一種可重構(gòu)可展機(jī)械手機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

廖益豐，唐小鳳，陳桂平，李堅(jiān)勇

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州545616）

0 前言

中國(guó)制造2025已經(jīng)成為了我國(guó)強(qiáng)國(guó)夢(mèng)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)之一，然而我國(guó)要邁入世界制造強(qiáng)國(guó)的隊(duì)伍，就必須發(fā)展智能制造[1]，向工業(yè)4.0時(shí)代邁進(jìn)。智能制造離不開(kāi)機(jī)械手，張慶峰[2]設(shè)計(jì)了一種新型數(shù)控機(jī)床裝夾機(jī)械手，并提出了一種數(shù)控機(jī)械手設(shè)計(jì)理論；賈小東[3]對(duì)一種鉆桿自動(dòng)排放數(shù)控扶持機(jī)械手進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析；劉飛飛[4]等對(duì)一種數(shù)控加工自動(dòng)上下料機(jī)械手爪進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。盡管機(jī)械手的研究已有了一定的熱度，但是機(jī)械手的承載力和靈活性一直是制約機(jī)械手發(fā)展的重要因素。

本文設(shè)計(jì)了一種可根據(jù)工作的需求而靈活改變構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副連接方式，從而獲得不同的運(yùn)動(dòng)性能，以完成不同的工作需求，而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可伸縮性強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。

1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)型分析

1.1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖1 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

該機(jī)械手機(jī)構(gòu)可根據(jù)不同工作的需要改變第二連桿與主連桿，第五連桿與主連桿之間的運(yùn)動(dòng)副連接關(guān)系，使機(jī)構(gòu)發(fā)生構(gòu)件重組，進(jìn)而使機(jī)構(gòu)的性能發(fā)送改變，還可通過(guò)第一圓弧擋板和第二圓弧擋板的位置限定作用，使機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，機(jī)構(gòu)變胞，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的承載能力。

該機(jī)械手機(jī)構(gòu)不僅具有較強(qiáng)的可展性，且具有五個(gè)構(gòu)態(tài)，每種構(gòu)態(tài)都具有其相應(yīng)的性能特點(diǎn)，接下來(lái)將對(duì)其構(gòu)態(tài)進(jìn)行分析。

1.2 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的構(gòu)態(tài)分析

該機(jī)械手機(jī)構(gòu)具有五個(gè)構(gòu)態(tài)，分別如圖2中的（a）圖到（e）圖所示，從這五個(gè)構(gòu)態(tài)圖可以看到，當(dāng)機(jī)構(gòu)處于（a）圖所示的狀態(tài)時(shí)，機(jī)構(gòu)的所有構(gòu)件都可縮到一個(gè)平面內(nèi)，機(jī)構(gòu)在這個(gè)構(gòu)態(tài)下可展性最強(qiáng)，靈活性也較高，承載力也比普通六自由度串聯(lián)機(jī)器人強(qiáng)；當(dāng)機(jī)構(gòu)處于（b）圖所示的構(gòu)態(tài)時(shí)，機(jī)構(gòu)的承載能力有所降低，但是工作空間卻比（a）圖所示的構(gòu)態(tài)有所增加；當(dāng)機(jī)構(gòu)處于（c）圖所示的構(gòu)態(tài)時(shí)，機(jī)構(gòu)具有一個(gè)三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，承載能力增加，但是工作空間和運(yùn)動(dòng)靈活性降低；當(dāng)機(jī)構(gòu)處于（d）圖所示構(gòu)態(tài)時(shí)，機(jī)構(gòu)承載能力相比（c）圖而言略有降低，但是工作空間有所增大；當(dāng)機(jī)構(gòu)處于（e）圖所示構(gòu)態(tài)時(shí)，機(jī)構(gòu)是最穩(wěn)定的構(gòu)態(tài)，此時(shí)機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)三角形的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，承載能力最大。

圖2 機(jī)構(gòu)構(gòu)態(tài)示意圖

1.3 工作原理

當(dāng)?shù)诙B桿與主連桿的連接方式為移動(dòng)副連接，第五連桿與主連桿的連接方式也為移動(dòng)副連接時(shí)，機(jī)構(gòu)如圖2中（a）圖所示，此時(shí)因第二連桿和第五連桿都可完全縮進(jìn)主連桿中，因此，此構(gòu)態(tài)下機(jī)構(gòu)伸縮性最強(qiáng)；當(dāng)?shù)谖暹B桿沿著主連桿上的滑槽移動(dòng)到主連桿頂部時(shí)，第一插銷會(huì)插入第一圓弧滑塊中，第一轉(zhuǎn)動(dòng)副單元與第二轉(zhuǎn)動(dòng)副單元就構(gòu)成了轉(zhuǎn)動(dòng)副，此時(shí)第五連桿與主連桿的連接關(guān)系就從移動(dòng)副連接轉(zhuǎn)變成了轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，機(jī)構(gòu)變換成圖2中的（b）圖所示構(gòu)態(tài)，該構(gòu)態(tài)下，機(jī)構(gòu)只有第二連桿可在主連桿上進(jìn)行伸縮，因此，機(jī)構(gòu)可伸縮性有所下降，但是第五連桿此時(shí)可繞著主連桿轉(zhuǎn)動(dòng)了，因此工作空間有所增加；當(dāng)?shù)诹B桿在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中被第一圓弧擋板擋住時(shí)，如圖2中（c）圖所示，此時(shí)第五連桿和第六連桿都不可繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，此時(shí)主連桿、第五連桿和第六連桿組成一個(gè)三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)此時(shí)承載能力大幅度提高，但工作空間降低；當(dāng)?shù)诙B桿也沿著主連桿上的滑槽移動(dòng)到滑槽頂部時(shí)，第二插銷插入第二圓弧滑塊中，第三轉(zhuǎn)動(dòng)副單元與第四轉(zhuǎn)動(dòng)副單元就構(gòu)成了轉(zhuǎn)動(dòng)副，此時(shí)第二連桿與主連桿之間的連接關(guān)系由移動(dòng)副連接變成了轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，如圖2中的（d）圖所示，此時(shí)機(jī)構(gòu)工作空間所有增加；當(dāng)?shù)诙B桿繞著主連桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，第一連桿與第八連桿的連接處被第二圓弧擋板擋住時(shí)，機(jī)構(gòu)形成兩個(gè)三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖2中的（e）圖所示，此時(shí)機(jī)構(gòu)承載能力最高。

2 應(yīng)用分析

該數(shù)控機(jī)械手機(jī)構(gòu)不僅可以應(yīng)用在數(shù)控領(lǐng)域，由于其具有較強(qiáng)的可展性，并且可根據(jù)工作的需求，進(jìn)行構(gòu)件重組，靈活轉(zhuǎn)換自身的運(yùn)動(dòng)靈活性、工作空間和承載力，目前深?？碧筋I(lǐng)域極需要這樣的機(jī)構(gòu)作為勘探工具，因?yàn)樵谏詈Ｖ?，深度不同，壓?qiáng)就不同，作業(yè)的強(qiáng)度也隨時(shí)變化，因此很需要一個(gè)靈活多變的機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)；在航天領(lǐng)域也是如此，當(dāng)月球勘探車(chē)進(jìn)入月球表面時(shí)，復(fù)雜的地形會(huì)使勘探車(chē)輸出端難以作業(yè)，因此也需要一個(gè)可根據(jù)需求而靈活改變運(yùn)動(dòng)性能的機(jī)構(gòu)；甚至在農(nóng)作物的采摘方面也需要，因?yàn)檗r(nóng)作物的大小和尺寸不一樣，需要機(jī)構(gòu)的承載能力也不一樣?？梢?jiàn)該機(jī)構(gòu)的應(yīng)用前景是非常廣泛的。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）針對(duì)現(xiàn)有機(jī)械手承載能力低，運(yùn)動(dòng)靈活性和可展性不足的問(wèn)題，提出了一種可重構(gòu)機(jī)械手機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可根據(jù)不同的工作需求，重組構(gòu)態(tài)，實(shí)現(xiàn)工作性能靈活變換。

（2）由于該機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的可重構(gòu)功能，其不僅僅能夠運(yùn)用在制造領(lǐng)域，還可運(yùn)用在深海抓取、太空勘探和農(nóng)業(yè)采摘等多個(gè)領(lǐng)域。