基于抓取圆柱形棒料的多关节型机械手结构研究

摘 要：针对装配车间中传统人工抓取与搬运圆柱形棒料所面临的效率低下、劳动强度大、易出错等问题，本研究设计了一种专门用于抓取圆柱形棒料的多关节型机械手装置。该装置实现了圆柱形棒料的自动化搬运与精准抓取，显著提升了工作效率，并有效降低了搬运成本。装置采用减速电机与谐波减速器的传动方式，确保机械手的运动平稳且精准。对机械手的夹紧装置、手臂抓取装置、腕部结构及手爪进行了详尽的设计与优化，使机械手结构紧凑、轻巧且高效。最后，利用SolidWorks进行了建模仿真与整体装配设计，验证了各部件之间的配合与运动关系，确保了机械手在实际应用中的可靠性和稳定性。

关键词：多关节机械手 自动化抓取 Solidworks建模仿真

随着工业4.0时代的到来，企业正面临前所未有的提高生产效率的压力。传统制造业中，大量依赖人工的重复性劳动如物料搬运、焊接作业等，不仅效率低下，还占用了大量的人力资源。多关节型机械手不仅可以快速地提高工厂的生产力水平，还可以减少劳力资源和时间的损耗，大大提高了工业生产的效益。同时，对于工人无法涉及或条件受限制的领域，比如空间狭隘、温度极端、杂物较多的地方，机械手能完成预定任务。本文通过分析机械手执行动作功能要求，确定了手臂结构、末端执行器结构以及驱动方式，设计了一种用于抓取圆柱形棒料的多关节型机械手。

1 机械手的整体结构设计

本文设计的多关节型机械手主要用于夹取小型圆柱形棒料的工件，质量在2kg以内，适用于轻至中等负荷的物料搬运和精密装配作业。要求实现机械手在腰部的旋转、大臂的升降与伸缩、小臂的升降、手爪的开合等功能，并与物料台的自动送料相配合，在水平面能够实现定点取物、定点放物的功能。总体设计要求如下：

（1）抓重：2kg。

（2）自由度数：4个自由度。

（3）坐标型式：垂直多关节型。

（4）手臂参数：大臂为480mm，小臂为532mm，回转速度为6°/s。

（5）手指夹持范围：70mm圆柱状。

（6）驱动方式：电机驱动。

（7）控制方式：PLC（FX2n-系列）。

根据设计要求，所设计出的机械手总体三维结构如图1所示。

整体结构设计设置了4个自由度，分别是：底座的旋转，大臂的回转，小臂的回转，腕部的俯仰。

底座：采用了直流伺服电机与一级齿轮减速实现底座的旋转360°旋转。

大臂：采用伺服减速电机实现了大臂的±90°回转。

小臂：采用伺服减速电机实现了小臂的±90°回转。

腕部：采用伺服减速电机和齿轮组的结合机构实现了腕部的±90°回转。

手爪：采用了气缸，通过活塞和拉杆的运动来实现手爪的张开和闭合。

1.1 基座部分设计

基座部分由伺服电机、齿轮、轴、轴承、联轴器等所组成。具体如图2所示。

1.1.1 伺服电机

伺服电机选用选110S–CZK01直流宽调速伺服电机，额定功率：0.166kw，额定转矩：1.05—17.6N.m，额定转速1500r/min。

1.1.2 齿轮

考虑到传递功率不大，且对结构尺寸无严格要求，齿轮材料选用45钢，齿轮为8级精度。小齿轮调质处理，小齿轮齿面硬度217～255HBS，大齿轮正火处理，齿面硬度162～217HBS；小齿轮齿数Z1=25，大齿轮Z2=125。

1.1.3 轴

轴的材料为45号钢，经调质处理后表面硬度220～250HBW。具体尺寸如图3所示。

1.2 臂部设计

手臂是机械手的重要部件，主要是辅助腕部还有手爪（包括抓取工件），并能与腕部一起在规定的范围内运动。臂部包括小臂和大臂，采用伺服减速电机驱动实现回转运动。如图4所示。

大臂电机选用：安川SGMJV—04AH1减速电机，减速后额定转速为10n/min，额定输出扭矩为25N.m，减速比为1⁚60，减速后的转速为10n/min。

小臂电机选用：安川SGMJV—A5AAH1减速电机，减速电机额定转速为600n/min，效率n=80%。根据所需转矩，选择region-detail-titleXB3偏平式谐波减速器，机型为25，额定输出扭矩为5.5N.m，减速比为1⁚60，减速后的转速为10n/min。

1.3 腕部设计

由于腕部的电机装在小臂上，考虑到整体的结构以及运动性能，选择型号为80imagel50-C-Z-25G10减速电机。该减速电机机相关技术参数如下：额定转矩为2.1N.m，减速比为1：75，减速后的额定转速为20r/min。如图5所示。

1.4 手爪设计

机器人的末端操作器是机器人直接用于抓取、握紧、吸附专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件，它能够模仿人手的动作，是最重要的执行机构，安装于机器人手臂的前端。

本设计选择滑槽杠杆回转型手爪，杠杆形手指4的一端装有V形指5，另一端则开有长滑槽。驱动杆1上的圆柱销2套在滑槽内，当驱动连杆和圆柱销一起做往复运动时，即可拨动两个手指各绕其支点（铰销3）作相对回转运动从而实现手指的夹紧与松开动作。滑槽杠杆式传动机构的定心精度与滑槽的制造精度有密切的关系。因活动环节较多，配合间隙的影响不可忽视，此机构依靠驱动力锁紧，机构本身无自锁性能。滑槽式杠杆回转型手部结构如图6所示。

2 作品的创新点

（1）四自由度垂直关节设计：独特的四自由度垂直关节结构，使机械手在垂直空间内具备高度的灵活性与广泛的作业覆盖能力，解决了传统机械手在三维空间操作中的局限性。

（2）减速电机与谐波减速器结合：实现高效、稳定的传动效果，提高整个传动系统的效率。谐波减速器的高传动精度和减速电机的高控制精度，实现传动系统的精准定位和控制。

（3）结构紧凑：减速电机直接驱动肩关节以及肘关节，避免采用过多齿轮组，使得结构更加紧凑，简洁，工作空间大，灵活性强，传动效率大，有利于机器人的总体结构设计，有效地提高了机械手的性能。

3 项目的应用价值和转化场景

（1）提升工业生产效率：通过优化垂直多关节型工业机械手的结构设计与控制系统，项目将显著提升工业生产的自动化水平，提高生产效率，减少生产周期，为制造业企业带来显著的经济效益。

（2）降低人力成本：高效的自动化生产将减少对人工的依赖，特别是在一些繁重、危险或高精度要求的作业环境中，机械手的应用可以大大降低人力成本，同时提高作业安全性。

（3）保障人员安全：在恶劣或高风险的工作环境中，如高温、高压、有毒有害等场所，机械手的应用可以有效保障人员安全，减少工伤事故的发生。

参考文献：

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