基于“慧魚”模型的工業機械手設計

劉永嘉　張智輝　李志英

摘 要：本文設計的工業機械手以慧魚模型為基礎，它能替代部分人工操作；能按照生產工藝要求，遵循一定的時間、程序和維度來完成工件的傳送與裝卸；能制作必要的器具進行焊接與裝配，從而大大改善工人勞動量，顯著地提高生產率，加快工業生產機械化和自動化步伐。

本設計使用ROBO Pro（慧魚）軟件控制ROBO TX控制器，實現對基于慧魚模型的機械手的操作控制。通過ROBO Pro程序可實現對機械手的控制，改變程序就可實現不同的控制要求。

關鍵詞：工業機械手；慧魚模型；ROBO Pro

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A

1.設計題目的提出及主要任務

經過歷史的考驗，機器人對我們的生產和生活越來越重要。單位時間內的次品率也越來越低，同時我們工作更加輕松，只需控制好操作面板，也就是機器人的控制系統。與此同時，生產出來的產品品質更加完美，這樣可以顯著節省成本開支。鑒于其重要作用，因此它被列入很多國家的高新技術產業。同時，機器人是一門綜合了機電子、電子計算機及仿生人工智能等諸多專業的新興學科。

本次設計以現有的工業機械手為基礎，依靠慧魚模型，設計以傳送、運輸為主要功能的新型工業機械手。

2.機械手的組成和結構設計

機械手一般由執行、驅動、控制等機構3部分組成。

（1）執行機構

由傳遞裝置、驅動裝置、控制系統以及末端操作器組成。

①夾持部分

這是機械手的獨立的執行部件，夾持部分采用蝸輪蝸桿機構控制手抓的加緊、釋放。

由于工業機器人的手部通常是專用的裝置，一種手爪往往只能夾取一種量上相近的工件，只能執行一種作業任務。

由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指（或手爪）和傳動機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易構件，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。

②手腕

起到連接手部和手臂的作用，主要起支撐作用，機器人一般要有6個自由度才能使末端操作器到達目標位置和處于期望的狀態。

③手臂

臂部有大臂小臂或多臂構成，一般有2～3個自由度，即伸縮回轉，俯仰或則升降。同時再設計臂部的時候要考慮到臂部要有足夠的承載能力和剛度，剛度小，影響手臂工作時運動的穩定性更嚴重地導致變形，導致臂部的承受載荷大小都發生變化，運動速度和定位精度也不行；運動平穩性要好，精度要高，它是機械手的重要指標；重量和轉動慣量要小，為了提高運動運動速度，盡量減小臂部的重量，同時還要注意偏重力矩，也就是讓臂部的重心與立柱的重心盡量靠近；導向性要好，一面手臂在直線運動過程中發生相對運動。

手臂在進行伸縮或升降移動時，為了使手臂在直線運動過程中不致發生相對運動，以保證手部運動方向的正確性。所以這就需要導向裝置，同時在設計導向裝置時要考慮到實際載荷的大小，手臂長度行程以及手臂安裝方式的影響。同時常用減小或則消除偏重力矩的方法有：盡可能減少臂部重量，還有就是盡量使臂部的重心和立柱的重心重合，再有就是配重的方法。

④立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降（或俯仰）運動均與立柱有密切的聯系。

⑤機座

機械手的各執行機構部件和驅動系統都安裝在機座上，主要起支撐和連接的作用，底座部分采用蝸輪和齒輪結合的方式控制整個平臺的旋轉。采用蝸桿機構，并由電機提供動力。

（2）驅動機構

驅動機構用于把驅動原件的運動傳遞到機器人的各末端操作器，一般的常用的液壓驅動，氣壓驅動和電氣驅動。

（3）控制系統

控制系統向機械手發出各種指令，讓其能夠再找要求完成各種任務的裝置。目前工業機械手的控制系統多半由電氣定位系統和程序控制系統構成。它使機械手按規定的程序運動，并同時機械手接受的指令信息被存儲起來，同時按其控制系統的按照接收的信息對各末端操作器發出指令，還可對機械手的動作進行監視，當未按照預定軌跡工作或出現錯誤時就會發出報警。

（4）位置檢測裝置

位置檢測裝置由一個線鐃電阻和一個滑動觸電組成。當被檢測量的位置發生變化時，滑動觸電也隨之移動，從而改變了接入點路電阻值的大小，從而改變電壓，來更清楚地反應位置的變化。

3.慧魚機械手的主要元器件

慧魚模型主要包含三大類構件，包括機械類元件、電器類元件和氣動元件。本次設計的慧魚機械手主要由機械類元件、電器類元件構成。

（1）機械類元件

機械類元件主要有：聯桿、齒輪、鏈條、齒輪軸、萬向節、履帶、差速器等。

（2）電器類元件主要包括：直流電機（9V雙向）、傳感器、接口電路板等

運用慧魚工業標準的基本元件，輔以傳感器、控制器和軟件的配合，運用設計構思和實驗分析，可以實現技術過程的還原，更可以實現工業生產和大型機械設備操作的模擬，使得技術創新和生產批量化的可行性成為可能。

4.控制系統

經過調試，發現了存在的一些問題，如重復精度不精確、往返行程過長、抓取不牢固等問題。經過改進、調試控制程序完成結構設計之后，設計ROBO Pro程序如圖1所示。

此程序中機械手從初始位置開始，電機M2工作，使機械手的腕部向下偏轉，到達指定位置后，電機M4工作，使機械手張開閉合抓取工件，接著電機M3工作，帶動機械手臂上升至頂部，隨后電機M1工作，帶動機械手整體旋轉一定角度后，電機M3工作，使機械手臂下降至指定高度，電機M2工作，使腕部偏轉至工件釋放位置，電機M4工作，釋放工件完成搬運過程，最后機械手返回初始位置，重復上述過程。

5.設計總結

（1）機械手是通用機械手，它的適用范圍很廣，選用圓柱坐標和三自由度體系。

（2）越復雜的運動，所需的自由度越多，本次設計包括垂直，直線以及旋轉3個自由度。

（3）導向裝置在此次的裝配過程中我們選擇采用絲桿與齒輪的配合，從而控制其按固定的方向運動。

參考文獻

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