多自由度機械手設計

劉有志 霍洪升 朱桂霖

摘?要：隨著當前我國現代工業生產力和自動化技術水平的進一步提高，工業現場依舊普遍存在許多有關處理易燃、易爆炸物品的高危作業項目和重體力的工作職位，因此多自由度機械手的研發迫在眉睫，本文設計的多自由度機械手主要包括了機械手部結構、操縱器機械結構與自動控制機械系統，通過PLC來控制電機的旋轉與液壓缸的伸縮與舒張從而進行物料的夾緊與放松。

關鍵詞：機械手;PLC;液壓

引言

現如今世界各國的機器人市場競爭很激烈，我國要在這個激烈的國際競爭中立于不敗之地，就必然需要擁有屬于我國自己的機器人技術，未來全球高科技市場的競爭更重要的必然是機器人人才的競爭。機械手因可以模仿人手和手臂的一些基本動作，按照一個固定的運動程序表來對特定物體進行精確捕捉和自動抓取。它不僅僅可用來代替工人的日常生產管理勞動，也可以在有害的工作環境下有效保護操作人員的人身安全，因而被廣泛地應用推廣到了工業機械制造、電子、原子能等各個部門。

1.機械手結構的總體設計

本文所設計的多自由度機械手，采用電動機帶動底座旋轉來實現總體的旋轉，并且電機的齒輪盤與底座的齒輪盤直接咬合，齒數比為傳動比，起到了降速増扭的作用并且去掉了單獨的減速器。通過液壓缸的伸縮來實現機械手的升降與伸縮，手爪結構采用了蝸輪蝸桿連接，通過蝸桿旋轉來帶動渦輪的旋轉從而實現機械手爪的張合與夾緊。因此可以實現30Kg目標抓取工作，通過圓柱座標可以實現三個自由度、回轉范圍在0到180°和加持角60°的工作狀態。

1.1手部和臂部設計

1.1.1手部設計

機械手的作用手部工作是最重要的機械操縱手和執行機械部件，是專門的人用來負責操縱和執行握持各個機械工件，本文采用機械夾持型手部結構圖如1.2所示，可以實現手抓張合角60°，夾取重量為30Kg的工件，通過夾緊力公式，其中式中：式中：——安全系數，通常1.2～2.0（本文取1.5）;

——工作情況系數（其中a是重力在改方向的最大上升加速度?本文的根據最大速度和響應時間確定出，a速度為0.2），——方位系數，根據手指與工件位置不同進行選擇（本文選擇0.5）。

1.1.2臂部設計

本文所設計的手臂的動作應包括3個動作：伸縮，旋轉和抬起，所以手臂必須保持具有3個自由度，這樣才可以滿足一個基本的要求，即伸縮臂和左右回復旋轉及舉升等運動故本文采用的是雙軸液壓活塞結構，而本文采用的手臂驅動力是液壓驅動，為保證手臂的工作要求，選擇了雙作用導軌伸縮機構。液壓缸采用雙作用液壓缸。液壓驅動力是驅動臂部運動的關鍵，其影響驅動力F因素包括克服的摩擦力和慣性和回轉力等，綜合考慮后通過公式：得出1807N。

1.2電機的選擇

步進電機是驅動機身旋轉并驅動動臂提升，其安裝在肋骨上，根據上升速度V=100mm/s，P=1.1KW，所以選擇大于n=1000轉/分的電機。所以選擇屬于籠型異步電動機的Y90S-4電動機。

1.3液壓驅動系統設計

機械手臂工作腔室的運轉速度及其工作腔室依靠油的流量及壓力決定。因此，只要通過控制油輪的流量和壓力，就已經可以實現了控制各個機械手臂動臂組織的運行速度及其操作能力。液壓通常是在5- 140kg / cm 之間的值，并且動臂內部最大力矩也可以達到160公斤左右其液壓圖如圖1所示：

2 控制系統設計

本次設計的機械手采用的為s7-200小型可編程程序控制器，并采用西門子PLC進行I/O分配編程，通過手臂伺服放大器將上位機信號中轉給伺服閥與伸縮缸并且進行了反饋控制。

3 結論

本文所設計的多自由度機械手可以實現夾持角為60°并將工作半徑為180重量為30kg左右的工件從一條生產線上搬運到另外一條生產線的工作過程，設計安全可靠，可以實現物料的搬運。

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