电动式关节型机器人机械手的结构设计与仿真

　本文简要介绍了电动式关节型机器人机械手的概念，机械手硬件和软件的组成，机械手各个部件的整体尺寸设计，气动技术的特点。本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，大大提高了绘图效率和图纸质量，画出了机械手的装配图图。
关键词： 工业机器人 机械手 电动 电动式关节型机器人机械手
课题基本参数的确定
1、手部负重：10kg（抓取物体的形状为圆柱体.圆柱半径.高度自定.密度7.8g/cm3.）
2、自由度数：4个，沿Z轴的上下移动，绕Z轴转动，沿X 轴的伸缩，绕X轴的转动
3、 坐标型式：圆柱坐标，其圆柱坐标型式的运动简图如图所示（见图1）
4、 大工作半径：1800mm，小工作半径1350mm
5、 手臂高中心位置：1012mm
或伺服电机上端高行程：1387mm（见图2）
小行程：1237mm
ω φ
X
Z



图1.2
6、 手臂运动参数：
伸缩行程（X）：450
伸缩速度：〈250mm/s
升降行程（Z）：150mm
升降速度：〈60mm/s
回转范围（φ）：0~180度
回转速度：〈70/s
7、 手腕运动参数：
回转范围（ω）：0~180
回转速度：90/s
8、 手臂握力：由N=0.5/f*G定
这里取f=0.1 G=10kg
N=0.5/f*G=50kg
即手指握力为50kg
9、 定位方式：闭环伺服定位
10、 重复定位精度：±0.05mm
11、 驱动方式：电气（伺服电机）
12、 控制方式：采用MGS-51单片微机
第2章 结构的设计
2.1手部机构
手部机构是机器人机械手直接与工件、工具等接触的部件，它能执行人手的部分功能。目前，根据被抓取工件、工件等的形状、尺寸、重量、易碎性、表面粗糙度的不同，在工业生产中使用着多种形式的手部机构，常见的是钳爪式、磁吸式和气吸式，也有少数的特殊形式。不同形式的手部机构其夹紧力的计算各有不同。
钳爪式手部机构是常见的形式之一。手爪有两个、三个或多个，其中两个的多。抓取工件的方式有两种：外卡式和内撑式。从其机械机构特征、外观与功用来看，有多种形式，它们分别是：
（1） 拨杆杠杆式钳爪
（2） 平行连杆式钳爪
（3） 齿轮齿条移动式钳爪
（4） 重力式钳爪
（5） 自锁式钳爪
（6） 自动定心钳爪
（7） 抓取不同直径工件的钳爪
（8） 具有压力接触销的钳爪
（9） 抓勾与定位销十钳爪
（10） 复杂形状工件用的自动调整式钳爪
（11） 同时抓取一对工件的钳爪与内撑式三指钳爪
（12） 特殊式手指钳爪
同时对钳爪的选用也非常重要，应考虑以下几个方面：
1 应具有足够的夹紧力，这样才能防止工件在移动过程中脱落，一般夹紧力为工件重量的2到3倍。
2 应具有足够的张开角，来适应它抓取和松开工件之间较大的直径范围，而且夹持工件中心位置变化要小（即定位误差小）。
3 应具有足够的强度和刚度，以免承受在运动过程中产生的惯性力和震动的影响。
4 应能工件的可靠定位
5 应适应被抓取对象的要求
6 尽可能具有一定的通用性
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。
2.1.1手指的形状和分类
夹持式是常见的一种，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。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。
2.1.2设计时考虑的几个问题
(一)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，以工件不致产生松动或脱落。
(二)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。手指的开闭角应工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。
(三)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，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。
(四)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，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小为佳。
(五)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，其结构如附图所示。
臂部.dwg
传动原理图.dwg
工作空间图.dwg
机构简图.dwg
机身.dwg
零件图－齿轮轴.dwg
零件图－轴.dwg
装配图.dwg
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任务书.doc