吸盤(pán)機(jī)械手的仿生控制

[ 作者簡(jiǎn)介 ]

劉嚴(yán)，男，江蘇南通人，江蘇大學(xué)機(jī)械學(xué)院，本科在讀，研究方向：仿生機(jī)械。

[ 項(xiàng)目名稱(chēng) ]

江蘇大學(xué)科研立項(xiàng)。課題：吸盤(pán)機(jī)械手的仿生控制。項(xiàng)目編號(hào)（20AA0064）。

[ 摘要 ]

吸盤(pán)機(jī)械手是利用大氣壓力將柔性材料制造的吸盤(pán)緊貼在工件上，達(dá)到搬運(yùn)工件的目的。本文主要從吸盤(pán)機(jī)械手的仿生控制現(xiàn)狀、設(shè)計(jì)思路以及應(yīng)用前景幾方面分析，希望為我國(guó)吸盤(pán)機(jī)械手的仿生控制提供理論依據(jù)。

[ 關(guān)鍵詞 ]

吸盤(pán)機(jī)械手;仿生控制;應(yīng)用前景

吸盤(pán)機(jī)械手的仿生控制可以運(yùn)用到多個(gè)領(lǐng)域。我們通過(guò)仿生鷹在捕獲獵物時(shí)鷹爪的動(dòng)作，讓吸盤(pán)機(jī)械手可以做出抓取的動(dòng)作，可以輕松抓取中小型物體。另外，因?yàn)檎婵瘴P(pán)的作用，吸盤(pán)機(jī)械手可以牢牢地抓住許多光滑的東西，例如玻璃、陶瓷、包裝貼紙、文件等等，且由于吸力的作用，吸盤(pán)機(jī)械手會(huì)比其他機(jī)械手抓得更加牢固穩(wěn)定。

1 吸盤(pán)機(jī)械手的仿生控制現(xiàn)狀

目前，國(guó)際上的工業(yè)機(jī)器人公司主要分為：日系、歐系。以一些歐洲國(guó)家和日本為代表的工業(yè)強(qiáng)國(guó)，其國(guó)內(nèi)工業(yè)界將技術(shù)水平已經(jīng)十分成熟的機(jī)器人產(chǎn)品作為一種標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)設(shè)備在工廠中廣泛應(yīng)用，依靠強(qiáng)大的科技實(shí)力，使國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)的自動(dòng)化水平有了極大的提高。同時(shí)，在這些國(guó)家和地區(qū)中，涉及機(jī)器人研究、生產(chǎn)的企業(yè)已經(jīng)成為所在地的主要支柱產(chǎn)業(yè)。這些老牌的工業(yè)強(qiáng)國(guó)在工業(yè)機(jī)器人方面都具有很強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力，產(chǎn)品均帶有自己的特點(diǎn)，在世界機(jī)器人領(lǐng)域都占有一席之地。總體來(lái)看，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)起步較晚，加之過(guò)去國(guó)情所限，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展緩慢，研究及應(yīng)用水平比較低。隨著20世紀(jì)80年代的國(guó)家“七五”科技攻關(guān)計(jì)劃和20世紀(jì)90年代實(shí)施的863計(jì)劃，將工業(yè)機(jī)器人列入發(fā)展計(jì)劃，并逐步形成了如中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京機(jī)械自動(dòng)化研究所等一批專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)，展開(kāi)了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)了7種工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品，102種特種機(jī)器人，實(shí)施了100余項(xiàng)機(jī)器人應(yīng)用工程。寶雞新科機(jī)械制造有限公司于2008年研制出RMD70型碼垛機(jī)器人，是專(zhuān)門(mén)用于包裝行業(yè)自主設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。該機(jī)器人具有很大的負(fù)載能力，可達(dá)450 kg，工作效率可達(dá)每小時(shí)700次。與之前的產(chǎn)品相比，其主要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是其在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了適用于承受重載的行星減速器，在控制系統(tǒng)方面配套了德國(guó)先進(jìn)的控制元器件。如今機(jī)器人吸盤(pán)夾具構(gòu)造簡(jiǎn)易，零配件普及化，檢修與生產(chǎn)制造極其便捷?？墒且?yàn)楫a(chǎn)生器是由空氣壓縮的正壓力變換為負(fù)壓力，轉(zhuǎn)化率低，耗能是全部真空泵源中比較大的一種，產(chǎn)生器受構(gòu)造危害，在應(yīng)用中因?yàn)槊芊饽z條緣故吸進(jìn)切削油造成負(fù)壓力左右起伏大，在重切生產(chǎn)加工時(shí)非常容易導(dǎo)致零件擼管狀況。在目前機(jī)器人吸盤(pán)夾具中的仿生技術(shù)真空吸盤(pán)剛開(kāi)始普及與受到高度重視，根據(jù)模擬動(dòng)物真空吸盤(pán)的姿勢(shì)基本原理生產(chǎn)制造，擁有顛覆性創(chuàng)新的改進(jìn)，從吸附零件和釋放出來(lái)零件時(shí)各應(yīng)用一次氣動(dòng)閥門(mén)，生產(chǎn)過(guò)程中不用氣動(dòng)閥門(mén)的適用，保證真空泵0損害率，自動(dòng)檢索零件不用密封膠條密封，水沖生產(chǎn)加工時(shí)不容易對(duì)盤(pán)造成危害。這針對(duì)生產(chǎn)加工的便捷性顯而易見(jiàn)，不用圍密封膠條，不用氣動(dòng)閥門(mén)適用，隨時(shí)都可以應(yīng)用。在當(dāng)今生產(chǎn)生活水平不斷發(fā)展、自動(dòng)化技術(shù)不斷普及、科技不斷創(chuàng)新的環(huán)境下，機(jī)械手的應(yīng)用必將進(jìn)一步得到拓寬。隨著應(yīng)該范圍的不斷拓寬，其技術(shù)、結(jié)構(gòu)等方面也將更加優(yōu)化?？梢灶A(yù)測(cè)，未來(lái)機(jī)械手將有著以下幾方面的發(fā)展與改進(jìn)：機(jī)械手外形結(jié)構(gòu)與人手更加相似，手指的運(yùn)動(dòng)更加靈活;機(jī)械手的控制系統(tǒng)在未來(lái)將會(huì)集成化，甚至?xí)苯影惭b在手掌內(nèi);手掌會(huì)設(shè)計(jì)得更加靈活;控制系統(tǒng)將會(huì)更加智能;機(jī)械手能完成的動(dòng)作將會(huì)越來(lái)越豐富，直到達(dá)到與人手幾乎相同的程度。

2 吸盤(pán)機(jī)械手的設(shè)計(jì)思路

吸盤(pán)機(jī)械手受到了鷹在捕獲獵物時(shí)鷹爪的動(dòng)作以及章魚(yú)腕足的啟發(fā)，所以我們決定對(duì)機(jī)械手展開(kāi)研究。受到了仿生學(xué)的啟發(fā)，我們決定通過(guò)仿生鷹爪和章魚(yú)腕足設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手，并且在機(jī)械手的指尖部位安裝上吸盤(pán)。通過(guò)仿生鷹爪，我們決定設(shè)計(jì)均勻分布的四爪機(jī)械手。四爪機(jī)械手相較于其他機(jī)械手而言，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且擁有不俗的抓握能力，適合抓握各種物體。同時(shí)考慮到機(jī)械手所抓取的物體并不是微小物體，所以機(jī)械手在精度的要求上并不是那么高，這樣我們決定設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)易的機(jī)械手。受到章魚(yú)腕足的啟發(fā)，在設(shè)計(jì)機(jī)械手的同時(shí)，我們決定在機(jī)械手的指尖位置安裝吸盤(pán)，以此來(lái)彌補(bǔ)四爪機(jī)械手不能抓握光滑物體的缺陷。在設(shè)計(jì)吸盤(pán)時(shí)，采取對(duì)照比較法，比較不同吸盤(pán)的材質(zhì)和吸力大小，以及與機(jī)械手連接處的牢固程度，逐步考慮完成后，最終決定吸盤(pán)的材質(zhì)。決定吸盤(pán)的材質(zhì)后，根據(jù)實(shí)際所需要抓取的物體大小、所需要的吸力大小以及機(jī)械手的設(shè)計(jì)情況來(lái)設(shè)計(jì)吸盤(pán)的大小。最后，考慮到實(shí)際吸盤(pán)與機(jī)械手的連接，選擇較為合適的材質(zhì)以及連接方式。

2.1 吸盤(pán)簡(jiǎn)圖

如圖1所示，用螺栓和螺母將吸盤(pán)與機(jī)械手進(jìn)行連接，工作時(shí)利用大氣壓力將物體吸附起來(lái)。在需要更換時(shí)，螺栓和螺母的組合讓吸盤(pán)易于更換。

2.2 鷹爪的仿生

如圖2所示，在設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)，我們受到了鷹在捕捉獵物時(shí)鷹爪動(dòng)作的啟發(fā)，決定設(shè)計(jì)四爪機(jī)械手，四爪機(jī)械手相比較于其他機(jī)械手而言，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且擁有不俗的抓握能力。

2.3 機(jī)械手簡(jiǎn)圖

圖3所示為抓取一般物體時(shí)吸盤(pán)機(jī)械手簡(jiǎn)圖，圖4所示為吸盤(pán)機(jī)械手設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。當(dāng)機(jī)械手需要抓取吸附光滑物體時(shí)，機(jī)械手會(huì)平鋪開(kāi)，勻速下降，在接觸物體表面時(shí)，機(jī)械手的吸盤(pán)發(fā)揮作用，將物體吸附起來(lái)，從而達(dá)到抓取物體的目的。在需要放下物體時(shí)，確定平穩(wěn)后，機(jī)械手將指尖彎曲一定程度，緩慢脫離物體。隨后返回原位置。在抓取一般物體時(shí)，例如快遞包裹等，我們可以讓機(jī)械手的手掌靠近物體，隨后，讓機(jī)械手的手指像鷹爪一樣抓緊物體，隨后抬起機(jī)械手，達(dá)到搬運(yùn)抓取物體的目的。

2.4 PLC控制

在運(yùn)輸物體時(shí)，需要用到PLC控制系統(tǒng)，讓機(jī)械手在水平面內(nèi)移動(dòng)，在到達(dá)指定位置時(shí)，機(jī)械手勻速下降，讓物體可以平穩(wěn)地落在指定位置，從而達(dá)到運(yùn)輸物體的作用。

3 吸盤(pán)機(jī)械手的仿生控制應(yīng)用前景

3.1 緩解物流運(yùn)輸壓力

當(dāng)前的物流運(yùn)輸依然以人工運(yùn)輸為主，并且為了使經(jīng)濟(jì)效益最大化提高了工作效率，快遞員的分揀運(yùn)輸較為暴力，因此會(huì)出現(xiàn)許多快遞被損壞的情況，使商家和顧客的利益受到損失。而這一款機(jī)械手的研發(fā)恰恰可以緩解這一部分情況，在一定程度上可以安全穩(wěn)定地轉(zhuǎn)運(yùn)快遞，并且可以節(jié)省人力物力財(cái)力。另外這一機(jī)械手可以用于材料、物品的運(yùn)輸。在工作時(shí)，吸盤(pán)機(jī)械手不僅可以抓取不規(guī)則物體，還可以抓取表面光滑的物體。憑借其指尖的吸盤(pán)，機(jī)械手可以輕松地吸附起光滑的物品，而這一類(lèi)物品一般都有易碎這一特點(diǎn)，但機(jī)械手憑借其穩(wěn)定牢固的吸附性能，可以穩(wěn)定地將物品放置在指定位置，從而大大減少人力、物力、財(cái)力的損失。同樣的，在抓取一般物體時(shí)，機(jī)械手的吸盤(pán)增大了接觸面積，會(huì)使抓取更加牢固、緊密。

3.2 提升位置定位精度

有些領(lǐng)域需要機(jī)械手實(shí)現(xiàn)物品的精準(zhǔn)抓取，定點(diǎn)精準(zhǔn)碼放，如食品、醫(yī)療、電子行業(yè)。這些行業(yè)對(duì)清潔度要求較高，吸盤(pán)式機(jī)械手被廣泛應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，多采用多自由度機(jī)械臂。機(jī)械臂的自由度、結(jié)構(gòu)也多種多樣。如食品行業(yè)分揀，或者Festo的并聯(lián)機(jī)器人，這類(lèi)機(jī)器人機(jī)械臂較為復(fù)雜，可實(shí)現(xiàn)多自由運(yùn)動(dòng)，控制精準(zhǔn)，定位準(zhǔn)確，技術(shù)含量較高，利潤(rùn)也相對(duì)可觀。

3.3 提取物品范圍廣泛

吸盤(pán)式機(jī)械手其執(zhí)行機(jī)構(gòu)為真空吸盤(pán)，可抓取物品范圍廣泛。真空吸盤(pán)吸力大，干凈衛(wèi)生，受到一些對(duì)清潔度有要求的行業(yè)的青睞。機(jī)械臂可佩戴多種形式和結(jié)構(gòu)?？梢允菬o(wú)控制的人驅(qū)柔性臂，也可以是低自由度的串聯(lián)機(jī)械手，也可以是高自由度的并聯(lián)機(jī)械手，匹配比較靈活。該類(lèi)機(jī)械手在機(jī)械手市場(chǎng)中占比非常大，多用于取放件操作比較多、人不好操作或者條件不允許的情況下用機(jī)械手臂代替人。

4 結(jié)論

不管是現(xiàn)在還是未來(lái)，機(jī)械手的應(yīng)用都可以大幅度減少人力、物力、財(cái)力，從而提高經(jīng)濟(jì)效益，減輕工作負(fù)擔(dān)，讓客戶(hù)和商家都更加省心。并且吸盤(pán)的易于更換，可以讓機(jī)械手適用于不同的工作情況。四爪機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，沿圓周對(duì)稱(chēng)分布，可以吸附，可以環(huán)握，可以對(duì)握的同時(shí)用指尖吸盤(pán)，不僅彌補(bǔ)了四爪機(jī)械手難以抓握光滑物體的缺陷，還加強(qiáng)了機(jī)械手本身抓握一般物體的能力，擁有良好的市場(chǎng)前景和使用價(jià)值。

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