吸盤機械手的仿生控制

[ 作者簡介 ]

劉嚴，男，江蘇南通人，江蘇大學機械學院，本科在讀，研究方向：仿生機械。

[ 項目名稱 ]

江蘇大學科研立項。課題：吸盤機械手的仿生控制。項目編號（20AA0064）。

[ 摘要 ]

吸盤機械手是利用大氣壓力將柔性材料制造的吸盤緊貼在工件上，達到搬運工件的目的。本文主要從吸盤機械手的仿生控制現狀、設計思路以及應用前景幾方面分析，希望為我國吸盤機械手的仿生控制提供理論依據。

[ 關鍵詞 ]

吸盤機械手;仿生控制;應用前景

吸盤機械手的仿生控制可以運用到多個領域。我們通過仿生鷹在捕獲獵物時鷹爪的動作，讓吸盤機械手可以做出抓取的動作，可以輕松抓取中小型物體。另外，因為真空吸盤的作用，吸盤機械手可以牢牢地抓住許多光滑的東西，例如玻璃、陶瓷、包裝貼紙、文件等等，且由于吸力的作用，吸盤機械手會比其他機械手抓得更加牢固穩定。

1 吸盤機械手的仿生控制現狀

目前，國際上的工業機器人公司主要分為：日系、歐系。以一些歐洲國家和日本為代表的工業強國，其國內工業界將技術水平已經十分成熟的機器人產品作為一種標準的工業設備在工廠中廣泛應用，依靠強大的科技實力，使國內裝備制造業的自動化水平有了極大的提高。同時，在這些國家和地區中，涉及機器人研究、生產的企業已經成為所在地的主要支柱產業。這些老牌的工業強國在工業機器人方面都具有很強的技術實力，產品均帶有自己的特點，在世界機器人領域都占有一席之地?？傮w來看，我國工業機器人技術起步較晚，加之過去國情所限，我國工業機器人發展緩慢，研究及應用水平比較低。隨著20世紀80年代的國家“七五”科技攻關計劃和20世紀90年代實施的863計劃，將工業機器人列入發展計劃，并逐步形成了如中國科學院沈陽自動化研究所、哈爾濱工業大學、上海交通大學、北京機械自動化研究所等一批專業機構，展開了機器人基礎理論與基礎元器件研究，現已開發了7種工業機器人系列產品，102種特種機器人，實施了100余項機器人應用工程。寶雞新科機械制造有限公司于2008年研制出RMD70型碼垛機器人，是專門用于包裝行業自主設計的產品。該機器人具有很大的負載能力，可達450 kg，工作效率可達每小時700次。與之前的產品相比，其主要的設計特點是其在機械結構設計上采用了適用于承受重載的行星減速器，在控制系統方面配套了德國先進的控制元器件。如今機器人吸盤夾具構造簡易，零配件普及化，檢修與生產制造極其便捷?？墒且驗楫a生器是由空氣壓縮的正壓力變換為負壓力，轉化率低，耗能是全部真空泵源中比較大的一種，產生器受構造危害，在應用中因為密封膠條緣故吸進切削油造成負壓力左右起伏大，在重切生產加工時非常容易導致零件擼管狀況。在目前機器人吸盤夾具中的仿生技術真空吸盤剛開始普及與受到高度重視，根據模擬動物真空吸盤的姿勢基本原理生產制造，擁有顛覆性創新的改進，從吸附零件和釋放出來零件時各應用一次氣動閥門，生產過程中不用氣動閥門的適用，保證真空泵0損害率，自動檢索零件不用密封膠條密封，水沖生產加工時不容易對盤造成危害。這針對生產加工的便捷性顯而易見，不用圍密封膠條，不用氣動閥門適用，隨時都可以應用。在當今生產生活水平不斷發展、自動化技術不斷普及、科技不斷創新的環境下，機械手的應用必將進一步得到拓寬。隨著應該范圍的不斷拓寬，其技術、結構等方面也將更加優化?？梢灶A測，未來機械手將有著以下幾方面的發展與改進：機械手外形結構與人手更加相似，手指的運動更加靈活;機械手的控制系統在未來將會集成化，甚至會直接安裝在手掌內;手掌會設計得更加靈活;控制系統將會更加智能;機械手能完成的動作將會越來越豐富，直到達到與人手幾乎相同的程度。

2 吸盤機械手的設計思路

吸盤機械手受到了鷹在捕獲獵物時鷹爪的動作以及章魚腕足的啟發，所以我們決定對機械手展開研究。受到了仿生學的啟發，我們決定通過仿生鷹爪和章魚腕足設計一個機械手，并且在機械手的指尖部位安裝上吸盤。通過仿生鷹爪，我們決定設計均勻分布的四爪機械手。四爪機械手相較于其他機械手而言，結構簡單且擁有不俗的抓握能力，適合抓握各種物體。同時考慮到機械手所抓取的物體并不是微小物體，所以機械手在精度的要求上并不是那么高，這樣我們決定設計較為簡易的機械手。受到章魚腕足的啟發，在設計機械手的同時，我們決定在機械手的指尖位置安裝吸盤，以此來彌補四爪機械手不能抓握光滑物體的缺陷。在設計吸盤時，采取對照比較法，比較不同吸盤的材質和吸力大小，以及與機械手連接處的牢固程度，逐步考慮完成后，最終決定吸盤的材質。決定吸盤的材質后，根據實際所需要抓取的物體大小、所需要的吸力大小以及機械手的設計情況來設計吸盤的大小。最后，考慮到實際吸盤與機械手的連接，選擇較為合適的材質以及連接方式。

2.1 吸盤簡圖

如圖1所示，用螺栓和螺母將吸盤與機械手進行連接，工作時利用大氣壓力將物體吸附起來。在需要更換時，螺栓和螺母的組合讓吸盤易于更換。

2.2 鷹爪的仿生

如圖2所示，在設計機械手時，我們受到了鷹在捕捉獵物時鷹爪動作的啟發，決定設計四爪機械手，四爪機械手相比較于其他機械手而言，結構簡單且擁有不俗的抓握能力。

2.3 機械手簡圖

圖3所示為抓取一般物體時吸盤機械手簡圖，圖4所示為吸盤機械手設計簡圖。當機械手需要抓取吸附光滑物體時，機械手會平鋪開，勻速下降，在接觸物體表面時，機械手的吸盤發揮作用，將物體吸附起來，從而達到抓取物體的目的。在需要放下物體時，確定平穩后，機械手將指尖彎曲一定程度，緩慢脫離物體。隨后返回原位置。在抓取一般物體時，例如快遞包裹等，我們可以讓機械手的手掌靠近物體，隨后，讓機械手的手指像鷹爪一樣抓緊物體，隨后抬起機械手，達到搬運抓取物體的目的。

2.4 PLC控制

在運輸物體時，需要用到PLC控制系統，讓機械手在水平面內移動，在到達指定位置時，機械手勻速下降，讓物體可以平穩地落在指定位置，從而達到運輸物體的作用。

3 吸盤機械手的仿生控制應用前景

3.1 緩解物流運輸壓力

當前的物流運輸依然以人工運輸為主，并且為了使經濟效益最大化提高了工作效率，快遞員的分揀運輸較為暴力，因此會出現許多快遞被損壞的情況，使商家和顧客的利益受到損失。而這一款機械手的研發恰恰可以緩解這一部分情況，在一定程度上可以安全穩定地轉運快遞，并且可以節省人力物力財力。另外這一機械手可以用于材料、物品的運輸。在工作時，吸盤機械手不僅可以抓取不規則物體，還可以抓取表面光滑的物體。憑借其指尖的吸盤，機械手可以輕松地吸附起光滑的物品，而這一類物品一般都有易碎這一特點，但機械手憑借其穩定牢固的吸附性能，可以穩定地將物品放置在指定位置，從而大大減少人力、物力、財力的損失。同樣的，在抓取一般物體時，機械手的吸盤增大了接觸面積，會使抓取更加牢固、緊密。

3.2 提升位置定位精度

有些領域需要機械手實現物品的精準抓取，定點精準碼放，如食品、醫療、電子行業。這些行業對清潔度要求較高，吸盤式機械手被廣泛應用。為實現精準定位，多采用多自由度機械臂。機械臂的自由度、結構也多種多樣。如食品行業分揀，或者Festo的并聯機器人，這類機器人機械臂較為復雜，可實現多自由運動，控制精準，定位準確，技術含量較高，利潤也相對可觀。

3.3 提取物品范圍廣泛

吸盤式機械手其執行機構為真空吸盤，可抓取物品范圍廣泛。真空吸盤吸力大，干凈衛生，受到一些對清潔度有要求的行業的青睞。機械臂可佩戴多種形式和結構?？梢允菬o控制的人驅柔性臂，也可以是低自由度的串聯機械手，也可以是高自由度的并聯機械手，匹配比較靈活。該類機械手在機械手市場中占比非常大，多用于取放件操作比較多、人不好操作或者條件不允許的情況下用機械手臂代替人。

4 結論

不管是現在還是未來，機械手的應用都可以大幅度減少人力、物力、財力，從而提高經濟效益，減輕工作負擔，讓客戶和商家都更加省心。并且吸盤的易于更換，可以讓機械手適用于不同的工作情況。四爪機械手的結構簡單，成本低，沿圓周對稱分布，可以吸附，可以環握，可以對握的同時用指尖吸盤，不僅彌補了四爪機械手難以抓握光滑物體的缺陷，還加強了機械手本身抓握一般物體的能力，擁有良好的市場前景和使用價值。

參考文獻

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