机械手是一种自动控制设备，它模仿人的手的结构，按照人的要求和程序，在规定的时间内完成物料的收集、物料的传递或一定动作的执行。在自动化生产中得到了广泛的应用。

本文设计了驱动轮轴的动力机械手，包括机械部件和结构件的设计以及驱动机构的选择。确定了机械手的坐标系、自由度问题和驱动机构，为机械手的设计和使用提供了理论依据。

2　机械手各部位的运动分析及介绍

2.1　机械手各部位的运动分析

根据臂的运动形状，根据坐标系定位理论，将工业机械手分为四种类型：极坐标系统、直角坐标系统、圆柱坐标系和多关节坐标系。在本设计中，机械手主要由以下几个部分组成：(1)采用直线气动缸驱动运动机构，实现夹具的夹紧。(2)旋转滚筒实现手的旋转运动。(3)腕关节采用轴承连杆，减小阻力，实现小臂的旋转运动。(4)弯头采用轴承连杆减小阻力，实现弯头在平面内的旋转。(5)臂由直线气动缸驱动，驱动上下臂，实现臂绕腰部的旋转，实现执行器垂直方向的定位。(6)腰部采用轴承连杆减阻，实现整个机构的旋转动作。腰部、肘部和手部三对旋转，使整个机构的工作范围实现了立柱周围直径3米以内任意方向的夹紧件。

2.2　机械手各部位介绍

1.驱动机构

驱动机构可分为气动、液压、电动和机械驱动等四类.因为工厂一般都有气源，所以气动成本相对较低，而且安装方便，因此工业中启动选择较多.

2.执行机构

(1)手一般为旋转机构，多为双指机械手，常见形式有：动槽轮结构、连杆结构、齿轮齿条结构和重力结构等。

(2)手腕用于将手指与手臂连接，改变夹紧工件的位置，手腕一般由旋转结构组成。

(3)手臂与手腕相连，驱动手腕及其后续部分在工作范围内移动。

3.控制系统分类

机械手的主要控制因素是空间坐标位置，并注意其加速度、速度等特性.

3　机械手手部设计计算

3.1　基本要求

（1）具有足够的夹紧力；（2）手指的张开角度必须在使用范围之内；（3）要求结构必须紧凑、重量相对较轻、效率要高.

3.2　机械手手抓的设计计算

图1　手部结构、受力分析

1.选择手抓形式及夹紧装置选择

本设计为驱动轮和轴助力机械手，手柄直径在30~80 mm之间，重量为60 kg。采用夹持式双指背变换手抓握方式.在气缸的作用下，机械手的手指打开。

2.手抓力学分析

图1为常见的连杆杠杆式手部结构的卡具夹紧和松开状态.

手部结构、受力分析：

A——手指　B——销轴　C——气压缸

拉力F在B点，方向向上且过销轴的中心点，两手指A的对销轴的反作用力分别为F1和F2，其力的方向垂直于手指向外，拉力F由下式计算.

对受力分析可知，角度选为30度到60度之间.

3.手抓夹持范围计算

手抓张开直径大于50mm，活塞杆行程最小为13.5mm.

手指的长度为a=80mm加上定位内b=40mm，中间连接杆长度为c=40mm.拉杆长度d=20mm.支架宽度为e=80mm.当拉杆与支架平齐时手指张开.如图3.2（b）所示.所以半径

Rmax=(（（e-d）/2+e/2-20）*3^0.5)/2

=50*1.732/2=43.3mm，取43mm.

所以当两手指碰到一起时，手指为夹角120度角，长度为30mm，如图3.2（a）所示.内部可夹取的轴半径为Rmin，Rmin=30/2/2*3^0.5=12.99mm，取13mm.

手抓夹持、范围为直径26mm到直径86mm.图2（a）中，手指长80mm,手抓张开角为0，此时最小夹持直径为26mm. 图2（b）为手指张开时的情况，其中夹持半径为86mm.

图2　手抓夹持范围计算

图3　手抓张开示意图

4　臂部设计

机械手的手臂部件的运动包括回转、伸缩和升降运动3种运动方式，本次设计为手臂的回转运动.

4.1　大臂的尺寸与结构

大臂要保证整体的高度运动范围在0—1000mm以上，运动的角度不得超过90度，即上下不能大于45度，为取大臂有效长度为1800mm.

因为其没有配合等要求，所以采用铸铁直接铸造.截面采用矩形空心结构，能够承受更大的弯曲应力.如图4所示：

4.2　弯臂尺寸与结构

弯臂为第二段手臂，长度决定着水平工作范围，由大臂确定其有效长度1200mm，为了使受力较为均匀，采用铸造矩形空心截面，竖直尺寸为450mm.如图5所示：

图4　大臂结构

图5　弯臂结构

4.3　小臂尺寸与结构

小臂直接连接着腕部，小臂长度选为1580mm.因小臂不受弯力影响，所以选取圆形空心截面铸造生产.

5　腰部与支架的设计计算

5.1　腰部的整体设计

在本设计中，驱动上、下臂的气动缸安装在腰部，腰部由气缸向上推以向上旋转。两臂杆的顶部位置固定在两个销轴上，使其只能绕其旋转。腰部的底端直接安装在支架上，轴承连杆用于确保腰部可以围绕支架旋转。腰围设定在2300 mm以上，总高度为3300 mm，腰围为1000。

5.2　支架整体设计

支架起支撑整个机构的作用，与腰部用轴承链接无其他配合尺寸，采用铸造圆形空心截面.高度为2300mm.

结束语

介绍了机械手的功能和组成，重点介绍了机械手爪和臂的设计计算，并简要介绍了腰部和支座的设计。分析了机械手各部分的运动规律，为机械手的设计和应用提供了理论依据。