搬运机械手机械结构及控制研究

王德芬，杨贺绪

（宁夏理工学院，宁夏 石嘴山 753000）

引言

机械手是一种可以对人类的手及手臂动作进行模仿，从而实现物体搬运的机械装置[1]。显然机械手包含机械结构和控制电路两部分，机械部分只是执行机构，控制部分则可以决定机械部分以何种方式对物件进行搬运。搬运机械手在工业领域的广泛应用，不仅大大减轻了工人的劳动强度，而且显著提升了生产效率，是工业现代化的重要标志[2]。近年来，随着我国机械制造、电子控制、材料研发等领域的不断成熟并逐步形成完整的产业链，搬运机械手的应用也日益广泛，成为工业领域的核心装备之一[3]。本文对一种气动搬运机械手的结构设计和控制系统设计展开研究。

1 搬运机械手总体结构的设计

机械手的结构形式在很大程度上决定了其功能，因为不同的机械结构所能实现的运动范围、方式都是不同的。根据市场调研，目前市场上主要有圆柱座标式、关节式、直角座标式和球座标式等类型的机械手[4]，这些机械手由于其运动方式不同，因此在控制系统的设计上也有较大区别。根据使用需求，本文在此以圆柱座标式气动搬运机械手为例进行结构设计。按照一般机械手所具备的功能，结合圆柱座标运动形式，本文设计了一款如图1所示的搬运机械手。

图1 搬运机械手总体结构

从机械结构上看，为了实现物体的抓取、搬运功能，该机械手包含了底座、手臂、手部结构、立柱及手腕等机械部件，其中底座和立柱主要起到支撑整体机械结构的作用，使其在工作过程中始终保持稳固的直立姿态；手臂的作用是实现方向和距离的控制，能够对周边一定范围内的物体进行搬运；手部的功能是抓取物体，而手腕的功能则是可以对物体的方向进行调整。总之，整个机械手的结构是仿照人类的手和手臂来设计的，通过PLC编程控制，能够满足多自由度的运动控制要求。当前的机械手主要通过液压和气压两种方式来驱动，考虑到一般工业流水线的生产要求，不涉及过重的物体，因此本文设计采用气动驱动。

2 搬运机械手主要机械部件的设计

2.1 手部结构的设计

手部结构是直接抓取物体的部分。对于气动机械手，其手部结构主要有气流负压式和夹持式两种主流形式，其中夹持式与人体手部结构和工作原理较为类似，因此本文采用夹持式设计，在传动机构的相互配合下对手部运动进行控制，从而达到抓取物体的目的。手部的手指由两片V型钢材组合而成，相互对称、相互配合。具体而言，为了实现手指的灵活动作，采用了齿轮和齿条的配合传动方式，通过一对齿轮的对称运动，控制手指的张开和夹紧。手部通过手腕与手臂相连，通过张合动作即可实现物体的抓取。

2.2 手腕结构的设计

手腕实际上是位于机械手的手部和手臂之间的机械部件，手腕的设计主要是为了对手部动作进行调整，从而实现更加灵活的动作控制。考虑到在物体搬运作业中，物体的摆放位置是任意的，因此要通过手腕的调整使手部结构能够以恰当的角度对物体进行夹持，本文通过回转结构的设计来达到这一目标。采用单叶片回转气缸，通过螺钉来连接定片和缸体，同样，动片与回转轴也由螺钉来实现。为了使手腕结构更加简洁和紧凑，本文将动片设置在气腔内部，使其恰好将气腔划分为两个空间，实际上这样的设计具有一定的通用性。

2.3 气压系统的设计

气压系统是整个机械手的原动力，气压通过气缸作用在各个机械部件上，从而驱动各部件动作。考虑到在实际应用中，机械手不仅要能够大范围地回转和伸缩，也要具备手腕和手部的精细作业能力，而这两种运动形式所要求的气压在量级上是有明显区别的。为了满足这一应用需求，本文采用了双气缸设计方案，分别设置了一个大气缸和一个小气缸，其中大气缸主要完成大范围的驱动任务，例如大回转、重物提升和下放等等，小气缸则主要用于手部和手腕精细动作的控制，例如手部方向的调整，物体的夹持和放开等等。双气缸的设计避免了气压系统被频繁地进行大范围调整。

3 搬运机械手的运动控制

3.1 控制要求

机械手对物体的搬运，不仅要求完成位置的移动，还要具备物体位置的自动检测和跟踪，对于流水作业，还要具有精确的计数功能，并实时显示已完成的搬运数量。为了适应多种应用场合，还要求系统能够切换自动和手动两种模式。控制系统要求具有较高的控制精度、较高的可靠性和较高的灵敏度，通过编程实现不同的动作组合。

3.2 硬件设计

根据本系统的机械结构设计，其控制系统采用了主流的PLC控制技术，由于PLC模块的I/O口资源是有限的，因此要做好使用规划。本系统采用了17个I/O口作为输入，包括6个控制信号、8个限制信号、1个压力信号和2个位置信号；输出I/O口共规划了13个，其中指标信号4个、计数信号1个、执行信号8个。为了满足上述规划，在PLC选型时应注意采用资源足够的产品，例如比较常用的欧姆龙CPMIA系列。但值得注意的是，PLC的选型并不是越贵越好，如果资源过多反而造成浪费，因此要根据应用需求和控制的具体要求来恰当地进行产品选型。

3.3 控制逻辑

机械手的所有运动都是通过电磁阀作为执行机构的，每一种运动方式都有一个相应的电磁阀，例如上升、下降、左移、右移、左旋、右旋、夹持、松开等等。PLC通过指令向特定的电磁阀发送控制信号，相应的电磁阀按照指令执行，在多个控制指令的时序协调控制下，即可实现机械手灵活多样的运动控制。机械手的控制分为手动和自动两种模式，其中自动模式主要用在自动化流水线中，以固定的动作组合进行重复执行，即可源源不断地完成物体的搬运。搬运模式则用于应对一些临时的搬运工作，可以通过手动输入不同的指令，实现对机械手的任意动作操控。

4 结语

由于机械手的机械结构、运动形式、控制逻辑、应用场合都可能完全不同，这就对机械手的结构和控制设计提出了更高的要求。随着我国制造业的发展，各种流水作业更加复杂，只有根据实际情况设计出最适合的结构形式和控制系统，才能满足日益多元化的工业自动化需求。本文设计的圆柱座标式气动搬运机械手动作灵活、反应敏捷、工作稳定、可靠性高，可以满足多种工业控制要求，具有一定的应用推广价值。