搬运机器人毕业设计方案.docx

序言
现代科学技术发展特点之一就是机械技术，电子技术和信息技术结合，机器人就是这种结合产物之一。现代机器人全部是由机械发展而来。和传统机器区分在于，机器人有计算机控制系统，所以有一定智能，人类能够编制动作程序，使它们完成多种不一样动作。伴随计算机技术和智能技术发展，极大地促进了机器人研究水平提升。现在机器人已成为一个庞大家族，科学家们为了满足不一样用途和不一样环境下作业需要，把机器人设计成不一样结构和外形，方便让她们在特殊条件下出色地完成任务。机器人成了人类最忠实可靠好友，在生产建设和科研工作中发挥着越来越大作用。
搬运机器人不仅能够替换人一些功效，有时还能超出人体力能力。能够二十四小时甚至更长时间连续反复运转，还能够承受多种恶劣环境。 所以，搬运机器人是人体局部功效延长和发展。 二十一世纪是灵敏制造时代，搬运机器人在灵敏制造系统中应用广泛。

1 绪论
1.1 工业机器人历史、现实状况及应用
机器人首先是从美国开始研制，1958年美国联合控制企业研制出第一台机器人。它结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁工件抓放机构，控制系统是示教型。日本是工业机器人发展最快、应用最多国家。自1969年从美国引进两种经典机器人后，大力从事机器人研究。
现在工业机器人大部分还属于第一代，关键依靠人工进行控制；控制方法则为开环式，没有识别能力；改善方向关键是降低成本和提升精度。
第二代机器人正在加紧研制，它设有微型电子计算机控制系统，含有视觉、触觉能力，甚至听、想能力。研究安装多种传感器，把感觉到信息进行反馈，使机器人含有感觉机能。
第三代机器人则能独立地完成工作过程中任务，它和电子计算机和电视设备保持联络，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中关键一环。
伴随现代化科学技术飞速发展和社会进步，针对于上述各个领域机器人系统应用和研究对系统本身也提出越来越多要求。制造业要求机器人系统含有更大柔性和更强大编程环境，适应不一样应用场所和多品种、小批量生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中其它自动化设备集成在一起[1]。研究人员为了提升机器人系统性能和智能水平，要求机器人系统含有开放结构和集成多种外部传感器能力。
美国工业机器人技术发展，大致经历了以下多个阶段：
1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年，万能自动化企业制造工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该企业生产工业机器人定型为1900型；
2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，比如，美国通用汽车企业1968年订购了68台工业机器人；1969年该企业又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车企业32条冲压自动线上448台冲床全部用工业机器人传输工件；
3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当初统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，和此同时，出现了所谓了高级机器人，比如：森德斯兰德企业（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人系统[2]。又如，万能自动企业制成了由25台机器人组成汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了含有“手眼”系统高识别能力微型机器人。
1.2 中国工业机器人
中国工业机器人是从二十世纪八十年代开始起步，经过二十多年努力，已经形成了部分含有竞争力工业机器人研究机构和企业。前后研发出弧焊、电焊、装配、搬运、注塑、冲压及喷漆等工业机器人。近几年，中国工业机器人及含工业机器人自动化生产线相关产品年销售额已突破10亿元。现在中国市场年需求量在3000台左右，年销售额在20亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量尽万台，占全球总量0.56%，其中完全国产工业机器人(行业规模比较大前三家工业机器人企业)行业集中度占30%左右，其它全部是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进。国产工业机器人现在关键以中国市场应用为主，年出口量为100台左右，年出口额为0.2亿元以上。
   现在，工业机器人应用领域关键有弧焊、点焊、装配、搬用、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。
在中国，工业机器人最初应用是在汽车和工程机械行业，关键用于汽车及工程机械喷涂及焊接。现在，因为机器人技术及研发落后，工业机器人还关键应用在制造业，非制造业使用较少。据不完全统计，近几年中国厂家所生产哦工业机器人有超出二分之一是提供给汽车行业。由此可见，汽车工业发展是近几年中国工业机器人增加原动力之一。
搬运机器人在实际工作中就是一个机械手，机械手发展是因为它主动作用正日益为大家所认识：其一、它能部分替换人工操作；其二、它能根据生产工艺要求，遵照一定程序、时间和位置来完成工件传送和装卸；其三、它能操作必需机具进行焊接和装配，从而大大改善了工人劳动条件，显著提升了劳动生产率，加紧实现工业生产机械化和自动化步伐。所以，受到很多国家重视，投入大量人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音和带有放射性和污染场所，应用更为广泛。在中国近几年也有较快发展，而且取得一定效果，受到机械工业重视。机械手结构形式开始比较简单，专用性较强。伴随工业技术发展，制成了能够独立按程序控制实现反复操作，适用范围比较广“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。因为通用机械手能很快改变工作程序，适应性较强，所以它在不停变换生产品种中小批量生产中取得广泛引用。
机器人就是用机器替换人手，把工件由某个地方移向指定工作位置，或根据工作要求以操纵工件进行加工。机器人通常分为三类。第一类是不需要人工操作通用机器人，也即本文所研究对象。它是一个独立、不隶属于某一主机装置，能够依据任务需要编制程序，以完成各项要求操作。它是除含有一般机械物理性能之外，还含有通用机械、记忆智能三元机械。第二类是需要人工操作，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是经过操作机来完成特定作业，以后发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采取铸造操作机也属于这一范围。第三类是专业机器人，关键隶属于自动机床或自动生产线上，用以处理机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务，由主机驱动。除少数外，工作程序通常是固定，所以是专用。
1.3 机器人发展趋势
伴随现代化生产技术提升，机器人设计生产能力深入得到加强，尤其当机器人生产和柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变现在机械制造人工操作状态，提升了生产效率。
就现在来看，总来说现代工业机器人有以下多个发展趋势：
1)提升运动速度和运动精度，降低重量和占用空间，加速机器人功效部件标准化和模块化，将机器人各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不一样机器人；
2)开发多种新型结构用于不一样类型场所，如开发微动机构用以确保精度；开发多关节多自由度手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不一样场所；
3)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器取得工作对象周围外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采取教授系统进行问题求解、动作计划，同时，越来越多系统采取微机进行控制。
2 总体方案设计
2.1 自由度和坐标系选择
机器人运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所含有独立运动数，对于一个构件来说，它有多个运动坐标就称其有多个自由度。各运动部件自由度总和为机器人自由度数。机器人手部要像人手一样完成多种动作是比较困难，因为人手指、掌、腕、臂由19个关节组成，共有27个自由度。而生产实践中不需要机器人手有这么多自由度通常为3-6个（不包含手部）。此次设计搬运机器人为5自由度即：手爪张合；腕部回转；臂部伸缩；臂部回转；臂部升降。
工业机器人结构形式关键有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。各结构形式及其对应特点，分别介绍以下：
1) 直角坐标机器人结构
直角坐标机器人空间运动是用三个相互垂直直线运动来实现，图2-1(a)所表示。因为直线运动易于实现全闭环位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达成很高位置精度（μm级）。不过，这种直角坐标机器人运动空间相对机器人结构尺寸来讲，是比较小。所以，为了实现一定运动空间，直角坐标机器人结构尺寸要比其它类型机器人结构尺寸大得多[2]。
直角坐标机器人工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人关键用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式、龙门式、天车式三种结构。
2) 圆柱坐标机器人结构
圆柱坐标机器人空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现，图2-1（b）。这种机器人结构比较简单，精度还能够，常见于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状空间。
3) 球坐标机器人结构
球坐标机器人空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现，图2-1（c）。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。关键应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形空间。
4) 关节型机器人结构
关节型机器人空间运动是由三个回转运动实现，图2-1（d）。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，全部广泛采取这种类型机器人。
关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。
依据要求及在实际生产中用途，此次设计搬运机器人采取圆柱坐标。
(a)直角坐标型 （b）圆柱坐标型 （c）球坐标型 （d）关节型

图2-1四种机器人坐标形式
Fig 2-1 four robot coordinate form
2.2 搬运机器人组成
搬运机器人由实施机构、驱动机构和控制机构三部分组成。
2.2.1 实施机构
1）手部
手部既直接和工件接触部分，通常是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；依据需要分为外抓式和内抓式两种；也能够用负压式或真空式空气吸盘（关键用于可吸附，光滑表面零件或薄板零件）和电磁吸盘。
传力机构形式较多，常见有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。此次设计手部选择夹持类回转型结构手部。
此次设计搬运机器人手部实施部件图2-2。

图2-2搬运机器人手部实施部件示意图
Fig 2-2 handling robot hands actuating parts schemes
图2-2机构简图，手部实施依靠杆伸缩运动来实现其张合运动，杆动力源来自后续驱动源液压缸，该液压缸采取是伸缩式液压缸，该液压缸能够节省横向工作空间。
2）腕部
腕部是连接手部和臂部部件，并可用来调整被抓物体方位，以扩大机械手动作范围，并使机械手变更灵巧，适应性更强。手腕有独立自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。通常腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单专用机械手，为了简化结构，能够不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。
现在，应用最为广泛手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它结构紧凑，灵巧但回转角度小（通常小于），而且要求严格密封，不然就难确保稳定输出扭矩。所以在要求较大回转角情况下，采取齿条传动或链轮和轮系结构。此次设计搬运机器人腕部是实现手部旋转运动。
设计搬运机器人腕部运动为一个自由度回转运动，运动参数是实现手部回转角度控制在范围内，其基础结构形式图2-3所表示。

图2-3腕部回转基础结构示意图
Fig 2-3 wrist rotation basic structure schematic drawing
腕部驱动方法采取直接驱动方法，因为腕部装在手臂末端，所以必需设计十分紧凑能够把驱动源装在手腕上。机器人手部张合是由双作用单柱塞液压缸驱动；而手腕回转运动则由回转液压缸实现。将夹紧活塞缸外壳和摆动油缸动片连接在一起；当回转液压缸中不一样油腔中进油时即可实现手腕不一样方向回转。
3）臂部
手臂部件是机械手关键握持部件。它作用是支撑腕部和手部（包含工作或夹具），并带动她们做空间运动。
臂部运动目标：把手部送到空间运动范围内任意一点。假如改变手部姿态（方位），则用腕部自由度加以实现。所以，通常来说臂部含有三个自由度才能满足基础要求，即手臂伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。
手臂多种运动通常见驱动机构（如液压缸或气缸）和多种传动机构来实现，从臂部受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件静、动载荷，而且本身运动较为多，受力复杂。所以，它结构、工作范围、灵活性和抓重大小和定位精度直接影响机械手工作性能。此次设计实现臂部上下移动、前后伸缩、和臂部回转运动。手臂运动参数：伸缩行程：1200mm；伸缩速度：83mm/s；升降行程：300mm；升降速度：67mm/s；回转范围：。机器人手臂伸缩使其手臂工作长度发生改变，在圆柱坐标式结构中，手臂最大工作长度决定其末端所能达成圆柱表面直径。伸缩式臂部机构驱动可采取液压缸直接驱动。
4）机座
机座是机身机器人基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地面上，对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及其相关导向装置、支撑件等组成。而且，臂部升降、回转或俯仰等运动驱动装置或传动件全部安装在机身上。臂部运动越多，机身结构和受力越复杂。此次毕业设计搬运机器人机身选择升降回转型机身结构；臂部和机身配置型式采取立柱式单臂配置，其驱动源来自回转液压缸。
2.2.2 驱动机构
驱动机构是搬运机器人关键组成部分。依据动力源不一样，工业机械手驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。
液压驱动压力高，可取得大输出力，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维修方便，不过，液压元件成本高，油路比较复杂[3]。气动驱动压力低，输出力较小如需要输出力大时，其结构尺寸过大，阻尼效果差低速不易控制，但结构简单，能源方便，成本低。电动机驱动有：异步电动机、步进电动机为动力源，电动机使用简单，且伴随材料性能提升，电动机性能也逐步提升。此次设计搬运机器人驱动机构采取液压驱动方法。
2.3 搬运机器人技术参数
1) 用途：用于车间搬运
2) 设计技术参数：
a) 抓重：20Kg(夹持式手部)；
b) 自由度数：5个自由度（手爪张合；腕部回转；臂部伸缩；臂部回转；臂
部升降5个运动）；
c) 坐标型式：圆柱坐标系；
d) 最大工作半径：1600mm；
e) 手臂最大中心高：1248mm；
f) 手臂运动参数:伸缩行程：1200mm；
伸缩速度：83mm/s
升降行程：300mm
升降速度：67mm/s
回转范围：0～180°；
g) 手腕运动参数：回转范围：0～180°。

3 机器人设计和计算
3.1 手部设计
3.1.1 机器人手部功效
机器人手部是机器人最关键部件之一，从其功效和形态上看，分为工业机器人手部和类人机器人手部。现在前者应用较多，也较成熟，后者正在发展中。
工业机器人手部夹持器（亦称抓取机构）是用来握持工件或工具部件，因为被握持工件形状、尺寸、重量、材料及表面状态不一样[4]。其手部结构也是多个多样，大部分手部结构全部是依据特定工件要求而专门设计，按握持原理不一样，常见手部夹持器分为以下两类：
1) 夹持式：包含内撑式和外夹式，常见还有勾托式和弹簧式等。
2) 吸附式：包含气吸式和磁吸式等。
在设计机器人末端实施器时，应注意以下问题：
1) 机器人末端实施器是依据机器人作业要求来设计。一个新末端实施器出现，就能够增加一个机器人新应用场所。所以，依据作业需要和大家想象力而发明新机器人末端实施器，将不停扩大机器人应用领域。
2) 机器人末端实施器重量、被抓取物体重量及操作力总和机器人许可负荷力。所以，要求机器人末端实施器体积小、重量轻、结构紧凑。
3) 机器人末端实施器万能性和专用性是矛盾。万能末端实施器在结构上很复杂，甚至极难实现，比如，仿人万能机器人灵巧手，至今还未实用化。因为这种万能实施器结构复杂且造价昂贵。
3.1.2 手部设计基础要求
1）应含有合适夹紧力和驱动力；
2）手指应含有一定开闭范围；
3）应确保工件在手指内夹持精度；
4）要求结构紧凑，重量轻，效率高；
依据任务要求并考虑到实际操作中手部工作方法此次设计选择手部夹持器为：双支点连杆杠杆式手部结构。
3.1.3 选择手爪类型及夹紧装置
此次搬运机械手设计，考虑到所要达成原始参数：手爪夹取重量为20Kg。常见工业机械手手部，分为夹持和吸附两大类。本设计机械手采取夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指张开闭合靠手指平行移动，这种手指结构简单，适于夹持平板方料，其理论夹持误差零[4]。若采取经典平移型手指，使结构变得复杂且体积庞大。显然是不适宜，所以不选择这种类型。
经过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采取滑槽杠杆这种结构方法。夹紧装置选择常形式夹紧装置，它靠液压缸伸缩作用下实现手爪张开和闭合。
3.1.4 手爪及其液压缸设计
1) 手爪力学分析

图 3-1滑槽杠杆式手部结构、受力分析示意图
Fig. 3-1 leveraged sliding channel hand structure、stress analysis schemes
1——手指 2——销轴 3——杠杆
在杠杆3作用下，销轴2向上拉力为F，并经过销轴中心O点，手指滑槽对销轴反作用力为F1和F2，其力方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点。
由得:
由得:

由 得:

（3-1）
式中: a--手指回转支点到对称中心距离（mm)；
α--工件被夹紧时手指滑槽方向和两回转支点夹角。
由分析可知，当驱动力F一定时，角增大，则握力FN也随之增大，但假如角过大则会造成拉杆行程过大和手部结构增大，所以最好取，故此次设计选择。
依据给定数据：抓取重物为20Kg
钢和钢之间静摩擦因数μ取为：μ=0.15

即:
取=700N
a=35mm b=50mm
故：

=1500N
2) 夹紧力和驱动力及液压缸计算
手指加在工件上夹紧力，是设计手部关键依据。必需对大小、方向和作用点进行分析计算。通常来说，需要克服工件重力所产生静载荷和工件运动状态改变惯性力产生载荷，方便工件保持可靠夹紧状态。
手指对工件夹紧力可按公式计算：
（3-2）
式中：——安全系数，通常1.2～2.0；
——工作情况系数，关键考虑惯性力影响。可近似按下式估 其中a为重力方向最大上升加速度； F—理论驱动力（N）。

表3-1液压缸工作压力
Tab 3-1 the hydraulic cylinder pressure of work
作用在活塞上外力F/N 液压缸工作压力/Mpa 作用在活塞上外力F/N 液压缸工作压力/Mpa
小于5000 0.8～1 0～30000 2.0～4.0
5000～10000 1.5～2.0n 30000～50000 4.0～5.0
10000～0 2.5～3.0 >50000 5.0～8.0
表3-2 液压缸内径系列（JB826-66）
Tab 3-2 hydraulic cylinder of inner series (JB826-66) （mm）
20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85
90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250
计算：
a) 取a=35mm，b=50mm，，机械手达成最高响应时间为0.5s，求夹紧力FN和驱动力F和驱动液压缸尺寸。
取

依据公式，将已知条件带入：

b）取

c) 确定液压缸直径D：
(3-3)
选择活塞杆直径d=0.5D，依据表3-1选择液压缸压力油工作压力P=0.8～1MPa，

依据表3-2（JB826-66），选择液压缸内径为：D=80mm。
对于无速比要求双作用液压缸，可按下式初步定活塞杆直径

则
3.2 腕部设计
3.2.1 腕部设计基础要求
1）努力争取结构紧凑、重量轻
腕部处于手臂最前端，它连同手部静、动载荷均由臂部负担。显然，腕部结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部结构、重量和运转性能[5]。所以，在腕部设计时，必需努力争取结构紧凑，重量轻。
2）结构考虑，合理布局
腕部作为搬运机器人实施机构，又负担连接和支撑作用，除确保力和运动要求外，要有足够强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，处理好腕部和臂部和手部连接。
3）必需考虑工作条件
对于此次设计，搬运机器人工作条件是在工作场所中搬运质量为20Kg物体，所以不太受环境影响，没有处于高温和腐蚀性工作介质中，所以对搬运机器人腕部没有太多不利原因。

3.2.2 腕部结构选择
1)经典腕部结构
a) 含有一个自由度回转驱动腕部结构它含有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下多个阻力：克服开启惯性所用,回转角由动片和静片之间许可回转角度来决定（通常小于270°）。
b) 齿条活塞驱动腕部结构在要求回转角大于270°情况下，可采取齿条活塞驱动腕部结构。这种结构外形尺寸较大，通常适适用于悬挂式臂部[6]。
c) 含有两个自由度回转驱动腕部结构它使腕部含有水平和垂直转动两个自由度。
d) 机-液结合腕部结构。
2) 腕部结构和驱动结构选择
本设计要求手腕回转，综合以上分析考虑到多种原因，腕部结构选择含有一个自由度回转驱动腕部结构，采取液压驱动。
3.2.3 腕部及其液压缸设计计算
腕部设计考虑参数：夹取工件重量20Kg；回转。
1) 腕部驱动力计算

图3-2腕部支撑反力计算示意图
Fig. 3-2 the wrist support counterforce calculation schemes

腕部回转时要克服阻力：
a) 腕部回转支撑处摩擦力矩：
(3-4)其中为轴承摩擦系数取=0.1
b) 克服因为工件重心偏置所需力矩：(这里假定为0)
（3-5）
c) 克服开启惯性所需力矩：
（3-6）
假设给定工件是一直径D=70mm，长度L=660mm，重量G=200N棒料。根据任务书要求实现腕部回转180°，现计算腕部所需驱动力矩以下：
a）手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，长200mm，直径100mm，其重力估算以下：

b）摩擦力矩：
c) 开启过程所转过角度 ，—开启过程所需时间，通常取0.05-0.3s，此处取0.12s，等速转动角速度
(3-7)
查取转动惯量公式有：

代入：

2) 腕部驱动液压缸计算
表3-3 液压缸内径系列（JB826-66）
Tab 3-3 hydraulic cylinder of inner series (JB826-66) （mm）
20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85
90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250
设定腕部部分尺寸：为降低动片和输出轴连接螺钉所受载荷及动片悬伸长度，选择动片宽度时，选择：

依据表3-3设缸体内径R=50mm，考虑到实际装配问题后，动片宽度b=40mm，输出轴r=30mm.基础尺寸示图3-3所表示。则回转缸工作压力：
，选择3.5Mpa

图3-3腕部液压缸剖截面结构示意图
Fig. 3-3 wrist hydraulic cylinder profile section structure schematic drawing
3.3 臂部设计及相关计算
手臂部件是机械手关键握持部件。它作用是支撑腕部和手部（包含工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包含3个运动：伸缩、回转和升降。本节叙述手臂伸缩运动，手臂回转和升降运动设置在机身处，将在下一节详述。
臂部运动目标：把手部送到空间运动范围内任意一点。假如改变手部姿态（方位），则用腕部自由度加以实现。所以，通常来说臂部应该含有3个自由度才能满足基础要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂多种运动通常见驱动机构和多种传动机构来实现，从臂部受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件静、动载荷，而且本身运动较多。所以，它结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手工作性能。
3.3.1 臂部设计基础要求
臂部设计首先要实现所要求运动，为此，需要满足下列各项基础要求：
1) 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻
对于机械手臂部或机身承载能力，通常取决于其刚度。以臂部为例，通常结构上较多采取悬臂梁形式（水平或垂直悬伸）。显然伸缩臂杆悬伸长度愈大，则刚度愈差。而且其刚度伴随臂杆伸缩不停改变[7]。对机械手运动性能、位置精度和负荷能力影响很大。为提升刚度，除尽可能缩短臂杆悬伸长度外，尚应注意以下几方面：
a) 依据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸；
b) 提升支撑刚度和合理选择支撑点距离；
c) 合理部署作用力位置和方向；
d) 注意简化结构；
e) 提升配合精度。
2) 臂部运动速度要高，惯性要小
机械手手部运动速度是机械手关键参数之一，它反应机械手生产水平。对于高速度运动机械手，其最大移动速度设计在1000-1500mm/s最大回转角速度设计在内，大部分平均移动速度为1000mm/s，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定情况下，减小本身重量是减小惯性最有效，最直接措施，所以，机械手臂部要尽可能轻。降低惯量具体有4个路径：
a) 降低手臂运动件重量，采取铝合金材料；
b) 降低臂部运动件轮廓尺寸；
c) 降低回转半径ρ，再安排机械手动作次序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），
尽可能在较小前伸位置下进行回转动作；
d) 在驱动系统中设缓冲装置。
3) 手臂动作应该灵活
为降低手臂运动之间摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦替换滑动摩擦。对于悬臂式机械手，其传动件、导向件和定位件部署合理，使手臂运动尽可能平衡，以降低对升降支撑轴线偏心力矩，尤其要预防发生机构卡死（自锁现象）。为此，必需计算使之满足不自锁条件。
4) 位置精度要求高
通常来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度要求较高；关节式机械手位置精度最难控制，故精度差；在手臂上加设定位装置和检测结构，能很好地控制位置精度，检测装置最好装在最终运动步骤以降低或消除传动、啮合件间间隙。
5) 设计合理
合理设计和腕和机身连接部位，臂部安装形式和位置不仅关系到机器人强度、刚度和承载能力，而且还直接影响到机器人外观。
总结：除此之外，要求机械手通用性要好，能适合多个作业要求；工艺性好，便于加工和安装；用于热加工机械手，还要考虑隔热、冷却；用于作业区粉尘大机械手还要设置防尘装置等。
以上要求是相互制约，应该综合考虑这些问题，只有这么，才能设计出完美、性能良好机械手。
3.3.2 手臂经典机构及结构选择
1) 手臂经典运动机构
常见手臂伸缩机构有以下多个：
a) 双导杆手臂伸缩机构；
b) 手臂经典运动形式有：直线运动，如手臂伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动双层液压缸空心结构；
c) 双活塞杆液压缸结构；
d) 活塞杆和齿轮齿条机构。
2) 手臂运动机构选择
经过以上，综合考虑，此次设计选择液压缸伸缩机构，使用液压驱动，水平伸缩液压缸选择伸缩式液压缸。
3.3.3 手臂直线运动驱动力计算
首优异行粗略估算，或类比同类结构，依据运动参数初步确定相关机构关键尺寸，再进行校核计算，修正设计。
作水平伸缩直线运动液压缸驱动力，应依据液压缸运动时所要克服摩擦力和惯性力等多个方面阻力进行确定。
液压缸活塞驱动力计算公式可表示为：
(3-8)
1) 手臂摩擦力分析和计算
摩擦力计算不一样配置和不一样导向截面形状，其摩擦阻力是不一样，要依据具体情况进行估算。

图3-4机械手臂部受力示意图
Fig. 3-4 the mechanical arm department stress schemes
计算以下：

得

得

(3-9)
式中 ---参与运动零部件所受总重力（含工件）（N）；
L---手臂和运动零部件总重量重心到导向支撑前端距离（m），参考上一节计算；a---导向支撑长度（m）；---当量摩擦系数;
选择：
，G=500N，L=1.49-0.28=1.21m，导向支撑a设计为0.16m。
将相关数据代入进行计算：

2) 手臂惯性力计算
本设计要求手臂平动是V=83mm/s；
假定：在计算惯性力时候，设置开启时间(通常为0.01-0.5)，开启速度；
(3-10)
经过以上分析计算最终计算出液压缸驱动力：

3.3.4 液压缸工作压力和结构确实定
经过上面计算，确定了液压缸驱动力F=2630.45N，依据表3-1选择液压缸工作压力P=1MPa。确定液压缸结构尺寸：
液压缸内径计算，图3-5所表示

图3-5双作用液压缸示意图
Fig. 3-5 dual action hydraulic cylinder schemes
当油进入无杆腔：
（3-11）
其中：η为机械效率，d=0.5D
故有：
(3-12)
F=2630.45N，，选择机械效率。
将相关数据代入：

依据表3-3（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=70mm。
液压缸外径设计：
依据装配等原因，考虑到液压缸臂厚在7mm，所以该液压缸外径为80mm。
活塞杆尺寸要满足活塞（或液压缸）运动要求和强度要求。 则可选择活塞杆直径为35mm系列。
3.4 机身设计及计算
机身是直接支撑和驱动手臂部件。通常实现手臂回转和升降运动，这些运动传动机构全部安在机身上，或直接组成机身躯干和底座相连。所以，臂部运动越多，机身机构和受力情况就越复杂。机身是能够固定，也能够是行走，既能够沿地面或架空轨道运动。
3.4.1 机身整体设计
根据设计要求，机械手要实现手臂回转运动，实现手臂回转运动机构通常设计在机身处。为了设计出合理运动机构，就要综合考虑分析。
机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手关键组成部分。常见机身结构有以下多个[8]：
1) 回转缸置于升降之下结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴变形对回转精度影响较大。
2) 回转缸置于升降之上结构。这种结构采取单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸和臂部一起升降，运动部件较大。
3) 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂回转运动是经过齿条齿轮机构来实现：齿条往复运动带动和手臂连接齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。
分析：
经过综合考虑，本设计选择回转缸置于升降缸之下结构。本设计机身包含两个运动，机身回转和升降。回转机构置于升降缸之下机身结构。手臂部件和回转缸上端盖连接，回转缸动片和缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸转轴和升降缸活塞杆是一体。具体结构见图3-6。驱动机构是液压驱动，回转缸经过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片两侧来实现叶片回转。回转角度通常靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间能够转动角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间能够回转。

图3-6回转缸在升降缸之下机身结构示意图
Fig. 3-6 rotary cylinder is located in the fuselage structure under lifting cylinder diagram
3.4.2 机身回转机构设计计算
1）回转缸驱动力矩计算
手臂回转缸回转驱动力矩，应该和手臂运动时所产生惯性力矩及各密封装置处摩擦阻力矩相平衡：