基于“三自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手”對(duì)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的研究與設(shè)計(jì)

杜天宇

摘 要：關(guān)節(jié)型機(jī)械手是一類(lèi)具有與人手肘類(lèi)似的“關(guān)節(jié)”，可以模擬人手操作的自動(dòng)化裝置。它主要以電氣結(jié)合的方式驅(qū)動(dòng)，再通過(guò)齒輪等進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)。但因?yàn)闄C(jī)械摩擦較大，傳動(dòng)部位（回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）仍有改進(jìn)的空間。結(jié)合開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的原理，該文探討了一種利用電磁驅(qū)動(dòng)的新型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。這一設(shè)計(jì)有效地避免了齒輪傳動(dòng)帶來(lái)的機(jī)械摩擦損耗。

關(guān)鍵詞：三自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)原理 新型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（c）-0104-02

機(jī)械手是一種智能裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬人手的所有動(dòng)作。在實(shí)際的工作過(guò)程中，機(jī)械手會(huì)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的固定程序進(jìn)行對(duì)工件的工位轉(zhuǎn)移等。關(guān)節(jié)型機(jī)械手是機(jī)械手的一種類(lèi)型，但它具有與人類(lèi)手肘類(lèi)似的“關(guān)節(jié)”，比一般的機(jī)械手結(jié)構(gòu)更精巧、操作更靈活，具有廣闊的研究與應(yīng)用前景。

現(xiàn)有的機(jī)械手主要以電氣（即電動(dòng)機(jī)和氣缸）結(jié)合的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用齒輪等機(jī)械裝置進(jìn)行傳動(dòng)。但因?yàn)闄C(jī)械摩擦的緣故，傳動(dòng)效率仍有較大的提升空間。該課題在對(duì)一種現(xiàn)有“三自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手”[1]的研究基礎(chǔ)上，對(duì)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)部位進(jìn)行了更深入的調(diào)研，并提出通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)減小機(jī)械摩擦的新型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。

1 三自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手的基本情況

1. 1 整體設(shè)計(jì)

該關(guān)節(jié)型機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)，包含3個(gè)自由度，其中機(jī)械手在進(jìn)行工作時(shí)完成對(duì)工件的兩個(gè)方向的回轉(zhuǎn)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的轉(zhuǎn)移。機(jī)械手運(yùn)用回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)所夾持工件的前后和左右的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而運(yùn)用移動(dòng)關(guān)鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)所夾持工件的上下的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)工作。

機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)如圖1，主要包括手部、腕部和臂部。

手部（亦稱(chēng)抓取機(jī)構(gòu)）是用來(lái)直接握持工件的部件，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用夾鉗式手部結(jié)構(gòu)。其中，夾鉗式機(jī)械手有兩個(gè)半圓形或者橢圓形的機(jī)械手指，手指由驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)連接傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)其張合以及閉合，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手對(duì)所夾持工件的抓緊動(dòng)作。這種方式的機(jī)械手抓具有很好的通用性，能夠?qū)崿F(xiàn)不同外形結(jié)構(gòu)工件的抓緊，所以適用性比較強(qiáng)。

機(jī)械手的主要組成部件為手腕部分，手腕在機(jī)械手傳動(dòng)中起到傳動(dòng)中介的作用，其連接機(jī)械手的手部以及機(jī)械手的臂部，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在臂部的所有動(dòng)作的轉(zhuǎn)換，有效地實(shí)現(xiàn)了手部動(dòng)作的完成。另外，機(jī)械手手腕還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手工作范圍的擴(kuò)大化，使得機(jī)械手的工作范圍有效提高，并對(duì)機(jī)械手的靈活度有了明顯的提高。手腕的回轉(zhuǎn)動(dòng)作運(yùn)用回轉(zhuǎn)液壓氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在空間上270 °的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，液壓氣缸機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，很適合機(jī)械手的運(yùn)用，但是，機(jī)械手的手腕要求工作嚴(yán)格，不能出現(xiàn)振動(dòng)等現(xiàn)象。

機(jī)械手的臂部主要是對(duì)機(jī)械手整體起到支撐的作用，機(jī)械手在進(jìn)行工作過(guò)程中所有的運(yùn)動(dòng)慣性以及自身和工件的所有重量都由臂部來(lái)承受，所以，機(jī)械手的臂部要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗疲勞性強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí)，機(jī)械手的臂部還能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手部分動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)，一般在機(jī)械手的臂部運(yùn)動(dòng)采用液壓或者氣壓缸實(shí)現(xiàn)。文中所設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂部主要包括大臂和小臂。

1.2 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

大臂和小臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)完成。回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由45BF005π型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)兩個(gè)嚙合的直齒圓柱齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，如圖2。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，左側(cè)的齒輪軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，右側(cè)的嚙合齒輪也相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，再通過(guò)軸的帶動(dòng)，與之相連的臂部也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的分析

這種傳動(dòng)方式本身所需要的傳動(dòng)扭矩比較小，并且傳動(dòng)精度也比較低，所以在選擇驅(qū)動(dòng)的方式時(shí)應(yīng)該考慮驅(qū)動(dòng)源的誤差積累等問(wèn)題，研究者采用的驅(qū)動(dòng)源為步進(jìn)電機(jī)。經(jīng)過(guò)查詢(xún)資料《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》中的表格2-11，關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)可以看出，此文選擇的電機(jī)型號(hào)為：45BF005π型，其中，這種步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)包括如下：步矩角為1.5°，其中電機(jī)的額定電壓為27 V，總體質(zhì)量為0.4 kg，該電機(jī)具有外形結(jié)構(gòu)比較緊湊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)精度驗(yàn)證，機(jī)械手在傳動(dòng)過(guò)程中，如果只依靠步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)精度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要運(yùn)用不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及變速機(jī)構(gòu)等進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)精度的提高。文章中所提及的機(jī)械手的傳動(dòng)采用一級(jí)減速齒輪的傳動(dòng)，其中主動(dòng)輪的傳動(dòng)齒數(shù)為20，從動(dòng)齒輪的傳動(dòng)齒數(shù)為70，經(jīng)過(guò)查詢(xún)資料可以得到，該齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)模數(shù)應(yīng)該選擇m=1，齒輪的寬度應(yīng)該設(shè)計(jì)為20 mm，在傳動(dòng)過(guò)程中，由于齒輪傳動(dòng)會(huì)有一定的振動(dòng)，所以此文設(shè)計(jì)的齒輪的寬度為24 mm。

3 新型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的研究與設(shè)計(jì)

3.1 電磁驅(qū)動(dòng)的可行性探討

通過(guò)查閱文獻(xiàn)，利用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)原理進(jìn)行電磁旋轉(zhuǎn)的理論已經(jīng)比較成熟。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的工作機(jī)理基于“磁通總是沿磁導(dǎo)最大的路徑閉合”的原理。當(dāng)定、轉(zhuǎn)子齒中心線不重合、磁導(dǎo)不為最大時(shí)，磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁導(dǎo)最大的位置。當(dāng)向定子各項(xiàng)繞組中依次通入電流時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子將進(jìn)一步沿著通電相序相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果改變定子各相的通電次序，電機(jī)將改變專(zhuān)向，但相電流同流方向的改變是不會(huì)影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向的。

一類(lèi)新型的磁旋轉(zhuǎn)地球儀[2]就是依據(jù)該原理設(shè)計(jì)而成的。

該地球儀沿赤道線每隔一段距離會(huì)貼上永磁片，通過(guò)FEMM軟件仿真，可見(jiàn)永磁片的磁場(chǎng)呈對(duì)稱(chēng)周期排列，如圖3。具體的磁場(chǎng)分布可以通過(guò)對(duì)永磁體本身的磁感應(yīng)強(qiáng)度的檢測(cè)進(jìn)行分析確定，從而實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的懸浮球體的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

綜上所述，利用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)原理，借鑒磁旋轉(zhuǎn)地球儀的設(shè)計(jì)，可以利用電磁驅(qū)動(dòng)替代回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)本來(lái)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)避免了齒輪傳動(dòng)機(jī)械摩擦的損耗，也避免了電機(jī)精度不高的缺陷。

3.2 新型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)

新型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)利用貼永磁片的圓柱體和電磁線圈替代發(fā)電機(jī)和直尺圓柱齒輪。

圓柱體的設(shè)計(jì)尺寸參考原有的右側(cè)齒輪大小，R=35 mm，h=24 mm。

沿圓柱體圓周中線每隔一段距離貼上小鐵片，每個(gè)鐵片上貼有一圓形的永磁片。在圓柱體周?chē)惭b兩組電磁線圈。這兩個(gè)電磁線圈組成一個(gè)弧度，弧度的圓心與圓柱體的柱心盡量保持重合。其中一個(gè)線圈正對(duì)一個(gè)永磁片，另一個(gè)電磁線圈正對(duì)相鄰的另一個(gè)永磁片，如圖4。正常工作時(shí)，通過(guò)檢測(cè)永磁片位置，兩個(gè)線圈同時(shí)通電使電磁線圈同時(shí)產(chǎn)生相同的極性。通過(guò)對(duì)流入線圈的電流進(jìn)行控制，使得圓柱體實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)。若要使圓柱體停止旋轉(zhuǎn)，切斷線圈中的電流即可。

旋轉(zhuǎn)的圓柱體與原有的右側(cè)的軸相連，如圖5。當(dāng)線圈通電時(shí)，圓柱體帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，與軸相連的臂部也隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

新型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)利用電磁驅(qū)動(dòng)的原理，用帶永磁片的圓柱體替代本來(lái)的電機(jī)和直齒圓柱齒輪。這樣的設(shè)計(jì)避免了齒輪傳動(dòng)機(jī)械摩擦的損耗，也避免了電機(jī)精度不高的缺陷，具有很高的研究?jī)r(jià)值。但是囿于研究者現(xiàn)階段的知識(shí)儲(chǔ)備與精力，該種設(shè)計(jì)仍存在許多待進(jìn)一步討論的問(wèn)題。比如電磁驅(qū)動(dòng)能否帶來(lái)足夠的驅(qū)動(dòng)力、回轉(zhuǎn)的精度是否能有效地控制等。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉祖濤.平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計(jì)[D].廣東海洋大學(xué)，2003.

[2] 石燕.傾斜式電磁、永磁混合懸浮地球儀及旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的研究[D].山東大學(xué)，2010.