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[摘要]本课题设计为一种四自由度多用途机械手，主要用于车间、货场等自动搬运，以代替人力作业。针对该多用途机械手的特点，对其整体方案、结构部件系统进行设计，并对其各个组成部分，如驱动装置、执行装置等进行了详细的分析设计计算，使其结构布局和受力合理。其中包括液压缸、齿轮齿条等标准件的选择、计算。并采用先进的工程软件Solidworks、AutoCAD进行二维、三维视图的绘制。
[关键词]四自由度；机械手；液压驱动；AutoCAD
1引言
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，模仿人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作动作的自动化执行装置。具有自动控制、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，它是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
2系统组成及设计参数
2.1系统组成
该系统由机械手（执行装置）、机身（驱动装置）两部分组成：都是由液压来完成动作。本机械手具有机身旋转、升降、手臂伸缩以及旋转四个自由度。驱动方式为液压驱动，系统压力为4MPa，共有机身升降油缸、机身旋转油缸、手臂伸缩油缸、手臂旋转油缸以及机械手夹紧油缸5个液压缸。机械手由执行系统驱动系统和控制系统组成以及位置检测装置等组成。
2.2设计参数
3总体方案设计
方案一、四自由液压机械手
该机械手通过液压驱动，通过液压缸实现手臂伸缩、手臂旋转、机身升降、旋转四个自由度，速度快、灵活方便、便于控制，负载较大。
方案二、四自由度气压传动机械手
此機械手由气缸提供动力，实现x轴、Y轴、z轴移动以及手部转动四个自由度，优点是反应快、动作迅速，缺点是负载较小。
方案三、电动液压混合驱动
该方案手臂之间的动力传动靠齿轮传动来实现，抓手工作通过液压传动实现，抓手上部通过伺服电机驱动，配合转盘实现360°回转，灵活方便。
出于设计人的能力有限，此次设计所选择的方案为方案一。在该方案中，动力全部由液压缸提供，这样在工作时系统稳定，且可以很好的完成任务要求。
4设计计算
4.1夹紧液压缸主要尺寸参数的确定
（1）液压缸内径D的计算
由单活塞杆式液压缸的推理公式：
按照GB/T2348-1993标准系列直径回整，取D=25mm。
（2）活塞杆直径d的计算
活塞杆直径可按工作压力确定，对于常速比的液压缸可根据已定的缸径D查下表确定液压缸工作压力（MPa）≤5，取（0.5-0.6）D；液压缸工作压力一7取（0.6-0.7）D；液压缸工作压力>7取0.7D。
4.2机械手臂运动机构的设计
根据任务书要求，手臂的伸缩长度为1200mm，所以，根据GB 2349-1980，选择液压缸活塞行程L为1250mm，又根据要求L≤（20-30）D0，可以D0≥40mm，因此，取液压缸外径D0=40mm，而液压缸内径D的值根据GB/T2348-1993取为30mm：查表确定活塞杆的直径d=0.6D=0.6×30mm=18mm，根据GB/T 2348-1993，确定活塞杆的外径为22mm。
4.3齿轮齿条的计算
由齿轮传动的设计参数、许用应力大小、齿轮的设计计算最终确定齿轮数据：模数m=2、齿数z=20、分度圆直径d=40mm、齿高h=4.25mm、齿宽b=24mml 4l。
5.结构设计与三维造型
5.1总体设计
图1中，机身总共有四个液压缸，通过1手腕旋转液压缸、6升降缸、17手臂伸缩缸以及23手臂旋转液压缸实现四个自由度。设计中，机身2可以起到手腕抗弯的作用，16导杆、21连杆可以起到手臂的抗弯的作用，在其跟7机身套筒的相互配合中，应该及时添加润滑油。其中，21连杆可以再机械手套筒上滑动，既能起到抗弯的作用，又能实现设计本身对于自由度的设定要求。
5.2机械手抓手设计
机械手抓手是本次设计主要的执行部件，主要是通过一个夹紧液压缸带动齿条的运动，然后带动与齿条连接配合的齿轮转动，实现手指的抓取与放开运动。
6.结语
此多用途机械手采用机械与液压相结合的观点进行了总体设计，通过对多用途机械手的结构形式、驱动装置、传动方式各組成部分进行的分析，并对实现灵活抓取货物进行详细设计分析，为使抓取物体灵活稳定而采用液压驱动，最后得到总体方案，符合设计要求。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产：尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。
[关键词]四自由度；机械手；液压驱动；AutoCAD
1引言
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，模仿人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作动作的自动化执行装置。具有自动控制、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，它是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
2系统组成及设计参数
2.1系统组成
该系统由机械手（执行装置）、机身（驱动装置）两部分组成：都是由液压来完成动作。本机械手具有机身旋转、升降、手臂伸缩以及旋转四个自由度。驱动方式为液压驱动，系统压力为4MPa，共有机身升降油缸、机身旋转油缸、手臂伸缩油缸、手臂旋转油缸以及机械手夹紧油缸5个液压缸。机械手由执行系统驱动系统和控制系统组成以及位置检测装置等组成。
2.2设计参数
3总体方案设计
方案一、四自由液压机械手
该机械手通过液压驱动，通过液压缸实现手臂伸缩、手臂旋转、机身升降、旋转四个自由度，速度快、灵活方便、便于控制，负载较大。
方案二、四自由度气压传动机械手
此機械手由气缸提供动力，实现x轴、Y轴、z轴移动以及手部转动四个自由度，优点是反应快、动作迅速，缺点是负载较小。
方案三、电动液压混合驱动
该方案手臂之间的动力传动靠齿轮传动来实现，抓手工作通过液压传动实现，抓手上部通过伺服电机驱动，配合转盘实现360°回转，灵活方便。
出于设计人的能力有限，此次设计所选择的方案为方案一。在该方案中，动力全部由液压缸提供，这样在工作时系统稳定，且可以很好的完成任务要求。
4设计计算
4.1夹紧液压缸主要尺寸参数的确定
（1）液压缸内径D的计算
由单活塞杆式液压缸的推理公式：
按照GB/T2348-1993标准系列直径回整，取D=25mm。
（2）活塞杆直径d的计算
活塞杆直径可按工作压力确定，对于常速比的液压缸可根据已定的缸径D查下表确定液压缸工作压力（MPa）≤5，取（0.5-0.6）D；液压缸工作压力一7取（0.6-0.7）D；液压缸工作压力>7取0.7D。
4.2机械手臂运动机构的设计
根据任务书要求，手臂的伸缩长度为1200mm，所以，根据GB 2349-1980，选择液压缸活塞行程L为1250mm，又根据要求L≤（20-30）D0，可以D0≥40mm，因此，取液压缸外径D0=40mm，而液压缸内径D的值根据GB/T2348-1993取为30mm：查表确定活塞杆的直径d=0.6D=0.6×30mm=18mm，根据GB/T 2348-1993，确定活塞杆的外径为22mm。
4.3齿轮齿条的计算
由齿轮传动的设计参数、许用应力大小、齿轮的设计计算最终确定齿轮数据：模数m=2、齿数z=20、分度圆直径d=40mm、齿高h=4.25mm、齿宽b=24mml 4l。
5.结构设计与三维造型
5.1总体设计
图1中，机身总共有四个液压缸，通过1手腕旋转液压缸、6升降缸、17手臂伸缩缸以及23手臂旋转液压缸实现四个自由度。设计中，机身2可以起到手腕抗弯的作用，16导杆、21连杆可以起到手臂的抗弯的作用，在其跟7机身套筒的相互配合中，应该及时添加润滑油。其中，21连杆可以再机械手套筒上滑动，既能起到抗弯的作用，又能实现设计本身对于自由度的设定要求。
5.2机械手抓手设计
机械手抓手是本次设计主要的执行部件，主要是通过一个夹紧液压缸带动齿条的运动，然后带动与齿条连接配合的齿轮转动，实现手指的抓取与放开运动。
6.结语
此多用途机械手采用机械与液压相结合的观点进行了总体设计，通过对多用途机械手的结构形式、驱动装置、传动方式各組成部分进行的分析，并对实现灵活抓取货物进行详细设计分析，为使抓取物体灵活稳定而采用液压驱动，最后得到总体方案，符合设计要求。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产：尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。