吳天強(qiáng) 徐 兵

（臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 臺(tái)州318020）

0 引言

機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）是針對(duì)特定任務(wù)、特定被夾零件而設(shè)計(jì)的，手爪的通用性是裝配機(jī)器人柔性的重要體現(xiàn)［1］。常用的二指或三指型手爪，依照抓手手指的運(yùn)動(dòng)方式分類，有平動(dòng)和張角旋轉(zhuǎn)兩種。平動(dòng)方式的二指手爪，手指運(yùn)動(dòng)范圍較??；張角旋轉(zhuǎn)方式的手爪，手爪指尖在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不能保持在同一高度，夾持細(xì)小物體時(shí)，對(duì)手爪運(yùn)動(dòng)控制要求高。

三爪自動(dòng)定心卡盤采用圓錐齒輪副和平面螺紋副來(lái)實(shí)現(xiàn)增力夾緊，機(jī)床切削加工一般都是通過(guò)三爪、四爪卡盤夾持工件，其動(dòng)作也都半依靠手動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，不但費(fèi)時(shí)，且十分費(fèi)力［2］。

本文設(shè)計(jì)的三指形旋轉(zhuǎn)手爪，與張角旋轉(zhuǎn)方式手爪或三爪自動(dòng)定心卡盤相比較，降低了運(yùn)動(dòng)控制要求，提高了夾持動(dòng)作的靈活性，可以抓取放置在平面上或套在定位桿中的物體，對(duì)于規(guī)則幾何形狀的物體具有自定心作用。例如，能夾取多種型號(hào)的螺母，完成螺母預(yù)裝配等任務(wù)，適用于物體的抓取與搬運(yùn)。

1 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1是三指形旋轉(zhuǎn)手爪結(jié)構(gòu)圖［3］。手爪軸心是圓管2，細(xì)桿類等障礙物可以從圓管2中穿過(guò)。例如，將螺母旋進(jìn)一根細(xì)長(zhǎng)的螺絲，螺絲可以從空心管穿出。圓管2上開有槽孔，滑環(huán)1的電源線通過(guò)槽孔，與電機(jī)12連接。圓管2上裝有軸承3、大摩擦輪4及圓柱環(huán)8。上支撐板6與下支撐板10分別由4顆沿圓周均勻分布的沉頭螺釘7固定在圓柱環(huán)8上。電機(jī)12由3顆內(nèi)六角圓柱頭螺釘5及共用沉頭螺釘7固定在上支撐板6上。

圖1 三指形旋轉(zhuǎn)手爪結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)12為手爪手指夾緊與松開的動(dòng)力源，該電機(jī)采用蝸輪蝸桿減速直流電機(jī)，利用蝸輪蝸桿的自鎖特點(diǎn)及同步帶的張力，使手爪具有斷電夾持功能。同步帶9帶動(dòng)3個(gè)沿圓周對(duì)稱分布的同步輪17旋轉(zhuǎn)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)臂16，使指尖15運(yùn)動(dòng)保持一致，3個(gè)指尖始終在同一平面，同步張開或收攏，實(shí)現(xiàn)手爪指尖同步自轉(zhuǎn)。

電機(jī)21使用行星減速直流電機(jī)，直接驅(qū)動(dòng)小摩擦輪19，帶動(dòng)大摩擦輪4，使三指形手爪整體旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)3個(gè)手指繞軸公轉(zhuǎn)?；h(huán)1通過(guò)電刷與電源相連，為電機(jī)12供電。電刷結(jié)構(gòu)使三指形手爪整體旋轉(zhuǎn)圈數(shù)不受電源連線限制。摩擦輪用于限定傳動(dòng)力矩的上限，當(dāng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)卡死時(shí)，不使電機(jī)21堵轉(zhuǎn)發(fā)熱而損壞。

手爪固定板11是手爪整體與其他機(jī)械裝置相連接的固定部件。

2 力學(xué)特性分析

圖2是手爪抓取圓形物體時(shí)指尖受力平面投影后的示意圖。

圖2 手爪夾持圓形物體受力示意圖

圖中設(shè)手爪與被抓物均為剛體，并將受力投影到同一水平面。A、B、C三點(diǎn)為指尖自轉(zhuǎn)軸心，AD、BE、CF是旋轉(zhuǎn)臂的長(zhǎng)度，D、E、F為手爪指端與被抓物的夾持點(diǎn)，設(shè)各點(diǎn)的彈力分別為N1、N2與N3，AG為N1的力臂。夾緊電機(jī)輸出扭矩為M，被抓物重力為G。設(shè)為理想狀態(tài)，由對(duì)稱性，每個(gè)旋轉(zhuǎn)手指分配的扭矩為M／3，夾持點(diǎn)彈力N1＝N2＝N3，以A點(diǎn)為瞬心得：

式中，f為抓手手指與被抓物之間的靜摩擦力；μ為最大靜摩擦因數(shù)。

滿足式（4）時(shí)，手爪可以豎直夾持并提起被抓物體。

由以上分析可知，旋轉(zhuǎn)手爪有以下3個(gè)特點(diǎn)：（1）夾緊電機(jī)輸出扭矩保持一定時(shí)，力臂越小，可夾持提升物的重量越大；（2）手指AD張開與AO在同一直線時(shí)，力臂為0，抓手處于自鎖狀態(tài)；（3）爪手指尖收回到原點(diǎn)時(shí)，手指與被抓物之間的彈力取最小值，此時(shí)，被提升物重量最小。

3 試制結(jié)果

圖3是三指形旋轉(zhuǎn)手爪實(shí)物原型照片，同步輪型號(hào)為XL10，同步帶為XL80齒。3個(gè)手指自轉(zhuǎn)軸之間的軸心距為AB＝BC＝CA＝50.77mm；旋轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)AD＝CF＝BE＝30mm；指尖長(zhǎng)30mm；手爪最大張角位置時(shí)，指尖所在圓的直徑120mm。

原型手爪可以順利抓取平面放置的6310深溝球軸承、M20平墊圈、M16六角螺母等大小、厚薄各不相同的物體，藉由手指的繞軸公轉(zhuǎn)功能，完成螺母初裝配等任務(wù)。將手爪指端加以修正，使其收攏時(shí)完全閉合，可以抓取細(xì)線等細(xì)小物體。

圖3 手爪實(shí)物原型照片

［1］汪新中.平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人擰螺釘手爪的研究［J］.機(jī)電工程，2008（6）：18～20

［2］盧學(xué)玉，常德功.分體式三爪卡盤的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005（1）：29～30

［3］吳天強(qiáng)，徐兵，劉二強(qiáng).三爪旋轉(zhuǎn)抓手：中國(guó)，201320343354.7［P］.2013－11－20