操作机器人机械手爪的设计研究及应用

苏瑞而 ,李世波

摘要：数字化与智能制造是中国传统制造业转型与升级的必然趋势，工业机器人作为未来无人工厂的核心环节必将迎来全新的发展机遇。目前，工业机器人在汽车及其零部件制造、模具加工、航空航天等许多领域获得了广泛应用，为人类创造了巨大的经济价值和社会效益。基于此，对操作机器人机械手爪的设计研究及应用进行研究，以供参考。

关键词：操作机器人；机械手爪；设计及应用

引言

由于涉及的工艺和设备较为复杂，操作机器人机械手爪设计具有一定难度，目前主要以机械手爪能否满足工业生产要求、操作是否顺畅和简单、能否适应外部环境变化等因素来判定其设计及应用质量是否合格。为了确保操作机器人运行质量、效率、安全程度、稳定程度，设计人员需要做好机械手爪设计工作，保证设计工艺和方案的科学性和合理性，通过机械手爪完成工件抓取及释放作业。此外，机械手爪设计需要考虑操作机器人整体结构、生产作业环境及工作任务，从而设计出符合操作机器人运行情况的机械手爪。

1机械手爪设计功能

操作机器人机械手爪夹紧力设计需要保持适中，确保能够顺利抓取和释放工件，但是不会对工件造成破坏；机械手爪手指之间的移动空间设计需要保持适中，确保手指张开的距离能够大于或者等于抓取和释放工件的最大直径；设计时必须保证机械手爪的强度和刚度，确保在抓取和释放工件的过程中不会由于工件及外界力量冲击而出现工件破损等问题；设计时应确保机械手爪的灵活度，能结合抓取和释放工件的直径自主调节张开程度，并实现自动对心；机械手爪结构设计需要合理，确保应用性能及功能的同时，尽量缩小结构空间。

2操作机器人机械手爪设计流程

2.1抓取单元模块设计

抓取单元模块为工件抓取和释放的执行结构，设计质量直接关系到了整体操作机器人机械手爪应用功能及性能。考虑到大部分工业生产工件抓取及释放作业需求，选择电磁吸盘作为机械手爪操作设施，但是如果工件为金属材质，电磁吸盘处于通电状态时会产生对工件的吸附作用，增加了夹具与工件的分离难度。为了避免上述问题，本次选择同时应用电磁吸盘、真空气吸盘，因为真空气吸盘的吸附作用只针对接触面，即只会产生对工件的吸附作用，对于夹具不会产生吸附作用，也就不会出现夹具与工件分离困难问题。但是电磁吸盘、真空气吸盘结合结构设计具有一定难度，需要设计人员结合抓取和释放工件直径确定电磁吸盘、真空气吸盘具体型号、外径、吸附力、内径、供电方式等参数。考虑到操作机器人机械手爪对于外界环境的检测和反馈需求，需要在抓取单元模块设计增加接近传感器，通过传感器检测外界环境信息和工件位置信息。当抓取单元模块不需要进行工件抓取和释放作业时，处于低电平状态；当需要进行工件抓取和释放作业时，处于高电平状态。

2.2姿态微调模块设计

在常规工件抓取和释放作业中，经常会出现工件不在一个平面上的情况，即存在一定角度差，但是普遍不会过大，一般在10°左右。基于上述情况，如果操作机器人机械手爪抓取单元模块与手爪框架模块应用的是刚性连接方式，表示在工件抓取和释放过程中，至少有一个手爪框架模块与工件所处平面会存在角度差，导致手爪框架模块不能实现与工件的完全贴合。这便会对电磁吸盘应用性能造成影响，因为相比较普通吸盘，电磁吸盘的磁力较大，对于抓取和释放工件贴合度的要求较高，如果无法实现完全贴合，便会降低吸附作用。为了避免上述问题，本次选择增加姿态微调模块，从而调整手爪框架模块与抓取和释放工件贴合度。在姿态微调模块设计中应用球头关节轴承，具体包括自润滑单杆型球头关节轴承、直杆型球头关节轴承两种。自润滑单杆型球头关节轴承最大转动角度为25°，直杆型球头关节轴承最大转动角度为15°，并且可以在转动过程中产生阻尼，均能够满足手爪框架模块与抓取和释放工件贴合度调整要求。但是在实际操作机器人机械手爪设计过程中，很难设计出可以满足球头关节轴承转动需求的抓取单元模块与手爪框架模块，也无法实现球头关节轴承与手爪框架模块的有效连接，因此均不予应用。在姿态微调模块设计中应用向心关节轴承，向心关节轴承承受轴向载荷、径向载荷的能力相对较高，最大转动角度为12°，能够满足大部分手爪框架模块与抓取和释放工件贴合度调整要求。并且向心关节轴承可以在转动过程中产生阻尼，还可以通过覆盖阻尼脂的方式来增加阻尼，从而提高工件抓取和释放的稳定程度。

2.3抓取反馈模块设计

抓取反馈模块由实时信号处理模块、接近传感器两部分构成，具体来讲，在工件抓取和释放过程中，操作机器人机械手爪能够通过接近传感器检测与工件之间的距离，判断工件是否到达指定地点，当确定之后，便会自动发出高电平信号，通知抓取单元模块调整为高电平状态；随后信号处理模块能够自动将电磁铁和电磁阀调整为通电状态，从而为机械手爪完成工件抓取和释放作业提供足够的动力，最终完成工件抓取和释放作业。抓取反馈模块能够实现对操作机器人机械手爪运行流程、工件抓取和释放作业流程的全过程监督监控，并且判断一应操作是否能够顺利完成。

2.4真空模块设计

由于操作机器人机械手爪抓取单元模块应用了真空气吸盘，为了真空气吸盘实现正常运行及应用，便需要设计专门的真空模块，在真空模块下，真空气吸盘才能够通过生产加工现场气压动力源获得足够的运行及应用能力。该操作机器人机械手爪真空模块由电磁阀、真空发生器、气泵三部分构成。真空发生器由喷嘴、扩张管两部分构成，与气泵相连，当气泵中的压缩空气在供气口位置处形成高速喷射气流时，便会在排气口形成射流，从而导致卷吸流动现象；此时，排气口周围的空气会以较为迅速的速度被抽吸掉，真空发生器内腔压力会下降，从而产生压力差，真空发生器便会以较为迅速的速度将真空气吸盘内部的空气抽吸掉，从而为真空气吸盘完成工件吸附作业提供足够的动力，最终完成工件吸附作业。

3操作机器人机械手爪应用

应用流程如下：判断工件是否到达指定地点（是）、检测工件直径、根据工件直径调整机械手爪张开程度、控制机械手爪前进、控制机械手爪闭合、控制机械手爪后退、控制机械手爪回到初始位置；判断工件是否到达指定地点（否）、控制机械手爪回到初始位置。通过上述流程，操作机器人机械手爪便能够完成工件抓取和释放作业。

结束语

工业机器人在美国应运而生，随着时代的进步，工业机器人更是不断发展和完善，被广泛应用于各个行业。与人相比，工业机械人生产成本低，能在危险的环境中连续工作，也能重复完成单调的工作，为了降低工业机械人的生产成本，达到机械爪轻量化要求，对机械爪进行优化设计。在传统的机械爪优化设计方案中，主要以实际工况测试为主，不仅大量损耗材料，生产周期也大大延长，如今随着计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助分析(CAE)的快速发展，利用计算机的模拟仿真软件，对机械手进行仿真优化分析，从而大幅降低测试生产周期，缩减制造成本。

参考文献

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