四自由度工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 超，單 鑫，崔國禮，李金泉

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110159)

隨著時(shí)代的進(jìn)步與發(fā)展，人們生活水平不斷提高，機(jī)械手成為了當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的必然產(chǎn)物。機(jī)械手通過模仿人類手臂的動(dòng)作，可以代替人類完成許多重復(fù)、單調(diào)的工作，解放人的雙手[1]。同時(shí)，機(jī)械手具有適應(yīng)于危險(xiǎn)、復(fù)雜、惡劣環(huán)境中工作的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于一些高危、環(huán)境惡劣、噪聲污染、工作空間狹小、搬運(yùn)大質(zhì)量物品的領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)械手的研制涉及機(jī)械工程學(xué)、電子技術(shù)、控制工程技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能等多門學(xué)科[2]，且機(jī)械手的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，造價(jià)昂貴，故機(jī)械手的普及推廣較為困難，只是在高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用較多。

現(xiàn)有機(jī)械手大多數(shù)為六自由度機(jī)械手，承載能力很大[3]。在流水線安裝、質(zhì)量較小物體搬運(yùn)、物流分揀等領(lǐng)域，應(yīng)用六自由度機(jī)械手的成本很高，功能浪費(fèi)現(xiàn)象普遍存在。四自由度機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用也很廣泛，且功能完善，能滿足大多數(shù)的運(yùn)動(dòng)要求，其設(shè)計(jì)相對簡單。故本文擬設(shè)計(jì)一款在半徑為180 mm的圓形工作范圍內(nèi)夾取工件質(zhì)量不大于100 g的四自由度機(jī)械手，在保證安全性與功能性的前提下降低承載能力，簡化機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，降低機(jī)械手的生產(chǎn)成本。

1 機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手為多關(guān)節(jié)型四自由度工業(yè)機(jī)械手，是采用四桿機(jī)構(gòu)[4]進(jìn)行設(shè)計(jì)的。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 四自由度工業(yè)機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)簡圖

該四自由度工業(yè)機(jī)械手的主體結(jié)構(gòu)是符合平行吊裝原理的連桿機(jī)構(gòu)，它是一種四桿機(jī)構(gòu)。這種四桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械手具有承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。該機(jī)械手由大臂AC、小臂ED、小桿DB、連桿HI、連桿FG、連接件AB、三角連接件CGH以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。該機(jī)械手共有4個(gè)自由度，分別為旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、小臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、大臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及抓取裝置的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它們的作用分別為：旋轉(zhuǎn)臺(tái)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度控制機(jī)械手旋轉(zhuǎn)盤繞其回轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)，用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在XAY平面內(nèi)的自由旋轉(zhuǎn)，使機(jī)械手能從一個(gè)工位旋轉(zhuǎn)到另一個(gè)工位；機(jī)械手末端執(zhí)行器繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度負(fù)責(zé)控制機(jī)械手末端執(zhí)行器在空間的旋轉(zhuǎn)，使機(jī)械手末端執(zhí)行器能夠按照設(shè)定動(dòng)作運(yùn)動(dòng)，規(guī)避障礙，實(shí)現(xiàn)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)；小臂ED繞Y軸的旋轉(zhuǎn)自由度控制機(jī)械手小臂在空間的仰俯運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在空間的抬升和下降動(dòng)作，規(guī)避障礙；大臂AC繞Y軸的旋轉(zhuǎn)自由度負(fù)責(zé)機(jī)械手大臂在空間的伸縮運(yùn)動(dòng)，可控制機(jī)械手抓取裝置的前伸及后縮，并確定機(jī)械手抓取裝置運(yùn)動(dòng)的極限位置[5]。

四自由度工業(yè)機(jī)械手的三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)械手工作時(shí)，首先旋轉(zhuǎn)盤10轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)械臂處于工作方向；隨后，大臂3控制機(jī)械手在空間的伸縮，使機(jī)械手處于工件上方；然后，小臂7控制抓取裝置在空間的仰俯運(yùn)動(dòng)，讓機(jī)械手到達(dá)工件表面；最后，末端執(zhí)行器9通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整抓取工件的角度，完成工件的抓取。

1.三角連接件;2.小桿;3.大臂;4.連接件;5.舵機(jī);6.擺頭; 7.小臂;8.舵機(jī)頭;9.末端執(zhí)行器;10.旋轉(zhuǎn)盤;11.底座圖2 四自由度工業(yè)機(jī)械手的三維結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械手桿件長度設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)四自由度工業(yè)機(jī)械手時(shí)采用的機(jī)構(gòu)為平面四桿機(jī)構(gòu)(圖3)。其中AC為機(jī)械手大臂，ED為機(jī)械手小臂，AB為連接件，DB為小桿。在進(jìn)行機(jī)械手的桿件長度設(shè)計(jì)時(shí)，必須先給定其中的一根桿長才能完成接下來的計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將機(jī)械手大臂AC的長度LAC設(shè)為100 mm，在分析四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)后，可計(jì)算出相關(guān)各桿件的長度。

圖3 平面四桿機(jī)構(gòu)

根據(jù)四桿機(jī)構(gòu)的桿長條件可得：

LAB+LAC≤LCD+LDB

(1)

式中：LAB、LCD、LDB分別為連接件AB、小臂的一部分CD、小桿DB的長度，mm。

將大臂長度LAC=100 mm,代入式(1)可得:

LAB+100≤LCD+LDB

(2)

根據(jù)實(shí)際情況，LAB

機(jī)械手能達(dá)到的最遠(yuǎn)位置即機(jī)械手能伸出的最大長度，為180 mm。該值是機(jī)械手大臂長度與小臂上CE部分的長度之和。按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手的大臂與小臂并不能完全伸展成一條直線，而是成一定的角度。這里設(shè)機(jī)械手大臂與小臂能夠伸展的最大角度為135°。圖4所示為機(jī)械手抓取裝置運(yùn)動(dòng)的極限位置。當(dāng)機(jī)械手抓取裝置的運(yùn)動(dòng)到達(dá)極限位置E點(diǎn)時(shí)，E點(diǎn)與機(jī)架A點(diǎn)在一條水平線，由E點(diǎn)、C點(diǎn)、A點(diǎn)構(gòu)成的三角形就是機(jī)械手達(dá)到最遠(yuǎn)位置(即抓取裝置運(yùn)動(dòng)的極限位置)時(shí)的機(jī)構(gòu)狀態(tài)。

圖4 機(jī)械手抓取裝置運(yùn)動(dòng)的極限位置

在三角形ECA中，

AE2=AC2+CE2-2AC·AEcos∠ACE

(3)

將∠ACE=135°，AC=100 mm，AE=180 mm代入式(3)，可解得CE=94.82 mm，因此機(jī)械手小臂上CE部分的長度最小為94.82 mm。為了方便計(jì)算，本文結(jié)合設(shè)計(jì)要求確定的機(jī)械手小臂上CE部分的長度為100 mm，大臂的長度為100 mm，連接件AB的長度為40 mm。

機(jī)械手的工作范圍是指機(jī)械手的手臂末端或者手腕中心能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合，也稱作機(jī)械手的工作區(qū)域[6]。機(jī)械手在空間的位置與大臂和小臂的長度有關(guān)。當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)，其末端執(zhí)行器的位置也在變化，具體位置可通過坐標(biāo)進(jìn)行求解。機(jī)械手的位置坐標(biāo)如圖5所示。它基于以機(jī)架A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系，且x軸正方向水平向右，y軸正方向垂直向上。θ為機(jī)械手大臂AC與x軸的夾角，α為連接件AB與x軸的夾角。

圖5 機(jī)械手的位置坐標(biāo)示意圖

(4)

式中：xA為A點(diǎn)的橫坐標(biāo)；xB為A點(diǎn)的縱坐標(biāo)。以下各點(diǎn)縱、橫坐標(biāo)的表示方法與A點(diǎn)類似。

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，LCE為機(jī)械手小臂上CE部分的長度，mm。

由以上各點(diǎn)位置的矩陣聯(lián)立方程，可解得機(jī)械手末端E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程，即

(9)

將機(jī)械手各桿件長度代入式(9)，當(dāng)機(jī)械手大臂與小臂的夾角為135°時(shí)，可算得，小臂極限伸長位置與機(jī)械手旋轉(zhuǎn)盤中心的距離為184.78 mm。顯然，這符合機(jī)械手能到達(dá)最遠(yuǎn)位置180 mm處的設(shè)計(jì)要求。

多關(guān)節(jié)機(jī)械手的工作范圍主要由臂長和末端執(zhí)行器的尺寸和形狀決定。機(jī)械手能達(dá)到的最遠(yuǎn)位置為機(jī)械手末端執(zhí)行器中點(diǎn)的位置。為滿足機(jī)械手工作范圍要求，應(yīng)讓該機(jī)械手的實(shí)際工作范圍大于理論計(jì)算值184.78 mm。仿真可得機(jī)械手達(dá)到最遠(yuǎn)位置時(shí)的三維結(jié)構(gòu)(圖6)。在此極限位置，機(jī)械手的末端執(zhí)行器與機(jī)械手大臂上的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)在同一水平線上。該水平線與大臂、小臂上CE部分構(gòu)成一個(gè)等腰三角形。

圖6 機(jī)械手達(dá)到最遠(yuǎn)位置時(shí)的三維結(jié)構(gòu)

3 機(jī)械手最大持重計(jì)算

四自由度工業(yè)機(jī)械手的主要用途是夾取物體。夾持式機(jī)械手的應(yīng)用較為廣泛。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手抓取裝置的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 機(jī)械手抓取裝置的結(jié)構(gòu)

該抓取裝置中各零件通過螺釘連接，齒輪1為主動(dòng)齒輪，與電動(dòng)機(jī)直連，提供機(jī)械手抓取裝置運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。齒輪1與齒輪2相嚙合，齒輪2固定在右夾頭上。左、右夾頭上的一對齒輪相互嚙合。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)齒輪1旋轉(zhuǎn)，齒輪1帶動(dòng)齒輪2旋轉(zhuǎn)，右夾頭隨齒輪2繞機(jī)架旋轉(zhuǎn)，左、右夾頭因各自固定的齒輪相互嚙合而同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)夾頭的開合、夾持。

機(jī)械手抓取裝置能夠拾取的最大質(zhì)量是機(jī)械手的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，也可稱作機(jī)械手的最大搬運(yùn)質(zhì)量(或最大持重)。該抓取裝置搬運(yùn)物體的作用線垂直于機(jī)械手的基準(zhǔn)面并且通過機(jī)械手手腕的基點(diǎn)。通常，相同類型的機(jī)械手，其最大持重越大，則尺寸、功率也越大[7]。計(jì)算機(jī)械手最大持重的公式為：

RG=(GG+QG)Ki

(10)

式中：RG為機(jī)械手的最大持重，g；GG為工件的質(zhì)量，g；QG為末端執(zhí)行器附件質(zhì)量，g；Ki為安全系數(shù)，Ki=1.0-1.1。

該機(jī)械手的設(shè)計(jì)抓取工件質(zhì)量不超過100 g,故計(jì)算時(shí)選擇最大質(zhì)量為100 g。末端執(zhí)行器附件為舵機(jī)，其型號為SG90。查閱說明書可知，其自身質(zhì)量為9 g。安全系數(shù)選擇1.0。根據(jù)式(10)可計(jì)算該機(jī)械手的最大持重，即RG=(9+100)×1.0=109(g)。

4 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)源選擇及控制設(shè)計(jì)

機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)需要外力驅(qū)動(dòng)[8]，而舵機(jī)可精確控制機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)角度。因此，本文采用舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手中各舵機(jī)的分布如圖8所示。

圖8 機(jī)械手中各舵機(jī)的分布

通過舵機(jī)提供動(dòng)力，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)、俯仰和抓取等運(yùn)動(dòng)。大多數(shù)舵機(jī)僅能在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)90°，兩個(gè)方向可以轉(zhuǎn)動(dòng)180°。改變向舵機(jī)發(fā)送的脈沖持續(xù)時(shí)間，能夠控制舵機(jī)的舵腳轉(zhuǎn)動(dòng)位置[9]。舵機(jī)每20 ms得到一個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度取決于收到的脈沖寬度。本文設(shè)置脈沖寬度為1.5 ms 時(shí)讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到90°的位置。脈沖寬度小于1.5 ms時(shí)，舵機(jī)將沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)到0°；大于1.5 ms 時(shí)，舵機(jī)將沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)到180°的位置。舵機(jī)的脈沖控制原理如圖9所示。

圖9 舵機(jī)的脈沖控制原理

通過設(shè)置發(fā)給舵機(jī)的脈沖寬度，可控制機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的定點(diǎn)拾取和搬運(yùn)功能。

5 結(jié)束語

本文針對工業(yè)需求，設(shè)計(jì)了以平面四桿機(jī)構(gòu)為主體的四自由度多關(guān)節(jié)型機(jī)械手；通過機(jī)械手的桿長和運(yùn)動(dòng)角度計(jì)算得到了機(jī)械手的工作范圍，并對機(jī)械手的最大持重和運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行了相關(guān)分析；完成了在半徑為180 mm的圓形工作范圍內(nèi)夾取工件質(zhì)量不大于100 g的四自由度機(jī)械手方案設(shè)計(jì)。