§45手部设计 概述 工业机器人的手部(Hand)也叫做末端揉作器 (End- effector),它是装在工北机器人手腕上直 接抓握工件或执行作业的部件。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;第二种含义是把手攣和手 指部分叫做手。工业机器人的手部接近于第二 种合义
§4-5手部设计 一、概述 工业机器人的手部(Hand)也叫做末端操作器 (End-effector)，它是装在工业机器人手腕上直 接抓握工件或执行作业的部件。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。工业机器人的手部接近于第二 种含义
工业机景人手部的特点: (1)手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接 也可能有电、气、液接头,当工业机景人作业对 象不同时,可以方便地拆卸和更换手部。 (2)手都是工业机景人來端揉作景。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 罻人手腕上的喷溱枪、焊接工具等。 (3)手部的通用性比较差。工业机景人手部通常是专 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;一种工具 只能执行一种作业任务
工业机器人手部的特点： (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)手都是工业机器人末端操作器。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。工业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；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, 郵么工业机器人机械糸统的三大件就是机身、手臂和 手部(未端揉作繇)。手部对于整个工业机器人亲说是完 成作业好坏、作业柔性好坏的头键部件之一。具有复 杂感知能力的坦能化手爪的出现,增加了工业机器人 作业的灵活性和可靠性。 有一种弹钢琴的表演机景人的手部已经与人手十分 相近,具有多个多关节手指,个手的自由度达到20余 个,每个自由度独立驱动。目前工北机景人手部的自 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里是十分因难的。本节主要介 绍和讨论手爪( ripper)式手部的原理和设计,因为它 具有一定的通用性。而喷凑枪、焊具之类的专用工具 ( Specialtoo)是行业性专业工具,不予介绍
(4)手部是一个独立的部件。假如把手腕归属于手臂， 那么工业机器人机械系统的三大件就是机身、手臂和 手部(未端操作器)。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 杂感知能力的坦l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。 有一种弹钢琴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,一个手的自由度达到20余 个，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里是十分困难的。本节主要介 绍和讨论手爪(Gripper)式手部的原理和设计，因为它 具有一定的通用性。而喷漆枪、焊具之类的专用工具 (Specialtooi)是行业性专业工具，不予介绍
二、手部的分类 1按用途分 )手爪。具有一定的通用性,宅的主要功能是: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婆态上抓住工件,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, 以保证机罻人后续作业的准确性。 握持——确保工件在搬运过程中或季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京关条。图446 所示的手爪夹持圆柱工件,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, 约柬条件是不够的,不能保证工件在手爪上的准确定位。 (2)工具。是进行某种作业的专用工具,如喷凑枪,焊具等,如图4 47所示
二、手部的分类 1.按用途分 (1)手爪。具有一定的通用性，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， 以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。图4-46 所示的手爪夹持圆柱工件，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。 (2)工具。是进行某种作业的专用工具，如喷漆枪，焊具等，如图4- 47所示
2按夹持原狸分 图448所示为机械类、礅力类和真空类三种手爪的分类。机械 类手爪有靠摩擦力夹持和吊钓承重两类,前者是有指手爪,后者 是无指手爪。产生夹紧力的躯动源可以有气动、漩动、电动和电 礅四种。礅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、挤气负压吸盘三种。礅力手爪及真空手爪 是无指手爪。 手 机械手爪 磁力吸盘 真空式吸盘 气动夹紧 永磁吸盘 真空吸盘 液动夹紧 电磁吸盘 流负压吸盘 电动夹紧 挤气负压吸盘 电磁夹紧 图4-48手爪按夹持原理分类
2.按夹持原理分 图4-48所示为机械类、磁力类和真空类三种手爪的分类。机械 类手爪有靠摩擦力夹持和吊钩承重两类，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。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、挤气负压吸盘三种。磁力手爪及真空手爪 是无指手爪
喷枪 焊具 图4-47专用工具:喷枪、焊具
手爪 机械手爪 磁力吸盘 真空式吸盘 气动夹紧 永磁吸盘 真空吸盘 液动夹紧 电磁吸盘 气流负压吸盘 电动夹紧 挤气负压吸盘 电磁夹紧 图4-48手爪按夹持原理分类
3按手指或吸盘数目分 机械手爪可分为:二指手爪、多指手瓜。 机械手爪按手指关节分:单关节手指手爪、多关节手指手爪。 吸盘式手爪按吸盘数目分:单吸盘式手爪、多吸盘式手爪。 图4-49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瓜相比可以抓取像立方体、圆柱体、球体 等 同形状的物体。图450所 考柔性芋指手 的每个芋指真有若干个被动式关( Passivejoints),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 柔情手奕班统球蒋多:: 。但是,这种柔性手指并 4按智能化分 (1)普通式手爪。手爪不具备传感器。 (2)智能化手爪。手爪具备一种或多种传感器,如力传感器、触觉传感 器、滑觉传感器等,手爪与传感器集成成为智能化手爪 Intelli gent rippers)
3.按手指或吸盘数目分 机械手爪可分为：二指手爪、多指手瓜。 机械手爪按手指关节分：单关节手指手爪、多关节手指手爪。 吸盘式手爪按吸盘数目分：单吸盘式手爪、多吸盘式手爪。 图4-49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瓜相比可以抓取像立方体、圆柱体、球体 等不同形状的物体。图4-50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(PassivejointS)，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种适应性。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。 4.按智能化分 (1)普通式手爪。手爪不具备传感器。 (2)智能化手爪。手爪具备一种或多种传感器，如力传感器、触觉传感 器、滑觉传感器等，手爪与传感器集成成为智能化手爪 (IntelligentGrippers)
三、手爪设计和选用的要求 手爪设计和选用最主 (1)几何参数有 要的是满足功能上的要 工件尺寸 求,具体来说要在下面 可能给予抓握表面的数目 几个方面进行调查,提 可能给予抓握表面的位置和方 出设计参数和要求。 可 夹持表面之间的距离 1被抓握的对象物 夹持表面的几何形状 手爪设计和选用首先 (2)机械特性有以下方面: 要考虑的是什么样的工 质量 件要被抓握。因此,必须 材料 充分了解工件的几何形 固有稳定性 状、机械特性。 表面质量和品质 表面状态 工件温度
三、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.物料的馈送器或存储装置 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 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
2.物料的馈送器或存储装置 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