本科毕业论文四自由度搬运机械手的设计.docx
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本科毕业论文四自由度搬运机械手的设计
本科毕业论文-四自由度搬运机械手的设计
编号：
本科毕业设计
题目：
四自由度搬运机械手的设计
学院：
机械工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
年 级：
12级
姓名：
指导教师：
完成日期：
2016年5月31日
四自由度搬运机械手的设计
摘要
机械手是由于现代科技高速发展以及其在现代工业、制造业领域中的高度应用而出现,特别是机械手在工业、制造业领域的应用使得人类从繁重的、单调的、无意义的脏、乱、差的工作环境中彻底解放出来，大大推动了人类社会的前进步伐。
所以本论文旨在设计出一款既实用成本又低还能应用于一般劳动工作中的四自由度搬运机械手,具体设计过程采用的是在机械设计领域比较先进模块化设计方法，就是对机械手的机械结构、控制和驱动系统、以及各零部件等分类、分步进行设计。
本课题所设计的这种四自由度搬运机械手可应运于一般的流水作业线和个体货仓的搬运等工作中,具有一定的实际意义和应用价值。
关键词：
机械手；四自由度；气动驱动；可编程控制
Designoffordegreeoffreedommanipulator
Abstract
Robotisduetotherapiddevelopmentofmodernscienceandtechnologyanditsemergenceinmodernindustry,themanufacturingsectorintheheightoftheapplication,especiallyinrobotapplicationsinindustry,themanufacturingsectorsothathumanityfromtheheavy,monotonous,meaninglessdirty,chaotic,poorworkingenvironmentcompletelyliberated,andhasgreatsignificanceforthedevelopmentofthehumansociety.Therefore,thispaperaimstodesignonethatisbothpracticalandlowcostcanbeappliedtogenerallaborworkcarryingfourdegreesoffreedommanipulator,thespecificdesignprocessusesamoreadvancedmodulardesignapproachinthefieldofmechanicaldesign,isthemanipulatormechanicalstructure,controlanddrivesystems,aswellaspartsandotherclassification,stepbystepdesign.Thispaperdesignedarobotthatcancarryfourdegreesoffreedomshouldbetransportedtothefiringlineandindividualgeneralwarehouseworkmovingthelike,haveapositivepracticalimportanceandutilizationvalue.
KeyWords:
Manipulator;fourdegreesoffreedom;pneumaticactuators;programmablecontrol
1引言
1.1机械手研究的背景及其意义
机械手是当今世界的科技革命发展飞速变革的必然产物，它的出现标志着现今的工业、制造业水平发展到了前所未有高水平阶段。
最初出现的机械手只是应用在航空航天和海洋勘探等高端科技领域，随着近几十年来计算机在科技领域全面应用，科技革命的变革也加速了科学技术的蓬勃发展。
在此背景下机械手技术也在飞速发展，并且在其应用领域也不断地深入、飞速地拓宽，特别是近些年来机械手在现代制造业领域更是得到了非常广泛的应用。
由于机械手是通过预先编写好的程序来控制其动作次序和轨迹，所以机械手可以代替人力去完成那些单调的、重复的、特别是对于人类来说毫无意义的工作，除此之外机械手还能够在恶劣的环境中完成那些人类不想完成的或不能完成的工作，特别是在一些危险的工作环境或者是对精度要求较高的工作条件之下，机械手相比较人力有得天独厚的优势——机械手在某些邻域能够完全替代人力，将人类从脏、乱、差的工作环境中解放出来，这是人类社会几千年来的又一次变革和人类生活方式的又一次蜕变。
特别是近几十年来工业、制造业领域在机械手的广泛应用下发生了伟大的变革，在此背景下整个社会的生产力水平、产品生产质量和生产效率大大提高，与此同时在工业生产中现代工人的劳动强度也大大降低。
机械手技术虽然发展迅猛，但现在市场上的机械手大多还处在高端应用领域，价格也相对昂贵，不能满足低成本、低层次应用领域的需求。
所以本课题希望设计出一种成本低、应用层次相对较低的机械手，填补这一领域市场的空白，这对于工业、制造业领域以及人类社会的发展都具有及其重要的意义和价值。
在机械手技术领域中，机械手在模型设计上，四自由度机械手是机械手产品中的典型设计模型，在技术上，四自由度机械手技术门槛相对较低——四自由度便于设计和实现，在应用层面上，四自由度机械手对于一般的重复性工作条件完全满足，在成本上，四自由度机械手在满足一些复杂动作的工作条件下便于实现低成本，也就说其性价比相对较高，所以本论文以《四自由度搬运机械手》为课题进行研究旨在设计出一个比较实用的、成本低的、具有一定的实际应用价值的机械手。
1.2机械手的研究现状和发展前景
机械手是现代工业革命变革、现代工业水平高度提高催生的一种新技术产品，从较高应用层次来说，机械手是集机械设计、计算机程序控制等多领域知识和多种设计方法于一身的一种新型自动化装备，特别是近年来互联网、大数据的出现和应运机械手已开始从自动化向智能化领域迈进。
机械手虽然在近几十年来才出现，其发展历史并不算太长，机械手最早起源于美国，接着又在德国、日本等工业发达国得到了飞速发展，然而我国近十年来虽然工业发展迅猛，可机械手在工业领域的应用才刚刚起步，机械手设计的技术水平同国外仍有很大差距，特别实是在机械手的高端应用领域，主要体现在机械手的可靠性和精度指标上面。
近年来机械手在工业、制造业领域的应用突飞猛进，这对于工业文明的进步产生了“雪崩式效应”，越来越多的无人化工厂随着机械手的发展如春笋般涌现。
随着进入21世纪以来，互联网技术飞速发展，工业、制造业领域正发生着一场伟大的变革，从美国的“工业互联网”到德国的“工业4.0”，再到“中国制造2025”，世界工厂已经开始由“无人化工厂”向“智能化工厂”转变，在此历史背景下机械手也正在从自动化向智能化的方向发展。
1.3机械手的种类及其应用
本课题研究的机械手其动作自由度为4，虽然其动作自由度种类大多类似，但是因其在工业、制造业领域应用条件和具体工作要求的差异，所以机械手的外观形状、结构、功能以及其具体动作次序和形式千差万别，不过为了方便机械手的设计，机械手按照其的各系统的组成大致可以分为：
①动力驱动系统、②传动执行机构、③控制系统三大类。
按照机械手的驱动动力源又可以细分为：
①气动驱动型机械手、②液压驱动型机械手。
按照机械手的应用环境又可以细分为:
①通用型机械手、②专用型机械手[1]。
按照机械手的运动轨迹又可以细分为：
①点位控制型机械手、②连续式控制型机械手。
机械手种类繁多其应用领域和应用场合颇多,特别是在工业、制造领域，机械手正在逐步取代人力成为工业生产中必不可少的装备。
1.4机械手研究的主要内容
本课题研究的是四自由度搬运机械手，此类型的机械手大多为应用于工业、制造业领域的机械手，一般执行一些单调的、重复性的工作，所以从设计层面上来说，在控制方面的设计比较容易实现，本论文关于四自由度搬运机械手的设计方法采用的是机械设计领域比较前瞻的模块化设计方法，模块化设计的工作主要是应运在机械手控制系统的设计工作中，通过主程序和子程序的单独编程和有效调用大大简化了机械手控制系统设计的难度[2]。
此外针对机械手的驱动系统、传动及执行机构、数控系统以及各零部件等分类、分步进行设计，使得设计工作简化且有序进行。
机械手设计的总体工作内容如下：
⑴机械手的总体方案的设计。
⑵机械手的传动机构以及执行机构设计。
⑶机械手的驱动系统设计。
⑷机械手的控制系统设计。
2机械手总体方案的设计
2.1机械手的功能以及技术要求
机械手是通过模仿人手臂的功能实现各种复杂的动作次序和轨迹来完成各种具体的工作和实现既定的功能，特别是在完成一些比较复杂的运动形式和在一些比较危险或有限的空间内工作。
本课题研究的四自由度固定式搬用机械手，主要应运于一般的流水作业线和一些重量较轻的个体货仓搬运等工作中，因其可实现大部分人手的功能，所以在现实应运中具有一定的实际意义和较大的应运价值。
因为机械手大多应运于一般的流水作业线，所以对其具体动作路劲和动作次序、时间的精度和偏差有较高的要求，我们要求机械手在实现其基本功能的过程中能够做到平稳的、迅速的、准确的搬运物体，保证整条流水线工作的有序运行，完成预先设定各种工作要求。
2.2机械手的整体结构设计
在对机械手进行结构的设计时，不仅要满足理论上对其动作具体过程的要求，还要同机械手的具体工作环境、工作空间的要求和限制相匹配，所以在机械手的设计过程中必须严格遵守如下基本原则：
①要给予机械手的动作范围留有尽可能大的活动空间，并且所设计的机械手应能完成多种运动形式以满足不同的工作要求。
②在进行机械手的结构设计时，要根据具体的工作环境和要求通过模仿人的手臂功能，然后在满足工作要求的运动形式下来设计机械手的具体结构和机械手的姿态以及运动方式。
③机械手结构的设计并不是淡淡的做到其性能的最佳，还要同时考虑它的经济性，要力求以最简单的结构、最轻的自身重量、最低的成本取满足具体的工作性能要求，如机械手的行程范围、最大负载能力和运动的平稳性、准确性等。
2.3机械手的主要部件及其自由度
2.3.1机械手的主要部件组成
本论文所研究的四自由度搬运机械手，主要是用来模仿人手的功能，所以其结构部件也类似人手臂的组成，从整体上来说包括机械手部、机械臂、和底座三大部分。
可是机械手毕竟和人手有很大的不同，它还需要有动力驱动的部分、控制的部分和执行的部分，所以机械手的主要部件包括：
①电动机、②气压泵、③气压缸、④底座、⑤立柱、⑥大臂、⑦小臂、⑧机械夹手部等。
2.3.2机械手的自由度
机械手是对于人的手臂功能模仿相当成功的产品，基本上可以实现人手的一些基本的动作形式，不过区别在于机械手不需要做的像人手那样灵活自如，在具体实际工作的应用中进行了一定的简化处理，具体结构设计这要看机械手实际的工作环境、要求以及成本等问题，也就是尽可能以最少的自由度实现实际的工作要求。
人的手臂堪称是世界上最完美的机器，因为它共有6个自由度，能过完成任何复杂的动作过程和任何方式的运动，所以在各种仿生学井喷的今天，对机械手的研究具有极其重要的意义和价值。
本课题研究的四自由搬运机械手主要用于一般的流水作业线和搬用个别重量较轻物体的搬运，为了满足具体的工作要求本课题所设计的机械手应该具备：
上升、下降、水平移动、回转和机械手夹持手部的伸缩等运动形式，针对目标工作要求及机械手的动作形式的研究，本课题设计的机械手4个自由度[3]。
根据本课题设计的机械手的具体运动形式，我们可以将机械手的四个自由度大致分为：
①方向控制、②工作执行两个方面。
其中在方向控制方面包含：
水平回转和水平移动2个自由度，在工作执行方面包括：
小臂的升降和机械手手部的夹放2个自由度。
此外，以上自由度在实际工作中可进行有序组合，从而完成一些复杂的动作形式和要求。
2.4机械手的动作过程及其时间配置
2.4.1机械手动作形式及其顺序的确定
本课题研究的机械手主要用于在一般的流水作业线上和重量较轻的个体货物搬运工作中执行一些简单且重复性的动作，所以机械手的整体动作形式具体可以切分为如下几个相互独立的动作形式：
⑴水平回转
机械手的大臂随着立柱可以实现水平回转240度，然后在配合上大臂的水平移动可以使机械手到达以底座为圆心以大臂为半径的半圆范围内的任意一点。
②轴向移动
机械手小臂可以随着机械手大臂通过气压缸的收缩实现小臂的轴向移动300mm，大大扩大了机械手的移动行程和动作范围。
③竖直升降
机械手大臂在立柱上通过气压缸的伸缩可以达到320mm的升降行程，这个行程可以有效避开工作过程中的大多障碍物，大大提升了机械手的应用范围。
④机械手手部的旋转
机械手手部可水平旋转
便于调整夹取器件的角度。
⑤机械手的夹放
通过气压缸控制机械手夹放力度，保证物体在搬运不会意外掉落，通过PLC准确控制机械手的夹放时间，保证物体在搬运过程的有序进行。
以上机械手的各部件动作形式在工作过程相互独立，通过PLC可编程控制器的有效控制，实现各部件之间的动作相互组合且有序进行，从而完成具体的工作要求。
2.4.2机械手动作过程中的时间配置
本课题所研究的机械手主要是用于一般的流水作业线和一些器件的搬运，其基本动作轨迹大多都是类似的，只不过是在具体动作形式和时间配置上有参数上的区别，所以本课题研究的机械手的新颖之处就在于充分解决了这一问题，本论文中的控制系统采用的是PLC可编程控制器，它可以实现随工作环境和任务的不同，把机械手的每一个具体动作形式和动作时间根据具体工作情况参数化，如此设计出的机械手可适用于任何工作环境和完成任何工作任务，大大提高的机械手的通用性。
2.3机械手动作过程中基本参数的确定
机械手的设计包括结构设计、功能设计以及各种驱动及动力系统的设计，不过这些设计首先要得在机械手动作过程中的基本参数确定的基础上，然后再展开后续的设计工作，机械手动作过程中的基本参数如下表2-1所示：
表2-1机械手动作过程中的基本参数
伸缩
伸缩行程
升降
升降行程
伸缩速度
升降速度
回转
回转范围
手指夹放
夹放范围
回转速度
转动速度
机械手的最大工作半径
机械手手臂的最大中心高度
机械手的抓取重量
3机械手的传动机构以及执行机构的设计
3.1机械手机构的模块化设计
模块化的设计思想就是将一个系统和机构组成复杂的机械产品在设计时划分为若干个彼此相互独立的单元体，对每个单元体单独设计，这样可以大大降低机械产品的设计难度。
在设计时各个单元体之间要分开自行设计，但是过程中必须要保证的一点是对于各个模块、各个单元体的设计一定要实现标准化，这样既可以使设计过程标准化降低设计难度和成本，也可以便于产品最后的模块组合，同时还有利于提高各模块在设计过程中的可调整性以及各同类单元体之间的互换性。
模块化设计思想是机械设计领域比较前瞻的设计思想，它的出现是为了适应新形势下产品设计的快节奏、多样化、产品越来越复杂的新要求。
一个优秀的机构设计必须实现在机构中各单元体的功能独立和物理机构独立的有机结合，这样不仅在设计时使复杂的机械结构简单化大大降低了设计难度，而且有利于后期对机械产品的维修和更新换代。
3.1.1机械手结构模块划分所遵循的原则
在模块化的设计思想中需要将产品划分为若干个彼此间相互独立的单元体，对于模块的划分一般遵循如下基本原则：
⑴模块数的划分不是越多越好，在减少模块自身复杂程度的同时，还应尽量减少模块总数，这样有利于降低设计时的工作量和设计后期的模块组合复杂度。
⑵模块数的划分越多那么其组合方案也就越复杂，所以我们力求用最少的模块数来实现最多的模块组合。
⑶模块的划分要考虑其对成本的影响，我们要力求实现其成本和成果的统一，对于我们所设计出的产品要做到性能和经济性的最优化。
⑷模块的划分必须保证各模块功能和机构的独立以及二者有机结合。
⑸模块的划分必然会对其产品的质量（精度、刚度等）产生一定的影响，所以我们在划分过程中应充分考虑这一影响。
3.1.2机械手模块化设计的一般方法
对于一个机械产品来说，机构和功能的关系是相互依存的，而相对于机构之间的联系，功能之间的关系更加重要。
在产品的整个系统中，各项功能之间存在着并行和上下两种关系。
所谓上下级关系我们又称之为前后级关系，它是指在系统中的某个功能会因另一个功能的出现而出现，其中，最先出现的功能我们称之为上位功能，而被引出的功能我们称之为下位功能。
由此可见它们之间的关系是相对的，随二者出现的先后次序而改变。
而并行关系则是指虽然一个功能仍是因某一功能的出现而出现，但不同的一点是此时出现2个功能，这时的关系则为并行关系。
3.2机械手的组成及其模块化
本课题研究的是四自由度搬运机械手，这种机械手主要用于一般的流水作业线和一些重量较轻的货物搬用，为了降低机械手的设计难度我们将机械手按其功能用模块化的方法分成若干个基本的独立功能分别进行设计，然后对各个相互独立的功能模块按要求进行组合，从而可以设计出不同规格、不同功能系列的产品[4]。
当产品需要维修或更新换代时，可以通过对产品的部分功能模块进行改进或重新设计，这样可以使得设计成本和后期维修成本大大降低，同时也大大缩短了产品的设计周期。
通过对机构零部件标准化和功能模块化的有机统一，充分实现产品的可变性和系列化，满足不同的工作要求，大大提高机械手的通用性。
3.3机械手基本结构构成及其设计流程
3.3.1机械手的基本结构
本课题设计的四自由度搬运机械手要求具有占地面积较小而活动范围相对较大的特点，同时还要求有较高的平稳性和精度。
所以对于机械手的结构的设计应尽量简单，这样可以减少动作的误差叠加，同时还应该尽量提高产品的通用性和降低成本[5]。
机械手的基本结构设计如图3-1所示。
图3-1机械手的整体结构简图
3.3.2机械手的总体设计流程
由于本课题研究的机械手主要用于器件的搬用，所以只有首先确定了机械手搬用器件的有效重量,之后才能确定相关的力、力矩等技术参数，然后才能进行整个机构及其各个模块的设计，最后才能对模块进行组合以及结构的调整和修改，实现对产品的设计和完善。
所以关于机械手的设计必须遵循一定的设计流程,这样便于实现设计过程的标准化并大大简化流程,有利于成本的降低。
机械手的具体的设计流程图如图3-2所示。
3.4机械手执行机构的设计
机械手在作业时，与完成具体工作直接相关的机构称为执行机构，执行机构设计的合理与否直接影响机械手工作性能的好坏以及机械手的整体成本，所以执行机构设计的质量对于整个机械手的性能有着至关重要的影响。
基本上机械手的整个设计工作都是以执行机构为中心,首先根据目的功能来进行执行机构的设计，然后再通过执行机构设计驱动系统和控制系统，最后整个设计工作完成[6]。
确定抓重
手部设计
手臂设计
底座及其它零部件设计
将模块进行组合装配
图3-2机械手的设计流程图
3.4.1机械手手部的结构设计
本课题研究的机械手主要用于流水线上器件的搬用，而机械手手部的结构是与实际工作物体直接接触的最终执行机构，所以机械手手部结构的确定应与实际工作中所搬用物体的类型相适应。
我们此次设计的机械手要求起具有一定的通用性、低成本、且便于控制，所以最终选用气动控制型机械手，并且采用夹持式结构以便满足其通用型的要求[7]。
机械手手部的具体结构如3-3图所示。
图3-3机械手手部结构简图
3.4.2机械手手部结构（夹持爪）的计算
夹持气爪的选择要根据气爪的具体工作环境而定，包括夹持气爪所搬运货物的重量、尺寸以及气爪的工作行程和空间范围等，本课题所研究的机械手在工作时搬运的标准器件其具体参数为：
夹持点距转轴中心的最大力臂为
由此计算并确定夹持气爪的规格。
夹持气爪对器件加持力的计算如下：
（3-4）
其中：
表示安全系数，（一般取值
）；
表示工况系数（一般情况下受器件惯性力的影响较大
，
表示器件的加速度，
表示器件的重力加速度）；
表示位置系数；
表示器件的重量；
计算过程中分别取
，
，
；则由式3-1可得：
所以夹持力矩（根据最小的夹持力计算）为：
根据上述计算结果，选取
气爪，其主要性能参数为：
①手抓开合时间为
；②气爪的夹持力矩为
；③机械手部的重复定位精度为
。
3.5机械手手臂结构的设计
本课题研究的机械手其手臂的结构组成包括：
大臂（水平臂）和小臂（垂直臂）两部分，大臂用来实现水平的回转然后再配合小臂在大臂上的伸缩移动实现水平面内位置的全覆盖，小臂部分利用气动系统实现垂直的升降，这样机械手便可在一定的立体空间内任意移动，实现货物的准确定位和搬用。
此外，对于机械臂的设计还应该遵循2个基本原则：
⑴机械臂在工作过程中需具备一定的运动精度和定位精度，所以在设计时要保证各机械臂必须有一定的刚度；⑵涉及到对于机械手产品成本问题以及具体实际工作的要求，应保证手臂的结构尽量简单、重量尽量轻，以达到节约材料、减少机械手的运动惯性使其动作灵活的目的。
机械手手臂是保证机械手爪部按照指定路线移动的重要运动部件，机械手四自由度就是由手臂的结构来保证的，因此我们对于机械手手部运行轨迹和定位精度的要求都要通过手臂来保证，所对于手臂我们有如下要求：
①要求手臂的重量尽可能轻，这样可以大大降低手臂运动时的惯性冲击、使动作更加灵活，同时还可以大大节约材料。
②要求机械臂必须具有一定的刚度，因为这样可以大大提高机械手运动的精度和定位的精度[8]。
⑴竖直升降模块的设计
竖直臂是实现机械手上下升降的模块，它的动力驱动用到的是气压缸，竖直臂由于定位不可靠，在运行过程中受工作行程、工作压力等因素影响较大，所以为了保证气缸在运行过程之中的稳定性，故而选择双联气缸。
当活塞杆克服载荷收缩做工时，根据机械臂初选的工作压力以及工作载荷，确定气缸的内径
为：
（3-2）
其中：
为气压缸的内径
；
为气压活塞的载荷
；
为气压缸受到的压力
；
为气缸总的机械效率（一般取
）；
考虑到气缸中活塞杆的直径以及具体工况：
（3-3）
根据竖直臂收缩气缸的具体工作要求以及工作过程中的具体数据参数：
伸缩时间
行程
，气缸中活塞的工作载荷
，可得气缸的内径D为
：
⑵水平伸缩模块的设计
由于水平臂只在平面内运动而且只有一端定位，所以为了保证水平臂的刚性，我们采用水平钢杆和气压缸组合使用的方法，所以气缸只需要选用笔形气缸即可，根据水平臂收缩气缸的具体工作要求以及工作过程中的具体数据参数：
伸缩时间
行程
，气缸中活塞的工作载荷
，可得气缸的内径D为
：
根据上述计算结果，选取
气缸，水平安装重复定位的精度为
。
3.6机械手底座结构的设计
本课题研究的机械手出于对其成本和应运场景的考虑，故决定设计为固定式机械手，这就要求它的底座采用固定式，如此不仅有利于降低成本，对于机械手整体刚性的提高也非常重要。
此外，固定式机械手对底座的结构要求较低，只需其满足机械手的定位要求即可。
机械手底座的机构设计如附件底座图。
4机械手的驱动系统的设计
本课题研
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