抓取物料机械手的设计与仿真

2019-06-11刘瑞芬王建亮李聪

时代汽车 2019年5期

刘瑞芬王建亮李聪

摘要：随着社会的不断进步、城市的不断扩张，再回首看这几十年间我国在基础建设、经济发展等方面取得的一系列重大成就，而各个行业的发展、技术的革新、创新都与一系列的开发研究密切相关。各类工业在发展中逐渐受到限制，为了进一步提高生产作业的效率和质量，改善市场供求关系和竞争的场面，就需要对机械手进行深入的开发和研究，以此来实现工业中的半自动化、自动化以及物流和起重设施当中的自动化、精准化物料抓取，本文就对从当前机械手的发展状况着手分析，接着对随车起重机用机械手的设计和仿真进行阐述分析。

关键词：机械手;物料抓取;设计;随车起重机

1 引言

机械手是近些年来随着机械自动化研究的不断深入以及在工业中不断的实践应用中衍生出来，在自动化生产中能够利用机械手实现对特定物体材料的抓取和移动，当前在随车起重机上也有所应用以扩大起重机作业内容的范围以及对物体材料抓取的精准度。

2 当前机械手的发展状况

关于工业的发展海外发达国家要早于我国，且在技术的先进性和体系的完整性都要优于国内，针对机械手的研究和发展也是始于国外后续传入国内，下面就对国内外机械手设计发展的状况进行分析。

2.1 国外机械手发展状况

国外机械手的设计研发起步早、发展快，当前在机床、喷漆、电焊以及机械设备上料下料等方面，它能够执行既定的计算程序来进行自动化的作业完成一系列的任务[1]。海外工业机械高度发达国家机械手的设计和研发逐渐朝着智能化的方向发展，使得其具备感知外界环境以及作业条件的能力，根据外界环境的变化状况自行做出反映执行某种操作。当前随着机械手相关产业的共同进步以及发展，也在很大程度上成就了机械手功能和性能的进一步提升，高精度、高处理速度、多轴化、轻质高强等等都是当前机械手发展取得的成果，定位精度、处理速度、承受荷载能力也取得了质的突破，更为重要的是能够将机械手与不同的操作单元形成有机结合，就如在随车起重机这一单独作业单元的结合，进而改变、改善设备作业的方式和状态。

2.2 国内机械手发展状况

国内对“机器人”“机械手”等自动化机械产品的研究始于上世纪八十年代，当时的国家大力扶持的科技攻关取得了机械手方面的一些成果，发展至今已经基本掌握了自动机械手臂的制造技术、机械设计结控制当中硬件以及软件的应用，也生产出了一些列分别具备喷漆、焊接、搬运功能的机械手臂。喷漆机械手臂已经在国内的许多企业生产线上得到广泛的应用，焊接机械手也被应用到各个企业的焊接生产线上。然而不论从宏观还是微观的视角出发都能发现国内机械手臂相比国外存在的不足，具体在设备得应用稳定性、环境适应性、应用广泛性等方面[2]。

因而针对国内机械手的发展应用现状，有必要朝着抓取物体材料方面的机械手展开进一步的设计探究，以此来进一步增强随车起重机抓取物料功能的完善性和性能的卓越性。

3 机械手的总体结构设计

3.1 机械手的分类

随着当前机械手设计研究的发展可将机械手按照不同的门类方式进行分类，首先以驱动方式的不同能够将其分为液压、气动、电动、机械四大类;在适用范围上又有专用以及通用两类;机械手运动方式的差别又能够将其分为：（1）直角坐标式。这一形式的机械手能够实现在三个坐标轴方向的运动，手臂通过向上升起、向下降落来实现达到所要抓取物料的高度，再通过前后和左右的移动来达到对区域内物料抓取搬运的目的，这种形式的机械手特点是占据面积较大、工作范围不够大，常用于直线型的生产线。（2）圆柱坐标机械手。圆柱坐标式机械手与直角坐标式相比多了水平面内摆动这一功能，优势就在于其能够占据较小的面积而拥有较大的作业范围，但结构的缘故限制了其在竖直方向上的抓取能力。（3）多关节式机械手。多关节顾名思义该类型机械手由多个关节组成，由肘关节连接机械手的大小臂，大臂与后方柱之间又形成肩关节以及小臂与手之间的腕关节，因此多关节机械手能够更加仿真地完成如人类一般的操作，其不仅运动灵活便于抓取物料，同时手臂摆动的惯性较小能够保障抓取物料运送的稳定性和精确性。多关节机械手相比前两者拥有更强大的性能和更广泛的应用，尤其在计算机技术的引入后多关节机械手的作业能够被程序操控以及和记忆仿真操控。

3.2 多关节式机械手设计指标和结构确定

根据随车起重机的作业内容和范围，和作业要求来对机械手的指标和结构进行设计探究。在三维空间内想要通过机械手来实现对物料的抓取和搬运就必须对多关节机械手的手臂进行精确的设计和试验，需要使得手臂构建的尺寸、形状、自身质量以及承载能力满足机器设备日常作业的基本需求。参照设计指标，机械手臂底座依附于随车起重机起重臂来完成起重机作业半径范围内抓取物料的任务，手臂的腕关节需要具备能够俯仰的自由度来实现起重机末端機械手执行器安全稳定地抓取物料;机械手臂的结构设计构成则包含了两个能够实现旋转的关节和三个能够实现俯仰的关节，具体结构组合为基座旋转-大臂俯仰-小臂俯仰-手腕俯仰-手腕旋转，整个多关节机械手器件具备五个自由度，结构样式如图1所示。理论设计阶段预设大臂长为L2，小臂的长度设为L3，机械臂的杆长度也就是腕关节长度应当满足：大臂+小臂+腕关节大于等于抓取物料的作业半径。除此之外，大小臂的长度差能够对机械手作业内环半径产生影响，实际的抓取物料作业中也难免会存在机械手端部抓取部位达不到的死角，也因此需要对机械手大小臂的形状和尺寸进行合理的设计和规划，使得大小臂再折叠状态下二者之间的差降到最低，同时为了确保机械手的灵活性和准确性也需要对手腕的长度进行限制。

3.3 实验室内手臂校核

基于机械手是在随车起重机端部作业，作业状态是低速、大负载，各个关节之间的运动也是彼此独立，故能够将每个关节运动中的耦合效应忽略不计。手臂的校核首先要确定机械手臂连杆所用金属材料的类型，进一步利用理论力学的分析和计算得到关节的最大力矩和机械手连杆的最大弯矩。

（1）机械手连杆材料为碳钢，大臂质量为5kg，小臂质量为4.5kg，手腕质量为4kg。（2）每个关节的转矩距离基座越远则越小，因而关节的总质量也相对较小，相应的距离越近总质量越大。（3）机械手每个连杆的重心在轴线上，不同关节重心位于旋转轴线上，端部执行器与所抓取物料的重心相重合并且在其旋转轴线上。

通过分析可以了解到机械手作业时运动到水平位置各关节受到最大力矩，同时大臂的俯仰关节所受力矩大于小臂和腕关节。

4 机械手运动仿真

仿真模型的创建以及设置可通过ADAMS软件来完成。在Pro/E环境下建立机械手的实体模型，接着将模型导入进行仿真分析;View界面下设置重力方向、构件名称以及材质、关节处的motion。运动学仿真的时间取3s，步数为300，接下来就对机械手关节角速度和首部断电位移进行仿真分析。

4.1 关节角速度

经过仿真运动得到了关节角速度的数据输出如图2所示。

由图中曲线能够看出每个关节在不同时间内角速度的变化情况，关节2、3在零点五至一秒和一点五至两秒之间角速度变化较为明显，这与机械手关节运动的实际情况较为符合。

4.2 手部末端位移曲线

通过仿真得到的末端MARKER_34位移曲线如图3。

图中标明了X、Y、Z方向位移所采用的线条，0秒时末端点的坐标与ADAMS中机械手虚拟模型的初始位置坐标一致，3秒时的坐标位置与理论计算以及实际情况也都保持一致，从而验证了机械仿真情况的准确性。