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1、［科技創(chuàng)新］ 搬運機械手設計 陳 夢雨 寧波大學陽明學院自 然科學類 4班 浙江 寧波 315211 ） 摘 要：本文討論了在實際應用中經(jīng)常使用到的幾種搬運機械手，并對它們的結構和設計進行了相關探討 ，總結了機械手設計 中常見的一些問題和 解決方案，并由此引申出相關 的討論， 進行了一些總結性的陳述。 關鍵詞： 機械手；搬運機 械手；機械手設計 1 引言 在通常的工業(yè)機器人系 統(tǒng)中， 機械手是起到 關鍵作用 的傳統(tǒng) 的任務執(zhí)行部件，也是機器人的 重要部件之一。在 物理結構上， 機械手包含了滑 竿。滾珠絲桿等器件構成；電氣方面 ，包含了直 流和交流電機、

2、變頻及傳感器等部件組成。這個 裝置是機電一體化的典型代表之一， 全方面 地覆 蓋了多種技術。本文中 提及的機械手，是通過傳 感器感應設備工作狀態(tài)，并經(jīng)過PLC輸出控制信 號，分別控制機械手在水平和垂直方向的位移， 并在適當?shù)臅r機夾持和放下，具體的控制時機由 傳感器進行感應和傳遞，從而實現(xiàn)在一定范圍內(nèi) 的物料移動。本文中 涉及的搬運機械手，可 以做 出靈活多變的動作，實現(xiàn)在一定的空間范圍 內(nèi)移 動和搬運物體，并且根據(jù)物料的變化和操作流程 的改動隨時更新自身 參數(shù)， 實現(xiàn)多 種用 途。 2 搬運機械手的結構 搬運機械手的作用通常是將物料從一個點搬 運到另一個點，根據(jù)實際生產(chǎn)的需要， 這個搬運 過

3、程可能會涉及到水平以及垂直的位移， 某些時 候還需要機械手可以進行轉動， 因此在不同 的生 產(chǎn)過程 中， 對機械手靈活性的要 求并不相同。除 了都會涉及到的夾持或者吸附操作之外， 其他的 操作也 可能會有變化。一般來說，搬運機械手是 通過螺旋機構和機械手夾持器來工作的。 2.1 螺旋 機構 螺旋機構的主要 作用，是 將電機或者內(nèi)燃機 的轉動轉變成直線上的 運動，同時傳遞動力。 依 照其性質(zhì) ，可以將 其分 類為 滾動螺旋和滑動螺旋 兩種常見的類型。依照其用途，可 以分為調(diào)整、 傳導和傳力這三種基本類型。無論是什么樣的螺 旋機構，都是由螺桿、螺母和機架組成。 螺旋機構的優(yōu)點在于結 構足夠簡

4、單， 制造和 維護都非常容易 ， 傳動平穩(wěn)，噪音低而且容易 自 鎖。 2.2 滑動螺旋 機構 通過滑動摩擦， 保持正常工作狀態(tài)的螺旋機 構， 就是滑動螺旋機構。這樣的螺旋機構通常采 用傳動性能比較好而且效率高的螺紋，常見的有 A.僅僅由螺母和螺桿組成的機構，在這樣的 情況下，螺母會 與機 架固定在一起， 螺桿是轉動 并且移動的部件。這樣的機構，主要 作用是傳遞 動力， 因此也被 稱為是 傳力機構。一 般來說這樣 的機構多半用在工時不長而且運作在較低速度下 的場合，通過小轉矩 產(chǎn)生 較大的 軸向力。 主要是螺母移動的機構，這樣的機構中， 螺 桿轉動會引發(fā)螺母的位移，主要 用于傳遞運動，

5、 因此也被稱為是 傳導機構。同時， 這也是本文中 所涉及的機械手采用的一種螺旋機構。對于機械 手而言，采用這樣的傳動形式有很大的好處， 其 剛性比較大，而 且傳動的結構形式緊湊，因此帶 來了更高的傳動精度和傳動效率。 2.3 滾動螺旋 機構 滾動螺旋機構的特 點是，在 螺旋副內(nèi)是滾動 摩擦 ， 通常是通過滾珠來實現(xiàn)， 也可以被稱為是 滾珠絲杠。這個機構的特征在于， 螺桿和螺母之 間增添了封閉的 循環(huán) 滾道，其中放置鋼球。當轉 動的時 候，鋼球會沿著滾道運動并且?guī)勇菽高M 行運動，由于這個過程 中， 滾動摩擦力小于滑動 摩擦力，因此可以帶來更少的損耗和更高的效率。 依照滾珠循環(huán)的不同方 式，

6、可以分為內(nèi)循環(huán)和外 循環(huán)兩種。 內(nèi)循環(huán)是指在 整個循環(huán)過程 中， 滾珠始終與 螺桿接觸。而其中有一 部分時間 滾珠脫離螺桿的， 則被稱為外循環(huán)。對于外循環(huán)螺母， 需要設置 一 個反相 器，讓滾珠能夠返回滾道的另一端完成循 環(huán)。 本文中， 機械 手的 橫向 運動采用了滾動螺旋 進行傳動，這樣的滾動螺旋由于有更小的摩擦阻 力， 從而實現(xiàn)了更高的靈敏度要求，同時其傳動 效率也做到了 90%以上，在實際使用中，通過宜 興的調(diào)整還可以消除間隙，進一 步提升傳動精度。 3 機械手夾持器和機座的結構 3.1 機 械 手 夾 持 器 一般而言，機械手的夾持器多為雙指手抓式， 依照夾持器的運動方式，可以

7、分為平移型和回轉 型。 其中后者又可以分為單支點和雙支點兩種類 型，而依照夾持方式，又可以分為外夾式和內(nèi)撐 夾持的 工件尺寸 和重心發(fā)生 改變 的時候，工件的 軸心很容易發(fā)生 偏移。而平移型夾持器則不會受 到這種問題的影響，可是 相對而言，其機械結構 就過于復雜，而且需要更大的體積，對制造工藝 的要求也比較高。因此，在設計夾持器的時候， 根據(jù)工件的具體要求，應當盡可能低采用結構更 加簡單的回轉型夾持器。 本文中所 設計的機械手，采用的就是一種 回 轉型夾持器。通過滾動螺旋機構進行 連接， 當電 機帶動連桿前行， 手抓時間就會產(chǎn) 生夾持動作。 而當后退的時候， 由于彈簧的拉力將手指松開， 完成

8、工件的放落動作。這樣的設計可以將摩擦力 控制 在較小的 范圍 內(nèi)，活動更加靈活而且結構也 非常簡單。 3.2 機座 對于機械手而言， 機座是重要而 且唯一的 支 撐部分， 這一部分應當可以承受機械手自身的全 部重量，還要額外負擔 工作載荷 。因此，機座在 設計的過程中應當注意到給予足夠的冗余強度 和 剛度，提供足夠的承載能力， 此外，機座還要求 比較大的安裝基面， 這樣才能保證機械手的平穩(wěn) 工作。本文中， 采用了普通軸承作為機座的支撐 原件，設計了機座的支撐機構，這種設計， 制造 簡單而且成本低廉， 安裝和調(diào)試都非常方便。 4 整體設計 方案 本文中所 探討的主要是 輕型的搬運機械手，

9、 并非占地面積很大的大型工程或是重工業(yè)用途的 機械手，主要的 目標是完成機械手的結構以及 液 壓系統(tǒng)的簡單設計， 因此在機械手的執(zhí)行和驅(qū)動 機構是本次的主要 目標。 常見的工業(yè)機械手，按照手臂的動作形態(tài)， 大致可以分為四種：①直角坐標型；②圓柱坐標 型；③球坐標型；④多關節(jié)型。第二種也就是圓 柱坐標型的占地面積較小， 結構簡單緊湊而且很 容易實現(xiàn)更高的定位精度，因此本設計中選用了 圓柱坐標型作為設計目標。 選定這個設計 目標后， 設計要求中需要機械 手具有四個自由度：手臂升降、回轉、手臂伸縮、 腕部轉動。 設計思路是圍繞這樣的需求，通過液 矩形、梯形和鋸齒形螺紋。 滑動螺旋機構有兩個主

10、要部件：螺桿和螺母， 依據(jù)該螺旋機構的構成以及運作方式，可以將其 分為 兩種。 式。 此外，不同的夾持器其驅(qū)動方式也不一樣， 依照驅(qū)動方式可以分為電動、液壓和氣動三種。 回轉型夾持器是一種 結構比較簡單的夾持 器， 但是通常只用來夾持固定不變的工件。 當所 壓或者滾動螺旋機構，進行四個自由度的動作 從而實現(xiàn)機械手功能。 5 各部件設計及整 合 5.1 手 部 結 構 2013 年 2 期（上） 081 ［科技創(chuàng)新］ 對于機械手而言，手部是至關重要的一 個部 分， 這個部分是 機械手實現(xiàn)其抓取動作的關鍵， 通過模仿人手的功能，抓取和我進 工件，或者通 過夾持工件，便于后 續(xù)

11、操作。這個部分一般被安 排在機械手手臂的前端。盡管 機械手的結構形式 其實并不像人手，而且也未必有人的手指形 狀， 甚至 沒有手掌，只能通過自身的運動包住握持物 體，但在實際生產(chǎn)中還是需要它 能夠?qū)崿F(xiàn)人手的 功能，因此需要結合 使用場合和工件的特性來設 計專用的手部結構，一 般來說，手部結構有鉗爪 式，氣吸式 ，電磁式和其他。本文中 采用的鉗爪 式，手部結構是由手指和傳力機構組成。傳力結 構有多種不同的設 計方 案，本文中 采取的滑槽杠 桿式。 在設計手部的時 候，有 幾個問題需要優(yōu)先考 慮，這樣才可以保證設計出的機械手能夠正常實 現(xiàn)其功能。 ① 保證足夠的夾持力 工件在實際的加工過程 中

12、， 不僅有本身的重 量，還會因為傳送帶所帶來的慣性 和震動導致脫 落，因此需要足夠的夾持力，保證不會因 為生產(chǎn) 過程中必然發(fā)生的 意外而導致工件脫落。 ② 手指間應有最小的開閉角 機械手手指張開與 閉合的兩個極限位置所夾 的角度，稱為機械手的開閉角。這個角度需要保 證工 件可以順利地進入和脫落，如果機械手需要 夾持多種尺寸工件，那么按照最大尺寸來進行設 計是 比較合 理的。 ③ 工件在整個過程中的精準定位 工件能夠保持最好的位置，與機械手手 部的 涉及也是息息相關的， 需要根據(jù)工件的形狀，選 擇相應的機械手手 部。例如，當工件的形狀類似 于圓柱體的時候，才用弧形或者V形的手部設計, 就

13、能夠方便地自動定心。 ④ 應具有足夠的強度和剛度 機械手的手部如果強度不足，很容易在搬運 的過程中發(fā)生彎曲變形甚至 折斷，此外， 還要考 慮到工件的影響進行 設計， 但盡量要求結構簡單 而且 自重小。 ⑤ 應考慮被抓取對象的要求 抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不 同， 都會影響到手部的形狀設計。假定工件重力 為98N ,移動速度為500毫米/秒，移動加速度為 1000毫米/秒 ，選擇120的 V 型鉗口，匹配當 前條件的夾緊力應為 49N。 5.2 腕部的結構 腕部在整個機械手中，起到了重要的鏈接和 支撐的作用。首先，腕部是連接手部與臂部的唯 一部件， 具有天然的支撐手部的作

14、用。在進行 腕 部設計時要注意以下幾 點： 結構簡單， 控制重 量。 靈活可靠， 良好的 密封性 。 需要注意的事，腕部決定了機械手的靈活性， 需要仔細檢查各個自由度，并且由 于這里是手部 和機械手臂部的連接點，包括管線也在這里布線， 因此管線的布置和潤滑/維修/調(diào)整，都是需要注意 的問題 ，設計中這些 問題不 僅要考慮到對自由度 的影響 ， 也要適應工 作環(huán) 境的需 求。 另外，如果手腕有油缸，那么 管道要盡量走 手臂內(nèi)部，這樣不僅保證了外觀的整齊劃一，而 且也保證了管路不會 扭轉和外露，減少意外損傷。 結構形式方面 ，本 次機械手設計采用了回轉 油缸來實現(xiàn)腕部的轉動，這樣的結構可以保

15、證緊 湊的結構和更小的體積，但是有密封性差的缺點。 這樣的涉及，可 以保證回轉角度達到115。 本文設計中， 腕部結構運用了定片和后蓋， 回轉缸體和前蓋的定位是用螺釘完成，而動片和 手部的夾緊缸體也是這樣連接，于底座結合成一 體。當回轉油缸兩側分別加入壓力油的時候， 驅(qū) 動動片轉動， 這樣就實現(xiàn)了手腕的回轉運 動。 依照之前設定條件，計算腕部的摩擦阻力矩 為2.50 (N.m);偏置力矩為1.96 ( N ? m);慣 性力矩為1.3 ( N ? m)考慮到實際中的情況， 取值可以偏大，取力矩為6.9 (N ? m) o 5.3 臂部的結構 在機械手的所有 結構中， 臂部是完成位移的

16、主要 執(zhí)行部分， 此外還起到了支撐手部和腕部的 作用 o 機械手的手臂可以將被抓取的工件運送到 指定的位置上， 因此機械手的手臂一般需要三個 自由度：手臂伸縮、回轉和升降。其中后兩者是 通過立柱實現(xiàn)， 立柱的橫向移動就是手臂的橫向 移動。 一般情況下， 手臂上多種的 驅(qū)動和傳動機構 實現(xiàn)了手臂的運動， 因此這些 機構不僅需要推動 工件的運動，也要承擔推動手臂、 手腕和機械手 手部的運動。機械手的工作性能直接受到了手臂 的結構、靈活性和工作范圍的影響，因此需要根 據(jù)設計所需的抓取重量和運動方式、參考自由度、 運動速度和精度要求來設計手臂。同時，手臂的 涉及過程 中還必須要綜合考慮到手臂的受力和

17、一 系列管線的布局，因此是一項難度較大的工作。 通常來說，設計手臂需要注意以下因素 o ① 保證手 臂的剛度 臂部在運動中 承擔較大的力， 因此剛度不夠 的材料可能產(chǎn)生變形。通過合理的選材和結構設 計，可以有效地保證變形范圍可控。一般來說， 弓字形截面彎曲剛度比圓截面大; 空心管的彎曲 剛度和扭曲剛度都超過實心軸。通常，選擇鋼管 作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 ② 良好的導向性 手臂在直線移動中，可 能會產(chǎn)生沿運動軸線 的相對運動，為了 避免這種情況， 或設置導向裝 置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。 ③ 偏重力矩要小 偏重力矩指的是 臂部的重量， 對其回轉軸所 產(chǎn)生的靜

18、力矩。要提高機械少的運轉效率，就要 盡量減少臂部的重量，這樣就可以減少 手臂對回 轉軸的轉動慣量。 ④ 能 夠 平 穩(wěn) 運 動 ，精 確定 位 一般來說， 臂部的動量越大， 也就是運動速 度越快，本身質(zhì)量越大， 那么就會因 為慣性而引 起更大的沖擊，導致運動的不平穩(wěn)和降低精度。 因此緊湊的結構和較輕的重量，加上一些緩沖措 施是非常有必要的。 5.3.1 手臂直線運動機構 機械手的直線運 動包括 伸縮、 升降和橫向位 移。這些運動的實現(xiàn)形式是多種多樣的，常用的 有絲桿螺母機構、氣缸、 油壓機構以及活塞缸和 連桿機構，各自的適用條件也都不盡相同。 5.3.2手臂伸縮運動 通過活塞油缸實

19、現(xiàn)手臂的伸縮運動。活塞油 缸采用液壓驅(qū)動，體積小， 重量輕，許多機械手 設計中都采用了它。適用這樣的設計，可以保證 受力條件簡單， 結構緊湊，因此傳動非常平穩(wěn)而 且外形更加整齊。這樣的設計適用于抓重大行程 長的工作環(huán)境。 經(jīng)過計算，臂部伸縮驅(qū)動力為192N，升降驅(qū) 動力為1238N，回轉驅(qū)動力矩為150.8(N ? m)。 6 總 結 機械手應用于 生產(chǎn)已經(jīng)有 幾十年的歷史， 從 誕生以來，有許多優(yōu)秀的機械手設計。本文參照 了這些設 計，對過往幾十年中， 出現(xiàn)過的多種形 式的機械手設計進行了一 定的總結和闡述， 并概 括性地說明了機械手設計過程中常見的一些問題 和需要注意的事 項， 對于

20、初 學者而言應當是具有 一定的參考價值。在本文的寫作過程中，參考了 許多機械手設計方面的經(jīng)典書籍， 借鑒了其中的 一些觀點，也加入了自己一些不夠成熟的理解。 通過這些年代不同 的典籍之間的 對比，能夠明顯 看出在這幾十年中， 該領域的進 步和變化， 尤其 是近年來新技術的應用， 讓這個原本已經(jīng)被研究 較為透徹的領域，煥發(fā)了新的生機。 參考文獻： ［1］ 劉明保，呂春紅等.機械手的組成 機構及 技 術 指 標 的 確 定 .河 南 高 等 專 科學 校學 報.2004.1.1. ［2］ 李超.氣動通 用上下料機械手的研究與 開發(fā).陜西科技 大學.2003. ［3］ 陸祥生， 楊繡蓮.機械手.中國鐵道出版 社.1985.1. ［4］ 張建民.工業(yè)機械人.北京：北京理工大學 出版 社.1992. ［5］ 史國生 .機械手步進控制 中的應用.中國 工控信 息網(wǎng).2005.1. ［6］ 李允文.工業(yè) 機械手設計 .機械工業(yè) 出版 社.1996.4. 082 2013年 2 期（上） 搬運機械手設計 [B 碼18無鈦鏈搖 作者： 陳夢雨 作者單位： 寧波大學陽明學院自然科學類班浙江寧波315211 刊名： 魅力中國 英文刊名： Charming China 年，卷(勒： 2013(4) 本文鏈接：