操作機器人機械手爪的設計研究及應用

孔令超　赫彩

摘? ?要：隨著人工智能的普及，工業上機器人大規模應用越來越廣泛，機器人的使用場景也越來越多。在機器人的設計研究之中，機械手爪是一個重要的部件，文章主要介紹了一種典型的機械手爪的設計方案，該方案主要運用絲杠和電機組合進行運行的平動方法，其能夠實現手爪所屬的兩個夾鉗靈活進行關閉和打開。該設計方案優勢十分明顯，在工業生產中效率很高，而且不容易出現故障。整體結構非常巧妙靈活，在使用時方便、可靠，能夠勝任大部分機器人的工作場景。

關鍵詞：機器人設計;機械手爪;自動化;二指爪

在整個機器人的設計和生產中，機器人手爪是一個關鍵的部件。機器人的手爪相當于人手的作用，是用來執行握持工件或者產品的重要零件之一。不僅是能夠主動感知工作信號的儀器和執行機械，還是一個具有高度集成的智能化和感知元器件的機械構件，這樣一個構件的設計和研究涉及自動化控制、傳感器設置、計算機程序、機械結構學、微電子學和工程材料等多個學科的知識和技術。

1? ? 設計思路和整體解決方案

機器人手爪雖然是一個小部件，但在整個機器人的工作和運行中卻起到非常關鍵的作用。機器人手爪設計的合理與否直接關系著機器人的工作和運行效率。而且機器人的手爪在設計上需要運用到許多個學科的知識和技術，這也給機器人手爪的設計和研究帶來了很多困難。一個運轉良好的機器人手爪的標志是能在工作中可靠抓取以及能否適應工業生產場景的需要，且操控簡單、便捷，能抵抗外部環境的騷擾，可以實現對產品和物件的精準抓取。機器人手爪的運動模式有兩種，分別是平動和張角兩種，所以機器人二指手爪分為這兩種，本文主要介紹和研究的是二指平動機械手爪。需要設計一種抓取精準，能夠快速釋放物件和產品的機械手爪來滿足機器人的日常運轉。

在整個機器人運轉系統中，機器人手爪的抓取和釋放等動作是整個運轉系統的關鍵，需要設計出經過優化的方案來維持機器人的工作運轉。在符合理論設計的基礎上，還要依據具體的運用場景來進行改進和優化。在分析整個機器人的系統結構之后，設計這樣的手部結構要注意以下因素：（1）要有適當的夾緊力，在保證精準抓取的同時又要確保物件不受到力量的沖擊而損壞。（2）兩個手指之間要有充足的移動空間，最少要確保兩個手指之間張開時要有物件最大的直徑這么大。（3）根據實際的需要有一定程度的強度和剛度。（4）能夠靈活適應不同的尺寸大小，抓取物件有一定的靈活性，在工作中能夠自動對心。（5）結構安排合理且緊湊，能節省空間。

經過機器人手爪的分析和實際中的運用，可以運用該設計流程進行完善的研究和設計：整體方案的提出，手爪設計思路，進行初步設計，進行校驗分析，調整尺寸大小，最終得到符合實際需要尺寸的合理手爪。這樣設計出來的手爪運用夾持的方式，整個手爪的二指經過雙旋和絲杠進行完整的驅動運行，絲杠和輪軸的中心在整個平面之內。抓取物體的時候只需要在單個手肘上做平動，在手指鉗和絲杠螺母及雙導軌的綜合作用下轉動變為平動，最終實現兩個手指的開關和閉合，這樣就完成了一個抓取物品的完整過程。

2? ? 機器人手爪的參數和結構設計分析

設計的機器人手爪有一個靈活的平動自由度，能夠抓取的產品可以是小件的、規則的、圓柱形的產品或者物件，比如玻璃瓶和注射器等。根據實際工作中機器人要實現的功能和生產場景，計算得出整個機械手爪的抓取直徑范圍大約是10～25 mm。機械手爪在實際工作中的抓取范圍是手指的長度，這就是機器人工作能夠控制的空間大小。如果手指過長也會帶來強度的減弱和損失。在抓取的長度為70 mm時，整個物品的總質量為2.225 kg。

這樣設計的機器人工作的空間是一個二維的平面，而不是三維立體空間。因此不管產品擺放在哪個位置，機械手爪抓取的產品都應該準確無誤地抓取到這個平面范圍內。機械手指在抓取物品的時候，需要將鉗口設計為12°，在抓取產品的過程中會形成一個大概的曲線和軌跡。

3? ? 結構模型設計和運動流程軌跡分析

在機械手結構設計的過程中可以形成基本的結構模型圖，電動動力由齒輪傳遞產生，齒輪通過鍵連帶動做旋轉運動，絲杠和夾鉗上的螺母進行精準配合，共同傳遞動力。機械手爪在完整抓取整個產品的過程中就像人的手一樣兩指在固定的范圍內進行配合抓取，一張一合，實現抓取過程的完成，還可以配合其他過程完成整個抓取流程。機械手爪的工作流程圖是物品達到目標工作地點，檢測物品的直徑范圍，傳遞到機械手，機械手兩指展開適合的范圍，機械手前進和閉合，機械手后退回到原位。這樣就完成了一個產品的抓取和釋放過程，完成了整個工作和作業流程。如果沒有完成則進行重復抓取，實現生產線的自動化。

4? ? 結語

綜合上文對機械手爪結構設計和工作過程的研究和分析，可以設計出符合工作要求的機械手爪，其具備的特點包括結構簡單完整、抓取物品可靠以及手指的鉗口較靈活，還可以增加抓取的整個適應能力，讓被作業的不同直徑和大小的物品能夠實現自動對心，穩定、可靠地抓取產品，抓取過程精準和簡潔。這些都是這種機械手爪設計研究中最突出的優勢，能夠很好地滿足工業化的實際需求。在設計中，絲杠傳動還有自動上鎖的作用，受到驅動力的打擊或者震動時可以有效防止松開和脫落，讓整個結構變得可靠和緊實。結構簡單但很緊湊，整體質量很輕，能夠有效減小和機器直接摩擦產生的動力和負載。整體工作效率良好，兩個導軌和直線上的軸承能夠保證工作中抓取產品的精準度，還可以提高傳動效率。這種設計不僅理論上可行，在實際的工作中也具有良好的效果。

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