兩指自適應(yīng)機(jī)械夾持器設(shè)計(jì)與研究

李 凱，張俊俊，劉滿祿，張 華

（西南科技大學(xué) 特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng) 621010）

制造軟件

兩指自適應(yīng)機(jī)械夾持器設(shè)計(jì)與研究

李 凱，張俊俊，劉滿祿，張 華

（西南科技大學(xué) 特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng) 621010）

隨著對(duì)機(jī)械夾持器的研究和使用的深入，夾持器逐漸往多功能、適應(yīng)性強(qiáng)、擬人化的方向發(fā)展。設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人末端自適應(yīng)夾持器，該夾持器為基于單電機(jī)的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。利用欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)并通過機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使其能夠在作業(yè)過程中根據(jù)被夾持的物體的形狀自動(dòng)調(diào)整夾持器姿態(tài)，適應(yīng)不同形狀的被夾持件。利用Pro/E建立了夾持器的三維結(jié)構(gòu)模型，并導(dǎo)入ADAMS中建立虛擬樣機(jī)模型；然后對(duì)夾持器虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行力學(xué)仿真分析，獲得夾持器的作業(yè)范圍以及可夾持重量的數(shù)據(jù)，并和實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行對(duì)比，最終達(dá)到預(yù)期效果和目的。

自適應(yīng)機(jī)械夾持器；欠驅(qū)動(dòng)；動(dòng)力學(xué)仿真；虛擬樣機(jī)技術(shù)

0　引言

用于裝夾抓取物體的機(jī)械裝置稱為夾持器。夾持器多是模仿人手的部分動(dòng)作，通過程序控制或者機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)行夾持動(dòng)作。在機(jī)器人技術(shù)突飛猛進(jìn)，日新月異的今天，夾持器被廣泛裝載在機(jī)械臂、機(jī)器人以及其他機(jī)械設(shè)備上作為末端執(zhí)行單元。美國(guó)斯坦福大學(xué)研制的靈巧手Stanford/JPL，采用腱、滑輪傳動(dòng)方式，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于制造和控制。國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所和德國(guó)宇航重心合作開發(fā)的HIT/DLR能像人手那樣抓取物體，甚至可以彈琴［10］。

通常情況下，大多數(shù)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的夾持器由于結(jié)構(gòu)和電機(jī)控制等的限制，不能適應(yīng)被夾持的物體的形狀，使用環(huán)境受到限制，在工作務(wù)件下又難以立即更換其他夾持器［9］。本設(shè)計(jì)正是基于這種務(wù)件下，設(shè)計(jì)制造自適應(yīng)機(jī)械夾持器，可以適應(yīng)多種不同工件的夾持。本夾持器設(shè)計(jì)采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)中的單電機(jī)機(jī)械夾持器屬于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指系統(tǒng)的獨(dú)立控制變量個(gè)數(shù)小于系統(tǒng)自由度個(gè)數(shù)的一類非線性系統(tǒng)，欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和完全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比往往具有控制操作方便、減輕質(zhì)量、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)，現(xiàn)在成為研究熱點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)便于進(jìn)行整體的動(dòng)力學(xué)分析和試驗(yàn)。

本文用三維軟件對(duì)機(jī)械夾持器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并用ADAMS虛擬樣機(jī)軟件對(duì)夾持器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。在建立起實(shí)物模型之后在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的一臺(tái)安川motoman MH6六自由度單臂工業(yè)機(jī)器人上進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)。將虛擬樣機(jī)數(shù)據(jù)與實(shí)物樣機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，達(dá)到預(yù)期的效果和目的，完成設(shè)計(jì)。

1　機(jī)械夾持器結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，自適應(yīng)機(jī)械夾持器由夾持部件，動(dòng)力桿，底座，限位銷，自由桿，傳動(dòng)桿，彈簧等組成。在其內(nèi)部由齒輪和電機(jī)等對(duì)機(jī)械夾持器系統(tǒng)進(jìn)行傳動(dòng)。

單個(gè)加持爪機(jī)構(gòu)的自由度為：

機(jī)構(gòu)自由度F＞0，滿足具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的務(wù)件，本設(shè)計(jì)使用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樽杂啥却笥?，所以不具有確定的運(yùn)動(dòng)方向，必須設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)來限制其中一個(gè)自由度。因此在動(dòng)力桿和自由桿之間添加彈簧，來保證在動(dòng)力桿自由移動(dòng)時(shí)帶動(dòng)自由桿移動(dòng)。同時(shí)為了限制手爪的運(yùn)動(dòng)范圍，防止夾持器在張開過程中無限制的運(yùn)動(dòng)，利用限位銷來進(jìn)行限位，在動(dòng)力桿上裝有限位銷，來限定夾持器的最大張開范圍。

自適應(yīng)機(jī)械夾持器可以實(shí)現(xiàn)夾持器不同形狀物件的抓取，且自動(dòng)根據(jù)被夾持物件的形狀調(diào)整夾持器的姿態(tài)，還可以對(duì)含有內(nèi)腔的物體進(jìn)行擴(kuò)展抓取。在工作過程中，該夾持器通過直流電機(jī)把動(dòng)力傳動(dòng)給齒輪，齒輪帶動(dòng)連桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手爪的開合運(yùn)動(dòng)。中間連桿裝有彈簧，實(shí)現(xiàn)了在抓取不同形狀的物件時(shí)調(diào)整夾持器開合形狀，同時(shí)在彈簧的拉力或者壓縮的務(wù)件下，自由桿能隨著動(dòng)力桿運(yùn)動(dòng)同步運(yùn)動(dòng)。

如圖2所示是夾持器在進(jìn)行自適應(yīng)夾持物件時(shí)的姿態(tài)。夾持器夾持圓球型物體，在夾持過程中，夾持器自由桿支撐被夾物體，夾持部件向內(nèi)閉合，卡住球體，從而達(dá)到夾持球體和圓柱體的目的。在夾持器夾持塊狀物體時(shí)，夾持部件與被夾持工件的輪廓線平行，即直接正向夾持物體。此時(shí)的夾持力最大，對(duì)物體產(chǎn)生的摩擦力最大，且能夾持住的面積最大，使得物體不會(huì)因?yàn)閵A持力不足而產(chǎn)生下滑趨勢(shì)。夾持器在張開過程中可以對(duì)含有內(nèi)腔的物體形成擴(kuò)張抓取功能，用兩個(gè)矩形塊代替內(nèi)腔物體被擴(kuò)展時(shí)候的邊緣，此功能適合在夾持器直接夾取行程范圍不夠時(shí)，或者機(jī)器人機(jī)械臂作業(yè)空間有障礙物不方便被夾取時(shí)。

圖1　夾持器結(jié)構(gòu)示意圖

2　工作裝置的虛擬樣機(jī)分析

2.1模型建立及導(dǎo)入

本文采用Pro/E軟件對(duì)夾持器進(jìn)行三維建模，以Parasolid（*.x_t）格式將工作裝置三維模型導(dǎo)入ADAMS當(dāng)中，需在ADAMS里重新定義材料屬性?？紤]到機(jī)械夾持器要求使用環(huán)境是在機(jī)械臂上，對(duì)于機(jī)械臂的要求是盡量做到輕質(zhì)，定位精準(zhǔn)，所以?shī)A持器仿真和制作材料選用航空鋁，因?yàn)楹娇珍X的強(qiáng)度和硬度大，且密度小，質(zhì)量輕。材料的綜合力學(xué)性能優(yōu)良。

對(duì)模型進(jìn)行約束定義，導(dǎo)入ADAMS中的夾持器虛擬樣機(jī)模型包括15個(gè)零件，對(duì)于沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件，用固定副對(duì)其進(jìn)行約束，其余有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件都采用轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)行連接。因?yàn)闄C(jī)構(gòu)的自由度為2，所以必須在動(dòng)力連桿和自由桿之間設(shè)置彈簧，來限制其中一個(gè)自由度，確定了兩個(gè)彈簧。因?yàn)樵谀Ｐ椭袥]有建立電機(jī)模型，因此對(duì)兩個(gè)動(dòng)力連桿施加方向相反的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，因此有2個(gè)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。定義好約束的模型如圖3所示。

圖2　夾持器夾持不同物件時(shí)的姿態(tài)

圖3　定義約束的夾持器

2.2夾持器作業(yè)范圍仿真

機(jī)械夾持器的主要作業(yè)空間不但是衡量其性能好壞的重要指標(biāo)，而且也是夾持器虛擬樣機(jī)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性能評(píng)估參數(shù)組成。本文在ADAMS中對(duì)夾持器的開合狀態(tài)進(jìn)行仿真，結(jié)合其工作原理，采取單電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)作的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械夾持器的開合動(dòng)作，對(duì)動(dòng)力桿上的旋轉(zhuǎn)副施加驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)函數(shù)采用step函數(shù)，定義夾持器的開合。對(duì)夾持器夾持部件頂部分別建立兩個(gè)Maker點(diǎn)，對(duì)其無夾持時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行仿真分析，并用Adams/PostProcessor后處理得出夾持器夾持的物件范圍為0～80mm。

2.3夾持器最大夾持力計(jì)算仿真

機(jī)械夾持器的夾持能力也是其性能好壞的重要指標(biāo)，是夾持器虛擬樣機(jī)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)的最重要參數(shù)組成。本文先對(duì)導(dǎo)入在ADAMS軟件的夾持器進(jìn)行仿真，得出仿真值，之后結(jié)合理論與其工作情況對(duì)其夾持性能進(jìn)行計(jì)算，得出夾持器夾持能力的估算值。在對(duì)物體進(jìn)行夾持時(shí)，在夾持力不變的情況下：

夾持器豎直夾持狀態(tài)下能夾持的物體的重量小于水平夾持時(shí)，為了使設(shè)計(jì)出來的夾持器能適用于各種務(wù)件下，所以選用豎直夾持狀態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算。

本設(shè)計(jì)中所選取電機(jī)為直流電機(jī)，電機(jī)扭矩為30kg·cm，轉(zhuǎn)速為5rpm，電壓24V。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮在電機(jī)輸出夾持力最小既夾持點(diǎn)離電機(jī)最遠(yuǎn)時(shí)所能夾持的工件質(zhì)量。

將已經(jīng)導(dǎo)入到ADAMS軟件中的模型定義材料屬性，添加完約束以及驅(qū)動(dòng)的模型，在保持其他約束務(wù)件不變的務(wù)件下，將兩個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)改成扭矩，將扭矩大小定義成電機(jī)實(shí)際扭矩，30kg·cm。對(duì)其在三種狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真。

在夾持直邊物體時(shí)，首先建立接觸副，定義兩個(gè)夾持部件與被夾持物體之間的接觸分別為CONTACT_1和CONTACT_2，定義完所有約束之后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在仿真結(jié)束后進(jìn)入Adams/PostProcessor后處理軟件中讀取接觸力的大小。如圖4（a）所示，此時(shí)兩個(gè)接觸副的力既夾持器對(duì)工件的夾持力約為44.1N，在進(jìn)行正向夾持工件時(shí)，物體的受力情況如圖4（b）所示主要為：自身重力，夾持器的夾持力，夾持器產(chǎn)生的靜摩擦力。靜力學(xué)方程為：

式中：μ為鋁件與其他物體的摩擦因數(shù)，在三種情況下均選用鋁與鋼的摩擦系數(shù)0.3，代入式（3）算出在此種情況下夾持器能夾持的最小質(zhì)量為1.32kg。

圖4　夾持器夾持長(zhǎng)方體物件的受力情況

在夾持圓形物體時(shí)，定義四個(gè)接觸副，定義兩個(gè)夾持部件與被夾持物體之間的接觸分別為CONTACT_1和CONTACT_2，另外兩個(gè)自由桿與被夾持物體之間的接觸定義為CONTACT_3和CONTACT_4，定義完所有約束之后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在仿真結(jié)束后進(jìn)入Adams/ PostProcessor后處理軟件中讀取接觸力的大小。如圖5（a）所示，此時(shí)接觸副1和2的力即自由桿對(duì)工件的夾持力約為37.3N，接觸副3和4對(duì)工件的夾持力既夾持部件對(duì)工件的力為10.5N，在進(jìn)行正向夾持器時(shí)，物體的受力情況如圖5（b）所示主要為：自身重力，自由桿對(duì)工件的夾持力，夾持部件對(duì)工件的夾持力，工件下滑趨勢(shì)產(chǎn)生的摩擦力f，兩個(gè)力相對(duì)于水平方向的夾角分別為α和β。靜力學(xué)方程為：

根據(jù)表中數(shù)據(jù)以及實(shí)際測(cè)量α=19°，β=22°，F(xiàn)1=37.3N，F(xiàn)2=10.5N。f靜摩擦力范圍從0～μmgsinα，代入式（4）算出G=19.3N，由此可得夾持器能夾持圓形物體的最小質(zhì)量為1.93kg。

圖5　夾持器夾持圓形物體時(shí)的受力情況

在對(duì)含內(nèi)腔直邊物體進(jìn)行抓取時(shí)，首先建立接觸副，定義兩個(gè)夾持部件與被擴(kuò)展物體之間的接觸分別為CONTACT_1和CONTACT_2，定義完所有約束之后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在仿真結(jié)束后進(jìn)入Adams/PostProcessor后處理軟件中讀取接觸力的大小。如圖6（a）所示，此時(shí)夾持器對(duì)工件的夾持力約為35.9N，在進(jìn)行豎直狀態(tài)下擴(kuò)展時(shí)，物體的受力情況如圖6（b）所示主要為：自身重力，夾持器的夾持力，與夾持器產(chǎn)生的靜摩擦力。靜力學(xué)方程為式（3），由式（3）算出在此種情況下夾持器能夾持的最小質(zhì)量為1.08kg。

在虛擬樣機(jī)仿真與理論計(jì)算中，在長(zhǎng)方形，球體，擴(kuò)展三種情況下得出的夾持重量的安全值分別為：1.32kg，1.93kg，1.08kg。

3　實(shí)物樣機(jī)試制及參數(shù)對(duì)比

在虛擬樣機(jī)仿真以及理論計(jì)算達(dá)到預(yù)期值之后，將對(duì)模型進(jìn)行零件圖繪制和加工裝配，將完成研制的機(jī)械夾持器實(shí)物樣機(jī)安裝在安川motoman MH6六自由度單臂工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)。

圖6　夾持器擴(kuò)展物體時(shí)的受力情況

首先測(cè)試顯示夾持器在單電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下能運(yùn)行順暢，可以實(shí)現(xiàn)仿真時(shí)的三種姿態(tài)。然后對(duì)其進(jìn)行重物夾持的測(cè)試，如圖7所示。對(duì)夾持器可以?shī)A持重物的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，夾持器可以?shī)A持質(zhì)量為2.06kg的有直邊的物體，1.45kg的圓柱體或者球體，可以對(duì)1.22kg的物體進(jìn)行擴(kuò)張。同時(shí)可以進(jìn)行夾取和物體的范圍為0～94mm。將實(shí)物樣機(jī)測(cè)試參數(shù)與虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

圖7　夾持器夾持實(shí)物狀態(tài)圖

表1　實(shí)物樣機(jī)和虛擬樣機(jī)參數(shù)對(duì)比

4　結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種欠驅(qū)動(dòng)兩指自適應(yīng)機(jī)械臂夾持器，用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪傳動(dòng)的方式進(jìn)行傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)三種不同夾持狀態(tài)。首先用Pro/E軟件建立了夾持器的三維實(shí)體模型，將模型導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中，建立約束和運(yùn)動(dòng)服，進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析以及力學(xué)計(jì)算，得到了機(jī)械夾持器的工作空間以及載重范圍，確定了自適應(yīng)機(jī)械夾持器的性能參數(shù)。達(dá)到預(yù)期之后試制出實(shí)物樣機(jī)，通過在現(xiàn)有工業(yè)機(jī)械臂上進(jìn)行實(shí)際得出實(shí)物樣機(jī)性能參數(shù)，將虛擬樣機(jī)參數(shù)和實(shí)物樣機(jī)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出計(jì)算正確，設(shè)計(jì)合理、符合前期設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。為夾持器的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、產(chǎn)業(yè)化推廣以及進(jìn)行三指自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)靈巧手的設(shè)計(jì)研究提供了一定的理論支持和指導(dǎo)意義。

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Design and research of two fingers adaptive mechanical gripper

LI Kai， ZHANG Jun-jun， LIU Man-lu， ZHANG Hua

TH12

A

1009-0134（2016）10-0039-05

2016-06-07

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015GZ0027）

李凱（1991 -），男，廣東興寧人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)技術(shù)。