王曉天

（華北理工大學機械工程學院，河北 唐山 063000）

智能倉儲機械手的設計與研究

王曉天

（華北理工大學機械工程學院，河北 唐山 063000）

工業(yè)機械手作為替代人工搬運的重要形式，在貨物存儲運輸中得到了普遍應用。本文的設計研究對象為智能倉儲搬運機械手，設計搬運機械手的總體結構，采用電動推桿作為動力源，驅動機械手運動，同時依靠電動推桿驅動機械手爪實現(xiàn)對貨籃的抓取過程。

機械手；工作原理；驅動方式

1 前言

機器人科學技術是當今社會一門迅速發(fā)展起來的綜合性前沿學科，是目前各個國家都在積極努力研究開發(fā)的一個嶄新的科學領域，投入了大量的科研資源，并取得了突破性的進展，為現(xiàn)代工業(yè)真正的進入工業(yè)自動化奠定了一定的基礎。工業(yè)機器人（或稱機器人操作臂、機械手等）是機器人學的又一個重要分支學科，工業(yè)機器人是開式鏈結構，一般是通過相關的柔性關節(jié)將一些剛性連桿交替連接而組成的，通常在工業(yè)機器人操作臂的前端位置裝有執(zhí)行部件或相應的操作裝置，也常稱為手或手爪。這種由若干個關節(jié)和一個或若干個手爪組成的機器人又稱為多關節(jié)型機器人（機械手）。

2 機械手的總體設計

2.1 機械手的工作原理

本文設計的機械手的主要結構是機械手抓手、機械手臂、機座以及電動推桿。首先確定機械手動作的先后順序：機械手爪3由電動推桿1驅動從正常搬運終點位置高度開始下降過程，推桿收縮到最短行程及行程為零時，智能機械手的抓手部分下降到貨籃放置高度，之后由電動推桿4驅動機械手爪3通過與3聯(lián)接的導桿帶動左邊的小抓手收縮，留出抓手夾緊貨籃的距離，待兩側抓手距離為貨籃長度時，電動推桿4回縮，此時左邊小抓手在彈簧的作用下回復原狀，機械手抓手抓緊貨籃，最后由底座上的電動推桿1推動平行四邊形機構2，推桿行程由零增大到該推桿的最大行程即為機械手實現(xiàn)將貨籃由初始位置搬運到終點位置的過程。

2.2 確定機械手的自由度數(shù)目

通常來說，自由度數(shù)目多時，相應機械手能完成的運動方式越多，可控能力及避障功能等越強，但機械手結構也會相對復雜，對于機械手剛度會被削弱，控制也相對復雜，運動過程中需考慮問題較多，因此在保證實現(xiàn)基本功能和預定的運行方案的前提下，應該盡可能的減少機械手的自由度。

本文中，機械手平移機構與機械抓手原理圖如下，由于機械手對貨籃有抓取及搬運要求，所以需要確定機械手臂部分自由度為，機械抓手部分的自由度為，則可以根據自由度計算公式

2.3 驅動方式選擇

驅動系統(tǒng)是實現(xiàn)機械手中各種運動機構完成預定動作的動力源，經常會使用的驅動方式主要為：電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動三種。根據不同工作需求，可采用上述三種類型中的一種或多種組合形式的驅動系統(tǒng)，具體選型應從輸出功率和使用范圍、結構性能和控制性能等各方面考慮，選擇合適的驅動方式。

電動機驅動：控制精度高，輸出功率大，定位精度高，反應迅速，對于高速、高精度連續(xù)軌跡控制較方便，機構性能好，噪音較低，結構緊湊，不存在密封問題，速度變化范圍大，效率較高，是目前使用最廣泛的驅動方式。

液壓驅動：功率大，結構簡單，能直接與被驅動的桿件相連，響應快，可無級調速，體積小，噪聲大，但由于液壓油比較容易泄露，對于易燃品及潔凈度要求高的工作場合有局限性，易由于泄露造成污染，誘發(fā)火災。

氣壓驅動：機構簡單，動作敏捷，經濟實用，但是鑒于氣體壓縮后變化較大，系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，機構緩沖能力低，速度不高時較難進行控制，且結構相對較大，噪聲大，但密封問題較小，無污染。

本文涉及的是倉儲物流搬運機械手，由于倉儲環(huán)境多封閉，故不宜采用有火災隱患的液壓驅動，又因為搬運機械手對于輸出功率及搬運過程中穩(wěn)定性要求較高，不宜采用控制精度低的氣壓驅動，故應選用電動機驅動。

所以采用電動推桿作為驅動裝置。控制方便，反應靈敏，運行速度可調，適應范圍較大。

3 結論

本文研究與分析了智能倉儲機械手的工作原理，并計算其自由度，由于自由度越多越不易實現(xiàn)對機械手運動軌跡的控制，因此在確定機械手的自由度時，應在滿足要求的前提下選擇較小的自由度，選定自由度為2即可完成設計的運動，使用電動推桿作為動力源，結構簡單，占用空間較小，可以使控制方式簡便，成本也較低，同時使裝置迅速完成預定動作，反應靈敏。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.135

王曉天（1991-），男，碩士研究生，從事機器人技術方向的研究。