物料抓取機(jī)械手設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

閆敬民 柳靚南 李榮 王雪 何盛斌

[摘 要] 機(jī)械手是物流自動(dòng)分揀系統(tǒng)中不可或缺的組成部件，為提高機(jī)械手抓取物品的靈活性及抓取能力，基于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)物流抓取機(jī)械手，該機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、輸出力大。通過調(diào)整機(jī)械手3根手指其相對位置，且能主動(dòng)適應(yīng)被抓取物件的形狀。根據(jù)被抓去物體需求，對該手抓各零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并針對其抓取狀態(tài)下進(jìn)行了靜力學(xué)分析。在此基礎(chǔ)上對于機(jī)械手抓取過程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，結(jié)果表明，該機(jī)械手設(shè)計(jì)合理可靠，可實(shí)現(xiàn)物流分揀過程中貨物的抓取。

[關(guān)鍵詞] 機(jī)械手；運(yùn)動(dòng)仿真；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 19. 032

[中圖分類號] F273 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）19- 0075- 03

0 前 言

近些年隨著不斷推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型及升級，“中國制造 2025”提出以及“一帶一路”的實(shí)施，為了降低成本以及提高效率，工業(yè)機(jī)器人的研究及制造成為當(dāng)前最大的研究熱點(diǎn)[1-3]。世界機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到2020年，中國將成為全球規(guī)模最大的機(jī)器人市場。就物流行業(yè)來說，巨大的用人成本、較低的工作效率與精度，對于具有自動(dòng)化、智能化的物流機(jī)器人的研究更加迫切，尤其在危險(xiǎn)、有毒、單調(diào)、繁重的物流作業(yè)環(huán)節(jié)和場合，更能凸現(xiàn)機(jī)器人的優(yōu)勢[4-6]。

1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著電子商務(wù)的不斷發(fā)展，商品的外包裝不再是單一的箱體類，而是越來越多樣化，而物流活動(dòng)中無論是搬運(yùn)、分揀、出入庫等，都涉及對其進(jìn)行抓取，目前物流行業(yè)中的這些不規(guī)則貨品的作業(yè)還是以人工為主。為此，設(shè)計(jì)了一種抓取不規(guī)則物品的機(jī)械手。該機(jī)械抓手能執(zhí)行不同形狀尺寸物料的抓取，共有12個(gè)自由度，由3根手指、手掌、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、底座幾個(gè)部分組成（如圖1所示），三根手指通過3個(gè)傳動(dòng)連接件和滾珠絲杠與驅(qū)動(dòng)器相連。伺服電機(jī)負(fù)責(zé)手指相對位置的調(diào)整，驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)手指的抓放。

以其中一根手指為例，對其進(jìn)行工作原理分析。手指最下端的連桿b1與驅(qū)動(dòng)裝裝置連接，動(dòng)力由此輸入。連桿b1，c1，a1和手指關(guān)節(jié)1組成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，在外力F的作用下，該機(jī)構(gòu)將繞指關(guān)節(jié)1同手掌連接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)指關(guān)節(jié)1運(yùn)動(dòng)到和被抓去物體接觸時(shí)，便停止運(yùn)動(dòng)，而連桿c1繼續(xù)帶動(dòng)連桿a1進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，連桿a1作為指關(guān)節(jié)1和指關(guān)節(jié)2之間的連接件，在外力的繼續(xù)作用下將繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿c1，a2，c2及指關(guān)節(jié)2又形成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，該四連桿機(jī)構(gòu)將繞指關(guān)節(jié)1和指關(guān)節(jié)2的連接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到指關(guān)節(jié)2同物體接觸時(shí)，指關(guān)節(jié)2停止運(yùn)動(dòng)，連桿a2帶動(dòng)指關(guān)節(jié)3轉(zhuǎn)動(dòng)繞指關(guān)節(jié)2和指關(guān)節(jié)3連接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對物體的包絡(luò)抓取。

該機(jī)械手有兩種抓取方式，分別是包絡(luò)抓取和精準(zhǔn)抓取，前者是通過欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行抓取，后者通過手指指面夾取。該機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)簡潔高效，結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便。機(jī)械抓手的三個(gè)手指中，一個(gè)手指始終固定不動(dòng)，另外兩個(gè)手指在相向或相背轉(zhuǎn)動(dòng)60°后，可使得機(jī)械手在三根向心的狀態(tài)與固定手指和可轉(zhuǎn)動(dòng)手指指面相對且平行的狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)齒輪副組成，每一個(gè)齒輪副由一個(gè)直齒圓柱齒輪和固定在可轉(zhuǎn)動(dòng)指座上的齒輪組合而成，安裝在手掌結(jié)構(gòu)的上空腔內(nèi)，通過安裝在下空腔內(nèi)的兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而改變兩個(gè)可動(dòng)手指的位置，如上圖所示所示。

2 手指參數(shù)確定

手指參數(shù)根據(jù)要抓取物體尺寸范圍確定。為簡化計(jì)算，該機(jī)械手指參數(shù)確定過程中，忽略了一些次要因素，把未知參數(shù)歸結(jié)為兩個(gè)手指的抓取動(dòng)作主要是由桿件ai和桿件ci的長度決定（如圖2所示，i=1，2）。

為了盡可能地在滿足抓取需求的前提下盡量縮小機(jī)械手的尺寸，各桿件長度應(yīng)該盡可能短。手指的位置是以120度均勻的分布在半徑為35 mm的圓上（如圖1中所示），因而得到投影圖2（根據(jù)抓取范圍按比例所畫，為手指完成力量抓取最大和最穩(wěn)定的位置）。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，機(jī)械手的初始尺寸選取如下：

考慮到本文所設(shè)計(jì)機(jī)械手的最大抓取物其直徑是100 mm的設(shè)計(jì)需求，預(yù)設(shè)各個(gè)指節(jié)厚度為12 mm，并結(jié)合圖2利用圖解法對平面四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，量取l=47.5，m=39，n=28。

因此對于圖中的尺寸，對其進(jìn)行取整，即L=48 mm，M=40 mm，N=30 mm。根據(jù)公式Ri=ai/ci，對于ai、bi、ci、ωi取a1=30 mm，a2=30 mm，Ri=2 mm，ω1=30°，ω2=100°。因而可推出：c1=a1/R1=30/2=15 mm，c2=a2/R2=30/2=15 mm，根據(jù)圖解法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)，取b1=46 mm，b2=43 mm。

3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手，其指尖最大輸出力為49 N，即上述F3為49 N，則驅(qū)動(dòng)力Fs為158 N。為分析設(shè)計(jì)是否合理，利用Adams軟件進(jìn)行機(jī)械手抓取的運(yùn)動(dòng)仿真，仿真分析中驅(qū)動(dòng)力為158 N，每個(gè)手指指尖彈簧的彈性系數(shù)K為2 N/mm，分析時(shí)間t=30 s，幀頻為10，凸輪分離系數(shù)取0.01。因?yàn)樽詈蟪尚偷氖种钢该鏁?huì)附著一層橡皮層，所以取靜摩擦系數(shù)為0.9，取動(dòng)摩擦系數(shù)為0.6。先把細(xì)桿固定在手指相對居中的位置，分析的目的是看機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過程是否符合設(shè)計(jì)要求。

手指各個(gè)關(guān)節(jié)在抓取細(xì)桿時(shí)受到的連接反作用力曲線如圖3所示。從圖中可看到指尖受到的連接反作用力為一平滑曲線，逐漸增大直到達(dá)到最大值，即當(dāng)t=0.021 6 s時(shí)，指尖受到最大連接反作用力為23.004 6 N是平滑曲線，并且它們都是首先快速下降再平緩上升。綜上所述，機(jī)械手在抓取細(xì)桿狀物體時(shí)，手指的反作用力符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

4 結(jié) 語

針對物流活動(dòng)中對形狀復(fù)雜、種類繁多、規(guī)格尺寸不一貨物特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種貨物抓取柔性機(jī)械手，機(jī)械手指采用欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，控制簡化，抓取可靠的特點(diǎn)。根據(jù)被抓取物品的特點(diǎn)，該機(jī)械手具有精確抓取和包絡(luò)抓取兩種工作方式，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，其中有兩根手指可在手掌中做轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)被抓取貨物尺寸等要求，對手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)確定，在此基礎(chǔ)上并應(yīng)用Adams軟件對手指進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，仿真結(jié)果表明手指在外力作用下抓取運(yùn)動(dòng)的達(dá)到預(yù)期效果。

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