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摘要：针对传统机械手在夹持时存在的问题，设计了一种基于气压控制的多功能新型机械手。首先详细阐述了多功能机械手的整体结构和创新设计，接着通过具体数据与理论分析，得出整个装置的可行性。最后得出结论：与传统的机械手夹持方式相比较，基于气压控制的多功能新型机械手不仅能够适应多种场合的复杂情況，而且可以增强抓取稳定性，实现气压控制。该装置与传统方式相比较提高了生产效率，更有利于提高企业的效益，促进社会生产力的发展。
关键词：机械手;结构设计;气压控制
1引言：
在科技日新月益的情况下，机械手已经广泛应用于各种领域，在军事、医疗、娱乐，甚至在工业生产线上都起到了很大作用。例如：在医疗药品的配制过程中会涉及到有毒的物质，如果医护人员处理不当就会对自己的身体健康产生危害。机械手的使用可以代替人手来执行各种操作和命令。既可以高效高质的完成作业，也保障了医护人员的健康问题。[1]
传统机械手都是等长手爪，平行或多角度向内夹取，它们在夹取不同形状、不同大小的物体时会产生夹不牢或夹不住的情况，此外在处理一系列复杂操作时会由于机械手所能运动的位移和转角范围而产生一定的限制。结合当前国内外柔性机器人的迅猛发展之势，我国柔性机械手已出现采用柔性气囊和海绵吸盘等进行柔性贴合的装置[2]，对传统的问题进行了改良。本装置在手部结构增加了辅助机械指，采用双层包合设计，由气压原件控制，可以根据不同形状的物体进行调整，增大接触面积和接触稳定性，这样既增强了抓取的稳定性，还减少了对物体的压力，提高了夹取的适用范围。
2整体结构及创新设计
2.1整体结构
1.确定机械臂自由度：
工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用机械手有5～6个自由度即可满足使用要求。在满足前提条件上尽量使结构简单，本装置采用5自由度机械手进行设计。
2.选择机械手基本形式：
机械手基本形式有直角坐标型机械手、圆柱坐标型机械手、球坐标型机械手和多关节型机械手。[3]其中多关节型机械手手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节，运动轨迹紧凑，适合于各种场合的工作，故本装置选取多关节型机械手形式进行设计（如图1为整体结构图）。
3.机械手手部结构设计：
有如下设计要求[4]：（a）有适当的夹紧力;（b）有足够的开闭范围;（c）力求结构简单，重量轻，体积小;（d）手指应有一定的强度和刚度，因此要选择合适的手部材料。
对不同用途的机械手，应当选取不同的材料，但是无论那种场合，都要对机械手进行受力分析与强度校核，以保证手部结构的稳定性和可靠性。在装置中采用橡胶作为表面材料，可以提高接触摩擦力和夹取稳定性。
2.2创新设计
1.对机械手手部结构进行分析，确保目标物可以被稳定夹持。
在物体内选取任意一点，建立空间三维直角坐标系，考虑到物体在三维空间内的自由度为：，只有当六个自由度都被限制，物体才能机械手才能被稳定夹持。因此装置机械手在手部结构增加了辅助机械指（如图2中标注部分），由气压原件控制，可以伸长缩短，根据物体的任意性质进行调整，多点接触用来保证物体的自由度都被限制。
2.机械手各个关节可以使用角度舵机连接，从而实现定角度旋转，整体可以使用单片机调控。
3.考虑到目标夹持物有一定高度，可以对机械手进行改进，手部结构使用双层保证足够的接触面积，增强夹持稳定性（如图3）。
3可行性分析
3.1数值分析推导可行性
以注塑加工进行分析：按每人每月800元工资，每台注塑机24小时生产，每天三班制计算。每台注塑机每月需要花费人工费用：元，年工资为28800元，3台注塑机需要年人工费用86400元。使用机械手后一个人可以管理至少3台注塑机，按3台计算，那么一天只要1个人可以管理3台注塑机，那么花费的月人工费用为2400元，年费用为28800元，与纯人工相比可以节省57600元。[5]
实际上一个注塑工人的每月花费远远不止800元，随着社会保障制度的健全和完善，费用就要成倍的增加。其次工人会出现缺勤等特殊状况，而用了机械手，该类情况就不会干扰到工厂的正常生产。最后考虑到维修等情况，一个机械手的成本可以控制在10000元左右，因此保守估计1年之内就可以收回所有的机械手投资。以上参数按一般正常情况下作出的，实际情况按实际生产为准。
3.2理论推导可行性
3.2.1装置特点：
1.经济方面：适用于很多领域场合，各个部分的成本较低，可以被消费者接受，经济效益可观。
2.适用范围：可以用于实验室抓取腐蚀性物质，在医药领域运送药品，也可以用于自动化生产线，适用范围广。
3.市场方面：由于劳动力的紧缺，劳动力昂贵，部分领域迫切需要搭建自动化生产线代替手工，减轻成本，更加适应市场的需求。
3.2.2装置优势：
1.使用多功能新型机械手用于生产中能够大大缩短劳动时间，提高生产效率，降低废品率。
2.基于气压控制的多功能新型机械手可以大幅度减少雇佣成本，增加生产稳定性。还可以用于一些特殊场合的抓取，增大了企业市场竞争力。
3.基于气压控制的多功能新型机械手顺应当今机械自动化潮流，推进自动化产业的发展和进步。
4结束语
基于气压控制的多功能新型机械手在尽可能减少人工操作的基础上，采用了机电一体化，双层包合技术实现智能夹取，成本中等，适用的夹取场合和夹取范围广。本装置在机械手部结构中增加了辅助机械指，有气压控制，可以根据夹取物体的实际情况进行柔性的夹取，可以降低公司为购买专用机械手的成本，符合企业发展的需要。理论分析表明，该机械手的机构合理，强度满足要求，经试验检验对于不同场合不同要求的抓取命令的适应性好，对机械手的广泛运用起到了积极作用，所以该装置具有良好的应用前景和推广价值。[6]
参考文献
[1]孟彩茹，张高青，李夏楠，李强.夹持机械手爪机构的设计与优化[J].机械设计与制造，2016（06）：70-74.
[2]郝子宜，李金帅，徐汉斌.家用柔性机械手设计[J].2021，34（06）：99-101.
[3]创盈时代科技.四种常见的机械手特点介绍[EB/OL] https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1607676224313169254&wfr=spider&for=pc
[4]康道智能.桁架式机器人手爪设计要求 [EB/OL] https：//www.sohu.com/a/194935393_793597
[5]原创力文档.注塑机专用机械手的研究及应用[EB/OL] https：//max.book118.com/html/2017/0115/83881549.shtm
[6]李龙，黄宇珩，李毓雯.基于自动控制技术的仿生无人化苹果收集机器人设计[J].无线互联科技，2021，18（11）：60-61.
作者简介：
钱书生（2000-），男，汉族，江苏连云港人，江苏大学本科在读，机械设计制造及其自动化专业。
关键词：机械手;结构设计;气压控制
1引言：
在科技日新月益的情况下，机械手已经广泛应用于各种领域，在军事、医疗、娱乐，甚至在工业生产线上都起到了很大作用。例如：在医疗药品的配制过程中会涉及到有毒的物质，如果医护人员处理不当就会对自己的身体健康产生危害。机械手的使用可以代替人手来执行各种操作和命令。既可以高效高质的完成作业，也保障了医护人员的健康问题。[1]
传统机械手都是等长手爪，平行或多角度向内夹取，它们在夹取不同形状、不同大小的物体时会产生夹不牢或夹不住的情况，此外在处理一系列复杂操作时会由于机械手所能运动的位移和转角范围而产生一定的限制。结合当前国内外柔性机器人的迅猛发展之势，我国柔性机械手已出现采用柔性气囊和海绵吸盘等进行柔性贴合的装置[2]，对传统的问题进行了改良。本装置在手部结构增加了辅助机械指，采用双层包合设计，由气压原件控制，可以根据不同形状的物体进行调整，增大接触面积和接触稳定性，这样既增强了抓取的稳定性，还减少了对物体的压力，提高了夹取的适用范围。
2整体结构及创新设计
2.1整体结构
1.确定机械臂自由度：
工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用机械手有5～6个自由度即可满足使用要求。在满足前提条件上尽量使结构简单，本装置采用5自由度机械手进行设计。
2.选择机械手基本形式：
机械手基本形式有直角坐标型机械手、圆柱坐标型机械手、球坐标型机械手和多关节型机械手。[3]其中多关节型机械手手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节，运动轨迹紧凑，适合于各种场合的工作，故本装置选取多关节型机械手形式进行设计（如图1为整体结构图）。
3.机械手手部结构设计：
有如下设计要求[4]：（a）有适当的夹紧力;（b）有足够的开闭范围;（c）力求结构简单，重量轻，体积小;（d）手指应有一定的强度和刚度，因此要选择合适的手部材料。
对不同用途的机械手，应当选取不同的材料，但是无论那种场合，都要对机械手进行受力分析与强度校核，以保证手部结构的稳定性和可靠性。在装置中采用橡胶作为表面材料，可以提高接触摩擦力和夹取稳定性。
2.2创新设计
1.对机械手手部结构进行分析，确保目标物可以被稳定夹持。
在物体内选取任意一点，建立空间三维直角坐标系，考虑到物体在三维空间内的自由度为：，只有当六个自由度都被限制，物体才能机械手才能被稳定夹持。因此装置机械手在手部结构增加了辅助机械指（如图2中标注部分），由气压原件控制，可以伸长缩短，根据物体的任意性质进行调整，多点接触用来保证物体的自由度都被限制。
2.机械手各个关节可以使用角度舵机连接，从而实现定角度旋转，整体可以使用单片机调控。
3.考虑到目标夹持物有一定高度，可以对机械手进行改进，手部结构使用双层保证足够的接触面积，增强夹持稳定性（如图3）。
3可行性分析
3.1数值分析推导可行性
以注塑加工进行分析：按每人每月800元工资，每台注塑机24小时生产，每天三班制计算。每台注塑机每月需要花费人工费用：元，年工资为28800元，3台注塑机需要年人工费用86400元。使用机械手后一个人可以管理至少3台注塑机，按3台计算，那么一天只要1个人可以管理3台注塑机，那么花费的月人工费用为2400元，年费用为28800元，与纯人工相比可以节省57600元。[5]
实际上一个注塑工人的每月花费远远不止800元，随着社会保障制度的健全和完善，费用就要成倍的增加。其次工人会出现缺勤等特殊状况，而用了机械手，该类情况就不会干扰到工厂的正常生产。最后考虑到维修等情况，一个机械手的成本可以控制在10000元左右，因此保守估计1年之内就可以收回所有的机械手投资。以上参数按一般正常情况下作出的，实际情况按实际生产为准。
3.2理论推导可行性
3.2.1装置特点：
1.经济方面：适用于很多领域场合，各个部分的成本较低，可以被消费者接受，经济效益可观。
2.适用范围：可以用于实验室抓取腐蚀性物质，在医药领域运送药品，也可以用于自动化生产线，适用范围广。
3.市场方面：由于劳动力的紧缺，劳动力昂贵，部分领域迫切需要搭建自动化生产线代替手工，减轻成本，更加适应市场的需求。
3.2.2装置优势：
1.使用多功能新型机械手用于生产中能够大大缩短劳动时间，提高生产效率，降低废品率。
2.基于气压控制的多功能新型机械手可以大幅度减少雇佣成本，增加生产稳定性。还可以用于一些特殊场合的抓取，增大了企业市场竞争力。
3.基于气压控制的多功能新型机械手顺应当今机械自动化潮流，推进自动化产业的发展和进步。
4结束语
基于气压控制的多功能新型机械手在尽可能减少人工操作的基础上，采用了机电一体化，双层包合技术实现智能夹取，成本中等，适用的夹取场合和夹取范围广。本装置在机械手部结构中增加了辅助机械指，有气压控制，可以根据夹取物体的实际情况进行柔性的夹取，可以降低公司为购买专用机械手的成本，符合企业发展的需要。理论分析表明，该机械手的机构合理，强度满足要求，经试验检验对于不同场合不同要求的抓取命令的适应性好，对机械手的广泛运用起到了积极作用，所以该装置具有良好的应用前景和推广价值。[6]
参考文献
[1]孟彩茹，张高青，李夏楠，李强.夹持机械手爪机构的设计与优化[J].机械设计与制造，2016（06）：70-74.
[2]郝子宜，李金帅，徐汉斌.家用柔性机械手设计[J].2021，34（06）：99-101.
[3]创盈时代科技.四种常见的机械手特点介绍[EB/OL] https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1607676224313169254&wfr=spider&for=pc
[4]康道智能.桁架式机器人手爪设计要求 [EB/OL] https：//www.sohu.com/a/194935393_793597
[5]原创力文档.注塑机专用机械手的研究及应用[EB/OL] https：//max.book118.com/html/2017/0115/83881549.shtm
[6]李龙，黄宇珩，李毓雯.基于自动控制技术的仿生无人化苹果收集机器人设计[J].无线互联科技，2021，18（11）：60-61.
作者简介：
钱书生（2000-），男，汉族，江苏连云港人，江苏大学本科在读，机械设计制造及其自动化专业。