適配多尺寸缸筒的機器人手爪機構(gòu)的設(shè)計

□ 孫庭偉

北京航天斯達科技有限公司 北京 100076

1 設(shè)計背景

近年來,工業(yè)六軸機器人在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用得到蓬勃發(fā)展,物流生產(chǎn)線碼垛搬運是工業(yè)六軸機器人系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用的典型代表。機器人動作由機器人本體和末端執(zhí)行器共同完成,機器人本體及相關(guān)控制已經(jīng)規(guī)模化。但在實際生產(chǎn)過程中,機器人末端手爪的適配性不是很高,需要專機專用,根據(jù)實際情況進行非標設(shè)計。筆者設(shè)計了適配多尺寸缸筒的機器人手爪機構(gòu),可以抓取多種直徑、多種長度的缸筒零件。

2 技術(shù)要求

機器人本體通過機器人末端執(zhí)行器,即機器人手爪將缸筒從A點抓取,放置到B點進行碼垛,機器人手爪需要同時考慮夾持方式和A、B兩點的定位工裝,還需要兼容不同長度和直徑的圓柱形缸筒。

采用安川GP180型機器人,有效負載為1 800 N,搬運區(qū)域直徑為2 702 mm。要求機器人手爪可搬運重力為300～600 N的缸筒,缸筒的直徑為110～200 mm,長度為600～1 400 mm。機器人手爪抓取缸筒的位置為輸送線加托盤,托盤采用V形塊支撐,如圖1所示。機器人手爪放置缸筒碼垛位置為木托盤,每層碼垛五個,最高碼垛四層,位置固定,如圖2所示。

3 技術(shù)難點

由上述要求可以大致構(gòu)思出機器人手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計方向,技術(shù)難點主要集中在總載荷控制、多個品種兼容和抓取空間三個方面。

分析機器人有效負載與搬運缸筒載重的關(guān)系,機器人手爪要求總載重控制在1 100 N之內(nèi)。為適應(yīng)缸筒直徑的變化,機器人手爪完全張開后需要大于200 mm,閉合后需要小于110 mm。為適應(yīng)缸筒長度方向的變化,保證機器人手爪抓取的穩(wěn)定性,機器人手爪軸向?qū)挾纫残枰軌蛘{(diào)節(jié)。分析機器人手爪的抓取和放置空間,機器人手爪各個方向具有可調(diào)節(jié)性,但抓取缸筒和放置缸筒的位置基本保持不變,由此對機器人手爪的抓取空間提出了要求,在進行不同規(guī)格缸筒碼垛時,需要控制好抓取位置。

4 機架主體及連接法蘭

機架主體及連接法蘭總體結(jié)構(gòu)如圖3所示,機架主體如圖4所示,連接法蘭如圖5所示。機架主體是機器人手爪的基礎(chǔ)機構(gòu),為其它機構(gòu)提供支撐和連接。連接法蘭與機架主體相連。連接法蘭上端連接機器人第六軸末端,通過定位環(huán)和定位銷限位,保證機器人手爪和機器人的相對位置固定,再用六個M10螺釘連接緊固。機架主體由Q235鋼焊接而成,整體形狀近似槽鋼,既保證整體的強度,又可最大限度節(jié)省材料。由于機架主體自身質(zhì)量較大,在保證強度的基礎(chǔ)上,對連接板進行打孔,減輕質(zhì)量,并預留安裝孔位。

5 梯形絲杠導軌滑塊移動件

梯形絲杠導軌滑塊移動件如圖6所示。梯形絲杠導軌滑塊移動件是適應(yīng)缸筒長度方向變化可以進行調(diào)整的裝置,整體與機架主體連接,下方連接至兩組手爪裝置。

梯形絲杠導軌滑塊移動件主要組成部分有梯形絲杠、絲杠左旋螺母、絲杠右旋螺母、防轉(zhuǎn)固定件、幅式手輪、固定側(cè)支座、直線導軌、支撐側(cè)支座、定位塊。

固定側(cè)支座與支撐側(cè)支座固定在機架主體上,中間穿入梯形絲杠。梯形絲杠中間穿入絲杠左旋螺母和絲杠右旋螺母,保持相對位置居中,旋轉(zhuǎn)端增加防轉(zhuǎn)固定件。在調(diào)整完位置后,扣下防轉(zhuǎn)固定件,防止梯形絲杠轉(zhuǎn)動。松開防轉(zhuǎn)固定件,轉(zhuǎn)動幅式手輪,可以移動絲杠左旋螺母和絲杠右旋螺母。直線導軌固定在梯形絲杠兩側(cè),其中一側(cè)采用定位塊固定。手爪裝置上的滑塊固定在直線導軌上,絲杠左旋螺母和絲杠右旋螺母分別裝在手爪裝置上,可以保證轉(zhuǎn)動幅式手輪時兩個手爪裝置對稱移動。

6 手爪裝置

手爪裝置如圖7所示。手爪機架為手爪裝置的主體部分,滑塊安裝板和大導軌滑塊安裝于手爪機架上。調(diào)整好夾取缸筒位置后,手爪固定件通過緊定螺釘可以與機架主體相接觸,起到防偏移作用。小滑塊和小導軌為手指移動組件,使機器人在抓取缸筒時實現(xiàn)移動。手指氣缸為夾取缸筒提供動力。先導止回閥為保壓裝置,防止在系統(tǒng)突然斷氣后手爪裝置松開,避免抓取的缸筒掉落。氣缸連接件將氣缸和手指組件連接在一起。對中齒輪和齒條組成的機構(gòu)保證了手爪裝置對中移動的對稱性,使兩組手爪裝置的夾取相互作用力保持一致。

手爪裝置是整個機器人手爪的核心機構(gòu),兩組手爪裝置配合,可以抓取不同直徑、不同長度的缸筒。缸筒直徑變化時,手指上裝有位置傳感器,調(diào)節(jié)之后即可檢測到夾取缸筒的情況。手指底座上有兩組手指安裝位,可以對缸筒夾取的長度進行擴展。手爪機構(gòu)整體緊湊,兼容性強,適合多種缸筒零件的夾取。

7 手指夾持裝置

手指夾持裝置如圖8所示,包括手指底座、手指支架、手指、感應(yīng)片。手指支架安裝在手指底座上,手指安裝在手指支架上。手指為黃銅材質(zhì),與缸筒接觸時不會夾傷缸筒。感應(yīng)片作為手指感應(yīng)裝置,用于感應(yīng)有無夾持缸筒。

8 實物

為驗證各個設(shè)計單元是否滿足使用要求和使用功能,對機器人手爪各單元機件進行了生產(chǎn)加工,對外購件進行了選型采購,最終制作的機器人手爪實物如圖9所示。

對加工完成的機器人手爪進行實際生產(chǎn)驗證,采用不同直徑和不同長度的缸筒進行碼垛,確認機器人手爪可以適應(yīng)不同尺寸缸筒的碼垛工作,并且動作合理,路徑簡單。

9 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一種適配多尺寸缸筒的機器人手爪機構(gòu),具有設(shè)計原理清晰、結(jié)構(gòu)緊湊、適用性強等優(yōu)點,能夠適配多種尺寸缸筒的碼垛。實際生產(chǎn)驗證結(jié)果表明,所設(shè)計的機器人手爪工作可靠,具有很好的推廣應(yīng)用價值。