工业机器人的末端执行器结构分析综述..

收稿日期 2012 12 6 第 卷 第 期大 连 交 通 大 学 学 报Vol 1 No 12 JOURNAL OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY2012 年 12 月 Feb 2012 文章编号 工业机器人的末端执行器 结构分析综述 姜楚峰 潘传奇 马野 王磊 张芝虎 大连交通大学 机械工程学院 辽宁大连 116028 摘摘 要 要 工业机器人的末端执行器 夹持器机构 是机器人操作机与工件 工具等直接接触并进行作业的装 置 是机器人的关键部件之一 末端执行器是直接执行工作的装置 它对扩大机器人的作业功能 应用范围 和提高工作效率都有很大的影响 因此对机器人的各种末端执行器结构分析研究有着非常重要的意义 抓取 不同特征的物件需要有着不同类型的结构和驱动源 本文就末端执行器的常用结构 根据不同类型的结构 特性分类来进行分析各种夹持机构的特点和适用范围 关键词 关键词 末端执行器 夹持器 结构分析 结构特性分类 中图分类号 中图分类号 文献标识码 文献标识码 A ReviewReview ofof End effectorsEnd effectors StructureStructure ofof industrialindustrial robotrobot AnalysisAnalysis Jiang Chu feng Pan Chuan qi Ma Ye Wang Lei Zhang Zhi hu College of Mechanical Engineering Dalian Jiaotong University Dalian 116028 China Abstract Abstract End effector the clamping device of the industrial robot is the robot manipulator is in direct contact with the workpiece the tool and operating the apparatus is one of the key components of the robot End effector is a direct implementation of the device it expand miracle job functions application range and improve work efficiency has a significant impact and a variety of robot end effector structure analysis of the research has a very important significance Crawling different characteristics of the object need to have different types of structures and the driving source In this paper the common structure of End effector according to the classification of different types of structure characteristics to carry out analysis of various characteristics of the clamping mechanism and scope KeyKey words words End effector griper structure analysis structure characteristics classification 0 引言 机器人的末端执行器是一个安装在移动设 备或者机器人手臂上 使其能够拿起一个对象 并 且具有处理 传输 夹持 放置和释放对象到一 个准确的离散位置等功能的机构 1 这是末端执 行器的一个定义 工业机器人的抓取作业方式是工业生产中的 一个重要应用 工业机器人是一种通用性较强的自 动化作业设备 末端执行器则是直接执行作业任 2 大 连 交 通 大 学 学 报 第 卷 2 务的装置 大多数末端执行器的结构和尺寸都是 根据其不同的作业任务要求来设计的 从而形成 了多种多样的结构形式 通常 根据其用途和结 构的不同可以分为机械式夹持器 吸附式末端执 行器和专用的工具 如焊枪 喷嘴 电磨头等 三类 2 它安装在操作机手腕 如果配置有手腕 的话 或手臂的机械接口上 多数情况下末端执 行器是为特定的用途而专门设计的 但也可以设 计成一种适用性较大的多用途末端执行器 为了 方便的更换末端执行器可设计一分钟末端执行器 的接换器来形成操作机上的机械接口 较简单的 可用法兰盘可作为机械接口处的转换器 为了实 现快速和自动更换末端执行器 可以采用电磁吸 盘或者气动缩紧的接换器 总之 末端执行器机构的种类较多 但是其中 有些在技术上尚不成熟 因此 如何在现有的末端 执行器机构的性能并从国情出发 研制出能满足各 种作业要求 实用可靠 结构简单 造价低廉的末端 执行器是我们的主要任务 1 末端执行器的设计要求及分类 2 1 1 设计要求 1 不论是夹持或吸附 末端执行器需要有满 足作业需要的足够的夹持 吸附 力和所需的夹持 位置精度 2 应尽可能使末端执行器结构简单和紧凑 质量轻 以减轻手臂负荷 专用的末端执行器结 构简单 工作效率高 而能够完成各种作业的 万能 末端执行器可能带来结构复杂 费用昂 贵的缺点 因此提倡设计可快速更换的系列化 通用化专用末端执行器 下面是末端执行器的要 素 特征 参数的联系的示意图 3 1 2 结构分类 工业机器人中应用的机械式夹持器多为双指 头爪式 按其手指的运动可以分为平移型和回转 型 按照夹持方式来分可以分为外夹式和内撑式 本文是按照结构特性来进行分类的 可分为电动 电磁 式 液压式和气动式 以及他们的组合 下面的内容将对常见的结构进行详细地分析 2 2 常见末端执行器的结构原理分析 2 1 机电结合型末端执行器 4 如前所述 要扩大机器人应用领域 要提高 机器人效率 要解决机器人的通用性与专用性矛 盾 首先要加强新型夹持器机构的研究 并且把常 见结构的要素和优点结合起来 开发出实用和经 济的末端执行器 下面介绍一种爪型的机 电 传感器结合的 新型夹持器 该机构的结构如图 1 所示 它是由 锥形螺杆 2 爪指 9 及爪指滑动导槽 10 三者组成 一螺旋机构 其工作原理是 当电机驱动锥形螺 杆顺时针转动时 与之旋合的爪指沿其导槽所在 的半径方向 向内移动 夹紧工件 直至工件上承受的夹紧力 达 到设计值时 指端的压觉和滑觉传感器发出信号 控制系统控制电机停转 释放工件时 由控制系 统 发出信号 使电机带动锥形螺杆反转即可 上述 为 抓取实心工件的动作 图片清晰黑白 图象 分辩率 建议为 600dpi 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载 该机构还可作为内撑式夹持机构 如抓取管 材时 爪指的抓放动作与之相反 若用于拧紧螺 母时 首先用该机构将螺母套在螺栓上 后驱动 锥形螺杆顺时针转动 由于螺母已被夹紧 故爪 指不再向内滑动 螺母 爪指及壳体连成一体旋 转 拧紧螺母 直至满足螺栓预紧力的要求 由 指端传感器发出信号 控制系统迫使电机停转 在该机构壳体的圆周方向上除相隔 120 布 置三个爪指导槽外 另在与其中一爪指导槽相隔 180 度处开有另一个爪指导槽 其目的是根据需要 该机构可由三爪转换成二爪使用 另外在指端还 可快速更换不同型式的手爪 以适应不同形状和 尺寸的工件要求 锥形螺杆 2 是夹持器的关键零件 其锥角的 选取与夹持器所能夹持的工件最大重量和最大尺 寸有关 锥角设计得越小 夹持器所能产生的夹 紧力与夹持工件的尺寸范围越大 但锥角过小会 影响爪指沿径向运行的夹持速度 所以锥角不能 设计得太小 最好取在 20 30 范围内 推导 从略 该爪型夹持器的锥角为 30 所能夹持 的工件最大重量为 25kg 工件最大尺寸 柱类为 150mm 管类内径为 200mm 该机构为可换爪指的平移式夹持器机构 即 根据抓取工件的轮廓外形 可选换该机构的爪指 数目 或用三指 或换成二指 在抓取工件时 爪指同时在半径方向做伸缩运动 确保夹持中心 线不变 其主要特点是 1 保证工件准确定心 定位 定位误差 为零 即工件定位精度不受工件直径的变化影响 2 有足够的开闭距离 便于抓取和退出 物 体 3 具有足够的夹紧力 因为该机构具有 自锁性 所以在驱动力突然去掉的情况下以及受 振动和由于工件本身的重量及移动过程中产生的 惯性力时 决不会自行松开而脱落 夹紧可靠 4 通过力反馈装置控制电机运转以实现 对 夹紧力的控制 从而使夹紧力的大小适宜 5 在保证本身刚度 强度的前提下 结 构紧 凑重量轻 以利于减轻臂部的负载 6 可适应被抓取对象的多种要求 并具 有一定的通用性 如为了适应不同形状和尺寸的 工件 要求 可更换不同的爪指部件 V 型钳口 圆弧形 二指或三指等 从而扩大了该机构的使用范围 该机构的主要功能为 1 能够夹持各种形状的实体工件如方形 柱形 球形 多边形等 对工件轮廓和形状的适 应性较强 2 可作为内撑式夹持机构夹持各种管状 类零件 3 可拧紧螺母 并能控制螺栓的预紧力 类似的还有下面的一个半导体处理机器人的 手臂 它的手臂上安装了一个集成的具有定向组件 和检测组件的边缘夹持器该定向组件的操作以旋 转为基准在检测组件上进行标记 检测组件检测标 记的位置并且把到处的信息集成在边缘夹持器的 相对方向上 其结构图如下 5 2 2 液压式末端执行器 1 液压夹持器的分类和特点 1 常闭式夹持器 依靠弹簧的预紧力夹紧钻 2 大 连 交 通 大 学 学 报 第 卷 4 具 液压松开 在不工作时 处于夹紧钻具状态 常用在钻进大角度倾斜孔的钻机上 其基本结构 为一组经过预压缩的弹簧作用在斜面或杠杆等增 力机构上 使卡瓦座产生轴向移动 带动卡瓦径 向移动 夹紧钻具 高压油进入卡瓦座与外壳形 成的液压缸 进一步压缩弹簧 使卡瓦座和卡瓦 产生反向运动 松开钻具 此类夹持器结构紧凑 工作可靠 夹持力大小取决于弹簧预紧力 不受 油压变化的影响 而且可在突然停电时实现快速 可靠地夹紧钻具 防止跑钻事故 本文设计的夹 持器即属于此种类型 例如 一组经过预压缩的弹簧作用在斜面 如 图 1 1 卡瓦座 或杠杆等增力机构上 使卡瓦座 产生轴向移动 带动卡瓦径向移动 夹紧钻具 高压油进入卡瓦座与外壳形成的油缸 进一步压 缩弹簧 使卡瓦座和卡瓦产生反向运动 松开钻 具 1 外壳 2 卡瓦座 3 卡瓦 4 碟形 弹簧 5 主轴 图 1 1 斜面增力常闭式夹持器 此类夹持器结构紧凑 工作可靠 夹持力取 决于弹簧预紧力不受油压变化的影响 可在突然 停电时实现快速 可靠地夹紧钻具 防止跑钻事 故 2 常开式夹持器 一般采用液压夹紧 弹簧 松开的方式 在不工作时处于松开状态 这种夹 持器的结构与常闭式夹持器相似 不同的是弹簧 和液压缸使卡瓦产生的运动方向与常闭式相反 夹持器靠液压缸的推力产生夹持力 油压的下降 将直接引起夹持力的下降 一般需在油路上设置 性能可靠的液压锁来保持油压 6 3 液压松紧型夹持器 夹紧 松开都由液压 实现 两侧液压缸进油口分别通高压油时 卡瓦 跟随活塞运动向中心收拢 夹紧钻具 改变高压 油入口 卡瓦则背离中心 松开钻具 7 此类夹 持器结构较为简单 但夹紧力容易受油压变化影 响 当出现断电等异常情况时存在一定的安全隐 患 4 复合式液压夹持器 有主液压缸和副液压 缸 副液压缸侧连接一组碟簧 当高压油进入主 液压缸 推动主液压缸缸体移动 通过顶柱将力 传给副液压缸侧的卡瓦座 碟簧被进一步压缩 卡瓦座移动 同时 主液压缸侧卡瓦座在弹簧力 作用下移动 松开钻具 需要夹紧时 副液压缸 在油路上与动力头反转相连 当钻机反转拧卸钻 具时 高压油进入副液压缸 副液压缸活塞对卡 瓦座产生推力 与压缩的碟簧共同作用夹紧钻具 6 复合式液压夹持器开口量大 开启压力低 体积 小 性能可靠 可以实现突然断电时钻具夹紧 但其结构设计比较复杂 重量非对称布置 在某 些特定的使用场合可能引起一定的偏载 2 新型液压夹持器的设计 1 主要结构及工作原理 本文设计的碟簧液压夹持器属于常闭型 其 内部结构如图 2 1 所示 采用上 下 左 右 4 个夹头 但只有上 下夹头的卡瓦内侧圆弧面与 钻杆表面为 30 接触 非整段圆弧全接触 左 右 夹头的夹头端与上 下夹头通过 9 力放大斜面接 触 另一端通过内螺纹分别与左 右液压缸的活 塞杆连接 左 右夹头两侧均有液压缸和碟簧对 称布置 因碟簧安装好后已有一定的压缩变形产 生预紧力 故图 2 1 中只标出其安装位置 在碟 簧弹力的作用下 左 右夹头向中间靠拢 通过 9 力放大斜面传递压力给上 下夹头 使上 下 夹头也向中间靠拢 夹 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载 1 液压缸壳体 2 螺母 3 缸头 4 活塞杆 5 左侧碟簧安装位置 6 拉杆 7 左夹头 8 上夹头 9 钻杆 10 下夹头 11 右夹头 12 右侧碟簧安装位置 图 2 1 夹持器内部结构 紧钻杆 需要松开钻杆时 左 右液压缸有杆腔 同时进油 在液压力的作用下推动活塞向无杆腔 运动 左 右活塞分别带动与之相连的左 右夹 头向两侧运动 左 右夹头与上 下夹头的斜面 接触部分减少 上 下夹头松开钻杆 两侧液压 缸端盖的法兰通过拉杆和螺母拉紧 夹头和碟簧 部分的外部有固定夹头套 见图 2 2 夹持器外部结 构 使之与外界隔开 不仅可以起到防尘 储油 的作用 而且可以对主液压缸进行限位 防止压 平碟簧 确保安全 调节螺栓上的螺母 可调节 碟簧预紧力的大小 并可对卡瓦和钻杆的磨损进 行补偿 图 2 2 夹持器外部结构 2 设计计算 a 夹持能力计算 工作要求 钻杆最大钻人深度 l 80 m 转矩 1500 N m 钻杆直径 d 50 mm 钻杆单位长度质 量 q 6 56 kg m 文中设计夹持器用于拆卸钻杆 时夹紧作用 正常钻进时夹持器不工作 因此夹 持器只承受进人岩层部分钻杆的重量 与动力部 分连接的最后端一截钻杆及钻头重量由夹紧卡盘 和机架承受 钻垂直孔 拆卸钻杆时 所需夹持 器的夹紧力为最大 设计计算按极限情况考虑 此时夹持器 要克服两个方向的力 7 克服钻杆自重 7 夹持所需最大摩擦力 f1 G qlg 6 56 80 10 5248 N 1 式中 f1 竖直方向最大摩擦力 N G 钻杆自重 N q 钻杆单位长度质量 kg m l 钻杆总长度 m 克服卸钻杆时的转矩 正常工作时转矩 M 1500 N m 卸钻杆时转 矩 M2 1 2M1 l800 N m 因为 f2 d 2 M2 得卸钻杆时所需最大摩擦力 f2 2 M2 d 72000N 2 总的摩擦力合力 f f12 f22 72191N 3 取摩擦系数 0 4 满足要求的夹紧正压力 FN f 180478 N 4 上 下夹头与钻杆为 30 接触 有 4 个接触 点 钻杆受力分析如图 3 所示 故夹头与钻杆 4 个接触点处反作用力 图 3 钻杆受力分析 F1 F2 F3 F4 1 4 FN 45119 5N 5 以上夹头为研究对象 受力分析见图 4 建立 竖直方向的力平衡方程 2 大 连 交 通 大 学 学 报 第 卷 6 图 4 上夹头受力分析 FH 2Ffsin 9 2FN1COS 9 6 式中 FN一夹紧力的反作用力在竖直方向的 合力 FH 2F1sin 30 F1 45119 5 N 上夹头与左 右夹头接触面的摩擦力 Ff FN1 因采用 T10 材料 摩擦系数 0 15 FN1 9 力放大斜面间的正压力 由式 6 可得 FN1 23445 N 摩擦力 Ff 3516 75 N 以右夹头为研究对象 受力分析如图 5 所示 图 5 右夹头受力分析 建立水平方向的力平衡方程 Fmin 2sin 9 2Ffcos 9 7 式中 Fmin一夹紧所需的最小碟簧力 FN2 9 力放大斜面间的支持力 根据作用力 与反作用力原理 FN2 FN1 23445 N 同理 Ff 3516 75 N 由式 7 计算得出 Fmin 14282 N b 碟簧及液压缸选取 采用浮动双液压缸和碟簧组合的结构 碟簧 夹紧 液压放松 液压缸与蝶簧的选择 要综合 考虑碟簧参数及各部分尺寸协调 满足碟簧力 F 既要大于夹紧钻杆所需的最小碟簧力 Fmin 又要 小于液压缸压力 F 选用碟簧 蝶簧标记为 碟簧 Bl12 一 l GB T 1972 1992 选择 B 系列 D t 28 h0 t 0 75 E 206 GPa 0 3 8 参数为 碟簧外径 D 112 mm 内径 d 57 mm 厚度 t 4 mm 压平时变形量 h0 3 2 mm 其自 由高度 7 2 mm 碟簧力 F 17800 N 正常变形量 2 4 mm 选用 10 个 总变形量可达 24 mm 2 选用液压缸 选用液压缸 125 mm 活塞杆 4O mm 端 部法兰连接孔 4 一 l8 所需行程较小且受安装位 置限制 选择系统油压 p 8 MPa 产生的液压缸 压力 Fp 80 4 12 52 42 10 88077 N 满足条件 Fmin 14282 N F 17800 N Fp 88077 N 3 结构尺寸校核 满足夹紧所需最小碟簧力时 每个碟簧被压 缩 1 9mm 碟簧组总共被压缩约 19 mm 活塞总行 程 40 mm 在极限位置时 安装碟簧组的位置空间 为 75mm 10 个碟簧自然长度为 72 mm 满足安装 条件 碟簧组的预压缩量由安装保证 液压缸有 杆腔进油 活塞移动 3 mm 开始接触碟簧 继续 移动 19mm 压缩碟簧组 两侧碟簧组分别被压缩 到位后 将拉杆穿过液压缸法兰 由螺母锁紧固 定 夹紧钻杆 放松钻杆时 在有杆腔油压的作 用下 推动活塞分别向左右两侧移动 碟簧组继 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载 续被压缩 5mm 碟簧完全压平时 总变形量为 32 mm 小于活塞总行程 40mm 整体设计满足结构和 功能要求 3 夹紧力动态仿真 1 软件介绍 依据工况和设计要求 采用 SolidWorks 软件 9 进行三维结构设计 然后用 COSMOSMotion 软件 10 进行运动和动力学仿真分析 COSMOSMotion 是 基于 SolidWorks 的虚拟原型工具 其用户界面是 SolidWorks 界面的无缝扩展 它使用 Solidworks 数据存储库 不需要 Solidworks 数据的复制 导 出 可进行三维动力学仿真分析 在 COSMOSMotion 中 装配约束将自动转化为仿真模 型约束 添加必要的驱动力 工作阻力以及 COSMOSMotion 特有的其他约束 建立仿真模型 就可以模拟机械运行状况 对机器进行运动和动 力分析 仿真结果可以用动画 图形 数据等多 种形式输出 2 仿真分析 为了确保夹紧机构设计的合理性和有效性以 及验证夹紧力是否满足工况要求 用 COSMOSMotion 对其进行动态仿真分析 在左 右 夹头上分别添加模拟碟簧力 14282 N 驱动左 右 夹头相向运动 通过 9 力放大斜面 使上 下夹 头对钻杆产生夹紧力 由于上 下夹头的卡瓦内 侧圆弧面与钻杆表面为 30 接触 而软件只能输出 X Y Z 方向的受力结果分析 考虑到结构及受力特 点 选择输出 z 方向受力与时间关系的曲线图 即相当于在上 下夹头间添加以弹簧 该弹簧在 竖直方向的受力请况 如图 6 所示 在碟簧力作 用下 上 下夹头对钻杆的夹紧力在竖直方向的 合力 即图 6 中的力 Z 在很短的时间内上升到一 个值 并保持恒定 该值约为 46000N 大于 2 2 1 中的计算结果 FH 2 F1sin 30 45119 5N 由此结果 证明在碟簧作用下可以满足对钻杆的 夹紧要求 该设计方案可行 图 6 夹紧力竖直方向合力动态仿真结果 2 3 气压式末端执行器 1 气压传动的特点 11 1 气源取得简单 2 系统的组装 维修以及元件的更换比较简 单 3 安全可靠 动作迅速反应快 工作介质无 污染 4 与液压系统相比流动性好 压力损失小 有利于远距离输送 5 稳定性差 工作精度低 6 压力小 输出力小 7 噪音大 需加装消声器 8 需润滑装置 2 几种气动式机械手装置 1 回转型连杆杠杆式夹持器 12 两支点回转型连杆杠杆式夹持器的结构如图 可 据被抓工件不同要求 通过螺栓连接更换各种手 指 如V型钳口手指 弧形手指等 从而扩大夹持 器的使用范围 夹持器的夹紧驱动力由气缸活塞杆提供 当 压力气体推动活塞下移动时 夹持器完成夹紧动 作 其夹持力FN 计算值为 FN Fpccos 2b 2 大 连 交 通 大 学 学 报 第 卷 8 2 直杆式双气缸平移夹持器 12 直杆式双气缸平移夹持器的结构如图 夹持器指端安装在装有指端安装座的直杆上 当 压力气体进入单作用式双气缸的两个有杆腔时 两活塞向中间移动 工件被夹紧 当没有压力气 体进入时 弹簧推动两个活塞向外伸出 工件被 松开 为保证两活塞同步运动 在气缸的进气路 上安装分流阀 3 连杆交叉式双气缸平移夹持器 12 连杆交叉式双气缸平移夹持器的结构如 图 夹持机构由单作用双联气缸和交叉式指部组 合而成 当压力气体进入双联气缸的中间腔时 两个活塞分别带动活塞杆向外伸出 交叉式指端 将工件夹紧 当没有压力气体进入时 弹簧推动 两个活塞自动复位 工件被松开 由于两个气缸 共用一个进气腔 能够保证两个活塞杆的完全同 步运动 工件直径的变化不影响其轴心的位置 4 外夹式连杆杠杆式夹持器 13 如下图当增力机构推动活塞杆左右移动时 由活塞杆 连杆 钳爪和夹持器体构成四杆机构 使钳爪 手指 完成夹紧和放松功能 其夹持力 FN和驱动力Fp间关系的计算公式为 FN c b Fp 2 cot 由上式可知 当结构尺寸b c和驱动力 Fp 一定时 夹持力FN与 角的余切成正比 当 角较小时 可得到较大的夹持力 为适用不 同尺寸规格的工件可以更换钳爪 当工件尺寸变 化较小时 也可采取更换调整垫片的办法 5 内撑式连杆杠杆式夹持器 13 为夹持内孔薄壁零件 设计了一种内撑连杆 杠杆式夹持器 如图所示 它采用四连杆机构传 递撑紧力 其撑紧方向与外夹式相反 为使夹持 器在撑紧工件后能准确地用内孔定位 多采用3个 钳爪 图中只画了2个 三钳爪夹持器的钳爪上撑 紧力FN和驱动力F p之间的关系为 FN c b Fp 3 cot 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载 6 固定式无杆活塞缸驱动的增力机构 13 固定式无杆活塞缸的气动系统如图 该缸为 单作用气缸 反向靠弹簧力作用 由两位三通电 磁阀实现换向 无杆活塞缸的特点是在其活塞径向装有一过 渡滑块 滑块两端对称地铰接两铰杆 活塞在压 力作用时左右运动 滑块则上下滑动 结构如图 当系统夹紧时 铰点B将绕A点作圆周运动 而滑 块上下运动可增加一个自由度 偿曰点上下位移 替代整个气缸体的摆动 结构紧凑 刚性好 整个系统的理论输出力Ft计算为 Ft p D 21 2 tantan16 式中D为无杆活塞缸活塞的直径 p为气动系统 压力 当 1和 2较小时 可得到足够大的输出 力Ft 具体工作原理及力学计算见参考文献 14 杠杆式 夹持器在使用该增力机构后 能显著降低系统压 力 减小气缸直径 在得到足够夹持力的同时使 机械手结构得到简化 变得更加灵巧 从而降低 设备成本 降低功耗 7 铰杆2杠杆串联增力机构的内夹持气动机械手 15 当压缩空气的方向控制阀处于图所示左位工 作状态时 气压缸的左腔即无杆腔进入压缩空气 推动活塞向右运动 导致铰杆1和1 的压力角 变 小 通过角度效应第一次把输入力放大 然后传递 到恒增力杠杆机构2和2 上 再一次将输入力进行 放大 变为夹持工件的作用力F 当方向控制阀处 于右位工作状态时 气压缸的右腔即有杆腔进入压 缩空气 推动活塞向左运动 夹持机构松开工件 机械手的夹紧力F 可用下式计算 F d2 pl1 4n l2 tan 式中 d 气缸直径 p 气压系统压力 MPa n 铰杆2杠杆夹持机构的副数 图所示为 2副 l1 l2 杠杆主动臂 被动臂的长度 铰杆机构理论压力角 如图示 3 小结 以气动系统为动力源 可以使机器人动作速 度快 响应性好 采用基于无杆活塞缸驱动的增 力机构 既能保证机器人 T 臂末端杠杆式夹持器 摩擦力小 活动灵活 结构简单 成本低的特点 又能在不增加气缸面积的情况下 大大提高夹持 力 减轻了手臂的负荷 满足执行系统的要求 16 2 大 连 交 通 大 学 学 报 第 卷 10 2 4 气吸式末端执行器 1 气吸式末端执行器的分类与结构分析 气吸式末端执行器就是利用吸盘内产的负压 产生的吸力来吸住并移动工件 吸盘就是用软橡 胶或塑料制成的皮碗中形成的负压来吸住工件的 适用于吸取大而薄 刚性差的金属和木质板材 纸张 玻璃和弧形壳体等零件 根据不同的情况 可以做成单吸盘 双吸盘 多吸盘或特殊形状的 吸盘 按形成负压的方法有以下几种方式 1 挤 压式吸盘 2 气流负压式吸盘 3 真空泵排气 式吸盘 1 挤压式吸盘 挤压式排气式吸盘靠向下挤 压力将吸盘内的空气排出 使其内部形成负压将 工件吸住 有结构简单 重量轻 成本低的优点 但吸力不大 多用于序曲尺寸不大 薄而轻的物 体 其常见结构如下图 2 气流负压式吸盘 控制阀将来自气泵的压缩空气自喷嘴喷入 形成高速射流 将吸盘内腔中的空气带走而形成 负压 使吸盘吸住物体 若作业现场有压缩空气 供应这种吸盘比较方便 且成本 其常见结构如下图 3 真空泵排气式吸盘 17 利用电磁控制阀将真空泵与吸盘相联 当抽 气时 洗盘腔内空气被抽走时 形成负压而吸住 物体 反之 控制阀将吸盘与大气相联时 吸盘 失去吸力而松开工件 真空泵吸盘的吸力主要取 决于吸盘吸附面积的大小和吸盘内墙的真空度真 空度是指内 q 腔空气的稀薄程度 这种吸盘工作 可靠 吸力大 但需要配备真空本泵及控制系统 费用高 其常见结构如下图 2 气吸式末端执行器的设计与计算 一般来说对平板 片状 箱体 表面光滑或 平整 易碎或变形的物体 对大尺寸 重载 结构 复杂或不适合夹持的物体 多采用真空吸附式末 端执行器 可大大简化夹具的设计 在选用真空吸盘抓取物体时 要明确以下几个要 点 1 物件重量及由此产生的重力 2 合力 包括吸附力 重力 惯性力 离心 力 摩擦力等 的计算及方向 3 物件的材质及表面特性 在此基础上可确 定吸盘的材料 形状 规格及其活动机构形式 17 吸盘式利用橡胶或塑料制成的 它的边缘要很柔 软 以保持它紧密贴附在被吸物体表面而形成密 封的内腔 当吸盘内抽成负压时 吸盘外部的大 气压力将把吸盘紧紧地压在被吸物体上 吸盘的 吸力是由吸盘皮碗的内 外压差造成的 吸盘的 吸力 F 单位为 N 可按以下式求的 式中 P0 大气压力 单位为 N cm2 P 内腔压力 单位为 N cm2 S 吸盘负压腔在工件表面上的吸附面积 单位为 cm2 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载 K1 安全系数 一般取 K1 1 2 2 K2 工作情况系数 一般取 K2 1 3 K3 姿态系数 当吸附表面处于水平位置时 K3 1 当吸附表面处于垂直位置时 K3 1 f f 为盘 与被吸体的摩擦因数 吸盘的吸力要大于被吸附物体的重力 其所 需的吸盘面积 S 可用一个吸盘或数个吸盘实现 3 因系统的负压气源多来自与吸盘直接连接的 真空发生器 从系统节能角度考虑 一般通过增 大吸盘尺寸来提高 F 而不是追求高真空度 真 空发生器的抽吸流量越大 达到要求的真空度的 时间越快 有利于加快机械手动作节拍 18 3 气吸式末端执行器的特点与应用 特点 适用于表面平整光洁的各种材料物件 不允许表面有沟槽或通孔 给定面积上吸力有限 不损伤物件表面 但要求表面不能有碎屑 一次 性吸取两件的可能性小 需要吸盘和不漏气的结 构 但是寿命比较短 结构简单重量轻 19 应用 常用于板材 薄壁零件 搪瓷制品 玻璃和纸张等的夹取放置操作 下图是一些常见的应用 2 5 磁吸式末端执行器 1 磁吸式吸末端执行器简介 它可以分为电磁吸盘和永久吸盘两种 电磁吸盘是用接通和切断线圈中的电流 产 生和消除磁力的方法来吸住和释放铁磁性物体 永磁吸盘则是利用永久磁钢的磁力来吸住铁 磁性物体的它是通过移动隔磁物体来改变吸盘中 磁力线回路 从而达到吸住和释放物体的目的 它具有不需电源 结构简单 安全可靠等优点 但同样是吸盘 永久吸盘的吸力不如电磁吸盘大 如下图 2 磁吸式吸盘的工作原理 线圈 1 通入电流后 铁心 2 产生磁通 磁力线经内盘体 4 避开隔物体 5 通过工件 3 外盘面 6 和盘体 7 回到铁心 2 形成回路 由于磁力线通过工件 工件即被吸住 外盘面 6 也是给工件定位用的 2 磁吸式末端执行器的设计分析 21 磁吸式末端执行器主要由 3 个大部件组成 1 手部 即直接与工件接触的部分 一般是回转型或 平动型 多为回转型 因其结构简单 手部多为 两指 也有多指 根据需要分为外抓式和内抓式 两种 也可以用负压式或真空式的空气吸盘 主 要用于吸冷的 光滑表面的零件或薄板零件 和 电磁吸盘 传力机构形式较多 常用的有 滑槽杠杆式 连杆杠杆式 斜槭杠杆式 齿轮齿条式 丝杠螺 母式 弹簧式和重力式 选择手抓的类型 磁吸式机械手的设计 常用的工业机械手手 部 按握持工件的原理 分为夹持和吸附两大类 吸附式常用于抓取工件表面平整 面积较大的板 状物体 适合用于本方案 通过综合考虑 本设 计选择吸盘作为磁吸式机械手的手抓 为了使机 2 大 连 交 通 大 学 学 报 第 卷 12 械手能够平稳的搬动工件 选择了 4 个吸盘 吸 盘内的磁力由电磁铁提供 手抓的力学分析 首先是电源设计 即线圈两端的电压 建 1 议使用直流电源 因为直流电流可以保证次吸力 稳定 没有交变 介于设计的磁吸力小 可选用 5 12 V 直流电源 电压越大 反应速度越快 绕线组材料的选取 如果设计要求绕线组 2 净质量小 则可选择漆包铝线 一般情况下 选 择漆包铜线 因为铜的电阻率低 考虑绕线组的发热 绕线组是有电阻的 3 其发热功率 P U U R U 为电源电压 选用横截面积合适的导线作为绕线组 4 磁吸力 F 磁感应强度 B B I 5 N 电流与匝数 的乘积 而 I U R 且 R N 具体公式为 B u I N 2 R L S D N S 其中 u 是轮 子的磁导率 是导线的电阻率 mm S 是导线的横截面积 mm2 D 是线圈的平均直径 mm N 是线圈匝数 L 是导线总长 则 B 0 59 u S 可以看出 只 要绕线区域一定 B 与 N 无关 线圈发热功率 P U U R S2 所以导线横截面积 S 尽量取小 但 S 过小会 导致磁吸力变化速度慢 选择每个吸盘的直径相 同 d 工件的质量 m v 所以根据平衡公式得 G 4 Fmg 4F 即每个电磁吸盘的磁力 F m g 4 2 腕部 腕部是连接手部和臂部的部件 并可用来 调节被抓物体的方位 以扩大机械手的动作范围 并使机械手变的更灵巧 适应性更强 手腕有独 立的自由度 有回转运动 上下摆动 左右摆动 一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动 即 可满足工作要求 有些动作较为简单的专用机械 手 为了简化结构 可以不设腕部 而直接用臂 部运动驱动手部搬运工件 腕部设计的基本要求 a 力求结构紧凑 自重轻 腕部处于手臂的 最前端 其连同手部的静 动载荷 均由臂部承 担 显然 腕部的结构 自重和动力载荷 直接 影响着臂部的结构 自重和运转性能 因此 在 腕部设计时 必须力求结构紧凑 自重轻 b 结构考虑 合理布局 腕部作为机械手的执 行机构 又承担连接和支撑作用 除保证力和运 动的要求和足够的强度 刚度外 还应综合考虑 合理布局 解决好腕部与臂部和手部的连接 c 必须考虑工作条件 对于本设计 机械手的 工作条件是在工作场合中搬运加工的工件 因此 不太受环境影响 没有处在高温和腐蚀性的工作 介质中 所以对机械手的腕部没有太多的不利因 素 腕部的结构设计 腕部采用平面式 用 4 根支架作成 下面采 用 2 根支架 支架上面再放 2 根支架 4 根支架 上都不采用实体式 如果吸盘的位置正好吸在工 件孔的位置 这样就会导致机械手不能搬动工件 采用此设计 可以人工调整机械手手部的位置来 解决此问题 上面和下面的支架通过手部吸盘上 的螺栓进行连接 跟螺栓进行连接的垫片 采用 快换垫片 这样可以迅速地调整机械手的手部位 置 3 臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件 其作用 是支撑腕部和手部 包括工作或夹具 并带动他 们做空间运动 手臂的各种运动 通常用驱动机 构 如液压缸或气缸 和各种传动机构来实现 从臂部的受力情况分析 在工作中既受腕部 手 部和工件的静 动载荷 而且自身运动较多 受 力复杂 因此 其结构 工作范围 灵活性以及 抓重大小和定位精度 直接影响机械手的工作性 能 手臂部件是机械手的主要握持部件 其作用 是支撑腕部和手部 包括工件或工具 并带动它 们作空间运动 手臂的各种运动 通常用驱动机 构和各种传动机构来实现 从臂部的受力情况分 析 其在工作中即直接承受腕部 手部 和工件 的静 动载荷 而且自身运动较多 因此 其结 构 工作范围 灵活性等 直接影响到机械手的 工作性能 臂部设计的基本要求 a 臂部应承载能力大 刚度好 自重轻 根 据受力情况 合理选择截面形状和轮廓尺寸 提 高支撑刚度和合理选择支撑点的距离 合理布置 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载 作用力的位置和方向 注意简化结构 提高配合 精度 b 臂部运动速度要高 惯性要小 c 手臂动作应该灵活 总之 以上要求是相 互制约的 应该综合考虑这些问题 只有这样 才能设计出完美的 性能良好的机械手 手臂运动机构的选择 通过以上综合考虑 本设计要求机械手垂直 移动 选择齿轮齿条机构 臂部采用铝合金材料 这样可以减少手臂运动件的自重 可以减少臂部 的惯量 臂部通过焊接与腕部相连 再通过焊接 与齿条外面的端板相连接 通过 M6 的螺钉 将外 端板与齿条相联接 这样当齿条磨损后 可以换 新的齿条 3 工业机器人末端执行器的研究现状 3 工业机器人手部除焊接 喷涂等机器人的终 端是焊钳 喷枪等专用工具外 其它工种如搬运 装配等机都配有夹持器 目前使用的或研制中的 夹持器种类很多 为了便于研究 根据其结构 性能和应用方式分为四种 1 简单的夹持器机构 这类夹持器只适合 抓取外形规则的物体 应用范围有限 但因其结 构简单 造价低廉 所以目前使用得较多 2 多夹持器系统 此类夹持器主要用于抓 拿对象种类较多 外形变化较大的场所 它的优 点是在操作过程中机器人可根据抓拿对象选择不 同的夹持器 免除了因抓拿对象的变化而更换机 器人终端设备的麻烦 其缺点是结构复杂 增加 了机器人腕部的负载 3 柔性夹持器机构 此类夹持器的特点是 在操作过程中不存在固定不变的夹持形心 所以 它可抓拿形状变化较大的物体 但由于其失去了 对抓拿物空间位姿的精确控制 因此不适于机器 人的装配操作 在实际应用中有局限性 4 仿人手型夹持器机构 此类夹持器的特 点是它的机械结构与人手相似 具有多个可独立 驱动的关节 在操作过程中可通过关节的动作使 被抓拿物体在空间做有限度地移 转 调整被抓 拿物体在空间的位姿 在作业过程中 这种小范 围的调整是十分必要的 它对提高机器人作业的 准确性有利 因此仿人手型夹持器的应用前景十 分广阔 但由于其结构和控制系统非常复杂 目前 尚处于研究阶段 实际使用的寥若晨星 总之 夹持器机构种类较多 但其中有些在 技术上尚不成熟 有待进一步开发研究 因此 如何提高现有夹持器机构的性能并从国情出发 研制能满足各种作业要求 实用可靠 结构简单 造价低廉的夹持器机构是