II本科畢業(yè)論文設(shè)計 多用途氣動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要在工業(yè)生產(chǎn)和許多領(lǐng)域，工人經(jīng)常面臨高溫和腐蝕等困難環(huán)境，以及有毒氣體的危害，這不僅增加了他們的工作量，而且更有可能對他們的生命安全構(gòu)成威脅。在這種情況下，機械手已成為氣動機器人系統(tǒng)中的關(guān)鍵任務(wù)執(zhí)行器，也是機器人中必不可少的關(guān)鍵組件。機械手的機械結(jié)構(gòu)集成了球桿、滑動桿和氣缸等精密機械部件；在電氣上，它集成了一系列電子部件，如步進電機、驅(qū)動模塊、傳感器、開關(guān)電源、電磁閥等。該設(shè)備不僅結(jié)合了許多先進技術(shù)，如可編程控制技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動技術(shù)和檢查技術(shù)，也是機電一體化領(lǐng)域的杰出代表之一。本文對氣動機器人的基本概念進行了簡要闡述，深入探討了其組成與分類，并詳細解析了氣動機器人的自由度和坐標形式。同時，本文還重點介紹了氣動技術(shù)的獨特優(yōu)勢以及國內(nèi)外的發(fā)展概況。通過研究，進行了多用途氣動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，具體說明其坐標的形狀、自由度和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。此外，本文還專門設(shè)計了手部的結(jié)構(gòu)、手腕的結(jié)構(gòu)和機械手手臂的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)氣動機器人的自動抓取任務(wù)，對多用途氣動機器人的研究具有重要的理論和實際意義。關(guān)鍵詞：機械手；機械結(jié)構(gòu)；機電一體化IIII Structuraldesignofmulti-purposepneumaticrobotAbstractInindustrialproductionandinmanyfields,workersareoftenfacedwithdifficultenvironments,suchasheatandcorrosion,aswellasthedangersoftoxicgases,whichnotonlyincreasetheirworkload,butarealsomorelikelytoposeathreattotheirlives.Inthiscontext,themanipulatorhasbecomeanessentialmissionactuatorinpneumaticroboticsystemsandanessentialcomponentinrobots.Themechanicalstructureofthemanipulatorincorporatesprecisionmechanicalcomponentssuchasclubs,slidingbarsandcylinders;Electrically,itintegratesaseriesofelectroniccomponentssuchassteppermotors,drivemodules,sensors,switchingpowersupplies,solenoidvalves,etc.Thisequipmentnotonlycombinesmanycutting-edgetechnologiessuchasprogrammablecontroltechnology,positioncontroltechnology,pneumatictechnologyandinspectiontechnology,butitisalsooneoftheleadingrepresentativesinthefieldofmechatronics.Thisarticlebrieflyoutlinesthebasicconceptsofpneumaticrobots,examinesindepththeircompositionandclassificationandanalyzesindetailthedegreesoffreedomandcoordinateshapesofpneumaticrobots.Atthesametime,theuniqueadvantagesofpneumatictechnologyandanoverviewofnationalandinternationaldevelopmentarehighlighted.Regardingthedesign,acompleteconstructiondiagramoftheuniversalpneumaticrobothasbeendeveloped,specifyingtheshapeofitscoordinates,thedegreesoffreedomandtheassociatedtechnicalparameters.Inaddition,wehavespeciallydesignedthestructureofthehand,thatofthewristandthatofthemanipulator'sarm.Wealsoaccuratelycalculatedthetimerequiredtorotatethewristandthetimerequiredtorotatethecylinder.Keywords:Manipulator；Manipulator;Mechanicalstructure;Mechanicalandelectricalintegration 目錄TOC\o"1-3"\h\u多用途氣動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 [17]。同時，分析機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點，如關(guān)節(jié)、骨架和末端執(zhí)行器的選擇和優(yōu)化，以確保機器人能夠完成各種復(fù)雜任務(wù)。并要合理規(guī)劃各零件的布局與安裝，以確保整體結(jié)構(gòu)的緊湊與高效。通過這一系列研究，我們將為氣動機器人的精準控制與高效運動提供堅實的理論基礎(chǔ)。第2章多用途氣動機器人的總體設(shè)計方案2.1系統(tǒng)功能分析對系統(tǒng)的功能設(shè)計是指，讓氣動機器人完成一個什么樣的目標、實現(xiàn)什么樣的功能，氣動工業(yè)機械手，其動力來自氣動執(zhí)行器，經(jīng)過設(shè)計，作為物料搬運系統(tǒng)中的多功能端部執(zhí)行器。機械手的結(jié)構(gòu)由兩部分組成，氣動臂和氣動手腕。它能夠在沒有力傳感器或反饋控制的情況下有效地抓住和操作各種不同的物體。氣動傳動系統(tǒng)是氣動機器人完成工作的關(guān)鍵部分，主要由氣缸、氣動電磁閥、氣壓調(diào)節(jié)器、濾油器等組成。其中，氣缸是氣動機器人的核心部件，通過調(diào)節(jié)氣缸的推力和行程，機器人可以實現(xiàn)各種移動和工作動作。本課題氣動機器人底座繞z軸轉(zhuǎn)動，腰部平行于z軸上下移動，臂部平行于x軸移動，夾爪進行夾持夾取。氣動驅(qū)動系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：控制性能穩(wěn)定：氣動驅(qū)動的工業(yè)機器人通常具有較高的控制精度，可以滿足大部分工業(yè)應(yīng)用場景的需求。此外，氣動元件的結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，可以快速實現(xiàn)高精度的控制。運動平穩(wěn)性：氣動驅(qū)動的工業(yè)機器人能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的運動，避免因速度快而導(dǎo)致的震動和抖動等問題，提高了生產(chǎn)質(zhì)量。氣動機器人的系統(tǒng)功能主要體現(xiàn)在其高效、可靠的氣動驅(qū)動系統(tǒng)上，這使得氣動機器人在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。2.2氣動機器人的組成和分類2.2.1氣動機器人的組成本課題設(shè)計的氣動機器人主要是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1.1所示?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)位置檢測裝置執(zhí)行機構(gòu)圖2-1機器人組成系統(tǒng)1、執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。氣動機器人的執(zhí)行機構(gòu)是實現(xiàn)機器人動作的核心部分，具體包括多種組件，比如夾持器、極限開關(guān)、光電開關(guān)等。這些執(zhí)行機構(gòu)使氣動機器人能夠完成對工件的抓取、運輸、組裝等操作。其中，氣缸是氣動機器人中一種重要的執(zhí)行機構(gòu)，它將氣動能轉(zhuǎn)換為機械能，常用于機器人系統(tǒng)中的各種夾具和夾具裝置，主要用于夾緊、擠壓、推動等。手部手部就是那些與物體直接接觸的組件。以夾持式手部應(yīng)用最為廣泛。鑒于與物體的接觸方式有所不同，手部可以被分類為夾持型和吸附型。在這個課題研究中，我們選擇了夾持式的手部設(shè)計。傳動機構(gòu)包括曲柄滑塊機構(gòu)，齒輪齒條機構(gòu)，蝸桿機構(gòu)等。手部的夾持式設(shè)計是由手指（或手爪）與傳動裝置共同組成的。手指其常見的運動方式包括回轉(zhuǎn)型和平移型。在回旋半徑不變而旋轉(zhuǎn)角度增大時，可實現(xiàn)自動調(diào)整，因而適用于對不同大小、規(guī)格和材質(zhì)的物體進行夾緊。在設(shè)計時可根據(jù)需要選用不同類型的傳動裝置。傳動機構(gòu)的主要功能是將運動和動力傳遞給手指。傳動機構(gòu)有多種常見的類型，包括滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式以及重力式等。手腕手腕是連接手部和手臂的關(guān)鍵部位，它具備調(diào)整被抓取物件方向或姿勢的重要功能。手臂在機械手的操作中，手臂扮演了一個不可或缺的角色，它的主要職責是為被抓取的物品、手和手腕提供支撐。在工業(yè)機械操作中，手臂的動作通常是由多個機構(gòu)（例如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等）和相應(yīng)的驅(qū)動源（例如液壓、氣壓或電機等）共同協(xié)作來完成的，以確保手臂能夠完成各種復(fù)雜的運動任務(wù)。立柱氣動機器人的立柱作用在工業(yè)自動化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過使用氣動機器人的立柱，可以實現(xiàn)高效的生產(chǎn)線布局，提高生產(chǎn)效率。這些立柱不僅可以支撐機器人本身，還可以為其他設(shè)備提供支撐和固定。機座機械手的基礎(chǔ)構(gòu)造是機座，它承載著執(zhí)行機構(gòu)的各個組件和驅(qū)動系統(tǒng)，發(fā)揮著支撐和連接的關(guān)鍵作用，確保整個機械手能夠穩(wěn)定運行。2、驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力核心，由動力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置共同構(gòu)成。目前，液壓傳動、氣壓傳動以及機械傳動是常見的驅(qū)動系統(tǒng)類型。本文即為氣壓傳動。2.2.2機械手的分類工業(yè)機械手有不同的種類，而關(guān)于機械手分類的問題，目前在國內(nèi)尚未找到統(tǒng)一的分類標準，暫時按照機械手的使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。按用途分專用機械手專用機械手在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其主要作用是完成需要高精度和重復(fù)性的任務(wù)。通用機械手通用機械手在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用價值。它能夠承擔裝配、搬運、包裝、質(zhì)檢等多種任務(wù)。與傳統(tǒng)的人工操作相比，通用機械手具有高速度、高精度、高效率等優(yōu)勢。通用機械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強，特別適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)。2、按驅(qū)動方式分液壓傳動機械手液壓傳動機械手是以油液的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的工業(yè)機械手。它有抓取重物能力強、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏等特點。液壓傳動機械手也存在一些局限性。例如，它對密封裝置的要求非常嚴格，因為油的泄漏會對其工作性能產(chǎn)生很大影響。此外，液壓傳動機械手在高溫和低溫環(huán)境下的工作性能可能會受到影響，因此在某些極端環(huán)境下可能不適用。氣壓傳動機械手氣壓傳動機械手是一種利用壓縮空氣壓力驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械裝置。其顯著優(yōu)勢在于介質(zhì)源獲取便捷，輸出力量較小，氣動反應(yīng)迅速，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，制造成本低廉。然而，由于空氣的可壓縮性，其工作速度穩(wěn)定性相對較差，沖擊力較大。此外，氣源壓力較低，通常抓取重量限制在30公斤以下。在相同抓取重量的條件下，氣壓傳動機械手的結(jié)構(gòu)通常比液壓機械手要大。因此，它更適用于高速、輕載、高溫及粉塵較多的工作環(huán)境中。3、按控制方式分點位控制機械手的運動主要體現(xiàn)為空間內(nèi)點至點之間的位移，其控制方式僅限于對運動過程中特定幾個位置點的精確調(diào)控，而無法直接控制其整體的運動軌跡。若需控制的位置點增多，則相應(yīng)地會增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。目前，無論是在專用領(lǐng)域還是通用工業(yè)領(lǐng)域所使用的機械手，大多數(shù)都屬于這種類型。連續(xù)軌跡控制運動軌跡為空間內(nèi)連續(xù)曲線，它的特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定和精確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類機械手一般采用小型計算機進行控制。2.3機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計方案2.3.1氣動機器人自由度的確定設(shè)計氣動機器人時，首要考慮的是其運動自由度的數(shù)量及實現(xiàn)方式。自由度特指機器人在獨立坐標軸上運動的數(shù)目。根據(jù)氣動機器人的自由度設(shè)計因應(yīng)用而異，可能多于或少于六個。接下來，我們將探討兩種氣動機器人自由度的設(shè)計方案：方案一三自由度氣動機械臂是一種具有三個獨立自由度的機械系統(tǒng)，利用氣壓驅(qū)動來完成各種動作和任務(wù)。它結(jié)合了機械臂的靈活性和氣動技術(shù)的優(yōu)點，具有獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用領(lǐng)域。三自由度氣動機械臂具有旋轉(zhuǎn)、俯仰和伸展三個自由度。旋轉(zhuǎn)自由度使其能夠繞軸線進行旋轉(zhuǎn)運動，俯仰自由度使其能夠向上或向下彎曲，而伸展自由度則使其能夠向前或向后伸展。這些自由度的組合使得機械臂能夠在空間中執(zhí)行復(fù)雜的動作和操作。但是三自由度氣動機械臂在承載能力、定位精度、運行速度以及氣源穩(wěn)定性等方面存在一些缺點。在選擇是否使用氣動機械臂時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求進行綜合考慮。圖2-2三自由度氣缸機械臂簡圖方案二四自由度圓柱坐標氣動機械手根據(jù)調(diào)研情況，機械臂的整體構(gòu)型按坐標類型的不同，一般分為：直角坐標系、關(guān)節(jié)型以及圓柱坐標系等等。其中，圓柱坐標式機械手的主要優(yōu)勢：靈活性高：這種機械手具有較高的靈活性，可以在各個方向上運動，因此適用于各種不同的應(yīng)用場景。它能夠執(zhí)行多種復(fù)雜的動作，包括抓取、搬運、裝配等。較大的工作區(qū)域：由于圓柱坐標式機械手的機械臂結(jié)構(gòu)特性，它能夠?qū)崿F(xiàn)較大的工作區(qū)域，這使得它能夠在更廣泛的范圍內(nèi)進行操作。高負載能力：由于其結(jié)構(gòu)較為牢固，圓柱坐標式機械手能夠承受較大的負載，因此適用于處理重物和承載大型物體的任務(wù)。適應(yīng)性強：圓柱坐標式機械手可以更好地適應(yīng)不同的工作場景和任務(wù)，滿足不同行業(yè)的生產(chǎn)需求。可維護性好：其結(jié)構(gòu)簡單明了，易于維護和修理，降低了維護和運行成本。運動軌跡優(yōu)秀：其運動軌跡精準且穩(wěn)定，可以確保機器人在操作過程中更加精準和高效。圓柱坐標系機械手具有前后伸縮、上下升降以及水平面內(nèi)擺動的動作能力。其工作空間呈現(xiàn)為圓柱形狀，能夠滿足特定作業(yè)場景的需求。故采用圓柱坐標式機械手作為機械臂的設(shè)計構(gòu)型。機械簡圖如圖2-3所示圖2-3四自由度圓柱坐標氣動機械手機械簡圖2.4氣動機器人的主要參數(shù)設(shè)計技術(shù)參數(shù):1、抓重2、自由度數(shù)4個自由度3、座標型式圓柱座標4、最大工作半徑5、手臂最大中心高6、手臂運動參數(shù)伸縮行程伸縮速度升降行程升降速度回轉(zhuǎn)范圍回轉(zhuǎn)速度7、手腕運動參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍回轉(zhuǎn)速度8、手指夾持范圍棒料:9、定位方式行程開關(guān)或可調(diào)機械擋塊等10、定位精度11、驅(qū)動方式氣壓傳動12、控制方式點位程序控制(采用PLC)2圖2-3機械手工作范圍2.5小結(jié)回顧本章，我們提出了一個全面的多用途氣動機器人設(shè)計方案，深入論證了該方案的可行性，為后續(xù)實施具體方案提供了有力依據(jù)。在此過程中，我們依次探討并研究了以下幾個關(guān)鍵問題：對系統(tǒng)的功能需求進行分析，對課題的主要問題進行分析并提出了問題的相應(yīng)解決方案；確定了氣動機器人的自由度和簡要介紹了氣動機器人的總體結(jié)構(gòu)。

第3章多用途氣動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計氣動機器人的機械系統(tǒng)設(shè)計研究，作為整個設(shè)計過程中的核心環(huán)節(jié)，具有舉足輕重的地位。盡管其他系統(tǒng)的設(shè)計研究具有其獨立性，但它們都必須與機械系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，共同構(gòu)成一個完整且高效的機器人系統(tǒng)。在氣動機器人的機械結(jié)構(gòu)中，手部結(jié)構(gòu)、手腕結(jié)構(gòu)以及手臂結(jié)構(gòu)是三大不可或缺的組成部分。接下來的章節(jié)，我們將根據(jù)氣動機器人的這些結(jié)構(gòu)部件，逐一介紹其結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計時需要特別注意的問題。3.1機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計增強機械手通用性，手部結(jié)構(gòu)設(shè)計可替換。針對棒料工件，采用夾持式手部；針對板料工件，采用氣流負壓式吸盤。3.1.1手指的形狀和分類鉗持型氣動機械手手指設(shè)計是市場的主流，涵蓋了兩指、多指以及雙手雙指等多種類型。根據(jù)機械手指鉗住工件的位置不同，可將其分為內(nèi)卡（或內(nèi)脹）和外夾兩種類型。這些手指的設(shè)計靈感來源于人類手指的動作，進一步細分為單支點回轉(zhuǎn)型、雙支點回轉(zhuǎn)型和移動型（或稱直進型）三種。其中，雙支點回轉(zhuǎn)型手指是基礎(chǔ)款式。當雙支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點距離縮至極限時，它就轉(zhuǎn)變?yōu)閱沃c回轉(zhuǎn)型；同樣地，當手指的長度延伸至極限時，它就變?yōu)橐苿有?。回轉(zhuǎn)型手指因其開合角度小、結(jié)構(gòu)簡潔、制作方便而得到廣泛應(yīng)用。但在夾持直徑變化的零件時，移動型手指能夠保持軸心位置不變，因此能夠適應(yīng)不同直徑的工件。3.1.2設(shè)計時考慮的幾個問題為了確保工件在傳送和操作過程中的穩(wěn)定性，氣動機械手的手指需要具備適當?shù)奈樟Γ猿浞挚紤]到工件的重量、傳送過程中產(chǎn)生的慣性力以及可能出現(xiàn)的振動因素。這樣的設(shè)計可以確保手指牢固地握住工件，避免工件因外力影響而脫落或移位；保持手指開閉角，保證工件順利進出，應(yīng)根據(jù)工件的最大直徑設(shè)計；為了實現(xiàn)精準定位，氣動機械手的手指形狀需根據(jù)工件的形狀進行選擇。對于圓柱形工件，應(yīng)選用具有V形面的手指，以確保手指能夠緊密貼合工件的表面，實現(xiàn)精確抓取和定位工件。為確保氣動機械手手指在工作過程中不會折斷或發(fā)生彎曲變形，手指應(yīng)具備足夠的強度和剛度。為了提高操作效率和靈活性，手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡可能簡單且輕便。為了確保抓取操作的穩(wěn)定性和準確性，手部中心應(yīng)位于手腕回轉(zhuǎn)軸線上，從而實現(xiàn)精準控制；3.1.3手部夾緊氣缸的設(shè)計1、手部驅(qū)動力計算本課題氣動機器人的手部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，其被夾持工件重量為M=10kg，根據(jù)工件的直徑80~150mm，可選定V形手指的角度2=120°b=120mm>R=24mm，摩擦系數(shù)為=0.3圖3-1齒輪齒條式手部(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: （3-1）(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: （3-2） （3-3）所以： =471.5 （3-4）(3)實際驅(qū)動力: （3-5）式中：—齒輪齒條傳動效率，取—安全系數(shù)，由機械手的工藝及設(shè)計要求確定,通常在1.2~2.0，取1.5；—工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，若被抓取工件的最大加速度取時，則: （3-6）所以： （3-7）夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為。2、氣缸的直徑本氣缸屬于預(yù)縮型單作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: （3-8）式中:-活塞桿上的推力/N-彈簧反作用力/N-氣缸工作壓力，選為0.4MPa彈簧反作用按下式計算: （3-9） （3-10）式中:-彈簧剛度，N/m-彈簧預(yù)壓縮量/mm-活塞行程/mm-彈簧材料直徑/mm-彈簧中徑/mm-彈簧有效圈數(shù)-彈簧材料剪切模量，一般取查《機械設(shè)計手冊—彈簧》，此處選用材料的直徑為3.5mm，中徑為30mm，有效圈數(shù)為15的彈簧，可得： （3-11） (3-12)=3677.46×60×10=220.6（N）有公式: (3-13)分析得單向作用氣缸的直徑: (3-14)其中=代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得： (3-15)查《機械設(shè)計手冊—氣壓傳動》圓整，得由的范圍在0.2~0.3之間,可得活塞桿直徑:取活塞桿直徑校核，按公式有: (3-16)其中，[]，則: (3-17)因此符合要求3、缸筒壁厚的設(shè)計缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。缸體材料選用鋁合金其=120MPa。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: (3-18)式中:-缸筒壁厚，mm-氣缸內(nèi)徑，mm-實驗壓力，取=0.6MPa-缸體材料許用應(yīng)力，Pa，其計算公式為： (3-19)-安全系數(shù)，一般取=6~8 ==15MPa (3-20)代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: (3-21)由于計算所得的壁厚很薄不易加工，故查《機械設(shè)計手冊—氣壓傳動》選用壁厚為3.5mm，則：缸筒外為:12(m) (3-22)3.2機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計針對機械手的普及性，以及被抓取物品的水平擺放，手腕部位需具備旋轉(zhuǎn)功能以滿足作業(yè)需求。因此，手腕設(shè)計為旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，負責實現(xiàn)手腕旋轉(zhuǎn)的裝置為回轉(zhuǎn)氣缸。3.2.1手腕的自由度該設(shè)備主要用于精確調(diào)整或改變工件的方向，因此它擁有獨立的自由度，確保能靈活應(yīng)對機械手的復(fù)雜動作需求。手腕自由度的選擇涉及到機械手的通用性、加工工藝的適應(yīng)性、工件的具體擺放位置以及定位精度等諸多因素?？紤]到本機械手主要處理水平放置的工件，并結(jié)合通用性的考量，手腕需具備圍繞X軸轉(zhuǎn)動的功能。目前，在眾多的機構(gòu)中，回轉(zhuǎn)油（氣）缸因其廣泛的應(yīng)用而成為實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的首選。特別是回轉(zhuǎn)氣缸，其結(jié)構(gòu)緊湊且高效，盡管其回轉(zhuǎn)角度有所限制，不超過360°，但它在密封性上要求嚴格，確保了工作的穩(wěn)定性和精度。3.2.2手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)使力矩手腕的旋轉(zhuǎn)、上下及左右擺動動作，其實都屬于旋轉(zhuǎn)運動的范疇。當驅(qū)動手腕進行旋轉(zhuǎn)時，需克服多個力矩的影響，包括啟動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，轉(zhuǎn)動軸與支撐孔之間的摩擦阻力矩，以及活動片與缸徑、固定片和端蓋等密封裝置之間產(chǎn)生的摩擦阻力矩。此外，還需要克服因轉(zhuǎn)動部件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合而產(chǎn)生的偏重力矩。以下圖3-2詳細展示了手腕在旋轉(zhuǎn)過程中所受到的力的示意。圖3-21.工件2.手部3.手腕圖3-3Solidworks建模圖與CAD裝配圖機械手腕在轉(zhuǎn)動時的驅(qū)動力矩如下式計: M驅(qū)M慣M偏M摩M封 (3-23)式中:M驅(qū)—驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力（N）;M慣—慣性力矩（N）;M偏—參與轉(zhuǎn)動的零部件的重(包括工件手部手腕回轉(zhuǎn)缸的動)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力（N）;M摩—轉(zhuǎn)動軸與支承孔處產(chǎn)生的摩擦阻力矩（N）;M封—手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩（N）;下面以圖3-2所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計:手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力M悅?cè)羰滞笃饎舆^程按等加速運動手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為起動過程所用的時間為t，則 M慣 (3-24)式中:-參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量(Ncs2);2-工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量2若工件中心與轉(zhuǎn)動線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量為: (3-25)2式中:—工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量(Ncs2)21—工件的重(N)—工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心(cm)手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力M偏 M偏11+33(Nm) (3-26)式中：3—手腕轉(zhuǎn)動件的重(N);3—手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心(cm)當工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時11=0 (3-27)手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩M封 M封 (3-28)式中:，-轉(zhuǎn)動軸的軸頸直(cm);-摩擦系數(shù)，對于滾動軸承=0.01,對于滑動軸承=0.1根據(jù)得 (3-29) (3-30)同理根據(jù)得 (3-31)式中:—轉(zhuǎn)動軸的重量(N)—如圖4.1所示的長度尺(cm).轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑定片端蓋等處密封裝置的摩擦阻力M封根據(jù)具體情況加以分析，與選用的密封裝置的類型有關(guān)。3.2.3回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)使力矩計算在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中，采用了葉片回轉(zhuǎn)氣缸的裝置，其工作原理如圖3-4所示。其中，定片1與缸體2緊密相連，而動片3則與回轉(zhuǎn)軸5固定在一起。動片封圈4起到了分隔氣腔的作用，將其分為兩個部分。當壓縮氣體從孔a進入時，它會推動輸出軸進行逆時針方向的旋轉(zhuǎn)，此時低壓腔的氣體會從b孔排出。如果氣體從另一個方向進入，輸出軸則會進行順時針方向的旋轉(zhuǎn)。單葉氣缸其壓力P與驅(qū)動力矩M之間的關(guān)系為：:圖3-4回轉(zhuǎn)氣缸簡圖圖3-5Solidworks建模圖 或 (3-32)式中：—回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩（N）P—回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力（Pa）R—缸體內(nèi)壁半徑（cm）r—輸出軸半徑（cm）b—動片寬度（cm）上述驅(qū)動力矩和壓力的關(guān)系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的P應(yīng)為工作壓力與背壓之差。3.2.3回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)使力矩驗證1、尺寸設(shè)計氣缸長度設(shè)計為，氣缸內(nèi)徑為，半徑，軸徑,半徑r=13mm，氣缸運行角速度，加速時間，壓強P=0.4MPa，則力矩： M= (3-33)尺寸校核測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量，分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一半徑的圓盤上那么轉(zhuǎn)動慣量： (3-34)工件的質(zhì)量為10kg,質(zhì)量分布于長的棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量 (3-35)假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合對于長的棒料來說，最大偏心距，其轉(zhuǎn)動慣量 (3-36) (3-37)手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動件重心與轉(zhuǎn)動軸線重合，，夾持工件一端時工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線,則： (3-38)手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力為M磨，對于滾動軸承,對于滑動軸承,為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑，,,為軸頸處的支承反，粗略估計=300N,=150N,則： (3-39)回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析在此處估計為的3倍，則： (3-40)所以： (3-41) =46.32<M=57.12 (3-42)設(shè)計尺寸符合使用要求，安全。

3.3機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計這款機械手臂具備兩個自由度，涵蓋伸縮和左右旋轉(zhuǎn)動作。立柱負責控制手臂的回轉(zhuǎn)與升降，同時實現(xiàn)手臂的橫向移動。各類動作由氣缸驅(qū)動。3.3.2手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計氣缸運行長度設(shè)計為,氣缸內(nèi)徑為,半徑,氣缸運行速度，加速度時間,壓強,則驅(qū)動力 (3-43)3.3.4手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計氣缸長度設(shè)計為,氣缸內(nèi)徑為,半徑,軸徑，半徑,氣缸運行角速度,加速時間，壓強，則力矩： (3-44)==2553.4氣動控制元件多用途氣動機器人中常用的氣動控制元件包括氣缸、氣動閥、氣動執(zhí)行器、氣源處理元件等。這些元件在氣動系統(tǒng)中起著控制氣壓、控制氣流方向和控制執(zhí)行器動作等重要作用。以下是這些氣動控制元件：氣缸（PneumaticCylinder）：氣缸是氣動系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，用于將氣壓能轉(zhuǎn)化為機械運動。氣缸根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作方式可分為氣壓式氣缸、雙作用氣缸、單作用氣缸等。本文選用SMC氣缸等。氣動閥（PneumaticValve）：氣動閥用于控制氣流的方向、流量和壓力，實現(xiàn)氣動系統(tǒng)的各種功能。氣動閥根據(jù)其工作原理可分為直動式氣動閥、電磁閥、手動閥等。本文選用SMC氣動閥。氣動執(zhí)行器（PneumaticActuator）：氣動執(zhí)行器用于將氣動能轉(zhuǎn)化為機械運動，驅(qū)動機械臂、夾具等執(zhí)行器完成各種任務(wù)。氣動執(zhí)行器可分為氣缸式執(zhí)行器、旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器等。本文選用SMC氣動夾爪。氣源處理元件（AirPreparationUnits）：氣源處理元件用于處理氣源，包括過濾器、減壓閥、潤滑器等，確保氣源的質(zhì)量和穩(wěn)定性，延長氣動元件的使用壽命。本文選用SMC氣源處理組件。這些氣動控制元件在多用途氣動機器人中起著至關(guān)重要的作用，通過它們的協(xié)同工作，實現(xiàn)了氣動系統(tǒng)的高效、靈活控制，從而實現(xiàn)多種任務(wù)的自動化完成。由于氣動機器人完全依賴于氣壓傳動，因此氣缸在系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的執(zhí)行元件角色，同時也是氣動機器人結(jié)構(gòu)的核心組成部分。特別是氣缸的特性，其優(yōu)良與否直接關(guān)系到整個系統(tǒng)能否穩(wěn)定、高效地運行。在選擇氣缸時，我們必須首要考慮其動、靜特性的優(yōu)劣，以確保其能夠滿足系統(tǒng)的需求并實現(xiàn)精確、可靠的動作執(zhí)行。3.5小結(jié)本章按照氣動機器人的主要組成，詳細介紹了氣動機器人關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計，完成以下幾個內(nèi)容：對氣動機器人的手部進行了分類，對手部夾緊氣缸進行設(shè)計；完成了氣動機器人手腕驅(qū)使力矩的計算與驗證；完成了手臂氣缸的尺寸設(shè)計。第4章多用途氣動機器人的結(jié)構(gòu)校核計算4.1手臂伸縮氣缸的尺寸校核在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑，半徑的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計使用壓強，則驅(qū)動力： (4-1)測定手腕質(zhì)量50kg,設(shè)計加速度，則慣性力： (4-2)考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), (4-3)所以，總受力： (4-4) (4-5)所以標CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求要求。4.2手臂升降氣缸的尺寸校核測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力 (4-6)設(shè)計加速度，則慣性力 (4-7)考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)k=1， (4-8)所以： 總受力 (4-9)所以設(shè)計尺寸符合實際使用要求。4.3手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸校核測定參與臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個半徑r=m的圓盤上，轉(zhuǎn)動慣量： (4-10 (4-11)考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)k=2, (4-12)總驅(qū)動力矩: (4-13)設(shè)計尺寸滿足使用要求。4.4小結(jié)回顧本章，完成了以下工作：對手臂伸縮氣缸的尺寸進行了校核；對手臂升降氣缸的尺寸進行了校核；對手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸進行了校核。第5章經(jīng)濟效益及分析5.1成本分析概述氣動機器人的成本由多個方面構(gòu)成，包括但不限于研發(fā)、生產(chǎn)、材料、運輸以及后期維護等費用。具體成本因機器人的規(guī)模、功能、精度要求、材料選擇以及生產(chǎn)工藝等因素而異。在機器人產(chǎn)業(yè)鏈中，成本價值最高的部分通常包括減速器（如諧波減速器和RV減速器）、伺服系統(tǒng)、控制器和傳感器等核心部件。其中，減速器的成本占據(jù)顯著地位，特別是諧波減速器和RV減速器，其單價和用量直接影響了氣動機器人的整體成本。多用途氣動機器人技術(shù)在未來將繼續(xù)向著智能化、高效化、靈活化的方向發(fā)展。隨著人工智能、機器學(xué)習等技術(shù)的不斷進步，多用途氣動機器人將具備更強的自主決策能力和適應(yīng)能力，能夠在復(fù)雜環(huán)境下完成各種任務(wù)。多用途氣動機器人技術(shù)的應(yīng)用將帶來顯著的經(jīng)濟效益。首先，多用途氣動機器人可以降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，增加企業(yè)競爭力；其次，多用途氣動機器人可以減少人力成本和人為錯誤，提高工作安全性和穩(wěn)定性；最后，多用途氣動機器人技術(shù)的發(fā)展也將帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，促進經(jīng)濟增長和就業(yè)機會。多用途氣動機器人技術(shù)將逐漸成熟，應(yīng)用范圍將更加廣泛，經(jīng)濟效益也將得到進一步提升。多用途氣動機器人技術(shù)的發(fā)展將為各行各業(yè)帶來巨大的變革和機遇，提升生產(chǎn)效率、降低成本、改善工作環(huán)境等。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用的推進，多用途氣動機器人技術(shù)將成為未來經(jīng)濟發(fā)展的重要引擎之一，為社會帶來更多福祉和進步。5.2機器人夾爪經(jīng)濟效益在模具制作費用不計入成本的前提下，目前市場上供應(yīng)著多種機械零件、半成品以及成品。同時，存在不少企業(yè)和個人可通過采購這些機械零件來完成裝配工作。一臺機械零件的造價因其復(fù)雜程度、材料選用以及客戶需求等因素而異，價格范圍大致在8萬元至1.5億元之間。如果有完整的機械臂，那么機械臂的三個主要部分就是減速器，機械臂，控制系統(tǒng)。在這些設(shè)備中，減速器的費用較高，而電動機與系統(tǒng)的費用也相近。減速器：每個廠商所使用的減速機都不相同，因此它們的種類可能也會有所區(qū)別。各品牌的每臺成本可控制在1.5-2.5萬之間；馬達：國內(nèi)外售價各不相同，可將成本控制在1.5萬左右；KABA：國外進口超過2萬，國內(nèi)售價大概在3000-12000之間。計算余下零件與人工成本計算上述各零件費用可知該機械臂的費用可以控制在20,000之內(nèi)。結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計讓我深入了解了氣動機器人的諸多知識，也包含了國內(nèi)外各種先進的氣動機械手。通過設(shè)計氣動通用機械手，我掌握了機械設(shè)計的基礎(chǔ)技能。采用模塊化設(shè)計可以使氣動機器人更易于維護和升級。將機器人分解為不同的模塊，如手臂、夾具、傳感器等，可以方便替換和升級單個模塊，同時也有利于快速定位和解決故障。氣動機器人需要在保證足夠的穩(wěn)定性和負載能力的前提下盡可能減輕自身重量，以提高運動速度和節(jié)約能源。采用輕量化材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等手段可以有效減輕機器人的重量。本文為多用途氣動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對氣動機器人的手部手腕手臂分別進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并計算校核驗證了可行性，充分理解了氣動機器人工作的特點，氣動機器人的用途也十分廣泛，可用于制造業(yè)、自動化生產(chǎn)以及醫(yī)療和衛(wèi)生領(lǐng)域。1、氣動通用機械手相比專用機械手，具有更高的自由度和可調(diào)性，應(yīng)用范圍更廣泛。2、采用氣壓傳動，動作快、反應(yīng)靈敏，具備過載保護，易于自動控制。適應(yīng)性強，不受環(huán)境變化影響，低阻力、低泄漏，環(huán)保且成本低。3、通過參數(shù)化繪制氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖，提高了繪圖速度，節(jié)省時間，減少重復(fù)勞動，統(tǒng)一規(guī)范圖紙。4、機械手配置二指夾持器，適用于抓取一般棒料。5、由于經(jīng)驗有限，設(shè)計或有不足，敬請諒解并指正。參考文獻趙秀菊.基于PLC和MCGSE觸摸屏控制的氣動機械手實訓(xùn)教具設(shè)計[J].內(nèi)燃機與配件,2023,(19):125-127.DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.19.010孫曉紅.機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及PLC控制[J].機械管理開發(fā),2023,38(07):103-104+107.DOI:10.16525/14-1134/th.2023.07.040紀永.基于仿生群智能優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣動機械手穩(wěn)定運動控制方法