機械手是一種自動控制設備，它模仿人的手的結構，按照人的要求和程序，在規定的時間內完成物料的收集、物料的傳遞或一定動作的執行。在自動化生產中得到了廣泛的應用。

本文設計了驅動輪軸的動力機械手，包括機械部件和結構件的設計以及驅動機構的選擇。確定了機械手的坐標系、自由度問題和驅動機構，為機械手的設計和使用提供了理論依據。

2　機械手各部位的運動分析及介紹

2.1　機械手各部位的運動分析

根據臂的運動形狀，根據坐標系定位理論，將工業機械手分為四種類型：極坐標系統、直角坐標系統、圓柱坐標系和多關節坐標系。在本設計中，機械手主要由以下幾個部分組成：(1)采用直線氣動缸驅動運動機構，實現夾具的夾緊。(2)旋轉滾筒實現手的旋轉運動。(3)腕關節采用軸承連桿，減小阻力，實現小臂的旋轉運動。(4)彎頭采用軸承連桿減小阻力，實現彎頭在平面內的旋轉。(5)臂由直線氣動缸驅動，驅動上下臂，實現臂繞腰部的旋轉，實現執行器垂直方向的定位。(6)腰部采用軸承連桿減阻，實現整個機構的旋轉動作。腰部、肘部和手部三對旋轉，使整個機構的工作范圍實現了立柱周圍直徑3米以內任意方向的夾緊件。

2.2　機械手各部位介紹

1.驅動機構

驅動機構可分為氣動、液壓、電動和機械驅動等四類.因為工廠一般都有氣源，所以氣動成本相對較低，而且安裝方便，因此工業中啟動選擇較多.

2.執行機構

(1)手一般為旋轉機構，多為雙指機械手，常見形式有：動槽輪結構、連桿結構、齒輪齒條結構和重力結構等。

(2)手腕用于將手指與手臂連接，改變夾緊工件的位置，手腕一般由旋轉結構組成。

(3)手臂與手腕相連，驅動手腕及其后續部分在工作范圍內移動。

3.控制系統分類

機械手的主要控制因素是空間坐標位置，并注意其加速度、速度等特性.

3　機械手手部設計計算

3.1　基本要求

（1）具有足夠的夾緊力；（2）手指的張開角度必須在使用范圍之內；（3）要求結構必須緊湊、重量相對較輕、效率要高.

3.2　機械手手抓的設計計算

圖1　手部結構、受力分析

1.選擇手抓形式及夾緊裝置選擇

本設計為驅動輪和軸助力機械手，手柄直徑在30~80 mm之間，重量為60 kg。采用夾持式雙指背變換手抓握方式.在氣缸的作用下，機械手的手指打開。

2.手抓力學分析

圖1為常見的連桿杠桿式手部結構的卡具夾緊和松開狀態.

手部結構、受力分析：

A——手指　B——銷軸　C——氣壓缸

拉力F在B點，方向向上且過銷軸的中心點，兩手指A的對銷軸的反作用力分別為F1和F2，其力的方向垂直于手指向外，拉力F由下式計算.

對受力分析可知，角度選為30度到60度之間.

3.手抓夾持范圍計算

手抓張開直徑大于50mm，活塞桿行程最小為13.5mm.

手指的長度為a=80mm加上定位內b=40mm，中間連接桿長度為c=40mm.拉桿長度d=20mm.支架寬度為e=80mm.當拉桿與支架平齊時手指張開.如圖3.2（b）所示.所以半徑

Rmax=(（（e-d）/2+e/2-20）*3^0.5)/2

=50*1.732/2=43.3mm，取43mm.

所以當兩手指碰到一起時，手指為夾角120度角，長度為30mm，如圖3.2（a）所示.內部可夾取的軸半徑為Rmin，Rmin=30/2/2*3^0.5=12.99mm，取13mm.

手抓夾持、范圍為直徑26mm到直徑86mm.圖2（a）中，手指長80mm,手抓張開角為0，此時最小夾持直徑為26mm. 圖2（b）為手指張開時的情況，其中夾持半徑為86mm.

圖2　手抓夾持范圍計算

圖3　手抓張開示意圖

4　臂部設計

機械手的手臂部件的運動包括回轉、伸縮和升降運動3種運動方式，本次設計為手臂的回轉運動.

4.1　大臂的尺寸與結構

大臂要保證整體的高度運動范圍在0—1000mm以上，運動的角度不得超過90度，即上下不能大于45度，為取大臂有效長度為1800mm.

因為其沒有配合等要求，所以采用鑄鐵直接鑄造.截面采用矩形空心結構，能夠承受更大的彎曲應力.如圖4所示：

4.2　彎臂尺寸與結構

彎臂為第二段手臂，長度決定著水平工作范圍，由大臂確定其有效長度1200mm，為了使受力較為均勻，采用鑄造矩形空心截面，豎直尺寸為450mm.如圖5所示：

圖4　大臂結構

圖5　彎臂結構

4.3　小臂尺寸與結構

小臂直接連接著腕部，小臂長度選為1580mm.因小臂不受彎力影響，所以選取圓形空心截面鑄造生產.

5　腰部與支架的設計計算

5.1　腰部的整體設計

在本設計中，驅動上、下臂的氣動缸安裝在腰部，腰部由氣缸向上推以向上旋轉。兩臂桿的頂部位置固定在兩個銷軸上，使其只能繞其旋轉。腰部的底端直接安裝在支架上，軸承連桿用于確保腰部可以圍繞支架旋轉。腰圍設定在2300 mm以上，總高度為3300 mm，腰圍為1000。

5.2　支架整體設計

支架起支撐整個機構的作用，與腰部用軸承鏈接無其他配合尺寸，采用鑄造圓形空心截面.高度為2300mm.

結束語

介紹了機械手的功能和組成，重點介紹了機械手爪和臂的設計計算，并簡要介紹了腰部和支座的設計。分析了機械手各部分的運動規律，為機械手的設計和應用提供了理論依據。