廖益豐，唐小鳳，陳桂平，李堅勇

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州545616）

0 前言

中國制造2025已經(jīng)成為了我國強國夢的重要戰(zhàn)略目標(biāo)之一，然而我國要邁入世界制造強國的隊伍，就必須發(fā)展智能制造[1]，向工業(yè)4.0時代邁進。智能制造離不開機械手，張慶峰[2]設(shè)計了一種新型數(shù)控機床裝夾機械手，并提出了一種數(shù)控機械手設(shè)計理論；賈小東[3]對一種鉆桿自動排放數(shù)控扶持機械手進行了設(shè)計與分析；劉飛飛[4]等對一種數(shù)控加工自動上下料機械手爪進行了設(shè)計與分析。盡管機械手的研究已有了一定的熱度，但是機械手的承載力和靈活性一直是制約機械手發(fā)展的重要因素。

本文設(shè)計了一種可根據(jù)工作的需求而靈活改變構(gòu)件間運動副連接方式，從而獲得不同的運動性能，以完成不同的工作需求，而且其結(jié)構(gòu)簡單，可伸縮性強，具有良好的應(yīng)用前景。

1 機械手機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與構(gòu)型分析

1.1 機械手機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖1 機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

該機械手機構(gòu)可根據(jù)不同工作的需要改變第二連桿與主連桿，第五連桿與主連桿之間的運動副連接關(guān)系，使機構(gòu)發(fā)生構(gòu)件重組，進而使機構(gòu)的性能發(fā)送改變，還可通過第一圓弧擋板和第二圓弧擋板的位置限定作用，使機構(gòu)在運動的過程中拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，機構(gòu)變胞，增強機構(gòu)的承載能力。

該機械手機構(gòu)不僅具有較強的可展性，且具有五個構(gòu)態(tài)，每種構(gòu)態(tài)都具有其相應(yīng)的性能特點，接下來將對其構(gòu)態(tài)進行分析。

1.2 機械手機構(gòu)的構(gòu)態(tài)分析

該機械手機構(gòu)具有五個構(gòu)態(tài)，分別如圖2中的（a）圖到（e）圖所示，從這五個構(gòu)態(tài)圖可以看到，當(dāng)機構(gòu)處于（a）圖所示的狀態(tài)時，機構(gòu)的所有構(gòu)件都可縮到一個平面內(nèi)，機構(gòu)在這個構(gòu)態(tài)下可展性最強，靈活性也較高，承載力也比普通六自由度串聯(lián)機器人強；當(dāng)機構(gòu)處于（b）圖所示的構(gòu)態(tài)時，機構(gòu)的承載能力有所降低，但是工作空間卻比（a）圖所示的構(gòu)態(tài)有所增加；當(dāng)機構(gòu)處于（c）圖所示的構(gòu)態(tài)時，機構(gòu)具有一個三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，承載能力增加，但是工作空間和運動靈活性降低；當(dāng)機構(gòu)處于（d）圖所示構(gòu)態(tài)時，機構(gòu)承載能力相比（c）圖而言略有降低，但是工作空間有所增大；當(dāng)機構(gòu)處于（e）圖所示構(gòu)態(tài)時，機構(gòu)是最穩(wěn)定的構(gòu)態(tài)，此時機構(gòu)具有兩個三角形的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，承載能力最大。

圖2 機構(gòu)構(gòu)態(tài)示意圖

1.3 工作原理

當(dāng)?shù)诙B桿與主連桿的連接方式為移動副連接，第五連桿與主連桿的連接方式也為移動副連接時，機構(gòu)如圖2中（a）圖所示，此時因第二連桿和第五連桿都可完全縮進主連桿中，因此，此構(gòu)態(tài)下機構(gòu)伸縮性最強；當(dāng)?shù)谖暹B桿沿著主連桿上的滑槽移動到主連桿頂部時，第一插銷會插入第一圓弧滑塊中，第一轉(zhuǎn)動副單元與第二轉(zhuǎn)動副單元就構(gòu)成了轉(zhuǎn)動副，此時第五連桿與主連桿的連接關(guān)系就從移動副連接轉(zhuǎn)變成了轉(zhuǎn)動副連接，機構(gòu)變換成圖2中的（b）圖所示構(gòu)態(tài)，該構(gòu)態(tài)下，機構(gòu)只有第二連桿可在主連桿上進行伸縮，因此，機構(gòu)可伸縮性有所下降，但是第五連桿此時可繞著主連桿轉(zhuǎn)動了，因此工作空間有所增加；當(dāng)?shù)诹B桿在轉(zhuǎn)動的過程中被第一圓弧擋板擋住時，如圖2中（c）圖所示，此時第五連桿和第六連桿都不可繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，此時主連桿、第五連桿和第六連桿組成一個三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，機構(gòu)此時承載能力大幅度提高，但工作空間降低；當(dāng)?shù)诙B桿也沿著主連桿上的滑槽移動到滑槽頂部時，第二插銷插入第二圓弧滑塊中，第三轉(zhuǎn)動副單元與第四轉(zhuǎn)動副單元就構(gòu)成了轉(zhuǎn)動副，此時第二連桿與主連桿之間的連接關(guān)系由移動副連接變成了轉(zhuǎn)動副連接，如圖2中的（d）圖所示，此時機構(gòu)工作空間所有增加；當(dāng)?shù)诙B桿繞著主連桿逆時針轉(zhuǎn)動，第一連桿與第八連桿的連接處被第二圓弧擋板擋住時，機構(gòu)形成兩個三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖2中的（e）圖所示，此時機構(gòu)承載能力最高。

2 應(yīng)用分析

該數(shù)控機械手機構(gòu)不僅可以應(yīng)用在數(shù)控領(lǐng)域，由于其具有較強的可展性，并且可根據(jù)工作的需求，進行構(gòu)件重組，靈活轉(zhuǎn)換自身的運動靈活性、工作空間和承載力，目前深海勘探領(lǐng)域極需要這樣的機構(gòu)作為勘探工具，因為在深海中，深度不同，壓強就不同，作業(yè)的強度也隨時變化，因此很需要一個靈活多變的機構(gòu)進行作業(yè)；在航天領(lǐng)域也是如此，當(dāng)月球勘探車進入月球表面時，復(fù)雜的地形會使勘探車輸出端難以作業(yè)，因此也需要一個可根據(jù)需求而靈活改變運動性能的機構(gòu)；甚至在農(nóng)作物的采摘方面也需要，因為農(nóng)作物的大小和尺寸不一樣，需要機構(gòu)的承載能力也不一樣?？梢娫摍C構(gòu)的應(yīng)用前景是非常廣泛的。

3 結(jié)束語

（1）針對現(xiàn)有機械手承載能力低，運動靈活性和可展性不足的問題，提出了一種可重構(gòu)機械手機構(gòu)，該機構(gòu)可根據(jù)不同的工作需求，重組構(gòu)態(tài)，實現(xiàn)工作性能靈活變換。

（2）由于該機構(gòu)具有較強的可重構(gòu)功能，其不僅僅能夠運用在制造領(lǐng)域，還可運用在深海抓取、太空勘探和農(nóng)業(yè)采摘等多個領(lǐng)域。