抓持式机器人手部设计与分析

目录

摘要 3

绪论 4

一、机器人手部分类及特点 5

二、机器人结构分析 5

三、驱动方式 6

四、手部夹紧力计算 8

五、抓持式手部运动 9

摘要

机器人手部是安装与机器人手臂末端，直接作用于工作对象的装置，其手部的结构重量尺寸对于机器人整体的运动学和动力学性能有直接显著的影响，因此手部设计是机器人设计中的一个重要环节。本文进行了一种手部在V型指上增加平面指的设计,能扩大夹持范围,避免因频繁更换手部而影响工作效率;在传动机构上运用连杆平行机构,提高了整个手部的刚性,使爪钳开合不同时夹紧力保持不变,同时手爪运动始终保持平行,保证定心误差为零;通过建立手指库实现机器人的一机多能,减少了设计和制造误差,进而降低成本.

【关键词】机器人手部；连杆；手部特点；驱动方式；

Robot hand is installed on the end with robot arm, Direct role in the work of the device object, The hand of structural weight dimensions for robot kinematics and dynamics of the whole performance is directly measurable effects, Therefore the hand design is a robot in the design of an important link. This article had a hand in the V-type refers to the increase in the plane on a design that can enlarge clamping range, To avoid frequent replacement of hand and the impact on productivity; In the application link on the drive mechanism, parallel increases the rigidity of the whole hand, claw claws-closing at clamping force remain unchanged, while gripper movement always maintain parallel, centering error is zero; Through the establishment of finger library implementation of multiple robots can, reduced design and manufacturing errors, thereby reducing costs.

【Keyword】Robot hand; Connecting rod; Features of the hand; Driving mode

绪论

工业机器人常用于焊接、喷漆、上下料和搬运，延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作。手部是工业机器人的关键部件之一，主要作用是夹持工件或工具，按照规定的动作程序完成制定的工作，其夹紧和松开动作都是自动完成的。机器人装配系统里面，机械臂末端的设计对于降低误差和循环周期来说是非常重要的。

设计良好的机械手末端夹具可以在很大程度上提高效率和系统的可靠性，并对机器人的误差提供补偿，给装配系统带来很高的附加价值。为此，本文设计了滑槽式杠杆回转型手部等。

一、机器人手部分类及特点

机器人的手部是用来抓持对象的机构，故又称为抓取机构，或称为夹持器。手部的结构形式很多，大部分是按工作要求和对象形状而特定设计的，其自由度根据需要而定。如简单夹持器只有一个自由度，使两手指能开合即可。若要模拟人手五指的运动，是非一般机器人技术所能实现的。

常用的手部按抓持对象的方式可分为夹持类和吸附类。夹持类手部又可细分为夹钳式、勾托式、弹簧式等等；吸附类手部又可分为气吸式和磁吸式等。

手部特点：1、手部与手腕相连处可拆卸

2、手部是末端操作器

3、手部是一个独立的部件

4、手部的通用性比较差

二、机器人结构分析

在分析常用典型手部结构基础上，传动机构总体上采用以连杆为主体的运动机构，使传动机构结构简单，动作灵活，降低成本；同时利用连杆机构中的平行四边形结构可以实现手部的相对平行移动，提高工件的定心精度。手部的自重增加了机械的载荷，在设计连杆部分时，可将杆件设计成某一部分为挖空结构，且在杆件二端加衬套结构，不仅可以增加杆件的刚性，也可以增加杆件的装配精度。

连杆主要采用45调质碳素钢。转动副采用双头螺栓来实现，要求螺栓的耐磨性高，与连杆接触部分采用间隙配合实现连杆的转动，因此所加预紧力不应过大。通过手部传动静力学分析并依据夹紧力确定各个连杆的长度，分别对连杆进行疲劳强度安全系数校核和静强度安全系数校核，以确定最终各个杆件的长度。

设计的手部是可以更换的，手部形式可以不同，但是与手腕的机械接口必须相同，即接口匹配。在保证尺寸与手腕匹配的基础上，在驱动杆上还安装了活塞与弹簧。当手部的驱动杆在臂部液压缸活塞的作用下向右运动后，实现了手爪的夹紧运动。当液压缸活塞向左运动后，由于手部传动机构所需的驱动力不大，仅为5.23N，因此，手部驱动杆在弹簧的反弹力作用下向左运动，实现了手爪与手腕的接口匹配。无论手部结构的传动机构如何，只要保证与腕部接口尺寸相同，即可实现手部与腕部的匹配，使手部模块化合标准化。

本文设计对象为v型指，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。

手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图2所示。

图2 机械手手指形状

三、驱动方式

机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表1。

机械手驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：

(1)驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；

(2)反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；

(3)驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；

(4)安全可靠；对环境无污染，噪声要小；

(5)操作和维护方便；

(6)经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。

基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用步进电机驱动的方式对机器人进行驱动。

表1 三种驱动方式的特点对照

四、手部夹紧力计算

拟定物料搬运机器人手部最大抓取重量为8kg，其夹角为31度。根据工作位置和工作环境的需要，最终采用如图3所示结构。

手部机架采用铸钢铸造，其摩擦系数，重力加速度取。夹紧时由力学关系可以得到公式：，从而得到夹紧力

由公式，知所需的驱动力

夹紧机构采用丝杠传动原理传送夹紧力，拟定丝杠的大径，螺距设为，牙型角为的梯形普通螺纹。

五、抓持式手部运动

1、驱动杆

2、圆柱销

3、手指

4、壳体

当有液压驱动驱动手部运动时，当压力传递到驱动杆时驱动杆向下运动，驱动杆将力通过圆柱销向下压，力在通过铰绡O3转动使手指3张开从而松弛工件。

当压力驱动使驱动杆向上运动时，驱动杆拉动圆柱销连杆通过铰绡使手指夹紧工件，从而实现工件的松弛与夹紧。