基于抓取圓柱形棒料的多關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)研究

摘 要：針對(duì)裝配車間中傳統(tǒng)人工抓取與搬運(yùn)圓柱形棒料所面臨的效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大、易出錯(cuò)等問題，本研究設(shè)計(jì)了一種專門用于抓取圓柱形棒料的多關(guān)節(jié)型機(jī)械手裝置。該裝置實(shí)現(xiàn)了圓柱形棒料的自動(dòng)化搬運(yùn)與精準(zhǔn)抓取，顯著提升了工作效率，并有效降低了搬運(yùn)成本。裝置采用減速電機(jī)與諧波減速器的傳動(dòng)方式，確保機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)且精準(zhǔn)。對(duì)機(jī)械手的夾緊裝置、手臂抓取裝置、腕部結(jié)構(gòu)及手爪進(jìn)行了詳盡的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，使機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧且高效。最后，利用SolidWorks進(jìn)行了建模仿真與整體裝配設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了各部件之間的配合與運(yùn)動(dòng)關(guān)系，確保了機(jī)械手在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：多關(guān)節(jié)機(jī)械手 自動(dòng)化抓取 Solidworks建模仿真

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，企業(yè)正面臨前所未有的提高生產(chǎn)效率的壓力。傳統(tǒng)制造業(yè)中，大量依賴人工的重復(fù)性勞動(dòng)如物料搬運(yùn)、焊接作業(yè)等，不僅效率低下，還占用了大量的人力資源。多關(guān)節(jié)型機(jī)械手不僅可以快速地提高工廠的生產(chǎn)力水平，還可以減少勞力資源和時(shí)間的損耗，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的效益。同時(shí)，對(duì)于工人無法涉及或條件受限制的領(lǐng)域，比如空間狹隘、溫度極端、雜物較多的地方，機(jī)械手能完成預(yù)定任務(wù)。本文通過分析機(jī)械手執(zhí)行動(dòng)作功能要求，確定了手臂結(jié)構(gòu)、末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了一種用于抓取圓柱形棒料的多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。

1 機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的多關(guān)節(jié)型機(jī)械手主要用于夾取小型圓柱形棒料的工件，質(zhì)量在2kg以內(nèi)，適用于輕至中等負(fù)荷的物料搬運(yùn)和精密裝配作業(yè)。要求實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在腰部的旋轉(zhuǎn)、大臂的升降與伸縮、小臂的升降、手爪的開合等功能，并與物料臺(tái)的自動(dòng)送料相配合，在水平面能夠?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)取物、定點(diǎn)放物的功能。總體設(shè)計(jì)要求如下：

（1）抓重：2kg。

（2）自由度數(shù)：4個(gè)自由度。

（3）坐標(biāo)型式：垂直多關(guān)節(jié)型。

（4）手臂參數(shù)：大臂為480mm，小臂為532mm，回轉(zhuǎn)速度為6°/s。

（5）手指夾持范圍：70mm圓柱狀。

（6）驅(qū)動(dòng)方式：電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

（7）控制方式：PLC（FX2n-系列）。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)出的機(jī)械手總體三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)置了4個(gè)自由度，分別是：底座的旋轉(zhuǎn)，大臂的回轉(zhuǎn)，小臂的回轉(zhuǎn)，腕部的俯仰。

底座：采用了直流伺服電機(jī)與一級(jí)齒輪減速實(shí)現(xiàn)底座的旋轉(zhuǎn)360°旋轉(zhuǎn)。

大臂：采用伺服減速電機(jī)實(shí)現(xiàn)了大臂的±90°回轉(zhuǎn)。

小臂：采用伺服減速電機(jī)實(shí)現(xiàn)了小臂的±90°回轉(zhuǎn)。

腕部：采用伺服減速電機(jī)和齒輪組的結(jié)合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了腕部的±90°回轉(zhuǎn)。

手爪：采用了氣缸，通過活塞和拉桿的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)手爪的張開和閉合。

1.1 基座部分設(shè)計(jì)

基座部分由伺服電機(jī)、齒輪、軸、軸承、聯(lián)軸器等所組成。具體如圖2所示。

1.1.1 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)選用選110S–CZK01直流寬調(diào)速伺服電機(jī)，額定功率：0.166kw，額定轉(zhuǎn)矩：1.05—17.6N.m，額定轉(zhuǎn)速1500r/min。

1.1.2 齒輪

考慮到傳遞功率不大，且對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸無嚴(yán)格要求，齒輪材料選用45鋼，齒輪為8級(jí)精度。小齒輪調(diào)質(zhì)處理，小齒輪齒面硬度217～255HBS，大齒輪正火處理，齒面硬度162～217HBS；小齒輪齒數(shù)Z1=25，大齒輪Z2=125。

1.1.3 軸

軸的材料為45號(hào)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后表面硬度220～250HBW。具體尺寸如圖3所示。

1.2 臂部設(shè)計(jì)

手臂是機(jī)械手的重要部件，主要是輔助腕部還有手爪（包括抓取工件），并能與腕部一起在規(guī)定的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。臂部包括小臂和大臂，采用伺服減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖4所示。

大臂電機(jī)選用：安川SGMJV—04AH1減速電機(jī)，減速后額定轉(zhuǎn)速為10n/min，額定輸出扭矩為25N.m，減速比為1?60，減速后的轉(zhuǎn)速為10n/min。

小臂電機(jī)選用：安川SGMJV—A5AAH1減速電機(jī)，減速電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為600n/min，效率n=80%。根據(jù)所需轉(zhuǎn)矩，選擇region-detail-titleXB3偏平式諧波減速器，機(jī)型為25，額定輸出扭矩為5.5N.m，減速比為1?60，減速后的轉(zhuǎn)速為10n/min。

1.3 腕部設(shè)計(jì)

由于腕部的電機(jī)裝在小臂上，考慮到整體的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)性能，選擇型號(hào)為80imagel50-C-Z-25G10減速電機(jī)。該減速電機(jī)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)矩為2.1N.m，減速比為1：75，減速后的額定轉(zhuǎn)速為20r/min。如圖5所示。

1.4 手爪設(shè)計(jì)

機(jī)器人的末端操作器是機(jī)器人直接用于抓取、握緊、吸附專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件，它能夠模仿人手的動(dòng)作，是最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安裝于機(jī)器人手臂的前端。

本設(shè)計(jì)選擇滑槽杠桿回轉(zhuǎn)型手爪，杠桿形手指4的一端裝有V形指5，另一端則開有長滑槽。驅(qū)動(dòng)桿1上的圓柱銷2套在滑槽內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)連桿和圓柱銷一起做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，即可撥動(dòng)兩個(gè)手指各繞其支點(diǎn)（鉸銷3）作相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)手指的夾緊與松開動(dòng)作。滑槽杠桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的定心精度與滑槽的制造精度有密切的關(guān)系。因活動(dòng)環(huán)節(jié)較多，配合間隙的影響不可忽視，此機(jī)構(gòu)依靠驅(qū)動(dòng)力鎖緊，機(jī)構(gòu)本身無自鎖性能?；凼礁軛U回轉(zhuǎn)型手部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2 作品的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）四自由度垂直關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)：獨(dú)特的四自由度垂直關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，使機(jī)械手在垂直空間內(nèi)具備高度的靈活性與廣泛的作業(yè)覆蓋能力，解決了傳統(tǒng)機(jī)械手在三維空間操作中的局限性。

（2）減速電機(jī)與諧波減速器結(jié)合：實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的傳動(dòng)效果，提高整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。諧波減速器的高傳動(dòng)精度和減速電機(jī)的高控制精度，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位和控制。

（3）結(jié)構(gòu)緊湊：減速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)肩關(guān)節(jié)以及肘關(guān)節(jié)，避免采用過多齒輪組，使得結(jié)構(gòu)更加緊湊，簡潔，工作空間大，靈活性強(qiáng)，傳動(dòng)效率大，有利于機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效地提高了機(jī)械手的性能。

3 項(xiàng)目的應(yīng)用價(jià)值和轉(zhuǎn)化場景

（1）提升工業(yè)生產(chǎn)效率：通過優(yōu)化垂直多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)，項(xiàng)目將顯著提升工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，提高生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)周期，為制造業(yè)企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）降低人力成本：高效的自動(dòng)化生產(chǎn)將減少對(duì)人工的依賴，特別是在一些繁重、危險(xiǎn)或高精度要求的作業(yè)環(huán)境中，機(jī)械手的應(yīng)用可以大大降低人力成本，同時(shí)提高作業(yè)安全性。

（3）保障人員安全：在惡劣或高風(fēng)險(xiǎn)的工作環(huán)境中，如高溫、高壓、有毒有害等場所，機(jī)械手的應(yīng)用可以有效保障人員安全，減少工傷事故的發(fā)生。

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