第二章2.1机器人末端操作器

RoboticManipulators(工业机器人操作手)第二章机器人的结构2.1工业机器人手部(手爪)结构引言：►工业机器人的手部也叫末端操作器，它直接装在工业机器人的手腕上用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定的工作。一、手部的特点1．手部与手腕相连处可拆卸：►手部与手腕处有可拆卸的机械接口：根据夹持对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机器人配有多个手部装置或工具，因此要求手部与手腕处的接头具有通用性和互换性。►手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手部的驱动方式不同造成。对这些部件的接口一定要求具有互换性。2．手部是末端操作器：►可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是专用工具。末端操作器图例（1）：每个手指有三个或四个关节。技术关键是手指之间的协调控制。3．手部是一个独立的部件：►工业机器人通常分为三个大的部件：机身、手臂（含手腕）、手部。手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着夹持工件时的定位精度、夹持力的大小等。4．手部的通用性比较差：►工业机器人的手部通常是专用装置：一种手爪往往只能抓住一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近的工件；一种工具只能执行一种作业任务。二、手部的设计要求►具有足够的夹持力。►保证适当的夹持精度：手指应能顺应被夹持工件的形状，应对被夹持工件形成所要求的约束。►考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度：主要是根据作业对象的大小、形状、位置、姿态、重量、硬度和表面质量等来综合考虑。►智能化手部还应配有相应的传感器：由于感知手爪和物体之间的接触状态、物体表面状况和夹持力的大小等，以便根据实际工况进行调整等。三、手部的构成主要有手指、驱动机构和传动机构组成。四、手部的分类用在工业上的机器人的手是机器人直接用于抓取和握紧(吸附)专用工具(如喷枪、扳手、焊具、喷头等)进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能,并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同,因此工业机器人末端操作器是多种多样的1．按用途分：►手爪：具有一定的通用性。主要功能是：抓住工件、握持工件、释放工件。抓住：在给定的目标位置和期望姿态上抓住工件，工件必须有可靠的定位，保持工件和手爪之间的准确的相对位置关系，以保持机器人后续作业的准确性。握住：确保工件在搬运过程中或零件装配过程中定义了的位置和姿态的准确性。释放：在指定位置结束手部和工件之间的约束关系。►工具：进行作业的专用工具。工件的定位和夹紧：F2．按夹持方式分：►外夹式：手部与被夹件的外表面相接触。►内撑式：手部与工件的内表面相接触。►内外夹持式：手部与工件的内、外表面相接触。夹持方式图例：ZXY3．按手爪的运动形式分：►回转型：当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。►平动型：手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。►平移型：当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心的固定不变，不受工件直径变化的影响。回转型图例：压缩弹簧拉伸弹簧平动型图例：平移型图例：此时手部是张开还是合拢？4．按夹持原理分：►手指式：外夹式、内撑式、内外夹持式。平移式、平动式、旋转式。二指式、多指式。单关节式、多关节式。►吸盘式：负压吸盘：真空式、喷气式、挤气式。磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。(1)(2)(3)(4)仿生多指灵巧手。2.1.1夹钳式手部与人手相似,是工业机器人广为应用的一种手部形式。它一般由手指(手爪)和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成,如图2.2所示,能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。图2.2夹钳式手部的组成1.手指是直接与工件接触的部件。手部松开和夹紧工件,就是通过手指的张开与闭合来实现的。机器人的手部一般有两个手指,也有三个或多个手指,其结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。指端的形状通常有两类:V型指：用于夹持圆柱形工件。平面指：用于夹持方形工件(具有两个平行平面),板形或细小棒料。图2.3V(a)固定V型；(b)滚柱V型；(c)自定位式V型图2.4夹钳式手的指端指面的形状1、光滑指面平整光滑,用来夹持已加工表面,避免已加工表面受损。2、齿形指面的指面刻有齿纹,可增加夹持工件的磨擦力,以确保夹紧牢靠,多用来夹持表面粗糙的毛坯或半成品。3、柔性指面内镶橡胶、泡沫、石棉等物,有增加磨擦力、保护工件表面、隔热等作用,一般用于夹持已加工表面、炽热件,也适于夹持薄壁件和脆性工件。2.传动机构传动机构是向手指传递运动和动力,以实现夹紧和松开动作的机构。该机构根据手指开合的动作特点分为回转型和平移型。回转型又分为一支点回转和多支点回转。根据手爪夹紧是摆动还是平动,又可分为摆动回转型和平动回转型。(1)回转型传动机构。夹钳式手部中较多的是回转型手部,其手指就是一对杠杆,一般再同斜楔、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆或螺杆等机构组成复合式杠杆传动机构,用以改变传动比和运动方向等。图2.5斜楔杠杆式手部图2.6滑槽式杠杆回转型手部图2.6所示为滑槽式杠杆回转型手部简图,杠杆形手指4的一端装有V形指5,另一端则开有长滑槽。驱动杆1上的圆柱销2套在滑槽内,当驱动连杆同圆柱销一起作往复运动时,即可拨动两个手指各绕其支点(铰销3)作相对回转运动,从而实现手指的夹紧与松开动作。图2.7所示为双支点连杆杠杆式手部简图。驱动杆2末端与连杆4由铰销3铰接,当驱动杆2作直线往复运动时,则通过连杆推动两杆手指各绕其支点作回转运动,从而使手指松开或闭合。图2.7双支点连杆杠杆式手部图2.8所示为齿轮齿条直接传动的齿轮杠杆式手部的结构。驱动杆2末端制成双面齿条,与扇齿轮4相啮合,而扇齿轮4与手指5固连在一起,可绕支点回转。驱动力推动齿条作直线往复运动,即可带动扇齿轮回转,从而使手指松开或闭合。图2.8齿条齿轮杠杆式手部(2)平移型传动机构。平移型夹钳式手部是通过手指的指面作直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作的,常用于夹持具有平行平面的工件(如冰箱等)。其结构较复杂,不如回转型手部应用广泛。①直线往复移动机构:实现直线往复移动的机构很多,常用的斜楔传动、齿条传动、螺旋传动等均可应用于手部结构。如图2.9所示中，(a)为斜楔平移机构,(b)为连杆杠杆平移结构,(c)为螺旋斜楔平移结构。它们既可是双指型的,也可是三指(或多指)型的;既可自动定心,也可非自动定心。图2.9直线平移型手部②平面平行移动机构：图2.10所示为几种平面平行平移型夹钳式手部的简图。它们的共同点是:都采用平行四边形的铰链机构——双曲柄铰链四连杆机构,以实现手指平移。其差别在于分别采用齿条齿轮、蜗杆蜗轮、连杆斜滑槽的传动方法。图2.10四连杆机构平移型手部结构气动手爪图例：问题：1、分析手部的运动。2、手部作的是什么类型运动？手部结构的应用实例1．平行指手爪机构：►工作原理：回转动力源1和6驱动构件2和5顺时针或逆时针旋转，通过平行四边形机构带动手指3和4作平动，夹紧或释放工件。2．设有检测开关的手爪装置：►工作原理：手爪装有限位开关5和7。在指爪4沿垂直方向接近工件6的过程中，限位开关检测手爪与工件的相对位置。当工件接触限位开关时发信号，汽缸通过连杆3驱动指爪夹紧工件。电磁式吸盘气吸式吸盘常见的另两种手部:滚动轴承座圈钢板齿轮多孔钢板双吸头吸盘多吸头吸盘吸取瓦楞板双吸头吸盘双吸头架式吸盘多吸头板式吸盘2．电磁吸盘(1)：►电磁吸盘的结构：主要由磁盘、防尘盖、线圈、壳体等组成。►工作原理：夹持工件：►线圈通电→空气间隙的存在→线圈产生大的电感和启动电流→周围产生磁场（通电导体一定会在周围产生磁场）→吸附工件放开工件：►线圈断电→磁吸力消失→工件落位电磁吸盘图例:2．电磁吸盘(2)：►适用范围：适用于用铁磁材料做成的工件；不适合于由有色金属和非金属材料制成的工件。适合于被吸附工件上有剩磁也不影响其工作性能的工件。适合于定位精度要求不高的工件。适合于常温状况下工作。铁磁材料高温下的磁性会消失。3．真空式吸盘：►构成:由真空泵、电磁阀、电机和吸盘等构成。►工作原理：形成真空吸附工件：►电机→真空泵→3＃电磁阀左侧→从吸盘5处抽气释放工件：►电机、泵停转→大气经6＃口→4＃电磁阀左侧→3＃电磁阀右侧→送气至吸盘5处真空吸盘控制系统图例：1DT2DT真空吸盘结构图例：4．自适应吸盘：►结构特点：该吸盘具有一个球关节，使吸盘能倾斜自如，适应工件表面倾角的变化。5．异形吸盘：►结构特点：可用来吸附鸡蛋、锥颈瓶等物件。扩大了真空吸盘在机器人上的应用。6．喷气式吸盘：►工作原理：压缩空气进入喷嘴后，利用伯努利效应，当压缩空气刚进入时，由于喷嘴口逐渐缩小，致使气流速度逐渐增加。当管路截面收缩到最小处时，气流速度达到临界速度，然后喷嘴管路的截面逐渐增加，使与橡胶皮碗相连的吸气口处，造成很高的气流速度而形成负压。►应用：在工厂一般都有空压站，喷气式吸盘在工厂得到广泛的应用。喷气式吸盘图例：2.1.31.机器人是一种通用性很强的自动化设备,可根据作业要求完成各种动作,再配上各种专用的末端操作器后,就能完成各种动作。如在通用机器人上安装焊枪就成为一台焊接机器人,安装拧螺母机则成为一台装配机器人。目前有许多由专用电动、气动工具改型而成的操作器,如图2.19所示,有拧螺母机、焊枪、电磨头、电铣头、抛光头、激光切割机等。所形成的一整套系列供用户选用,使机器人能胜任各种工作。图2.19还有一个装有电磁吸盘式换接器的机器人手腕,电磁吸盘直径60mm,质量为1kg,吸力1100N,换接器可接通电源、信号、压力气源和真空源,电插头有18芯,气路接头有5路。为了保证联接位置精度,设置了两个定位销。在各末端操作器的端面装有换接器座,平时陈列于工具架上,需要使用时机器人手腕上的换接器吸盘可从正面吸牢换接器座,接通电源和气源,然后从侧面将末端操作器退出工具架,机器人便可进行作业。图2.19各种专用末端操作器和电磁吸盘式换接器2.换接器或自动手爪更换装置使用一台通用机器人,要在作业时能自动更换不同的末端操作器,就需要配置具有快速装卸功能的换接器。换接器由两部分组成:换接器插座和换接器插头,分别装在机器腕部和末端操作器上,能够实现机器人对末端操作器的快速自动更换。专用末端操作器换接器的要求主要有:同时具备气源、电源及信号的快速联接与切换;能承受末端操作器的工作载荷;在失电、失气情况下,机器人停止工作时不会自行脱离;具有一定的换接精度等。图2.20所示为气动换接器和专用末端操作器库。该换接器也分成两部分:一部分装在手腕上,称为换接器;另一部分装在末端操作器上,称为配合器。利用气动锁紧器将两部分进行联接,并具有就位指示灯以表示电路、气路是否接通。图2.20气动换接器与专用末端操作器库图2.21专用末端操作器库3.多工位换接装置某些机器人的作业任务相对较为集中,需要换接一定量的末端操作器,又不必配备数量较多的末端操作器库。这时，可以在机器人手腕上设置一个多工位换接装置。例如,在机器人柔性装配线某个工位上,机器人要依次装配如垫圈、螺钉等几种零件,装配采用多工位换接装置,可以从几个供料处依次抓取几种零件,然后逐个进行装配,既可以节省几台专用机器人,也可以避免通用机器人频繁换接操作器和节省装配作业时间。多工位换接装置如图2.22所示,就像数控加工中心的刀库一样,可以有棱锥型和棱柱型两种形式。棱锥型换接装置可保证手爪轴线和手腕轴线一致,受力较合理,但其传动机构较为复杂;棱柱型换接器传动机构较为简单,但其手爪轴线和手腕轴线不能保持一致,受力不良。图2.22(a)棱锥型；(b)棱柱型2.1.41.为了能对不同外形的物体实施抓取,并使物体表面受力比较均匀,因此研制出了柔性手。如图2.23所示为多关节柔性手腕,每个手指由多个关节串联而成。手指传动部分由牵引钢丝绳及摩擦滚轮组成,每个手指由两根钢丝绳牵引,一侧为握紧,另一侧为放松。驱动源可采用电机驱动或液压、气动元