機械手的精確抓取與控制

本文通過了解近年來機械手技術研究和發展狀況的基礎上設計了一種可以對目標物體進行穩定抓取的小型化、輕量化機械手系統。本文通過研究從整體上先對機械手的重要特點和結構進行了分析，設計了一種3自由度的機械手，在此基礎上用三維建模軟件Soild Works進行建模并利用該軟件的二次開發進行了仿真。整個系統通過傳感器對信號的采集，通過事先設計好的信號調理電路，以單片機為控制單元，通過電機和氣缸驅動模塊來控制系統運行，這一切步驟都通過程序來實現。

一、機械手的系統工作原理

機械手的工作原理：機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及壓力檢測裝置等所組成。在程序控制的條件下，采用氣壓傳動與電機傳動的混合傳動方式，來實現執行機構的相應部位發生規定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號。壓力檢測裝置隨時將機械手反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執行機構以一定的精度達到設定位置.

二、機械手的整體設計方案

為了使機械手的設計簡便，機械手的手部采用了夾持型的設計，它是連桿機構在氣缸的帶動下繞其回轉中心旋轉來帶動手指的開閉的，優點是動作靈敏，結構 設計簡單，適應性強，精度高，一定的承載能力等特點。

1. 機械手的手臂結構方案設計。按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和降（或俯仰）運動。對于手臂的升降，我們在考慮到平穩性和安全性以及升降的準確性之后，決定利用絲杠進行傳動。同時考慮到手臂的轉動以及回轉體的特性，我們在立柱底下安裝一臺小型步進電機，步進電機來完成機械手的回轉運動，手臂的橫移通過氣缸來實現。

2. 機械手的驅動方案設計。我們選擇了電機驅動和氣壓傳動，目前步進電機的最小轉角完全能實現1.8°/s，的最小轉角。而且步進電機的成本不高，進一步增加了機械手的通用性。氣動系統的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此也是比較合理的傳動方式。

3. 機械手的控制方案設計?？紤]到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用單片機對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變程序即可實現，非常方便快捷。

4. 機械手的主要技術參數

一、機械手的最大抓重是其規格的主參數，由于是采用氣壓方式驅動，因此考慮抓取的物體不應該太重

二、基本參數運動速度是機械手主要的基本參數，影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度

三、手部結構設計

1. 夾持式手部結構

1.1手指的形狀和設計

夾持式是最常見的一種，本文采用兩指式夾取。

1.2手部夾緊氣壓缸的設計

（1）手部驅動力計算。假設夾起質量最大為1KG的工件，在1s內水平勻速直線運動0.3m，設兩手指原始間隔40mm當手指間隔為20mm時觸碰工件并夾緊，夾持點距轉軸的力臂大約為800mm.

假設綜合摩擦系數為u=0.15，由G=mg得G=9.8N，又G=2uF可得F=32.67N （F為手指對工件的家夾持力）

則夾持距為：M=F·S=32.67x0.8=26.13N·m

（2）確定氣缸內徑。根據豎直臂的工作載荷以及初選的工作壓力，缸徑D可以利用下述的公式計算出，當活塞桿收縮克服載荷做功時：

其中：D為氣缸的內徑（m）；F1為作用于氣缸活塞上的推力（N）；P為初選的工作壓力（Pa）；n為總機械效率（當氣缸動態性能要求和工作頻率較高時，n=0.3一0.5.

（3）水平伸縮氣缸內徑的計算。對于氣缸伸縮運動，利用流體的知識，v=Q/s，Q為流體流量，S為底面積，暫定v=0.05m/s，s=2πr2=2×π0.012=6.28×10-4m2，

所以Q=VS=

氣缸收縮時所承受的外力F 20N，水平伸縮的行程為30mm，伸出或縮回的時間為0.5s.

取d/D=0.5，P=0.5Mpa， =0.4代入公式得

≈0.0239m=23.9mm

2. 電機絲桿螺母傳動

底座的圓周運動采用電機帶動齒輪傳動，機械手的上下運動為絲桿螺母傳動和氣缸伸縮運動。

經過查閱市面上的伺服電機減速器一體設備的輸出轉速為1200r/min，暫定機械手的上下運動的速度為0.05m/s左右，接下來我們計算絲桿螺距。

已知n=1200r/min即為20r/s，而v=0.05m/s。

又有，即，

四、傳感器的選取

壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器，特點：小型輕便、響應快、在線性好、可靠性高。

我們選擇小尺寸微型稱重拉壓力傳感器傳感器的滿量程輸出電壓（MAX mv）=傳感器的拱橋電壓（5到15VDC的范圍內，）X傳感器的靈敏度（例如：1MV/V或者2MV/V）

傳感器所受到的力與傳感器的輸出電壓呈線性關系滿足：Ymv=a*Xf

產品參數：精度：0.1%F·S；工作溫度范圍：-20～+65℃；靈敏度：1～2 ±0.1mv/v

五、機械手的控制系統

對于機械手，我們采用單片機進行控制。單片機具有集成度高、功能強、速度快、體積小、功耗低、使用方便、價格低廉等特點在對價格和性能的考慮下，我們選擇了80C51系列的增強型單片機80C522單片機。

六、結論

1.采用電機和氣缸的混合傳動，動作迅速，反應靈敏，能實現過載保護，便于自動控制。工作環境適應性好，不會因環境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會污染環境。同時成本低廉。

2.機械手采用單片機進行控制，有很高的安全性和可靠性，同時也很方便去改動程序，是的機械手的通用性更強。

作者簡介：門柯平，西南交通大學機械工程學院。

向順，西南交通大學機械工程學院。

史明天，西南交通大學信科學與技術學院。

鮮凌霄，西南交通大學物理科學與技術學院。