1、 学号 20XXXXXXXX 郑州商学院本科毕业论文（设计）包裹分拣机械手臂机械结构设计院 部 名 称： 专 业 名 称： 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 2023年05月摘 要随着工业自动化的发展的需要，由于科技的进步，机械设备早已变成工业生产中举足轻重的一部分，智能机械在工业应用中越来越被重视。本文主要研究了机械臂的设计和计算过程。课题研究中首先对包裹分拣机械手臂的作用、构成进行了研究与分析，并解释了自由度与机械手整体方面的坐标形式。此外，计算出该机械手的主要性能参数，同时，介绍分拣机械手的设计理论和方法。全面深入地研究选取了分拣机械手的手部、臂部以及机身结构设计。最后对整体设计进行校
2、验，以确保研究的可行性。关键词：机械手臂；包裹分拣；机械传动IIAbstractWith the development of industrial automation and technological progress, robotic arms have become an indispensable part of industrial production and are becoming increasingly important in industrial applications. This article mainly introduces the design and
3、calculation process of the robotic arm. This article first introduces the functions, composition, and classification of robotic arms, and explains the form and overall coordinates of the degrees of freedom of the robotic arm. Meanwhile, this article provides the main performance indicators of the ro
4、botic arm and introduces the design theory and methods of the sorting robotic arm. A comprehensive and in-depth discussion was conducted on the structural design of the main components of the sorting manipulator, such as the hand, arm, and body. Finally, the motion simulation of the robotic arm was
5、achieved using software.Key Words: Manipulator; movement stimulation; mechanical transmission目 录1 绪 论11.1 研究的背景和意义11.2 研究的目的21.3 国内外研究现状31.3.1 国外研究现状31.3.2 国内研究现状41.4 研究内容52 驱动源的选择与设计计算62.1 主要技术参数的确定62.2 各关节电机的选择计算62.2.1 大臂旋转电机的选择72.2.2 小臂旋转电机的选择83 机械手的设计方案103.1 机械手基本形式的选择103.1.1 直角坐标型机械手113.1.2 圆柱坐
6、标型机械手113.1.3 球坐标型机械手123.1.4 关节型机械手133.2 设计时考虑的几个问题131. 保证工件准确定位132. 具有足够的强度和刚度133. 考虑被抓取对象的要求133.3机械手的主要部件及运动143.4驱动机构的选择143.4.1 液压驱动143.4.2 气压驱动143.4.3 电力驱动153.5机械手手爪的设计153.6 机械手手爪夹持精度的分析164 臂部的设计及有关计算174.1 臂部设计的基本要求174.2 手臂的典型机构以及结构的选择184.2.1 手臂的典型运动机构184.2.2 手臂运动机构的选择184.3 手臂直线运动的驱动力计算184.3.1 手臂摩
7、擦力的分析与计算184.3.2 手臂惯性力的计算204.3.3连接部分的摩擦阻力205 底座的设计计算215.1 底座的整体设计215.2 机身回转机构的工作原理216 各机械部件的设计选择与校核236.1 轴的设计与校核236.1.1 大臂旋转轴的设计236.1.2 大臂轴的强度校核236.2 键的选择与强度的校核266.2.1 大臂旋转轴键联接处键的强度校核266.2.2 小臂旋转轴键联接处键的强度校核276.3 轴承寿命的校核287 结论30致 谢33V郑州商学院本科毕业论文（设计）1 绪 论1.1 研究的背景和意义近年来，随着中国经济的快速增长，工业机器人的普及已经成为一个重要的趋势。
8、机器替代人工的出现，不仅为企业和行业创造了巨大的制造效能提高，也为产业的发展创造了强大的支撑，使得传统的劳动密集型行业得以转变为技术密集型，并且为行业的现代性和智能创造了强大的支撑。为了更有效地生产机械产品，从流程中改进薄弱环节而提高效率，它可以有效地解决流程中的缺陷，并且可以大大增加产量。此外，由于最近的新技术的发展，气动部件的总体性能也有了显著的提升，因此，更加迅速、准确的加工可以满足不同的产品定位。通过引入先进的技术，大幅度提升生产效率，不断优化产品结构，增强其在市场上的优势，使得实施全面的生产自动化变得可能。随着科技的发展，分拣机械手的出色表现已经深深地融入了当今的商界，它们的出色的运
9、用，为商家提供了更加高效、准确的服务，满足了更多的客户的要求，而且，它们也能够克服人力、财力和效率方面的局限，为商家提供更加优质的服务。随着机械手的程度不断提高，它们的操控更为精准，更容易模仿人类的行为，这使得它们的普遍适应性更强，然而，这种改进会导致它们的结构变得更为复杂，从而使得它们的总重量大幅提升。然而，这种改进又会使得它们的灵活性、抓取能力受到影响，因此，我们需要在这两者中进行权衡。因为工业机械手的尺寸较大，它们的定位准确率、反复定位准确率、机械结构的稳固性等因素，它们的承载能力很低。普遍来说，普通机械手的臂部拥有56个工作运动自由度，腕部和步行设备拥有23个，而特殊机械手则拥有12个
10、，它们的工作范围包括两个垂直的轴，两个水平的轴，还包括两个水平的轴1。通过三自由度机械手，可实现对物料的快速、精确地运输，而且能够有效地完成复杂的任务。1.2 研究的目的通过本课题的研究，我们希望能够设计出能够替代人工分拣的机器分拣系统，从而实现真正的全自动化、一体化、现代化的工业。这种技术的应用可以带来许多优势，例如：1、通过引入先进的技术，大幅改善生产过程，实现全面的自动化，实现无需手工介入的复杂操作，大大增强了劳动力的利用率，同时也大大减少了企业的经营成本。2、为了提升劳动环境，减少人员伤亡，特别是在极端的环境（如高温、极端的压力、极端的温度、极端的湿度、极端的粉尘、极大的噪音、极强的气
11、味、极强的放射性物质和极端的化学物质等）下，传统的人力操作方式已经无法满足要求，因此，采用分拣机械手来取代传统的人力，将会大大提升劳动环境。通过进行一些繁琐、反复的工序，尤其是那些比较困难的任务，我们能够有效地防止因为过度的体力消耗和疏忽导致的意外伤害。3、通过采用先进的技术，如智能化、数字化、网络化等，现代机械工业的发展已经不再局限于简单的代替手动操作，而是朝着智能化、高效率、精细度、高精度的方向前进。智能化的技术不仅能够大大降低人力，而且能够实现快速、高效的生产，从而实现对现代设备的智能管理，从而提高现代设备的效率、质量、安全性，从而实现现代设备的智能管理2。经过对机器人与分拣机械手的深入
12、探索，不仅掌握了有关它们的设计原则与操控流程，而且还深入了解到全球范围内的机器人发展趋势，以及当今机械领域的先进技术，从而提升了本身的分析理论与应用能力，从而为今后的学术探索奠定坚实的基础。随着时代的进步，机器人在许多不同的行业中都得到了大力的推动，从科学研究、制造、销售、物流、金融、教育、医疗、安全、环保、智慧城市，它们正在以前所未有的速度和精度，为社会带来了巨大的变革。为了提高机器人的性能，我们需要进行更深入的研究，特别关注如何使用机械手来完成任务。1.3 国内外研究现状1.3.1 国外研究现状Versatra和Unimate是20世纪中期被开发起来的早期的人工智能，它们的图1和图2是由U
13、mination集团完成的3。随着20世纪70时代和80时代资本主义发达国家对IT的不断投入，欧盟、美国公司、日本政府、南韩等国家的IT发展明显超过各国，尤其是在分拣人工智能方面，这些发达国家的技术水平更加完善，可以满足不同的需求，从而推动IT的发展和进步。随着全球范围内对信息科技的日益重视，分拣人工智能已成为许多行业发展的必备工具4。为了满足这一需求，各国都加大了对分拣人工智能的研发力度，以获取更多的经验和技术。KaKU集团是当今全球分拣机械手技术发展的领军者，其生产能力和研发水平均处于全球领先地位，而德国国家的机器人研究也处于全球领先地位，这使得德国在分拣自动化机器人领域的发展更加迅速、更
14、加全面。加拿大的Clearpath Robotic机器人有限公司致力于开发大型、高负荷的物料运输自动化机器人，以满足当前及未来的生产车间的需求，大大减少了多次物料分拣的次数，极大地提升了工厂及生产车间的效率。日本的自主创新能力十分强大，尽管它的土地资源相对稀缺，但它仍然努力推广和应用自主创新技术，特别是在机器人领域。日本的Yaskawa、OTC等企业都专注于开发和应用自主创新技术，使日本的自主创新能够走向全球，并且因此成为全球领先的自主创新型企业。 图1 Versatra机器人 图2 Unimate机器人1.3.2 国内研究现状我国分拣机械手的发展比欧美各国、日本都要晚。1988年，北京市邮递
15、科技该所开发出第1套邮递枢纽分拣自动化人工智能管理系统，而随后，天津理工学校研究出光学导引分拣机械手管理系统，这种人工智能管理系统被广泛地运用到核能工程中5。1998年，红河卷烟厂、昆明造船装备有限公司也研究出多型号激光诱导分拣机械手管理系统。这标志着中国分拣机械手科技的重要飞跃，使得中国分拣机械手系统技术的进展得到显著提升，与欧美、日本相比，中国分拣机械手系统技术的进展更加迅速、更加稳定6。随着时间的推移，我们的分拣自动化机器人生产技术已经越来越完善，并且正在朝着更加专业、智能和整合的方向前进，并且已经取得了显著的进步。在农业生产方面，宋敏等人设计了一种以燃料电池为动力装置的分拣机械手，以解决目前使用电池作为农业机器人动力装置造成的效率低、寿命短、污染高等一系列问题。该设备适用于大型机械无法进入的情况下的分拣操作7,8。该机器人具有自主导航、防撞、目标识别等功能，解决了农业机器人的户外储
