换刀机器人手爪的设计与仿真

顾寄南，师二产，胡典传

（江苏大学 制造业信息化研究中心，镇江 212013）

换刀机器人手爪的设计与仿真

顾寄南，师二产，胡典传

（江苏大学 制造业信息化研究中心，镇江 212013）

0 引言

随着工业生产逐步向自动化、智能化方向不断发展，工业机器人在制造业领域的需求也在不断增加。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。机器人手爪作为机器人关键零部件之一，它是机器人与环境相互作用的最后环节和执行部件，其性能的优劣在很大程度上决定了整个机器人的工作性能。因此，对机器人手爪的设计与研究具有很重要的意义。

本文设计了一种用于数控机床换刀的机器人手爪，采用结构简单、动作灵活、手指张开角度大的滑槽导杆机构，并且采用价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强的气动控制方式，同时对整个机构进行了三维设计与仿真分析。

1 手爪设计

1.1 结构设计

如图1左边所示为要抓取的对象，被抓取刀柄和刀具总重量为8kg，刀柄规格为日本标准BIGBT40刀柄样本。根据要求，所设计的机器人手爪应当抓取稳定可靠，并且结构简单、尺寸较小、重量较轻。此外，手爪作为机器人的末端构件，其重量、尺寸等对整个机器人的性能都有很大的影响。为了满足设计的要求，设计的手爪爪齿齿面与刀柄的锥形槽接触，实现对刀柄及刀具的抓取。为此，将手爪齿面设计成与刀柄锥形匹配的锥面。刀柄最大锥面直径为 63mm，最小直径为 53mm，为了能够便于夹紧，手爪爪齿锥面的最小直径应大于 53mm，这里取为 54mm，手爪爪齿如图1右边所示。

图1 手爪与刀柄的接触图

根据设计要求，为了保证所设计的手爪结构简单、尺寸较小，采用结构紧凑的滑槽导杆机构。滑槽导杆机构，具有结构简单、动作灵活、手指张开角度大等特点。同时，为了实现手爪对抓取对象的稳定抓取，提高其可靠性，在抓取刀柄时，手爪爪齿的锥形面与刀柄的锥形面匹配接触，如图1所示。

换刀机器人手爪的结构如图2所示，驱动气缸活塞杆末端通过销轴与爪齿末端的滑槽连接，驱动爪齿绕着支架上的转轴转动，组成一滑槽导杆机构，把气缸的直线运动转化成爪齿绕转轴的转动，实现手爪对被抓取对象的抓取。同时，手爪上的锥面通过与刀柄中间锥（V）形槽结构相匹配从而实现对刀具的抓取。锥（V）形槽结构对机器人手爪的抓刀有引导的作用，并在抓刀过程中起到自动定位的作用，因而提高了整个抓刀动作的可靠性与稳定性。

1.支架 2.圆柱销 3.销轴 4.爪齿一 5.爪齿二 6.圆柱销7.活塞杆 8.气缸 9.连接法兰

1.2 夹紧力的计算

手爪驱动气缸选用QGX系列小型气缸，缸径 20mm，活塞杆直径 8mm，其工作压力 为0.15～0.8 ，建立如图3所示的手爪力学模型。

图3 手爪的力学模型

2 仿真分析

文中采用美国MDI公司（Mechanical Dynamics inc.）开发的ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件对手爪进行仿真分析。由于ADAMS软件本身的造型能力比较弱，因此，首先在Pro/E中建立好三维模型，然后导入ADAMS中。本文采用中间通用数据接口来实现两者之间的数据传输，首先将在Pro/E中建立好三维模型保存成 Parasolid(*.x_t)格式,然后导入ADAMS中，对其进行属性编辑，施加约束及驱动，进行仿真。

在ADAMS中设置仿真时间End time为4S,仿真步数Steps为100，启动仿真过程。并测量手爪爪齿的转动角度，如图4所示。

图4 爪齿转角、角速度与角加速度

从图4中可以看出，采用滑槽导杆机构，手爪爪齿的转动角度比较大，使得整个机构的尺寸较小，能够满足设计的要求。

3 结论

本文根据被抓取对象的表面特征设计了一种能够稳定抓取工作对象，可靠性高的专用手爪，能够满足设计要求，并且具有以下特点：

1）采用了滑槽导杆机构，使得整个手爪结构简单、动作灵活、手指张开角度大，缩小了手爪尺寸，减轻了重量。

2）采用了价格低廉、结构简单、无污染及抗干扰性强的气动控制方式，该方式具有响应速度快，动作迅速、维护简单等优点。

[1]骆敏舟,杨秀清,梅涛.机器人手爪的研究现状与进展[J].机器人技术与应用,2008(2).

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[3]郑建荣.虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2001.

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[5]郭卫东.虚拟样机技术及ADAMS应用实例教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

Design and simulation of robot hand for automatic tool changer

GU Ji-nan, SHI Er-chan, HU Dian-chuan

机器人手爪作为机器人关键零部件之一，它是机器人与环境相互作用的最后环节和执行部件，其性能的优劣在很大程度上决定了整个机器人的工作性能。因此，对机器人手爪的设计与研究具有很重要的意义。本文根据被抓取的对象设计了一种结构简单、动作灵活、抓取稳定、可靠性好的专用手爪，采用滑槽导杆机构及气动控制方式，并对整个机构进行了仿真。

机器人手爪；设计；仿真

顾寄南（1964 -），男，教授，博士生导师，研究方向为虚拟机械设计与虚拟装配、基于网络的设计与制造、制造业信息化。

TP242

A

1009-0134(2011)4(上)-0109-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).34

2010-10-28