機(jī)械手的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

邱紅偉

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧 530200）

工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備[1]。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。設(shè)計(jì)的機(jī)械手上臂、肘、下臂三部分組成，各部分長15cm；最大抓取重量在100g，裝載面積為54mm×54mm；所有電機(jī)采用閉環(huán)控制，可以定位編程。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)器手的骨架，機(jī)械結(jié)構(gòu)的好壞直接影響著機(jī)器手的功能[2]。機(jī)械手可細(xì)分為五個(gè)部分：

（1）底座；

（2）上臂；

（3）肘；

（4）下臂；

（5）末端操作器。

機(jī)械手設(shè)計(jì)為五個(gè)自由度，每個(gè)自由度分別由五個(gè)帶有一定自鎖功能的電機(jī)控制，其大致的框架如圖1所示。

圖1 機(jī)器手機(jī)械結(jié)構(gòu)框架

2 機(jī)械手電機(jī)選取

作為機(jī)械手的動(dòng)力來源，電機(jī)的選取至關(guān)重要，這要考慮到很多的因素，第一點(diǎn)是電機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)[3]，選取直流電機(jī)主要考慮的主要參數(shù)有空載轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩；第二點(diǎn)是電機(jī)的外形尺寸和形狀，例如電機(jī)的輸出軸，輸出軸的外形和尺寸要選取易于與齒輪鏈接并且可以固定得較緊的D形軸；通過下面的計(jì)算可得出機(jī)械手所需電機(jī)的參數(shù)。

按照設(shè)計(jì)的要求，要抓取100g重量的物體，加上肘和下臂自身的重量，預(yù)計(jì)上臂電機(jī)所要帶動(dòng)的重量為1kg，所選齒輪的小齒輪的分度圓直徑為d1=17mm，大齒輪的分度圓直徑為d2=34mm，機(jī)械手的肘長L1=150mm，下臂長L2=150mm，由此可得出所需電機(jī)最小額定轉(zhuǎn)矩為：

現(xiàn)有電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為25kg·cm、額定轉(zhuǎn)速為24r/min，由此可得出額定功率為：

由于大臂處的電機(jī)所要求功率最大，所以底座電機(jī)和肘電機(jī)可用相同的型號(hào)電機(jī)即可。電機(jī)的尺寸不可選得過大，過大了一方面顯得機(jī)械手比較笨拙，另一方面則增加了重量。

3 底座設(shè)計(jì)

底座的作用主要是使得整個(gè)機(jī)械手可以固定起來，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的各項(xiàng)功能，底座設(shè)計(jì)的好壞可以影響到機(jī)械手的固定的穩(wěn)定程度，同時(shí)也可影響到機(jī)械手的定位精度。底座是機(jī)械手受力最大的部位，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到機(jī)械手的靈活性和穩(wěn)定性[4]，同時(shí)還需要考慮底座各個(gè)零部件的加工和材料的選擇，因此綜合考慮后決定采用兩個(gè)圓錐滾子軸承做為支撐軸承，而推力軸承的型號(hào)需要考慮兩方面的因素，一方面是能否與所設(shè)計(jì)的齒輪和軸的尺寸能否相配合，另一方面是考慮軸承的最大承受力。通過查找推力軸承的國標(biāo)后決定選用型號(hào)為：30204GB/T297-94、30205GB/T297-9。

底部的旋轉(zhuǎn)采用一對(duì)直齒圓柱齒輪做為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，小齒輪的齒數(shù)為Z=25個(gè)齒，大齒輪齒數(shù)為Z=55個(gè)齒，模數(shù)為m=1.25。由于圓錐滾子軸承的軸所受的力為軸向力，因此徑向所受的力可忽略不計(jì)。

4 大臂和肘的設(shè)計(jì)

機(jī)械手大臂按照要求其臂長為15cm，分為左臂板和右臂板。大臂與肘通過兩根固定在大臂上但可自由旋轉(zhuǎn)的軸來連接，大臂上固定一個(gè)有一定自鎖功能的電機(jī)，此電機(jī)做為驅(qū)動(dòng)肘進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力，動(dòng)力的傳動(dòng)同樣采用一對(duì)直齒圓柱齒輪做為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，齒輪的模數(shù)m=1,大齒輪的齒數(shù)Z=34；小齒輪齒數(shù)Z=17；軸的大小可以通過以下計(jì)算得出：

由于所選用的電機(jī)的輸出功率為Pd=6.5 W,經(jīng)過齒輪傳動(dòng)后有功率損失，最后在傳動(dòng)到軸上的功率為：

方法 磁共振成像采用GE 3.0T 磁共振掃描儀采集圖像，采集線圈采用8通道脊柱線圈。掃描序列包含矢狀位T2加權(quán)成像及T1加權(quán)成像，橫軸位T2加權(quán)成像，注射磁共振對(duì)比劑后行橫軸位、矢狀位及冠狀位T1加權(quán)增強(qiáng)掃描。

電機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速為25r/min，通過齒輪傳動(dòng)可得軸的轉(zhuǎn)速為：

由此可確定軸的最小直徑為：

由于肘和上臂上都需要安裝一個(gè)電機(jī)，所以肘的結(jié)構(gòu)和上臂的結(jié)構(gòu)是一樣的，所不同的是臂板的面積尺寸不一樣。

5 機(jī)械手末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

機(jī)械手（Hand）也叫末端執(zhí)行器(End-effecter)，相當(dāng)于人的手爪，主要作用是夾持物體或者是夾持工具并使工具按照規(guī)定的程序完成指定的動(dòng)作。

人類抓取物體的動(dòng)作大致為捏、握和夾三大類，不同的抓取方式?jīng)Q定于手爪的結(jié)構(gòu)和自由度。手爪除了有足夠的夾持力外，還要應(yīng)保持適當(dāng)?shù)木龋詈眠€要能順應(yīng)物體的表面形式來抓取。對(duì)于機(jī)器手的結(jié)構(gòu)有以下三類方案可以選擇：

機(jī)械手為夾持型、機(jī)械手為懸掛型、機(jī)械手為吸盤型。

夾持型的機(jī)械手是目前使用最為廣泛的一種形式。分為內(nèi)撐式、外夾式、內(nèi)外夾持式。還有滑槽杠桿式、連桿杠桿式等各種形式的機(jī)械夾持型機(jī)械手。它們的特點(diǎn)是依靠固定在肢體的兩個(gè)手爪來夾持物體。優(yōu)點(diǎn)：制作簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，只需一個(gè)驅(qū)動(dòng)或兩個(gè)驅(qū)動(dòng)便可以執(zhí)行任務(wù)。缺點(diǎn)：不能夾持不規(guī)則的物體，對(duì)于被夾持的物體還需有可以夾持的部位，否則此類機(jī)械手達(dá)不到意想的效果?；鄹軛U式機(jī)械手特點(diǎn)：通過調(diào)整各桿之間的角度或桿長,改變握力的大小及指間的開閉角。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈活、夾持角較大。缺點(diǎn)：工件的直徑誤差會(huì)引起夾持后的工件的中心線發(fā)生移動(dòng)。連桿式機(jī)械手特點(diǎn)：操縱桿上下移動(dòng)，即可帶動(dòng)連桿使之做夾持和釋放動(dòng)作。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：此種機(jī)構(gòu)開閉角較小，操作速度慢。

（1）設(shè)計(jì)合適的開距離或角度，以便抓取和松開工件。

（2）要有足夠的夾緊力，保證可靠、安全地抓取和運(yùn)送工作。

（3）能保證物體在機(jī)械手內(nèi)準(zhǔn)確定位。

（4）盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。

（5）要考慮到機(jī)械手可調(diào)整性，即張開的角度可以調(diào)整或者伸縮的距離可以調(diào)整。

比較以上三種方案：懸掛式的機(jī)械手在重力方向受到約束，動(dòng)作不夠靈活，再加上此類機(jī)械手的定位困難，出于眾多因素的考慮，懸掛式機(jī)械手方案不可取。吸盤式的機(jī)械手雖然夾持力較大，可靠性高，但物體表面的干凈度、平整度、干燥度影響吸盤吸力的大小，影響機(jī)械手的正常作用發(fā)揮。加之吸盤的大小和吸盤吸附的物體面積的大小又影響吸力的大小。在晃動(dòng)過程中容易如果吸盤力部夠容易掉落，因此這個(gè)方案也不可取。夾持式機(jī)械手操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈活、速度較快。對(duì)于夾持重量不大的方案來說比較可取?；谝陨弦蛩?，夾持式機(jī)械手方案可取。

6 機(jī)械手機(jī)械材料的選擇

機(jī)械手使用的材料大部分是用于結(jié)構(gòu)，一般應(yīng)該是金屬材料。在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)不應(yīng)該產(chǎn)生嚴(yán)重的變形和斷裂，從力學(xué)的角度即具有足夠的強(qiáng)度。因此主要材料選用各種碳鋼和鋁合金。這兩者比較，機(jī)械手應(yīng)選取重量比較輕的材料，以減少自重的負(fù)擔(dān)，因此除了特別講究強(qiáng)度，剛度以及抗摩擦磨損性的機(jī)構(gòu)，一般更多選用鋁合金作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料。材料截面對(duì)構(gòu)件質(zhì)量和剛度施加重要的影響，因此通過合理選擇構(gòu)件的截面可以較好地滿足機(jī)器手的使用要求，如空心圓截面、空心矩形截面、工字截面等。若空心矩形截面邊長為a，壁厚為t的正方形，空心圓截面的外圓直徑也為a，壁厚也為t，且令t＝0.2 a，通過計(jì)算可以得出，在相同壁厚的條件下，正方形空心截面比空心圓截面的慣性矩高69%～84%，而質(zhì)量?jī)H增加27%。壁厚越薄，則效果越明顯。若比較條件改為空心矩形截面和空心圓截面型材的截面相等，且D0＝a，設(shè)空心圓截面壁厚tD＝0.2 a，可以計(jì)算出正方形空心截面的壁厚為tF＝0.147 a。此時(shí)，正方形空心截面比空心圓截面的剛度提高了40%～60%。因此，無論從什么角度來衡量，空心矩形截面都比空心圓截面的剛性優(yōu)越。從設(shè)計(jì)、裝配的角度來看，矩形截面也有一定方便之處。圓截面型材用作伸縮關(guān)節(jié)時(shí)則比較容易裝配。標(biāo)準(zhǔn)件就是按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB),行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),或者國外的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的零件,主要是為了維修替換方便,如螺釘、鍵、法蘭、軸承等都是標(biāo)準(zhǔn)件,在設(shè)計(jì)的時(shí)候可以直接從市場(chǎng)上買到所需的零件,而不需要專門的單獨(dú)制作,減少了成本,提高了勞動(dòng)效率。非標(biāo)準(zhǔn)件是那些從市場(chǎng)無法直接買到,而必須聯(lián)系專門的廠家定做的零部件，當(dāng)然成本比較高,而且維修比較麻煩,一般盡量不用非標(biāo)準(zhǔn)件。也有些部件目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),也無法形成標(biāo)準(zhǔn),例如齒輪、帶輪必須單獨(dú)加工，因此選用一些標(biāo)準(zhǔn)件可以減少很多的設(shè)計(jì)和加工的工作量。

7 機(jī)械手機(jī)械整體設(shè)計(jì)

將五個(gè)部分：（1）底座；（2）上臂；（3）肘；（4）下臂；（5）末端操作器組裝起來就可以組成一個(gè)機(jī)械手，這五部分的組合可以設(shè)計(jì)一些特定的零件來進(jìn)行連接固定，設(shè)計(jì)師需要特別注意零件的各個(gè)尺寸，設(shè)計(jì)的尺寸不能在裝配時(shí)產(chǎn)生干涉，軸與軸承、軸承與軸承座的配合是過盈還是間隙配合；為了安裝或者配合得更好，一些零件的固定孔應(yīng)該設(shè)計(jì)成U形孔，以方便調(diào)整位置。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)同樣要考慮安裝的方便，比如軸承的裝配、螺釘是否容易安裝等?？偟貋碚f零件的尺寸和結(jié)構(gòu)要根據(jù)整體的需要來設(shè)計(jì)，需要考慮的方面很多，在設(shè)計(jì)完成后可用3D軟件進(jìn)行裝配，檢查哪些設(shè)計(jì)部合理（圖2）。

圖2 機(jī)械手裝配三維圖