搬运机械手设计

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1、［科技创新］ 搬运机械手设计 陈 梦雨 宁波大学阳明学院自 然科学类 4班 浙江 宁波 315211 ） 摘 要：本文讨论了在实际应用中经常使用到的几种搬运机械手，并对它们的结构和设计进行了相关探讨 ，总结了机械手设计 中常见的一些问题和 解决方案，并由此引申出相关 的讨论， 进行了一些总结性的陈述。 关键词： 机械手；搬运机 械手；机械手设计 1 引言 在通常的工业机器人系 统中， 机械手是起到 关键作用 的传统 的任务执行部件，也是机器人的 重要部件之一。在 物理结构上， 机械手包含了滑 竿。滚珠丝杆等器件构成；电气方面 ，包含了直 流和交流电机、

2、变频及传感器等部件组成。这个 装置是机电一体化的典型代表之一， 全方面 地覆 盖了多种技术。本文中 提及的机械手，是通过传 感器感应设备工作状态，并经过PLC输出控制信 号，分别控制机械手在水平和垂直方向的位移， 并在适当的时机夹持和放下，具体的控制时机由 传感器进行感应和传递，从而实现在一定范围内 的物料移动。本文中 涉及的搬运机械手，可 以做 出灵活多变的动作，实现在一定的空间范围 内移 动和搬运物体，并且根据物料的变化和操作流程 的改动随时更新自身 参数， 实现多 种用 途。 2 搬运机械手的结构 搬运机械手的作用通常是将物料从一个点搬 运到另一个点，根据实际生产的需要， 这个搬运 过

3、程可能会涉及到水平以及垂直的位移， 某些时 候还需要机械手可以进行转动， 因此在不同 的生 产过程 中， 对机械手灵活性的要 求并不相同。除 了都会涉及到的夹持或者吸附操作之外， 其他的 操作也 可能会有变化。一般来说，搬运机械手是 通过螺旋机构和机械手夹持器来工作的。 2.1 螺旋 机构 螺旋机构的主要 作用，是 将电机或者内燃机 的转动转变成直线上的 运动，同时传递动力。 依 照其性质 ，可以将 其分 类为 滚动螺旋和滑动螺旋 两种常见的类型。依照其用途，可 以分为调整、 传导和传力这三种基本类型。无论是什么样的螺 旋机构，都是由螺杆、螺母和机架组成。 螺旋机构的优点在于结 构足够简

4、单， 制造和 维护都非常容易 ， 传动平稳，噪音低而且容易 自 锁。 2.2 滑动螺旋 机构 通过滑动摩擦， 保持正常工作状态的螺旋机 构， 就是滑动螺旋机构。这样的螺旋机构通常采 用传动性能比较好而且效率高的螺纹，常见的有 A.仅仅由螺母和螺杆组成的机构，在这样的 情况下，螺母会 与机 架固定在一起， 螺杆是转动 并且移动的部件。这样的机构，主要 作用是传递 动力， 因此也被 称为是 传力机构。一 般来说这样 的机构多半用在工时不长而且运作在较低速度下 的场合，通过小转矩 产生 较大的 轴向力。 主要是螺母移动的机构，这样的机构中， 螺 杆转动会引发螺母的位移，主要 用于传递运动，

5、 因此也被称为是 传导机构。同时， 这也是本文中 所涉及的机械手采用的一种螺旋机构。对于机械 手而言，采用这样的传动形式有很大的好处， 其 刚性比较大，而 且传动的结构形式紧凑，因此带 来了更高的传动精度和传动效率。 2.3 滚动螺旋 机构 滚动螺旋机构的特 点是，在 螺旋副内是滚动 摩擦 ， 通常是通过滚珠来实现， 也可以被称为是 滚珠丝杠。这个机构的特征在于， 螺杆和螺母之 间增添了封闭的 循环 滚道，其中放置钢球。当转 动的时 候，钢球会沿着滚道运动并且带动螺母进 行运动，由于这个过程 中， 滚动摩擦力小于滑动 摩擦力，因此可以带来更少的损耗和更高的效率。 依照滚珠循环的不同方 式，

6、可以分为内循环和外 循环两种。 内循环是指在 整个循环过程 中， 滚珠始终与 螺杆接触。而其中有一 部分时间 滚珠脱离螺杆的， 则被称为外循环。对于外循环螺母， 需要设置 一 个反相 器，让滚珠能够返回滚道的另一端完成循 环。 本文中， 机械 手的 横向 运动采用了滚动螺旋 进行传动，这样的滚动螺旋由于有更小的摩擦阻 力， 从而实现了更高的灵敏度要求，同时其传动 效率也做到了 90%以上，在实际使用中，通过宜 兴的调整还可以消除间隙，进一 步提升传动精度。 3 机械手夹持器和机座的结构 3.1 机 械 手 夹 持 器 一般而言，机械手的夹持器多为双指手抓式， 依照夹持器的运动方式，可以

7、分为平移型和回转 型。 其中后者又可以分为单支点和双支点两种类 型，而依照夹持方式，又可以分为外夹式和内撑 夹持的 工件尺寸 和重心发生 改变 的时候，工件的 轴心很容易发生 偏移。而平移型夹持器则不会受 到这种问题的影响，可是 相对而言，其机械结构 就过于复杂，而且需要更大的体积，对制造工艺 的要求也比较高。因此，在设计夹持器的时候， 根据工件的具体要求，应当尽可能低采用结构更 加简单的回转型夹持器。 本文中所 设计的机械手，采用的就是一种 回 转型夹持器。通过滚动螺旋机构进行 连接， 当电 机带动连杆前行， 手抓时间就会产 生夹持动作。 而当后退的时候， 由于弹簧的拉力将手指松开， 完成

8、工件的放落动作。这样的设计可以将摩擦力 控制 在较小的 范围 内，活动更加灵活而且结构也 非常简单。 3.2 机座 对于机械手而言， 机座是重要而 且唯一的 支 撑部分， 这一部分应当可以承受机械手自身的全 部重量，还要额外负担 工作载荷 。因此，机座在 设计的过程中应当注意到给予足够的冗余强度 和 刚度，提供足够的承载能力， 此外，机座还要求 比较大的安装基面， 这样才能保证机械手的平稳 工作。本文中， 采用了普通轴承作为机座的支撑 原件，设计了机座的支撑机构，这种设计， 制造 简单而且成本低廉， 安装和调试都非常方便。 4 整体设计 方案 本文中所 探讨的主要是 轻型的搬运机械手，

9、 并非占地面积很大的大型工程或是重工业用途的 机械手，主要的 目标是完成机械手的结构以及 液 压系统的简单设计， 因此在机械手的执行和驱动 机构是本次的主要 目标。 常见的工业机械手，按照手臂的动作形态， 大致可以分为四种：①直角坐标型；②圆柱坐标 型；③球坐标型；④多关节型。第二种也就是圆 柱坐标型的占地面积较小， 结构简单紧凑而且很 容易实现更高的定位精度，因此本设计中选用了 圆柱坐标型作为设计目标。 选定这个设计 目标后， 设计要求中需要机械 手具有四个自由度：手臂升降、回转、手臂伸缩、 腕部转动。 设计思路是围绕这样的需求，通过液 矩形、梯形和锯齿形螺纹。 滑动螺旋机构有两个主

10、要部件：螺杆和螺母， 依据该螺旋机构的构成以及运作方式，可以将其 分为 两种。 式。 此外，不同的夹持器其驱动方式也不一样， 依照驱动方式可以分为电动、液压和气动三种。 回转型夹持器是一种 结构比较简单的夹持 器， 但是通常只用来夹持固定不变的工件。 当所 压或者滚动螺旋机构，进行四个自由度的动作 从而实现机械手功能。 5 各部件设计及整 合 5.1 手 部 结 构 2013 年 2 期（上） 081 ［科技创新］ 对于机械手而言，手部是至关重要的一 个部 分， 这个部分是 机械手实现其抓取动作的关键， 通过模仿人手的功能，抓取和我进 工件，或者通 过夹持工件，便于后 续

11、操作。这个部分一般被安 排在机械手手臂的前端。尽管 机械手的结构形式 其实并不像人手，而且也未必有人的手指形 状， 甚至 没有手掌，只能通过自身的运动包住握持物 体，但在实际生产中还是需要它 能够实现人手的 功能，因此需要结合 使用场合和工件的特性来设 计专用的手部结构，一 般来说，手部结构有钳爪 式，气吸式 ，电磁式和其他。本文中 采用的钳爪 式，手部结构是由手指和传力机构组成。传力结 构有多种不同的设 计方 案，本文中 采取的滑槽杠 杆式。 在设计手部的时 候，有 几个问题需要优先考 虑，这样才可以保证设计出的机械手能够正常实 现其功能。 ① 保证足够的夹持力 工件在实际的加工过程 中

12、， 不仅有本身的重 量，还会因为传送带所带来的惯性 和震动导致脱 落，因此需要足够的夹持力，保证不会因 为生产 过程中必然发生的 意外而导致工件脱落。 ② 手指间应有最小的开闭角 机械手手指张开与 闭合的两个极限位置所夹 的角度，称为机械手的开闭角。这个角度需要保 证工 件可以顺利地进入和脱落，如果机械手需要 夹持多种尺寸工件，那么按照最大尺寸来进行设 计是 比较合 理的。 ③ 工件在整个过程中的精准定位 工件能够保持最好的位置，与机械手手 部的 涉及也是息息相关的， 需要根据工件的形状，选 择相应的机械手手 部。例如，当工件的形状类似 于圆柱体的时候，才用弧形或者V形的手部设计, 就

13、能够方便地自动定心。 ④ 应具有足够的强度和刚度 机械手的手部如果强度不足，很容易在搬运 的过程中发生弯曲变形甚至 折断，此外， 还要考 虑到工件的影响进行 设计， 但尽量要求结构简单 而且 自重小。 ⑤ 应考虑被抓取对象的要求 抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不 同， 都会影响到手部的形状设计。假定工件重力 为98N ,移动速度为500毫米/秒，移动加速度为 1000毫米/秒 ，选择120的 V 型钳口，匹配当 前条件的夹紧力应为 49N。 5.2 腕部的结构 腕部在整个机械手中，起到了重要的链接和 支撑的作用。首先，腕部是连接手部与臂部的唯 一部件， 具有天然的支撑手部的作

14、用。在进行 腕 部设计时要注意以下几 点： 结构简单， 控制重 量。 灵活可靠， 良好的 密封性 。 需要注意的事，腕部决定了机械手的灵活性， 需要仔细检查各个自由度，并且由 于这里是手部 和机械手臂部的连接点，包括管线也在这里布线， 因此管线的布置和润滑/维修/调整，都是需要注意 的问题 ，设计中这些 问题不 仅要考虑到对自由度 的影响 ， 也要适应工 作环 境的需 求。 另外，如果手腕有油缸，那么 管道要尽量走 手臂内部，这样不仅保证了外观的整齐划一，而 且也保证了管路不会 扭转和外露，减少意外损伤。 结构形式方面 ，本 次机械手设计采用了回转 油缸来实现腕部的转动，这样的结构可以保

15、证紧 凑的结构和更小的体积，但是有密封性差的缺点。 这样的涉及，可 以保证回转角度达到115。 本文设计中， 腕部结构运用了定片和后盖， 回转缸体和前盖的定位是用螺钉完成，而动片和 手部的夹紧缸体也是这样连接，于底座结合成一 体。当回转油缸两侧分别加入压力油的时候， 驱 动动片转动， 这样就实现了手腕的回转运 动。 依照之前设定条件，计算腕部的摩擦阻力矩 为2.50 (N.m);偏置力矩为1.96 ( N • m);惯 性力矩为1.3 ( N • m)考虑到实际中的情况， 取值可以偏大，取力矩为6.9 (N • m) o 5.3 臂部的结构 在机械手的所有 结构中， 臂部是完成位移的

16、主要 执行部分， 此外还起到了支撑手部和腕部的 作用 o 机械手的手臂可以将被抓取的工件运送到 指定的位置上， 因此机械手的手臂一般需要三个 自由度：手臂伸缩、回转和升降。其中后两者是 通过立柱实现， 立柱的横向移动就是手臂的横向 移动。 一般情况下， 手臂上多种的 驱动和传动机构 实现了手臂的运动， 因此这些 机构不仅需要推动 工件的运动，也要承担推动手臂、 手腕和机械手 手部的运动。机械手的工作性能直接受到了手臂 的结构、灵活性和工作范围的影响，因此需要根 据设计所需的抓取重量和运动方式、参考自由度、 运动速度和精度要求来设计手臂。同时，手臂的 涉及过程 中还必须要综合考虑到手臂的受力和

17、一 系列管线的布局，因此是一项难度较大的工作。 通常来说，设计手臂需要注意以下因素 o ① 保证手 臂的刚度 臂部在运动中 承担较大的力， 因此刚度不够 的材料可能产生变形。通过合理的选材和结构设 计，可以有效地保证变形范围可控。一般来说， 弓字形截面弯曲刚度比圆截面大; 空心管的弯曲 刚度和扭曲刚度都超过实心轴。通常，选择钢管 作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。 ② 良好的导向性 手臂在直线移动中，可 能会产生沿运动轴线 的相对运动，为了 避免这种情况， 或设置导向装 置，或设计方形、花键等形式的臂杆。 ③ 偏重力矩要小 偏重力矩指的是 臂部的重量， 对其回转轴所 产生的静

18、力矩。要提高机械少的运转效率，就要 尽量减少臂部的重量，这样就可以减少 手臂对回 转轴的转动惯量。 ④ 能 够 平 稳 运 动 ，精 确定 位 一般来说， 臂部的动量越大， 也就是运动速 度越快，本身质量越大， 那么就会因 为惯性而引 起更大的冲击，导致运动的不平稳和降低精度。 因此紧凑的结构和较轻的重量，加上一些缓冲措 施是非常有必要的。 5.3.1 手臂直线运动机构 机械手的直线运 动包括 伸缩、 升降和横向位 移。这些运动的实现形式是多种多样的，常用的 有丝杆螺母机构、气缸、 油压机构以及活塞缸和 连杆机构，各自的适用条件也都不尽相同。 5.3.2手臂伸缩运动 通过活塞油缸实

19、现手臂的伸缩运动。活塞油 缸采用液压驱动，体积小， 重量轻，许多机械手 设计中都采用了它。适用这样的设计，可以保证 受力条件简单， 结构紧凑，因此传动非常平稳而 且外形更加整齐。这样的设计适用于抓重大行程 长的工作环境。 经过计算，臂部伸缩驱动力为192N，升降驱 动力为1238N，回转驱动力矩为150.8(N • m)。 6 总 结 机械手应用于 生产已经有 几十年的历史， 从 诞生以来，有许多优秀的机械手设计。本文参照 了这些设 计，对过往几十年中， 出现过的多种形 式的机械手设计进行了一 定的总结和阐述， 并概 括性地说明了机械手设计过程中常见的一些问题 和需要注意的事 项， 对于

20、初 学者而言应当是具有 一定的参考价值。在本文的写作过程中，参考了 许多机械手设计方面的经典书籍， 借鉴了其中的 一些观点，也加入了自己一些不够成熟的理解。 通过这些年代不同 的典籍之间的 对比，能够明显 看出在这几十年中， 该领域的进 步和变化， 尤其 是近年来新技术的应用， 让这个原本已经被研究 较为透彻的领域，焕发了新的生机。 参考文献： ［1］ 刘明保，吕春红等.机械手的组成 机构及 技 术 指 标 的 确 定 .河 南 高 等 专 科学 校学 报.2004.1.1. ［2］ 李超.气动通 用上下料机械手的研究与 开发.陕西科技 大学.2003. ［3］ 陆祥生， 杨绣莲.机械手.中国铁道出版 社.1985.1. ［4］ 张建民.工业机械人.北京：北京理工大学 出版 社.1992. ［5］ 史国生 .机械手步进控制 中的应用.中国 工控信 息网.2005.1. ［6］ 李允文.工业 机械手设计 .机械工业 出版 社.1996.4. 082 2013年 2 期（上） 搬运机械手设计 [B 码18无钛链搖 作者： 陈梦雨 作者单位： 宁波大学阳明学院自然科学类班浙江宁波315211 刊名： 魅力中国 英文刊名： Charming China 年，卷(勒： 2013(4) 本文链接：