工业机器人码垛手爪的结构设计

刘 勇，陆宗学，卞绍顺

（连云港杰瑞模具技术有限公司，江苏连云港 222006）

工业机器人码垛手爪的结构设计

刘 勇，陆宗学，卞绍顺

（连云港杰瑞模具技术有限公司，江苏连云港 222006）

介绍了一种适用于大尺寸料袋的机器人气动手爪。为了提高设计效率和可靠性，首先在Solidworks中建立三维模型，并采用有限元仿真插件simulation进行仿真，仿真结果和实际操作表明，该手爪结构可靠合理，满足了生产需求。

机器人；手爪；Solidworks；仿真

机器人的应用普及，提高了生产效率，而且对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度及降低成本具有十分重要的意义。机器人动作实现由机器人本体和末端执行器共同完成。机器人本体及相关控制已经规模化，而末端执行器由于完成任务的不同，呈现多样化的特点。

1 机器人末端执行器简介

末端执行器也叫机器人的手部，它是安装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。包括从气动手爪之类的工业装置到弧焊和喷涂等应用的特殊工具。由于机器人的多方面应用，末端执行器通常针对某一特殊场合进行专门设计。它的设计依据工件的特定参数和工作空间的环境，同时还需要考虑自身的重量和转动惯量，以保证机器人实现的技术条件，确保机器人操作时安全可靠。机器人末端执行器大致分为以下几类：夹钳式取料手；吸附式取料手；仿生多指灵巧手[1]。本文论述的是码头料袋码垛抓手，目的工件具有体积大、重量大的特点。

2 手爪的结构设计

2.1 码垛手爪的设计要素

机器人手爪设计需要考虑多方面的因素，具体如下。

（1）手爪工作目标的重量、大小及材质

对于不同对象的工件选择不同的手爪，如板料类工件可采用真空吸附式；对于导磁性介质可采用磁力吸盘；对于PVC料袋等采用夹钳式。

（2）机器人机型的选择

机器人最大负载能力和工作半径，机器人的转动惯量，机器人的价格。

（3）手爪的经济工作方式

采用电动、气动、液压等作为动力来源，涉及的结构及其制造、使用和维护成本不一样，利用现场环境可提供的动力能够降低制造成本。

（4）手爪前端送料的输送带的结构

对于料袋抓取的辊子输送带一般有国标，需要采用标准的接口，而对于皮带输送带，就要考虑怎样来实现。

（5）机器人运动末端工件放置的空间布局。

2.2 基于Solidworks的抓手结构设计

本例设计抓手所抓取的工件为麻袋，成型尺寸为880 mm×700 mm×250 mm（长×宽×高），重量为80 kg，输送带末端承接检测台为辊子输送带，辊子间距为80 mm，现场有压缩空气提供，根据以上信息决定采用夹钳式结构。抓手主要功能为抓紧时气缸推动摆抓，抓住料袋，随后压紧气缸推动压板，将料袋压紧放置搬运过程中甩出；放料时压紧气缸松开，抓紧气缸推动摆抓，将料袋放下。

Solidworks软件功能全面，简单易用，本案例利 用 Solid⁃works进行结构设计。设计流程如下：先绘制结构简图，保证设计的主要尺寸能够完成动作要领，然后在结构简图的基础上进行详细的零件设计和虚拟装配。三维图如图1所示。

图1 码垛手爪

3 手爪的仿真分析

Solidworks Simulation是一款基于有限元（即FEA数值）技术的设计分析软件，对Solidworks的零件和装配体的几何模型、载荷和支撑进行离散化处理后，将几何模型划分成有限单元的网格来进行求解[2-3]。手爪与料袋的直接接触面为齿部，齿部受力后容易向下产生挠度，首先分析其强度。齿部采用25×18扁钢成型，为了降低自重，对其背部进行去除部分材料。经过在静态情况下对固定面和受力面进行限定后，求解如下。

如图2所示，应力图以齿部和摆动部分的连接面为固定面，载荷为90 N的均布力作用在齿面上形成，最大应力值为3.635×107N/m2，材料屈服强度为最大应力值为2.2×108N/m2，符合设计要求。

如图3所示，齿部最大位移为0.8 mm，该变形形成基于材料的弹性变形小变形阶段，当失去负载时，能够恢复，达到设计要求。

如图4所示，齿部最大应变为0.001 mm，较零件长度几乎可以忽略。

综合以上模拟，爪部设计可靠，能够满足使用需求。

图2 齿部应力图

图3 齿部位移图

图4 齿部应变图

4 结论

应用Solidworks及其仿真插件Solidworks Simu⁃lation进行机器人码垛手爪设计和仿真，缩短了设计时间，利用软件分析实现了零件的轻量化设计，降低了自重，为机器人选型提供了可靠的保证。本例进行实际生产后设备运行稳定可靠，取得了良好的效果。

［1］蒋刚，龚迪琛，蔡勇，等.工业机器人［M］.成都：西南交通大学出版社，2011.

［2］张奔，卞新高，朱灯林.用于抗洪打桩的四足机器人结构设计［J］.机电工程，2012（11）：1259-1263.

［3］陈超详，叶修梓.Solidworks Simulation基础教程［M］.北京：机械工业出版社，2010.

The Structure Design of Robot Hand for Handing

LIU Yong，LU Zong-xue，BIAN Shao-shun
（Lianyungang JARI Extrusion Mould Technology Co.，Ltd，Lianyungang222006，China）

Introduced one kind of robot hand for handing which suits for big and heavyweight bag.In order to improve design efficiency and reliability，three-dimensional model was created by the software of Solidworks，and simulated by Solidworks Simulation.The results showed that the hand is reasonable and can satisfy the requirement of production.

robot；hand；Solidworks；simulation

TP242

A

1009－9492(2014)02－0044－02

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.013

刘 勇，男，1984年生，湖北宜昌人，大学本科，工程师。研究领域：机械设计及其自动化。

(编辑：向 飞)

2013－08－28