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1、1.2 机器人末端操作器(机器人手部结构),机器人的末端操作器也叫做末端执行器，它包含两大部分：手部与专用操作器。手部是装在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。它具有模仿人手动作的功能,并安装于机器人手臂的前端。人的手有两种含义：第一种含义是医学上把包括上臂、手腕在内的整体叫做手；第二种含义是把手掌和手指部分叫做手。机器人的手部接近于第二种含义。专用操作器：各种工具,1.2.1.机器人手部的功能及组成,功能它的主要功能是：抓住工件，握持工件，释放工件。抓住在给定的目标位置和期望姿态上抓住工件，工件在手爪内必须具有可靠的定位，保持工件与手爪之间准确的相对位姿，并保证机器人后续作业的准确性。
2、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。组成驱动机构，传动机构，手指,1.2.2.机器人手部的特点,(1)手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头，当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)手部是机器人末端操作器。它可以像人手那样具有手指，也可以是不具备手指的手；可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，比如装在机器人手腕上的喷漆枪、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，比如：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；
3、一种工具只能执行一种作业任务。(4)手部是一个独立的部件。假如把手腕归属于手臂，那么机器人机械系统的三大件就是机身、手臂和手部(末端操作器)。手部对于整个工业机器人来说是完成作业好坏、作业柔性好坏的关键部件之一。具有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。,1.2.3.机器人手部的分类,由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同,因此机器人取料手是多种多样的,大致可分为以下几类:(1)夹钳式取料手；(2)吸附式取料手；(3)仿生多指灵巧手；(4)其它手。,1.2.3.1 夹钳式取料手,夹钳式手部与人手相似,是工业机器人广为应用的一种手部形式。它一般由手指
4、(手爪)和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成,如图1.2.1所示,能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。,图 1.2.1 夹钳式手部的组成,1.手指手指是直接与工件接触的部件。手部松开和夹紧工件,就是通过手指的张开与闭合来实现的。机器人的手部一般有两个手指,也有三个或多个手指,其结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。按两种情况分析：指端的形状与指面的形状。指端的形状通常有两类:V型指和平面指。如图1.2.2所示的三种V型指的形状,用于夹持圆柱形工件。如图1.2.3所示的平面指为夹钳式手的指端,一般用于夹持方形工件(具有两个平行平面),板形或细小棒料。另外，尖指和薄、长指一般用于夹持小型或
5、柔性工件。其中,薄指一般用于夹持位于狭窄工作场地的细小工件,以避免和周围障碍物相碰;长指一般用于夹持炽热的工件,以免热辐射对手部传动机构的影响。,图 1.2.2 V型指端形状(a)固定V型；(b)滚柱V型；(c)自定位式V型,图 1.2.3 夹钳式手的指端,思考：平面手爪夹持圆柱工件,平面手爪夹持圆柱工件，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承工件重量，但是从运动学观点来看，约束条件是不够的，不能保证工件在手爪上的准确定位。,指面的形状常有光滑指面、齿形指面和柔性指面等。光滑指面平整光滑,用来夹持已加工表面,避免已加工表面受损。齿形指面的指面刻有齿纹,可增加夹持工件的磨擦力
6、,以确保夹紧牢靠,多用来夹持表面粗糙的毛坯或半成品。柔性指面内镶橡胶、泡沫、石棉等物,有增加磨擦力、保护工件表面、隔热等作用,一般用于夹持已加工表面、炽热件,也适于夹持薄壁件和脆性工件。,1.传动机构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。该机构根据手指开合的动作特点分为回转型和平移型。回转型又分为一支点回转和多支点回转。根据手爪夹紧是摆动还是平动,又可分为摆动回转型和平动回转型。(1)回转型传动机构。夹钳式手部中较多的是回转型手部,其手指就是一对杠杆,一般再同斜楔、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆或螺杆等机构组成复合式杠杆传动机构,用以改变传动比和运动方向等。,图 1.2.4
7、斜楔杠杆式手部,图1.2.5所示为滑槽式杠杆回转型手部简图,杠杆形手指4的一端装有V形指5,另一端则开有长滑槽。驱动杆1上的圆柱销2套在滑槽内,当驱动连杆同圆柱销一起作往复运动时,即可拨动两个手指各绕其支点(铰销3)作相对回转运动,从而实现手指的夹紧与松开动作。,图 1.2.5 滑槽式杠杆回转型手部,图1.2.6所示为双支点连杆杠杆式手部简图。驱动杆2末端与连杆4由铰销3铰接,当驱动杆2作直线往复运动时,则通过连杆推动两杆手指各绕其支点作回转运动,从而使手指松开或闭合。,图 1.2.6 双支点连杆杠杆式手部,图1.2.7所示为齿轮齿条直接传动的齿轮杠杆式手部的结构。驱动杆2末端制成双面齿条,与
8、扇齿轮4相啮合,而扇齿轮4与手指5固连在一起,可绕支点回转。驱动力推动齿条作直线往复运动,即可带动扇齿轮回转,从而使手指松开或闭合。,图 1.2.7 齿条齿轮杠杆式手部,(2)平移型传动机构。平移型夹钳式手部是通过手指的指面作直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作的,常用于夹持具有平行平面的工件(如冰箱等)。其结构较复杂,不如回转型手部应用广泛。直线往复移动机构:实现直线往复移动的机构很多,常用的斜楔传动、齿条传动、螺旋传动等均可应用于手部结构。如图1.9所示中，(a)为斜楔平移机构,(b)为连杆杠杆平移结构,(c)为螺旋斜楔平移结构。它们既可是双指型的,也可是三指(或多指)型的;既可自动
9、定心,也可非自动定心。,图 1.2.8 直线平移型手部,平面平行移动机构：图1.2.9所示为几种平面平行平移型夹钳式手部的简图。它们的共同点是:都采用平行四边形的铰链机构双曲柄铰链四连杆机构,以实现手指平移。其差别在于分别采用齿条齿轮、蜗杆蜗轮、连杆斜滑槽的传动方法。,图 1.2.9 四连杆机构平移型手部结构,3.驱动机构,手指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：优点：结构简单，成本低，容易维修，而且开合迅速，重量轻。缺点：空气介质的可压缩性，使爪钳位置控制比较复杂。,液动手爪：优点：缺点：成本稍高。电动手爪：优点：手指开合电机的控制与机器人控制可以共用一个系统，。
10、缺点：夹紧小，开合时间长，电磁手爪：优点：控制信号简单缺点：夹紧的电磁力与爪钳的行程有关，只能用在开合距离小的场合。,1.2.3.2 吸附式取料手1.气吸附式取料手原理：气吸附式取料手是利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差而工作的。分类：按形成压力差的方法,可分为真空吸附、气流负压气吸、挤压排气负压气吸式等几种。优缺点：气吸式取料手与夹钳式取料手相比,具有结构简单,重量轻,吸附力分布均匀等优点,对于薄片状物体的搬运更有其优越性(如板材、纸张、玻璃等物体),广泛应用于非金属材料或不可有剩磁的材料的吸附。但要求物体表面较平整光滑,无孔无凹槽。,1)真空吸附取料手图1.2.10所示为真空吸附取料手的
11、结构原理。其真空的产生是利用真空泵,真空度较高。主要零件为碟形橡胶吸盘1,通过固定环2安装在支承杆4上,支承杆由螺母5固定在基板6上。取料时,碟形橡胶吸盘与物体表面接触,橡胶吸盘在边缘既起到密封作用,又起到缓冲作用,然后真空抽气,吸盘内腔形成真空,吸取物料。放料时,管路接通大气,失去真空,物体放下。为避免在取、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倾斜状况,有的在橡胶吸盘背面设计有球铰链。真空吸附取料手有时还用于微小无法抓取的零件,如图1.2.11所示。,图 1.2.10 真空吸附取料手,图 1.2.11 微小零件取料手(a)垫圈取料手；(b)钢球取料手,图
12、1.2.12 各种真空吸附取料手,2)气流负压吸附取料手气流负压吸附取料手如图1.2.13所示。气流负压吸附取料手是利用流体力学的原理,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。这种取料手需要压缩空气,工厂里较易取得,故成本较低。,图 1.2.13 气流负压吸附取料手,3)挤压排气式取料手挤压排气式取料手如图1.2.14所示。其工作原理为:取料时吸盘压紧物体,橡胶吸盘变形,挤出腔内多余的空气,取料手上升,靠橡胶吸盘的恢复力形成负压,将物体吸住;释放时,压下拉杆3,使吸盘腔与大气
13、相连通而失去负压。该取料手结构简单,但吸附力小,吸附状态不易长期保持。,图 1.2.14 挤压排气式取料手,1.磁吸附式取料手磁吸附式取料手是利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料,因此只能对铁磁物体起作用;另外,对某些不允许有剩磁的零件要禁止使用。所以,磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。电磁铁工作原理如图1.2.15(a)所示。当线圈1通电后,在铁心2内外产生磁场,磁力线穿过铁心,空气隙和衔铁3被磁化并形成回路,衔铁受到电磁吸力F的作用被牢牢吸住。实际使用时,往往采用如图1.2.15(b)所示的盘式电磁铁,衔铁是固定的,衔铁内用隔磁材料将磁力线切断,当衔铁接触磁铁物体零件时,零件被磁化形成磁力
14、线回路,并受到电磁吸力而被吸住。,图 1.2.15 电磁铁工作原理,图1.2.16所示为盘状磁吸附取料手的结构图。铁心1和磁盘3之间用黄铜焊料焊接并构成隔磁环2,既焊为一体又将铁心和磁盘分隔,这样使铁心1成为内磁极,磁盘3成为外磁极。其磁路由壳体6的外圈,经磁盘3、工件和铁心,再到壳体内圈形成闭合回路,以此吸附工件。铁心、磁盘和壳体均采用810号低碳钢制成,可减少剩磁,并在断电时不吸或少吸铁屑。盖5为用黄铜或铝板制成的隔磁材料,用以压住线圈11,防止工作过程中线圈的活动。挡圈7、8用以调整铁心和壳体的轴向间隙,即磁路气隙,在保证铁心正常转动的情况下,气隙越小越好,气隙越大，则电磁吸力会显著地减
15、小,因此,一般取0.10.3 mm。在机器人手臂的孔内可做轴向微量地移动,但不能转动。铁心1和磁盘3一起装在轴承上,用以实现在不停车的情况下自动上下料。,图 1.2.16 盘状磁吸附取料手结构,图1.2.17所示为几种电磁式吸盘吸料示意图。图(a)为吸附滚动轴承底座的电磁式吸盘;图(b)为吸取钢板的电磁式吸盘;图(c)为吸取齿轮用的电磁式吸盘;图(d)为吸附多孔钢板用的电磁式吸盘。,图 1.2.17 几种电磁式吸盘吸料示意图,1.2.3.3 仿生多指灵巧手1.柔性手为了能对不同外形的物体实施抓取,并使物体表面受力比较均匀,因此研制出了柔性手。如图1.2.22所示为多关节柔性手腕,每个手指由多个
16、关节串联而成。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,另一侧为放松。驱动源可采用电机驱动或液压、气动元件驱动。柔性手腕可抓取凹凸不平的外形并使物体受力较为均匀。图1.2.23所示为用柔性材料做成的柔性手。一端固定,一端为自由端的双管合一的柔性管状手爪,当一侧管内充气体或液体、另一侧管内抽气或抽液时形成压力差,柔性手爪就向抽空侧弯曲。此种柔性手适用于抓取轻型、圆形物体,如玻璃器皿等。,图1.2.22多关节柔性手腕,图 1.2.23 柔性手,1.多指灵巧手机器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。如图1.2.24所示,多指灵巧手有多个手指,每个手指有
17、3个回转关节,每一个关节的自由度都是独立控制的。因此,几乎人手指能完成的各种复杂动作它都能模仿,诸如拧螺钉、弹钢琴、作礼仪手势等动作。在手部配置触觉、力觉、视觉、温度传感器,将会使多指灵巧手达到更完美的程度。多指灵巧手的应用前景十分广泛,可在各种极限环境下完成人无法实现的操作,如核工业领域、宇宙空间作业,在高温、高压、高真空环境下作业等。,图 1.2.24 多指灵巧手,多指灵巧手视频,1.2.3.4 其它手1.弹性力手爪弹性力手爪的特点是其夹持物体的抓力是由弹性元件提供的,不需要专门的驱动装置,在抓取物体时需要一定的压入力,而在卸料时,则需要一定的拉力。图1.2.25所示为几种弹性力手爪的结构
18、原理图。图1.2.25(a)所示的手爪有一个固定爪,另一个活动爪6靠压簧4提供抓力,活动爪绕轴5回转,空手时其回转角度由平面2、3限制。抓物时,爪6在推力作用下张开,靠爪上的凹槽和弹性力抓取物体;卸料时,需固定物体的侧面,手爪用力拔出即可。,图 1.2.25 弹性力手爪,1.摆动式手爪摆动式手爪的特点是在手爪的开合过程中,其爪的运动状态是绕固定轴摆动的,结构简单,使用较广,适合于圆柱表面物体的抓取。图1.2.26所示为一种摆动式手爪的结构原理图。这是一种连杆摆动式手爪,活塞杆移动,并通过连杆带动手爪回绕同一轴摆动,完成开合动作。,图 1.2.26 摆动式手爪的结构原理图,图1.2.27所示为自
19、重式手部结构,要求工件对手指的作用力的方向应在手指回转轴垂直线的外侧,使手指趋向闭合。用这种手部结构来夹紧工件是依靠工件本身的重量来实现的,工件越重,握力越大。手指的开合动作由铰接活塞油缸实现。该手部结构适用于传输垂直上升或水平移动的重型工件。,图 1.2.27 自重式手部结构,图1.2.28所示为弹簧外卡式手部结构。手指1的夹放动作是依靠手臂的水平移动而实现的。当顶杆2与工件端面相接触时,压缩弹簧3,并推动拉杆4向右移动,使手指1绕支承轴回转而夹紧工件。卸料时手指1与卸料槽口相接触,使手指张开,顶杆2在弹簧3的作用下将工件推入卸料槽内。这种手部适用于抓取轻小环形工件,如轴承内座圈等。,图 1
20、.2.28 弹簧外卡式手部结构,3.勾托式手部图1.2.29所示为勾托式手部结构示意图。勾托式手部并不靠夹紧力来夹持工件,而是利用工件本身的重量,通过手指对工件的勾、托、捧等动作来托持工件。应用勾托方式可降低对驱动力的要求,简化手部结构,甚至可以省略手部驱动装置。该手部适用于在水平面内和垂直面内搬运大型笨重的工件或结构粗大而质量较轻且易变形的物体。勾托式手部又有手部无驱动装置和驱动装置两种类型。,图 1.2.29 勾托式手部示意图(a)无驱动装置的手部；(b)有驱动装置的手部,1.2.4 专用操作器及转换器1.专用末端操作器机器人是一种通用性很强的自动化设备,可根据作业要求完成各种动作,再配上
21、各种专用的末端操作器后,就能完成各种动作。如在通用机器人上安装焊枪就成为一台焊接机器人,安装拧螺母机则成为一台装配机器人。目前有许多由专用电动、气动工具改型而成的操作器,如图1.2.18所示,有拧螺母机、焊枪、电磨头、电铣头、抛光头、激光切割机等。所形成的一整套系列供用户选用,使机器人能胜任各种工作。,图1.2.18还有一个装有电磁吸盘式换接器的机器人手腕,电磁吸盘直径60 mm,质量为1 kg,吸力1100 N,换接器可接通电源、信号、压力气源和真空源,电插头有18芯,气路接头有5路。为了保证联接位置精度,设置了两个定位销。在各末端操作器的端面装有换接器座,平时陈列于工具架上,需要使用时机器
22、人手腕上的换接器吸盘可从正面吸牢换接器座,接通电源和气源,然后从侧面将末端操作器退出工具架,机器人便可进行作业。,图 1.2.18 各种专用末端操作器和电磁吸盘式换接器,1.换接器或自动手爪更换装置使用一台通用机器人,要在作业时能自动更换不同的末端操作器,就需要配置具有快速装卸功能的换接器。换接器由两部分组成:换接器插座和换接器插头,分别装在机器腕部和末端操作器上,能够实现机器人对末端操作器的快速自动更换。专用末端操作器换接器的要求主要有:同时具备气源、电源及信号的快速联接与切换;能承受末端操作器的工作载荷;在失电、失气情况下,机器人停止工作时不会自行脱离;具有一定的换接精度等。,图1.2.1
23、9所示为气动换接器和专用末端操作器库。该换接器也分成两部分:一部分装在手腕上,称为换接器;另一部分装在末端操作器上,称为配合器。利用气动锁紧器将两部分进行联接,并具有就位指示灯以表示电路、气路是否接通。,图 1.2.19 气动换接器与专用末端操作器库,图 1.2.20 专用末端操作器库,3.多工位换接装置某些机器人的作业任务相对较为集中,需要换接一定量的末端操作器,又不必配备数量较多的末端操作器库。这时，可以在机器人手腕上设置一个多工位换接装置。例如,在机器人柔性装配线某个工位上,机器人要依次装配如垫圈、螺钉等几种零件,装配采用多工位换接装置,可以从几个供料处依次抓取几种零件,然后逐个进行装配
24、,既可以节省几台专用机器人,也可以避免通用机器人频繁换接操作器和节省装配作业时间。,多工位换接装置如图1.2.21所示,就像数控加工中心的刀库一样,可以有棱锥型和棱柱型两种形式。棱锥型换接装置可保证手爪轴线和手腕轴线一致,受力较合理,但其传动机构较为复杂;棱柱型换接器传动机构较为简单,但其手爪轴线和手腕轴线不能保持一致,受力不良。,图 1.2.21 多工位末端操作器换接装置(a)棱锥型；(b)棱柱型,1.2.6.手爪设计和选用的要求,手爪设计和选用最主要的是满足功能上的要求，具体来说要在下面几个方面进行调查，提出设计参数和要求。,(1)被抓握的对象物 手爪设计和选用首先要考虑的是什么样的工件要
25、被抓握。因此，必须充分了解工件的几何形状、机械特性。1)几何参数有：工件尺寸 可能给予抓握表面的数目 可能给予抓握表面的位置和方向 夹持表面之间的距离 夹持表面的几何形状 2)机械特性有以下方面：质量 材料 固有稳定性 表面质量和品质 表面状态 工件温度,(2)物料馈送器或储存装置 与机器人配合工作的零件馈送器或储存装置对手爪必需的最小和最大爪钳之间的距离以及必需的夹紧力都有要求，同时，还应了解其它可能的不确定的因素对手爪工作的影响。(3)机器人作业顺序 一台机器人在齿轮箱装配作业中需要搬运齿轮和轴，并进行装配，虽然手部可以既抓握齿轮也可以夹持轴，但是，不同零件所需的夹紧力和爪钳张开距离是不同的，手部设计上要考虑到被夹持对象物的顺序。在必要的时候。可采用多指手爪，以增加手部作业的柔性。,(4)手爪和机器人匹配手爪一般用法兰式机械接口与手腕相连接，手爪自重也增加了机械臂的载荷，这两个问题必须给予仔细考虑。手爪是可以更换的，手爪形式可以不同，但是与手腕的机械接口必须相同，这就是接口匹配。手爪自重不能太大，机器人能抓取工件的重量是机器人承载能力减去手爪重量。手爪自重要与机器人承载能力匹配。(5)环境条件 在作业区域内的环境状况很重要，比如高温、水、油等环境会影响手爪工作。一个锻压机械手要从高温炉内取出红热的锻件坯必须保证手爪的开合、驱动在高温环境中均能正常工作。,
