1、天津大學畢 業 設 計中文題目：物料搬運機器人手部系統的設計 英文題目：Material handling system design robot Hand department學生姓名 系 別 機電 專業班級 2 指導教 成績評定 2010年 6月目 錄1 引言11.1 機器人概述11.2 機器人的研究歷史及現狀11.3 機器人的發展趨勢22 手部的設計與計算32.1 手部的設計32.2 驅動方式32.3 手部夾緊力的計算52.4 彈簧的計算652.5 手部電機選擇原則【7】72.5.1 一般執行電機的選擇原則72.5.2 電機的選用82.6 手部電機參數計算92.7 電機轉速與夾緊力速度幾

2、何關系的確定103 手臂的設計與計算103.1 手臂結構設計103.2 手部質量計算113.2.1 爪子的質量計算113.2.2 手部外殼質量計算113.2.3 手部主軸的質量計算123.2.4 其它部件的質量估算123.3 手臂計算及電機選擇134 結 論14【參 考 文 獻】15致 謝16附錄1：英文文獻17附錄2：英文文獻翻譯20摘 要在當今大規模制造業中，企業為提高生產效率，保障產品質量，普遍重視生產過程的自動化程度，工業機器人作為自動化生產線上的重要成員，逐漸被企業所認同并采用。工業機器人的技術水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業自動化的水平。目前，工業機器人主要承擔著焊接、

3、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，一般采取示教再現的工作方式。針對用于給沖壓設備運送物料的物料搬運機器人的手部系統進行設計。通過對機器人的大臂、小臂和機械手的結構的設計，選擇合適的傳動方式、驅動方式包括伺服電機、步進電機和傳動方式的選擇，以實現關節的伺服控制和制動問題，以及搬運時的抓緊力、抓緊方式，從而實現物料的準確搬運。關鍵詞：機器人；機械手；伺服；制動ABSTRACTIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree

4、 of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robot

5、s reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.To stamp

6、 out the equipment used to transport material material handling the robot's hand to design the system. the robot's arm, pudgy forearms and robot structure designed to choose a suitable transmission, including the servo motor drive mode and step into the motors and drive the way to achieve th

7、e capsules of the server to control and brake problems, and handling of no force, no way to achieve the accuracy of this material.KEY WORDS: robot; servocontrol; brake1 引言1.1 機器人概述“工業機器人”（Industrial Robot）多數是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置，國內稱作工業機器人或通用機器人。機器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。簡而言之，機器人就是用機器代替

8、人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。機器人具有結構簡單、成本低廉、維修容易的優點，但功能較少，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業機械人稱為通用機器人【1】。要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節等部分組成的抓取和移動機構執行機構；像肌肉那樣使手臂運動的驅動傳動系統；像大腦那樣指揮手動作的控制系統。一般而言，機器人通常就是由這三部分組成，這些系統的性能就決定了機器人的性能。如圖 1 所示。圖1 機器人的一般組成1.2 機器人的研究歷史及現狀機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合

9、控制公司研制出世界上第一臺機器人。它的結構特點是機體上安裝一個回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統是示教型的【2】。日本是工業機器人發展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力開展機器人的研究【3】。目前，工業機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論是數量、品種，還是性能方面都還不能完全滿足工業生產發展的需要。使用工業機器人代替人工操作的，主要是在危險作業、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業的工作環境。在國外機械制造業中，工業機器人應用較多，發展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業，它可按照事先制

10、訂的作業程序完成規定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發生某些偏離時，就會導致零部件甚至機器人本身的損壞。我國雖然開始研制工業機器人的時間僅比日本晚56年，但是由于種種原因，工業機器人技術的發展比較慢【4】。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業機器人技術，通過引進、仿制、改造、創新，工業機器人將會獲得快速的發展。1.3 機器人的發展趨勢隨著現代化生產技術的提高，機器人的設計生產能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產與柔性化制造系統相結合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態，提高了生產效率。就目前來看，現代工業機器人有以下幾個發展趨勢【5】：（！）提高運動速度和運動精度，減少

11、重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結構不同的機器人；（2）開發各種新型結構用于不同類型的場合，如開發微動機構用以保證精度；開發多關節多自由度的手臂和手指；開發各類行走機器人，以適應不同的場合；（3）研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環境信息、位置信息、狀態信息以完成模式識別、狀態檢測。并采用專家系統進行問題求解、動作規劃，同時，越來越多的系統采用微機進行控制。對于現代智能機器人而言，還具有智能系統，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機

12、器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機器人的觸覺裝置。2 手部的設計與計算2.1 手部的設計工業機器人的手又稱為末端執行器，它是機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面狀態等不同，因此工業機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為夾鉗式取料手、吸附式取料手、專用操作器及轉換器和仿生多指靈巧手等。本文設計對象為物料搬運機器人，并不需要復雜的多指人工指，只需要設計能從不同角度抓取工件的鉗形指。手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的

13、張開與閉合來實現的。該設計采用兩個手指，其外形如圖2所示。圖2 機械手手指形狀 2.2 驅動方式機械手常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅動方式的特點見表1。機械手驅動系統各有其優缺點，通常對機器人的驅動系統的要求有：(1)驅動系統的質量盡可能要輕，單位質量的輸出功率要高，效率也要高；(2)反應速度要快，即要求力矩質量比和力矩轉動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉切換；(3)驅動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小；(4)安全可靠；對環境無污染，噪聲要小；(5)操作和維護方便；(6)經濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。基于上述驅動系統的特點和

14、機器人驅動系統的設計要求，本文選用步進電機驅動的方式對機器人進行驅動。表1 三種驅動方式的特點對照內 容驅 動 方 式液壓驅動氣動驅動電機驅動輸出功率很大，壓力范圍為50140Pa大，壓力范圍為4860Pa較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調速，反應靈敏，可實現連續軌跡控制。氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現高速、高精度的連續軌跡控制。控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現高速、高精度的連續軌跡控制，伺服特性好，控制系統復雜。響應速度很高較高很高結構性能及體積結構適當，執行機構可標準化、模擬化，易實現直接驅動。功率/質量比大，體

15、積小，結構緊湊，密封問題較大。結構適當，執行機構可標準化、模擬化，易實現直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較小。伺服電動機易于標準化，結構性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅動，結構緊湊，無密封問題。安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動介質，在一定條件下有火災危險。防爆性能好，高于1000kPa時應注意設備的抗壓性。設備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環境的防爆性能較差。對環境的影響液壓系統易漏油，對環境有污染。排氣時有噪聲無在工業機械手中應用范圍適用于重載、低速驅動，電液伺服系統適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人。適用

16、于中小負載驅動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具。適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等。成本液壓元件成本較高成本低成本高維修及使用方便，但油液對環境溫度有一定要求方便較復雜2.3 手部夾緊力的計算擬定物料搬運機器人手部最大抓取重量為8kg，其夾角為31度。根據工作位置和工作環境的需要，最終采用如圖3所示結構。圖3 手部結構簡圖手部機架采用鑄鋼鑄造，其摩擦系數，重力加速度取。夾緊時由力學關系可以得到公式：，從而得到夾緊力由公式，知所需的驅動力夾緊機構采用絲杠傳動原理傳送夾緊力，擬定絲杠的大徑，螺距設為，牙型角為的梯形普通螺紋。2