工業(yè)設(shè)計機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計機(jī)械手臂設(shè)計指導(dǎo)教師I且錄 Ⅱ第一章機(jī)械手臂介紹 1.1機(jī)械手臂的造型 第二章氣動機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu) 4-2.1氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 4-2.2氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 4-第3章氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù) 3.1.1第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù) 3.1.2第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)圖 3.1.3第三肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù) 3.2.1肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)………………………12-3.3腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計……………………13-第四章氣動機(jī)械手3D運動圖………………13-4.1第一肩關(guān)節(jié)的運動仿真…………………13-4.2第二肩關(guān)節(jié)的運動仿真…………………14-4.3肘關(guān)節(jié)X軸方向的運動仿真……………14-4.4肘關(guān)節(jié)Y軸方向的運動仿真……………15-4.5腕關(guān)節(jié)X軸方向的運動仿真……………16-第五章氣動機(jī)械手制作材料………………17-第六章機(jī)械手的發(fā)展與展望………………18-參考文獻(xiàn)……………19-Ⅱ摘要機(jī)械手臂是目前在機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實際應(yīng)用的自動化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，但它們都有一個共同的特點，就是能夠接受指令，精確地定位到三維(或二維)空間上的某一點進(jìn)行作業(yè)。氣動機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護(hù)、易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等諸多獨特的優(yōu)點。第一章機(jī)械手臂介紹(1)簡單造型2(2)復(fù)雜構(gòu)造34第二章氣動機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)本課題所設(shè)計的氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如下圖所示。1.機(jī)架2.氣動肌肉3.第一肩關(guān)節(jié)4.第二肩關(guān)節(jié)5.機(jī)架臂6.第三肩關(guān)節(jié)7.大臂8.肘關(guān)節(jié)9.小臂10.腕關(guān)節(jié)11.氣爪氣動機(jī)械手主要由起固定支撐作用的機(jī)架、機(jī)械臂和氣爪三部分組成。氣動機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)4個自由度的運動，其各自的自由度的驅(qū)動全部由氣動肌肉來實現(xiàn)。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動肌肉的驅(qū)動實現(xiàn)各自關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，使物品在空間上運動，根據(jù)合理的控制，最終實現(xiàn)機(jī)械手的動作要求。2.2氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)2.2.1關(guān)節(jié)的基本方式在氣動機(jī)械手設(shè)計中，有4個自由度，相當(dāng)于4個獨立的關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)的驅(qū)動原理都是相同的。關(guān)節(jié)的基本驅(qū)動原理如下圖；5(1)第一肩關(guān)節(jié)其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1(a)所示。三維建模的第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2-1(b)所示。圖2-1(a)第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡圖圖2-1(b)第一肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖(2)第二肩關(guān)節(jié)第二肩關(guān)節(jié)和其下的4根機(jī)架臂相連接，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-2(a)所示。三維建模的第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2-2(b)所示。圖2-2(a)第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡圖圖2-2(b)第二肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖(3)第三肩關(guān)節(jié)第三肩關(guān)節(jié)是連接第二肩關(guān)節(jié)和大臂的紐帶。主要零件是肩部連接腕和中部支撐桿。三維結(jié)構(gòu)如圖2-3(a);7圖2-3(a)第三肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖2..2.2肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)肘關(guān)節(jié)主要是由一個虎克鉸的結(jié)構(gòu)構(gòu)成2-3(a)2-3(a)氣動肌肉連接件肘關(guān)節(jié)是連接大臂與小臂的重要關(guān)節(jié)。分別是通過中部支撐桿和前部支撐桿維系著這兩個結(jié)構(gòu)。其中一些重要的尺寸參數(shù)分別由X、Y軸方向來確定，肘關(guān)節(jié)8X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-3(b)所示，綠色表示的是肌肉連接件，由于在X軸方向上，其與氣動肌肉沒有相互轉(zhuǎn)動，因此表示成同一條直線，綠色只是說明這里另一個零件，Y軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-3(b)所示。在運動過程中可以實現(xiàn)繞Y軸的轉(zhuǎn)動。同樣的左、右各為一對時，可以實現(xiàn)繞X軸的轉(zhuǎn)動。(a)X軸方向(b)Y軸方向圖2-3(b)肘關(guān)節(jié)X、Y軸方向的結(jié)構(gòu)簡圖2.4腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計腕關(guān)節(jié)大體上與肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)相似，主要有一個虎克鉸的結(jié)構(gòu)構(gòu)成.腕關(guān)節(jié)通過前部支撐桿和肘關(guān)節(jié)固定，前端安裝有一個氣爪。其三維結(jié)構(gòu)如圖2-1(a)所示圖2-4(a)腕關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖9腕關(guān)節(jié)設(shè)計過程中的一些重要尺寸參數(shù)有X軸，Z軸方向來確定。其在X軸方(c)Z軸方向圖2-4腕關(guān)節(jié)X、Z軸方向的結(jié)構(gòu)簡圖第3章氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-1-1(a)所示。假定CBOEC1是第一肩關(guān)節(jié)開始的運動位置，BDDIE可繞O點旋轉(zhuǎn)，逆時針旋轉(zhuǎn)的極限位置是B?OE?,這時出現(xiàn)死點的現(xiàn)象，即當(dāng)CB1O在同一直線上，連接BO,B1O,EO,E1O,C1O。作O點到CD的垂線交CD的延長線于F點。設(shè)OA=a,AD=d,BD=b,BC=L,BO=B1O=EO=E1O=R(1)確定b=35mm兩個鉸鏈點的長度L=225+50=275mm,L的范圍是(275±25)mm。(2)確定a是如圖2-8b所示的肩部肌肉連接件寬度的一半，d是長度的一半。設(shè)a為逆時針旋轉(zhuǎn)時的最大角度，可知∠BOBi=a,∠EOEl=a,由于△BOC≥△EOC,所以∠EOCi=∠BOC=a。由公式(3-1)可知：由于tana在是單調(diào)增函數(shù)，b,L由于tana在tana取得最大值，即α取得最大值。由于O點處裝有一根②20mm的連接桿，因此取肩部肌肉連接件的寬度為30mm,即半寬a=15mm。以取最大的d時，可以得到最大的tana,也就是最大的α,在這里取d=36mm。圖3-1-1(a)第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖3.1.2第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)圖第二肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-2(a)所示。假定CAOEC1是第二肩關(guān)節(jié)開始的運動位置，鉸鏈點A,E可繞O點旋轉(zhuǎn)，逆時針的極限位置是A?OE1,即當(dāng)CA1O在同一條直線上，連接AO,A1O,EO,E?O。作O點到CA的垂線交CA的延長線于F點。連接AE,作O點垂直AE交AE于B點。設(shè)AB=a,OB=b,AC=L,AO=A1O=EO=E1O=R..圖3-1-2(a)第二肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖3.1.3第三肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)第三肩關(guān)節(jié)通過大臂上的氣動肌肉連接到肘關(guān)節(jié)上。第三肩關(guān)節(jié)的零件尺寸與肘關(guān)節(jié)的零件尺寸有關(guān)，其零件尺寸是通過肘關(guān)節(jié)的零件尺寸來確定的。因此第三肩關(guān)節(jié)的零件參數(shù)化設(shè)計詳見肘關(guān)節(jié)的零件設(shè)計。3.2.1肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)肘關(guān)節(jié)的零件尺寸確定可以分為兩個方向，即X軸和Y軸方向。下面分別就X軸和Y軸方向上的參數(shù)化設(shè)計進(jìn)行闡述。)3-2(a)3-2(a)肘關(guān)節(jié)在x軸上的結(jié)構(gòu)簡圖肘關(guān)節(jié)在Y軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-2(b)所示。假定CAOA?C?是肘關(guān)節(jié)開始的運動位置，D,B可繞O位置是D1OB1,這時出現(xiàn)死點的現(xiàn)象，即當(dāng)CD?O在同一直線3-2(b)肘關(guān)節(jié)在Y軸上的結(jié)構(gòu)簡圖腕關(guān)節(jié)加上小臂的結(jié)構(gòu)等同于肘關(guān)節(jié)加上大臂的結(jié)構(gòu)，因此肘關(guān)節(jié)的零件尺寸確定于腕關(guān)節(jié)的零件尺寸確定完全一樣.第四章氣動機(jī)械手3D運動圖第一肩關(guān)節(jié)運動前后的位置如圖4-1(a)和4-1(b)所示。(a)運動前(b)運動后圖4-1第一肩關(guān)節(jié)仿真效果圖4.2第二肩關(guān)節(jié)的運動仿真第二肩關(guān)節(jié)運動前后的位置如圖4-2(a)和4-2(b)所示(a)運動前(b)運動后圖4-2第二肩關(guān)節(jié)仿真效果圖4.3肘關(guān)節(jié)X軸方向的運動仿真肘關(guān)節(jié)X軸方向運動前后的位置如圖4-3所示。(al)運動前(a2)運動后(b1)運動前(b2)運動后圖4-3肘關(guān)節(jié)X軸方向仿真效果圖4.4肘關(guān)節(jié)Y軸方向的運動仿真肘關(guān)節(jié)Y軸方向運動前后的位置如圖4-5(a)和4-5(b)所示(a)運動前(b)運動后圖4-5肘關(guān)節(jié)Y軸方向仿真效果圖4.5腕關(guān)節(jié)X軸方向的運動仿真(a)運動前(b)運動后圖4-6腕關(guān)節(jié)X軸方向仿真效果圖(a)運動前(b)運動后圖4-7腕關(guān)節(jié)Z軸方向仿真效果圖該機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)4個自由度的運動，氣動肌肉具有控制精確的特點，在抓取物品等進(jìn)行生產(chǎn)實踐時，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的動作，基本滿足了實際應(yīng)用需要。該氣動機(jī)械手具有輕巧、安全和控制簡單等特點，可以用于工廠機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人等和人密切接觸的場合。很符合人機(jī)工程學(xué)的宗旨。第五章氣動機(jī)械手制作材料料要根據(jù)手臂的工作狀況來選擇，機(jī)械手臂，手臂要完成各類已定，或?qū)⒍ǖ倪\動，既然要有這么個運動部件，所以它最好是選用輕型材料，此外需要從質(zhì)量，剛度，慣性力等多角度綜合考慮，這樣才能最終提高機(jī)械手臂的動態(tài)性能和靜態(tài)第一：機(jī)械手臂在承受載荷時，不能有應(yīng)變和斷裂，也就是說要有足夠的強(qiáng)第二：由于機(jī)械手臂是運動的，需要有良好的受控性，因此不能過笨重，所以至少得“密度小強(qiáng)度大而且轉(zhuǎn)動慣量小”幾個條件根據(jù)你的機(jī)械手臂的工況以及經(jīng)濟(jì)的角度有條件取舍，選出滿足的材通常情況下，可以從以下大類材料中選?。?.木材是一種非常優(yōu)秀的材料。木材可以使天然木材也可以是復(fù)合膠板。木材比金屬其他復(fù)合材料質(zhì)地要輕，不易彎曲，切斷割削很容易便于組裝。相對來說木材更適合制作輕型機(jī)械手臂，木材不導(dǎo)電不用擔(dān)心短路情況選材有；松木冷杉等。木材質(zhì)制作的機(jī)械臂，給人很不牢靠的感覺，金屬制造的才更2.塑料也是一種制作機(jī)械手臂的有效材料，有很多聚酯塑料板之類的塑料材料也可以用來充當(dāng)機(jī)械臂的材料。3.金屬時使用最廣泛的，生活中金屬制的機(jī)械臂更為普遍。金屬材料比較短時，其強(qiáng)度很高。隨著尺寸的增加，金屬材料會因為自重發(fā)生彎曲，因此達(dá)不到預(yù)想要求。在有些要求比較高的疲勞度和韌性強(qiáng)度時，可以選用一些角鋼，鋼板，硬鋁板以及鋁合金型材等，以滿足需要。4.復(fù)合材料，泡沫板，玻璃纖維，樹脂，復(fù)合碳纖維，復(fù)合材料重量很輕，另外，合理的手臂截面形狀得到的扭轉(zhuǎn)剛度，彎曲剛度也會有較大差異，這樣的非材料因素也得好好考慮。第六章機(jī)械手的發(fā)展與展望精度是指機(jī)械手臂到達(dá)的指定地點的精準(zhǔn)程度。如果一個機(jī)械手臂不夠精準(zhǔn)通常會顯示一個誤差，這個誤差是可以預(yù)測的?？梢酝ㄟ^變成予以校正。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，氣動機(jī)械手臂精度越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣泛應(yīng)用。如核工業(yè)和軍事工業(yè)，航空，醫(yī)療，生活等領(lǐng)域等。終結(jié)者電影向我們展示了一個未來機(jī)械領(lǐng)域的新的機(jī)械手的發(fā)戰(zhàn)前景