張立軍，趙永瑞，相恒富

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580)

機(jī)器人由于延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦的功能，因此可以代替人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境下的工作。工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)中最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是手部［1－3］。手部，也叫末端執(zhí)行器，是裝在機(jī)器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件，由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置和支架組成，如圖1所示。然而現(xiàn)有的搬運(yùn)或碼垛類機(jī)器人手部存在結(jié)構(gòu)較為單一、材料利用率不高及適用范圍較小等問題，很難采用一套主結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀和不同尺寸工件的可靠夾持。為此，作者提出將機(jī)器人手部設(shè)計(jì)成可替換形式，并將機(jī)器人結(jié)構(gòu)中手指和連桿之間做成燕尾槽接口連接。該機(jī)構(gòu)不但能節(jié)約材料，節(jié)省更換時(shí)間，增加效率，而且制造也容易。

圖1 夾鉗式機(jī)器人手部的構(gòu)成

1 機(jī)器人手部的組成及工作原理

該可替換式單關(guān)節(jié)機(jī)器人柔性手部主要由液壓缸、固定支架、連桿、(可替換式)手指等組成。圖2 是柔性手部的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3 是柔性手部及其手指的三維示意圖。

圖2 柔性手部的結(jié)構(gòu)示意圖

在圖2 中，以?shī)A持圓柱形物體的機(jī)械手為例。該機(jī)械手設(shè)計(jì)是采用兩個(gè)手指，手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)安裝在固定支架上的液壓缸驅(qū)動(dòng)活塞桿向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞桿拉動(dòng)圓柱銷和連桿使手指閉合，從而夾緊工件;當(dāng)液壓缸驅(qū)動(dòng)使活塞桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞桿拉動(dòng)圓柱銷和連桿使手指張開，從而松弛工件。機(jī)器人手指的更換主要通過連接處的燕尾槽連接，因此在設(shè)計(jì)手指時(shí)只需為其設(shè)計(jì)相應(yīng)的燕尾槽接口即可方便更換手指，以滿足對(duì)不同形狀工件的夾持要求，節(jié)省更換時(shí)間，增加工作效率。同時(shí)可根據(jù)不同工件的形狀要求，及時(shí)設(shè)計(jì)并制作出相應(yīng)的手指進(jìn)行更換，以滿足高效生產(chǎn)要求。

圖3 柔性手部及及其手指的三維示意圖

圖3 中，通過改變機(jī)器人手指的形狀來滿足不同工件的夾持要求，主要設(shè)計(jì)了3 種夾持方案:第一種是球體夾持手指，所采用的是手指2，可以完成生產(chǎn)過程中對(duì)球體類工件的夾持任務(wù);第二種是立方體夾持手指，所采用的是手指3，以完成對(duì)立方體類工件的夾持任務(wù);第三種是圓柱體夾持手指，所采用的是手指1，用來完成對(duì)圓柱體類工件的夾持任務(wù)。

該機(jī)構(gòu)采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，只要通過控制液壓缸活塞桿的行程，即可根據(jù)不同形狀工件的夾緊力需求設(shè)置合適的活塞桿行程，進(jìn)而控制夾持裝置的開合狀態(tài)，以提供不同的夾緊力來滿足對(duì)工件的夾持要求。

2 機(jī)器人手部夾緊力的計(jì)算

假定機(jī)器人手部最大抓取質(zhì)量為50 kg，其夾角為φ 為45°。根據(jù)工作位置和工作環(huán)境的需要，結(jié)構(gòu)狀態(tài)如圖4所示，a=150 mm，b=153 mm。

圖4 機(jī)器人手部相關(guān)尺寸圖

手部夾持裝置采用碳鋼制造，其摩擦因數(shù)取μ =0.16，重力加速度g =9.8 N/kg，夾緊時(shí)由力學(xué)關(guān)系可以得到公式:2F×μ=mg，進(jìn)而得到夾緊力

根據(jù)夾緊力及驅(qū)動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，選擇驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)力為3 123.75 N。

3 機(jī)器人手部中連桿的應(yīng)力分析

機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)中連桿是比較重要的部件，它一方面?zhèn)鬟f夾緊力，另一方面還起著支撐與平衡某些零部件的作用，因此對(duì)設(shè)計(jì)后的連桿進(jìn)行應(yīng)力分析是十分必要的。采用SolidWorks 軟件建立連桿組件(包含相應(yīng)的連接件)的三維模型，并對(duì)連桿組件進(jìn)行有限元數(shù)值分析，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 連桿應(yīng)力分析圖

由圖5 可知:在現(xiàn)有連桿尺寸下，連桿的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

(1)機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)中手指與連桿之間采用燕尾槽連接方式，連桿上燕尾槽的尺寸是固定的，不同形狀與尺寸的手指時(shí)只需具有相匹配的燕尾槽接口就能方便更換，以滿足對(duì)不同工件的夾持要求。

(2)主要設(shè)計(jì)了3 種夾持方案:第一種是球體夾持手指，可以滿足生產(chǎn)過程中對(duì)球體類工件的夾持任務(wù)的要求;第二種是立方體夾持手指，以完成對(duì)立方體類工件的夾持任務(wù);第三種是圓柱體類夾持手指，用來完成對(duì)圓柱體類工件的夾持任務(wù)。

(3)經(jīng)驗(yàn)證:在現(xiàn)有連桿尺寸下，連桿的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

【1】李云江.機(jī)器人概論［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

【2】劉極峰，易際明.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

【3】李團(tuán)結(jié).機(jī)器人技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

【4】張玉茹，李繼婷，李劍鋒.機(jī)器人靈巧手——建模、規(guī)劃與仿真［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

【5】王立權(quán)，陳東良，陳凱云.機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

【6】楊亮.空間機(jī)器人抓獲手抓的研究［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2008.

【7】熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)［M］.武漢:華中理工大學(xué)出版社，1996.