基于“慧魚(yú)”模型的工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)

劉永嘉　張智輝　李志英

摘 要：本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手以慧魚(yú)模型為基礎(chǔ)，它能替代部分人工操作；能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定的時(shí)間、程序和維度來(lái)完成工件的傳送與裝卸；能制作必要的器具進(jìn)行焊接與裝配，從而大大改善工人勞動(dòng)量，顯著地提高生產(chǎn)率，加快工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化步伐。

本設(shè)計(jì)使用ROBO Pro（慧魚(yú)）軟件控制ROBO TX控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)基于慧魚(yú)模型的機(jī)械手的操作控制。通過(guò)ROBO Pro程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制，改變程序就可實(shí)現(xiàn)不同的控制要求。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)械手；慧魚(yú)模型；ROBO Pro

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.設(shè)計(jì)題目的提出及主要任務(wù)

經(jīng)過(guò)歷史的考驗(yàn)，機(jī)器人對(duì)我們的生產(chǎn)和生活越來(lái)越重要。單位時(shí)間內(nèi)的次品率也越來(lái)越低，同時(shí)我們工作更加輕松，只需控制好操作面板，也就是機(jī)器人的控制系統(tǒng)。與此同時(shí)，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品品質(zhì)更加完美，這樣可以顯著節(jié)省成本開(kāi)支。鑒于其重要作用，因此它被列入很多國(guó)家的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，機(jī)器人是一門(mén)綜合了機(jī)電子、電子計(jì)算機(jī)及仿生人工智能等諸多專(zhuān)業(yè)的新興學(xué)科。

本次設(shè)計(jì)以現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)械手為基礎(chǔ)，依靠慧魚(yú)模型，設(shè)計(jì)以傳送、運(yùn)輸為主要功能的新型工業(yè)機(jī)械手。

2.機(jī)械手的組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手一般由執(zhí)行、驅(qū)動(dòng)、控制等機(jī)構(gòu)3部分組成。

（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)

由傳遞裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)以及末端操作器組成。

①夾持部分

這是機(jī)械手的獨(dú)立的執(zhí)行部件，夾持部分采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)控制手抓的加緊、釋放。

由于工業(yè)機(jī)器人的手部通常是專(zhuān)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(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。

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(dòng)機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易構(gòu)件，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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(jī)器人一般要有6個(gè)自由度才能使末端操作器到達(dá)目標(biāo)位置和處于期望的狀態(tài)。

③手臂

臂部有大臂小臂或多臂構(gòu)成，一般有2～3個(gè)自由度，即伸縮回轉(zhuǎn)，俯仰或則升降。同時(shí)再設(shè)計(jì)臂部的時(shí)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(shí)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性更嚴(yán)重地導(dǎo)致變形，導(dǎo)致臂部的承受載荷大小都發(fā)生變化，運(yùn)動(dòng)速度和定位精度也不行；運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性要好，精度要高，它是機(jī)械手的重要指標(biāo)；重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，為了提高運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度，盡量減小臂部的重量，同時(shí)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(dǎo)向性要好，一面手臂在直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

手臂在進(jìn)行伸縮或升降移動(dòng)時(shí)，為了使手臂在直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不致發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以保證手部運(yùn)動(dòng)方向的正確性。所以這就需要導(dǎo)向裝置，同時(shí)在設(shè)計(jì)導(dǎo)向裝置時(shí)要考慮到實(shí)際載荷的大小，手臂長(zhǎng)度行程以及手臂安裝方式的影響。同時(shí)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。

⑤機(jī)座

機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都安裝在機(jī)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(jié)合的方式控制整個(gè)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)。采用蝸桿機(jī)構(gòu)，并由電機(jī)提供動(dòng)力。

（2）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于把驅(qū)動(dòng)原件的運(yùn)動(dòng)傳遞到機(jī)器人的各末端操作器，一般的常用的液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)。

（3）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)向機(jī)械手發(fā)出各種指令，讓其能夠再找要求完成各種任務(wù)的裝置。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)多半由電氣定位系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)構(gòu)成。它使機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)機(jī)械手接受的指令信息被存儲(chǔ)起來(lái)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的按照接收的信息對(duì)各末端操作器發(fā)出指令，還可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)未按照預(yù)定軌跡工作或出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)就會(huì)發(fā)出報(bào)警。

（4）位置檢測(cè)裝置

位置檢測(cè)裝置由一個(gè)線(xiàn)鐃電阻和一個(gè)滑動(dòng)觸電組成。當(dāng)被檢測(cè)量的位置發(fā)生變化時(shí)，滑動(dòng)觸電也隨之移動(dòng)，從而改變了接入點(diǎn)路電阻值的大小，從而改變電壓，來(lái)更清楚地反應(yīng)位置的變化。

3.慧魚(yú)機(jī)械手的主要元器件

慧魚(yú)模型主要包含三大類(lèi)構(gòu)件，包括機(jī)械類(lèi)元件、電器類(lèi)元件和氣動(dòng)元件。本次設(shè)計(jì)的慧魚(yú)機(jī)械手主要由機(jī)械類(lèi)元件、電器類(lèi)元件構(gòu)成。

（1）機(jī)械類(lèi)元件

機(jī)械類(lèi)元件主要有：聯(lián)桿、齒輪、鏈條、齒輪軸、萬(wàn)向節(jié)、履帶、差速器等。

（2）電器類(lèi)元件主要包括：直流電機(jī)（9V雙向）、傳感器、接口電路板等

運(yùn)用慧魚(yú)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本元件，輔以傳感器、控制器和軟件的配合，運(yùn)用設(shè)計(jì)構(gòu)思和實(shí)驗(yàn)分析，可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)過(guò)程的還原，更可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機(jī)械設(shè)備操作的模擬，使得技術(shù)創(chuàng)新和生產(chǎn)批量化的可行性成為可能。

4.控制系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)了存在的一些問(wèn)題，如重復(fù)精度不精確、往返行程過(guò)長(zhǎng)、抓取不牢固等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)改進(jìn)、調(diào)試控制程序完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，設(shè)計(jì)ROBO Pro程序如圖1所示。

此程序中機(jī)械手從初始位置開(kāi)始，電機(jī)M2工作，使機(jī)械手的腕部向下偏轉(zhuǎn)，到達(dá)指定位置后，電機(jī)M4工作，使機(jī)械手張開(kāi)閉合抓取工件，接著電機(jī)M3工作，帶動(dòng)機(jī)械手臂上升至頂部，隨后電機(jī)M1工作，帶動(dòng)機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)一定角度后，電機(jī)M3工作，使機(jī)械手臂下降至指定高度，電機(jī)M2工作，使腕部偏轉(zhuǎn)至工件釋放位置，電機(jī)M4工作，釋放工件完成搬運(yùn)過(guò)程，最后機(jī)械手返回初始位置，重復(fù)上述過(guò)程。

5.設(shè)計(jì)總結(jié)

（1）機(jī)械手是通用機(jī)械手，它的適用范圍很廣，選用圓柱坐標(biāo)和三自由度體系。

（2）越復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，所需的自由度越多，本次設(shè)計(jì)包括垂直，直線(xiàn)以及旋轉(zhuǎn)3個(gè)自由度。

（3）導(dǎo)向裝置在此次的裝配過(guò)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(yùn)動(dòng)。

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