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1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上機器人機械手爪綜述目 錄工業(yè)機器人的手部(亦稱機械爪或抓取機構)是用來直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同，所以工業(yè)機械手的手部結構是多種多樣的，大部分的手部結構是根據特定的工件要求而設計的。常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類。夾持類常見的主要有夾鉗式，此外還有鉤托式和彈簧式。夾持類手部按其手指夾持工件時的運動方式，可分為手指回轉型和手指平移型兩種，如圖1所示。吸附類中，有氣吸式和磁吸式。a)回轉型內撐式 b)回轉型外夾式 c)平移型外夾式 d)鉤托式 e)彈簧式 f)氣吸式 g)磁吸式圖1 機械
2、爪類型夾鉗式手部是由手指、傳動機構和驅動裝置三部分組成的，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取軸、盤、套類零件。一般情況下，多采用兩個手指，少數采用三指或多指。驅動裝置為傳動機構提供動力，驅動源有液壓、氣動和電動等幾種形式。常見的傳動機構往往通過滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機構實現夾緊或松開。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，適于夾持平板、方料。在夾持直徑不同的圓棒時，不會引起中心位置的偏移。但這種手指結構比較復雜、體積大，要求加工精度高?；剞D型手指的張開閉合靠手指根部(以樞軸支點為中心)的回轉運動來完成。樞軸支點為一個的，稱為單支點回轉型；為兩個的，稱為雙支點回轉型。這種手指結
3、構簡單，形狀小巧，但夾持不同工件會產生夾持定位偏差。 a)單支點回轉型 b)雙支點回轉型 C）平移型(平直指)圖2 回轉型和平移型手指一、夾鉗式手部設計的基本要求1. 應具有適當的夾緊力和驅動力。手指握力(夾緊力)大小要適宜，力量過大則動力消耗多，結構龐大，不經濟，甚至會損壞工件;力量過小則夾持不住或產生松動、脫落。在確定握力時，除考慮工件重量外，還應考慮傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件夾持安全可靠。而對手部的驅動裝置來說，應有足夠的驅動力。應當指出，由于機構傳力比不同，在一定夾持力條件下，不同的傳動機構所需驅動力的大小是不同的。2. 手指應具有一定的開閉范圍。手指應具有足夠的
4、開閉角度(手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度)或開閉距離(對平移型手指從張開到閉合的直線移動距離)，以便于摘取或退出工件。3. 應保證工件在手指內的夾持精度。應保證每個被夾持的工件，在手指內都有準確的相對位置。這對一些有方位要求的場合更為重要，如曲拐、凸輪軸一類復雜的工件，在機床上安裝的位置要求嚴格，因此機械手的手部在夾持工件后應保持相對的位置精度。4. 要求結構緊湊、重量輕、效率高在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。5. 應考慮通用性和特殊要求一般情況一下，手部多是專用的，為了擴大它的使用范圍，提高它的通用化程度，以適應夾持不同尺寸和形狀的工件需要，
5、通常采取手指可調整的辦法。如更換手指甚至更換整個手部。此外，還要考慮能適應工作環(huán)境提出的特殊要求，如耐高溫、耐腐蝕、能承受鍛錘沖擊力等。二、典型機械爪結構1）回轉型1. 滑槽杠桿式。圖3為常見的滑槽杠桿式手部結構。在杠桿3作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1、F2，其力的方向垂直于滑槽的是中心線OO1和OO2并指向O點，F1和F2的延長線交O1 O2于A及B。1一手指 2一銷軸 3一杠桿圖3 滑槽杠桿式手部結構、受力分析由 Fx=0 得 F1=F2由 Fy=0 得 F1=F2cos由MO1=0 得 F1h=FNb 最后可得： F=2bacos2
6、FN （2-1）式中 a手指的回轉支點到對稱中心線的距離； b工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點連線間的夾角。由式（2-1）可知，當驅動力F一定時，角增大，則握力FN也隨之增加，但角過大會導致拉桿的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使結構加大，因此建議=3040。2. 連桿杠桿式。圖4為連桿杠桿式手部結構，作用在拉桿3上的驅動力為F，兩連桿2對拉桿的反作用力為F1、F2，其方向沿連桿兩鉸鏈中心的連線，指向O點并與水平方向成角。1一調整墊片指 2一連桿 3一拉桿圖4 連桿杠桿式手部結構、受力分析通過分析可得： F=2bctanFN (2-2) 由式(2-2)可知，若結構尺寸c、b和驅動力F
7、一定時，握力FN與角正切成反比。顯然當角小時，可獲得較大的握力。當=0時，是使手指閉合到最小的位置，即為自鎖位置，這時如果撤去驅動力，工件也不會自行脫落。若拉桿再向下移動，則手指反而會松開，為了避免出現上述情況，對于不同規(guī)格尺寸的工件可以更換手指。如果工件允許少量的尺寸變化時，可更換調整墊片1，使夾緊工件后0。2）移動型1. 簡單移動型簡單移動型即兩手指相對支座作往復移動。如圖5所示，其驅動力為： F=2FN （2-3）圖5 簡單移動型手部結構、受力分析2. 平面平行移動型平面平行移動型，如圖6所示。若拉桿5的驅動力為F，兩連桿4、6對拉桿的反作用力F45=F65，經分析可得： 1手指 2、3
8、、4、6連桿 5拉桿圖6 平面平行移動盈手部結構同樣可推出各類運動型式的機構的驅動力如表1。表1 各種機械爪傳動機構一覽表表1 各種機械爪傳動機構一覽表（續(xù)）三、夾鉗式手部的計算與分析1）夾緊力的計算手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據。必須對其大小、方向和作用點進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產生的載荷(慣性力或慣性力矩)，以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按下式計算： （3-1）式中 K1安全系數，通常取1.22.0； K2工作情況系數，主要考慮慣性力的影響。K2可近似按下式估算 其中 g重力加速度；a運載工件時重力
9、方向的最大上升加速度； vmax運載工件時重力方向的最大上升速度；t響 系統(tǒng)達到最高速度的時間；根據設計參數選取。一般取0.030.5s。K3方位系數，根據手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定。按表2選取。G被抓取工件所受重力(N)。表2 夾緊力的方位系數手指與工件位置手指與工件形狀平直指端夾方形件V形指端夾圓形件手指水平放置；夾水平放置工件手指水平放置；夾水平懸臂放置工件手指水平放置；夾垂直放置工件手指垂直放置；夾水平放置工件手指垂直放置；夾垂直放置工件2）夾緊缸驅動力計算1. 夾緊裝置 夾緊裝置是使手爪開、閉動作的動力裝置。其動力源可以是液壓或氣動。圖7是夾緊裝置的三種結構型式的原
10、理示意圖。手爪殼和缸殼連成一體，當壓力油(或壓縮空氣)從液壓缸右邊油管進油時，活塞桿向左運動，推動手爪閉合;當壓力油從液壓缸左邊進油時，拉動手爪張開。圖7 夾緊裝置原理圖圖7所示缸的拉力(或推力)(N)為:式中 D活塞直徑（m）； d活塞桿直徑（m）； p驅動壓力（Pa）。圖7b所示，由壓縮彈簧使爪牙張開，稱之為常開式夾緊裝置。圖7c所示，壓縮彈簧使手爪閉合夾住工件，稱之為常閉式夾緊裝置。2. 各種夾緊裝置驅動力計算手爪的結構很多，在設計和確定手爪的結構方案時，一方面應根據實際要求選取具體的結構，另一方面必須進行力的分析，以便在設計選取時進行比較，才能正確選擇手爪結構方案，確定各構件的尺寸，以
11、滿足夾持工件的具體要求。設計者可根據表1所列的機構進行選取。3）計算步驟1. 首先根據對機械手的工藝及設計要求確定安全系數K1;計算出最大加速度，確定工作情況系數K2，根據手爪夾持方位從表2查出方位系數K3，求出夾緊力FN 。2. 根據手爪的結構方案，由表1查出驅動力的計算公式，求出液壓(氣)缸應具有的驅動力F計算。3. 實際所采取的液壓(氣)缸驅動力F實際大于F計算?？紤]手爪的機械效率，一般取0.80.9。4）手爪的夾持誤差分析與計算機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手定位精度(由臂部和腕部等運動部件確定)，而且也與手指的夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生
12、產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，一避免產生手指夾持的定位誤差，必須注意選用合理的手部結構參數 (參見圖8) ，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內。在機械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過1mm就可以了。這就可以在滿足定位精度的條件下，采用簡單的回轉型手爪。而避免單純追求自動定心，而使設計出的結構過分復雜?，F以常見的V形指夾持圓棒為例，分析工件尺寸的改變與夾持誤差之間的關系，同時還討論V形指的幾何尺寸的選擇與減小夾持誤差的關系。當然手部最終的夾持誤差將決定于手部裝置加工精度和控制系統(tǒng)補償能力。1. 平移型手指的夾持誤差 平移型手指，工件直徑的變化不影響其軸心的位置（圖8），即理論夾持誤
13、差為零。但是其結構比較復雜，體積較大，故一般應用不多。圖8 平移型手指2. 單支點回轉型手指的夾持誤差 圖9為單支點回轉型手指分別夾持兩種半徑不同工件時的情形，其中：lAB為手指長，即回轉點A到V形槽頂點B的距離；2為V形槽的夾角；為偏轉角，即V形槽的角平分線BC與手指AB間的夾角；R為工件半徑。圖9 單支點回轉型手指工件的軸心位置C與手爪的回轉支點A間的距離X，以下式求出：為了看出半徑R的變化對x的影響，將土式簡化為：或 此方程為雙曲裁方程。如圖10所示。圖10 工件半徑與夾持誤差關系曲線從圖10可以看出，當工件半徑為R0時，X取最小值Xmin。又從上式可以求出：若工件的半徑Rmax變化到R
14、min時，X值的最大變化量，即為夾持誤差，用表示。在設計時，希望按給定的Rmax和Rmin來確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長手指長度，但手指過長，使其結構增大;另一方面可選取合適的偏轉角，使夾持誤差最小，這時的偏轉角稱為最佳偏轉角。不難看出，只有當工件的平均半徑Rcp取為R0時，夾持誤差最小。而此時最佳偏轉角s則為:工件直徑變化時手指夾持的夾持誤差，可采用以下方法解決:1)使手指支承桿長度可調，指態(tài)可變。例如采用連桿夾持與凸輪組合的新型機構，使夾持裝置和姿態(tài)得到控制。其結構特點:在連桿上固定一凸輪;V形手指與支承桿的聯接是鉸接而不是固接;在V形手指與支承桿之間裝有調節(jié)桿。當夾
15、持器工作時，連桿通過凸輪驅動調節(jié)桿，使調節(jié)桿長度因端部滑槽運動而得到改變，從而使v形手指的偏轉角也隨之改變，只要計算求得的凸輪曲線方程滿足特定的關系式，即可保證指形夾角的中心線位置妒終保持不變，內切圓保持同心，以消除夾持誤差。2)采用三指機構，三個手指同時在半徑方向.伸縮運動，宛如三爪卡盤。3)用控制程序補償已知的夾持誤差使定位誤差趨于零。四、常用氣爪氣動手指又名氣動機械夾或氣動夾指或者手指氣缸，是用壓縮空氣的軸向力轉為手指的橫向力，從而夾起或者抓起所需要完全能抓取的工件。氣動機械夾起源于日本，現在已經被我國輕工業(yè)普遍應用。根據機械夾的樣式可以分為V型夾與U型夾（平等夾）兩種，一般常用缸徑有6
16、mm，10 mm，16 mm，20 mm，32 mm，40 mm等。主要作用是夾取工作，多數都配合其它直線傳動氣缸，或者旋轉氣缸一起使用，可以有效的提高生產效率，以及減少人工操作的危險性。SMC氣動手指目前在市場上最為多見。其它氣動手指機械夾也比較常見。1）氣動手指氣缸具有如下特點：1、外形緊湊，體積小，重量輕；安裝方式多樣可裝載在其它裝夾或氣缸上使用。2、動作方式有雙作用與單作用，大部份的結構以雙作用居多，可以實現雙向抓取；可自動對中，重復精度高。3、抓取力矩恒定，以保證使用穩(wěn)定。4、氣爪樣式多樣，有兩爪，三爪，四爪；抓取方式有平行開閉型，支點開閉型，圓柱型爪體等多種氣爪樣式與開閉形式。5、
17、裝載磁性開關可實現自動化的控制6、可適用特殊環(huán)境下使用。2）氣動手指氣缸主要類型與型號1. 平行開閉型氣爪平行氣爪的手指氣缸是通過兩個活塞動作的，每一活塞由一個滾輪和一個雙曲炳與氣功手指相連，形成一個特殊的驅動單元。實現氣動手指總是軸向對心移動，每個手指是不能單獨移動的。如果手指反向移動，則先前受壓的活塞處于排氣狀態(tài)，而另一個活塞處于受壓狀態(tài)。主要有平行軌道式氣爪與寬形平行開閉型氣爪。1、雙曲炳 2、滾輪 2. 支點開閉形-Y形氣爪Y形夾爪的活塞桿上有一個環(huán)槽，由于手指耳軸與環(huán)形槽相連，因而手指可同時移動且居中對中，并確保抓取力矩始終恒定。主要有C形開閉氣爪和凸輪式180度開閉氣爪。3、環(huán)形槽 4、耳軸 5、環(huán)形槽（3條） 6驅動輪 7環(huán)形槽 8、曲柄3. 旋轉夾爪如圖（c）所示旋轉夾爪的動作是按照齒條的嚙合原理工作的，活塞與一根可以上下移動的軸固定在一起，軸的末端有三個環(huán)形槽，這些槽與兩個驅動輪的嚙合。因而，氣動手指可同時移動并自動對中，齒輪齒條原理確保了抓取力度始終恒定。4. 圓柱形爪體的氣爪圓柱形爪體的氣爪有兩爪，三爪和四爪；楔形凸輪結構可增加夾持力；可自動對中，重復精度高。活塞上有一個環(huán)形槽，每一個曲柄與一個氣功手指相連，活塞運動能馬上驅動三個曲柄動作，因而可控制三個手指同時打開和合攏。專心-專注-專業(yè)
機器人機械手爪綜述(共21頁)
