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搬运机器人结构设计-毕业设计正文

发布于:2019-10-17  |   作者:admin  |   已聚集:人围观

  4-DOF搬运机器人的结构设计 学生姓名: 班级: 指导老师: 摘要:在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,工业机器人 作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平 和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前,工业机器人主要 承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。 本文研究了国内外机械手发展的现状,通过学习机械手的工作原理,熟悉了搬运 机器人的运动机理。在此基础上,确定了四自由度搬运机器人的基本系统结构,对搬 运机器人的结构进行了简单的强度计算,完成了搬运机器人机械方面的设计(包括传 动部分、执行部分、驱动部分)和简单的三维实体造型工作。本设计为四自由度圆柱 坐标型工业机器人,其工作方向为两个直线方向、一个旋转方向和一个气爪运动。机 器人的机械结构主要包括由三个电磁阀控制的气缸来实现机器人的上升下降运动及 夹紧工件的动作,一个步进电机控制机器人的正反转。 在控制器的作用下,搬运机器人执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简 单的动作。设计的搬运机器人运用于自动化生产线,实现自动化生产,减轻产业工人大 量的重复性劳动,同时又可以提高劳动生产率,本文是对整个设计工作较全面的介绍 和总结。 关键词:搬运机器人,强度计算,结构设计 南昌航空大学学士学位论文 指导老师签名:南昌航空大学学士学位论文 Structuredesigning 4-DOFhandling robot Student name: Class: Supervisor: Abstract:ustrial robot technology standards applicationlevel, certainextent, reflect nationalindustrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked welding,spraying, handling stacking,repetitive significantwork. paperstudies currentsituation mechanicalhand, workingprinciple robot,familiar handlingrobot locomotion mechanism basis,identified 4-DOF handlingrobot basicsystem architecture simplestrength calculation handlingrobot structure finishhandling robot mechanical design includingtransmission part, operative, driving part simple3D solid modeling work.This scheme introduced cylindricalrobot fourdegree twolinear axes ,one rotary axis pneumaticclaw movement. manipulatormechanical structure includes three solenoid valves controlled aircylinder increaseddecline workpiececlamping action, steppermotor control manipulator positive inversion. Controller only allows devicesmove from one assembly line otherassembly line space,perform relatively simple taskes. Designed handlingrobot used automaticproduction line, realizing automaticproduction, reduce industrial workers much repetitive work, also can improve labor productivity. morecomprehensive introduction summing-up wholedesign work. Keywords:Transfer robot, Strength calculation, Structure design 南昌航空大学学士学位论文 10自由度和坐标系的选择 10搬运机器人的组成 11搬运机器人的技术参数 13搬运机器人结构简图 15夹持式手部结构 15臂部的设计及有关计算 16步进电机的选型 21联轴器的选择设计 22机座设计及电磁阀的选择 结构强度计算、尺寸设计与校核.....................................28 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 28手臂升降气缸的尺寸设计与校核 29步进电机的尺寸设计与校核 30总体结构图、实体图的绘制 34PLC 的主要特点 34南昌航空大学学士学位论文 PLC的发展阶段 35PLC 的选择 35机械手的循环工作说明 37参考文献 39致谢 41附录 4-DOF搬运机器人的结构设计 绪论搬运机器人概述 搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手,机械手的发展是由于它的积极作用 正日益为人们所认识:其一、它能部分的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要 求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要的机 具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快 实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物 力来研究和应用。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,应用 的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果, 受到机械工业的重 视。机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。随着工业技术的发展,制成了能够 独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通 用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产 品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 南昌航空大学学士学位论文 机器人就是用机器代替人手,把工件由某个地方移向指定的工作位置,或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用 机器人,也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置,可以根 据任务的需要编制程序,以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外, 还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的,称为操作机 (Manipulator)。它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来 发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于 这一范畴。第三类是专业机器人,主要附属于自动机床或自动生产线上,用以解决机床 上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”,它是为主 机服务的,由主机驱动。除少数外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。 机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型,其中关节型机器人以其结构紧 凑,所占空间体积小,相对工作空间最大,甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一 些特点,成为机器人中使用最多的一种结构形式,世界一些著名机器人的本体部分都采 用这种机构形式的机器人。 要机器人像人一样拿取东西,最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、 关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构;像肌肉那样使手臂运动的驱动-传 动系统;像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一 般而言,机器人通常就是由执行机构、驱动-传动系统和控制系统这三部分组成, 如图 1-1 所示。 1-1机器人的一般组成 对于现代智能机器人而言,还具有智能系统,主要是感觉装置、视觉装置和语言 识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”,使它能识别物体和躲避障碍 南昌航空大学学士学位论文 物,以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的,或者说并不是简单的叠加在一起,从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能,机器 人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系 如图 1-2 所示。 1-2机器人各组成部分之间的关系 机器人的机械系统主要由执行机构和驱动-传动系统组成。执行机构是机器人赖以完 成工作任务的实体,通常由连杆和关节组成,由驱动-传动系统提供动力,按控制系 统的要求完成工作任务。 搬运机械人的应用简况 在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中, 加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法,程控机床、数 控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。 但除切削加工本身外,还有大量的装卸、搬运、装配等作业,有待于进一步实现 机械化。据资料介绍,美国生产的全部工业零件中,有 75%是小批量生产;金属加 工生产批量中有四分之三在 50 件以下,零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产 时间的 5%。从这里可看出,装卸、搬运等工序机械化的迫切性,工业机械手就是为 实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,适用于 可变换生产品种的中、小批量自动化生产,广泛应用于柔性自动线。 国内外机械工业机搬运械手主要应用于以下几方面: 热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动,很久以来就要求实现自动化。为了提高工 作效率,和确保工人的人身安全,尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业 就更需要采用机械手操作。 南昌航空大学学士学位论文 冷加工方面的应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工 时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用,成为设备的一 个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用,成为机床、设备上下工序联接的重 拆修装方面拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一,促进了机械手的发展。目 前国内铁路工厂、机务段等部门,已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸 轴箱、组装轮对、清除石棉等,减轻了劳动强度,提高了拆修装的效率。近年还研制了 一种客车车内喷漆通用机械手,可用以对客车内部进行连续喷漆,以改善劳动条件, 提高喷漆的质量和效率。 近些年,随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用, 业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。搬运机器人的应用意义 在机械工业中,搬运机器人的应用意义可以概括如下: 可以提高生产过程的自动化程度应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等 的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械化 和自动化的步伐。 可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作是 有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业,大大 地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手代替人 手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 可以减少人力,便于有节奏地生产应用机械人代替人手进行工作,这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机 械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面。因此,在自动化机床和综合加工 南昌航空大学学士学位论文 自动生产线上,目前几乎都设有机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。 综上所述,有效地应用机器人是发展机械工业的必然趋势。 机械手的发展概况与发展趋势 专用机械手经过几十年的发展,如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用 机械手的应用和发展,进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容, 不仅 包括一般的机械、液压、气动等基础知识,而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技 术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等,因此它是一项综合性较强的新技术。 目前国内外对发展这一新技术都很重视,几十年来,这项技术的研究和发展一直比较活跃, 设计在不断地修改,品种在不断地增加,应用领域也在不断地扩大。 机器手发展概况 早在 40 年代,随着原子能工业的发展,已出现了模拟关节式的第一代机械手。 50~60 年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。 这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。 60~70 年代,又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上, 亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。 80-90 年代,装配机械手处于鼎盛时期,尤其是日本。 90 年代机械手在特殊用途上有较大的发展,除了在工业上广泛应用外,农、林、矿 业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。 90 年代以后,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展,机械手技 术也得到飞速的多元化发展。 总之,目前机械手的主要经历分为三代: 第一代机械手主要是靠人工进行控制,控制方式为开环式,没有识别能力;改进 的方向主要是将低成本和提高精度;第二代机械手设有电子计算机控制系统,具有视 觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把接收到的信息反馈,使机 械手具有感觉机能;第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和 电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性系统 FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步,针对于上述各个领域的机器人系 统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大 的柔性和更强大的编程环境,适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计 南昌航空大学学士学位论文 算机集成制造(CIM)要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平,要求机器人系统具有开放结构和集成 各种外部传感器的能力。 机械手的发展趋势 目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面,数量、品种、 性能方面都不能满足工业生产发展的需要。 因此,国内主要是逐步扩大机械手应用范围,重点发展铸锻、热处理方面的机械手, 以减轻劳动强度,改善作业条件。在应用专用机械手的同时,相应地发展通用机械手, 有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。 将机械手各运动构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,以及适于不同类 型的夹紧机构,设计成典型的通用机构,以便根据不同的作业要求,选用不用的典型部件, 即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造,又便于改换工作,扩大了应用的范围。 同时要提高精度,减少冲击,定位精确,以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究 伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能地机械手,并考虑于计算机联用,逐 步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 在国外机械制造业中,工业机械手应用较多,发展较快。目前主要用于机床、模 锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业中,它可按照事先制定的作业程序完成规定 的操作,但是还不具备任何传感反馈能力,不能应付外界的变化。如发生某些偏离时, 就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此,国外机械手的发展趋势是大力研制具有 某些智能的机械手,使其拥有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,做出相应的 变更。如位置发生稍些偏差时,即能更正,并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉 功能。 视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪(即距离传感器)以及卫 星计算机。工作时,电视照相机将物体形象变成视频信号,然后传送给计算机,以便分 析物体的种类、大小、颜色和方位,并发出指令控制机械手进行工作。 触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找 工件,通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用,然后伸向前方,抓住工件。 手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制,达到自动调整握力的 大小。总之,随着传感技术的发展,机械手的装配作业的能力将进一步提高。到 1995 年,全世界约有 50%的汽车由机械手装配。 现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结 南昌航空大学学士学位论文 10 合,从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 本论文的主要工作 本文研究了国内外机械手发展的现状,通过学习机械手的工作原理,熟悉了搬运 机器人的运动机理。在此基础上,确定了四自由度搬运机器人的基本系统结构,对搬 运机器人的结构进行了简单的强度计算,完成了搬运机器人机械方面的设计(包括传 动部分、执行部分、驱动部分)和简单的三维实体造型工作。 本课题将要完成的主要工作如下: 设计出机械人的各执行机构,包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用性更强,手部设计成可更换结构; 零部件结构强度计算与校核;6)绘制机器人的各零部件图,并完成搬运机器人装配图,最后运用三维软件画出 实体图; 7)控制方案的设计。 搬运机器人总体设计方案对气动机械手的基本要求是能快速、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。 本次设计的机械手是气动上下料机械手,是一种适合于成批或中、小批生产的、 可以改变动作程序的自动搬运或操作设备,它可用于操作环境恶劣,劳动强度大和操 作单调频繁的生产场合。 自由度和坐标系的选择 机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独 南昌航空大学学士学位论文 11 立运动数,对于一个构件来说,它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自 由度的总和为机器人的自由度数。机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较困 难的,因为人的手指、掌、腕、臂由 19 个关节组成,共有 27 个自由度。而生产实 践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为 3-6 个(不包括手部)。本次设计的 搬运机器人为 自由度即:手爪张合;臂部伸缩;臂部升降;臂部回转。工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节 型结构四种。各结构形式及其相应的特点,分别介绍如下: 直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线(a) 所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制,所以,直角坐标机器人有可能达到很 高的位置精度(μ 级)。但是,这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲,是比较小的。因此,为了实现一定的运动空间,直角坐标机器人的结构尺寸要 比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业 及搬运作业,直角坐标机器人有悬臂式、龙门式、天车式三种结构。 2)圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线(b)。这种机器人构造比较简单,精度还可以,常用于搬运作业。其工作空间是 一个圆柱状的空间。 3)球坐标机器人结构 球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线 (c)。这种机器人结构简单、成本较低,但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作 空间是一个类球形的空间。 关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的,如图 2-1(d)。关节型机器 人动作灵活,结构紧凑,占地面积小。相对机器人本体尺寸,其工作空间比较大。此种 机器人在工业中应用十分广泛,如焊接、喷漆、搬运、装配等作业,都广泛采用这种 类型的机器人。 关节型机器人结构,有水平关节型和垂直关节型两种。 根据要求及在实际生产中的用途,本次设计的搬运机器人采用圆柱坐标。 南昌航空大学学士学位论文 12 2-1四种机器人坐标形式 搬运机器人的组成 搬运机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 执行机构 手部手部既直接与工件接触的部分,一般是回转型或平动型(多为回转型,因其结构 简单)。手部多为两指(也有多指);根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可以用负 压式或真空式的空气吸盘(主要用于可吸附的,光滑表面的零件或薄板零件)和电磁 吸盘。 传力机构形式较多,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿 条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择气动手爪手部结构。 本次设计的搬运机器人手部执行部件如图 2-2。 (a)直角坐标型(b)圆柱坐标型(c)球坐标型(d)关节型 南昌航空大学学士学位论文 13 2-2搬运机器人手部执行部件示意图 如图 2-2 的机构简图,手部执行依靠气缸的伸缩运动来实现其张合运动,结构紧凑, 产生的驱动力也必将大。 腕部腕部是连接手部和臂部的部件,并可用来调节被抓物体的方位,以扩大机械手的动 作范围,并使机械手变的更灵巧,适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下 摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求, 有些动 作较为简单的专用机械手,为了简化结构,可以不设腕部,而直接用臂部运动驱动手部 搬运工件。 臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或夹 具),并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态(方 位),则用腕部的自由度加以实现。因此,一般来说臂部具有三个自由度才能满足基 本要求,即手臂的伸缩、左右旋转、升降(或俯仰)运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或者气缸)和各种传动机构来实现, 从臂部的受力情况分析,它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷,而且自身运 动较为多,受力复杂。因此,它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精 南昌航空大学学士学位论文 14 度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩、以及臂部 的回转运动。手臂的运动参数:伸缩行程:100mm;伸缩速度:200mm/s;升降行程: 200mm;升降速度:250mm/s;回转范围: 180。机器人手臂的伸缩使其手臂的工 作长度发生变化,在圆柱坐标式结构中,手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的圆 柱表面直径。伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。 机座机座是机身机器人的基础部分,起支撑作用。对固定式机器人,直接联接在地面 上,对可移动式机器人,则安装在移动结构上。机身由臂部运动(升降、平移、回转 和俯仰)机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且,臂部的升降、回转或俯仰 等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多,机身的结构和受力越 复杂。本次毕业设计的搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构;臂部和机身的配置 型式采用立柱式单臂配置,其驱动源来自步进电机。 驱动机构 驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同,工业机械手的驱动 机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。 液压驱动压力高,可获得大的输出力,反应灵敏,可实现连续轨迹控制,维修方 便,但是,液压元件成本高,油路比较复杂。气动驱动压力低,输出力较小如需要输出 力大时,其结构尺寸过大,阻尼效果差低速不易控制,但结构简单,能源方便,成本低。 电动机驱动有:异步电动机、步进电动机为动力源,电动机使用简单,且随着材料性能 的提高,电动机性能也逐渐提高。本次设计的搬运机器人的驱动机构采用气动和步进电 机相结合驱动的方式。 控制机构 考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器(PLC) 对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时,只需改变 PLC 程序即可实现,非常 方便快捷。 搬运机器人的技术参数 自由度数:4个自由度(手爪张合;臂部伸缩;臂部回转;臂 部升降 个运动);南昌航空大学学士学位论文 15 手臂运动参数:伸缩行程:100mm; 伸缩速度:200mm/s 升降行程:200mm 升降速度:250mm/s 回转范围:0~180 回转速度:45/s 搬运机器人结构简图 结构简图如下图 2-3 2-3四自由度搬运机器人结构简图 1-步进电机 2-标准气缸 3-标准气缸 4-平行气爪 零部件的结构设计南昌航空大学学士学位论文 16 夹持式手部结构 机器人的手部是机器人最重要的部件之一,从其功能和形态上看,分为工业机器 人的手部和类人机器人的手部。目前前者应用较多,也较成熟,后者正在发展中。 工业机器人的手部夹持器(亦称抓取机构)是用来握持工件或工具的部件,由于 被握持工件的形状、尺寸、重量、材料及表面状态的不同。其手部结构也是多种多样的, 大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的,按握持原理的不同, 常用的 手部夹持器分为如下两类: 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种,其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指 夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动 作,手指可分为一支点回转型,二支点回转型和移动型(或称直进型),其中以二支 点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小 时,就变成了一支点回转型手指;同理,当二支点回转型手指的手指长度变成无穷 长时,就成为移动型。 设计时考虑的几个问题 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。 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。 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。 具有足够的强度和刚度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。 南昌航空大学学士学位论文 17 考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要,通过比较,我们采用的机械手的手部结构是平行气动手爪。 搬运工件是小于一千克的物体,所以我们选择MHZ2-40C 型气动手爪。夹紧装置依靠 气缸的伸缩实现手爪的张开和闭合,这种型号的气爪夹持力范围在 300-800N,足够夹紧 千克的工件。平行气动手爪其结构如图3-1 所示。 3-1平行气动手爪结构图 臂部的设计及有关计算 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工件或工 具),并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括 个运动:伸缩、回转和升降。本节叙述手臂的伸缩运动,手臂的回转和升降运动设置在机身处,将在下一节详述。 臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态(方 位),则用腕部的自由度加以实现。因此,一般来说臂部应该具备 个自由度才能满足基本要求,既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构 南昌航空大学学士学位论文 18 和各种传动机构来实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中即直接承受腕部、手部、和 工件的静、动载荷,而且自身运动较多。因此,它的结构、工作范围、灵活性等直接影 响到机械手的工作性能。 臂部设计的基本要求 臂部设计首先要实现所要求的运动,为此,需要满足下列各项基本要求: 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻对于机械手臂部或机身的承载能力,通常取决于其刚度。以臂部为例,一般结构 上较多采用悬臂梁形式(水平或垂直悬伸)。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大,则刚度愈 差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力 影响很大。为提高刚度,除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外,尚应注意以下几方面: 臂部运动速度要高,惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一,它反映机械手的生产水平。对 于高速度运动的机械手,其最大移动速度设计在 250mm/s 最大回转角速度设计在 90 内,大部分平均移动速度为200mm/s,平均回转角速度在45 。在速度和回转角速度一定的情况下,减小自身重量是减小惯性的最有效,最直接的办法,因此, 机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有 减少回转半径ρ,再安排机械手动作顺序时,先缩后回转(或先回转后伸缩), 尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作; 手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力,尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式 的机械手,其传动件、导向件和定位件布置合理,使手臂运动尽可能平衡,以减少对升 降支撑轴线的偏心力矩,特别要防止发生机构卡死(自锁现象)。为此,必须计算使 之满足不自锁的条件。 南昌航空大学学士学位论文 19 位置精度要求高一般来说,直角和圆柱坐标式机械手位置精度要求较高;关节式机械手的位置精度 最难控制,故精度差;在手臂上加设定位装置和检测结构,能较好地控制位置精度, 检测 装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件间的间隙。 设计合理合理设计与腕和机身的连接部位,臂部安装形式和位置不仅关系到机器人的强 度、刚度和承载能力,而且还直接影响到机器人的外观。 总结:除此之外,要求机械手的通用性要好,能适合多种作业的要求;工艺性好, 于加工和安装;用于热加工的机械手,还要考虑隔热、冷却;用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。 以上要求是相互制约的,应该综合考虑这些问题,只有这样,才能设计出完美的、性 能良好的机械手。

  我们相信在不久的将来,一个由政府支持,研究所、企业和广大用户积极参与,以国际大市场需求为龙头,以高新技术为先导;以保护消防指战员生命,提高消防部队的作战能力,减少火灾损失为目标的消防机器人产业一定会在我国蓬勃兴起。

  在人形机器人教育领域,乐聚的优势便在于他们所生产的机器人是国内唯一可以快走,行走速度达到15cm/s,同时动作足够灵活。“比如教孩子如何通过编程让机器人越过障碍物,国内很多人性机器人行走速度很慢,大量时间会浪费在等待机器人行走上面,而我们的机器人可以实现快走,可以让学生们将更多精力集中在学习编程逻辑上面。”常琳说道。

  

  中国是世界最大且增速最快的自动化市场。据国际机器人协会(International Federation of Robotics)的数据显示,中国的机器人销售约占全球需求的1/3,去年的增速达27%,远高于欧洲的12%和美洲的8%。

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