搬運機械手機械結構及控制研究

王德芬，楊賀緒

（寧夏理工學院，寧夏 石嘴山 753000）

引言

機械手是一種可以對人類的手及手臂動作進行模仿，從而實現物體搬運的機械裝置[1]。顯然機械手包含機械結構和控制電路兩部分，機械部分只是執行機構，控制部分則可以決定機械部分以何種方式對物件進行搬運。搬運機械手在工業領域的廣泛應用，不僅大大減輕了工人的勞動強度，而且顯著提升了生產效率，是工業現代化的重要標志[2]。近年來，隨著我國機械制造、電子控制、材料研發等領域的不斷成熟并逐步形成完整的產業鏈，搬運機械手的應用也日益廣泛，成為工業領域的核心裝備之一[3]。本文對一種氣動搬運機械手的結構設計和控制系統設計展開研究。

1 搬運機械手總體結構的設計

機械手的結構形式在很大程度上決定了其功能，因為不同的機械結構所能實現的運動范圍、方式都是不同的。根據市場調研，目前市場上主要有圓柱座標式、關節式、直角座標式和球座標式等類型的機械手[4]，這些機械手由于其運動方式不同，因此在控制系統的設計上也有較大區別。根據使用需求，本文在此以圓柱座標式氣動搬運機械手為例進行結構設計。按照一般機械手所具備的功能，結合圓柱座標運動形式，本文設計了一款如圖1所示的搬運機械手。

圖1 搬運機械手總體結構

從機械結構上看，為了實現物體的抓取、搬運功能，該機械手包含了底座、手臂、手部結構、立柱及手腕等機械部件，其中底座和立柱主要起到支撐整體機械結構的作用，使其在工作過程中始終保持穩固的直立姿態；手臂的作用是實現方向和距離的控制，能夠對周邊一定范圍內的物體進行搬運；手部的功能是抓取物體，而手腕的功能則是可以對物體的方向進行調整。總之，整個機械手的結構是仿照人類的手和手臂來設計的，通過PLC編程控制，能夠滿足多自由度的運動控制要求。當前的機械手主要通過液壓和氣壓兩種方式來驅動，考慮到一般工業流水線的生產要求，不涉及過重的物體，因此本文設計采用氣動驅動。

2 搬運機械手主要機械部件的設計

2.1 手部結構的設計

手部結構是直接抓取物體的部分。對于氣動機械手，其手部結構主要有氣流負壓式和夾持式兩種主流形式，其中夾持式與人體手部結構和工作原理較為類似，因此本文采用夾持式設計，在傳動機構的相互配合下對手部運動進行控制，從而達到抓取物體的目的。手部的手指由兩片V型鋼材組合而成，相互對稱、相互配合。具體而言，為了實現手指的靈活動作，采用了齒輪和齒條的配合傳動方式，通過一對齒輪的對稱運動，控制手指的張開和夾緊。手部通過手腕與手臂相連，通過張合動作即可實現物體的抓取。

2.2 手腕結構的設計

手腕實際上是位于機械手的手部和手臂之間的機械部件，手腕的設計主要是為了對手部動作進行調整，從而實現更加靈活的動作控制。考慮到在物體搬運作業中，物體的擺放位置是任意的，因此要通過手腕的調整使手部結構能夠以恰當的角度對物體進行夾持，本文通過回轉結構的設計來達到這一目標。采用單葉片回轉氣缸，通過螺釘來連接定片和缸體，同樣，動片與回轉軸也由螺釘來實現。為了使手腕結構更加簡潔和緊湊，本文將動片設置在氣腔內部，使其恰好將氣腔劃分為兩個空間，實際上這樣的設計具有一定的通用性。

2.3 氣壓系統的設計

氣壓系統是整個機械手的原動力，氣壓通過氣缸作用在各個機械部件上，從而驅動各部件動作。考慮到在實際應用中，機械手不僅要能夠大范圍地回轉和伸縮，也要具備手腕和手部的精細作業能力，而這兩種運動形式所要求的氣壓在量級上是有明顯區別的。為了滿足這一應用需求，本文采用了雙氣缸設計方案，分別設置了一個大氣缸和一個小氣缸，其中大氣缸主要完成大范圍的驅動任務，例如大回轉、重物提升和下放等等，小氣缸則主要用于手部和手腕精細動作的控制，例如手部方向的調整，物體的夾持和放開等等。雙氣缸的設計避免了氣壓系統被頻繁地進行大范圍調整。

3 搬運機械手的運動控制

3.1 控制要求

機械手對物體的搬運，不僅要求完成位置的移動，還要具備物體位置的自動檢測和跟蹤，對于流水作業，還要具有精確的計數功能，并實時顯示已完成的搬運數量。為了適應多種應用場合，還要求系統能夠切換自動和手動兩種模式。控制系統要求具有較高的控制精度、較高的可靠性和較高的靈敏度，通過編程實現不同的動作組合。

3.2 硬件設計

根據本系統的機械結構設計，其控制系統采用了主流的PLC控制技術，由于PLC模塊的I/O口資源是有限的，因此要做好使用規劃。本系統采用了17個I/O口作為輸入，包括6個控制信號、8個限制信號、1個壓力信號和2個位置信號；輸出I/O口共規劃了13個，其中指標信號4個、計數信號1個、執行信號8個。為了滿足上述規劃，在PLC選型時應注意采用資源足夠的產品，例如比較常用的歐姆龍CPMIA系列。但值得注意的是，PLC的選型并不是越貴越好，如果資源過多反而造成浪費，因此要根據應用需求和控制的具體要求來恰當地進行產品選型。

3.3 控制邏輯

機械手的所有運動都是通過電磁閥作為執行機構的，每一種運動方式都有一個相應的電磁閥，例如上升、下降、左移、右移、左旋、右旋、夾持、松開等等。PLC通過指令向特定的電磁閥發送控制信號，相應的電磁閥按照指令執行，在多個控制指令的時序協調控制下，即可實現機械手靈活多樣的運動控制。機械手的控制分為手動和自動兩種模式，其中自動模式主要用在自動化流水線中，以固定的動作組合進行重復執行，即可源源不斷地完成物體的搬運。搬運模式則用于應對一些臨時的搬運工作，可以通過手動輸入不同的指令，實現對機械手的任意動作操控。

4 結語

由于機械手的機械結構、運動形式、控制邏輯、應用場合都可能完全不同，這就對機械手的結構和控制設計提出了更高的要求。隨著我國制造業的發展，各種流水作業更加復雜，只有根據實際情況設計出最適合的結構形式和控制系統，才能滿足日益多元化的工業自動化需求。本文設計的圓柱座標式氣動搬運機械手動作靈活、反應敏捷、工作穩定、可靠性高，可以滿足多種工業控制要求，具有一定的應用推廣價值。