基于“慧鱼”模型的工业机械手设计

摘 要：本文设计的工业机械手以慧鱼模型为基础，它能替代部分人工操作；能按照生产工艺要求，遵循一定的时间、程序和维度来完成工件的传送与装卸；能制作必要的器具进行焊接与装配，从而大大改善工人劳动量，显著地提高生产率，加快工业生产机械化和自动化步伐。

本设计使用ROBO Pro（慧鱼）软件控制ROBO TX控制器，实现对基于慧鱼模型的机械手的操作控制。通过ROBO Pro程序可实现对机械手的控制，改变程序就可实现不同的控制要求。

关键词：工业机械手；慧鱼模型；ROBO Pro

中图分类号：TP242 文献标识码：A

1.设计题目的提出及主要任务

经过历史的考验，机器人对我们的生产和生活越来越重要。单位时间内的次品率也越来越低，同时我们工作更加轻松，只需控制好操作面板，也就是机器人的控制系统。与此同时，生产出来的产品品质更加完美，这样可以显著节省成本开支。鉴于其重要作用，因此它被列入很多国家的高新技术产业。同时，机器人是一门综合了机电子、电子计算机及仿生人工智能等诸多专业的新兴学科。

本次设计以现有的工业机械手为基础，依靠慧鱼模型，设计以传送、运输为主要功能的新型工业机械手。

2.机械手的组成和结构设计

机械手一般由执行、驱动、控制等机构3部分组成。

（1）执行机构

由传递装置、驱动装置、控制系统以及末端操作器组成。

①夹持部分

这是机械手的独立的执行部件，夹持部分采用蜗轮蜗杆机构控制手抓的加紧、释放。

由于工业机器人的手部通常是专用的装置，一种手爪往往只能夹取一种量上相近的工件，只能执行一种作业任务。

由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指（或手爪）和传动机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易构件，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。

②手腕

起到连接手部和手臂的作用，主要起支撑作用，机器人一般要有6个自由度才能使末端操作器到达目标位置和处于期望的状态。

③手臂

臂部有大臂小臂或多臂构成，一般有2～3个自由度，即伸缩回转，俯仰或则升降。同时再设计臂部的时候要考虑到臂部要有足够的承载能力和刚度，刚度小，影响手臂工作时运动的稳定性更严重地导致变形，导致臂部的承受载荷大小都发生变化，运动速度和定位精度也不行；运动平稳性要好，精度要高，它是机械手的重要指标；重量和转动惯量要小，为了提高运动运动速度，尽量减小臂部的重量，同时还要注意偏重力矩，也就是让臂部的重心与立柱的重心尽量靠近；导向性要好，一面手臂在直线运动过程中发生相对运动。

手臂在进行伸缩或升降移动时，为了使手臂在直线运动过程中不致发生相对运动，以保证手部运动方向的正确性。所以这就需要导向装置，同时在设计导向装置时要考虑到实际载荷的大小，手臂长度行程以及手臂安装方式的影响。同时常用减小或则消除偏重力矩的方法有：尽可能减少臂部重量，还有就是尽量使臂部的重心和立柱的重心重合，再有就是配重的方法。

④立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。

⑤机座

机械手的各执行机构部件和驱动系统都安装在机座上，主要起支撑和连接的作用，底座部分采用蜗轮和齿轮结合的方式控制整个平台的旋转。采用杆机构，并由电机提供动力。

（2）驱动机构

驱动机构用于把驱动原件的运动传递到机器人的各末端操作器，一般的常用的液压驱动，气压驱动和电气驱动。

（3）控制系统

控制系统向机械手发出各种指令，让其能够再找要求完成各种任务的装置。目前工业机械手的控制系统多半由电气定位系统和程序控制系统构成。它使机械手按规定的程序运动，并同时机械手接受的指令信息被存储起来，同时按其控制系统的按照接收的信息对各末端操作器发出指令，还可对机械手的动作进行监视，当未按照预定轨迹工作或出现错误时就会发出报警。

（4）位置检测装置

位置检测装置由一个线铙电阻和一个滑动触电组成。当被检测量的位置发生变化时，滑动触电也随之移动，从而改变了接入点路电阻值的大小，从而改变电压，来更清楚地反应位置的变化。

3.慧鱼机械手的主要元器件

慧鱼模型主要包含三大类构件，包括机械类元件、电器类元件和气动元件。本次设计的慧鱼机械手主要由机械类元件、电器类元件构成。

（1）机械类元件

机械类元件主要有：联杆、齿轮、链条、齿轮轴、万向节、履带、差速器等。

（2）电器类元件主要包括：直流电机（9V双向）、传感器、接口电路板等

运用慧鱼工业标准的基本元件，辅以传感器、控制器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，使得技术创新和生产批量化的可行性成为可能。

4.控制系统

经过调试，发现了存在的一些问题，如重复精度不精确、往返行程过长、抓取不牢固等问题。经过改进、调试控制程序完成结构设计之后，设计ROBO Pro程序如图1所示。

此程序中机械手从初始位置开始，电机M2工作，使机械手的腕部向下偏转，到达指定位置后，电机M4工作，使机械手张开闭合抓取工件，接着电机M3工作，带动机械手臂上升至顶部，随后电机M1工作，带动机械手整体旋转一定角度后，电机M3工作，使机械手臂下降至指定高度，电机M2工作，使腕部偏转至工件释放位置，电机M4工作，释放工件完成搬运过程，最后机械手返回初始位置，重复上述过程。

5.设计总结

（1）机械手是通用机械手，它的适用范围很广，选用圆柱坐标和三自由度体系。

（2）越复杂的运动，所需的自由度越多，本次设计包括垂直，直线以及旋转3个自由度。

（3）导向装置在此次的装配过程中我们选择采用丝杆与齿轮的配合，从而控制其按固定的方向运动。

参考文献

[1]朱学敏.慧鱼模型指导书[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]丹尼斯克拉克，迈克尔欧文斯.机器人设计与控制[M].北京：科学出版社，2004.

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[4]毛茂林.慧鱼创意模型试验教程[M].成都：西南交通大学出版社，2010.

[5]王培林.工业机械手设计[M].北京：机械工业出版社，2009.