基于十字軸式萬向軸的機(jī)械手設(shè)計(jì)

陳安琪 賈仕銘 何崢緯 尹文鋒

摘 要：自動(dòng)機(jī)械手可用于工件的搬運(yùn)、裝卸，機(jī)器零部件的組裝，在生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但在特定工作環(huán)境下仍需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行人工控制。傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)械手的抓取手采取推桿式結(jié)構(gòu)，無法滿足大力矩輸出要求。本文設(shè)計(jì)了一種采用步進(jìn)電機(jī)與傳感器相配合的萬向軸式機(jī)械手。該機(jī)械手對(duì)傳統(tǒng)推桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，縮短了力矩，減小了力的損耗，從而增大了輸出力矩，同時(shí)增設(shè)步進(jìn)電機(jī)與傳感器，便于調(diào)節(jié)角度，以滿足不同工作環(huán)境的需求。

關(guān)鍵詞：十字軸;機(jī)械手;步進(jìn)電機(jī);傳感器

中圖分類號(hào)：TH133.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）28-0050-03

Design of Manipulator Based on Cross Universal Shaft

CHEN Anqi JIA Shiming HE Zhengwei YIN Wenfeng

（Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500）

Abstract： Automatic manipulator can be used for the handling and loading of workpieces， the assembly of machine parts， which has been widely used in the production， but it still needs to be controlled manually under the specific working environment. The traditional grab of automatic manipulator adopts push rod structure， which can not meet the requirement of large torque output. In this paper， a kind of universal shaft manipulator was designed， which used stepping motor and sensor. The manipulator improves the traditional push rod structure， shortens the torque， reduces the loss of force， and increases the output torque. At the same time， a stepping motor and a sensor were added to facilitate the adjustment of the angle， so as to meet the needs of different working environments.

Keywords： cross shaft manipulator;stepping motor;sensor

1 問題提出

傳統(tǒng)自動(dòng)機(jī)械手在生產(chǎn)流水線上已被廣泛應(yīng)用，但在特定工作環(huán)境下仍需人為控制機(jī)械手的運(yùn)轉(zhuǎn)。而通過操作機(jī)械手，能完成高強(qiáng)度、危險(xiǎn)、腐蝕性的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，減少勞動(dòng)危險(xiǎn)。但傳統(tǒng)機(jī)械手上的抓取手都采用固定運(yùn)轉(zhuǎn)模式，無法適應(yīng)特殊工作環(huán)境，且有大量的調(diào)整程序，耗費(fèi)人力與時(shí)間。因此，急需對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高控制靈活度與響應(yīng)速度。

2 解決方案

考慮到傳統(tǒng)機(jī)械手的運(yùn)轉(zhuǎn)存在角度調(diào)節(jié)固定、無法根據(jù)特有環(huán)境調(diào)整的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一款新的機(jī)械手設(shè)置。該裝置主要包括操作桿、傳感器、控制器和步進(jìn)電機(jī)[1]。操作桿采用相對(duì)位移量給出機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)量;傳感器檢測(cè)操作桿的位移量，并將信號(hào)傳給控制器;控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制指令，使電機(jī)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成抓放及搬運(yùn)動(dòng)作。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以固定角度一步一步運(yùn)行的，可以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)，可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。操作桿未采用普通旋轉(zhuǎn)鉸鏈的連接方式，而是采用三個(gè)十字軸式萬向軸，使操作更加靈活。

在操作機(jī)構(gòu)中，集合機(jī)械臂三個(gè)主要運(yùn)轉(zhuǎn)自由度的控制于一個(gè)操作桿上，人為手動(dòng)控制操作桿完成機(jī)械手的運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)使用步進(jìn)電機(jī)并且配合單片機(jī)編程，通過傳感器監(jiān)測(cè)角度與位移關(guān)系，模擬人手抓取物料的運(yùn)動(dòng)方式。采用三爪式抓取手縮短了力矩，減小了力的損耗，從而增大了輸出力矩，更好地配合整個(gè)機(jī)械臂的運(yùn)行[2]。

3 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

3.1 整體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)方案提供一種十字萬向軸的機(jī)械手。在底板前端開設(shè)多個(gè)定位孔以固定操作系統(tǒng)。使用螺柱與螺桿緊固件連接底板和操作系統(tǒng)多個(gè)十字萬向軸的底座和第一轉(zhuǎn)軸軸套。底板定位孔與工作臺(tái)螺紋孔對(duì)齊后，可將整套系統(tǒng)固定在工作臺(tái)上，滿足工作所需的機(jī)械手穩(wěn)定性、牢固性[3]。機(jī)械手結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。

3.2 操作部分

機(jī)械手的操作部分如圖2所示，外圍設(shè)置四個(gè)萬向軸底座，中間有單一萬向軸底座。外圍的萬向軸底座與萬向軸塞桿連接，中間的萬向軸底座與搖桿連接。塞桿插入萬向軸連桿，兩部件間可相對(duì)滑動(dòng)。萬向軸連接是典型的球鉸，所以搖桿可以在空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。隨搖桿的運(yùn)動(dòng)，塞桿會(huì)在連桿里面滑動(dòng)。塞桿與連桿間有距離傳感器，距離傳感器把連桿與塞桿的相對(duì)位置轉(zhuǎn)化為信號(hào)傳遞給中央處理系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算機(jī)根據(jù)信號(hào)就可以知道搖桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過算法編程，計(jì)算機(jī)將這些信號(hào)傳遞給電機(jī)，這樣電機(jī)就在搖桿控制下運(yùn)轉(zhuǎn)。人手負(fù)責(zé)操作搖桿，這樣操作系統(tǒng)就像一個(gè)遙控器一樣，精確地將手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)表現(xiàn)在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)上。操作手系統(tǒng)有兩個(gè)如圖2所示的搖桿系統(tǒng)，兩只手分別控制。系統(tǒng)總共有5個(gè)電機(jī)，分別對(duì)應(yīng)5個(gè)自由度，一個(gè)搖桿系統(tǒng)控制2個(gè)自由度，而另一個(gè)搖桿系統(tǒng)控制3個(gè)自由度。左手控制機(jī)械臂主臂底座的轉(zhuǎn)動(dòng)和主臂的擺動(dòng)，右手控制小臂的擺動(dòng)和爪頭的搖動(dòng)。由于右手的搖桿上多加了一個(gè)開關(guān)直接控制第五電機(jī)的啟停，所以5個(gè)自由度完全得到控制。

3.3 傳動(dòng)部分

運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)如圖3所示。機(jī)械臂的每個(gè)電機(jī)都是采用步進(jìn)電機(jī)，這能使系統(tǒng)的操作更加精確穩(wěn)定。第一電機(jī)連接有電機(jī)主齒輪，主齒輪與底座上的大齒輪嚙合，負(fù)責(zé)帶動(dòng)主臂底座轉(zhuǎn)動(dòng)。主臂底座轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械臂在空間做水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。第二電機(jī)上的主齒輪以同樣的方式與主臂上的主臂主齒輪嚙合，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)主臂在豎直平面內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同樣的設(shè)計(jì)理念，主臂與小臂用第三電機(jī)間接鉸接，小臂與爪頭之間是第四電機(jī)。第一到第四電機(jī)與系統(tǒng)的傳動(dòng)是通過輪系將電機(jī)的扭矩傳遞給機(jī)械臂。爪子的運(yùn)動(dòng)是螺桿與滑塊帶動(dòng)的，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊相對(duì)爪頭的滑動(dòng)。第五電機(jī)的傳動(dòng)是通過螺桿到滑塊，再由滑塊通過連爪子連桿傳遞給爪子[4]。

3.4 手爪部分

手爪部分如圖4所示。爪子鉸接在爪頭上，同時(shí)也與爪子連桿鉸接?；瑝K相對(duì)固定在爪頭的滑道里面，可相對(duì)直線滑動(dòng)。連桿在中間連接并傳遞扭矩[5]。滑塊的滑動(dòng)來源于螺桿，螺桿與第五電機(jī)軸固定連接，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)化為螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過這樣的連接，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩轉(zhuǎn)化為了爪子的搖擺扭矩，可以對(duì)一定重量的物品施加壓力，從而夾取物品[6]。

3.5 控制部分

采用西門子單片機(jī)對(duì)搖桿的運(yùn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，通過塞桿和連桿之間的距離變化計(jì)算出搖桿在空間的位置。然后通過制定好的程序?qū)⑿盘?hào)放大，傳遞給各個(gè)電機(jī)，通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度完成對(duì)機(jī)械手的控制[7]。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)機(jī)械手彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)械手的缺陷，用單個(gè)操作桿配合步進(jìn)電機(jī)開關(guān)啟停完成整個(gè)操作過程。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的，更便于調(diào)節(jié)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)行程。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊翠麗，陳思.六軸機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（23）：29.

[2]楊可楨.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3]濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.

[4]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[5]蔣平.工程力學(xué)基礎(chǔ)（Ⅱ）：材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[6]毛昕，黃英，肖平央，等.畫法幾何及機(jī)械制圖[M].北京：高等教育出版社，2010.

[7]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.