自適應(yīng)機(jī)械抓手的設(shè)計(jì)與研究＊

張宇浩 莊澤正 袁建斌 趙宇昂

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0.引言

機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展使得機(jī)器人在生產(chǎn)、生活各領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，許多行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正向以機(jī)器人為主要生產(chǎn)力的流水生產(chǎn)線過渡。生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)型趨勢(shì)，對(duì)機(jī)器人的末端執(zhí)行器[1]的性能和形式提出了更高的要求。

本文研究設(shè)計(jì)了一款基于欠驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)機(jī)械抓手，所謂欠驅(qū)動(dòng)即在機(jī)械系統(tǒng)或機(jī)構(gòu)中，原動(dòng)件的個(gè)數(shù)少于機(jī)構(gòu)的自由度。這種機(jī)構(gòu)的機(jī)械抓手相比較于全驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械抓手，有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的控制邏輯簡(jiǎn)單，故障率小得多；（2）欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械抓手在滿足作業(yè)及手的靈活度的同時(shí)，原動(dòng)件少，能夠顯著地降低重量及成本；（3）欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械抓手的自適應(yīng)性和包絡(luò)性要更出色，這一點(diǎn)得益與其巧妙的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

國外對(duì)欠驅(qū)動(dòng)手爪的研究起步較早，Hirose等[2]于1978年提出了2指10指節(jié)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手Soft Gripper，采用腱繩傳動(dòng)的方式，通過收緊和放松驅(qū)動(dòng)絲使手指彎曲和伸展，該機(jī)械手的出現(xiàn)證明了欠驅(qū)動(dòng)手爪的可行性。Gosselin等[3]于2008年提出一種5指欠驅(qū)動(dòng)手，每個(gè)手指3個(gè)關(guān)節(jié)，在造型上實(shí)現(xiàn)了仿人手指的設(shè)計(jì)，并對(duì)不規(guī)則物體穩(wěn)定抓取。在國內(nèi)，華中科技大學(xué)研制過一個(gè)自然抓握機(jī)械手，命名為X/hand，為了實(shí)現(xiàn)拇指與其他手指在自然抓握時(shí)的良好協(xié)作，提出了一種確定拇指和其余4指的運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法，具有里程碑式的意義。

本文基于以上介紹到的背景和概念而設(shè)計(jì)出的基于連桿欠驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)械抓手，其由3指構(gòu)成，每指由單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手指能根據(jù)抓握不同大小及形狀的物體進(jìn)行變換位置，使其具有良好的自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓握。

1.單根手指機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)機(jī)械抓手由3段指節(jié)組成，分別是遠(yuǎn)指節(jié)1、中指節(jié)2和近指節(jié)3（如圖1所示），總共具有3個(gè)自由度，3個(gè)指節(jié)之間通過銷軸連接，手指的近指節(jié)通過一根推桿4與傳動(dòng)系統(tǒng)連接。另外，圖中連桿1（件5）連接著遠(yuǎn)指節(jié)與近指節(jié)，連桿2（件6）連接著中指節(jié)與基架（圖中灰色零件）。

圖1 單根手指結(jié)構(gòu)圖

抓握動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)過程為：當(dāng)推桿前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)近指節(jié)繞軸旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)中指節(jié)旋轉(zhuǎn)；中指節(jié)與遠(yuǎn)指節(jié)之間組成另一連桿機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)可以使遠(yuǎn)指節(jié)在中指節(jié)彎曲時(shí)跟隨其運(yùn)動(dòng)。因此，當(dāng)推桿向前的平動(dòng)時(shí)（即靠近近指節(jié)的運(yùn)動(dòng)），遠(yuǎn)指節(jié)則會(huì)相應(yīng)向外轉(zhuǎn)動(dòng)，在手指張開將所抓物體包絡(luò)住后收緊手指，便可使得所抓物體被緊緊抓住。反之，在推桿發(fā)生向后的平動(dòng)時(shí)，手指就會(huì)將所抓物體松開。

如圖2所示，近指節(jié)的外側(cè)有一打通的槽，該設(shè)計(jì)解決了連桿1的運(yùn)動(dòng)受限問題，使得近指節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度增大，使抓手可抓握的物體范圍變大。近指節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度只受到電機(jī)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)角度的影響，整體可控。

圖2 近指節(jié)結(jié)構(gòu)圖

抓手在遠(yuǎn)指節(jié)處進(jìn)行了減重處理，如圖3所示，加入了防止其變形的肋板，使遠(yuǎn)指節(jié)強(qiáng)度不受影響。

圖3 遠(yuǎn)指節(jié)結(jié)構(gòu)圖

手指材料選用6061鋁合金，具有加工性能極佳、優(yōu)良的焊接特點(diǎn)及電鍍性、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形、材料致密無缺陷及易于拋光、上色膜容易、氧化效果極佳等優(yōu)良特點(diǎn)；圓柱銷則選用奧氏體304，不銹鋼，強(qiáng)度高，能夠承受較大的扭矩。

手指各指節(jié)尺寸及重量參數(shù)在表1中給出。

表1 手指各指節(jié)尺寸參數(shù)及重量（注：尺寸參數(shù)取的是最大值）

2.手掌部分設(shè)計(jì)

機(jī)械抓手的手掌部分結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，由第一部分、第二部分、第三部分組成，手指與第一部分連接，提供手指運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)與部分傳動(dòng)裝置也將安裝于此；第二部分的機(jī)構(gòu)使機(jī)械抓手繞手臂進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；第三部分則是機(jī)械抓手與后續(xù)手臂進(jìn)行連接的位置。

圖4 手掌結(jié)構(gòu)圖

3.機(jī)械抓手總體設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)機(jī)械抓手具有3根完全相同的手指，采用上二下一式安裝方位，并且下方手指位于上方兩根手指的中心位置，稱為模式一，如圖5所示。該種布在抓取細(xì)長(zhǎng)型物體時(shí)具有更好的包絡(luò)性，在同等條件下可以把物體抓得更穩(wěn)。上方的兩根手指可以繞著手掌上的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使得3根手指形成120°的對(duì)心布局，對(duì)于球體類的物體有更好的抓握能力，當(dāng)然還可根據(jù)不同物體的形狀無極調(diào)整角度，該種手指布局在稱為模式二，如圖6所示。此種安裝方式可以使機(jī)構(gòu)更為簡(jiǎn)潔，能夠大大降低抓手的故障率，還可以節(jié)省內(nèi)部的空間，該布局頗具優(yōu)勢(shì)。

圖5 機(jī)械抓手模式一結(jié)構(gòu)圖

圖6 機(jī)械抓手模式二結(jié)構(gòu)圖

3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

控制手指彎曲與伸直的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖7所示，推桿1與滑塊2相配合，該滑塊下的螺紋孔，與傳動(dòng)軸3上的外螺紋組成螺旋傳動(dòng)，齒輪4用鍵與傳動(dòng)軸3連接，與齒輪5相嚙合，當(dāng)電機(jī)6啟動(dòng)時(shí)，通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，使滑塊2發(fā)生平動(dòng)最終帶動(dòng)推桿1前后的運(yùn)動(dòng)。

圖7 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)圖

3.3 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

兩根手指具有的繞手掌轉(zhuǎn)動(dòng)功能是由轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，由單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)（如圖8所示）。該電機(jī)安裝于手掌內(nèi)部，電機(jī)的輸出軸通過鍵連接與小齒輪固定，與大齒輪配合的軸與手掌通過軸承連接，對(duì)于上方的兩根手指來說，該軸不僅承擔(dān)使手指旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，也是手指部分與手掌的連接處。

圖8 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

4.機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真

本文對(duì)機(jī)械抓手的運(yùn)動(dòng)仿真主要是：（1）在模式一情況下測(cè)試該抓手能夠抓起的最大直徑與最小直徑的圓柱體；（2）在模式二情況下測(cè)試該抓手能夠抓起的最大直徑與最小直徑的球體。

4.1 抓握?qǐng)A柱體

通過Solidworks對(duì)抓手抓握動(dòng)作進(jìn)行仿真，當(dāng)圓柱體直徑在140mm內(nèi)時(shí)，抓手可對(duì)其可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓握。在抓握小尺寸的圓柱體時(shí)，遠(yuǎn)指節(jié)則向外翻轉(zhuǎn)，通過內(nèi)側(cè)部分抓握物體，經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證當(dāng)圓柱體的最小直徑不小于60mm時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓握。

在Solidworks Motion中，給予螺桿上的滑塊20N的恒力來模擬電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，使手指作抓握的動(dòng)作，其中圓柱體的材料渲染為POM乙縮醛共聚物，密度與常見的塑料材質(zhì)接近（效果圖如圖9所示），由導(dǎo)出遠(yuǎn)指節(jié)與圓柱體接觸點(diǎn)的接觸力曲線后可以得出，在指尖與物體接觸上之后能夠順利施加壓力0.24N，故只需使用足夠扭力的電機(jī)便可滿足抓握該物體的條件。

圖9 模式一抓取圓柱體（直徑140mm）

而在抓握小尺寸圓柱時(shí)（如圖10所示），基于同樣的參數(shù)可以得出接觸力的數(shù)值大約為0.6N，同樣可以保持接觸力。

圖10 模式一抓取圓柱體（直徑60mm）

4.2 抓握球體

通過Solidworks motion插件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，當(dāng)球體直徑在150mm～100mm時(shí)，抓手可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓握。如圖11和圖12所示。

圖11 模式二抓取球體（直徑150mm）

圖12 模式二抓取球體（直徑100mm）

賦予4.1中同樣的參數(shù)，在指尖與物體接觸上之后能對(duì)指尖施加接觸力0.5N，故只需使用足夠扭力的電機(jī)便可滿足抓握該物體的條件。

5.結(jié)語

本文設(shè)計(jì)一種基于連桿欠驅(qū)動(dòng)的三指機(jī)械爪手，運(yùn)用Solidworks完成設(shè)計(jì)及裝配，并運(yùn)用motion插件對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證了該機(jī)械抓手可以可靠抓取不同大小、不同形狀的物體，具有較好的自適應(yīng)性。