一种双面凸轮直线平夹自适应手指装置的结构设计

宋志鹏 张蝶 吕梦圆

摘 要：传统的平夹自适应机器人手指装置往往只具备平行夹持和自适应抓取的功能，这些机器手虽能在一定程度上实现自动适应被抓物体的形状、尺寸，实现包络、捏夹等抓取动作，但是当抓取平放的厚度較薄物体时，便会彻底丧失抓取能力。本文提出了一种双面凸轮直线平夹自适应手指装置，以克服现有装置结构的不足之处。

关键词：机器人手指；欠驱动；双面凸轮；直线平夹

0引言

机器人技术是当今科技发展的重要技术之一，其末端执行装置机器人手的结构、功能也在不断发展和完善。其中指爪式末端执行器具备可完成任务多样化的特征，既能对物体进行抓取，也能对目标进行装配、维修等操作，近年来发展迅速。

工业上有关自适应抓取的研究虽有一定创新性，但均未对柔性抓取多种工件，即在不更换夹具类型下进行工件的一对多装夹有拓展研究，即使有一定的柔性探索，这些机器手虽能在一定程度上实现自动适应被抓物体的形状、尺寸，实现包络、捏夹等抓取动作，如加拿大拉瓦尔大学研发出的Robotiq手。当抓取平放的厚度较薄物体时，便会彻底丧失抓取能力，还未达到完全的自适应。图1为Robotiq手由于末端轨迹为弧线而无法抓取薄壁类零件的示意图。

1直线平夹自适应功能

为克服现有技术的不足之处，本文提出了一种新型的直线平夹自适应欠驱动手。该装置具有多种抓取模式，既能用平夹捏持方式夹持物体，也能在第一指段接触物体后转动第二指段去自适应包络物体，对不同形状、尺寸的物体具有自适应性；该装置在平行夹持阶段能够达到第二指段末端沿直线精确运动，从而适应在工作台面上平行夹持抓取不同尺寸的物体，而无需调整机器人手整体的位置，降低了成本；采用单个动力源驱动，无需复杂的传感和实时控制系统。图2 为双面凸轮直线平夹自适应手指装置结构图。

2直线平夹功能原理

装置实现平夹功能时，有两条传动路线。

首先分析实现直线平行夹持功能的传动路线1，由外部动力源驱动输入轴2，通过一对锥齿轮传动4，一组配合有张紧装置的带传动5，将动力输出。在初始条件下，手指部分的五杆机构在弹簧6、限位突块7的作用下，使得最左侧的两根杆“合二为一”，实际上作为一根杆存在，从而将五杆机构转化为了一个平行四边形四杆机构。在杆件的相互作用下，输出2使得该四杆机构中的第一指段10围绕近关节轴11顺时针转动。此时，第二指段8相对于远关节轴9无相对运动，实现了平行夹持的功能。

接下来分析如何让第二指段进一步实现直线平夹的功能。由外部动力源驱动输入轴2，通过一对圆柱齿轮的啮合，将转动传递给双面凸轮1。滚子 固定，当双面凸轮1旋转时依靠与 接触的下表面使自身被托起，同时其上表面可移动的滚子 产生纵向的运动。滚子 线性驱动输出运动，即手指部分的整体抬升运动。在抓取过程中，随着双面凸轮1的转动，手指部分的高度在不断变化，从而消除了第二指段8因第一指段10做定轴转动所引起的高度变化量。以此来实现在平行夹持过程中，第二指段8末端维持直线轨迹。此结构可使双面凸轮1输出行程被放大，近似等于双面凸轮1上下表面升高之和。双面凸轮机构使行程加倍，同时使压力角减小为一般凸轮的一半。避免了采用立式凸轮抬升方案，凸轮径向尺寸过大造成的装置整体结构庞大的问题。

在手指部分整体抬升过程中，为确保输入的动力可以顺利传入手指部分，因而设置了带有张紧装置的带传动机构。在实际结构允许的条件下，推荐使张紧轮与传动带的外环接触，以增大传动轮的包角，使带传动稳定可靠。（图2为使结构易于表达，将张紧轮设置在了传动带的外部）。

3自适应功能原理

当第一指段10接触物体时，动力仍不断输入，通过传动机构使输出2继续，第一连杆转动，弹簧6发生变形，限位凸块7不再接触，第二连杆与第一连杆的夹角增加，此时第二连杆推动第二指段8绕远关节轴9转动，直到第二指段8接触物体，抓取结束，该过程对不同形状、尺寸物体有适应性，实现了自适应抓取效果。

4结束语

本文提出了一种双面凸轮直线平夹自适应手指装置，并对功能原理进行了较为详尽的阐述。装置整体构造简单，摩擦损耗小，效率高，较容易制造安装。具以下抓取模式，（1）该装置可以直线平动第二指段，以平夹捏持方式夹持物体，对厚度较薄的物体有较强适应性；（2）该装置能够实现自适应握持物体，在第一指段接触物体被阻挡后，第二指段自动绕远关节轴转动，直到接触物体，达到自适应包络握持物体的效果，对不同形状、尺寸的物体具有自适应性。该装置结构简单，制造成本低，抓取范围广，仅采用单个动力源驱动，无需复杂的传感和实时控制系统，适用于各种需要抓取不同物体的机器人。

参考文献：

[1] 张文增，陈强，孙振国，等. 一种自适应拟人手指抓持力分析与结构优化[J]. 机械设计与研究， 2003 ，19（05）： 16-19.

[2] 梁达尧，张文增. 平夹自适应欠驱动手的参数优化与稳定性分析[J]. 机器人， 2017，39 （03）： 282-291.

[3] 李义梅，梁伟东. LIPSA_L手_直线平夹自适应机器人手[J]. 机电工程技术， 2017，46 （08）： 79-82.