操作機器人機械手爪的設計研究及應用

趙海奇

（上海賽連信息科技有限公司西安分公司，陜西 西安 710000）

1 操作機器人機械手爪設計思路

1.1 機械手爪概述

由于涉及的工藝和設備較為復雜，操作機器人機械手爪設計具有一定難度，目前主要以機械手爪能否滿足工業生產要求、操作是否順暢和簡單、能否適應外部環境變化等因素來判定其設計及應用質量是否合格[1]。為了確保操作機器人運行質量、效率、安全程度、穩定程度，設計人員需要做好機械手爪設計工作，保證設計工藝和方案的科學性和合理性，通過機械手爪完成工件抓取及釋放作業。此外，機械手爪設計需要考慮操作機器人整體結構、生產作業環境及工作任務，從而設計出符合操作機器人運行情況的機械手爪。

1.2 機械手爪設計功能

操作機器人機械手爪夾緊力設計需要保持適中，確保能夠順利抓取和釋放工件，但是不會對工件造成破壞；機械手爪手指之間的移動空間設計需要保持適中，確保手指張開的距離能夠大于或者等于抓取和釋放工件的最大直徑；設計時必須保證機械手爪的強度和剛度，確保在抓取和釋放工件的過程中不會由于工件及外界力量沖擊而出現工件破損等問題；設計時應確保機械手爪的靈活度，能結合抓取和釋放工件的直徑自主調節張開程度，并實現自動對心[2]；機械手爪結構設計需要合理，確保應用性能及功能的同時，盡量縮小結構空間。

1.3 模塊化設計原理

模塊化設計最早被應用在家具設計中，后被廣泛應用于機床等工業生產設計中，具體指的是劃分產品功能及性能，基于劃分結果設計能夠滿足各個功能及性能的模塊，隨后將模塊合理組合配置起來，形成最終產品。操作機器人機械手爪屬于機械產品，由多個具備特定功能及性能的零部件和子系統構成，不同零部件和子系統的功能及性能不同，組合在一起便能夠形成具備多功能及性能的產品。由于機械手爪各個子系統之間是相互協調、相互關聯的，所以可以按照模塊化設計方式，將機械手爪劃分不同模塊[3]。

2 操作機器人機械手爪設計流程

2.1 抓取單元模塊設計

抓取單元模塊為工件抓取和釋放的執行結構，設計質量直接關系到了整體操作機器人機械手爪應用功能及性能。考慮到大部分工業生產工件抓取及釋放作業需求，選擇電磁吸盤作為機械手爪操作設施，但是如果工件為金屬材質，電磁吸盤處于通電狀態時會產生對工件的吸附作用，增加了夾具與工件的分離難度[4]。

為了避免上述問題，本次選擇同時應用電磁吸盤、真空氣吸盤，因為真空氣吸盤的吸附作用只針對接觸面，即只會產生對工件的吸附作用，對于夾具不會產生吸附作用，也就不會出現夾具與工件分離困難問題。但是電磁吸盤、真空氣吸盤結合結構設計具有一定難度，需要設計人員結合抓取和釋放工件直徑確定電磁吸盤、真空氣吸盤具體型號、外徑、吸附力、內徑、供電方式等參數。考慮到操作機器人機械手爪對于外界環境的檢測和反饋需求，需要在抓取單元模塊設計增加接近傳感器，通過傳感器檢測外界環境信息和工件位置信息。當抓取單元模塊不需要進行工件抓取和釋放作業時，處于低電平狀態；當需要進行工件抓取和釋放作業時，處于高電平狀態。

總體來講，筆者設計的操作機器人機械手爪抓取單元模塊由接近傳感器、電磁吸盤、真空氣吸盤、安裝底板四部分構成。電磁吸盤為中間具備通孔的環形結構，通過螺釘與安裝底板相連，如圖1所示。真空氣吸盤安裝在電磁吸盤通孔位置處，應用同軸安裝方式、螺釘與安裝底板相連；吸嘴安裝在電磁吸盤電磁鐵中心中空位置處，吸嘴最低安裝位置需要低于電磁吸盤下表面2 mm，吸嘴應用的是彈簧結構，能夠在工件抓取和釋放作業中保持與工件的緊密貼合，從而確保真空氣吸盤應用效果。接近傳感器安裝在電磁吸盤周圍，通過螺釘與安裝底板相連。接近傳感器普遍應用集成電路接近開關，具體分為常開型開關和常閉型開關兩種，常開型開關會在確定工件到達指定地點后出現信號輸出，否則信號便處于斷開狀態；常閉型會在確定工件到達指定地點后關閉信號輸出，否則信號便處于打開狀態。設計人員結合工件抓取和釋放要求選擇集成電路接近開關類型，并且確定具體型號、檢測距離等參數。

圖1 抓取單元模塊結構圖

2.2 手爪框架模塊設計

手爪框架模塊是操作機器人機械手爪的關鍵結構，需要結合工業生產需求、抓取和釋放工件類型確定抓取方式，一般應用兩點抓取方式，即設計兩個手爪框架模塊以及相匹配的機械安裝接口、機械手臂接口、電氣接口，兩個手爪框架模塊接口之間的距離需要視抓取點距離而定[5]。

2.3 姿態微調模塊設計

在常規工件抓取和釋放作業中，經常會出現工件不在一個平面上的情況，即存在一定角度差，但是普遍不會過大，一般在10°左右[6]。基于上述情況，如果操作機器人機械手爪抓取單元模塊與手爪框架模塊應用的是剛性連接方式，表示在工件抓取和釋放過程中，至少有一個手爪框架模塊與工件所處平面會存在角度差，導致手爪框架模塊不能實現與工件的完全貼合。這便會對電磁吸盤應用性能造成影響，因為相比較普通吸盤，電磁吸盤的磁力較大，對于抓取和釋放工件貼合度的要求較高，如果無法實現完全貼合，便會降低吸附作用。為了避免上述問題，本次選擇增加姿態微調模塊，從而調整手爪框架模塊與抓取和釋放工件貼合度。

首先考慮在姿態微調模塊設計中應用萬向節，具體包括法蘭式萬向節（應用法蘭連接方式）、軸式萬向節（應用軸向連接方式）兩種。法蘭式萬向節具備良好的角度調整功能，但是規格較大，現階段規格最小法蘭式萬向節的直徑為80 mm，這可能超過了電磁吸盤外徑，所以存在無法應用的可能性，因此不予應用。軸式萬向節角度調整功能同樣較為良好，兩個萬向節交叉的極限角度可以達到90°，但是大部分工件抓取和釋放作業要求操作機器人機械手爪保持較為穩定的姿態。即在機械手爪抓取單元模塊、機械手爪框架模塊與工件接觸之后，萬向節需要在力的作用下轉動到特定角度，并且保持這一角度不變。現階段軸式萬向節十字軸與節叉應用的是間隙配合結構，即十字軸與節叉連接且轉動較為靈活，難以保持特定角度不變，可見軸式萬向節無法準確完成工件抓取和釋放作業要求，因此不予應用。

其次考慮在姿態微調模塊設計中應用球頭關節軸承，具體包括自潤滑單桿型球頭關節軸承、直桿型球頭關節軸承兩種[7]。自潤滑單桿型球頭關節軸承最大轉動角度為25°，直桿型球頭關節軸承最大轉動角度為15°，并且可以在轉動過程中產生阻尼，均能夠滿足手爪框架模塊與抓取和釋放工件貼合度調整要求。但是在實際操作機器人機械手爪設計過程中，很難設計出可以滿足球頭關節軸承轉動需求的抓取單元模塊與手爪框架模塊，也無法實現球頭關節軸承與手爪框架模塊的有效連接，因此均不予應用。

最后考慮在姿態微調模塊設計中應用向心關節軸承，向心關節軸承承受軸向載荷、徑向載荷的能力相對較高，最大轉動角度為12°，能夠滿足大部分手爪框架模塊與抓取和釋放工件貼合度調整要求。并且向心關節軸承可以在轉動過程中產生阻尼，還可以通過覆蓋阻尼脂的方式來增加阻尼，從而提高工件抓取和釋放的穩定程度。

總體來講，筆者設計的操作機器人機械手爪姿態微調模塊設計應用了向心關節軸承，設計人員結合工件抓取和釋放要求確定向心關節軸承具體型號、內徑、最大轉動角度等參數，并且內徑越大向心關節軸承的轉動角度越小。向心關節軸承外圈套在軸承套中，通過軸承套與手爪框架模塊連接，向心關節軸承內圈通過螺母與抓取單元模塊連接，向心關節軸承內圈和外圈之間通過相對轉動方式來被動調整轉動角度。

2.4 抓取反饋模塊設計

抓取反饋模塊由實時信號處理模塊、接近傳感器兩部分構成，具體來講，在工件抓取和釋放過程中，操作機器人機械手爪能夠通過接近傳感器檢測與工件之間的距離，判斷工件是否到達指定地點，當確定之后，便會自動發出高電平信號，通知抓取單元模塊調整為高電平狀態；隨后信號處理模塊能夠自動將電磁鐵和電磁閥調整為通電狀態，從而為機械手爪完成工件抓取和釋放作業提供足夠的動力，最終完成工件抓取和釋放作業。

抓取反饋模塊能夠實現對操作機器人機械手爪運行流程、工件抓取和釋放作業流程的全過程監督監控，并且判斷一應操作是否能夠順利完成，比如工件在抓取和釋放過程中是否出現意外掉落情況、工件是否被成功抓取和釋放、工件是否能夠被正常擺放等。一旦出現上述意外情況，抓取反饋模塊能夠自行判斷意外情況類型及發生原因，并且控制操作機器人機械手爪重新展開工件抓取和釋放作業，或者是直接發出警報，由操作人員檢查并解決具體故障[8]。

2.5 真空模塊設計

由于筆者設計的操作機器人機械手爪抓取單元模塊應用了真空氣吸盤，為了真空氣吸盤實現正常運行及應用，便需要設計專門的真空模塊，在真空模塊下，真空氣吸盤才能夠通過生產加工現場氣壓動力源獲得足夠的運行及應用能力[9]。

該操作機器人機械手爪真空模塊由電磁閥、真空發生器、氣泵三部分構成。真空發生器由噴嘴、擴張管兩部分構成，與氣泵相連，當氣泵中的壓縮空氣在供氣口位置處形成高速噴射氣流時，便會在排氣口形成射流，從而導致卷吸流動現象；此時，排氣口周圍的空氣會以較為迅速的速度被抽吸掉，真空發生器內腔壓力會下降，從而產生壓力差，真空發生器便會以較為迅速的速度將真空氣吸盤內部的空氣抽吸掉，從而為真空氣吸盤完成工件吸附作業提供足夠的動力，最終完成工件吸附作業。

3 操作機器人機械手爪應用流程

筆者設計的操作機器人機械手爪應用流程如下：判斷工件是否到達指定地點（是）、檢測工件直徑、根據工件直徑調整機械手爪張開程度、控制機械手爪前進、控制機械手爪閉合、控制機械手爪后退、控制機械手爪回到初始位置；判斷工件是否到達指定地點（否）、控制機械手爪回到初始位置。通過上述流程，操作機器人機械手爪便能夠完成工件抓取和釋放作業[10]。

4 結束語

綜上所述，筆者在詳細分析機械手爪設計功能及模塊化設計原理的基礎上，按照抓取單元模塊、手爪框架模塊、姿態微調模塊、抓取反饋模塊、真空模塊等作業流程，設計了一種操作機器人機械手爪，實現了對機器人機械手爪的高質量高效率應用。仿真結果表明，筆者設計的機械手爪結構完整且簡明，能夠準確抓取不同直徑的工件且較為穩定，手指鉗口靈活度較高，整體質量較輕，比較適合應用在操作機器人設計及研究中。