第三章34机器人手部结构.docx
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第三章34机器人手部结构
第三章机器人的机械结构系统
3.4机器人手部结构
【内容提要】
本课主要学习工业机器人手部结构。
介绍机器人手部的特点、手部分类、夹持类手部、吸附式手部、仿人手机器人手部。
知识要点:
✓机器人手部的特点
✓机器人手部分类
✓夹持手部
✓吸附式手部
✓仿人手机器人手部
重点:
✓掌握机器人手部分类
✓掌握机器人夹持手部
✓掌握机器人吸附式手部
难点:
✓机器人手部分类
✓夹持手部
✓吸附式手部
关键字:
✓手部、夹持手部、吸附式手部
【本课内容相关资料】
3.4机器人的手部机构
人类的手是最灵活的肢体部分,能完成各种各样的动作和任务。
同样,机器人的手部是完成抓握工件或执行特定作业的重要部件,也需要有多种结构。
机器人的手部也叫做末端执行器,它是装在机器人腕部上,直接抓握工件或执行作业的部件。
人的手有两种定义:
一种是医学上把包括上臂、腕部在内的整体叫做手;另一种是把手掌和手指部分叫做手。
机器人的手部接近于后一种定义。
机器人的手部是最重要的执行机构,从功能和形态上看,它可分为工业机器人的手部和仿人机器人的手部。
目前,前者应用较多,也比较成熟。
工业机器人的手部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、重量、材质及表面状态的不同,手部结构是多种多样的。
大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的。
3.4.1机器人手部的特点
1.机器人手部的特点
(1)手部与腕部相连处可拆卸
手部与腕部有机械接口,也可能有电、气、液接头。
工业机器人作业对象不同时,可以方便地拆卸和更换手部。
(2)手部是机器人末端执行器
它可以像人手那样具有手指,也可以不具备手指;可以是类人的手爪,也可以是进行专业作业的工具,比如装在机器人腕部上的喷漆枪、焊接工具等。
(3)手部的通用性比较差
机器人手部通常是专用的装置,例如,一种手爪往往只能抓握一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近似的工件;一种工具只能执行一种作业任务。
2.机器人手部的性质
机器人手部是—个独立的部件。
假如把腕部归属于手臂,那么机器人机械系统三大件就是机身、手臂和手部。
手部对整个器人来说是完成作业好坏以及作业柔性好坏的关键部件之一,复杂感知能力的智能化手爪的出现增加了工业机器人作业的灵活性和可靠性。
目前有一种弹钢的表演机器人的手部已经与人手十分相近,具有多个多关节手指,一个手指有二十余个自由度,每个自由度独立驱动。
目前工业机器人手部的自由度还比较少,把具备足够驱动力量的多个驱动源和关节安装在紧凑的手部内部是困难的。
3.4.2机器人手部的分类
1.按手部的用途分类
手部按其用途划分,可分为手爪和工具两类。
(1)手爪
手爪一定的通用性,它的主要功能是:
握住工件,握持工件,释放工件。
抓住:
在给定的目标位置和期望位姿上抓住工件,工件在手爪内必须具有可靠的定位,保持工件与手爪之间的准确相对位姿,并保证机器人后续作业的准确性。
握持:
确保工件在搬运过程中或零件在装配过程中定义了的位置和姿态的准确性。
释放:
在指定点上除去手爪和工件之间的约束关系。
如图3-32所示,手爪在夹持圆柱工件时,尽管夹紧力足够大,在工件和手爪接触面上有足够的摩擦力来支撑重量,但是从运动学的观点来看其约束条件是不够的,不能保证工件在手爪上的准确定位。
(2)工具
工具是进行某种专用工具,如喷漆枪、焊具等,如图3-33所示。
图3-32平面钳爪夹持圆柱工件图3-33专用工具
2.按手部的抓握原理分类
手部按其抓握原理可分为夹持类手部和吸附类手部两类。
(1)夹持类手部
夹持类手部通常又叫做机械手爪,有靠摩擦力夹持和吊钩承重两种,前者是有指手爪,后者是无指手爪。
产生夹紧力的驱动源可以有气动、液动、电动和电磁四种。
(2)吸附类手部
吸附类手部有磁力类手爪和真空类手爪两种。
磁力类手爪主要是磁力吸盘,有电磁吸盘和永磁吸盘两种。
真空类手爪主要是真空式吸盘,根据形成真空的原理可分为真空吸盘、气流负压吸盘和挤气负压吸盘三种。
磁力类手爪及真空类手爪都是无指手爪。
吸附式手部适应于大平面(单面接触无法抓取)、易碎(玻璃、磁盘、晶圆)、微小(不易抓取)的物体,因此使用面也比较大。
3.按手部的手指或吸盘数目分类
按手指数目可分为二指手爪及多指手爪。
按手指关节可分为单关节手指手爪及多关节手指手爪。
吸盘式手爪按吸盘数目可分为单吸盘式手爪及多吸盘式手爪。
如图3-34所示为一种三指手爪的外形图,每个手指是独立驱动的。
这种三指手爪与二指手爪相比可以抓取类似立方体、圆柱体及球体等形状的物体。
如图3-35所示为一种多关节柔性手指手爪,它的每个手指具有若干个被动式关节,每个关节不是独立驱动。
在拉紧夹紧钢丝绳后柔性手指环抱住物体,因此这种柔性手指手爪对物体形状有一定适应性。
但是,这种柔性手指并不同于各个关节独立驱动的多关节手指。
图3-34三指手爪图3-35多关节柔性手指手爪
4.按手部的智能化分类
按手部的智能化划分以分为普通式手爪和智能化手爪两类。
普通式手爪不具备传感器。
智能化手爪具备一种或多种传感器,如力传感器、触觉传感器及滑觉传感器等,手爪与传感器集成成为智能化手爪。
3.4.3机器人的夹持类手部
夹持类手部除常用的夹钳式外,还有钩托式和弹簧式。
此类手部按其手指夹持工件时的动方式不同,又可分为手指回转型和指面平移型。
1.夹钳式手部
夹钳式是工业机器人最常用的一种手部形式。
夹钳式一般由手指、驱动装置、传动机构、支架等组成,如图3-36所示。
1-手指2-传动机构3-驱动装置4-支架5-工件
图3-36夹钳式手部的组成
(1)手指或爪钳
手指是直接与工件接触的构件。
手部松开和夹紧工件,就是通过手指的张开和闭合来实现的。
ー般情况下,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。
指端的形状分为V形指、平面指、尖指和特形指,如图3-37所示。
a)V形指b)平面指c)尖指d)特形指
图3-37夹钳式手部的手指
根据工件形状、大小及被夹持部位材质的软硬、表面性质等的不同,手指的指面有光滑指面、齿型指面和柔性指面三种形式。
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。
(2)驱动
夹钳式手部通常采用气动、液动、电动和电磁来驱动手指的开合。
气动手爪目前得到广泛应用,这是因为气动手爪有许多突出的优点:
结构简单,成本低,容易维修,而且开合迅速速,童量轻。
其缺点是空气介质的可压缩性便爪钳位置控制复杂。
液压驱动手爪成本稍高ー些。
电动手爪的优点是手指开合电动机的控制与机器人控制可以共用一个系统,但是夹紧力比气动手爪、液压手爪小,开合时间比它们长。
电磁手爪控制信号简单,但是电磁夹紧力与爪钳行程有关,因此,只用在开合距离较小场合。
图3-38所示为一种气动手爪,气缸4中的压缩空气推动活塞3使连杆齿条2作往复运动,经扇形齿轮1带动平行四边形机构,使得爪钳5快速开合。
1-扇形齿轮2-齿条3-活塞4-汽缸5-爪钳
图3-38平行连杆式气动手爪
(3)传动
驱动源的驱动力通过传动机构驱使手指或爪钳开合并产生夹紧力。
传动机构是向手指传递运动和动力,以实现夹紧和松开动作的机构。
夹鉗式手爪还常以传动机构来命名,如图3-39所示。
对于传动机构有运动要求和夹紧力要求。
如图3-38所示的平行连杆式手爪及图3-39a所示的齿轮齿条式手爪可保持爪钳平行运动,夹持宽度变化大。
对夹紧力的要求是爪钳开合度不同时,夹紧力能保持不变。
图3-39四种手爪传动机构
2.钩托式手部
钩托式手部主要特征是不靠夹紧力来夹持工件,而是利用手指对工件钩、托、捧等动作来托持工件。
应用钩托方式可降低驱动力的要求,简化手部结构,甚至可以省略手部驱动装置。
它适用于在水平面内和垂直面内作低速移动的搬运工作,尤其对大型笨重的工件或结构粗大而质量较轻且易变形的工件更为有利。
钩托式手部可分为无驱动装置型和有驱动装置型。
(1)无驱动装置型
无驱动装置型的钩托式手部,手指动作通过传动机构,借助臂部的运动来实现,手部无单独的驱动装置。
图3-40a为一种无驱动型,手部在臂的带动下向下移动,当手部下降到一定位置时齿条1下端碰到撞块,臂部继续下移,齿条便带动齿轮2旋转,手指3即进入工件钩托部位。
手指托持工件时,销4在弹簧力作用下插入齿条缺口,保持手指的钩托状态并可使手臂携带工件离开原始位置。
在完成钩托任务后,由电磁铁将销向外拔出,手指又呈自由状态,可继续下一个工作循环程序。
a)无驱动装置b)有驱动装置
1-齿条2-齿轮3-手指4-销5-液压缸6,7-杠杆手指
图3-40钩托式手部
(2)有驱动装置型
图3-40b为一种有驱动装置型的钩托式手部。
其工作原理是依靠机构内力来平衡工件重力而保持托持状态。
驱动液压缸5以较小的力驱动杠杆手指6和7回转,使手指闭合至托持工件的位置。
手指与工件的接触点均在其回转支点〇1、〇2的外侧,因此在手指托持工件后工件本身的重量不会使手指自行松脱。
3.弹簧式手部
弹簧式手部靠弹簧力的作用将工件夹紧,手部不需要专用的驱动装置,结构简单。
它的使用特点是工件进入手指和从手指中取下工件都是强制进行的。
由于弹簧力有限,故只适用于夹持轻小工件。
如图3-41所示为一种结构简单的簧片手指弹性手爪。
手臂带动夹钳向坯料推进时,弹簧片3由于受到压力而自动张开,于是工件进入钳内,受弹簧作用而自动夹紧。
当机器人将工件传送到指定位置后,手指不会将工件松开,必须先将工件固定后,手部后退,强迫手指镎幵后留下工件。
这种手部只适用于定心精度要求不高的场合。
1-工件2-套筒3-弹簧片4-扭簧5-销钉6-螺母7-螺钉
图3-41弹簧式手部
3.4.4机器人的吸附式手部
吸附式手部靠吸附力取料。
根据吸附力的不同有气吸附和磁吸附两种。
吸附式手部适用于大平面(单面接触无法抓取)、易碎(玻璃、磁盘)、微小(不易抓取)的物体,用面也较大。
1.气吸式手部.
气吸式手部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。
气吸式手部具有结构简单、重量轻、使用方便可靠等优点,主要用于搬运体积大,重量轻的零件,如冰箱壳体、汽车壳体等;也广泛用于需要小心搬运的物件,如显像管、平板玻璃等;以及非金属材料,如板材、纸张等;或材料的吸附搬运。
气吸式手部的另一个特点是对工件表面没有损伤,且对被吸持工件预定的位置精度要求不高;但要求工件上与吸盘接触部位光滑平整、清洁,被吸工件材质致密,没有透气空隙。
气吸式手部是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差工作的。
按形成压力差的方法可分为真空气吸、气流负压气吸、挤压排气气吸三种。
(1)真空气吸吸附手部
如图3-42示为产生负压的真空吸盘控制系统。
吸盘吸力在理论上决定于吸盘与工件表面的接触面积和吸盘内、外压差,但实际上其与工件表面状态有十分密切的关系,工件表面状态影响负压的泄漏。
采用真空泵能保证吸盘内持续产生负压,所以这种吸盘比其他形式盘的吸力大。
如图3-43所示为真空气吸附手部结构。
真空的产生是利用真空系,真空度较高,主要零件为橡胶吸盘1,通过固定环2安装在支承杆4上,支承杆由螺母6固定在基板5上。
取料时,橡胶吸盘与物体表面接触,橡胶吸盘的边缘起密封和缓冲作用,然后真空抽气,吸盘内腔形成真空,进行吸附取料。
放料时,管路接通大气,失去真空,物体放下。
为了避免取放料时产生撞击,有的还在支承杆上配有弹簧缓冲;为了更好地适应物体吸附面的傾斜状况,有的在橡胶吸盘背面设计有球铰链。
图3-42真空吸盘控制系统图3-43真空气吸吸附手部
(2)气流负压吸附手部
图3-44气流负压吸附手部,压缩空气进入喷嘴后,利用伯努利效应使橡胶皮碗内负压。
当需要取物时,压缩空气高速流经喷嘴5时,其出口处的气压低于吸盘腔内的气压,于是,腔内的气体被高速气流带走而形成负压,完成取物动作。
当需要释放时,切断压缩空气即可。
气流负压吸附手部需要的压缩空气,工厂一般都有空压机站或空压机,比较容易获得空压机气源,不需要专为机器人配置真空泵,所以气流负压吸盘在工厂内使用方便,成本较低。
(3)挤压排式手部
图3-45为挤压排气式手部结构,其工作原理为:
取料时手部先向下,吸盘压向工件5,橡胶吸盘4形变,将吸盘内的空气挤出;之后,手部向上提升,压力去除,橡胶吸盘恢复弹性形变使吸盘内腔形负压,将工件吸住,机械手即可进行工件搬运。
到达目标位置后要释放工件时,用碰撞力Fp或电磁力使压盖2动作,使吸盘腔与大气连通而失去负压,破坏吸盘腔内的负压,释放工件。
图3-44气流负压吸附手部图3-45挤压排气式手部
挤压排气式手部结构简单,既不需要真空泵系统也不需要压缩空气气源,比较经济方便。
但要防止漏气,不宜长期停顿,可靠性比真空吸盘和气流负压吸盘差。
挤气负压吸盘的吸力计算是在假设吸盘与工件表面气密性良好的情况下进行的,利用热力学定律和静力平衡公式计算内腔最大负压和最大极限吸力。
对市场供应的三种型号耐油橡胶吸盘进行吸力理论计算及实测的结果表明,理论计算误差主要由假定工件表面为理想状况所造成。
实验表明,在工件表面清洁度、平滑度较好的情况下牢固吸附时间可达到30s,能满足一般工业机器人工作循环时间的要求。
(4)真空吸盘的新设计
1)自适应吸盘。
如图3-46所示的自适应吸盘具有一个球关节使吸盘能倾斜自如,适应工件表面倾角的变化,这种自适应吸盘在实际应用中获得了良好的效果。
2)异形吸盘。
图3-47为异形吸盘中的一种。
通常吸盘只能吸附一般的平整工件,而该异形吸盘可用来吸附鸡蛋、锥颈瓶等物件,扩大了真空吸盘在工业器人上的应用。
图3-46自适应吸盘图3-47异形吸盘
2.磁吸式手部
磁吸式手部是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,应用较广。
磁吸式手部不会破坏被吸件表面质量。
(1)磁吸式手部的特点
磁吸式手部比气吸式手部优越的方面是:
有较大的单位面积吸力,对工件表面粗糙度及通孔、沟槽等无特殊要求。
磁吸式手部的不足之处是:
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。
因此对那些不允许有剩磁的零件要禁止使用,如钟表零件及仪表零件,不能选用磁力吸盘,可用真空吸盘。
电磁吸盘只能吸住铁磁材料制成的工件,如钢铁等黑色金属工件,吸不住有色金属和非金属材料的工件。
对钢、铁等材料制品,温度超过723°C就会失去磁性,故在高温下无法使用磁吸式手部。
磁力吸盘要求工件表面清洁、平整、干燥,以保证可靠地吸附。
(2)磁吸式手部的原理
磁吸式手部按磁力来源可分为永久磁铁手部和电磁铁手部。
电磁铁手部由于供电不同又可分为交流电磁铁和直流电磁铁手部。
如图3-48所示的是电磁铁手部的结构示意图。
在线圈通电的瞬时,由于空气间隙的存在,磁阻很大,线圈的电感和启动电流很大,这时产生磁性吸力将工件吸住,一旦断电,磁吸力消失,工件松开。
若采用永久磁铁作为吸盘,则必须强迫性地取下工件。
磁力吸盘的计算主要是电磁吸盘中电磁铁吸力的计算以及铁心截面积、线圈导线直径和线圈匝数等参数的设计。
要根据实际应用环境选择工作情况系数和安全系数。
图3-48电磁铁手部结构
3.4.5仿人手机器人手部
目前,大部分工业机器人的手部只有两个手指,而且手指上一般没有关节。
因此取料不能适应物体外形的变化,不能使物体表面承受比较均匀的夹持力,因此,无法满足对复杂形状、不同材质的物体实施夹持和操作。
为了提高机器人手部和腕部的操作能力、灵活性和快速反应能力,使机器人能像人手一样进行各种复杂的作业,如装配作业、维修作业、设备操作等,就必须有一个运动灵活、动作多样的灵巧手,即仿人手机器人手部。
1.柔性手
柔性手可对不同外形物体实施抓取,并使物体表面受力比较均匀。
如图3-49所示为多关节柔性手,图3-49a为其外观结构,每个手指由多个关节串接而成。
图3-49b为其手指传动原理,手指传动部分由牵引钢丝绳及摩擦滚轮组成,每个手指由两根钢丝绳牵引,一侧为握紧,一侧为放松。
这样的结构可抓取凹凸外形并使物体受力较为均匀。
a)柔性手外观结构b)手指传动原理
图3-49多关节柔性手
2.多指灵活手
机器人手部和腕部最完美的形式是模仿人手的多指灵活手。
多指灵活手由多个手指组成,每一个手指有三个回转关节,每一个关节自由度都是独立控制的,这样各种复杂动作都能模仿。
如图3-50所示的是三指灵活手和四指灵活手。
a)三指灵活手实物图b)四指灵活手实物图
图3-50多指灵活手
3.4.6机器人手部设计和选用的要求
机器人手部设计和选用的要求如下:
①具有足够的夹持力;②保证适当的夹持精度,手指应能顺应被夹持工件的形状,应对被夹持工件形成所要求的约束;③考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度,主要是根据作业对象的大小、形状、位置、姿态、重量、硬度和表面质量等来综合考虑;④智能化手部还应配有相应的传感器,由于感知手爪和物体之间的接触状态、物体表面状况和夹持力的大小等,以便根据实际工况进行调整等。
【本课小结】
本课主要讲解了工业机器人手部结构知识,涉及机器人手部的特点、手部分类、夹持类手部、吸附式手部和仿人手机器人手部等知识。
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- 关 键 词:
- 第三 34 机器 人手 结构
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