搬运机械手设计(3)

直线驱动部分难以密封、防尘；后臂工作时，手臂后端会碰到工作范围内的其他物体。圆柱坐标机器人的工作范围呈圆柱形状。

(3)球坐标(极坐标)型机械手：

球坐标机器人采用球坐标系，它用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置，再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转，中心支架附近的工作范围大，两个转动驱动装置容易密封，覆盖工作空间较大。但该坐标复杂，难于控制，且直线驱动装置仍存在密封及工作死区的问题。球坐标机器人工作范围呈球缺状。

(4)关节坐标型/拟人型机械手：

关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。它象人手一样有肘关节，可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄空间工作。关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用。随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。可作几个方向转动，工作范围大，动作灵活，通用性强，但定位精度差，控制装置复杂。关节式机械手具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。为具有近似人手操作的机能，需要研制最合适的结构。

其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高,占地面积小，根据机械手的运动自由度数不少于3个，摆角度不小于90度，所以拟定方案为最大摆动角度为90度的3自由度机械手，因此本设计采用圆柱坐标型图。

图2-1圆柱坐标式机械手结构图

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如图2-1所示，为圆柱坐标型机械手，机械手的组成为4--支座，3--支柱，2--手臂和1--手。底部支座完成整个机械手的回转运动，支柱完成机械手的升降运动，小手臂负责完成伸缩运动，手抓完成夹紧工件的运动。

2.2 驱动机构的选择

工业机械手的驱动系统，按照动力源分为液压驱动、气压驱动和电动三大类。 （1） 液压驱动系统：由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、惯量大以及在恶劣的环境中工作的机械手。

（2）气动驱动系统：反应快速快，系统结构简单，维护便捷，价钱低廉，适合小，中负载系统。但它可能难实现伺服控制，大部分都用程序来控制机械手。在冲裁和冲压机械手多采用。

（3） 电动驱动系统：由于惯量低，扭矩大，交直流电机及其配套驱动被广泛应用于机械手的驱动中，它是驱动中很广泛的一种选择。

气压系统具有一些独特的优点：

（1）可从空气中获得能源，在同一时间，所用的空气可以直接排入到的空气中，使用方便，在空气管道泄漏的情况下，除了造成部分的损失，不会造成十分严重的影响，不污染环境。

（2）空气的粘度非常小，在管道压力损失，严重影响较小，从而有利于集中供气和运输。

（3）压缩空气压力低（一般为0.3?0.8），因此，执行元件材料的要求低。 （4）可简单的进行维护，管不容易堵塞，无介质变质，补充，更换和其他问题。 （5）使用安全，无爆炸的问题，可完成自动保护过载问题。

（6）材料的选择也是根据气动特有性质来选择，可在恶劣环境下（强烈振动，冲击，强辐射和强腐蚀）下正常工作。

因为本机械手抓取的物料重量基本在10KG以内，因此抓取力并不大，所以选用气压驱动来完成，但在底部的回转决定使用电机来完成。

2.3 机械手的主要部件及运动

在选定圆柱坐标式机械手的基本方案后，为了达到设计任务所需要的要求， 在我的机械手设计中具有3个自由度既：手臂伸缩；手臂升降：手臂回转3个主要运动。

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本设计机械手主要由4个大部件3个气压缸和一个电机组成： （1）手部，采用一个直线气压缸，通过机构运动实现手抓的张合。 （2）臂部，采用直线缸来实现手臂平动80mm。 （3）机身，采用一个直线缸来实现升降。 （4）底部采用回转电机来实现手臂回转。

2.4 机械手的技术参数列表

（1）芯模尺寸是Φ40mm，长度是800mm，材料为模具钢； （2）升降行程250mm，伸缩行程80mm； （3）实现两个方向的90°旋转运动，并可自锁。 （4）手臂运动参数：

伸缩速度：<250mm/s； 升降速度：<60mm/s； 回转范围：0~180度； 回转速度：<70/s。

（5）定位方式：行程开关或可调机械挡块 （6）驱动方式：气动，PLC控制 （7）定位精度：+—0.5mm

3 机械手结构设计

3.1 手部设计基本要求

（1）应该有合适的夹紧力的原动力，手指握力（夹紧力的大小，应适应），用力过大，功耗会太浪费，巨大的结构，费用较大，甚至会损坏工件;力量太小，然后钳不居住或松动，脱落。除了考虑工件的重量，在设定的握力，应该考虑也可以传送或过程中产生的惯性力和振动的操作，以确保工件夹紧的安全。对于手，应该有足够的动力驱动装置。应当指出，由于传动比是不同的，在不同条件下一定的夹紧力，传输机

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制的驱动力是不同的。

（2）手指应该有一定程度的开放和收紧距离，手指有足够的张开角度（开放的手指封闭约转角支点），以方便握持或退出工件。

（3）应保证内部的手指夹紧精度，应确保每个夹紧工件，手指精确的相对位置。在一定范围内的要求，这是更重要的，如曲轴，一类复杂的工件在机轴，凸轮，严格，所以在夹紧工件的机械手的安装位置应保持相对定位精度。

（4）要求具有结构紧凑，重量轻，效率高的优点。在保证本身的刚度，强度的前提下，尽可能使结构紧凑，重量轻，为了减少负载臂。

（5）应考虑为一般和特殊要求。在一般情况下，一方面是比较特殊，为了扩大其使用范围，提高其通用化程度，以适应不同尺寸的工件夹紧，通常使用的手指可以调整方法。作为替代，甚至更换整只手的手指等。此外，也考虑能适应工作环境的特殊要求，如：耐高温，耐腐蚀，能承受锤冲击力。

3.2 典型的手部结构

（1）回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。 （2）平移型即两手指相对支座作往复运动。 （3）平面平移型。

3.3 机械手手爪的设计计算

3.3.1 选择手爪的类型及夹紧装置

本设计做的是芯模搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：夹取重量约为10Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。

通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。 3.3.2 手抓的力学分析

下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆图3.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。

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F

F1F1 F2

O1 O2

Fn Fn

F1'

图3-1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析

1——手指2——销轴3——杠杆

在杠杆3 的作用下，销轴2 向上的拉力为F，并通过销轴的中心点O，两手指1 的销轴收到滑槽的反作用力为F1 和F2，同时它力的方向垂直于滑槽的中心线OO1 和OO2 并指向O点，交F1 和 F2 的延长线于A 及B。

由?Fx?0 得F1?F2 由?Fy?0 得F1??F1' 由?M01(F)?0

(3-1)

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