基于步进电机的四自由度机械手设计与控制（单片机控制） 7
3 机械手手部结构设计
3.1 手部机构
本课题中采用夹持式手部结构，由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，课题中采用齿轮齿条式的传力机构[4]。其机构由图3-1所示。
图3-1机械手手部
3.1.1 手指的形状和分类
夹持式是最常见的一种。其中常用的有两指式、多指式和双手双指式。按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种；按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件[5]。
3.1.2 设计时考虑的几个问题
（1）具有足够的握力(即夹紧力)
在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。
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（2）手指间应具有一定的开闭角
两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。
（3） 保证工件准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。
（4） 具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。
（5） 考虑被抓取对象的要求
根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型。
3.2 手部结构设计及计算
本课题气动机械手的手部结构设计，如图3-1所示： 手部驱动力的计算：
其工件重量G=1公斤，V形手指的角度2??120?，b?30mm?R?12.5mm，摩擦系数为f?0.25。
（1）根据手爪类别,计算夹紧力。
图3-2手爪
如图3-2所示，采用摩擦锁紧方式，故受力分析得：
FG?式中：
m(g?a)?sin??S(N) (3-1)
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m-工件质量，kg；
g-重力加速度，m/s2；
a-动态运动时产生的加速度，m/s2；
S-安全系数；
?-V型手爪张开的角度，?；
?-气爪夹头与工件的摩擦因素；由于手爪与工件材料都采用45钢，查表得
??0.25 所以：
FG?m(g?a)?sin??S(N)
2??sin60??2.5 ?2?0.25=1?9.8?42.43N?45N
（2） 根据手部结构的传动示意图3-1，其驱动力为:
2bF?N (3-2)
R所以：
2b2?30N?F??45?216(N) R12.5（3）实际驱动力:
F实际?FK1K2? (3-3)
因为传力机构为齿轮齿条传动，故取??0.94，并取K1?1.5。若被抓取工件的为匀速取a?0时，则:K2?1?a?1 g1.5?1?344.68(N)?345(N) 0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为345N。
F实际?216?3.3 主要尺寸的确定
（1） 气缸工作压力的确定
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由《液压传动与气压传动》表3-1取气缸工作压力p?0.4MPa
表3-1 气压负载常用的工作压力
负载F/N <5000 5000～10000～20000～30000～>50000 10000 20000 2.5～3 30000 3～4 50000 4～5 >5～7 工作压力p/MPa <0.8～1 1.5～2 （2） 气缸内径D和活塞杆直径d的确定 本课题设计的气缸属于双向作用气缸。
单活塞杆双作用气缸是使用最为广泛的一种普通气缸。因其只在活塞一侧有活塞杆，所以压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不等。活塞左行时活塞杆产生推力F1，活塞右行时活塞杆产生拉力F2。
F1??D2p4?Fz (3-4)
F2?式中：
?(D2?d2)p4?Fz (3-5)
F1 - 活塞杆上的推力，N； F2 -活塞杆的拉力，N；
Fz- 气缸工作时的总阻力，N；
p- 气缸工作压力，Pa； D-活塞直径，m；
d-活塞杆直径，m；
气缸工作时的总阻力Fz与众多因素有关，如运动部件惯性力、背压阻力、密封处摩擦力等。以上因素可以载荷率?的形式计入公式，如要求气缸的静推力F1和静拉力F2，则在计入载荷率后：
F1??D2p4?? (3-6)
F2??(D2?d2)p4?? (3-7)
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计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特性。若气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取??0.3~0.5，速度高时取小值，速度低时取大值。若气缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，其载荷率可取??0.7~0.85。
由以上分析得双向作用气缸的直径: D?代入有关数据，可得
D?4F1 (3-8) ?p?4?3454F1??35.95(mm) 6??0.4?10?0.85?p?查机械设计手册圆整，得D=40mm
由d/D?0.2?0.3,可得活塞杆直径:d?(0.2~0.3)D?8~12mm 圆整后，取活塞杆直径d=12mm （3） 缸筒壁厚和外径的设计
缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:
式中：
??DPp/2[?]
(3-9)
?- 缸筒壁厚，mm；
D- 气缸内径，mm；
； Pp- 气缸试验压力，一般取Pp?1.5p（Pa）
p-气缸工作压力 （Pa）；
[?]-缸筒材料许用应力（Pa）；
本课题手爪夹紧气缸缸筒材料采用为:铝合金ZL106,[?]=3MPa 将己知数据代入式(3-9)，则壁厚为:
??DPp/2[?]
?40?1.5?4?105/(2?3?106)
?4(mm)取??4mm，则缸筒外径为:D1?40?4?2?48(mm)