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为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构，
夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。
夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。
(1)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)手指间应具有一定的开闭角
两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。手指的开闭角应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考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。
(3)保证工件准确定位
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。
(4)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，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。
(5)考虑被抓取对象的要求
根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图3.1所示。
1、手部驱动力计算
本课题气动机器人的手部结构如图3-2所示，其工件重量M=10kg，根据被夹持工件的直径80~150mm，选定V形手指的角度2θ=120°b=120mm>R=24mm
摩擦系数为υ=0.3
图3.1 齿轮齿条式手部
(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:
P=b/R N
(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力N计算公式:
2N·sinθ·υ=1/2Mg
N=Mg/(4sinθ·υ)
=10x9.8/(4xsin60ox0.3)=94.3(N)
所以：
P=b/R N=9120x94.3/24=471.5(N)
(3)实际驱动力:
P实际≥pK1K2/η
式中：η—齿轮齿条传动效率，取η=0.94
K1—安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常在1.2~2.0，取1.5；
K2—工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，若被抓取工件的最大加速度取a=g 时，则: K2=1+a/g
所以：
P实际=471.5x1.5x2/0.94=1504.8(N)
夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1504.8(N)。
2、气缸的直径
本气缸属于预缩型单作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:
F1=πD2P/4-Ft
式中: F1- 活塞杆上的推力/N
Ft - 弹簧反作用力/N
P - 气缸工作压力，选为0.4MPa
弹簧反作用按下式计算:
Ft=Gf(l+s)
Gf=Gd14/8d13n
式中: Gf- 弹簧刚度，N/m
l- 弹簧预压缩量/mm
s- 活塞行程/mm
d1- 弹簧材料直径/mm
D1- 弹簧中径/mm
n- 弹簧有效圈数
G- 弹簧材料剪切模量，一般取G=79.4x109Pa
查《机械设计手册—弹簧》，此处选用材料直径为3.5mm，中径为30mm，有效圈数为15的弹簧，可得：
Gf=Gd14/8d13n
=79.4x109x(3.5x10-3)4/8x(3.5x10-3)3x15
=3677.46(N/m)
Ft=Gf(l+s)
=3677.46×60×10
=220.6（N）
有公式:
F1=πD2Pβ/4-Ft
分析得单向作用气缸的直径:
查《机械设计手册—气压传动》圆整，得D=75mm
由d/D的范围在0.2~0.3之间,可得活塞杆直径:
d=(0.2~0.3)D=(15~22.5)mm
取活塞杆直径d=18mm校核，按公式4F1/πd2≤[σ]有:
其中，[σ]=120MPa，F1=1504.8N则:
=4.0<18
因此符合要求
3、缸筒壁厚的设计
缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。缸体材料选用铝合金2Al2其σb=120MPa。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:
δ=DPp/2σp
式中:δ- 缸筒壁厚，mm
D- 气缸内径，mm
Pp- 实验压力，取Pp=1.5P=0.6MPa
σp -缸体材料许用应力，Pa，其计算公式为：
σp=σb/n
n—安全系数，一般取n=6~8
σp =120/8=15 MPa
代入己知数据，则壁厚为:
δ=DPp/2σp
=75x0.6x106/(2x15x106)
=1.5(mm)
由于计算所得的壁厚很薄不易加工，故查《机械设计手册—气压传动》选用壁厚为3.5mm，则：
缸筒外径为:D1 = 75 + 3.5 ′ 2= 82(mm)
考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。
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，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360°，并且要求严格的密封。
手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，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，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件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.下图为手腕受力的示意图。
图4.1 1.工件2.手部3.手腕
手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:
M驱 =M惯 +M偏 +M摩 +M封
式中: M驱—驱动手腕转动的驱动力矩（N·cm）;
M惯—惯性力矩（N·cm）;
M偏—参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩（N·cm）;
M摩—转动轴与支承孔处产生的摩擦阻力矩（N·cm）;
M封—手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩（N·cm）;
下面以图2-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:
(1)手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦 若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为 ω，起动过程所用的时间为 Δt，则
M 惯=(J+J1)ω/Δt(N·cm)
式中: J- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量( N .cm.s2);
J1- 工件对手腕转动轴线的转动惯量
若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1为:
J1=Jc+G1e12/g
式中: Jc—工件对过重心轴线的转动惯量( N .cm.s2)
G1— 工件的重量(N)
e1—工件的重心到转动轴线的偏心距(cm)
(2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏
M偏= G1e1+ G3e3 (N×cm)
式中：G3—手腕转动件的重量(N);
e3—手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)
当工件的重心与手腕转动轴线重合时， G1e1=0
(3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M封
M封=f(RAd2+RBd1)/2(N·cm)
式中: d1，d2- 转动轴的轴颈直径(cm);
f- 摩擦系数，对于滚动轴承f=0.01,对于滑动轴承f=0.1
根据∑MA(F)=0得
RBl+G3l3=G2l2+G1l1
RB=(G1l1+G2l2-G3l3)/l
同理根据∑MB(F)=0得
RA=(G1(l+l1)+G2(l+l2)+G3(l-l3))/l
式中:G2—转动轴的重量(N)
l1,l2,l3,l4— 如图4.1所示的长度尺寸(cm).
(4)转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类 型有关，应根据具体情况加以分析。
在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是叶片回转气缸，它的原理如图2-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针 方向回转。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为:
图2-2 回转气缸简图
M=Pb(R2-r2)/2或P=2M/(b (R2-r2 ))
式中：M—回转气缸的驱动力矩（N·cm）
P—回转气缸的工作压力（Pa）
R—缸体内壁半径（cm）
r—输出轴半径（cm）
b—动片宽度（cm）
上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定的背压，则上式中的P应为工作压力P1与背压P2之差。
1、尺寸设计
气缸长度设计为b=100mm，气缸内径为D1=110mm，半径R=55mm，轴径D2=26mm,半径r=13mm，气缸运行角速度ω=90 o/s，加速时间Δt=0.1s，压强P=0.4MPa，则力矩：
M=Pb(R2-r2)/2
=0.4x106x0.1x(0.0552-0.0132)/2
=57.12(N·m)
2、尺寸校核
(1)测定参与手腕转动的部件的质量m1=10Kg，分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径r=50mm的圆盘上，那么转动惯量：
J=m1r2/2
=10x0.052/2
=0.0125(kg·m2)
工件的质量为10kg,质量分布于长l=100mm的棒料上，那么转动惯量
Jc=ml2/12
=10x0.12/12
=0.0083(kg·m2)
假如工件中心与转动轴线不重合，对于长l=100mm的棒料来说，最大偏心距e1=50mm，其转动惯量为：
J=Jc+m1e12
=0.0083+10x0.052
=0.0333(kg·m2)
M惯=（J+J1）ω/Δt
=(0.0125+0.0333)x90/0.1
=41.22(N·m)
(2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，e1=0，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线e3=50,则：
M偏=G1e1+G3e3
=10x9.8x0+10x9.8x0.05
=4.9(N·m)
(3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩，对于滚动轴承f=0.01,对于滑动轴承f=0.1,d1,d2为手腕转动轴的轴颈直径，d1=30mm,d2=20mm,RA,RB为轴颈处的支承反力，粗略估计RA =300N, RB =150N,则：
M磨=f(RAd2+RBd1)/2
=0.01x(300x0.02+150x0.03)/2
=0.05(N·m)
(4)回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计M封为M磨的3倍，则：
M封=3xM磨=3x0.05=0.15(N·m)
所以：M驱=M惯+M偏+M磨+M封
=41.22+4.9+0.05+0.15
=46.32(N·m)
M驱=46.32<M=57.12
设计尺寸符合使用要求，安全。
手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为φ100/63。
(1)在校核尺寸时，只需校核气缸内径D1=63mm，半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强P=0.4MPa，则驱动力：
F=P·π·R2
=0.4x106x3.14x0.03152
=1246(N)
(2)测定手腕质量为50kg,设计加速度a=10(m/s2)，则惯性力：
F1=ma
=50x10
=500(N)
(3)考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数k=0.2,
Fm=k·F1
=0.2x500=100(N)
所以，总受力：
F0=F1+Fm
=500+100
=600(N)
F0=600N＜F=1246N
所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。
气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，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，在本设计中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。
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，故在手臂伸缩气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 物体的重量和气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。
气缸运行长度设计为 l=118mm,气缸内径为D1=110mm,半径R=55mm,气缸运行速度，加速度时间Δt=0.1s,压强P=0.4MPa,则驱动力
G0=P·π·R2
=0.4x106x3.14x0.0552
=3799(N)
(1)测定手腕质量为80kg,则重力
G=mg=80x10=800(N)
(2)设计加速度a=5(m/s2)，则惯性力
G1=mg=80x5=400(N)
(3)考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数k=0.1，
Gm=k·G1=0.1x400=40(N)
所以：总受力Gq=G+G1+Gm=800+400+400=1240N
Gq=1240N<G0=3799N
所以设计尺寸符合实际使用要求。
气缸长度设计为b=120mm,气缸内径为D1=210mm ,半径R=105mm,轴径D2=40mm，半径r=20mm,气缸运行角速度ω=90 o/s,加速时间Δt=0.5s，压强P=0.4MPa，则力矩：
M=Pb(R2-r2)/2
=0.4x106x0.12x(0.1052-0.02-)/2
=255(N·m)
(1)测定参与手臂转动的部件的质量m1=120kg分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径r=200mm 的圆盘上，那么转动惯量：