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1.2機器人末端操作器(機器人手部結構),機器人的末端操作器也叫做末端執(zhí)行器，它包含兩大部分：手部與專用操作器。手部是裝在機器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。它具有模仿人手動作的功能,并安裝于機器人手臂的前端。人的手有兩種含義：第一種含義是醫(yī)學上把包括上臂、手腕在內(nèi)的整體叫做手；第二種含義是把手掌和手指部分叫做手。機器人的手部接近于第二種含義。專用操作器：各種工具,1.2.1.機器人手部的功能及組成,功能它的主要功能是：抓住工件，握持工件，釋放工件。抓住——在給定的目標位置和期望姿態(tài)上抓住工件，工件在手爪內(nèi)必須具有可靠的定位，保持工件與手爪之間準確的相對位姿，并保證機器人后續(xù)作業(yè)的準確性。握持——確保工件在搬運過程中或零件在裝配過程中定義了的位置和姿態(tài)的準確性。釋放——在指定點上除去手爪和工件之間的約束關系。組成驅動機構，傳動機構，手指,1.2.2.機器人手部的特點,(1)手部與手腕相連處可拆卸。手部與手腕有機械接口，也可能有電、氣、液接頭，當工業(yè)機器人作業(yè)對象不同時，可以方便地拆卸和更換手部。(2)手部是機器人末端操作器。它可以像人手那樣具有手指，也可以是不具備手指的手；可以是類人的手爪，也可以是進行專業(yè)作業(yè)的工具，比如裝在機器人手腕上的噴漆槍、焊接工具等。(3)手部的通用性比較差。機器人手部通常是專用的裝置，比如：一種手爪往往只能抓握一種或幾種在形狀、尺寸、重量等方面相近似的工件；一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務。(4)手部是一個獨立的部件。假如把手腕歸屬于手臂，那么機器人機械系統(tǒng)的三大件就是機身、手臂和手部(末端操作器)。手部對于整個工業(yè)機器人來說是完成作業(yè)好壞、作業(yè)柔性好壞的關鍵部件之一。具有復雜感知能力的智能化手爪的出現(xiàn)，增加了工業(yè)機器人作業(yè)的靈活性和可靠性。,1.2.3.機器人手部的分類,由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面狀態(tài)等不同,因此機器人取料手是多種多樣的,大致可分為以下幾類:(1)夾鉗式取料手；(2)吸附式取料手；(3)仿生多指靈巧手；(4)其它手。,1.2.3.1夾鉗式取料手,夾鉗式手部與人手相似,是工業(yè)機器人廣為應用的一種手部形式。它一般由手指(手爪)和驅動機構、傳動機構及連接與支承元件組成,如圖1.2.1所示,能通過手爪的開閉動作實現(xiàn)對物體的夾持。,圖1.2.1夾鉗式手部的組成,1.手指手指是直接與工件接觸的部件。手部松開和夾緊工件,就是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。機器人的手部一般有兩個手指,也有三個或多個手指,其結構形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。按兩種情況分析：指端的形狀與指面的形狀。指端的形狀通常有兩類:V型指和平面指。如圖1.2.2所示的三種V型指的形狀,用于夾持圓柱形工件。如圖1.2.3所示的平面指為夾鉗式手的指端,一般用于夾持方形工件(具有兩個平行平面),板形或細小棒料。另外，尖指和薄、長指一般用于夾持小型或柔性工件。其中,薄指一般用于夾持位于狹窄工作場地的細小工件,以避免和周圍障礙物相碰;長指一般用于夾持熾熱的工件,以免熱輻射對手部傳動機構的影響。,圖1.2.2V型指端形狀(a)固定V型；(b)滾柱V型；(c)自定位式V型,圖1.2.3夾鉗式手的指端,思考：平面手爪夾持圓柱工件,平面手爪夾持圓柱工件，盡管夾緊力足夠大，在工件和手爪接觸面上有足夠的摩擦力來支承工件重量，但是從運動學觀點來看，約束條件是不夠的，不能保證工件在手爪上的準確定位。,指面的形狀常有光滑指面、齒形指面和柔性指面等。光滑指面平整光滑,用來夾持已加工表面,避免已加工表面受損。齒形指面的指面刻有齒紋,可增加夾持工件的磨擦力,以確保夾緊牢靠,多用來夾持表面粗糙的毛坯或半成品。柔性指面內(nèi)鑲橡膠、泡沫、石棉等物,有增加磨擦力、保護工件表面、隔熱等作用,一般用于夾持已加工表面、熾熱件,也適于夾持薄壁件和脆性工件。,1.傳動機構傳動機構是向手指傳遞運動和動力,以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構。該機構根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉型和平移型?；剞D型又分為一支點回轉和多支點回轉。根據(jù)手爪夾緊是擺動還是平動,又可分為擺動回轉型和平動回轉型。(1)回轉型傳動機構。夾鉗式手部中較多的是回轉型手部,其手指就是一對杠桿,一般再同斜楔、滑槽、連桿、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿等機構組成復合式杠桿傳動機構,用以改變傳動比和運動方向等。,圖1.2.4斜楔杠桿式手部,圖1.2.5所示為滑槽式杠桿回轉型手部簡圖,杠桿形手指4的一端裝有V形指5,另一端則開有長滑槽。驅動桿1上的圓柱銷2套在滑槽內(nèi),當驅動連桿同圓柱銷一起作往復運動時,即可撥動兩個手指各繞其支點(鉸銷3)作相對回轉運動,從而實現(xiàn)手指的夾緊與松開動作。,圖1.2.5滑槽式杠桿回轉型手部,圖1.2.6所示為雙支點連桿杠桿式手部簡圖。驅動桿2末端與連桿4由鉸銷3鉸接,當驅動桿2作直線往復運動時,則通過連桿推動兩桿手指各繞其支點作回轉運動,從而使手指松開或閉合。,圖1.2.6雙支點連桿杠桿式手部,圖1.2.7所示為齒輪齒條直接傳動的齒輪杠桿式手部的結構。驅動桿2末端制成雙面齒條,與扇齒輪4相嚙合,而扇齒輪4與手指5固連在一起,可繞支點回轉。驅動力推動齒條作直線往復運動,即可帶動扇齒輪回轉,從而使手指松開或閉合。,圖1.2.7齒條齒輪杠桿式手部,(2)平移型傳動機構。平移型夾鉗式手部是通過手指的指面作直線往復運動或平面移動來實現(xiàn)張開或閉合動作的,常用于夾持具有平行平面的工件(如冰箱等)。其結構較復雜,不如回轉型手部應用廣泛。①直線往復移動機構:實現(xiàn)直線往復移動的機構很多,常用的斜楔傳動、齒條傳動、螺旋傳動等均可應用于手部結構。如圖1.9所示中，(a)為斜楔平移機構,(b)為連桿杠桿平移結構,(c)為螺旋斜楔平移結構。它們既可是雙指型的,也可是三指(或多指)型的;既可自動定心,也可非自動定心。,圖1.2.8直線平移型手部,②平面平行移動機構：圖1.2.9所示為幾種平面平行平移型夾鉗式手部的簡圖。它們的共同點是:都采用平行四邊形的鉸鏈機構——雙曲柄鉸鏈四連桿機構,以實現(xiàn)手指平移。其差別在于分別采用齒條齒輪、蝸桿蝸輪、連桿斜滑槽的傳動方法。,圖1.2.9四連桿機構平移型手部結構,3.驅動機構,手指式手部通常采用氣動，液動，電動和電磁來驅動手指的開合。氣動手爪：優(yōu)點：結構簡單，成本低，容易維修，而且開合迅速，重量輕。缺點：空氣介質的可壓縮性，使爪鉗位置控制比較復雜。,,液動手爪：優(yōu)點：缺點：成本稍高。電動手爪：優(yōu)點：手指開合電機的控制與機器人控制可以共用一個系統(tǒng)，。缺點：夾緊小，開合時間長，電磁手爪：優(yōu)點：控制信號簡單缺點：夾緊的電磁力與爪鉗的行程有關，只能用在開合距離小的場合。,1.2.3.2吸附式取料手1.氣吸附式取料手原理：氣吸附式取料手是利用吸盤內(nèi)的壓力和大氣壓之間的壓力差而工作的。分類：按形成壓力差的方法,可分為真空吸附、氣流負壓氣吸、擠壓排氣負壓氣吸式等幾種。優(yōu)缺點：氣吸式取料手與夾鉗式取料手相比,具有結構簡單,重量輕,吸附力分布均勻等優(yōu)點,對于薄片狀物體的搬運更有其優(yōu)越性(如板材、紙張、玻璃等物體),廣泛應用于非金屬材料或不可有剩磁的材料的吸附。但要求物體表面較平整光滑,無孔無凹槽。,1)真空吸附取料手圖1.2.10所示為真空吸附取料手的結構原理。其真空的產(chǎn)生是利用真空泵,真空度較高。主要零件為碟形橡膠吸盤1,通過固定環(huán)2安裝在支承桿4上,支承桿由螺母5固定在基板6上。取料時,碟形橡膠吸盤與物體表面接觸,橡膠吸盤在邊緣既起到密封作用,又起到緩沖作用,然后真空抽氣,吸盤內(nèi)腔形成真空,吸取物料。放料時,管路接通大氣,失去真空,物體放下。為避免在取、放料時產(chǎn)生撞擊,有的還在支承桿上配有彈簧緩沖。為了更好地適應物體吸附面的傾斜狀況,有的在橡膠吸盤背面設計有球鉸鏈。真空吸附取料手有時還用于微小無法抓取的零件,如圖1.2.11所示。,圖1.2.10真空吸附取料手,圖1.2.11微小零件取料手(a)墊圈取料手；(b)鋼球取料手,圖1.2.12各種真空吸附取料手,2)氣流負壓吸附取料手氣流負壓吸附取料手如圖1.2.13所示。氣流負壓吸附取料手是利用流體力學的原理,當需要取物時,壓縮空氣高速流經(jīng)噴嘴5時,其出口處的氣壓低于吸盤腔內(nèi)的氣壓,于是腔內(nèi)的氣體被高速氣流帶走而形成負壓,完成取物動作;當需要釋放時,切斷壓縮空氣即可。這種取料手需要壓縮空氣,工廠里較易取得,故成本較低。,圖1.2.13氣流負壓吸附取料手,3)擠壓排氣式取料手擠壓排氣式取料手如圖1.2.14所示。其工作原理為:取料時吸盤壓緊物體,橡膠吸盤變形,擠出腔內(nèi)多余的空氣,取料手上升,靠橡膠吸盤的恢復力形成負壓,將物體吸住;釋放時,壓下拉桿3,使吸盤腔與大氣相連通而失去負壓。該取料手結構簡單,但吸附力小,吸附狀態(tài)不易長期保持。,圖1.2.14擠壓排氣式取料手,1.磁吸附式取料手磁吸附式取料手是利用電磁鐵通電后產(chǎn)生的電磁吸力取料,因此只能對鐵磁物體起作用;另外,對某些不允許有剩磁的零件要禁止使用。所以,磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。電磁鐵工作原理如圖1.2.15(a)所示。當線圈1通電后,在鐵心2內(nèi)外產(chǎn)生磁場,磁力線穿過鐵心,空氣隙和銜鐵3被磁化并形成回路,銜鐵受到電磁吸力F的作用被牢牢吸住。實際使用時,往往采用如圖1.2.15(b)所示的盤式電磁鐵,銜鐵是固定的,銜鐵內(nèi)用隔磁材料將磁力線切斷,當銜鐵接觸磁鐵物體零件時,零件被磁化形成磁力線回路,并受到電磁吸力而被吸住。,圖1.2.15電磁鐵工作原理,圖1.2.16所示為盤狀磁吸附取料手的結構圖。鐵心1和磁盤3之間用黃銅焊料焊接并構成隔磁環(huán)2,既焊為一體又將鐵心和磁盤分隔,這樣使鐵心1成為內(nèi)磁極,磁盤3成為外磁極。其磁路由殼體6的外圈,經(jīng)磁盤3、工件和鐵心,再到殼體內(nèi)圈形成閉合回路,以此吸附工件。鐵心、磁盤和殼體均采用8～10號低碳鋼制成,可減少剩磁,并在斷電時不吸或少吸鐵屑。蓋5為用黃銅或鋁板制成的隔磁材料,用以壓住線圈11,防止工作過程中線圈的活動。擋圈7、8用以調(diào)整鐵心和殼體的軸向間隙,即磁路氣隙δ,在保證鐵心正常轉動的情況下,氣隙越小越好,氣隙越大，則電磁吸力會顯著地減小,因此,一般取δ＝0.1～0.3mm。在機器人手臂的孔內(nèi)可做軸向微量地移動,但不能轉動。鐵心1和磁盤3一起裝在軸承上,用以實現(xiàn)在不停車的情況下自動上下料。,圖1.2.16盤狀磁吸附取料手結構,圖1.2.17所示為幾種電磁式吸盤吸料示意圖。圖(a)為吸附滾動軸承底座的電磁式吸盤;圖(b)為吸取鋼板的電磁式吸盤;圖(c)為吸取齒輪用的電磁式吸盤;圖(d)為吸附多孔鋼板用的電磁式吸盤。,圖1.2.17幾種電磁式吸盤吸料示意圖,1.2.3.3仿生多指靈巧手1.柔性手為了能對不同外形的物體實施抓取,并使物體表面受力比較均勻,因此研制出了柔性手。如圖1.2.22所示為多關節(jié)柔性手腕,每個手指由多個關節(jié)串聯(lián)而成。手指傳動部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成,每個手指由兩根鋼絲繩牽引,一側為握緊,另一側為放松。驅動源可采用電機驅動或液壓、氣動元件驅動。柔性手腕可抓取凹凸不平的外形并使物體受力較為均勻。圖1.2.23所示為用柔性材料做成的柔性手。一端固定,一端為自由端的雙管合一的柔性管狀手爪,當一側管內(nèi)充氣體或液體、另一側管內(nèi)抽氣或抽液時形成壓力差,柔性手爪就向抽空側彎曲。此種柔性手適用于抓取輕型、圓形物體,如玻璃器皿等。,圖1.2.22多關節(jié)柔性手腕,圖1.2.23柔性手,1.多指靈巧手機器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指靈巧手。如圖1.2.24所示,多指靈巧手有多個手指,每個手指有3個回轉關節(jié),每一個關節(jié)的自由度都是獨立控制的。因此,幾乎人手指能完成的各種復雜動作它都能模仿,諸如擰螺釘、彈鋼琴、作禮儀手勢等動作。在手部配置觸覺、力覺、視覺、溫度傳感器,將會使多指靈巧手達到更完美的程度。多指靈巧手的應用前景十分廣泛,可在各種極限環(huán)境下完成人無法實現(xiàn)的操作,如核工業(yè)領域、宇宙空間作業(yè),在高溫、高壓、高真空環(huán)境下作業(yè)等。,圖1.2.24多指靈巧手,多指靈巧手視頻,1.2.3.4其它手1.彈性力手爪彈性力手爪的特點是其夾持物體的抓力是由彈性元件提供的,不需要專門的驅動裝置,在抓取物體時需要一定的壓入力,而在卸料時,則需要一定的拉力。圖1.2.25所示為幾種彈性力手爪的結構原理圖。圖1.2.25(a)所示的手爪有一個固定爪,另一個活動爪6靠壓簧4提供抓力,活動爪繞軸5回轉,空手時其回轉角度由平面2、3限制。抓物時,爪6在推力作用下張開,靠爪上的凹槽和彈性力抓取物體;卸料時,需固定物體的側面,手爪用力拔出即可。,圖1.2.25彈性力手爪,1.擺動式手爪擺動式手爪的特點是在手爪的開合過程中,其爪的運動狀態(tài)是繞固定軸擺動的,結構簡單,使用較廣,適合于圓柱表面物體的抓取。圖1.2.26所示為一種擺動式手爪的結構原理圖。這是一種連桿擺動式手爪,活塞桿移動,并通過連桿帶動手爪回繞同一軸擺動,完成開合動作。,圖1.2.26擺動式手爪的結構原理圖,圖1.2.27所示為自重式手部結構,要求工件對手指的作用力的方向應在手指回轉軸垂直線的外側,使手指趨向閉合。用這種手部結構來夾緊工件是依靠工件本身的重量來實現(xiàn)的,工件越重,握力越大。手指的開合動作由鉸接活塞油缸實現(xiàn)。該手部結構適用于傳輸垂直上升或水平移動的重型工件。,圖1.2.27自重式手部結構,圖1.2.28所示為彈簧外卡式手部結構。手指1的夾放動作是依靠手臂的水平移動而實現(xiàn)的。當頂桿2與工件端面相接觸時,壓縮彈簧3,并推動拉桿4向右移動,使手指1繞支承軸回轉而夾緊工件。卸料時手指1與卸料槽口相接觸,使手指張開,頂桿2在彈簧3的作用下將工件推入卸料槽內(nèi)。這種手部適用于抓取輕小環(huán)形工件,如軸承內(nèi)座圈等。,圖1.2.28彈簧外卡式手部結構,3.勾托式手部圖1.2.29所示為勾托式手部結構示意圖。勾托式手部并不靠夾緊力來夾持工件,而是利用工件本身的重量,通過手指對工件的勾、托、捧等動作來托持工件。應用勾托方式可降低對驅動力的要求,簡化手部結構,甚至可以省略手部驅動裝置。該手部適用于在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)搬運大型笨重的工件或結構粗大而質量較輕且易變形的物體。勾托式手部又有手部無驅動裝置和驅動裝置兩種類型。,圖1.2.29勾托式手部示意圖(a)無驅動裝置的手部；(b)有驅動裝置的手部,,1.2.4專用操作器及轉換器1.專用末端操作器機器人是一種通用性很強的自動化設備,可根據(jù)作業(yè)要求完成各種動作,再配上各種專用的末端操作器后,就能完成各種動作。如在通用機器人上安裝焊槍就成為一臺焊接機器人,安裝擰螺母機則成為一臺裝配機器人。目前有許多由專用電動、氣動工具改型而成的操作器,如圖1.2.18所示,有擰螺母機、焊槍、電磨頭、電銑頭、拋光頭、激光切割機等。所形成的一整套系列供用戶選用,使機器人能勝任各種工作。,圖1.2.18還有一個裝有電磁吸盤式換接器的機器人手腕,電磁吸盤直徑60mm,質量為1kg,吸力1100N,換接器可接通電源、信號、壓力氣源和真空源,電插頭有18芯,氣路接頭有5路。為了保證聯(lián)接位置精度,設置了兩個定位銷。在各末端操作器的端面裝有換接器座,平時陳列于工具架上,需要使用時機器人手腕上的換接器吸盤可從正面吸牢換接器座,接通電源和氣源,然后從側面將末端操作器退出工具架,機器人便可進行作業(yè)。,圖1.2.18各種專用末端操作器和電磁吸盤式換接器,1.換接器或自動手爪更換裝置使用一臺通用機器人,要在作業(yè)時能自動更換不同的末端操作器,就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器由兩部分組成:換接器插座和換接器插頭,分別裝在機器腕部和末端操作器上,能夠實現(xiàn)機器人對末端操作器的快速自動更換。專用末端操作器換接器的要求主要有:同時具備氣源、電源及信號的快速聯(lián)接與切換;能承受末端操作器的工作載荷;在失電、失氣情況下,機器人停止工作時不會自行脫離;具有一定的換接精度等。,圖1.2.19所示為氣動換接器和專用末端操作器庫。該換接器也分成兩部分:一部分裝在手腕上,稱為換接器;另一部分裝在末端操作器上,稱為配合器。利用氣動鎖緊器將兩部分進行聯(lián)接,并具有就位指示燈以表示電路、氣路是否接通。,圖1.2.19氣動換接器與專用末端操作器庫,圖1.2.20專用末端操作器庫,3.多工位換接裝置某些機器人的作業(yè)任務相對較為集中,需要換接一定量的末端操作器,又不必配備數(shù)量較多的末端操作器庫。這時，可以在機器人手腕上設置一個多工位換接裝置。例如,在機器人柔性裝配線某個工位上,機器人要依次裝配如墊圈、螺釘?shù)葞追N零件,裝配采用多工位換接裝置,可以從幾個供料處依次抓取幾種零件,然后逐個進行裝配,既可以節(jié)省幾臺專用機器人,也可以避免通用機器人頻繁換接操作器和節(jié)省裝配作業(yè)時間。,多工位換接裝置如圖1.2.21所示,就像數(shù)控加工中心的刀庫一樣,可以有棱錐型和棱柱型兩種形式。棱錐型換接裝置可保證手爪軸線和手腕軸線一致,受力較合理,但其傳動機構較為復雜;棱柱型換接器傳動機構較為簡單,但其手爪軸線和手腕軸線不能保持一致,受力不良。,圖1.2.21多工位末端操作器換接裝置(a)棱錐型；(b)棱柱型,1.2.6.手爪設計和選用的要求,手爪設計和選用最主要的是滿足功能上的要求，具體來說要在下面幾個方面進行調(diào)查，提出設計參數(shù)和要求。,,(1)被抓握的對象物手爪設計和選用首先要考慮的是什么樣的工件要被抓握。因此，必須充分了解工件的幾何形狀、機械特性。1)幾何參數(shù)有：工件尺寸可能給予抓握表面的數(shù)目可能給予抓握表面的位置和方向夾持表面之間的距離夾持表面的幾何形狀2)機械特性有以下方面：質量材料固有穩(wěn)定性表面質量和品質表面狀態(tài)工件溫度,,(2)物料饋送器或儲存裝置與機器人配合工作的零件饋送器或儲存裝置對手爪必需的最小和最大爪鉗之間的距離以及必需的夾緊力都有要求，同時，還應了解其它可能的不確定的因素對手爪工作的影響。(3)機器人作業(yè)順序一臺機器人在齒輪箱裝配作業(yè)中需要搬運齒輪和軸，并進行裝配，雖然手部可以既抓握齒輪也可以夾持軸，但是，不同零件所需的夾緊力和爪鉗張開距離是不同的，手部設計上要考慮到被夾持對象物的順序。在必要的時候?？刹捎枚嘀甘肿?，以增加手部作業(yè)的柔性。,,(4)手爪和機器人匹配手爪一般用法蘭式機械接口與手腕相連接，手爪自重也增加了機械臂的載荷，這兩個問題必須給予仔細考慮。手爪是可以更換的，手爪形式可以不同，但是與手腕的機械接口必須相同，這就是接口匹配。手爪自重不能太大，機器人能抓取工件的重量是機器人承載能力減去手爪重量。手爪自重要與機器人承載能力匹配。(5)環(huán)境條件在作業(yè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境狀況很重要，比如高溫、水、油等環(huán)境會影響手爪工作。一個鍛壓機械手要從高溫爐內(nèi)取出紅熱的鍛件坯必須保證手爪的開合、驅動在高溫環(huán)境中均能正常工作。,