錢瀚翔

（南京市第十三中學(xué)，江蘇南京，210008）

1 旋轉(zhuǎn)手爪概述

旋轉(zhuǎn)手爪在接收到抓取工件信號(hào)后，按指定的路徑抓取物體，并要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)動(dòng)作[1]。旋轉(zhuǎn)手爪在抓取物體過程中，為了確保能夠準(zhǔn)確的抓住物體，這就要求旋轉(zhuǎn)手爪在開合時(shí)的張角應(yīng)盡可能的大，以提高旋轉(zhuǎn)手爪抓取物體的準(zhǔn)確性；此外，為保證旋轉(zhuǎn)手爪在抓取時(shí)不會(huì)因?yàn)槭肿Φ牟粎f(xié)調(diào)而導(dǎo)致被抓取的物體脫離，手爪也需具備同步性。旋轉(zhuǎn)手爪在結(jié)構(gòu)上具有一定的穩(wěn)定性，所選材料應(yīng)具備韌性和一定的硬度，以確保在運(yùn)輸途中不會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)手爪結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定與材料的損壞導(dǎo)致物體的脫落。另外，手爪在抓取到物體或物體因各種原因錯(cuò)誤脫落之后，應(yīng)通過傳感設(shè)備向控制中心反饋，從而繼續(xù)或者是終止后續(xù)的步驟。

1.1 應(yīng)用場(chǎng)景分析

旋轉(zhuǎn)手爪在許多高新產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用廣泛，尤其是在機(jī)器人和仿真領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)手爪就顯得必不可少。旋轉(zhuǎn)手爪雖然不像人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，得到了較為廣泛的運(yùn)用[2]。旋轉(zhuǎn)手爪在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各項(xiàng)功能中起到至關(guān)重要的作用，不僅提高了機(jī)器人的工作效率和工作質(zhì)量，而且還使機(jī)器人外觀與功能逐漸接近人類，所能完成的任務(wù)也越來越多。通過旋轉(zhuǎn)手爪我們不僅可以完成一些簡(jiǎn)單的抓取任務(wù)，就連工業(yè)上一些危險(xiǎn)的抓取任務(wù)，細(xì)小零件的精準(zhǔn)拾取，也可以通過旋轉(zhuǎn)手爪來實(shí)現(xiàn)。

1.2 類型形式

隨著機(jī)器人應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大，旋轉(zhuǎn)手爪也日益朝著智能化，類人化的方向發(fā)展。首先，在醫(yī)療方面，事故中斷手的殘疾人日益增多，因此對(duì)更加靈活，性能優(yōu)越的旋轉(zhuǎn)手爪的需求便逐漸增多。其次，近年來國(guó)內(nèi)許多地區(qū)都出現(xiàn)了用工短缺和勞動(dòng)成本上升的問題，所以旋轉(zhuǎn)手爪必須承擔(dān)起建筑材料的運(yùn)輸，各種建筑必需品的搬運(yùn)等最基礎(chǔ)的任務(wù)；旋轉(zhuǎn)手爪在工業(yè)上的作用也不可小覷，小到物品的運(yùn)輸，大到零件的加工與生產(chǎn)，都可以交給旋轉(zhuǎn)手爪實(shí)現(xiàn)。因此，旋轉(zhuǎn)手爪的使用范圍十分廣泛。

1.3 應(yīng)用前景

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人從80年開始起步，在國(guó)家的支持下，順利通過“七五”“八五”的科技革新，掌握了大部分機(jī)器人生產(chǎn)技術(shù)，但由于我國(guó)起步較晚，整體實(shí)力依然和外國(guó)有一定差距。就拿旋轉(zhuǎn)手爪來說，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)手爪精度不高，價(jià)格普遍較貴，因此旋轉(zhuǎn)手爪大都依靠外國(guó)進(jìn)口。更重要的是，我國(guó)至今仍未形成專門的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，技術(shù)還未成熟，缺少專業(yè)的人才，所以從整體上來看，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)依然有很大的提升空間，仍然需要不斷地刻苦鉆研與國(guó)內(nèi)外的機(jī)器人研究行業(yè)的頂尖人才的不懈努力[3]。

旋轉(zhuǎn)手爪在發(fā)展中，首先需要的就是精確性的提高。眾所周知，旋轉(zhuǎn)手爪工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，如何有效的減小和預(yù)測(cè)誤差便是未來手爪的發(fā)展趨勢(shì)。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)手爪的精度也會(huì)越來越高，那么它的應(yīng)用范圍也將更加廣泛，如醫(yī)療設(shè)備的運(yùn)輸，核工業(yè)，軍事工業(yè)等。不僅如此，隨著電子元件的發(fā)展，機(jī)電一體化也即將廣泛運(yùn)用，如果旋轉(zhuǎn)手爪具有一定的感應(yīng)功能，在未成功抓取時(shí)通過旋轉(zhuǎn)手爪內(nèi)部的敏感元件來做出反饋調(diào)節(jié)，重新調(diào)整手爪的位置以成功抓取物體，并通過手爪前部的壓力敏感元件控制力的大小，達(dá)到自動(dòng)控制的目的?？傊?，隨著科技的不斷進(jìn)步，旋轉(zhuǎn)手爪配合作業(yè)的能力也將大大提升，運(yùn)用范圍也將不斷擴(kuò)大。

2 機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)手爪可以看作一個(gè)模塊化的機(jī)械產(chǎn)品，因?yàn)榫哂幸话銠C(jī)械共有的三部分，即動(dòng)力源、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行端。對(duì)于旋轉(zhuǎn)手爪而言，其執(zhí)行端是手爪末端的夾爪，用來實(shí)現(xiàn)物料的抓取，動(dòng)力源是電機(jī)，需要進(jìn)行選型和安裝設(shè)計(jì)，而傳動(dòng)部分為旋轉(zhuǎn)手爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主體部分，選用的傳動(dòng)形式?jīng)Q定著手爪的性能和工作效率。

2.1 手爪的功能及需求分析

在實(shí)際生活中，旋轉(zhuǎn)手爪大多都應(yīng)用在手術(shù)室巡檢機(jī)器人、環(huán)境監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控、護(hù)士車的自主搬運(yùn)等方面。就拿對(duì)護(hù)士車的抓取來說，現(xiàn)在可以想到的有兩種形式：背負(fù)式和牽引式。背負(fù)式是指機(jī)器人鉆進(jìn)負(fù)載底下，啟動(dòng)自身的抬升裝置，從而將負(fù)載抬起從而實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)的一種運(yùn)輸方法。但背負(fù)式有一個(gè)很大的缺陷，就是在機(jī)器人啟動(dòng)自身的抬升裝置時(shí)，只要抬升的高度有一點(diǎn)點(diǎn)細(xì)微的差距，便會(huì)破壞整個(gè)搬運(yùn)物體的平衡性，使被搬運(yùn)物體產(chǎn)生一定的傾斜，十分不穩(wěn)定。而對(duì)于手術(shù)室巡檢機(jī)器人，這樣的運(yùn)輸方式顯然是不可取的，因?yàn)楸话徇\(yùn)的大多都是醫(yī)療器械，既危險(xiǎn)又容易破碎。但是牽引式就不同，牽引式只是給物體一個(gè)水平向前的拉力，并不會(huì)使之傾斜，所以我們對(duì)于護(hù)士車的搬運(yùn)是采用牽引式。

對(duì)護(hù)士車的抓取這個(gè)過程中只涉及手爪的抓取與松脫，所以我們只需要一個(gè)單自由度的夾爪即可。單自由度的夾爪可分為兩類，移動(dòng)式和旋轉(zhuǎn)式。移動(dòng)式指的是手爪的一端在直線上移動(dòng)從而帶動(dòng)手爪的張開與閉合，手爪活動(dòng)的范圍大大受到直線總長(zhǎng)的影響，但是機(jī)器人伸出去的手爪并不能做得太寬，所以移動(dòng)式有些不符合要求。旋轉(zhuǎn)式指的是手爪繞著兩個(gè)定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，通過齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)手爪的開合。相比之下，當(dāng)旋轉(zhuǎn)式和移動(dòng)式抓取幾率相等時(shí)，旋轉(zhuǎn)式所手爪占的體積較小，更適合小型的機(jī)器人。此外，智能機(jī)器人都有定位偏差，這個(gè)偏差在1cm左右浮動(dòng)，是現(xiàn)在技術(shù)所不能避免的，更何況我們?cè)趯?shí)現(xiàn)抓取時(shí)出于種種原因?qū)е率肿]有對(duì)準(zhǔn)的情況是很常見的，所以我們需要一個(gè)容錯(cuò)率較高的手爪。旋轉(zhuǎn)式手爪在抓取時(shí)手爪張開的角度比較大，故抓住的幾率也大大提高，雖然偏差避免不了，但是通過增大手爪抓住的幾率，也相當(dāng)于變相減少了誤差，因此選用容錯(cuò)率較高的旋轉(zhuǎn)手爪。

考慮到機(jī)器人是在醫(yī)院的走道中，穿越人群運(yùn)輸醫(yī)療用品，它的總體尺寸不能過于龐大，以免導(dǎo)致醫(yī)院里的交通堵塞，給醫(yī)院增添負(fù)擔(dān)。其次，從布局上看，旋轉(zhuǎn)手爪是安置在機(jī)器人的尾部的小凹槽中的，所以它的體積也不能過大，我們?cè)O(shè)定手爪的外形尺寸約為100×70×40mm。此外，抓取物體之后，如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)護(hù)士車的抓取和正常運(yùn)輸，夾爪的末端的保持力便必不可少。經(jīng)過實(shí)際的測(cè)量，我發(fā)現(xiàn)夾爪末端的保持力需在6N,才能保持穩(wěn)定的運(yùn)輸。對(duì)于物體的夾取，由于沒有時(shí)間上的限制，所以我們對(duì)轉(zhuǎn)速要求并不高。

2.2 不同機(jī)構(gòu)形式比較

考慮到機(jī)器人在醫(yī)院走廊這個(gè)交通比較擁擠的場(chǎng)所，所以整體尺寸應(yīng)較小，能夠盡量減少交通擁堵，同時(shí)也要具備一定的靈活性，能避讓行人。由此可見，機(jī)器人留給旋轉(zhuǎn)手爪的空間自然就很少，故不采用鏈傳動(dòng)或帶傳動(dòng)等規(guī)模較大傳動(dòng)形式。其次，為了防止旋轉(zhuǎn)手爪在抓取時(shí)不會(huì)因?yàn)槭肿Φ牟粎f(xié)調(diào)而導(dǎo)致被抓取的物體脫離或由于一部分手爪的未閉合而導(dǎo)致手爪的錯(cuò)位，所以兩邊的手爪應(yīng)該要有完全同步性。根據(jù)以上幾點(diǎn)，我們篩選出了兩種既不占用體積，又使得兩邊手爪具有完全同步性的傳動(dòng)方式：齒輪傳動(dòng)或蝸輪蝸桿傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)顧名思義，就是通過中心齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使兩端的手爪完成指定的運(yùn)動(dòng)。至于蝸桿傳動(dòng)，實(shí)際上是兩個(gè)軸線相互垂直的蝸輪和蝸桿之間的傳輸。電機(jī)帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸桿又帶動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)，從而使手爪轉(zhuǎn)動(dòng)，完成閉合。然而通過3D建模，我發(fā)現(xiàn)齒輪輪傳動(dòng)的確實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)手爪的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，但兩者方向相同，只能繞著同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，所以不能實(shí)現(xiàn)開合。而蝸輪蝸桿傳動(dòng)，既可以使得兩側(cè)夾爪具有完全同步性，同時(shí)又具有一定的自鎖性，在斷電時(shí)依然可以保持抓取的動(dòng)作，這便是不選齒輪的第一點(diǎn)原因。不僅如此，就傳動(dòng)比而言，根據(jù)公式可知，齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為齒輪的反比，因此若要在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)1:5的傳動(dòng)比，則需要滿足大齒輪直徑是小齒輪的5倍，這樣卻會(huì)使得齒輪體積過大，與實(shí)際需求的較小的尺寸相沖突，而蝸輪蝸桿傳動(dòng)比為頭數(shù)和輪齒數(shù)的比，因此傳動(dòng)比大且機(jī)構(gòu)整體體積也很小。

蝸輪蝸桿傳動(dòng)具有自鎖性，當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合齒輪的摩擦角時(shí)，只能通過蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。在醫(yī)療搬運(yùn)機(jī)器人拖拉小推車的過程中，即使突然斷電，電機(jī)停止工作，旋轉(zhuǎn)手爪也不會(huì)因此而將物體松開，而是依靠蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)保持抓取狀態(tài)。其次，蝸桿的反向自鎖性也可以起到安全保護(hù)作用，防止手爪被扳開，如圖1所示為蝸輪蝸桿實(shí)物圖。

圖1 蝸輪蝸桿實(shí)物圖

渦輪蝸桿傳動(dòng)中，蝸桿轉(zhuǎn)一圈時(shí)，蝸輪才轉(zhuǎn)過一個(gè)嚙齒的度數(shù)，大大提高了輸出扭矩，因此自身也可以充當(dāng)一個(gè)減速器，為其余元件的安裝省下空間，也減小了旋轉(zhuǎn)手爪的整體體積，更加適合體型較小的機(jī)器人。除此之外，蝸桿還具有結(jié)構(gòu)緊湊，承載力高、傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音很小等特點(diǎn)，適合在醫(yī)院這種安靜的場(chǎng)合下工作。

蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)也存在一些缺點(diǎn)，其傳動(dòng)效率很低，理論上只能達(dá)到60-70%。一些自鎖性較強(qiáng)的蝸桿效率更低，在實(shí)際操作時(shí)效率低于50%。相比之下，齒輪傳動(dòng)便具有效率上的優(yōu)勢(shì)，傳動(dòng)效率能達(dá)到90%，大大節(jié)省了能源的消耗。另外，渦輪蝸桿間相對(duì)滑動(dòng)速度大會(huì)使得嚙齒之間磨損嚴(yán)重，發(fā)熱嚴(yán)重，既降低了機(jī)械效率，又要求用一些價(jià)格較昂貴的耐摩擦且耐熱的金屬與相應(yīng)的潤(rùn)滑設(shè)備，因而成本較高[5]，而齒輪使用更為普遍，且價(jià)格低廉。

綜合考慮，雖然蝸輪蝸桿成本較高，機(jī)械效率偏低，但其具有較好的自鎖性、且占據(jù)體積小、能提供較大的扭矩，因此選擇蝸輪蝸桿傳動(dòng)形式。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

經(jīng)過對(duì)旋轉(zhuǎn)手爪的機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，選定了蝸輪蝸桿的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)形式，對(duì)手爪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行選型及安裝設(shè)計(jì)，其次對(duì)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建模分析，并對(duì)其他部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 電機(jī)的選型

考慮到使用電機(jī)的類型，由于尺寸小、需要的扭矩較低，因此選用直流電機(jī)。在電機(jī)選型時(shí)，需要考慮其整體尺寸和能夠提供的力矩，以及工作時(shí)的轉(zhuǎn)速要求。

3.2 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)分析

蝸輪蝸桿傳動(dòng)會(huì)造成一定的磨損，其失效形式主要是齒面膠合、點(diǎn)蝕和磨損。蝸輪與蝸桿間的相對(duì)滑動(dòng)很大，故齒面間的摩擦與摩擦產(chǎn)生的熱量很大。齒面膠合，是指當(dāng)齒輪持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于兩齒輪的相對(duì)滑動(dòng)，在齒輪表面撕成溝紋。點(diǎn)蝕又稱為孔蝕，是一種集中于金屬表面很小的范圍并深入到金屬內(nèi)部的腐蝕形態(tài)，一般直徑很小但是深度深。機(jī)械磨損是指兩相互接觸產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦表面之間的摩擦將產(chǎn)生組織機(jī)件運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力，引起機(jī)械能量的消耗并轉(zhuǎn)化而放出熱量，使機(jī)械產(chǎn)生磨損[6]。這三種失效形式通常發(fā)生在輪齒上，久而久之，會(huì)使得蝸輪嚙齒發(fā)生斷裂，引起機(jī)械故障。因此在設(shè)計(jì)過程中，通常選用既耐高溫又耐磨損且具有一定惰性的材料。對(duì)于微觀材料而言，其物理特性決定了其所能承受的力是有一定的限度的，選用的輪齒材料時(shí)也是如此?？紤]到齒輪的承載力有限，所以根據(jù)蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件，計(jì)算蝸桿傳動(dòng)的承載能力，以防止蝸輪因受力過大而大大加快侵蝕或者崩裂等造成的不必要的損壞。

3.3 其他結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)

前述對(duì)電機(jī)和蝸輪蝸桿進(jìn)行了選型和結(jié)構(gòu)分析，接下來需要對(duì)實(shí)際零件的固定與組裝進(jìn)行分析。手爪的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。首先是電機(jī)與渦輪蝸桿的固定，可以使用聯(lián)軸器進(jìn)行固定?？紤]到整體尺寸大小及降低成本，可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將電機(jī)輸出軸直接與蝸桿連接。蝸桿兩端需要進(jìn)行軸承的選型和安裝設(shè)計(jì)，其中軸承外圈固定在手爪外殼上，內(nèi)圈同轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。固定渦輪的轉(zhuǎn)軸上連接手爪末端夾爪，其通過軸上定位零件帶動(dòng)與蝸輪實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。為了對(duì)手爪進(jìn)行限位和定位，需要采用限位光電傳感器，并選用編碼器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行精確控制和反饋。

圖2 旋轉(zhuǎn)手爪的結(jié)構(gòu)模型

4 結(jié)論

通過對(duì)旋轉(zhuǎn)手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，可得到以下結(jié)論：

（1）手爪需要實(shí)現(xiàn)單自由度的開合功能，選用旋轉(zhuǎn)形式的手爪具有容錯(cuò)率高的特點(diǎn)，大大提高其工作穩(wěn)定性；

（2）蝸輪蝸桿能提供大扭矩，具備自鎖性，可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)夾爪的運(yùn)動(dòng)同步性，并且所占空間較小，噪聲較??；

（3）由電壓、轉(zhuǎn)速、扭矩及空間尺寸等因素進(jìn)行電機(jī)的選型，可通過編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的準(zhǔn)確控制；需采用限位傳感器實(shí)現(xiàn)手爪極限位置的標(biāo)定；

（4）手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮中心距、傳動(dòng)比、安裝方式等多重因素，實(shí)現(xiàn)空間的合理布置和零部件的完整固定。