工廠重物搬運機器人的設計【含CAD圖紙和說明書】

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Robot technique is make use of calculator of memory function, plait the distance function come to control operation machine auto completion industry produce medium a certain appointed technique of mission, is all countries nowadays competitively development of high and new technology one of the technique contentses. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the of welding, spraying, transporting and stowing etc , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. This text is to design one robot own four freedom degree, It’s used to give blunt press an equipments carrying material .It's robot's turn to constitute by the hand, arm, waistline and base etc. and have top and bottom anticipate, inside out with turn etc. variety function, and structure simple, operation convenience. Drive a way to drive for the electrical engineering, adoption step enter electrical engineering. KEY WORDS: robot; work way; structure design; the step enter electrical engineering II 工廠重物搬運機器人的設計 目錄 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 緒論 1 1.1 研究的背景與意義[1] 1 1.2 機器人的研究現(xiàn)狀[4] 2 1.3機器人的發(fā)展趨勢 4 1.4本文的主要研究內(nèi)容 5 第二章 機器人總體方案設計 7 2.1 自行走式物料搬運機器人的功能 7 2.2 傳感器系統(tǒng)[13] 7 2.3 移動載體 7 2.4 自由度與機器人的運作 8 2.5 控制方式的選擇 9 2.6 小結(jié) 10 第三章 機器人的手部設計 11 3.1 手部的結(jié)構(gòu)設計 11 3.1.1 概述 11 3.1.2 設計時應考慮的幾個問題 11 3.1.3 手部夾緊力的計算 12 3.1.4 彈簧的計算 13 3.15 手部主軸的校核計算 14 3.2 驅(qū)動方式 17 3.2.1 手部電機選擇原則 19 1 一般執(zhí)行電機的選擇原則 19 3.2.2 手部電機的選擇 21 3.2.3 電機轉(zhuǎn)速與夾緊力速度幾何關系的確定 22 第四章 手臂的設計 23 4.1 手臂結(jié)構(gòu)設計 23 4.2 手部質(zhì)量計算 23 4.3 手臂計算及電機選擇 24 4.4 小結(jié) 25 5.1 腰身的設計 26 5.1.4 腰身以上部分的重量計算 26 5.1.5 腰身計算及電機選擇 26 5.2底座的設計 27 5.2.1 底座機構(gòu)設計 27 5.2.2 底座以上部分的重量計算 28 5.2.3 底座電機選擇 28 5.3 齒輪的校核計算 28 5.3.1 選擇齒輪材料、熱處理方法、精度及齒數(shù) 28 5.3.2 驗算齒面接觸疲勞強度 29 5.3.3 校核齒根彎曲疲勞強度 31 5.3 小結(jié) 32 第六章 結(jié)論與展望 33 6.1 結(jié)論 33 參考文獻 34 致 謝 35  第一章 緒論 1.1 研究的背景與意義[1] 機器人是一種新型的自動化操作裝置。它可以根據(jù)作業(yè)的不同要求，按照預先確定的程序搬運物體，裝卸零件以及操持噴槍，焊把等工具去完成一定的作業(yè)。因此，它可在繁重、高溫，多粉塵的勞動環(huán)境較差的場所工作。 在化學工業(yè)等連續(xù)性生產(chǎn)過程中的自動化已基本得到解決?？墒窃跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)并不是連續(xù)的。專用機床是解決大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除了切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，需要進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這些加工作業(yè)的機械化與自動化奠定了良好的基礎。 工業(yè)機器人是近代在自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并且已經(jīng)成為了現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個非常重要的組成部分。 機器人的迅速發(fā)展是基于它的積極作用正慢慢的被人們所認識：第一、它能部分代 人工操作；第二、它能按照生產(chǎn)工藝的技術要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的輸送和裝卸；第三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配作業(yè)。從而能大大的改善工人的勞動條件，顯著提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的機械化和自動化。因而機器人受到各個先進的工業(yè)國家的重視，他們投入大量的人力和物力加以研究與應用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性及污染的場合，應用的更廣泛。在我國，近幾年也有較快的發(fā)展，并取得了一定的效果，受到機械工業(yè)部門的重視。 機器人一般分為三類。第一類是通用機器人，它不需要人工操作，也就是本文所研究的對象。它是一種完全獨立的、不附屬于某一個主機的裝置，可以根據(jù)任務需要來編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它除了具備普通機械所具有的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能，是一種三元機械。第二類稱為操作機（Manipulator），它需要人工的操作，操作機起源于原子、軍事工業(yè)，一開始都是是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號來操作機器人，可以進行探測月球等工作。工業(yè)中采用的鍛造類操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，它主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床的上下料和工件的傳送。這種機器人在國外通常被稱為“Mechanical Hand”，它是為主機進行服務的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，它的工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機器人按照其結(jié)構(gòu)的不同又可以分為多種類型，其中關節(jié)型機器人以其結(jié)構(gòu)非常緊湊，所占用的空間體積小，但其相對的工作空間卻是最大的，甚至能繞過基座四周的一些障礙物等特點，成為機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構(gòu)形式的機器人。 簡單的說，機器人就是用機器手代替人手，把物料從某一個地方移動到指定的位置，或按照工作要求可以操縱工件進行加工。 1.2 機器人的研究現(xiàn)狀[4] 機器人最早是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出了第一臺機器人。它的結(jié)構(gòu)是：在機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有使用電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 日本是工業(yè)機器人發(fā)展速度最快、應用范圍最廣的國家。自從1969年從美國引進二種典型機器人后，日本就一直大力從事機器人方面的研究。 目前的工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要是依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，還不具備識別能力；改進的方面主要是降低加工與維護成本和提高加工工件的精度。 第二代機器人目前正在加緊研制。它擁有微型電子計算機控制系統(tǒng)，有視覺和觸覺能力，甚至聽跟想的能力。還要研究安裝各種傳感器，能把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有初步感覺的機能。 第三代機器人則能獨立地完成各種加工過程中的任務。它能與電子計算機跟電視設備保持聯(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FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。 現(xiàn)在，在加工工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為了突出主題。化學工業(yè)等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是實現(xiàn)大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。 目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的工作環(huán)境。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應用較多，發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（CIM）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數(shù)情況下技術上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng)。 美國工業(yè)機器人技術的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段： (1)1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年，萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為1900型。 (2)1968-1970年為實際應用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件。 (3)1970年至今一直處于推廣應用和技術發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機器人處于技術發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據(jù)當時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學院研制了具有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。 其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開始以美國的“Versatran”和“Unimate”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機公司 引進美國的“Versatran”,川崎重工公司引進“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機器人，技術水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時代。 我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。 1.3機器人的發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術的提高，機器人設計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢： (1)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機器人； (2)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合； (3)研制各種傳感器跟檢測元件，如觸覺、視覺、聽覺、味覺和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。 1.4本文的主要研究內(nèi)容 40 工廠重物搬運機器人的設計 本文研究了國內(nèi)外物料機械人發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學習物料機械人的工作原理，熟悉了物料搬運機械人的運動機理。在此基礎上，確定了物料搬運機械人的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對物料搬運機械人的運動進行了簡單的力學模型分析，完成了機械手機械方面的設計（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）和該機器人的系統(tǒng)控制。 要機器人可以像人一樣拿取東西，最基本的條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節(jié)等部分組成的抓取和轉(zhuǎn)移機構(gòu)——執(zhí)行機構(gòu)；能像肌肉那樣使手臂動作的驅(qū)動－傳動系統(tǒng)；能像大腦指揮手那樣進行動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動－傳動系統(tǒng)和控制統(tǒng)這三部分組成，如圖 1.1 所示。 機器人 控制系統(tǒng) 驅(qū)動-傳動系統(tǒng) 執(zhí)行機構(gòu) 關節(jié)協(xié)調(diào)及其他信息交換計算機 單關節(jié)伺服控制器 電、液或氣驅(qū)動裝置 基座部（固定或移動） 腕部 臂部 手部 腰部 圖1.1 機器人的一般組成[2] 現(xiàn)代智能機器人與過去相比，還具有一定的智能系統(tǒng)，主要是增加了感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前機器人技術的研究主要集中在賦予機器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，還有機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是相互獨立的，或者說并不只是簡簡單單的疊加在一起，就能構(gòu)成一個機器人的。要實現(xiàn)我們所期望機器人能實現(xiàn)的功能，機器人的各部分之間必需存在著相互關聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關系如圖1.2 所示。 ··控制系統(tǒng)（一） 控制系統(tǒng)（二） 驅(qū)動傳動裝置 執(zhí)行機構(gòu) 工作對象 智能系統(tǒng) 位形檢測 圖1.2 機器人各組成部分之間的關系[3] 機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)跟驅(qū)動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是機器人賴以完成各種工作任務的實體，它通常由連桿和關節(jié)組成，由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)提供動力，能按照控制系統(tǒng)的要求完成各種工作任務。驅(qū)動－傳動系統(tǒng)包括了驅(qū)動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機構(gòu)負責提供機器人各關節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)可將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機器人各關節(jié)的力矩跟運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有一些文獻把機器人分為機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構(gòu)部分。 第二章 機器人總體方案設計 2.1 自行走式物料搬運機器人的功能 物料搬運機器人應具備以下功能: (1)移動:通過機器人的移動實現(xiàn)物料的遠距離搬運； (2)導航跟定位;能夠自主的按照預先設置的路線運行，并獲得位置資料； (3)運輸:能搬運物料從A位置到B位置； (4)規(guī)劃路徑:在離線的狀態(tài)下，操作者要為機器人在結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中尋找無碰撞路徑； (5)避障(擴展功能):機器人應該具有一定的感受、適應外界環(huán)境變化的能力，尤其是要能檢測出明顯的障礙物，自動調(diào)用避障策略； (6)無線通訊:有數(shù)據(jù)傳輸功能，有效距離1000米。 2.2 傳感器系統(tǒng)[13] 傳感器系統(tǒng)屬于機器人控制系統(tǒng)，是整個機器人的感覺器官，負責探測工作環(huán)境以及檢測機器人自身的運動。傳感器系統(tǒng)有能檢測機器人運動的傳感器和實現(xiàn)機器人可擴展功能所需的傳感器。下面主要介紹能實現(xiàn)各種基本作業(yè)的傳感器： (1)行進距離檢測:編碼器，采用積分增量思想，具有較好的短期精度； (2)偏轉(zhuǎn)角度檢測:陀螺，測量旋轉(zhuǎn)角速度，無需外部參考，適于短時間的精確定位； (3)起點、終點擺放臺檢測:微動開關，反饋是否接觸擺放臺側(cè)壁信息；： (4)物料抓取檢測:微動開關，檢測物料是否被有效抓起； (5)(可擴展功能)突出的障礙物檢測:采用超聲波傳感器行進路徑上有無障礙物； (6)(可擴展功能)運行環(huán)境白色引導線檢測:采用顏色傳感器識別白線信息，利用白線導航。 2.3 移動載體 移動載體能執(zhí)行輪式物料搬運機器人的移動功能。常見的移動載體有輪式、履帶式和足式行走機構(gòu)，此外還有各種輪、履跟腿的混合式結(jié)構(gòu)。 (1)輪式 輪式移動載體一直是平坦地面上運動的最有效的工具。它具有能高速穩(wěn)定移動、能量利用效率高、機構(gòu)和控制簡單等優(yōu)點，缺點是移動場所限制在平面上，且一般情況下需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑，因而造成靈活性下降。輪式移動載體依據(jù)車輪的數(shù)量可分為 1輪、2輪、3輪、4輪及多輪機構(gòu)。單輪和雙輪主要是進行直立穩(wěn)定移動控制問題的基礎研究，而不著眼于移動機器人的實用化問題。從高速移動時加強穩(wěn)定性的觀點出發(fā)，多數(shù)采用的是四輪機構(gòu)。五輪以上的機構(gòu)有較大的穩(wěn)定性，適合子臺階、階梯或三維彎曲路面等非平地狀態(tài)的移動。全方位車輪機構(gòu)是目前常用的輪式機構(gòu)，具備全方位移動功能，操作靈活，特,,按照所用輪子的類型和驅(qū)動方式，輪式移動載體可分為五大類，即(3,0), (2, 0), (2, 1), (1, 1)和(1, 2)，其中前面的數(shù)字表示移動度(degree of mobility)，后面的數(shù)字表示轉(zhuǎn)向度(degree of steering)。輪式機器人在地面上滾動時，會受到非完整約束，這是由輪子的運動本質(zhì)決定的，即輪子在地面上做無滑動的純滾動。盡管非完整系統(tǒng)類別與輪式平臺的類型有關，但所有輪式平臺都是非完整的。[5] (2)履帶式 為了改善車輪對松軟地面和不平坦地面的適應能力，履帶式移動機構(gòu)被廣泛采用。履帶式移動機構(gòu)有以下特點:支承面積大，接地比壓小，適于松軟和泥濘地面作業(yè)。機動性好，爬坡、越溝等性能好。履帶不易打滑，牽引附著能力好。履帶運動方式在不平地面上的機動性很差，轉(zhuǎn)彎不便，轉(zhuǎn)向時能耗較大。 (3)足式 足式行走機器人即所謂的步行機器人。步行機器人不僅能在平地上而且能在凹凸不平的地面上行走、跨越障礙、上下臺階，具有獨特的優(yōu)越性能。但是，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實現(xiàn)上述功能的機器人很少。四足機器人普遍存在控制復雜和步行速度低、步幅小等缺點，實用化的成果則更少。 顯然，本課題所研究的機器人主要在平面的環(huán)境中運行，選用輪式移動載體最為合理，即采用兩輪獨立驅(qū)動的方式，通過控制兩個驅(qū)動輪的速度，使車體跟蹤不同的軌跡曲線。這種結(jié)構(gòu)方式的優(yōu)點是轉(zhuǎn)向靈活，當兩輪速度值相同，方向不同時，車體可以原地回轉(zhuǎn)。 2.4 自由度與機器人的運作 物料搬運機器人的整體機構(gòu)如圖2.1所示，現(xiàn)在讓我們分析一下它的運動過程：它有四個自由度，底座的旋轉(zhuǎn)以及底座上部上下伸縮，手臂的前后伸縮和手部的夾緊與放松。最底部的輪子是用來使機器人能夠在有效的工作范圍內(nèi)進行移動，以便能夠得到 更大的工作空間，更有利于物料的搬運。它的移動主要是前后移動，使機器人能將物料搬運到更遠的位置。A表示的是底座，主要是控制機器人上半部的旋轉(zhuǎn)，包括機械手，手臂，它是通過底座里的電機一旋轉(zhuǎn)，帶到1齒輪軸套，它與2主軸齒輪嚙合，進而使主軸旋轉(zhuǎn)，在底座上方C里，通過齒輪傳動3帶動C腰部旋轉(zhuǎn)，C與B手臂已經(jīng)連接固定，使其帶動C，手臂D，手部E同步旋轉(zhuǎn)。C中通過電機二聯(lián)接一個小齒輪4，與其內(nèi)部的長軸嚙合，當電機二運行時，通過4使長軸進行上下運動。手臂D中有電機三，當電機三運轉(zhuǎn)時，使其內(nèi)部的軸旋轉(zhuǎn)，然后通過絲杠傳動原理，讓軸進行左右伸縮，軸與手部連接，所以就使手部到達的左右伸縮的目的。手部里有電機四，它也是通過絲杠原理讓手部進行夾緊與放松的動作。 圖2.1 物料搬運機器人結(jié)構(gòu)圖 2.5 控制方式的選擇 本次設計物料搬運機器人主要是進行工業(yè)生產(chǎn)中物料的搬運，是將工業(yè)生產(chǎn)的物料搬運實現(xiàn)自動化?？紤]到本次設計的物料搬運機器人搬運的物料是在8KG以下，而且物料不是很復雜，精度不是很高，所以設計的物料搬運機器人采用四個自由度，分別是手臂隨著腰部的旋轉(zhuǎn)和上下伸縮進行運動，手臂的左右伸縮和手部的夾緊與放松。此四個自由度可以保證在工業(yè)生產(chǎn)中能夠?qū)⑽锪习徇\到空間的各個位置上。物料搬運機器人的四個自由度可以將夾取的物料搬運到四周的位置上，但為了讓它的工作范圍擴大，能夠減少機器人的投入量，所以我們將它固定在帶有輪子的機身上，從而實現(xiàn)其目的。物料搬運機器人的工作過程如下：當物料要求從物架上搬運時，機器人通過手臂的伸縮和腰部的旋轉(zhuǎn)調(diào)整好位置，手部夾住物料。然后傳感器發(fā)出信號，通過機器人的底座旋轉(zhuǎn)，腰部伸縮，手臂伸縮將物料搬運到指定的位置，手部松開，將物料放在指定的位置，再回到下一個物料的位置，這就完成了一個周期。 2.6 小結(jié) 本章主要在分析物料搬運機械人的性能要求和工作特點的基礎上，對機器人的機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和傳動方式以及控制系統(tǒng)等問題進行了整體的分析和方案的設計，確定了采用輪式移動載體。 工廠重物搬運機器人的設計 第三章 機器人的手部設計 3.1 手部的結(jié)構(gòu)設計 3.1.1 概述 工業(yè)機器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它是機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類： (1)夾鉗式取料手 (2)吸附式取料手 (3)專用操作器及轉(zhuǎn)換器 (4)仿生多指靈巧手 本文設計對象為物料搬運機器人，并不需要復雜的多指人工指，只需要設計能從不同角度抓取工件的鉗形指。 手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。該設計采用兩個手指，其外形如圖3.1所示 圖3.1 機械手手指形狀 3.1.2 設計時應考慮的幾個問題 1 應具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 2 手指間應有一定的開閉角 兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。 3 應保證工件的準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動定心。 4 應具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。 5 應考慮被抓取對象的要求 應根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設計和確定手指的形狀。 3.1.3 手部夾緊力的計算 擬定物料搬運機器人手部最大抓取重量為8kg，其夾角為31度。根據(jù)工作位置和工作環(huán)境的需要，最終采用的手部結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。 圖3.2 手部結(jié)構(gòu)簡圖 a----手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（毫米）。 b----手指的回轉(zhuǎn)支點到抓物點之間的距離（毫米） ----工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角 手部機架采用鑄鋼鑄造，其摩擦系數(shù)，重力加速度取。夾緊時由力學關系可以得到公式：，從而得到夾緊力 (3.1) 所需的驅(qū)動力： (3.2) 代入數(shù)據(jù)，得： ` 夾緊機構(gòu)采用絲杠傳動原理傳送夾緊力，擬定絲杠的大徑，螺距設為，牙型角為的梯形普通螺紋。 3.1.4 彈簧的計算 現(xiàn)在通過計算來確定彈簧的旋繞比、最大工作負荷、工作極限負荷、最小工作負荷、彈簧要求剛度、總?cè)?shù)、有效圈數(shù)、單圈剛度等一系列有彈簧有關的數(shù)據(jù)來確定彈簧是否合格。彈簧外形如圖3.3所示。 圖3.3 手部彈簧 為了使彈簧能夠更可靠的工，彈簧材料必須具有高的彈性極限和疲勞極限，同時應該具有足夠的的韌性和塑形，以及良好的可熱處理性。查表16-2[8]選用材料碳素彈簧鋼絲。 彈簧材料的許用應力及必須按照負荷性質(zhì)來確定。 彈簧按負荷性質(zhì)分為三類： Ⅰ類：受變負荷作用，次數(shù)在此以上的彈簧； Ⅱ類：受變負荷作用，次數(shù)在次或沖擊負荷的彈簧； Ⅲ類：受變負荷作用，次數(shù)在次以下的彈簧。 旋繞比（或指彈簧指數(shù)）C ； (3.3) 式中：D-----中徑 d------彈簧絲的直徑 查表11-6[8] ，得，，， 最大工作負荷，單位N， （3.4） 式中：K----曲度系數(shù)，由表11-6[8]查得K=1.25， 代入數(shù)據(jù)得， 工作極限負荷， (3.5) 式中---初應力 代入數(shù)據(jù)的， 最小工作負荷 (3.6) 即 彈簧要求剛度 ，單位為mm/N (3.7) 式中h-----彈簧的長度，h= 4mm 代入數(shù)據(jù)得， 單圈剛度 (3.8) G-----切變模量，由表16-2[8] 取G=78.5MPa 代入數(shù)據(jù)得， 有效圈數(shù)， （3.9） 即 3.15 手部主軸的校核計算 手部主軸示意圖： 圖3.4 手部主軸簡圖 此軸的材料選用＃45鋼 軸的強度校核 扭轉(zhuǎn)切應力 [10] （3.10） ----手部主軸最大徑，=28mm， ---此軸所受的最大扭矩 代入數(shù)據(jù)，得 （3.11） (3.12) 水平面內(nèi): 垂直面內(nèi): 支反力: 水平面內(nèi) 彎矩: 垂直面內(nèi)彎矩: 計算彎矩: (3.13) 查機械設計教材對于脈動變化的轉(zhuǎn)矩α=0.6 由機械設計教材表17-2,查得45號鋼調(diào)質(zhì)處理后,抗拉強度極限,彎曲疲勞強度極限,剪切疲勞極限,許用彎曲應力 按彎扭合成強度計算: [5] (3.14) 軸的危險截面在彎矩最大處和周徑最小處或彎矩較大和軸徑較小有鍵槽處,綜合分析此高速軸的危險截面在計算彎矩最大處。 因為,所以手部主軸安全。 圖3.5 主軸受力分析與彎矩圖 3.2 驅(qū)動方式 機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見表3-1[6]： 表3-1三種驅(qū)動方式的特點對照[6] 內(nèi)容 驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電機驅(qū)動 輸出功率 ? 很大，壓力范圍為50～140Pa 大，壓力范圍為48～60Pa，最大可達Pa ? 較大 控制性能 利用液體