工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器結構分析綜述(共13頁)

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1、精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上 文章編號： 工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器 結構分析綜述 姜楚峰,潘傳奇,馬野,王磊,張芝虎 （大連交通大學 機械工程學院，遼寧大連） 摘　要：工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器(夾持器機構)是機器人操作機與工件、工具等直接接觸并進行作業(yè)的裝置，是機器人的關鍵部件之一.末端執(zhí)行器是直接執(zhí)行工作的裝置，它對擴大機器人的作業(yè)功能、應用范圍和提高工作效率都有很大的影響，因此對機器人的各種末端執(zhí)行器結構分析研究有著非常重要的意義.抓取不同特征的物件需要有著不同類型的結構和驅動源..本文就末端執(zhí)行器的常用結構，根據不同類型的結構特性分類來進行分析各種夾持機構的特點和適

2、用范圍. 關鍵詞：末端執(zhí)行器，夾持器，結構分析，結構特性分類 中圖分類號： 文獻標識碼：A Review of End-effectors Structure of industrial robot Analysis Jiang Chu feng，Pan Chuan-qi，Ma Ye，Wang Lei，Zhang Zhi-hu (College of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian , China) Abstract: End-effector (the clamp

3、ing device) of the industrial robot is the robot manipulator is in direct contact with the workpiece, the tool and operating the apparatus, is one of the key components of the robot. End-effector is a direct implementation of the device, it expand miracle job functions, application range and improve

4、 work efficiency has a significant impact, and a variety of robot end effector structure analysis of the research has a very important significance. Crawling different characteristics of the object need to have different types of structures and the driving source. In this paper, the common structure

5、 of End-effector according to the classification of different types of structure characteristics to carry out analysis of various characteristics of the clamping mechanism and scope. Key words: End-effector; griper; structure analysis; structure characteristics classification 專心---專注---專業(yè) 0

6、引言 “機器人的末端執(zhí)行器是一個安裝在移動設備或者機器人手臂上,使其能夠拿起一個對象,并且具有處理、傳輸、夾持、放置和釋放對象到一個準確的離散位置等功能的機構?！盵1] 這是末端執(zhí)行器的一個定義。 工業(yè)機器人的抓取作業(yè)方式是工業(yè)生產中的一個重要應用.工業(yè)機器人是一種通用性較強的自動化作業(yè)設備，末端執(zhí)行器則是直接執(zhí)行作業(yè)任務的裝置，大多數末端執(zhí)行器的結構和尺寸都是根據其不同的作業(yè)任務要求來設計的，從而形成了多種多樣的結構形式。通常，根據其用途和結構的不同可以分為機械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用的工具（如焊槍、噴嘴、電磨頭等）三類。 [2] 它安裝在操作機手腕（如果配置有手腕的話）或手

7、臂的機械接口上。多數情況下末端執(zhí)行器是為特定的用途而專門設計的，但也可以設計成一種適用性較大的多用途末端執(zhí)行器，為了方便的更換末端執(zhí)行器可設計一分鐘末端執(zhí)行器的接換器來形成操作機上的機械接口。較簡單的可用法蘭盤可作為機械接口處的轉換器，為了實現快速和自動更換末端執(zhí)行器，可以采用電磁吸盤或者氣動縮緊的接換器。 總之,末端執(zhí)行器機構的種類較多,但是其中有些在技術上尚不成熟。因此,如何在現有的末端執(zhí)行器機構的性能并從國情出發(fā),研制出能滿足各種作業(yè)要求,實用可靠,結構簡單,造價低廉的末端執(zhí)行器是我們的主要任務。 1 末端執(zhí)行器的設計要求及分類[2] 1.1 設計要求 (1)不論是夾

8、持或吸附,末端執(zhí)行器需要有滿足作業(yè)需要的足夠的夾持(吸附)力和所需的夾持位置精度。 (2)應盡可能使末端執(zhí)行器結構簡單和緊湊，質量輕，以減輕手臂負荷。專用的末端執(zhí)行器結構簡單，工作效率高，而能夠完成各種作業(yè)的“萬能”末端執(zhí)行器可能帶來結構復雜，費用昂貴的缺點，因此提倡設計可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器.。下面是末端執(zhí)行器的要素-特征-參數的聯系的示意圖：[3] 1.2 結構分類 工業(yè)機器人中應用的機械式夾持器多為雙指頭爪式，按其手指的運動可以分為平移型和回轉型。按照夾持方式來分可以分為外夾式和內撐式.本文是按照結構特性來進行分類的，可分為電動（電磁）

9、式、液壓式和氣動式，以及他們的組合。下面的內容將對常見的結構進行詳細地分析。 [2] 2 常見末端執(zhí)行器的結構原理分析 2.1 機電結合型末端執(zhí)行器[4] 圖片清晰黑白圖象，分辯率建議為600dpi 如前所述，要擴大機器人應用領域, 要提高機器人效率, 要解決機器人的通用性與專用性矛盾,首先要加強新型夾持器機構的研究，并且把常見結構的要素和優(yōu)點結合起來，開發(fā)出實用和經濟的末端執(zhí)行器。 下面介紹一種爪型的機、電、傳感器結合的新型夾持器。該機構的結構如圖1所示。它是由錐形螺桿2、爪指9及爪指滑動導槽10三者組成一螺旋機構。其工作原理是: 當電機驅動錐形螺桿順時針轉動時,

10、與之旋合的爪指沿其導槽所在的半徑方向 向內移動, 夾緊工件, 直至工件上承受的夾緊力達 到設計值時, 指端的壓覺和滑覺傳感器發(fā)出信號, 控制系統控制電機停轉; 釋放工件時, 由控制系統 發(fā)出信號, 使電機帶動錐形螺桿反轉即可。上述為 抓取實心工件的動作。 該機構還可作為內撐式夾持機構, 如抓取管材時, 爪指的抓放動作與之相反。若用于擰緊螺母時, 首先用該機構將螺母套在螺栓上, 后驅動錐形螺桿順時針轉動, 由于螺母已被夾緊, 故爪指不再向內滑動, 螺母、爪指及殼體連成一體旋轉, 擰緊螺母, 直至滿足螺栓預緊力的要求,

11、 由指端傳感器發(fā)出信號, 控制系統迫使電機停轉。 .在該機構殼體的圓周方向上除相隔120°布置三個爪指導槽外, 另在與其中一爪指導槽相隔180度處開有另一個爪指導槽, 其目的是根據需要該機構可由三爪轉換成二爪使用。另外在指端還可快速更換不同型式的手爪, 以適應不同形狀和尺寸的工件要求。 錐形螺桿2是夾持器的關鍵零件, 其錐角的選取與夾持器所能夾持的工件最大重量和最大尺寸有關。錐角設計得越小, 夾持器所能產生的夾緊力與夾持工件的尺寸范圍越大, 但錐角過小會影響爪指沿徑向運行的夾持速度, 所以錐角不能設計得太小, 最好取在20°～30°范圍內( 推導從略) 。該爪型夾持器的錐角為30°, 所能

12、夾持的工件最大重量為25kg, 工件最大尺寸: 柱類為
150mm,管類內徑為
200mm。 該機構為可換爪指的平移式夾持器機構, 即根據抓取工件的輪廓外形, 可選換該機構的爪指數目, 或用三指, 或換成二指。在抓取工件時, 爪指同時在半徑方向做伸縮運動, 確保夾持中心線不變。其主要特點是: 　(1) 保證工件準確定心、定位, 定位誤差為零。即工件定位精度不受工件直徑的變化影響。 　(2) 有足夠的開閉距離, 便于抓取和退出物 體。 　(3) 具有足夠的夾緊力。因為該機構具有自鎖性, 所以在驅動力突然去掉的情況下以及受振動和由于工件本身的重量及移動過程中產生的慣性力時, 決不會自行松

13、開而脫落, 夾緊可靠。 　(4) 通過力反饋裝置控制電機運轉以實現對 夾緊力的控制, 從而使夾緊力的大小適宜。 　(5) 在保證本身剛度、強度的前提下, 結構緊 湊重量輕, 以利于減輕臂部的負載。 　(6) 可適應被抓取對象的多種要求, 并具有一定的通用性。如為了適應不同形狀和尺寸的工件 要求, 可更換不同的爪指部件: V型鉗口、圓弧形二指或三指等, 從而擴大了該機構的使用范圍。 該機構的主要功能為: 　(1) 能夠夾持各種形狀的實體工件如方形、柱形、球形、多邊形等, 對工件輪廓和形狀的適應性較強。 　(2) 可作為內撐式夾持機構夾持各種管狀類零件。 　(3) 可擰緊螺母,

14、 并能控制螺栓的預緊力。 類似的還有下面的一個半導體處理機器人的手臂,它的手臂上安裝了一個集成的具有定向組件和檢測組件的邊緣夾持器該定向組件的操作以旋轉為基準在檢測組件上進行標記.檢測組件檢測標記的位置并且把到處的信息集成在邊緣夾持器的相對方向上.其結構圖如下: [5] 2.2 液壓式末端執(zhí)行器 (1). 液壓夾持器的分類和特點 1) 常閉式夾持器：依靠彈簧的預緊力夾緊鉆具，液壓松開。在不工作時，處于夾緊鉆具狀態(tài)。常用在鉆進大角度傾斜孔的鉆機上。其基本結構為一組經過預壓縮的彈簧作用在斜面或

15、杠桿等增力機構上，使卡瓦座產生軸向移動，帶動卡瓦徑向移動，夾緊鉆具；高壓油進入卡瓦座與外殼形成的液壓缸，進一步壓縮彈簧，使卡瓦座和卡瓦產生反向運動，松開鉆具。此類夾持器結構緊湊，工作可靠。夾持力大小取決于彈簧預緊力，不受油壓變化的影響，而且可在突然停電時實現快速、可靠地夾緊鉆具，防止跑鉆事故。本文設計的夾持器即屬于此種類型。 例如：一組經過預壓縮的彈簧作用在斜面(如圖1-1 卡瓦座) 或杠桿等增力機構上, 使卡瓦座產生軸向移動, 帶動卡瓦徑向移動, 夾緊鉆具; 高壓油進入卡瓦座與外殼形成的油缸, 進一步壓縮彈簧, 使卡瓦座和卡瓦產生反向運動, 松開鉆具。

16、 1 —外殼; 2 —卡瓦座; 3 —卡瓦; 4 —碟形彈簧; 5 —主軸 圖1-1 　斜面增力常閉式夾持器 此類夾持器結構緊湊、工作可靠、夾持力取決于彈簧預緊力不受油壓變化的影響?？稍谕蝗煌ｋ姇r實現快速、可靠地夾緊鉆具, 防止跑鉆事故。 2) 常開式夾持器：一般采用液壓夾緊、彈簧松開的方式，在不工作時處于松開狀態(tài)。這種夾持器的結構與常閉式夾持器相似，不同的是彈簧和液壓缸使卡瓦產生的運動方向與常閉式相反。夾持器靠液壓缸的推力產生夾持力，油壓的下降將直接引起夾持力的下降，一般需在油路上設置性能可靠的液壓鎖來保持油壓[6]。 3) 液壓松緊型夾持器：夾緊、松開都由液

17、壓實現，兩側液壓缸進油口分別通高壓油時，卡瓦跟隨活塞運動向中心收攏，夾緊鉆具，改變高壓油入口，卡瓦則背離中心，松開鉆具[7]。此類夾持器結構較為簡單，但夾緊力容易受油壓變化影響，當出現斷電等異常情況時存在一定的安全隱患。 4) 復合式液壓夾持器：有主液壓缸和副液壓缸，副液壓缸側連接一組碟簧，當高壓油進入主液壓缸，推動主液壓缸缸體移動，通過頂柱將力傳給副液壓缸側的卡瓦座，碟簧被進一步壓縮，卡瓦座移動；同時，主液壓缸側卡瓦座在彈簧力作用下移動，松開鉆具。需要夾緊時，副液壓缸在油路上與動力頭反轉相連，當鉆機反轉擰卸鉆具時，高壓油進入副液壓缸，副液壓缸活塞對卡瓦座產生推力，與壓縮的碟簧共同作用夾緊鉆

18、具[6]。復合式液壓夾持器開口量大、開啟壓力低、體積小、性能可靠，可以實現突然斷電時鉆具夾緊，但其結構設計比較復雜，重量非對稱布置，在某些特定的使用場合可能引起一定的偏載。 (2) 新型液壓夾持器的設計 1) 主要結構及工作原理 本文設計的碟簧液壓夾持器屬于常閉型，其內部結構如圖2-1所示，采用上、下、左、右4個夾頭，但只有上、下夾頭的卡瓦內側圓弧面與鉆桿表面為30。接觸(非整段圓弧全接觸)。左、右夾頭的夾頭端與上、下夾頭通過9。力放大斜面接觸，另一端通過內螺紋分別與左、右液壓缸的活塞桿連接。左、右夾頭兩側均有液壓缸和碟簧對稱布置，因碟簧安裝好后已有一定的壓縮變形產生預緊力，故圖2-

19、1中只標出其安裝位置。在碟簧彈力的作用下，左、右夾頭向中間靠攏，通過9。力放大斜面?zhèn)鬟f壓力給上、下夾頭，使上、下夾頭也向中間靠攏，夾 1.液壓缸殼體2．螺母3．缸頭4．活塞桿5．左側碟簧安裝位置6．拉桿7．左夾頭 8．上夾頭9．鉆桿 10．下夾頭 11．右夾頭 12．右側碟簧安裝位置 圖2-1 夾持器內部結構 緊鉆桿。需要松開鉆桿時，左、右液壓缸有桿腔同時進油，在液壓力的作用下推動活塞向無桿腔運動，左、右活塞分別帶動與之相連的左、右夾頭向兩側運動，左、右夾頭與上、下夾頭的斜面接觸部分減少，上、下夾頭松開鉆桿。兩

20、側液壓缸端蓋的法蘭通過拉桿和螺母拉緊。夾頭和碟簧部分的外部有固定夾頭套(見圖2-2夾持器外部結構)，使之與外界隔開，不僅可以起到防塵、儲油的作用，而且可以對主液壓缸進行限位，防止壓平碟簧，確保安全。調節(jié)螺栓上的螺母，可調節(jié)碟簧預緊力的大小，并可對卡瓦和鉆桿的磨損進行補償。 圖2-2 夾持器外部結構 2) 設計計算 a. 夾持能力計算 工作要求：鉆桿最大鉆人深度l=80 m，轉矩= 1500 N·m，鉆桿直徑d=50 mm，鉆桿單位長度質量q=6.56 kg／m。文中設計夾持器用于拆卸鉆桿時夾緊作用，正常鉆進時夾

21、持器不工作，因此夾持器只承受進人巖層部分鉆桿的重量，與動力部分連接的最后端一截鉆桿及鉆頭重量由夾緊卡盤和機架承受。鉆垂直孔，拆卸鉆桿時，所需夾持器的夾緊力為最大，設計計算按極限情況考慮，此時夾持器 要克服兩個方向的力[7]。 克服鉆桿自重: [7] 夾持所需最大摩擦力 f1=G=qlg=6.56×80×10=5248 N (1) 式中：． f1---豎直方向最大摩擦力，N； G---鉆桿自重，N； q---鉆桿單位長度質量，kg／m； l——鉆桿總長度，m。 克服卸鉆桿時的轉矩: 正常工作時轉矩M =1500 N·m，卸鉆桿時轉矩M2 =1.2M1 =l800 N·m。

22、 因為 f2×d/2=M2，得卸鉆桿時所需最大摩擦力 f2=2 M2/d=72000N (2) 總的摩擦力合力 f=√（f12+f22）=72191N (3) 取摩擦系數μ=0.4，滿足要求的夾緊正壓力 FN=f/μ= N (4) 上、下夾頭與鉆桿為30。接觸，有4個接觸點，鉆桿受力分析如圖3所示。故夾頭與鉆桿4個接觸點處反作用力 圖3 鉆桿受力分析 F1=F2=F3=F4=1/4 FN=45119.5N (5) 以上夾頭為研究對象，受力分析見圖4。建立豎直方向的力平衡方程：

23、 圖4 上夾頭受力分析 FH+2Ffsin 9。=2FN1COS 9。(6) 式中： FN一夾緊力的反作用力在豎直方向的合力， FH=2F1sin 30。=F1=45119.5 N； 上夾頭與左、右夾頭接觸面的摩擦力， Ff=μFN1 ,因采用T10材料，摩擦系數μ=0.15； FN1--- 9。力放大斜面間的正壓力。 由式(6)可得： FN1=23445 N，摩擦力Ff=3516.75 N。 以右夾頭為研究對象，受力分析如圖5所示。 圖5 右夾頭受力分析 建立水

24、平方向的力平衡方程： Fmin=2sin 9。+2Ffcos 9。 (7) 式中： Fmin一夾緊所需的最小碟簧力； FN2---9。力放大斜面間的支持力，根據作用力與反作用力原理，FN2=FN1=23445 N；同理， Ff=3516.75 N。 由式(7)計算得出:Fmin =14282 N。 b. 碟簧及液壓缸選取 采用浮動雙液壓缸和碟簧組合的結構，碟簧夾緊，液壓放松。液壓缸與蝶簧的選擇，要綜合考慮碟簧參數及各部分尺寸協調，滿足碟簧力F既要大于夾緊鉆桿所需的最小碟簧力Fmin ，又要小于液壓缸壓力Fμ。 選用碟簧 蝶簧標記為：碟簧Bl12一l GB／T 1972-1992

25、，選擇B系列：D/t≈28，h0/t≈0．75，E=206 GPa，μ=0.3 [8]。 參數為：碟簧外徑D=112 mm，內徑d=57 mm，厚度t=4 mm，壓平時變形量h0=3.2 mm，其自由高度7.2 mm，碟簧力F=17800 N，正常變形量2.4 mm。選用10個，總變形量可達24 mm。 2) 選用液壓缸 選用液壓缸φ125 mm，活塞桿φ4O mm，端部法蘭連接孔4一φl8(所需行程較小且受安裝位置限制)。選擇系統油壓p=8 MPa，產生的液壓缸壓力： Fp=80×π/4×(12.52-42 )×10=88077 N， 滿足條件：Fmin=14282 N

26、00 N< Fp =88077 N。 3) 結構尺寸校核 滿足夾緊所需最小碟簧力時，每個碟簧被壓縮1.9mm，碟簧組總共被壓縮約19 mm。活塞總行程40 mm，在極限位置時，安裝碟簧組的位置空間為75mm，10個碟簧自然長度為72 mm，滿足安裝條件。碟簧組的預壓縮量由安裝保證，液壓缸有桿腔進油，活塞移動3 mm，開始接觸碟簧，繼續(xù)移動19mm，壓縮碟簧組，兩側碟簧組分別被壓縮到位后，將拉桿穿過液壓缸法蘭，由螺母鎖緊固定，夾緊鉆桿。放松鉆桿時，在有桿腔油壓的作用下，推動活塞分別向左右兩側移動，碟簧組繼續(xù)被壓縮5mm。碟簧完全壓平時，總變形量為32 mm，小于活塞總行程40mm，整體設計滿

27、足結構和功能要求。 (3) 夾緊力動態(tài)仿真 1） 軟件介紹 依據工況和設計要求，采用SolidWorks軟件[9]進行三維結構設計，然后用COSMOSMotion軟件[10]進行運動和動力學仿真分析。COSMOSMotion是基于SolidWorks的虛擬原型工具，其用戶界面是SolidWorks界面的無縫擴展，它使用Solidworks數據存儲庫，不需要Solidworks數據的復制、導出，可進行三維動力學仿真分析。在COSMOSMotion中，裝配約束將自動轉化為仿真模型約束，添加必要的驅動力、工作阻力以及COSMOSMotion特有的其他約束，建立仿真模型，就可以模擬機械運行狀

28、況，對機器進行運動和動力分析。仿真結果可以用動畫、圖形、數據等多種形式輸出。 2）仿真分析 為了確保夾緊機構設計的合理性和有效性以及驗證夾緊力是否滿足工況要求，用COSMOSMotion對其進行動態(tài)仿真分析。在左、右夾頭上分別添加模擬碟簧力14282 N，驅動左、右夾頭相向運動，通過9。力放大斜面，使上、下夾頭對鉆桿產生夾緊力。由于上、下夾頭的卡瓦內側圓弧面與鉆桿表面為30。接觸，而軟件只能輸出X,Y,Z方向的受力結果分析，考慮到結構及受力特點，選擇輸出z方向受力與時間關系的曲線圖，即相當于在上、下夾頭間添加以彈簧，該彈簧在豎直方向的受力請況，如圖6所示：在碟簧力作用下，上、下夾頭對鉆桿的

29、夾緊力在豎直方向的合力(即圖6中的力—Z)在很短的時間內上升到一個值，并保持恒定，該值約為46000N，大于2.2.1中的計算結果FH =2 F1sin 30。=45119.5N，由此結果，證明在碟簧作用下可以滿足對鉆桿的夾緊要求，該設計方案可行。 圖6 夾緊力豎直方向合力動態(tài)仿真結果 2.3 氣壓式末端執(zhí)行器 （1）氣壓傳動的特點[11] 1）氣源取得簡單； 2）系統的組裝，維修以及元件的更換比較簡單； 3）安全可靠，動作迅速反應快，工作介質無污染； 4）與液壓系統相比流動性好，壓力損失小，有利于遠距離輸送； 5

30、 ）穩(wěn)定性差，工作精度低； 6）壓力小，輸出力?。? 7）噪音大，需加裝消聲器； 8）需潤滑裝置。 （2）幾種氣動式機械手裝置 1）回轉型連桿杠桿式夾持器[12] 兩支點回轉型連桿杠桿式夾持器的結構如圖, 可據被抓工件不同要求，通過螺栓連接更換各種手指，如V型鉗口手指、弧形手指等，從而擴大夾持器的使用范圍。 夾持器的夾緊驅動力由氣缸活塞桿提供，當壓力氣體推動活塞下移動時，夾持器完成夾緊動作，其夾持力FN 計算值為:FN = Fpccosα/2b 2）直桿式雙氣缸平移夾持器[12] 直桿式雙氣缸平移夾持器的結構如圖 夾持器指

31、端安裝在裝有指端安裝座的直桿上，當壓力氣體進入單作用式雙氣缸的兩個有桿腔時，兩活塞向中間移動，工件被夾緊; 當沒有壓力氣體進入時，彈簧推動兩個活塞向外伸出，工件被松開。為保證兩活塞同步運動，在氣缸的進氣路上安裝分流閥。 3）連桿交叉式雙氣缸平移夾持器[12] 連桿交叉式雙氣缸平移夾持器的結構如圖: 夾持機構由單作用雙聯氣缸和交叉式指部組合而成。當壓力氣體進入雙聯氣缸的中間腔時，兩個活塞分別帶動活塞桿向外伸出，交叉式指端將工件夾緊; 當沒有壓力氣體進入時，彈簧推動兩個活塞自動復位，工件被松開。由于兩個氣缸共用一個進氣腔，能夠保

32、證兩個活塞桿的完全同步運動。工件直徑的變化不影響其軸心的位置 4）外夾式連桿杠桿式夾持器[13] 如下圖當增力機構推動活塞桿左右移動時，由活塞桿、連桿、鉗爪和夾持器體構成四桿機構，使鉗爪(手指)完成夾緊和放松功能，其夾持力和驅動力間關系的計算公式為：= cot 由上式可知：當結構尺寸b、c和驅動力一定時，夾持力與角的余切成正比，當角較小時，可得到較大的夾持力。為適用不同尺寸規(guī)格的工件可以更換鉗爪，當工件尺寸變化較小時，也可采取更換調整墊片的辦法。 5）內撐式連桿杠桿式夾持器[13] 為夾持內孔薄壁零件，設計了一種內撐連桿杠桿式夾持器，如圖所示。它采用四連桿機構傳遞撐緊力，其撐

33、緊方向與外夾式相反。為使夾持器在撐緊工件后能準確地用內孔定位，多采用3個鉗爪(圖中只畫了2個)，三鉗爪夾持器的鉗爪上撐緊力和驅動力之間的關系為：= cot 6）固定式無桿活塞缸驅動的增力機構[13] 固定式無桿活塞缸的氣動系統如圖，該缸為單作用氣缸，反向靠彈簧力作用，由兩位三通電磁閥實現換向。 無桿活塞缸的特點是在其活塞徑向裝有一過渡滑塊，滑塊兩端對稱地鉸接兩鉸桿，活塞在壓力作用時左右運動，滑塊則上下滑動，結構如圖。當系統夾緊時，鉸點B將繞A點作圓周運動，而滑塊上下運動可增加一個自由度，償曰點上下位移，替代整個氣缸體的擺動，結構緊湊，剛性好。

34、 整個系統的理論輸出力計算為： = 式中D為無桿活塞缸活塞的直徑，p為氣動系統 壓力。當和較小時，可得到足夠大的輸出力 具體工作原理及力學計算見參考文獻[14]。杠桿式夾持器在使用該增力機構后，能顯著降低系統壓力，減小氣缸直徑，在得到足夠夾持力的同時使機械手結構得到簡化，變得更加靈巧，從而降低設備成本，降低功耗。 7）鉸桿2杠桿串聯增力機構的內夾持氣動機械手[15] 當壓縮空氣的方向控制閥處于圖所示左位工作狀態(tài)時,氣壓缸的左腔即無桿腔進入壓縮空氣,推動活塞向右運動,導致鉸桿1和1′的壓力角α變小,通過角度效應第一次把輸入力放大,然后傳遞到恒增力杠桿機構2和2′上,再一次將輸入

35、力進行放大,變?yōu)閵A持工件的作用力F。當方向控制閥處于右位工作狀態(tài)時,氣壓缸的右腔即有桿腔進入壓縮空氣,推動活塞向左運動,夾持機構松開工件 機械手的夾緊力F,可用下式計算: F =πd2 pl1/ 4n l2 tanα 式中　d ———氣缸直徑 p ———氣壓系統壓力(MPa) n ———鉸桿2杠桿夾持機構的副數,圖所示為 2副 l1、l2 ———杠桿主動臂、被動臂的長度 α ———鉸桿機構理論壓力角(如圖示) （3）小結 以氣動系統為動力源，可以使機器人動作速度快，響應性好，采用基于無桿活塞缸驅動的增力機構，既能保證機器人-T-臂末端

36、杠桿式夾持器摩擦力小、活動靈活、結構簡單、成本低的特點，又能在不增加氣缸面積的情況下，大大提高夾持力，減輕了手臂的負荷，滿足執(zhí)行系統的要求。[16] 2.4 氣吸式末端執(zhí)行器 （1）氣吸式末端執(zhí)行器的分類與結構分析 氣吸式末端執(zhí)行器就是利用吸盤內產的負壓產生的吸力來吸住并移動工件。吸盤就是用軟橡膠或塑料制成的皮碗中形成的負壓來吸住工件的。適用于吸取大而薄，剛性差的金屬和木質板材、紙張、玻璃和弧形殼體等零件。根據不同的情況，可以做成單吸盤、雙吸盤、多吸盤或特殊形狀的吸盤。按形成負壓的方法有以下幾種方式：1）擠壓式吸盤； 2）氣流負壓式吸盤；3）真空泵排氣式吸盤。 1）

37、擠壓式吸盤：擠壓式排氣式吸盤靠向下擠壓力將吸盤內的空氣排出，使其內部形成負壓將工件吸住。有結構簡單、重量輕、成本低的優(yōu)點。但吸力不大，多用于序曲尺寸不大，薄而輕的物體。 其常見結構如下圖： 2）氣流負壓式吸盤 控制閥將來自氣泵的壓縮空氣自噴嘴噴入，形成高速射流，將吸盤內腔中的空氣帶走而形成負壓，使吸盤吸住物體，若作業(yè)現場有壓縮空氣供應這種吸盤比較方便，且成本。 其常見結構如下圖： 3）真空泵排氣式吸盤[17] 利用電磁控制閥將真空泵與吸盤相

38、聯，當抽氣時，洗盤腔內空氣被抽走時，形成負壓而吸住物體。反之，控制閥將吸盤與大氣相聯時，吸盤失去吸力而松開工件。真空泵吸盤的吸力主要取決于吸盤吸附面積的大小和吸盤內墻的真空度真空度是指內q腔空氣的稀薄程度。這種吸盤工作可靠，吸力大，但需要配備真空本泵及控制系統，費用高。其常見結構如下圖： （2）氣吸式末端執(zhí)行器的設計與計算 一般來說對平板、片狀、箱體、表面光滑或平整、易碎或變形的物體,對大尺寸、重載、結構復雜或不適合夾持的物體,

39、多采用真空吸附式末端執(zhí)行器, 可大大簡化夾具的設計。 在選用真空吸盤抓取物體時, 要明確以下幾個要點: 1) 物件重量及由此產生的重力; 2) 合力( 包括吸附力、重力、慣性力、離心力、摩擦力等) 的計算及方向; 3) 物件的材質及表面特性。在此基礎上可確定吸盤的材料、形狀、規(guī)格及其活動機構形式。[17] 吸盤式利用橡膠或塑料制成的，它的邊緣要很柔軟，以保持它緊密貼附在被吸物體表面而形成密封的內腔。當吸盤內抽成負壓時，吸盤外部的大氣壓力將把吸盤緊緊地壓在被吸物體上。吸盤的吸力是由吸盤皮碗的內、外壓差造成的，吸盤的吸力F(單位為N）可按以下式求的：

40、 式中 P0—大氣壓力，單位為N/cm2 P—內腔壓力，單位為N/cm2 S—吸盤負壓腔在工件表面上的吸附面積，單位為cm2 K1—安全系數，一般取K1=1.2~2； K2—工作情況系數，一般取K2=1~3； K3—姿態(tài)系數： 當吸附表面處于水平位置時，K3=1； 當吸附表面處于垂直位置時，K3=1/f,f為盤與被吸體的摩擦因數。 吸盤的吸力要大于被吸附物體的重力，其所需的吸盤面積S，可用一個吸盤或數個吸盤實現。[3] 因系統的負壓氣源多來自與吸盤直接連接的真空發(fā)生器, 從系統節(jié)能角度

41、考慮, 一般通過增大吸盤尺寸來提高F , 而不是追求高真空度。真空發(fā)生器的抽吸流量越大, 達到要求的真空度的時間越快, 有利于加快機械手動作節(jié)拍。[18] （3）氣吸式末端執(zhí)行器的特點與應用 特點： 適用于表面平整光潔的各種材料物件，不允許表面有溝槽或通孔。 給定面積上吸力有限。 不損傷物件表面，但要求表面不能有碎屑，一次性吸取兩件的可能性小。需要吸盤和不漏氣的結構，但是壽命比較短，結構簡單重量輕。[19] 應用：常用于板材、薄壁零件、搪瓷制品、玻璃和紙張等的夾取放置操作。 下圖是一些常見的應用。 2.5 磁吸式末端

42、執(zhí)行器 (1)磁吸式吸末端執(zhí)行器簡介 它可以分為電磁吸盤和永久吸盤兩種。 電磁吸盤是用接通和切斷線圈中的電流，產生和消除磁力的方法來吸住和釋放鐵磁性物體。 永磁吸盤則是利用永久磁鋼的磁力來吸住鐵磁性物體的它是通過移動隔磁物體來改變吸盤中磁力線回路，從而達到吸住和釋放物體的目的。它具有不需電源，結構簡單，安全可靠等優(yōu)點。但同樣是吸盤，永久吸盤的吸力不如電磁吸盤大。如下圖[2]： 磁吸式吸盤的工作原理：線圈1通入電流后，鐵心2產生磁通，磁力線經內盤體4，避開隔物體5，通過工件3、外

43、盤面6和盤體7，回到鐵心2,形成回路。由于磁力線通過工件，工件即被吸住。外盤面6也是給工件定位用的。 （2）磁吸式末端執(zhí)行器的設計分析[21] 磁吸式末端執(zhí)行器主要由3 個大部件組成： 1)手部。 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的、光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機構形式較多，常用的有：滑槽杠桿式，連桿杠桿式，斜槭杠桿式，齒輪齒條式，絲杠螺母式，彈簧式和重力式。 Ⅰ. 選擇手抓的類型 磁

44、吸式機械手的設計，常用的工業(yè)機械手手部，按握持工件的原理，分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體，適合用于本方案。通過綜合考慮，本設計選擇吸盤作為磁吸式機械手的手抓。為了使機械手能夠平穩(wěn)的搬動工件，選擇了4 個吸盤，吸盤內的磁力由電磁鐵提供。 Ⅱ. 手抓的力學分析 首先是電源設計，即線圈兩端的電壓。建議使用直流電源，因為直流電流可以保證次吸力穩(wěn)定，沒有交變。介于設計的磁吸力小，可選用5～12 V 直流電源（電壓越大，反應速度越快）。 繞線組材料的選取。如果設計要求繞線組凈質量小，則可選擇漆包鋁線。一般情況下，選擇漆包銅線，因為銅的

45、電阻率低。 考慮繞線組的發(fā)熱。繞線組是有電阻的，其發(fā)熱功率P = U * U / R（U 為電源電壓）。 選用橫截面積合適的導線作為繞線組。 磁吸力F∝磁感應強度B，B ∝ I * N（電流與匝數 的乘積）， 而I = U / R，且R∝N。具體公式為B = u* I* N / 2；R = ρ* L / S = ρ*π* D* N / S； {其中，u 是輪子的磁導率；ρ 是導線的電阻率（Ω·mm）；S 是導線的橫截面積（mm2）；D 是線圈的平均直徑（mm）； N是線圈匝數；L 是導線總長。} 則B ≈ 0.59 * u * S / ρ (可以

46、看出，只要繞線區(qū)域一定，B 與N 無關。) 線圈發(fā)熱功率P = U* U / R ∝ ( S2 )； 所以導線橫截面積S 盡量取小，但S 過小會導致磁吸力變化速度慢。選擇每個吸盤的直徑相同d 。 工件的質量m = ρv 所以根據平衡公式得G = 4 Fmg = 4F 即每個電磁吸盤的磁力F = m g / 4 2) 腕部 腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個

47、上下擺動，即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。 Ⅰ.腕部設計的基本要求 a．力求結構緊湊、自重輕。腕部處于手臂的最前端，其連同手部的靜、動載荷，均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、自重和動力載荷，直接影響著臂部的結構、自重和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，自重輕。 b.結構考慮，合理布局。腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求和足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 c.必須考慮工作條件。對于本設計，機械手的工作條件是在

48、工作場合中搬運加工的工件，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對機械手的腕部沒有太多的不利因素。 Ⅱ. 腕部的結構設計 腕部采用平面式，用4 根支架作成。下面采用2根支架, 支架上面再放2 根支架，4 根支架上都不采用實體式，如果吸盤的位置正好吸在工件孔的位置，這樣就會導致機械手不能搬動工件。采用此設計，可以人工調整機械手手部的位置來解決此問題。上面和下面的支架通過手部吸盤上的螺栓進行連接。跟螺栓進行連接的墊片，采用快換墊片，這樣可以迅速地調整機械手的手部位置。 3)臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。其作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾

49、具），并帶動他們做空間運動。手臂的各種運動，通常用驅動機構（如液壓缸或氣缸）和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況分析，在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多，受力復雜。因此，其結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度，直接影響機械手的工作性能。 手臂部件是機械手的主要握持部件，其作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂的各種運動，通常用驅動機構和各種傳動機構來實現。從臂部的受力情況分析，其在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，其結構、工作范圍、靈活性等，直接影響到機械手的工作性能。 Ⅰ.臂部設計

50、的基本要求 a.臂部應承載能力大、剛度好、自重輕。根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸，提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離，合理布置作用力的位置和方向，注意簡化結構，提高配合精度。 b.臂部運動速度要高，慣性要小。 c.手臂動作應該靈活?？傊陨弦笫窍嗷ブ萍s的，應該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設計出完美的、性能良好的機械手。 Ⅱ.手臂運動機構的選擇 通過以上綜合考慮，本設計要求機械手垂直移動，選擇齒輪齒條機構。臂部采用鋁合金材料，這樣可以減少手臂運動件的自重，可以減少臂部的慣量。臂部通過焊接與腕部相連，再通過焊接與齒條外面的端板相連接。

51、通過M6 的螺釘，將外端板與齒條相聯接。這樣當齒條磨損后，可以換新的齒條。 3 工業(yè)機器人末端執(zhí)行器的研究現狀[3] 工業(yè)機器人手部除焊接、噴涂等機器人的終端是焊鉗、噴槍等專用工具外, 其它工種如搬運、裝配等機都配有夾持器。目前使用的或研制中的夾持器種類很多, 為了便于研究, 根據其結構、性能和應用方式分為四種: 　　( 1) 簡單的夾持器機構: 這類夾持器只適合抓取外形規(guī)則的物體, 應用范圍有限。但因其結構簡單、造價低廉, 所以目前使用得較多。 　　( 2) 多夾持器系統: 此類夾持器主要用于抓拿對象種類較多、外形變化較大的場所。它的優(yōu)點是在操作過程中機器人可根據抓拿對象選

52、擇不同的夾持器, 免除了因抓拿對象的變化而更換機器人終端設備的麻煩。其缺點是結構復雜, 增加了機器人腕部的負載。 　　( 3) 柔性夾持器機構: 此類夾持器的特點是在操作過程中不存在固定不變的夾持形心, 所以它可抓拿形狀變化較大的物體, 但由于其失去了對抓拿物空間位姿的精確控制, 因此不適于機器人的裝配操作, 在實際應用中有局限性。 ( 4) 仿人手型夾持器機構: 此類夾持器的特點是它的機械結構與人手相似, 具有多個可獨立驅動的關節(jié), 在操作過程中可通過關節(jié)的動作使被抓拿物體在空間做有限度地移、轉, 調整被抓拿物體在空間的位姿。在作業(yè)過程中, 這種小范圍的調整是十分必要的, 它對提高機器人

53、作業(yè)的準確性有利。因此仿人手型夾持器的應用前景十分廣闊,但由于其結構和控制系統非常復雜, 目前尚處于研究階段, 實際使用的寥若晨星。 總之, 夾持器機構種類較多, 但其中有些在技術上尚不成熟, 有待進一步開發(fā)研究。因此, 如何提高現有夾持器機構的性能并從國情出發(fā), 研制能滿足各種作業(yè)要求, 實用可靠, 結構簡單, 造價低廉的夾持器機構是我們的主要任務。 4 結　語 工業(yè)機器人能否得到高效的應用，關鍵之一是其末端執(zhí)行器能否解決抓取對象和作業(yè)現場對夾持器抓取過程提出的技術要求，例如，被抓取物件的輪廓、傳輸過程的動態(tài)條件、接觸敏感性、操作現場的空間環(huán)境及溫度等。這些因素很多不是孤立存在的，

54、往往是相互關聯，需要綜合考慮的。為了合理解決這些關鍵的技術問題和要求，就會出現各種設計結構和觀點。 設計末端執(zhí)行器機構，首先要考慮所設計的的夾持器對被抓拿物體的輪廓尺寸和形狀的適應性與抓取的準確性（閉合精度）和夾緊力。這是設計的出發(fā)點，也是評定末端執(zhí)行器機構的特有準則。前者有關適應性方面的基本數據具有決定性意義，它與末端執(zhí)行機構的功能、特性有著質的聯系；后者抓取準確性可作為末端執(zhí)行器的精度和可靠性準則加以考慮，具有量的關系。本著合理、有利的原則，處理好相互關系，對末端執(zhí)行器機構的設計和制造有重要意義。 參考文獻： [1] Ethem Toklu，and Fehmi Erz

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