四自由度通用液压机械手设计概论

摘要

本次设计的多功能机械手为液压通用机械手，主要由手爪、手腕、手臂、机身、机座等组成，具备上料、翻转和转位等多种功能，并按自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。本机械手机身采用机座式，自动线围绕机座布置，其坐标形式为圆柱坐标式，具有立柱旋转、手臂伸缩、腕部转动和腕部摆动等4个自由度；驱动方式为液压驱动，利用油缸、齿轮、齿条实现直线运动；利用油缸与齿轮、齿条或链条实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，并能在中间位置停止。本次设计的机械手能对不同物体完成多种动作。

关键词：机械手；圆柱坐标；液压驱动

Abstract

The design of multi-manipulator hydraulic manipulator general, mainly by the gripper, wrist, arm, body, base etc., with the material, flip, and a variety of functions such as translocation, in accordance with the unified autom ated production line beat and production program have done so. This machine adopts the base-type mobile phone, automatic wire around the base layout, its coordinates in the form of cylindrical coordinate type, with column rotation, arm stretching, wrist rotation and wrist swing and so four degrees of freedom; drive mode for the hydraulic drive, use fuel tank, gear, rack to achieve linear motion，use of tanks and gear, rack or chain to achieve rotary motion. Hydraulic drive has the advantage of high pressure, small size, contribute to a large, gentle movement and can stop in the middle. The design of the robot can complete a variety of different objects in action.

Keywords: mechanical hand; cylindrical coordinate; fluid power drive

目录

摘要............................................................................................. I Abstract .......................................................................................... II

目录........................................................................................... I II 第1章绪论. (1)

1.1 机械手的基本概念 (1)

1.2 机械手的发展现状及应用 (1)

1.2.1 发展现状 (1)

1.2.2 应用 (3)

第2章方案的确定 (7)

2.1 直角坐标型机械手 (8)

2.2 圆柱坐标式机械手 (9)

2.3 球坐标式机械手 (9)

2.4 关节式机械手 (10)

第3章手部结构设计 (11)

3.1 设计的原始参数 (11)

3.2 夹持式手部结构 (11)

3.2.1 手指的形状和分类 (11)

3.2.2 设计时考虑的几个问题 (12)

3.2.3 手部夹紧油缸的设计 (13)

第4章手腕结构设计 (17)

4.1 手腕的自由度 (17)

4.2 手腕的驱动力矩的计算 (18)

4.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩 (18)

4.2.2 手腕回转油缸的驱动力矩计算 (21)

4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核 (22)

第5章手臂工作油缸的设计与计算 (27)

5.1 手臂伸缩油缸的设计与校核 (27)

5.1.2 尺寸校核 (27)

5.1.3 导向装置 (33)

5.1.4 平衡装置 (33)

5.2 手臂升降油缸的设计与校核 (33)

5.2.1 尺寸设计 (33)

5.2.2 尺寸校核 (33)

5.3 手臂回转油缸的设计与校核 (34)

5.3.1 尺寸设计 (35)

5.3.2 尺寸校核 (35)

第6章其它零部件的选择设计 (38)

6.1 油缸的密封 (38)

6.1.1 活塞式油缸的泄漏与密封 (38)

6.1.2 回转油缸的泄漏与密封 (42)

6.2 控制调节阀的选择 (44)

6.3 辅助装置的选择 (44)

6.4 液压传动机械手的缓冲与定位 (45)

结论 (47)

致谢 (48)

参考文献 (49)

CONTENTS

Abstract .......................................................................................... I

Chapter 1 Introduction (1)

1.1 The basic concept of a robot (1)

1.2 Manipulator Development and Application (1)

1.2.1 Development Status (1)

1.2.2 Application (3)

Cha pter 2 program to determine (7)

2.1 Cartesian coordinate type robot (8)

2.2 Cylindrical coordinate manipulator (9)

2.3 Spherical manipulator (9)

2.4 Joint Manipulator (10)

Chapter 3 Design of hand (11)

3.1 The original design parameters (11)

3.2 Clamp-type structure of the hand (11)

3.2.1 Finger shape and classification (11)

3.2.2 Some consideration for the design problem (12)

3.2.3 Hand clamping cylinder design (13)

Chapter 4 Structural Design of the wrist (17)

4.1 degrees of freedom wrist (17)

4.2 Calculation of torque of the wrist (18)

4.2.1 Wrist rotation torque required (18)

4.2.2 Wrist rotation torque of cylinder calculation (21)

4.2.3 Wrist rotation cylinder and check the size of (22)

Chapter 5 Arm cylinder design and calculation work (27)

5.1 Telescopic arm design and checking the size of fuel tanks . 27

5.1.2 Size Check (27)

5.1.3 Oriented devices (33)

5.1.4 Balance device (33)

5.2 Arm lift cylinder design and checking the size of (33)

5.2.1 Dimension Design (33)

5.2.2 Size Check (33)

5.3 Rotary arm design and checking the size of fuel tanks (34)

5.3.1 Dimension Design (35)

5.3.2 Size Check (35)

Chapter 6 Other parts of the selection of design (38)

6.1 Cylinder seal (38)

6.1.1 Piston cylinder leak in the seal (38)

6.1.2 Rotating cylinder leakage and seal (42)

6.2 Control Valve Selection (44)

6.3 The choice of auxiliary devices (44)

6.4 Hydraulic manipulator and positioning cushion (45)

Conclusion (47)

Express thanks (48)

References (49)

第1章绪论

1.1 机械手的基本概念

液压通用机械手，就其本质上来说，属于工业机器人的范畴，机器人学是近几十年来迅速发展起来的一门综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机科学、自动控制以及人工智能等多种学科的最新研究成果，体现了光机电一体化技术的最新成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要课题。

“机械手”（Machanical Hand）：多数指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手）。如自动线、自动机的上下料，加工中心的自动换到的自动化装置。

1.2 机械手的发展现状及应用

机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识；其一、它能部分代替人工操作；其二、它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作的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人工物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉压、噪音以及带有放射性的污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视[1]。

1.2.1 发展现状

专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。通用机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于通用机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。通用机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、

液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。目前国内外对发展这一技术都很重视。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，应用领域在不断的扩大。虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大力支持相关的设计及产品的开发。在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交流与合作。

目前国内外的发展趋势是：

1．研制有更多自由度的液压机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。

2．研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。

3．研制维修维护方便的通用机械手。

4．研制能自动编制和自动改变程序的通用机械手。

5．研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊

语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。

6．机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。

7．研制具有柔性系统的通用机械手

目前，在国外广泛应用的再现式通用机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，

而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。如果把这种

再现式通用机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段

的智能机械手就是第三代了。现在研究的机械手正在朝着一种可以

存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且

机械手具有比原来的更多的自由度。现在国内具有越来越强的自主

研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越

发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位。