一種防碰撞產品氣動手爪設計

□□ 王 慧

(山西職業技術學院，山西 太原 030006)

引言

隨著社會步入以智能化、信息化為特點的工業4.0時代，各種自動化因素正注入工業生產的各個領域，其作為企業的核心競爭力，不僅能夠提高生產效率，更體現在人機智能方面，能夠代替生產中簡單的、反復的、高危性的操作。而機器人的出現更好地詮釋了智能化的優勢。

傳統機器人多為復雜剛性結構，需要機械設計、計算機編程及傳感器設置等多個學科的技術交叉融合[1]，具有較高的系統剛度，可以實現精準定位和準確抓取，同時，不可避免地暴露出結構笨重、安全生產系數低、人工維護要求高、精密化生產適應性差等缺點。近年來，由柔軟的彈性材料制備的具備連續變形和較強的適應能力的軟體機器人，表現出產品的高度安全性和接觸能力精準控制的環境適應性特點，這類機器人目前在工業行業被廣泛推廣。最為典型的末端夾持器，又稱“機械手爪”，是機器人應用領域發展的重要分支，按照其自身剛度，分為柔性手爪與剛性手爪[2]。針對現代生產線上產品的獨立性要求，柔性手爪逐漸取代剛性手爪，以滿足一些自動化生產線的需求。

柔性手爪絕大多數使用的是硅膠材料，其具有良好的柔軟性與廣泛的環境適應性。由于硅膠的柔性特點確保了與夾持物體接觸時的可靠性，能夠很好地解決剛性手爪抓取易損物件的問題，使其充分發揮“剛柔并濟”的特點，這也成為柔性手爪廣泛應用的關鍵性因素。

1 方案分析

某企業生產線自動化上下料時主要采用氣缸配合金屬夾片夾取，這種方式屬于剛性夾取類型，手爪頭部采取金屬夾片配合頭部包膠，自動化手爪夾取放氣缸為剛性取放，在產品批量生產過程中，易造成產品表面碰劃傷、變形及開裂等缺陷。經生產統計，某機種日生產量為60 000片，由于手爪抓取導致的產品報廢不良數高達160片，不良率為0.27%，單日損失1.9萬余元，每月損失約50萬元。此類剛性手爪夾取方式已不再適合批量生產，迫切需要設計一套實現產品適應性的末端機械臂。

結合該企業產品質量輕、體積小、表面要求高的特點，依據機器人機械手爪結構及其在批量生產中的應用，擬通過以下步驟對其進行設計：整體設計方案的提出→柔性機械手爪設計思路分析→柔性機械手爪的初步設計→校驗分析設計結構→合理調整柔性機械手爪結構→完成符合生產要求的柔性機械手爪設計。

柔性機械手爪的整個動作流程為：首先由機械手臂帶動柔性手爪前進至抓取物體處，到達抓取位置后，通過向柔性手爪內部通入氣體，調整柔性手爪的局部膨脹與彎曲變形量，隨著氣壓的不斷增大，柔性手爪末端會逐步接觸到抓取物體表面，并產生一定的摩擦力，完成對物體的抓取動作。如果被抓取物體質量過大，導致柔性手爪無法將物體抓起，則要在完成夾持、接觸動作之后，向柔性手爪變剛度層進行抽真空動作，以便提高柔性手爪的剛度，使整個柔性手爪的抓取力提升。

2 設計過程

該企業具有成熟的生產經驗，通過現有成型設備的改造，自行研制混膠系統，創新的結構設計，實現變形抓取，具備柔性取放典型特點的軟膠手爪開發及自制，如圖1所示。

圖1 手爪示意圖

2.1 柔性爪初版設計

該手爪擬采用注射成型工藝生產。首先，本著脫模方便的設計理念，設計出柔性手爪如圖2所示。手爪主體呈梯形結構，內部為中空結構，為了提高手爪剛度，內部增加加強肋，投產試運行，氣壓使得手爪變形度僅有5°，不符合工藝設計要求的30°，柔性手指角度出現不可控現象，手爪強度低，無法實現理想抓取。

圖2 柔性爪初版設計圖

2.2 柔性爪改進版設計

經現場技術人員和模具調試人員反復試驗，在柔性手爪兩個凸塊中增加加強肋，可提高剛度和變形度；改變以往內部中空結構，加設筋條，提高凸塊活動角度，如圖3所示。經試驗，改進后設計出的手爪可實現有效零件抓取，經過生產過程中充氣狀態測量，該手爪變形角度提升到15°，距離設計目標有明顯改進，證明設計思路的可行性，同時經試驗柔性爪的工作壓力可達到0.02 MPa。下一步設計的重點是通過增加壁厚和加強肋等手段，提高手爪的強度和抓取力。

圖3 柔性爪改進設計圖

2.3 柔性爪定版結構

手爪主要從角度、強度、變形度、力度等方面改善入手，具體改善方案如下：

(1)變形度。通過手爪表面設計氣囊-加強肋-氣囊結構，如圖4所示。設計目標得到不同的伸長率，可以實現不同位置的變形不同，實現固定角度的變形度。

圖4 柔性爪定版設計圖

(2)變形角度。為了實現良好的變形角度，特別進行設計方案調整：一是柔性爪寬度方向，氣囊A1>加強肋A；二是柔性爪高度方向，氣囊B1>加強肋B2，如圖5和圖6所示。通過此次設計方案調整，試驗結果顯示不同強度與不同伸長率變形角度可>30°，同時有效抓取外形及位置為10 mm，滿足設計要求。

圖5 不同設計版變形角度趨勢圖

圖6 柔性爪定版設計局部圖

(3)手爪使用強度。為了有效達到柔性手爪強度要求，特進行調整：一是頂點部位尺寸，氣囊高于加強肋；二是改變以往塑件壁厚一致性要求，通過結構改變不同壁厚，實現氣囊小于加強肋的壁厚。通過上述調整，實現了整體柔性爪壁厚最大，伸長率最小，壁厚的調整，減少氣囊的無用變形，提高了柔性爪工作壓力，達到0.06 MPa。

(4)手爪抓取力度。增加牛角的加強結構，變形力沿中心向外延伸，間隙最小，抓取力度最大可抓取0.5 kg的產品，如圖7所示。

圖7 柔性手爪設計力度趨勢圖

2.4 模具改善

以上從結構角度對柔性手爪的生產進行改善，試驗結果證明改善明顯。氣動軟體夾持器主要通過內部氣體壓強的變化或環境條件變化來產生驅動力[5]。目前柔性手爪為中空結構，主要材料為硅橡膠，采用分體制造，粘接缺陷明顯，擬采用整體成型。試驗考慮量化生產，柔性爪從模具改善角度入手，提出采用分體式型芯入子，組合為整體型芯參與成型，成型后，又可化整為零，將入子分次去除，確保多氣囊連通結構。經一段時間的投入生產使用，該柔性手爪投入使用，效益明顯。手爪生產應用如圖8所示。結合產品價值，其投入生產效益見表1。

圖8 手爪生產應用

表1 手爪投入生產效益對比

3 結語

通過采用氣囊-加強肋-氣囊結構設計，同時采用不同的壁厚和角度設計改善，實現了使用壽命長，能有效抓取0.5 kg的產品，手爪變形度高，投資回報率高等特點。量化生產后，通過改變柔性手爪連接固定位置，可實現滿足不同尺度規格產品的抓取任務，改變簡單手臂的抓取任務為推動任務。此外，手爪的設計經驗可廣泛推廣到其他具有易碎和異性食品的夾取、推動任務領域中，充分體現了該設計的通用性和應用廣泛性。