基于抓取圓柱形棒料的多關節型機械手結構研究

摘 要：針對裝配車間中傳統人工抓取與搬運圓柱形棒料所面臨的效率低下、勞動強度大、易出錯等問題，本研究設計了一種專門用于抓取圓柱形棒料的多關節型機械手裝置。該裝置實現了圓柱形棒料的自動化搬運與精準抓取，顯著提升了工作效率，并有效降低了搬運成本。裝置采用減速電機與諧波減速器的傳動方式，確保機械手的運動平穩且精準。對機械手的夾緊裝置、手臂抓取裝置、腕部結構及手爪進行了詳盡的設計與優化，使機械手結構緊湊、輕巧且高效。最后，利用SolidWorks進行了建模仿真與整體裝配設計，驗證了各部件之間的配合與運動關系，確保了機械手在實際應用中的可靠性和穩定性。

關鍵詞：多關節機械手 自動化抓取 Solidworks建模仿真

隨著工業4.0時代的到來，企業正面臨前所未有的提高生產效率的壓力。傳統制造業中，大量依賴人工的重復性勞動如物料搬運、焊接作業等，不僅效率低下，還占用了大量的人力資源。多關節型機械手不僅可以快速地提高工廠的生產力水平，還可以減少勞力資源和時間的損耗，大大提高了工業生產的效益。同時，對于工人無法涉及或條件受限制的領域，比如空間狹隘、溫度極端、雜物較多的地方，機械手能完成預定任務。本文通過分析機械手執行動作功能要求，確定了手臂結構、末端執行器結構以及驅動方式，設計了一種用于抓取圓柱形棒料的多關節型機械手。

1 機械手的整體結構設計

本文設計的多關節型機械手主要用于夾取小型圓柱形棒料的工件，質量在2kg以內，適用于輕至中等負荷的物料搬運和精密裝配作業。要求實現機械手在腰部的旋轉、大臂的升降與伸縮、小臂的升降、手爪的開合等功能，并與物料臺的自動送料相配合，在水平面能夠實現定點取物、定點放物的功能?？傮w設計要求如下：

（1）抓重：2kg。

（2）自由度數：4個自由度。

（3）坐標型式：垂直多關節型。

（4）手臂參數：大臂為480mm，小臂為532mm，回轉速度為6°/s。

（5）手指夾持范圍：70mm圓柱狀。

（6）驅動方式：電機驅動。

（7）控制方式：PLC（FX2n-系列）。

根據設計要求，所設計出的機械手總體三維結構如圖1所示。

整體結構設計設置了4個自由度，分別是：底座的旋轉，大臂的回轉，小臂的回轉，腕部的俯仰。

底座：采用了直流伺服電機與一級齒輪減速實現底座的旋轉360°旋轉。

大臂：采用伺服減速電機實現了大臂的±90°回轉。

小臂：采用伺服減速電機實現了小臂的±90°回轉。

腕部：采用伺服減速電機和齒輪組的結合機構實現了腕部的±90°回轉。

手爪：采用了氣缸，通過活塞和拉桿的運動來實現手爪的張開和閉合。

1.1 基座部分設計

基座部分由伺服電機、齒輪、軸、軸承、聯軸器等所組成。具體如圖2所示。

1.1.1 伺服電機

伺服電機選用選110S–CZK01直流寬調速伺服電機，額定功率：0.166kw，額定轉矩：1.05—17.6N.m，額定轉速1500r/min。

1.1.2 齒輪

考慮到傳遞功率不大，且對結構尺寸無嚴格要求，齒輪材料選用45鋼，齒輪為8級精度。小齒輪調質處理，小齒輪齒面硬度217～255HBS，大齒輪正火處理，齒面硬度162～217HBS；小齒輪齒數Z1=25，大齒輪Z2=125。

1.1.3 軸

軸的材料為45號鋼，經調質處理后表面硬度220～250HBW。具體尺寸如圖3所示。

1.2 臂部設計

手臂是機械手的重要部件，主要是輔助腕部還有手爪（包括抓取工件），并能與腕部一起在規定的范圍內運動。臂部包括小臂和大臂，采用伺服減速電機驅動實現回轉運動。如圖4所示。

大臂電機選用：安川SGMJV—04AH1減速電機，減速后額定轉速為10n/min，額定輸出扭矩為25N.m，減速比為1?60，減速后的轉速為10n/min。

小臂電機選用：安川SGMJV—A5AAH1減速電機，減速電機額定轉速為600n/min，效率n=80%。根據所需轉矩，選擇region-detail-titleXB3偏平式諧波減速器，機型為25，額定輸出扭矩為5.5N.m，減速比為1?60，減速后的轉速為10n/min。

1.3 腕部設計

由于腕部的電機裝在小臂上，考慮到整體的結構以及運動性能，選擇型號為80imagel50-C-Z-25G10減速電機。該減速電機機相關技術參數如下：額定轉矩為2.1N.m，減速比為1：75，減速后的額定轉速為20r/min。如圖5所示。

1.4 手爪設計

機器人的末端操作器是機器人直接用于抓取、握緊、吸附專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件，它能夠模仿人手的動作，是最重要的執行機構，安裝于機器人手臂的前端。

本設計選擇滑槽杠桿回轉型手爪，杠桿形手指4的一端裝有V形指5，另一端則開有長滑槽。驅動桿1上的圓柱銷2套在滑槽內，當驅動連桿和圓柱銷一起做往復運動時，即可撥動兩個手指各繞其支點（鉸銷3）作相對回轉運動從而實現手指的夾緊與松開動作?；鄹軛U式傳動機構的定心精度與滑槽的制造精度有密切的關系。因活動環節較多，配合間隙的影響不可忽視，此機構依靠驅動力鎖緊，機構本身無自鎖性能。滑槽式杠桿回轉型手部結構如圖6所示。

2 作品的創新點

（1）四自由度垂直關節設計：獨特的四自由度垂直關節結構，使機械手在垂直空間內具備高度的靈活性與廣泛的作業覆蓋能力，解決了傳統機械手在三維空間操作中的局限性。

（2）減速電機與諧波減速器結合：實現高效、穩定的傳動效果，提高整個傳動系統的效率。諧波減速器的高傳動精度和減速電機的高控制精度，實現傳動系統的精準定位和控制。

（3）結構緊湊：減速電機直接驅動肩關節以及肘關節，避免采用過多齒輪組，使得結構更加緊湊，簡潔，工作空間大，靈活性強，傳動效率大，有利于機器人的總體結構設計，有效地提高了機械手的性能。

3 項目的應用價值和轉化場景

（1）提升工業生產效率：通過優化垂直多關節型工業機械手的結構設計與控制系統，項目將顯著提升工業生產的自動化水平，提高生產效率，減少生產周期，為制造業企業帶來顯著的經濟效益。

（2）降低人力成本：高效的自動化生產將減少對人工的依賴，特別是在一些繁重、危險或高精度要求的作業環境中，機械手的應用可以大大降低人力成本，同時提高作業安全性。

（3）保障人員安全：在惡劣或高風險的工作環境中，如高溫、高壓、有毒有害等場所，機械手的應用可以有效保障人員安全，減少工傷事故的發生。

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