一種雙面凸輪直線平夾自適應手指裝置的結構設計

宋志鵬 張蝶 呂夢圓

摘 要：傳統的平夾自適應機器人手指裝置往往只具備平行夾持和自適應抓取的功能，這些機器手雖能在一定程度上實現自動適應被抓物體的形狀、尺寸，實現包絡、捏夾等抓取動作，但是當抓取平放的厚度較薄物體時，便會徹底喪失抓取能力。本文提出了一種雙面凸輪直線平夾自適應手指裝置，以克服現有裝置結構的不足之處。

關鍵詞：機器人手指；欠驅動；雙面凸輪；直線平夾

0引言

機器人技術是當今科技發展的重要技術之一，其末端執行裝置機器人手的結構、功能也在不斷發展和完善。其中指爪式末端執行器具備可完成任務多樣化的特征，既能對物體進行抓取，也能對目標進行裝配、維修等操作，近年來發展迅速。

工業上有關自適應抓取的研究雖有一定創新性，但均未對柔性抓取多種工件，即在不更換夾具類型下進行工件的一對多裝夾有拓展研究，即使有一定的柔性探索，這些機器手雖能在一定程度上實現自動適應被抓物體的形狀、尺寸，實現包絡、捏夾等抓取動作，如加拿大拉瓦爾大學研發出的Robotiq手。當抓取平放的厚度較薄物體時，便會徹底喪失抓取能力，還未達到完全的自適應。圖1為Robotiq手由于末端軌跡為弧線而無法抓取薄壁類零件的示意圖。

1直線平夾自適應功能

為克服現有技術的不足之處，本文提出了一種新型的直線平夾自適應欠驅動手。該裝置具有多種抓取模式，既能用平夾捏持方式夾持物體，也能在第一指段接觸物體后轉動第二指段去自適應包絡物體，對不同形狀、尺寸的物體具有自適應性；該裝置在平行夾持階段能夠達到第二指段末端沿直線精確運動，從而適應在工作臺面上平行夾持抓取不同尺寸的物體，而無需調整機器人手整體的位置，降低了成本；采用單個動力源驅動，無需復雜的傳感和實時控制系統。圖2 為雙面凸輪直線平夾自適應手指裝置結構圖。

2直線平夾功能原理

裝置實現平夾功能時，有兩條傳動路線。

首先分析實現直線平行夾持功能的傳動路線1，由外部動力源驅動輸入軸2，通過一對錐齒輪傳動4，一組配合有張緊裝置的帶傳動5，將動力輸出。在初始條件下，手指部分的五桿機構在彈簧6、限位突塊7的作用下，使得最左側的兩根桿“合二為一”，實際上作為一根桿存在，從而將五桿機構轉化為了一個平行四邊形四桿機構。在桿件的相互作用下，輸出2使得該四桿機構中的第一指段10圍繞近關節軸11順時針轉動。此時，第二指段8相對于遠關節軸9無相對運動，實現了平行夾持的功能。

接下來分析如何讓第二指段進一步實現直線平夾的功能。由外部動力源驅動輸入軸2，通過一對圓柱齒輪的嚙合，將轉動傳遞給雙面凸輪1。滾子 固定，當雙面凸輪1旋轉時依靠與 接觸的下表面使自身被托起，同時其上表面可移動的滾子 產生縱向的運動。滾子 線性驅動輸出運動，即手指部分的整體抬升運動。在抓取過程中，隨著雙面凸輪1的轉動，手指部分的高度在不斷變化，從而消除了第二指段8因第一指段10做定軸轉動所引起的高度變化量。以此來實現在平行夾持過程中，第二指段8末端維持直線軌跡。此結構可使雙面凸輪1輸出行程被放大，近似等于雙面凸輪1上下表面升高之和。雙面凸輪機構使行程加倍，同時使壓力角減小為一般凸輪的一半。避免了采用立式凸輪抬升方案，凸輪徑向尺寸過大造成的裝置整體結構龐大的問題。

在手指部分整體抬升過程中，為確保輸入的動力可以順利傳入手指部分，因而設置了帶有張緊裝置的帶傳動機構。在實際結構允許的條件下，推薦使張緊輪與傳動帶的外環接觸，以增大傳動輪的包角，使帶傳動穩定可靠。（圖2為使結構易于表達，將張緊輪設置在了傳動帶的外部）。

3自適應功能原理

當第一指段10接觸物體時，動力仍不斷輸入，通過傳動機構使輸出2繼續，第一連桿轉動，彈簧6發生變形，限位凸塊7不再接觸，第二連桿與第一連桿的夾角增加，此時第二連桿推動第二指段8繞遠關節軸9轉動，直到第二指段8接觸物體，抓取結束，該過程對不同形狀、尺寸物體有適應性，實現了自適應抓取效果。

4結束語

本文提出了一種雙面凸輪直線平夾自適應手指裝置，并對功能原理進行了較為詳盡的闡述。裝置整體構造簡單，摩擦損耗小，效率高，較容易制造安裝。具以下抓取模式，（1）該裝置可以直線平動第二指段，以平夾捏持方式夾持物體，對厚度較薄的物體有較強適應性；（2）該裝置能夠實現自適應握持物體，在第一指段接觸物體被阻擋后，第二指段自動繞遠關節軸轉動，直到接觸物體，達到自適應包絡握持物體的效果，對不同形狀、尺寸的物體具有自適應性。該裝置結構簡單，制造成本低，抓取范圍廣，僅采用單個動力源驅動，無需復雜的傳感和實時控制系統，適用于各種需要抓取不同物體的機器人。

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