換刀機器人手爪的設計與仿真

顧寄南，師二產，胡典傳

（江蘇大學 制造業信息化研究中心，鎮江 212013）

換刀機器人手爪的設計與仿真

顧寄南，師二產，胡典傳

（江蘇大學 制造業信息化研究中心，鎮江 212013）

0 引言

隨著工業生產逐步向自動化、智能化方向不斷發展，工業機器人在制造業領域的需求也在不斷增加。廣泛采用工業機器人，不僅可提高產品的質量與產量，而且對保障人身安全，改善勞動環境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節約原材料消耗以及降低生產成本，有著十分重要的意義。機器人手爪作為機器人關鍵零部件之一，它是機器人與環境相互作用的最后環節和執行部件，其性能的優劣在很大程度上決定了整個機器人的工作性能。因此，對機器人手爪的設計與研究具有很重要的意義。

本文設計了一種用于數控機床換刀的機器人手爪，采用結構簡單、動作靈活、手指張開角度大的滑槽導桿機構，并且采用價格低廉、結構簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強的氣動控制方式，同時對整個機構進行了三維設計與仿真分析。

1 手爪設計

1.1 結構設計

如圖1左邊所示為要抓取的對象，被抓取刀柄和刀具總重量為8kg，刀柄規格為日本標準BIGBT40刀柄樣本。根據要求，所設計的機器人手爪應當抓取穩定可靠，并且結構簡單、尺寸較小、重量較輕。此外，手爪作為機器人的末端構件，其重量、尺寸等對整個機器人的性能都有很大的影響。為了滿足設計的要求，設計的手爪爪齒齒面與刀柄的錐形槽接觸，實現對刀柄及刀具的抓取。為此，將手爪齒面設計成與刀柄錐形匹配的錐面。刀柄最大錐面直徑為 63mm，最小直徑為 53mm，為了能夠便于夾緊，手爪爪齒錐面的最小直徑應大于 53mm，這里取為 54mm，手爪爪齒如圖1右邊所示。

圖1 手爪與刀柄的接觸圖

根據設計要求，為了保證所設計的手爪結構簡單、尺寸較小，采用結構緊湊的滑槽導桿機構。滑槽導桿機構，具有結構簡單、動作靈活、手指張開角度大等特點。同時，為了實現手爪對抓取對象的穩定抓取，提高其可靠性，在抓取刀柄時，手爪爪齒的錐形面與刀柄的錐形面匹配接觸，如圖1所示。

換刀機器人手爪的結構如圖2所示，驅動氣缸活塞桿末端通過銷軸與爪齒末端的滑槽連接，驅動爪齒繞著支架上的轉軸轉動，組成一滑槽導桿機構，把氣缸的直線運動轉化成爪齒繞轉軸的轉動，實現手爪對被抓取對象的抓取。同時，手爪上的錐面通過與刀柄中間錐（V）形槽結構相匹配從而實現對刀具的抓取。錐（V）形槽結構對機器人手爪的抓刀有引導的作用，并在抓刀過程中起到自動定位的作用，因而提高了整個抓刀動作的可靠性與穩定性。

1.支架 2.圓柱銷 3.銷軸 4.爪齒一 5.爪齒二 6.圓柱銷7.活塞桿 8.氣缸 9.連接法蘭

1.2 夾緊力的計算

手爪驅動氣缸選用QGX系列小型氣缸，缸徑 20mm，活塞桿直徑 8mm，其工作壓力 為0.15～0.8 ，建立如圖3所示的手爪力學模型。

圖3 手爪的力學模型

2 仿真分析

文中采用美國MDI公司（Mechanical Dynamics inc.）開發的ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件對手爪進行仿真分析。由于ADAMS軟件本身的造型能力比較弱，因此，首先在Pro/E中建立好三維模型，然后導入ADAMS中。本文采用中間通用數據接口來實現兩者之間的數據傳輸，首先將在Pro/E中建立好三維模型保存成 Parasolid(*.x_t)格式,然后導入ADAMS中，對其進行屬性編輯，施加約束及驅動，進行仿真。

在ADAMS中設置仿真時間End time為4S,仿真步數Steps為100，啟動仿真過程。并測量手爪爪齒的轉動角度，如圖4所示。

圖4 爪齒轉角、角速度與角加速度

從圖4中可以看出，采用滑槽導桿機構，手爪爪齒的轉動角度比較大，使得整個機構的尺寸較小，能夠滿足設計的要求。

3 結論

本文根據被抓取對象的表面特征設計了一種能夠穩定抓取工作對象，可靠性高的專用手爪，能夠滿足設計要求，并且具有以下特點：

1）采用了滑槽導桿機構，使得整個手爪結構簡單、動作靈活、手指張開角度大，縮小了手爪尺寸，減輕了重量。

2）采用了價格低廉、結構簡單、無污染及抗干擾性強的氣動控制方式，該方式具有響應速度快，動作迅速、維護簡單等優點。

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Design and simulation of robot hand for automatic tool changer

GU Ji-nan, SHI Er-chan, HU Dian-chuan

機器人手爪作為機器人關鍵零部件之一，它是機器人與環境相互作用的最后環節和執行部件，其性能的優劣在很大程度上決定了整個機器人的工作性能。因此，對機器人手爪的設計與研究具有很重要的意義。本文根據被抓取的對象設計了一種結構簡單、動作靈活、抓取穩定、可靠性好的專用手爪，采用滑槽導桿機構及氣動控制方式，并對整個機構進行了仿真。

機器人手爪；設計；仿真

顧寄南（1964 -），男，教授，博士生導師，研究方向為虛擬機械設計與虛擬裝配、基于網絡的設計與制造、制造業信息化。

TP242

A

1009-0134(2011)4(上)-0109-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).34

2010-10-28