操作機(jī)器人機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用

孔令超　赫彩

摘? ?要：隨著人工智能的普及，工業(yè)上機(jī)器人大規(guī)模應(yīng)用越來越廣泛，機(jī)器人的使用場(chǎng)景也越來越多。在機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究之中，機(jī)械手爪是一個(gè)重要的部件，文章主要介紹了一種典型的機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)方案，該方案主要運(yùn)用絲杠和電機(jī)組合進(jìn)行運(yùn)行的平動(dòng)方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)手爪所屬的兩個(gè)夾鉗靈活進(jìn)行關(guān)閉和打開。該設(shè)計(jì)方案優(yōu)勢(shì)十分明顯，在工業(yè)生產(chǎn)中效率很高，而且不容易出現(xiàn)故障。整體結(jié)構(gòu)非常巧妙靈活，在使用時(shí)方便、可靠，能夠勝任大部分機(jī)器人的工作場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人設(shè)計(jì);機(jī)械手爪;自動(dòng)化;二指爪

在整個(gè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，機(jī)器人手爪是一個(gè)關(guān)鍵的部件。機(jī)器人的手爪相當(dāng)于人手的作用，是用來執(zhí)行握持工件或者產(chǎn)品的重要零件之一。不僅是能夠主動(dòng)感知工作信號(hào)的儀器和執(zhí)行機(jī)械，還是一個(gè)具有高度集成的智能化和感知元器件的機(jī)械構(gòu)件，這樣一個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和研究涉及自動(dòng)化控制、傳感器設(shè)置、計(jì)算機(jī)程序、機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)、微電子學(xué)和工程材料等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)。

1? ? 設(shè)計(jì)思路和整體解決方案

機(jī)器人手爪雖然是一個(gè)小部件，但在整個(gè)機(jī)器人的工作和運(yùn)行中卻起到非常關(guān)鍵的作用。機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)的合理與否直接關(guān)系著機(jī)器人的工作和運(yùn)行效率。而且機(jī)器人的手爪在設(shè)計(jì)上需要運(yùn)用到許多個(gè)學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，這也給機(jī)器人手爪的設(shè)計(jì)和研究帶來了很多困難。一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)良好的機(jī)器人手爪的標(biāo)志是能在工作中可靠抓取以及能否適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景的需要，且操控簡(jiǎn)單、便捷，能抵抗外部環(huán)境的騷擾，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品和物件的精準(zhǔn)抓取。機(jī)器人手爪的運(yùn)動(dòng)模式有兩種，分別是平動(dòng)和張角兩種，所以機(jī)器人二指手爪分為這兩種，本文主要介紹和研究的是二指平動(dòng)機(jī)械手爪。需要設(shè)計(jì)一種抓取精準(zhǔn)，能夠快速釋放物件和產(chǎn)品的機(jī)械手爪來滿足機(jī)器人的日常運(yùn)轉(zhuǎn)。

在整個(gè)機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，機(jī)器人手爪的抓取和釋放等動(dòng)作是整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵，需要設(shè)計(jì)出經(jīng)過優(yōu)化的方案來維持機(jī)器人的工作運(yùn)轉(zhuǎn)。在符合理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還要依據(jù)具體的運(yùn)用場(chǎng)景來進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。在分析整個(gè)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之后，設(shè)計(jì)這樣的手部結(jié)構(gòu)要注意以下因素：（1）要有適當(dāng)?shù)膴A緊力，在保證精準(zhǔn)抓取的同時(shí)又要確保物件不受到力量的沖擊而損壞。（2）兩個(gè)手指之間要有充足的移動(dòng)空間，最少要確保兩個(gè)手指之間張開時(shí)要有物件最大的直徑這么大。（3）根據(jù)實(shí)際的需要有一定程度的強(qiáng)度和剛度。（4）能夠靈活適應(yīng)不同的尺寸大小，抓取物件有一定的靈活性，在工作中能夠自動(dòng)對(duì)心。（5）結(jié)構(gòu)安排合理且緊湊，能節(jié)省空間。

經(jīng)過機(jī)器人手爪的分析和實(shí)際中的運(yùn)用，可以運(yùn)用該設(shè)計(jì)流程進(jìn)行完善的研究和設(shè)計(jì)：整體方案的提出，手爪設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，進(jìn)行校驗(yàn)分析，調(diào)整尺寸大小，最終得到符合實(shí)際需要尺寸的合理手爪。這樣設(shè)計(jì)出來的手爪運(yùn)用夾持的方式，整個(gè)手爪的二指經(jīng)過雙旋和絲杠進(jìn)行完整的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，絲杠和輪軸的中心在整個(gè)平面之內(nèi)。抓取物體的時(shí)候只需要在單個(gè)手肘上做平動(dòng)，在手指鉗和絲杠螺母及雙導(dǎo)軌的綜合作用下轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)，最終實(shí)現(xiàn)兩個(gè)手指的開關(guān)和閉合，這樣就完成了一個(gè)抓取物品的完整過程。

2? ? 機(jī)器人手爪的參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

設(shè)計(jì)的機(jī)器人手爪有一個(gè)靈活的平動(dòng)自由度，能夠抓取的產(chǎn)品可以是小件的、規(guī)則的、圓柱形的產(chǎn)品或者物件，比如玻璃瓶和注射器等。根據(jù)實(shí)際工作中機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的功能和生產(chǎn)場(chǎng)景，計(jì)算得出整個(gè)機(jī)械手爪的抓取直徑范圍大約是10～25 mm。機(jī)械手爪在實(shí)際工作中的抓取范圍是手指的長(zhǎng)度，這就是機(jī)器人工作能夠控制的空間大小。如果手指過長(zhǎng)也會(huì)帶來強(qiáng)度的減弱和損失。在抓取的長(zhǎng)度為70 mm時(shí)，整個(gè)物品的總質(zhì)量為2.225 kg。

這樣設(shè)計(jì)的機(jī)器人工作的空間是一個(gè)二維的平面，而不是三維立體空間。因此不管產(chǎn)品擺放在哪個(gè)位置，機(jī)械手爪抓取的產(chǎn)品都應(yīng)該準(zhǔn)確無誤地抓取到這個(gè)平面范圍內(nèi)。機(jī)械手指在抓取物品的時(shí)候，需要將鉗口設(shè)計(jì)為12°，在抓取產(chǎn)品的過程中會(huì)形成一個(gè)大概的曲線和軌跡。

3? ? 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)流程軌跡分析

在機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中可以形成基本的結(jié)構(gòu)模型圖，電動(dòng)動(dòng)力由齒輪傳遞產(chǎn)生，齒輪通過鍵連帶動(dòng)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲杠和夾鉗上的螺母進(jìn)行精準(zhǔn)配合，共同傳遞動(dòng)力。機(jī)械手爪在完整抓取整個(gè)產(chǎn)品的過程中就像人的手一樣兩指在固定的范圍內(nèi)進(jìn)行配合抓取，一張一合，實(shí)現(xiàn)抓取過程的完成，還可以配合其他過程完成整個(gè)抓取流程。機(jī)械手爪的工作流程圖是物品達(dá)到目標(biāo)工作地點(diǎn)，檢測(cè)物品的直徑范圍，傳遞到機(jī)械手，機(jī)械手兩指展開適合的范圍，機(jī)械手前進(jìn)和閉合，機(jī)械手后退回到原位。這樣就完成了一個(gè)產(chǎn)品的抓取和釋放過程，完成了整個(gè)工作和作業(yè)流程。如果沒有完成則進(jìn)行重復(fù)抓取，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化。

4? ? 結(jié)語

綜合上文對(duì)機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作過程的研究和分析，可以設(shè)計(jì)出符合工作要求的機(jī)械手爪，其具備的特點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單完整、抓取物品可靠以及手指的鉗口較靈活，還可以增加抓取的整個(gè)適應(yīng)能力，讓被作業(yè)的不同直徑和大小的物品能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)對(duì)心，穩(wěn)定、可靠地抓取產(chǎn)品，抓取過程精準(zhǔn)和簡(jiǎn)潔。這些都是這種機(jī)械手爪設(shè)計(jì)研究中最突出的優(yōu)勢(shì)，能夠很好地滿足工業(yè)化的實(shí)際需求。在設(shè)計(jì)中，絲杠傳動(dòng)還有自動(dòng)上鎖的作用，受到驅(qū)動(dòng)力的打擊或者震動(dòng)時(shí)可以有效防止松開和脫落，讓整個(gè)結(jié)構(gòu)變得可靠和緊實(shí)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但很緊湊，整體質(zhì)量很輕，能夠有效減小和機(jī)器直接摩擦產(chǎn)生的動(dòng)力和負(fù)載。整體工作效率良好，兩個(gè)導(dǎo)軌和直線上的軸承能夠保證工作中抓取產(chǎn)品的精準(zhǔn)度，還可以提高傳動(dòng)效率。這種設(shè)計(jì)不僅理論上可行，在實(shí)際的工作中也具有良好的效果。

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