基于十字軸式萬向軸的機械手設計

陳安琪 賈仕銘 何崢緯 尹文鋒

摘 要：自動機械手可用于工件的搬運、裝卸，機器零部件的組裝，在生產中已經得到廣泛應用，但在特定工作環境下仍需要對機械手進行人工控制。傳統的自動機械手的抓取手采取推桿式結構，無法滿足大力矩輸出要求。本文設計了一種采用步進電機與傳感器相配合的萬向軸式機械手。該機械手對傳統推桿結構進行了改進，縮短了力矩，減小了力的損耗，從而增大了輸出力矩，同時增設步進電機與傳感器，便于調節角度，以滿足不同工作環境的需求。

關鍵詞：十字軸;機械手;步進電機;傳感器

中圖分類號：TH133.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）28-0050-03

Design of Manipulator Based on Cross Universal Shaft

CHEN Anqi JIA Shiming HE Zhengwei YIN Wenfeng

（Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500）

Abstract： Automatic manipulator can be used for the handling and loading of workpieces， the assembly of machine parts， which has been widely used in the production， but it still needs to be controlled manually under the specific working environment. The traditional grab of automatic manipulator adopts push rod structure， which can not meet the requirement of large torque output. In this paper， a kind of universal shaft manipulator was designed， which used stepping motor and sensor. The manipulator improves the traditional push rod structure， shortens the torque， reduces the loss of force， and increases the output torque. At the same time， a stepping motor and a sensor were added to facilitate the adjustment of the angle， so as to meet the needs of different working environments.

Keywords： cross shaft manipulator;stepping motor;sensor

1 問題提出

傳統自動機械手在生產流水線上已被廣泛應用，但在特定工作環境下仍需人為控制機械手的運轉。而通過操作機械手，能完成高強度、危險、腐蝕性的工作，減輕人類勞動強度，減少勞動危險。但傳統機械手上的抓取手都采用固定運轉模式，無法適應特殊工作環境，且有大量的調整程序，耗費人力與時間。因此，急需對現有的結構進行改進，提高控制靈活度與響應速度。

2 解決方案

考慮到傳統機械手的運轉存在角度調節固定、無法根據特有環境調整的缺點，本文設計了一款新的機械手設置。該裝置主要包括操作桿、傳感器、控制器和步進電機[1]。操作桿采用相對位移量給出機械手的運動量;傳感器檢測操作桿的位移量，并將信號傳給控制器;控制器對信號進行處理，對步進電機發出控制指令，使電機協調轉動，并驅動機械手完成抓放及搬運動作。步進電機的旋轉是以固定角度一步一步運行的，可以達到準確定位的目的;同時，可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。操作桿未采用普通旋轉鉸鏈的連接方式，而是采用三個十字軸式萬向軸，使操作更加靈活。

在操作機構中，集合機械臂三個主要運轉自由度的控制于一個操作桿上，人為手動控制操作桿完成機械手的運轉。電機使用步進電機并且配合單片機編程，通過傳感器監測角度與位移關系，模擬人手抓取物料的運動方式。采用三爪式抓取手縮短了力矩，減小了力的損耗，從而增大了輸出力矩，更好地配合整個機械臂的運行[2]。

3 機械手的結構

3.1 整體結構

本設計方案提供一種十字萬向軸的機械手。在底板前端開設多個定位孔以固定操作系統。使用螺柱與螺桿緊固件連接底板和操作系統多個十字萬向軸的底座和第一轉軸軸套。底板定位孔與工作臺螺紋孔對齊后，可將整套系統固定在工作臺上，滿足工作所需的機械手穩定性、牢固性[3]。機械手結構具體如圖1所示。

3.2 操作部分

機械手的操作部分如圖2所示，外圍設置四個萬向軸底座，中間有單一萬向軸底座。外圍的萬向軸底座與萬向軸塞桿連接，中間的萬向軸底座與搖桿連接。塞桿插入萬向軸連桿，兩部件間可相對滑動。萬向軸連接是典型的球鉸，所以搖桿可以在空間內運動。隨搖桿的運動，塞桿會在連桿里面滑動。塞桿與連桿間有距離傳感器，距離傳感器把連桿與塞桿的相對位置轉化為信號傳遞給中央處理系統進行計算，計算機根據信號就可以知道搖桿的運動狀態。通過算法編程，計算機將這些信號傳遞給電機，這樣電機就在搖桿控制下運轉。人手負責操作搖桿，這樣操作系統就像一個遙控器一樣，精確地將手的運動狀態表現在機械臂運動上。操作手系統有兩個如圖2所示的搖桿系統，兩只手分別控制。系統總共有5個電機，分別對應5個自由度，一個搖桿系統控制2個自由度，而另一個搖桿系統控制3個自由度。左手控制機械臂主臂底座的轉動和主臂的擺動，右手控制小臂的擺動和爪頭的搖動。由于右手的搖桿上多加了一個開關直接控制第五電機的啟停，所以5個自由度完全得到控制。

3.3 傳動部分

運轉系統如圖3所示。機械臂的每個電機都是采用步進電機，這能使系統的操作更加精確穩定。第一電機連接有電機主齒輪，主齒輪與底座上的大齒輪嚙合，負責帶動主臂底座轉動。主臂底座轉動帶動整個機械臂在空間做水平旋轉運動。第二電機上的主齒輪以同樣的方式與主臂上的主臂主齒輪嚙合，電機的轉動帶動主臂在豎直平面內做旋轉運動。同樣的設計理念，主臂與小臂用第三電機間接鉸接，小臂與爪頭之間是第四電機。第一到第四電機與系統的傳動是通過輪系將電機的扭矩傳遞給機械臂。爪子的運動是螺桿與滑塊帶動的，電機的轉動轉化為滑塊相對爪頭的滑動。第五電機的傳動是通過螺桿到滑塊，再由滑塊通過連爪子連桿傳遞給爪子[4]。

3.4 手爪部分

手爪部分如圖4所示。爪子鉸接在爪頭上，同時也與爪子連桿鉸接。滑塊相對固定在爪頭的滑道里面，可相對直線滑動。連桿在中間連接并傳遞扭矩[5]。滑塊的滑動來源于螺桿，螺桿與第五電機軸固定連接，電機的轉動直接轉化為螺桿的轉動。通過這樣的連接，電機的轉動扭矩轉化為了爪子的搖擺扭矩，可以對一定重量的物品施加壓力，從而夾取物品[6]。

3.5 控制部分

采用西門子單片機對搖桿的運動信號進行計算，通過塞桿和連桿之間的距離變化計算出搖桿在空間的位置。然后通過制定好的程序將信號放大，傳遞給各個電機，通過控制電機的旋轉角度完成對機械手的控制[7]。

4 結語

本文所設計的自動機械手彌補了傳統機械手的缺陷，用單個操作桿配合步進電機開關啟停完成整個操作過程。同時，步進電機的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的，更便于調節機械手的運動行程。

參考文獻：

[1]楊翠麗，陳思.六軸機械手設計[J].山東工業技術，2018（23）：29.

[2]楊可楨.機械設計基礎[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3]濮良貴.機械設計[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.

[4]吳宗澤.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[5]蔣平.工程力學基礎（Ⅱ）：材料力學[M].北京：高等教育出版社，2009.

[6]毛昕，黃英，肖平央，等.畫法幾何及機械制圖[M].北京：高等教育出版社，2010.

[7]成大先.機械設計圖冊[M].北京：化學工業出版社，2000.