工業機器人手部創新設計研究范文

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[摘要]本文介紹了一種應對板類材料的工業機器人手部創新設計。針對在工業生產中機器人手抓取板類材料這一難題，我們提出了將運用真空吸附技術運用到智能機器人手部的設計中的方法。另外，運用三維建模軟件設計了手掌關節旋轉處的真空管道這一結構。

[關鍵詞]智能機器人；真空吸附；三維建模

隨著社會的逐步發展，科學技術的飛快進步，機器人技術發展速度也越來越快，我們對于機器人的要求也越來越高，特別是工業機器人和特殊機器人越來越受歡迎，可見，以后的工廠生產中更多的是機器人代替人類加工。平常工廠生產中，機器人對于平板（薄片）類的工程材料抓取不怎么方便，這也恰恰是人類的手不方便完成甚至無法完成的，但是在生產中，這類材料是很多的，比如眼鏡鏡片、各類芯片、玻璃等等工件的加工生產中，因此對現有機器人手進行吸附功能的設計來解決此類問題就有實際的應用價值和良好的發展前景了。

1國內外發展現狀

20世紀80年代后期，國內一些機器人研究機構和部分高校對于機器人手的研究就已經相繼展開，如哈爾濱工業大學、北京航空航天大學，國防科技大學、北京理工大學、北京科技大學等都在此方面做了大量研究。而國外在20世紀70年代就開始研究，日本，德國，意大利，美國等都做了大量研究，可以說國內外對于靈巧手的研究已經趨于成熟[1]。國內外機器器人吸附技術的應用主要在壁面移動方面，而對于將吸附方式應用到靈巧手上進行普通靈巧手難以抓取一些平板材料問題還涉及很少，在國內主要是一些大型機械手在一些包裝工程等方面的應用。機器人的發展將會是衡量一個國家科技水平的一個重要標準之一，而機器人的發展在于機器人的實用價值，那么機器人手抓取各種人類不方便抓取材料的能力也是其研究的一個方面，將會得到研究人員的關注。

2整體靈巧手設計

圖2工作情況示意圖靈巧手設計及手掌中的吸盤設計至關重要的，其主要要求如下：在面對不同的板類材料都需要能夠自適應，手腕可以90°旋轉，吸盤能夠緊貼材料，保證能夠密閉產生真空，進而產生吸附力，手部結構設計如圖1所示。在吸附起來后，靈巧手彎曲，能夠抓住板狀材料，進而提起，如圖2所示。

3吸附力的大小計算分析

真空吸盤接觸板類材料，貼緊后抽取里面的氣體。由于周圍壓力（大氣壓）高于真空吸盤和板類材料表面的壓力，故真空吸盤吸附于物料表面。真空吸盤與真空泵相連，壓力愈低（真空度越高），真空吸盤的吸附力愈大[2]。吸附力大小可用以下公式計算：上式中，F：理論吸附力大小，單位：kgf（公斤力）；P絕對壓力：為真空泵的絕對真空度，單位取：KPa（千帕）；S吸盤面積：為吸盤有效面積，單位取：cm2（平方厘米）。通過現有真空泵，真空吸盤可以達到10kPa的真空度，那么它與大氣壓的壓差為101-10=91kPa。此時真空吸盤的有效面積假設為10cm2（機器人手掌大小），那么這時候的吸附力為91×10×0.01，也就是說這個真空吸盤理論上能達到9.1kgf左右的吸附力，可以提起9.8kg的物體，對于一般的機器手而言這是足夠的。

4關節處真空管道設計

由于需要的吸附力較大，微型電機的功率不夠，必須需要較大功率的電機，大功率電機的體積往往也是比較大的，而手掌處的空間不足以直接裝備電機。我們考慮將在手腕關節以上的手臂或者其它位置裝備電機，在手掌處裝備吸附盤，中間通過管道或通道傳遞真空吸力。設計這個真空傳遞管道，必然會通過關節處，關節又是必定能旋轉或者彎曲的，也就是說需要手腕既可以旋轉90°，也要保證真空管道的封閉性以及抗壓性。要在關節處能彎曲，這需要軟管道，但是抽真空要求管道的硬度和抗壓強度都比較高，因此要設計出既可以彎曲也能夠保證能夠承受真空狀態壓力的氣體通道，或者是通過其他機構解決這一問題。真空管道關節的設計既要考慮內部真空時的抗吸能力，又要考慮能彎曲。幾個真空管道關節的設計想法是：類比于吸管，雖然吸管內部工作時并不是真空，但也在一定程度上達到了既可以抗壓力又可以彎曲的目的，有一定的借鑒價值。但通過實驗我們知道，此方法對于材料的性能要求極高，并且能夠承受的壓力較小，安全系數不高，因此不可取。由于外部手腕關節的大小大于管道，也可以直接設置成硬管彎曲狀態，外部也可以進行彎曲，伸直，而不影響內部的彎曲狀態。此方法需求機器人手關節處的空間很大，所以此方法對于大型機械手是適用的，但在小型機器人手腕處的真空管道關節設計是存在局限性的。基于上訴想法的實驗，我們發現真空關節的設計既要考慮內部真空時的抗吸能力，又要考慮能彎曲，這是一個矛盾。國內外均還沒有此成果出現，因此我們嘗試避開這一矛盾，在關節處設計了這樣一個結構解決了這一真空管道問題，見圖3、圖4。如圖4所示，手腕關節處由兩個零件組成，零件2是手掌上的固定零件，固定不動；零件1是連接手臂的，可做90°旋轉。如圖5所示，為了保證可旋轉裝配面是間隙配合的，配合間隙不宜過大，能夠容納潤滑油即可。當手腕處不需彎曲時，零件2的連接口1與零件2的連接電機通道相連；當手腕處轉過90°時，零件2的連接口2與零件2的連接電機通道相連，兩個工作位置均保持連接吸附盤通道與連接電機通道相聯通，讓手腕以上的電機與手掌上的吸附盤相連，實現吸附功能。另外，在兩個工作位置時，吸附力是由連接電機通道傳出，到連接口1或連接口2，由氣體流動力學知識可以知道，零件2將會受到吸附力，配合間隙中的潤滑油被壓縮，連接處的間隙變小，使得配合得更加緊密，形成封閉的空間管道，保證了密封性。

5結語

隨著人工智能的逐漸普及，企業生產自動化、智能化地不斷推進，智能機器人應用得越來越多。通過一個生活中的實際需求工程問題——智能機器人抓取板類材料，我們提出了一種智能機器人手部的創新設計想法。面對板類材料難抓取的問題，我們將真空吸附技術運用到機器人手部設計中，巧妙地解決了這一問題。另外，我們對國內外發展現狀做了一個簡單的介紹和手掌關節旋轉處真空管道的三維建模等相關內容，希望能夠為智能機器人抓取板類材料這一方向的后來者提供了一些借鑒與參考。

【參考文獻】

[1]羅建國,何茂艷,薛鐘霄,等.靈巧手研究現狀及挑戰[J].機械設計,2009,26(10):4-8+22.

[2]張利平,Horg.真空吸附技術[J].輕工機械,1998(4):41-43.

作者：吳浪 姚輝學 董鑫 單位：江蘇大學機械工程學院