第三章3.4機器人手部結(jié)構(gòu)

第三章機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)3.4機器人手部結(jié)構(gòu)【內(nèi)容提要】本課主要學習工業(yè)機器人手部結(jié)構(gòu)。介紹機器人手部的特點、手部分類、夾持類手部、吸附式手部、仿人手機器人手部。知識要點：?機器人手部的特點?機器人手部分類?夾持手部?吸附式手部?仿人手機器人手部重點：?掌握機器人手部分類?掌握機器人夾持手部?掌握機器人吸附式手部難點：?機器人手部分類?夾持手部?吸附式手部關鍵字：?手部、夾持手部、吸附式手部【本課內(nèi)容相關資料】3.4機器人的手部機構(gòu)人類的手是最靈活的肢體部分，能完成各種各樣的動作和任務。同樣，機器人的手部是完成抓握工件或執(zhí)行特定作業(yè)的重要部件，也需要有多種結(jié)構(gòu)。機器人的手部也叫做末端執(zhí)行器，它是裝在機器人腕部上，直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。人的手有兩種定義：一種是醫(yī)學上把包括上臂、腕部在內(nèi)的整體叫做手；另一種是把手掌和手指部分叫做手。機器人的手部接近于后一種定義。機器人的手部是最重要的執(zhí)行機構(gòu)，從功能和形態(tài)上看，它可分為工業(yè)機器人的手部和仿人機器人的手部。目前，前者應用較多，也比較成熟。工業(yè)機器人的手部是用來握持工件或工具的部件。由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同，手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的。大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設計的。3.4.1機器人手部的特點1.機器人手部的特點（1）手部與腕部相連處可拆卸手部與腕部有機械接口，也可能有電、氣、液接頭。工業(yè)機器人作業(yè)對象不同時，可以方便地拆卸和更換手部。（2）手部是機器人末端執(zhí)行器它可以像人手那樣具有手指，也可以不具備手指；可以是類人的手爪，也可以是進行專業(yè)作業(yè)的工具，比如裝在機器人腕部上的噴漆槍、焊接工具等。（3）手部的通用性比較差機器人手部通常是專用的裝置，例如，一種手爪往往只能抓握一種或幾種在形狀、尺寸、重量等方面相近似的工件；一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務。2.機器人手部的性質(zhì)機器人手部是—個獨立的部件。假如把腕部歸屬于手臂，那么機器人機械系統(tǒng)三大件就是機身、手臂和手部。手部對整個器人來說是完成作業(yè)好壞以及作業(yè)柔性好壞的關鍵部件之一，復雜感知能力的智能化手爪的出現(xiàn)增加了工業(yè)機器人作業(yè)的靈活性和可靠性。目前有一種彈鋼的表演機器人的手部已經(jīng)與人手十分相近，具有多個多關節(jié)手指，一個手指有二十余個自由度，每個自由度獨立驅(qū)動。目前工業(yè)機器人手部的自由度還比較少，把具備足夠驅(qū)動力量的多個驅(qū)動源和關節(jié)安裝在緊湊的手部內(nèi)部是困難的。3.4.2機器人手部的分類1.按手部的用途分類手部按其用途劃分，可分為手爪和工具兩類。（1）手爪手爪一定的通用性，它的主要功能是：握住工件，握持工件，釋放工件。抓?。涸诮o定的目標位置和期望位姿上抓住工件，工件在手爪內(nèi)必須具有可靠的定位，保持工件與手爪之間的準確相對位姿，并保證機器人后續(xù)作業(yè)的準確性。握持:確保工件在搬運過程中或零件在裝配過程中定義了的位置和姿態(tài)的準確性。釋放：在指定點上除去手爪和工件之間的約束關系。如圖3-32所示，手爪在夾持圓柱工件時，盡管夾緊力足夠大，在工件和手爪接觸面上有足夠的摩擦力來支撐重量，但是從運動學的觀點來看其約束條件是不夠的，不能保證工件在手爪上的準確定位。（2）工具工具是進行某種專用工具，如噴漆槍、焊具等，如圖3-33所示。圖3-32平面鉗爪夾持圓柱工件圖3-33專用工具2.按手部的抓握手部按其抓握原理可分為夾持類手部和吸附類手部兩類。（1）夾持類手部夾持類手部通常又叫做機械手爪，有靠摩擦力夾持和后者是無指手爪。產(chǎn)生夾緊力的驅(qū)動源可以有氣動、液動、電動和（2）吸附類手部吸附類手部有磁力類手爪和和永磁吸盤兩種。盤和擠氣負壓吸盤三種。磁力類手爪于大平面（單面接觸無法抓?。?、易碎（玻璃、磁盤、晶圓）、微小(不易抓取)的物體，因此原理分類吊鉤承重兩種，前者是有指手爪，電磁四種。真空類手爪兩種。磁力類手爪主要是磁力吸盤，有盤，根據(jù)形成真空的原理可分為盤、氣都是無指手爪。式手部適應電磁吸盤真空類手爪主要是真空式吸真空吸流負壓吸及真空類手爪吸附使用面也比較大。3.按手部的手指或吸盤數(shù)目分類按手指數(shù)目可分為二指手爪及多指手爪。按手指關節(jié)可分為單關節(jié)手指手爪及多關節(jié)手指手爪。吸盤式手爪按吸盤數(shù)目可分為單吸盤式手爪及多吸盤式手爪。如圖3-34所示為一種三指手爪的外形圖，每個手指是獨立驅(qū)動的。這種三指手爪與二及球體等形狀的物體。如圖3-35所示為一種多關具有若干個被動式關節(jié)，每個關節(jié)不是獨立驅(qū)動。在拉緊夾指手爪相比可以抓取類似立方體、圓柱體節(jié)柔性手指手爪，它的每個手指緊鋼絲繩后柔性手指環(huán)抱住物體，因此這種柔性手指手爪對物體形狀有一定適應性。但是，這種柔性手指并不同于各個關節(jié)獨立驅(qū)動的多關節(jié)手指。圖3-34三指手爪圖3-35多關節(jié)柔性手指手爪4.按手部的智能化分類按手部的智能化劃分以分為普通式手爪和智能化手爪兩類。普通式手爪不具備傳感器。智能化手爪具備一種或多種傳感器，如力傳感器、觸覺傳感器及滑覺傳感器等，手爪與傳感器集成成為智能化手爪。3.4.3機器人的夾持類手部夾持類手部除常用的夾鉗式外，還有鉤托式和彈簧式。此類手部按其手指夾持工件時的動方式不同，又可分為手指回轉(zhuǎn)型和指面平移型。1.夾鉗式手部工業(yè)機器人最常用的一種手部形式。夾鉗式一支架等組成，如圖3-36所示。夾鉗式是般由手指、驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)、1-手指2-傳動機構(gòu)3-驅(qū)動裝置4-支架5-工件圖3-36夾鉗式手部的組成（1）手指或爪鉗手指是直接與工件接觸的構(gòu)件。手部松開和夾緊工件，就是通過手指的張開和閉合來實現(xiàn)的。ー般情況下，機器人的手部只有兩個手指，少數(shù)有三個或多個手指。它們的結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。指端的形狀分為V形指、平面指、尖指和特形指，如圖3-37所示。a)V形指b)平面指c)尖指d)特形指圖3-37夾鉗式手部的手指根據(jù)工件形狀、大小及被夾持部位材質(zhì)的軟硬、表面性質(zhì)等的不同，手指的指面有光滑指面、齒型指面和柔性指面三種形式。對于夾鉗式手部，其手指材料可選用一般碳素鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。為使手指經(jīng)久耐用，指面可鑲嵌硬質(zhì)合金；高溫作業(yè)的手指，可選用耐熱鋼；在腐蝕性氣體環(huán)境下工作的手指，可鍍鉻或進行搪瓷處理，也可選用耐腐蝕的玻璃鋼或聚四氟乙烯。(2)驅(qū)動夾鉗式手部通常采用氣動、液動、電動和電磁來驅(qū)動手指的開合。氣動手爪目前得到廣泛應用，這是因為氣動手爪有許多突出的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易維修，而且開合迅速速，童量輕。其缺點是空氣介質(zhì)的可壓縮性便爪鉗位置控制復雜。液壓驅(qū)動手爪成本稍高ー些。電動手爪的優(yōu)點是手指開合電動機的控制與機器人控制可以共用一個系統(tǒng)，但是夾緊力比氣動手爪、液壓手爪小，開合時間比它們長。電磁手爪控制信號簡單，但是電磁夾緊力與爪鉗行程有關，因此，只用在開合距離較小場合。圖3-38所示為一種氣動手爪，氣缸4中的壓縮空氣推動活塞3使連桿齒條2作往復運動，經(jīng)扇形齒輪1帶動平行四邊形機構(gòu)，使得爪鉗5快速開合。1-扇形齒輪2-齒條3-活塞4-汽缸5-爪鉗圖3-38平行連桿式氣動手爪(3)傳動驅(qū)動源的驅(qū)動力通過傳動機構(gòu)驅(qū)使手指或爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊力。傳動機構(gòu)是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。夾鉗式手爪還常以傳動機構(gòu)來命名，如圖3-39所示。對于傳動機構(gòu)有運動要求和夾緊力要求。如圖3-38所示的平行連桿式手爪及圖3-39a所示的齒輪齒條式手爪可保持爪鉗平行運動，夾持寬度變化大。對夾緊力的要求是爪鉗開合度不同時，夾緊力能保持不變。圖3-39四種手爪傳動機構(gòu)2.鉤托式手部鉤托式手部主要特征是不靠夾緊力來夾持工件，而是利用手指對工件鉤、托、捧等動作來托持工件。應用鉤托方式可降低驅(qū)動力的要求，簡化手部結(jié)構(gòu)，甚至可以省略手部驅(qū)動裝置。它適用于在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)作低速移動的搬運工作，尤其對大型笨重的工件或結(jié)構(gòu)裝置型和有驅(qū)動裝置粗大而質(zhì)量較輕且易變形的工件更為有利。鉤托式手部可分為無驅(qū)動型。(1)無驅(qū)動裝置型無驅(qū)動裝置型的鉤托式手部，手指動作通過傳動機構(gòu)，借助臂部的運動來實現(xiàn)，手部無型，手部在臂的帶動下向下移動，當手部下降到一1下端碰到撞塊，臂部繼續(xù)下便帶動齒輪2旋轉(zhuǎn)，手指3即進入工件鉤托部位。手指托持工件時，銷4在彈簧力作用下插入齒條缺口，保持手指的鉤托狀態(tài)并可使手臂攜帶工件離開原始位置。在完成鉤托任務后，由電磁鐵將銷向外拔出，手指又呈自由狀態(tài)，可個工作循環(huán)程序。單獨的驅(qū)動裝置。圖3-40a為一種無驅(qū)動定位置時齒條移，齒條繼續(xù)下一a)無驅(qū)動裝置b)有驅(qū)動裝置1-齒條2-齒輪3-手指4-銷5-液壓缸6，7-杠桿手指圖3-40鉤托式手部(2)有驅(qū)動裝置型圖3-40b為一種有驅(qū)動裝置型的鉤托式手部。其工作原理是依靠機構(gòu)內(nèi)力來平衡工件重5以較小的力驅(qū)動杠桿手指6和7回轉(zhuǎn)，使手指閉合至托持1、〇2的外側(cè)，力而保持托持狀態(tài)。驅(qū)動液壓缸工件的位置。手指與工件的接觸點均在其回轉(zhuǎn)支點〇因此在手指托持工件后工件本身的重量不會使手指自行松脫。3.彈簧式手部彈簧式手部靠彈簧力的作用將工件夾緊，手部不需要專用的驅(qū)動裝置，結(jié)構(gòu)簡單。它的使用特點是工件進入手指和從手指中取下工件都是強制進行的。由于彈簧力有限，故只適用于夾持輕小工件。如圖3-41所示為一種簧片3由于受到張開，于是工件傳送到指定位置后，手指松開，必須先將工件固定結(jié)構(gòu)簡單的簧片手指彈性手爪。手臂帶動夾鉗向坯料推進，時彈進入鉗內(nèi)，受彈簧作用而自動夾緊。當機器人將后，手部后退，強迫手指壓力而自動工件不會將工件镎幵后留下工件。這種手部只適用于定心精度要求不高的場合。1-工件2-套筒3-彈簧片4-扭簧5-銷釘6-螺母7-螺釘圖3-41彈簧式手部3.4.4機器人的吸附式手部吸附式手部靠吸附力取料。根據(jù)吸附力的不同有氣吸附和磁吸附兩種。吸附式手部適用于大平面（單面接觸無法抓取）、易碎（玻璃、磁盤）、微?。ú灰鬃ト。┑奈矬w，用面也較大。1.氣吸式手部.氣吸式手部是工業(yè)機器人常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤（一個或幾個)、吸盤架及進排氣系統(tǒng)組成。氣吸式手部具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、使用方便可靠等優(yōu)點，主要用于搬運體積大，重量輕的零件，如冰箱殼體、汽車殼體等；也廣泛用于需要小心搬運的物件，如顯像管、平板玻璃等；以及非金屬材料，如板材、紙張等；或材料的吸附搬運。氣吸式手部的另一個特點是對工件表面沒有損傷，且對被吸持工件預定的位置精要度求，被吸工件材質(zhì)致密，沒有透氣空隙。壓之間的壓力差工作的。按形成壓力差的方法分為真空氣吸、氣流負壓氣吸、擠壓排氣氣吸三種。不高；但要求工件上與吸盤接觸部位光滑平整、清潔氣吸式手部是利用吸盤內(nèi)的壓力與大氣可(1)真空如圖3-42示為積和吸盤內(nèi)、外壓差，但實際上狀態(tài)影響負壓的泄漏。采用真空泵能保證吸盤內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生負壓，所以這種吸氣吸吸附手部產(chǎn)生負壓的真空吸盤控制系統(tǒng)。吸其與工件表面狀態(tài)有十分密盤比其他形式盤盤吸力在理論上決定于吸盤與工件表面的接觸面切的關系，工件表面的吸力大。如圖3-43所示為真空零件為橡膠吸盤1，通過固定環(huán)2安裝在支承桿4上，支承桿由螺母6固定在基板5上。取料時，橡膠吸盤與物體表面接觸，橡膠吸盤的封和緩沖作用，然后真空抽氣，吸盤內(nèi)腔形成真空，進行吸附取料。放料時，管路接通大氣，失去真空，物體放下。為了避免取放料時產(chǎn)生撞擊，有的配有彈簧緩沖；為了更好地適應物體吸附面的傾斜狀況，氣吸附手部結(jié)構(gòu)。真空的產(chǎn)生是利用真空系，真空度較高，主要邊緣起密還在支承桿上有的在橡膠吸盤背面設計有球鉸鏈。圖3-42真空吸盤控制系統(tǒng)圖3-43真空氣吸吸附手部(2)氣流負壓吸附手部圖3-44氣流負壓吸附手部，壓縮空氣進入噴嘴后，利用伯努利效應使橡膠皮碗內(nèi)負壓。當需要取物時，壓縮空氣高速流經(jīng)噴嘴5時，其出口處的氣壓低于吸盤腔內(nèi)的氣壓，于是，腔內(nèi)的氣體被高速氣流帶走而形成負壓，完成取物動作。當需要釋放時，切斷壓縮空氣即可。氣流負壓吸附手部需要的壓縮空氣，工廠一般都有空壓機站或空壓機，比較容易獲得空壓機氣源，不需要專為機器人配置真空泵，所以氣流負壓吸盤在工廠內(nèi)使用方便，成本較低。(3)擠壓排式手部圖3-45為擠壓排氣式手部結(jié)構(gòu)，其工作原理為：取料時手部先向下，吸盤壓向工件5，橡膠吸盤4形變，將吸盤內(nèi)的空氣擠出;之后，手部向上提升，壓力去除，橡膠吸盤恢復彈性形變使吸盤內(nèi)腔形負壓，將工件吸住，機械手即可進行工件搬運。到達目標位置后要釋放工件時，用碰撞力Fp或電磁力使壓蓋2動作，使吸盤腔與大氣連通而失去負壓，破壞吸盤腔內(nèi)的負壓，釋放工件。圖3-44氣流負壓吸附手部圖3-45擠壓排氣式手部擠壓排氣式手部結(jié)構(gòu)簡單，既不需要真空泵系統(tǒng)也不需要壓縮空氣氣源，比較經(jīng)濟方便。但要防止漏氣，不宜長期停頓，可靠性比真空吸盤和氣流負壓吸盤差。擠氣負壓吸盤的吸力計算是在假設吸盤與工件表面氣密性良好的情況下進行的，利用熱力學定律和靜力平衡公式計算內(nèi)腔最大負壓和最大極限吸力。對市場供應的三種型號耐油及實測的結(jié)果表明，理論計算誤差主要由假定工件表面為理想狀況所造成。實驗表明，在工件表面清潔度滑度較好的情況下牢固吸附時間可到達30s，能滿足一般工業(yè)機器人工作橡膠吸盤進行吸力理論計算、平循環(huán)時間的要求。(4)真空吸盤的新設計1)自適應吸盤。如圖3-46所示的自適應吸盤具有一個球關節(jié)使吸盤能傾斜自如，適應工件表面傾角的變化，這種自適應吸盤在實際應用中獲得了良好的效果。2)異形吸盤。圖3-47為異形吸盤中的一種。通常吸盤只能吸附一般的平整工件，而該異形吸盤可用來吸附雞蛋、錐頸瓶等物件，擴大了真空吸盤在工業(yè)器人上的應用。圖3-46自適應吸盤圖3-47異形吸盤2.磁吸式手部磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附材料工件的，應用較廣。磁吸式手部不會破壞被吸件表面質(zhì)量。（1）磁吸式手部的特點磁吸式手部比氣吸式手部優(yōu)越的方面是：有較大的單位面積吸力，對工件表面粗糙度及通孔、溝槽等無特殊要求。磁吸式手部的不足之處是：被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑（如鐵屑等），影響正常工作。因此對零件及儀表零件，不能選用磁力吸盤，可用真空吸盤。電磁吸盤件，如鋼鐵等黑色金屬工件，吸不住有色金屬和非金屬材料的工件。對那些不允許有剩磁的零件要禁止使用，如鐘表只能吸住鐵磁材料制成的工鋼、鐵等材料制品，溫度超過723°C就會失去磁性，故在高溫下無使法用磁吸式手部。磁力吸盤要求工件表面清潔、平整、干燥，以保證可靠地吸附。(2)磁吸式手部的原理磁吸式手部按磁力來源可分為永久磁鐵手部和電磁鐵手部。電磁鐵手部由于供電不同又可分為交流電磁鐵和直流電磁鐵手部。如圖3-48所示的是電磁鐵手部的結(jié)構(gòu)示意圖。在線圈通電的瞬時，由于空氣間隙的存在，磁阻很大，線圈的電感和啟動電流很大，這時產(chǎn)生磁性吸力將工件吸住，一旦斷電，磁吸力消失，工件松開。若采用永久磁鐵作為吸盤，則必須強迫性地取下工件。磁力吸盤的計算主要是電磁吸盤線圈匝數(shù)等參數(shù)的設計。要根據(jù)實際應用環(huán)境選擇工作情況系數(shù)和安全系數(shù)。中電磁鐵吸力的計算以及鐵心截面積、線圈導線直徑和圖3-48電磁鐵手部結(jié)構(gòu)3.4.5仿人手機器人手部目前，大部分工業(yè)機器人的手部只有兩個手指，而且手指上一般沒有關節(jié)。因此取料不能適應物體外形的變化，不能使物體表面承受比較均勻的夾持力，因此，無法滿足對復雜形狀、不同材質(zhì)的物體實施夾持和操作。為了提高機器人手部和腕部的操作