机器人机械手爪综述

机器人机械手爪综述目录一、夹钳式手部设计的基本要求................................................................................3二、典型机械爪结构....................................................................................................41）回转型...............................................................................................................42）移动型...............................................................................................................5三、夹钳式手部的计算与分析....................................................................................91）夹紧力的计算...................................................................................................92）夹紧缸驱动力计算.........................................................................................113）计算步骤.........................................................................................................124）手爪的夹持误差分析与计算.........................................................................12四、常用气爪..............................................................................................................171）气动手指气缸具有如下特点：.....................................................................172）气动手指气缸主要类型与型号.....................................................................18工业机器人的手部(亦称机械爪或抓取机构)是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的。常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持和吸附两大类。夹持类常见的主要有夹钳式，此外还有钩托式和弹簧式。夹持类手部按其手指夹持工件时的运动方式，可分为手指回转型和手指平移型两种，如图1所示。吸附类中，有气吸式和磁吸式。a)回转型内撑式b)回转型外夹式c)平移型外夹式d)钩托式e)弹簧式f)气吸式g)磁吸式图1机械爪类型夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件。一般情况下，多采用两个手指，少数采用三指或多指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压、气动和电动等几种形式。常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或松开。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适于夹持平板、方料。在夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。但这种手指结构比较复杂、体积大，要求加工精度高。回转型手指的张开闭合靠手指根部(以枢轴支点为中心)的回转运动来完成。枢轴支点为一个的，称为单支点回转型；为两个的，称为双支点回转型。这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位偏差。a)单支点回转型b)双支点回转型C）平移型(平直指)图2回转型和平移型手指一、夹钳式手部设计的基本要求1.应具有适当的夹紧力和驱动力。手指握力(夹紧力)大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件;力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件夹持安全可靠。而对手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传力比不同，在一定夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。2.手指应具有一定的开闭范围。手指应具有足够的开闭角度(手指从张开到闭合绕支点所转过的角度)或开闭距离(对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离)，以便于摘取或退出工件。3.应保证工件在手指内的夹持精度。应保证每个被夹持的工件，在手指内都有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。4.要求结构紧凑、重量轻、效率高在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。5.应考虑通用性和特殊要求一般情况一下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法。如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。二、典型机械爪结构1）回转型1.滑槽杠杆式。图3为常见的滑槽杠杆式手部结构。在杠杆3作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1、F2，其力的方向垂直于滑槽的是中心线OO1和OO2并指向O点，F1和F2的延长线交O1O2于A及B。1一手指2一销轴3一杠杆图3滑槽杠杆式手部结构、受力分析由∑𝐹𝑥=0得F1=F2由∑𝐹𝑦=0得𝐹1=F2cosα由∑MO1=0得F1h=FNb最后可得：F=2bacos2αFN（2-1）式中a—手指的回转支点到对称中心线的距离；b—工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由式（2-1）可知，当驱动力F一定时，α角增大，则握力FN也随之增加，但α角过大会导致拉杆的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使结构加大，因此建议α=30°~40°。2.连杆杠杆式。图4为连杆杠杆式手部结构，作用在拉杆3上的驱动力为F，两连杆2对拉杆的反作用力为F1、F2，其方向沿连杆两铰链中心的连线，指向O点并与水平方向成α角。1一调整垫片指2一连杆3一拉杆图4连杆杠杆式手部结构、受力分析通过分析可得：F=2bctanα⋅FN(2-2)由式(2-2)可知，若结构尺寸c、b和驱动力F一定时，握力FN与α角正切成反比。显然当α角小时，可获得较大的握力。当α=0时，是使手指闭合到最小的位置，即为自锁位置，这时如果撤去驱动力，工件也不会自行脱落。若拉杆再向下移动，则手指反而会松开，为了避免出现上述情况，对于不同规格尺寸的工件可以更换手指。如果工件允许少量的尺寸变化时，可更换调整垫片1，使夹紧工件后α≥0。2）移动型1.简单移动型简单移动型即两手指相对支座作往复移动。如图5所示，其驱动力为：F=2FN（2-3）图5简单移动型手部结构、受力分析2.平面平行移动型平面平行移动型，如图6所示。若拉杆5的驱动力为F，两连杆4、6对拉杆的反作用力F45=F65，经分析可得：1—手指2、3、4、6—连杆5—拉杆图6平面平行移动盈手部结构同样可推出各类运动型式的机构的驱动力如表1。表1各种机械爪传动机构一览表表1各种机械爪传动机构一览表（续）三、夹钳式手部的计算与分析1）夹紧力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷(惯性力或惯性力矩)，以使工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算：（3-1）式中K1——安全系数，通常取1.2~2.0；K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。K2可近似按下式估算其中g—重力加速度；a——运载工件时重力方向的最大上升加速度；vmax——运载工件时重力方向的最大上升速度；t响——系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取。一般取0.03~0.5s。K3——方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。按表2选取。G——被抓取工件所受重力(N)。表2夹紧力的方位系数手指与工件位置手指与工件形状平直指端夹方形件V形指端夹圆形件手指水平放置；夹水平放置工件手指水平放置；夹水平悬臂放置工件手指水平放置；夹垂直放置工件手指垂直放置；夹水平放置工件手指垂直放置；夹垂直放置工件2）夹紧缸驱动力计算1.夹紧装置夹紧装置是使手爪开、闭动作的动力装置。其动力源可以是液压或气动。图7是夹紧装置的三种结构型式的原理示意图。手爪壳和缸壳连成一体，当压力油(或压缩空气)从液压缸右边油管进油时，活塞杆向左运动，推动手爪闭合;当压力油从液压缸左边进油时，拉动手爪张开。图7夹紧装置原理图图7所示缸的拉力(或推力)(N)为:式中D——活塞直径（m）；d—活塞杆直径（m）；p—驱动压力（Pa）。图7b所示，由压缩弹簧使爪牙张开，称之为常开式夹紧装置。图7c所示，压缩弹簧使手爪闭合夹住工件，称之为常闭式夹紧装置。2.各种夹紧装置驱动力计算手爪的结构很多，在设计和确定手爪的结构方案时，一方面应根据实际要求选取具体的结构，另一方面必须进行力的分析，以便在设计选取时进行比较，才能正确选择手爪结构方案，确定各构件的尺寸，以满足夹持工件的具体要求。设计者可根据表1所列的机构进行选取。3）计算步骤1.首先根据对机械手的工艺及设计要求确定安全系数K1;计算出最大加速度，确定工作情况系数K2，根据手爪夹持方位从表2查出方位系数K3，求出夹紧力FN。2.根据手爪的结构方案，由表1查出驱动力的计算公式，求出液压(气)缸应具有的驱动力F计算。3.实际所采取的液压(气)缸驱动力F实际大于F计算。考虑手爪的机械效率，一般取0.8~0.9。4）手爪的夹持误差分析与计算机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度(由臂部和腕部等运动部件确定)，而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一避免产生手指夹持的定位误差，必须注意选用合理的手部结构参数(参见图8)，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过±1mm就可以了。这就可以在满足定位精度的条件下，采用简单的回转型手爪。而避免单纯追求自动定心，而使设计出的结构过分复杂。现以常见的V形指夹持圆棒为例，分析工件尺寸的改变与夹持误差之间的关系，同时还讨论V形指的几何尺寸的选择与减小夹持误差的关系。当然手部最终的夹持误差将决定于手部装置加工精度和控制系统补偿能力。1.平移型手指的夹持误差平移型手指，工件直径的变化不影响其轴心的位置（图8），即理论夹持误差为零。但是其结构比较复杂，体积较大，故一般应用不多。图8平移型手指2.单支点回转型手指的夹持误差图9为单支点回转型手指分别夹持两种半径不同工件时的情形，其中：lAB为手指长，即回转点A到V形槽顶点B的距离；2θ为V形槽的夹角；β为偏转角，即V形槽的角平分线BC与手指AB间的夹角；R为工件半径。图9单支点回转型手指工件的轴心位置C与手爪的回转支点A间的距离X，以下式求出：为了看出半径R的变化对x