一种可重构可展机械手机构的设计与研究

廖益丰，唐小凤，陈桂平，李坚勇

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州545616）

0 前言

中国制造2025已经成为了我国强国梦的重要战略目标之一，然而我国要迈入世界制造强国的队伍，就必须发展智能制造[1]，向工业4.0时代迈进。智能制造离不开机械手，张庆峰[2]设计了一种新型数控机床装夹机械手，并提出了一种数控机械手设计理论；贾小东[3]对一种钻杆自动排放数控扶持机械手进行了设计与分析；刘飞飞[4]等对一种数控加工自动上下料机械手爪进行了设计与分析。尽管机械手的研究已有了一定的热度，但是机械手的承载力和灵活性一直是制约机械手发展的重要因素。

本文设计了一种可根据工作的需求而灵活改变构件间运动副连接方式，从而获得不同的运动性能，以完成不同的工作需求，而且其结构简单，可伸缩性强，具有良好的应用前景。

1 机械手机构的结构设计与构型分析

1.1 机械手机构的结构设计

本文设计的机构结构示意图如图1所示。

（续下图）

（接上图）

图1 机构结构示意图

该机械手机构可根据不同工作的需要改变第二连杆与主连杆，第五连杆与主连杆之间的运动副连接关系，使机构发生构件重组，进而使机构的性能发送改变，还可通过第一圆弧挡板和第二圆弧挡板的位置限定作用，使机构在运动的过程中拓扑结构发生变化，机构变胞，增强机构的承载能力。

该机械手机构不仅具有较强的可展性，且具有五个构态，每种构态都具有其相应的性能特点，接下来将对其构态进行分析。

1.2 机械手机构的构态分析

该机械手机构具有五个构态，分别如图2中的（a）图到（e）图所示，从这五个构态图可以看到，当机构处于（a）图所示的状态时，机构的所有构件都可缩到一个平面内，机构在这个构态下可展性最强，灵活性也较高，承载力也比普通六自由度串联机器人强；当机构处于（b）图所示的构态时，机构的承载能力有所降低，但是工作空间却比（a）图所示的构态有所增加；当机构处于（c）图所示的构态时，机构具有一个三角形稳定结构，承载能力增加，但是工作空间和运动灵活性降低；当机构处于（d）图所示构态时，机构承载能力相比（c）图而言略有降低，但是工作空间有所增大；当机构处于（e）图所示构态时，机构是最稳定的构态，此时机构具有两个三角形的稳定结构，承载能力最大。

图2 机构构态示意图

1.3 工作原理

当第二连杆与主连杆的连接方式为移动副连接，第五连杆与主连杆的连接方式也为移动副连接时，机构如图2中（a）图所示，此时因第二连杆和第五连杆都可完全缩进主连杆中，因此，此构态下机构伸缩性最强；当第五连杆沿着主连杆上的滑槽移动到主连杆顶部时，第一插销会插入第一圆弧滑块中，第一转动副单元与第二转动副单元就构成了转动副，此时第五连杆与主连杆的连接关系就从移动副连接转变成了转动副连接，机构变换成图2中的（b）图所示构态，该构态下，机构只有第二连杆可在主连杆上进行伸缩，因此，机构可伸缩性有所下降，但是第五连杆此时可绕着主连杆转动了，因此工作空间有所增加；当第六连杆在转动的过程中被第一圆弧挡板挡住时，如图2中（c）图所示，此时第五连杆和第六连杆都不可继续顺时针转动，机构拓扑结构发生变化，此时主连杆、第五连杆和第六连杆组成一个三角形稳定结构，机构此时承载能力大幅度提高，但工作空间降低；当第二连杆也沿着主连杆上的滑槽移动到滑槽顶部时，第二插销插入第二圆弧滑块中，第三转动副单元与第四转动副单元就构成了转动副，此时第二连杆与主连杆之间的连接关系由移动副连接变成了转动副连接，如图2中的（d）图所示，此时机构工作空间所有增加；当第二连杆绕着主连杆逆时针转动，第一连杆与第八连杆的连接处被第二圆弧挡板挡住时，机构形成两个三角形稳定结构，如图2中的（e）图所示，此时机构承载能力最高。

2 应用分析

该数控机械手机构不仅可以应用在数控领域，由于其具有较强的可展性，并且可根据工作的需求，进行构件重组，灵活转换自身的运动灵活性、工作空间和承载力，目前深海勘探领域极需要这样的机构作为勘探工具，因为在深海中，深度不同，压强就不同，作业的强度也随时变化，因此很需要一个灵活多变的机构进行作业；在航天领域也是如此，当月球勘探车进入月球表面时，复杂的地形会使勘探车输出端难以作业，因此也需要一个可根据需求而灵活改变运动性能的机构；甚至在农作物的采摘方面也需要，因为农作物的大小和尺寸不一样，需要机构的承载能力也不一样。可见该机构的应用前景是非常广泛的。

3 结束语

（1）针对现有机械手承载能力低，运动灵活性和可展性不足的问题，提出了一种可重构机械手机构，该机构可根据不同的工作需求，重组构态，实现工作性能灵活变换。

（2）由于该机构具有较强的可重构功能，其不仅仅能够运用在制造领域，还可运用在深海抓取、太空勘探和农业采摘等多个领域。