3.1末端执行器(手爪)20121010.ppt

3 1末端执行器 手爪 张建瓴 末端执行器 末端执行器 又称为末端操作器 末端操作手 有时也称为手部 手爪 机械手等 机械手 机械臂往往混淆 机器人的主要功能就是用 手爪 抓取物品 并对它进行操作 末端执行器多为形形色色的夹持器 一般可以开合或吸放 比如电焊 喷涂等用途的机器人 其末端执行器即为焊钳和喷具 末端执行器 末端执行器是装在机器人操作机的机械结口上 用于使机器人完成作业任务而专门设计的装置 末端执行器种类繁多 与机器人的用途密切相关 最常见的有用于抓拿物件的夹持器 用于加工工件的铣刀 砂轮和激光切割器 用于焊接 喷涂用的焊枪 喷具 用于质量检测的测量头 传感器 一般说来 一种新的作业需要一种新的末端执行器 而一种新的末端执行器的出现又往往为机器人开辟一种新的应用领域 主要内容 3 1 1末端执行器 手部 的特点3 1 2手部的设计要求3 1 3手的型式与结构 类型 3 1 4手部的典型结构举例 3 1 1手部的特点 手部是一个独立的部件 手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的作用 它直接关系着夹持工件时的定位精度 夹持力的大小等 手部特点 1 手部与手腕相连处可拆卸 1 手部与手腕处有可拆卸的机械接口 根据夹持对象的不同 手部结构会有差异 通常一个机器人配有多个手部装置或工具 因此要求手部与手腕处的接头具有通用性和互换性 2 手部可能还有一些电 气 液的接口 由于手部的驱动方式不同造成 对这些部件的接口一定要求具有互换性 手部的特点 2 手部是末端操作器可以具有手指 也可以不具有手指 可以有手爪 也可以是专用工具 3 手部的通用性比较差工业机器人的手部通常是专用装置 一种手爪往往只能抓住一种或几种在形状 尺寸 重量等方面相近的工件 一种工具只能执行一种作业任务 3 1 2手部的设计要求 应具有一定的开闭范围从手指张开的极限位置到闭合夹紧时手指位置的变动量 开闭范围太小 影响通用性 回转 角度平移 距离具有足够的夹持力N 2 3 G保证运动过程工件不脱落 但夹紧力过大 损坏工件保证工件在手指内的定位精度根据工件形状 加工精度和装配精度的要求 选择适当的手指形状和手部结构结构紧凑 重量轻 效率高选择轻质材料通用性和互换性提高通用化程度 3 1 3手的型式和结构 分类 机器人的手爪有多种形式 也有多种分类方法 如按夹持原理分类 按夹持方式分类 按手爪的运动形式分类等 遥操作机械手 最早出现的机械手是美国Argonne国家实验室的Gonertz设计的 有一个 控制臂 和一个 执行臂 一般称为 遥操作机械手 或 遥控机械手 如图 手爪的型式与结构 人的5个手指共有20个自由度 通过手指关节的曲伸 可以进行各种复杂的动作 若将5个手指的抓握能力定为100 则四指抓握能力为99 三指约为90 两指则只有约40 如果将日常生活中常见的手拿物体时的动作大致加以区分 按抓取方式可分为捏 握和夹三大类 机器人的主要功能是用手爪抓取物品 并对它进行操作 因此 对手爪的研究在整个机器人技术中有极其重要的地位 1 按夹持原理分 1 吸盘式 吸着型负压吸盘 真空式 喷气式 挤气式 磁力吸盘 永磁吸盘 电磁吸盘 2 承托型手爪 3 悬挂型手爪 4 手指式 外夹式 内撑式 内外夹持式 平移式 平动式 旋转式 二指式 多指式 单关节式 多关节式 1 吸着型手爪 吸式执行器是目前应用较多的一种执行器 特别是用于搬运机器人 该类执行器可分磁吸和气吸两类 是利用吸盘内形成的气体负压 或电磁等吸力把对象吸住 它是靠大气压力 电磁吸力及由此产生的摩擦力来限制物体的自由度 磁吸式手爪 磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附工件的 其应用较广 磁吸式手部与气吸式手部相同 不会破坏被吸收表面质量 磁吸收式手部比气吸收式手部优越的方面是 有较大的单位面积吸力 对工件表面粗糙度及通孔 沟槽等无特殊要求 磁吸式手爪 如图是一种很有特点的磁吸式手爪 它利用电磁力和袋装坷变形式磁粉 可以吸住具有任意表面形状的磁性物件 磁吸手爪 电磁吸盘 电磁吸盘的结构 主要由磁盘 防尘盖 线圈 壳体等组成 工作原理 线圈通电 空气间隙的存在 线圈产生大的电感和启动电流 周围产生磁场 通电导体会在周围产生磁场 吸附工件 电磁式吸盘 电磁式吸盘 电磁吸盘的适用范围 适用于用铁磁材料做成的工件 不适合于由有色金属和非金属材料制成的工件 适合于被吸附工件上有剩磁也不影响其工作性能的工件 适合于定位精度要求不高的工件 适合于常温状况下工作 铁磁材料高温下的磁性会消失 气吸式手爪 气吸式手部是工业机器人常用的一种吸持工件的装置 它由吸盘 一个或几个 吸盘架及进排气系统组成 具有结构简单 重量轻 使用方便可靠等优点 广泛应用于非金属材料 如板材 纸张 玻璃等物体 或不可有剩磁的材料的吸附 气吸式手部的另一个特点是对工件表面没有损伤 且对被吸持工件预定的位置精度要求不高 但要求工件上与吸盘接触部位光滑平整 清洁 被吸工件材质致密 没有透气空隙 气吸式手爪 气吸式手部是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的 按形成压力差的方法 可分为真空气吸 气流负压气吸 挤压排气负压气吸 真空式吸盘 构成 由真空泵 电磁阀 电机和吸盘等构成 工作原理 形成真空吸附工件 电机 真空泵 3 电磁阀左侧 从吸盘5处抽气释放工件 电机 泵停转 大气经6 口 4 电磁阀左侧 3 电磁阀右侧 送气至吸盘5处 1DT 2DT 气吸式手爪 如图是一种气吸式手爪 它下端有一个橡胶吸盘 上面有弹簧缓冲压下装置 靠吸盘内腔的真空度吸住物件 形成真空的方法通常有两种 一种靠真空泵 一种靠气流形成负压 前者工作可靠 吸盘结构简单 但成本较高 后者只需压力为0 4MPa的普通工业气源 利用伯努利原理 文多利管 在气流高速喷射时即可形成所要求的负压 使吸盘吸住物体 不需真空泵 成本较低 目前应用较广泛 气吸式手爪 真空吸盘结构形式 图例 气吸式手爪 气吸式吸盘 自适应吸盘 结构特点 该吸盘具有一个球关节 使吸盘能倾斜自如 适应工件表面倾角的变化 异形吸盘 结构特点 可用来吸附鸡蛋 锥颈瓶等物件 扩大了真空吸盘在机器人上的应用 喷气式吸盘 当压缩空气刚进入时 由于喷嘴口逐渐缩小 致使气流速度逐渐增加 当管路截面收缩到最小处时 气流速度达到临界速度 然后喷嘴管路的截面逐渐增加 使与橡胶皮碗相连的吸气口处 造成很高的气流速度而形成负压 挤气式吸盘 2 承托型手爪 承托是将物体放置在托架上 不需要握住 靠自重和托架的构形 就可使物体定位并搬运到指定位置 3 悬挂式手爪 悬挂式手爪是利用物体本身的自重来进行定位 只能在重力方向上约束物体的一个自由度 因此定位比较困难 例如起重机械用的吊钩就是一种悬挂式手爪 4 夹持型 手指式手爪 夹持型手爪 或称夹持器 是目前应用最广泛的一种 它既可用指的内侧面夹持物品的外部 也可将手指伸入到物品的孔内后 张开手指 用外侧面卡住物体等 夹持型手爪多数是相对配置成两个手指的 或是相隔1200配置成三个手指的 夹持型手爪 按夹持方式分 外夹式 手部与被夹件的外表面相接触 内撑式 手部与工件的内表面相接触 内外夹持式 手部与工件的内 外表面相接触 夹持方式图例 夹持型手爪 按手指运动形式 夹持型手爪可分为回转型手爪 平动 平移型手爪 回转型 当手爪夹紧和松开物体时 手指作回转运动 当被抓物体的直径大小变化时 需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变 平动型 手指由平行四杆机构传动 当手爪夹紧和松开物体时 手指的姿态不变 作平动 平移型 当手爪夹紧和松开工件时 手指作平移运动 并保持夹持中心的固定不变 不受工件直径变化的影响 回转型手爪 当手爪夹紧和松开物体时 手指做回转运动 回转型手爪 齿轮齿条式手部 齿轮齿条式手部 回转型手爪 斜楔杠杆式夹持器 当施以力P时 楔角为 的斜楔前进 使夹爪闭合 夹紧物件 且当 小于自锁角时 即使P消失 被夹物件也不会滑脱 当施以相反方向的力时 斜楔后退 夹爪在弹簧的作用下打开 由于夹爪作回转运动 而回转轴又是固定的 故当夹持不同直径的物件时 物件的中心线将沿对称轴线移动 形成定位误差 故使用这种夹持器时 机器人的应用程序必须须有补偿功能 斜楔杠杆式 斜楔杠杆式夹持器 注意考虑 传力比 N P效率传动比斜楔驱动行程手指开闭范围 回转型手爪 斜楔杠杆式夹持器 斜楔杠杆式 内涨斜块式手部 回转型手爪 如图是一种有定位补偿功能的杠杆式夹持器 这种夹持器的夹爪回转销轴可借助左右螺旋副平移其相对位置 所以通过调整螺旋可对不同直径的物件保持中心位置不变 有位置补偿的杠杆式夹持器 回转型手爪 滑块杠杆式手部 连杆杠杆式手部 回转型手爪 滑槽杠杆式手部 回转型手爪 如图所示为回转型 夹持 手爪的一种实现 移动型连杆式手部 平动 平移型手爪 当手爪夹紧和松开物体时 手指由平行四杆机构传动 作平动 故手爪的姿态不变 平动 平移型手爪 重力式手爪 滑槽式手爪 平动 平移型手爪 机械手爪图例 齿轮齿条式手爪 拨杆杠杆式手爪 平移型 当手爪夹紧和松开工件时 手指作平移运动 平移型 该丝杆的螺纹具有什么特点 平移型 如图为平行移动式夹爪 当施以压力P时 齿轮在下齿条上滚动 并以两倍于齿轮的移动速度带动上齿条移动 两个齿条分别与两个夹爪联接 带动夹爪平行地移动 起到夹持物件的作用 a 构造图b 原理图平行移动式夹爪 平移型 当手爪夹紧和松开工件时 手指作平移运动 平移型 三指机械手 多关节手指 拟人手指 模拟人手完成灵巧的操作 必须使用多关节多自由度的手爪 这种手爪又称为灵巧手 人手是最灵巧的夹持器 如果模拟人手结构 就能制造出结构最优的夹持器 但由于人手自由度较多 驱动和控制都十分复杂 拟人手指 如图是UTACH MIT手爪示意图 它有4个手指 可实现对握 每个手指有3个曲伸关节和一个摆动关节 共16个自由度 各关节采用绳轮驱动 驱动器后置 由于拇指对置 所以4个手指不能实现并掌操作 即4个手指不能放在一侧实现全握式的抓拿物体 UTACH MIT手爪 拟人手指 如图为3指手爪 第一指相当于拇指 只有一个曲伸关节 一个摆动关节和一个开合关节 其他两指都有两个曲伸关节 故共有11个自由度 也是驱动器后置 三指手爪 拟人手指 如图是一种三指手 也称双拇指手爪 每个手指都有3个曲伸关节 其中 外面两指有摆动和转动自由度 通过转动 可以和中间指对置 也可如图示那样 与中指处于同侧 并掌 中指无转动自由度 故该手共有14个自由度 双拇指三指手 该手可以抓取或握取物件 由于使用了超小型电机和减速器 实现了驱动器前置配置 即驱动器 减速器与手指配在一起 结构紧凑 可作为一个部件安装于机器人的机械接口上 多关节手指 多关节手指 2 手指结构和类型 夹持旋转工件 定位精度较差 夹持圆柱体 定位精度高 夹持具有平行平面的工件 尖指 狭窄空间细小工件长指 夹持炽热工件 不规则工件 专用的手指 具自定位能力 接触好 3 1 4手部的典型结构举例 手部是一个独立的部件 手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的作用 它直接关系着夹持工件时的定位精度 夹持力的大小等 。