搬運機器人機械手設計及誤差分析

武文軒

(上海ABB工程有限公司 上海201319)

機械手的驅動方式有氣壓傳動、液壓傳動、電氣傳動和機械傳動。廣泛使用的氣壓技術以壓縮空氣為介質，具有動作迅速、平穩(wěn)、可靠、結構簡單輕便、體積小、節(jié)能、工作壽命長的特點。

對易于控制、無環(huán)境污染的場合，自由度技術常作為機械手的驅動系統(tǒng)的首選。自由度機械手與其它控制方式的機械手相比，具有無污染、抗干擾性強、價格低廉、結構簡單、功率體積比高等特點。

1 機械手總體設計

1.1 機械手工作原理

機械手的種類很多，但按手臂坐標類型來分主要有直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式、關節(jié)坐標式、SCARA型等。

本論文所針對的機械手屬于圓柱坐標式，如圖1所示。機械手主要是由基座和手臂兩部分組成，基座的主要任務是支撐和完成手臂回轉。手臂裝在基座上，作上下直線運動，手部可夾緊/放松。

圖1 機械手原理圖

本機械手的全部動作由氣缸驅動，氣缸由電磁閥控制。驅動部分有升降氣缸、擺動氣缸和手部驅動氣缸。

本機械手氣壓驅動的工作壓力為0.6 MPa，最高可達1 MPa。這個機械手具有兩個直線運動和一個旋轉運動自由度，用于將原工作臺上的物品搬到其左側工作臺上。整個機械手在工作中能實現(xiàn)上升/下降、左旋轉/右旋轉、夾緊/放松功能，是目前較為簡單的、應用比較廣泛的一種機械手。機械手的工作流程如圖2所示。

圖2 機械手工作流程圖

其升降運動通過升降氣缸、垂直導柱、滑動導柱、垂直導軌及升降位置微動開關相互配合完成，升降工作行程為0～1500 mm。轉動是通過擺動氣缸、軸向止推軸承、擺動臂及擺動位置微動開關協(xié)調完成，轉動工作角度范圍為 0～180°。手部是通過氣缸、彈簧的作用來夾持物品，夾持力是靠調節(jié)彈簧的預壓縮量來控制。

1.2 機械手系統(tǒng)總體設計方案

本設計機械手主要由4個大部件和5個液壓缸組成：（1）手部，采用一個直線液壓缸，通過機構運動實現(xiàn)手爪的張合；（2）腕部，采用一個回轉液壓缸實現(xiàn)手部回轉 180°；（3）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂平移 1.2 m；（4）機身，采用一個直線缸和一個回轉缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉。

機械手及工作臺組成的機械手搬運系統(tǒng)，其結構如圖3所示。

圖3 機械手結構

機械手、工作臺和紅外檢測器固定在一個大型的基座上。機械手的手部正下方有工作臺，用于放置物品。在機械手的基座和工作臺之間安裝有一個紅外檢測器，用于檢測工作臺上是否有物品。機械手把物品從系統(tǒng)外抓取移送到右面的工作臺上。

2 機械手運動分析及計算

2.1 手部設計基本要求

（1）應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需的驅動力大小是不同的。

（2）手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度?γ（手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度），以便于抓取工件。

（3）在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕機械臂的負載，提高效率。

（4）應保證手爪的夾持精度。

2.2 典型的手部結構

（1）回轉型：包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。

（2）移動型：即兩手指相對支座作往復運動。

（3）平面平移型。

2.3 機械手手部的設計計算

下面對滑槽杠桿式手部結構進行力學分析： 圖4（a）為常見的滑槽杠桿式手部結構。

圖4 滑槽杠桿式手部結構、受力分析圖

在杠桿的作用下，銷軸向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線OO1和OO2并指向O點，交F1和F2的延長線于A及B。

式中：a為手指的回轉支點到對稱中心的距離（mm），α為工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。

由分析可知，當驅動力F一定時，a角增大，則握力FN也隨之增大，但 α角度過大會導致拉桿行程過長，以及手部結構增大，因此最好 a=30°～40°。

為了保證手爪張開角為60°，活塞桿運動長度為34 mm。

手爪夾持范圍，在100 mm以內。當手爪沒有張開角的時候，如圖5（a）所示，根據(jù)機構設計，它的最小夾持半徑R1=40mm，當張開角為60°時，如圖5（b）所示，最大夾持半徑R2計算如下：

所以機械手的夾持半徑在40～100 mm。

圖5 手爪張開示意圖

2.4 機械手手爪夾持精度的分析計算

機械手的精度設計要求工件定位準確，抓取精度高，重復定位精準及運動穩(wěn)定性好，并有足夠的抓取能力。

機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也與機械手夾持誤差大小有關，特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中。為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，一定要進行機械手的夾持誤差計算分析。

該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度，如圖6所示。

圖6 手爪夾持誤差分析示意圖

機械手的夾持直徑范圍為80 mm～200 mm，一般夾持誤差不超過1 mm，分析如下：

手指長l=100 ,取V型夾角2θ =120° 。

偏轉角β按最佳偏轉角確定：

計算得 R0=lsinθcosβ=70.06 (mm)

2.5 彈簧的設計計算

選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖7所示，計算過程如下。

（1）選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應力：

（2）選擇旋繞比C=8，則

（3）根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=42(mm)，估算彈簧絲直徑：

（4）試算彈簧絲直徑：

（5）根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)：

選擇標準為n=3 ，彈簧的總圈數(shù)n1=n+1.5=4.5 圈。

（6）最后確定D=42(mm),d=7(mm),D1=D?d=35(mm)，D2=D+d=49(mm)

（7）對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算

對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象，壓縮彈簧的長細比本設計彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?/p>

當兩端固定時，b≤5.3；當一端固定，一端自由時，b≤3.7；當兩端自由轉動時，b≤2.6。

結論：本設計彈簧b=1.76≤2.6，因此彈簧穩(wěn)定性合適。

3 結語

搬運機械手是現(xiàn)代機電一體化自動生產(chǎn)線中重要的輔助裝置。它可實現(xiàn)上下、左右、伸縮六個方向的三維空間運動，較適合經(jīng)常變更的生產(chǎn)與柔性制造生產(chǎn)的現(xiàn)代加工方法。機械手爪作為機械手的重要組成部分，其設計的優(yōu)劣，對機械手的使用有直接的影響。因此，對機械手爪提出了重量輕便、結構簡易、抓取穩(wěn)定、壽命長久的設計要求。

圖7 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)

本文基于一款通用型機械手的設計，介紹了機械手的總體結構及工作原理，重點對機械手爪的設計進行了計算校核，并對抓取誤差進行了分析，為今后對機械手及抓取部件的設計提供了一種思路與方法。