基于串联增力机构的机械手夹持装置设计❋

潘秀石

（苏州经贸职业技术学院 机电系，江苏 苏州 215009）

0 引言

随着工业技术的不断发展，机械手被广泛应用于工业自动生产中。机械手夹持装置按驱动方式分主要有液压驱动、气压驱动和电驱动3种。液压式的机械手装置以液压油作为传动介质，装置能够获得大的夹持力，反应速度快，容易控制；缺点是液压装置所占空间大，在工作过程中液压油易发热和发生泄漏对环境造成化学污染，甚至会因油液过热引起火灾［1］。气压驱动式以空气作为传动介质，因此对环境不会造成污染，夹持动作迅速，便于实现自动化控制，系统故障少；另外机械手夹持后依靠压缩空气的势能，可以持续保持对被夹持对象的夹紧力，不再消耗其他能源，所以能量利率高；其主要缺点是压缩空气容易泄漏，所以系统压力较低（一般为0.4 MPa～0.7 MPa），因而装置的夹持力较小。电驱动式以电能作为动力源，通过电机转动带动传动装置来实现机械手运动臂的工作运动，在传动装置中通过机械增力机构对电机的输出力进行放大，这样就可以大大增加机械手夹持工件的夹持力；其主要缺点是在传动装置中必须有一个机械自锁装置，以使得电动机在断电后仍能继续保持对被夹持工件的夹紧力。

本文设计了基于电力驱动的螺旋－铰杆－杠杆串联增力机构的机械手夹持装置。

1 机械手夹持装置工作原理

机械手夹持装置工作原理图如图1所示。装置主要由电机、联轴器、铰杆组、杠杆组、丝杆及螺母组成。电机通电正转，通过联轴器带动丝杆转动，丝杆带动螺母组件向右移动，螺母推动铰杆组，此时铰杆压力角α逐渐变小，通过铰杆机构的角度效应将电机输出力放大，再将力传递给恒增力杠杆组，通过杠杆机构再将输出力放大，最终成为机械手装置夹持工件的作用力F；电机通电反转时，通过联轴器、丝杆、铰杆及杠杆使机械手松开被夹持工件，若在装置的夹持器上安装有指端力传感器和触觉传感器来对装置夹持力进行控制，可以实现对被夹持工件有效夹持［2］。从图1中可以看出，此种机械手装置结构紧凑、简单、整体体积小。另外螺旋传动机构还具有反向自锁功能，这样就可以省去机械手夹持中的夹紧力保持机构。

图1 机械手夹持装置工作原理图

2 力学计算

电机带动丝杆后驱动螺母移动的螺母推力Q 可按下式进行计算［3］：

其中：M 为电动机的额定转矩；d2为丝杆的中径；λ 为丝杆螺纹升角；ρ为丝杆与螺母的当量摩擦角。

铰杆的力按下式进行计算：

其中：n 为夹持机构的副数（图1为2副）；ηMT 为铰杆机构的机械效率。

杠杆机构力FML可按下式进行计算：

其中：l1、l2分别 为 杠 杆 主 动 臂、从 动 臂 的 长 度；ηML 为杠杆机构的机械效率。

综上所述，图1所示机械手的夹持力F 可用下式计算：

由式（4）可以看出，机械手的夹持力F 与杠杆主动臂、从动臂长度的比值l1／l2成正比，与铰杆机构理论压力角的正切tanα成反比，与丝杆上螺纹的螺旋升角与摩擦角之和的正切tan（λ＋ρ）成反比。在图1所示装置中，假设电动机、丝杆螺母均已选定，此装置夹持状态下α＝10°、l1／l2＝3、λ＝4.5°、ρ＝8.8°，铰杆机构的机械效率ηMT ＝0.9，杠杆机构的机械效率ηML ＝0.97［4］，则图1所示装置可把电动机输出的扭矩作用在螺杆丝杆中径上的作用力放大约40倍。这一数据充分表明，采用螺旋－铰杆－杠杆串联增力机构可以大大提高机械手夹持装置的夹紧力，从而满足一些要求夹持力比较大的场合。

3 总结

（1）图1所示机械手夹持装置结构紧凑，若再将电机与丝杆螺母机构置于杠杆机构内部，相比较于传统的液压、气压驱动装置外置的布局，其结构更为紧凑。

（2）在铰杆－杠杆增力机构实际工作中，铰杆机构的理论压力角α 是一个非线性的量，而且是越来越小，则驱动机械手夹持装置运动速度由快变慢，符合实际工作要求。

（3）采用螺旋－铰杆－杠杆串联增力机构，可以对装置的夹持力进行显著放大。在实际应用中为了适应不同的应用场合可改变装置的机械结构，如使用二爪、三爪等完成对不同形状零件的抓取动作；改变杠杆组支撑铰链的位置，可实现机械手的内夹持功能或改变夹持力的大小。

［1］ 郭瑞洁，钟康民.基于铰杆－杠杆串联增力机构的内夹持气动机械手［J］.液压与气动，2009（1）：55－56.

［2］ 张彪，叶军，鲁翔，等.一种丝杆螺母机构型机械手的设计［J］.中国西部科技，2010（15）：31－32.

［3］ 潘旦君.机械基础［M］.北京：高等教育出版社，1986.

［4］ 成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2004.