工业机器人的末端执行器结构分析综述

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=Fpccosα/2b2）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，其夹持力和驱动力间关系的计算公式为：=cot由上式可知：当结构尺寸b、c和驱动力一定时，夹持力与角的余切成正比，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和驱动力之间的关系为：=cot6）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计算为：=式中D为无杆活塞缸活塞的直径，p为气动系统压力。当和较小时，可得到足够大的输出力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α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=πd2pl1/4nl2tanα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α———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]2.4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/cm2P—内腔压力，单位为N/cm2S—吸盘负压腔在工件表面上的吸附面积，单位为cm2K1—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。Ⅰ.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。Ⅱ.手抓的力学分析首先是电源设计，即线圈两端的电压。建议使用直流电源，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5～12V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，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。磁吸力F∝磁感应强度B，B∝I*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=ρ*L/S=ρ*π*D*N/S；{其中，u是轮子的磁导率；ρ是导线的电阻率（Ω·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/ρ(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=ρv所以根据平衡公式得G=4Fmg=4F即每个电磁吸盘的磁力F=mg/42)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。Ⅰ.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。Ⅱ.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。Ⅰ.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。Ⅱ.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我们的主要任务。4结　语工业机器人能否得到高效的应用，关键之一是其末端执行器能否解决抓取对象和作业现场对夹持器抓取过程提出的技术要求，例如，被抓取物件的轮廓、传输过程的动态条件、接触敏感性、操作现场的空间环境及温度等。这些因素很多不是孤立存在的，往往是相互关联，需要综合考虑的。为了合理解决这些关键的技术问题和要求，就会出现各种设计结构和观点。设计末端执行器机构，首先要考虑所设计的的夹持器对被抓拿物体的轮廓尺寸和形状的适应性与抓取的准确性（闭合精度）和夹紧力。这是设计的出发点，也是评定末端执行器机构的特有准则。前者有关适应性方面的基本数据具有决定性意义，它与末端执行机构的功能、特性有着质的联系；后者抓取准确性可作为末端执行器的精度和可靠性准则加以考虑，具有量的关系。本着合理、有利的原则，处理好相互关系，对末端执行器机构的设计和制造有重要意义。参考文献：[1]EthemToklu，andFehmiErzincanli.Investigationofflowandvacuumliftingforceonanon-contactendeffectorforrobotichandlingofnon-rigidmaterial.ScientificResearchandEssaysVol.6(29),pp.6152-6161,30November,2011[2]大连铁道学院赵永成．机械制造装备设计．北京：中国铁道出版社.2006．6:251~254.[3]张远圻，张兴国.机器人末端执行器的系统研究.南通工学院（226007）.《设计与计算》.1~1[4]洪业.工业机器人夹持器机构的研究.《机械设计》专题.1997.4:1~1[5]UnitedStatesPatent.Todorovetal.No.:US6,435,807B1.DateofPatent:Aug.20,2002[6]凡东，庞海荣，姚亚峰．全液压钻机夹持器的设计与分析[J]．煤炭工程，2006(5)：7-8．[7]王成．复合式液压夹持器的设计[J]．西部探矿工程，1998，10(6)：70~72．[8]机械设计手册编委会．机械设计手册[M]．北京：机械工业出版社，2004．[9]谢昱北，许哗．SolidWorks机械设计与典型范例[M]．北京：电子工业出版社，2007．[10]张晋西，郭学琴．SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计[M]．北京：清华大学出版社，2007.[11]吴振顺.气压传动与控制.哈尔滨工业大学出版社.4-4[12]孙友刚，盛小明.气动送料机械手变尺寸自动对中夹持器的设计.1000-4858(2011)06-0054-02[13]盛小明，钟康民.带增力机构的工业机器人手臂末端夹持器．1000—4998(2006)09—0069—02[14]盛小明，钟康民.基于固定式无感活塞驱动的增力夹紧机构.机械制造出版社.71~72[15]郭瑞洁，钟康民.基于铰杆2杠杆串联增力机构的内夹持气动机械手.100024858(2009)0120055202[16]SommerautomaticsGmbh.Automatisierunganseinerhand.95~96[17]吴洪民，陈志方气动机器手的设计和实现.2002,8:2~2[18]余达太，马香峰.工业机器人的应用工程北京：冶金工业出版社.1999:241~245.[19]王承义.机械手及其应用北京：机械工业出版社.1981,6:61~62.[20]华大年.机械原理(第二版)[M].北京：高等教育出版社,1994:105~112图片清晰黑白图象，分辩率建议为600dpi收稿日期：2012-12-6109