遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁1 緒論1.1 選題的背景、目的和意義現(xiàn) 代 機(jī) 器 人 的 研 究 始 于 20 世 紀(jì) 中 期 ， 其 技 術(shù) 背 景 是 計(jì) 算 機(jī) 和 自 動(dòng) 化 的發(fā) 展 ， 以 及 原 子 能 的 開 發(fā) 利 用 。 自 1946 年 第 一 臺(tái) 數(shù) 字 電 子 計(jì) 算 機(jī) 問 世 以 來 ，計(jì) 算 機(jī) 取 得 了 驚 人 的 進(jìn) 步 ， 向 高 速 度 、 大 容 量 、 低 價(jià) 格 的 方 向 發(fā) 展 。 大 批 量生 產(chǎn) 的 迫 切 需 求 推 動(dòng) 了 自 動(dòng) 化 技 術(shù) 的 進(jìn) 展 ， 其 結(jié) 果 之 一 便 是 1952 年 數(shù) 控 機(jī)床 的 誕 生 。 與 數(shù) 控 機(jī) 床 相 關(guān) 的 控 制 、 機(jī) 械 零 件 的 研 究 又 為 機(jī) 器 人 的 開 發(fā) 奠 定了 基 礎(chǔ) 。 另 一 方 面 ， 原 子 能 實(shí) 驗(yàn) 室 的 惡 劣 環(huán) 境 要 求 某 些 操 作 機(jī) 械 代 替 人 處 理放 射 性 物 質(zhì) 。 在 這 一 需 求 背 景 下 ， 美 國 原 子 能 委 員 會(huì) 的 阿 爾 貢 研 究 所 于1947 年 開 發(fā) 了 遙 控 機(jī) 械 手 ， 1948 年 又 開 發(fā) 了 機(jī) 械 式 的 主 從 機(jī) 械 手 。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，也同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會(huì)發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認(rèn)識(shí)自然過程中，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個(gè)客觀需要。而在機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算中包含了機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)所學(xué)的大部分專業(yè)課程內(nèi)容，對(duì)以往的學(xué)習(xí)起到了一個(gè)很好的鞏固和獲得新知識(shí)的作用，對(duì)以后的工作也會(huì)有很大的幫助。這也是選擇這個(gè)題目的目的。此課題的研究在現(xiàn)實(shí)生活中具有重要的意義。有些工作會(huì)對(duì)人體造成傷害，比如噴漆、重物搬運(yùn)等；有些工作要求質(zhì)量很高，人難以長時(shí)間勝任，比如汽車焊接、精密裝配等；有些工作人無法身臨其境，比如火山探險(xiǎn)、深海探密、空間探索等；有些工作不適合人去干，比如一些惡劣的環(huán)境、一些枯燥單調(diào)的重復(fù)性勞作等；這些都是機(jī)器人大顯身手的地方。服務(wù)機(jī)器人還可以為您治病保健、保潔保安；水下機(jī)器人可以幫助打撈沉船、鋪設(shè)電纜；工程機(jī)器人可以上山入地、開洞筑路；農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以耕耘播種、施肥除蟲；軍用機(jī)器人可以遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁沖鋒陷陣、排雷排彈……1.2 機(jī)器人的發(fā)展概況1.2.1 機(jī)器人的定義什么是機(jī)器人呢?這個(gè)問題是一個(gè)非常有意思的一個(gè)問題。但人們一般的理解，機(jī)器人是具有一些類似人的功能的機(jī)械電子裝置或者叫自動(dòng)化裝置，它仍然是個(gè)機(jī)器。它有三個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是有類人的功能，比如說作業(yè)功能；感知功能；行走功能；還能完成各種動(dòng)作，它還有一個(gè)特點(diǎn)是根據(jù)人的編程能自動(dòng)的工作，這里一個(gè)顯著的特點(diǎn)，就是它可以編程，改變它的工作、動(dòng)作、工作的對(duì)象和工作的一些要求。它是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置，所以這個(gè)機(jī)器人仍然是個(gè)機(jī)器。但是目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的有關(guān)機(jī)器人定義，一般來說我們認(rèn)為機(jī)器人是計(jì)算機(jī)控制的可以編程的目前能夠完成某種工作或可以移動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)械，這是美國工程師協(xié)會(huì)定的一個(gè)定義，但日本和其他國家也對(duì)機(jī)器人有不同的看法，他們認(rèn)為從完整的更為深遠(yuǎn)的機(jī)器人定義來看，應(yīng)該更強(qiáng)調(diào)機(jī)器人智能，所以人們又提出來機(jī)器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、情感和對(duì)外界一種邏輯判斷思維的這種機(jī)器。那么這給機(jī)器人提出來更高層次的要求，那么比方說機(jī)器人在這里邊可以代替人進(jìn)行焊接，焊接的環(huán)境是非常復(fù)雜的，可以搬運(yùn)，它在生產(chǎn)線中搬運(yùn)玻璃和各種各樣的一些零件的搬運(yùn)的工作，還可以在生產(chǎn)線中碼垛等等，這都是把人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來的一個(gè)例子。1.2.2 機(jī)器人的發(fā)展過程1920 年，有一個(gè)捷克斯洛伐克的一個(gè)作家叫卡佩克，他寫了一本科幻小說，叫《羅薩姆的機(jī)器人萬能公司》。這本小說中他構(gòu)思了一個(gè)和幻想了一個(gè)機(jī)器人，它的名字叫羅伯特，也就是我們英文中的 Robot，它可以不吃飯，它能夠不知疲勞的，不知疲倦地進(jìn)行工作。在 1920 年前后，大家也知道是在第一次世界大戰(zhàn)以后，是各國工業(yè)發(fā)展比較迅速的時(shí)期，我們看到電影《摩登時(shí)代》，卓別林主演的人變成了機(jī)器人，在生產(chǎn)線中天天的進(jìn)行勞動(dòng)。人們在這種煩躁的體力勞動(dòng)中就幻想有一種能代替人完成這樣工作的想像、一種需要，這個(gè)小遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁說在 1924 年和 1927 年的時(shí)候被紛紛傳到了日本、法國和歐洲國家，還變成了一種當(dāng)時(shí)的木偶劇和一些話劇，所以這樣的一個(gè)機(jī)器人的名詞就向全世界鋪展開來，當(dāng)時(shí)人們還認(rèn)為是一個(gè)科幻小說，還沒有把它跟我們?nèi)粘５膶W(xué)習(xí)工作和生產(chǎn)結(jié)合起來。但通過這樣一個(gè)小說，一個(gè)羅伯特這樣一個(gè)名詞，它體現(xiàn)了人類長期的一種愿望，這種愿望就是創(chuàng)造出一種機(jī)器，能夠代替人進(jìn)行各種工作。這種想法是機(jī)器人產(chǎn)生的一種客觀的要求，那么真正機(jī)器人的發(fā)展是在 1947 年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室在研究核燃料的時(shí)候，大家知道核燃料，它有 X 射線對(duì)人體是有傷害的，必須有一臺(tái)機(jī)器來完成像搬運(yùn)和核燃料的處理這樣的工作。在 1947 年產(chǎn)生了世界上第一臺(tái)主從遙控的機(jī)器人，那么 1947 年以后大家知道，是計(jì)算機(jī)電子技術(shù)發(fā)展比較迅速的時(shí)期，因此各國已經(jīng)開始利用當(dāng)時(shí)的一些現(xiàn)代的技術(shù)，進(jìn)行了機(jī)器人研究。那么在 1962 年美國研制成功 PUMA 通用示教再現(xiàn)型機(jī)器人，那么這就標(biāo)志著機(jī)器人走向成熟，應(yīng)該說第一臺(tái)可用的機(jī)器人在1947 年產(chǎn)生，真正意義的機(jī)器人在 1962 年產(chǎn)生。那么相繼不久，在英國等國家，也相繼研究出一些機(jī)器人，那么到了 20 世紀(jì) 60 年代末，日本人將它的國民經(jīng)濟(jì)的汽車工業(yè)與機(jī)器人進(jìn)行結(jié)合，它購買了美國的專利，在日本進(jìn)行了再次開發(fā)和生產(chǎn)機(jī)器人。到 20 世紀(jì) 70 年代的時(shí)候，日本已經(jīng)將這種示教再現(xiàn)型的機(jī)器人進(jìn)行了工業(yè)化，出現(xiàn)了很多公司，現(xiàn)在的像 ABB，MOTOMAN，還有安川公司，還有很多機(jī)器人公司像 OTC 等等公司。它們都是已經(jīng)將機(jī)器人進(jìn)行了工業(yè)化，進(jìn)行了批量生產(chǎn)，而且成功的用于了汽車工業(yè)，使機(jī)器人正式的走向應(yīng)用。在 20 世紀(jì) 70 年代到 20 世紀(jì) 80 年代初期，工業(yè)機(jī)器人變成產(chǎn)品以后，得到全世界的普遍應(yīng)用以后，那么很多研究機(jī)構(gòu)開始研究第二代具有感知功能的機(jī)器人，出現(xiàn)了瑞典的 ABB 公司，德國的 KUKA 機(jī)器人公司，日本幾家公司和日本的 FUNAC 公司，都在工業(yè)機(jī)器人方面都有很大的作為，同時(shí)我們也看到機(jī)器人的應(yīng)用在不斷拓寬，它已經(jīng)從工業(yè)上的一些應(yīng)用，擴(kuò)展到了服務(wù)行業(yè)，擴(kuò)展了它的作業(yè)空間，向海洋空間和服務(wù)醫(yī)療等等行業(yè)的使用?？偨Y(jié)一下，我們認(rèn)為，機(jī)器人有三個(gè)發(fā)展階段，那么也就是說，我們習(xí)慣于把機(jī)器人分成三類，一種是第一代機(jī)器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它是通過一個(gè)計(jì)算機(jī)，來控制一個(gè)多自由度的一個(gè)機(jī)械，通過示教存儲(chǔ)程序和信息，工作時(shí)把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機(jī)器人可以重復(fù)的根據(jù)遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁人當(dāng)時(shí)示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動(dòng)作，比方說汽車的點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要把這個(gè)點(diǎn)焊的過程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作，它對(duì)于外界的環(huán)境沒有感知，這個(gè)力操作力的大小，這個(gè)工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實(shí)際上這種從第一代機(jī)器人，也就存在它這種缺陷，因此，在 20 世紀(jì) 70年代后期，人們開始研究第二代機(jī)器人，叫帶感覺的機(jī)器人，這種帶感覺的機(jī)器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進(jìn)行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機(jī)器人抓一個(gè)物體的時(shí)候，它實(shí)際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識(shí)別它的形狀、大小、顏色。抓一個(gè)雞蛋，它能通過一個(gè)觸覺，知道它的力的大小和滑動(dòng)的情況。那么第三代機(jī)器人，也是我們機(jī)器人學(xué)中一個(gè)理想的所追求的最高級(jí)的階段，叫智能機(jī)器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運(yùn)動(dòng)，感知思維和人機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能，那么這個(gè)目前的發(fā)展還是相對(duì)的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機(jī)器人實(shí)際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內(nèi)涵越來越寬。從三代機(jī)器人發(fā)展過程中，從另一個(gè)方面，我們對(duì)機(jī)器人從應(yīng)用的角度進(jìn)行了分類，比如說工業(yè)機(jī)器人，它包括點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、搬運(yùn)、碼垛，在工業(yè)現(xiàn)場中工作的這種機(jī)器人，我們統(tǒng)稱為工業(yè)機(jī)器人，那么從不同的應(yīng)用中，到水下去作業(yè)的叫水下機(jī)器人，到空間作業(yè)的叫空間機(jī)器人，同時(shí)又存在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)，對(duì)醫(yī)療機(jī)器人叫醫(yī)用機(jī)器人，還包括娛樂機(jī)器人，建筑和居室上用的機(jī)器人，所以從應(yīng)用分類，它包括從行業(yè)、應(yīng)用角度，也可以進(jìn)行這樣簡單的分類。1.2.3 國內(nèi)機(jī)器人研究狀況由于我們國家存在很多其他的各種因素、問題。我們國家在機(jī)器人的研究，在 20 世紀(jì) 70 年代后期，當(dāng)時(shí)我們在國家北京舉辦一個(gè)日本的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品展覽會(huì)，在這個(gè)會(huì)上有兩個(gè)產(chǎn)品，一個(gè)是數(shù)控機(jī)床，一個(gè)是工業(yè)機(jī)器人，這個(gè)時(shí)候，我們國家的許多學(xué)者，看到了這樣一個(gè)方向，開始進(jìn)行了機(jī)器人的研究，但是這時(shí)候研究，基本上還局限于理論的探討階段，那么真正進(jìn)行機(jī)器人研究的時(shí)候，是在七五、八五、九五、十五將近這二十年的發(fā)展，發(fā)展最迅速的時(shí)遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁候，是在 1986 年我們國家成立了 863 計(jì)劃是高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，就將機(jī)器人技術(shù)作為一個(gè)重要的發(fā)展的主題，國家投入將近幾個(gè)億的資金開始進(jìn)行了機(jī)器人研究，使得我們國家在機(jī)器人這一領(lǐng)域得到很快地、迅速地發(fā)展。目前主要單位像中科院沈陽自動(dòng)化所，原機(jī)械部的北京自動(dòng)化所，像哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，清華大學(xué)，還包括中科院北京自動(dòng)化所等等的一些單位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前這幾年來看，我們國家在高校里邊，有很多單位從事機(jī)器人研究，很多研究生和博士生都在從事機(jī)器人方面的研究，目前我們國家比較有代表性的研究，有工業(yè)機(jī)器人，水下機(jī)器人，空間機(jī)器人，核工業(yè)的機(jī)器人，都在國際上應(yīng)該處于領(lǐng)先水平，總體上我們國家與發(fā)達(dá)國家相比，還存在很大的差距，主要表現(xiàn)在，我們國家在機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化方面，目前還沒有固定的成熟的產(chǎn)品，但是在上述這些水下、空間、核工業(yè)，一些特殊機(jī)器人方面，我們?nèi)〉昧撕芏嘤刑厣难芯砍删汀?.2.4 國外機(jī)器人的最新發(fā)展近年來，人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對(duì)機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能，對(duì)外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。（1）水下機(jī)器人：美國的 AUSS、俄羅斯的 MT-88、法國的 EPAVLARD 等水下機(jī)器人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護(hù)、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機(jī)器人（remote operated vehicle）和無纜水下機(jī)器人（autonomous under water vehicle）兩大類。（2）空間機(jī)器人：空間機(jī)器人一直是先進(jìn)機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機(jī)器人。如美國 NASA 的空間機(jī)器人 Sojanor 等。Sljanor 是一輛自主移動(dòng)車，重量為 11.5kg，尺寸 630~48mm，有 6 個(gè)車輪，它在火星上的成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān)注。（3）核工業(yè)用機(jī)器人：國外的研究主要集中在機(jī)構(gòu)靈巧，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠、反應(yīng)遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動(dòng)機(jī)器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國 ORML 基于機(jī)器人的放射性儲(chǔ)罐清理系統(tǒng)、反應(yīng)堆用雙臂操作器，加拿來大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，德國的C7 靈巧手等（4）地下機(jī)器人：地下機(jī)器人主要包括采掘機(jī)器人和地下管道檢修機(jī)器人兩在類。主要研究內(nèi)容為：機(jī)械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達(dá)國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機(jī)器人，各種采機(jī)器人及自動(dòng)化系統(tǒng)正在研制中。（5）醫(yī)用機(jī)器人：醫(yī)用機(jī)器人的主要研究內(nèi)容包括：醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機(jī)器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場感外科手術(shù)等。美國已開展臨場感外科（telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。法、英、意、德等國家聯(lián)合開展了圖像引導(dǎo)型矯形外科（telematics）計(jì)劃、袖珍機(jī)器人（biomed）計(jì)劃以及用于外科手術(shù)的機(jī)電手術(shù)工具等項(xiàng)目的研究，并已取得一些卓有成效的結(jié)果。（6）建筑機(jī)器人：日本已研制出 20 多種建筑機(jī)器人。如高層建筑抹灰機(jī)器人、預(yù)制件安裝機(jī)器人、室內(nèi)裝修機(jī)器人、地面拋光機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人等，并已實(shí)際應(yīng)有和。美國卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進(jìn)行管道挖掘和埋設(shè)機(jī)器人、內(nèi)墻安裝機(jī)器人等型號(hào)的研制、并開展了傳感器、移動(dòng)技術(shù)和系統(tǒng)自動(dòng)化施工方法等基礎(chǔ)研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。（7）軍用機(jī)器人：近年來，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機(jī)器人。其特點(diǎn)是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場上具有看、嗅和角摸能力，能夠自動(dòng)跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動(dòng)搜索、識(shí)別和消滅敵方目標(biāo)的功能。如美國的 Navplab 自主導(dǎo)航車、SSV 半自主地面戰(zhàn)車，法國的自主式快速運(yùn)動(dòng)偵察車（DARDS） ，德國 MV4 爆炸物處理機(jī)器人等。目前美國 ORNL 正在研制和開發(fā) Abrams 坦克、愛國者導(dǎo)彈裝電池用機(jī)器人等各種用途的軍用機(jī)器人。可以預(yù)見，在 21 世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁1.2.5 機(jī)器人目前研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢目前國際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下 10 個(gè)方面：（1）工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。（2）機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于 PC 機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。（3）多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。（4）機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。（5）機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。（6）虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。（7）多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。（8）微型和微小機(jī)器人技術(shù)（micro/miniature robotics）：這是機(jī)器人研究的一個(gè)新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起機(jī)器人技術(shù)的一場革命，并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。（9）軟機(jī)器人技術(shù)（soft robotics）:主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁軟機(jī)器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安全的，機(jī)器人對(duì)人是友好的。2 手指部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)械手手爪是用來抓取工件的部件。手爪抓取工件時(shí)要滿足迅速、靈活、準(zhǔn)確和可靠的要求。所以機(jī)械手手爪是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。設(shè)計(jì)制造加緊機(jī)構(gòu)——手爪時(shí)，首先要從機(jī)械手的坐標(biāo)形式、運(yùn)行速度和加速度的情況來考慮。其夾緊力的大小則是根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力的大小來計(jì)算。同時(shí)考慮有足夠的開口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化。為擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用范圍，還須備有多種抓取機(jī)構(gòu)，以根據(jù)需要來更換手爪。為防止損害被夾持的物體，夾緊力要限制在一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動(dòng)定心機(jī)構(gòu)。為防止突然停電造成的被抓物體落下，又需要有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、動(dòng)作靈活和工作可靠。2.1 夾緊機(jī)構(gòu)的類型夾緊機(jī)構(gòu)形式多樣，有機(jī)械式、吸盤式和電磁式等。機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。此次設(shè)計(jì)中也是應(yīng)用的機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)。機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)是由驅(qū)動(dòng)元件、手爪支持部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、手指及各種墊片、附件等組成：（1） 驅(qū)動(dòng)元件，主要是油缸。（2） 手爪支持部件，一般固定在手腕或者手臂上，而驅(qū)動(dòng)件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和手指則安裝在手爪的支持部件上。（3） 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，是把活塞桿的運(yùn)動(dòng)變成手指開閉運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)中采用的是鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅把活塞桿的運(yùn)動(dòng)傳遞給手指，而且有又將這個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為力的倍增機(jī)構(gòu)。2.2 信息傳感器工業(yè)機(jī)械手采用的傳感器大致可分為兩類：遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁第一類用以檢測、判斷對(duì)象的情況，便于機(jī)械手進(jìn)行操作，稱為外部信息傳感器；第二類在機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)檢測控制動(dòng)作，以便實(shí)現(xiàn)控制回路的功能，稱為內(nèi)部信息傳感器。內(nèi)部信息傳感器種類較多，但外界信息傳感器則處于發(fā)展階段。其中主要要求有位置傳感器、觸覺傳感器，即需要具備能檢測對(duì)象（工件）的位置，或具有觸覺，甚至具備視覺的判斷功能，2.2.1 內(nèi)部信息傳感器機(jī)械手手臂能移動(dòng)到要求的位置，并能重復(fù)規(guī)定的動(dòng)作，一般采用有反饋的伺服機(jī)構(gòu)。伺服機(jī)構(gòu)的主回路有檢測部分、放大部分、驅(qū)動(dòng)部分等組成，用以檢測位置和角度等。內(nèi)部信息傳感器主要采用電阻電位計(jì)，自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器和其他模擬數(shù)字變換器等。也有采用開關(guān)控制如限位開關(guān)、接近開關(guān)和光電繼電器等。對(duì)反饋元件的內(nèi)部信息傳感器的要求是：（1） 可靠性高，壽命長，無故障及少維修；（2） 小型簡單，不帶附屬裝置；（3） 抗干擾，在惡劣工作環(huán)境下，如電噪音、電壓、頻率變化較大的情況下，能夠正常工作；（4） 不因溫度、濕度、振動(dòng)沖擊等環(huán)境變動(dòng)時(shí)發(fā)生誤差與損壞；（5） 回路獨(dú)立，輸入輸出回路相互獨(dú)立；（6） 容易調(diào)整和微調(diào)；（7） 應(yīng)用絕對(duì)值表示停止位置；（8） 價(jià)格低廉。2.2.2 外部信息傳感器外部信息傳感器用得比較多的主要有距離傳感器、力傳感器、識(shí)別傳感器和自適應(yīng)診斷傳感器。（1）距離傳感器測量距離有兩種方法，一種是接觸物體的測距，另一種是不接觸物體測距。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁接觸物體時(shí)可采用微型開關(guān)、放大比例尺、齒條齒輪和編碼器等。非接觸傳感器一般是利用激光和超聲波。激光傳感器是用旋轉(zhuǎn)反光鏡使激光在物體上進(jìn)行掃描，用光電晶體管接收確定光軸上物體的反射光，根據(jù)接收到光的時(shí)間測出距離。（2）力傳感器力傳感器大多使用應(yīng)變儀，也可使用壓敏元件和導(dǎo)電橡膠。應(yīng)變儀安裝在懸壁上，當(dāng)手指沒有外力影響時(shí)，它的四個(gè)輸出口處于平衡狀態(tài)，如手指接觸到物體，而又加上外力時(shí)，就會(huì)處于不平衡狀態(tài)。當(dāng)將手指軸放到應(yīng)變儀孔內(nèi)時(shí)，向外力大的方向就產(chǎn)生反作用力，使應(yīng)變儀四個(gè)輸出口出現(xiàn)不平衡狀態(tài)，從而體現(xiàn)傳感作用。（3）識(shí)別傳感器識(shí)別形狀傳感器，一般使用由電視攝像機(jī)或光電二極管陣列構(gòu)成的矩陣式攝像機(jī)。在使用這種傳感器時(shí)，關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)存取及其處理的速度，如速度過于遲緩，就不可能使機(jī)械手的作業(yè)與有關(guān)作業(yè)同步。（4）自適應(yīng)診斷傳感器自適應(yīng)診斷傳感器安裝在手指上，用以對(duì)夾持力的大小進(jìn)行自適應(yīng)控制。只要不改變手指和被夾持物體的相對(duì)位置，就能準(zhǔn)確地進(jìn)行控制。利用電唱機(jī)拾音器心坐的原理，使針接觸物體。2.3 液壓傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算油泵是液壓系統(tǒng)的心臟，他把電動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成油壓，同時(shí)向液壓系統(tǒng)提供具有一定壓力和流量的壓力油。油泵種類較多，目前在機(jī)械手上多數(shù)是采用齒輪泵和葉片泵，而從流量的特性來看，多數(shù)是采用葉片泵。手爪夾緊設(shè)計(jì)中所選擇的是葉片泵。機(jī)械手常用的葉片泵(YB)型額定工作壓力一般為63 。而定量泵是根據(jù)液壓系統(tǒng)所需的油泵工作壓力 和所需要的2/kgcmP泵流量 這兩個(gè)參數(shù)來確定的。q泵在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中任何油缸工作時(shí)，都要有一定的輸出力（或力矩） 、運(yùn)動(dòng)速度和方向。凡控制油缸輸出力大小、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向都需要有閥來控遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁制。壓力閥——實(shí)現(xiàn)機(jī)械手所需輸出力（或力矩） ，它包括溢流閥、減壓閥、安全閥、順序閥和壓力繼電器；流量閥——控制流量大小，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的運(yùn)動(dòng)速度。如節(jié)流閥、調(diào)速閥；方向閥——由減壓閥與節(jié)流閥串聯(lián)，保證節(jié)流閥進(jìn)出口壓力差趨于穩(wěn)定，使流量不受外界負(fù)荷變化的影響。常用的有二位三通及三位四通電磁換向閥。2.3.1 手爪夾緊液壓傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算(1)確定油缸的工作壓力 P????缸C缸 1.5.??()MPa式中： ——油缸的工作壓力 ；缸 ()a——油缸的最大工作壓力 ；——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失 ；P??()a——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長時(shí)，C一般取 。1.05~.?(2)確定經(jīng)油缸的流量經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量 和總泄maxq漏量來確定。即： maxqk??缸 1.204??(/in)L式中： ——經(jīng)油缸的液壓油路中的流量 ；q缸 (/in)L——泄漏系數(shù)取 ；k.——系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，油缸速度最大時(shí)所需要的總流量 。max (/min)L(3)確定油泵所需電機(jī)功率遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁612PqN???泵 額 泵 5.982.30.???()kw式中： ——油泵所需要的電動(dòng)機(jī)功率 ；()kw——所需油泵工作壓力 ；P泵 Ma——油泵額定流量 ；q額 (/min)L——油泵總效率，一般葉片泵 ，?泵 =0.75~8?泵柱塞泵 。=0.75~9泵2.3.2 手爪回轉(zhuǎn)液壓傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算(1)確定油缸的工作壓力 P????缸 C缸 1.3.?()MPa式中： ——油缸的工作壓力 ；缸 ()a——油缸的最大工作壓力 ；——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失 ；P??()a——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長時(shí)，C一般取 。1.05~.?(2)確定經(jīng)油缸的流量經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量 和總泄maxq漏量來確定。即： maxqk??缸 1.204??(/in)L式中： ——油缸所需流量 ；q缸 (/in)L——泄漏系數(shù)取 ；k.遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁——系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，油缸速度最大時(shí)所需要的總流量 。maxq (/min)L(3)確定油泵所需電機(jī)功率 612PqN???泵 額 泵 3.98251.30.???()kw式中： ——油泵所需要的電動(dòng)機(jī)功率 ；()kw——所需油泵工作壓力 ；P泵 Ma——油泵額定流量 ；q額 (/min)L——油泵總效率，一般葉片泵 ，?泵 =0.75~8?泵柱塞泵 。=0.75~9泵(4)液壓缸的扭矩計(jì)算當(dāng)擺動(dòng)式液壓缸的兩油口相繼通以壓力油時(shí)，葉片即帶動(dòng)擺動(dòng)軸作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)考慮到機(jī)械效率時(shí)，液壓缸缸的擺動(dòng)軸輸出扭矩 T 為：212()(8mbTDdp???60.3.60.5)(3.02)1.98????29.()N?式中： ——葉片寬度 ；b()m——擺動(dòng)軸直徑 ；d——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 ；D()——供油壓力 ；1p()Pa——回油壓力 ；2——液壓缸的機(jī)械效率。m?根據(jù)能量守恒原理，結(jié)合上式得出角速度 為：?遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁28()vqbDd?????322410.9605)0???398(/)ras式中： ——液壓缸葉片寬度 ；b)m——擺動(dòng)軸直徑 ；d(——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 ；D)——液壓缸的流量 ；q3(/s——液壓缸的容積效率。v?2.4 夾緊力的計(jì)算2.4.1 液壓缸產(chǎn)生的推力及運(yùn)動(dòng)速度手爪夾緊所用的液壓缸是單桿活塞式液壓缸，活塞的伸縮使得手爪夾緊與放開。單桿活塞式液壓缸的活塞桿只從液壓缸的一端伸出，液壓缸的活塞在兩缸有效作用面積不相等，當(dāng)向液壓缸兩腔分別供油，且壓力和流量都不變時(shí)，活塞在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)速度和推力都是不相等的，即運(yùn)動(dòng)具有不對(duì)稱性。(1)手爪夾緊的設(shè)計(jì)計(jì)算當(dāng)無桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度 V 為： 214vvqAD???320.96.??478（ m/s）式中： ——液壓缸的流量 ；q3(/)——無桿腔部分液壓缸的橫截面積 ；1A2()遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁——液壓缸的容積效率；v?——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 。D()m液壓缸所產(chǎn)生的推力 F 為： 12mAp???2[()]4mDdp?2220.35.03.17)0.]???619834.?()N式中： ——無桿腔部分液壓缸的橫截面積 ；1A2m——有桿腔部分液壓缸的橫截面積 ；2 ()——供油壓力 ；1p()Pa——回油壓力 ；2——液壓缸的機(jī)械效率；m?——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 ；D()a——活塞桿直徑 。dP(2)手爪放開的設(shè)計(jì)計(jì)算當(dāng)有桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度 V 為： 224()vvqADd?????32210.967??065（ m/s）式中： ——液壓缸的流量 ；q3(/)遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁——無桿腔部分液壓缸的橫截面積 ；1A2()m——液壓缸的容積效率；v?——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 。D()液壓缸所產(chǎn)生的推力 F 為：212mAp???21[()]4mDdp?2260.3.75.10.98???()N式中： ——無桿腔部分液壓缸的橫截面積 ；1A2——有桿腔部分液壓缸的橫截面積 ；2 ()m——供油壓力 ；1p()Pa——回油壓力 ；2——液壓缸的機(jī)械效率；m?——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 ；D()a——活塞桿直徑 。dP2.4.2 夾緊力的計(jì)算夾緊機(jī)構(gòu)在抓取工件時(shí)必須要有一定的夾緊力（即握力） ，其握力的大小與夾緊機(jī)構(gòu)的形式、夾緊方位和工件的形狀都有關(guān)。因而研究夾緊機(jī)構(gòu)處在什么方位時(shí)，夾緊工件所需要的驅(qū)動(dòng)力為最小，這個(gè)最小的夾緊力稱之為當(dāng)量夾緊力。當(dāng)量夾緊力就是使工件處于水平位置時(shí)的最小驅(qū)動(dòng)力。(1)當(dāng)量夾緊力的計(jì)算當(dāng)卡爪平衡時(shí)，夾緊力與驅(qū)動(dòng)力的平衡條件是：遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁，0aM??10NbPC???即： 式中： ——滑槽方向與兩銷軸的距離 ；a()m——夾緊力 ；N()——工件重心距手指回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離 ；b()——滑槽對(duì)銷軸的反作用力 ；1PN——夾緊系數(shù)。C其中： ， cosa??12cosP式中： ——鉗口與水平面的夾角；?——油缸產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力 。P()N(2)考慮工件重量時(shí)的最小驅(qū)動(dòng)力當(dāng)手爪夾緊時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力 P 為： 212()cosbGa???20.594059.8)cs303??.?()N式中: ——油缸產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力 ；P()——滑槽方向與兩銷軸的距離 ；am——工件重心距手指回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離 ；b()——鉗口對(duì)工件的夾緊力 ；1N()N——鉗口對(duì)工件的夾緊力 ；2——手指部分的重量 ；G()kg遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁——鉗口與水平面的夾角。?當(dāng)手爪尚未夾緊，油缸保持水平位置時(shí)其驅(qū)動(dòng)力最小，其最小驅(qū)動(dòng)力為：minP2mincosbGPa???20.59.8cs3031??7.4()N(3)手爪夾緊力的計(jì)算手指對(duì)工件的夾緊力可按下列計(jì)算： 123KG???.59.8??7()N式中： ——手指對(duì)工件的夾緊力 ；N——安全系數(shù)，通常取 ；1K21.~K——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可取 ；2 21.~5K?——方位系數(shù)，查表得 ；3 35?——被抓取工件的重量 。G()kg綜上所述，油缸產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力滿足驅(qū)動(dòng)的要求。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁3 手腕部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1 確定油缸的工作壓力 P????缸C缸 1.5.??()MPa式中： ——油缸的工作壓力 ；缸 ()a——油缸的最大工作壓力 ；——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失 ；P??()a——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長時(shí)，C一般取 。1.05~.?3.2 確定經(jīng)油缸的流量經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量 和總泄maxq漏量來確定。即： maxqk??缸 1.204??(/in)L式中： ——油缸所需流量 ；q缸 (/in)L——泄漏系數(shù)取 ；k.——系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，油缸速度最大時(shí)所需要的總流量 。max (/min)L遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁3.3 確定油泵所需電機(jī)功率 612PqN???泵 額 泵 5.982.30.???()kw式中： ——油泵所需要的電動(dòng)機(jī)功率 ；()kw——所需油泵工作壓力 ；P泵 Ma——油泵額定流量 ；q額 (/min)L——油泵總效率，一般葉片泵 ，?泵 =0.75~8?泵柱塞泵 。=0.75~9泵3.4 液壓缸的輸出扭矩計(jì)算當(dāng)擺動(dòng)式液壓缸的兩油口相繼通以壓力油時(shí)，葉片即帶動(dòng)擺動(dòng)軸作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)考慮到機(jī)械效率時(shí)，葉片缸的擺動(dòng)軸輸出扭矩 T 為：212()(8mbTDdp???60.7.0.37)(5.02)1.98????2.65()N?式中： ——葉片寬度 ；b()m——擺動(dòng)軸直徑 ；d——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 ；D()——供油壓力 ；1p()Pa——回油壓力 ；2——液壓缸的機(jī)械效率。m?遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁根據(jù)能量守恒原理，結(jié)合上式得出角速度 為：?28()vqbDd????322410.960.7.7)0???(/)ras式中： ——液壓缸葉片寬度 ；b)m——擺動(dòng)軸直徑 ；d(——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 ；D)——液壓缸的流量 ；q3(/s——液壓缸的容積效率。v?遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁4 手臂部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算手臂是機(jī)械手的主要部分，它是支撐手腕、手指和工件并使它們運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。4.1 手臂的作用和組成手臂一般有三個(gè)運(yùn)動(dòng)——伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、升降運(yùn)動(dòng)是由橫臂和立柱去完成。手臂的基本作用是將手爪移動(dòng)到所需位置和承受手爪抓取工件的最大重量，以及手臂的自身的重量等。手臂由以下幾部分組成：(1)動(dòng)作元件，如油缸、氣缸、齒條、齒輪等是驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件。(2)導(dǎo)向裝置，是保證手臂的正確放心及承受由于工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。(3)手臂，起著連接和承受外力的作用。手臂上的零部件如油缸、導(dǎo)向桿、控制剛等都安裝在手臂上。此外，根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作和工作的要求，如管路、冷卻裝置、行程定位裝置和自動(dòng)檢測機(jī)構(gòu)等，一般也都裝在手臂上。所以手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、承載能力和動(dòng)作精度都直接影響機(jī)械手的工作性能。4.2 對(duì)設(shè)計(jì)手臂的要求(1)手臂應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕。手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件時(shí)動(dòng)作的平穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)的速度和定位精度。如果剛性差則會(huì)引起手臂在垂直平面內(nèi)的彎曲變形和水平面內(nèi)的側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形，手臂就要產(chǎn)生振動(dòng)，或動(dòng)作時(shí)工件卡死無法工作。為此，手臂一般都采用剛性較好的導(dǎo)向桿來加大手臂的剛度，各支承、連接件的剛性也要有一定的要求，以保證能承受所需要的驅(qū)動(dòng)力。(2)手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng)，慣性要小。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度一般是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍要求來決定，但不宜盲目地追求高速度。手臂的自重輕，其啟動(dòng)和停止的平穩(wěn)性就好。(3)手臂動(dòng)作要靈活遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能使手臂運(yùn)動(dòng)輕快、靈活。如在運(yùn)動(dòng)臂上加裝滾動(dòng)軸承或采用滾珠導(dǎo)軌也能使手臂運(yùn)動(dòng)輕快、平穩(wěn)。此外，對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，還要考慮零件在手臂上的布置，就是要計(jì)算手臂移動(dòng)零件時(shí)的重量對(duì)回轉(zhuǎn)、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩對(duì)手臂運(yùn)動(dòng)很不利。偏重力矩過大，會(huì)引起手臂的振動(dòng)，在升級(jí)時(shí)還會(huì)發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象，也會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的靈活性，嚴(yán)重時(shí)手臂與立柱會(huì)卡死。所以在設(shè)計(jì)手臂時(shí)要盡量使手臂重心通過回轉(zhuǎn)中心，或離回轉(zhuǎn)中心要盡量的近，以減少偏重力矩。對(duì)于雙臂同時(shí)操作的機(jī)械手，則應(yīng)使兩臂的布置盡量對(duì)稱于中心，以達(dá)到平衡。(4)位置精度要高機(jī)械手要獲得較高的位置精度，除采用先進(jìn)的控制方法外，在結(jié)構(gòu)上還要注意如下幾個(gè)問題：機(jī)械手的剛度、偏重力矩、慣性力及緩沖效果都直接影響手臂的位置精度；加設(shè)定位裝置和行程檢測機(jī)構(gòu)。合理選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式。直角坐標(biāo)式機(jī)械手的位置精度較高，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)都比較簡單、誤差也?。换剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差，是放大式的尺寸誤差，當(dāng)轉(zhuǎn)角位置一定時(shí)，手臂伸出越長，誤差越大。(5)通用性強(qiáng)，能適應(yīng)多種作業(yè)；工藝性好，便于維修調(diào)整。4.3 手臂的結(jié)構(gòu)手臂的伸縮和升降運(yùn)動(dòng)采用直線油缸驅(qū)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角小于 360 度的情況下，采用擺動(dòng)油缸。手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)，常用直線油缸帶動(dòng)鉸鏈杠桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。(1)手臂直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)手臂作直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，基本上是由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向裝置所組成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手中實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)運(yùn)動(dòng)用的的雙作用雙活塞桿油缸。因?yàn)樾谐瘫容^大，因此將油缸做得很長，體積很大，則加工上有困難。而伸縮式雙活塞桿油缸既能滿足行程要求，油缸體積又小，其缺點(diǎn)是一次行程有兩種速度。在結(jié)構(gòu)上可以是油缸體固定、活塞剛運(yùn)動(dòng)；也可以是活塞桿固定，而缸體運(yùn)動(dòng)。(2)手臂的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)手臂的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)采用葉片式擺動(dòng)缸，葉片式擺動(dòng)缸的回轉(zhuǎn)角小于 360 度，缸的結(jié)構(gòu)定片可以與缸體固聯(lián)，有時(shí)也可以相反。只要選取適當(dāng)?shù)臏p速機(jī)構(gòu)，便可得到需要的手臂擺動(dòng)速度。（3）手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由于手臂懸伸后加持工件，其偏重力矩較大，故必須采用強(qiáng)有力的俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。往復(fù)直線油缸可繞其支承銷軸擺動(dòng)。當(dāng)油缸活塞桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過鉸鏈帶動(dòng)支架上下擺動(dòng)，而手臂安裝在支架上。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁4.4 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算4.4.1 確定油缸工作壓力 P????缸 C缸 1.0=?()MPa式中： ——油缸的工作壓力 ；缸 ()a——油缸的最大工作壓力 ；——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失 ；P??()a——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長時(shí)，C一般取 。1.05~.?經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量 和總泄maxq漏量來確定。即： maxqk?缸 .23=4?(/in)L式中： ——經(jīng)油缸的液壓油路中的流量 ；q缸 (/i)——泄漏系數(shù)取 ；k1.?——系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，油缸以最大速度運(yùn)行所需要的總流量。max4.4.2 驅(qū)動(dòng)力的設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)手臂運(yùn)動(dòng)的不同，驅(qū)動(dòng)力可以分為兩種情況來計(jì)算。（1）手臂水平伸縮時(shí)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算當(dāng)手臂水平伸縮時(shí)，主要克服摩擦阻力 和慣性力 ，所以驅(qū)動(dòng)力的大F摩 慣小為： =P?驅(qū) 摩 慣 20.853.7156.??()N其中摩擦力應(yīng)包括手臂與伸縮導(dǎo)軌間的摩擦阻力、活塞與密封裝置處的摩擦阻力。而活塞與密封裝置處的摩擦阻力相對(duì)于導(dǎo)軌間的摩擦阻力可忽略不計(jì)，則摩擦阻力為：遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁F=mg1059.820.58f????摩 ()N式中： ——摩擦阻力 ；摩 ()N——手臂、手腕、手爪及工件的總重量 ；()kg——重力加速度 。g2(/)s慣性力的大小可按照下列方式計(jì)算：F慣 V=mgt??1059.82??3.71()N式中： ——手臂在啟動(dòng)過程中的慣性力 ；F慣 ()N——手臂、手腕、手爪及工件的總重量 ；kg——重力加速度 ；g2(/)s——啟動(dòng)或制動(dòng)前后的速度差 ；V?(/)ms——啟動(dòng)或制動(dòng)前后的時(shí)間差 。t（2）手臂水平回轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)力距的計(jì)算手臂啟動(dòng)水平回轉(zhuǎn)時(shí)主要克服慣性力矩和摩擦力矩，由于摩擦力矩比較小，可以近似的取 。因此驅(qū)動(dòng)力矩為：0.1M?摩 慣 =?驅(qū) 慣 摩49.60149.6?5Nm?（ ）式中： ——驅(qū)動(dòng)力距 ；驅(qū) ?（ ）——慣性力矩 ；M慣 （ ）——摩擦力矩，包括各支承處摩擦力矩 。摩 ?（ ）其中慣性力矩的大小可按下式計(jì)算： 0=()CJJtt?????慣遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 26 頁6.9(4.260.1)2???9Nm?（ ）式中： ——手臂回轉(zhuǎn)部件對(duì)其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)到慣量 ；J 2()kgs?——手臂回轉(zhuǎn)的角速度差 ；??(/)rads——啟動(dòng)時(shí)所需的時(shí)間 ；t——零件對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ；0J 2()kgms?——零件作為其重心位置的質(zhì)點(diǎn)對(duì)手臂回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)C慣量 。2()kgms?由于所夾持的工件為圓柱體，所以零件對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小為：2CGJ???2105.6398?4()kgms?式中： ——手臂回轉(zhuǎn)半徑，即工件重心到回轉(zhuǎn)中心的距離 ；?()——手臂運(yùn)動(dòng)件的重量 。G()零件作為其重心位置的質(zhì)點(diǎn)對(duì)手臂回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量則可按下式計(jì)算： 201GJlg?（ +3R） 225(0.61.05)98??.)kms?式中： ——所夾圓柱體的長度 ；l()——所夾圓柱體的半徑 。R遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 27 頁4.4.3 偏重力矩的設(shè)計(jì)計(jì)算偏重力矩就是手部懸伸部分的全部零件重量（作用在各自的重心上）對(duì)手臂回轉(zhuǎn)中心的靜力距 。最大偏重力矩產(chǎn)生于手臂伸縮缸全部伸出，并夾持eM額定重量的零件時(shí)，各零件的重量可按其結(jié)構(gòu)形狀、材料比重進(jìn)行粗略計(jì)算。重心位置，由于零件多數(shù)均采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故重心應(yīng)位于其幾何截面的形心上，計(jì)算時(shí)可把手臂的偏重部分分解成幾個(gè)單元，先分別計(jì)算，然后匯總。首先計(jì)算立柱支承的全部零件的重量 ：G總=+工總 爪 腕 臂5170??()kg式中： ——立柱支承的全部零件的總重量 ；G總——工件重量 ；工 ()——手爪部分重量 ；爪 kg——手腕部分重量 ；腕 ()——手臂部分重量 。臂立柱支承的全部零件的總重量 的重心位置距回轉(zhuǎn)中心的距離為 ，則：G總 ??1=niiiiiX???G++GX????工 工 爪 爪 腕 腕 臂 臂工 爪 腕 臂50.741.6350.74.0?????.2()m遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 28 頁式中： ——工件重量 ；G工 ()kg——手爪部分重量 ；爪——手腕部分重量 ；腕 ()——手臂部分重量 ；臂 kg——工件重心距離回轉(zhuǎn)中心的距離 ；X工 ()m——手爪重心距離回轉(zhuǎn)中心的距離 ；爪——手腕重心距離回轉(zhuǎn)中心的距離 ；腕 ()——手臂重心距離回轉(zhuǎn)中心的距離 。臂其偏重力矩 為：eMGe???總105.2?36Nm?（ ）如果求出的偏重力矩過大，可重新布置各部件在手臂上的位置，也可加平衡塊來改善受力情況。但這樣又會(huì)增大手臂重量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因此要多方考慮。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁5.機(jī)身的設(shè)計(jì)與計(jì)算5.1 機(jī)身升降液壓轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算5.1.1 確定油缸的工作壓力 P????缸C缸 1.56.??()MPa式中： ——油缸的工作壓力 ；缸 ()Ma——油缸的最大工作壓力 ；——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失 ；P??()a——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長時(shí)，C一般取 。1.05~.?5.1.2 確定經(jīng)油缸的流量經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量 和總泄maxq漏量來確定。即： maxqk??缸 1.2607??(/in)L式中： ——經(jīng)油缸的液壓油路中的流量 ；q缸 (/in)L遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 30 頁——泄漏系數(shù)取 ；k1.2k?——系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，油缸以最大速度運(yùn)行所需要的總流量。maxq5.1.3 確定油泵所需電機(jī)功率612PqN???泵 額 泵 .598720.6???()kw式中： ——油泵所需要的電動(dòng)機(jī)功率 ；()kw——所需油泵工作壓力 ；P泵 Ma——油泵額定流量 ；q額 (/min)L——油泵總效率，一般葉片泵 ，?泵 =0.75~8?泵柱塞泵 。=0.75~9泵5.1.4 液壓泵的校核當(dāng)無桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度 V 為： 214vvqAD???3270.96.??5（ m/s）式中： ——液壓缸的流量 ；q3(/)——無桿腔部分液壓缸的橫截面積 ；1A2()——液壓缸的容積效率；v?——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑 。D()m液壓缸所產(chǎn)生的推力 F 為：