機(jī)器人機(jī)械爪的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
機(jī)器人機(jī)械爪的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
機(jī)器人技術(shù)融合了多學(xué)科技術(shù)，涉及范圍廣，在多個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，因其取代了人工操作，有效降低了人工作業(yè)的強(qiáng)度，并且工作效率大幅度提升，得到多個(gè)行業(yè)的廣泛關(guān)注，掀起了機(jī)器人開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的熱潮。機(jī)器人應(yīng)用的范圍與其所具有的操作性能和移動(dòng)范圍息息相關(guān)。機(jī)器人手爪是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，相當(dāng)于人的兩只手，主要用于對(duì)工具或者工件進(jìn)行握持和操作，承擔(dān)著重要的操作執(zhí)行功能。機(jī)器人技術(shù)系統(tǒng)是一個(gè)將多種先進(jìn)技術(shù)高度集成的智能化機(jī)電系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的感知功能、處理功能和執(zhí)行功能，涉及到自動(dòng)控制、仿生學(xué)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、材料學(xué)等多種學(xué)科的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步的集中體現(xiàn)。
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機(jī)械手爪主要分為兩部分，即手臂和末端執(zhí)行器。手臂利用關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)末端執(zhí)行器的動(dòng)作，達(dá)到預(yù)定的位置進(jìn)行預(yù)定的操作。末端執(zhí)行器是搜捕、抓持機(jī)構(gòu)、手爪以及固定手臂末端的工具的集合體，對(duì)任務(wù)對(duì)象做出動(dòng)作直接進(jìn)行任務(wù)操作。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器人機(jī)械手爪有五個(gè)主要的運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的也就有五個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)主要包括機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、大臂的前后上下擺動(dòng)、小臂的擺動(dòng)、手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和手腕的擺動(dòng)。對(duì)于機(jī)器人機(jī)械手爪的張合只是對(duì)工件或者物體其道抓握夾持的作用，不屬于自由度，因此不包含在自由度的范圍之內(nèi)。機(jī)械手爪的各個(gè)運(yùn)動(dòng)利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作簡(jiǎn)單方便而且易于控制。衡量一個(gè)機(jī)器人機(jī)械手爪設(shè)計(jì)和合理性，主要是以其控制的難易程度、抓取的可靠性、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力、抓取的效率和精準(zhǔn)度作為衡量的標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)器人手爪手指有平動(dòng)運(yùn)動(dòng)和張角運(yùn)動(dòng)兩種主要方式，因此對(duì)于二指手爪而言可分為兩類(lèi)，即二指平動(dòng)手爪和二指張角手爪，從應(yīng)用范圍來(lái)看，以二指平動(dòng)手爪應(yīng)用較多，本文著重對(duì)二指平動(dòng)手爪的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究。機(jī)器人機(jī)械爪的功能實(shí)現(xiàn)程度決定了機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中的工作效率和質(zhì)量。因此，對(duì)于一個(gè)性能良好的機(jī)器人，首先要有一個(gè)性能可靠、抓取動(dòng)作準(zhǔn)確穩(wěn)定的機(jī)械爪，這是機(jī)器人機(jī)械爪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
2、機(jī)器人機(jī)械手爪基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
在機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)和應(yīng)用是整個(gè)設(shè)計(jì)工作的重要組成部分，要充分考慮到機(jī)器人的設(shè)計(jì)需求和要達(dá)到的效果，以達(dá)到設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)化。在對(duì)機(jī)器人機(jī)械手爪的機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要充分的考慮到一下幾點(diǎn)：第一，手部機(jī)構(gòu)要具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，不僅能夠?qū)ξ锲窚?zhǔn)確的抓握，更要保重物品在被抓握的過(guò)程中保持完好，不被損壞；第二，在兩手指之間應(yīng)該具有充足的移動(dòng)范圍，當(dāng)兩手指在張開(kāi)狀態(tài)下能夠滿(mǎn)足物品具有最大直徑值；第三，手部機(jī)構(gòu)要具有足夠的剛度和強(qiáng)度，以保證其使用的可靠性；第四，能夠?qū)Σ煌某叽邕M(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，在抓取物品的過(guò)程中能夠自動(dòng)完成對(duì)心；第五，手部機(jī)構(gòu)要靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量適中。
在滿(mǎn)足以上因素的條件下，制定出機(jī)器人設(shè)計(jì)的整體方案，在重點(diǎn)對(duì)手爪機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出初步的設(shè)計(jì)方案后再根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求對(duì)方案進(jìn)行校核分析，對(duì)手爪的材料、尺寸、可抓握的最大和最小直徑進(jìn)行調(diào)整，最終確立滿(mǎn)足實(shí)際使用需求的手爪設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)上確立機(jī)械手爪的基本結(jié)構(gòu)
此二指平動(dòng)機(jī)械手爪為夾持式，通過(guò)雙旋向絲杠對(duì)二指進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用雙導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向同時(shí)起到加固的功能，導(dǎo)軌與絲杠軸心線(xiàn)處于同一水平面上，當(dāng)手指抓取到物體時(shí)沿單軸方向做水平運(yùn)動(dòng)，絲杠在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，手爪的手指夾鉗通過(guò)絲杠螺母與絲杠的連接及雙導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用將轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)，實(shí)現(xiàn)二指的開(kāi)合，并抓取物體。
3 機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)參數(shù)
本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的機(jī)械手爪擁有平動(dòng)自由度，可以對(duì)小型的圓柱型物品進(jìn)行準(zhǔn)確的抓取。機(jī)器人機(jī)械手爪抓取范圍是根據(jù)需要的功能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)來(lái)設(shè)定的，本文設(shè)定手爪抓取直徑范圍在10mm至30mm在此之間，根據(jù)工作空間范圍設(shè)置手指長(zhǎng)度，過(guò)長(zhǎng)的手指可能會(huì)降低手爪的強(qiáng)度。本文涉及的機(jī)械手爪長(zhǎng)度為75mm。本文涉及的機(jī)器人接卸手臂在同一個(gè)水平面上，因此抓取功能的實(shí)現(xiàn)是在這個(gè)水平面內(nèi)準(zhǔn)確的抓取物品，在做抓取動(dòng)作是，為了更好的將允許范圍的物品準(zhǔn)確的抓取，機(jī)械手爪的鉗口在角度上設(shè)定為120度。手爪在抓取物品的過(guò)程中當(dāng)物品的中心點(diǎn)與夾鉗的中心位置偏離時(shí)，現(xiàn)有夾鉗的一面預(yù)先接觸到物品，在夾鉗面的夾力作用下物品隨著夾鉗的閉合產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，再與其它三個(gè)立面的逐漸接觸的過(guò)程中，互相的角度作用產(chǎn)生兩個(gè)軸向的作用力，促使物品的中心位置逐漸與鉗口中心位置相吻合，最終達(dá)到準(zhǔn)確抓取。
本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的機(jī)器人機(jī)械手抓，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，工作穩(wěn)定性和可靠性高。V型鉗口能有效提高物品抓取過(guò)程中的自適應(yīng)性，完成自動(dòng)對(duì)心，提高抓取穩(wěn)定性。絲杠傳動(dòng)具有自鎖功能，可保證驅(qū)動(dòng)力突然斷開(kāi)時(shí)物品的穩(wěn)定夾緊。工作效率高。使用雙導(dǎo)軌和直線(xiàn)軸承不僅保證了工作精度，而且提高了傳動(dòng)效率。
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