毕业论文---机器人五自由度机器人结构设计

第3章 结构设计及计算

本章将详细设计机器人系统的具体零部件，完成装配图和全部零部件图的设计工作，也将完成一些标准器件（如电机）的选型工作。我们将按结构分块，分步进行设计，阅读本章是请参考总装图及零部件。3.1 手部夹持器的结构设计

3.1 手部夹持器的结构设计

3.1.1 概述

机器人的手部是最重要的部件。从其功能和形态上看，分为工业机器人的手部和类人机器人的手部。目前前者应用较多，也较成熟，后者正在发展中。

工业机器人的手部夹持器（亦称抓取机构）是用来握持工作或工具的部件，由于被握持工件的形状，尺寸，重量，材料及表面状态的不同，其手部结构也是多种多样的，大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的，按起我持原理的不同，常用的手部夹持器分为如下两类：

1.夹持式，包括内撑式和外夹式，常用的还有勾托式和弹簧式等。 2.吸附式，包括气吸式和磁吸式等

3.1.2 手部的结构和手指形状的确定

在本系统中，抓重为5N,手指开合5.10。我们决定选择滑槽杠杆支点回转手部。这种结构可通过各杆之间的角度或杆长，该变握力的大小及指间的开闭角。其优点是结构简单，动作灵活，夹持范围大，这种手部的结构比较简单，工作原理清晰易懂，也是机器人较常用的结构，这些都合乎教学演示的要求，缺点是工件直径误差会引起夹持后工件的中心发生移动。指端采用V块型式，也是机器人手指形状中较常用的形式，争取到手部能从腕部方便地装拆，以提高通用性。

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下图是本系统的手部结构示意图，具体结构和零部件尺寸见图纸

图 3-1手部结构简图

3.1.3 手部驱动力的计算和电机的选择

我们先做手指工作时的简图，然后做力的分析 1.1.3.1握力计算

由初始设计可知，G=5N 则 N=K3×G

K3——方位系数，他与手指和工件的形状，以及手指夹持攻击的方位有

关。此处，按手指是水平放置，夹持垂直的工件，V型指端夹圆形棒料的情况考虑。

取K3=

0.5sinθ0.5sin70==2.764 f0.17其中 θ —— 型手指半角 ，由结构设计可知 tgθ=2.75故θ=70°

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f—为其与工件的摩擦系数，取0.17

所以

N =K3×G=2.764×5=13.82(N)

α

图 3-2滑槽杠杆式手部受力分析

1.1.3.2

上图是滑槽杠杆式手部结构及受力分析间图。丝杆通过销轴的向上的拉力（驱动力）是P，作用与手指上的力，其方向垂直于滑槽的中心线OO1和 OO2 。滑槽对销轴的反作用力为P1和 P2。且其延长线交 A 、B 点，由于∠

O1OB和 ∠O2OA为直角，故 ∠AOC =∠BOC = α。根据轴销的力平衡条件

得： P1=P2；

P=2×P1×cosα

由手指的力矩平衡条件得：

P1?h=N×b 因为 P1? = P1 ，h=acosαφ

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所以， P= 2b cos2α×N×

a

式中， a ——手指的回转支点到对称中心距离

α——工件被夹持时，手指的滑槽方向与两回转支点线间的夹角，结构设计时取

a =25 mm ，b =35mm

α= arctg17/25 = 34.22°

所以，销轴或螺母所受力（驱动力的反作用力）

P = 2b cos2α×N×

a

=26.461（N）

考虑工件在加工过程中产生的惯性力、震动及传力机构效率的影响，其实际的驱动力为：

K1?K2 Ps ≥ P×

η 其中：

K1——安全系数，一般取1.2——1.6， K2——工作情况系数，且K2=1+a/g A:机构的加速度。 η ——机械效率

?1.5??1?0.1/9.8?K1?K226.4　 Ps≥ P×==42.2(N)

η0.951.1.3.3扭距计算

我们先来计算一下螺旋升角。校核一下此丝杆，螺母机构是否满足自锁条件。

根据结构尺寸，丝杆的公称直径d=12mm

螺距 t=2mm 螺纹头数 n=1

所以，丝杆中径d2=d-0.5t=11mm 螺纹升角

n?t1?2λ= arctg=arctg=3.31°

π??d23.14?11?螺纹的当量摩擦角

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