抓取物料機(jī)械手的設(shè)計(jì)與仿真

劉瑞芬 王建亮 李聰

摘 要：隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步、城市的不斷擴(kuò)張，再回首看這幾十年間我國(guó)在基礎(chǔ)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面取得的一系列重大成就，而各個(gè)行業(yè)的發(fā)展、技術(shù)的革新、創(chuàng)新都與一系列的開發(fā)研究密切相關(guān)。各類工業(yè)在發(fā)展中逐漸受到限制，為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)作業(yè)的效率和質(zhì)量，改善市場(chǎng)供求關(guān)系和競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)面，就需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行深入的開發(fā)和研究，以此來實(shí)現(xiàn)工業(yè)中的半自動(dòng)化、自動(dòng)化以及物流和起重設(shè)施當(dāng)中的自動(dòng)化、精準(zhǔn)化物料抓取，本文就對(duì)從當(dāng)前機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r著手分析，接著對(duì)隨車起重機(jī)用機(jī)械手的設(shè)計(jì)和仿真進(jìn)行闡述分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;物料抓取;設(shè)計(jì);隨車起重機(jī)

1 引言

機(jī)械手是近些年來隨著機(jī)械自動(dòng)化研究的不斷深入以及在工業(yè)中不斷的實(shí)踐應(yīng)用中衍生出來，在自動(dòng)化生產(chǎn)中能夠利用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對(duì)特定物體材料的抓取和移動(dòng)，當(dāng)前在隨車起重機(jī)上也有所應(yīng)用以擴(kuò)大起重機(jī)作業(yè)內(nèi)容的范圍以及對(duì)物體材料抓取的精準(zhǔn)度。

2 當(dāng)前機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r

關(guān)于工業(yè)的發(fā)展海外發(fā)達(dá)國(guó)家要早于我國(guó)，且在技術(shù)的先進(jìn)性和體系的完整性都要優(yōu)于國(guó)內(nèi)，針對(duì)機(jī)械手的研究和發(fā)展也是始于國(guó)外后續(xù)傳入國(guó)內(nèi)，下面就對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)械手設(shè)計(jì)發(fā)展的狀況進(jìn)行分析。

2.1 國(guó)外機(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)外機(jī)械手的設(shè)計(jì)研發(fā)起步早、發(fā)展快，當(dāng)前在機(jī)床、噴漆、電焊以及機(jī)械設(shè)備上料下料等方面，它能夠執(zhí)行既定的計(jì)算程序來進(jìn)行自動(dòng)化的作業(yè)完成一系列的任務(wù)[1]。海外工業(yè)機(jī)械高度發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)械手的設(shè)計(jì)和研發(fā)逐漸朝著智能化的方向發(fā)展，使得其具備感知外界環(huán)境以及作業(yè)條件的能力，根據(jù)外界環(huán)境的變化狀況自行做出反映執(zhí)行某種操作。當(dāng)前隨著機(jī)械手相關(guān)產(chǎn)業(yè)的共同進(jìn)步以及發(fā)展，也在很大程度上成就了機(jī)械手功能和性能的進(jìn)一步提升，高精度、高處理速度、多軸化、輕質(zhì)高強(qiáng)等等都是當(dāng)前機(jī)械手發(fā)展取得的成果，定位精度、處理速度、承受荷載能力也取得了質(zhì)的突破，更為重要的是能夠?qū)C(jī)械手與不同的操作單元形成有機(jī)結(jié)合，就如在隨車起重機(jī)這一單獨(dú)作業(yè)單元的結(jié)合，進(jìn)而改變、改善設(shè)備作業(yè)的方式和狀態(tài)。

2.2 國(guó)內(nèi)機(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)內(nèi)對(duì)“機(jī)器人”“機(jī)械手”等自動(dòng)化機(jī)械產(chǎn)品的研究始于上世紀(jì)八十年代，當(dāng)時(shí)的國(guó)家大力扶持的科技攻關(guān)取得了機(jī)械手方面的一些成果，發(fā)展至今已經(jīng)基本掌握了自動(dòng)機(jī)械手臂的制造技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)控制當(dāng)中硬件以及軟件的應(yīng)用，也生產(chǎn)出了一些列分別具備噴漆、焊接、搬運(yùn)功能的機(jī)械手臂。噴漆機(jī)械手臂已經(jīng)在國(guó)內(nèi)的許多企業(yè)生產(chǎn)線上得到廣泛的應(yīng)用，焊接機(jī)械手也被應(yīng)用到各個(gè)企業(yè)的焊接生產(chǎn)線上。然而不論從宏觀還是微觀的視角出發(fā)都能發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)機(jī)械手臂相比國(guó)外存在的不足，具體在設(shè)備得應(yīng)用穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性、應(yīng)用廣泛性等方面[2]。

因而針對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)械手的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀，有必要朝著抓取物體材料方面的機(jī)械手展開進(jìn)一步的設(shè)計(jì)探究，以此來進(jìn)一步增強(qiáng)隨車起重機(jī)抓取物料功能的完善性和性能的卓越性。

3 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械手的分類

隨著當(dāng)前機(jī)械手設(shè)計(jì)研究的發(fā)展可將機(jī)械手按照不同的門類方式進(jìn)行分類，首先以驅(qū)動(dòng)方式的不同能夠?qū)⑵浞譃橐簤?、氣?dòng)、電動(dòng)、機(jī)械四大類;在適用范圍上又有專用以及通用兩類;機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方式的差別又能夠?qū)⑵浞譃椋海?）直角坐標(biāo)式。這一形式的機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)在三個(gè)坐標(biāo)軸方向的運(yùn)動(dòng)，手臂通過向上升起、向下降落來實(shí)現(xiàn)達(dá)到所要抓取物料的高度，再通過前后和左右的移動(dòng)來達(dá)到對(duì)區(qū)域內(nèi)物料抓取搬運(yùn)的目的，這種形式的機(jī)械手特點(diǎn)是占據(jù)面積較大、工作范圍不夠大，常用于直線型的生產(chǎn)線。（2）圓柱坐標(biāo)機(jī)械手。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手與直角坐標(biāo)式相比多了水平面內(nèi)擺動(dòng)這一功能，優(yōu)勢(shì)就在于其能夠占據(jù)較小的面積而擁有較大的作業(yè)范圍，但結(jié)構(gòu)的緣故限制了其在豎直方向上的抓取能力。（3）多關(guān)節(jié)式機(jī)械手。多關(guān)節(jié)顧名思義該類型機(jī)械手由多個(gè)關(guān)節(jié)組成，由肘關(guān)節(jié)連接機(jī)械手的大小臂，大臂與后方柱之間又形成肩關(guān)節(jié)以及小臂與手之間的腕關(guān)節(jié)，因此多關(guān)節(jié)機(jī)械手能夠更加仿真地完成如人類一般的操作，其不僅運(yùn)動(dòng)靈活便于抓取物料，同時(shí)手臂擺動(dòng)的慣性較小能夠保障抓取物料運(yùn)送的穩(wěn)定性和精確性。多關(guān)節(jié)機(jī)械手相比前兩者擁有更強(qiáng)大的性能和更廣泛的應(yīng)用，尤其在計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入后多關(guān)節(jié)機(jī)械手的作業(yè)能夠被程序操控以及和記憶仿真操控。

3.2 多關(guān)節(jié)式機(jī)械手設(shè)計(jì)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)確定

根據(jù)隨車起重機(jī)的作業(yè)內(nèi)容和范圍，和作業(yè)要求來對(duì)機(jī)械手的指標(biāo)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)探究。在三維空間內(nèi)想要通過機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的抓取和搬運(yùn)就必須對(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械手的手臂進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，需要使得手臂構(gòu)建的尺寸、形狀、自身質(zhì)量以及承載能力滿足機(jī)器設(shè)備日常作業(yè)的基本需求。參照設(shè)計(jì)指標(biāo)，機(jī)械手臂底座依附于隨車起重機(jī)起重臂來完成起重機(jī)作業(yè)半徑范圍內(nèi)抓取物料的任務(wù)，手臂的腕關(guān)節(jié)需要具備能夠俯仰的自由度來實(shí)現(xiàn)起重機(jī)末端機(jī)械手執(zhí)行器安全穩(wěn)定地抓取物料;機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)成則包含了兩個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)和三個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)俯仰的關(guān)節(jié)，具體結(jié)構(gòu)組合為基座旋轉(zhuǎn)-大臂俯仰-小臂俯仰-手腕俯仰-手腕旋轉(zhuǎn)，整個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)械手器件具備五個(gè)自由度，結(jié)構(gòu)樣式如圖1所示。理論設(shè)計(jì)階段預(yù)設(shè)大臂長(zhǎng)為L(zhǎng)2，小臂的長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)3，機(jī)械臂的桿長(zhǎng)度也就是腕關(guān)節(jié)長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)滿足：大臂+小臂+腕關(guān)節(jié)大于等于抓取物料的作業(yè)半徑。除此之外，大小臂的長(zhǎng)度差能夠?qū)C(jī)械手作業(yè)內(nèi)環(huán)半徑產(chǎn)生影響，實(shí)際的抓取物料作業(yè)中也難免會(huì)存在機(jī)械手端部抓取部位達(dá)不到的死角，也因此需要對(duì)機(jī)械手大小臂的形狀和尺寸進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和規(guī)劃，使得大小臂再折疊狀態(tài)下二者之間的差降到最低，同時(shí)為了確保機(jī)械手的靈活性和準(zhǔn)確性也需要對(duì)手腕的長(zhǎng)度進(jìn)行限制。

3.3 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)手臂校核

基于機(jī)械手是在隨車起重機(jī)端部作業(yè)，作業(yè)狀態(tài)是低速、大負(fù)載，各個(gè)關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)也是彼此獨(dú)立，故能夠?qū)⒚總€(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中的耦合效應(yīng)忽略不計(jì)。手臂的校核首先要確定機(jī)械手臂連桿所用金屬材料的類型，進(jìn)一步利用理論力學(xué)的分析和計(jì)算得到關(guān)節(jié)的最大力矩和機(jī)械手連桿的最大彎矩。

（1）機(jī)械手連桿材料為碳鋼，大臂質(zhì)量為5kg，小臂質(zhì)量為4.5kg，手腕質(zhì)量為4kg。（2）每個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩距離基座越遠(yuǎn)則越小，因而關(guān)節(jié)的總質(zhì)量也相對(duì)較小，相應(yīng)的距離越近總質(zhì)量越大。（3）機(jī)械手每個(gè)連桿的重心在軸線上，不同關(guān)節(jié)重心位于旋轉(zhuǎn)軸線上，端部執(zhí)行器與所抓取物料的重心相重合并且在其旋轉(zhuǎn)軸線上。

通過分析可以了解到機(jī)械手作業(yè)時(shí)運(yùn)動(dòng)到水平位置各關(guān)節(jié)受到最大力矩，同時(shí)大臂的俯仰關(guān)節(jié)所受力矩大于小臂和腕關(guān)節(jié)。

4 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真

仿真模型的創(chuàng)建以及設(shè)置可通過ADAMS軟件來完成。在Pro/E環(huán)境下建立機(jī)械手的實(shí)體模型，接著將模型導(dǎo)入進(jìn)行仿真分析;View界面下設(shè)置重力方向、構(gòu)件名稱以及材質(zhì)、關(guān)節(jié)處的motion。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的時(shí)間取3s，步數(shù)為300，接下來就對(duì)機(jī)械手關(guān)節(jié)角速度和首部斷電位移進(jìn)行仿真分析。

4.1 關(guān)節(jié)角速度

經(jīng)過仿真運(yùn)動(dòng)得到了關(guān)節(jié)角速度的數(shù)據(jù)輸出如圖2所示。

由圖中曲線能夠看出每個(gè)關(guān)節(jié)在不同時(shí)間內(nèi)角速度的變化情況，關(guān)節(jié)2、3在零點(diǎn)五至一秒和一點(diǎn)五至兩秒之間角速度變化較為明顯，這與機(jī)械手關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況較為符合。

4.2 手部末端位移曲線

通過仿真得到的末端MARKER_34位移曲線如圖3。

圖中標(biāo)明了X、Y、Z方向位移所采用的線條，0秒時(shí)末端點(diǎn)的坐標(biāo)與ADAMS中機(jī)械手虛擬模型的初始位置坐標(biāo)一致，3秒時(shí)的坐標(biāo)位置與理論計(jì)算以及實(shí)際情況也都保持一致，從而驗(yàn)證了機(jī)械仿真情況的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著國(guó)家工業(yè)體系的發(fā)展進(jìn)步以及科研事業(yè)的不斷深入，我國(guó)在機(jī)械手和機(jī)器人方面的探索和研究也頗具成效，正在逐步縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，同時(shí)針對(duì)機(jī)械手設(shè)計(jì)和仿真的設(shè)計(jì)和研究誠(chéng)然要繼續(xù)，以此來進(jìn)一步保障我國(guó)工業(yè)的發(fā)展的經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。

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