雙機(jī)器人協(xié)同鼠標(biāo)裝配末端夾具的設(shè)計(jì)

孟銀娜，張?jiān)迄i，王一明

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南鄭州 451191）

0 引言

在機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大的環(huán)境下，多機(jī)器人在特定場(chǎng)合的協(xié)同作業(yè)越來(lái)越重要，根據(jù)任務(wù)要求，多機(jī)器人可以有序無(wú)誤地協(xié)同配合，以完成特定場(chǎng)合的工作需要。機(jī)器人末端夾具是根據(jù)作用對(duì)象的形狀特征來(lái)設(shè)計(jì)的，無(wú)論是夾持式還是吸附式夾具，設(shè)計(jì)時(shí)都需要滿足機(jī)器人作業(yè)所需要的重復(fù)精度，最大程度上使機(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、質(zhì)量輕，以減輕手臂負(fù)荷。機(jī)械夾持式末端執(zhí)行器多為雙指頭爪式，按手指的運(yùn)動(dòng)區(qū)分，可以分為平移型和回轉(zhuǎn)型；若按照機(jī)械夾持方式區(qū)分，可以分為外夾式和內(nèi)撐式；若按照機(jī)械結(jié)構(gòu)特性區(qū)分，可以分為電動(dòng)（電磁）式、液壓式與氣動(dòng)式，以及它們相互的組合。氣吸式機(jī)器人末端執(zhí)行器，利用吸盤(pán)內(nèi)的負(fù)壓吸住并移動(dòng)工件，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，末端執(zhí)行器可以做成單吸盤(pán)、雙吸盤(pán)、多吸盤(pán)或特殊形狀的吸盤(pán)。經(jīng)比較分析，本方案中工作站采用的是夾持式末端執(zhí)行器。

1 機(jī)器人1 的末端夾具分析

機(jī)器人1 末端夾具的夾持對(duì)象是鼠標(biāo)底座和鼠標(biāo)USB 端口，根據(jù)鼠標(biāo)底座和USB 的形狀特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的末端夾具手指需要有一定的開(kāi)合范圍。考慮到鼠標(biāo)裝配效率，為節(jié)省裝配時(shí)間，設(shè)計(jì)多功能夾具，一個(gè)夾具配備兩對(duì)手指，能夠分別加持鼠標(biāo)底座和USB。設(shè)計(jì)前考慮以下方面：①末端夾具夾持的對(duì)象較薄，夾持力不應(yīng)過(guò)大，為避免夾持力度過(guò)大，在末端夾具中添加傳感器感應(yīng)夾持對(duì)象；②夾具承載變形要求，所設(shè)計(jì)的末端夾具承載不低于3 kg，應(yīng)具備一定的剛度，夾持鼠標(biāo)零部件時(shí)，最大變形量≤1 mm；③所設(shè)計(jì)的末端夾具應(yīng)考慮鼠標(biāo)底座和USB的形狀尺寸，根據(jù)所夾持對(duì)象的形狀特征設(shè)計(jì)夾具開(kāi)合度；④根據(jù)鼠標(biāo)底座以及鼠標(biāo)USB 的形狀特征，采用雙指夾持相比三指夾持更加牢固。

綜合考慮以上四點(diǎn)設(shè)計(jì)機(jī)器人1 的末端夾具，根據(jù)夾持對(duì)象的形狀特征，設(shè)計(jì)出的夾具可以穩(wěn)固夾持對(duì)象移動(dòng)，不產(chǎn)生滑移，并且能夠在夾持鼠標(biāo)底座和USB 端口時(shí)順利完成鼠標(biāo)裝配工作。

2 機(jī)器人1 的末端夾具設(shè)計(jì)

因機(jī)器人1 末端夾具主要作用對(duì)象是鼠標(biāo)底座和鼠標(biāo)USB 端口，所以設(shè)計(jì)的夾具是根據(jù)鼠標(biāo)底座和鼠標(biāo)USB 設(shè)計(jì)的多功能末端夾具。機(jī)器人1 末端執(zhí)行器主要由夾具底座、手指1 和手指2 三部分組成：手指1 的夾持對(duì)象是鼠標(biāo)USB 端口，手指2 的夾持對(duì)象是鼠標(biāo)底座。在設(shè)計(jì)夾具底座時(shí)需要考慮負(fù)載力，保證能夠完全承載兩對(duì)手指夾持對(duì)象時(shí)的重量，并且在不發(fā)生碰撞的情況下，夾持對(duì)象運(yùn)動(dòng)到裝配鼠標(biāo)的動(dòng)作位置（圖1）。

圖1 夾具1 底座

機(jī)器人1 手指1 的夾持對(duì)象為鼠標(biāo)USB 端口，根據(jù)鼠標(biāo)USB 的形狀尺寸，所設(shè)計(jì)的手指1 需要滿足至少13 mm 的開(kāi)合度，夾持深度為3 mm（圖2）。鼠標(biāo)USB體積小且質(zhì)地比較薄，夾持力度不應(yīng)過(guò)大，設(shè)計(jì)手指1時(shí)可以適當(dāng)增強(qiáng)手指1 夾持面的粗糙度以增加夾持鼠標(biāo)USB 時(shí)的摩檫力。

圖2 夾具1 手指1

機(jī)器人1 手指2 的夾持對(duì)象是鼠標(biāo)底座，根據(jù)鼠標(biāo)底座的形狀尺寸，手指2 需要至少96 mm 的開(kāi)合度，夾持深度為3 mm（圖3）?？紤]到鼠標(biāo)底座較薄，夾持力度不應(yīng)過(guò)大，可以通過(guò)增強(qiáng)夾持面的粗糙度來(lái)增大夾持鼠標(biāo)底座時(shí)產(chǎn)生的摩擦力。

圖3 夾具1 手指2

3 機(jī)器人2 的末端夾具分析

機(jī)器人2 的作用對(duì)象是鼠標(biāo)電池、鼠標(biāo)上蓋和鼠標(biāo)整體，為提高鼠標(biāo)裝配效率、縮短裝配時(shí)間，根據(jù)鼠標(biāo)上蓋和鼠標(biāo)上蓋的形狀尺寸設(shè)計(jì)了一種多功能夾具，該夾具只設(shè)計(jì)了一種綜合性手指，通過(guò)設(shè)置其不同的開(kāi)合度來(lái)完成鼠標(biāo)電池、鼠標(biāo)上蓋和鼠標(biāo)整體的夾持和裝配。在設(shè)計(jì)之前應(yīng)該考慮以下方面：①鼠標(biāo)電池外表比較光滑，在設(shè)計(jì)夾具手指時(shí)應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)夾持面的粗糙度，并添加傳感器感應(yīng)電池以便順利完成夾持作業(yè)；②夾具承載變形要求，所設(shè)計(jì)的夾具承載不低于2 kg，并且具備一定的剛度，在夾持鼠標(biāo)電池、鼠標(biāo)上蓋和鼠標(biāo)整體時(shí)，最大變形量≤1 mm；③夾持鼠標(biāo)上蓋時(shí)，考慮到上蓋比較薄，在增強(qiáng)夾持面的粗糙度、添加傳感器的基礎(chǔ)上要注意夾持力度不應(yīng)過(guò)大，滿足夾持裝配所需就可以；④所設(shè)計(jì)的手指應(yīng)具備一定的開(kāi)合度，且開(kāi)合度滿足對(duì)鼠標(biāo)電池、鼠標(biāo)上蓋和鼠標(biāo)整體的夾持、裝配。

綜合考慮以上要求和鼠標(biāo)電池、鼠標(biāo)上蓋的形狀尺寸，為盡可能讓所設(shè)計(jì)的末端夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，減輕手臂載荷，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人2 的多功能末端夾具采用一指多用，通過(guò)兩個(gè)手指開(kāi)合度的不同完成對(duì)鼠標(biāo)上蓋、鼠標(biāo)電池和鼠標(biāo)整體的夾持、裝配。

4 機(jī)器人2 的末端夾具設(shè)計(jì)

機(jī)器人2 末端夾具作用對(duì)象是鼠標(biāo)上蓋、鼠標(biāo)整體和鼠標(biāo)電池，根據(jù)鼠標(biāo)電池以及鼠標(biāo)上蓋的形狀尺寸設(shè)計(jì)了一種多功能夾具。機(jī)器人2末端夾具的設(shè)計(jì)主要包含夾具底座、夾具手指兩部分：手指可以設(shè)置不同的開(kāi)合度來(lái)完成對(duì)鼠標(biāo)電池、鼠標(biāo)上蓋和鼠標(biāo)整體的夾持、裝配。底座設(shè)計(jì)需考慮兩個(gè)手指和夾持對(duì)象的負(fù)載力，保證在夾持對(duì)象時(shí)可以完成一定角度的旋轉(zhuǎn)，保障裝配作業(yè)順利進(jìn)行（圖4）。

圖4 夾具2 底座

根據(jù)夾具2 手指不同夾持對(duì)象的形狀特征，設(shè)置不同的手指特征（圖5）：①對(duì)于鼠標(biāo)電池的夾持裝配，設(shè)置手指的開(kāi)合度至少為12 mm，夾持深度為3 mm，夾持力度適中且?jiàn)A持面具有一定的粗糙度并添加傳感器；②對(duì)于鼠標(biāo)上蓋的夾持裝配，設(shè)置手指的開(kāi)合度至少為50 mm，夾持深度為3 mm，夾持力度不應(yīng)過(guò)大，同時(shí)增強(qiáng)夾持面的粗糙度并添加傳感器；③對(duì)于鼠標(biāo)整體的夾持放置，設(shè)置手指的開(kāi)合度至少為50 mm，夾持深度為4 mm，夾持力度適中。

圖5 夾具2 手指

5 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代制造行業(yè)領(lǐng)域中，在RobotStudio 中離線/在線編程、模擬仿真，對(duì)輔助工作人員進(jìn)行機(jī)器人工作站布局構(gòu)建、模擬仿真示教、工作姿態(tài)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要作用。在RobotStudio 中對(duì)末端夾爪進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，以此獲得更高的裝配效率。