搬运机械手设计

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1、科技创新 2013 年 2 期（上） 081 搬运机械手设计 陈梦雨 （宁波大学阳明学院自然科学类 4 班 浙江 宁波 315211） 摘 要：本文讨论了在实际应用中经常使用到的几种搬运机械手，并对它们的结构和设计进行了相关探讨，总结了机械手设计中常见的一些问题和 解决方案，并由此引申出相关的讨论，进行了一些总结性的陈述。 关键词：机械手；搬运机械手；机械手设计 1 引言 在通常的工业机器人系统中，机械手是起到关键作用的传统的任务执行部件，也是机器人的重要部件之一。在物理结构上，机械手包含了滑竿。滚珠丝杆等器件构成；电气方面，包含了直流和交流电机、变频及传感器等部件组成。这个装置是机电一体化的

2、典型代表之一，全方面地覆盖了多种技术。本文中提及的机械手，是通过传感器感应设备工作状态，并经过 PLC 输出控制信号，分别控制机械手在水平和垂直方向的位移，并在适当的时机夹持和放下，具体的控制时机由传感器进行感应和传递，从而实现在一定范围内的物料移动。本文中涉及的搬运机械手，可以做出灵活多变的动作，实现在一定的空间范围内移动和搬运物体，并且根据物料的变化和操作流程的改动随时更新自身参数，实现多种用途。 2 搬运机械手的结构 搬运机械手的作用通常是将物料从一个点搬运到另一个点，根据实际生产的需要，这个搬运过程可能会涉及到水平以及垂直的位移，某些时候还需要机械手可以进行转动，因此在不同的生产过程中

3、，对机械手灵活性的要求并不相同。除了都会涉及到的夹持或者吸附操作之外，其他的操作也可能会有变化。一般来说，搬运机械手是通过螺旋机构和机械手夹持器来工作的。 2.1 螺旋机构 螺旋机构的主要作用，是将电机或者内燃机的转动转变成直线上的运动，同时传递动力。依照其性质，可以将其分类为滚动螺旋和滑动螺旋两种常见的类型。依照其用途，可以分为调整、传导和传力这三种基本类型。无论是什么样的螺旋机构，都是由螺杆、螺母和机架组成。 螺旋机构的优点在于结构足够简单，制造和维护都非常容易，传动平稳，噪音低而且容易自锁。 2.2 滑动螺旋机构 通过滑动摩擦，保持正常工作状态的螺旋机构，就是滑动螺旋机构。这样的螺旋机构

4、通常采用传动性能比较好而且效率高的螺纹，常见的有矩形、梯形和锯齿形螺纹。 滑动螺旋机构有两个主要部件： 螺杆和螺母，依据该螺旋机构的构成以及运作方式，可以将其分为两种。 A.仅仅由螺母和螺杆组成的机构，在这样的情况下，螺母会与机架固定在一起，螺杆是转动并且移动的部件。这样的机构，主要作用是传递动力，因此也被称为是传力机构。一般来说这样的机构多半用在工时不长而且运作在较低速度下的场合，通过小转矩产生较大的轴向力。 主要是螺母移动的机构，这样的机构中，螺杆转动会引发螺母的位移，主要用于传递运动，因此也被称为是传导机构。同时，这也是本文中所涉及的机械手采用的一种螺旋机构。对于机械手而言，采用这样的传

5、动形式有很大的好处，其刚性比较大，而且传动的结构形式紧凑，因此带来了更高的传动精度和传动效率。 2.3 滚动螺旋机构 滚动螺旋机构的特点是，在螺旋副内是滚动摩擦，通常是通过滚珠来实现，也可以被称为是滚珠丝杠。这个机构的特征在于，螺杆和螺母之间增添了封闭的循环滚道，其中放置钢球。当转动的时候，钢球会沿着滚道运动并且带动螺母进行运动，由于这个过程中，滚动摩擦力小于滑动摩擦力， 因此可以带来更少的损耗和更高的效率。依照滚珠循环的不同方式，可以分为内循环和外循环两种。 内循环是指在整个循环过程中，滚珠始终与螺杆接触。 而其中有一部分时间滚珠脱离螺杆的，则被称为外循环。对于外循环螺母，需要设置一个反相器

6、，让滚珠能够返回滚道的另一端完成循环。 本文中，机械手的横向运动采用了滚动螺旋进行传动，这样的滚动螺旋由于有更小的摩擦阻力，从而实现了更高的灵敏度要求，同时其传动效率也做到了 90%以上，在实际使用中，通过宜兴的调整还可以消除间隙， 进一步提升传动精度。 3 机械手夹持器和机座的结构 3.1 机械手夹持器 一般而言， 机械手的夹持器多为双指手抓式，依照夹持器的运动方式，可以分为平移型和回转型。其中后者又可以分为单支点和双支点两种类型，而依照夹持方式，又可以分为外夹式和内撑式。此外，不同的夹持器其驱动方式也不一样，依照驱动方式可以分为电动、液压和气动三种。 回转型夹持器是一种结构比较简单的夹持器

7、，但是通常只用来夹持固定不变的工件。当所夹持的工件尺寸和重心发生改变的时候，工件的轴心很容易发生偏移。而平移型夹持器则不会受到这种问题的影响，可是相对而言，其机械结构就过于复杂，而且需要更大的体积，对制造工艺的要求也比较高。因此，在设计夹持器的时候，根据工件的具体要求，应当尽可能低采用结构更加简单的回转型夹持器。 本文中所设计的机械手，采用的就是一种回转型夹持器。通过滚动螺旋机构进行连接，当电机带动连杆前行，手抓时间就会产生夹持动作。而当后退的时候，由于弹簧的拉力将手指松开，完成工件的放落动作。这样的设计可以将摩擦力控制在较小的范围内，活动更加灵活而且结构也非常简单。 3.2 机座 对于机械手

8、而言，机座是重要而且唯一的支撑部分，这一部分应当可以承受机械手自身的全部重量，还要额外负担工作载荷。因此，机座在设计的过程中应当注意到给予足够的冗余强度和刚度，提供足够的承载能力，此外，机座还要求比较大的安装基面，这样才能保证机械手的平稳工作。本文中，采用了普通轴承作为机座的支撑原件，设计了机座的支撑机构，这种设计，制造简单而且成本低廉，安装和调试都非常方便。 4 整体设计方案 本文中所探讨的主要是轻型的搬运机械手，并非占地面积很大的大型工程或是重工业用途的机械手，主要的目标是完成机械手的结构以及液压系统的简单设计，因此在机械手的执行和驱动机构是本次的主要目标。 常见的工业机械手，按照手臂的动

9、作形态，大致可以分为四种：直角坐标型；圆柱坐标型；球坐标型；多关节型。第二种也就是圆柱坐标型的占地面积较小，结构简单紧凑而且很容易实现更高的定位精度，因此本设计中选用了圆柱坐标型作为设计目标。 选定这个设计目标后，设计要求中需要机械手具有四个自由度：手臂升降、回转、手臂伸缩、腕部转动。设计思路是围绕这样的需求，通过液压或者滚动螺旋机构，进行四个自由度的动作，从而实现机械手功能。 5 各部件设计及整合 5.1 手部结构 科技创新 2013 年 2 期（上） 082 对于机械手而言，手部是至关重要的一个部分，这个部分是机械手实现其抓取动作的关键，通过模仿人手的功能，抓取和我进工件，或者通过夹持工件

10、，便于后续操作。这个部分一般被安排在机械手手臂的前端。尽管机械手的结构形式其实并不像人手，而且也未必有人的手指形状，甚至没有手掌，只能通过自身的运动包住握持物体，但在实际生产中还是需要它能够实现人手的功能，因此需要结合使用场合和工件的特性来设计专用的手部结构，一般来说，手部结构有钳爪式，气吸式，电磁式和其他。本文中采用的钳爪式，手部结构是由手指和传力机构组成。传力结构有多种不同的设计方案，本文中采取的滑槽杠杆式。 在设计手部的时候，有几个问题需要优先考虑，这样才可以保证设计出的机械手能够正常实现其功能。 保证足够的夹持力 工件在实际的加工过程中，不仅有本身的重量，还会因为传送带所带来的惯性和震

11、动导致脱落，因此需要足够的夹持力，保证不会因为生产过程中必然发生的意外而导致工件脱落。 手指间应有最小的开闭角 机械手手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度，称为机械手的开闭角。这个角度需要保证工件可以顺利地进入和脱落，如果机械手需要夹持多种尺寸工件，那么按照最大尺寸来进行设计是比较合理的。 工件在整个过程中的精准定位 工件能够保持最好的位置，与机械手手部的涉及也是息息相关的，需要根据工件的形状，选择相应的机械手手部。例如，当工件的形状类似于圆柱体的时候， 才用弧形或者 V形的手部设计，就能够方便地自动定心。 应具有足够的强度和刚度 机械手的手部如果强度不足，很容易在搬运的过程中发生弯曲变形甚

12、至折断，此外，还要考虑到工件的影响进行设计，但尽量要求结构简单而且自重小。 应考虑被抓取对象的要求 抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，都会影响到手部的形状设计。假定工件重力为 98N，移动速度为500 毫米/秒，移动加速度为1000 毫米/秒2 ，选择120的 V型钳口，匹配当前条件的夹紧力应为 49N。 5.2 腕部的结构 腕部在整个机械手中，起到了重要的链接和支撑的作用。首先，腕部是连接手部与臂部的唯一部件，具有天然的支撑手部的作用。在进行腕部设计时要注意以下几点： 结构简单，控制重量。 灵活可靠，良好的密封性。 需要注意的事， 腕部决定了机械手的灵活性，需要仔细检查各个自由度，并

13、且由于这里是手部和机械手臂部的连接点， 包括管线也在这里布线，因此管线的布置和润滑/维修/调整， 都是需要注意的问题，设计中这些问题不仅要考虑到对自由度的影响，也要适应工作环境的需求。 另外，如果手腕有油缸，那么管道要尽量走手臂内部，这样不仅保证了外观的整齐划一，而且也保证了管路不会扭转和外露， 减少意外损伤。 结构形式方面，本次机械手设计采用了回转油缸来实现腕部的转动，这样的结构可以保证紧凑的结构和更小的体积， 但是有密封性差的缺点。这样的涉及，可以保证回转角度达到115。 本文设计中，腕部结构运用了定片和后盖，回转缸体和前盖的定位是用螺钉完成，而动片和手部的夹紧缸体也是这样连接，于底座结合

14、成一体。当回转油缸两侧分别加入压力油的时候，驱动动片转动，这样就实现了手腕的回转运动。 依照之前设定条件，计算腕部的摩擦阻力矩为 2.50（N.m） ；偏置力矩为 1.96 （Nm） ；惯性力矩为 1.3（Nm） 。考虑到实际中的情况，取值可以偏大，取力矩为 6.9（Nm） 。 5.3 臂部的结构 在机械手的所有结构中，臂部是完成位移的主要执行部分，此外还起到了支撑手部和腕部的作用。机械手的手臂可以将被抓取的工件运送到指定的位置上，因此机械手的手臂一般需要三个自由度：手臂伸缩、回转和升降。其中后两者是通过立柱实现，立柱的横向移动就是手臂的横向移动。 一般情况下，手臂上多种的驱动和传动机构实现了

15、手臂的运动，因此这些机构不仅需要推动工件的运动，也要承担推动手臂、手腕和机械手手部的运动。机械手的工作性能直接受到了手臂的结构、灵活性和工作范围的影响，因此需要根据设计所需的抓取重量和运动方式、 参考自由度、运动速度和精度要求来设计手臂。同时，手臂的涉及过程中还必须要综合考虑到手臂的受力和一系列管线的布局，因此是一项难度较大的工作。通常来说，设计手臂需要注意以下因素。 保证手臂的刚度 臂部在运动中承担较大的力，因此刚度不够的材料可能产生变形。通过合理的选材和结构设计，可以有效地保证变形范围可控。一般来说，弓字形截面弯曲刚度比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都超过实心轴。通常，选择钢管作臂杆

16、及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。 良好的导向性 手臂在直线移动中，可能会产生沿运动轴线的相对运动，为了避免这种情况，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。 偏重力矩要小 偏重力矩指的是臂部的重量，对其回转轴所产生的静力矩。要提高机械少的运转效率，就要尽量减少臂部的重量，这样就可以减少手臂对回转轴的转动惯量。 能够平稳运动，精确定位 一般来说，臂部的动量越大，也就是运动速度越快，本身质量越大，那么就会因为惯性而引起更大的冲击，导致运动的不平稳和降低精度。因此紧凑的结构和较轻的重量，加上一些缓冲措施是非常有必要的。 5.3.1 手臂直线运动机构 机械手的直线运动包括伸缩、升降和横向位移。这些运动的实现形式是多种多样的，常用的有丝杆螺母机构、气缸、油压机构以及活塞缸和连杆机构，各自的适用条件也都不尽相同。 5.3.2 手臂伸缩运动 通过活塞油缸实现手臂的伸缩运动。活塞油缸采用液压驱动，体积小，重量轻，许多机械手设计中都采用了它。适用这样的设计，可以保证受力条件简单，结构紧凑，因此传动非常平稳而且外形更加整