科技創(chuàng)新搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計陳 夢雨寧波大學(xué)陽明學(xué)院自 然科學(xué)類 4班 浙江 寧波 315211 ）摘 要：本文討論了在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常使用到的幾種搬運(yùn)機(jī)械手，并對它們的結(jié)構(gòu)和設(shè)計進(jìn)行了相關(guān)探討 ，總結(jié)了機(jī)械手設(shè)計 中常見的一些問題和 解決方案，并由此引申出相關(guān) 的討論， 進(jìn)行了一些總結(jié)性的陳述。關(guān)鍵詞： 機(jī)械手；搬運(yùn)機(jī) 械手；機(jī)械手設(shè)計1 引言在通常的工業(yè)機(jī)器人系 統(tǒng)中， 機(jī)械手是起到 關(guān)鍵作用 的傳統(tǒng) 的任務(wù)執(zhí)行部件，也是機(jī)器人的 重要部件之一。在 物理結(jié)構(gòu)上， 機(jī)械手包含了滑 竿。滾珠絲桿等器件構(gòu)成；電氣方面 ，包含了直 流和交流電機(jī)、變頻及傳感器等部件組成。這個 裝置是機(jī)電一體化的典型代表之一， 全方面 地覆 蓋了多種技術(shù)。本文中 提及的機(jī)械手，是通過傳 感器感應(yīng)設(shè)備工作狀態(tài)，并經(jīng)過PLC輸出控制信 號，分別控制機(jī)械手在水平和垂直方向的位移， 并在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)夾持和放下，具體的控制時機(jī)由 傳感器進(jìn)行感應(yīng)和傳遞，從而實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi) 的物料移動。本文中 涉及的搬運(yùn)機(jī)械手，可 以做 出靈活多變的動作，實(shí)現(xiàn)在一定的空間范圍 內(nèi)移 動和搬運(yùn)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(shí)現(xiàn)多 種用 途。2 搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 搬運(yùn)機(jī)械手的作用通常是將物料從一個點(diǎn)搬 運(yùn)到另一個點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要， 這個搬運(yùn) 過程可能會涉及到水平以及垂直的位移， 某些時 候還需要機(jī)械手可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動， 因此在不同 的生 產(chǎn)過程 中， 對機(jī)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(yùn)機(jī)械手是 通過螺旋機(jī)構(gòu)和機(jī)械手夾持器來工作的。2.1 螺旋 機(jī)構(gòu)螺旋機(jī)構(gòu)的主要 作用，是 將電機(jī)或者內(nèi)燃機(jī) 的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變成直線上的 運(yùn)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(dǎo)和傳力這三種基本類型。無論是什么樣的螺 旋機(jī)構(gòu)，都是由螺桿、螺母和機(jī)架組成。螺旋機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié) 構(gòu)足夠簡單， 制造和 維護(hù)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(jī)構(gòu)通過滑動摩擦， 保持正常工作狀態(tài)的螺旋機(jī) 構(gòu)， 就是滑動螺旋機(jī)構(gòu)。這樣的螺旋機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)，在這樣的 情況下，螺母會 與機(jī) 架固定在一起， 螺桿是轉(zhuǎn)動 并且移動的部件。這樣的機(jī)構(gòu)，主要 作用是傳遞 動力， 因此也被 稱為是 傳力機(jī)構(gòu)。一 般來說這樣 的機(jī)構(gòu)多半用在工時不長而且運(yùn)作在較低速度下 的場合，通過小轉(zhuǎn)矩 產(chǎn)生 較大的 軸向力。主要是螺母移動的機(jī)構(gòu)，這樣的機(jī)構(gòu)中， 螺 桿轉(zhuǎn)動會引發(fā)螺母的位移，主要 用于傳遞運(yùn)動， 因此也被稱為是 傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)。同時， 這也是本文中 所涉及的機(jī)械手采用的一種螺旋機(jī)構(gòu)。對于機(jī)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(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)滾動螺旋機(jī)構(gòu)的特 點(diǎn)是，在 螺旋副內(nèi)是滾動 摩擦 ， 通常是通過滾珠來實(shí)現(xiàn)， 也可以被稱為是 滾珠絲杠。這個機(jī)構(gòu)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(dāng)轉(zhuǎn) 動的時 候，鋼球會沿著滾道運(yùn)動并且?guī)勇菽高M(jìn) 行運(yùn)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，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(shè)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(jī)械 手的 橫向 運(yùn)動采用了滾動螺旋 進(jìn)行傳動，這樣的滾動螺旋由于有更小的摩擦阻 力， 從而實(shí)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(shí)際使用中，通過宜 興的調(diào)整還可以消除間隙，進(jìn)一 步提升傳動精度。3 機(jī)械手夾持器和機(jī)座的結(jié)構(gòu)3.1 機(jī) 械 手 夾 持 器 一般而言，機(jī)械手的夾持器多為雙指手抓式， 依照夾持器的運(yùn)動方式，可以分為平移型和回轉(zhuǎn) 型。 其中后者又可以分為單支點(diǎn)和雙支點(diǎn)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(jī)械結(jié)構(gòu) 就過于復(fù)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(shè)計夾持器的時候， 根據(jù)工件的具體要求，應(yīng)當(dāng)盡可能低采用結(jié)構(gòu)更 加簡單的回轉(zhuǎn)型夾持器。本文中所 設(shè)計的機(jī)械手，采用的就是一種 回 轉(zhuǎn)型夾持器。通過滾動螺旋機(jī)構(gòu)進(jìn)行 連接， 當(dāng)電 機(jī)帶動連桿前行， 手抓時間就會產(chǎn) 生夾持動作。 而當(dāng)后退的時候， 由于彈簧的拉力將手指松開， 完成工件的放落動作。這樣的設(shè)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(jié)構(gòu)也 非常簡單。3.2 機(jī)座對于機(jī)械手而言， 機(jī)座是重要而 且唯一的 支 撐部分， 這一部分應(yīng)當(dāng)可以承受機(jī)械手自身的全 部重量，還要額外負(fù)擔(dān) 工作載荷 。因此，機(jī)座在 設(shè)計的過程中應(yīng)當(dāng)注意到給予足夠的冗余強(qiáng)度 和 剛度，提供足夠的承載能力， 此外，機(jī)座還要求 比較大的安裝基面， 這樣才能保證機(jī)械手的平穩(wěn) 工作。本文中， 采用了普通軸承作為機(jī)座的支撐 原件，設(shè)計了機(jī)座的支撐機(jī)構(gòu)，這種設(shè)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(shè)計 方案本文中所 探討的主要是 輕型的搬運(yùn)機(jī)械手， 并非占地面積很大的大型工程或是重工業(yè)用途的 機(jī)械手，主要的 目標(biāo)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)以及 液 壓系統(tǒng)的簡單設(shè)計， 因此在機(jī)械手的執(zhí)行和驅(qū)動 機(jī)構(gòu)是本次的主要 目標(biāo)。常見的工業(yè)機(jī)械手，按照手臂的動作形態(tài)， 大致可以分為四種：直角坐標(biāo)型；圓柱坐標(biāo) 型；球坐標(biāo)型；多關(guān)節(jié)型。第二種也就是圓 柱坐標(biāo)型的占地面積較小， 結(jié)構(gòu)簡單緊湊而且很 容易實(shí)現(xiàn)更高的定位精度，因此本設(shè)計中選用了 圓柱坐標(biāo)型作為設(shè)計目標(biāo)。選定這個設(shè)計 目標(biāo)后， 設(shè)計要求中需要機(jī)械 手具有四個自由度：手臂升降、回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、 腕部轉(zhuǎn)動。 設(shè)計思路是圍繞這樣的需求，通過液矩形、梯形和鋸齒形螺紋?；瑒勇菪龣C(jī)構(gòu)有兩個主要部件：螺桿和螺母， 依據(jù)該螺旋機(jī)構(gòu)的構(gòu)成以及運(yùn)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(zhuǎn)型夾持器是一種 結(jié)構(gòu)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(dāng)所 壓或者滾動螺旋機(jī)構(gòu)，進(jìn)行四個自由度的動作 從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手功能。5 各部件設(shè)計及整 合5.1 手 部 結(jié) 構(gòu)2013 年 2 期（上） 081科技創(chuàng)新對于機(jī)械手而言，手部是至關(guān)重要的一 個部 分， 這個部分是 機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其抓取動作的關(guān)鍵， 通過模仿人手的功能，抓取和我進(jìn) 工件，或者通 過夾持工件，便于后 續(xù)操作。這個部分一般被安 排在機(jī)械手手臂的前端。盡管 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式 其實(shí)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(yùn)動包住握持物 體，但在實(shí)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(jié)合 使用場合和工件的特性來設(shè) 計專用的手部結(jié)構(gòu)，一 般來說，手部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。傳力結(jié) 構(gòu)有多種不同的設(shè) 計方 案，本文中 采取的滑槽杠 桿式。在設(shè)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(shè)計出的機(jī)械手能夠正常實(shí) 現(xiàn)其功能。 保證足夠的夾持力 工件在實(shí)際的加工過程 中， 不僅有本身的重 量，還會因?yàn)閭魉蛶鶐淼膽T性 和震動導(dǎo)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(dǎo)致工件脫落。 手指間應(yīng)有最小的開閉角機(jī)械手手指張開與 閉合的兩個極限位置所夾 的角度，稱為機(jī)械手的開閉角。這個角度需要保 證工 件可以順利地進(jìn)入和脫落，如果機(jī)械手需要 夾持多種尺寸工件，那么按照最大尺寸來進(jìn)行設(shè) 計是 比較合 理的。 工件在整個過程中的精準(zhǔn)定位工件能夠保持最好的位置，與機(jī)械手手 部的 涉及也是息息相關(guān)的， 需要根據(jù)工件的形狀，選 擇相應(yīng)的機(jī)械手手 部。例如，當(dāng)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(shè)計, 就能夠方便地自動定心。 應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 機(jī)械手的手部如果強(qiáng)度不足，很容易在搬運(yùn)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(jìn)行 設(shè)計， 但盡量要求結(jié)構(gòu)簡單 而且 自重小。 應(yīng)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(shè)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(dāng) 前條件的夾緊力應(yīng)為 49N。5.2 腕部的結(jié)構(gòu)腕部在整個機(jī)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用。在進(jìn)行 腕 部設(shè)計時要注意以下幾 點(diǎn)：結(jié)構(gòu)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(jī)械手的靈活性， 需要仔細(xì)檢查各個自由度，并且由 于這里是手部 和機(jī)械手臂部的連接點(diǎn)，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(shè)計中這些 問題不 僅要考慮到對自由度 的影響 ， 也要適應(yīng)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(zhuǎn)和外露，減少意外損傷。結(jié)構(gòu)形式方面 ，本 次機(jī)械手設(shè)計采用了回轉(zhuǎn) 油缸來實(shí)現(xiàn)腕部的轉(zhuǎn)動，這樣的結(jié)構(gòu)可以保證緊 湊的結(jié)構(gòu)和更小的體積，但是有密封性差的缺點(diǎn)。 這樣的涉及，可 以保證回轉(zhuǎn)角度達(dá)到115。本文設(shè)計中， 腕部結(jié)構(gòu)運(yùn)用了定片和后蓋， 回轉(zhuǎn)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(jié)合成一 體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸兩側(cè)分別加入壓力油的時候， 驅(qū) 動動片轉(zhuǎn)動， 這樣就實(shí)現(xiàn)了手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn) 動。依照之前設(shè)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(shí)際中的情況， 取值可以偏大，取力矩為6.9 (N m) o5.3 臂部的結(jié)構(gòu)在機(jī)械手的所有 結(jié)構(gòu)中， 臂部是完成位移的 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(jī)械手的手臂可以將被抓取的工件運(yùn)送到 指定的位置上， 因此機(jī)械手的手臂一般需要三個 自由度：手臂伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。其中后兩者是 通過立柱實(shí)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(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)了手臂的運(yùn)動， 因此這些 機(jī)構(gòu)不僅需要推動 工件的運(yùn)動，也要承擔(dān)推動手臂、 手腕和機(jī)械手 手部的運(yùn)動。機(jī)械手的工作性能直接受到了手臂 的結(jié)構(gòu)、靈活性和工作范圍的影響，因此需要根 據(jù)設(shè)計所需的抓取重量和運(yùn)動方式、參考自由度、 運(yùn)動速度和精度要求來設(shè)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一 系列管線的布局，因此是一項(xiàng)難度較大的工作。 通常來說，設(shè)計手臂需要注意以下因素 o 保證手 臂的剛度臂部在運(yùn)動中 承擔(dān)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(jié)構(gòu)設(shè) 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(shí)心軸。通常，選擇鋼管 作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 良好的導(dǎo)向性手臂在直線移動中，可 能會產(chǎn)生沿運(yùn)動軸線 的相對運(yùn)動，為了 避免這種情況， 或設(shè)置導(dǎo)向裝 置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。 偏重力矩要小偏重力矩指的是 臂部的重量， 對其回轉(zhuǎn)軸所 產(chǎn)生的靜力矩。要提高機(jī)械少的運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。 能 夠 平 穩(wěn) 運(yùn) 動 ，精 確定 位一般來說， 臂部的動量越大， 也就是運(yùn)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(dǎo)致運(yùn)動的不平穩(wěn)和降低精度。 因此緊湊的結(jié)構(gòu)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(yùn)動機(jī)構(gòu)機(jī)械手的直線運(yùn) 動包括 伸縮、 升降和橫向位 移。這些運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)形式是多種多樣的，常用的 有絲桿螺母機(jī)構(gòu)、氣缸、 油壓機(jī)構(gòu)以及活塞缸和 連桿機(jī)構(gòu)，各自的適用條件也都不盡相同。5.3.2手臂伸縮運(yùn)動通過活塞油缸實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動?；钊?缸采用液壓驅(qū)動，體積小， 重量輕，許多機(jī)械手 設(shè)計中都采用了它。適用這樣的設(shè)計，可以保證 受力條件簡單， 結(jié)構(gòu)緊湊，因此傳動非常平穩(wěn)而 且外形更加整齊。這樣的設(shè)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(zhuǎn)驅(qū)動力矩為150.8(N m)。6 總 結(jié)機(jī)械手應(yīng)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(jī)械手設(shè)計。本文參照 了這些設(shè) 計，對過往幾十年中， 出現(xiàn)過的多種形 式的機(jī)械手設(shè)計進(jìn)行了一 定的總結(jié)和闡述， 并概 括性地說明了機(jī)械手設(shè)計過程中常見的一些問題 和需要注意的事 項(xiàng)， 對于初 學(xué)者而言應(yīng)當(dāng)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(jī)械手設(shè)計方面的經(jīng)典書籍， 借鑒了其中的 一些觀點(diǎn)，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(lǐng)域的進(jìn) 步和變化， 尤其 是近年來新技術(shù)的應(yīng)用， 讓這個原本已經(jīng)被研究 較為透徹的領(lǐng)域，煥發(fā)了新的生機(jī)。參考文獻(xiàn)：1劉明保，呂春紅等.機(jī)械手的組成 機(jī)構(gòu)及 技 術(shù) 指 標(biāo) 的 確 定 .河 南 高 等 專 科學(xué) 校學(xué) 報.2004.1.1.2李超.氣動通 用上下料機(jī)械手的研究與 開發(fā).陜西科技 大學(xué).2003.3陸祥生， 楊繡蓮.機(jī)械手.中國鐵道出版 社.1985.1.4張建民.工業(yè)機(jī)械人.北京：北京理工大學(xué) 出版 社.1992.5史國生 .機(jī)械手步進(jìn)控制 中的應(yīng)用.中國 工控信 息網(wǎng).2005.1.6李允文.工業(yè) 機(jī)械手設(shè)計 .機(jī)械工業(yè) 出版 社.1996.4.0822013年 2 期（上）搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計B碼18無鈦鏈搖作者：陳夢雨作者單位：寧波大學(xué)陽明學(xué)院自然科學(xué)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：