1、中 国 矿 业 大 学本 科 生 毕 业 设 计全套图纸加 153893706姓 名： 学 号： 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械制造及自动化 设计题目： 移动式机械手设计 专 题： 指导教师： 职 称： 二 O 一一 年 六 月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 机电工程学院 专业年级 机自 07-10 学生姓名 任 务 下 达 日 期 ： 2011 年 2 月 28 日毕业设计日期： 2011 年 2 月 28 日-2011 年 6 月 17 日毕业设计题目：移动式机械手设计毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：基本参数：抓重 5kg，夹持棒料直径为 30-50mm，定位精度2
2、mm 。主要内容：根据给定的部分设计参数，确定机械手设计的其它规格参数，拟定机械手设计的总体方案，特别是零部件的设计。计算及选择结构设计驱动方式选择及其装置设计等。机械手总体图绘制，机械手结构装配图的设计与绘制，部分零件图的设计与绘制，机械手运动分析、程序设计。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字：年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；
3、基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字：年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字：年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况回 答 问 题提 出 问 题 正 确基 本正 确有 一般 性错 误有 原则 性错 误没 有回 答
4、答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要机械手是通过模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的一种自动装置。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业。目前，机械手虽然还不如人手那样灵活，但它具有不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此获得日益广泛的应用。机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成，智能机械手还具有感觉系统和智能系统。通过对机械专业四年的所学知识进行整合，对工业
5、机械手各部分结构和功能的论述和分析，本文设计了一种圆柱坐标形式的移动式机械手。本文重点针对机械手的手腕、手臂、机身等各部分机械结构以及机械手的移动平台进行了设计，同时对液压驱动系统进行了详细的理论分析和计算。机械手可用来实现如抓取、操作等动作，移动平台用来扩展机械手的工作空间，使机械手能以更适合的姿态来执行任务。关键词：移动式机械手；移动平台；液压系统 ABSTRACTManipulator is an automatic device which follows the given program, track and requirement to realize automatic cap
6、ture, moving and operation through imitating human hand motions. Particularly in dusty, inflammable, explosive, radioactive environment with high temperature and high pressure, it can substitute man to complete heavy, tedious and frequent operations. At the moment, the manipulator is not as agile as
7、 human hand, but its features such as repeatable work and labor, not yielding to fatigue, unawareness of danger, more strength than man in lifting weights is earning it extensive application. Manipulator is usually constituted of actuator, driving system, control system and detection device, an inte
8、lligent manipulator also has sensory system and intelligent system.Based on the integration of the last four years mechanical professional knowledge, the exposition and analysis of the structure and function of an industrial manipulator ingredients, this paper designs a mobile manipulator in the for
9、m of cylindrical coordinate. In this paper, the manipulators wrist, arm, body and other mechanisms and the mobile platform of the manipulator are designed, meanwhile the hydraulic driving system is theoretically analyzed and calculated in detail.Manipulator can be used to realize actions such as cap
10、ture and operation. The responsibility of the mobile platform is expanding working space for the manipulator, which makes the manipulator to execute tasks in more proper positions.Keywords: Mobile manipulator; Mobile platform; Hydraulic system目 录一般部分1 绪论 11.1 机械手简史 .11.2 应用简况 .11.3 工业机械手的分类 .21.3.1
11、按规格（所搬运的工件重量）分类 .31.3.2 按功能分类 .31.3.3 按用途分类 .31.3.4 按机械手的驱动方式分类 .41.3.5 按控制方式分类 .41.4 工业机械手的组成 .41.4.1 执行机构 .51.4.2 驱动机构 .61.4.3 控制系统 .61.5 工业机械手的规格参数 .61.6 机械手的机能 .71.6.1 机能的概述 .71.6.2 机能的分类说明 .81.6.3 运动机能和识别机能 .81.7 工业机械手的发展状况与发展趋势 .92 设计内容及方案的拟定 .112.1 方案的制定原则 112.2 结构布置要求及平稳性与定位精度 112.3 具体方案选择 1
12、22.3.1 自由度的选择 122.3.2 坐标系的选择 132.3.3 驱动方式的选择 142.3.4 机械手的手部结构方案设计 152.3.5 机械手的手腕结构方案设计 152.3.6 机械手的手臂结构方案设计 152.3.7 机械手的总体布置方案 152.4 机械手的主要参数 152.5 机械手的技术参数 162.5.1 臂力的确定 162.5.2 工作范围的确定 162.5.3 运动速度确定 173 机械手手部设计 .173.1 概述 173.2 结构选型设计 193.3 相关设计计算 203.3.1 夹紧力的计算 203.3.2 驱动力计算 213.3.3 确定液压缸的直径 D.22
13、3.3.4 手指部连接销的选择与校核 233.3.5 液压缸局部尺寸设计 243.3.6 手爪的夹持误差分析与计算 254 机械手腕部设计 .284.1 概述 284.1.1 腕部设计的基本要求 284.1.2 腕部的运动 294.2 腕部回转力矩的计算 314.3 回转缸尺寸计算 334.4 回转液压缸动叶片宽度计算 345 臂部设计 .345.1 概述 345.1.1 臂部设计的基本要求 345.2 手臂伸缩部设计 365.2.1 结构选型设计 365.2.2 伸缩液压缸的设计计算 375.2.3 伸缩液压缸尺寸的确定 395.2.4 伸缩臂导向套设计 405.3 俯仰运动机构设计 405
14、.3.1 俯仰摆动液压缸驱动力矩的计算 415.3.2 俯仰缸摆动驱动力计算 425.3.3 俯仰摆动缸的设计计算 446 机身的回转机构设计 .456.1 概述 456.2 手臂回转液压缸的设计计算 456.2.1 手臂回转时所需的驱动力矩 456.2.2 回转缸内径 D 的计算 467 移动平台设计 .477.1 概述 477.1.1 移动机器人概述 477.1.2 移动机械手平台系统 477.1.3 国内外研究现状 477.2 移动机械手移动平台总体设计 487.3 移动平台本体电气系统设计 487.3.1 电机功率计算 487.3.2 直流电机特性 508 液压驱动系统 .528.1
15、液压系统传动方案的确定 528.1.1 各液压缸的换向回路 528.1.2 调速方案 528.1.3 减速缓冲回路 538.1.4 系统安全可靠性 548.2 计算和选择液压元件 558.2.1 液压泵 558.2.2 选择液压控制阀和辅助元件 56参考文献 .58翻译部分英文原文 .59中文译文 .70致 谢 .80中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 1 页1 绪论1.1 机械手简史机械手首先是从美国开始研制的。195 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962 年，美国联合控制公司在上述方案的
16、基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓作存贮装置。1962 年美国机械铸造公司也试验成功一种叫 Versatrar 机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种 Unimation-Vic-arm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1 毫米。美国还十分注
17、意提高机械手的可靠性，改造结构，降低成本。如 Unimate 公司建立的 8 种机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间由 400 小时提高到1500 小时。精度可提高到0.1 毫米。联邦德国机器制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联办德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士 RETAB 公司成产一种涂漆用机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种典型机械手后，大力从事机械手的研究。据报道，1979
18、 年从事机械手的研究的大专院校、研究单位达 50 多个。1976 年各大学和国家研究部门用在机械手的研究经费约占总研究费用的42。1979 年日本机械手的产值达 433 亿日元，产量为 14535 台。其中固定程序和可变程序约占一半，达 222 亿日元，是 1978 年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为 67亿日元，比 1978 年增长 50。智能机械手约为 17 亿日元，为 1978 年的 6 倍。截至1979 年，机械手累计产量达 56900 台。在数量上已占世界首位，约占 70，并以每年5060的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。苏联自六十年代开始发展应用机械手，
19、至 1977 年底，其中一半是国产，一半是进口。主要用于机械化、自动化程度较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。总之，目前工业机械手大部分还是第一代和第二代。第一代机械手主要依靠人工进行控制，控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手设有微型计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。 、第三代机械手则能独立地完成工作过程中的任务。它与计算机和电视设备保持联系。并发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中重要一环。中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 2 页1
20、.2 应用简况在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业。工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。在 80 年代以前，美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所变化。目前使用工业机械手代替人工操作的，主要是危险作业、多粉尘、高温、噪音、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。而随着科技的日益发展，在各个机械加工行业都有机械手代替人工
21、作业的趋势。下面就国内机械工业应用机械手的简况，以及国外机械工业发展和应用机械手的简况，分别介绍如下。1. 铸、锻、焊热处理等热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了实现高效率和工作安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。机械手在锻造工业中的应用能进一步发挥锻造设备的生产能力，改善热、累的劳动条件。因此，国内首先是采用锻造操作机，装取料机械手来代替人工操作，减轻劳动强度。在模锻方面，国内大批生产的 3t、5t、10t 模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置在炉前，实现进出料自动化。2. 冷加工方面冷加工方面
22、机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。国内机械工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人劳动强度。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海拖拉机厂的气缸盖加工自动线转位机械手。3. 拆修装方面为改善货车油漆作业，日本、美国等发明了一种货车涂漆机械手。采用涂漆机械手可以对车的内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。4. 在实现单机自动化方面 各类半自动机床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料
23、；装上机械手，可实现全自动生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用最多。由于这方面使用已有成熟的经验，国内一些机床厂已在这类机床产品出厂时就附上机械手，或为用户自行安装机械手提供条件。 注塑机偶加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现全自动生产。冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是 160t 以上的冲床用机械手的较多；一是用于多工中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 3 页位冲床，用作冲压件工位间步进。总的来说，工业机械手满足了社会生产的需要，其主要特点是： 对环境的适应性强，能代替
24、人从事危险有害的操作，在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射性作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。为了谋求操作安全和彻底防止公害，在工伤事故多的工种，如冲压、压铸、热处理、锻造、喷漆记忆有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中，推广工业机械手或机器人。 机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。人在持续工作几小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护、检修，既能胜任长时间的单调重复劳动。 由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品
25、的质量，同时又可避免人为的操作错误。 机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置能够十分灵活快速的予以改变，而其众多的自由度，又提供了迅速改变作业内容的可能，在中小批量自动化生产中，最能发挥其作用。 采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。1.3 工业机械手的分类目前，我国对工业机械手尚无较为统一的分类标准。一般可按机械手的规格、功能或用途等来分类。1.3.1 按规格（所搬运的工件重量）分类1. 微型的搬运重量在 1kg 以下。2. 小型的搬运重量在 10kg 以下。3. 中型的搬运重量在 50kg
26、以下。4. 大型的搬运重量在 500kg 以下。1.3.2 按功能分类1. 简易型工业机械手 有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓或挡块转鼓控制，可变程序用插销板或转鼓控制来给定程序。2. 记忆再现型工业机械手 这种机械手有人工通过示教装置领动一遍，由记忆元件把程序记录下来，以后机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。3. 计算机数字控制的工业机械手 可通过更换穿孔带或其它介来改变工业机械手的动作程序，还可以进行多机控制。4. 智能工业机械手 由电子计算机通过各种传感元件等进行控制，具有视觉、热觉、触觉、行走机构等。1.3.3 按用途分类1. 专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序
27、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，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 4 页2. 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。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。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，
28、只能是点位控制: 伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，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。1.3.4 按机械手的驱动方式分类1. 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。2. 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:介质李源极为方便
29、，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。3. 机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4. 电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需
30、要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。1.3.5 按控制方式分类1. 点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2. 连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 5 页
31、1.4 工业机械手的组成 工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成的，各部关系图如图 1-1 所示。图 1-1 工业机械手组成框图1.4.1 执行机构执行机构由抓取部分（手部） 、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。 手部 手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有传动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。手部一般是回转型或平移型。手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根据夹持对象的形状大大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般是指真空吸盘或磁性吸盘。 腕部 是连接
32、手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物件的方位。它可有上下摆动，左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动。如有特殊要求，手腕还可以有一个小距离的横移。也有的工业机械手没有腕部自由度。 臂部 手臂是支撑被抓物体、手部、腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到给定的位置。手臂有三个自由度，可采用直角坐标（前后、上下、左右都是直线） ，圆柱坐标（前后、上下直线往复运动和左右旋转） ，球坐标（前后伸缩、上下摆动和左右旋转）和多关节（手臂能任意伸屈）四种方式。手臂可能实现的运动如图 1-2 所示:图 1-2 手臂运动形式 立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的
33、回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 6 页需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。图 1-3 所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图。图 1-3 机械手运动示意图1.4.2 驱
34、动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压、气压用的最多，占 90以上；电动、机械驱动用得较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达和齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达于减速器、油缸与齿轮、齿条或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大，动作平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。气动驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。一般采用 46 个大气压，个别的达到 810 个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可
35、压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。电气驱动的优点是动力源简单；维护使用方便。驱动机构和控制系统可以采用同一型式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。机械驱动只用于动作固定的场合。一一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，工作速度高，成本低；缺点是不易于调整。1.4.3 控制系统机械手控制的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 7 页机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种；控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存贮，
36、然后再根据固定的程序，控制机械手进行工作。现在的控制系统大多采用可编程控制器、微型计算机数字控制等。1.5 工业机械手的规格参数工业机械手的规格参数，是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面： 主参数：抓重（臂力）额定抓取重量或称额定负荷，单位为 kg，必要时注明在限定运动速度下的抓重（臂力） 。 自由度数目和坐标形式：整机、手臂及腕部共有几个自由度，并说明坐标形式。 定位方式：固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其他各种位置设定和检测装置；各自由度设定的位置数目或位置信息用量（多少点） ；点位控制或连续轨迹控制。 驱动方式：液压、气压、电动和机械。 手臂运动参数：如表
37、 1-1、表 1-2 形式。当手臂的运动速度很高时，手臂在起动和制动过程中会产生很大的冲击和震动，这会影响手臂的定位精度。因此，手臂运动速度应根据生产节拍时间的长短、生产过程的平稳性和定位精度等要求来确定。常用的最大直线运行速度在 1000mm/s 以下。最大回转运行速度一般不超过 120/s。一般应用的直线速度常在 200300mm/s，回转速度在 50/s 左右。 手指夹持范围（mm）和握力（即夹紧力或吸力） （N） 。 定位精度：位置设定精度及重复定位精度（mm） 。 程序编制方法及程序容量：如插销板、二极管矩阵插销板、可编程控制、微机控制以及示教存储等。 控制系统动力：电、气。 驱动源
38、：气动的气压大小，液压的使用压力，液压泵规格，电动机功率，电动机类型、规格。 轮廓尺寸：长宽高（mm） 。 重量：整机重量（kg） 。表 1-1运动名称 符号 行程范围mm 或() 速度mm/s 或()/s伸缩 X升降横移ZY回转 俯仰 表 1-2运动名称 符号 行程范围mm 或() 速度mm/s 或()/s回转 上下摆动左右摆动 1中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 8 页横移 Y11.6 机械手的机能1.6.1 机能的概述机械手的机能就是指它具有完成人们预定作业所需要的能力。如运动机能就是指机械手完成预定工艺操作应具有的运动自由度，以及所能到达的活动范围。同时还要求机械手具有对物
39、体的抓放、定向、工艺操作和行走的能力等。通用机械手应根据作业的要求，设计成具有较完善的运动机能，即它的动作接近于人手操作时的某些运动机能，以适应广大作业范围的需要。专用机械手则仅需赋予部分的运动机能，可按照工艺操作的需要来确定。机械手又应具有一定的物理机能如载荷能力、运动速度、持续工作能力以及工作的准确性和稳定性等性能。此外还应具有一定的耐热、耐腐蚀的能力，以适应工艺操作的需要和具体的工作环境。机械手另一个重要机能就是控制机能。对专用机械手而言，是指能自动的完成作业程序的能力。但对于一般的通用机械手其控制机能是指它具有自动地、或被动地变换程序的能力，即按照指令能自动地、再现地完成规定的动作程序
40、的机能。对于高级通用机械手是指它具有某些人的逻辑思维的能力，对环境条件的反应能力，以及对工艺操作的自适应能力等。但需指出，无论机械手的机能如何完善，它仍然是一种自动机械，它与人手比较仍有着根本的区别。机械手的物理机能可以超过人手，但运动机能和控制机能则远不如人手。这是由于人的大脑、神经系统和四肢的完善和智慧，绝不是任何机械手都能完全代替的。而机械手可以在载荷、运动速度和工作持续时间等方面超过人，但它在完成作业时需有人来进行操纵。装有计算机的机械手可具有一定的控制机能饿，而且其运算速度可以超过一般人，但其逻辑思维能力仍然不如人的大脑。1.6.2 机能的分类说明1. 操作机能： 臂、腕动作机能臂腕
41、在空间动作机能； 抓握机能手爪抓握物体机能； 行走机能机械手本体或轮子行走机能。2. 控制机能： 控制动作机能冲程、速度和力的控制； 程序控制机能动作的程序； 示教机能动作程序示教方法； 存储记忆方法示教存储方法；2. 测量识别机能： 测量机能位移、速度等物理量的测量； 识别机能对物体图样外形和特征的辨认机能； 触觉传感识别机械手和物体间的接触机能； 力传感物体和机械手之间反馈的作用力； 视觉传感对工作区域内情况的观察。1.6.3 运动机能和识别机能中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 9 页1. 运动机能机械手的引动机能系根据作业的要求把手臂、手腕和手指等的动作以及机身的一些动作加以
42、组合构成。机械手在运动中有上限、下限、内限、外限手臂端头伸出限、手臂摆动限度等，其限界的范围也是根据作业的要求来确定。2. 手爪抓取机能机械手能否抓取物体取决于它能不能抓住物体。为此要分析人手抓取的机能。当人手抓取物体时是以五个手指包络物体，冰河手掌一起抓取物体处于相对的状态。机械手只有手指而没有手掌，因而其抓取机能与人手相比还有着相当大的距离。3. 抓取物体的极限尺寸设计机械手手爪时，一方面要考虑手指的约束，同时要确定它能抓多大的物体，即极限尺寸。极限尺寸容许范围宽，手爪使用的范围就广，相反，手爪的使用范围就受到限制。手爪抓取物体的极限尺寸与人手相比要小得多，因此要很好的研究手爪的极限尺寸并
43、与手爪的本身的尺寸相适应。据资料分析，得到的结论是：由极限尺寸和极限尺寸比来表示。二个指、四个指的固定关节指与无关节指相比；以及自由关节指与固定关节指相比；使用越是高级或机构越复杂的手指，极限尺寸比值就越高。若要极限尺寸比值高，而且构造又简单时，以固定关节三个指为宜。4. 偏心度偏心度就是指以手爪的基准点到物体基准点的距离的最大偏差量用极限尺寸差去除所得的值。仅具有自由关节指的手爪，手爪的张开角度又在 60以下，偏心度可以达到零。但在这种情况下，对自由关节指弯曲角的控制要求高。对于直进型手爪的偏心度，虽没有同极限尺寸一样提出来，但若把物体的基准置于轴心或者重心位置，只有固定关节指对向动作时，可
44、以没有偏心度。然而，手爪的结构要比回转型的要大，其动作机构也较为复杂。5. 测量和识别机能 内部信息检测机能内部信息检测机能是指机械手本体状态的机能而言，如手爪各关节状态和伸缩部分，就需了解他们所处的状态。控制手爪动作必须要有位置传感器或位置及速度信号反馈传感器等。 外部信息检测机能外部信息检测机能是指机械手对工作对象及障碍物等外界状态的检测机能而言。握力是工作对象和手爪之间的相关量。就目前所知，握力有触觉、压觉、力觉、视觉、听觉、接近觉等。 识别机能识别机能是指机械手所具有的识别机能而言，即手爪通过握和持，能知道物体的形状及硬度等机能。 诊断机能诊断机能是指能掌握自己状态是否正常的机能。如诊
45、断手指有无损坏或其他故障等。中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 10 页1.7 工业机械手的发展状况与发展趋势专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断地扩大。机械工业中，应用机械手的主要目的，一是
46、解决生产过程自动化，二是改善劳动条件，降低劳动强度，提高劳动生产率和降低产品成本。因此，要求机械手成本低，品种多样化，零部件系列化、通用化、标准化，性能稳定可靠。 降低较小的的成本 为了扩大机械手的适用范围，必须降低机械手的成本。据统计，机械手电气控制装置所占成本的比重较大。 品种多样化 为了适应不同工作的需要，应使机械手的品种多样化，用机械手代替更多的人的手工劳动，进而实现生产过程自动化。特别是那些工作比较单一、重复性很大而工作条件又较差和劳动量较大的工种，更应注意设计和使用各种类型的机械手。 零件、部件系列化、通用化、标准化 为了加速扩大机械手的应用领域，应尽量缩短其设计和制造的周期。这样
47、，就要求机械手的某种零件、部件系列化、通用化、标准化。然后，即可根据具体工作的需要，将这些零件、部件进行组合，组成所需要的机械手。当然，这样的机械手还应保证组合方便，一旦工作变更时，就能迅速而顺利的重新组合。 产品性能稳定可靠 机械手的重要技术指标之一，就是其性能应稳定可靠。为此，要求设计合理，元件稳定，制造精确。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:(1) 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从 91 年的 10.3 万美元降至 97 年的 65 万美元。(2) 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
48、、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;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3) 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。(4) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统中国矿业大学 2011 届
