針對旋轉手爪的結構設計與分析

錢瀚翔

（南京市第十三中學，江蘇南京，210008）

1 旋轉手爪概述

旋轉手爪在接收到抓取工件信號后，按指定的路徑抓取物體，并要求在規(guī)定時間內完成相應動作[1]。旋轉手爪在抓取物體過程中，為了確保能夠準確的抓住物體，這就要求旋轉手爪在開合時的張角應盡可能的大，以提高旋轉手爪抓取物體的準確性；此外，為保證旋轉手爪在抓取時不會因為手爪的不協(xié)調而導致被抓取的物體脫離，手爪也需具備同步性。旋轉手爪在結構上具有一定的穩(wěn)定性，所選材料應具備韌性和一定的硬度，以確保在運輸途中不會因為旋轉手爪結構的不穩(wěn)定與材料的損壞導致物體的脫落。另外，手爪在抓取到物體或物體因各種原因錯誤脫落之后，應通過傳感設備向控制中心反饋，從而繼續(xù)或者是終止后續(xù)的步驟。

1.1 應用場景分析

旋轉手爪在許多高新產業(yè)中應用廣泛，尤其是在機器人和仿真領域，旋轉手爪就顯得必不可少。旋轉手爪雖然不像人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，得到了較為廣泛的運用[2]。旋轉手爪在實現(xiàn)機器人各項功能中起到至關重要的作用，不僅提高了機器人的工作效率和工作質量，而且還使機器人外觀與功能逐漸接近人類，所能完成的任務也越來越多。通過旋轉手爪我們不僅可以完成一些簡單的抓取任務，就連工業(yè)上一些危險的抓取任務，細小零件的精準拾取，也可以通過旋轉手爪來實現(xiàn)。

1.2 類型形式

隨著機器人應用范圍的日益擴大，旋轉手爪也日益朝著智能化，類人化的方向發(fā)展。首先，在醫(yī)療方面，事故中斷手的殘疾人日益增多，因此對更加靈活，性能優(yōu)越的旋轉手爪的需求便逐漸增多。其次，近年來國內許多地區(qū)都出現(xiàn)了用工短缺和勞動成本上升的問題，所以旋轉手爪必須承擔起建筑材料的運輸，各種建筑必需品的搬運等最基礎的任務；旋轉手爪在工業(yè)上的作用也不可小覷，小到物品的運輸，大到零件的加工與生產，都可以交給旋轉手爪實現(xiàn)。因此，旋轉手爪的使用范圍十分廣泛。

1.3 應用前景

我國工業(yè)機器人從80年開始起步，在國家的支持下，順利通過“七五”“八五”的科技革新，掌握了大部分機器人生產技術，但由于我國起步較晚，整體實力依然和外國有一定差距。就拿旋轉手爪來說，國內生產的旋轉手爪精度不高，價格普遍較貴，因此旋轉手爪大都依靠外國進口。更重要的是，我國至今仍未形成專門的機器人產業(yè)，技術還未成熟，缺少專業(yè)的人才，所以從整體上來看，我國機器人技術依然有很大的提升空間，仍然需要不斷地刻苦鉆研與國內外的機器人研究行業(yè)的頂尖人才的不懈努力[3]。

旋轉手爪在發(fā)展中，首先需要的就是精確性的提高。眾所周知，旋轉手爪工作時會產生一定的誤差，如何有效的減小和預測誤差便是未來手爪的發(fā)展趨勢。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，旋轉手爪的精度也會越來越高，那么它的應用范圍也將更加廣泛，如醫(yī)療設備的運輸，核工業(yè)，軍事工業(yè)等。不僅如此，隨著電子元件的發(fā)展，機電一體化也即將廣泛運用，如果旋轉手爪具有一定的感應功能，在未成功抓取時通過旋轉手爪內部的敏感元件來做出反饋調節(jié)，重新調整手爪的位置以成功抓取物體，并通過手爪前部的壓力敏感元件控制力的大小，達到自動控制的目的?？傊S著科技的不斷進步，旋轉手爪配合作業(yè)的能力也將大大提升，運用范圍也將不斷擴大。

2 機構方案設計

旋轉手爪可以看作一個模塊化的機械產品，因為具有一般機械共有的三部分，即動力源、傳動機構和執(zhí)行端。對于旋轉手爪而言，其執(zhí)行端是手爪末端的夾爪，用來實現(xiàn)物料的抓取，動力源是電機，需要進行選型和安裝設計，而傳動部分為旋轉手爪機構設計的主體部分，選用的傳動形式決定著手爪的性能和工作效率。

2.1 手爪的功能及需求分析

在實際生活中，旋轉手爪大多都應用在手術室巡檢機器人、環(huán)境監(jiān)測和實時監(jiān)控、護士車的自主搬運等方面。就拿對護士車的抓取來說，現(xiàn)在可以想到的有兩種形式：背負式和牽引式。背負式是指機器人鉆進負載底下，啟動自身的抬升裝置，從而將負載抬起從而實現(xiàn)搬運的一種運輸方法。但背負式有一個很大的缺陷，就是在機器人啟動自身的抬升裝置時，只要抬升的高度有一點點細微的差距，便會破壞整個搬運物體的平衡性，使被搬運物體產生一定的傾斜，十分不穩(wěn)定。而對于手術室巡檢機器人，這樣的運輸方式顯然是不可取的，因為被搬運的大多都是醫(yī)療器械，既危險又容易破碎。但是牽引式就不同，牽引式只是給物體一個水平向前的拉力，并不會使之傾斜，所以我們對于護士車的搬運是采用牽引式。

對護士車的抓取這個過程中只涉及手爪的抓取與松脫，所以我們只需要一個單自由度的夾爪即可。單自由度的夾爪可分為兩類，移動式和旋轉式。移動式指的是手爪的一端在直線上移動從而帶動手爪的張開與閉合，手爪活動的范圍大大受到直線總長的影響，但是機器人伸出去的手爪并不能做得太寬，所以移動式有些不符合要求。旋轉式指的是手爪繞著兩個定點旋轉，通過齒輪的轉動帶動手爪的開合。相比之下，當旋轉式和移動式抓取幾率相等時，旋轉式所手爪占的體積較小，更適合小型的機器人。此外，智能機器人都有定位偏差，這個偏差在1cm左右浮動，是現(xiàn)在技術所不能避免的，更何況我們在實現(xiàn)抓取時出于種種原因導致手爪沒有對準的情況是很常見的，所以我們需要一個容錯率較高的手爪。旋轉式手爪在抓取時手爪張開的角度比較大，故抓住的幾率也大大提高，雖然偏差避免不了，但是通過增大手爪抓住的幾率，也相當于變相減少了誤差，因此選用容錯率較高的旋轉手爪。

考慮到機器人是在醫(yī)院的走道中，穿越人群運輸醫(yī)療用品，它的總體尺寸不能過于龐大，以免導致醫(yī)院里的交通堵塞，給醫(yī)院增添負擔。其次，從布局上看，旋轉手爪是安置在機器人的尾部的小凹槽中的，所以它的體積也不能過大，我們設定手爪的外形尺寸約為100×70×40mm。此外，抓取物體之后，如果要實現(xiàn)對護士車的抓取和正常運輸，夾爪的末端的保持力便必不可少。經過實際的測量，我發(fā)現(xiàn)夾爪末端的保持力需在6N,才能保持穩(wěn)定的運輸。對于物體的夾取，由于沒有時間上的限制，所以我們對轉速要求并不高。

2.2 不同機構形式比較

考慮到機器人在醫(yī)院走廊這個交通比較擁擠的場所，所以整體尺寸應較小，能夠盡量減少交通擁堵，同時也要具備一定的靈活性，能避讓行人。由此可見，機器人留給旋轉手爪的空間自然就很少，故不采用鏈傳動或帶傳動等規(guī)模較大傳動形式。其次，為了防止旋轉手爪在抓取時不會因為手爪的不協(xié)調而導致被抓取的物體脫離或由于一部分手爪的未閉合而導致手爪的錯位，所以兩邊的手爪應該要有完全同步性。根據(jù)以上幾點，我們篩選出了兩種既不占用體積，又使得兩邊手爪具有完全同步性的傳動方式：齒輪傳動或蝸輪蝸桿傳動。齒輪傳動顧名思義，就是通過中心齒輪的轉動帶動小齒輪的轉動，從而使兩端的手爪完成指定的運動。至于蝸桿傳動，實際上是兩個軸線相互垂直的蝸輪和蝸桿之間的傳輸。電機帶動蝸桿旋轉，蝸桿又帶動蝸輪旋轉，從而使手爪轉動，完成閉合。然而通過3D建模，我發(fā)現(xiàn)齒輪輪傳動的確實現(xiàn)了兩個手爪的同步轉動，但兩者方向相同，只能繞著同一個方向旋轉，所以不能實現(xiàn)開合。而蝸輪蝸桿傳動，既可以使得兩側夾爪具有完全同步性，同時又具有一定的自鎖性，在斷電時依然可以保持抓取的動作，這便是不選齒輪的第一點原因。不僅如此，就傳動比而言，根據(jù)公式可知，齒輪傳動的傳動比為齒輪的反比，因此若要在現(xiàn)實中實現(xiàn)1:5的傳動比，則需要滿足大齒輪直徑是小齒輪的5倍，這樣卻會使得齒輪體積過大，與實際需求的較小的尺寸相沖突，而蝸輪蝸桿傳動比為頭數(shù)和輪齒數(shù)的比，因此傳動比大且機構整體體積也很小。

蝸輪蝸桿傳動具有自鎖性，當蝸桿的導程角小于嚙合齒輪的摩擦角時，只能通過蝸桿帶動蝸輪轉動[4]。在醫(yī)療搬運機器人拖拉小推車的過程中，即使突然斷電，電機停止工作，旋轉手爪也不會因此而將物體松開，而是依靠蝸輪蝸桿機構保持抓取狀態(tài)。其次，蝸桿的反向自鎖性也可以起到安全保護作用，防止手爪被扳開，如圖1所示為蝸輪蝸桿實物圖。

圖1 蝸輪蝸桿實物圖

渦輪蝸桿傳動中，蝸桿轉一圈時，蝸輪才轉過一個嚙齒的度數(shù)，大大提高了輸出扭矩，因此自身也可以充當一個減速器，為其余元件的安裝省下空間，也減小了旋轉手爪的整體體積，更加適合體型較小的機器人。除此之外，蝸桿還具有結構緊湊，承載力高、傳動平穩(wěn)，噪音很小等特點，適合在醫(yī)院這種安靜的場合下工作。

蝸輪蝸桿機構也存在一些缺點，其傳動效率很低，理論上只能達到60-70%。一些自鎖性較強的蝸桿效率更低，在實際操作時效率低于50%。相比之下，齒輪傳動便具有效率上的優(yōu)勢，傳動效率能達到90%，大大節(jié)省了能源的消耗。另外，渦輪蝸桿間相對滑動速度大會使得嚙齒之間磨損嚴重，發(fā)熱嚴重，既降低了機械效率，又要求用一些價格較昂貴的耐摩擦且耐熱的金屬與相應的潤滑設備，因而成本較高[5]，而齒輪使用更為普遍，且價格低廉。

綜合考慮，雖然蝸輪蝸桿成本較高，機械效率偏低，但其具有較好的自鎖性、且占據(jù)體積小、能提供較大的扭矩，因此選擇蝸輪蝸桿傳動形式。

3 結構設計與分析

經過對旋轉手爪的機構方案設計，選定了蝸輪蝸桿的機構傳動形式，對手爪進行結構設計，首先需要對電機進行選型及安裝設計，其次對主傳動機構進行設計和建模分析，并對其他部件進行結構設計。

3.1 電機的選型

考慮到使用電機的類型，由于尺寸小、需要的扭矩較低，因此選用直流電機。在電機選型時，需要考慮其整體尺寸和能夠提供的力矩，以及工作時的轉速要求。

3.2 蝸輪蝸桿設計分析

蝸輪蝸桿傳動會造成一定的磨損，其失效形式主要是齒面膠合、點蝕和磨損。蝸輪與蝸桿間的相對滑動很大，故齒面間的摩擦與摩擦產生的熱量很大。齒面膠合，是指當齒輪持續(xù)運轉時，由于兩齒輪的相對滑動，在齒輪表面撕成溝紋。點蝕又稱為孔蝕，是一種集中于金屬表面很小的范圍并深入到金屬內部的腐蝕形態(tài)，一般直徑很小但是深度深。機械磨損是指兩相互接觸產生相對運動的摩擦表面之間的摩擦將產生組織機件運動的摩擦阻力，引起機械能量的消耗并轉化而放出熱量，使機械產生磨損[6]。這三種失效形式通常發(fā)生在輪齒上，久而久之，會使得蝸輪嚙齒發(fā)生斷裂，引起機械故障。因此在設計過程中，通常選用既耐高溫又耐磨損且具有一定惰性的材料。對于微觀材料而言，其物理特性決定了其所能承受的力是有一定的限度的，選用的輪齒材料時也是如此?？紤]到齒輪的承載力有限，所以根據(jù)蝸輪齒面接觸疲勞強度條件，計算蝸桿傳動的承載能力，以防止蝸輪因受力過大而大大加快侵蝕或者崩裂等造成的不必要的損壞。

3.3 其他結構細化設計

前述對電機和蝸輪蝸桿進行了選型和結構分析，接下來需要對實際零件的固定與組裝進行分析。手爪的結構模型如圖2所示。首先是電機與渦輪蝸桿的固定，可以使用聯(lián)軸器進行固定。考慮到整體尺寸大小及降低成本，可以通過結構設計將電機輸出軸直接與蝸桿連接。蝸桿兩端需要進行軸承的選型和安裝設計，其中軸承外圈固定在手爪外殼上，內圈同轉軸一起旋轉。固定渦輪的轉軸上連接手爪末端夾爪，其通過軸上定位零件帶動與蝸輪實現(xiàn)同步轉動。為了對手爪進行限位和定位，需要采用限位光電傳感器，并選用編碼器對電機的轉動進行精確控制和反饋。

圖2 旋轉手爪的結構模型

4 結論

通過對旋轉手爪的結構設計與分析，可得到以下結論：

（1）手爪需要實現(xiàn)單自由度的開合功能，選用旋轉形式的手爪具有容錯率高的特點，大大提高其工作穩(wěn)定性；

（2）蝸輪蝸桿能提供大扭矩，具備自鎖性，可實現(xiàn)兩側夾爪的運動同步性，并且所占空間較小，噪聲較??；

（3）由電壓、轉速、扭矩及空間尺寸等因素進行電機的選型，可通過編碼器實現(xiàn)對電機的準確控制；需采用限位傳感器實現(xiàn)手爪極限位置的標定；

（4）手爪結構設計時需考慮中心距、傳動比、安裝方式等多重因素，實現(xiàn)空間的合理布置和零部件的完整固定。