多自由度机械手设计

刘有志 霍洪升 朱桂霖

摘 要：随着当前我国现代工业生产力和自动化技术水平的进一步提高，工业现场依旧普遍存在许多有关处理易燃、易爆炸物品的高危作业项目和重体力的工作职位，因此多自由度机械手的研发迫在眉睫，本文设计的多自由度机械手主要包括了机械手部结构、操纵器机械结构与自动控制机械系统，通过PLC来控制电机的旋转与液压缸的伸缩与舒张从而进行物料的夹紧与放松。

关键词：机械手;PLC;液压

引言

现如今世界各国的机器人市场竞争很激烈，我国要在这个激烈的国际竞争中立于不败之地，就必然需要拥有属于我国自己的机器人技术，未来全球高科技市场的竞争更重要的必然是机器人人才的竞争。机械手因可以模仿人手和手臂的一些基本动作，按照一个固定的运动程序表来对特定物体进行精确捕捉和自动抓取。它不仅仅可用来代替工人的日常生产管理劳动，也可以在有害的工作环境下有效保护操作人员的人身安全，因而被广泛地应用推广到了工业机械制造、电子、原子能等各个部门。

1.机械手结构的总体设计

本文所设计的多自由度机械手，采用电动机带动底座旋转来实现总体的旋转，并且电机的齿轮盘与底座的齿轮盘直接咬合，齿数比为传动比，起到了降速増扭的作用并且去掉了单独的减速器。通过液压缸的伸缩来实现机械手的升降与伸缩，手爪结构采用了蜗轮蜗杆连接，通过蜗杆旋转来带动涡轮的旋转从而实现机械手爪的张合与夹紧。因此可以实现30Kg目标抓取工作，通过圆柱座标可以实现三个自由度、回转范围在0到180°和加持角60°的工作状态。

1.1手部和臂部设计

1.1.1手部设计

机械手的作用手部工作是最重要的机械操纵手和执行机械部件，是专门的人用来负责操纵和执行握持各个机械工件，本文采用机械夹持型手部结构图如1.2所示，可以实现手抓张合角60°，夹取重量为30Kg的工件，通过夹紧力公式，其中式中：式中：——安全系数，通常1.2～2.0（本文取1.5）;

——工作情况系数（其中a是重力在改方向的最大上升加速度 本文的根据最大速度和响应时间确定出，a速度为0.2），——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择（本文选择0.5）。

1.1.2臂部设计

本文所设计的手臂的动作应包括3个动作：伸缩，旋转和抬起，所以手臂必须保持具有3个自由度，这样才可以满足一个基本的要求，即伸缩臂和左右回复旋转及举升等运动故本文采用的是双轴液压活塞结构，而本文采用的手臂驱动力是液压驱动，为保证手臂的工作要求，选择了双作用导轨伸缩机构。液压缸采用双作用液压缸。液压驱动力是驱动臂部运动的关键，其影响驱动力F因素包括克服的摩擦力和惯性和回转力等，综合考虑后通过公式：得出1807N。

1.2电机的选择

步进电机是驱动机身旋转并驱动动臂提升，其安装在肋骨上，根据上升速度V=100mm/s，P=1.1KW，所以选择大于n=1000转/分的电机。所以选择属于笼型异步电动机的Y90S-4电动机。

1.3液压驱动系统设计

机械手臂工作腔室的运转速度及其工作腔室依靠油的流量及压力决定。因此，只要通过控制油轮的流量和压力，就已经可以实现了控制各个机械手臂动臂组织的运行速度及其操作能力。液压通常是在5- 140kg / cm 之间的值，并且动臂内部最大力矩也可以达到160公斤左右其液压图如图1所示：

2 控制系统设计

本次设计的机械手采用的为s7-200小型可编程程序控制器，并采用西门子PLC进行I/O分配编程，通过手臂伺服放大器将上位机信号中转给伺服阀与伸缩缸并且进行了反馈控制。

3 结论

本文所设计的多自由度机械手可以实现夹持角为60°并将工作半径为180重量为30kg左右的工件从一条生产线上搬运到另外一条生产线的工作过程，设计安全可靠，可以实现物料的搬运。

参考文献：

[1]曹弋，朱兴明，张华，鞠勇，曹源.机械手实现3D打印复杂移动轨迹的设计[J].南京师范大学学报（工程技术版），2019，19（01）：40-44.

[2]孙秀茹，邓丰山.基于气压传动的搬运机械手设计研究[J].液压气动与密封，2019，39（04）：38-43.

[2]贾晨光.PC构件钢筋网片自动弯曲成型系统[J].建筑机械化，2019，40（09）：23-26.

[3]孟超.一种新型多自由度高枝修剪机械手设计与試验[J].中国农机化学报，2020，41（03）：67-73.

[4]鄢强，吴亮，宋慧瑾，吴燕，冉强林.五自由度机械手结构及电气控制设计[J].成都大学学报（自然科学版），2020，39（03）：304-309.