電機(jī)， DC 伺服電機(jī)和 AS 伺服電機(jī) 較高 廣泛 氣 動 氣源方便，維修簡單，易獲得高速度，防火防爆，漏氣對環(huán)境無害 操作力小，體積大，由于空氣的可壓縮性，大速度不易控制，響應(yīng)慢，運(yùn)動不平穩(wěn)，有沖擊 低 較廣泛 機(jī) 械 傳動可靠、工作速度高、成本低 須使用液、電、氣等力源，適用專一，結(jié)構(gòu)龐大 高 較窄 2.3 傳動機(jī)構(gòu)自由度的選擇 目前工業(yè)機(jī)械手主要有以下幾種：直

25、角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式以及關(guān)節(jié)式，視具體情況設(shè)計(jì)成具體的類型，或加以取舍，以達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。如圖 2 - 1 。 圖2-1 機(jī)械手的坐標(biāo)形式 經(jīng)過初步考慮后，擬采取方案（C），其優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)械手與機(jī)座之間有回轉(zhuǎn)副 1 ，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在較大的扇形（或圓形）平面上搜索，該回轉(zhuǎn)副之上采用另一與之垂直方向的回轉(zhuǎn)副 2 ，可以使機(jī)械手在垂直面內(nèi)擺動，從而使機(jī)械手把炸藥從車中送至地面成為可能，然后夾持炸藥的手指開始動作，將炸藥成功地放置在瞎彈附近。最上面的移動副 3 可以實(shí)現(xiàn)較大行程的動作。因?yàn)槿吮仨氃?8 - 12 米這個(gè)安全范圍外操縱，這一限制因素使得該移動副必須具備足夠的強(qiáng)度和剛

26、度，這也是本方案成功的關(guān)鍵。 2.4 傳動機(jī)構(gòu)方案的選擇 經(jīng)過以上幾節(jié)的比較和分析，初步確定如下三種方案： 1 ．頂桿式（如圖 2 - 2 ) 采用伸縮臂式的桿，臂前端接有機(jī)械手，桿的伸縮由三級伸縮液壓缸帶動，桿的水平擺動由回轉(zhuǎn)擺動缸控制，同時(shí)桿上下垂直方向的擺動亦由變幅液壓缸控制，同時(shí)臂前端機(jī)械手通過肩部擺動缸和肘部擺動缸亦可實(shí)現(xiàn)水平和垂直面上的轉(zhuǎn)動。 本方案的優(yōu)點(diǎn)在于：控制簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，可在伸縮缸的前端接一段垂直或水平方向回轉(zhuǎn)的小臂，運(yùn)用系統(tǒng)本身的攝像和監(jiān)控系 圖2-2 頂桿式傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原本圖 統(tǒng)對小臂進(jìn)行監(jiān)控，使放置的精度幾倍甚至十幾倍的增加，從而使整套系統(tǒng)對環(huán)

27、境的適應(yīng)能力更強(qiáng)?？梢詮V泛地應(yīng)用在沙灘、草地、山地、戈壁、丘陵等復(fù)雜地形。這種傳動機(jī)構(gòu)存在的不足之處是：伸縮臂較長而且重量較大，工作時(shí)易失穩(wěn)，這要求設(shè)計(jì)者必須對伸縮臂進(jìn)行優(yōu)化，從而設(shè)計(jì)出質(zhì)量輕而又符合要求的伸縮臂。 2 ．折疊桿式（如圖 2 - 3 ) 圖2-3 折疊桿式傳動機(jī)構(gòu)原理圖 本機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)桿進(jìn)行傳動，每一個(gè)桿分別由一個(gè)液壓缸控制，桿 1 與支架鉸接，支架與回轉(zhuǎn)臺固結(jié)，整個(gè)機(jī)構(gòu)類似于工程機(jī)械中的挖掘機(jī)構(gòu)，機(jī)械手鉸接與桿 2 的頂部，達(dá)到準(zhǔn)確地運(yùn)送炸藥的目的。 本方案可以優(yōu)化桿1和桿2 的尺寸，使桿2可以回折至桿1之下，減少非工作狀態(tài)時(shí)的空間，控制比較簡單，工作精度高。但

28、是，該方案在結(jié)構(gòu)上較龐大，而且重量較第一種方案要大得多。 3 ．折疊伸縮式（如圖 2 - 4 ) 本方案采用一系列等長折疊的桿組，這些桿兩兩十字交叉又鉸接在一起，類似于縮放尺。靠近車體的兩桿端部與液壓缸兩端部鉸接，這樣當(dāng)液壓缸伸縮時(shí)，兩桿的夾角發(fā)生變化，從而將機(jī)械手送出去，臂的俯仰由另一液壓缸控制。 本方案的缺陷在于：傳動部分由許多桿件組成，桿件越多其剛度、強(qiáng)度就越差；桿件少反而使橫向尺寸變大，整個(gè)機(jī)構(gòu)也變得龐大，因而不易實(shí)現(xiàn)。 圖2-4 折疊伸縮式傳動機(jī)構(gòu)原理圖 綜合考慮各種因素，方案 1 較其它兩種方案更容易實(shí)現(xiàn)。在選用伸縮式液壓缸時(shí)，擬采用三級伸縮液壓缸（因?yàn)橐簤焊椎募墧?shù)

29、越多，油缸的自重就越大，隨之須有更為龐大的配套系統(tǒng)），每級最大行程確定為 3200m ，其最小的活塞桿直徑為小 40mm ，直接向?qū)I(yè)廠家訂購該液壓缸即可。 因?yàn)榈谌壣炜s桿的直徑較小，并且行程較長，同時(shí)，加之與其聯(lián)接的機(jī)械手和炸藥的重量，勢必使活塞桿產(chǎn)生相當(dāng)大的變形乃至折斷。因而，必須設(shè)計(jì)一個(gè)箱式伸縮臂，以增大強(qiáng)度和剛度，使活塞桿只承受軸向載荷，而不承受徑向載荷，保證機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)作。這些將在以后各章節(jié)寧里點(diǎn)分紹。 2.5 傳動機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)變換與運(yùn)動學(xué)分析 傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式被選定之后，其運(yùn)動系統(tǒng)也就基本上確定了。當(dāng)運(yùn)動系統(tǒng)比較簡單、自由度數(shù)目少時(shí)，可以直接根據(jù)手部把持中心的位置坐標(biāo)給定每

30、一個(gè)軸的位置控制指令。但是，對于象本系統(tǒng)這樣運(yùn)動復(fù)雜、自由度多的運(yùn)動系統(tǒng)，直接向各軸發(fā)出位置指令就相當(dāng)困難。這就需要用坐標(biāo)變換的方法來求解向各軸發(fā)出的位置指令值。 對于本系統(tǒng)共有六個(gè)自由度，如圖 2 - 5 所示。其六個(gè)自由度分別為：臂部有回轉(zhuǎn)，俯仰，以及沿臂部的伸縮 R1 ；腕部有回轉(zhuǎn)自由度，及水平方向的回轉(zhuǎn)，以及手部的伸縮 R2 。 一．運(yùn)動方程的建立 機(jī)械手的運(yùn)動方程包括位移方程、速度方程和加速度方程?？梢酝ㄟ^多級坐標(biāo)變換數(shù)學(xué)表達(dá)式及其一階、二階導(dǎo)數(shù)求得。 從機(jī)座的固定坐標(biāo)系的原點(diǎn)O ，經(jīng)過繞 Z 軸的回轉(zhuǎn)變換 T1 () , 沿 Z 軸的平移變換 T2( L1 ) ，繞 Y 軸

31、的回轉(zhuǎn)變換 T3（β），繞 x 1軸的回轉(zhuǎn)變換 T4 （），沿Y1，軸的平移變換 T5 ( L2 + R ) ，繞 y 2軸的回轉(zhuǎn)變換T6（）和沿Y2軸的平移變換T7（L3），最后變換到手部中心（O3），如果已知手部的動坐標(biāo)系中一點(diǎn)的坐標(biāo)為（ x3 , y3 , z3 ) ，將此點(diǎn)坐標(biāo)位置變換成固定坐標(biāo)系｛O: X , Y , Z ｝中的位置時(shí)，其變換過程如下： （2-1） 圖2-5 球坐標(biāo)型機(jī)械手運(yùn)動系統(tǒng)圖 簡化后得： （2-2） 當(dāng)X3

32、、Y3、Z3均等于零時(shí)，并將其代入（2-2）式，即可得到手部把持中心的位移方程為： （2-3） 式中、、為常數(shù)，分別為、、的最小長度，R1為手臂伸縮的長度。從手部把持中心的位移方程（2-3），可以求得手部把持中心的速度和加速度方程。 （2-4） 式中： ------ 手臂繞z軸的回轉(zhuǎn)角速度； ------ 手臂的俯仰角速度； ------ 手臂的伸縮速度。 加速度方程為： （2-5） 式中：

33、 ------ 手臂繞z軸的回轉(zhuǎn)角速度； ------ 手臂的俯仰角速度； ------ 手臂的伸縮速度。 二．手部方向余弦方程的建立 從圖2-5可知，手部動坐標(biāo)系{O3：x3,y3,z3}只經(jīng)過繞z軸、x1軸、y2軸的三次回轉(zhuǎn)變換，故方向余弦矩陣方程為： (2-6) 將，，的變換矩陣代入上式即得： （2-7） 化簡后得： （2-8） 從上式可知，手部x3軸的方向余弦方程為： (2-9) 手部y3軸的方向余弦方程為：

34、 (2-10) 手部z3軸的方向余弦方程為： (2-11) 三．機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)分析 關(guān)于機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方面的著作非常多，其中包括大量的有關(guān)機(jī)器人分析、設(shè)計(jì)以及控制方面的教科書。 本傳動機(jī)構(gòu)為六自由度的機(jī)械手，現(xiàn)采用逆運(yùn)動學(xué)分析的方法，對機(jī)械手的運(yùn)動進(jìn)行分析。 所謂逆運(yùn)動學(xué)分析的思路為：將六自由度機(jī)械手分解為位置結(jié)構(gòu)和姿態(tài)結(jié)構(gòu)，利用轉(zhuǎn)換矩陣法對兩結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上建立機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)求逆算法，與一般的迭代算法或優(yōu)化算法相比較，本算法收斂速度快［ 45 '

35、 ，而且能得到滿足約束的全部解，與解析方法相比較，它具有通用性的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于機(jī)器人仿真系統(tǒng)中。 一般情況下，機(jī)械手的前三個(gè)關(guān)節(jié)影響末端工作點(diǎn)的位置，后三個(gè)關(guān)節(jié)決定工件坐標(biāo)系的姿態(tài)，各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系之間采用標(biāo)準(zhǔn)的 D-H矩陣，即： （2-12） 其中Ci=cosi，Si=sini，c→cos，s→sin；Lib：Ai中表示姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣的3×3子矩陣。 設(shè)末端工作點(diǎn)位姿以表示，則： (2-13) 將機(jī)械手分解為位置結(jié)構(gòu)和姿態(tài)結(jié)構(gòu)，從（2-13）式可以得到：

36、 （2-14） (2-15) 對于非耦合式機(jī)械手，可以從直接求得 (，，)T，從而利用（2-14）求解前三個(gè)關(guān)節(jié)變量，再由（2-15）求解后三個(gè)關(guān)節(jié)變量；對于耦合結(jié)構(gòu)的機(jī)械手，根據(jù)（2-14）和（2-15）交替迭代得到整個(gè)機(jī)械手的逆解。 迭代過程如下： （1）取初值，，均為0°； （2）根據(jù) (2-16) 以及位置結(jié)構(gòu)綜合的內(nèi)容求解前三個(gè)關(guān)節(jié)變量，（2-16）式中的(，，)T為末端參照點(diǎn)在工具坐標(biāo)系內(nèi)的位置； （3）根據(jù)

37、（2-15）式及姿態(tài)結(jié)構(gòu)綜合的內(nèi)容求解后三個(gè)關(guān)節(jié)變量； （4）利用新得到的，，，重新計(jì)算(，，)T，并判斷與原位置的偏差，達(dá)到精度則已獲得解，否則返回（2）以新點(diǎn)重復(fù)上述過程。 在六自由度機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解的解系研究方面， Rastegar , Roth 和 Scheinman 通過非結(jié)構(gòu)性證明建立了 32 組解系，后由Duffy 和 Crane 加以結(jié)構(gòu)化，并由 Primrose 將其減少到 16 組。然而，只有 Lee 和 Liang才對一般機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)逆解給出了結(jié)構(gòu)化的處理方法。 Manseur和 Doty，給出了有16 組運(yùn)動學(xué)逆解的機(jī)器人實(shí)例。在本文中不在贅述。 四．機(jī)械手位姿

38、的計(jì)算機(jī)仿真 為了驗(yàn)證運(yùn)動分析表達(dá)式的正確性，用 TurboCZ . O 編制了仿真程序。該程序先給出機(jī)械手 6 個(gè)關(guān)節(jié)角在允許范圍內(nèi)任意賦值，由運(yùn)動學(xué)正解算得機(jī)械手末端位姿，再由機(jī)械手末端位姿逆解算得到諸多可能解；然后，驗(yàn)證其是否包括了先前指定機(jī)械手的 6 個(gè)關(guān)節(jié)角。程序流程圖如圖 2-6 所示。仿真結(jié)果如下：先給各關(guān)節(jié)角按以下賦值： ，，，，， 計(jì)算出各項(xiàng)位姿矩陣為： 然后反解，得出的仿真結(jié)果如下： ， ， ， ， ， 程序運(yùn)行結(jié)果證明：只要機(jī)械手各關(guān)節(jié)角在給定范圍內(nèi)選取，得到的可能解就一定包括初始賦值，這表明理論表達(dá)式是正確的。 第3

39、章 機(jī)械手傳動部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第3章 機(jī)械手傳動部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 前一章中己經(jīng)確定了上置頂桿式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并且確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式主要為液壓驅(qū)動。整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)作過程是： 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)——啟動手臂——夾持炸藥——運(yùn)送炸藥——施放炸藥——回收手臂——退出安全地帶 在本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，為了保證機(jī)械手的施放處理精度，必須遵循從端部到根部的設(shè)計(jì)原則。 3.1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手部機(jī)構(gòu)是直接與炸藥接觸的部件，它能執(zhí)行人手的部分功能。目前，根據(jù)被抓取工件的形狀、尺寸、重量、易碎性、表面粗糙的不同，在工業(yè)生產(chǎn)中使用著多種形式的手部機(jī)構(gòu)，最常見的是鉗爪式、磁吸式和氣吸式，后兩種手部機(jī)構(gòu)的原理超出

40、了人手的功能范圍。其中，鉗爪式手部機(jī)構(gòu)是較常用的一種。對于鉗爪式的手部機(jī)構(gòu)的選用要點(diǎn)是： 1 ．應(yīng)具有足夠的夾緊力，機(jī)器人的手部機(jī)構(gòu)靠鉗爪夾緊工件后把工件從一個(gè)位置移動到另一個(gè)位置，由于工件本身的重量以及移動過程中產(chǎn)生的慣性力和振動等，鉗爪必須具有足夠的夾緊力，才能防止工件在移動過程中脫落。一般要求夾緊力為工件重量的 2 - 3 倍。 2 ．應(yīng)具有足夠的張開角，鉗爪為抓取和松開工件，必須具有足夠大的張開角來適應(yīng)較大的直徑范圍，而且夾持工件的中心位置變化要?。炊ㄎ徽`差小）對于移動式鉗爪要有足夠大的移動范圍。 3 ．應(yīng)能保證工件的可靠定位，為了使鉗爪和被夾持的工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必

41、須根據(jù)被抓取工件的形狀，選用相應(yīng)的鉗爪形狀來定位。 4．應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，鉗爪除受到被夾持的工件的反作用力外，還受到機(jī)器人手部在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，沒有足夠的強(qiáng)度和剛度會發(fā)生折斷或彎曲變形，因此對于受力較大的鉗爪應(yīng)進(jìn)行必要的強(qiáng)度、剛度的計(jì)算。 5．應(yīng)適應(yīng)被抓取對象的要求，即要適應(yīng)工件的形狀、工件被抓取部位的尺寸以及適應(yīng)工作位置的狀況。 6．盡可能具有一定的通用性，鉗爪一般專用性很強(qiáng)，在可能的情況下，應(yīng)考慮到產(chǎn)品零件的更換。為適應(yīng)不同形狀和尺寸的要求，可將鉗爪制成組合式結(jié)構(gòu)，迅速更換不同的鉗爪部件及附件來擴(kuò)大手部機(jī)構(gòu)的使用范圍。也可以在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)選取其結(jié)構(gòu)尺寸和

42、參數(shù)以擴(kuò)大其使用范圍。以下就根據(jù)上面的幾點(diǎn)要求來進(jìn)行手部結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)計(jì)。 3.1.1 機(jī)械手開合行程以及夾持力的計(jì)算 機(jī)械手工作的對象是炸藥，因此，手指開合行程過大，會導(dǎo)致機(jī)械手尺寸的增加，重量成本也相應(yīng)增加；行程過小，反而達(dá)不到設(shè)計(jì)的目的。同樣，手指的夾持力過大，可能會使炸藥在夾持過程中爆炸，導(dǎo)致意外事故的發(fā)生；夾持力過小，不能夾牢炸藥，也會使施放精度等技術(shù)要求受到影響。在確定這兩個(gè)主要參數(shù)之前，設(shè)計(jì)者必須了解炸藥的一些主要參數(shù)。炸藥主要為鐵制的立方體盒狀 ( 30mm×50mm×80mm ) ，重量約為10公斤，其內(nèi)部裝有遙控引爆的接收裝置。我們采用對開合夾持手指，選擇 A 面及其對

43、應(yīng)的側(cè)面為夾持面。這樣放置炸藥時(shí)會更穩(wěn)。手指張開時(shí)，為手指最大距離Smax≥2L = 2×50 =100mm。 則：單爪行程 S = ( Smax- L ) / 2 = ( 100-50 ) / 2 = 25mm ，即單爪行程25mm。 手部加在工件上的夾緊力是設(shè)計(jì)機(jī)械手的主要依據(jù)，必須對其大小方向，方向進(jìn)行分析計(jì)算。 一般來說，夾緊力必須克服重力產(chǎn)生的靜載荷，以及由于物體運(yùn)動狀態(tài)的變化產(chǎn)生的動載荷（慣性力或慣性力矩），以使其保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件夾緊力可按以下公式計(jì)算： (kgf) 式中：—安全系數(shù)，通常取1.2~2.0，本系統(tǒng)中取2.0； —工作情況

44、系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按估算，為機(jī)械手在搬運(yùn)過程中的加速度的絕對值（m/s2）； —方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件的位置不同進(jìn)行選定。 例如，手指水平放置，夾持水平放置的物體時(shí)，K3區(qū)0.5，手指水平放置（或垂直放置），夾持垂直放置的物體，K3取4～5，（V型指取4，平指取5）。本機(jī)械手綜合考慮各個(gè)方面的因素采用水平放置機(jī)械手，水平放置的炸藥。故，K3取0.5，則：K2=1+0.1×5=1.5。 對本系統(tǒng)而言： kgf ； N取160N。 此外，機(jī)械手上還應(yīng)該裝有負(fù)責(zé)感知夾持炸藥的觸覺傳感器和感知夾持力的壓覺傳感器以及滑動覺傳感器等，這由系統(tǒng)的另

45、一部份設(shè)計(jì)。在此不贅述。 3.1.2 機(jī)械手方案的選擇 隨著高科技的發(fā)展，智能機(jī)械技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，對于鉗爪式機(jī)械手已經(jīng)出現(xiàn)很多種類型。針對本系統(tǒng)來說，擬考慮以下幾種適用方案。 方案一：蝸輪蝸桿式手部機(jī)構(gòu)（見圖 3 - 1 ) 工作原理是：當(dāng)蝸桿在電動機(jī)的驅(qū)動下左右旋轉(zhuǎn)時(shí)，與其相嚙合的兩個(gè)蝸輪將繞各自的軸線同時(shí)向相反方向轉(zhuǎn)動，因而，使分別與它們固聯(lián)的兩個(gè)手指作夾持或施放動作。這種機(jī)械手自鎖性能好，夾持力比較大，但快速性較差，另外，它須使用電機(jī)，可能增大機(jī)構(gòu)端部的重量。 圖3-1 渦輪蝸桿式機(jī)械手 方案二：平行桿機(jī)構(gòu)型機(jī)械手（見圖 3 - 2 ) 這種結(jié)構(gòu)形式的機(jī)械手，因其

46、在開閉過程中始終保持手指處于平行狀態(tài)，所以，不論工件的尺寸如何，都能較容易夾持住。其中，大桿的一端與直線運(yùn)動件鉸接，另一端與手指鉸接，小桿的長度為大桿的一半，其一端用鉸鏈與大桿的中部相連，另一端鉸鏈在固定件上，當(dāng)直線運(yùn)動件（如液壓油缸）向下移動時(shí)，手指作夾持動作，向上移動時(shí)，即可施放。 這種結(jié)構(gòu)的手不機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，但是存在兩個(gè)問題，一個(gè)是鉗手的張開角較小，另外，被夾持工件的尺寸公差對夾緊力影響較大。 圖3-2 平行桿機(jī)構(gòu)型機(jī)械手 圖3-3 平行桿限位式機(jī)械手 方案三：平行限位式機(jī)械手（見圖 3 - 3 ) 這種方案的工作原理是：指套與作直線運(yùn)動的油缸固聯(lián)，活塞桿前后運(yùn)動帶動

47、導(dǎo)塊在指套里來回動作，導(dǎo)塊通過兩平行等長的連桿與手指鉸接在一起：手指又通過限位螺釘?shù)南尬?，只能在指套中左右運(yùn)動，在導(dǎo)塊的牽引下，手指左右對開合，完成對工件的夾持和釋放作用。此外，由于限位螺釘?shù)淖饔?，對機(jī)構(gòu)略加改進(jìn)，就可以擴(kuò)大行程，以適合不同型號的炸藥。 通過上述幾種方案的比較分析：蝸輪蝸桿式機(jī)械手的自鎖性好，夾持力大，但快速性差；另外，因?yàn)槭褂玫诫姍C(jī)，可能會增大端部的重量。平行限位式機(jī)械手的原理較為簡單，不僅手爪是平行開閉，而且在開閉過程中是強(qiáng)制聯(lián)動，若制造時(shí)采用重疊加工的方法，便可以制成更高精度的機(jī)械手。此外，采用小油缸直接充當(dāng)腕部，可以減小手部的重量，這比平行桿機(jī)構(gòu)型機(jī)械手更易實(shí)現(xiàn)。

48、綜上所述，選擇平行桿限位式機(jī)械手較好，至于其自鎖性，只要在兩手指之間加上一個(gè)拉伸彈簧即可達(dá)到要求。具體結(jié)構(gòu)可參見附圖中的機(jī)械手裝配圖。 3.1.3 機(jī)械手主要尺寸的確定 合理地確定一個(gè)子系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)尺寸，選用合理的材料以及加工方法是保證系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。對于本設(shè)計(jì)方案中的手部，需加以考慮的因素很多，但主要是夾持施放方便，相互之間不產(chǎn)生干涉，可以實(shí)現(xiàn)自鎖等因素。其原理如圖 3 - 4 所示。 由圖可知，當(dāng)銷軸由 1 位置運(yùn)動至 2 位置時(shí)，手指實(shí)現(xiàn)偏離中軸線運(yùn)動，即施放動作；當(dāng)銷軸由 2 號位置直線運(yùn)動到 1 號位置時(shí)，手指實(shí)現(xiàn)向中軸線運(yùn)動，即夾持動作。 已知條件是： h =

49、 25mm （前面己經(jīng)論證），為避免手指與導(dǎo)塊的干涉， H ≥ 30mm , α的角度不能太小，否則作用在手指上的垂直分力小，沿手指方向上的分力大，使手指夾持困難。取 15° ≤α＜β，β＜90°，根據(jù)控制手指開合的小油缸的行程系列，取 S = 30mm ，由數(shù)學(xué)公式知： ——（1） ——（2） ——（3） 取H=30mm，則有R=60mm，α=30°，β=66.44° 滿足設(shè)計(jì)要求。 圖3-4 機(jī)械手單指工作原理圖 3.1.4 自鎖彈簧的設(shè)計(jì) 欲設(shè)計(jì)出合理尺寸的彈簧，必須對單個(gè)手指進(jìn)行

50、受力分析。如圖3-5所示，即為當(dāng)手指夾緊炸彈時(shí)的力分析。為，D的位置不確定，N為160N，易知： 對A點(diǎn)：由力矩平衡得： ——① 對B點(diǎn)：由力矩平衡得： ——② 由于受結(jié)構(gòu)的限制，可以將拉伸彈簧的作用點(diǎn)放置在連桿的頭部，則上面兩個(gè)方程可解。將數(shù)據(jù)代入并計(jì)算得，，即：確定了夾緊時(shí)彈簧的拉力。 圖3-5 手指夾持炸藥時(shí)的力分析 選擇彈簧的材料是由于彈簧工作過程可能受到?jīng)_擊載荷。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)彈簧主要受壓縮的作用力，故選用圓柱螺旋壓縮彈簧，并選用硅錳彈簧鋼作為其材料，這種鋼（例如 60SiZMnA ）中因加入了硅，故可以顯著地提高彈性極限，并提高了回火穩(wěn)定性，因而可在更高的溫度

51、下回火，從而得到良好的力學(xué)性能。具體計(jì)算過程從略。最后選定彈簧的尺寸為： 1 ．彈簧的中徑為 18mm ，外徑為 22mm ; 2 ．彈簧的圈數(shù)為 10 圈，此彈簧的極限工作載荷可達(dá)到 500N ; 3 ．該彈簧的結(jié)構(gòu)選定為兩端鉤環(huán)。 3.2 腕部的設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的腕部是聯(lián)接手部和臂部的部件，起支承手部的作用。設(shè)計(jì)腕部時(shí)所依據(jù)的原則是： 1 ．結(jié)構(gòu)盡量緊湊、重量盡量輕。對于自由度數(shù)目較多以及驅(qū)動力要求較大的腕部，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)矛盾較為突出，因?yàn)閷τ谕蟛棵恳粋€(gè)自由度就要相應(yīng)配有一套驅(qū)動件和執(zhí)行件，要使腕部在較小的空間內(nèi)同時(shí)容納幾套元件，困難較大。從現(xiàn)有結(jié)構(gòu)來看，用油缸直接驅(qū)動的腕

52、部，一般只有兩個(gè)自由度，用機(jī)械傳動的腕部可具有三個(gè)自由度。根據(jù)這一原則，本設(shè)計(jì)采用液壓油缸直接驅(qū)動的腕部，從而減小腕部的重量。 2 ．轉(zhuǎn)動靈活、密封性要好。對于這種利用機(jī)械手自動處理的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動靈活和密封是極為重要的，本設(shè)計(jì)直接利用擺動液壓缸就是為了增大其轉(zhuǎn)動的范圍和增加其轉(zhuǎn)動的靈活性的。 3 ．注意解決好腕部與手部、臂部的連接；各個(gè)自由度的位置檢測、管線布置（尤其是通向手部的管線布置）以及潤滑、維修、調(diào)整等問題。對于本系統(tǒng)的控制管線全部從腕部的內(nèi)部通過，既保證了安全又美觀。 4 ．要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。對于高溫作業(yè)和在腐蝕性介質(zhì)中工作的工業(yè)機(jī)器人或機(jī)械手，其腕部與手部經(jīng)常在高溫區(qū)

53、域或腐蝕性介質(zhì)中停留與操作，直接受到環(huán)境的影響，所以一定要采取相應(yīng)的措施。對于本傳動部分，其材料必須經(jīng)過特殊的工藝處理，以增強(qiáng)其抗腐蝕等惡劣環(huán)境的能力。 本系統(tǒng)中的機(jī)械手腕部主要由液壓油缸直接控制，根據(jù)以上對腕部設(shè)計(jì)的要求分析，現(xiàn)分別對腕部的相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.2.1控制手指動作的小油缸的基本參數(shù)的確定 選定小油缸的基本參數(shù)主要是為了結(jié)構(gòu)聯(lián)接的需要。 1 ．工作壓力的確定 液壓缸的工作壓力主要是根據(jù)液壓設(shè)備來確定的，對不同用途的液壓設(shè)備，由于工作條件的不同，通常采用的壓力范圍也不同。設(shè)計(jì)時(shí)，可以參考表 3-1 的數(shù)據(jù)。 表（3 - l ) 設(shè)備 機(jī)床 農(nóng)機(jī)或中型 工程

54、機(jī)械 液壓機(jī)、重型機(jī)、起重機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械 工作壓力（Mpa） 0.8～10 10～16 20～32 本設(shè)計(jì)屬于中型工程機(jī)械，初步確定系統(tǒng)的工作壓力為10Mpa。 2. 小油缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定 本設(shè)計(jì)采用單活塞雙作用差動缸，其簡圖見圖3-6。 圖3-6 小油缸的機(jī)構(gòu)簡圖 ①．最大工作負(fù)載： 式中：—穩(wěn)定工作狀態(tài)下的靜負(fù)載，[]為N； —啟動狀態(tài)下的磨擦阻力，[]為N； —啟動慣性阻力，[]為N； 計(jì)算得 ②．速比 式中： —活塞桿縮回速度，[]為m/s； —活塞桿伸出速度，[]為m/s； D—

55、液壓缸內(nèi)徑，[D]為m； d—活塞桿直徑，[D]為m. 則得： 式中：—最大工作負(fù)載，[]為N； —該液壓缸最大工作壓力，[]為MPa； —回油背壓，按一般推薦數(shù)據(jù)，取0.5 MPa； —液壓缸機(jī)械效率。 —活塞桿直徑，取速比，可得到d=0.56D。 取 D = 18mm ，則 d = 10mm 。 再由《 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 》查得，此液壓缸的外徑 D = 18mm ，其重量約為 2 . okg 。因?yàn)樵撘簤焊姿?lián)接的機(jī)械手的重量以及炸藥的重量皆不太重，所以可以直接將該液壓缸作為機(jī)械手的腕部。 3.2

56、.2 腕部擺動關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 機(jī)械手的腕部是直接聯(lián)接手部和臂部的部件，起支承手部的作用。為了使手部處于空間任意方向，要求腕部實(shí)現(xiàn)對空間三坐標(biāo)軸 X 、 Y 、 Z 的轉(zhuǎn)動，即具有沿 XY 平面回轉(zhuǎn)和 YZ 平面的回轉(zhuǎn)。 就具體情況而言，需要對機(jī)械手手部的方位進(jìn)行較為精確的監(jiān)控。因此，須設(shè)計(jì)一個(gè)在水平面擺動的自由度和垂直面內(nèi)擺動的自由度，從而能使機(jī)械手在大臂的伸縮帶動下，端部貼近地面的情況下啟動腕部，順利完成工作任務(wù)（圖 3 -7 為腕部自由度示意圖）。 圖3-7 腕部自由度的示意圖 1 ．回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)方案的選擇 方案一：步進(jìn)電機(jī)式回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 靠安裝步進(jìn)電機(jī)帶動回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)小臂和

57、手的俯仰和擺動，這種控制方式簡單，但是可能由于電機(jī)的自重較大而受到限制。 方案二：液壓缸關(guān)節(jié)（如圖 3 - 8 ) 這種關(guān)節(jié)通過液壓缸的兩端鉸接在兩臂上，實(shí)現(xiàn)小臂的俯仰運(yùn)動，但是由于受到油缸尺寸的限制，擺動角α?xí)∮?90。，甚至更小。 圖3-8 液壓缸關(guān)節(jié) 方案三：齒輪齒條式關(guān)節(jié)（如圖 3 -9 ) 圖3-9 齒輪齒條式關(guān)節(jié) 這種關(guān)節(jié)由鉸接在大臂上的齒條缸控制，液壓缸的伸縮帶動齒條直線運(yùn)動，從而使得與之嚙合的齒輪旋轉(zhuǎn)，小臂固聯(lián)在齒輪上。這種方式的關(guān)節(jié)擺動角比方案二要大得多。 方案四：液壓擺動缸關(guān)節(jié) 可以采用單葉片式液壓擺動缸，動片與小臂聯(lián)接，定片與大臂聯(lián)接，擺動缸動作

58、，使小臂繞大臂端部旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕，制造成本低，可直接向生產(chǎn)廠家訂購。 綜合比較以上幾種形式的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)方案，認(rèn)為方案四更符合本系統(tǒng)的各方面要求，故選擇本方案設(shè)計(jì)液壓擺動缸腕部。 2.腕部擺動缸的主要參數(shù)計(jì)算 ①腕部YZ平面的擺動液壓港的主要尺寸 對于擺動缸而言，當(dāng)輸入壓力油時(shí)，葉片軸往返輸出的扭矩均為： 推導(dǎo)出： 式中： —滿載啟動狀態(tài)最大負(fù)載力矩，[MR]為N·m； R — 缸體內(nèi)孔半徑，[R]為m； r — 輸出軸半徑，[r]為m； D2— 缸體內(nèi)孔直徑，[D2]為m； D1— 輸出軸直徑，[D1]為m；

59、 b — 沿軸向的葉片寬度，[b]為m； p — 液壓缸進(jìn)油壓力，[p]為MPa — 回油背壓，取0.5MPa — 液壓缸機(jī)械效率。 取D2=80mm，則D1=0.4 D2=32mm。 ②. 腕部XY平面的擺液壓缸的主要尺寸 取，則。 手腕擺動時(shí)，需要克服腕部的磨擦阻力矩，炸藥重心的偏重力矩以及腕部啟動時(shí)的慣性阻力矩，即。腕部的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-10。 圖3-10 手部對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣性力 上圖中，整個(gè)擺動缸帶動小液壓缸，機(jī)械手及炸藥繞回轉(zhuǎn)缸的軸旋轉(zhuǎn)。由于零件較多且形狀各異，計(jì)算其各個(gè)零件對回轉(zhuǎn)中心O的慣性矩變得十分復(fù)雜，而且在工程上也沒有這個(gè)必要?？梢詫⒏鱾€(gè)

60、部件的重心位置估計(jì)出來，然而乘上一個(gè)適當(dāng)?shù)南禂?shù)加以修正。 式中： J—手臂回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2） — 受臂回轉(zhuǎn)啟動時(shí)加速（或減速）段運(yùn)轉(zhuǎn)的角速度（rad/s） — 啟動段所需的時(shí)間（s） — 零件對自身形心的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2） —作為重心位置的質(zhì)點(diǎn)對手臂回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2） （—回轉(zhuǎn)半徑（m），G—回轉(zhuǎn)部件的重量） 對炸藥： 炸藥為長方體件，則： 由與的比較可知，遠(yuǎn)大于，可以將忽略不計(jì)，在以下的計(jì)算中也進(jìn)行類似的處理。 對機(jī)械手部分：整個(gè)手部質(zhì)量約為2kg，其質(zhì)心距轉(zhuǎn)動中心距離約

61、為250mm， 對小油缸：整個(gè)小油缸的質(zhì)量約為2.5kg，其質(zhì)心距轉(zhuǎn)動中心的距離約為125mm. （其中k取1.5） 啟動時(shí)近似考慮作習(xí)加速運(yùn)動，啟動時(shí)間為1秒，角速度 則： 根據(jù)擺缸的轉(zhuǎn)矩公式： 式中：—葉片的寬度（m） —擺動缸轉(zhuǎn)軸的半徑（mm） —擺動缸內(nèi)徑的半徑（mm） — 進(jìn)油口壓力（Pa） —出油口的壓力（Pa） 設(shè)計(jì)時(shí)使用的缸體的主要參數(shù)為： b=14mm，=12mm，=20mm，=10Mpa，/=0.2 則： 因?yàn)樵擈?qū)動力矩用以克服摩擦阻力矩和小臂

62、的回轉(zhuǎn)的慣性力矩，通過比較計(jì)算可知， T 顯然滿足。 3.3 伸縮臂的設(shè)計(jì) 臂部是工業(yè)機(jī)器人的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，并改變手部在空間的位置。工業(yè)機(jī)器人的臂部一般具有 2 - 3 個(gè)自由度，即：伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰或升降。由于臂部總重量較大，受力一般較復(fù)雜，在運(yùn)動時(shí)，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的靜、動載荷，尤其是高速運(yùn)動時(shí)，將產(chǎn)生較大的慣性力（或慣性力矩），引起沖擊，影響定位的準(zhǔn)確性。臂部運(yùn)動部分零部件的重量直接影響著臂部結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。工業(yè)機(jī)器人的臂部一般與控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)一起安裝在機(jī)身（或機(jī)座）上，機(jī)身可以固定式的，也可以是行走式的。臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機(jī)

63、器人的運(yùn)動形式、抓取重量、動作自由度、運(yùn)動精度等因素來確定。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到手臂的受力情況、油（氣）缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計(jì)機(jī)械手的臂部時(shí)應(yīng)該滿足下面幾點(diǎn)要求： 1 ．剛度大為防止臂部在運(yùn)動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀選擇的是矩形箱式伸縮臂。 2 ．導(dǎo)向性好為防止手臂在直移運(yùn)動中，沿運(yùn)動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，可以設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。在本設(shè)計(jì)中采用了導(dǎo)向塊以防止手臂的相對轉(zhuǎn)動。 3 ．偏重力矩小所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機(jī)器人的運(yùn)動速度，要盡量減小臂部運(yùn)動部分的重量，以減小偏重

64、力矩和整個(gè)手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。在設(shè)計(jì)過程中，利用了箱式伸縮臂、擺動缸以及液壓缸直接驅(qū)動腕部等方案以減小偏重力矩。 4 ．運(yùn)動平穩(wěn)、定位精度高由于臂部運(yùn)動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運(yùn)動既不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應(yīng)盡量減小臂部運(yùn)動部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)要采取一定形式的緩沖措施。 本系統(tǒng)要求操作人員在 8 - 10 米的安全范圍外作業(yè)，因而啟動機(jī)械手將炸藥送至指定范圍之外即成為本執(zhí)行系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于距離較大，而且隨之產(chǎn)生一系列函待解決的問題。為使伸縮臂結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕且又完全可行，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)出一種箱式伸縮臂方案。 （一）．伸縮臂液

65、壓缸的有關(guān)尺寸 前一章中也論述了該伸縮臂的動力部分是多級液壓伸縮缸，根據(jù)液壓缸的尺寸計(jì)算可得： 取d1=56mm，則d=0.7d1=40mm，d2=80dmm。即活塞直徑分別為φ40mm，φ56mm，外徑為φ90mm，該液壓缸亦須向?qū)I(yè)生產(chǎn)廠家訂購。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3-11。 根據(jù)需要行程為3200mm /級，因?yàn)樵撔谐梯^大而且伸縮缸的活塞桿直徑小，故設(shè)計(jì)一種導(dǎo)向機(jī)構(gòu) —— 箱式伸縮臂，圖 3 - 12 是外臂的示意圖，中臂在外臂中滑動，焊接于外臂內(nèi)的導(dǎo)向塊在滑動中起到導(dǎo)向的作用。通過螺栓將外臂固定在伸縮缸的外缸體上。 對手臂結(jié)構(gòu)的要求一是重量盡量輕，以達(dá)到靈活，運(yùn)動響應(yīng)速

66、度快，節(jié)約材料、動力以及成本等，同時(shí)減少運(yùn)動的沖擊；二是要有足夠的剛度，以保證精度和定位精度。手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是驅(qū)動力矩的計(jì)算和偏重力矩的計(jì)算。 圖3-11 三級伸縮臂示意圖 圖3-12 外臂的示意圖 （二）．驅(qū)動力矩的計(jì)算 根據(jù)手臂運(yùn)動的軌跡，驅(qū)動力矩可以按下述情況來計(jì)算： 水平伸縮運(yùn)動時(shí)，主要克服摩擦阻力和慣性力 式中：—摩擦阻力，應(yīng)包括手臂與伸縮導(dǎo)軌之間的摩擦阻力 ，活塞與裝置處的摩擦阻力。 —手臂在啟動的過程中的慣性力，其大小可按下式計(jì)算： 其中：G—手部中移動部件的重量（N）； g—重力加速度（m/s2） —啟動或制動前后速度差（m/s） —啟動厪制動所需的時(shí)間（s） 初定參數(shù)：， 則， 與液壓缸的機(jī)械效率有關(guān)。 式中：—輸入液壓油壓力（Mpa）本系統(tǒng)中的16Mpa， —輸出液壓油壓力（Mpa）一般取/=0.2， —液壓缸各磨擦表面的磨擦力，則： （三）偏重力矩計(jì)算 偏重力矩就是手臂懸伸部分的全部零件重量（作用