搬运机械手的设计(4)

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4机械手腕部的设计计算

4.1 概述

腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端执行器的姿态。故腕部也称作机器人的姿态机构。典型的腕部结构有：(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270）。(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于270的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4) 机-液结合的腕部结构。本设计要求手腕回转180，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。

0004.2腕部设计的基本要求：

（1） 力求结构紧凑、重量轻

腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。

（2）结构考虑，合理布局

腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。

（3） 必须考虑工作条件

对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。

4.3 腕部的驱动力矩计算

（1）腕部的驱动力矩需要的力矩

M惯。

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（2）腕部回转支撑处的摩擦力矩M摩。

0夹取棒料直径100mm，长度1000mm，重量60Kg，当手部回转180时，计算 力矩： （1） 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm，直径120mm，其重力估算G=3.14

G???0.06?0.22?7800Kgm?9.8NKg?190N23

（2）擦力矩M摩?0.1m。

（3）启动过程所转过的角度?启?180=0.314rad，等速转动角速度??2.616s?2。

M惯??J?J工件??2 查取转动惯量公式有：

J?12MR22?启 （4.1）

?1190N29.8NKg?0.06N?m?s?0.0342N?m?s222

J工件?1G12g?l2?3R2??160?9.8129.8?12?3?0.052??5.0125N?m?s

2代入： M惯??0.0342?5.0125?2.61622?0.314?55N?m

M?M惯?M摩?M惯?0.1M

M?550.9?61.11N?m

4.3.1 腕部驱动力的计算

表4-1 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm） 32 40 50 55 63 65 80 130 85 140 90 160 95 180 100 200 105 250 20 70 110

25 75 125 17

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设定腕部的部分尺寸：根据表4-1设缸体内空半径R=110mm，外径根据表3-2选择121mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为226mm；动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm.基本尺寸示如图4.1所示。则回转缸工作压力

P?2Mb?R?r22??2?61.110.066??0.055?0.022522??7.35Mpa，选择8Mpa

动片静片

图4.1 腕部液压缸剖截面结构示意 表4.2 标准液压缸外径（JB1068-67） （mm）

液压缸内径 2040 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 钢50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 P?160Mpa 45钢50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 P?200Mpa

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5 臂部的结构

5.1 概述

臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的臂部有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。臂部的回转和升降运动是通过立柱来实现的。立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。

5.2设计时要注意的要求：

设计臂部时要注意下述要求：

（1） 刚度要大 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。

（2） 导向性要好 为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。

（3） 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。

（4） 运动要平稳、定位精度要高 由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。

5.3 手臂直线运动的驱动力计算

先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。

做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。

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F?F摩?F密?F回?F惯 (5.1)

5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算

分析：

摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。

图 5.1 机械手臂部受力示意

计算如下：

由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。

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