基于SolidWorks 的机械手设计与运动仿真

应用机械手可以实现生产的机械化和自动化，不仅能在有害环境下操作以保护人身安全，还可以改善劳动条件、减轻人力，并便于有节奏的生产，因而广泛应用于机械制造、冶金和电子、轻工等各个生产领域。有效地应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。但是机械手结构复杂，设计困难，利用SolidWorks 软件进行结构设计与运动仿真， 可以大大缩短产品研发周期， 避免不必要的重复性劳动，对机械产品设计有着非常重大的实际意义。

一、总体方案

1. 主体结构设计方案

该机械手的工作空间很窄，仅为700 mm,所以要求机械手结构要紧凑，外形尺寸要小，但不要小到影响机械手的抓取能力。根据该机械手的工作环境及各坐标形式的优缺点，因此考虑采用折叠式关节型的设计方案。机械手的设计原理简图如图1 所示。其中2 处和3 处的铰接，1 处和2 处铰接小臂须有2 个自由度。

2. 驱动方式的选择

该机器人一共有4 个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，总计需要5 个动力源。常用的驱动方式为气压驱动、电机驱动和液压驱动3 种类型。基于这3 种驱动方式的优、缺点和机器人驱动系统的设计要求，选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。

3. 自由度的分配

人的手臂有肩、肘、腕3 个关节，共6 个自由度。机械手的设计以模仿人的手臂为基础，再根据实际情况，由于运载小车和爬臂机器人均可在自身所在的区域内移动和转动，所以大臂和腕部各有一摆动自由度，而小臂有2 个自由度，即摆动和有限的转动，且小臂可转回到大臂的空隙，工作时可展开。最后一个自由度就是手腕的摆动。

二、结构设计

1. 手部设计

因为被握持工件的形状、大小、材料性能、重量和表面情况等的不同，从而机械手的手部结构也多种多样， 手部结构是根据特定的工件要求而定的。常用的手部分为吸附和夹持两大类。根据设计要求，采用夹持式的手部结构，它对抓取各种形状的工件具有较强的适应性。

该设计手爪的动力由电机提供，通过将丝杠与电机相连， 利用手爪的特有结构来实现手爪的开合。本文设计出2 种机械手手爪。

方案1：图2 为手爪刚好夹紧的状态，图3 为张开夹持时的状态，很显然，当手指张开时，其形状成八字状。而本机械手夹持对象是检测仪，是矩形，当被夹持物的尺寸与设计的固定的夹持尺寸不一致时，如图3 就是被夹持物过大的情况，最终呈八字夹持， 则手爪与检测仪的接触面就只是一条线，使得夹持不可靠，被夹持物有滑落的可能。同理，若被夹持物过小，则会出现倒八字的情况，则很可能会出现被夹持物滑落的情况。经过比较，该种手爪只适合夹持固定尺寸的夹持对象。

方案2：图4 为夹紧的状态，手爪夹紧鉴于方案1 中出现的问题，在方案2 中进行改进，通过采用连杆之间同时滑动， 就可以克服方案1 存在的问题，因为各连杆之间是同步运动，所以爪钳的开合是同步的平行移动，手指始终平行，比较图4 很容易发现，不论是手爪张开还是闭合，都不会出现呈八字（见图3）的情况，这样就克服了方案1 中出现的问题。从而使得手爪的通用性大大增强。所以，经过比较，选择方案2。

2. 腕部设计

腕部的作用是在臂部动作的基础上进行调整或改变手部的方位， 从而扩大机械手的运动范围，使得机械手变得更加灵巧，适应性更强。腕部具有独立的自由度，要求有绕中轴的摆动运动。机械手的工作条件是用于检查核储罐焊缝，在腐蚀性的场合中工作，所以对机械手的腕部材料选用耐腐蚀不锈钢316L。

3. 臂部设计

臂部的作用是把手部送到空间运动范围内任意位置。若改变手部姿态，可用腕部的自由度加以实现。因此，臂部必须具备3 个自由度才能满足基本要求，即手臂伸缩、左右回转和升降运动。

臂部的结构设计必须根据机器人的运动形式、抓取质量、动作自由度、运动精度等因素来确定。同时设计时必须考虑到手臂的受力情况，油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。臂部运动速度越高，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动既不平稳，定位精度也不高。因此，在臂部设计时除了要求结构紧凑、重量轻外，同时采用一定形式的缓冲措施。

自由度的分配在总体方案中已经介绍过，本文有4 个自由度，其中大、小臂的摆动，小臂的转动，都是通过电机驱动来实现。大、小臂的摆动靠摆动油缸来实现，而小臂部分利用电机轴带动与其配合的板转动来实现其转动。

小臂的结构主要由2 块板、细轴组合而成，利用SolidWorks 建模后，其三维模型如图5 所示。

三、实例验证

1. 机械手的建模

本机械手的夹持对象是矩形焊缝检测仪，所以设计的机械手手爪应适合夹持矩形且夹持可靠。应用SolidWorks 软件对机械手的所有的零件建完模型后， 再在SolidWorks 的装配环境下进行装配，最终完成机械手的完整模型的装配， 建模结果如图6所示。

2. 机械手的运动仿真

运动仿真是生产制造前的一种检查过程和方法，为了达到高效和有力地生产，所以运动仿真是设计制造前的重要操作环节。对产品进行运动仿真，能够生动形象地进行产品的运动模拟，使产品的工作原理清楚地表达出来。

机械手的仿真过程，这里不再赘述。仿真后机械手实现预期的结果，机械手运动起来，达到了仿真的目的，如图7 所示。

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