液压控制的翻转机械手的设计学士学位论文.doc

液压控制的翻转机械手的设计

摘 要：在现代生产过程中，液压控制的翻转机械手被广泛地运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了液压控制的翻转机械手的发展，使得机械手能更好地实现机械化与自动化的有机结合。本设计主要针对生产线上的自动化设计了一个四自由度的翻转机械手，实现了生产的自动化。因此，在自动化机床的综合加工线上，使用机械手可以减少人力的使用和更准确地控制生产的节拍，同时提高生产的安全性。该机械手采用了液压驱动，实现了夹紧、翻转和展开等动作，该设计能够提高劳动生产率，从而提高经济和社会效益。
关键词：翻转；机械手；液压驱动

The Design of Turning Manipulator Based on Hydraulic Control

Abstract: In manufacturing process of modern industry，flip manipulator hydraulic control is widely used in automatic production line, development and production of manipulator has become one of the burgeoning high - tech areas of emerging technologies, which promoted the development of flip manipulator hydraulic control, allow manipulators to better achieve the combination of mechanization and automation. This design is intended primarily for production line automation of flip designed a four - DOF manipulator, enabling automation of production. Therefore, on the transfer line for processing in the integrated automation of machine tool, using the manipulator can use less human and more accurate control over the production of beat.The robot uses a hydraulic drive, implements actions such as clamp, flip, and expand, this design can increase the productivity, To enhance the economic and social benefits.
Key words: flipping;manipulator;hydraulic drive

目 录

摘要 1
关键词 1
1前言 2
2机器人的发展 3
2.1世界机器人的发展 3
2.2我国机器人的发展 4
3机械手的设计方案 4
3.1机械手的组成 4
3.2规格参数 5
3.3设计路线与方案 5
3.3.1设计步骤 5
3.3.2研究方法和措施 6
4整体的结构设计分析 6
5机械手的设计 6
5.1主要技术参数 6
5.2手爪的设计 6
5.2.1概述 6
5.2.2设计时应考虑的几个问题 7
5.2.3驱动力的计算 7
5.3腕部的结构 9
5.3.1概述 9
5.3.2腕部的结构形式 10
5.3.3手腕驱动力矩的计算 10
5.4臂部的结构 13
5.4.1概述 13
5.4.2导向装置 13
5.4.3平衡装置 14
5.4.4臂部回转运动驱动力矩的计算 14
5.5旋转腰座的结构设计 14
5.5.1尺寸设计 15
5.5.2尺寸校核 15
5.5.3驱动力矩的计算 16
6轴承的设计 16
6.1轴承的选择 16
6.2轴承的计算 16
6.3轴承的校核 17
7回转轴的设计 17
7.1回转轴的结构设计 17
7.2回转轴的载荷计算 17
8液压系统的设计 18
8.1液压系统的组成 18
8.2机械手液压系统的控制回路 19
8.2.1压力控制回路 19
8.2.2速度控制回路 20
8.2.3方向控制回路 21
8.3机械手的液压传动系统 21
8.4液压系统的计算 21
8.4.1双作用单杆活塞油缸 21
8.4.2无杆活塞油缸 23
8.4.3单叶片回转油缸 24
8.4.4油泵的选择 25
8.4.5油泵电动机的选择 26
8.4.6液压阀的选择 26
8.4.7油管的选择 26
8.4.8油箱容积的选择 27
8.4.9滤油器的选择 27
9结论 27
参考文献 28
致谢 29

5

1 前言
几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯（Taloas)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。
到了近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。
工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
液压控制的翻转机械手是加工自动线上物料翻转的关键设备，翻转机械手的设计具有现实的工程意义。液压控制的翻转机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，液压控制的翻转机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了液压控制的翻转机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。液压控制的翻转机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，液压控制的翻转机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
在机械工业中，液压控制的翻转机械手的意义可以概括如下：
a.以提高生产过程中的自动化程度
机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。
b.以改善劳动条件，避免人身事故
在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
c.可以减轻人力，并便于有节奏的生产
机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，使用机械手可以减少人力的使用和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏的进行生产工作。
2 机器人的发展
2.1 世界机器人的发展
国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：
（1）.工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。
（2）．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。
（3）．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
（4）．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
（5）．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
（6）．当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。
(7)．机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
2.2 我国机器人的发展
有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。
我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。
我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中[1]。
3 机械手的设计方案
3.1 机械手的组成
　　工业机械手是由机座、执行机构和驱动机构所组成，执行机构包括抓取部分（手部）、腕部和臂部等运动部件所组成。
　　1.手部：直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。传动机构形式多样，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。
2.腕部：是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。
3.臂部：手臂是支撑被抓物体，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件[2]，并按预定要求将其搬运到给定位置。
　　驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。
　　机座：它是整个工业机械手的基础。
3.2 规格参数
工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面：
1.抓重（又称臂力）：额定抓取重量或称额定负荷，单位为公斤；
2.自由度数目和坐标形式：整机，手臂和手腕等运动共有几个自由度；
3.定位方式：固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其他各种位置设定和检测装置；
4.驱动方式：气动，液动，电动和机械式四种形式；
5.手臂运动参数；
6.手腕运动参数；
7.手指夹持范围和握力；
8.定位精度：位置设定精度和重复定位精度；
9.轮廓尺寸：长×宽×高（毫米）；
10.重量：整机重量。
3.3 设计路线与方案
3.3.1 设计步骤
　　1.查阅相关资料；
　　2.确定研究技术路线与方案构思；
　　3.结构和运动学分析；
　　4.根据所给技术参数进行计算；
　　5.按所给规格，范围，性能进行分析，强度和运动学校核；
　　6.绘制工作装配图草图；
　　7.绘制总图及零件图等；
　　8.总结问题进行分析和解决[3]。
3.3.2 研究方法和措施
　　使用现在机械设计方法和液压传动技术进行设计，采用关节式坐标（四个自由度，可以绕X、Y、Z轴转动和X轴移动）。
4 整体的结构设计分析
由以上的分析，即机械手的动作是：夹紧→手腕回转90度→手臂仰俯90→机座回转90度→展开。其中，手抓的动作是夹紧和展开。为了实现这些动作，手抓采用一个液压缸；手腕采用一个摆动马达；臂部用一个摆动马达，机座用一个摆动马达。其中，手抓和手腕采用联轴器联接，手腕跟臂部用螺钉和螺母联接。
机械手采用液压系统。液压伺服系统响应快，控制性好，在性能优良的机械手上得到了广泛的应用。
油泵采用CB—32 外啮合齿轮泵，溢流阀调整压力为50公斤力/平方厘米，油箱内的液压油经过油泵升高压力，进入伺服阀的液压油高度清洁[4]，压力油经过电液伺服阀进入相应的液压油缸，推动执行部分动作。
为了保证液压系统可靠地工作，初次安装时必须将各油缸和管道仔细清洗和冲洗，油箱要密封，加入的液压要经过过滤。在液压系统中还装有水冷却器，以控制油温不超过50℃。
5 机械手的设计
5.1 主要技术参数
根据工作环境和生产状况，提出设计参数，主要技术参数：
（1） 自由度数：N=4
（2）抓取重量：P=mg=50×9.8=490N
（3）手臂俯仰：β=±45° ωβ= 10°/s
（4）左右回转：γ=90° ωγ= 10°/s
（5）手腕回转：ε=90° ωε= 10°/s
（6）定位精度：±4mm
（7）臂，腕运动：点位（电液伺服机构）
（8）驱动方式：液压[5]
5.2 手爪的设计
5.2.1 概述
手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。在手爪的内侧没有槽口，用螺钉将弹性材料装在槽口中形成弹性机械手，弹性材料的一端用螺钉固定，另一端可以自由运动。当手爪加紧零件时，弹性材料便发生变形并与零件外轮廓紧密接触。夹紧力与弹性材料的强度有关，改变其弹性强度即可调节夹紧力。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式[6]。
5.2.2 设计时应考虑的几个问题
①应具有足够的握力（即夹紧力）
在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。
②手指间应有一定的开闭角
两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件来考虑手指的开闭角。
③应保证工件的准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带‘V’形面的手指，以便自动定心[7]。
④应具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。
⑤应考虑被抓取对象的要求
应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状[8]。
驱动力的计算
如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于△O1OC和△O2OC均为直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根据销轴的力平衡条件，即

1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座
1. Finger 2. Pin 3. Lever 4 Means
图1 滑槽杠杆式手部受力分析
Fig 1 The force analysis of chute leveraged hand
∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0
P=2P1cosα （1）
即 P1=P/2cosα
销轴对手指的作用力为P1′。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内[9]，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即∑S×F=0得
P1′h=Nb （2）
因 h=a/cosα
所以 P=2b(cosα)N/a
式中 a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。
α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。
由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°~40°。这里取角α=30度[10]。
这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查《工业机械手设计基础》中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即：
P实际=PK1K2/η
式中 η——手部的机械效率，一般取0.85~0.95；
K1——安全系数，一般取1.2~2
K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。
本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒，工件重量G为490牛顿，V型钳口的夹角为120°,α=30°时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：
根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式
N=0.5G
把已知条件代入得当量夹紧力为
N=245（N）
由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式[11]
P=2b(cosα)N/a 得
P=P计算=2×45 (cos30°) ×245/27=122.5(N)
P实际=P计算K1K2/η （3）
取η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1
则 P实际=122.5×1.5×1.1/0.85=238(N)
5.3 腕部的结构
5.3.1 概述
腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点：
① 结构紧凑，重量尽量轻
② 转动灵活，密封性要好
③ 注意解决好腕部和手部、臂部的连接
④ 各个自由度的位置检测、管线的布置
⑤ 腕部的润滑、维修、调整
⑥ 要适应工作环境的需要。
另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。
5.3.2 腕部的结构形式
本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为±45°
手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转液压缸。它的结构紧凑，但回转角度小于，并且要求严格的密封。
手腕是操作机的小臂(上臂)和末端执行器(手爪)之间的连接部件。其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端行器的姿态。故手腕也称作机器人的姿态机构。对一般商用机器人，末杆(即与末端执行器相联结的杆)都有独立的自转功能，若该杆再能在空间取任意方位，那么与之相联的末端执行器就可在空间去任意姿态，即达到完全灵活的境地[12]。
如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体。当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。
5.3.3 手腕驱动力矩的计算
驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩和手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算：
M驱=M惯+M偏+M摩 （N.m） （4）
式中 M驱——驱动手腕转动的驱动力矩

图2 机械手的腕部结构
Fig 2 Structure of robot wrist
M惯——惯性力矩 （N.m）
M偏——参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩 （N.m）
M摩——手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 （N.m）
⑴ 摩擦阻力矩M摩
M摩 = f（N1D1+N2D2）/2 （N.m） （5）
式中 f——轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.02，滑动轴承取f=0.1[13]；
N1 、N2 ——轴承支承反力 （N）；
D1 、D2 ——轴承直径（m）
由设计知D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=98N e=0.020时
M摩 =0.1×（200×0.035+800×0.054）/2
得 M摩 =2.50（N.m）

图3 腕部回转力矩计算图
Fig 3 Wrist rotary torque calculation chart
⑵ 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏
M偏 =G1 e （N.m） （6）
式中 G1——工件重量（N）
e——偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，M偏为零
当e=0.020，G1=98N时
M偏 =1.96 （N·m）
⑶ 腕部启动时的惯性阻力矩M惯
① 当知道手腕回转角速度时，可用下式计算M惯
M惯 =（J+J工件） （N·m） （7）
式中 ——手腕回转角速度 （rad/s）
t——手腕启动过程中所用时间（s），（假定启动过程中近为加速运动）
J——手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kg·m）
J工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量 （kg·m）
按已知计算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2
故 M惯 = 1.3（N·m）
② 当知道启动过程所转过的角度时，也可以用下面的公式计算M惯：
M惯=（J+J工件） （N·m） （8）
式中 ——启动过程所转过的角度（rad）;
——手腕回转角速度 （rad /s）。
考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M取大一些，可取
M =1.1∽1.2 （M惯+M偏+M摩 ） （N.m）
M = 1.2×（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m）
5.4 臂部的结构
5.4.1 概述
臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求：
① 刚度要大 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。
② 导向性要好 为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。
③ 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。
④ 运动要平稳、定位精度要高 由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。
5.4.2 导向装置
液压驱动的机械手臂在进行翻转运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。
导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。
5.4.3 平衡装置
在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩液压缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和液压缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。
5.4.4 臂部回转运动驱动力矩的计算
臂部翻转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于启动过程一般不是等加速度运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驱动力矩Mq可按下式计算：
Mq = 1.3(Mm + Mg ) (N·m) （9）
式中 Mm——各支承处的总摩擦力矩，可以忽略不计；
Mg——启动时惯性力矩，一般按下式计算：
Mg = J (N·m) （10）
式中 J——手臂部件对其回转轴线的转动惯量（kg·m）[14];
——回转手臂的工作角速度（rad/s）;
△t——回转臂启动时间（s）
J = J水平臂部+ J垂平臂部+ J旋转缸
查表，由公式（9）、（10）得：
J = J水平臂部+ J垂平臂部+ J旋转缸
=
= =25.36
=
查第四卷表17-5-98 选取YMD500摆动液压缸
5.5 旋转腰座的结构设计
设计时要有足够的刚度和稳定性，运动要灵活，结构布置要合理，便于装卸。采用推力调心滚子轴承的腰座支撑结构。由摆动液压马达输出低速的回转运动带动与之相关联的腰座回转壳体实现手臂的回转运动。
5.5.1 尺寸设计
液压缸长度设计为,液压缸内径为,半径R=105mm,轴径半径,液压缸运行角速度=，加速度时间0.5s,压强,
则力矩：

5.5.2 尺寸校核
测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，
质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：

（）

考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数,

总驱动力矩：

设计尺寸满足使用要求[15]。

5.5.3 驱动力矩的计算
查表，由公式（9）、（10）得：
J = J水平臂部+ J垂平臂部+ J旋转缸
=
= =42.84
=
查手册第四卷表17-5-98 选取YMD1000摆动液压马达
6 轴承的设计
6.1 轴承的选择
轴承所受的载荷以轴向载荷为主，并且由于整体结构的原因，可能会引起轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差，因此考虑用推力调心滚子轴承，它允许轴圈对座圈轴线偏斜量—
推力调心滚子轴承（290000型）
6.2 轴承的计算
已知载荷
转速为，翻转
（11）
取预期计算寿命
（N） （12）
对于滚子轴承， ，
则 由公式（12）得
（N）
取温度系数 （轴承工作温度），则
载荷性质为无冲击或轻微冲击，则可取载荷系数
故实际的当量动载荷 P==1733.631.1=1906.99 N
6.3 轴承的校核
轴承的寿命计算公式如下：
（13）
式中：—轴承的额定寿命（h）
P—当量动负荷，P=2288.4N
ε—寿命指数，对滚子轴承，ε=10/3
C—额定动负荷（N）[16]
其中 P （N） （14）
——寿命系数，查表2-3-2，得=4 （滚子轴承，=50000h;
——速度系数，查表2-3-3，得=1.27 ();
——温度系数，查表2-3-4，得=1 （工作温度）
——负载系数，查表2-3-5，得=1.1 （无冲击或轻微冲击）
则由公式（14）
所以由公式（13）
故所选轴承满足寿命要求。
7 回转轴的设计
7.1 回转轴的结构设计
先初步估算轴的最小直径，选取轴的材料为45钢，调质处理，取，则
（15）
输出轴的最小直径是安装在联轴器处轴的直径（Ⅰ—Ⅱ）取50mm，右端制出一轴阶，Ⅱ—Ⅲ段直径为60mm，Ⅲ—Ⅳ段轴径在轴承的计算里求出为80mm。
7.2 回转轴的载荷计算
首先根据轴的机构图作出轴的计算简图，确定轴承的支点位置，根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。
从轴的结构图以及弯矩图和扭矩图中可以看出Ⅲ—Ⅳ段是轴的危险截面，现将计算出的截面处的值列于下表。
表1 轴的受力分析
Table 1 Force analysis of s