機械手的結構體系設計

邱紅偉

（廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院，廣西 南寧 530200）

工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備[1]。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。設計的機械手上臂、肘、下臂三部分組成，各部分長15cm；最大抓取重量在100g，裝載面積為54mm×54mm；所有電機采用閉環控制，可以定位編程。

1 總體結構設計

機械結構是機器手的骨架，機械結構的好壞直接影響著機器手的功能[2]。機械手可細分為五個部分：

（1）底座；

（2）上臂；

（3）肘；

（4）下臂；

（5）末端操作器。

機械手設計為五個自由度，每個自由度分別由五個帶有一定自鎖功能的電機控制，其大致的框架如圖1所示。

圖1 機器手機械結構框架

2 機械手電機選取

作為機械手的動力來源，電機的選取至關重要，這要考慮到很多的因素，第一點是電機的各項性能參數[3]，選取直流電機主要考慮的主要參數有空載轉速、額定轉速、額定轉矩；第二點是電機的外形尺寸和形狀，例如電機的輸出軸，輸出軸的外形和尺寸要選取易于與齒輪鏈接并且可以固定得較緊的D形軸；通過下面的計算可得出機械手所需電機的參數。

按照設計的要求，要抓取100g重量的物體，加上肘和下臂自身的重量，預計上臂電機所要帶動的重量為1kg，所選齒輪的小齒輪的分度圓直徑為d1=17mm，大齒輪的分度圓直徑為d2=34mm，機械手的肘長L1=150mm，下臂長L2=150mm，由此可得出所需電機最小額定轉矩為：

現有電機額定轉矩為25kg·cm、額定轉速為24r/min，由此可得出額定功率為：

由于大臂處的電機所要求功率最大，所以底座電機和肘電機可用相同的型號電機即可。電機的尺寸不可選得過大，過大了一方面顯得機械手比較笨拙，另一方面則增加了重量。

3 底座設計

底座的作用主要是使得整個機械手可以固定起來，從而實現機械手的各項功能，底座設計的好壞可以影響到機械手的固定的穩定程度，同時也可影響到機械手的定位精度。底座是機械手受力最大的部位，機械結構設計的好壞直接影響到機械手的靈活性和穩定性[4]，同時還需要考慮底座各個零部件的加工和材料的選擇，因此綜合考慮后決定采用兩個圓錐滾子軸承做為支撐軸承，而推力軸承的型號需要考慮兩方面的因素，一方面是能否與所設計的齒輪和軸的尺寸能否相配合，另一方面是考慮軸承的最大承受力。通過查找推力軸承的國標后決定選用型號為：30204GB/T297-94、30205GB/T297-9。

底部的旋轉采用一對直齒圓柱齒輪做為傳動機構，小齒輪的齒數為Z=25個齒，大齒輪齒數為Z=55個齒，模數為m=1.25。由于圓錐滾子軸承的軸所受的力為軸向力，因此徑向所受的力可忽略不計。

4 大臂和肘的設計

機械手大臂按照要求其臂長為15cm，分為左臂板和右臂板。大臂與肘通過兩根固定在大臂上但可自由旋轉的軸來連接，大臂上固定一個有一定自鎖功能的電機，此電機做為驅動肘進行旋轉的動力，動力的傳動同樣采用一對直齒圓柱齒輪做為傳動機構，齒輪的模數m=1,大齒輪的齒數Z=34；小齒輪齒數Z=17；軸的大小可以通過以下計算得出：

由于所選用的電機的輸出功率為Pd=6.5 W,經過齒輪傳動后有功率損失，最后在傳動到軸上的功率為：

方法 磁共振成像采用GE 3.0T 磁共振掃描儀采集圖像，采集線圈采用8通道脊柱線圈。掃描序列包含矢狀位T2加權成像及T1加權成像，橫軸位T2加權成像，注射磁共振對比劑后行橫軸位、矢狀位及冠狀位T1加權增強掃描。

電機在額定轉矩下的轉速為25r/min，通過齒輪傳動可得軸的轉速為：

由此可確定軸的最小直徑為：

由于肘和上臂上都需要安裝一個電機，所以肘的結構和上臂的結構是一樣的，所不同的是臂板的面積尺寸不一樣。

5 機械手末端執行器設計

機械手（Hand）也叫末端執行器(End-effecter)，相當于人的手爪，主要作用是夾持物體或者是夾持工具并使工具按照規定的程序完成指定的動作。

人類抓取物體的動作大致為捏、握和夾三大類，不同的抓取方式決定于手爪的結構和自由度。手爪除了有足夠的夾持力外，還要應保持適當的精度，最好還要能順應物體的表面形式來抓取。對于機器手的結構有以下三類方案可以選擇：

機械手為夾持型、機械手為懸掛型、機械手為吸盤型。

夾持型的機械手是目前使用最為廣泛的一種形式。分為內撐式、外夾式、內外夾持式。還有滑槽杠桿式、連桿杠桿式等各種形式的機械夾持型機械手。它們的特點是依靠固定在肢體的兩個手爪來夾持物體。優點：制作簡單，結構也不復雜，只需一個驅動或兩個驅動便可以執行任務。缺點：不能夾持不規則的物體，對于被夾持的物體還需有可以夾持的部位，否則此類機械手達不到意想的效果。滑槽杠桿式機械手特點：通過調整各桿之間的角度或桿長,改變握力的大小及指間的開閉角。優點：結構簡單、動作靈活、夾持角較大。缺點：工件的直徑誤差會引起夾持后的工件的中心線發生移動。連桿式機械手特點：操縱桿上下移動，即可帶動連桿使之做夾持和釋放動作。優點：結構簡單，操作簡單。缺點：此種機構開閉角較小，操作速度慢。

（1）設計合適的開距離或角度，以便抓取和松開工件。

（2）要有足夠的夾緊力，保證可靠、安全地抓取和運送工作。

（3）能保證物體在機械手內準確定位。

（4）盡可能使結構緊湊、重量輕。

（5）要考慮到機械手可調整性，即張開的角度可以調整或者伸縮的距離可以調整。

比較以上三種方案：懸掛式的機械手在重力方向受到約束，動作不夠靈活，再加上此類機械手的定位困難，出于眾多因素的考慮，懸掛式機械手方案不可取。吸盤式的機械手雖然夾持力較大，可靠性高，但物體表面的干凈度、平整度、干燥度影響吸盤吸力的大小，影響機械手的正常作用發揮。加之吸盤的大小和吸盤吸附的物體面積的大小又影響吸力的大小。在晃動過程中容易如果吸盤力部夠容易掉落，因此這個方案也不可取。夾持式機械手操作方便、結構簡單、動作靈活、速度較快。對于夾持重量不大的方案來說比較可取。基于以上因素，夾持式機械手方案可取。

6 機械手機械材料的選擇

機械手使用的材料大部分是用于結構，一般應該是金屬材料。在機械手運動時不應該產生嚴重的變形和斷裂，從力學的角度即具有足夠的強度。因此主要材料選用各種碳鋼和鋁合金。這兩者比較，機械手應選取重量比較輕的材料，以減少自重的負擔，因此除了特別講究強度，剛度以及抗摩擦磨損性的機構，一般更多選用鋁合金作為結構構件的材料。材料截面對構件質量和剛度施加重要的影響，因此通過合理選擇構件的截面可以較好地滿足機器手的使用要求，如空心圓截面、空心矩形截面、工字截面等。若空心矩形截面邊長為a，壁厚為t的正方形，空心圓截面的外圓直徑也為a，壁厚也為t，且令t＝0.2 a，通過計算可以得出，在相同壁厚的條件下，正方形空心截面比空心圓截面的慣性矩高69%～84%，而質量僅增加27%。壁厚越薄，則效果越明顯。若比較條件改為空心矩形截面和空心圓截面型材的截面相等，且D0＝a，設空心圓截面壁厚tD＝0.2 a，可以計算出正方形空心截面的壁厚為tF＝0.147 a。此時，正方形空心截面比空心圓截面的剛度提高了40%～60%。因此，無論從什么角度來衡量，空心矩形截面都比空心圓截面的剛性優越。從設計、裝配的角度來看，矩形截面也有一定方便之處。圓截面型材用作伸縮關節時則比較容易裝配。標準件就是按照國家標準(GB),行業標準,或者國外的標準生產的零件,主要是為了維修替換方便,如螺釘、鍵、法蘭、軸承等都是標準件,在設計的時候可以直接從市場上買到所需的零件,而不需要專門的單獨制作,減少了成本,提高了勞動效率。非標準件是那些從市場無法直接買到,而必須聯系專門的廠家定做的零部件，當然成本比較高,而且維修比較麻煩,一般盡量不用非標準件。也有些部件目前還沒有統一的標準,也無法形成標準,例如齒輪、帶輪必須單獨加工，因此選用一些標準件可以減少很多的設計和加工的工作量。

7 機械手機械整體設計

將五個部分：（1）底座；（2）上臂；（3）肘；（4）下臂；（5）末端操作器組裝起來就可以組成一個機械手，這五部分的組合可以設計一些特定的零件來進行連接固定，設計師需要特別注意零件的各個尺寸，設計的尺寸不能在裝配時產生干涉，軸與軸承、軸承與軸承座的配合是過盈還是間隙配合；為了安裝或者配合得更好，一些零件的固定孔應該設計成U形孔，以方便調整位置。設計的結構同樣要考慮安裝的方便，比如軸承的裝配、螺釘是否容易安裝等。總地來說零件的尺寸和結構要根據整體的需要來設計，需要考慮的方面很多，在設計完成后可用3D軟件進行裝配，檢查哪些設計部合理（圖2）。

圖2 機械手裝配三維圖