机械手的精确抓取与控制

本文通过了解近年来机械手技术研究和发展状况的基础上设计了一种可以对目标物体进行稳定抓取的小型化、轻量化机械手系统。本文通过研究从整体上先对机械手的重要特点和结构进行了分析，设计了一种3自由度的机械手，在此基础上用三维建模软件Soild Works进行建模并利用该软件的二次开发进行了仿真。整个系统通过传感器对信号的采集，通过事先设计好的信号调理电路，以单片机为控制单元，通过电机和气缸驱动模块来控制系统运行，这一切步骤都通过程序来实现。

一、机械手的系统工作原理

机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及压力检测装置等所组成。在程序控制的条件下，采用气压传动与电机传动的混合传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。压力检测装置随时将机械手反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.

二、机械手的整体设计方案

为了使机械手的设计简便，机械手的手部采用了夹持型的设计，它是连杆机构在气缸的带动下绕其回转中心旋转来带动手指的开闭的，优点是动作灵敏，结构 设计简单，适应性强，精度高，一定的承载能力等特点。

1. 机械手的手臂结构方案设计。按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降（或俯仰）运动。对于手臂的升降，我们在考虑到平稳性和安全性以及升降的准确性之后，决定利用丝杠进行传动。同时考虑到手臂的转动以及回转体的特性，我们在立柱底下安装一台小型步进电机，步进电机来完成机械手的回转运动，手臂的横移通过气缸来实现。

2. 机械手的驱动方案设计。我们选择了电机驱动和气压传动，目前步进电机的最小转角完全能实现1.8°/s，的最小转角。而且步进电机的成本不高，进一步增加了机械手的通用性。气动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此也是比较合理的传动方式。

3. 机械手的控制方案设计。考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用单片机对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变程序即可实现，非常方便快捷。

4. 机械手的主要技术参数

一、机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气压方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重

二、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数，影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度

三、手部结构设计

1. 夹持式手部结构

1.1手指的形状和设计

夹持式是最常见的一种，本文采用两指式夹取。

1.2手部夹紧气压缸的设计

（1）手部驱动力计算。假设夹起质量最大为1KG的工件，在1s内水平匀速直线运动0.3m，设两手指原始间隔40mm当手指间隔为20mm时触碰工件并夹紧，夹持点距转轴的力臂大约为800mm.

假设综合摩擦系数为u=0.15，由G=mg得G=9.8N，又G=2uF可得F=32.67N （F为手指对工件的家夹持力）

则夹持距为：M=F・S=32.67x0.8=26.13N・m

（2）确定气缸内径。根据竖直臂的工作载荷以及初选的工作压力，缸径D可以利用下述的公式计算出，当活塞杆收缩克服载荷做功时：

其中：D为气缸的内径（m）；F1为作用于气缸活塞上的推力（N）；P为初选的工作压力（Pa）；n为总机械效率（当气缸动态性能要求和工作频率较高时，n=0.3一0.5.

（3）水平伸缩气缸内径的计算。对于气缸伸缩运动，利用流体的知识，v=Q/s，Q为流体流量，S为底面积，暂定v=0.05m/s，s=2πr2=2×π0.012=6.28×10-4m2，

所以Q=VS=

气缸收缩时所承受的外力F 20N，水平伸缩的行程为30mm，伸出或缩回的时间为0.5s.

取d/D=0.5，P=0.5Mpa， =0.4代入公式得

≈0.0239m=23.9mm

2. 电机丝杆螺母传动

底座的圆周运动采用电机带动齿轮传动，机械手的上下运动为丝杆螺母传动和气缸伸缩运动。

经过查阅市面上的伺服电机减速器一体设备的输出转速为1200r/min，暂定机械手的上下运动的速度为0.05m/s左右，接下来我们计算丝杆螺距。

已知n=1200r/min即为20r/s，而v=0.05m/s。

又有，即，

四、传感器的选取

压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器，特点：小型轻便、响应快、在线性好、可靠性高。

我们选择小尺寸微型称重拉压力传感器传感器的满量程输出电压（MAX mv）=传感器的拱桥电压（5到15VDC的范围内，）X传感器的灵敏度（例如：1MV/V或者2MV/V）

传感器所受到的力与传感器的输出电压呈线性关系满足：Ymv=a*Xf

产品参数：精度：0.1%F・S；工作温度范围：-20～+65℃；灵敏度：1～2 ±0.1mv/v

五、机械手的控制系统

对于机械手，我们采用单片机进行控制。单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点在对价格和性能的考虑下，我们选择了80C51系列的增强型单片机80C522单片机。

六、结论

1.采用电机和气缸的混合传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低廉。

2.机械手采用单片机进行控制，有很高的安全性和可靠性，同时也很方便去改动程序，是的机械手的通用性更强。

作者简介：门柯平，西南交通大学机械工程学院。

向顺，西南交通大学机械工程学院。

史明天，西南交通大学信科学与技术学院。

鲜凌霄，西南交通大学物理科学与技术学院。