基于抓取圆柱形棒料的多关节型机械手结构研究

基于抓取圆柱形棒料的多关节型机械手结构研究摘要：针对装配车间中传统人工抓取与搬运圆柱形棒料所面临的效率低下、劳动强度大、易出错等问题，本研究设计了一种专门用于抓取圆柱形棒料的多关节型机械手装置。该装置实现了圆柱形棒料的自动化搬运与精准抓取，显著提升了工作效率，并有效降低了搬运成本。装置采用减速电机与谐波减速器的传动方式，确保机械手的运动平稳且精准。对机械手的夹紧装置、手臂抓取装置、腕部结构及手爪进行了详尽的设计与优化，使机械手结构紧凑、轻巧且高效。最后，利用SolidWorks进行了建模仿真与整体装配设计，验证了各部件之间的配合与运动关系，确保了机械手在实际应用中的可靠性和稳定性。关键词：多关节机械手自动化抓取Solidworks建模仿真随着工业4.0时代的到来，企业正面临前所未有的提高生产效率的压力。传统制造业中，大量依赖人工的重复性劳动如物料搬运、焊接作业等，不仅效率低下，还占用了大量的人力资源。多关节型机械手不仅可以快速地提高工厂的生产力水平，还可以减少劳力资源和时间的损耗，大大提高了工业生产的效益。同时，对于工人无法涉及或条件受限制的领域，比如空间狭隘、温度极端、杂物较多的地方，机械手能完成预定任务。本文通过分析机械手执行动作功能要求，确定了手臂结构、末端执行器结构以及驱动方式，设计了一种用于抓取圆柱形棒料的多关节型机械手。1机械手的整体结构设计本文设计的多关节型机械手主要用于夹取小型圆柱形棒料的工件，质量在2kg以内，适用于轻至中等负荷的物料搬运和精密装配作业。要求实现机械手在腰部的旋转、大臂的升降与伸缩、小臂的升降、手爪的开合等功能，并与物料台的自动送料相配合，在水平面能够实现定点取物、定点放物的功能。总体设计要求如下：(1)抓重：2kg。(2)自由度数：4个自由度。(3)坐标型式：垂直多关节型。(4)手臂参数：大臂为480mm,小臂为532mm,回转速度为6°/s。(5)手指夹持范围：70mm圆柱状。(6)驱动方式：电机驱动。(7)控制方式：PLC(FX2n-系列)。根据设计要求，所设计出的机械手总体三维结构如图1所示。整体结构设计设置了4个自由度，分别是：底座的旋转，大臂的回转，小臂的底座：采用了直流伺服电机与一级齿轮减速实现底座的旋转360°旋转。大臂：采用伺服减速电机实现了大臂的±90°回转。小臂：采用伺服减速电机实现了小臂的±90°回转。腕部：采用伺服减速电机和齿轮组的结合机构实现了腕部的±90°回转。手爪：采用了气缸，通过活塞和拉杆的运动来实现手爪的张开和闭合。1.1基座部分设计基座部分由伺服电机、齿轮、轴、轴承、联轴器等所组成。具体如图2所示。伺服电机选用选110S-CZK01直流宽调速伺服电机，额定功率：0.166kw,额定转矩：1.05—17.6N.m,额定转速1500r/min。考虑到传递功率不大，且对结构尺寸无严格要求，齿轮材料选用45钢，齿轮为8级精度。小齿轮调质处理，小齿轮齿面硬度217～255HBS,大齿轮正火处理，齿面硬度162～217HBS;小齿轮齿数Z1=25,大齿轮Z2=125。轴的材料为45号钢，经调质处理后表面硬度220～250HBW。具体尺寸如图3手臂是机械手的重要部件，主要是辅助腕部还有手爪(包括抓取工件),并能与腕部一起在规定的范围内运动。臂部包括小臂和大臂，采用伺服减速电机驱动实现回转运动。如图4所示。大臂电机选用：安川SGMJV—04AH1减速电机，减速后额定转速为10n/min,额定输出扭矩为25N.m,减速比为160,减速后的转速为10n/min。小臂电机选用：安川SGMJV—A5AAH1减速电机，减速电机额定转速为600n/min,效率n=80%。根据所需转矩，选择region-detail-titleXB3偏平式谐波减速器，机型为25,额定输出扭矩为5.5N.m,减速比为160,减速后的转速为10n/min。由于腕部的电机装在小臂上，考虑到整体的结构以及运动性能，选择型号为80imagel50-C-Z-25G10减速电机。该减速电机机相关技术参数如下：额定转矩为2.1N.m,减速比为1:75,减速后的额定转速为20r/min。如图5所示。1.4手爪设计机器人的末端操作器是机器人直接用于抓取、握紧、吸附专用工具(如喷枪、扳手、焊具、喷头等)进行操作的部件，它能够模仿人手的动作，是最重要的执行机构，安装于机器人手臂的前端。本设计选择滑槽杠杆回转型手爪，杠杆形手指4的一端装有V形指5,另一端则开有长滑槽。驱动杆1上的圆柱销2套在滑槽内，当驱动连杆和圆柱销一起做往复运动时，即可拨动两个手指各绕其支点(铰销3)作相对回转运动从而实现手指的夹紧与松开动作。滑槽杠杆式传动机构的定心精度与滑槽的制造精度有密切的关系。因活动环节较多，配合间隙的影响不可忽视，此机构依靠驱动力锁紧，机构本身无自锁性能。滑槽式杠杆回转型手部结构如图6所示。2作品的创新点(1)四自由度垂直关节设计：独特的四自由度垂直关节结构，使机械手在垂直空间内具备高度的灵活性与广泛的作业覆盖能力，解决了传统机械手在三维空间操作中的局限性。(2)减速电机与谐波减速器结合：实现高效、稳定的传动效果，提高整个传动系统的效率。谐波减速器的高传动精度和减速电机的高控制精度，实现传动系统(3)结构紧凑：减速电机直接驱动肩关节以及肘关节，避免采用过多齿轮组，使得结构更加紧凑，简洁，工作空间大，灵活性强，传动效率大，有利于机器人的总体结构设计，有效地提高了机械手的性能。3项目的应用价值和转化场景(1)提升工业生产效率：通过优化垂直多关节型工业机械手的结构设计与控制系统，项目将显著提升工业生产的自动化水平，提高生产效率，减少生产周期，为制造业企业带来显著的经济效益。(2)降低人力成本：高效的自动化生产将减少对人工的依赖，特别是在一些繁重、危险或高精度要求的作业环境中，机械手的应用可以大大降低人力成本，同(3)保障人员安全：在恶劣或高风险的工作环境中，如高温、高压、有毒有害等场所，机械手的应用可以有效保障人员安全，减少工伤事故的发生。[1]华群，陈舰.一种四自由度上下料机械手运动学分析[J].南方农机，2022,53(23):34-37.[2]马宇航.