趙海奇

（上海賽連信息科技有限公司西安分公司，陜西 西安 710000）

1 操作機(jī)器人機(jī)械手爪設(shè)計(jì)思路

1.1 機(jī)械手爪概述

由于涉及的工藝和設(shè)備較為復(fù)雜，操作機(jī)器人機(jī)械手爪設(shè)計(jì)具有一定難度，目前主要以機(jī)械手爪能否滿足工業(yè)生產(chǎn)要求、操作是否順暢和簡單、能否適應(yīng)外部環(huán)境變化等因素來判定其設(shè)計(jì)及應(yīng)用質(zhì)量是否合格[1]。為了確保操作機(jī)器人運(yùn)行質(zhì)量、效率、安全程度、穩(wěn)定程度，設(shè)計(jì)人員需要做好機(jī)械手爪設(shè)計(jì)工作，保證設(shè)計(jì)工藝和方案的科學(xué)性和合理性，通過機(jī)械手爪完成工件抓取及釋放作業(yè)。此外，機(jī)械手爪設(shè)計(jì)需要考慮操作機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境及工作任務(wù)，從而設(shè)計(jì)出符合操作機(jī)器人運(yùn)行情況的機(jī)械手爪。

1.2 機(jī)械手爪設(shè)計(jì)功能

操作機(jī)器人機(jī)械手爪夾緊力設(shè)計(jì)需要保持適中，確保能夠順利抓取和釋放工件，但是不會(huì)對工件造成破壞；機(jī)械手爪手指之間的移動(dòng)空間設(shè)計(jì)需要保持適中，確保手指張開的距離能夠大于或者等于抓取和釋放工件的最大直徑；設(shè)計(jì)時(shí)必須保證機(jī)械手爪的強(qiáng)度和剛度，確保在抓取和釋放工件的過程中不會(huì)由于工件及外界力量沖擊而出現(xiàn)工件破損等問題；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保機(jī)械手爪的靈活度，能結(jié)合抓取和釋放工件的直徑自主調(diào)節(jié)張開程度，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對心[2]；機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要合理，確保應(yīng)用性能及功能的同時(shí)，盡量縮小結(jié)構(gòu)空間。

1.3 模塊化設(shè)計(jì)原理

模塊化設(shè)計(jì)最早被應(yīng)用在家具設(shè)計(jì)中，后被廣泛應(yīng)用于機(jī)床等工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，具體指的是劃分產(chǎn)品功能及性能，基于劃分結(jié)果設(shè)計(jì)能夠滿足各個(gè)功能及性能的模塊，隨后將模塊合理組合配置起來，形成最終產(chǎn)品。操作機(jī)器人機(jī)械手爪屬于機(jī)械產(chǎn)品，由多個(gè)具備特定功能及性能的零部件和子系統(tǒng)構(gòu)成，不同零部件和子系統(tǒng)的功能及性能不同，組合在一起便能夠形成具備多功能及性能的產(chǎn)品。由于機(jī)械手爪各個(gè)子系統(tǒng)之間是相互協(xié)調(diào)、相互關(guān)聯(lián)的，所以可以按照模塊化設(shè)計(jì)方式，將機(jī)械手爪劃分不同模塊[3]。

2 操作機(jī)器人機(jī)械手爪設(shè)計(jì)流程

2.1 抓取單元模塊設(shè)計(jì)

抓取單元模塊為工件抓取和釋放的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到了整體操作機(jī)器人機(jī)械手爪應(yīng)用功能及性能?？紤]到大部分工業(yè)生產(chǎn)工件抓取及釋放作業(yè)需求，選擇電磁吸盤作為機(jī)械手爪操作設(shè)施，但是如果工件為金屬材質(zhì)，電磁吸盤處于通電狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生對工件的吸附作用，增加了夾具與工件的分離難度[4]。

為了避免上述問題，本次選擇同時(shí)應(yīng)用電磁吸盤、真空氣吸盤，因?yàn)檎婵諝馕P的吸附作用只針對接觸面，即只會(huì)產(chǎn)生對工件的吸附作用，對于夾具不會(huì)產(chǎn)生吸附作用，也就不會(huì)出現(xiàn)夾具與工件分離困難問題。但是電磁吸盤、真空氣吸盤結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定難度，需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合抓取和釋放工件直徑確定電磁吸盤、真空氣吸盤具體型號、外徑、吸附力、內(nèi)徑、供電方式等參數(shù)。考慮到操作機(jī)器人機(jī)械手爪對于外界環(huán)境的檢測和反饋需求，需要在抓取單元模塊設(shè)計(jì)增加接近傳感器，通過傳感器檢測外界環(huán)境信息和工件位置信息。當(dāng)抓取單元模塊不需要進(jìn)行工件抓取和釋放作業(yè)時(shí)，處于低電平狀態(tài)；當(dāng)需要進(jìn)行工件抓取和釋放作業(yè)時(shí)，處于高電平狀態(tài)。

總體來講，筆者設(shè)計(jì)的操作機(jī)器人機(jī)械手爪抓取單元模塊由接近傳感器、電磁吸盤、真空氣吸盤、安裝底板四部分構(gòu)成。電磁吸盤為中間具備通孔的環(huán)形結(jié)構(gòu)，通過螺釘與安裝底板相連，如圖1所示。真空氣吸盤安裝在電磁吸盤通孔位置處，應(yīng)用同軸安裝方式、螺釘與安裝底板相連；吸嘴安裝在電磁吸盤電磁鐵中心中空位置處，吸嘴最低安裝位置需要低于電磁吸盤下表面2 mm，吸嘴應(yīng)用的是彈簧結(jié)構(gòu)，能夠在工件抓取和釋放作業(yè)中保持與工件的緊密貼合，從而確保真空氣吸盤應(yīng)用效果。接近傳感器安裝在電磁吸盤周圍，通過螺釘與安裝底板相連。接近傳感器普遍應(yīng)用集成電路接近開關(guān)，具體分為常開型開關(guān)和常閉型開關(guān)兩種，常開型開關(guān)會(huì)在確定工件到達(dá)指定地點(diǎn)后出現(xiàn)信號輸出，否則信號便處于斷開狀態(tài)；常閉型會(huì)在確定工件到達(dá)指定地點(diǎn)后關(guān)閉信號輸出，否則信號便處于打開狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員結(jié)合工件抓取和釋放要求選擇集成電路接近開關(guān)類型，并且確定具體型號、檢測距離等參數(shù)。

圖1 抓取單元模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 手爪框架模塊設(shè)計(jì)

手爪框架模塊是操作機(jī)器人機(jī)械手爪的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，需要結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)需求、抓取和釋放工件類型確定抓取方式，一般應(yīng)用兩點(diǎn)抓取方式，即設(shè)計(jì)兩個(gè)手爪框架模塊以及相匹配的機(jī)械安裝接口、機(jī)械手臂接口、電氣接口，兩個(gè)手爪框架模塊接口之間的距離需要視抓取點(diǎn)距離而定[5]。

2.3 姿態(tài)微調(diào)模塊設(shè)計(jì)

在常規(guī)工件抓取和釋放作業(yè)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)工件不在一個(gè)平面上的情況，即存在一定角度差，但是普遍不會(huì)過大，一般在10°左右[6]?；谏鲜銮闆r，如果操作機(jī)器人機(jī)械手爪抓取單元模塊與手爪框架模塊應(yīng)用的是剛性連接方式，表示在工件抓取和釋放過程中，至少有一個(gè)手爪框架模塊與工件所處平面會(huì)存在角度差，導(dǎo)致手爪框架模塊不能實(shí)現(xiàn)與工件的完全貼合。這便會(huì)對電磁吸盤應(yīng)用性能造成影響，因?yàn)橄啾容^普通吸盤，電磁吸盤的磁力較大，對于抓取和釋放工件貼合度的要求較高，如果無法實(shí)現(xiàn)完全貼合，便會(huì)降低吸附作用。為了避免上述問題，本次選擇增加姿態(tài)微調(diào)模塊，從而調(diào)整手爪框架模塊與抓取和釋放工件貼合度。

首先考慮在姿態(tài)微調(diào)模塊設(shè)計(jì)中應(yīng)用萬向節(jié)，具體包括法蘭式萬向節(jié)（應(yīng)用法蘭連接方式）、軸式萬向節(jié)（應(yīng)用軸向連接方式）兩種。法蘭式萬向節(jié)具備良好的角度調(diào)整功能，但是規(guī)格較大，現(xiàn)階段規(guī)格最小法蘭式萬向節(jié)的直徑為80 mm，這可能超過了電磁吸盤外徑，所以存在無法應(yīng)用的可能性，因此不予應(yīng)用。軸式萬向節(jié)角度調(diào)整功能同樣較為良好，兩個(gè)萬向節(jié)交叉的極限角度可以達(dá)到90°，但是大部分工件抓取和釋放作業(yè)要求操作機(jī)器人機(jī)械手爪保持較為穩(wěn)定的姿態(tài)。即在機(jī)械手爪抓取單元模塊、機(jī)械手爪框架模塊與工件接觸之后，萬向節(jié)需要在力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)到特定角度，并且保持這一角度不變?，F(xiàn)階段軸式萬向節(jié)十字軸與節(jié)叉應(yīng)用的是間隙配合結(jié)構(gòu)，即十字軸與節(jié)叉連接且轉(zhuǎn)動(dòng)較為靈活，難以保持特定角度不變，可見軸式萬向節(jié)無法準(zhǔn)確完成工件抓取和釋放作業(yè)要求，因此不予應(yīng)用。

其次考慮在姿態(tài)微調(diào)模塊設(shè)計(jì)中應(yīng)用球頭關(guān)節(jié)軸承，具體包括自潤滑單桿型球頭關(guān)節(jié)軸承、直桿型球頭關(guān)節(jié)軸承兩種[7]。自潤滑單桿型球頭關(guān)節(jié)軸承最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為25°，直桿型球頭關(guān)節(jié)軸承最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為15°，并且可以在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生阻尼，均能夠滿足手爪框架模塊與抓取和釋放工件貼合度調(diào)整要求。但是在實(shí)際操作機(jī)器人機(jī)械手爪設(shè)計(jì)過程中，很難設(shè)計(jì)出可以滿足球頭關(guān)節(jié)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)需求的抓取單元模塊與手爪框架模塊，也無法實(shí)現(xiàn)球頭關(guān)節(jié)軸承與手爪框架模塊的有效連接，因此均不予應(yīng)用。

最后考慮在姿態(tài)微調(diào)模塊設(shè)計(jì)中應(yīng)用向心關(guān)節(jié)軸承，向心關(guān)節(jié)軸承承受軸向載荷、徑向載荷的能力相對較高，最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為12°，能夠滿足大部分手爪框架模塊與抓取和釋放工件貼合度調(diào)整要求。并且向心關(guān)節(jié)軸承可以在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生阻尼，還可以通過覆蓋阻尼脂的方式來增加阻尼，從而提高工件抓取和釋放的穩(wěn)定程度。

總體來講，筆者設(shè)計(jì)的操作機(jī)器人機(jī)械手爪姿態(tài)微調(diào)模塊設(shè)計(jì)應(yīng)用了向心關(guān)節(jié)軸承，設(shè)計(jì)人員結(jié)合工件抓取和釋放要求確定向心關(guān)節(jié)軸承具體型號、內(nèi)徑、最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度等參數(shù)，并且內(nèi)徑越大向心關(guān)節(jié)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)角度越小。向心關(guān)節(jié)軸承外圈套在軸承套中，通過軸承套與手爪框架模塊連接，向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈通過螺母與抓取單元模塊連接，向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈和外圈之間通過相對轉(zhuǎn)動(dòng)方式來被動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

2.4 抓取反饋模塊設(shè)計(jì)

抓取反饋模塊由實(shí)時(shí)信號處理模塊、接近傳感器兩部分構(gòu)成，具體來講，在工件抓取和釋放過程中，操作機(jī)器人機(jī)械手爪能夠通過接近傳感器檢測與工件之間的距離，判斷工件是否到達(dá)指定地點(diǎn)，當(dāng)確定之后，便會(huì)自動(dòng)發(fā)出高電平信號，通知抓取單元模塊調(diào)整為高電平狀態(tài)；隨后信號處理模塊能夠自動(dòng)將電磁鐵和電磁閥調(diào)整為通電狀態(tài)，從而為機(jī)械手爪完成工件抓取和釋放作業(yè)提供足夠的動(dòng)力，最終完成工件抓取和釋放作業(yè)。

抓取反饋模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對操作機(jī)器人機(jī)械手爪運(yùn)行流程、工件抓取和釋放作業(yè)流程的全過程監(jiān)督監(jiān)控，并且判斷一應(yīng)操作是否能夠順利完成，比如工件在抓取和釋放過程中是否出現(xiàn)意外掉落情況、工件是否被成功抓取和釋放、工件是否能夠被正常擺放等。一旦出現(xiàn)上述意外情況，抓取反饋模塊能夠自行判斷意外情況類型及發(fā)生原因，并且控制操作機(jī)器人機(jī)械手爪重新展開工件抓取和釋放作業(yè)，或者是直接發(fā)出警報(bào)，由操作人員檢查并解決具體故障[8]。

2.5 真空模塊設(shè)計(jì)

由于筆者設(shè)計(jì)的操作機(jī)器人機(jī)械手爪抓取單元模塊應(yīng)用了真空氣吸盤，為了真空氣吸盤實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行及應(yīng)用，便需要設(shè)計(jì)專門的真空模塊，在真空模塊下，真空氣吸盤才能夠通過生產(chǎn)加工現(xiàn)場氣壓動(dòng)力源獲得足夠的運(yùn)行及應(yīng)用能力[9]。

該操作機(jī)器人機(jī)械手爪真空模塊由電磁閥、真空發(fā)生器、氣泵三部分構(gòu)成。真空發(fā)生器由噴嘴、擴(kuò)張管兩部分構(gòu)成，與氣泵相連，當(dāng)氣泵中的壓縮空氣在供氣口位置處形成高速噴射氣流時(shí)，便會(huì)在排氣口形成射流，從而導(dǎo)致卷吸流動(dòng)現(xiàn)象；此時(shí)，排氣口周圍的空氣會(huì)以較為迅速的速度被抽吸掉，真空發(fā)生器內(nèi)腔壓力會(huì)下降，從而產(chǎn)生壓力差，真空發(fā)生器便會(huì)以較為迅速的速度將真空氣吸盤內(nèi)部的空氣抽吸掉，從而為真空氣吸盤完成工件吸附作業(yè)提供足夠的動(dòng)力，最終完成工件吸附作業(yè)。

3 操作機(jī)器人機(jī)械手爪應(yīng)用流程

筆者設(shè)計(jì)的操作機(jī)器人機(jī)械手爪應(yīng)用流程如下：判斷工件是否到達(dá)指定地點(diǎn)（是）、檢測工件直徑、根據(jù)工件直徑調(diào)整機(jī)械手爪張開程度、控制機(jī)械手爪前進(jìn)、控制機(jī)械手爪閉合、控制機(jī)械手爪后退、控制機(jī)械手爪回到初始位置；判斷工件是否到達(dá)指定地點(diǎn)（否）、控制機(jī)械手爪回到初始位置。通過上述流程，操作機(jī)器人機(jī)械手爪便能夠完成工件抓取和釋放作業(yè)[10]。

4 結(jié)束語

綜上所述，筆者在詳細(xì)分析機(jī)械手爪設(shè)計(jì)功能及模塊化設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，按照抓取單元模塊、手爪框架模塊、姿態(tài)微調(diào)模塊、抓取反饋模塊、真空模塊等作業(yè)流程，設(shè)計(jì)了一種操作機(jī)器人機(jī)械手爪，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人機(jī)械手爪的高質(zhì)量高效率應(yīng)用。仿真結(jié)果表明，筆者設(shè)計(jì)的機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)完整且簡明，能夠準(zhǔn)確抓取不同直徑的工件且較為穩(wěn)定，手指鉗口靈活度較高，整體質(zhì)量較輕，比較適合應(yīng)用在操作機(jī)器人設(shè)計(jì)及研究中。