物料搬運機械手結構設計試驗*

郜 敏,杜正昱

(1.山西能源學院，山西 晉中 030604; 2.北京信息科技大學，北京 100089)

0 引 言

機械手是一種模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物料等的自動操作裝置，其特點是可通過編程來完成各種預期的作業。

之前，大多數企業采用人工進行物料搬運，生產效率低、成本高。隨著機械手的發展，采用機械手進行物料搬運逐漸成為主流，大大提高了生產效率。

機械手分為以下幾類：笛卡爾種類機械手、節點類機械手、旋轉機械手、球形機械手和斯卡拉機械手。

機械手由執行機構、驅動機構和控制機構組成。機械手由手部、手腕和立柱組成。機械手的手部作為模仿人類手的構件，可張開與握緊，有很強的靈活性以及可調性。機械手的手臂是手部的承擔者，能夠在較大空間范圍內大幅擺動。立柱是安裝手臂、動力元件、回轉件以及連接的支柱。

筆者的目標是設計一種能夠代替人類進行物料搬運的機械手。主要研究機械手的執行機構，其包括手部、手臂以及立柱等。手臂具有很強的靈活性以及可調性。立柱主體是安裝手臂、動力元件、回轉件以及連接的支柱。該機械手具有結構質量輕、占地面積小、抗疲勞能力強等優點。此外，該機械手具有高靈活性，特別適合在一些生產條件相對較差、噪聲強、以及工作單調重復的場合。

1 物料搬運機械手結構設計

機械手主要有四種驅動方式：液壓驅動、氣壓驅動、電磁驅動以及機械驅動。本課題設計的機械手擬采用氣壓驅動方式。氣動機械手有3個自由度，可以實現上下運動、旋轉運動以及手部夾緊與放松等，因此采用圓柱坐標形式。

機械手的主要參數如下：

(1) 主參數：該機械手最多能抓取1 kg的物料[1]。

(2)Vmax=1 m/s，ωmax= 120°/s，Vm=0.5 m/s，ωm=45°/s。

(3)Rmax=600 mm，手臂升降H=300 mm。

(4) 定位精度為±0.5 mm。

1.1 機械手手部結構設計

機械手手部的設計直接影響抓取效率，機械手的手部主要由手指、傳力裝置以及驅動裝置構成，須根據所抓取的物料的形狀、材質、大小、重量來確定其具體尺寸。

夾持誤差是指以手指的某一點為基準點到物件被抓取表面上的某個基準點的距離變化的最大偏差量。該偏差量越小，抓取精度越高，夾持誤差越小；反之，如果該偏差量越大，抓取精度越低，而夾持誤差越大[1]。夾持誤差是手指抓取技能的重要指標之一，所以是設計時考慮的重點問題。

此課題采用單支點回轉型手指，此類手指的簡圖如圖1所示。

圖1 單支點回轉型手指簡圖

如圖1所示，L為手指長度，即固定點A到V型槽螺栓孔頂點的直線距離；2θ為V型槽夾角；β為偏轉角，即手指所在直線與V型槽角平分線之間的夾角；R為物料半徑；假設物料中心位置與連接塊中心A的距離是x。在△ABC中,由余弦定理得：

而由直角△BCD得：

將式簡化后得：

化簡后的式子是一個雙曲線方程，分析可得：

R0=Lsinθcosβ

此時減號后面等號左面這一部分為0，這個時候可以求出滿足條件的x的最小值。

x0=Lsinβ

當夾持誤差為0的時候，有以下兩種情況：第一種是僅夾持某一種固定尺寸的物料時，可使夾持誤差為零；另一種情況是夾持兩種固定尺寸的物料，只要手指尺寸設計合理，也可使得夾持誤差為0(圖1中C1和C2重疊)。在本課題中，由于毛坯制造等誤差，物料的半徑不可能只為這兩個值，所以總有夾持誤差存在。

通過給定的手指長度L、V型槽夾角及偏轉角β以后，根據一定的計算即可求出距離x與半徑R之間的關系。設L=120 mm，2θ=120°，β=54°44′，根據公式畫出x與R的關系曲線如圖2。

圖2 物件圓心到支點距離x與半徑R的關系曲線

該曲線坐標點(R0,X0)對應手指夾持空間位置為∠ACB=90°。根據雙曲線特點，對應R0附近的曲線變化率較小，故在R=R0附近對應的夾持誤差最小。當根據給定的夾持工件的半徑范圍R=R1～R2來確定手指各有關尺寸時，若R0取為夾持物料的平均半徑，則對應的夾持誤差最小。此時，在一定條件下，即當V型槽夾角及手指長度給定時，則有：

式中：

夾持誤差的表達式為：

Δx=xmax-x0Δx1

Δx=xmax-x0Δx1

取Δxmax=max(Δx1，Δx2)

若不考慮計算誤差，則夾持誤差只計算上式兩者之一即可。上述計算稱為對稱曲線段設計的最小夾持誤差原則。顯然，對于各種不同尺寸的機械手手指，其相應的最小夾持誤差是不同的，增大θ、β有利于進一步減小夾持誤差。

對于一定的V型槽手指，當L/R0較大時，由于按對稱曲線段設計對應的實際夾持空間范圍相對于R0并非對稱，小于R0的允許夾持范圍比大于R0的允許夾持范圍要小，因此，有時可按非對稱曲線段設計，此時有：

鑒于上述分析，只考慮前者，故：

若R0?R1

然而，這一情形基本可以忽略。此外，對于一定的機械手，能夾持工件的允許尺寸范圍是一定的，不難求得最大夾持尺寸為：

Rmax=Lsin(θ+φ)

Rmin=Lsin(θ-φ)

如果所要求夾持工件直徑范圍較大，設計出的機械手雖然滿足精度要求，但有可能超出允許的夾持尺寸范圍，不能可靠夾持。例如，當2θ=140°、L=1.8R0時，若R2>>3R1,就會超出允許范圍。

由上述分析可見，對于一定的工件尺寸變化范圍，夾持誤差取決于手指尺寸大小及工件尺寸相對R0對稱變化或非對稱變化。根據雙曲線特點，L、θ、β越大，則對應的夾持誤差越小。設計出的手指也可用于夾持其它不同尺寸變化范圍的工件，只是對應的夾持誤差不同。但因手指的最大夾持尺寸范圍是一定的，故而確定手指尺寸還應檢驗夾持是否超限，并考慮手指之間的干涉問題[2]。尤其是當工件尺寸很小、L取值相對較小時更是如此。

可以證明，手指不發生干涉的條件為：

在手部具體結構尺寸設計中，須按照所要抓取的物料的直徑進行計算。根據物料半徑的變化范圍確定各部分尺寸。依照上述分析根據物料半徑可確定手指長度LAB及偏轉角的大小，再根據誤差的大小合理選取手指長度以及偏轉角。

手指的主要參數:L為手指長度；β為偏轉角，規定△x<<1 mm。

本課題研究的物料半徑應為固定值，但由于存在加工誤差，導致每件物料半徑均有所偏差。按規定誤差在±10 mm以內，故物料的半徑應在40～60 mm，可得：

(1) 求β的表達式

取θ=60°，求得β為：

由于物料半徑范圍在曲線圖中是同一高度，且忽略計算產生的誤差，所以在兩端點(即最大半徑物料與最小半徑物料)處誤差相等。即有:最大誤差Δxmax的表達式：

Δxmax=Δx1=x2

由上式可得：

依照規定手部夾持誤差最大為1 mm，由上述可得L≥87.31。

為了進一步減少夾持誤差，可采用增加手指長度的方法，但此方法存在很大的弊端。因為手指增大，整體結構也要相應的變大，從而直接影響后續內容的設計。因此手指的長度不能選擇過長，要在恰當合理的范圍內進行選擇。考慮整體機械手結構布局以及裝配合理性。取L=90 mm，此時，有：

Δxmax=0.95<1 mm

當手指長度L=90 mm，β=50.10°時，有:

根據上式計算結果可知實際夾持誤差在合理控制范圍之內，因此初選的手部各主要尺寸是合理的。此方案可行。

(2) 滑槽尺寸的確定

本課題中手部的動作采用滑槽式，結構如圖3所示，O點由連接塊固定不動。當夾緊氣缸施加驅動力P時，由于O點不動，使得驅動桿對手部的作用力只能作用在滑槽上。因此兩手指在P1與P2的作用下向里收合，從而起到夾緊物料的作用。當氣缸回縮時，手指做反方向運動，松開物料。這種運動方式的原理為杠桿定理。該系統中杠桿的阻力臂總是大于其動力臂，即c/b<1。雖然該系統傳力比較小，但其具有相對較大的開閉范圍，因此應用十分廣泛。

如圖3所示，E為圓柱銷所在處。要保證抓取物品半徑在40～60 mm之內時手部有足夠的的開閉角，需保證滑槽足夠長，使得物料無論多大機械手都有一定的開閉范圍抓取物料。當抓取R0=50 mm物料時圓柱銷的位置在整個滑槽的1/4處，且靠近左端點[3]。

OE=AO-AE=59.41-14.85=44.56 mm

圖3 滑槽式手部結構

當抓取R1=60 mm的物料時，結構尺寸如圖4所示。

圖4 抓取物料時結構尺寸圖

所以圓柱銷沿OA方向移動長度:

EE1=OE-OE1=44.56-43.34=1.22 mm

在計算半徑在40～50之間的物料時，其沿OA移動的距離與上式相接近。計算過程類似，所以取其長度同樣為1.22 mm。為保證結構尺寸合理性，取滑槽總長度取為20 mm。

1.2 機械手手腕設計

機械手手腕是機械手中重要的部分，起乘上啟下的作用，是整體結構連接的橋梁。機械手的手腕需保證足夠的靈活性，連接緊密；選擇合理的材料，有足夠的剛強度要求；需合理考慮工況，力求穩定持久。

機械手手腕回轉設計重要的一點是要考慮回轉時需要多大的力矩來驅動缸體回轉，即轉動時所需驅動力矩。原則上是要根據回轉件要克服多大的阻力來確定的。根據分析可得，回轉時會產生兩種力矩，一種是在轉動時，只要該物體有質量，其就會有轉動慣量的產生。相應的會產生慣性力矩，另一種是在回轉時回轉件一定會與外部設備例如手臂或者是手部產生摩擦。此外氣缸內部各部分也會有摩擦產生。因此再設計時也要對其進行考慮。

1.3 機械手手臂設計

機械手的手臂是整個機械手除升降立柱外第二大執行部分，其主要作用是帶動手腕和手部在空間范圍內轉動，從而實現物料從某地到另一個地方的遷移，其運動性能的好壞直接影響到整體機械手的性能以及精度[4]。影響機械手手臂性能的因素主要包括：剛度、精度、平穩性。

2 應用效果

機械手是人類為了能夠減緩勞動強度以及解放雙手而發明的一種能夠自動連續操作的裝置。本課題通過對機械手手部、手腕、手臂以及立柱等方面進行設計實現物料搬運，節約人力以及提高機械手在流水生產線上的效率。在手部設計過程中，通過引用夾持誤差的概念來設計出具體手部的類型、手指長度以及最佳偏轉角的大小。然后在由此設計出滑槽長度。夾緊氣缸等具體相關參數。在手腕結構設計中，利用所需的驅動力矩大小來對手腕回轉氣缸的具體尺寸進行了設計。在手臂計算過程中，通過剛度、強度、抗拉強度以及結構尺寸等方面的限制來約束出手臂的最優尺寸。從而最大化的減輕機械手的質量。立柱方面，設計了升降立柱的具體尺寸以及對立柱導套的長度做了相應的計算。

根據機械手的結構設計，用PRO/E軟件畫出整體機械手的裝配圖，如圖5所示。

圖5 機械手總裝示意圖

此研究課題主要實現簡單的手臂上下以及旋轉、手腕回轉以及手指夾緊與放松，對機械手的設計并不全面，僅能適用于小型的物料搬運場合，在一些大型場合本機械手就會出現很多缺陷。

3 結 語

主要對物料搬運機械手的手部、手腕、手臂以及立柱等方面進行設計。針對機械手手部結構，通過夾持誤差設計手部的類型、手指長度以及最佳偏轉角，在此基礎上設計滑槽長度、夾緊氣缸等相關參數。針對機械手手腕結構，利用所需驅動力矩確定手腕回轉氣缸的相關參數。針對機械手手臂結構，通過剛度、強度、抗拉強度以及結構尺寸等方面的限制來確定手臂的最優尺寸，針對機械手立柱，確定升降立柱的相關尺寸以及立柱導套的長度。本課題設計的機械手能夠實現代替人類進行物料搬運，提高效率，使我們的生活向更智能化方向發展。