一種可重構可展機械手機構的設計與研究

廖益豐，唐小鳳，陳桂平，李堅勇

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州545616）

0 前言

中國制造2025已經成為了我國強國夢的重要戰略目標之一，然而我國要邁入世界制造強國的隊伍，就必須發展智能制造[1]，向工業4.0時代邁進。智能制造離不開機械手，張慶峰[2]設計了一種新型數控機床裝夾機械手，并提出了一種數控機械手設計理論；賈小東[3]對一種鉆桿自動排放數控扶持機械手進行了設計與分析；劉飛飛[4]等對一種數控加工自動上下料機械手爪進行了設計與分析。盡管機械手的研究已有了一定的熱度，但是機械手的承載力和靈活性一直是制約機械手發展的重要因素。

本文設計了一種可根據工作的需求而靈活改變構件間運動副連接方式，從而獲得不同的運動性能，以完成不同的工作需求，而且其結構簡單，可伸縮性強，具有良好的應用前景。

1 機械手機構的結構設計與構型分析

1.1 機械手機構的結構設計

本文設計的機構結構示意圖如圖1所示。

（續下圖）

（接上圖）

圖1 機構結構示意圖

該機械手機構可根據不同工作的需要改變第二連桿與主連桿，第五連桿與主連桿之間的運動副連接關系，使機構發生構件重組，進而使機構的性能發送改變，還可通過第一圓弧擋板和第二圓弧擋板的位置限定作用，使機構在運動的過程中拓撲結構發生變化，機構變胞，增強機構的承載能力。

該機械手機構不僅具有較強的可展性，且具有五個構態，每種構態都具有其相應的性能特點，接下來將對其構態進行分析。

1.2 機械手機構的構態分析

該機械手機構具有五個構態，分別如圖2中的（a）圖到（e）圖所示，從這五個構態圖可以看到，當機構處于（a）圖所示的狀態時，機構的所有構件都可縮到一個平面內，機構在這個構態下可展性最強，靈活性也較高，承載力也比普通六自由度串聯機器人強；當機構處于（b）圖所示的構態時，機構的承載能力有所降低，但是工作空間卻比（a）圖所示的構態有所增加；當機構處于（c）圖所示的構態時，機構具有一個三角形穩定結構，承載能力增加，但是工作空間和運動靈活性降低；當機構處于（d）圖所示構態時，機構承載能力相比（c）圖而言略有降低，但是工作空間有所增大；當機構處于（e）圖所示構態時，機構是最穩定的構態，此時機構具有兩個三角形的穩定結構，承載能力最大。

圖2 機構構態示意圖

1.3 工作原理

當第二連桿與主連桿的連接方式為移動副連接，第五連桿與主連桿的連接方式也為移動副連接時，機構如圖2中（a）圖所示，此時因第二連桿和第五連桿都可完全縮進主連桿中，因此，此構態下機構伸縮性最強；當第五連桿沿著主連桿上的滑槽移動到主連桿頂部時，第一插銷會插入第一圓弧滑塊中，第一轉動副單元與第二轉動副單元就構成了轉動副，此時第五連桿與主連桿的連接關系就從移動副連接轉變成了轉動副連接，機構變換成圖2中的（b）圖所示構態，該構態下，機構只有第二連桿可在主連桿上進行伸縮，因此，機構可伸縮性有所下降，但是第五連桿此時可繞著主連桿轉動了，因此工作空間有所增加；當第六連桿在轉動的過程中被第一圓弧擋板擋住時，如圖2中（c）圖所示，此時第五連桿和第六連桿都不可繼續順時針轉動，機構拓撲結構發生變化，此時主連桿、第五連桿和第六連桿組成一個三角形穩定結構，機構此時承載能力大幅度提高，但工作空間降低；當第二連桿也沿著主連桿上的滑槽移動到滑槽頂部時，第二插銷插入第二圓弧滑塊中，第三轉動副單元與第四轉動副單元就構成了轉動副，此時第二連桿與主連桿之間的連接關系由移動副連接變成了轉動副連接，如圖2中的（d）圖所示，此時機構工作空間所有增加；當第二連桿繞著主連桿逆時針轉動，第一連桿與第八連桿的連接處被第二圓弧擋板擋住時，機構形成兩個三角形穩定結構，如圖2中的（e）圖所示，此時機構承載能力最高。

2 應用分析

該數控機械手機構不僅可以應用在數控領域，由于其具有較強的可展性，并且可根據工作的需求，進行構件重組，靈活轉換自身的運動靈活性、工作空間和承載力，目前深海勘探領域極需要這樣的機構作為勘探工具，因為在深海中，深度不同，壓強就不同，作業的強度也隨時變化，因此很需要一個靈活多變的機構進行作業；在航天領域也是如此，當月球勘探車進入月球表面時，復雜的地形會使勘探車輸出端難以作業，因此也需要一個可根據需求而靈活改變運動性能的機構；甚至在農作物的采摘方面也需要，因為農作物的大小和尺寸不一樣，需要機構的承載能力也不一樣?？梢娫摍C構的應用前景是非常廣泛的。

3 結束語

（1）針對現有機械手承載能力低，運動靈活性和可展性不足的問題，提出了一種可重構機械手機構，該機構可根據不同的工作需求，重組構態，實現工作性能靈活變換。

（2）由于該機構具有較強的可重構功能，其不僅僅能夠運用在制造領域，還可運用在深海抓取、太空勘探和農業采摘等多個領域。