机器人操作机构的设计与实现

机器人的手部（亦称抓取机构）是用来握持工件或工具的部件。由于被握持工件的形状、尺寸、质量、材质及表面状态的不同，手部机构是多种多样的。大部分的手部机构都是根据特定的工件要求而专门设计的。各种手部的工作原理不同，故其结构形态各异。

有些机器人在相当于手部的部位，直接安装了用于喷漆的喷枪以及用于焊接的点焊设备或弧焊设备等工具，当然也有用机械手握持这些工具进行作业的。采用直接安装的办法可简化结构，并且还可减轻质量，提高性能。因此，可将这些机器人看成是机械手与工具融为一体的机器人手。

人的手是由手指和手掌组成的，包括一个手掌和五个手指。虽然手指的活动范围有限，但它不仅能自由伸屈，而且还能左右开闭。从自由度的观点分析，一般认为，人手具有22个自由度，可是在机械手上不能控制22个自由度，而且在结构上也不能制造，目前只能设计成简单的结构。人的手指被视为关节的运动，但对其多项作业的功能及效果尚未弄清楚，况且，对人手掌的几何形状和大小以及结构功能等问题也还没有了解透彻。正因为如此，目前的机械手除特殊的结构外，大多数是由手指构成的。

1.机械手的分类

机械手的最大特点是能够握持物体。常用的手部按其握持原理可以分为如下两类：

1）夹持类

内撑式：如图6-124（a）所示；

外夹式：如图6-124（b）、（c）所示。

内撑式和外夹式的区别仅在于夹持工件的部位不同，手爪的动作方向相反。夹持类手部除常用的夹钳式外，还有勾托式［图6-124（d）］和弹簧式［图6-124（e）］。此类手部按其手指夹持工件时的运动方式不同，又可分为手指回转型和指面平移型。

2）吸附类

气吸式：用负压吸盘吸附工件，如图6-124（f）所示。按负压的产生方式不同，可以分为挤压式和真空式。

图6-124　手部的种类

（a）内撑式；（b）外夹式；（c）平移外夹式；（d）勾托式；（e）弹簧式；（f）气吸式；（g）磁吸式

气吸式手部又称真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机器人常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘（一个或几个）、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不损伤工件、被吸持工件预定的位置精度要求不高、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁，被吸工件材质致密，没有透气空隙。其主要适用于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。

图6-125所示为常见的两种气吸式手部结构原理图。图6-125（a）所示为真空式吸附头，它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空，故称为真空式。图6-125（b）所示为喷吸式（或称负压式）吸附头。它的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时，由于管路的开始段截面积是逐渐收缩的，所以气流速度逐渐增大，在管路最小截面处，气流速度达到临界速度，此时气体受压，密度加大。在排气管路中，因截面积逐渐增大，气流膨胀减压而使密度大大下降，致使气流速度继续增高，在吸气口处形成负压。吸附头与吸气口连通，故形成真空以吸住工件。

图6-125　气吸式手部结构原理图

（a）真空式吸附头；（b）喷吸式吸附头

磁吸式：如图6-124（g）所示。磁吸式手部是利用工件的导磁性，利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件的，该种手部应用较广。磁吸式手部也不会破坏被吸件表面质量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑（如铁屑等），影响正常工作。

挠性手部又称软手爪，它是仿生学研究的成果之一，特点是柔软，它由多个活节组成，每个活节都有伺服机构，在自动控制下产生弯曲运动而抓取物体。

类人机器人手部也是近年来仿生学研究的成果之一，它的动作更像人手。与通常的工业机器人手部相比，它的手指多于两个，常见的是三指或五指，而且手指上一般有关节，它的运动更为灵巧，具有更大的柔性。它的各个手指上的关节通常通过钢丝绳、记忆合金或人造肌纤维驱动。

2.夹钳式手部的组成

夹钳式手部的结构与人手类似，是工业机器人中广为应用的一种手部形式。如图6-126所示，一般夹钳式手部由以下几部分组成：

（1）手指：它是直接与工件接触的构件。手部松开和夹紧工件，就是通过手指地张开和闭合来实现的。一般情况下，机器人的手部只有两个手指，少数有三个或多个手指。它们的结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。

（2）传动机构：它是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。

（3）驱动装置：它是向传动机构提供动力的装置。按驱动方式不同，驱动装置有液压、气动、电动和机械驱动之分。由于液压驱动成本过高，在选择驱动方式时应尽量避免采用。

3.夹钳式手部设计的注意事项

（1）手指应具有一定的开闭范围。此范围就是从手指张开的极限位置到闭合夹紧时每个手指位置的变动量，如图6-127所示。回转型手部的开闭范围可用手指的开闭角（手指从张开到闭合绕支点转过的角度）Δγ来表示；平移型手部的开闭范围可用手指从张开到闭合的直线移动距离Δs来表示。开闭范围太小，将限制手部的通用性，甚至使手部不能完成正常的抓放工作。

图6-126　夹钳式手部的组成

1—手指；2—传动机构；3—驱动装置；4—支架；5—工件

图6-127　 夹钳式手部的开闭范围

（a）回转型手部；（b）平移型手部

（2）手指应具有适当的夹紧力。为使手指能夹紧工件，并保证在运动过程中不脱落，要求手指在夹紧工件时应有足够的夹紧力。但是，夹紧力也不宜过大，以免在夹持过程中损坏工件，特别是易碎工件和已精加工的工件。机器人手部对物体的抓紧力N一般取为

N＝（2～3）G

式中　G——被抓取物体的重量。

当手部抓取易碎和薄壳物体时，不应将工件压碎和变形，因此在设计手部时，应根据被握对象不同，选择适宜的驱动装置，以产生合适的夹紧力。

（3）要保证工件在手指内的定位精度。根据工件形状和位置要求及工件的加工精度与装配精度的要求，选择适当的手指形状和手部结构，以保证工件在手内的相对位置精度。工件在手指内的定位精度直接影响到工业机器人系统的精度，因此在设计时应当着重考虑。

（4）结构紧凑，质量轻，效率高。手部处于腕和臂部的最前端，运动状态多变，其结构、质量及动力负荷将直接影响到腕和臂的结构。因此，在设计手部时，必须力求结构紧凑、质量轻和效率高。鉴于此，在选用手部材料时，应尽量选用铝合金等高强度轻质材料。

（5）通用性和可换性。一般情况下手部多是专用的。为了扩大它的使用范围，提高通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采用可调整的办法，如更换手指，甚至更换整个手部，也可以为手部专门设计过渡接头，以迅速准确地更换工具。

4.手指的设计

1）指端的形状

指端是手指上直接与工件接触的部位，它的结构形状取决于工件的形状。通常有以下几种类型：

（1）V形指：如图6-128所示，它适用于夹持圆柱形工件，特点是夹紧平稳可靠，夹持误差小。如图6-128（a）所示，指端只能夹持相对静止的工件，但定位精度高。也可以用两个滚柱代替V形体的两个工作面，如图6-128（b）所示，它能快速夹持旋转中的圆柱体，但定位精度较差。图6-128（c）所示为可浮动的V形指，有自定位能力，与工件接触好，但浮动件是机构中的不稳定因素。在夹紧时和运动中所受到的外力，必须有固定支承来承受，或者设计成可自锁的浮动件。

图6-128　V形指的指端形状

（a）固定V形；（b）滚动V形；（c）自定位V形

（2）平面指：如图6-129（a）所示，它一般用于夹持方形工件（具有两个平行表面）、板形或细小棒料。该指端加工简单，成本最低。

（3）尖指或薄、长指：尖指如图6-129（b）所示，一般用于夹持小型或柔性工件；薄指用于夹持位于狭窄工作场地的细小工件，以避免和周围障碍物相碰；长指可用于夹持炽热的工件，以避免热辐射对手部传动机构及其他电子元器件的影响。

（4）特形指：如图6-129（c）所示。对于形状不规则的工件，必须设计出与工件形状相适应的专用特形指，才能夹持工件。

图6-129　夹钳式手的指端

（a）平面指；（b）尖指；（c）特形指

2）指面形式

根据工件形状、大小及其被夹持部位材质软硬、表面性质等的不同，手指的指面有以下几种形式：

（1）光滑指面：指面平整光滑，用来夹持已加工表面，避免已加工的光滑表面受损伤。

（2）齿形指面：指面刻有齿纹，可增加与被夹持工件间的摩擦力，以确保夹紧可靠。它多用来夹持表面粗糙的毛坯或半成品。

（3）柔性指面：指面镶衬橡胶、泡沫、石棉等物，有增加摩擦力、保护工件表面、隔热等作用。一般用来夹持已加工表面、炽热件，也适于夹持薄壁件和易碎工件。

3）手指的材料

手指的材料选用恰当与否，对机器人的使用效果有很大影响。对于夹钳式手部，其手指材料可选用一般碳素钢和合金结构钢。

为使手指经久耐用，指面可镶嵌硬质合金。高温作业的手指，可选用耐热钢；在腐蚀性气体环境下工作的手指，可镀铬或进行搪瓷处理，也可选用耐腐蚀的玻璃钢或聚四氟乙烯。

5.手部的传动机构

1）夹钳式手部传动机构的设计内容

在选择和设计手部的传动机构时，主要考虑的是机构的传力比、传动比、动作范围、传动效率和传动精度等几个方面。现将这几个方面的内容简述如下：

（1）传力比：机构的传力比（或称增力比、传力倍数）是指传动机构的输出力与输入力之比。对于夹钳式手部来说，主要指的是手指的夹紧力（N）与驱动装置给予传动机构的驱动力（P）的比值。传力比的大小，反映了机构是增力的还是减力的。当N／P＞1时，机构是增力的；当N／P＜1时，机构是减力的。

（2）传动比（行程比）：机构的传动比是指手指夹紧端的行程（Δs）与驱动杆的行程（ΔL）比值。对于回转手指，也可用手指夹紧端长度（l′）与开闭角（Δγ）的乘积对驱动杆行程（ΔL）的比值来表示。

传动比Δs／ΔL（或Δγ·l′／ΔL）＞1时，机构是增速运动，有利于缩短驱动行程。反之，则是减速传动，驱动行程较长。

有些手部传动机构在传动过程中，传动比是变化的，即在不同的工作区间，瞬时传动比是不同的。因此，在设计时还有一个手指工作区间的选择问题。

（3）动作范围：机构的动作范围是指手部传动机构能使夹钳式手指达到的最大开闭范围——即手指的最大开闭角Δγmax和最大夹紧行程Δs max。

（4）传动效率：传动效率主要指传动机构中摩擦损耗所占传动力的百分比，可以用机构的实际传力比对理想传力比（不计摩擦损耗）的比值来表示，即

传动机构的传力比增大，其摩擦损耗所占比重也相应增大，即实际传力比减小，传动效率降低。因此在计算手部的驱动力和夹紧力时，对传力比大的机构，更应考虑传动效率的影响。

（5）传动精度：传动精度主要同传动链的长短（传动件的多少）、各传动件间的配合间隙及制造和装配精度有关。对于具有定心作用的手部，传动精度将影响工件定位（心）精度。为了保证精度，必须注意各活动环节配合间隙的影响，以及各手指和相应传动件的制造与装配是否精确，受力（或热）后变形是否一致。还应注意，增速传动机构将使误差放大。

下面主要结合一种回转型手部传动机构来具体介绍上述设计内容。对于其他形式的传动机构只介绍其工作原理。

2）回转型传动机构

夹钳式手部中较多的是回转型手部，其手指就是一对（或几对）杠杆，一般再同斜楔、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆或螺杆等机构组成复合式杠杆传动机构，用以改变传力比、传动比及运动方向等。由于结构等因素的影响，回转型手部的传动杠杆最大传力比约为3。

现将回转型夹钳式手部中常用的几种复合式杠杆传动机构分述如下：

（1）斜楔杠杆式。图6-130（a）所示为单作用斜楔式回转型手部的结构简图。斜楔向下运动，克服弹簧拉力，使杠杆手指装着滚子的一端向外撑开，从而夹紧工件，如图6-130（b）所示。斜楔向上移动，则在弹簧拉力作用下，使手指松开。手指与斜楔通过滚子接触可以减少摩擦力，提高机械效率。有时为了简化结构，也可让手指与斜楔直接相接触。

图6-130　斜楔杠杆式手部

（a）结构简图；（b）工作原理
1—壳体；2—斜楔驱动杆；3—滚子；4—圆柱销；5—拉簧；6—销轴；7—手指；8—工件

（2）滑槽杠杆式。图6-131所示为滑槽杠杆式杠杆双支点回转型手部的简图。杠杆形手指4的一端装有V形指5，另一端则开有长滑槽。驱动杆1上的圆柱销2套在滑槽内，当驱动连杆同圆柱销一起做往复运动时，即可拨动两个手指各绕其支点（铰销3）做相对回转运动，从而实现手指的夹紧与松开动作。

滑槽杠杆式传动机构的定心精度与滑槽的制造精度有关。因活动环节较多，配合间隙的影响不可忽视。此机构依靠驱动力锁紧，机构本身无自锁性能。

（3）连杠杆式。图6-132所示为双支点回转型连杆杠杆式手部的简图。驱动杆2末端与连杆4由铰销3铰接，当驱动杆2做直线往复运动时，则通过连杆推动两杆手指绕各支点做回转运动，从而使手指松开或闭合。

图6-131　滑槽杠杆式杠杆双支点回转型手部的简图

1—驱动杆；2—圆柱销；3—铰销；4—手指；5—V形指；6—工件

图6-132　双支点回转型连杆杠杆式手部的简图

1—壳体；2—驱动杆；3—铰销；4—连杆；5，7—圆柱销；6—手指；8—V形指；9—工件

外夹式手部的最小连杆倾斜角αmin是在工件尺寸最小时出现的，在设计和计算时，应注意工件尺寸的变化情况。该结构承载能力较大，但开闭范围不大，可用于夹持大型工件。因机构的活动环节较多，故定心精度一般比斜楔传动差。

（4）齿条齿轮杠杆式。由齿条直接传动的齿轮杠杆式手部的结构，如图6-133（a）所示。驱动杆2末端制成双面齿条，与扇齿轮4相啮合，而扇齿轮4与手指5固连在一起，可绕支点回转。驱动力推动齿条做直线往复运动，即可带动扇齿轮回转，从而使手指闭合或松开。

图6-133　齿条齿轮杠杆式手部的结构

（a）无中间轮；（b）有中间轮
1—壳体；2—驱动杆；3—中间齿轮；4—扇齿轮；5—手指；6—V形指；7—工件

图6-133（b）所示为具有中间齿轮的齿条齿轮杠杆式手部的简图。中间齿轮的主要作用是改变驱动杆的运动方向，实现驱动杆向下推时夹紧。当用气缸驱动时，可使活塞的无杆端工作，以增大夹紧力。

3）平移型传动机构

平移型夹钳式手部是通过手指的指面做直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作的，常用于夹持具有平行平面的工件（如箱体等）。其结构较复杂，不如回转型手部应用广泛。

分析平移型传动机构结构，大致有如下两种类型：

（1）平面平行移动机构：图6-134所示为几种平移型夹钳式手部。它们的共同点是都采用平行四边形的铰链机构——双曲柄铰链四连杆机构，以实现手指平移。其差别在于分别采用齿条齿轮、蜗杆蜗轮、连杆斜滑槽的传动方法。

图6-134　几种平移型夹钳式手部

（a）齿轮齿条；（b）蜗轮蜗杆；（c）连杆斜滑槽
1—驱动器；2—驱动元件；3—驱动摇杆；4—从动摇杆；5—手指

这种机构的构件较多，传动效率较低且结构内部受力情况不同，设计时应加以注意。

（2）直线往复移动机构：实现直线往复移动的机构很多，常用的斜楔传动、齿条传动、螺旋传动等均可应用于手部结构。图6-135（a）所示为斜楔平移结构，图6-135（b）所示为连杆杠杆平移结构。它们既可是双指型的，也可是三指（或多指）型的；既可自动定心，也可非自动定心。

图6-135　直线平移型手部结构

（a）斜楔平移结构；（b）连杆杠杆平移结构