可替换式单关节机器人柔性手部的研究

2013-03-17张立军赵永瑞相恒富

机床与液压 2013年16期

张立军，赵永瑞，相恒富

(中国石油大学(华东)机电工程学院，山东青岛266580)

机器人由于延伸和扩大了人的手足和大脑的功能，因此可以代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境下的工作。工业机器人结构中最重要的执行机构是手部［1－3］。手部，也叫末端执行器，是装在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件，由手指、传动机构、驱动装置和支架组成，如图1所示。然而现有的搬运或码垛类机器人手部存在结构较为单一、材料利用率不高及适用范围较小等问题，很难采用一套主结构实现对不同形状和不同尺寸工件的可靠夹持。为此，作者提出将机器人手部设计成可替换形式，并将机器人结构中手指和连杆之间做成燕尾槽接口连接。该机构不但能节约材料，节省更换时间，增加效率，而且制造也容易。

图1 夹钳式机器人手部的构成

1 机器人手部的组成及工作原理

该可替换式单关节机器人柔性手部主要由液压缸、固定支架、连杆、(可替换式)手指等组成。图2 是柔性手部的结构示意图，图3 是柔性手部及其手指的三维示意图。

图2 柔性手部的结构示意图

在图2 中，以夹持圆柱形物体的机械手为例。该机械手设计是采用两个手指，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。当安装在固定支架上的液压缸驱动活塞杆向上运动时，活塞杆拉动圆柱销和连杆使手指闭合，从而夹紧工件;当液压缸驱动使活塞杆向下运动时，活塞杆拉动圆柱销和连杆使手指张开，从而松弛工件。机器人手指的更换主要通过连接处的燕尾槽连接，因此在设计手指时只需为其设计相应的燕尾槽接口即可方便更换手指，以满足对不同形状工件的夹持要求，节省更换时间，增加工作效率。同时可根据不同工件的形状要求，及时设计并制作出相应的手指进行更换，以满足高效生产要求。

图3 柔性手部及及其手指的三维示意图

图3 中，通过改变机器人手指的形状来满足不同工件的夹持要求，主要设计了3 种夹持方案:第一种是球体夹持手指，所采用的是手指2，可以完成生产过程中对球体类工件的夹持任务;第二种是立方体夹持手指，所采用的是手指3，以完成对立方体类工件的夹持任务;第三种是圆柱体夹持手指，所采用的是手指1，用来完成对圆柱体类工件的夹持任务。

该机构采用液压缸驱动，只要通过控制液压缸活塞杆的行程，即可根据不同形状工件的夹紧力需求设置合适的活塞杆行程，进而控制夹持装置的开合状态，以提供不同的夹紧力来满足对工件的夹持要求。