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六自由度机械臂结构设计
概括
随着人类活动领域的进一步拓展，人们对非制造机械臂的研究也越来越活跃。对机械手的智能化、多样化的要求也越来越高。要求机械臂具有外部感知能力和局部自规划能力。 。通用机械手也向机构灵活、动作准确可靠、响应速度快、重量轻、刚度好、装卸和维修方便等方向迅速发展。
该机械手为全液压驱动，采用球坐标形式。具有六个自由度，分别为Z方向升降运动；绕Z方向的旋转运动；手臂的俯仰运动； X方向伸缩运动；以及手腕的俯仰运动。 ;绕X方向的旋转运动；主要完成手部结构、腕部结构、手臂结构和身体机构的设计，气缸各部分结构位置的设计和计算，以及各自由度运动的实现。在具体的结构设计过程中，花费了大量的时间对机械臂的各个部分进行校核。在机构满足设计参数的情况下，应尽可能优化结构设计。
【关键词】机械手；普遍的;自由度；液压驱动；球坐标
全套图纸加
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目录
TOC\o"1-3"\u第 1 章简介 1
1.1选题背景、目的和意义1
1.2 国内外研究现状及成果1
1.3 课题2的研究方法
1.4 本文的研究内容3
第二章 总体设计方案 4
2.1总体设计要求4
2.2 运动分析简介 4
2.2.1 机器人运动方程的表示4
2.2.2 元件坐标系的确定5
2.3 机械手6的构成
2.4 设计路线及方案6
2.4.1 设计步骤6
2.4.2 研究方法和措施7
2.5 本章小结7
第三章 手部结构设计与计算 8
3.1 手部设计 8
3.2 爪指定位误差分析9
3.3 手夹紧油缸设计11
3.4 筒体壁厚计算 12
3.5 活塞杆计算与验证13
3.6 本章小结13
第四章手腕结构的设计与计算 14
4.1 手腕旋转气缸设计 14
4.2 手腕摆动油缸16的设计
4.3 本章小结19
第五章前臂设计与计算 20
5.1 伸缩油缸臂结构设计及计算 20
5.2 活塞杆强度和刚度校核 23
5.3 导杆24强度校核
5.4 本章小结25
第六章 倾斜油缸的设计与计算 26
6.1 变桨结构设计与计算 26
6.2 圆柱头螺钉的强度校核 28
6.3 本章小结29
第七章 大臂结构设计与计算 30
7.1 臂架回转油缸30设计计算
7.2 检查气缸定子连接螺钉 33
7.3 机械臂举升油缸设计计算 34
7.4 机械手不自锁的条件 36
7.5 本章小结37
结论38
参考文献 39
致谢 40
第一章简介
1.1选题背景、目的和意义
创造与我们相似的机器人一直是人类的梦想。在不同的历史阶段，各种拟人化的想象生物首先出现在神话和小说中。
现代物理机器的诞生大约可以追溯到 20 世纪 50 年代。当时，由于核工业的兴起，机器人被用来处理放射性材料。很快，控制论、信息论等主要学科相继问世。所有这些科技成果为机器人技术的诞生和发展奠定了基础基础。
现实世界中的机器人并不像小说中描述的那么强大，而且它们看起来和真人太相似，以至于看起来很假。就目前的水平而言，机器人一般不具备人类形态。即使是那些用于娱乐的类人机器人也远没有人类那么聪明。大多数机器人用于生产活动，以提高工作效率和产品质量。所以从这个意义上来说，机器人实际上是一种通用的自动化设备。
机器人是一种可编程的通用自动化机器，具有操作或移动的能力。
机器人的诞生和应用是社会发展的最终需求。机器人是在现代生产和科学技术发展的基础上出现的。新一代机器人已经在工业生产、资源开发、风险管理和救灾、社会服务和军事技术等领域发挥着越来越大的作用。机器人已得到广泛应用。由工业机器人等设备组成的生产线，使企业劳动生产率提高了数百倍，提高了产品质量，缩短了产品更新换代的周期。机器人的出现和发展给传统工业生产面貌带来了翻天覆地的变化，使人类的生产方式从手工作业、机械化、自动化进入了智能化的新时代。
1.2 国内外研究现状及成果
随着机器人技术的快速发展，多种类型的机器人相继推出。机器人可按用途、结构、驱动方式、智能水平等进行分类。
无论如何分类，机器人的基本结构都是相同的。机器人由手臂（连杆）、关节和末端执行器（连接工具）组成。机器人的关节连接两个相邻的刚体，即连杆，关节提供连杆之间的相对运动。关节就是关节。一些不同形状和尺寸的机器人可能具有相同的几何模型（只是几何参数不同）并具有相同的运动学分析结果。多关节机械臂，顾名思义，关节多且长。关节越多，手臂的重量就越大，运动学分析就越复杂。随之而来的问题包括冲击的增大、超调量的增大、运动学分析的复杂性以及连杆之间运动学分析的复杂性。平衡问题等
随着科学技术的进步，我国工业生产的自动化水平突飞猛进。在实际生产过程中，逐步实现特定环境下工件的装卸、转向、运输或操纵焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业。自动化越来越受到人们的关注。生产过程自动化的实现自动化已成为国内外学者研究的热点课题之一。
本文设计的机械手采用液压驱动。该机械臂的坐标形式采用球坐标。 （其手臂的运动由一次直线运动和两次旋转运动组成，即沿x轴的伸缩、绕Y轴的俯仰和旋转。Z轴旋转），这种机械手的手臂可以抓取地面上的物体。为了使手适应所抓握物体的位置，手腕通常能够上下摆动以将手保持在水平位置。或其他状态。这种坐标式机械手具有运动灵活、占地面积小、工作范围大等特点。适用于伸缩方向传动，但结构复杂。根据设计要求，需要六个自由度才能使机械手实现预定功能并模仿人的手臂和手腕运动。自由度是指描述物体运动所需的独立坐标的数量。自由度的多少反映了机器运动的复杂程度。
多关节臂的优异性能是其他传统机器人无法比拟的。然而，它的研究遇到了许多工程难题，尤其是手臂的重量。关节多、长度长的机械臂由于重量巨大，难以在实际中应用。重量问题的瓶颈在于驱动单元。从以往的经验来看，形状记忆合金、磁力伸缩、气动伸缩驱动装置的应用范围非常有限。驱动主体仍然需要是电机，但电机的重量是另一个需要解决的问题。电机的安装位置及其数量是其直接影响因素。
就多指机器人手的应用而言，由于多指机器人手通常比安装的机器人本体要小，因此可以提高机器人的整体精度。然而，多个手指的使用增加了整个系统的复杂性，并且由于具有多指机械手的机器人具有很多自由度，使得运动学和动力学分析变得复杂，同时，多指机械手的自由度也随之增加。自由会让抓计划的工作变得困难。
1.3 课题研究方法
如前所述，多关节机械臂的研究领域包括多关节机械臂的运动学和动力学。研究中遇到的困难是机械臂的重量。由于机械本体的结构大大简化，因此可以简化多关节机械臂的运动学和动力学分析。这使得机械臂更容易控制。本文重点研究多关节机械臂的机构设计，以解决手臂笨重的问题。而且，针对手臂各个关节的定位以及运动过程中各个手臂的平衡，提出了新的解决方案。
该机械手采用全液压控制和驱动。采用液压的主要原因是其结构简单，易于制造，有利于降低成本。整体设计采用3个旋转油缸、2个伸缩油缸和1个俯仰伸缩油缸。三个旋转气缸实现两手腕旋转和一大臂旋转。两个伸缩油缸分别实现大臂和小臂的伸缩运动。
本课题的研究内容正是基于上述问题。希望通过理论分析和研究，能够设计出一种结构简单、驱动器（即液压元件）数量最少的新型多关节机械臂。
1.4 本文的研究内容
本文将对下面的关节式万能机械手进行全面、系统的分析和讨论，以实现一种模仿人手动作，按照给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和作业的装置。生产中使用机器人可以提高自动化水平和劳动生产率；可以减轻工人的劳动强度，保证优良的产品质量，实现安全生产；尤其是在高压、高温、低温、低压、易燃易爆、粉尘、有毒气体和放射性等恶劣环境下，用机器人代替人进行正常工作具有更大的意义。
机械手的俯仰结构的这种处理具有以下优点。一是改善了机器重心距旋转轴线过远的缺点。其次，当达到相同的俯仰角时，直线气缸比旋转气缸更容易控制。这里，旋转气缸的驱动力靠近旋转气缸的移动板提供，而线性气缸提供相同的驱动扭矩比旋转气缸更容易。最后，从振动的角度来看，直线气缸的振动系数比旋转气缸小，从而增加了稳定性。
第二章总体设计方案
2.1总体设计要求
本文设计的机械手采用液压驱动。该机械臂的坐标形式采用球坐标。 （其手臂的运动由一次直线运动和两次旋转运动组成，即沿x轴的伸缩运动、绕Y轴的俯仰运动、绕Y轴的回转运动、Z轴的旋转），此类手臂的俯仰运动机械手可以抓取地面上的物体。为了使手适应所抓握物体的位置，手腕通常能够上下摆动以将手保持在水平位置。或其他状态。这种坐标式机械手具有运动灵活、占地面积小、工作范围大等特点。适用于伸缩方向传动，但结构复杂。根据设计要求，需要六个自由度才能使机械手实现预定功能并模仿人的手臂和手腕运动。自由度是指描述物体运动所需的独立坐标的数量。自由度的多少反映了机器运动的复杂程度。该机器人使用六个自由度：
图2.1 机器人运动结构示意图
(1)Z方向升降运动；
(2)绕Z方向的旋转运动；
(3)手臂俯仰运动向上30°，向下30°；
(4)X方向伸缩运动；
(5)手腕的俯仰运动；
(6)绕X方向的旋转运动。
2.2 运动分析简介
2.2.1 机器人运动方程的表示
机器人机构可以认为是由一系列关节连接起来的连杆机构。将部件的坐标系嵌入到机器人的各个连杆结构中，可以方便、正确地描述一个连杆与下一连杆之间的关系。齐次变换是描述这些坐标系之间相对位置和方向的通用方法。齐次变换记录为 A 矩阵。 A矩阵只是一个齐次坐标变换，描述连杆构件坐标系之间的相对平移和旋转。描述第 i 个连杆相对于第 i-1 个连杆的姿态。对于本项目中的六台自主机器人，第六连杆相对于底座的姿态可以用以下公式表示：
Tn=(2.1)
2.2.2 元件坐标系的确定
为了描述连杆之间的数学关系，他提出了建立关节链中连杆主连坐标系的矩阵法，即DH法。其运动坐标系如图2.2所示。
图2.2 机器人DH运动坐标系简化图
0. 基础坐标；
1、动臂举升油缸坐标；
2、大臂回转油缸坐标；
3、小比例伸缩圆柱坐标；
4、小臂俯仰油缸坐标；
5、手腕摆动气缸坐标；
6.手腕旋转气缸坐标。
机械臂采用6自由度设计，旨在使其运动灵活。当某一方向的运动不宜过大时，可补充其相关自由度来满足运动要求，更有利于机械手的稳定性。该机械手还可以通过更换夹具来完成喷涂、焊接等任务。
该机械手采用全液压控制和驱动。采用液压的主要原因是其结构简单，易于制造，有利于降低成本。整体设计采用3个旋转油缸、2个伸缩油缸和1个俯仰伸缩油缸。三个旋转气缸实现两手腕旋转和一大臂旋转。两个伸缩油缸分别实现大臂和小臂的伸缩运动。
2.3 机械手的组成
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制部分组成。各部分之间的关系如图2.3所示：
图2.3 工业机器人各部分关系图
1、执行机构：执行机构由抓握部分（手）、手腕、手臂和行走机构等运动部件组成。
(1)手：与工件直接接触的部分，通常为旋转式或平移式。传动机构有多种类型
同样，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。
(2)手腕：是连接手和手臂的部件，可用于调整抓取物体的位置。
(3)手臂：手臂是支撑抓取物体、手、手腕的重要部位。手臂的作用是驱动手指抓取物体，并按照预定的要求将其运送到给定的位置。本设计的手臂具有三个自由度，采用铰接坐标（绕水平轴旋转、上下摆动、左右摆动）。铰接坐标具有更大的工作空间和操作灵活性。机械臂结构易于优化，提高机械手的动态作业性能。
2、行走机构：有些工业机器人具有行走机构。
3、驱动机构：有气动、液压、电动、机械四种形式。
4、控制系统：有位控制和连续控制两种方式。
5、本体：是整个工业机器人的基础。
2.4 设计路线及规划
2.4.1 设计步骤
1、查看相关信息；
2.确定研究路线和方案构想；
3.结构和运动学分析；
4、根据给定的技术参数进行计算；
5、根据给定的规格、范围和成绩进行分析，检查强度和体校情况；
6、绘制装配图草图；
7、绘制总装图、零件图等；
8、总结问题并分析解决。
2.4.2 研究方法和措施
采用当前机械设计方法和液压传动技术进行设计，采用铰接坐标（六自由度，可绕水平轴、垂直轴旋转，上下左右摆动，以及Z向升降和X向升降）方向伸缩运动）。
2.5 本章小结
本章介绍工业机械手的组成、规格、设计路线等。本设计的机械手组成全面、配置合理，能够满足一定的使用要求。
第三章 手部结构设计与计算
3.1 手部设计
机械手是模仿人手部分动作，按照给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、运输或作业的自动化装置。机器人在生产中的应用可以提高生产的自动化水平和劳动生产率。工业机器人的手用于直接夹持工件。与工件直接接触的部分具有模仿人手动作的功能。由于所持弓箭的形状、尺寸、重量、材料特性以及表面状况的不同，工业机械手的结构也多种多样。该机械手的手爪采用旋转外夹紧式，爪子为两部分。参考。
设计手部时应考虑以下问题：
1.应有足够的握力；
2．手指之间应有一定的开合角度；
3、应保证棒材定位准确；
4.应考虑手指的多功能性。
综合考虑以上因素，该机械手采用滑槽式手部结构。这种手指的优点是结构简单、形状小巧、工作灵活。其结构如图3.1所示。驱动杆向下推动手指夹紧，向上拉时手指张开。该结构的传动比双支点结构小，但启闭范围较大。
图3.1 溜槽手结构示意图
(3.1)
工件装夹方式采用：用手指在水平位置夹持垂直放置的工件时，
(3.2)
.f——钢与钢之间的摩擦系数 f =0.1
(3.3)
为了考虑工件在传动过程中产生的惯性力、振动和传力机构效应，实际驱动力P应按下式计算：
(3.4)
式中：η——手部的机械效率，一般取0.85～0.95。这里我们取η=0.9；
K1——安全系数，一般为1.2~2，这里K1=1.2；
K2——工况系数，重要考虑惯性力的影响；
(3.5)
g——重力加速度，（g=9.8kg/s²）；
a——工件移动时的最大加速度。 a=4.9kg/s², K2=1.5
所以：
(3.6)
3.2 爪指定位误差分析
采用结构简单的旋转手指在抓取不同直径的工件时，不可避免地会产生定位误差。如图3.2所示。
图3.2 手指定位误差示意图
手指旋转中心与工件轴线的距离X，如X1，，可以将手指定位误差控制在较小的范围内。
(3.7)
当时有一个最小值Xmin
.(3.8)
而且，X的变化围绕R0的边界是对称的。如果工件的半径
(3.9)
从变化到时间，最大变化量 |
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