物料抓取機械手設計及運動仿真

閆敬民 柳靚南 李榮 王雪 何盛斌

[摘 要] 機械手是物流自動分揀系統中不可或缺的組成部件，為提高機械手抓取物品的靈活性及抓取能力，基于欠驅動機構，設計物流抓取機械手，該機械手具有結構簡單、性能可靠、輸出力大。通過調整機械手3根手指其相對位置，且能主動適應被抓取物件的形狀。根據被抓去物體需求，對該手抓各零部件進行了設計，并針對其抓取狀態下進行了靜力學分析。在此基礎上對于機械手抓取過程進行了運動仿真，結果表明，該機械手設計合理可靠，可實現物流分揀過程中貨物的抓取。

[關鍵詞] 機械手；運動仿真；結構設計

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 19. 032

[中圖分類號] F273 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）19- 0075- 03

0 前 言

近些年隨著不斷推進產業轉型及升級，“中國制造 2025”提出以及“一帶一路”的實施，為了降低成本以及提高效率，工業機器人的研究及制造成為當前最大的研究熱點[1-3]。世界機器人聯合會（IFR）數據顯示，預計到2020年，中國將成為全球規模最大的機器人市場。就物流行業來說，巨大的用人成本、較低的工作效率與精度，對于具有自動化、智能化的物流機器人的研究更加迫切，尤其在危險、有毒、單調、繁重的物流作業環節和場合，更能凸現機器人的優勢[4-6]。

1 機械手總體結構設計

隨著電子商務的不斷發展，商品的外包裝不再是單一的箱體類，而是越來越多樣化，而物流活動中無論是搬運、分揀、出入庫等，都涉及對其進行抓取，目前物流行業中的這些不規則貨品的作業還是以人工為主。為此，設計了一種抓取不規則物品的機械手。該機械抓手能執行不同形狀尺寸物料的抓取，共有12個自由度，由3根手指、手掌、轉動機構、底座幾個部分組成（如圖1所示），三根手指通過3個傳動連接件和滾珠絲杠與驅動器相連。伺服電機負責手指相對位置的調整，驅動器負責手指的抓放。

以其中一根手指為例，對其進行工作原理分析。手指最下端的連桿b1與驅動裝裝置連接，動力由此輸入。連桿b1，c1，a1和手指關節1組成一個四連桿機構，在外力F的作用下，該機構將繞指關節1同手掌連接點轉動，當指關節1運動到和被抓去物體接觸時，便停止運動，而連桿c1繼續帶動連桿a1進行運動，連桿a1作為指關節1和指關節2之間的連接件，在外力的繼續作用下將繼續轉動，連桿c1，a2，c2及指關節2又形成一個四連桿機構，該四連桿機構將繞指關節1和指關節2的連接點轉動，當轉動到指關節2同物體接觸時，指關節2停止運動，連桿a2帶動指關節3轉動繞指關節2和指關節3連接點轉動，從而實現機械手對物體的包絡抓取。

該機械手有兩種抓取方式，分別是包絡抓取和精準抓取，前者是通過欠驅動機構進行抓取，后者通過手指指面夾取。該機械手驅動方式采用電機驅動，機構簡潔高效，結構緊湊，維護方便。機械抓手的三個手指中，一個手指始終固定不動，另外兩個手指在相向或相背轉動60°后，可使得機械手在三根向心的狀態與固定手指和可轉動手指指面相對且平行的狀態之間相互轉換。轉動機構由兩個齒輪副組成，每一個齒輪副由一個直齒圓柱齒輪和固定在可轉動指座上的齒輪組合而成，安裝在手掌結構的上空腔內，通過安裝在下空腔內的兩個伺服電機驅動，從而改變兩個可動手指的位置，如上圖所示所示。

2 手指參數確定

手指參數根據要抓取物體尺寸范圍確定。為簡化計算，該機械手指參數確定過程中，忽略了一些次要因素，把未知參數歸結為兩個手指的抓取動作主要是由桿件ai和桿件ci的長度決定（如圖2所示，i=1，2）。

為了盡可能地在滿足抓取需求的前提下盡量縮小機械手的尺寸，各桿件長度應該盡可能短。手指的位置是以120度均勻的分布在半徑為35 mm的圓上（如圖1中所示），因而得到投影圖2（根據抓取范圍按比例所畫，為手指完成力量抓取最大和最穩定的位置）。根據設計需求，機械手的初始尺寸選取如下：

考慮到本文所設計機械手的最大抓取物其直徑是100 mm的設計需求，預設各個指節厚度為12 mm，并結合圖2利用圖解法對平面四桿機構進行設計，量取l=47.5，m=39，n=28。

因此對于圖中的尺寸，對其進行取整，即L=48 mm，M=40 mm，N=30 mm。根據公式Ri=ai/ci，對于ai、bi、ci、ωi取a1=30 mm，a2=30 mm，Ri=2 mm，ω1=30°，ω2=100°。因而可推出：c1=a1/R1=30/2=15 mm，c2=a2/R2=30/2=15 mm，根據圖解法設計四桿機構，取b1=46 mm，b2=43 mm。

3 機械手運動仿真

本文所設計的機械手，其指尖最大輸出力為49 N，即上述F3為49 N，則驅動力Fs為158 N。為分析設計是否合理，利用Adams軟件進行機械手抓取的運動仿真，仿真分析中驅動力為158 N，每個手指指尖彈簧的彈性系數K為2 N/mm，分析時間t=30 s，幀頻為10，凸輪分離系數取0.01。因為最后成型的手指指面會附著一層橡皮層，所以取靜摩擦系數為0.9，取動摩擦系數為0.6。先把細桿固定在手指相對居中的位置，分析的目的是看機械手的運動過程是否符合設計要求。

手指各個關節在抓取細桿時受到的連接反作用力曲線如圖3所示。從圖中可看到指尖受到的連接反作用力為一平滑曲線，逐漸增大直到達到最大值，即當t=0.021 6 s時，指尖受到最大連接反作用力為23.004 6 N是平滑曲線，并且它們都是首先快速下降再平緩上升。綜上所述，機械手在抓取細桿狀物體時，手指的反作用力符合設計預期。

4 結 語

針對物流活動中對形狀復雜、種類繁多、規格尺寸不一貨物特點，設計了一種貨物抓取柔性機械手，機械手指采用欠驅動結構，具有結構緊湊，重量輕，控制簡化，抓取可靠的特點。根據被抓取物品的特點，該機械手具有精確抓取和包絡抓取兩種工作方式，因此在結構設計的過程中，其中有兩根手指可在手掌中做轉動。根據被抓取貨物尺寸等要求，對手指的結構設計和參數確定，在此基礎上并應用Adams軟件對手指進行了運動仿真，仿真結果表明手指在外力作用下抓取運動的達到預期效果。

主要參考文獻

[1]熊強，章軍，陳春華，等. 柔性快遞包裝盒的分揀機械手結構設計[J]. 機械設計與制造，2014，10（10）：69-72.

[2]張朋輝，趙連玉，陳煒.機械手抓設計仿真[J]. 天津理工大學學報， 2016，32（2）：1-4.

[3]許超，鄭艷龍.六自由度機械手結構及運動仿真研究[J]. 遼寧大學學報，2016，43（4）：331-334.

[4]張海華. 排爆機器人機械手結構設計[J]. 機床與液壓，2017，45（9）： 32-41.

[5]韓澤光，韓煜，郝瑞琴，等. 節能型仿真機械手驅動機構設計[J].機械設計，2016，33（12）：52-56.

[6]馬翔宇，楊武成，李阿為.仿生機械靈巧手的手指設計[J].2017，31（11）：117-121.