氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

龍創(chuàng)平，陳豪

（陜西航天機(jī)電環(huán)境工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000）

機(jī)械手設(shè)計(jì)完成之后，可以模仿人的手和手臂，完成手和手臂的功能，最后對(duì)一些物件，按照固定的程序來(lái)完成抓取跟搬運(yùn)。所以，機(jī)械手設(shè)計(jì)屬于機(jī)械電子裝置范圍。在實(shí)現(xiàn)空氣壓縮的基礎(chǔ)上，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手可以完成固定的各項(xiàng)工作，其優(yōu)勢(shì)非常的明顯，用起來(lái)非常的輕便，且還有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，動(dòng)作非常的迅速無(wú)故障等，所以在實(shí)際工作中得到了非常廣泛的應(yīng)用。

1 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案

可以對(duì)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行以下四個(gè)部分的劃分：第一個(gè)部分是圓柱坐標(biāo)式；第二個(gè)部分是直角坐標(biāo)式；第三個(gè)部分是關(guān)節(jié)式；第四個(gè)部分是球坐標(biāo)式。劃分的依據(jù)是具備的運(yùn)動(dòng)形式以及具備的組合情形。本次研究著重分析圓柱坐標(biāo)式氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手。分析圓柱坐標(biāo)式氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖就可以得到圖1（圓柱坐標(biāo)式氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖）。在分析圖 1 的基礎(chǔ)上可以得到，結(jié)構(gòu)底座、結(jié)構(gòu)手臂、結(jié)構(gòu)手部結(jié)、結(jié)構(gòu)立柱以及結(jié)構(gòu)手腕是氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成部分，該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)手臂伸縮、手臂升降、手腕回轉(zhuǎn)、手腕回轉(zhuǎn)等自由度的運(yùn)動(dòng)。手臂回轉(zhuǎn)與升降運(yùn)動(dòng)主要是依靠機(jī)座部分的立柱來(lái)完成?？梢赃x擇使用PLC 編程，在采取PLC 編程的基礎(chǔ)上，可以從根本上有效的控制氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手中的每一個(gè)氣缸的工作。分析圖1 中的圖標(biāo)得到：1號(hào)為手部結(jié)構(gòu)、2號(hào)為手腕回轉(zhuǎn)氣缸結(jié)構(gòu)、3號(hào)為手腕結(jié)構(gòu)、4號(hào)為手臂結(jié)構(gòu)、5號(hào)為手臂仲縮氣缸結(jié)構(gòu)、6號(hào)為結(jié)構(gòu)立柱圖、7號(hào)結(jié)構(gòu)為立柱升降氣缸、8號(hào)結(jié)構(gòu)為立柱回轉(zhuǎn)氣缸、9號(hào)為底座結(jié)構(gòu)、10號(hào)結(jié)構(gòu)為基體。

2 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.1 夾持類型手部結(jié)構(gòu)工作的原理分析

圖1 圓柱坐標(biāo)式氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

一般情況下，可以按照標(biāo)準(zhǔn)劃分氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)得到以下兩種類型：第一個(gè)是夾持式手部；第二種是氣流負(fù)壓式手部，本次研究著重介紹夾持式手部，在有效配合手爪與傳力機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)人手功能的有效模仿。倘若氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手是齒輪齒條式的一種手部結(jié)構(gòu)的話，那么配合一支點(diǎn)跟兩指。圓柱形是大部分氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手中工件的形狀。所以，在設(shè)計(jì)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手中的手指部分的過(guò)程中，需要按照相關(guān)的原則將其設(shè)計(jì)成V型形狀，配合齒輪齒條兩個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)手指之間的開(kāi)閉操作，并且還需要在活塞桿位置上完成相應(yīng)的齒條固定的操作，對(duì)于手指部分，則需要按照標(biāo)準(zhǔn)完成齒輪的有效固定。在實(shí)際工作中，倘若活塞桿向下操作情況存在，那么齒條也需要滿足其向下的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其中，右面的齒輪需要配合進(jìn)行逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，左面的齒輪需要配合進(jìn)行順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，這時(shí)候就會(huì)張開(kāi)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手指，想要實(shí)現(xiàn)手指的閉合，就應(yīng)逆向操作。

2.2 計(jì)算氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)力和夾緊力

在實(shí)際應(yīng)用氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的過(guò)程中，使用字母N來(lái)表示工件需要承受的手指施加夾緊力，使用字母F來(lái)表示驅(qū)動(dòng)力。之后完成以下假設(shè)：手指V的角度在w為120°，工件的重量=5kg，b=120mm，R=24 mm，計(jì)算工件所需的夾緊力的公式1。以齒輪齒條傳動(dòng)條件為基礎(chǔ)前提，將K1的拿權(quán)系數(shù)假設(shè)取值大小為 1.5，并且假設(shè)工件具備最大的加速度a為0.3kg/s2。在實(shí)際工作中，因?yàn)橹亓Φ臈l件下，會(huì)產(chǎn)生加速度，這里的加速度為 g= 9.8 kg/s2的前提下，使用下列數(shù)值表示工作情況系數(shù)K2：K3= 0.5，K2= 1 + a/g =1.03，之后將已知的數(shù)值大小逐個(gè)代入各個(gè)公式，順利將工件所需夾緊力計(jì)算出來(lái)，計(jì)算工件所需的夾緊力為公式2。使用以下公式3完成手部完成動(dòng)作所需的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。在實(shí)際工作中，如果取值η=0.94 ，那么得到的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手所需實(shí)際驅(qū)動(dòng)力大小使用以下公式4計(jì)算出來(lái)。

公式 1：N ≥ K1K2K3G；

公式 2：N=K1K2K3G = 1.5×1.03×0.5×5×9.8 ，得到結(jié)果為37.9 N；

公式3：F = 2b N / R = 2×120×37.9/24，得到結(jié)果為379 N；

公式 4：F實(shí)際= F/η = 379/0.94 ，得到結(jié)果為403N。

3 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)與氣壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

3.1 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手腕設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要重視手腕位置的設(shè)計(jì)。手腕是手部與手臂之間的重要部件。主要的目的是完成手部動(dòng)作的針對(duì)調(diào)整，這樣一來(lái)，就可以從根本上滿足模仿人手動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)。在一般情況下，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手需要具備非常高的通用性以及實(shí)用性，所以，應(yīng)該從根本上水平放置機(jī)械手中的全部工件，所以，在手腕設(shè)計(jì)的過(guò)程中，爭(zhēng)取使用回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要使用單葉片回轉(zhuǎn)氣缸進(jìn)行輔助，需要從根本上滿足機(jī)械手最基本動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)需要。在進(jìn)行手腕部位設(shè)計(jì)的過(guò)程中，定片和缸體兩者之間的固定連接使用的是螺釘，固定連接動(dòng)片和回轉(zhuǎn)軸兩者使用的是螺釘，同時(shí)還可以將手腕位置的氣腔分成兩個(gè)部分，主要的依據(jù)是動(dòng)片，上述這種設(shè)計(jì)形式主要的目的是實(shí)現(xiàn)手腕設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便化以及緊湊化。

3.2 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)際工作中，應(yīng)立足于氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)完成大氣缸和小氣缸的設(shè)置，設(shè)置1個(gè)大氣缸和1個(gè)小氣缸即可。大氣缸主要的工作就是完成氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手中的提升和氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手中的下降動(dòng)作。而小氣缸主要的工作就是進(jìn)行抓取氣罐動(dòng)作，在實(shí)際工作中，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手完成動(dòng)作的時(shí)候，會(huì)同時(shí)伸出大氣缸跟小氣缸，還會(huì)明顯提升大氣缸的位置，儲(chǔ)氣罐就會(huì)承受來(lái)自于小氣缸中活塞桿施加給力，并且呈現(xiàn)一個(gè)越來(lái)越大的趨勢(shì)，在完成工人儲(chǔ)氣罐充氣操作之后，就會(huì)明顯的降低大氣缸的位置，并且導(dǎo)致儲(chǔ)氣罐沒(méi)入水中。在實(shí)際工作中，需要工作人員嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的檢查儲(chǔ)氣罐的氣密性情況，進(jìn)而有效的劃分合格的產(chǎn)品，剔除那部分不合格的產(chǎn)品，找到合適工作實(shí)際的產(chǎn)品，還可以從根本上保證氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)順利完成，在上述的基礎(chǔ)上就可以促使氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)的質(zhì)量得到基礎(chǔ)的改善以及提升。

為了驗(yàn)證該項(xiàng)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)的可行性以及實(shí)效性, 對(duì)設(shè)計(jì)加工制作氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)踐檢驗(yàn)，之后得到以下的結(jié)果：氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手可以快速的、高精度的模擬人的手部動(dòng)作, 還具有顯著的穩(wěn)定性。在實(shí)際工作中，會(huì)存在泄漏的情況，不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成大的影響。且氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手具有非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及較低的制作成本。在使用PLC技術(shù)的前提下,可以保證氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手動(dòng)作工作的精準(zhǔn)性以及靈活性，提升動(dòng)作精度，提升通用性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手可以從根本上實(shí)現(xiàn)人手動(dòng)作模擬的構(gòu)建，主要的基礎(chǔ)是氣壓傳動(dòng)作用的使用。氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手動(dòng)作非常的迅速，且還存在非常良好的適用性，其反應(yīng)的速度也非常的快等，同時(shí)還具有非常高的穩(wěn)定性以及針對(duì)性，所以基本上不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，并且也能正常的工作。在使用的過(guò)程中，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手存在不明顯的泄漏情況等，所以，不會(huì)增加相應(yīng)的環(huán)境污染程度，并且其所耗費(fèi)的制作資金成本和設(shè)計(jì)資金成本還是比較低的，所以對(duì)于氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的開(kāi)發(fā)，很多企業(yè)還是非常愿意投入資金的。所以，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)大范圍的針對(duì)推廣以及使用，在我國(guó)制造業(yè)、貨運(yùn)等多個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手都有使用的情況。在實(shí)際操作的過(guò)程中，可以選擇 PLC 編程的使用來(lái)實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的針對(duì)有效的控制，這樣一來(lái)，在操作的過(guò)程中氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手就可以具備非常高的生產(chǎn)可靠性以及標(biāo)準(zhǔn)性，其存在的靈活性非常的顯著，并且還會(huì)存在非常高的通用性。

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