李 凱，張俊俊，劉滿祿，張 華

（西南科技大學(xué) 特殊環(huán)境機器人技術(shù)四川省重點實驗室，綿陽 621010）

制造軟件

兩指自適應(yīng)機械夾持器設(shè)計與研究

李 凱，張俊俊，劉滿祿，張 華

（西南科技大學(xué) 特殊環(huán)境機器人技術(shù)四川省重點實驗室，綿陽 621010）

隨著對機械夾持器的研究和使用的深入，夾持器逐漸往多功能、適應(yīng)性強、擬人化的方向發(fā)展。設(shè)計了一種機器人末端自適應(yīng)夾持器，該夾持器為基于單電機的欠驅(qū)動系統(tǒng)。利用欠驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點并通過機構(gòu)的設(shè)計，使其能夠在作業(yè)過程中根據(jù)被夾持的物體的形狀自動調(diào)整夾持器姿態(tài)，適應(yīng)不同形狀的被夾持件。利用Pro/E建立了夾持器的三維結(jié)構(gòu)模型，并導(dǎo)入ADAMS中建立虛擬樣機模型；然后對夾持器虛擬樣機模型進(jìn)行力學(xué)仿真分析，獲得夾持器的作業(yè)范圍以及可夾持重量的數(shù)據(jù)，并和實物樣機進(jìn)行對比，最終達(dá)到預(yù)期效果和目的。

自適應(yīng)機械夾持器；欠驅(qū)動；動力學(xué)仿真；虛擬樣機技術(shù)

0　引言

用于裝夾抓取物體的機械裝置稱為夾持器。夾持器多是模仿人手的部分動作，通過程序控制或者機械傳動進(jìn)行夾持動作。在機器人技術(shù)突飛猛進(jìn)，日新月異的今天，夾持器被廣泛裝載在機械臂、機器人以及其他機械設(shè)備上作為末端執(zhí)行單元。美國斯坦福大學(xué)研制的靈巧手Stanford/JPL，采用腱、滑輪傳動方式，其設(shè)計簡單，便于制造和控制。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所和德國宇航重心合作開發(fā)的HIT/DLR能像人手那樣抓取物體，甚至可以彈琴［10］。

通常情況下，大多數(shù)單電機驅(qū)動的夾持器由于結(jié)構(gòu)和電機控制等的限制，不能適應(yīng)被夾持的物體的形狀，使用環(huán)境受到限制，在工作務(wù)件下又難以立即更換其他夾持器［9］。本設(shè)計正是基于這種務(wù)件下，設(shè)計制造自適應(yīng)機械夾持器，可以適應(yīng)多種不同工件的夾持。本夾持器設(shè)計采用單電機驅(qū)動，本設(shè)計中的單電機機械夾持器屬于欠驅(qū)動系統(tǒng)，欠驅(qū)動系統(tǒng)是指系統(tǒng)的獨立控制變量個數(shù)小于系統(tǒng)自由度個數(shù)的一類非線性系統(tǒng)，欠驅(qū)動系統(tǒng)和完全驅(qū)動系統(tǒng)相比往往具有控制操作方便、減輕質(zhì)量、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點，現(xiàn)在成為研究熱點。在本設(shè)計中，欠驅(qū)動系統(tǒng)便于進(jìn)行整體的動力學(xué)分析和試驗。

本文用三維軟件對機械夾持器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并用ADAMS虛擬樣機軟件對夾持器進(jìn)行動力學(xué)仿真。在建立起實物模型之后在實驗室現(xiàn)有的一臺安川motoman MH6六自由度單臂工業(yè)機器人上進(jìn)行實物實驗。將虛擬樣機數(shù)據(jù)與實物樣機數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出實驗結(jié)論，驗證設(shè)計的合理性，達(dá)到預(yù)期的效果和目的，完成設(shè)計。

1　機械夾持器結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，自適應(yīng)機械夾持器由夾持部件，動力桿，底座，限位銷，自由桿，傳動桿，彈簧等組成。在其內(nèi)部由齒輪和電機等對機械夾持器系統(tǒng)進(jìn)行傳動。

單個加持爪機構(gòu)的自由度為：

機構(gòu)自由度F＞0，滿足具有相對運動的務(wù)件，本設(shè)計使用單電機驅(qū)動，因為自由度大于1，所以不具有確定的運動方向，必須設(shè)計機構(gòu)來限制其中一個自由度。因此在動力桿和自由桿之間添加彈簧，來保證在動力桿自由移動時帶動自由桿移動。同時為了限制手爪的運動范圍，防止夾持器在張開過程中無限制的運動，利用限位銷來進(jìn)行限位，在動力桿上裝有限位銷，來限定夾持器的最大張開范圍。

自適應(yīng)機械夾持器可以實現(xiàn)夾持器不同形狀物件的抓取，且自動根據(jù)被夾持物件的形狀調(diào)整夾持器的姿態(tài)，還可以對含有內(nèi)腔的物體進(jìn)行擴展抓取。在工作過程中，該夾持器通過直流電機把動力傳動給齒輪，齒輪帶動連桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)手爪的開合運動。中間連桿裝有彈簧，實現(xiàn)了在抓取不同形狀的物件時調(diào)整夾持器開合形狀，同時在彈簧的拉力或者壓縮的務(wù)件下，自由桿能隨著動力桿運動同步運動。

如圖2所示是夾持器在進(jìn)行自適應(yīng)夾持物件時的姿態(tài)。夾持器夾持圓球型物體，在夾持過程中，夾持器自由桿支撐被夾物體，夾持部件向內(nèi)閉合，卡住球體，從而達(dá)到夾持球體和圓柱體的目的。在夾持器夾持塊狀物體時，夾持部件與被夾持工件的輪廓線平行，即直接正向夾持物體。此時的夾持力最大，對物體產(chǎn)生的摩擦力最大，且能夾持住的面積最大，使得物體不會因為夾持力不足而產(chǎn)生下滑趨勢。夾持器在張開過程中可以對含有內(nèi)腔的物體形成擴張抓取功能，用兩個矩形塊代替內(nèi)腔物體被擴展時候的邊緣，此功能適合在夾持器直接夾取行程范圍不夠時，或者機器人機械臂作業(yè)空間有障礙物不方便被夾取時。

圖1　夾持器結(jié)構(gòu)示意圖

2　工作裝置的虛擬樣機分析

2.1模型建立及導(dǎo)入

本文采用Pro/E軟件對夾持器進(jìn)行三維建模，以Parasolid（*.x_t）格式將工作裝置三維模型導(dǎo)入ADAMS當(dāng)中，需在ADAMS里重新定義材料屬性?？紤]到機械夾持器要求使用環(huán)境是在機械臂上，對于機械臂的要求是盡量做到輕質(zhì)，定位精準(zhǔn)，所以夾持器仿真和制作材料選用航空鋁，因為航空鋁的強度和硬度大，且密度小，質(zhì)量輕。材料的綜合力學(xué)性能優(yōu)良。

對模型進(jìn)行約束定義，導(dǎo)入ADAMS中的夾持器虛擬樣機模型包括15個零件，對于沒有相對運動的零件，用固定副對其進(jìn)行約束，其余有相對運動的部件都采用轉(zhuǎn)動副進(jìn)行連接。因為機構(gòu)的自由度為2，所以必須在動力連桿和自由桿之間設(shè)置彈簧，來限制其中一個自由度，確定了兩個彈簧。因為在模型中沒有建立電機模型，因此對兩個動力連桿施加方向相反的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，因此有2個運動驅(qū)動。定義好約束的模型如圖3所示。

圖2　夾持器夾持不同物件時的姿態(tài)

圖3　定義約束的夾持器

2.2夾持器作業(yè)范圍仿真

機械夾持器的主要作業(yè)空間不但是衡量其性能好壞的重要指標(biāo)，而且也是夾持器虛擬樣機仿真與優(yōu)化設(shè)計的重要性能評估參數(shù)組成。本文在ADAMS中對夾持器的開合狀態(tài)進(jìn)行仿真，結(jié)合其工作原理，采取單電機正反轉(zhuǎn)動作的方式實現(xiàn)機械夾持器的開合動作，對動力桿上的旋轉(zhuǎn)副施加驅(qū)動，驅(qū)動函數(shù)采用step函數(shù)，定義夾持器的開合。對夾持器夾持部件頂部分別建立兩個Maker點，對其無夾持時進(jìn)行運動范圍進(jìn)行仿真分析，并用Adams/PostProcessor后處理得出夾持器夾持的物件范圍為0～80mm。

2.3夾持器最大夾持力計算仿真

機械夾持器的夾持能力也是其性能好壞的重要指標(biāo)，是夾持器虛擬樣機仿真與優(yōu)化設(shè)計的最重要參數(shù)組成。本文先對導(dǎo)入在ADAMS軟件的夾持器進(jìn)行仿真，得出仿真值，之后結(jié)合理論與其工作情況對其夾持性能進(jìn)行計算，得出夾持器夾持能力的估算值。在對物體進(jìn)行夾持時，在夾持力不變的情況下：

夾持器豎直夾持狀態(tài)下能夾持的物體的重量小于水平夾持時，為了使設(shè)計出來的夾持器能適用于各種務(wù)件下，所以選用豎直夾持狀態(tài)進(jìn)行仿真計算。

本設(shè)計中所選取電機為直流電機，電機扭矩為30kg·cm，轉(zhuǎn)速為5rpm，電壓24V。設(shè)計時應(yīng)考慮在電機輸出夾持力最小既夾持點離電機最遠(yuǎn)時所能夾持的工件質(zhì)量。

將已經(jīng)導(dǎo)入到ADAMS軟件中的模型定義材料屬性，添加完約束以及驅(qū)動的模型，在保持其他約束務(wù)件不變的務(wù)件下，將兩個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動改成扭矩，將扭矩大小定義成電機實際扭矩，30kg·cm。對其在三種狀態(tài)下的運動進(jìn)行仿真。

在夾持直邊物體時，首先建立接觸副，定義兩個夾持部件與被夾持物體之間的接觸分別為CONTACT_1和CONTACT_2，定義完所有約束之后進(jìn)行運動仿真。在仿真結(jié)束后進(jìn)入Adams/PostProcessor后處理軟件中讀取接觸力的大小。如圖4（a）所示，此時兩個接觸副的力既夾持器對工件的夾持力約為44.1N，在進(jìn)行正向夾持工件時，物體的受力情況如圖4（b）所示主要為：自身重力，夾持器的夾持力，夾持器產(chǎn)生的靜摩擦力。靜力學(xué)方程為：

式中：μ為鋁件與其他物體的摩擦因數(shù)，在三種情況下均選用鋁與鋼的摩擦系數(shù)0.3，代入式（3）算出在此種情況下夾持器能夾持的最小質(zhì)量為1.32kg。

圖4　夾持器夾持長方體物件的受力情況

在夾持圓形物體時，定義四個接觸副，定義兩個夾持部件與被夾持物體之間的接觸分別為CONTACT_1和CONTACT_2，另外兩個自由桿與被夾持物體之間的接觸定義為CONTACT_3和CONTACT_4，定義完所有約束之后進(jìn)行運動仿真。在仿真結(jié)束后進(jìn)入Adams/ PostProcessor后處理軟件中讀取接觸力的大小。如圖5（a）所示，此時接觸副1和2的力即自由桿對工件的夾持力約為37.3N，接觸副3和4對工件的夾持力既夾持部件對工件的力為10.5N，在進(jìn)行正向夾持器時，物體的受力情況如圖5（b）所示主要為：自身重力，自由桿對工件的夾持力，夾持部件對工件的夾持力，工件下滑趨勢產(chǎn)生的摩擦力f，兩個力相對于水平方向的夾角分別為α和β。靜力學(xué)方程為：

根據(jù)表中數(shù)據(jù)以及實際測量α=19°，β=22°，F(xiàn)1=37.3N，F(xiàn)2=10.5N。f靜摩擦力范圍從0～μmgsinα，代入式（4）算出G=19.3N，由此可得夾持器能夾持圓形物體的最小質(zhì)量為1.93kg。

圖5　夾持器夾持圓形物體時的受力情況

在對含內(nèi)腔直邊物體進(jìn)行抓取時，首先建立接觸副，定義兩個夾持部件與被擴展物體之間的接觸分別為CONTACT_1和CONTACT_2，定義完所有約束之后進(jìn)行運動仿真。在仿真結(jié)束后進(jìn)入Adams/PostProcessor后處理軟件中讀取接觸力的大小。如圖6（a）所示，此時夾持器對工件的夾持力約為35.9N，在進(jìn)行豎直狀態(tài)下擴展時，物體的受力情況如圖6（b）所示主要為：自身重力，夾持器的夾持力，與夾持器產(chǎn)生的靜摩擦力。靜力學(xué)方程為式（3），由式（3）算出在此種情況下夾持器能夾持的最小質(zhì)量為1.08kg。

在虛擬樣機仿真與理論計算中，在長方形，球體，擴展三種情況下得出的夾持重量的安全值分別為：1.32kg，1.93kg，1.08kg。

3　實物樣機試制及參數(shù)對比

在虛擬樣機仿真以及理論計算達(dá)到預(yù)期值之后，將對模型進(jìn)行零件圖繪制和加工裝配，將完成研制的機械夾持器實物樣機安裝在安川motoman MH6六自由度單臂工業(yè)機器人進(jìn)行實物實驗。

圖6　夾持器擴展物體時的受力情況

首先測試顯示夾持器在單電機的驅(qū)動下能運行順暢，可以實現(xiàn)仿真時的三種姿態(tài)。然后對其進(jìn)行重物夾持的測試，如圖7所示。對夾持器可以夾持重物的質(zhì)量進(jìn)行測量，夾持器可以夾持質(zhì)量為2.06kg的有直邊的物體，1.45kg的圓柱體或者球體，可以對1.22kg的物體進(jìn)行擴張。同時可以進(jìn)行夾取和物體的范圍為0～94mm。將實物樣機測試參數(shù)與虛擬樣機實驗參數(shù)進(jìn)行對比，如表1所示。

圖7　夾持器夾持實物狀態(tài)圖

表1　實物樣機和虛擬樣機參數(shù)對比

4　結(jié)論

設(shè)計了一種欠驅(qū)動兩指自適應(yīng)機械臂夾持器，用單電機驅(qū)動，齒輪傳動的方式進(jìn)行傳動，實現(xiàn)三種不同夾持狀態(tài)。首先用Pro/E軟件建立了夾持器的三維實體模型，將模型導(dǎo)入動力學(xué)仿真軟件ADAMS中，建立約束和運動服，進(jìn)行了動力學(xué)仿真分析以及力學(xué)計算，得到了機械夾持器的工作空間以及載重范圍，確定了自適應(yīng)機械夾持器的性能參數(shù)。達(dá)到預(yù)期之后試制出實物樣機，通過在現(xiàn)有工業(yè)機械臂上進(jìn)行實際得出實物樣機性能參數(shù)，將虛擬樣機參數(shù)和實物樣機參數(shù)進(jìn)行對比，得出計算正確，設(shè)計合理、符合前期設(shè)計要求的結(jié)論。為夾持器的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計、產(chǎn)業(yè)化推廣以及進(jìn)行三指自適應(yīng)欠驅(qū)動靈巧手的設(shè)計研究提供了一定的理論支持和指導(dǎo)意義。

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Design and research of two fingers adaptive mechanical gripper

LI Kai， ZHANG Jun-jun， LIU Man-lu， ZHANG Hua

TH12

A

1009-0134（2016）10-0039-05

2016-06-07

四川省科技支撐計劃項目（2015GZ0027）

李凱（1991 -），男，廣東興寧人，碩士研究生，研究方向為機械設(shè)計與虛擬樣機技術(shù)。