徐明宏 梁鴻途 任碧航 王世龍 李牛

摘要：隨著社會經(jīng)濟和生產(chǎn)制造業(yè)的飛速發(fā)展，軟體手爪逐漸成為機器人技術領域的熱點研究對象，由于傳統(tǒng)機器人手爪與被抓對象之間一般存在剛性接觸，且市面上的軟體手抓也存在不同問題，如手爪姿態(tài)和張角不能調節(jié)、手爪自身機械強度不夠等。為實現(xiàn)對小型、易碎、不規(guī)則物體穩(wěn)定抓取的便捷，研究設計一種新式仿生軟體手爪，即多功能仿生手爪。該手爪采用新型結構，運用仿生夾取技術，可對不同規(guī)格的物品進行抓取，能有效提高工作效率，滿足不同的市場需求。

關鍵詞：軟體手爪;多功能;生產(chǎn)制造

1 引言

近年來，傳統(tǒng)工業(yè)機械手的相關技術已經(jīng)趨于成熟，其使用也不再局限于普通的工業(yè)環(huán)境，但由于其末端執(zhí)行器存在體積大、靈活性差、通用性差等諸多問題，導致很多輕型產(chǎn)業(yè)無法適用。機械手爪與加持對象需進行直接接觸，其性能好壞對機器人工作效率便有著至關重要的影響。隨著仿生技術以及材料技術的迅速發(fā)展，人們對仿生軟體機械手爪的研究興趣與投入越來越深入。軟體機械手爪憑借結構柔韌度高、自由度不同和連續(xù)變形能力等優(yōu)勢，得到了國內(nèi)外不同行業(yè)的廣泛關注。從應用領域區(qū)分，軟體抓持裝置可用在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療和服務等領域; 從結構形式上可分為多指抓握機械手、類章魚觸手的卷曲抓持裝置和基于負壓變形的薄膜抓持裝置; 從驅動方式分為流體驅動、繩索驅動和功能材料驅動[2]。機器人技術研究雖然只三十年的歷史，但卻顯示了旺盛的生命力。近年來，發(fā)達國家競相爭先，發(fā)展中國家急起直追，其根本原因正是在于機器人技術所具有的應用價值和特殊的研究意義，以及人們對機器人技術的深刻認識。應該看到，目前廣泛應用的機器人均采用傳統(tǒng)的機械傳動方式，其結構愈來愈復雜、龐大，精度要求也愈來愈高，從而其成本也很高。因此，尋求新的、簡單而有效的機構形式，已經(jīng)成為了國際化研究方向。

根據(jù)近年來國際機器人的發(fā)展情況，夾具的功能需求也越來越多樣化，為實現(xiàn)抓取的自由性和廣泛性，實現(xiàn)機器人技術在分揀、裝配上的進一步加強，各國已經(jīng)相繼開發(fā)并研究了新式仿生軟體手爪，軟體手爪相對于傳統(tǒng)手爪具有更好的發(fā)展趨勢，但存在一些問題，例如機械強度低、負載量小、使用壽命短等問題。為進一步加強、改善其存在的各種問題，項目設計提出了新式多功能仿生手爪，采用復合的結構以加強機械強度，進一步滿足產(chǎn)業(yè)體系及市場需求。

2 系統(tǒng)總體設計

多功能手爪的總體結構設計如圖1所示。

該夾具是一款具有適應特征的多功能仿生手爪，為實現(xiàn)抓取各類物品配有不同規(guī)格的爪體，可實現(xiàn)一爪多用、減少成本的優(yōu)點，方便于抓取易碎、小型以及不規(guī)則物體，可大幅度提高夾取的穩(wěn)定性與安全性，使被抓物體不被機械損壞，同時降低操作危險性。

（1）該手爪采用鉗形結構模擬鳥喙的夾取方式，類鉗形雙指可最大程度減少制造成本，鳥喙似的夾取方式可更好的傳導受力。爪體部分采用可旋轉的設計，使得指體與爪體連接在一起，爪體部分既可采用螺絲收緊（方便更換不同類型爪體）也可使用采用氣動旋轉接頭（更好的實現(xiàn)自動切換），指體部分裝于支座上與氣缸動作部位相連，支座內(nèi)部采用平行夾爪類型氣缸（或柱狀氣缸），動作原理模擬鳥喙抓取方式，并進一步提高器具性能，增強其適應能力。

（2）設計采用柔性材料構成爪體部分，由于軟體材料在機械強度上遠遠低于常規(guī)剛性材料，因此在指體部位使用剛性材料能更好的增加負載能力。軟體爪部分采用紋理手段加強與工件之間的摩擦，既可使夾爪與物品之間保持很好的柔性接觸，又能防止在使用過程中夾取的不規(guī)則形物體脫落。氣動部分可加入氣壓傳感器已達到調節(jié)氣壓的作用，接觸端通過壓力傳感器回復夾取信號，通過材料與氣壓緩沖等多重保險精準抓取力度，預防損壞被夾物體。

（3）其中采用氣動收縮設計，使傳動更加便捷、結構更加簡單，爪體可通過旋轉達成雙形抓取方式，爪體可進行替換，增加適應能力。軟體材料也可在不同的環(huán)境下采用不同的連接方式，可以滿足對各種類型的物品實施抓取，且進一步提高手爪自由度，滿足夾取時的不同需求。

（4）設計可通過PLC控制，運用指令段控制氣缸開合進行動作，搭配傳感器輸出信號加以模擬控制，編寫不同的程序可實現(xiàn)不同動作的多套夾取方式，例如模擬常用流水線裝配工作、汽車組裝等。人機結合的控制方式能進一步提升自動化性能。

3 硬件設計與實現(xiàn)

多功能仿生手爪通過模擬動物的行為和動作，能有效克服機械在協(xié)調、運動方面的種種

問題，使其動作更加流暢、標準。機械結構簡單，僅通過兩指形實現(xiàn)對物體的抓取，在降低成本的同時增強性能。傳動方式續(xù)用現(xiàn)階段熱門的氣動方式，傳動思路簡明清晰，相對電動機可減少占用空間和復雜程度，并留有一定的拓展性功能多變，可更換不同爪體，更替使用多種爪體可有效避免絕大多數(shù)問題，使之自由度大大提升，滿足“控制論”理論，奠定了手爪在使用上表現(xiàn)力及實用性，更好的模擬抓取過程。

3.1 外形結構

在此，夾具以仿生鳥喙夾具為基礎，同時結合材料及使用需求設計或改造結構特點，需

結合仿生以及機械構造進行分析。根據(jù)夾取對象的不同，尋找在動作和強度上的最優(yōu)路線。同時依據(jù)動作和功能需求的最優(yōu)值，將副抓手安裝至于最佳的位置，既不需要改變手爪傳統(tǒng)使用模式，又可以達到結構簡單、動作流暢的優(yōu)勢。在傳動裝置空間占比和造價之間擇優(yōu)選擇，完善改進其使用功能，使手爪真正的實現(xiàn)多功能易操作。

3.1機械組裝

由于近年來機械制造業(yè)的不斷發(fā)展，也帶動了機械夾具的發(fā)展進程。多功能仿生手爪在

基于普通夾具的基礎上增加功能爪手，以此來提高器具使用的多變性，因此需要合理的結構設計與組裝，若想達到通過改變末端動作和更換爪體的方式滿足功能需求，則一定要考慮夾裝位置、夾裝形式等多個條件。因此這里采用軸裝方式實現(xiàn)副手更換，最簡單直觀的方法是運用螺栓連接，并拓展附加氣動旋轉接頭的方式，使之可以實現(xiàn)自動90°旋轉的設計，但在裝配上需合理安排空間。

考慮到機械連接以及傳動方式，在此將使用solidworks進行機械結構建模，繪制組裝流程圖紙，并模擬夾取時的運動方式?？紤]到夾取時的受力問題，組裝過程中需要考慮材料機械強度以及如何緩沖夾取沖擊，因此考慮使用壓力傳感器及雙重緩沖的應對方式，對組裝要求更加嚴格，夾取的精準度與力度合理取舍，組裝方式可根據(jù)氣缸類型的不同分為兩種，如上圖所示。

3.2 傳動過程

在機械傳動中，考慮到多功能仿生夾具的夾取方式及便捷度，在此采用以氣壓傳動為主的傳動方式，滿足需求的同時大大提高通用性，需要用到氣泵、調壓閥、電磁閥等多種元件，在使用過程中通過連接氣路、改變氣壓實現(xiàn)開合信號傳遞，也可通過把控氣路的安裝調試以及壓力的最佳范圍來保證夾取力度，同時拓展研究一氣雙動的使用方式，力求于使爪體可通過單個氣缸實現(xiàn)動作，不僅能使夾具的操作更加簡易，還能進一步控制實現(xiàn)精準夾取。

4 系統(tǒng)控制方式

由于手爪常應用于生產(chǎn)制造業(yè)，因此控制方式需盡可能簡化，不僅適用于廣大客戶，同時也便于后期維修。

這里，多功能仿生手爪優(yōu)先可進行手動調試，通過對氣路的連通實現(xiàn)動作過程，人為更換抓手。還可通過嵌入式或PLC實現(xiàn)程序控制，在實現(xiàn)自動控制時需合理使用電磁閥，控制氣動部件合理進行動作，根據(jù)不同場合對手爪的動作方式不斷改善，并合理使用傳感器達到報警功能，同時解決對異常情況下報警的修復工作。通過改變PLC程序達到不同的控制方式，智能化選擇夾裝路線，實現(xiàn)自動型控制。

5 結論

機械手爪現(xiàn)階段在機械制造行業(yè)中應用較多，同時發(fā)展也很迅速。目前不僅可用于自動取放不同產(chǎn)品、加工中心、不同機床的上下料、運輸流水線行業(yè)對各類物品進行分揀，以及進行點焊、噴漆等作業(yè)，它不僅可以人為手動進行運作，還可按照事先給定的程序來完成規(guī)定的操作。機械手爪的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手，使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，相應的變更[5]。但此類機械手技術尚未成熟切不易于用于生產(chǎn)制造行業(yè)，機械手爪市場前景的開闊不僅僅為工業(yè)的制造生產(chǎn)帶來現(xiàn)代化的技術，且隨之而來的現(xiàn)代化管理模式也將大大改變企業(yè)的生機和活力。下一步將融合智能制造，拓展更多控制方式，升級轉型，使其在應用領域能大展風采。

參考文獻

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[3]方海峰，黃希，范紀華，陳立威，谷通順. 仿鳥喙微型氣動軟體機械手爪的設計及優(yōu)化[J]. 機械科學與技術.

[4]劉俊，楊新志，王云鋒.基于數(shù)值優(yōu)化的柱狀鑄件通用機械手爪設計及其運動仿真分析[J]. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新.2020（06）

[5]張穎，喬貴方，萬其，范中凱. 具有自適應能力的3指機械手爪的設計與實現(xiàn)[J].機械設計.2020（11）

基金項目：天津市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“多功能仿生手爪”（項目號：202110066087）