基于抓取圓柱形棒料的多關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)研究摘要：針對裝配車間中傳統(tǒng)人工抓取與搬運圓柱形棒料所面臨的效率低下、勞動強(qiáng)度大、易出錯等問題，本研究設(shè)計了一種專門用于抓取圓柱形棒料的多關(guān)節(jié)型機(jī)械手裝置。該裝置實現(xiàn)了圓柱形棒料的自動化搬運與精準(zhǔn)抓取，顯著提升了工作效率，并有效降低了搬運成本。裝置采用減速電機(jī)與諧波減速器的傳動方式，確保機(jī)械手的運動平穩(wěn)且精準(zhǔn)。對機(jī)械手的夾緊裝置、手臂抓取裝置、腕部結(jié)構(gòu)及手爪進(jìn)行了詳盡的設(shè)計與優(yōu)化，使機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧且高效。最后，利用SolidWorks進(jìn)行了建模仿真與整體裝配設(shè)計，驗證了各部件之間的配合與運動關(guān)系，確保了機(jī)械手在實際應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：多關(guān)節(jié)機(jī)械手自動化抓取Solidworks建模仿真隨著工業(yè)4.0時代的到來，企業(yè)正面臨前所未有的提高生產(chǎn)效率的壓力。傳統(tǒng)制造業(yè)中，大量依賴人工的重復(fù)性勞動如物料搬運、焊接作業(yè)等，不僅效率低下，還占用了大量的人力資源。多關(guān)節(jié)型機(jī)械手不僅可以快速地提高工廠的生產(chǎn)力水平，還可以減少勞力資源和時間的損耗，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的效益。同時，對于工人無法涉及或條件受限制的領(lǐng)域，比如空間狹隘、溫度極端、雜物較多的地方，機(jī)械手能完成預(yù)定任務(wù)。本文通過分析機(jī)械手執(zhí)行動作功能要求，確定了手臂結(jié)構(gòu)、末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動方式，設(shè)計了一種用于抓取圓柱形棒料的多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。1機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計本文設(shè)計的多關(guān)節(jié)型機(jī)械手主要用于夾取小型圓柱形棒料的工件，質(zhì)量在2kg以內(nèi)，適用于輕至中等負(fù)荷的物料搬運和精密裝配作業(yè)。要求實現(xiàn)機(jī)械手在腰部的旋轉(zhuǎn)、大臂的升降與伸縮、小臂的升降、手爪的開合等功能，并與物料臺的自動送料相配合，在水平面能夠?qū)崿F(xiàn)定點取物、定點放物的功能?？傮w設(shè)計要求如下：(1)抓重：2kg。(2)自由度數(shù)：4個自由度。(3)坐標(biāo)型式：垂直多關(guān)節(jié)型。(4)手臂參數(shù)：大臂為480mm,小臂為532mm,回轉(zhuǎn)速度為6°/s。(5)手指夾持范圍：70mm圓柱狀。(6)驅(qū)動方式：電機(jī)驅(qū)動。(7)控制方式：PLC(FX2n-系列)。根據(jù)設(shè)計要求，所設(shè)計出的機(jī)械手總體三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)置了4個自由度，分別是：底座的旋轉(zhuǎn)，大臂的回轉(zhuǎn)，小臂的底座：采用了直流伺服電機(jī)與一級齒輪減速實現(xiàn)底座的旋轉(zhuǎn)360°旋轉(zhuǎn)。大臂：采用伺服減速電機(jī)實現(xiàn)了大臂的±90°回轉(zhuǎn)。小臂：采用伺服減速電機(jī)實現(xiàn)了小臂的±90°回轉(zhuǎn)。腕部：采用伺服減速電機(jī)和齒輪組的結(jié)合機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了腕部的±90°回轉(zhuǎn)。手爪：采用了氣缸，通過活塞和拉桿的運動來實現(xiàn)手爪的張開和閉合。1.1基座部分設(shè)計基座部分由伺服電機(jī)、齒輪、軸、軸承、聯(lián)軸器等所組成。具體如圖2所示。伺服電機(jī)選用選110S-CZK01直流寬調(diào)速伺服電機(jī)，額定功率：0.166kw,額定轉(zhuǎn)矩：1.05—17.6N.m,額定轉(zhuǎn)速1500r/min?？紤]到傳遞功率不大，且對結(jié)構(gòu)尺寸無嚴(yán)格要求，齒輪材料選用45鋼，齒輪為8級精度。小齒輪調(diào)質(zhì)處理，小齒輪齒面硬度217～255HBS,大齒輪正火處理，齒面硬度162～217HBS;小齒輪齒數(shù)Z1=25,大齒輪Z2=125。軸的材料為45號鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后表面硬度220～250HBW。具體尺寸如圖3手臂是機(jī)械手的重要部件，主要是輔助腕部還有手爪(包括抓取工件),并能與腕部一起在規(guī)定的范圍內(nèi)運動。臂部包括小臂和大臂，采用伺服減速電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。如圖4所示。大臂電機(jī)選用：安川SGMJV—04AH1減速電機(jī)，減速后額定轉(zhuǎn)速為10n/min,額定輸出扭矩為25N.m,減速比為160,減速后的轉(zhuǎn)速為10n/min。小臂電機(jī)選用：安川SGMJV—A5AAH1減速電機(jī)，減速電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為600n/min,效率n=80%。根據(jù)所需轉(zhuǎn)矩，選擇region-detail-titleXB3偏平式諧波減速器，機(jī)型為25,額定輸出扭矩為5.5N.m,減速比為160,減速后的轉(zhuǎn)速為10n/min。由于腕部的電機(jī)裝在小臂上，考慮到整體的結(jié)構(gòu)以及運動性能，選擇型號為80imagel50-C-Z-25G10減速電機(jī)。該減速電機(jī)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)矩為2.1N.m,減速比為1:75,減速后的額定轉(zhuǎn)速為20r/min。如圖5所示。1.4手爪設(shè)計機(jī)器人的末端操作器是機(jī)器人直接用于抓取、握緊、吸附專用工具(如噴槍、扳手、焊具、噴頭等)進(jìn)行操作的部件，它能夠模仿人手的動作，是最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安裝于機(jī)器人手臂的前端。本設(shè)計選擇滑槽杠桿回轉(zhuǎn)型手爪，杠桿形手指4的一端裝有V形指5,另一端則開有長滑槽。驅(qū)動桿1上的圓柱銷2套在滑槽內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動連桿和圓柱銷一起做往復(fù)運動時，即可撥動兩個手指各繞其支點(鉸銷3)作相對回轉(zhuǎn)運動從而實現(xiàn)手指的夾緊與松開動作。滑槽杠桿式傳動機(jī)構(gòu)的定心精度與滑槽的制造精度有密切的關(guān)系。因活動環(huán)節(jié)較多，配合間隙的影響不可忽視，此機(jī)構(gòu)依靠驅(qū)動力鎖緊，機(jī)構(gòu)本身無自鎖性能。滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部結(jié)構(gòu)如圖6所示。2作品的創(chuàng)新點(1)四自由度垂直關(guān)節(jié)設(shè)計：獨特的四自由度垂直關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，使機(jī)械手在垂直空間內(nèi)具備高度的靈活性與廣泛的作業(yè)覆蓋能力，解決了傳統(tǒng)機(jī)械手在三維空間操作中的局限性。(2)減速電機(jī)與諧波減速器結(jié)合：實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的傳動效果，提高整個傳動系統(tǒng)的效率。諧波減速器的高傳動精度和減速電機(jī)的高控制精度，實現(xiàn)傳動系統(tǒng)(3)結(jié)構(gòu)緊湊：減速電機(jī)直接驅(qū)動肩關(guān)節(jié)以及肘關(guān)節(jié)，避免采用過多齒輪組，使得結(jié)構(gòu)更加緊湊，簡潔，工作空間大，靈活性強(qiáng)，傳動效率大，有利于機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效地提高了機(jī)械手的性能。3項目的應(yīng)用價值和轉(zhuǎn)化場景(1)提升工業(yè)生產(chǎn)效率：通過優(yōu)化垂直多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制系統(tǒng)，項目將顯著提升工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平，提高生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)周期，為制造業(yè)企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。(2)降低人力成本：高效的自動化生產(chǎn)將減少對人工的依賴，特別是在一些繁重、危險或高精度要求的作業(yè)環(huán)境中，機(jī)械手的應(yīng)用可以大大降低人力成本，同(3)保障人員安全：在惡劣或高風(fēng)險的工作環(huán)境中，如高溫、高壓、有毒有害等場所，機(jī)械手的應(yīng)用可以有效保障人員安全，減少工傷事故的發(fā)生。[1]華群，陳艦.一種四自由度上下料機(jī)械手運動學(xué)分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2022,53(23):34-37.[2]馬宇航.