四自由度參賽機器人機械手設計研究

王 秀

（太原理工大學 機械工程學院，太原 030024）

四自由度參賽機器人機械手設計研究

王 秀

（太原理工大學 機械工程學院，太原 030024）

機器人技術是高科技領域內一項十分重要的技術，它在工業企業中被廣泛應用。本文主要就四自由度串聯型機械手進行相應研究，使機械手得以穩定運行，迅速完成了這一任務，為日后的機器人之機械手設計提供理論具備一定參考意義的借鑒資料，促進其日后的研究發展。

四自由度 機械手 參賽機器人

1 機械手的發展歷程和應用現狀

一個完整的工業機器人主要分為三部分：檢驗組件、機械性組件及控制性組件。其中，檢驗組件包含感知體系及環境和相關機器人的交錯體系；控制體系由控制性體系及人機交錯共同構成；而機械性組件一般包含驅動體系與詳細的機械框架體系的機械性組件。本文以代幣的搬運及抓取為基本對象，分析機械手在體系中的運用，明確機器手的目標要求及主要技術指標，實現機器手的整體設計。

2 機械手機構模型

2.1 機械手主要部件的結構設計

機械手是機器人的主要活動部件，機械手的靈活性對機器人的整體性能有很大影響。其主要部件包括手臂、手腕、手爪、驅動單元等，通過機械手來進行各項操作，機械手和操作臂相連接，后者主要通過幾個關節進相連接并實現相應的運動目的。

本比賽用設計的機器人設置有兩個機械手，主要用于夾持代幣和籃筐，這兩個機械手的其他部件的區別在于手爪部分需要抓持的東西不同而尺寸稍有不同，因而在研究時，只選擇其中之一即可。本文在研究時選擇了夾持代幣的手進行研究，另一個機械手和這個基本保持一致，以下將對機械手的各組成部分進行具體研究。

2.2 驅動方案的選擇

2.2.1 驅動方式種類

2.2.1.1 液壓驅動系統

優點：此種類型的驅動系統在運動過程中可以保持較高的傳動平穩性，且自縱較小，能承載的力度較大，傳動和驅動裝置可靠性較高，且可以進行無級調速，也能實現一些復雜的運動。

缺點：其不利之處主要是對加工制造精度要求較高，傳動比受到的影響較大，不能精確控制，受溫度影響較大，不易實現遠距離運輸。此外，其中的液壓油易被污染，從而對機構性能產生影響。

2.2.1.2 氣動驅動系統

優點：氣動驅動裝置的安全性較高，其對溫度和振動的影響不敏感，可以保持長時間連續工作。其功率變化幅度較大，可以在很寬幅度內進行調節，可以從幾百瓦，直接調節到幾萬瓦，且運動元件的轉速也可以設計到達很高數值，在負載情況下也能直接啟動。

缺點：氣壓輸送轉化的效率較低且受氣壓波動影響較大，不易保持穩定性，且在工作過程中會產生較大噪音和振動。

2.2.1.3 電氣驅動系統

優點：這種驅動方式容易控制傳動比因，且運動精確度高，調速很容易實現，運動也比較平穩，不會受較大影響，但輸出推力較小。

缺點：難以輸出較大推力，需要設置一些輔助運動裝置，且成本相對較高。

2.2.2 手部關節傳動方案的選擇

根據本比賽的規則，用時是唯一的比賽結果評價標準，所以應盡量使手臂在工作時需要的時間盡可能少，代幣抓取所需時間一般較長。根據上述要求，應確保手爪的反應速度和夾持速度達到較高要求，根據以上對驅動裝置的對比可以看出在這種情況下，最合適的驅動裝置為氣動驅動式。

2.3 機械手參數確定

在設計機械手參數時，需要考慮代幣架代幣尺寸及籃筐尺寸，綜合考慮后設計抓取代幣和籃筐的機械手在豎直方向上的運動范圍分別為750～1050mm和400～800mm。據此可以設計出手臂豎直導軌長700mm。在選擇手臂水平導軌長度時，考慮到手臂的運動特點和實際設計經驗，而設計其長度為800mm，以使抓取物品的效率明顯提高。同時設計出代幣手爪與手臂長度均為300mm，兩方位導軌間距100mm。

2.4 氣缸的選定

由于手臂和腰部都選擇氣動驅動方式，因而需要同時選擇合適的氣缸以便為驅動元件提供動力。氣動驅動由于具有結構簡單、緊湊、可靠性高等特點，且使用維修也較為方便，因而本設計中驅動裝置動力單元都選擇氣缸。此外，選擇氣缸驅動還可以降低成本，提高工作效率，在一定程度上增加了獲勝幾率。

2.4.1 機械手部分氣缸的設計

2.4.1.1 氣缸類型及安裝方式的選取

選擇氣缸類型時，主要考慮工作要求，根據其運動特點而選擇雙作用氣缸，同時考慮到成本因素，最終選擇普通氣缸，并在考慮其安裝方式條件下，選擇了如圖1所見的氣缸。

圖1 雙作用氣缸

2.4.1.2 氣缸直徑的確定

分析圖1中的氣缸，當活塞向左運動時產生的推力為式（1），向右運動時產生的拉力為式（2）。

式中，F1為活塞桿的推力；F2為活塞桿的拉力；D為活塞直徑；D為活塞桿直徑；p為氣缸工作壓力；FZ為氣缸工作時的總阻力。

氣缸在工作時，受到的總阻力FZ主要與缸內的摩擦力有關，此外慣性力也對其有一定影響，可以將上式進行簡化。所得結果如下：

式中，η—載荷率。

在確定載荷率主要考慮如下因素：第一，若氣缸運動要求較高且頻率較大，則對應的載荷率η可以選取0.3～0.5，速度與頻率應保持負相關；第二，若要求并不高，運動情況較簡單，勻速，這種情況下可以選取載荷率η= 0.7～0.85。

根據公式（3）和（4）可得直徑公式，當推力做功時：

當拉力做功時：

通過公式（6）在計算直徑時，可通過氣缸拉力對活塞桿直徑d進行估算，可以參考估算公式d/D=0.16～0.4。將其變換得到式（7）：

本文設計的機械手需要夾持的代幣重170g，將其夾持狀況化簡所得示意圖見圖2。

圖2 手爪夾持簡圖

在進行計算時，將摩擦因子設為0.25，通過估算并估計其實際運動時振動情況，據此估判斷出輸出推力F1=20N時，可以達到運動所需要求，取η=0.8，p=0.4MPa，代入直徑求解公式可以得到D=8.92mm。將此數值和下表1對比，并取整得D=10mm。

表1 氣缸內徑尺寸系列（mm）

2.4.1.3 活塞桿的計算

進行活塞桿計算時，如果其長度和直徑比小于10，則可以根據強度要求確定活塞桿直徑d。本文設計的機械手由于并不需要很長的行程，因而滿足L≦10d。這一條件可以得到公式（9）：

其中，F1為氣缸的推力；σP為活塞桿材料的許用應力，σP=Rm/S；Rm為材料的抗拉強度；S為安全系數，S≥1.4。

為了達到綜合性能要求，一般選擇45號鋼作為活塞桿材料，此種鋼材的強度足以滿足要求，由于機械手并不會產生激烈的運動，因而S取6。計算可知d≥0.505mm。將此結果和表2進行對比并圓整得到d=4mm。

表2 氣缸活塞桿直徑系列（mm）

2.4.1.4 鋼筒壁厚的計算

氣缸在工作時，會受到較大的壓力，因而應確保其厚度滿足要求，以免在力的作用下產生變形。通常情況下鋼筒應滿足δ/D≤1/10，可通過式（10）計算：

式中：δ為氣缸筒的壁厚；D為氣缸筒內徑；Pt為氣缸試驗壓力，通常取Pt=1.5P[σ]為鋼筒材料許用應力，[σ]=Rm/S；Rm為材料抗拉強度；S為安全系數，一般取S=6～8。

本文設計時，考慮到氣缸工作壓力而選擇材料為HT150鋼，其[σ]=30MPa，將其代入式（10）求出δ=0.06mm，由于實際計算出的此壁厚值都很小，難以加工且不方便安裝缸蓋，因而實際取值都在原計算結果上適當增加一些。根據表3對δ取整得δ=7mm。

對照表4中氣缸參數選擇恰當的氣缸。

表3 氣缸筒壁厚

表4 氣缸產品規格

QGX系列氣缸尺寸較小，但其性能較好，經過多年的持續改進，其各方面性能和質量都有了較大程度的提高，且產品種類也明顯增多，可供選擇范圍也增加，且其通用性較強，便于更換零件。QGX型氣缸的主要性能參數見表5。

表5 QGX系列小型氣缸技術規格

對比以上兩表，并進行綜合分析，最終選擇氣缸型號為此系列中的10mm直徑型號。

以上即使本設計中的機械手對應的氣缸設計過程，兩只機械手的工作條件基本一致，因而其對應的氣缸分析過程計也基本相同，只是夾持力度有大小之分，本設計選擇的氣缸材料都是一樣的，已知m=2.85kg，可取F1=80N，把該數值代入直徑公式中，并計算出D=17.84MM,Dd＞1.01 mm，取整D=20mm,d=5mm，D=20mm,d=5mm，壁厚δ=0.25mm，標準化后取δ=7mm，因此，按照上面的結果選取相應的氣缸型號為QGX 中20mm 直徑系列。

2.4.2 腕部氣缸的設計

因為所有氣缸材質完全相同，分析以上氣缸選擇過程可以得到主要決定因素是F1，即F1可以確定出氣缸型號。

就腕部關節的氣缸推力F 估算為100N，代到上面的式子中，求出D=19.95mm,d＞1.13mm，取整處理D=20mm,d＞5mm，壁厚標準化后取δ=7mm，據此結果不難發現，此氣缸和手爪處的氣缸相同，同為此系列20mm直徑的。

2.4.3 手臂部分的氣缸設計

根據上述計算，可知手臂水平和垂直導軌受到的F1分別為150N、160N，二者數值相差很小，驅動要求也接近，因而可以選擇同樣的氣缸，取其中較大者即160N來分析計算。

將此數值代入公式（5），計算得D=25.23mm，在設計時，為了計算和安裝方便，一般在滿足條件下對計算出的數值進行取整處理，因而對其取整為32mm，以下各數值都取整；利用式（8）求得d＞2.61mm，取整為3.6mm；利用式（9）計算出壁厚：δ=0.32mm，取整為δ=7mm。根據這些參數，并對比表4與表5，選擇出氣缸類型為QGX，直徑為32mm。

3 結語

本文在前人研究的基礎上，對機器人的手部分和氣缸在設計時需要依據的原則進行簡要介紹，然后進行具體設計，先通過運動條件分析計算相關部件的參數，據此對手臂手腕等進行設計，并選擇出機械手的結構形式；最后對氣缸的使用和維護要求進行具體論述。希望本文的研究能對機械手的研究起到一定的幫助作用。

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Design and Research of Robot Manipulator with Four Degrees of Freedom

WANG Xiu
(Mechanical design and theory of mechanical engineering college, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024)

Robot technology is a very important technology in the field of high technology, it is widely use d in industrial enterprises. In this paper, a s eries of four degree of freedom mechanical hand for the corresponding research, so that the manipulator can be s table operation, rapid completion of the task, f or future robot manipulator design to provide a theoretical reference, to promote its future research and development.

four degree of freedom, manipulator, robot