基于“三自由度關節型機械手”對回轉關節的研究與設計

杜天宇

摘 要：關節型機械手是一類具有與人手肘類似的“關節”，可以模擬人手操作的自動化裝置。它主要以電氣結合的方式驅動，再通過齒輪等進行機械傳動。但因為機械摩擦較大，傳動部位（回轉關節）仍有改進的空間。結合開關磁阻電機的原理，該文探討了一種利用電磁驅動的新型回轉關節。這一設計有效地避免了齒輪傳動帶來的機械摩擦損耗。

關鍵詞：三自由度關節型機械手 開關磁阻電機原理 新型回轉關節

中圖分類號：TH12 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0104-02

機械手是一種智能裝置，能夠實現模擬人手的所有動作。在實際的工作過程中，機械手會按照預先設計的固定程序進行對工件的工位轉移等。關節型機械手是機械手的一種類型，但它具有與人類手肘類似的“關節”，比一般的機械手結構更精巧、操作更靈活，具有廣闊的研究與應用前景。

現有的機械手主要以電氣（即電動機和氣缸）結合的方式進行驅動，應用齒輪等機械裝置進行傳動。但因為機械摩擦的緣故，傳動效率仍有較大的提升空間。該課題在對一種現有“三自由度關節型機械手”[1]的研究基礎上，對回轉關節部位進行了更深入的調研，并提出通過電磁驅動減小機械摩擦的新型旋轉關節設計。

1 三自由度關節型機械手的基本情況

1. 1 整體設計

該關節型機械手為圓柱坐標，包含3個自由度，其中機械手在進行工作時完成對工件的兩個方向的回轉和實現一個方向的轉移。機械手運用回轉關節實現所夾持工件的前后和左右的回轉運動，而運用移動關鍵來實現所夾持工件的上下的移動，從而實現整個機械手的運動工作。

機械手的整體設計如圖1，主要包括手部、腕部和臂部。

手部（亦稱抓取機構）是用來直接握持工件的部件，根據設計要求，利用夾鉗式手部結構。其中，夾鉗式機械手有兩個半圓形或者橢圓形的機械手指，手指由驅動電機通過連接傳動裝置實現其張合以及閉合，從而實現了機械手對所夾持工件的抓緊動作。這種方式的機械手抓具有很好的通用性，能夠實現不同外形結構工件的抓緊，所以適用性比較強。

機械手的主要組成部件為手腕部分，手腕在機械手傳動中起到傳動中介的作用，其連接機械手的手部以及機械手的臂部，實現機械手在臂部的所有動作的轉換，有效地實現了手部動作的完成。另外，機械手手腕還可以實現機械手工作范圍的擴大化，使得機械手的工作范圍有效提高，并對機械手的靈活度有了明顯的提高。手腕的回轉動作運用回轉液壓氣缸來實現機械手在空間上270 °的回轉動作，液壓氣缸機構簡單，操作方便，很適合機械手的運用，但是，機械手的手腕要求工作嚴格，不能出現振動等現象。

機械手的臂部主要是對機械手整體起到支撐的作用，機械手在進行工作過程中所有的運動慣性以及自身和工件的所有重量都由臂部來承受，所以，機械手的臂部要求結構強度高、抗疲勞性強等特點。同時，機械手的臂部還能夠實現機械手部分動作的實現，一般在機械手的臂部運動采用液壓或者氣壓缸實現。文中所設計的機械手臂部主要包括大臂和小臂。

1.2 回轉關節

大臂和小臂的回轉運動由回轉關節完成。回轉關節由45BF005π型步進電機驅動，通過兩個嚙合的直齒圓柱齒輪進行傳動，如圖2。當電動機運行時，左側的齒輪軸發生轉動，右側的嚙合齒輪也相應轉動起來，再通過軸的帶動，與之相連的臂部也發生轉動。

2 回轉關節的分析

這種傳動方式本身所需要的傳動扭矩比較小，并且傳動精度也比較低，所以在選擇驅動的方式時應該考慮驅動源的誤差積累等問題，研究者采用的驅動源為步進電機。經過查詢資料《機電綜合設計指導》中的表格2-11，關于步進電機的相關參數可以看出，此文選擇的電機型號為：45BF005π型，其中，這種步進電機的主要參數包括如下：步矩角為1.5°，其中電機的額定電壓為27 V，總體質量為0.4 kg，該電機具有外形結構比較緊湊，結構簡單，控制方便等優點。

通過精度驗證，機械手在傳動過程中，如果只依靠步進電機的傳動精度是遠遠不夠的，還需要運用不同的傳動機構以及變速機構等進一步實現傳動精度的提高。文章中所提及的機械手的傳動采用一級減速齒輪的傳動，其中主動輪的傳動齒數為20，從動齒輪的傳動齒數為70，經過查詢資料可以得到，該齒輪傳動的傳動模數應該選擇m=1，齒輪的寬度應該設計為20 mm，在傳動過程中，由于齒輪傳動會有一定的振動，所以此文設計的齒輪的寬度為24 mm。

3 新型回轉關節的研究與設計

3.1 電磁驅動的可行性探討

通過查閱文獻，利用開關磁阻電機原理進行電磁旋轉的理論已經比較成熟。

開關磁阻電機的工作機理基于“磁通總是沿磁導最大的路徑閉合”的原理。當定、轉子齒中心線不重合、磁導不為最大時，磁場就會產生磁拉力，形成磁阻轉矩，使轉子轉到磁導最大的位置。當向定子各項繞組中依次通入電流時，電機轉子將進一步沿著通電相序相反的方向轉動。如果改變定子各相的通電次序，電機將改變專向，但相電流同流方向的改變是不會影響轉子的轉向的。

一類新型的磁旋轉地球儀[2]就是依據該原理設計而成的。

該地球儀沿赤道線每隔一段距離會貼上永磁片，通過FEMM軟件仿真，可見永磁片的磁場呈對稱周期排列，如圖3。具體的磁場分布可以通過對永磁體本身的磁感應強度的檢測進行分析確定，從而實現所設計的懸浮球體的旋轉動作。

綜上所述，利用開關磁阻電機原理，借鑒磁旋轉地球儀的設計，可以利用電磁驅動替代回轉關節本來的電機驅動和齒輪傳動。這樣的設計避免了齒輪傳動機械摩擦的損耗，也避免了電機精度不高的缺陷。

3.2 新型回轉關節的設計

新型回轉關節利用貼永磁片的圓柱體和電磁線圈替代發電機和直尺圓柱齒輪。

圓柱體的設計尺寸參考原有的右側齒輪大小，R=35 mm，h=24 mm。

沿圓柱體圓周中線每隔一段距離貼上小鐵片，每個鐵片上貼有一圓形的永磁片。在圓柱體周圍安裝兩組電磁線圈。這兩個電磁線圈組成一個弧度，弧度的圓心與圓柱體的柱心盡量保持重合。其中一個線圈正對一個永磁片，另一個電磁線圈正對相鄰的另一個永磁片，如圖4。正常工作時，通過檢測永磁片位置，兩個線圈同時通電使電磁線圈同時產生相同的極性。通過對流入線圈的電流進行控制，使得圓柱體實現了旋轉。若要使圓柱體停止旋轉，切斷線圈中的電流即可。

旋轉的圓柱體與原有的右側的軸相連，如圖5。當線圈通電時，圓柱體帶動軸旋轉，與軸相連的臂部也隨之發生轉動。

4 結語

新型回轉關節利用電磁驅動的原理，用帶永磁片的圓柱體替代本來的電機和直齒圓柱齒輪。這樣的設計避免了齒輪傳動機械摩擦的損耗，也避免了電機精度不高的缺陷，具有很高的研究價值。但是囿于研究者現階段的知識儲備與精力，該種設計仍存在許多待進一步討論的問題。比如電磁驅動能否帶來足夠的驅動力、回轉的精度是否能有效地控制等。

參考文獻

[1] 劉祖濤.平面關節型機械手設計[D].廣東海洋大學，2003.

[2] 石燕.傾斜式電磁、永磁混合懸浮地球儀及旋轉系統的研究[D].山東大學，2010.