关节型机械手设计

摘 要 机械手，顾名思义，机械原件做成的像人手一样的器械，可替代人手完成一些大量重复、复杂、危险的工作。机器手是由机械与电子相互结合产生的产品。使用机械手的目的有以下几点：劳动生产率得到提升，使加工过程更先进，更高效，减轻人们劳动负担，改善人们的劳动环境等等。按照要求可以进行自动化技术装备。机械手可以代替手工进行工作，降低劳动消耗程度，改进在工作中所需的物质设备条件，提升单位时间制作产品的数量。经常在工业生产中出现的频繁工件无法用手工来解决的困难时，那么机械手就可以完美替代人手进行工业生产劳动；
而且，机械手的工作环境相当广泛，可以在高低温、放射性等有毒污染环境下工作，占据相当大的优势，所以机械手在工厂运作中占据着不可替代的作用。

本次课程设计基于机械设计原理，在了解了四自由度关节型机械手的基本信息后，介绍了其使用范围，按照设计原理和步骤设计了一台有着四自由度的关节型机械手。机械手的发明极大地改善了工人的工作环境，简化了工人的工作内容，提高整体的生产劳动效率，是人类生产活动中有利的帮手。本论文运用了机械手工作原理和设计、四自由度设计等各方面的专业知识，在设计四自由度的关节型机械手的过程中，结合已有的知识解决过程中的难题，并进行深入探讨，如何在已有的基础上融入自己的创意和想法，使机械手设计得更为简洁，实用性更强。

关键词：关节型机械手，机械设计，四自由度 ABSTRACT The manipulator, as the name implies, is a human-like device made of mechanical originals, which can replace a lot of repetitive, complicated and dangerous work. The robot is a product produced by the combination of machinery and electronics. The purpose of using the robot is as follows: the labor productivity is improved, the processing process is more advanced, more efficient, the labor burden is reduced, the working environment is improved, and the like. Automated technical equipment is available upon request. The robot can replace the manual work, reduce the labor consumption, improve the physical and equipment conditions required in the work, and increase the number of products produced per unit time. When the frequent occurrence of frequent workpieces in industrial production cannot be solved by hand, it is the most effective way to use the robot at this time; moreover, the robot can work under high and low temperature, radioactive and other toxic pollution environments, occupying considerable advantages. Therefore, the robot plays an irreplaceable role in the operation of the factory. This course design is based on the mechanical design principle. After understanding the basic information of the four-degree-of-freedom articulated manipulator, the scope of its use is introduced. An articulated manipulator with four degrees of freedom is designed according to the design principles and steps. The invention of the robot greatly improved the working environment of the workers, simplified the work content of the workers, and improved the overall production labor efficiency, which is a favorable helper in human production activities. This thesis uses the professional knowledge of the working principle , and in-depth discussion, How to integrate your own ideas and ideas on the existing basis, so that the robot is designed to be more concise and practical. Key Words: Articulated manipulator；
Mechanical Design；
Four degrees of freedom 目录 1 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 设计目的 2 1.3 关节机械手研究概况 2 1.3.1 国外研究现状 2 1.3.2国内研究现状 3 1.4 关节型机械手构成机件的作用 4 2 总体方案设计 5 2.1 机械手工程概述 5 2.2 工业机械手总体设计方案论述 6 2.3 机械手机械传动原理 7 2.4 机械手总体方案设计 8 3手部设计计算 9 3.1对手部设计的要求 9 3.2拉紧装置 10 3.3机械运动范围（速度）
12 3.4手部右腔流量 12 3.5手部工作压强 12 4 移动关节的设计计算 12 4.1驱动方式的比较 12 4.2汽缸的设计 13 5小臂的设计 16 5.1 小臂结构的设计要求 16 5.2 小臂结构的设计 16 5.3小臂电机及减速器选型 16 5.4小臂的计算 17 5.5 轴的设计计算 18 5.6 轴承的选择 18 5.7 轴承的校核 18 5.8 计算轴承摩擦力矩：
19 5.9步进电动机和齿轮选择 20 6 大臂的设计计算 20 6.1大臂部结构设计的基本要求 20 6.2 大臂的结构设计 22 6.3 大臂电机及减速器选型 22 6.4大臂的计算 23 6.5 轴的设计计算 24 6.6轴承的选择 24 6.7 轴承摩擦力矩的计算 25 6.8步进电动机和齿轮的选择 25 7. 机身的设计 27 8 电机选型有关参数计算 27 8.1 相关参数的计算 28 8.2 电机型号的选择 30 总结与展望 31 致 谢 32 参考文献 33 1 绪论 1.1 引言 上世纪八十年代以来，我国的社会、经济、科学技术都取得了突飞猛进的进展，在科学技术这一领域，机器人学也在不断地发展与进步。它在机械设计制造技术方面取得了非常高成果。机械手是机械和电子融合创新出的一款产品，结合了多个学科的知识，是非常有价值的新生产品，在机械手类型中，关节型机械手由于用途最广泛而占据了最重要的位置。关节型机械手的研究结合许多科学，如力学，电子学信息论和计算机等，同时由于机械手的诞生，在改良和升级过程中，也促进了多种学科的发展和内容的更新。除了关节型机械手，还有许多其他的机械手类型，在不同的工作环境下使用。

世界上第一台工业机械手诞生于上世纪五十年代末，它的出现使机械手开创一个新的历史时代，伴随科技的进步，机械手的形态、使用范畴、工作内容也在不断改变 。日本早稻田大学的加藤一郎教授认为，机械手的功能是其最重要的特征。而机械手的“双臂”则具有极高的自动调节功能，可以维持系统的动态平衡。电灯泡的发明者爱迪生曾说：“在造物者的鬼斧神工中，人类的双臂和双腿是最伟大的杰作。”这就说明了双臂的重要程度，对机械来说，机械手也是同等重要。它不单使用范围广，而且具有很强的适应环境能力。正因为有这样的功能为以后机械行业的发现开辟了无限广阔的前景，在机械行业方面上奠定了坚实的基础。

制作出各种各样机械手，生产生活中它具备哪些作用，其包括这些方面：制造出的机械手，可在各种类型的工作环境中使用，代替人工操作，避免危险、重复、单调的工作对工人的浪费和伤害。能让机械手熟悉和掌握人类的基本特征，在人们生活等到帮助，例如：人造假肢。它拥有非常充足动力学特证，对这方面的讨论使力学和机械人的探索得到发展。机械手属于自动化机械手，它在人类生产生活中表现出至关重要作用。

关节型机械手的定义，世界上也没有一个明确的规定，分类方式有很多。按照美国机械手协会的对机械手的定义——联合国也采用的这种定义方式：关节型机械手是机械手臂的一种，可重复编程，操作多种动作的多功能机械装置，通过不同机械动作的编程方式，改变执行的工作内容，主要作用是搬运工件，传递工件等。通过外国的理解和我国对机械手的介绍和总结。关节型机械手定义是：
关节型机械手是一种自动操作机器，它像人的手臂，可以实现多自由度，能自由移动，灵活程度非常高的自动操作机器。可以自动的进行搬运和传动各种各样物体。

关节型机械手与人对比，机械手具备快速的移动速度，可以运输大于自身质量零件，定位和操作准确度都不是人手可以达到的，根据输入的要求，外部信号的改变，机械手可以执行各种任务，并且可以及时地更正和调节工作内容。

关节型机械手的手臂具有很强的刚性。计算机控制系统属于机械手系统一种，能够使机械手自动运动。机械手可以代替手工进行工作，降低劳动消耗程度，改进在工作中所需的物质设备条件，提升单位时间制作产品的数量。虽然机械手出现的和发展只有30多年的历史，但是它靠着自己独特的优点，在世界上各种行业各个领域都得到的应用。有着非常好得发展前景，为各种行业的发展做出巨大贡献。

1.2 设计目的 这次设计用大学四年来学到的机械设计制造及自动化的有关知识，来完成一个具有搬运功能和要求的关节型机械手设计，在此过程中可以考察自动化专业的学生对于机械制造原理、机械设计原理、机械手相关专业知识的把握程度，将理论应用于实际的能力，可以考察学生是否具备合格的专业能力。该毕业设计的指导目标非常明确，就是希望自动化毕业生能够学以致用，将理论知识运用到实践过程中，完成关节型机械手的整个设计过程。

要完成机械手的设计和制造，需要用到生产线上的数控车床、铣床等加工，整个机械手的制造过程是全自动化的。我国制造行业近年来发展形势较好，国家投入了大量人力物力，聚拢了很多资金进入制造行业，造就了制造业的迅速发展。这次机械手的加工可以交给工厂车间的自动车床来进行，可以较好地满足加工要求。机械手可以代替手工进行工作，降低劳动消耗程度，改进在工作中所需的物质设备条件，提升单位时间制作产品的数量。

1.3 关节机械手研究概况 1.3.1 国外研究现状 Muybridge是最早研究动物运动机制的学者之一，他发明了一种相机，是一种触发相机。用这种相机拍摄了各种各样动物在奔跑时的照片。后来一个叫Demeny的人用相机对人类运动进行拍照，并对照片进行了深刻的研究。上世纪三十至五十年代间，前苏联的科学家——伯恩斯坦运用生物动力学理论，对动物的运动机制进行了长达二十年的研究，并提出了自己的理论成果。

在20世纪60年代对机械手进行了全面的研究。到目前为止，对机械手的研究具有比较完整的理论体体系。在日本、美国和苏联等国家。机械手已近研制成功。

在上世纪六十年代末，机械手控制理论取得了突破性进展，三种重要的控制方法被提出，并且成为后来学者的参考标准之一。这三种控制方法分别是模型参考控制、算法控制和有限状态控制。各种各样的机械手对于在这3种控制方法中都是适用的。美国学者Farnsworth提出了模型参考控制，南斯拉夫学者Mikhail提出了算法控制，美国学者Vukobratovic提出了有限状态控制。这三种控制方法并不是独立存在的，而是相互之间都有某种深层次的关系。

对于步态的研究，许多学者也提出了自己的看法，苏联的Umnov等学者提出了“最优步态”的定义，而Kugushev等人则解释了什么是自由步态。自由步态与规则步态是一组相对的概念。当地面情况不平整，那么机械人在工作时，按照设置好的步序行进则不适应实际情况，会出现诸多失误。所以机械人在走路时应该充分考虑环境的影响，实时改进步伐，以适应地面环境，这种步态就称为自由步态。

为了提高机械手的稳定性，美国学者Hemami等人提出，如果把系统自身的稳定性和和对系统控制能力简化看成是一个倒立振子的模型，那么机械人前进的运动就是让这个振子从倒立状态恢复成直立状态。为了使控制更为简便容易，Hemami等人还研究了机械手的“降阶模型”问题。

提出有限状态控制方式的美国学者Vukobratovic还研究了随着时间的推移，每个联合系统的能力也会逐渐改变，但他并没有对机械手耗能这个问题进行研究。但是在这在探索中，Vukobratovic提出个非常关键问题，就是表面越光滑，该系统损耗的功率就越小。

1.3.2 国内研究现状 在中国，对机械手探究和发展相比于外国要迟一段时间。从1980左右中国就开始对工作行业进行的探索和操作。1986年，进行“第七个五年”机械手项目进行考察。上世纪80年代末，我国正式高度重视机械手的设计及制造，并将该技术的探索列入了我国的“863”高技术计划中。直到现在，我国依然不断地在对机械手技术进行研究和探索，并推出新的研究成果。在之前，我国对机械手技术探究的主要原因为了与世界各个国家对机械手设计探究接轨，然而获得一些成果。

上世纪八十年代中期，我国研究学者就制作出了一款两脚的机械手，型号是HIT-I，它上下长度110厘米，质量70公斤，包含10个自由度，可以地面上移动，可以左右两侧上下移动，移动距离45cm，移动速度10步每秒，随后还制作HIT-II，HIT-III，质量42公斤，上下长度103厘米，包含12个自由度，移动距离25厘米，移动速度达到了2.3步每秒。目前还在持续研发新型机械手，自由度超过50个，不管是移动距离还是移动速度都在前面研究的基础之上提高了一个档次。

在1988年，我国成功研制了多方位运动的机械手，不单可以直线前后行走，同时还可以上下楼梯，它的型号是 KDW-1，包含着六个自由度，最高的移动距离40厘米，移动速度能达到四步每秒。接着在下一年制作出了KDW-1的升级款——KDW-II，在自由度上做了拓展，总共有十个自由度。上下长度达到了69厘米，质量也尽可能地减少，只有13公斤。1990年在KDW-II表面上添加了几个机械手，使其变成KDW-III，包含12个自由度。在工作时，可以手臂可以自由旋转。完成了在工作时的各个方向运动。其中移速度0.8步每秒，移动距离20厘米～22厘米，其中地面与坡面之间夹角为13度。2000年根据KDW-III条件下顺利制造出我国一台能仿照人动作“先行者”。其中上下高度1.4m，质量20kg，具有人类五官的特征，还具有语言功能。

1.4 关节型机械手构成机件的作用 关节型机械手由三部分构成，一是包含执行和驱动双重系统在内的机械系统，二是控制系统，以及第三部分智能系统。

（1）执行系统：关节型机械手是依据执行系统来完成关节部件的操作的，所以整个执行系统包含一系列零件，如手臂、手腕、机身等，同时有这些零件所完成的动作也包含在内。

（a）末端执行器：机械手要想能举起、搬动、挪动工件，需要末端执行器来配合执行。

(b) 手腕：是手爪和手臂连接的部位，它可以使手爪按照工作的要求进行多角度运动。

(c) 臂部：连接机座和手部的部分，能旋转和升降等，可以将手抓移动到各种位置，还可以承受手抓抓工件的最大质量。扩大机械手在工作中的活动范围，同时还可以将载荷传递到机座。

(d) 机身：机械手的根源，用来让手臂运动，机械手需靠机身进行支撑。

(2) 驱动系统：可以认为是机械手最重要的部分，机械手要想完成各种运动、操作，都需要驱动系统供给能量，并且驱动系统还可以定位等。

(3) 控制系统：通过对驱动系统的控制，执行系统根据需求来完成任务，在机械手运动遇到困难时会及时的给出信息。

通过各种工厂的使用情况来看，关节型机械手相较人力，可以完成许多人可以完成的繁琐、重复的工作，也可以完成人手不能完成的危险、高难度的工作。机械手的应用可以 降低劳动消耗程度，改进在工作中所需的物质设备条件，提升单位时间制作产品的数量。在工业生产中经常出现由于工件过重或者各种原因靠人的双手是无法进行工作的，这个时候机械手的优势就可以体现出来了。同时该机械手可以在高低温、放射性等有毒污染环境下工作，占据相当大的优势，具有良好的发展前景。

2 总体方案设计 2.1 机械手工程概述 机械手工程具有很强综合性，包括各种各样知识，如力学、机构学、仿生学、机械设计、机械制造、广电学、传感技术、计算机技术和自动控制技术等。如今，我们系统地将现有学科内容的知识结合起来，解决了综合复杂的工程问题。在机械手制造方面，工程学觉得，应该看做整个系统进行探索，开发，创新应用。将系统的内外部的组成部分有机的结合起来。

系统其实就是用整体的眼光去看待一处机械部位，这一个机械部位并不是单一的，而是由多个零件有机结合的一个整体，是由许多子系统按照既定规律进行组合的一个更大更统一的系统，这个系统是作为一个整体存在的，如果被拆分成一个个零部件，则这个系统的功能也会丧失。所以要有整体和宏观意识，设计和制作机器时，应该首先明确整个系统的框架和工作机制，所以系统具有以下特点：
（1）整体性：系统具有完整的属性，被拆分开的话则功能丧失。

（2）相关性：在系统中它们都有各自相互配合，协调工作。使系统各零部件都具有相关性。

（3）目的性：不同的系统，有不同的针对性和目的性，能完成的工作是不一样的。同时，由于结合方式的不同，系统的功能也会相应变化。

（4）环境适应性 ：系统会随着环境的改变而适应相应的环境。

所以机械手的设计和制造中，不单单只有各零部件的设计是关键，而且还需要将各零部件当成一个整体进行考虑，对其功能进行考察，只有满足机器人功能的零件组合才是一个成功的系统。制造出具有良好机械手产品，用在机械工厂中来满足工作的需求。复杂的机械手中，系统组成也非常复杂。

在工业操作中，机械手的功能多样和调整的灵活性是其最重要的优势和特点，所以在柔性制造系统中，机械手可以发挥重要作用。比如灵活地传送各类零件，完成零件的组合和装配等。在柔性制造系统中，除了机械手以外，基础的工艺设备、辅 助设备、控制装置通过相互配合，组成了各种功能的技术综合体系。除了制造业生产部门，非制造业也会用到机械手系统，与制造业的类似，例如医疗、农用、军工、采矿、交通运输等。

2.2 工业机械手总体设计方案论述 （一）确定负载 国内外目前普遍使用的机械手，额定负载大小不一，差别范围较大，最大负载已经超过了九千N，最小额定负载比5N更低。机械手的额定负载的大小与以下因素有关：在每个运动方向上，机械接口上所受到的的力以及扭矩。确定机械手负载也是机械手设计中较为关键的一步，机械手末端执行器的质量以及关节结构部件的质量是这些力和扭矩的来源，除此之外，还包含工件在运动中的加速度和速度产生的惯性力。通过这次设计所给的参数可以知道，负载数是一个很小的值。

（二）驱动方式 伺服电动机的优势很多，如在控制系统中具有较好的控制性能，能够精准控制速度和位置，灵活性较强等等，该驱动方式噪音较小，对周围环境产生的影响小，有很高效率，适用在中小型机械手中，因为这些机械手在运动中具有严格的控制要求，所以这次设计选用伺服电机驱动。

（三）传动系统设计 在机械手装置中尽量使机构变的紧密、质量较轻、减少惯性力和降低占用的面积，首先在传动链中需要对间隙进行处理，去除间隙可以提升机械手的运动稳定性和精准点位。在传动系统中，我们常用的传动机构包括：齿轮传动、蜗杆传等。因为齿轮传动具备高效率，有精确的传动比，机构紧密、在作业时质量可以得到保障、使用时间长，再加上在大学期间对传动系统学习，更好的掌握了传动比设计，齿轮传动系统是适合本次机械设计的。

（四）工作范围 机械手的工作范围较广，但也有局限性，工业操纵器在操作期间的操作范围和轨道是机械手工作范围的衡量标准，并且由工作地方实现。工作地方的外形以及面积会对机械手的机械坐标、自由度个数和每个机械臂的大小长短有影响，同时工作地点还会影响到机械手臂关节的旋转角度，以及整个机械手的移动范围。

（五）运动速度 在确定机械手的机械臂在工作时最大的运动范围后，接下来就可以确定机械臂的运动速度，用m/s来表示，并且在每个机械臂运动的时间分派中有非常多的因素需要考虑。例如：机械臂在旋转一圈所需要的时间，还有考虑各个机械臂在工作时先后顺序。应给制作一个各个机械臂在工作不同时间的表格，并进行分析，在制作时间表格时，不仅需要思考机械臂工作时运动的范围，还需要考虑到定位的精度是否满足要求、驱动和控制采用哪种方式、机械臂路径以及长短的规划。

2.3 机械手机械传动原理 下图是关节型机械手的示意图：
关节型机械手示意图 关节型机械手的组成部件如下：
机身部位，可列举出基座，齿轮传动构件，轴承，步进电动机等。机身和底座用于支撑，支撑和旋转机械臂部件，并且臂应具有非常高的硬度=度和容量，而所有关节操纵器支持工作重量和负载。这也需要底座底部的大面积，以确保机器人在运动过程中能够正常工作。

机械臂像人的手臂一样，分为上半部分的大臂，包括步进电动机整个臂架和齿轮传动装置，以及下半部分的小臂——包括小臂、驱动轴以及传动带等。在小臂左端，安装有一个能使手腕运动的电动机。

2.4 机械手总体方案设计 下图展示了关节型机械手的运动，三个旋转机构共同完成了机械手的运动，机械手结构十分紧凑，占地面积小，并且在工作时，具有较大的灵活性。对机械手自身的长度来说，机械手工作环境比较大，可以完成所需要的工作需求。这种关节型机械手生产和生活有着起着至关重要作用。比如焊接、喷漆、搬运、装配等工作。关节型机械手在生产和生活被普遍使用。

按照任务书数据要求应给选择机械手类型是关节型 主要技术参数见表1-1 3手部设计计算 3.1对手部设计的要求 (a)夹紧力应合适 机械手臂只有有足够大的夹紧力才能夹住工件，避免工件掉落；
同时夹紧力也不能太大，容易导致工件形状发生变化，而且还要要求不破坏工件面的粗糙度。而刚性较小的工件夹取的力度并不能完全不变，应该留有调节的余地，并且应该设置自动锁，保证工作时工件的安全。

(b)开闭范围应保持足够 由工件外部圆的直径长度可知,夹具尺寸至少比120mm大。

机械手的手抓具有打开关闭功能。在手抓抓取零件是，手爪打开和关闭两点之间的最远距离叫做闭合区间。机械手的开闭范围受很多因素的影响，例如零件样式和零件表面积的尺度，通常，假如在工作条件状况允许的情况下，手爪打开和关闭之间的距离应该变的大，这样能满足对零件工作要求。如下图所示：
(c) 手抓的设置应合理 手腕的最前端，即是手抓所在的位置。在操作期间运动状况是可变的，完整手抓机构的构造受零件质量和占用面积的影响。并且手爪部还具有抓取零件，确定位置的准确度，运动速度等功能。所以，手抓在设置和制作过程中应充分考虑到使机构简单便利的需求，尽可能自重较小，不增加整体占用空间。

(d) 机械臂的手指具有较大的强度和刚度 (e)除以上要求外，还应满足：
工件大小，重量，形状，进给和夹紧机械手机构，最常用外卡式双指钳口，夹取零件的常用方法用弹簧进行加紧零件，松开零件时，使用单一式液压缸。这样的好处是制作和使用过程都比较简单。

3.2拉紧装置 下图是整个油缸的工作示意图，油缸在右边机器里，当不进油时，弹簧自身的弹力将工件夹紧，当进油时，单一式液压缸使弹簧将工件松开。

P （1）设定活塞的直径D=50mm,系统压力P=25Mpa，可计算右腔推力：
（2）根据手爪抓取工件的位置，通过查表，得出以下夹紧力计算公式：
其中 N′=498N=392N，带入公式计算得到：
可求得实际加紧力为：
取整可得：F1=3500N 由公式得：
（3）手部活塞杆行程长L的计算 取整可得：L=25mm （4）确定“V”型钳爪的L、β。

取L/Rcp=3 式中：
Rcp=P/4=200/4=50 由公式得：L=3×Rcp=150 选用机械手手部的角度2α=120º，那么旋转角β采取最优旋转角。

查表得：
β=22º39′ 3.3机械运动范围（速度）
(a)伸缩运动 Vmax=500mm/s Vmin=50mm/s (b)上升运动 Vmax=500mm/s Vmin=40mm/s (c)下降Vmax=800mm/s Vmin=80mm/s (d)回转 =90º/s =30º/s 所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s 3.4手部右腔流量 =60 =60×3.14×25² =1177.5mm³/s 3.5手部工作压强 =3500/1962.5=1.78Mpa 4 移动关节的设计计算 4.1驱动方式的比较 机械手的驱动方式有四种：根据驱动是由液体还是气体压力，分为液压和气压驱动，除此之外还有电机驱动和机械传动。机械手的驱动方式很少只用到其中一种，大多是组合式，在一些工作比较复杂的机械手中可采取多种方式驱动，各种驱动的特点见表4-1。

4.2汽缸的设计 由于气压运行时较小，所以对组成气动各个元件和加工零件的形状，尺寸低于液压，而且对环境没有影响，工作时活动灵活，反应快。保养外型容易，利用起来安全。因为这个地方对物体的力没有必要太大，所以选气压传动。

汽缸内型选择：由于活塞来回移动的时间较长并且来回反复移动动，所以因此选单活塞汽缸。采用挤压气体的方式，活塞可在来回反复运动。

令活塞杆直径d=12mm，则活塞杆的质量可以估算得到：
取整可约等于5N。

取80N 气压缸内径D的计算 按《液压传动与气压传动》公式 13-1 D表示汽缸的里面圆的大小(m)，P表示工作压力（Pa）,表示单位时间担负的工作量，其中单位时间担负的工作量与汽缸工作压力有这一定的关系，取，查《液压传动与气压传动》表13-2 由于汽缸垂直安装，所以取P=0.3。一般，所以选0.3 根据“液压传动与气压传动”表13-3得出圆的直径为40mm 一般，此选0.3 mm 汽缸壁厚的计算 根据“液压传动与气压传动”表13-5查得 汽缸重量的计算 其中：R表示汽缸外部圆的半径，r表示汽缸里面圆的半径，h表示汽缸尺寸，g取10，表示汽缸材料密度 取25N 5小臂的设计 机械臂是机械手的主要操作部分，它的功能是支持手爪和手腕，机械臂可以使零件的方位发生变化。手臂的运动决定手爪的活动范围。

5.1 小臂结构的设计要求 (1) 小臂选取的材料很坚固，应正确选用机械臂部的表面外形和尺寸，普通用钢管做机械臂和导杆。支撑板由工字钢和槽钢制成。用来保证刚度的要求，达到最佳选材效果 (2) 偏重力矩不能过大。

(3) 机械臂本身的质量和惯量都不能太大，这是为了尽可能地减小机械臂在工作过程中遭受的冲击和碰撞，缓冲是解决办法之一，同时机械臂的结构应该设置得更为紧凑合理，保障一体性，重量上也需要达到较轻程度，这样可以降低惯性力。

(4) 具有较好的导向性。

5.2 小臂结构的设计 小臂的表面采用工字钢的造型，抗变型程度可以显著增强，小臂的表面积也可以因此设计的更小。从而可以降低机械手小臂重量，降低的制造的成本，手臂活动起来也方便快捷。

5.3小臂电机及减速器选型 将小臂转速w设置为15度，角速度从0一直增加到15度所需要的时间为，输出转矩计算得到：
当考虑惯性力矩和围绕机器人臂的每个部分的重心的摩擦力矩时，在臂的旋转开始时假设起动扭矩为10N / m并且安全系数为2。

这是输出谐波减速器所需的最小转矩计算为：
选择型号为XB3-50-100的谐波减速器， 额定输出转矩和减速比分别为：20N.m ，i1=100 设谐波减速器的的传递效率为：，可计算出步进电机应输出力矩：
选择型号为55BF003的BF反应式步进电机 静转矩：0.686N.m 步距角：1.5° 5.4小臂的计算 选10号工字钢。理论重,小臂长为600mm。

较核：（N）
取75N 其受力如下图: F=75+105=180（N）
根据“材料力学”公式5.11 其中h表示工字钢的长度，b表示 工字钢腰部的长度，Q表示受到的力。

所以 所以选10号工字钢合适。

5.5 轴的设计计算 轴的直径为20mm，材料为45号钢。

受力如下图: 验算：
F=180N 所以合适 5.6 轴承的选择 由于上轴承仅承受径向力，下轴承承受轴向力和径向力，因此选择圆锥滚子轴承，并根据“机械零件手册”表9-6-1（GB 297- 84），选择7304E。

d为20 mm e为0.3 5.7 轴承的校核 由于臂轴承在工件工作期间以低速振荡，因此需要进行轴承试验。如果接触应力太大，则永久压痕也会增加（即，材料具有不可接受的永久变形）并且选择负载能力。公式是：
根据“机械设计”13-17 其中静载荷用表示，轴承静强度安全系数表示，都是由轴承的使用决定的。根据“机械设计”表3-8 作摇晃运动轴承,在碰撞时产生不同的载荷, 此处1.5. 上轴承受纯径向载荷, 所以 因此轴承合适. 下轴承受径向和轴向载荷, R为径向载荷 A为轴向载荷 用X 和Y分别代表径向和轴向载荷系数。根据“机械设计”表13－5查取需要的参数值 从 可得：
进而， 从而轴承是适合的并且承受的力较小，不必进行校准。

5.8 计算轴承摩擦力矩：
如果 （C和P分别表基本额定动载荷和当量动载荷），根据“机械设计手册”第二版 (16.1-13)公式: 估算可以得到数值 上式子中的FD分别是滚动轴承摩擦因数，轴承载荷，轴承内径。

查表可得得 所以 根据“机械设计手册”第二版 表16.1-29得， ，同样可以估算 保留两位小数是0.1 5.9步进电动机和齿轮选择 驱动机械臂的力并不需要多大，精度没有特别高的要求，控制越方便越好，所以选择步进电动机的时候，最好是误差不容易积累的类型。

可选择步距角度较小并且同时还能达到最大静转矩，两个要求都满足的情况下，矩频特性就可以不用考虑了，因为转速不大，按照参数表可以选45BF005， 相关参数为：步近电动机矩角=1.5°，U=27V，最大静转矩0.2N/M，m=400g,D=45mm,l=58mm,轴的直径4mm。

验证精度后发现可以满足要求：
采用一级齿轮传动，目的是为了提高精度：.5 和的齿数分别为二十和七十。

根据“机械原理”表8-2标准模数系列表GB1357-87取m=1，取 则 齿轮宽度计算：
根据“机械设计”表10-7 圆柱齿轮的齿宽度系数 两个轴承相对于小齿轮对称布置，取值范围在0.9-1.4之间，本文取1. 则 两个齿轮组装在机械手机上后，应避免少量齿轮在轴向上错位，使齿轮的齿轮宽度减小，因此宽度需要再增加一些，所以需要24 mm。

6 大臂的设计计算 6.1大臂部结构设计的基本要求 在关节型机械手中，大臂用来将机身和小臂结合起来，并且带动小臂做旋转。

是最为重要的零部件之一，大臂部运动的目的:主要带动小臂部运动这样可以使手部抓取的工件按任意方向转动，达到工作的需要。假如改变了手部旋转姿势，那么机械手臂部自由度得到实现。因此，一般来说臂部设计基本要求: (1)大臂应当有很强的承受能力、硬度要好、自身的质量轻。

手臂部通常是弯曲的(可以在任何地方发生的弯曲)，而且还能扭曲，因此使用更大硬度的弯曲和抗扭的横截面形状，所以在具有同等大的横截面积下，重量基本一致的前提下，圆钢的轴向力矩是远小于工字钢，钢管和槽钢的。所以在制造关节型机械手的导杆时，钢管是合适的材料。用工字钢或槽钢作为支撑钢，这样不仅提增大了机械手臂的硬度，还大幅度降低了自身的重量，而且在空心的内部还可以装备驱动装置、传动装置以及管道，由此可以让机械臂结构紧密、外部形状看起来美观又能节省制作时用的材料。

(2)大臂的运动速度快，惯性小 通常情况在，手臂在工作时要运动速度均匀，正常工作是这样，但是在启动和关闭的时候，运动状态发生了改变，所以瞬时速度也发生了变化，要求机械手在开始时，加速度不能太大，在停止时，速度不能过快，为了避免发生碰撞和损坏，要不然会引起手臂碰撞。

(3)为减少刚体绕轴转动时的惯性量度，对其作出了规定: 第一，机械臂制作应选择自重轻，有一定刚度和硬度的材料 第二，机械臂整体尺寸尽量缩减 第三，回转半径应尽量减小 第四，缓冲装置的设置必不可少 (4)手臂应灵活运转。

降低臂在工作时个工件之间存在摩擦力，选用滚动摩擦去替换滑动摩擦。

(5)要求有较高的位置精度。

机械手的位置精度依照关节手的不同类型而不同，关节型的机械手就属于较难定位，位置精度不好控制的一种类型，所以更需要在关节型机械手的设计过程中，对位置精度提出更高的要求。为了提高机械臂的定位精度，可以在小臂上设置定位装置，同时应设置相应的位置检测装置。

机械臂的外壁材料采用铝合金，就是为了使机械臂的强度和硬度达到要求，同时可降低机械臂质量，降低机座关节型电动机所承受重量并增大了机械臂运动时瞬时反应的困难。壁厚不能铸造得过大：各种各样合金材料都有适合自己厚度， 各种各样合金的“最小壁厚””也是不一样的。壁厚是跟材料和尺寸相关，下表反映了壁厚和尺寸材料的关系：
上表描述了砂型铸件结构设计的特点，但在铸造工艺的特殊情况下，工艺和方法的不同，应根据铸件结构的不同应采用不同的铸造方法，性能也不一样。关节型机械臂的外币材料采用的是铝合金，生产方式为铸造。

6.2 大臂的结构设计 大臂机身材料使用铸铝材料，形状为长方形，自身的体重较轻，具有较大的强度和硬度。

6.3 大臂电机及减速器选型 假设臂部围绕轴的质量：
大臂转速为每分钟十转 ，转矩如下：
式中：T - 旋转开始时转矩 N.m J – 转动惯量 kg.m2 - 角加速度rad/s2 到所花费时长：则：
当考虑惯性力矩和围绕机器人臂的每个部分的重心的摩擦力矩时，在臂的旋转开始时假设起动扭矩 10Nm和安全系数2。

这是输出谐波减速器所需的最小转速。则可以得到：
选择谐波减速器：
⑴型号：XB3-50-120 （XB3型扁平式谐波减速器）
额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=120 设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为：
选择BF反应式步进电机 型号：55BF003 静转矩：0.686N.m 步距角：1.5° 6.4大臂的计算 选14号工字钢。理论重,大臂长为700mm。

较核：（N）
取140N 其受力如图: 依据书中公式可知：
其中h表示工字钢的长度，b表示工字钢腰部的尺寸，Q表示所受的力。

算出 结果表明10号工字钢是适合的。

6.5 轴的设计计算 轴的材料选择为45号钢，D=20mm。

其受力如下图: 验算：
材料选择和直径选取是可以的。

6.6轴承的选择 当工件工作时，臂轴承总是以低速摆动，因此需要进行轴承检查。如果接触应力太大，永久压痕也会增加（即，材料具有不可接受的永久变形）并且轴承载荷是：
上式中的分别是静载荷和轴承静强度安全系数，根据书上表中的数据,在碰撞时产生不同的载荷,选择1.5是合适的. 上轴承受纯径向载荷, 因此 可知轴承的选择是可以的 下轴承受径向和轴向载荷, R为径向载荷 A为轴向载荷 用X 和Y分别代表径向和轴向载荷系数。那么需要的参数值根据“机械设计”表13－5查取 依据 可得到 因此 可知轴承的选择是可以的，不必校准因为受力小。

6.7 轴承摩擦力矩的计算 如果 （C表示基本额定动载荷，P表示所受当量动载荷），那么数值根据“机械设计手册”第二版 (16.1-29)公式: 估算 其中:滚动轴承摩擦因数用代表，轴承载荷用F代表，轴承内径用d代表。

查表《机械设计手册》第二版 表16.1-29得， ，所以也可以用这个公式估算 所以 根据“机械设计手册”第二版 表16.1-29得， ，所以也可以用此公式估算 所以 取0.1 6.8步进电动机和齿轮的选择 由于机械臂需要较少的驱动功率并且所需的精度不是很高，因此选择具有实际控制和输出角度而没有频繁累积误差的步进电机。

步进电机选择：步进角必须更小，并且需要最大静态扭矩。由于发动机转速低，因此不需要考虑转矩频率曲线。为此，请根据“机械和电气设计一般说明”中表2-11中反应型BF的步进电机技术参数检查表格。

选择45BF005。相关参数为：
步进电机的扭矩角为1.5°，U=27V，最大静止扭矩为0.196Nm,m=400g，外径为45mm，长度为58mm，轴直径为4mm。

进行精度验算后发现：
精度是不满足要求的,所以直接传动的可能性被排除了,需要变速机构来辅助完成传动，此处选择直齿圆柱齿轮是合适的。

一级齿轮传动有助于提高精度：
的齿数分别是二十和七十。

根据书上相关参数表，取， 则 齿轮宽度计算：
根据“机械设计”表10-7 圆柱齿轮的齿宽度系数 两个承相对小齿轮进行对称布置取0.9—1.4,选择1是合适的 则 两个齿轮组装在机械手上后，应避免少量齿轮在轴向上错位，使齿轮的齿轮宽度减小，因此需要适当加宽，所以需要24 mm。

7. 机身的设计 机械手的机身是直接支承和传动手臂的部件。通常促进机械臂的运动。起落、回旋等操作的驱动装置和传动构件都装配在主体上。要不就组成机身主体与底盘相通。机械臂和身躯的配置组成说明了机械手机构的基本分布。

机械臂机构的主体设计为座椅式。使得机械臂装置独立，具有独立系统的整体机构，易于任意摆放和移动，还具有行走功能。机械臂装置在底座中柱之间，常在回旋型机械臂装置。手臂的旋转由齿轮在减速器轴上的旋转从而带动机身的旋转，可以实现自由度。

机身部运用了电动机，为了带动机身的回旋转动。

带动机身回转的电机：
初选转速 W =60º/s N =1/6转/秒 =10转/分 由于齿轮 I =3 减速器 I =30 所以 n =10×3×30=900转/分 使用 Y90L-6型笼型异步电动机 电动机采用B级绝缘。外部防护等级为IP44，降温方式为I（014）U为380V，P为50Hz 如表 Y90S-6电动机技术数据所示：
Y90L-6电动机技术 型号 额定功率KW 满载时 堵转电流 堵转转矩 最大转矩 电流 A 转速 r/min 效率 % 功率因素 额定电流 额定转矩 额定转矩 Y9OL-6 1.1 3.2 910 73.5 0.72 6.0 2.0 2.0 8 电机选型有关参数计算 8.1 相关参数的计算 (1) 如果传动负载的运动方式为直线运动，那么有 负载额定功率：
负载加速功率：
负载力矩：
负载：
起动时间：
制动时间：
(2) 若传动负载作回转运动 负载额定功率：
负载加速功率：
负载力矩：
起动时间：
制动时间：
式中 -----为额定功率，KW；

-----为加速功率，KW；

-----为负载轴回转速度，r/min；

-----为电机轴回转速度，r/min；

-----为负载的速度，m/min；

-----为减速机效率；

-----为摩擦系数；

-----为负载转矩（负载轴），；

-----为电机启动最大转矩，；

-----为负载转矩（折算到电机轴上），；

-----为负载的，；

-----为负载（折算到电机轴上），；

-----为电机的，。

因为机械臂的腰部没有受其他扭转力，只有摩擦力，但它存在旋转轴上。

式中 -----为滚动轴承摩擦系数，取0.005；

-----为机械手本身与负载的重量之和，取100；

-----为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240。

将这些数据带入计算得到的结果为: =0.12；

同时，腰部回转速度定为=5r/min；
传动比定为1/120；

且， 带入数据得：
=10.45667。

带入计算公式式，可以算出：
并且计算出启动和停止时间 ；

；

负载转矩（折算到电机轴上）算出来是：。

8.2 电机型号的选择 按照上文的计算和分析，可以选择三种型号的步进电机：
110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301, 以上选择的步进电机具有以下特点：转矩高，振副频率小，各种功能都比较良好，下面是此型电机矩频有关性能参数。

采用升频升压的驱动方式，步距角度为0.36°。

机械臂的腰部齿轮传动比为一比一百二，减速以后，步进电动机被驱动到旋转轴，在理论上，电动机实际步进角应该是旋转轴的实际的步进角的120倍，旋转角的最小步距角也时非常小的，因此精度非常高，他只是满足机械手在工作时有很好位置确定。

图3-2 所选电机相关参数 总结与展望 本文首先研究了关节型机械手臂整体机构的运转方式和功能，重点完成了各重要零件的设计计算。

因为对关于机械手制作设计过程并不是很了解，如传感器技术、控制技术等，仍然有很多需要去更深一步讨论或者研究：
(1)对机械手的机械结构进一步优化和升级 机械手的设计和制造过程中，最关键的两个部分，一是机械臂的设计，二是对每一个模块的细节化设计，对机械臂的每一个重要零部件，都进行协调设计和规结构规划，以保证在组合成一个系统的整体时可以有效运转。但是在设计过程中，每个参数的选择都要经过合理的运算，并且要符合强度和硬度的多方位要求，有相当多的零件为了满足设计要求的值，实际零件会比计算选择的结果小。在一些非关键的零部件的设计上，通常会采用前人经验进行型号选择，这样会导致制造零件时的材料浪费，也在无形之间增加了机械制造成本。

（1）在机械臂的设计过程中，计算机有限元软件分析是比较有用的工具，但是由于笔者缺乏对相关软件的了解和认知，可以得到零件的强度和刚度以及机械臂动力学分析达到最有的结构，所以在此次设计中并没有用到，之后可以进一步学习。

（2）笔者在论文中并没有深入讨论机械手控制系统如何建立，控制系统中涉及到的运动如何控制、路径如何规划、如何进行定位和导航等等技术都是以后的研究方向。

机械手在工厂及非制造业公司中有非常广阔的用途，并且随着技术的提升，会有更广阔的的技术前景。如应用在军事中的话，我国的国防和军事力量也将有显著的进步。在此次机械手的毕业设计中，笔者及同学都积累了大量理论应用于实际的经验，也对关节型机械手的认知更为深刻，相信笔者可以在改良机械手的进程中贡献自己的一份力量，使机械手臂的技术更为先进、实用程度更高。

致 谢 经过近三个月的毕业，最终论文终于完成了。在此期间，我成功完成了四年大学知识的最终设计。一步一步的地进行理论设计计算，机械结构的设计，技术图纸的绘制，撰写设计规范等。个人理论水平和个人的实际操作技能的设计得到了进一步改进和有关个人的技能在设计，分析和实际应用等方面的实践，同时采用以前学到的知识。得到巩固和加强。

最终项目已成功完成。我的导师和同学在专业知识方面给了我很多帮助。我想先谢谢他们。在初步设计阶段的准备阶段，我的导师非常关注我的设计题目，给出了主题的方向，并帮助分析了主题的可行性和实际情况中可能出现的问题。在选择过程中，向我展示需要掌握的知识量，并帮助我分析设计知识和困难的原则，以便我的最终设计能够顺利进行。

与此同时，我要感谢那些在大学里没有给我很多帮助四年的老师们。他们的教诲使我学到了很多专业知识，为我未来的工作和未来的学习奠定了坚实的基础。正是老师们的敬业精神使我更加了解应该如何做事、做人，并给我一个关于我未来生活的更深刻印象。我真诚地感谢所有帮助过我的老师。此外，我很感谢许多其他学生，他们的许多想法和建议给了我很大的启发。谢谢你们！ 由于时间和个人知识和技能有限，论文中可能存在缺陷或错误。希望老师批评和纠正。谢谢！ 参考文献：
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