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机器人机械手爪的开发与研究

2016年04月25日 08:53中国机床商务网点击:5037

  【中国机床商务网 机床上下游】机器人技术融合了多学科技术,涉及范围广,在多个领域都有应用,因其取代了人工操作,有效降低了人工作业的强度,并且工作效率大幅度提升,得到多个行业的广泛关注,掀起了机器人开发和应用的热潮。机器人应用的范围与其所具有的操作性能和移动范围息息相关。机器人手爪是机器人系统的重要组成部分,相当于人的两只手,主要用于对工具或者工件进行握持和操作,承担着重要的操作执行功能。机器人技术系统是一个将多种先进技术高度集成的智能化机电系统,具有强大的感知功能、处理功能和执行功能,涉及到自动控制、仿生学、传感器技术、信息处理技术、材料学等多种学科的专业技术,是现代科学技术发展和进步的集中体现。
  
  1.机器人机械手爪概述
  
  机械手爪主要分为两部分,即手臂和末端执行器。手臂利用关节的运动带动末端执行器的动作,达到预定的位置进行预定的操作。末端执行器是搜捕、抓持机构、手爪以及固定手臂末端的工具的集合体,对任务对象做出动作直接进行任务操作。一般来说,机器人机械手爪有五个主要的运动,相应的也就有五个自由度,运动主要包括机器人腰部关节的回转运动、大臂的前后上下摆动、小臂的摆动、手腕的回转运动和手腕的摆动。对于机器人机械手爪的张合只是对工件或者物体其道抓握夹持的作用,不属于自由度,因此不包含在自由度的范围之内。机械手爪的各个运动利用电机驱动,操作简单方便而且易于控制。衡量一个机器人机械手爪设计和合理性,主要是以其控制的难易程度、抓取的可靠性、对环境的适应能力、抓取的效率和精准度作为衡量的标准。机器人手爪手指有平动运动和张角运动两种主要方式,因此对于二指手爪而言可分为两类,即二指平动手爪和二指张角手爪,从应用范围来看,以二指平动手爪应用较多,本文着重对二指平动手爪的设计开发进行研究。机器人机械手爪的功能实现程度决定了机器人在实际应用中的工作效率和工作质量,因此对于一个性能良好的机器人来说,首先要有一个性能可靠、抓取动作准确平稳的机械手爪,这就是机器人机械手爪的设计成为关键。
  
  2.机器人机械手爪基本结构的设计
  
  在机器人系统中,机械手爪的设计和应用是整个设计工作的重要组成部分,要充分考虑到机器人的设计需求和要达到的效果,以达到设计方案的最优化。在对机器人机械手爪的机构进行设计的过程中,要充分的考虑到一下几点:第一,手部机构要具有适当的夹紧力,不仅能够对物品准确的抓握,更要保重物品在被抓握的过程中保持完好,不被损坏;第二,在两手指之间应该具有充足的移动范围,当两手指在张开状态下能够满足物品具有最大直径值;第三,手部机构要具有足够的刚度和强度,以保证其使用的可靠性;第四,能够对不同的尺寸进行自适应调节,在抓取物品的过程中能够自动完成对心;第五,手部机构要灵活,结构紧凑,质量适中。
  
  在满足以上因素的条件下,制定出机器人设计的整体方案,在重点对手爪机构进行设计,得出初步的设计方案后再根据实际设计需求对方案进行校核分析,对手爪的材料、尺寸、可抓握的最大和最小直径进行调整,最终确立满足实际使用需求的手爪设计方案,在此基础上确立机械手爪的基本结构。如下图1所示为本文研究的二指平动机械手爪的结构简图:
  


二指平动机械手爪结构简图
  
  如上图所示,此二指平动机械手爪为夹持式,通过双旋向丝杠对二指进行驱动,采用双导轨进行导向同时起到加固的功能,导轨与丝杠轴心线处于同一水平面上,当手指抓取到物体时沿单轴方向做水平运动,丝杠在电机驱动下转动,手爪的手指夹钳通过丝杠螺母与丝杠的连接及双导轨的导向作用将转动变为平动,实现二指的开合,并抓取物体。
  
  3.机械手爪的结构参数
  
  本文开发设计的机械手爪拥有平动自由度,可以对小型的圆柱型物品进行准确的抓取。机器人机械手爪抓取范围是根据需要的功能实现目标来设定的,本文设定手爪抓取直径范围在10mm至30mm之间,其手指长度根据工作空间范围来设定,过长的手指可能会降低手爪的强度,本文涉及的机械手爪长度设定为75mm。本文涉及的机器人接卸手臂在同一个水平面上,因此抓取功能的实现是在这个水平面内准确的抓取物品,在做抓取动作是,为了更好的将允许范围的物品准确的抓取,机械手爪的钳口在角度上设定为120度。手爪在抓取物品的过程中当物品的中心点与夹钳的中心位置偏离时,现有夹钳的一面预先接触到物品,在夹钳面的夹力作用下物品随着夹钳的闭合产生运动,再与其它三个立面的逐渐接触的过程中,互相的角度作用产生两个轴向的作用力,促使物品的中心位置逐渐与钳口中心位置相吻合,最终达到准确抓取。
  
  4.结语
  
  本文开发设计的机器人机械手抓,结构简单,操作方便,工作稳定性和可靠性高。V型钳口可有效的提升抓取物品过程中的自适应力,能完成自动对心,从而提高抓取的稳定性。丝杠传动具有自锁功能能够保证在驱动力突然断开的情况下仍能对物品稳定的夹紧。工作效率高,双导轨及直线轴承的使用既保证了工作精度,又增加了传动效率。
(来源:数字化企业)

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