物料抓取机械手设计及运动仿真

闫敬民 柳靓南 李荣 王雪 何盛斌

[摘 要] 机械手是物流自动分拣系统中不可或缺的组成部件，为提高机械手抓取物品的灵活性及抓取能力，基于欠驱动机构，设计物流抓取机械手，该机械手具有结构简单、性能可靠、输出力大。通过调整机械手3根手指其相对位置，且能主动适应被抓取物件的形状。根据被抓去物体需求，对该手抓各零部件进行了设计，并针对其抓取状态下进行了静力学分析。在此基础上对于机械手抓取过程进行了运动仿真，结果表明，该机械手设计合理可靠，可实现物流分拣过程中货物的抓取。

[关键词] 机械手；运动仿真；结构设计

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 19. 032

[中图分类号] F273 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2018）19- 0075- 03

0 前 言

近些年随着不断推进产业转型及升级，“中国制造 2025”提出以及“一带一路”的实施，为了降低成本以及提高效率，工业机器人的研究及制造成为当前最大的研究热点[1-3]。世界机器人联合会（IFR）数据显示，预计到2020年，中国将成为全球规模最大的机器人市场。就物流行业来说，巨大的用人成本、较低的工作效率与精度，对于具有自动化、智能化的物流机器人的研究更加迫切，尤其在危险、有毒、单调、繁重的物流作业环节和场合，更能凸现机器人的优势[4-6]。

1 机械手总体结构设计

随着电子商务的不断发展，商品的外包装不再是单一的箱体类，而是越来越多样化，而物流活动中无论是搬运、分拣、出入库等，都涉及对其进行抓取，目前物流行业中的这些不规则货品的作业还是以人工为主。为此，设计了一种抓取不规则物品的机械手。该机械抓手能执行不同形状尺寸物料的抓取，共有12个自由度，由3根手指、手掌、转动机构、底座几个部分组成（如图1所示），三根手指通过3个传动连接件和滚珠丝杠与驱动器相连。伺服电机负责手指相对位置的调整，驱动器负责手指的抓放。

以其中一根手指为例，对其进行工作原理分析。手指最下端的连杆b1与驱动装装置连接，动力由此输入。连杆b1，c1，a1和手指关节1组成一个四连杆机构，在外力F的作用下，该机构将绕指关节1同手掌连接点转动，当指关节1运动到和被抓去物体接触时，便停止运动，而连杆c1继续带动连杆a1进行运动，连杆a1作为指关节1和指关节2之间的连接件，在外力的继续作用下将继续转动，连杆c1，a2，c2及指关节2又形成一个四连杆机构，该四连杆机构将绕指关节1和指关节2的连接点转动，当转动到指关节2同物体接触时，指关节2停止运动，连杆a2带动指关节3转动绕指关节2和指关节3连接点转动，从而实现机械手对物体的包络抓取。

该机械手有两种抓取方式，分别是包络抓取和精准抓取，前者是通过欠驱动机构进行抓取，后者通过手指指面夹取。该机械手驱动方式采用电机驱动，机构简洁高效，结构紧凑，维护方便。机械抓手的三个手指中，一个手指始终固定不动，另外两个手指在相向或相背转动60°后，可使得机械手在三根向心的状态与固定手指和可转动手指指面相对且平行的状态之间相互转换。转动机构由两个齿轮副组成，每一个齿轮副由一个直齿圆柱齿轮和固定在可转动指座上的齿轮组合而成，安装在手掌结构的上空腔内，通过安装在下空腔内的两个伺服电机驱动，从而改变两个可动手指的位置，如上图所示所示。

2 手指参数确定

手指参数根据要抓取物体尺寸范围确定。为简化计算，该机械手指参数确定过程中，忽略了一些次要因素，把未知参数归结为两个手指的抓取动作主要是由杆件ai和杆件ci的长度决定（如图2所示，i=1，2）。

为了尽可能地在满足抓取需求的前提下尽量缩小机械手的尺寸，各杆件长度应该尽可能短。手指的位置是以120度均匀的分布在半径为35 mm的圆上（如图1中所示），因而得到投影图2（根据抓取范围按比例所画，为手指完成力量抓取最大和最稳定的位置）。根据设计需求，机械手的初始尺寸选取如下：

考虑到本文所设计机械手的最大抓取物其直径是100 mm的设计需求，预设各个指节厚度为12 mm，并结合图2利用图解法对平面四杆机构进行设计，量取l=47.5，m=39，n=28。

因此对于图中的尺寸，对其进行取整，即L=48 mm，M=40 mm，N=30 mm。根據公式Ri=ai/ci，对于ai、bi、ci、ωi取a1=30 mm，a2=30 mm，Ri=2 mm，ω1=30°，ω2=100°。因而可推出：c1=a1/R1=30/2=15 mm，c2=a2/R2=30/2=15 mm，根据图解法设计四杆机构，取b1=46 mm，b2=43 mm。

3 机械手运动仿真

本文所设计的机械手，其指尖最大输出力为49 N，即上述F3为49 N，则驱动力Fs为158 N。为分析设计是否合理，利用Adams软件进行机械手抓取的运动仿真，仿真分析中驱动力为158 N，每个手指指尖弹簧的弹性系数K为2 N/mm，分析时间t=30 s，帧频为10，凸轮分离系数取0.01。因为最后成型的手指指面会附着一层橡皮层，所以取静摩擦系数为0.9，取动摩擦系数为0.6。先把细杆固定在手指相对居中的位置，分析的目的是看机械手的运动过程是否符合设计要求。

手指各个关节在抓取细杆时受到的连接反作用力曲线如图3所示。从图中可看到指尖受到的连接反作用力为一平滑曲线，逐渐增大直到达到最大值，即当t=0.021 6 s时，指尖受到最大连接反作用力为23.004 6 N是平滑曲线，并且它们都是首先快速下降再平缓上升。综上所述，机械手在抓取细杆状物体时，手指的反作用力符合设计预期。

4 结 语

针对物流活动中对形状复杂、种类繁多、规格尺寸不一货物特点，设计了一种货物抓取柔性机械手，机械手指采用欠驱动结构，具有结构紧凑，重量轻，控制简化，抓取可靠的特点。根据被抓取物品的特点，该机械手具有精确抓取和包络抓取两种工作方式，因此在结构设计的过程中，其中有两根手指可在手掌中做转动。根据被抓取货物尺寸等要求，对手指的结构设计和参数确定，在此基础上并应用Adams软件对手指进行了运动仿真，仿真结果表明手指在外力作用下抓取运动的达到预期效果。

主要参考文献

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