高霄，李冬艷

西安精雕精密機械工程有限公司 陜西西安 710000

1 序言

隨著機器人研究的深入和傳感技術的不斷更新，機器人的應用領域也在不斷拓寬，機器人手爪作為機器人的末端執(zhí)行機構，是一個高度集成的、具有多種感知功能的機電系統(tǒng)，涉及的領域包括結構學、仿生學、自動控制以及傳感器技術等學科[1，2]。機器人手爪按照抓取對象的不同分為通用手爪和專用手爪，通用手爪指靈巧手[1]，屬柔性手爪，仿人手去抓取任何物體，近年來各類型通用手爪的研究不斷迭代更新，靈巧手越來越接近人手功能，應用在醫(yī)療、空間探測、海洋資源探測、軍事偵察以及危險環(huán)境作業(yè)等場所[1，3]，通用手爪結構復雜，需要同時具備識別和抓取功能，手爪一般集成幾十個各種類型的傳感器以及柔性的抓取結構[1]；專用手爪一般指應用在某些特定場合或特定產品的工業(yè)流水線上的手爪，其結構簡單，集成傳感器少，而應用在機床自動上下料系統(tǒng)的機器人手爪屬于專用手爪[2]。本文列舉分析應用在機床自動上下料系統(tǒng)的專用手爪典型結構，主要針對質量在300kg以內、尺寸在600mm×600mm×500mm（長×寬×高）以內的工件進行自動搬運，概括總結其在機床自動上下料系統(tǒng)領域的應用場合。

2 機器人手爪類型

應用在機床自動上下料系統(tǒng)的機器人手爪類型較多，按照手指結構區(qū)分，常用的有兩指手爪、三指手爪、貨叉式手爪、握爪類手爪以及吸盤類手爪；按照驅動方式又可分為氣動手爪、液壓手爪以及電動手爪[4]；按照末端抓取機構數(shù)量又可分為單手爪、雙手爪以及多手爪結構。

機床自動上下料系統(tǒng)需要包含具有零點定位功能的機內夾具，機內夾具安裝在機床工作臺上，與工件隨行夾具或直接與工件配合，實現(xiàn)工件在機床內的高精度重復定位，而機器人手爪通過抓取工件隨行夾具或直接抓取工件，實現(xiàn)其在機內夾具與儲料系統(tǒng)之間的流轉。

2.1 典型手爪結構

（1）兩指氣動手爪 兩指氣動手爪在機床自動上下料系統(tǒng)中的應用最廣泛，簡稱兩指氣爪。典型的兩指氣爪結構如圖1所示，包含氣爪本體和兩個氣爪活動端，在氣壓或彈簧的作用下，兩個氣爪活動端相對于氣爪本體往復平動。兩指氣爪應用較為成熟，相關供應商均有成熟的產品可選用，兩指氣爪活動端安裝手指，通過手指實現(xiàn)被抓取物的準確定位和夾取，機器人手爪由兩指氣爪和兩個手指構成，圖2所示為機器人手爪抓取隨行夾具，圖3所示為機器人手爪直接抓取工件，目前更為常用的是機器人手爪抓取隨行夾具，工件固定在隨行夾具上，這種方式可實現(xiàn)夾具和手指的標準化，圖2所示即為典型的機器人手爪抓取電極夾具座，電極夾具座為標準電極隨行夾具，通過PLC和電磁閥自動控制氣爪的開合，實現(xiàn)手指1和手指2對隨行夾具的夾緊和松開，進而通過機器人的路徑設置搬運隨行夾具上的工件到指定位置。

圖2 機器人手爪抓取隨行夾具

圖3 機器人手爪抓取工件

兩指氣爪適用于搬運質量、體積較小的工件，其與待搬運物的定位方式主要為仿形，夾緊主要靠摩擦力及托舉。

（2）三指氣動手爪 三指氣動手爪簡稱三指氣爪，其與兩指氣爪原理類似，輸出為三個活動端，適合直接抓取形狀較規(guī)則的工件，圖4所示為三指氣爪抓取工件，三指氣爪具有二次定位功能，可在一定范圍內調整被抓取工件的中心。三指氣爪也有成熟的產品可直接選用，按照被抓取工件的特征選擇合適的氣爪型號，手指結構根據被抓取工件定制。

圖4 三指氣爪抓取工件

三指氣爪可搬運工件的類型由工件外形及材質確定，其與待搬運物體的定位和夾緊方式也是靠仿形、摩擦或托舉。

（3）貨叉式手爪 貨叉式手爪結構簡單，在自動化倉儲系統(tǒng)中的應用極為廣泛，在自動上下料系統(tǒng)中用于叉取托盤或工件，自動上下料系統(tǒng)對叉取對象的精度有較高要求，因此需要在貨叉上增加精確定位的裝置。貨叉式手爪結構如圖5所示，定位銷用于限制被抓取物在水平方向上的自由度，豎直方向位置靠重力和定位面保障。貨叉式手爪作為常規(guī)的六軸機器人末端手爪時，機器人手爪必須保持平移姿態(tài)，第六軸不可有旋轉動作。

圖5 貨叉式手爪結構

貨叉式手爪適合搬運質量、體積較大的工件，手爪不需要驅動源，結構及控制方式簡單，由于使用貨叉搬運的形式，托盤底部或工件上需要設計貨叉取放料空間。

（4）握爪式手爪 握爪式手爪結構如圖6所示，由握爪主夾緊端和握爪工具端兩部分組成，握爪主夾緊端固定在機器人末端，握爪工具端固定在被抓取托盤或工件上，握爪主夾緊端通過氣動/液壓/彈簧等形式實現(xiàn)對握爪工具端的夾緊/松開，從而實現(xiàn)對工件的搬運，握爪式手爪主夾緊端和工具端的重復定位精度可保證被搬運工件的位置精度。握爪式手爪也可選用成熟的產品，可搬運工件的質量和體積根據握爪型號確定，成本較高，應用握爪式手爪搬運托盤或工件時，被搬運工件需要增設握爪工具端安裝孔位。

圖6 握爪式手爪

（5）吸盤手爪 吸盤手爪（見圖7）屬于氣動手爪，包括真空發(fā)生器和真空吸盤，真空發(fā)生器將輸入端的正壓轉換為負壓，負壓供給吸盤將工件吸起，從而實現(xiàn)對工件的搬運。吸盤手爪適合搬運薄板類工件、表面規(guī)則的球形工件等，抓取薄板類工件時，可根據其尺寸大小在同一抓取面布置多個吸盤，以實現(xiàn)對工件的穩(wěn)定抓取。

圖7 吸盤手爪

2.2 雙手爪結構

在一些加工節(jié)奏要求較快的場合，為減少上下料機床等待時間，通常需要配置機器人雙手爪結構，雙手爪結構類型較多，包含桁架式雙手爪結構[5]、基于機器視覺的雙手爪結構[6]、雙工位雙手爪結構[7]以及含旋轉模塊的雙手爪結構[8]，應用在機床自動上下料系統(tǒng)的雙手爪結構一般為上料手爪和下料手爪集成安裝在機器人末端，雙手爪為上述典型手爪結構的二次集成[5]。應用在機床自動上下料系統(tǒng)的典型雙手爪結構如圖8所示，包含旋轉模塊、手爪安裝板以及上料手爪和下料手爪，上料手爪和下料手爪固定安裝在手爪安裝板上，手爪安裝板固定安裝在旋轉模塊輸出端，隨旋轉模塊轉動，圖示旋轉模塊有兩個位置，位置1代表初始位置，位置2代表旋轉模塊轉動180°后位置，上下料動作方式如下所述。

圖8 典型雙手爪結構

雙手爪上下料動作：確認上下料手爪空置→機器人控制旋轉模塊處于位置1→上料手爪從儲料系統(tǒng)抓取毛坯料托盤→機器人控制旋轉模塊旋轉至位置2→下料手爪從機床抓取成品料托盤→機器人控制旋轉模塊處于位置1→上料手爪將毛坯料托盤放置在機床夾具上→機器人控制旋轉模塊旋轉至位置2→下料手爪將成品料盤放置在成品儲料位，重復以上步驟。

機器人雙手爪結構應用在加工節(jié)奏要求較快的機床自動上下料系統(tǒng)中，實際應用結構形式多樣，旋轉模塊可使用其他形式的結構代替，目的為實現(xiàn)兩個手爪的位置切換，雙手爪安裝在六軸機器人末端時，其第六個旋轉軸可代替圖8所示的旋轉模塊。

2.3 桿狀類工件抓取雙手爪

隨著機床自動上下料系統(tǒng)客戶需求的不斷增加，需要針對不同客戶的目標產品開發(fā)定制不同種類的機器人手爪，桿狀類工件的自動上下料加工需求是一種典型的需求方案，典型的桿狀類工件，如刀桿，其特點是工件尺寸小、加工節(jié)奏快，需要使用雙手爪結構，但典型的雙手爪結構（見圖8）應用在桿狀類工件的抓取中存在整體尺寸大、結構及動作復雜以及成本高等問題。

針對刀桿的機床自動上下料需求，開發(fā)了一款適合桿狀類工件抓取的雙手爪結構，手爪結構如圖9所示，主體結構包含雙氣缸主體、左手指組件、右手指組件以及手指固定端，雙氣缸主體設置前后兩個平行氣缸，左手指組件和右手指組件在前后兩個平行氣缸的往復運動，與手指固定端形成夾緊、松開結構，如圖9a所示，動作方式如下所述。

圖9 桿狀類工件抓取雙手爪

左手指夾緊的動作方式，如圖9b所示：氣缸1通氣，驅動活塞1向左移動，活塞1推動左手指組件向左移動，左手指與左手指組件末端相連，隨左手指組件向左移動，與手指固定端配合形成一個夾指，夾取桿狀工件，如圖9a所示，氣缸1持續(xù)通氣，左手指夾取力保持；左手指松開的動作方式：氣缸1斷氣，左手指組件在彈簧的作用下向右移動復位，推動活塞1向右移動，左手指與左手指組件末端相連，隨左手指組件向右移動，松開桿狀工件，氣缸1不通氣，左手指在彈簧力作用下保持松開狀態(tài)。

桿狀類工件抓取雙手爪動作流程如圖10所示。

圖10 動作流程

桿狀類工件抓取雙手爪集成兩個驅動氣缸為一體，整體結構緊湊，并且相較于典型的成品氣缸集成類雙手爪，成本大幅下降，目前已成熟應用于刀具磨削、異形刀桿加工和醫(yī)療用品等桿狀類工件的機床自動上下料系統(tǒng)中。

2.4 機器人快換手爪

機器人快換手爪也是目前應用于機床自動上下料系統(tǒng)的一種抓取模式[9]，尤其在產線式機床自動上下料系統(tǒng)中，一種類型的手爪可能無法滿足多種類工件抓取的需求，快換手爪即可根據目標工件的不同自動更換手爪。機器人快換手爪的結構如圖11所示，包含一個安裝在機器人末端的快換主夾緊器（見圖11a）和多個快換工具適配器（見圖11b、圖11c），快換主夾緊器和工具適配器配合可實現(xiàn)工具適配器末端手爪的氣路和電路接通，從而控制其對工件的取放。安裝在機器人末端的快換主控制器，根據主控程序設定，切換不同的工具適配器手爪以抓取不同工件進行機床自動上下料，工具適配器數(shù)量一般為兩個及以上，具體按需配置。快換手爪的主控制器配套工具適配器也有成熟的產品供選用。

圖11 機器人快換手爪結構

3 機器人手爪驅動方式

典型機器人手爪的驅動源包括氣動、液壓和電動，部分手爪不需要驅動源僅通過結構配合即可完成定位抓取，如貨叉式手爪。氣動手爪通過清潔后的壓縮空氣即可作為驅動源，目前的生產車間均配置空氣壓縮系統(tǒng)，其易獲取、零污染的特性使其在機床自動上下料系統(tǒng)領域得到了充分的應用[5，10]。液壓驅動可應用于夾緊力及夾取穩(wěn)定性要求更高的場合，液壓驅動需要配液壓站，成本較氣動高。電動手爪則應用于一些多形態(tài)、多種類抓取的復雜場合，電動手爪一般內置傳動機構，動作復雜，技術要求和成本較高[5]。

4 機器人手爪控制方式

P L C控制系統(tǒng)屬于當下主要的機器人控制系統(tǒng)，其可依賴各種控制技術，完成對工業(yè)機器人的全面操控，使其滿足工業(yè)生產需求[10]。以典型的氣動手爪為例，機器人手爪的控制方式包括手爪開合的控制、確認開合位置的反饋以及防呆檢測。

手爪開合的自動控制通過電磁閥實現(xiàn)，電磁閥的動作則受控于PLC主程序，當機器人移動至指定位置時，PLC主程序控制電磁閥動作，如手爪打開，自動定位、夾取工件后手爪閉合，可按照手爪的控制方式選擇不同類型的電磁閥。確認開合位置的反饋需要通過傳感器檢測，磁性開關在氣動手爪中的應用較廣泛，磁性開關利用磁場的作用實現(xiàn)電路的開關，與帶有磁環(huán)的活塞配合檢出氣爪的開合情況，反饋至主PLC程序，確保開合動作執(zhí)行正確；光電類傳感器也可檢測手爪開合情況，如圖9a所示的傳感器即可檢測是否取料成功，反饋至主PLC程序，具體按照使用要求選擇。防呆檢測包括待夾取工位是否有料、手爪取放料是否成功、放料位是否空置等，防呆檢測的形式多樣，包括光電傳感器、無線射頻識別技術以及其他檢測方式，有時配合機床的在線檢測功能，確保自動供料機器人穩(wěn)定抓取、與機床正常通信、機床自動上下料系統(tǒng)的穩(wěn)定連續(xù)運行。

5 結束語

本文總結了應用在機床自動上下料系統(tǒng)中的機器人手爪結構，包含典型的手爪結構以及自研的桿狀類工件抓取雙手爪，具體的選用根據實際情況確定，選用原則是形式可靠、結構簡單、成本低。本文列舉的只是應用于限定尺寸、質量范圍內的機床自動上下料系統(tǒng)常用機器人手爪結構，所含手爪種類只是部分，且應用場合存在局限，隨著工業(yè)自動化及新型技術的發(fā)展，期待相關領域的新發(fā)展和更大突破。