一種凸輪直線平夾自適應(yīng)手指裝置的設(shè)計(jì)

石杰 李夢(mèng)雨 張海洋 林云熹

摘要：傳統(tǒng)的平夾自適應(yīng)機(jī)器人手指裝置往往只具備平行夾持和自適應(yīng)抓取的功能，這些機(jī)器手雖能在一定程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)適應(yīng)被抓物體的形狀、尺寸，實(shí)現(xiàn)包絡(luò)、捏夾等抓取動(dòng)作，但是當(dāng)抓取平放的厚度較薄物體時(shí)，便會(huì)徹底喪失抓取能力。本文提出了一種凸輪直線平夾自適應(yīng)手指裝置，以克服現(xiàn)有裝置結(jié)構(gòu)的不足之處。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人手指；欠驅(qū)動(dòng)；凸輪；直線平夾

0 引言

機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)今科技發(fā)展的重要技術(shù)之一，其末端執(zhí)行裝置機(jī)器人手的結(jié)構(gòu)、功能也在不斷發(fā)展和完善。其中指爪式末端執(zhí)行器具備可完成任務(wù)多樣化的特征，既能對(duì)物體進(jìn)行抓取，也能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行裝配、維修等操作，近年來(lái)發(fā)展迅速。

工業(yè)上有關(guān)自適應(yīng)抓取的研究雖有一定創(chuàng)新性，但均未對(duì)柔性抓取多種工件，即在不更換夾具類型下進(jìn)行工件的一對(duì)多裝夾有拓展研究，即使有一定的柔性探索，這些機(jī)器手雖能在一定程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)適應(yīng)被抓物體的形狀、尺寸，實(shí)現(xiàn)包絡(luò)、捏夾等抓取動(dòng)作，如加拿大拉瓦爾大學(xué)研發(fā)出的Robotiq手。當(dāng)抓取平放的厚度較薄物體時(shí)，便會(huì)徹底喪失抓取能力，還未達(dá)到完全的自適應(yīng)。圖1為Robotiq手由于末端軌跡為弧線而無(wú)法抓取薄壁類零件的示意圖。

1 直線平夾自適應(yīng)功能

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本文提出了一種新型的直線平夾自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手。該裝置具有多種抓取模式，既能用平夾捏持方式夾持物體，也能在第一指段接觸物體后轉(zhuǎn)動(dòng)第二指段去自適應(yīng)包絡(luò)物體，對(duì)不同形狀、尺寸的物體具有自適應(yīng)性；該裝置在平行夾持階段能夠達(dá)到第二指段末端沿直線精確運(yùn)動(dòng)，從而適應(yīng)在工作臺(tái)面上平行夾持抓取不同尺寸的物體，而無(wú)需調(diào)整機(jī)器人手整體的位置，降低了成本；采用單個(gè)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，無(wú)需復(fù)雜的傳感和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。圖2為凸輪直線平夾自適應(yīng)手指裝置結(jié)構(gòu)圖。

2 直線平夾功能原理

抓取物體時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)第一傳動(dòng)輪和凸輪，通過(guò)柔性傳動(dòng)件使得第二傳動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，第一連桿轉(zhuǎn)動(dòng)；在初始狀態(tài)下，由于限位凸塊在第一簧件的作用下緊靠在第二連桿上，四邊形ABCD為平行四邊形，第二指段保持初始姿態(tài)相對(duì)于基座上部不變。同時(shí)，第一傳動(dòng)輪與凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)推桿移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基座上部在基座下部的滑槽中直線滑動(dòng)，使得基座上部第一指段及第二指段整體相對(duì)于基座下部作平動(dòng)；上述兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的綜合使得第二指段的末端呈現(xiàn)直線軌跡運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了直線平動(dòng)夾持效果。

在平行抓取過(guò)程中，如圖2所示，隨著第一指段相對(duì)于基座上部的轉(zhuǎn)動(dòng)，第二指段相對(duì)于基座上部的高度將隨著抓取進(jìn)程的推進(jìn)而不斷變化，此時(shí)基座下部的凸輪將推動(dòng)推桿使與推桿相連的基座上部整體位置發(fā)生變化，消除了因?yàn)榈谝恢付无D(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的第二指段末端高度變化量，從而在平夾過(guò)程中實(shí)現(xiàn)第二指段直線軌跡平行夾持物體。

在上述過(guò)程中，張緊輪、第三簧件和張緊輪軸的相互配合，使得在基座上部被凸輪頂起的過(guò)程中，柔性傳動(dòng)件保持張緊，從而保證了在基座上部和基座下部相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，第一傳動(dòng)輪的動(dòng)力仍能傳遞到第二傳動(dòng)輪，帶動(dòng)第一連桿；第三簧件和基座下部的直線滑槽相互配合，保證了在基座上部被抬高的過(guò)程中，基座上部的推桿仍能與基座下部的凸輪保持接觸，保證凸輪對(duì)基座上部的支撐作用，從而保證直線平動(dòng)抓取效果。

當(dāng)?shù)谝恢付谓佑|物體時(shí)，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)第一傳動(dòng)輪，第二傳動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)；第一連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，第一簧件發(fā)生變形，第二連桿與第一連桿的夾角增加，此時(shí)第二連桿推動(dòng)第二指段繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，直到第二指段接觸物體，抓取結(jié)束，該過(guò)程對(duì)不同形狀、尺寸物體有適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)抓取效果。

本手指釋放物體時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，釋放過(guò)程與上述抓取過(guò)程相反，不再贅述。

凸輪輪廓的尺寸與第二指段的長(zhǎng)度、兩個(gè)傳動(dòng)輪之間的傳動(dòng)比密切相關(guān)，三者尺寸的契合程度決定了手指直線平夾的效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種凸輪直線平夾自適應(yīng)手指裝置，并對(duì)功能原理進(jìn)行了較為詳盡的闡述。裝置整體構(gòu)造簡(jiǎn)單，摩擦損耗小，效率高，較容易制造安裝。具以下抓取模式：

（1）該裝置可以直線平動(dòng)第二指段，以平夾捏持方式夾持物體，對(duì)厚度較薄的物體有較強(qiáng)適應(yīng)性；

（2）該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)握持物體，在第一指段接觸物體被阻擋后，第二指段自動(dòng)繞遠(yuǎn)關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，直到接觸物體，達(dá)到自適應(yīng)包絡(luò)握持物體的效果，對(duì)不同形狀、尺寸的物體具有自適應(yīng)性。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，抓取范圍廣，僅采用單個(gè)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，無(wú)需復(fù)雜的傳感和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，適用于各種需要抓取不同物體的機(jī)器人。

參考文獻(xiàn)：

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