精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上機(jī)器人機(jī)械手爪綜述目 錄工業(yè)機(jī)器人的手部(亦稱機(jī)械爪或抓取機(jī)構(gòu))是用來直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同，所以工業(yè)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而設(shè)計(jì)的。常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類。夾持類常見的主要有夾鉗式，此外還有鉤托式和彈簧式。夾持類手部按其手指夾持工件時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式，可分為手指回轉(zhuǎn)型和手指平移型兩種，如圖1所示。吸附類中，有氣吸式和磁吸式。a)回轉(zhuǎn)型內(nèi)撐式 b)回轉(zhuǎn)型外夾式 c)平移型外夾式 d)鉤托式 e)彈簧式 f)氣吸式 g)磁吸式圖1 機(jī)械爪類型夾鉗式手部是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成的，它對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸、盤、套類零件。一般情況下，多采用兩個(gè)手指，少數(shù)采用三指或多指。驅(qū)動(dòng)裝置為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)源有液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)等幾種形式。常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)往往通過滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊或松開。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動(dòng)，適于夾持平板、方料。在夾持直徑不同的圓棒時(shí)，不會(huì)引起中心位置的偏移。但這種手指結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、體積大，要求加工精度高?；剞D(zhuǎn)型手指的張開閉合靠手指根部(以樞軸支點(diǎn)為中心)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來完成。樞軸支點(diǎn)為一個(gè)的，稱為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型；為兩個(gè)的，稱為雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型。這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形狀小巧，但夾持不同工件會(huì)產(chǎn)生夾持定位偏差。 a)單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型 b)雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型 C）平移型(平直指)圖2 回轉(zhuǎn)型和平移型手指一、夾鉗式手部設(shè)計(jì)的基本要求1. 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。手指握力(夾緊力)大小要適宜，力量過大則動(dòng)力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟(jì)，甚至?xí)p壞工件;力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動(dòng)、脫落。在確定握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件夾持安全可靠。而對(duì)手部的驅(qū)動(dòng)裝置來說，應(yīng)有足夠的驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)指出，由于機(jī)構(gòu)傳力比不同，在一定夾持力條件下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需驅(qū)動(dòng)力的大小是不同的。2. 手指應(yīng)具有一定的開閉范圍。手指應(yīng)具有足夠的開閉角度(手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度)或開閉距離(對(duì)平移型手指從張開到閉合的直線移動(dòng)距離)，以便于摘取或退出工件。3. 應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度。應(yīng)保證每個(gè)被夾持的工件，在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確的相對(duì)位置。這對(duì)一些有方位要求的場(chǎng)合更為重要，如曲拐、凸輪軸一類復(fù)雜的工件，在機(jī)床上安裝的位置要求嚴(yán)格，因此機(jī)械手的手部在夾持工件后應(yīng)保持相對(duì)的位置精度。4. 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。5. 應(yīng)考慮通用性和特殊要求一般情況一下，手部多是專用的，為了擴(kuò)大它的使用范圍，提高它的通用化程度，以適應(yīng)夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調(diào)整的辦法。如更換手指甚至更換整個(gè)手部。此外，還要考慮能適應(yīng)工作環(huán)境提出的特殊要求，如耐高溫、耐腐蝕、能承受鍛錘沖擊力等。二、典型機(jī)械爪結(jié)構(gòu)1）回轉(zhuǎn)型1. 滑槽杠桿式。圖3為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。在杠桿3作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為F1、F2，其力的方向垂直于滑槽的是中心線OO1和OO2并指向O點(diǎn)，F(xiàn)1和F2的延長(zhǎng)線交O1 O2于A及B。1一手指 2一銷軸 3一杠桿圖3 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析由 Fx=0 得 F1=F2由 Fy=0 得 F1=F2cos由MO1=0 得 F1h=FNb 最后可得： F=2bacos2FN （2-1）式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離； b工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。由式（2-1）可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力F一定時(shí)，角增大，則握力FN也隨之增加，但角過大會(huì)導(dǎo)致拉桿的行程過大，以及手指滑槽尺寸長(zhǎng)度增大，使結(jié)構(gòu)加大，因此建議=30°40°。2. 連桿杠桿式。圖4為連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)，作用在拉桿3上的驅(qū)動(dòng)力為F，兩連桿2對(duì)拉桿的反作用力為F1、F2，其方向沿連桿兩鉸鏈中心的連線，指向O點(diǎn)并與水平方向成角。1一調(diào)整墊片指 2一連桿 3一拉桿圖4 連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析通過分析可得： F=2bctanFN (2-2) 由式(2-2)可知，若結(jié)構(gòu)尺寸c、b和驅(qū)動(dòng)力F一定時(shí)，握力FN與角正切成反比。顯然當(dāng)角小時(shí)，可獲得較大的握力。當(dāng)=0時(shí)，是使手指閉合到最小的位置，即為自鎖位置，這時(shí)如果撤去驅(qū)動(dòng)力，工件也不會(huì)自行脫落。若拉桿再向下移動(dòng)，則手指反而會(huì)松開，為了避免出現(xiàn)上述情況，對(duì)于不同規(guī)格尺寸的工件可以更換手指。如果工件允許少量的尺寸變化時(shí)，可更換調(diào)整墊片1，使夾緊工件后0。2）移動(dòng)型1. 簡(jiǎn)單移動(dòng)型簡(jiǎn)單移動(dòng)型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)移動(dòng)。如圖5所示，其驅(qū)動(dòng)力為： F=2FN （2-3）圖5 簡(jiǎn)單移動(dòng)型手部結(jié)構(gòu)、受力分析2. 平面平行移動(dòng)型平面平行移動(dòng)型，如圖6所示。若拉桿5的驅(qū)動(dòng)力為F，兩連桿4、6對(duì)拉桿的反作用力F45=F65，經(jīng)分析可得： 1手指 2、3、4、6連桿 5拉桿圖6 平面平行移動(dòng)盈手部結(jié)構(gòu)同樣可推出各類運(yùn)動(dòng)型式的機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力如表1。表1 各種機(jī)械爪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一覽表表1 各種機(jī)械爪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一覽表（續(xù)）三、夾鉗式手部的計(jì)算與分析1）夾緊力的計(jì)算手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)其大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷(慣性力或慣性力矩)，以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算： （3-1）式中 K1安全系數(shù)，通常取1.22.0； K2工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。K2可近似按下式估算 其中 g重力加速度；a運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升加速度； vmax運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升速度；t響 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間；根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選取。一般取0.030.5s。K3方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定。按表2選取。G被抓取工件所受重力(N)。表2 夾緊力的方位系數(shù)手指與工件位置手指與工件形狀平直指端夾方形件V形指端夾圓形件手指水平放置；夾水平放置工件手指水平放置；夾水平懸臂放置工件手指水平放置；夾垂直放置工件手指垂直放置；夾水平放置工件手指垂直放置；夾垂直放置工件2）夾緊缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算1. 夾緊裝置 夾緊裝置是使手爪開、閉動(dòng)作的動(dòng)力裝置。其動(dòng)力源可以是液壓或氣動(dòng)。圖7是夾緊裝置的三種結(jié)構(gòu)型式的原理示意圖。手爪殼和缸殼連成一體，當(dāng)壓力油(或壓縮空氣)從液壓缸右邊油管進(jìn)油時(shí)，活塞桿向左運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)手爪閉合;當(dāng)壓力油從液壓缸左邊進(jìn)油時(shí)，拉動(dòng)手爪張開。圖7 夾緊裝置原理圖圖7所示缸的拉力(或推力)(N)為:式中 D活塞直徑（m）； d活塞桿直徑（m）； p驅(qū)動(dòng)壓力（Pa）。圖7b所示，由壓縮彈簧使爪牙張開，稱之為常開式夾緊裝置。圖7c所示，壓縮彈簧使手爪閉合夾住工件，稱之為常閉式夾緊裝置。2. 各種夾緊裝置驅(qū)動(dòng)力計(jì)算手爪的結(jié)構(gòu)很多，在設(shè)計(jì)和確定手爪的結(jié)構(gòu)方案時(shí)，一方面應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求選取具體的結(jié)構(gòu)，另一方面必須進(jìn)行力的分析，以便在設(shè)計(jì)選取時(shí)進(jìn)行比較，才能正確選擇手爪結(jié)構(gòu)方案，確定各構(gòu)件的尺寸，以滿足夾持工件的具體要求。設(shè)計(jì)者可根據(jù)表1所列的機(jī)構(gòu)進(jìn)行選取。3）計(jì)算步驟1. 首先根據(jù)對(duì)機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定安全系數(shù)K1;計(jì)算出最大加速度，確定工作情況系數(shù)K2，根據(jù)手爪夾持方位從表2查出方位系數(shù)K3，求出夾緊力FN 。2. 根據(jù)手爪的結(jié)構(gòu)方案，由表1查出驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式，求出液壓(氣)缸應(yīng)具有的驅(qū)動(dòng)力F計(jì)算。3. 實(shí)際所采取的液壓(氣)缸驅(qū)動(dòng)力F實(shí)際大于F計(jì)算。考慮手爪的機(jī)械效率，一般取0.80.9。4）手爪的夾持誤差分析與計(jì)算機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手定位精度(由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件確定)，而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，必須注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù) (參見圖8) ，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。在機(jī)械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過±1mm就可以了。這就可以在滿足定位精度的條件下，采用簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)型手爪。而避免單純追求自動(dòng)定心，而使設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)過分復(fù)雜。現(xiàn)以常見的V形指夾持圓棒為例，分析工件尺寸的改變與夾持誤差之間的關(guān)系，同時(shí)還討論V形指的幾何尺寸的選擇與減小夾持誤差的關(guān)系。當(dāng)然手部最終的夾持誤差將決定于手部裝置加工精度和控制系統(tǒng)補(bǔ)償能力。1. 平移型手指的夾持誤差 平移型手指，工件直徑的變化不影響其軸心的位置（圖8），即理論夾持誤差為零。但是其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積較大，故一般應(yīng)用不多。圖8 平移型手指2. 單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的夾持誤差 圖9為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指分別夾持兩種半徑不同工件時(shí)的情形，其中：lAB為手指長(zhǎng)，即回轉(zhuǎn)點(diǎn)A到V形槽頂點(diǎn)B的距離；2為V形槽的夾角；為偏轉(zhuǎn)角，即V形槽的角平分線BC與手指AB間的夾角；R為工件半徑。圖9 單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指工件的軸心位置C與手爪的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)A間的距離X，以下式求出：為了看出半徑R的變化對(duì)x的影響，將土式簡(jiǎn)化為：或 此方程為雙曲裁方程。如圖10所示。圖10 工件半徑與夾持誤差關(guān)系曲線從圖10可以看出，當(dāng)工件半徑為R0時(shí)，X取最小值Xmin。又從上式可以求出：若工件的半徑Rmax變化到Rmin時(shí)，X值的最大變化量，即為夾持誤差，用表示。在設(shè)計(jì)時(shí)，希望按給定的Rmax和Rmin來確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長(zhǎng)手指長(zhǎng)度，但手指過長(zhǎng)，使其結(jié)構(gòu)增大;另一方面可選取合適的偏轉(zhuǎn)角，使夾持誤差最小，這時(shí)的偏轉(zhuǎn)角稱為最佳偏轉(zhuǎn)角。不難看出，只有當(dāng)工件的平均半徑Rcp取為R0時(shí)，夾持誤差最小。而此時(shí)最佳偏轉(zhuǎn)角s則為:工件直徑變化時(shí)手指夾持的夾持誤差，可采用以下方法解決:1)使手指支承桿長(zhǎng)度可調(diào)，指態(tài)可變。例如采用連桿夾持與凸輪組合的新型機(jī)構(gòu)，使夾持裝置和姿態(tài)得到控制。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn):在連桿上固定一凸輪;V形手指與支承桿的聯(lián)接是鉸接而不是固接;在V形手指與支承桿之間裝有調(diào)節(jié)桿。當(dāng)夾持器工作時(shí)，連桿通過凸輪驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)桿，使調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)度因端部滑槽運(yùn)動(dòng)而得到改變，從而使v形手指的偏轉(zhuǎn)角也隨之改變，只要計(jì)算求得的凸輪曲線方程滿足特定的關(guān)系式，即可保證指形夾角的中心線位置妒終保持不變，內(nèi)切圓保持同心，以消除夾持誤差。2)采用三指機(jī)構(gòu)，三個(gè)手指同時(shí)在半徑方向.伸縮運(yùn)動(dòng)，宛如三爪卡盤。3)用控制程序補(bǔ)償已知的夾持誤差使定位誤差趨于零。四、常用氣爪氣動(dòng)手指又名氣動(dòng)機(jī)械夾或氣動(dòng)夾指或者手指氣缸，是用壓縮空氣的軸向力轉(zhuǎn)為手指的橫向力，從而夾起或者抓起所需要完全能抓取的工件。氣動(dòng)機(jī)械夾起源于日本，現(xiàn)在已經(jīng)被我國輕工業(yè)普遍應(yīng)用。根據(jù)機(jī)械夾的樣式可以分為V型夾與U型夾（平等夾）兩種，一般常用缸徑有6mm，10 mm，16 mm，20 mm，32 mm，40 mm等。主要作用是夾取工作，多數(shù)都配合其它直線傳動(dòng)氣缸，或者旋轉(zhuǎn)氣缸一起使用，可以有效的提高生產(chǎn)效率，以及減少人工操作的危險(xiǎn)性。SMC氣動(dòng)手指目前在市場(chǎng)上最為多見。其它氣動(dòng)手指機(jī)械夾也比較常見。1）氣動(dòng)手指氣缸具有如下特點(diǎn)：1、外形緊湊，體積小，重量輕；安裝方式多樣可裝載在其它裝夾或氣缸上使用。2、動(dòng)作方式有雙作用與單作用，大部份的結(jié)構(gòu)以雙作用居多，可以實(shí)現(xiàn)雙向抓??；可自動(dòng)對(duì)中，重復(fù)精度高。3、抓取力矩恒定，以保證使用穩(wěn)定。4、氣爪樣式多樣，有兩爪，三爪，四爪；抓取方式有平行開閉型，支點(diǎn)開閉型，圓柱型爪體等多種氣爪樣式與開閉形式。5、裝載磁性開關(guān)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制6、可適用特殊環(huán)境下使用。2）氣動(dòng)手指氣缸主要類型與型號(hào)1. 平行開閉型氣爪平行氣爪的手指氣缸是通過兩個(gè)活塞動(dòng)作的，每一活塞由一個(gè)滾輪和一個(gè)雙曲炳與氣功手指相連，形成一個(gè)特殊的驅(qū)動(dòng)單元。實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)手指總是軸向?qū)π囊苿?dòng)，每個(gè)手指是不能單獨(dú)移動(dòng)的。如果手指反向移動(dòng)，則先前受壓的活塞處于排氣狀態(tài)，而另一個(gè)活塞處于受壓狀態(tài)。主要有平行軌道式氣爪與寬形平行開閉型氣爪。1、雙曲炳 2、滾輪 2. 支點(diǎn)開閉形-Y形氣爪Y形夾爪的活塞桿上有一個(gè)環(huán)槽，由于手指耳軸與環(huán)形槽相連，因而手指可同時(shí)移動(dòng)且居中對(duì)中，并確保抓取力矩始終恒定。主要有C形開閉氣爪和凸輪式180度開閉氣爪。3、環(huán)形槽 4、耳軸 5、環(huán)形槽（3條） 6驅(qū)動(dòng)輪 7環(huán)形槽 8、曲柄3. 旋轉(zhuǎn)夾爪如圖（c）所示旋轉(zhuǎn)夾爪的動(dòng)作是按照齒條的嚙合原理工作的，活塞與一根可以上下移動(dòng)的軸固定在一起，軸的末端有三個(gè)環(huán)形槽，這些槽與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的嚙合。因而，氣動(dòng)手指可同時(shí)移動(dòng)并自動(dòng)對(duì)中，齒輪齒條原理確保了抓取力度始終恒定。4. 圓柱形爪體的氣爪圓柱形爪體的氣爪有兩爪，三爪和四爪；楔形凸輪結(jié)構(gòu)可增加夾持力；可自動(dòng)對(duì)中，重復(fù)精度高。活塞上有一個(gè)環(huán)形槽，每一個(gè)曲柄與一個(gè)氣功手指相連，活塞運(yùn)動(dòng)能馬上驅(qū)動(dòng)三個(gè)曲柄動(dòng)作，因而可控制三個(gè)手指同時(shí)打開和合攏。專心-專注-專業(yè)