棒料抓取机械手设计
摘 要在现在庞大的制造业中，生产过程的自动化大大提高了企业的生产效率和产品质量，工业机械手成为了自动化生产线上的重要一份子，被大量的企业认同且启用。一个国家的自动化工业水平一定程度上可以通过工业机械手的应用水平和应用程度来反映。现在，工业机器人承担着劳动强度大或者工作环境恶劣的重要工作。本文将设计一台四自由度的工业机械手，用于棒料的抓取与搬运工作。通过研究传统机械手爪的不足之处，本次将提出一个新型的机械手爪结构。并通过设计合理的机械结构，将四自由度的结构简化成用三自由度的结构来实现。由此解决了传统机械手结构复杂、夹紧力不足导致棒料脱落等问题。
目 录
第一章 工业机械手简介 1
1.1机械手的组成 1
1.1.1执行机构 1
1.1.2驱动机构 2
1.1.3控制系统 2
1.1.4位置检测装置 2
1.2机械手的作用 3
第二章 机构运动方案 4
2.1原始数据 4
2.2工作要求 4
2.3系统组成 4
2.4总体技术方案 4
2.4.1动作分析 4
2.4.2手部原理 4
第三章 棒料抓取机械手创新设计 6
3.1手部设计结构基本要求 6
3.2手部结构计算 6
3.3手部运动结构分析 9
3.4夹紧装置实施方式 9
3.5夹紧装置的优越性 12
第四章 肩部结构的设计 13
4.1肩部结构分析 13
4.2肩部减速器的选择 13
4.2.1摆线针轮减速器 13
4.2.2谐波减速器 15
4.2.3RV减速器 16
第五章 机械手整体结构设计 18
5.1行走机构结构分析 18
5.2机械手整体结构分析 19
结束语 20
致谢 21
参考文献 22
第一章 工业机械手简介
1.1机械手的组成
用于加工机床中的工业机械手通常由执行机构、驱动机构
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
和控制系统共同组成了工业机械手，各部分关系如图1.1所示。如图（1.2）为机械手的组成示意图。
图1.1 工业机械手组成框图
1.1.1 执行机构
由手部、腕部、臂部、腰部和行走机构等运动部件组成了工业机械手的整体机构。
（1）手部 此部分是直接与工件接触的部分，常见结构形式有回转型和平移型。手爪部分多为两指或多指，根据具体的需要分别有内抓式和外抓式。对光滑的零件或薄板的表面还可采用负压或真空式的空气吸盘以及电磁吸盘。手部的传力机构型式有很多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮杠杆式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。
（2）腕部 此部分用于连接手部与手臂的部件，而且可用来调整被抓物体的方位。本次设计不采用腕部结构。
（3）臂部 此部分是用于支撑抓取物体、手部以及腕部的重要部件。手臂可以起到驱动手部去抓取物体，然后按照预设的要求运送到指定的工位的作用。
手臂一般具有三个自由度，可采用直角坐标系（前后、上下、左右都是直线），圆柱坐标系（前后、上下直线往复运动和左右旋转），球坐标系（前后伸缩、上下摆动和左右旋转）和多关节（手臂能任意伸缩）四种方式。
直角坐标系的惯性和工作范围很小，定位精度较高，但是占用空间很大，受此限制所以不常用。但当机械手的所需自由度较少或者主机位置成行排列时可选用。
球坐标的工作范围很大，但所需的工作空间和惯性却很小，所需的驱动力也很小，常常设有手腕进行上下的摆动，故可以很方便的抓取到物体比较适用于延伸缩方向向外作业的传动形式。但是它的结构比较复杂，且臂部摆角的误差会通过手臂从而引起手部中心处的误差放大。
关节式的机械手类似于人类的手臂，可以完成几个方向上的转动。所以它的工作范围较大，动作如同人手一样灵活，实用性较强。它能抓取靠近机座的物体，而且能避开机身和主机间的障碍物从而抓取物体。这种运动形式是其他机械手不可比拟的。但这种定位是基于各个关节相互转角的，故缺失了良好的定位精度。同时控制装置与组成结构通其他形式的机械手相比也更为复杂。
圆柱坐标则和球坐标相似，有着较大的工作范围但又只需小的工作空间，同时它有着较高的定位精度，故在机械领域应用较为广泛。但是它的惯性较大，且沿Z轴方向移动的最低位置受到了限制，故不能抓取底部的物体。
目前机械市场上常用的是球坐标式和圆柱坐标式的工业机械手。
（4）腰部 是工业机械手的基础部分，执行机构的各个部件和驱动系统均安装于此处，故起到支撑和连接发热作用。
（5）行走机构 此机构可以保证机器的远距离操作，大大拓宽了使用范围。
1.1.2驱动机构
驱动机构包含四种类型：气动、液压、电动和机械式。现在机器人最常用的方式是气动式和液压驱动式。
气动式：虽然这种驱动方式不能提供较大的驱动力，但它结构简洁，速度较快，经济成本较低。当通过点位控制或机械挡块定位控制时，则可以获得精准的定位精度。
液压式：这种驱动机构可以提供较强的驱动力，通过电液伺服机构就能进行连续控制，很大程度上使机械手的通用性能增强，且定位精度也很高。
所以现在的工业中，较为常用的就是这两种驱动方式。其他两种例如机械式适用于机械动作简洁的场合，电动式适用于小型机械手。
1.1.3控制系统
控制系统可以包含机械控制、电气控制（最为常用）、射流控制以及液压控制等。控制方式又可分为点位控制及连续控制。点位控制大多使用插销板，也可以通过微型计算机或可编程序，大多控制的是坐标位置。这是机械手很重要的一部分，它控制着机械手的运动走向，并记住人类发出的指令信息，实时监控机械手的运动状态，一旦动作错误或者机器故障则发出警报。
1.1.4位置检测装置
此装置通过获取机构运动位置信息，并实时将机构的现实位置反映到控制部分，通过对比发出的指定位置指令，让控制系统对偏差进行调整，由此可以在预定位置获得较高的精度。
1.2机械手的作用
1）能够释放操作人员的双手，较强的环境的适应能力则可以代替人类去往恶劣的操作环境中，有害的环境会伤害人体但机器则没有影响。只要结合操作环境因素为机械手选择合适的材料及结构，它就能在异常的工作环境温高压力高粉尘，很多危险的环境中正常工作。
目 录
第一章 工业机械手简介 1
1.1机械手的组成 1
1.1.1执行机构 1
1.1.2驱动机构 2
1.1.3控制系统 2
1.1.4位置检测装置 2
1.2机械手的作用 3
第二章 机构运动方案 4
2.1原始数据 4
2.2工作要求 4
2.3系统组成 4
2.4总体技术方案 4
2.4.1动作分析 4
2.4.2手部原理 4
第三章 棒料抓取机械手创新设计 6
3.1手部设计结构基本要求 6
3.2手部结构计算 6
3.3手部运动结构分析 9
3.4夹紧装置实施方式 9
3.5夹紧装置的优越性 12
第四章 肩部结构的设计 13
4.1肩部结构分析 13
4.2肩部减速器的选择 13
4.2.1摆线针轮减速器 13
4.2.2谐波减速器 15
4.2.3RV减速器 16
第五章 机械手整体结构设计 18
5.1行走机构结构分析 18
5.2机械手整体结构分析 19
结束语 20
致谢 21
参考文献 22
第一章 工业机械手简介
1.1机械手的组成
用于加工机床中的工业机械手通常由执行机构、驱动机构
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
和控制系统共同组成了工业机械手，各部分关系如图1.1所示。如图（1.2）为机械手的组成示意图。
图1.1 工业机械手组成框图
1.1.1 执行机构
由手部、腕部、臂部、腰部和行走机构等运动部件组成了工业机械手的整体机构。
（1）手部 此部分是直接与工件接触的部分，常见结构形式有回转型和平移型。手爪部分多为两指或多指，根据具体的需要分别有内抓式和外抓式。对光滑的零件或薄板的表面还可采用负压或真空式的空气吸盘以及电磁吸盘。手部的传力机构型式有很多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮杠杆式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。
（2）腕部 此部分用于连接手部与手臂的部件，而且可用来调整被抓物体的方位。本次设计不采用腕部结构。
（3）臂部 此部分是用于支撑抓取物体、手部以及腕部的重要部件。手臂可以起到驱动手部去抓取物体，然后按照预设的要求运送到指定的工位的作用。
手臂一般具有三个自由度，可采用直角坐标系（前后、上下、左右都是直线），圆柱坐标系（前后、上下直线往复运动和左右旋转），球坐标系（前后伸缩、上下摆动和左右旋转）和多关节（手臂能任意伸缩）四种方式。
直角坐标系的惯性和工作范围很小，定位精度较高，但是占用空间很大，受此限制所以不常用。但当机械手的所需自由度较少或者主机位置成行排列时可选用。
球坐标的工作范围很大，但所需的工作空间和惯性却很小，所需的驱动力也很小，常常设有手腕进行上下的摆动，故可以很方便的抓取到物体比较适用于延伸缩方向向外作业的传动形式。但是它的结构比较复杂，且臂部摆角的误差会通过手臂从而引起手部中心处的误差放大。
关节式的机械手类似于人类的手臂，可以完成几个方向上的转动。所以它的工作范围较大，动作如同人手一样灵活，实用性较强。它能抓取靠近机座的物体，而且能避开机身和主机间的障碍物从而抓取物体。这种运动形式是其他机械手不可比拟的。但这种定位是基于各个关节相互转角的，故缺失了良好的定位精度。同时控制装置与组成结构通其他形式的机械手相比也更为复杂。
圆柱坐标则和球坐标相似，有着较大的工作范围但又只需小的工作空间，同时它有着较高的定位精度，故在机械领域应用较为广泛。但是它的惯性较大，且沿Z轴方向移动的最低位置受到了限制，故不能抓取底部的物体。
目前机械市场上常用的是球坐标式和圆柱坐标式的工业机械手。
（4）腰部 是工业机械手的基础部分，执行机构的各个部件和驱动系统均安装于此处，故起到支撑和连接发热作用。
（5）行走机构 此机构可以保证机器的远距离操作，大大拓宽了使用范围。
1.1.2驱动机构
驱动机构包含四种类型：气动、液压、电动和机械式。现在机器人最常用的方式是气动式和液压驱动式。
气动式：虽然这种驱动方式不能提供较大的驱动力，但它结构简洁，速度较快，经济成本较低。当通过点位控制或机械挡块定位控制时，则可以获得精准的定位精度。
液压式：这种驱动机构可以提供较强的驱动力，通过电液伺服机构就能进行连续控制，很大程度上使机械手的通用性能增强，且定位精度也很高。
所以现在的工业中，较为常用的就是这两种驱动方式。其他两种例如机械式适用于机械动作简洁的场合，电动式适用于小型机械手。
1.1.3控制系统
控制系统可以包含机械控制、电气控制（最为常用）、射流控制以及液压控制等。控制方式又可分为点位控制及连续控制。点位控制大多使用插销板，也可以通过微型计算机或可编程序，大多控制的是坐标位置。这是机械手很重要的一部分，它控制着机械手的运动走向，并记住人类发出的指令信息，实时监控机械手的运动状态，一旦动作错误或者机器故障则发出警报。
1.1.4位置检测装置
此装置通过获取机构运动位置信息，并实时将机构的现实位置反映到控制部分，通过对比发出的指定位置指令，让控制系统对偏差进行调整，由此可以在预定位置获得较高的精度。
1.2机械手的作用
1）能够释放操作人员的双手，较强的环境的适应能力则可以代替人类去往恶劣的操作环境中，有害的环境会伤害人体但机器则没有影响。只要结合操作环境因素为机械手选择合适的材料及结构，它就能在异常的工作环境温高压力高粉尘，很多危险的环境中正常工作。
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