機(jī)械手的精確抓取與控制

本文通過了解近年來機(jī)械手技術(shù)研究和發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種可以對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行穩(wěn)定抓取的小型化、輕量化機(jī)械手系統(tǒng)。本文通過研究從整體上先對(duì)機(jī)械手的重要特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一種3自由度的機(jī)械手，在此基礎(chǔ)上用三維建模軟件Soild Works進(jìn)行建模并利用該軟件的二次開發(fā)進(jìn)行了仿真。整個(gè)系統(tǒng)通過傳感器對(duì)信號(hào)的采集，通過事先設(shè)計(jì)好的信號(hào)調(diào)理電路，以單片機(jī)為控制單元，通過電機(jī)和氣缸驅(qū)動(dòng)模塊來控制系統(tǒng)運(yùn)行，這一切步驟都通過程序來實(shí)現(xiàn)。

一、機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理

機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及壓力檢測(cè)裝置等所組成。在程序控制的條件下，采用氣壓傳動(dòng)與電機(jī)傳動(dòng)的混合傳動(dòng)方式，來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。壓力檢測(cè)裝置隨時(shí)將機(jī)械手反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.

二、機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案

為了使機(jī)械手的設(shè)計(jì)簡便，機(jī)械手的手部采用了夾持型的設(shè)計(jì)，它是連桿機(jī)構(gòu)在氣缸的帶動(dòng)下繞其回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)來帶動(dòng)手指的開閉的，優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作靈敏，結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，精度高，一定的承載能力等特點(diǎn)。

1. 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。對(duì)于手臂的升降，我們?cè)诳紤]到平穩(wěn)性和安全性以及升降的準(zhǔn)確性之后，決定利用絲杠進(jìn)行傳動(dòng)。同時(shí)考慮到手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)以及回轉(zhuǎn)體的特性，我們?cè)诹⒅紫掳惭b一臺(tái)小型步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)來完成機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，手臂的橫移通過氣缸來實(shí)現(xiàn)。

2. 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)。我們選擇了電機(jī)驅(qū)動(dòng)和氣壓傳動(dòng)，目前步進(jìn)電機(jī)的最小轉(zhuǎn)角完全能實(shí)現(xiàn)1.8°/s，的最小轉(zhuǎn)角。而且步進(jìn)電機(jī)的成本不高，進(jìn)一步增加了機(jī)械手的通用性。氣動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此也是比較合理的傳動(dòng)方式。

3. 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)。考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用單片機(jī)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。

4. 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)

一、機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣壓方式驅(qū)動(dòng)，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重

二、基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)，影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度

三、手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 夾持式手部結(jié)構(gòu)

1.1手指的形狀和設(shè)計(jì)

夾持式是最常見的一種，本文采用兩指式夾取。

1.2手部夾緊氣壓缸的設(shè)計(jì)

（1）手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算。假設(shè)夾起質(zhì)量最大為1KG的工件，在1s內(nèi)水平勻速直線運(yùn)動(dòng)0.3m，設(shè)兩手指原始間隔40mm當(dāng)手指間隔為20mm時(shí)觸碰工件并夾緊，夾持點(diǎn)距轉(zhuǎn)軸的力臂大約為800mm.

假設(shè)綜合摩擦系數(shù)為u=0.15，由G=mg得G=9.8N，又G=2uF可得F=32.67N （F為手指對(duì)工件的家夾持力）

則夾持距為：M=F·S=32.67x0.8=26.13N·m

（2）確定氣缸內(nèi)徑。根據(jù)豎直臂的工作載荷以及初選的工作壓力，缸徑D可以利用下述的公式計(jì)算出，當(dāng)活塞桿收縮克服載荷做功時(shí)：

其中：D為氣缸的內(nèi)徑（m）；F1為作用于氣缸活塞上的推力（N）；P為初選的工作壓力（Pa）；n為總機(jī)械效率（當(dāng)氣缸動(dòng)態(tài)性能要求和工作頻率較高時(shí)，n=0.3一0.5.

（3）水平伸縮氣缸內(nèi)徑的計(jì)算。對(duì)于氣缸伸縮運(yùn)動(dòng)，利用流體的知識(shí)，v=Q/s，Q為流體流量，S為底面積，暫定v=0.05m/s，s=2πr2=2×π0.012=6.28×10-4m2，

所以Q=VS=

氣缸收縮時(shí)所承受的外力F 20N，水平伸縮的行程為30mm，伸出或縮回的時(shí)間為0.5s.

取d/D=0.5，P=0.5Mpa， =0.4代入公式得

≈0.0239m=23.9mm

2. 電機(jī)絲桿螺母傳動(dòng)

底座的圓周運(yùn)動(dòng)采用電機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)，機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)為絲桿螺母傳動(dòng)和氣缸伸縮運(yùn)動(dòng)。

經(jīng)過查閱市面上的伺服電機(jī)減速器一體設(shè)備的輸出轉(zhuǎn)速為1200r/min，暫定機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)的速度為0.05m/s左右，接下來我們計(jì)算絲桿螺距。

已知n=1200r/min即為20r/s，而v=0.05m/s。

又有，即，

四、傳感器的選取

壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器，特點(diǎn)：小型輕便、響應(yīng)快、在線性好、可靠性高。

我們選擇小尺寸微型稱重拉壓力傳感器傳感器的滿量程輸出電壓（MAX mv）=傳感器的拱橋電壓（5到15VDC的范圍內(nèi)，）X傳感器的靈敏度（例如：1MV/V或者2MV/V）

傳感器所受到的力與傳感器的輸出電壓呈線性關(guān)系滿足：Ymv=a*Xf

產(chǎn)品參數(shù)：精度：0.1%F·S；工作溫度范圍：-20～+65℃；靈敏度：1～2 ±0.1mv/v

五、機(jī)械手的控制系統(tǒng)

對(duì)于機(jī)械手，我們采用單片機(jī)進(jìn)行控制。單片機(jī)具有集成度高、功能強(qiáng)、速度快、體積小、功耗低、使用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)在對(duì)價(jià)格和性能的考慮下，我們選擇了80C51系列的增強(qiáng)型單片機(jī)80C522單片機(jī)。

六、結(jié)論

1.采用電機(jī)和氣缸的混合傳動(dòng)，動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會(huì)因環(huán)境變化影響傳動(dòng)及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會(huì)污染環(huán)境。同時(shí)成本低廉。

2.機(jī)械手采用單片機(jī)進(jìn)行控制，有很高的安全性和可靠性，同時(shí)也很方便去改動(dòng)程序，是的機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。

作者簡介：門柯平，西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。

向順，西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。

史明天，西南交通大學(xué)信科學(xué)與技術(shù)學(xué)院。

鮮凌霄，西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院。