機(jī)器人手爪的功能分析與設(shè)計(jì)研究

朱金權(quán)

（無錫貝斯特精機(jī)股份有限公司，江蘇 無錫 214000）

1 概述

在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，機(jī)器人越來越多的被運(yùn)用于各行各業(yè)。作為機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)械人手爪自然在各行各業(yè)中不可缺少、大顯身手。機(jī)器人手爪的功能是否完善、性能是否可靠、工作是否安全將直接影響機(jī)器人機(jī)械性能的好壞和工作效率的高低，研究機(jī)器人手爪的功能要求和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)推廣工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)用，提高工業(yè)機(jī)器人的性能，最大限度發(fā)揮機(jī)器人的效率，具有重要的指導(dǎo)意義。

2 功能要求

機(jī)器人手爪功能是機(jī)器人在接收到抓取工件信號(hào)后，按指定的路徑和抓取方式，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成工件取放動(dòng)作的功能性參數(shù)。機(jī)器人在抓取工件的過程中，為保證抓取工件的可靠性，機(jī)器人手爪應(yīng)具備一定的抓取運(yùn)動(dòng)范圍、工件在手爪中可靠定位、適當(dāng)?shù)膴A緊力、工件抓取后的檢測(cè)報(bào)警、工件清潔所需的氣管、機(jī)器人手爪斷電保護(hù)等相關(guān)功能。

2.1 抓取運(yùn)動(dòng)范圍要求

抓取運(yùn)動(dòng)范圍是手爪抓取工件時(shí)手指張開的最大值與收縮的最小值之間的差值。由于工件的大小、形狀、抓取位置的不同，為使手爪適合抓取不同規(guī)格的工件，手爪的運(yùn)動(dòng)范圍應(yīng)有所不同。工作時(shí)工件夾緊位置應(yīng)處于最大值與最小值之間，在工件夾緊后，手指的實(shí)際夾緊位置應(yīng)大于手指收縮后的最小位置，使工件夾緊后夾緊氣缸能有一定的預(yù)留夾緊行程，保證工件可靠夾緊。

2.2 工件在手爪中的定位要求

為使手爪能正確抓取工件，保證工件在機(jī)器人運(yùn)行過程中與手爪能可靠的接觸，工件在手爪中必須有正確、可靠的定位要求。需分析零件的具體結(jié)構(gòu)，確定零件的定位位置及定位方式。工件的定位方式有如下幾種：

（1）工件以平面定位：工件在手爪中以外形或某個(gè)已加工面作為定位平面，定位后工件在手爪中具有確定的位置，為保證工件可靠定位，需限制工件的6個(gè)自由度。一般大平面限制3個(gè)自由度，側(cè)面限制2個(gè)自由度，另一側(cè)面限制1個(gè)自由度。定位元件一般采用支承釘或支承板，并在手爪中以較大距離布置，以減少定位誤差，提高定位精度和可靠性。支承釘或支承板與手爪本體的聯(lián)接多采用銷孔H7/n6或H7/r6過盈配合聯(lián)接或螺釘固定聯(lián)接。

（2）工件以孔定位：工件在手爪中以某孔軸心線作為定位基準(zhǔn)，定位元件一般采用芯軸或定位銷。

芯軸定位限制4個(gè)自由度，根據(jù)不同要求，芯軸可用間隙配合芯軸、錐度芯軸、彈性芯軸、液塑芯軸、自定心芯軸等。

定位銷分短圓柱定位銷、菱形銷、圓錐銷、長(zhǎng)圓柱定位銷，分別限制2個(gè)自由度、1個(gè)自由度、3個(gè)自由度和4個(gè)自由度。定位銷與手爪本體的聯(lián)接多采用銷孔H7/n6或H7/r6過盈配合聯(lián)接。

（3）工件以外圓表面定位：工件在手爪中以某外圓表面作為定位面，與安裝于手爪本體上的套筒、卡盤或V形塊定位。采用V形塊定位，對(duì)中性好，可用于非完整外圓的表面定位。長(zhǎng)V形塊限制4個(gè)自由度，短V形塊限制2個(gè)自由度。套筒、卡盤分別限制2個(gè)自由度。

2.3 夾爪夾緊力及扭矩要求

2.3.1 手爪夾緊力及扭矩的計(jì)算

（1）初始條件

手爪抓取的工件質(zhì)量m ；如：20kg

從手抓上頂邊到工件幾何中心的距離L；如L=200 mm

重力加速度g；（ 9.81m/s2）；

機(jī)器人手爪運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度a；（m/s2）；如：a=5 m/s2

機(jī)器人手爪夾持面與工件之間的摩擦系數(shù)μ；

夾持工件時(shí)的安全系數(shù)S：（通常取S=2）

機(jī)器人手爪夾持工件時(shí)所需的夾緊力：F （N）

（2）幾種夾持形式，機(jī)器人手爪所需夾緊力或夾緊扭矩的計(jì)算

①機(jī)器人手爪“只考慮摩擦系數(shù)作用下”的計(jì)算示意圖如圖1所示。

計(jì)算公式：

夾緊力：

扭 矩：M=F×L=5924×0.2=1184.8（N·m）

②機(jī)器人手爪“使用對(duì)應(yīng)抓取物品形狀的夾爪”時(shí)的計(jì)算示意圖如圖2所示。

計(jì)算公式：

夾緊力：

F=m×（g+a）×S=20×（9.81+5）×2=592.4（N）

扭矩：

M=F×L=592.4×0.2=118.48（N·m）

③機(jī)器人手爪“使用菱形夾爪抓取物品”時(shí)的計(jì)算示意圖如圖3所示。

計(jì)算公式：

夾緊力：

FZ=m×（g+a）×S=20×（9.81+5）×2=592.4（N）

圖1

圖2

扭矩：MZ=FZ×L=592.4×0.2=118.48（N·m）

扭矩：MY=FY×L=866×0.2=173.2（N·m）

上式中，

FZ是夾爪手指沿圖3中Z向所需的夾緊力;

FY是夾爪手指沿圖3中Y向所需的夾緊力;

MZ是夾爪手指沿圖3中Z向所需的夾緊扭矩；

MY是夾爪手指沿圖3中Y向所需的夾緊扭矩；

α是菱形夾爪手指的V型槽角度；如α=120。

值得注意的是：機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式和抓取角度可能會(huì)產(chǎn)生變化。機(jī)器人水平翻轉(zhuǎn)或沿抓取物品的軸向（圖3中Y向）運(yùn)動(dòng)時(shí)。抓取方式將由菱狀抓?。▓D3中Z向）變?yōu)閮H靠摩擦力抓?。▓D3中Y向）。因此,在計(jì)算手爪所需夾緊力或夾緊扭矩時(shí)應(yīng)分別計(jì)算手爪Y向（即軸向）和Z向（即徑向）的夾緊力或夾緊扭矩的大小，取兩者中較大者作為手爪所需的夾緊力或夾緊扭矩，以滿足手爪隨機(jī)器人抓取工件時(shí)在空中翻轉(zhuǎn)和變換姿態(tài)時(shí)的需要，保證爪手抓取工件時(shí)能提供足夠的夾緊力或夾緊扭矩，并可靠夾緊工件。

2.3.2 物理量單位說明

重力加速度：g （ 9.81m/s2）

質(zhì)量：kg；

扭矩 : N·m

長(zhǎng)度：m；

夾緊力：N

加速度: m/s2

2.4 工件位置檢測(cè)要求

機(jī)器人手爪抓取工件后按照工藝流程和PLC程序?qū)?zhí)行下一步動(dòng)作，在執(zhí)行此動(dòng)作前，需告知工件在手爪中的位置是否正確，并將該結(jié)果以電信號(hào)的形式發(fā)送給機(jī)床和相關(guān)專用設(shè)備，以使機(jī)床和相關(guān)專用設(shè)備能提前做好接收工件的準(zhǔn)備工作，如：松開夾頭、清潔定位面等。工件在手爪中的位置檢測(cè)一般通過位置傳感器確定，傳感器可采用接近開關(guān)、光電開關(guān)等與PLC聯(lián)接，通過PLC的控制確定工件的位置。如工件位置不符合要求，PLC將不執(zhí)行下一步工作，以保證手爪和機(jī)床等工作設(shè)備的安全性和可靠性。

2.5 工件清潔要求

工件在手爪中定位時(shí)，為保證工件位置的正確和定位夾緊的可靠，手爪中工件的定位面、夾爪的夾緊面、插銷的定位孔、工件的外表面等必須予以清潔處理，去除定位面、夾緊面、定位孔、外表面的灰塵或垃圾，從而使工件在手爪中定位正確、夾緊可靠。

2.6 安全要求

手爪在抓取工件后，通過手爪手指的夾緊力將工件與手爪可靠的聯(lián)接在一起，為保證工件與手爪在機(jī)器人運(yùn)行過程中安全可靠，要求機(jī)器人手爪運(yùn)行過程中如夾鉗體突然斷氣或斷電后，手爪手指仍能可靠的夾緊工件，保證工件抓取后運(yùn)行的可靠性、安全性。這是手爪必須具備的安全功能，是機(jī)器人手爪的重要性能和參數(shù)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)是機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理、定位是否滿足要求、夾緊是否安全可靠、檢測(cè)傳感器是否安裝、清潔裝置有無考慮、安全要求是否具備等，都是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題。

3.1 工件結(jié)構(gòu)形式分析

結(jié)構(gòu)形式分析是機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)的重要步驟，有效分析工件的結(jié)構(gòu)形式，充分利用工件自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮工件的定位形式、夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)出滿足上述功能要求的體積小、質(zhì)量輕、效率高的機(jī)器人手爪。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

（1）考慮機(jī)器人手爪與機(jī)器人第六軸的聯(lián)接方式。根據(jù)機(jī)器人第六軸安裝板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出符合安裝要求的機(jī)器人手爪安裝聯(lián)接板，它是機(jī)器人手爪的承載本體，是整個(gè)機(jī)器人手爪的受力基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮安裝板的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和固定方式等。

（2）考慮機(jī)器人手爪與機(jī)器人第六軸的聯(lián)接時(shí)的定位要求。由于機(jī)器人在抓取工件時(shí)具有很高的重復(fù)定位精度，機(jī)器人手爪與機(jī)器人第六軸的聯(lián)接應(yīng)具有可靠的定位結(jié)構(gòu)，以保證兩者之間的聯(lián)接不會(huì)影響機(jī)器人本身的精度。定位結(jié)構(gòu)通常有：孔軸臺(tái)階定位、定位銷孔定位、鍵槽定位、定位軸套定位等。

（3）機(jī)器人實(shí)際工作中，機(jī)器人手爪隨機(jī)器人第六軸一起運(yùn)行，為減少機(jī)器人的負(fù)載，提高機(jī)器人的性能，最大限度發(fā)揮機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。在設(shè)計(jì)機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡量減少機(jī)器人手爪的體積，減輕機(jī)器人手爪的自身重量。在結(jié)構(gòu)上可以采用挖空減重、分體焊接等形式，材料上可以采用精密壓鑄的鑄鋁件等強(qiáng)度高、重量輕的結(jié)構(gòu)。

圖3

（4）由于機(jī)器人手爪上有驅(qū)動(dòng)手爪松開夾緊的氣缸或電機(jī)，有用于檢測(cè)工件位置的傳感器，有用于清潔的吹氣氣路等，這些元件的聯(lián)接電纜和管路都必須通過機(jī)器人手爪與控制元件（如：電磁閥）或中間接線盒相聯(lián)接，為使這些線路聯(lián)接美觀，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些線路的走向和固定位置，并考慮機(jī)器人手爪在空中翻轉(zhuǎn)和變換姿態(tài)時(shí)減少線路纏繞和與工件摩擦。既可自行設(shè)計(jì)線路走向及固定方式也可采用國際品牌“易格斯”專業(yè)拖鏈固定線路，既美觀方便又能降低運(yùn)行噪音。

3.2 確定工件的定位點(diǎn)及夾緊方式

確定工件在機(jī)器人手爪爪中的定位點(diǎn)及夾緊方式是機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)上述“工件結(jié)構(gòu)形式”的分析，結(jié)合工件自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尋求符合工件要求的定位點(diǎn)及夾緊方式。設(shè)計(jì)時(shí)除滿足上述定位要求外，需考慮以下幾點(diǎn)：

（1）定位元件表面應(yīng)淬火處理，滿足定位元件的耐磨性要求。

（2）定位平面的所有定位元件應(yīng)等高，可采用安裝后一次磨平的方法來保證。

（3）對(duì)與工件定位表面不規(guī)整和尺寸變化較大的場(chǎng)合，可采用“可調(diào)支承定位”。

（4）對(duì)與工件毛坯表面、斷續(xù)表面、階梯表面的定位，可采用“自位支承定位”，一般采用球形布置與工件三點(diǎn)接觸或杠桿式結(jié)構(gòu)，與工件兩點(diǎn)接觸。

（5）工件的夾緊點(diǎn)與定位支承點(diǎn)應(yīng)在同一作用線上，避免因工件虛壓而引起局部變形。

（6）工件夾緊過程中不能改變工件定位后的正確位置，夾緊力大小應(yīng)可靠、適當(dāng)。

（7）夾緊力方向應(yīng)有利于定位工件穩(wěn)定，且主夾緊力方向指向定位基準(zhǔn)面。

（8）夾緊力方向應(yīng)有利于減少夾緊力，盡量和重力方向一致，以利于有效簡(jiǎn)化夾緊機(jī)構(gòu)。

（9）夾緊力方向應(yīng)是工件剛度較高的方向。

（10）夾緊力的作用點(diǎn)應(yīng)落在定位元件的支承范圍內(nèi)。

3.3 確定工件檢測(cè)傳感器的位置及數(shù)量

機(jī)器人手爪中是否有工件，工件在手爪中是否具有正確的位置，可以通過機(jī)器人手爪上的傳感器進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果告知機(jī)床或其他專用設(shè)備。傳感器的安裝位置應(yīng)避免與工件裝夾時(shí)碰撞，以免避免損壞傳感器，應(yīng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮必要的傳感器保護(hù)裝置。應(yīng)充分了解傳感器的技術(shù)特性，選擇與工件材質(zhì)、顏色、檢測(cè)距離相匹配的傳感器，保證工件檢測(cè)的正確性與可靠性。傳感器的布置應(yīng)具有防呆糾錯(cuò)功能，能有效防止工件反裝或錯(cuò)裝。傳感器的數(shù)量以滿足檢測(cè)要求為準(zhǔn)，可根據(jù)設(shè)計(jì)需要具體確定。

3.4 工件表面的清潔

工件定位面的灰塵、定位元件支承面的垃圾、工件表面的切削液等，在工件裝夾前均需要清潔處理，這是保證工件正確裝夾的前提。為能有效清潔這些表面，通常在工件定位元件的支承面、定位插銷的端面、工件表面附近設(shè)置專門用于清潔用的氣道口，這些氣道口通常直徑Φ2～3mm，與控制氣路上用于“通”“止”的氣動(dòng)電磁閥相聯(lián)接，通過電磁閥閥芯位置的切換，有效控制氣路的“接通”與“停止”從而實(shí)現(xiàn)工件表面和定位面的有效清潔。

3.5 手爪的安全性

機(jī)器人手爪是自動(dòng)化生產(chǎn)線中運(yùn)動(dòng)部件，在夾持工件運(yùn)動(dòng)的過程中，必須保證手爪能可靠夾持工件，保證工件在傳輸過程中萬無一失。為確保機(jī)器人手爪的安全性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

（1）采用自行設(shè)計(jì)的夾緊機(jī)構(gòu)時(shí)，夾緊機(jī)構(gòu)夾緊工件后應(yīng)具有機(jī)械自鎖功能，避免機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人手爪松開而導(dǎo)致安全事故。

（2）采用夾緊氣缸夾緊工件時(shí)，為能有效夾緊工件，夾緊氣缸在工件夾緊后應(yīng)預(yù)留3～5mm的夾緊行程。因此，在選擇氣缸行程時(shí)除使氣缸行程滿足夾緊范圍要求外，還需考慮增加氣缸夾緊工件時(shí)的預(yù)留行程。

（3）為保證夾緊工件的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮采用國外先進(jìn)夾緊氣爪，這些氣爪在突然斷氣時(shí)都具有夾緊保護(hù)功能，這是國外成熟技術(shù)，可以取其優(yōu)點(diǎn)，為我所用。如德國的“SOMMER”、“雄克”等品牌。

（4）采用夾緊力方向與工件重力方向一致，用工件重力或重力的分力防止工件夾緊后松開。

（5）在機(jī)器人手爪上增設(shè)安全插銷機(jī)構(gòu)，當(dāng)工件夾緊后，安全插銷將夾緊位置“牢牢鎖住”，從而起到安全保護(hù)作用。

3.6 機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)的步驟和思路

通過分析工件的結(jié)構(gòu)形式、機(jī)器人手爪的基本功能和機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)時(shí)的相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)的步驟和思路提出以下幾點(diǎn)要求：

（1）充分分析工件的結(jié)構(gòu)特性，明確工件定位所需的位置、夾緊力或夾緊扭矩所需的大小和方向。

（2）根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和空間大小，選取適合的定位元件和定位方式。

（3）根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)和定位方式選擇合適的夾緊點(diǎn)和夾緊機(jī)構(gòu)。使定位點(diǎn)和夾緊點(diǎn)能有效減少工件的夾緊變形并保證工件夾緊可靠。

（4）合理布置清潔氣路和檢測(cè)元件的線路走向，使線纜布置更美觀合理。

（6）根據(jù)機(jī)器人手爪的結(jié)構(gòu)和工件的位置，確定傳感器的位置和數(shù)量。

（7）根據(jù)上述思路，繪制詳細(xì)的機(jī)器人手爪裝配總體布置圖，并確定手爪松開、夾緊時(shí)的最大、最小運(yùn)動(dòng)范圍。

（8）對(duì)可能出現(xiàn)的幾種總體布置方案進(jìn)行工藝性和經(jīng)濟(jì)性分析，選擇結(jié)構(gòu)布置最優(yōu)、工藝性能最好、制造成本最低的總體布置方案。

（9）對(duì)方案圖做進(jìn)一步細(xì)化和完善，使設(shè)計(jì)文件符合工廠實(shí)際生產(chǎn)的要求。

結(jié)語

機(jī)器人手爪是自動(dòng)化線中重要的組成部件，是自動(dòng)化生產(chǎn)線的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)器人手爪性能的優(yōu)劣直接決定機(jī)器人工作效率的高低。研究機(jī)器人手爪的相關(guān)功能和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，理清機(jī)器人手設(shè)計(jì)思路和注意事項(xiàng)，對(duì)完善機(jī)器人手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化機(jī)器人手爪的設(shè)計(jì)參數(shù)、提高機(jī)器人手爪的工作效率。具有現(xiàn)實(shí)的借鑒和參考價(jià)值，為機(jī)器人手爪在現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用提供技術(shù)支持。

[1]聶余滿,許德章,王勇,等.一種欠驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人手爪的作業(yè)能力研究[J].機(jī)器人 ,2005 （06）.

[2]張二力.工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)改進(jìn)[J].機(jī)器人,1990（03）.