多功能仿生手爪設(shè)計

徐明宏 梁鴻途 任碧航 王世龍 李牛

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)制造業(yè)的飛速發(fā)展，軟體手爪逐漸成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的熱點研究對象，由于傳統(tǒng)機(jī)器人手爪與被抓對象之間一般存在剛性接觸，且市面上的軟體手抓也存在不同問題，如手爪姿態(tài)和張角不能調(diào)節(jié)、手爪自身機(jī)械強(qiáng)度不夠等。為實現(xiàn)對小型、易碎、不規(guī)則物體穩(wěn)定抓取的便捷，研究設(shè)計一種新式仿生軟體手爪，即多功能仿生手爪。該手爪采用新型結(jié)構(gòu)，運用仿生夾取技術(shù)，可對不同規(guī)格的物品進(jìn)行抓取，能有效提高工作效率，滿足不同的市場需求。

關(guān)鍵詞：軟體手爪;多功能;生產(chǎn)制造

1 引言

近年來，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械手的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，其使用也不再局限于普通的工業(yè)環(huán)境，但由于其末端執(zhí)行器存在體積大、靈活性差、通用性差等諸多問題，導(dǎo)致很多輕型產(chǎn)業(yè)無法適用。機(jī)械手爪與加持對象需進(jìn)行直接接觸，其性能好壞對機(jī)器人工作效率便有著至關(guān)重要的影響。隨著仿生技術(shù)以及材料技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對仿生軟體機(jī)械手爪的研究興趣與投入越來越深入。軟體機(jī)械手爪憑借結(jié)構(gòu)柔韌度高、自由度不同和連續(xù)變形能力等優(yōu)勢，得到了國內(nèi)外不同行業(yè)的廣泛關(guān)注。從應(yīng)用領(lǐng)域區(qū)分，軟體抓持裝置可用在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療和服務(wù)等領(lǐng)域; 從結(jié)構(gòu)形式上可分為多指抓握機(jī)械手、類章魚觸手的卷曲抓持裝置和基于負(fù)壓變形的薄膜抓持裝置; 從驅(qū)動方式分為流體驅(qū)動、繩索驅(qū)動和功能材料驅(qū)動[2]。機(jī)器人技術(shù)研究雖然只三十年的歷史，但卻顯示了旺盛的生命力。近年來，發(fā)達(dá)國家競相爭先，發(fā)展中國家急起直追，其根本原因正是在于機(jī)器人技術(shù)所具有的應(yīng)用價值和特殊的研究意義，以及人們對機(jī)器人技術(shù)的深刻認(rèn)識。應(yīng)該看到，目前廣泛應(yīng)用的機(jī)器人均采用傳統(tǒng)的機(jī)械傳動方式，其結(jié)構(gòu)愈來愈復(fù)雜、龐大，精度要求也愈來愈高，從而其成本也很高。因此，尋求新的、簡單而有效的機(jī)構(gòu)形式，已經(jīng)成為了國際化研究方向。

根據(jù)近年來國際機(jī)器人的發(fā)展情況，夾具的功能需求也越來越多樣化，為實現(xiàn)抓取的自由性和廣泛性，實現(xiàn)機(jī)器人技術(shù)在分揀、裝配上的進(jìn)一步加強(qiáng)，各國已經(jīng)相繼開發(fā)并研究了新式仿生軟體手爪，軟體手爪相對于傳統(tǒng)手爪具有更好的發(fā)展趨勢，但存在一些問題，例如機(jī)械強(qiáng)度低、負(fù)載量小、使用壽命短等問題。為進(jìn)一步加強(qiáng)、改善其存在的各種問題，項目設(shè)計提出了新式多功能仿生手爪，采用復(fù)合的結(jié)構(gòu)以加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)一步滿足產(chǎn)業(yè)體系及市場需求。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

多功能手爪的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

該夾具是一款具有適應(yīng)特征的多功能仿生手爪，為實現(xiàn)抓取各類物品配有不同規(guī)格的爪體，可實現(xiàn)一爪多用、減少成本的優(yōu)點，方便于抓取易碎、小型以及不規(guī)則物體，可大幅度提高夾取的穩(wěn)定性與安全性，使被抓物體不被機(jī)械損壞，同時降低操作危險性。

（1）該手爪采用鉗形結(jié)構(gòu)模擬鳥喙的夾取方式，類鉗形雙指可最大程度減少制造成本，鳥喙似的夾取方式可更好的傳導(dǎo)受力。爪體部分采用可旋轉(zhuǎn)的設(shè)計，使得指體與爪體連接在一起，爪體部分既可采用螺絲收緊（方便更換不同類型爪體）也可使用采用氣動旋轉(zhuǎn)接頭（更好的實現(xiàn)自動切換），指體部分裝于支座上與氣缸動作部位相連，支座內(nèi)部采用平行夾爪類型氣缸（或柱狀氣缸），動作原理模擬鳥喙抓取方式，并進(jìn)一步提高器具性能，增強(qiáng)其適應(yīng)能力。

（2）設(shè)計采用柔性材料構(gòu)成爪體部分，由于軟體材料在機(jī)械強(qiáng)度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)剛性材料，因此在指體部位使用剛性材料能更好的增加負(fù)載能力。軟體爪部分采用紋理手段加強(qiáng)與工件之間的摩擦，既可使夾爪與物品之間保持很好的柔性接觸，又能防止在使用過程中夾取的不規(guī)則形物體脫落。氣動部分可加入氣壓傳感器已達(dá)到調(diào)節(jié)氣壓的作用，接觸端通過壓力傳感器回復(fù)夾取信號，通過材料與氣壓緩沖等多重保險精準(zhǔn)抓取力度，預(yù)防損壞被夾物體。

（3）其中采用氣動收縮設(shè)計，使傳動更加便捷、結(jié)構(gòu)更加簡單，爪體可通過旋轉(zhuǎn)達(dá)成雙形抓取方式，爪體可進(jìn)行替換，增加適應(yīng)能力。軟體材料也可在不同的環(huán)境下采用不同的連接方式，可以滿足對各種類型的物品實施抓取，且進(jìn)一步提高手爪自由度，滿足夾取時的不同需求。

（4）設(shè)計可通過PLC控制，運用指令段控制氣缸開合進(jìn)行動作，搭配傳感器輸出信號加以模擬控制，編寫不同的程序可實現(xiàn)不同動作的多套夾取方式，例如模擬常用流水線裝配工作、汽車組裝等。人機(jī)結(jié)合的控制方式能進(jìn)一步提升自動化性能。

3 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

多功能仿生手爪通過模擬動物的行為和動作，能有效克服機(jī)械在協(xié)調(diào)、運動方面的種種

問題，使其動作更加流暢、標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，僅通過兩指形實現(xiàn)對物體的抓取，在降低成本的同時增強(qiáng)性能。傳動方式續(xù)用現(xiàn)階段熱門的氣動方式，傳動思路簡明清晰，相對電動機(jī)可減少占用空間和復(fù)雜程度，并留有一定的拓展性功能多變，可更換不同爪體，更替使用多種爪體可有效避免絕大多數(shù)問題，使之自由度大大提升，滿足“控制論”理論，奠定了手爪在使用上表現(xiàn)力及實用性，更好的模擬抓取過程。

3.1 外形結(jié)構(gòu)

在此，夾具以仿生鳥喙夾具為基礎(chǔ)，同時結(jié)合材料及使用需求設(shè)計或改造結(jié)構(gòu)特點，需

結(jié)合仿生以及機(jī)械構(gòu)造進(jìn)行分析。根據(jù)夾取對象的不同，尋找在動作和強(qiáng)度上的最優(yōu)路線。同時依據(jù)動作和功能需求的最優(yōu)值，將副抓手安裝至于最佳的位置，既不需要改變手爪傳統(tǒng)使用模式，又可以達(dá)到結(jié)構(gòu)簡單、動作流暢的優(yōu)勢。在傳動裝置空間占比和造價之間擇優(yōu)選擇，完善改進(jìn)其使用功能，使手爪真正的實現(xiàn)多功能易操作。

3.1機(jī)械組裝

由于近年來機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，也帶動了機(jī)械夾具的發(fā)展進(jìn)程。多功能仿生手爪在

基于普通夾具的基礎(chǔ)上增加功能爪手，以此來提高器具使用的多變性，因此需要合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計與組裝，若想達(dá)到通過改變末端動作和更換爪體的方式滿足功能需求，則一定要考慮夾裝位置、夾裝形式等多個條件。因此這里采用軸裝方式實現(xiàn)副手更換，最簡單直觀的方法是運用螺栓連接，并拓展附加氣動旋轉(zhuǎn)接頭的方式，使之可以實現(xiàn)自動90°旋轉(zhuǎn)的設(shè)計，但在裝配上需合理安排空間。

考慮到機(jī)械連接以及傳動方式，在此將使用solidworks進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)建模，繪制組裝流程圖紙，并模擬夾取時的運動方式?？紤]到夾取時的受力問題，組裝過程中需要考慮材料機(jī)械強(qiáng)度以及如何緩沖夾取沖擊，因此考慮使用壓力傳感器及雙重緩沖的應(yīng)對方式，對組裝要求更加嚴(yán)格，夾取的精準(zhǔn)度與力度合理取舍，組裝方式可根據(jù)氣缸類型的不同分為兩種，如上圖所示。

3.2 傳動過程

在機(jī)械傳動中，考慮到多功能仿生夾具的夾取方式及便捷度，在此采用以氣壓傳動為主的傳動方式，滿足需求的同時大大提高通用性，需要用到氣泵、調(diào)壓閥、電磁閥等多種元件，在使用過程中通過連接氣路、改變氣壓實現(xiàn)開合信號傳遞，也可通過把控氣路的安裝調(diào)試以及壓力的最佳范圍來保證夾取力度，同時拓展研究一氣雙動的使用方式，力求于使爪體可通過單個氣缸實現(xiàn)動作，不僅能使夾具的操作更加簡易，還能進(jìn)一步控制實現(xiàn)精準(zhǔn)夾取。

4 系統(tǒng)控制方式

由于手爪常應(yīng)用于生產(chǎn)制造業(yè)，因此控制方式需盡可能簡化，不僅適用于廣大客戶，同時也便于后期維修。

這里，多功能仿生手爪優(yōu)先可進(jìn)行手動調(diào)試，通過對氣路的連通實現(xiàn)動作過程，人為更換抓手。還可通過嵌入式或PLC實現(xiàn)程序控制，在實現(xiàn)自動控制時需合理使用電磁閥，控制氣動部件合理進(jìn)行動作，根據(jù)不同場合對手爪的動作方式不斷改善，并合理使用傳感器達(dá)到報警功能，同時解決對異常情況下報警的修復(fù)工作。通過改變PLC程序達(dá)到不同的控制方式，智能化選擇夾裝路線，實現(xiàn)自動型控制。

5 結(jié)論

機(jī)械手爪現(xiàn)階段在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，同時發(fā)展也很迅速。目前不僅可用于自動取放不同產(chǎn)品、加工中心、不同機(jī)床的上下料、運輸流水線行業(yè)對各類物品進(jìn)行分揀，以及進(jìn)行點焊、噴漆等作業(yè)，它不僅可以人為手動進(jìn)行運作，還可按照事先給定的程序來完成規(guī)定的操作。機(jī)械手爪的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手，使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，相應(yīng)的變更[5]。但此類機(jī)械手技術(shù)尚未成熟切不易于用于生產(chǎn)制造行業(yè)，機(jī)械手爪市場前景的開闊不僅僅為工業(yè)的制造生產(chǎn)帶來現(xiàn)代化的技術(shù)，且隨之而來的現(xiàn)代化管理模式也將大大改變企業(yè)的生機(jī)和活力。下一步將融合智能制造，拓展更多控制方式，升級轉(zhuǎn)型，使其在應(yīng)用領(lǐng)域能大展風(fēng)采。

參考文獻(xiàn)

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基金項目：天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“多功能仿生手爪”（項目號：202110066087）