机械手的结构体系设计

邱红伟

（广西壮族自治区特种设备检验研究院，广西 南宁 530200）

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备[1]。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。设计的机械手上臂、肘、下臂三部分组成，各部分长15cm；最大抓取重量在100g，装载面积为54mm×54mm；所有电机采用闭环控制，可以定位编程。

1 总体结构设计

机械结构是机器手的骨架，机械结构的好坏直接影响着机器手的功能[2]。机械手可细分为五个部分：

（1）底座；

（2）上臂；

（3）肘；

（4）下臂；

（5）末端操作器。

机械手设计为五个自由度，每个自由度分别由五个带有一定自锁功能的电机控制，其大致的框架如图1所示。

图1 机器手机械结构框架

2 机械手电机选取

作为机械手的动力来源，电机的选取至关重要，这要考虑到很多的因素，第一点是电机的各项性能参数[3]，选取直流电机主要考虑的主要参数有空载转速、额定转速、额定转矩；第二点是电机的外形尺寸和形状，例如电机的输出轴，输出轴的外形和尺寸要选取易于与齿轮链接并且可以固定得较紧的D形轴；通过下面的计算可得出机械手所需电机的参数。

按照设计的要求，要抓取100g重量的物体，加上肘和下臂自身的重量，预计上臂电机所要带动的重量为1kg，所选齿轮的小齿轮的分度圆直径为d1=17mm，大齿轮的分度圆直径为d2=34mm，机械手的肘长L1=150mm，下臂长L2=150mm，由此可得出所需电机最小额定转矩为：

现有电机额定转矩为25kg·cm、额定转速为24r/min，由此可得出额定功率为：

由于大臂处的电机所要求功率最大，所以底座电机和肘电机可用相同的型号电机即可。电机的尺寸不可选得过大，过大了一方面显得机械手比较笨拙，另一方面则增加了重量。

3 底座设计

底座的作用主要是使得整个机械手可以固定起来，从而实现机械手的各项功能，底座设计的好坏可以影响到机械手的固定的稳定程度，同时也可影响到机械手的定位精度。底座是机械手受力最大的部位，机械结构设计的好坏直接影响到机械手的灵活性和稳定性[4]，同时还需要考虑底座各个零部件的加工和材料的选择，因此综合考虑后决定采用两个圆锥滚子轴承做为支撑轴承，而推力轴承的型号需要考虑两方面的因素，一方面是能否与所设计的齿轮和轴的尺寸能否相配合，另一方面是考虑轴承的最大承受力。通过查找推力轴承的国标后决定选用型号为：30204GB/T297-94、30205GB/T297-9。

底部的旋转采用一对直齿圆柱齿轮做为传动机构，小齿轮的齿数为Z=25个齿，大齿轮齿数为Z=55个齿，模数为m=1.25。由于圆锥滚子轴承的轴所受的力为轴向力，因此径向所受的力可忽略不计。

4 大臂和肘的设计

机械手大臂按照要求其臂长为15cm，分为左臂板和右臂板。大臂与肘通过两根固定在大臂上但可自由旋转的轴来连接，大臂上固定一个有一定自锁功能的电机，此电机做为驱动肘进行旋转的动力，动力的传动同样采用一对直齿圆柱齿轮做为传动机构，齿轮的模数m=1,大齿轮的齿数Z=34；小齿轮齿数Z=17；轴的大小可以通过以下计算得出：

由于所选用的电机的输出功率为Pd=6.5 W,经过齿轮传动后有功率损失，最后在传动到轴上的功率为：

方法 磁共振成像采用GE 3.0T 磁共振扫描仪采集图像，采集线圈采用8通道脊柱线圈。扫描序列包含矢状位T2加权成像及T1加权成像，横轴位T2加权成像，注射磁共振对比剂后行横轴位、矢状位及冠状位T1加权增强扫描。

电机在额定转矩下的转速为25r/min，通过齿轮传动可得轴的转速为：

由此可确定轴的最小直径为：

由于肘和上臂上都需要安装一个电机，所以肘的结构和上臂的结构是一样的，所不同的是臂板的面积尺寸不一样。

5 机械手末端执行器设计

机械手（Hand）也叫末端执行器(End-effecter)，相当于人的手爪，主要作用是夹持物体或者是夹持工具并使工具按照规定的程序完成指定的动作。

人类抓取物体的动作大致为捏、握和夹三大类，不同的抓取方式决定于手爪的结构和自由度。手爪除了有足够的夹持力外，还要应保持适当的精度，最好还要能顺应物体的表面形式来抓取。对于机器手的结构有以下三类方案可以选择：

机械手为夹持型、机械手为悬挂型、机械手为吸盘型。

夹持型的机械手是目前使用最为广泛的一种形式。分为内撑式、外夹式、内外夹持式。还有滑槽杠杆式、连杆杠杆式等各种形式的机械夹持型机械手。它们的特点是依靠固定在肢体的两个手爪来夹持物体。优点：制作简单，结构也不复杂，只需一个驱动或两个驱动便可以执行任务。缺点：不能夹持不规则的物体，对于被夹持的物体还需有可以夹持的部位，否则此类机械手达不到意想的效果。滑槽杠杆式机械手特点：通过调整各杆之间的角度或杆长,改变握力的大小及指间的开闭角。优点：结构简单、动作灵活、夹持角较大。缺点：工件的直径误差会引起夹持后的工件的中心线发生移动。连杆式机械手特点：操纵杆上下移动，即可带动连杆使之做夹持和释放动作。优点：结构简单，操作简单。缺点：此种机构开闭角较小，操作速度慢。

（1）设计合适的开距离或角度，以便抓取和松开工件。

（2）要有足够的夹紧力，保证可靠、安全地抓取和运送工作。

（3）能保证物体在机械手内准确定位。

（4）尽可能使结构紧凑、重量轻。

（5）要考虑到机械手可调整性，即张开的角度可以调整或者伸缩的距离可以调整。

比较以上三种方案：悬挂式的机械手在重力方向受到约束，动作不够灵活，再加上此类机械手的定位困难，出于众多因素的考虑，悬挂式机械手方案不可取。吸盘式的机械手虽然夹持力较大，可靠性高，但物体表面的干净度、平整度、干燥度影响吸盘吸力的大小，影响机械手的正常作用发挥。加之吸盘的大小和吸盘吸附的物体面积的大小又影响吸力的大小。在晃动过程中容易如果吸盘力部够容易掉落，因此这个方案也不可取。夹持式机械手操作方便、结构简单、动作灵活、速度较快。对于夹持重量不大的方案来说比较可取。基于以上因素，夹持式机械手方案可取。

6 机械手机械材料的选择

机械手使用的材料大部分是用于结构，一般应该是金属材料。在机械手运动时不应该产生严重的变形和断裂，从力学的角度即具有足够的强度。因此主要材料选用各种碳钢和铝合金。这两者比较，机械手应选取重量比较轻的材料，以减少自重的负担，因此除了特别讲究强度，刚度以及抗摩擦磨损性的机构，一般更多选用铝合金作为结构构件的材料。材料截面对构件质量和刚度施加重要的影响，因此通过合理选择构件的截面可以较好地满足机器手的使用要求，如空心圆截面、空心矩形截面、工字截面等。若空心矩形截面边长为a，壁厚为t的正方形，空心圆截面的外圆直径也为a，壁厚也为t，且令t＝0.2 a，通过计算可以得出，在相同壁厚的条件下，正方形空心截面比空心圆截面的惯性矩高69%～84%，而质量仅增加27%。壁厚越薄，则效果越明显。若比较条件改为空心矩形截面和空心圆截面型材的截面相等，且D0＝a，设空心圆截面壁厚tD＝0.2 a，可以计算出正方形空心截面的壁厚为tF＝0.147 a。此时，正方形空心截面比空心圆截面的刚度提高了40%～60%。因此，无论从什么角度来衡量，空心矩形截面都比空心圆截面的刚性优越。从设计、装配的角度来看，矩形截面也有一定方便之处。圆截面型材用作伸缩关节时则比较容易装配。标准件就是按照国家标准(GB),行业标准,或者国外的标准生产的零件,主要是为了维修替换方便,如螺钉、键、法兰、轴承等都是标准件,在设计的时候可以直接从市场上买到所需的零件,而不需要专门的单独制作,减少了成本,提高了劳动效率。非标准件是那些从市场无法直接买到,而必须联系专门的厂家定做的零部件，当然成本比较高,而且维修比较麻烦,一般尽量不用非标准件。也有些部件目前还没有统一的标准,也无法形成标准,例如齿轮、带轮必须单独加工，因此选用一些标准件可以减少很多的设计和加工的工作量。

7 机械手机械整体设计

将五个部分：（1）底座；（2）上臂；（3）肘；（4）下臂；（5）末端操作器组装起来就可以组成一个机械手，这五部分的组合可以设计一些特定的零件来进行连接固定，设计师需要特别注意零件的各个尺寸，设计的尺寸不能在装配时产生干涉，轴与轴承、轴承与轴承座的配合是过盈还是间隙配合；为了安装或者配合得更好，一些零件的固定孔应该设计成U形孔，以方便调整位置。设计的结构同样要考虑安装的方便，比如轴承的装配、螺钉是否容易安装等。总地来说零件的尺寸和结构要根据整体的需要来设计，需要考虑的方面很多，在设计完成后可用3D软件进行装配，检查哪些设计部合理（图2）。

图2 机械手装配三维图