多自由度機械手設(shè)計

劉有志 霍洪升 朱桂霖

摘?要：隨著當前我國現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)力和自動化技術(shù)水平的進一步提高，工業(yè)現(xiàn)場依舊普遍存在許多有關(guān)處理易燃、易爆炸物品的高危作業(yè)項目和重體力的工作職位，因此多自由度機械手的研發(fā)迫在眉睫，本文設(shè)計的多自由度機械手主要包括了機械手部結(jié)構(gòu)、操縱器機械結(jié)構(gòu)與自動控制機械系統(tǒng)，通過PLC來控制電機的旋轉(zhuǎn)與液壓缸的伸縮與舒張從而進行物料的夾緊與放松。

關(guān)鍵詞：機械手;PLC;液壓

引言

現(xiàn)如今世界各國的機器人市場競爭很激烈，我國要在這個激烈的國際競爭中立于不敗之地，就必然需要擁有屬于我國自己的機器人技術(shù)，未來全球高科技市場的競爭更重要的必然是機器人人才的競爭。機械手因可以模仿人手和手臂的一些基本動作，按照一個固定的運動程序表來對特定物體進行精確捕捉和自動抓取。它不僅僅可用來代替工人的日常生產(chǎn)管理勞動，也可以在有害的工作環(huán)境下有效保護操作人員的人身安全，因而被廣泛地應用推廣到了工業(yè)機械制造、電子、原子能等各個部門。

1.機械手結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計

本文所設(shè)計的多自由度機械手，采用電動機帶動底座旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)總體的旋轉(zhuǎn)，并且電機的齒輪盤與底座的齒輪盤直接咬合，齒數(shù)比為傳動比，起到了降速増扭的作用并且去掉了單獨的減速器。通過液壓缸的伸縮來實現(xiàn)機械手的升降與伸縮，手爪結(jié)構(gòu)采用了蝸輪蝸桿連接，通過蝸桿旋轉(zhuǎn)來帶動渦輪的旋轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)機械手爪的張合與夾緊。因此可以實現(xiàn)30Kg目標抓取工作，通過圓柱座標可以實現(xiàn)三個自由度、回轉(zhuǎn)范圍在0到180°和加持角60°的工作狀態(tài)。

1.1手部和臂部設(shè)計

1.1.1手部設(shè)計

機械手的作用手部工作是最重要的機械操縱手和執(zhí)行機械部件，是專門的人用來負責操縱和執(zhí)行握持各個機械工件，本文采用機械夾持型手部結(jié)構(gòu)圖如1.2所示，可以實現(xiàn)手抓張合角60°，夾取重量為30Kg的工件，通過夾緊力公式，其中式中：式中：——安全系數(shù)，通常1.2～2.0（本文取1.5）;

——工作情況系數(shù)（其中a是重力在改方向的最大上升加速度?本文的根據(jù)最大速度和響應時間確定出，a速度為0.2），——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇（本文選擇0.5）。

1.1.2臂部設(shè)計

本文所設(shè)計的手臂的動作應包括3個動作：伸縮，旋轉(zhuǎn)和抬起，所以手臂必須保持具有3個自由度，這樣才可以滿足一個基本的要求，即伸縮臂和左右回復旋轉(zhuǎn)及舉升等運動故本文采用的是雙軸液壓活塞結(jié)構(gòu)，而本文采用的手臂驅(qū)動力是液壓驅(qū)動，為保證手臂的工作要求，選擇了雙作用導軌伸縮機構(gòu)。液壓缸采用雙作用液壓缸。液壓驅(qū)動力是驅(qū)動臂部運動的關(guān)鍵，其影響驅(qū)動力F因素包括克服的摩擦力和慣性和回轉(zhuǎn)力等，綜合考慮后通過公式：得出1807N。

1.2電機的選擇

步進電機是驅(qū)動機身旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動動臂提升，其安裝在肋骨上，根據(jù)上升速度V=100mm/s，P=1.1KW，所以選擇大于n=1000轉(zhuǎn)/分的電機。所以選擇屬于籠型異步電動機的Y90S-4電動機。

1.3液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

機械手臂工作腔室的運轉(zhuǎn)速度及其工作腔室依靠油的流量及壓力決定。因此，只要通過控制油輪的流量和壓力，就已經(jīng)可以實現(xiàn)了控制各個機械手臂動臂組織的運行速度及其操作能力。液壓通常是在5- 140kg / cm 之間的值，并且動臂內(nèi)部最大力矩也可以達到160公斤左右其液壓圖如圖1所示：

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

本次設(shè)計的機械手采用的為s7-200小型可編程程序控制器，并采用西門子PLC進行I/O分配編程，通過手臂伺服放大器將上位機信號中轉(zhuǎn)給伺服閥與伸縮缸并且進行了反饋控制。

3 結(jié)論

本文所設(shè)計的多自由度機械手可以實現(xiàn)夾持角為60°并將工作半徑為180重量為30kg左右的工件從一條生產(chǎn)線上搬運到另外一條生產(chǎn)線的工作過程，設(shè)計安全可靠，可以實現(xiàn)物料的搬運。

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