基于機電一體化的搬運機器人機械手設計

黃 爽

（臺州開放大學，臺州 318000）

在現(xiàn)代制造業(yè)高速發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)的人工搬運方式不僅勞動強度大、作業(yè)危險系數(shù)高，而且需要消耗大量人力成本，已經無法滿足企業(yè)的生產需求。機械手是一種能夠自動化定位控制并根據(jù)生產需求進行編程的多功能設備。它在現(xiàn)代化生產中發(fā)揮著十分重要的作用，不僅能夠提高作業(yè)效率，而且能夠降低生產成本。在機電一體化的發(fā)展背景下，工業(yè)機械手得到了廣泛應用。大部分企業(yè)用機械手代替人工勞作，在提高搬運效率的同時降低人工成本。此外，工業(yè)機械手不僅可以代替人工完成較為危險和復雜的工作，如搬運危險化學品等，還可以在高溫、高壓和高輻射等環(huán)境下作業(yè)，以保障人員安全。

1 機械手的工作原理和分類

1.1 機械手的工作原理

機械手主要由操作機、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感結構等部分構成。它通過計算機編程控制機械手來模仿人類的動作，從而替代人工完成重復性和危險性較高的工作。機械手的組成部分，如圖1所示。

控制系統(tǒng)作為機械手的中樞和大腦，負責指揮機械手工作。一個良好的控制系統(tǒng)應具備分布合理的電路、正確的應用指令和工程配置軟件及控制算法等[1]。驅動系統(tǒng)是機械手的動力來源，要求十分精細。設計時不僅需要了解機械手的電路分布情況，還要分析其內部環(huán)境，以確保驅動部分良好運行。執(zhí)行機構是機械手用來執(zhí)行各種動作的裝置，具有很強的執(zhí)行能力。位置檢測裝置的作用是讓機械手的動作更加精準和明確，確保達到既定效果。

1.2 機械手的分類

機械手可以根據(jù)使用場地、用途和驅動方式劃分類型。按照用途可以將機械手分為專用和通用兩類。專用機械手具有操作簡單、制造成本較低的優(yōu)點，常用于搬運大批量的貨物。通用機械手適用范圍較廣且靈活多變，具有相對獨立的驅動系統(tǒng)，可以受到不同程序的控制，從而完成不同的工作。根據(jù)驅動方式可以將機械手分為氣壓傳動式、液壓傳動式和機械傳動式等。液壓機械手具有動作靈敏、運行平穩(wěn)的特點，多用于搬運重物，但不宜在高壓和溫度較低的環(huán)境下工作[2]。氣壓機械手常用于搬運質量較小的物品，具有操作便捷和成本低的優(yōu)點，能夠適應高溫、高壓的工作環(huán)境。機械式機械手具有操作精準的優(yōu)點，通常作為輔助機械手，輔助主機械手上下料。

不同類型的機械手具有不同的特點和用途。在實際應用過程中，生產企業(yè)應充分結合產品類型、生產環(huán)境等因素，選擇最合理的機械手類型，從而最大限度地降低生產成本，提升企業(yè)的綜合效益。

2 基于機電一體化的搬運機器人機械手設計

2.1 設計方案

基于機電一體化的搬運機器人機械手主要由機器人本體、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)以及檢測系統(tǒng)等部分構成，如圖2 所示。

機器人本體主要用于支撐機械手的各個部位。驅動裝置安裝在機器人本體上，主要用于為動作元件提供動力[3]?？刂葡到y(tǒng)的作用是存儲和發(fā)送各種指令。檢測系統(tǒng)能夠實時檢測機械手所處的位置和姿態(tài)，并將這些信息及時反饋給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要用于接收反饋信息并進行計算，而后發(fā)送相應指令調整機械手的動作。端拾器主要用于拾取和搬運物品，常見類型有吸附式、夾鉗式和仿人式等[4-7]。

搬運機器人的機械手在完成一組搬運動作時，通常需要經歷上升、下降、移動、旋轉、抓緊以及放松等過程，普遍存在一定的延時?；跈C電一體化的搬運機器人機械手動作流程，如圖3 所示。

圖3 機械手自動搬運工作流程

2.2 機器人本體

機器人本體在搬運機器人系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。在選擇機器人本體時，應綜合考慮結構形式、自由度數(shù)目、控制要求以及重復定位精度等方面。文章選擇型號為YR-1-07VXHE6-A00 的搬運機器人本體，其具有流程簡單、生產性能優(yōu)異等優(yōu)點，在構造、性能和功能上進行了創(chuàng)新，提高了動作的自由度和體型的小型緊湊化[8-10]。該機器人本體是7 軸垂直多關節(jié)型機器人，能夠實現(xiàn)回轉、抬臂、前伸、手腕旋轉、彎曲以及手腕扭轉等功能。為了盡量避免其在運行過程中各軸長時間運轉導致的設備損壞，在設計過程中對各軸進行限位設置，即當軸運行至限位時電機減速運行直至停止。YR-1-07VXHE6-A00 機器人本體的主要技術參數(shù)，如表1 所示。

表1 YR-1-07VXHE6-A00 機器人本體的主要技術參數(shù)

2.3 控制系統(tǒng)

在設計搬運機器人機械手控制系統(tǒng)時，采用STC89C52 系列可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為系統(tǒng)的主控制器，采用西門子KTP1200 Basic PN 智能顯示終端作為人機交互界面，并通過控制器局域網總線（Controller Area Network，CAN）實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的通信。PLC 作為控制系統(tǒng)的核心，主要用于接收智能交互終端的操作指令，并傳遞不同工位PLC 的設備運行狀態(tài)信號。智能顯示終端是一種友好的人機界面，采用面向對象的設計理念，可以根據(jù)操作人員的工作特點進行設計并與之匹配。它支持多種通信協(xié)議，如PROFIBUS、PROFINET 和EtherNet/IP 等，便于與其他設備進行通信，實現(xiàn)智能化控制[11]。該智能終端可以根據(jù)工作需要引導操作人員管理現(xiàn)場，而且該智能終端可選的冗余功能，使其能夠滿足復雜環(huán)境下的多種需求。在控制系統(tǒng)中，通過CAN 總線連接智能終端與PLC，可實時控制系統(tǒng)運行工況。

在進行硬件系統(tǒng)選型時，不僅要滿足控制系統(tǒng)當前的使用需求，而且要考慮后期生產工藝優(yōu)化時的需求。因此，PLC 選型時應盡量選擇接口豐富的產品，預留15%左右的輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口作為備用[12]。

2.4 執(zhí)行裝置

執(zhí)行裝置是實現(xiàn)物品抓取和搬運的主要部件。采用科學、合理的抓取和搬運方法，不僅能夠確保物品搬運的安全性，而且能夠提高機械手的工作效率[13]。為了提高執(zhí)行裝置的功能性和可靠性，設計了橫向抓取和縱向抓取兩種不同的裝置。這兩種執(zhí)行裝置均采用氣缸驅動，并由電磁閥控制氣缸。執(zhí)行裝置主要由機械基座、氣缸、夾爪以及電磁閥等部件構成，結構如圖4 所示。

圖4 執(zhí)行裝置結構

3 結語

相較于傳統(tǒng)的人工搬運，機器人機械手搬運具有作業(yè)效率高、安全性強和投入成本低等優(yōu)勢，廣泛應用于工業(yè)生產領域。在科學技術高速發(fā)展的今天，機電一體化已經成為搬運機器人機械手設計的主要發(fā)展趨勢?；跈C電一體化的搬運機器人機械手設計方案，有效提升了機械手的定位精準度和作業(yè)穩(wěn)定性，滿足了現(xiàn)代化工業(yè)生產的要求。