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1、 浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 題目 氣動機械手的設(shè)計 系別 機電系 專業(yè) 機電一體化 班級 機電1101 姓名 褚水榮 學(xué)號 1103130105 指導(dǎo)老師 文 斌 日期 2014年5月 摘 要 氣動機械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程

2、序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 本文主要進行了氣動機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和氣動設(shè)計。機械手的機械結(jié)構(gòu)由氣缸、氣爪和連接件組成，可按預(yù)定軌跡運動，實現(xiàn)對工件的抓取、搬運和卸載。氣動部分的設(shè)計主要是選擇合適的控制閥，設(shè)計合理的氣動控制回路，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。 關(guān)鍵詞：氣動機械手；氣缸；氣動回路。

3、 目 錄 1 緒論 1.1 機械手簡史 1.2 機械手的分類 1.3 機械手的組成 1.4 應(yīng)用機械手的意義 2 機械手總體設(shè)計方案和氣動回路的設(shè)計 2.1 機械手的運動規(guī)劃 2.2 機械手基本形式的選擇 2.3 機械手的主要部件及運動 2.4 驅(qū)動機構(gòu)的選擇 2.5 機械手的技術(shù)參數(shù)列表 2.6 氣動回路的設(shè)計 3氣動系統(tǒng)元件的選取 3.1.1夾緊氣缸選型 3.1.2平移及伸縮氣缸選型 3.1.3升降氣缸選型 3.2.1方向控制閥選取 3.3氣動三聯(lián)件選取 4結(jié)論 致謝 參考文獻 1 緒論 機械工業(yè)是國民的

4、裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力

5、，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。 機械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機械手是一

6、種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。 1.1 機械手簡史 現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制

7、系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。 1962年，美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年，美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。 美國還十分

8、注意提高機械手的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到0.1毫米。 德國機器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從

9、美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1976年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1979年120多個大學(xué)和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到1990

10、年將有55萬機器人在工作。 第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。 第三代機械手（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器手（機器人）研究制造和應(yīng)用的擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動

11、開展很多。 1.2 機械手的分類 目前對機械手還沒有統(tǒng)一的分類標準。按照不同的分類方式可以把機械手分成多種類型。 1.按驅(qū)動方式分類 按驅(qū)動裝置的動力源，機械手可分為以下的幾種。 （1）液壓式機械手。這種機械手的驅(qū)動系統(tǒng)通常由液動機（各種油缸、油馬達）、伺服閥、油泵、油箱等組成，這種機器人通常具有很大的抓舉能力并且結(jié)構(gòu)緊湊，動作平穩(wěn)，耐沖擊、耐振動，防爆性好，但對制造精度和密封性能要求很高，否則易發(fā)生漏油而污染環(huán)境。 （2）氣壓式機械手。其驅(qū)動系統(tǒng)通常采用通常汽缸、氣閥、氣罐和空壓機組成。特點是氣源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便，但難于進行速度控制，并因氣壓不能太高，

12、固抓舉能力較小。 （3）電動式機械手。電力驅(qū)動是目前機械手使用的最多的一種驅(qū)動方式。其特點是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機一般采用交流伺服電機、直流伺服電機和步進電機。由于電機速度高，通常還須采用減速機構(gòu)（如諧波減速機構(gòu)、論析減速機構(gòu)、滾珠絲杠和多桿機構(gòu)）。目前也有一些特制電機直接進行驅(qū)動，以簡化機構(gòu)，提高控制精度。 其他還有采用混合驅(qū)動的機械手，如液-氣混合驅(qū)動機械手或電-氣混合驅(qū)動機械手。 2.按用途分類 機械手按用途可分為下列幾種。 （1） 搬運機械手; （2） 噴涂機械手; （3） 焊接機械手; （4） 裝配

13、機械手; （5） 其他用途的機械手。如航天用機械手，探海用機械手，以及排險作業(yè)機械手等。 3.按操作機的位置機構(gòu)類型和自由度數(shù)量分類 操作機的位置機構(gòu)是機械手的重要外形特征，固常用作分類的依據(jù)。按這一分類要求，機械手可分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關(guān)節(jié)型機械手。 a） 直角坐標型 b）圓柱坐標型 c）球坐標型 d）多關(guān)節(jié)型 e）平面關(guān)節(jié)型 圖1-1工業(yè)機械手的基本結(jié)構(gòu)形式 操作機本身的自由度最能反應(yīng)機器人的作業(yè)能力，也是分類的重要依據(jù)。按這一分類要求，機械手可分為4自由度、5自由度、6自由度和7自由度機械手。 4.按其他方法還可以分為 （1）家務(wù)型機械手：能幫助

14、人們打理生活，做簡單的家務(wù)活。 （2）操作型機械手：能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。 （3）程控型機械手：按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機械手的機械動作。 （4）示教再現(xiàn)型機械手：通過引導(dǎo)或其它方式，先教會機械手動作，輸入工作程序，機械手則自動重復(fù)進行作業(yè)。 （5）數(shù)控型機械手：不必使機械手動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機械手根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。 （6）感覺控制型機械手：利用傳感器獲取的信息控制機械手的動作。 （7）適應(yīng)控制型機械手：能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。 （8）學(xué)習(xí)控制型機械手：能“體會”工作的經(jīng)

15、驗，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗用于工作中。 （9）智能機械手：以人工智能決定其行動的機械手。 1.3 機械手的組成 工業(yè)機械手通常由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動傳動裝置、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)四部分組成。圖1-2為工業(yè)機械手的典型結(jié)構(gòu)，圖1-3為工業(yè)機械手的組成方框圖。 圖1-2工業(yè)機械手的典型結(jié)構(gòu) 手部 腕部 臂部 執(zhí)行機構(gòu) 腰部 基座部（固定或移動） 工業(yè)機械手 電、液或氣驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置

16、 單關(guān)節(jié)伺服控制器 控制系統(tǒng) 關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息交換計算機 感覺裝置子 視覺裝置子 智能系統(tǒng) 語言識別裝置 圖1-3工業(yè)機械手的組成方框圖 執(zhí)行機構(gòu)（也稱操作機）是機械手賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由桿件和關(guān)節(jié)組成。從功能的角度，執(zhí)行機構(gòu)可分為：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。 手部又稱末端執(zhí)行器，是工業(yè)機械手直接進行工作的部分，可以是各種夾持器。有時人們也把諸如電焊槍、油漆噴頭等劃作機器

17、手的手部；腕部與手部相連，主要功能是帶動手部完成預(yù)定姿態(tài)，是操作機的中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分；臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個臂桿（小臂和大臂）組成，用于帶動腕部做平面運動；腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運動加上臂部的平面運動，就能使腕部做空間運動。腰部是執(zhí)行結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差、運動精度和平穩(wěn)性，對機械手的定位精度有決定性的影響；基座是整個機械手的支撐部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須有足夠的剛度和穩(wěn)定性。 工業(yè)機械手的驅(qū)動-傳動裝置包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)兩個部分，它們通常與執(zhí)行機構(gòu)連成一體。傳動裝置常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪系。驅(qū)動器通

18、常有電機（直流伺服電機、步進電機、交流伺服電機）、液壓或氣動裝置，目前使用最多的是交流伺服電機。 控制系統(tǒng)一般有控制計算機和伺服控制器組成。控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機械手的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機來分擔機器人的控制，如當采用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時，主機常用于負責系統(tǒng)的管理、通訊、運動學(xué)和動力學(xué)計算，并向下級微機發(fā)送指令信息；作為下級從機，各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個CPU，進行插補運算和伺服控制處理，實現(xiàn)給定的運動，并向主機反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機械手的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。 智

19、能系統(tǒng)是目前機械手系統(tǒng)中一個不夠完善但發(fā)展很快的子系統(tǒng)。它可分為兩個部分：感知系統(tǒng)和分析-決策智能系統(tǒng)。前者主要靠硬件（各種傳感器）實現(xiàn);后者主要靠軟件（如專家系統(tǒng)）實現(xiàn)。 1.4 應(yīng)用機械手的意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。 在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下： 一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)

20、率和降低生產(chǎn)成本。 二、以改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力

21、和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 2 機械手總體設(shè)計方案和氣動回路的設(shè)計 本課題是一個用于傳送帶上輕型平動搬運機械手的設(shè)計。本設(shè)計主要任務(wù)是完成機械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計，以及氣動回路的設(shè)計。在本章中對機械手的坐標形式、自由度、驅(qū)動機構(gòu)等進行了確定。因此，在機械手的執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)是本次設(shè)計的主要任務(wù)。 2.1 機械手的運動規(guī)劃 機械手運動規(guī)劃包括序列規(guī)劃(又可稱為全局路徑規(guī)劃)，路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃3個部分。序列規(guī)劃是指在一個特定的工作區(qū)域中自動生成一個

22、從起始作業(yè)點開始，經(jīng)過一系列作業(yè)點。再回到起始點的最優(yōu)工作序列；路徑規(guī)劃是指在相鄰序列點之間通過一定的算法搜索一條無碰撞的機械手運動路徑；軌跡規(guī)劃是指通過插補函數(shù)獲得路徑上的插補點，再通過求解運動學(xué)逆解轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間(若插補在關(guān)節(jié)空間進行則無需轉(zhuǎn)換)，形成各關(guān)節(jié)的運動軌跡。 序列規(guī)劃為機械手的所有作業(yè)點生成一個最優(yōu)的工作序列。作業(yè)點是機械手為完成工作所必須達到的位置和姿態(tài)。機械手的一次作業(yè)任務(wù)往往有幾十個到上百個作業(yè)點，這些作業(yè)點的加工次序通常是任意的，或者僅僅存在局部的限制(即某幾個作業(yè)點之間存在著固定的前后關(guān)系)，序列規(guī)劃的目標就是通過某種算法生成一個能滿足作業(yè)限制的最優(yōu)作業(yè)序列，一般以

23、時間作為規(guī)劃優(yōu)劣的度量標準。 當機械手在有障礙物的環(huán)境中運動時，為了從當前作業(yè)位置到達下一個位置，需要在機械手工作空間確定一條無碰撞的運動路徑，即這條路徑應(yīng)處于機械手的自由空間中，因此，路徑規(guī)劃的過程實際上是一個帶幾何約束的問題求解過程。 從上面的論述可以看出，機械手運動規(guī)劃主要包括兩個方面，一是生成所有作業(yè)點最優(yōu)工作序列的序列規(guī)劃，二是在相鄰作業(yè)點之間生成無碰撞路徑的路徑規(guī)劃。序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃的總體目標是作業(yè)時間最短，規(guī)劃的約束條件是作業(yè)順序的限制以及碰撞的避免。 機械手運動規(guī)劃的算法建立在已有的各種方法之上，下面簡要分析已有的各種序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃方法，以及路徑規(guī)劃過程中的碰撞檢測

24、方法。 1．序列規(guī)劃 目前機械手序列規(guī)劃方法的研究還處于發(fā)展階段，由于各種作業(yè)任務(wù)的復(fù)雜性。至今還沒有通用的序列規(guī)劃算法。在使用機械手進行裝配，插孔，點焊的應(yīng)用中，較為普遍的方法是把序列規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為“旅行商問題”(TSP)來解決。即機械手從起始點開始，經(jīng)過一系列作業(yè)點，并在各作業(yè)點停留，完成所有作業(yè)后，最終回到起始點的時間最短規(guī)劃算法。 旅行商問題的求解成為求解序列規(guī)劃問題的關(guān)鍵。目前，旅行商問題的近似最優(yōu)解求解算法已經(jīng)得到了充分的研究，提出了很多可行的算法，包括啟發(fā)式算法，模擬退火算法，遺傳算法等。其中啟發(fā)式算法可以細分為環(huán)路擴充法和環(huán)路改進法，或是兩種方法的綜合，一般利用鄰接矩陣按

25、照一定的規(guī)則變換來求解，計算量和求解結(jié)果都能滿足要求。 2．路徑規(guī)劃 機械手路徑規(guī)劃的目標是在兩個作業(yè)點之間生成一條無碰撞路徑。機械手路徑規(guī)劃算法主要有4類：C-空間法，人工勢力場法，假設(shè)-修正法，預(yù)處理-規(guī)劃算法。 另外，遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等智能算法已經(jīng)成為機器人路徑規(guī)劃的研究熱點和發(fā)展方向，這些算法在實際中都有初步的應(yīng)用，取得了較好的規(guī)劃效果。 3．碰撞檢測 路徑規(guī)劃的目標是在起始點和目標點之間生成一條無碰撞路徑，這使得碰撞檢測成為解決路徑規(guī)劃問題的關(guān)鍵．上面提到的4種路徑規(guī)劃算法都需要進行碰撞檢測或需要計算機器人和障礙物之間的距離。 判斷兩個物體是否有碰撞發(fā)生有兩種方式

26、，一是定性判斷。二是定量計算。定性判斷方法最主要有“包圍盒層次法”，其基本思路是用一個簡單的包圍盒將復(fù)雜的幾何形體圍住。當對兩個物體進行碰撞檢測時。首先檢測兩者的包圍盒是否相交，若不相交。則說明兩個物體未相交，否則再進一步對兩個物體做檢測。因為求包圍盒的交比求物體的交簡單很多，所以可以快速排除很多不相交的物體，從而加速了算法。對于復(fù)雜物體，可以將物體及其子部分的包圍盒組成層次結(jié)構(gòu)，如二叉樹。 在各種機器人路徑規(guī)劃算法中，往往需要以機器人和障礙物之間的距離及其關(guān)于機器人形位的梯度作為路徑規(guī)劃的啟發(fā)性信息，以加快規(guī)劃速度，因此在路徑規(guī)劃中不僅需要判斷有無碰撞發(fā)生，還要計算機器人與障礙物之間的距離

27、及其關(guān)于機器人形位的梯度。 目前，兩個剛性物體之間的距離計算有很多算法。其中對凸多面體的計算最為成熟。凸多面體之間的距離有兩類：分離距離和嵌入距離。目前，凸多面體間的距離范數(shù)主要有平移距離、成長距離、收縮距離、偽平移距離等。 在現(xiàn)實環(huán)境中，機器人及障礙物一般是凹幾何體，可以采用分割的方法把凹幾何體分割為多個凸幾何體的組合。對一般凸幾何體．如球、圓柱等，可以用緊包圍它的凸多面體來近似。然后用凸多面體間的距離近似原凸幾何體之間的距離。 2.2 機械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標型機械手;(2)圓柱坐標型機械手; (3

28、)球坐標(極坐標)型機械手; (4)多關(guān)節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標型。 圖2-1 是機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B。其工藝流程：機械手原位→機械手下降→機械手抓取并夾緊→機械手上升→機械手正轉(zhuǎn)→機械手前伸→機械手下降→機械手松開→機械手上升→機械手后退→機械手逆轉(zhuǎn)→退至原位停止。 圖2-1 機械手基本形式示意圖 2.3 機械手的主要部件及運動 在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計的機械手具有3個自由度：手臂伸縮；機身回轉(zhuǎn)；機身升降。

29、 本設(shè)計的機械手主要由3個大部件和3個氣缸組成：（1）手部，采用一個氣爪，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手爪的張合。（2）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂的伸縮。（3）機身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。 2.4 驅(qū)動機構(gòu)的選擇 驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。氣動機械手因為結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。因此，機械手的驅(qū)動方案選擇氣壓驅(qū)動。 2.5 機械手的技

30、術(shù)參數(shù)列表 一、用途：車間皮帶機之間的搬運 二、設(shè)計技術(shù)參數(shù)： 1、抓重：10Kg (夾持式手部) 2、自由度數(shù)：3個自由度 3、坐標型式：圓柱坐標 4、最大工作半徑：335mm 5、機身最大中心高：415mm 6、主要運動參數(shù)： 手臂伸縮行程：200mm 手臂伸縮速度：1000mm/s 機身升降行程：100mm 機身升降速度：100mm/s 機身回轉(zhuǎn)范圍：0- 190 機身回轉(zhuǎn)速度：60/s 2.6 氣動回路的設(shè)計 機械手氣動回路的設(shè)計主要是選用合適的控制閥，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變

31、運動方向，并按規(guī)定的程序工作，設(shè)計的氣動回路圖如圖2-2所示。 圖2-2 機械手氣動回路圖 本設(shè)計的氣動機械手完成各個運動的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個狀態(tài)，選擇兩位五通換向閥控制各個氣缸的運動方向，氣缸的進出口回路各設(shè)置一個單向節(jié)流閥，通過控制進出口空氣流量的大小來控制氣缸執(zhí)行器動力的大小和運動速度。設(shè)計中采用PLC控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的預(yù)定動作，既可以簡化控制線路，節(jié)省成本，又可以提高勞動生產(chǎn)率。 3.1氣動系統(tǒng)的設(shè)計要求 氣壓傳動是指以壓縮空氣為工作介質(zhì),傳遞動力和控制信號的系統(tǒng)。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展,氣壓傳動已逐步發(fā)展成為一門新技術(shù)。

32、因為以空氣為介質(zhì)的氣壓傳動具有防火、防爆、防電磁干擾、抗振動沖擊和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,在機械、化工和航空等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。沖床機械手工作環(huán)境比較惡劣,氣動系統(tǒng)的以上優(yōu)點剛好適應(yīng)這種作業(yè)環(huán)境。 3.2氣動系統(tǒng)元件的選取 3.2.1氣缸選取 (1)夾緊氣缸選型 根據(jù)機械手手部所夾持零件重為10kg估算手部氣缸的推力。設(shè)指尖與工件間的摩擦系數(shù)μ=0.4,依據(jù)力的平衡方程有:mg=N,N=mg/μ=10*9.8/0.4=245N 則手指另一端所提供的力矩為:M=NL1=245*0.06=147N/m 所以在提供力矩這端的力F1為: F1=M/L2,L2^2=L1^2+16^2 ,F1=

33、M/L2=147/0.062=2370N 部件在運動過程中的機械效率ζ=0.3,所以氣缸提供的力至少應(yīng)為: F=2F1cosθ=2*2370*25/62=1911N,F0=F/ζ=1911/0.3=6370N LG系列氣缸為煙臺廠自主開發(fā)的新產(chǎn)品,安裝尺寸與國內(nèi)主要產(chǎn)品10A-5系列、QGBQ系列相同,二者可以通用、互換。 依據(jù)要求可以選擇LG系列氣缸,缸徑40mm的提供的推力為:F=0.8*10^6*3.14*0.0004=251N 根據(jù)氣缸在手部結(jié)構(gòu)中的安裝要求選取氣缸的具體型號為:LGB4030M-FA,屬于輕型鋁合金系列,前法蘭式氣缸。氣缸外形如圖3所示。 (2)平移及伸縮

34、氣缸選型 控制前后運動的氣缸要支撐更多的機構(gòu),它所需要的推力遠遠大于平移機構(gòu)所需要的,以其為標準來選擇,控制平移運動的氣缸的性能一定滿足要求。 依據(jù)前面設(shè)計的各個機構(gòu),推斷氣缸要推動的總質(zhì)量為300kg,導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)μ=0.5(為使氣缸的性能能滿足要求,值取得大一點)。取氣缸完成運動的機械效率ζ=0.4,則作用在導(dǎo)軌上的總重量為: G=mg=3000N 所需的推力為:F=G*μ/ζ=3000*0.5/0.4=3750N 依據(jù)要求可以選擇LG系列氣缸,缸徑為80mm,壓力范圍0.049~0.98MPa,取0.9MPa,計算氣缸提供的推力為: F=0.9*10^6 *3.14*0.0

35、016=4716N 計算可知,缸徑為80mm的LG系列氣缸的性能能夠滿足要求,所以選定的控制平移運動的氣缸型號為LGB80*150LB,控制前后運動的氣缸型號為LGB80*100LB,都屬于軸向腳架式氣缸。 (3)升降氣缸選型 依據(jù)前面設(shè)計的各個機構(gòu),推斷氣缸推動的總質(zhì)量300kg,取氣缸完成運動的機械效率ζ=0.7,氣缸實現(xiàn)升降運動所需要的推力為: G=mg=3000*10=3000N 則F=G/ζ=3000/0.7=4286N 所以要能實現(xiàn)升降運動,氣缸的推力必須大于4286N?？沙踹x缸徑為100mm的LG系列氣缸。依據(jù)要求可以選擇LG系列氣缸,缸徑為100mm,壓力范圍0

36、.049-0.98MPa,取0.9MPa,計算氣缸提供的推力為: F=0.9*10^6 *3.14*0.0025=7350N 計算可知,缸徑為100mm的LG系列氣缸的性能能夠滿足要求,所以選定的控制升降運動的氣缸型號為LGB100*30FA。 3.2.2方向控制閥選取 單向節(jié)流閥選型計算。單向節(jié)流閥可以通過每秒鐘的流量來確定。伸縮、平移和上下氣缸上面已選,它們的速度范圍都為1000mm/s。以其中的最大缸徑100mm為標準,算出值是回路中的最大流量,可以保證其它回路的絕對安全。 計算流量:q=vA,其中v為平均流速,A為通流截面面積。 q=1000[(502-202)]*60/

37、1000000=395.64L/min 查閱機械設(shè)計手冊,選取XQ系列單向節(jié)流閥,型號為XQ100600,其流量范圍為0~420L/min。根據(jù)已計算的回路流量值,選擇雙電控二位五通電磁閥,型號為XQ251041 氣動三聯(lián)件選取 根據(jù)前面選擇的氣缸,可知其工作壓力范圍為0.049~0.98MPa;又根據(jù)前面所選的單向閥的流量范圍,確定氣動三聯(lián)件的型號為QLPY1。其中包括了過濾器、減壓閥和油霧器。 4 結(jié)論 本文所設(shè)計的氣動機械手結(jié)構(gòu)比較簡單，功能比較簡單，設(shè)計比較合理，能夠滿足部分不同形狀的工件的轉(zhuǎn)移、夾取、安裝等功能，方便快捷。其設(shè)計主要考慮以下幾個方面： （1）機械

38、手氣動回路設(shè)計 選用合適的氣動元件，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。 （2）末端執(zhí)行器的設(shè)計 末端執(zhí)行器采用平行開閉型氣爪，結(jié)構(gòu)簡單，直接采用成品材料。針對實際的要求，可以換用其他各種末端執(zhí)行器，對不同種類的工件實現(xiàn)夾取、轉(zhuǎn)移、安裝。 （3）機械手手臂的設(shè)計 將旋轉(zhuǎn)氣缸安裝在底板上，實現(xiàn)機械手的回轉(zhuǎn)運動，使機械手向左或向右擺動。機械手末端執(zhí)行器的水平伸縮運動和豎直升降運動各由一個氣缸控制，即以最簡單的形式，在兩個位置（完全伸出和回縮位置）之間進行切換。 由于個人知識及能力水平有限，設(shè)計中難免會

39、有一些紕漏或錯誤之處，懇請各位老師批評指正，不勝感謝！ 致 謝 在設(shè)計完成之際，我首先向我的導(dǎo)師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在這期間，導(dǎo)師在學(xué)業(yè)上嚴格要求，精心指導(dǎo)，在生活上給了我無微不至的關(guān)懷，給了我人生的啟迪，使我在順利的完成學(xué)業(yè)階段的學(xué)業(yè)的同時，也學(xué)到了很多做人的道理，明確了人生目標。導(dǎo)師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的學(xué)識，實事求是的作風(fēng)，平易近人、寬以待人和豁達的胸懷，深深感染著我，使我深受啟發(fā)，必將終生受益。 經(jīng)過近半年努力的設(shè)計與計算，設(shè)計終于可以完成了，我的心里無比的激動。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為它是我用心、用

40、汗水成就的，也是我在大學(xué)三年來對所學(xué)知識的應(yīng)用和體現(xiàn)。 三年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的能力，更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多。在此，向他們表示深深的謝意與美好的祝愿。 參考文獻 [1]張福學(xué)編著.機器人技術(shù)及其應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2000 [2]何發(fā)昌著，邵遠編著.多功能機器人的原理及應(yīng)用.北京：高等教育出版社，1996 [3]張利平著. 液壓氣動技術(shù)速查手冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.12 [4]李寶仁著. 氣動技術(shù)—低成本綜合自

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43、 Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space. IEEE Transactions on Robotics and Automation.Vo1.9.No.1.1993 本文提出一種無需在每個關(guān)節(jié)上設(shè)置驅(qū)動器就能控制機械手進行作業(yè)的方法。 [19]Abhinandan Jain and Guillermo Roderguez. An Analysis of the Kinematics and Dynamics of Underactuated Manipulators.IEEE Transactions on Robotics and Automation. Vo1.9.No.4.1993 [20]張利平 液壓氣動技術(shù)速查手冊 北京化學(xué)工業(yè)出版社，2006.12 23 -