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1、目录1. 引言.22. 国内外研究概况.23. 主体运动方案设计.34. 手部运动方案设计.45. 控制方案设计.66. 参数和结构设计.77. 手部液压缸主要参数的确定.98. 验证手部手抓的张开.119. 创新点及应用.1210. 参考文献.12清理切屑垃圾机械手摘要：分析了清理切屑垃圾机械手的功能，介绍了机械手的设计方案、结构特点、设计过程和思路,利用PRO/E软件对机械手进行了虚拟设计和仿真分析，模拟了机构的实际运动状态，验证了设计的合理性，降低了生产成本。该机械手无需电源，无污染，结构简单，操作方便，制造容易，成本低，安全可靠，可用于清理各种垃圾，既减轻了操作者劳动负荷，又提高了生产
2、效率，有较大的应用推广价值。关键词：机械手；组合机构；安全可靠1 引言在工厂金工车间的切屑垃圾多，目前用铲子清理垃圾，操作困难，费力，有时还会划伤操作者，有一定的安全隐患；在乡村河道中，污物多为水草、青苔、树枝、树叶、木材以及泥沙等；在沿海，污物多为海草、贝壳及海生物等；另外，有医疗垃圾、建筑垃圾、生活垃圾等；这些垃圾污染环境，清理困难，为改变这一现状，我们设计了清理切屑垃圾机械手，用以抓垃圾，运垃圾，卸垃圾，实现清理垃圾机械化。该机械手结构简单，加工、装配容易，操作简便，运转平稳，既减轻工人劳动负荷，又提高了生产效率，安全可靠，有较大的应用推广价值。2 国内外研究概况近年来，机械手的研究已经
3、成为国内外研究的热点课题，随着科学与技术的发展, 机械手的应用领域也不断扩大。目前, 机械手不仅应用于传统制造业如采矿,冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能,航空,航天,医药,生化等高科技领域以及家庭清洁,医疗康复等服务业领域中。机械手广泛应用于各行各业， 代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，而且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机械手和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺。美国西林公司(SCHILLING)研究出的RUWS水下机器人包括两个机械手装置：一个是抓取手，主要用于保持位置或回放物体；另一个是双向主
4、从式机械手，构成一个灵活的工作臂，操作员通过控制器控制机械手。日本机械工程实验室研制出一种具有模式识别能力的机械人手，它相当于人通过手的触摸识别物体的形状的能力，这对在黑暗中探测未知物体的形状很有用处。日本TMSUK公司抢险救生机器人“T52援龙”，属于双臂式油压驱动机器人，通过履带移动，可在事故现场完成数倍于人力的工作，还可以到救援人员无法接近的危险区救援。欧洲RTS技术中心公司发展了VIP（Vision Integration Platform）概念，利用以太网技术，集成多个RTS Pixcell视觉机械手，开发了智能生产线，主要用于物料传输和产品质量的控制。我国北京航空航天大学机器人研究
5、所研制出的三指九关节灵巧手，其运动靠九个电动机通过钢丝绳进行远距离驱动，它能仿人手灵巧地抓持不同形状，不同材质的物体，完成复杂精密装配和进行细微的空间操作。目前虽然在这方面研究较多，但大多还是在试验研究阶段，离实际应用还有一定距离。3主体运动方案设计清理垃圾机械手原理图如图1所示。主体运动包括摇臂7的上下摆动，滚轮1，9在水平面内的任何方向移动。液压缸6中活塞杆的伸缩运动通过杠杆机构带动摇臂7上下摆动，使位于摇臂末端的手部8上升或下降，在垂直方向上达到不同高度。底座2下面安装4个滚轮，前两个滚轮9为万向轮。后两个滚轮1为固定轮，推动手把3通过滚轮运动可使机械手手部在水平方向上达到不同位置。1-
6、固定轮 2-底座 3-手把 4-手动液压泵组件 5-立柱 6-液压缸7-摇臂 8-手部 9-万向轮 图1 机械手原理图4手部运动方案设计4.1手部运动链具有确定的运动手部原理图如图2所示，（图中只画出一套平面六杆机构）。机械手部要求能实现两个运动动作，一是手爪1的张开，二是手爪1的闭合。手爪1的张开和闭合是由手部运动链来实现的，手部运动链是由两套平面六杆机构组成的组合机构，两套机构分别位于连接板6的对角面内，共用一个导杆（活塞杆5）。平面六杆机构是由1个导杆、2个摇杆2、2个手爪1和机架3构成。当导杆直线运动时，通过组合机构，实现四个手爪的张合运动。平面六杆机构确定运动的条件是自由度数目等于原
7、动件数。自由度数目取决于构件的数目、运动副的类型和数目。式中：F自由度数 n-活动构件数 低副数 高副数平面六杆机构原动件为1个导杆（活塞杆），因此，该机构具有确定的运动。 1-手爪 2-摇杆 3-机架 4液压缸 5-活塞杆 6-连接板 图2 手部原理图4.2手部张开和闭合的位置手部张开和闭合位置如图2所示。通过运动仿真对机械手手部张开和闭合的位置进行了分析，确定了当4个摇杆2处于垂直位置时，4个手爪1即为闭合位置，如图2所示实线位置。当4个摇杆2处于摆角为20位置时，4个手爪1即为张开位置，如图2所示虚线位置。4.3手部的功能A手部的手爪为4个钩爪，用来清理工厂里切削塑性金属产生的带状切屑、
8、医疗垃圾、建筑垃圾、河流中的杂草和污物以及居民住宅处的生活垃圾等。B手部的手爪为2个弧形铲子时，可以用来清理工厂里切削脆性金属产生的崩碎切屑以及河沟中的污泥等。5控制方案设计机械手液压系统图如图3所示。该机械手采用手动液压控制，不需要电源，因而不受地点位置的限制，这就大大方便了操作者，可以将机械手任意移动到所需的位置。操纵手摇杠杆使液压泵工作，当板动手动三位四通换向阀2使其按左位接入系统时，压力油进入油缸3下腔，活塞向上运动，活塞杆伸出使摇臂向上摆动。当扳动手动三位四通换向阀3使其按右位接入系统时，压力油进入油缸上腔，活塞向下运动，活塞杆缩回使摇臂向下摆动。同理，当扳动手动三位四通换向阀5使其
9、按左位接入系统时，油缸4活塞杆缩回，使手爪收合。当扳动手动三位四通换向阀5使其按右位接入系统时，油缸4活塞杆伸出，使手爪张开。当手动三位四通换向阀按中位接入系统时，油口封闭，系统保持压力，活塞杆不动。 1-手动液压泵 2、5-三位三四通手动换向阀 3、4-液压缸 6-溢流阀 图3 机械手液压系统图6参数和结构设计在根据机械手工作要求确定了设计方案后，采用计算机辅助设计的方法进行结构设计。利用Pro/E可以显著提高设计效率，在本产品的设计过程中，采用了自底而上的设计方法，先建立好参数化零件模型，然后再进行虚拟装配与仿真。图3为机械手设计流程图，图4为机械手总体造型图。1）几何建模通过Pro/E可
10、以建立全参数化的模型，便于修改，极大的减小了更改模型尺寸带来的麻烦。首先通过新建文件进入Pro/E的Part模块，即零件模块。通过拉伸等实体建模方法建立实体模型。实体建模是产品设计和仿真的基础，模型建立的好坏直接影响到后面仿真和运动分析的结果。我们所研究的机械手所要建立的实体有：横梁、立柱、两个液压缸、四个手爪、摇杆、连接板、后车轮、万向轮、底座等。2）虚拟装配零件实体建模工作完成后，通过新建文件进入Assemble模块，就可以进行零件的装配，我们根据机械手结构的形式、各个零部件之间的约束条件和相对运动关系，制定合理的装配顺序，完成机械手的虚拟装配，生成机械手的三维实体模型。Pro/E软件组件
11、模块里提供很多的连接条件，提高了装配效率，也方便了后面的机构运动分析。3）机构仿真装配工作结束后，首先进入Pro/E的Mechanism模块 ，检查装配情况，装配成功情况下就可以进行机构仿真了。从仿真的过程可以看出各个零部件之间有没有干涉，是否符合功能要求，如果没有干涉又符合功能要求，则说明机械手能够实现预定的动作要求，如果出现错误，就应该返回几何建模这一步对零件尺寸进行修改，直到仿真正确为止。功能设计绘零件草图Pro/E几何建模机构仿真分析零件参数修正最终成型虚拟装配图4PRO/E设计流程图 图5 机械手总体造型图7手部液压缸主要参数的确定1）确定液压缸上的外部载荷选单杆活塞液压缸，液压缸的
12、外部载荷包括假定的最大抓取重量和手爪重量，密封处的摩擦力等在机械效率中考虑。液压缸的外部载荷： 机械效率： 2）确定液压缸的内径查表知液压缸的有效工作压力： 液压缸内径： 按标准值取： 查表知活塞杆直径： 按标准值取： 3）验算液压缸壁厚：液压缸采用无缝钢管： 试验压力： 液压缸壁厚： 选钢管壁厚： 4）确定活塞的行程：活塞的行程通过对机械手手部张合位置进行运动仿真来确定：s=48mm5）确定液压缸的流量：活塞杆伸出速度： 液压缸活塞有效工作面积： 油缸所需最大流量： 8 验证手部手爪的张开液压缸活塞推力所做的功为正功： 如图5所示，取摇杆2为研究对象，取摇杆长L200mm, 重量20N当摇杆
13、由垂直位置绕转轴O向上摆动位置时，摇杆重力对转轴O的力矩为阻力矩： 阻力矩为变力矩，所做的元功为负功：4个摇杆所做的负功为： 可见正功远远大于负功，因此，手部四个手爪能迅速张开。 图6 摇杆9 创新点及应用该机械手的主要创新点：1）该机械手采用手动液压控制，不需要电源，因而不受地点位置的限制。2）手部运动链是由两套平面六杆机构组成的组合机构，共用一个导杆（活塞杆）,当导杆直线运动时，通过组合机构，实现四个手爪的张合运动。3）手部的手爪为钩爪，用来清理工厂里的带状切屑、医疗垃圾、建筑垃圾、河流中的杂草和污物以及居民住宅处的生活垃圾等。手部的手爪为弧形铲子时，可以用来清理工厂里的崩碎切屑以及河沟中的污泥等。4）液压缸中活塞杆的伸缩运动通过杠杆机构带动摇臂上下摆动，使位于摇臂末端的手部在垂直方向上达到不同高度。5）底座下的四个滚轮运动，使手部具有可移动性。6）该机械手无污染，结构简单，操作方便，制造容易，成本低，运转平稳，安全可靠。参考文献1 沈世德.机械原理M.北京：机械工业出版社,20012 孙志礼.机械设计M.北京：东北大学出版社,2003年3月3 孙江宏,黄小龙. Pro/Engineer 2001虚拟设计和装配M.北京：中国铁道出版社,200312