錢書生 高希

摘要：針對傳統(tǒng)機械手在夾持時存在的問題，設(shè)計了一種基于氣壓控制的多功能新型機械手。首先詳細闡述了多功能機械手的整體結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新設(shè)計，接著通過具體數(shù)據(jù)與理論分析，得出整個裝置的可行性。最后得出結(jié)論：與傳統(tǒng)的機械手夾持方式相比較，基于氣壓控制的多功能新型機械手不僅能夠適應(yīng)多種場合的復(fù)雜情況，而且可以增強抓取穩(wěn)定性，實現(xiàn)氣壓控制。該裝置與傳統(tǒng)方式相比較提高了生產(chǎn)效率，更有利于提高企業(yè)的效益，促進社會生產(chǎn)力的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：機械手;結(jié)構(gòu)設(shè)計;氣壓控制

1引言：

在科技日新月益的情況下，機械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，在軍事、醫(yī)療、娛樂，甚至在工業(yè)生產(chǎn)線上都起到了很大作用。例如：在醫(yī)療藥品的配制過程中會涉及到有毒的物質(zhì)，如果醫(yī)護人員處理不當就會對自己的身體健康產(chǎn)生危害。機械手的使用可以代替人手來執(zhí)行各種操作和命令。既可以高效高質(zhì)的完成作業(yè)，也保障了醫(yī)護人員的健康問題。[1]

傳統(tǒng)機械手都是等長手爪，平行或多角度向內(nèi)夾取，它們在夾取不同形狀、不同大小的物體時會產(chǎn)生夾不牢或夾不住的情況，此外在處理一系列復(fù)雜操作時會由于機械手所能運動的位移和轉(zhuǎn)角范圍而產(chǎn)生一定的限制。結(jié)合當前國內(nèi)外柔性機器人的迅猛發(fā)展之勢，我國柔性機械手已出現(xiàn)采用柔性氣囊和海綿吸盤等進行柔性貼合的裝置[2]，對傳統(tǒng)的問題進行了改良。本裝置在手部結(jié)構(gòu)增加了輔助機械指，采用雙層包合設(shè)計，由氣壓原件控制，可以根據(jù)不同形狀的物體進行調(diào)整，增大接觸面積和接觸穩(wěn)定性，這樣既增強了抓取的穩(wěn)定性，還減少了對物體的壓力，提高了夾取的適用范圍。

2整體結(jié)構(gòu)及創(chuàng)新設(shè)計

2.1整體結(jié)構(gòu)

1.確定機械臂自由度：

工業(yè)機器人基于對定位精度和重復(fù)定位精度以及結(jié)構(gòu)剛性的考慮，往往體積龐大，負荷能力與其自重相比往往非常小。一般通用機械手有5～6個自由度即可滿足使用要求。在滿足前提條件上盡量使結(jié)構(gòu)簡單，本裝置采用5自由度機械手進行設(shè)計。

2.選擇機械手基本形式：

機械手基本形式有直角坐標型機械手、圓柱坐標型機械手、球坐標型機械手和多關(guān)節(jié)型機械手。[3]其中多關(guān)節(jié)型機械手手臂類似人的上肢關(guān)節(jié)動作，具有三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，運動軌跡緊湊，適合于各種場合的工作，故本裝置選取多關(guān)節(jié)型機械手形式進行設(shè)計（如圖1為整體結(jié)構(gòu)圖）。

3.機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計：

有如下設(shè)計要求[4]：（a）有適當?shù)膴A緊力;（b）有足夠的開閉范圍;（c）力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小;（d）手指應(yīng)有一定的強度和剛度，因此要選擇合適的手部材料。

對不同用途的機械手，應(yīng)當選取不同的材料，但是無論那種場合，都要對機械手進行受力分析與強度校核，以保證手部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。在裝置中采用橡膠作為表面材料，可以提高接觸摩擦力和夾取穩(wěn)定性。

2.2創(chuàng)新設(shè)計

1.對機械手手部結(jié)構(gòu)進行分析，確保目標物可以被穩(wěn)定夾持。

在物體內(nèi)選取任意一點，建立空間三維直角坐標系，考慮到物體在三維空間內(nèi)的自由度為：，只有當六個自由度都被限制，物體才能機械手才能被穩(wěn)定夾持。因此裝置機械手在手部結(jié)構(gòu)增加了輔助機械指（如圖2中標注部分），由氣壓原件控制，可以伸長縮短，根據(jù)物體的任意性質(zhì)進行調(diào)整，多點接觸用來保證物體的自由度都被限制。

2.機械手各個關(guān)節(jié)可以使用角度舵機連接，從而實現(xiàn)定角度旋轉(zhuǎn)，整體可以使用單片機調(diào)控。

3.考慮到目標夾持物有一定高度，可以對機械手進行改進，手部結(jié)構(gòu)使用雙層保證足夠的接觸面積，增強夾持穩(wěn)定性（如圖3）。

3可行性分析

3.1數(shù)值分析推導(dǎo)可行性

以注塑加工進行分析：按每人每月800元工資，每臺注塑機24小時生產(chǎn)，每天三班制計算。每臺注塑機每月需要花費人工費用：元，年工資為28800元，3臺注塑機需要年人工費用86400元。使用機械手后一個人可以管理至少3臺注塑機，按3臺計算，那么一天只要1個人可以管理3臺注塑機，那么花費的月人工費用為2400元，年費用為28800元，與純?nèi)斯は啾瓤梢怨?jié)省57600元。[5]

實際上一個注塑工人的每月花費遠遠不止800元，隨著社會保障制度的健全和完善，費用就要成倍的增加。其次工人會出現(xiàn)缺勤等特殊狀況，而用了機械手，該類情況就不會干擾到工廠的正常生產(chǎn)。最后考慮到維修等情況，一個機械手的成本可以控制在10000元左右，因此保守估計1年之內(nèi)就可以收回所有的機械手投資。以上參數(shù)按一般正常情況下作出的，實際情況按實際生產(chǎn)為準。

3.2理論推導(dǎo)可行性

3.2.1裝置特點：

1.經(jīng)濟方面：適用于很多領(lǐng)域場合，各個部分的成本較低，可以被消費者接受，經(jīng)濟效益可觀。

2.適用范圍：可以用于實驗室抓取腐蝕性物質(zhì)，在醫(yī)藥領(lǐng)域運送藥品，也可以用于自動化生產(chǎn)線，適用范圍廣。

3.市場方面：由于勞動力的緊缺，勞動力昂貴，部分領(lǐng)域迫切需要搭建自動化生產(chǎn)線代替手工，減輕成本，更加適應(yīng)市場的需求。

3.2.2裝置優(yōu)勢：

1.使用多功能新型機械手用于生產(chǎn)中能夠大大縮短勞動時間，提高生產(chǎn)效率，降低廢品率。

2.基于氣壓控制的多功能新型機械手可以大幅度減少雇傭成本，增加生產(chǎn)穩(wěn)定性。還可以用于一些特殊場合的抓取，增大了企業(yè)市場競爭力。

3.基于氣壓控制的多功能新型機械手順應(yīng)當今機械自動化潮流，推進自動化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進步。

4結(jié)束語

基于氣壓控制的多功能新型機械手在盡可能減少人工操作的基礎(chǔ)上，采用了機電一體化，雙層包合技術(shù)實現(xiàn)智能夾取，成本中等，適用的夾取場合和夾取范圍廣。本裝置在機械手部結(jié)構(gòu)中增加了輔助機械指，有氣壓控制，可以根據(jù)夾取物體的實際情況進行柔性的夾取，可以降低公司為購買專用機械手的成本，符合企業(yè)發(fā)展的需要。理論分析表明，該機械手的機構(gòu)合理，強度滿足要求，經(jīng)試驗檢驗對于不同場合不同要求的抓取命令的適應(yīng)性好，對機械手的廣泛運用起到了積極作用，所以該裝置具有良好的應(yīng)用前景和推廣價值。[6]

參考文獻

[1]孟彩茹，張高青，李夏楠，李強.夾持機械手爪機構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化[J].機械設(shè)計與制造，2016（06）：70-74.

[2]郝子宜，李金帥，徐漢斌.家用柔性機械手設(shè)計[J].2021，34（06）：99-101.

[3]創(chuàng)盈時代科技.四種常見的機械手特點介紹[EB/OL] https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1607676224313169254&wfr=spider&for=pc

[4]康道智能.桁架式機器人手爪設(shè)計要求 [EB/OL] https：//www.sohu.com/a/194935393_793597

[5]原創(chuàng)力文檔.注塑機專用機械手的研究及應(yīng)用[EB/OL] https：//max.book118.com/html/2017/0115/83881549.shtm

[6]李龍，黃宇珩，李毓雯.基于自動控制技術(shù)的仿生無人化蘋果收集機器人設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技，2021，18（11）：60-61.

作者簡介：

錢書生（2000-），男，漢族，江蘇連云港人，江蘇大學(xué)本科在讀，機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)。