自主机器人抓取机构设计与研究

机电研究及设计制造 《机电技术》2010年第3期

自主机器人抓取机构设计与研究

张建新 昝银忠 贾章伟

(枣庄矿业集团蒋庄煤矿，山东 枣庄 277519)

摘 要：根据自主机器人的工作环境，分析了各种形式的机械人抓取机构的结构，对机械手进行研究，对各部件进行设计计算。

关键词：机械手；分析；设计

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1672－4801(2010)03－071－03

自主移动机器人具有一定的智能和判断能力，由于其较强的活动能力、良好的可控性等特点在工农业、国防等各个领域具有广泛的应用前景，近几年已成为一个研究热点。对于在煤矿或煤机厂的一些大型车间厂房、特殊作业场合进行应用也成为了一种趋势。本文针对室内环境固定路线抓取、运送物品的自主机器人机械手机构进行设计研究。

抓取机构系统结构图中，卷绳轮与套筒为过盈配合，套筒与电机轴由圆柱销连接紧固，电机由固定板固定在车体上；夹持手通过合页与车体连接，绕合页轴转动。电机工作前，机械手由弹簧拉紧，夹紧手中的积木。电机工作时，带动卷扬轮通过绳子使手发生转动，从而使积木卸下。

1 机械手机构的选择

通常为投球机构和手爪机构两类功能性机构，最常用的是手爪机构。

手爪机构：抓取方形物品通常采用手爪机构，一般可分为气动手爪和机械式手爪，气动手爪相对比较简单, 直接使用双侧平移式夹紧气缸即可实现夹紧与松开，但需在机器人上附载一个储气罐，重量较重。其常见形式如图1所示。

2 夹持手的结构设计

如图3所示，夹持机构有左右两个夹持手。

故夹持手夹要夹持积木尺寸为100×100×50mm，

持端宽度为100mm ，合页到夹持手端的距离为100mm ，高度为30mm 即可。材料选用10×10mm铝合金方管，满足强度和刚度要求，且质量较轻。

图1 几种常见手爪机构

图3 夹持手的结构

综合以上几种手爪机构，在结构尽量简单可靠、容易实现其控制的前提下，选择设计一种摆动式弹性力抓手。其结构如图2所示。

内侧把手用来拴卷绳轮上的钢丝绳，外侧把手用来挂拉伸弹簧。夹紧手位于中间的积木。扶持手有两重作用：在积木被夹紧时起扶持积木的作用；在积木被放开时给积木一个向前推的力，使积木干净利落的落到位置上。

3 卷扬轮的结构设计

如图4所示, 设计的卷扬轮轮沿直径为30mm ，材料用尼龙66。结构中两个直径为2mm

图2 手爪机构结构简图

的孔用来固定钢丝绳。卷扬轮的孔径为10mm 与套筒配合。

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态时，取弹簧拉力F 2=25N ，整个过程中弹簧的最大拉力F max =F 2=25N 。

图4 卷扬轮的结构图

选用圆柱螺旋拉伸弹簧。下面进行圆柱螺旋弹簧的设计计算：

(1)根据工作情况及具体条件选定材料，并查取其力学性能数据。

碳素弹簧钢价格便宜，原材料来源方便，由于设计的环境温度在常温下，弹簧不需多次重复变形，故选用碳素弹簧钢。钢丝选B 级，属低应力。按载荷性质为Ⅲ类，受变载荷作用次数在103以下。首先估取所需弹簧丝直径d=1.2mm，弹簧中径D=8mm。

由《机械设计》查得 [τ],[σb ]，E ，G 等参数的数值[2]。

(2)选择旋绕比C 并算出曲度系数K 值，C=D/d为了使弹簧本身较为稳定，不致颤动和过软，C 值不能太大；但为避免卷绕时弹簧丝受到强烈弯曲，C 值又不应太小，现取C =6。根据《机械设计》公式16-4[2]，

4C −10.615

+=1.2525

4C −4C

(3)试算弹簧丝的直径d´

对处于夹紧积木状态时的夹持手受力分析，见图5。

=0.84m mm 圆整数值且根据《机械设计》表16-5[2]，仍取d=1.2mm；

取D =8mm。计算得C =6.67，K =1.2245，反算得d ′=0.88m mm ；

上值与原估取值相近，取弹簧钢丝标准直径d =1.2mm, D =8mm为标准值。

(4)根据刚度条件求出弹簧工作圈数

d ′≥根据公式：k F =

F 2−F 1λ2−λ1

计算得弹簧的刚度为k F =2.73Ν/mm，弹簧圈数n =15;

同时可得弹簧拉力：

Gd 4

n =

8D 3k F

F 2=F 1+k F ×(λ2−λ1) =24.6Ν

(5)求出弹簧的尺寸D 2、D 1、H 0，并检查其是否符合安装要求。

D 2=D +d

D 1=D −d ，

取钩环轴向长度H h =8mm ，

K ≈

H 0=nd +H h =18.8mm

分别计算积木夹紧时和完全松开积木时弹簧的工作高度，计算结果满足安装要求。

(6)验算极限工作应力τlim 及极限工作载荷

F lim ，计算结果满足使用要求。

4 机械手电机的选取

图5 机械手受力示意图

图6中，长度AC =150mm，AB =45mm。以

一只夹持手为研究对象，对其受力分析，F 1是卷绳作用在夹持手

图5中，AB =45mm，BC =100mm，D 是BC

的中点，BD =50mm。

自主机器人机械手夹持一块积木，积木0.5kg 。取夹持手与积木间的摩擦系数µ＝0.25。当夹持手夹紧积木处于平衡状态时，弹簧拉力F 1=10.9N。当夹持手完全放开积木处于平衡状

A 点的拉力，F 2是拉

伸弹簧作用在夹持手

图6 机械手后端受力分析

A 点的拉力。

夹持手在位置1时为夹紧积木状态，位置2为松开后状态。到达位置2弹簧拉力达到最大

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值，此时由合页处即B 点力矩平衡，F 1达到最大值，两力的力臂相等得F 1= F2, 卷绳对轮的力矩T 达到最大值。由于左右夹持手同时工作，电机转矩即为此力矩的两倍。

(1)抓取机构电机转矩的计算：夹持手到达位置2时弹簧拉力F 2=22N ，根据力矩公式T = F1×r,r为轮毂半径，计算得电机的转矩T 为396N·mm。

(2)抓取机构电机转速的计算：预使夹持手

根据速度公在1s 内完成5mm 行程的张开动作。

式v =2πrn ，计算得所需电机的转速n 为5.3r/min。

(3)抓取机构电机功率的计算：根据公式

参考文献:

T=9550p/n，将数值T 、n 代入公式得P =0.22W，2P =0.44W。选择直流减速电机GA25Y370-100，功率为1.24W 。

5 结语

针对普通条件下的工作环境，分析了各种机械手机构的特点，设计选用了一种简单可靠、适应性强、容易控制的机械手，并进行了结构设计、材料选择、电机选型，经济合理，可供设计时参考。

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作者简介：张建新(1976年－) ，男，硕士，助理工程师，主要从事煤矿机电设备的制造、修理和应用。

(上接第70页)

5 结语

无位置传感器检测转子位置信号技术是今后无刷直流电动机控制的发展趋势。本文详细分析

参考文献:

了几种常用的转子位置信号检测方法的基本原理及其优缺点，为检测方法的选取提供了参考依据，这些方法都能够较好的实现转子位置信号的检测，具有很好的发展前景。

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作者简介：李登峰（1972年－），男，工程师， 主要从事洗衣粉自动化配料研究及各型自动化仪表、PLC 、变频器、失

重称等应用与维护。

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