新型机械臂设计
一种用于辅助外科手术的机械臂设计
摘要：本文主要针对机器人与计算机辅助外科手术系统，设计了一种可用于辅助立体定向手术的机械臂。机械臂由机械臂本体、关节制动器组成，文章分别对机械臂本体和关节制动器的结构进行了设计和计算，使得机械臂能够测量其测量范围内任意一点相对于它自身的位置并能够在任意位置固定不动，具有较高的测量精度。最后将机械臂应用与立体定向手术，取得了令人满意的效果。
关键词：机器人与计算机辅助外科手术系统、机械臂、立体定向手术
1、引言
近几年来，医疗机器人与计算机辅助医疗外科技术（Medical Robot and Computer—Assisted Surgery）已经成为在多学科交叉领域中兴起，并越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题之一。它是基于计算层面扫描图象或核磁共振图象的三维医疗模型，对医疗外科手术进行规划和虚拟操作，最后实现多传感器机器人的辅助定位和操作。人们预计开展这方面的研究，不仅在手术精确定位、手术最小创伤、手术质量等方面将带来一系列的技术变革，而且将改变常规医疗外科的许多概念，对新一代手术设备的开发与研制产生深远的影响，并对智能机器人、计算机虚拟现实、微机械电子学等相关学科的理论与技术发展也将产生积极的推动作用[1-3]。
迄今为止，国内外已研究和开发了多种医用机器人系统，适用的范围也越来越广。据有关报道，1998年德国的T.C.Lueth研究了基于并联机器人机构的用于头部外科手术的机器人手术系统[4]；1998年美国的J.Kenneth Salisbury，Jr研究了心瓣修补手术的遥操作机器人系统[5]；1999年美国的S.Shankar.Sastry 研究了用于显微外科的微创伤机器人系统[6]。从资料上看，医用机器人系统的研究主要集中于西方发达国家，尽管已经取得了一些成果，但能真正用于临床应用的还不多。
相比而言，国内在此方面的研究多限于医疗图象的处理和识别方面。对于机器人辅助外科手术以前少有问津。近年来，清华、北航、哈工大和上海光机所分别在仿生器械、医疗外科机器人和微机器人等方面开展了初步研究。
值得一提的是北航机器人研究所和海军总医院神经外科中心联合开发的机器人与计算机辅助外科手术系统(CRAS-BH1系统)已经用于辅助立体定向手术[7]。该系统是一种用于立体定向手术的医疗外科机器人系统。立体定向外科手术是医生通过CT图片计算出病灶点在框架坐标系中的三维坐标位置(X,Y,Z)，然后在病人颅骨上钻一个小孔，将外科手术器械通过探针导管插入病人脑中，达到CT图像上定位的靶点，最后对病灶点进行切除操作的一项外科技术。开发机器人与计算机辅助外科手术系统的目的是利用机器人和计算机技术、医务人员借助图象导引辅助规划手术系统、确立手术方案。然后在机器人末端导向装置的导引下，将外科手术器械(如探针)引入脑内，辅助医务人员进行手术操作。
CRAS-BH1系统的总体结构框图如图1所示。该系统中PUMA262机器人和六自由度机械臂起到了相当重要的作用。PUMA262机器人主要作为手术辅助操作单元，六自由度机械臂主要用于控制图象。该系统经受了临床实验的考验，填补了我国在机器人辅助外科手术领域中的空白。但是，该系统在以下几个方面尚待改进：
第一，由于该系统包含价格昂贵的PUMA262机器人，使之在将来的推广应用中受到了极大的限制。
第二，现有的六自由度机械臂精度不高，难以满足使用要求。
第三，该系统中PUMA262机器人和六自由度机械臂其实都是“机器人”，但是由于其功能的局限性而不得不在此系统中采用了两个“机器人”。
就六自由度机械臂而言，其优势是各关节没有制动装置，因而操作灵活，可方便地应用于操作图象，这
是PUMA262机器人所不具备的。但在另一方面，由于PUMA262机器人有关节制动装置，使其可在空间任意一点定位。因此，医务人员可方便地利用它作为操作平台，这又是六自由度机械臂所不能的。
显然，如果设计一种新的带有可控制的关节制动器的机械臂，则可将六自由度机械臂和PUMA262机器人合二为一。当关节制动器处于“开”时，各关节可灵活运动，它相当于六自由度机械臂；当关节制动器处于“合”时，各关节相对锁紧，它相当于PUMA262机器人。
新型机械臂的设计，不仅可简化CRAS-BH1系统，而且可抛弃价格昂贵的PUMA262机器人，从而可提高原系统的经济性和可靠性，是一条符合我国国情的研究开发道路。
2、机械臂的工作原理和设计总体方案
2．1 机械臂工作原理
我们设计的机械臂主要起到两个作用，一方面代替鼠标，对三维图象模型进行交互操作，一方面为医生提供手术平台，方便医生进行手术操作。因此要求其结构灵活、轻便、精度较高，易于操作。机械臂被设计成为被动式，即机械臂本身没有驱动机构，依靠外部力量（人力）加以驱动。这种设计是符合手术规划的实际要求的。由于机械臂末端安装的手术器械导入机构是具有一个自由度的移动结构，所以机械臂设计为五自由度即可满足工作要求。机械臂的五个关节全部采用转动副的运动方式，使运动更加灵活。其整体外形犹如人的手臂，由肘部、大臂、小臂实现工作空间。手部的两个自由度保证机械手以各种姿态到达被测点。
根据上述情况，我们确定高精度、能测量、能制动机械臂(简称机械臂)的设计指标如下：
1．高精度──机械臂沿不同轨迹使其末端到达空间某点时，通过各关节电位计所得参数而计算得出的
此点坐标的差值(即总精度)小于2mm 。由于机械臂总精度由机械精度、传感器精度组成，所以要求机械臂机械精度小于1mm 。
2．能测量──机械臂能够测量其测量范围内任意一点相对于它自身的位置。
3．能制动──机械臂能够在任意位置固定不动，即各关节轴能够在任意位置锁死。
4．测量空间──机械臂末端能够到达一个300x300x300mm 的立方体中的任意一点。
5．无动力──机械臂各关节无动力装置进行驱动。
6．可操作性好──机械臂的末端能够在人手的驱动下自由运动。
7．功能可靠──机械臂的制动在末端进行操作期间要安全可靠。
8．可负载——机械臂末端能够承受1Kg 左右的重量。
9．成本低——在满足上述要求下，尽量降低成本。 二维CT图像六自由度
机械臂
PUMA262机器人
图1 CRAS-BH1系统的总体结构框图
2．2 总体方案
由设计任务确定机械臂由机械臂本体、关节制动器和关节位置测量装置三个环节组成。机械臂本体是机械臂的主体成分，它决定了机械臂的类型、工作空间、精度、关节数目、关节类型等。制动器是机械臂的重要环节，它的制动能力的好坏决定了机械臂能否提供一个安全的操作平台。关节位置测量装置类型很多，考虑到价格及精度性能等因素，在此决定采用光电编码器。本文主要对机械臂本体、关节制动器进行设计和选择。
3、高精度机械臂的设计
3．1机械臂方案拟订
机械臂实质上就是一个没有驱动和传动系统的机器人，因此可以根据现有机器人的设计拟订机械臂的设计方案。
常见的机器人的结构类型主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节结构。经分析比较后，拟采用关节结构，其优势在于以下几个方面：第一，关节结构操作灵活。这一点对于外科手术环境尤其重要。在CRAS-BH1系统中，六自由度机械臂就是关节结构，其操作的灵活性已得到了医务人员的肯定。 第二，关节结构工作空间大。在实现相同的工作空间的前提下，关节结构可做得比较紧凑。
当然，采用关节结构也会使设计遇到一定困难：精度难以提高、关节制动时所需力矩较大。但是，机械臂的设计主要是面向用户的设计，它以满足用户需要、方便用户为目标。因此，最终采用了关节结构。
为了使机械臂具有较高的灵活性，拟订了如图2所示的初步方案：它由三个回转关节和三个俯仰关节组成。由于机械臂的末端操作器本身已经有了一个自由度，使得机械臂末端的回转关节就多余了。因此，机械臂的设计采用了的如图-3所示的原理方案：它共有五个关节，即两个回转关节和三个俯仰关节。由底座到末端，不妨称之为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ关节。考虑到工作空间的要求，大臂和小臂的长度分别取为：250mm 、200mm 。
3．2使机械臂达到精度要求所采取的措施
对于高精度机械臂的设计，其核心问题就是采用何种结构、采取何种措施使得机械臂的精度达到精度要图2 机械臂总体结构
图3 轴承游隙对机械臂的影响
求。对于关节式机械臂的设计，这个问题尤为突出。
机械臂的机械精度主要由机械加工精度、机械结构精度和机械变形精度三部分组成。机械加工精度由机械加工来保障，在此不再赘述。所谓机械结构精度在此是指由于机械臂结构的特殊性而产生的特定的精度影响。下面主要介绍为提高精度而在结构设计上所采取的特殊措施。
1．关节采用U形结构
CRAS-BH1系统中的六自由度机械臂每个关节都是单端支撑，这种设计虽然给加工和装配带来了很大的便利，但其代价却是牺牲了机械臂的精度。以此为鉴，在机械臂的设计中，所有关节都采用了双端支撑，即U形结构。
2．关节采用高精度轴承支撑
轴承给机械臂造成的误差主要有两项：一是由轴承内、外圈和所连接构件之间的间隙产生的；另一是由轴承内、外圈本身的不同心(即游隙)产生的。设计机械臂时，轴承内、外圈和所连接构件均为过赢配合，因此，间隙误差可忽略不计。相比之下，游隙误差就十分显著。它是影响机械臂机械精度的最主要的因素。由于游隙的存在而产生了对机械臂精度的影响，在此称之为结构精度。
在机械臂的设计中，采用了进口的日本精工株式会社的高精度向心推力球轴承(相当于国家标准的C级轴承)。其有关参数见表1。
表-1 机械臂所采用的高精度轴承有关参数
表中4μ的径向游隙是轴承在承受了一定的预负荷(即轴承内、外圈沿轴向反向受力)时得出的参数。
在机械臂的设计中，U形结构的采用使得高精度轴承可成对使用。由于在两轴承内圈之间有套筒，因此，通过向端盖施压就可使两轴承预紧，从而可达到4μ的径向游隙。
下面以Ⅰ关节为例计算轴承游隙对机械臂精度的影响。参见图3，设Ⅰ关节中的两个轴承间的支撑距离为b1，机械臂末端到Ⅰ关节的距离为h1。显然，由游隙而产生的机械臂末端的误差Δ1与b1成反比，与h1成正比。当两轴承游隙达到最大(即δ1max=4μ)，且方向相反，同时，h1也达到最大h1max时，Δ1达到极限值Δ。此时，Δ1max可由下式计算得出：
1max
Δ1max =2×δ1max×h1max÷b1
对于Ⅰ关节，h1max=600mm，b1=42mm，故：
Δ1max =2×δ1max×h1max÷b1=0.114mm
同理：对于Ⅱ关节，h2max=500mm，b2=52mm，故：
Δ2max =2×δ2max×h2max÷b2=0.077mm
对于Ⅲ关节，h3max=300mm，b3=52mm，故：
Δ3max =2×δ3max×h3max÷b3=0.046mm
对于Ⅳ关节，h4max=300mm，b4=50mm，故：
Δ4max =2×δ4max×h4max÷b4=0.048mm
对于Ⅴ关节，h5max=100mm，b5=20mm，故：
Δ5max =2×δ5max×h5max÷b5=0.04mm
因此，由各关节轴承游隙所造成的机械臂累积极限误差Δx max为：
Δx max =Δ1max +Δ2max +Δ3max +Δ4max +Δ5max=0.325mm
当然，Δmax=0.325mm是在非常极端的情况下产生的。实际使用时发生这种情况的概率极小。一般情况下，可以认为Δx=0.2mm(略大于Δ1max +Δ2max )。
如果采用普通轴承，则在相同的预紧条件下，单个轴承的最大游隙为：δmax=10μ。以此带入计算，则Δmax =0.813mm。显然普通轴承不能满足设计要求。
3．采用满足刚度要求的杆件
机械臂的杆件变形是影响机械臂机械精度的另一个重要原
因。因此，各杆件的截面除了要满足结构要求外，更主要的是要
满足刚度要求。
当大臂和小臂均为水平状态时，作如图4所示之简化。机械
臂在末端载荷F=10N 的作用下所产生的末端挠度为最大Δy max 。
且可以以下式近似计算得出：
Δy max =F ×L 3/I/E/3=0.05mm
式中：L=500mm
F=10N(末端载荷)
E=68×103Mpa(铝LY12CZ 的弹性模量)
I=22(423-203)/12=1.2×105mm 5(截面惯性矩)
显然，设计中所采用的杆件截面能够满足设计要求。 4．关节制动器的设计
关节制动器的性能是机械臂的制动功能能否实现的重要保障，它的设计也是设计工作的一项重要内容。设计之初，本打算采用现有的制动器成品，并把十分流行的电磁制动器作为首选。经与国、内外多家厂家联系后，没发现合适的体积小、制动能力大的电磁制动器，只得自行设计一种各关节都能使用的制动器。
4．1制动器的设计要求
● 制动力矩大。在末端外载荷的作用下，机械臂的Ⅱ关节所受力矩最大，约为5000Nmm ，其它关节
所受力矩较小，均小于1000Nmm 。
● 体积尽量小。机械臂是一种医疗外科器械，如果制动器体积太大，将妨碍机械臂的灵活操作。 ● 重量尽量轻。制动器如果重量过大，将增加机械臂的整体重量，妨碍机械臂的灵活操作，加大制动
器本身的工作负担。
4．2制动器方案的拟定
制动器的原理方案如图5所示，它以电机作为驱动力，然
后通过一连串机构的转化、放大后，最后形成了阻碍关节轴旋
转的摩擦力矩。具体介绍如下：
螺纹机构：将电机输出力矩M 转化为螺母驱动力F 0。
肘杆机构：将F 0放大为F 1。
杠杆机构：将F 1放大为F 2。
楔形机构：将F 2放大为N 。
摩擦机构：将N 转化为摩擦力矩T 。
4．3 制动器的设计计算
参见图5，电机的输出力矩M 是通过一个5×0.5的细牙螺纹产生推动力F 0的。由螺纹传动理论，易得： F 0=2×M ÷d 2÷tg(λ+ρv
)
图4 杆件挠度对机械臂精度的影响
图5 制动器工作原理图
式中，d2=4.675(螺纹中径)
λ=tg-1(t/π/d2)=1.950°(螺距t=0.5时的螺旋升角)
ρv= tg-1(f/cos30°)=6.587°(f=0.1时的当量摩擦角)
参见图5，由力的平衡原理，不难得出以下各式：
F0=2×F1×sinα
a×F1×cosα=b×F2
F2=2×N×sinβ
T=4×N×f×r
制动器的制动能力与工作角α的大小有极为密切的关系。α越小，则摩擦力矩T越大。理论计算表明：α=0时，F0、T等将为无穷大。但实际上由于构件变形，以及构件间摩擦的存在，F0、T等只能是有限值。
制动器的工作角度α可在装配时调节。通过调节与关节轴接触的V形爪的尺寸(钳工修配)，就可调节α的大小。
当选用电机的最大输出力矩M分别为15Nmm（Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ关节）和75Nmm（Ⅰ、Ⅱ关节），α=20°，β=45°，a=54mm，b=6mm，r=10mm，f=0.1时，可得以下计算表格：
表-2 制动器制动能力计算
显然，α=20时，制动器的制动能力是能够满足设计要求的。
5. 机械臂辅助立体定向手术的临床应用
5．1 机械臂精度的提高
机械臂设计制造完成后是否能满足临床应用的要求，还要对机械臂的位置精度进行测试并给予提高。机械臂的位置精度是指计算机通过安装在机械臂各关节上的传感器获取的末端位置值与机械臂在手术操作空间中的实际位置之间的差别。换言之，当机械臂以不同的位置姿态到达手术操作空间某一点时，计算机所获取的末端位置坐标值应与之想对应。
从机械臂的工作原理可知，影响机械臂精度的因素很多，其中机械臂加工和安装中产生的连杆参数（D-H 参数）误差对机械臂精度的影响最大，使得机械臂难以满足手术精度的要求。本文主要针对机械臂加工和安装中产生的连杆参数（D-H参数）误差给予补偿，我们利用距离误差模型对D-H参数进行标定以达到补偿机械臂末端精度。由于篇幅所限，距离误差模型的详细介绍请参见文献[8]。经过反复测试，标定后的机械臂末端位置偏差小于2毫米，完全可以满足手术的需要。
5.2 机械臂辅助立体定向手术的临床应用
在大量实验的基础上我们在手术环境下进行了仿真实验，在一个颅骨表面贴上金属标志点，在颅骨中固定了一个直径4mm的金属模拟靶点。CT扫描后，在规划系统上完成标志点和靶点测量后，用机械臂将探针对准靶点,测试结果表明定位精度可以满足临床应用的需要。
1999年4月20日在海军总医院，采用新型机械臂进行了首例脑部肿瘤外科手术。手术时首先将标记点固定在病人头上，然后进行CT扫描。将CT扫描的结果送入计算机，进行三维重建，在图象空间（计算机空间）中进行三个标记点和手术靶点的坐标测量，并进行手术规划，规划好的路径显示在重建的三维模型上。手术时病人的头部与手术床相对固定，用机械臂在手术空间对标记点进行测量，图6所示。利用标记点在手术空间和图象空间的测量结果计算从手术空间到图象空间的映射变换。在手术空间中移动机械臂末端的手术
探针，导引软件将此时探针的位姿实时地显示在图象空间中，当手术探针图象的轴向与规划的轨迹重合时锁定机械臂，图7所示。医生以固定在机械臂末端的工具作为手术器械的固定支架，准确地将探针送达靶点。穿刺针到达靶点后，抽吸出囊液，辅助手术完成。然后，医生对患者眼睛、手脚的运动情况进行术后常规检查，结果一切正常。手术整个过程顺利，患者无不良反应。
图6 机械臂测量标记点图7 机械臂锁定
在成功地进行了首例临床手术后，我们又陆续采用新型机械臂进行了四十余例临床手术。已成功开展的手术项目有：(1) 脑深部病变活检定性；(2) 脑肿瘤内注药（核素或化疗药）；(3) 脑肿瘤后装放射治疗；(4) 脑深部血肿及脓肿排空；(5) 脑内异物摘除；(6) 小型脑瘤切除等。
6．结论
通过大量的实验测试、手术模拟和临床应用，结果表明由北京航空航天大学机器人研究所与海军总医院全军神经外科中心联合开发研制的新型机械臂，机构简单，测量精度高，制动性能可靠，造价低廉，满足辅助立体定向手术的要求。新型机械臂取代了CRAS-BH1系统中PUMA262机器人，不仅大大简化了系统结构，提高了系统的可靠性和安全性，而且大大降低了成本，为系统进一步向实用方向转化奠定了基础。
参考文献：
[1]王田苗, 宗光华, 张启先,“新应用领域的机器人……医疗外科机器人”,机器人，1996年9月，第18卷
增刊，pp.603-606.
[2]林良明，丁洪，“机器人技术在医疗和福利工程中的应用研究”，世界医疗器械，1997年1月，第3卷，
第1期，pp46-50
[3]P aol Dario,“Robotics in Medicine”,Internal Progress Report , ARTS Lab, 1993,pp739-752.
[4]T.C.Lueth，“Robot Cell for Craniofacial Surgery”，IARP,2nd Workshop on Medical
Robotics,Nov.10-12,1997,Heideberg,Germany, pp2506-2511。
[5]J. Kenneth Salisbury， Jr.“ The Heart Of Microsurgery, Mechanical Engineering”，
Vol.120/NO.12 December 1998。
[6]S.Shankar.Sastry，“A Laparoscopic Telesugical Workstation”，IEEE Transactions on Robotics
and Automation，VOL.15，No.4，August 1999。
[7]C hen.MD，Wang.TM，“Development of Robot Assisted Minimally Invasive Neurosurgery and Clinical
Application”，Proc. of the 1998 IEEE ICRA, Leuven, Belgium, pp955-1000。
[8]周学才，“工业机器人性能评估与误差补偿技术的研究”，中国科学院机器人学开放研究实验室基金课
题研究报告，1992年9月。
通用机械臂设计说明书
题目: 通用机械臂机构设计
目录 1.绪论 (1) 1.1 选题背景 (1) 1.2 国内外研究现状和趋势 (1) 1.3机械臂的组成 (2) 1.4 设计目的 (3) 1.5研究内容 (4) 2.机械臂的总体设计方案 (4) 2.1 机械臂总体结构的类型 (4) 2.2机械臂主要部件及其运动 (5) 2.3驱动机构选择 (6) 2.4机械臂技术参数 (6) 3.机械臂手部计算 (7) 3.1手部设计基本要求 (7) 3.2典型手部结构 (7) 3.3机械臂手爪的设计计算 (7) 4.腕部的设计计算 (12) 4.1腕部设计基本要求 (12) 4.2腕部结构 (13) 4.3腕部的设计计算 (13) 5.臂部设计以及有关计算 (17) 5.1臂部设计的基本要求 (18) 5.2手臂的典型机构及其选择 (19) 6机座设计 (24) 结论 (24) 参考文献 (25)
1.绪论 1.1 选题背景 机械臂是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械臂的发展，使得机械臂能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械臂能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械臂越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械臂已发展成为柔性制造系统FMS 和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械臂共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械臂的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械臂的研究设计是非常有意义的。 1.2 国内外研究现状和趋势 目前，在国内外各种机器人和机械臂的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下： A．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。 B．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
机械手臂设计说明书_
成都航空职业技术学院 汽车工程系 设计说明书 设计题目: 汽车模拟装配线两关节机械手臂 组员姓名：赵治帅张良李杉李廷堃郑宁波 专业班级：机电一体化 10939 指导教师：申爱民 20011 年10 月30日
摘要 本文对模拟汽车装配线的工作原理和运动控制做了阐述，对如何防止故障时撞车和故障报警做出了系统说明，并深入研究了导轨的滑撬式传动和脱钩式等其他传动的优缺点；认真研究了步进电机伺服电机的原理，然后给出了具体的实现方法。现代汽车总装工艺自动化程度越来越高。汽车制造总装机械化生产包括整车装配线、车身输送线、储备线、升降机等。主要分为一次内饰装配线（车身打号、天窗、线束、ABS、顶棚、地毯、气囊帘、车门支撑板、车门玻璃、密封条、仪表盘、水箱等）、底盘线（油管、油箱、隔热板、动力总成、后悬、排气管、挡泥板、轮胎等）、二次内饰线（风窗玻璃、座椅、仪表板后端、电瓶、空滤器、备胎、后备箱备附件、雨刷、介质加注、车门调整、线路管路插接等）、整车完整性检查、整车测试线、路试跑到、调整雨淋线等。 但由于受资源和能力限制，我们的模拟生产线只取其中的一次内饰、底盘、二次内饰，加上上线和下线工位，一共是五个工位且都采用一个工位表示。主要目的是将说学过的机电一体化只是都用到，并实现部分功能。达到训练、学以致用，能力提高的目的。 关键词:汽车装配工艺结构原理
目录 摘要................................................................................................................................. 目录 ............................................................................................................................. 序言................................................................................................................................... 1总体结构方案说明： ....................................................................................................... 1.1 ........................................................................................................................... 1.1.1..................................................................................................................... 1.1. 2..................................................................................................................... 1.2 .............................................................................................................................. 1.3 ........................................................................................................................... 1.3.1..................................................................................................................... 1.3. 2..................................................................................................................... 1.3.3..................................................................................................................... 1.3.4..................................................................................................................... 2．系统主要功能及技术指标、原理图................................................................................
机械手设计说明书doc
机械手设计说明书 篇一：机械手设计说明书 指导老师： 设计合作成员： 一、设计项目名称 机械手臂手指机构2 二、设计目的 本设计拟搬运宽度尺寸90～110mm、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，手指机构带水平转盘。手指的动力驱动方式为液压传动。液压传动的机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。 三、设计要求 (1)机械手为专用机械手，适用于夹六菱柱形钢质工件。 (2)选取机械手的座标型式和自由度。 (3)主要设计出机械手的手部机构。 (4)液压传动系统液压缸的选用 四、设计方案 4.1 机械手基本形式的选择 机械手的典型结构一般可分为：回转型（包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种）、移动型（移动型即两手指相对支座作往复运动）和平面平移型。本设计采用二指回转型手抓。 4.2 机械手的主要部件及运动 本机械手的部件有齿轮、齿条、连杆和液压缸等。主要
的运动有直动液压缸驱动齿条的平动、齿轮和齿条的啮合运动、连杆的转动和手抓的平行移动。 4.3 驱动方式的选择 本机械手的驱动方案采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 4.4 机械手的技术参数列表 用途：卸码垛机械手臂抓重：5kg 抓取的物体的几何形状：宽度为90～110mm六菱柱形钢质工件机械手自重：小于等于10kg 4.5 机械工作原理 机械手的夹工件的工作原理框图如图1所示。 图1. 机械手夹工件的工作原理框图 该机械手采用了液压驱动方式来实现其工作的要求，工作要求就是机械手能适应六菱柱形钢质工件不同面的夹持，故带有水平转盘手臂的回转运动。 传动机构采用齿条与齿轮啮合。本机械通过液压驱动传递动力推动齿条平动，齿条与齿轮啮合将液压缸传来的水平运动转化为齿轮连杆的回转运动。而齿条与齿轮啮合驱动四连杆转动，四连杆机构使夹板水平移动，完成对工件的夹紧松开。机械手的整体结构图如图2、图3所示。手爪部分特点如下表述： 1. 机械手手部由手爪（即夹板）和传力机构所构成。
机械臂设计毕设计说明书
目录 1 绪论 (1) 1.1前言 (1) 1.2课题的来源与背景 (1) 1.3研究的目的和意义 (2) 1.4林业集材机的概述 (3) 1.5国内外研究现状及发展趋势 (3) 1.5.1 国内发展动态及研究现状 (3) 1.5.2 国外发展动态及研究现状 (4) 1.6论文主要研究内容 (5) 2 机械臂设计理论 (7) 2.1机械臂的组成及分类 (7) 2.1.1 机械臂的组成 (7) 2.1.2 机械臂的分类 (7) 2.2机械臂的自由度及坐标形式 (8) 2.2.1 机械臂的自由度 (8) 2.2.2 机械臂的坐标形式 (8) 3 集材机机械臂的总体设计 (10) 3.1机械臂的设计参数 (10) 3.2机械臂的结构形式 (10) 3.3机械臂典型部件特点 (10) 3.4机械臂的工作范围 (11) 4 集材机工作装置的受力分析 (13) 4.1集材机机械臂的工况分析 (13) 4.2集材机机械臂的受力分析 (13) 4.2.1 空载时各级臂架所受的弯矩 (13) 4.2.2 抓举活立木时各级臂架所受弯矩 (14) 4.3机械臂连接处的受力分析 (15) 4.3.1 主臂铰接处分析 (15) 4.3.2 副臂铰接处分析 (15) 5 基于SOLIDWORKS集材机机械臂的造型 (17) 5.1参数化设计与S OLID W ORKS软件 (17) 5.1.1 参数化设计 (17)
5.1.2 SolidWorks软件介绍 (17) 5.2集材机机械臂零部件造型 (18) 5.2.1 旋转基座的造型 (18) 5.2.2 其它零部件的造型 (21) 5.3集材机机械臂的虚拟装配 (22) 6 集材机机械臂的有限元分析 (24) 6.1S OLID W ORKS有限元分析模块及理论基础 (24) 6.1.1 有限元法理论基础 (24) 6.1.2 SolidWorks的Simulation模块 (24) 6.2机械臂零部件的有限元分析 (25) 6.2.1 有限元分析过程 (25) 6.2.2 主臂的有限元分析结果 (26) 6.2.3 副臂的有限元分析结果 (28) 6.2.4 主臂结构优化 (29) 6.2.5 副臂结构优化 (31) 结论 (34) 致谢 (35) 参考文献 (36)
搬运机械手设计说明书
机械与装备工程学院 课程设计说明书（2016/2017学年第 1学期） 课程名称：机械设计课程设计 题目：搬运机械手的设计 专业班级：机械设计制造及其自动化学生姓名： 学号： 130200216 指导教师： 设计周数： 2周 设计成绩： 2016年 12月 31日
目录 第一章绪论 (1) 1.1 机械手的应用现状 (1) 1.2 机械手研究的目的、意义 (1) 1.3 设计时要解决的几个问题 (1) 第二章机械手总体方案的设计 (3) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (3) 2.2 机械手的基本结构及工作流程 (3) 第三章机械手的方案设计及其主要参数 (5) 3.1 坐标形式和自由度选择 (5) 3.2 执行机构 (5) 3.3 驱动系统 (6) 3.4 控制系统 (7) 第四章结构设计及优化 (8) 4.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.2 确定气缸直径 (9) 4.1.3 气缸作用力的计算及校核 (9) 4.1.4 缸筒壁厚的设计 (10) 4.1.5 气缸的基本组成部分及工作原理 (10) 4.2手臂结构优化设计 (10) 4.2.1问题描述 (10) 4.2.2设计分析 (10) 4.2.3建立数学模型 (12) 4.2.4优化计算 (13) 4.2.5优化结果分析 (16) 第五章 Adams运动仿真 (17) 总结与展望 (20)
摘要 机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备，它对稳定、提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用，随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 本设计中的搬运机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。 本文中对机械手臂运用MATLAB算法进行优化设计，它使得优化过程变得非常简单、容易理解和掌握，从而避免编写各种复杂的运算程序，提高了设计效率。 用 ADAMS 软件建立虚拟样机进行仿真并优化参数，得出了机械手的运动过程的演示动画，发现设计结构能有机地结合在一起，工作平稳，并在指定的速度和负载等参数下得出了所需要的驱动力和结构参数等。虚拟样机代替物理样机对工程机械进行创新设计、测试和评估，可以降低设计成本，缩短开发周期，而且设计质量和效率都可以得到提高。 关键词:机械手，气动，优化设计，仿真
机械手电气设计说明书
（一）、基本情况介绍 机械手结构、动作与控制要求 机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并右电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统。 机械手的结构如图8-13所示，主要由手指1、手腕2、小臂3、和大臂5等几部分组成。料架6为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。每转动一定角度（由工件数决定）以保证待加工零件4对准机械手。 机械手各动作与相应电磁阀动作关系如表8-4所示。 以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是：由原始位置将以加工好的工件卸下，放回料架，等料架转过一定角后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。 图8-13 机械手的外形及其与料架的配置 1-手部 2-手腕 3-小臂 4-工件 5-大臂 6料架 (二)、拖动情况介绍 具体动作顺序是： 原始位置（装好工件等待加工位置，其状态是大手臂竖立，小手臂伸出并处于水平位置，手腕很横移向右，手指松开）——手指夹紧（抓住卡盘上的工件）——松卡盘——手腕左移（从卡盘上卸下已加工好的工件）——小手臂上摆——大手臂下摆——手指松开（工件放回料架）——小手臂收缩——料架转位——小手臂伸出——手指夹紧（抓住未加工零件）——大手臂上摆（取送零件）——小手臂下摆——手腕右移（将工件装到机床的主轴卡盘中）——卡盘收紧——手指松开，等待加工。
（三）、设计要求 1）加工中上料、下料各动作采用自动循环。 2）各动作之间应有一定的延（由时间继电器调定）。 3）机械手各部分应能单独动作，以便于调整及维修。 4）油泵电机（采用）及各电磁阀运行状态应有指示。 5）应有必要的电气保护与联锁环节。 二、设计过程 （一）、总体方案选择说明 机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 1按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和‘加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。 通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 2按驱动方式分 液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
三自由度机械手臂设计说明书
SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 课程设计说明书 三自由度机械手臂设计 学院：农业工程与食品科学学院 专业：农业机械化及其自动化 学生姓名：赵国 06 学生姓名：李继飞 00 学生姓名：程小岩 09 指导教师：程卫东 2013 年 1 月
摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。
目录 第1章绪论 (5) 机器人概述 (5) 第2章机器人实验平台介绍及机械手的设计 (6) 自由度及关节 (6) 基座及连杆 (6) 基座 (6) 机械臂 (6) 机械手的设计 (6) 驱动方式 (8) 传动方式 (9) 制动器 (10) 第3章控制系统硬件 (11) 控制系统模式的选择 (11) 控制系统的搭建 (11) 工控机 (12) 数据采集卡 (12) 伺服放大器 (13) 端子板 (14) 电位器及其标定 (15) 电源 (16) 第4章控制系统软件 (16) 预期的功能 (16) 实现方法 (16) 实时显示各个关节角及运动范围控制 (16) 直流电机的伺服控制 (16) 电机的自锁 (16) 示教编程及在线修改程序 (17) 第5章总结 (18)
气动机械手-设计说明书
一、设计要求 为卸码垛机械手臂配制造附件，即夹持工件的手指机构。机构应根据工件的形状、尺寸、工件质量大小、表面性质等因素专门设计。本设计拟搬运宽度尺寸90～110mm、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，手指机构带水平转盘。设计手指机构的机械结构，机构自身重量控制在10kg以内，手指的动力驱动方式自选。 二、具体设计方案 本次机械手的主要设计构思来源于实验室的机械手模型，通过对实验室机械手的一系列观察研究，开始了如下方案的设计。 首先，我们选择了气动的方式来驱动机械手的运动，而对于气缸的选择，因为在这方面的学习还不够，而且对于我们所设计的机械手结构在气缸方面的要求不高，故在此不作进一步研究。 根据实验室的机械手模型，我们仿照其结构把机械手设计为平行式夹持手爪，接下来是对一些重要尺寸的确定做一较为详细的介绍。 2.1机械手手爪伸缩运动的设计 通过查阅相关资料，对于夹持型手爪进行受力分析如图所示，两个手指总夹持力2μF必须大于夹持工件的重力mg 故应满足2μF>mg，即F>mg/2μ式中μ为摩擦系数，本次设计的手指夹持处设有辅助件，材料取为硬质橡胶，一般令μ=0.65； 另外已知m为5kg； 由此可得F>mg/2μ=5×9.8/(2×0.65)=38N
机械手的结构图如下： 此部分为机械手的夹持部分，由图中可知，此结构主要是以齿轮齿条的啮合运动来实现手指的夹紧与放松，而通过两个类似于单缸气缸的腔体充气和放气产生推动力。因此根据公式可得： D=（4F/（πPη））? 其中η为负载率,一般取0.4。代入相关数据可得：D=0.017m 又知腔体中受压缩气体作用的面积为一圆环，即 s=π*（R2-r2）=π*D2/4 （其中R为腔体外半径，r为轴半径） 只要圆环面积s大于π*D2/4即可，现取D=0.02m=20mm r=10mm R=20mm 则s的面积足够大，能提供足够的推力来满足运动。 之后根据所夹持件尺寸的要求是90至110mm，则按照90mm来计算（最小的工件尺寸），若能夹到的话，则110mm的也一定能夹到，然后通过一系列的尺寸推导运算（该部分是通过先初步设计尺寸，然后在建模过程中不断修改所得），即可设计出如上所示的机械手结构。其中最主要的就是齿轮齿条的行程大小确定，它是根据所要夹持工件的尺寸要求来设计的。
工业机械手的设计说明书
机械系统设计 课程设计说明书 设计题目：工业机械手设计 学院：机电工程学院 班级：机械092班 姓名： 学号：
第四章手臂的设计 4.1手臂伸缩的设计计算 手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。 臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。 机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。多义性在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。 1. 伸缩液压缸的设计计算 1.1 求水平伸缩直线运动液压缸的驱动力 根据液压缸运动时所需克服的摩擦、回油背压及惯性等几个方面的限力，来确定液压缸所需的驱动力。 手臂的伸缩速度为300mm/s 行程L=400mm 抓重100N 液压缸活塞的驱动力的计算 F F F F F =+++ 回 摩密惯 式中F 摩 一一摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力。 F 密 一一密封装置处的康擦阻力; F 回 一一液压缸回油腔低压油掖所造成的阻力; F 惯 一一起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。 F 摩、F 密 、F 回 、F 惯 的计算如下。 4.1.1. F 摩 的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况 进行估算。
图4-15为双导向杆导向，其导向杆截面形状为圆柱面，导向杆对称配置在伸缩缸的两侧， 启动时，导向装置的摩擦阻力较大，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。 0A M =∑ b G L aF =总 b G L F = 总a 0Y =∑ b a G F F += 得a L a F G a +?? = ???总 ' 2L a F G a μ+?? ∴= ??? 总摩 式中G 总——参与运动的零部件所受的总重力(含工件重),估算G 总=(100+700)N=800N L ——手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支承前端的距离(m),L=100mm a ——导向支承的长度,a=150mm; 'μ一一当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。 对子圆柱面: '4(1.27 1.57)2πμμμπ?? =?= ??? 取'μ=1.5μ μ——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时:
机械手设计说明书
机 械 专 业 课 程 设 计 指导老师： 设计者：学号：专业班级：设计题目：搬运机械手完成时间：2011年07 月02日 目录
一、设计任务 (1) 1.1 设计任务介绍 (1) 1.1.1 课程设计的目的. (1) 1.1.2 课程设计的容. (1) 1.1.3 课程设计的要求. (1) 1.1.4 课程设计的具体任务. (2) 1.1.5 研究机械手的意义. (2) 1.2 设计任务明细 (3) 1.2.1 总体方案的设计. (3) 1.2.2 机械系统的设计 (3) 二、总体方案设计 (3) 2.1 驱动系统 (3) 2.2 执行 (4) 2.3 控制系统 (4) 3.1 机械传动装置的组成及原理 (5) 机械手的机械传动装置示意图如下. (5) 3.2 滚珠丝杠简介与特点 (5) 3.3 滚珠丝杠的设计及选型 (6) 3.3.1 螺旋类型及种类. (6) 3.3.2 初始条件 (6) 3.3.3. 滚珠丝杠副的组成及主要尺寸. (7) 3.3.4 计算过程 (7) 3.3.5 滚珠丝杠最小轴经校核. (9) 3.4 电机选型及联轴器选型 (9) 3.4.1 电机选型 (9) 3.4.2 联轴器的选择. (9) 3.5 键的选择与校核 (10) 3.5 轴承的选型与校核 (10) 3.5.1 轴承的选型. (10) 3.5.2 轴承的校核. (10) 3.6 主要联接部位螺栓的校核 (12) 3.7 轴承座、机架、导向柱、底座等基本构件的结构设计 (13) 四、电气控制系统设计 (13) 4.1 控制系统的基本组成 (13) 4.2 电气元件的选型 (14) 4.2.1 可编程序控制器的选择 (14) 4.2.2 步进电机驱动器的选择 (14) 4.2.3 步进电机选择与控制 (15) 4.3 电气控制电路的设计 (16) 4.4 控制程序的设计 (17) 4.4.1 机械手搬运流程图 (17) 4.4.2 输入/ 输出地址分配 (17) 4.4.3 机械手位移控制程序 (18) 4.4.4 搬运机械手搬运程序设计. (21) 五、课程设计总结 (28)
机械手臂课设说明书.
课程设计说明书 目录 1引言 (1) 2 PLC的简介 (2) 2.1 PLC的产生 (2) 2.2 PLC的定义和特点 (2) 2.2.1 PLC的定义 (2) 2.2.2 PLC的特点 (2) 2.3可编程控制器的主要性能指标 (3) 2.4 PLC系统的组成 (3) 2.4.1 PLC的硬件结构 (3) 2.4.2 PLC的软件 (3) 2.5 PLC的应用领域 (4) 3方案设计 (6) 3.1 主程序设计 (6) 3.2 公用程序设计 (6) 3.3 自动程序设计 (7) 3.4 手动程序设计 (7) 3.5 自动回原点程序设计 (8) 4心得体会 (10) 参考文献 (11) 附录1 (12) 附录2 (16)
1引言 机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。 可编程序控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一[1]。 由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。
机械手臂说明书
二、手臂的设计 2.1、手臂伸缩的设计计算 手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。 根据液压缸运动时所需克服的摩擦、回油背压及惯性等几个方面的限力，来确定液压缸所需的驱动力。 手臂的伸缩速度为250mm/s 行程L=300mm 液压缸活塞的驱动力的计算 P P P P P =+++ 回 摩密惯 式中P 摩 一一摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力。 P 密 一一密封装置处的康擦阻力; P 回 一一液压缸回油腔低压油掖所造成的阻力; P 惯 一一起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。 P 摩、P 密 、P 回 、P 惯 的计算如下。 2.1.1、P 摩 的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况进行估算。
图4-15为双导向杆导向，其导向杆截面形状为圆柱面，导向杆对称配置在伸缩缸的两侧， 启动时，导向装置的摩擦阻力较大，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。 0A M =∑ b G L aF =总 b G L F =总a 0Y =∑ b a G F F += 得a L a F G a +?? = ??? 总 '2L a P G a μ+?? ∴= ??? 总摩 式中G 总——参与运动的零部件所受的总重力(含工件重),估算 G 总=G 工件+G 手+G 手腕+G 手臂=(80+60+60+250)N=450N L ——手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支承前端的距离 (m),L=100mm a ——导向支承的长度,a=150mm; 'μ一一当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。 对子圆柱面:
机械手设计说明书
机械综合课程设计说明书设计题目：机器人液压手爪设计 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 姓名： 学号： 成绩： 2017年12月23日
目录 课程设计指导书 (1) 目录 (2) 摘要 (3) 第一章概述 (4) 1.1工业机器人和机械手概述 (4) 1.2 机器人的历史、现状 (5) 1.3 机器人发展趋势 (6) 第二章机械手结构设计 (6) 2.1设计时应考虑的几个问题 (6) 2.2 机械手指形状设计 (7) 2.3 机械手爪整体结构设计 (7) 第三章手爪受力计算及分析 (8) 3.1 手爪受力分析 (8) 3.2 动作原理说明 (8) 3.3 夹紧力与N与驱动力A的关系（传力比） (8) 3.4 运动的动作范围 (9) 第四章手爪的夹持误差分析 (10) 4.1 误差产生原因 (10) 4.2 误差计算 (11) 第五章其他零件的设计 (13) 5.1 楔块 (13) 5.2 材料及连接件选择 (15) 5.3液压设备的选择 (15) 5.4 手爪零件的设计和尺寸 (16) 5.5 零件的连接固定 (17) 设计心得与体会 (19) 参考文献 (20)
摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运、取件以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本次课程设计旨在设计一个简易的机械手结构，使其能够在气缸作为动力的情况下实现对目标的夹持，运送以及放下等工作，并绘制出机械手各部件的详细零件图和装配图，在此基础上能进行三维仿真。在金工实习期间将该机械手进行制造加工，使实物能够顺利运作， 关键词：机械手；气缸；结构设计
三自由度机械手臂说明
三自由度机械手臂说明
SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 课程设计说明书 三自由度机械手臂设计 学院：农业工程与食品科学学院 专业：农业机械化及其自动化 学生姓名：赵国0911034036 学生姓名：李继飞0911034030 学生姓名：程小岩0912034039 指导教师：程卫东 2013 年1 月
摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动 方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人 的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选 择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机 器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、 实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、 设置参考点和回参考点。
目录 第1章绪论 (5) 1.1 机器人概述 (5) 第2章机器人实验平台介绍及机械手的设计 (6) 2.1自由度及关节 (6) 2.2 基座及连杆 (6) 2.2.1 基座 (6) 2.2.2 机械臂 (6) 2.3 机械手的设计 (6) 2.4 驱动方式 (8) 2.5 传动方式 (9) 2.6 制动器 (10) 第3章控制系统硬件 (11) 3.1 控制系统模式的选择 (11) 3.2 控制系统的搭建 (11) 3.2.1 工控机 (12) 3.2.2 数据采集卡 (12) 3.2.3 伺服放大器 (13) 3.2.4 端子板 (14) 3.2.5电位器及其标定 (15) 3.2.6电源 (16) 第4章控制系统软件 (16) 4.1预期的功能 (16) 4.2 实现方法 (16) 4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 (16) 4.2.2直流电机的伺服控制 (16) 4.2.3电机的自锁 (16)
自动装配生产线机械手毕业设计说明书
毕业设计外文摘要
目次 1 绪论 (1) 1.1 概述 (1) 1.2 装配线机械手的定义及组成 (1) 1.3 装配线机械手在生产中的应用 (2) 1.4 装配线机械手的发展方向 (3) 1.5 本章小结 (3) 2 总体方案设计与论证 (3) 2.1 设计背景 (3) 2.2 基本参数 (4) 2.3 自由度的布置 (4) 2.4 运动范围 (5) 2.5 驱动方式和传动方式的选择 (5) 2.6 各个自由度的实现 (6) 2.7 本章小结 (7) 3 各部分结构设计和尺寸确定及校核 (7) 3.1 手部设计 (7) 3.2 腕部回转油缸设计 (7) 3.3 小臂伸缩油缸设计 (14) 3.4 俯仰缸的设计计算 (19) 3.5 大臂回转缸的设计计算 (23) 3.6 大臂升降缸的设计计算 (27) 3.7 纵向移动油缸的设计计算 (30) 3.8 本章小结 (32) 4 液压控制系统的设计 (32) 4.1 换向回路的确定 (32) 4.2 调速方案的确定 (33)
4.3 减速缓冲回路的确定 (33) 4.4 系统的安全可靠性 (33) 4.5 本章小结 (35) 5 PLC控制系统 (35) 5.1 PLC的构成及工作原理 (35) 5.2 PLC产品选择 (37) 5.3 PLC部分程序 (42) 结论 (44) 参考文献 (45) 致谢 (46)
1 引言 1．1 概述 随着社会的发展和工业技术水平的不断进步，机械手在生产中得到广泛应用，促进了工业生产的自动化。由于工作条件的原因，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命,为了解决这些问题机械手就诞生了。机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 1.2 装配线机械手的定义及组成 装配线机械手一般可以理解为：在工业生产的装配生产领域中应用的一种能代替人完成装配的﹑能自动控制的﹑多功能的﹑多自由度的工业机器人。它的整个结构由执行机构﹑驱动部分﹑控制系统等组成。 1.2.1 执行机构 执行机构是完成各种动作部件的总称，具体包括以下几部分： 1、手部：直接与工件接触的部分，根据设计要求，本机械手手部设计成快换式，可根据不同装配要求更换不同手爪，来完成不同形状工件的装配任务。 2、腕部：是机械手中连接手部和臂部用来确定手部工作时位置并扩大臂部动作范围的部件，用来调整被抓取物体的方位及姿态。 3、臀部：是支撑被抓取工件、手部、腕部的重要部件，带动手部和腕部去抓取工件，并按预定要求将其搬运到指定位置。 4、腰部：即机身，是支撑机械手所以部件的部位，并安装驱动装置及其它装置
六自由度机械手设计说明书
机械设计课程设计说明书 六自由度机械手 上海交通大学机械与动力工程学院专业机械工程与自动化 设计者：李晶（5030209252） 李然（5030209316） 潘楷（5030209345） 彭敏勤（5030209347） 童幸（5030209349） 指导老师: 高雪官 2006.6.16
前言 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定，而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
目录 一.设计要求和功能分析 4 二.基座旋转机构轴的设计及强度校核 5 三.液压泵俯仰机构零件设计和强度校核8 四.左右摇摆机构零件设计和强度校核11 五.连腕部俯仰机构零件设计和强度校核14 六.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核19 七.机构各自由度的连接过程25 八.设计特色28 九.心得体会28 十.参考文献30 十一.任务分工31 十二.附录（零件及装配图）31
搬运机械手设计说明
专业课程设计说明书
目录 第1章课题规划 (1) 1.1课题背景分析 (1) 1.2设计任务书 (3) 第2 章功能分析 (4) 2.1设计任务功能分析 (4) 2.1.1....................................................................................... 总 功能提炼 (4) 2.1.2....................................................................................... 功 能分解 (4) 2.1. 3....................................................................................... 功 能结构分析及功能结构图绘制 (4) 2.2 本章小结 (5) 第3章系统原理方案设计 (7) 3.1功能单元求解 (7) 3.1.1....................................................................................... 分 功能求解 (7) 3.1.2....................................................................................... 系 统原理方案综合求解 (7) 3.1.3....................................................................................... 方 案优化及评价 (7) 3.2本章小结 (7) 第4 章总体设计 (9) 4.1 系统总体结构草图 (9) 4.2本章小结.......................................................... 14 第5 章总结 (15) 参考文献 (17)