可替換式單關節機器人柔性手部的研究

張立軍，趙永瑞，相恒富

(中國石油大學(華東)機電工程學院，山東青島266580)

機器人由于延伸和擴大了人的手足和大腦的功能，因此可以代替人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環境下的工作。工業機器人結構中最重要的執行機構是手部［1－3］。手部，也叫末端執行器，是裝在機器人手腕上直接抓握工件或執行作業的部件，由手指、傳動機構、驅動裝置和支架組成，如圖1所示。然而現有的搬運或碼垛類機器人手部存在結構較為單一、材料利用率不高及適用范圍較小等問題，很難采用一套主結構實現對不同形狀和不同尺寸工件的可靠夾持。為此，作者提出將機器人手部設計成可替換形式，并將機器人結構中手指和連桿之間做成燕尾槽接口連接。該機構不但能節約材料，節省更換時間，增加效率，而且制造也容易。

圖1 夾鉗式機器人手部的構成

1 機器人手部的組成及工作原理

該可替換式單關節機器人柔性手部主要由液壓缸、固定支架、連桿、(可替換式)手指等組成。圖2 是柔性手部的結構示意圖，圖3 是柔性手部及其手指的三維示意圖。

圖2 柔性手部的結構示意圖

在圖2 中，以夾持圓柱形物體的機械手為例。該機械手設計是采用兩個手指，手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實現的。當安裝在固定支架上的液壓缸驅動活塞桿向上運動時，活塞桿拉動圓柱銷和連桿使手指閉合，從而夾緊工件;當液壓缸驅動使活塞桿向下運動時，活塞桿拉動圓柱銷和連桿使手指張開，從而松弛工件。機器人手指的更換主要通過連接處的燕尾槽連接，因此在設計手指時只需為其設計相應的燕尾槽接口即可方便更換手指，以滿足對不同形狀工件的夾持要求，節省更換時間，增加工作效率。同時可根據不同工件的形狀要求，及時設計并制作出相應的手指進行更換，以滿足高效生產要求。

圖3 柔性手部及及其手指的三維示意圖

圖3 中，通過改變機器人手指的形狀來滿足不同工件的夾持要求，主要設計了3 種夾持方案:第一種是球體夾持手指，所采用的是手指2，可以完成生產過程中對球體類工件的夾持任務;第二種是立方體夾持手指，所采用的是手指3，以完成對立方體類工件的夾持任務;第三種是圓柱體夾持手指，所采用的是手指1，用來完成對圓柱體類工件的夾持任務。

該機構采用液壓缸驅動，只要通過控制液壓缸活塞桿的行程，即可根據不同形狀工件的夾緊力需求設置合適的活塞桿行程，進而控制夾持裝置的開合狀態，以提供不同的夾緊力來滿足對工件的夾持要求。

2 機器人手部夾緊力的計算

假定機器人手部最大抓取質量為50 kg，其夾角為φ 為45°。根據工作位置和工作環境的需要，結構狀態如圖4所示，a=150 mm，b=153 mm。

圖4 機器人手部相關尺寸圖

手部夾持裝置采用碳鋼制造，其摩擦因數取μ =0.16，重力加速度g =9.8 N/kg，夾緊時由力學關系可以得到公式:2F×μ=mg，進而得到夾緊力

根據夾緊力及驅動力計算結果，選擇驅動裝置的驅動力為3 123.75 N。

3 機器人手部中連桿的應力分析

機器人手部結構中連桿是比較重要的部件，它一方面傳遞夾緊力，另一方面還起著支撐與平衡某些零部件的作用，因此對設計后的連桿進行應力分析是十分必要的。采用SolidWorks 軟件建立連桿組件(包含相應的連接件)的三維模型，并對連桿組件進行有限元數值分析，得到的結果如圖5所示。

圖5 連桿應力分析圖

由圖5 可知:在現有連桿尺寸下，連桿的強度符合設計要求。

4 結論

(1)機器人手部結構中手指與連桿之間采用燕尾槽連接方式，連桿上燕尾槽的尺寸是固定的，不同形狀與尺寸的手指時只需具有相匹配的燕尾槽接口就能方便更換，以滿足對不同工件的夾持要求。

(2)主要設計了3 種夾持方案:第一種是球體夾持手指，可以滿足生產過程中對球體類工件的夾持任務的要求;第二種是立方體夾持手指，以完成對立方體類工件的夾持任務;第三種是圓柱體類夾持手指，用來完成對圓柱體類工件的夾持任務。

(3)經驗證:在現有連桿尺寸下，連桿的強度符合設計要求。

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