(完整版)机器人机械手爪综述

机器人机械手爪综述
目录
一、夹钳式手部设计的基本要求 (3)
二、典型机械爪结构 (4)
1）回转型 (4)
2）移动型 (5)
三、夹钳式手部的计算与分析 (9)
1）夹紧力的计算 (9)
2）夹紧缸驱动力计算 (11)
3）计算步骤 (12)
4）手爪的夹持误差分析与计算 (12)
四、常用气爪 (17)
1）气动手指气缸具有如下特点： (17)
2）气动手指气缸主要类型与型号 (18)
工业机器人的手部(亦称机械爪或抓取机构)是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的。

常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持和吸附两大类。

夹持类常见的主要有夹钳式，此外还有钩托式和弹簧式。

夹持类手部按其手指夹持工件时的运动方式，可分为手指回转型和手指平移型两种，如图1所示。

吸附类中，有气吸式和磁吸式。

a)回转型内撑式b)回转型外夹式c)平移型外夹式d)钩托式e)弹簧式f)气吸式g)磁吸式
图1 机械爪类型
夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件。

一般情况下，多采用两个手指，少数采用三指或多指。

驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压、气动和电动等几种形式。

常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或松开。

平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适于夹持平板、方料。

在夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。

但这种手指结构比较复杂、体积大，要求加工精度高。

回转型手指的张开闭合靠手指根部(以枢轴支点为中心)的回转运动来完成。

枢轴支点为一个的，称为单支点回转型；为两个的，称为双支点回转型。

这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位偏差。

a)单支点回转型b)双支点回转型C）平移型(平直指)
图2 回转型和平移型手指
一、夹钳式手部设计的基本要求
1. 应具有适当的夹紧力和驱动力。

手指握力(夹紧力)大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件;力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。

在确定握力时，除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件夹持安全可靠。

而对手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。

应当指出，由于机构传力比不同，在一定夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。

2. 手指应具有一定的开闭范围。

手指应具有足够的开闭角度(手指从张开到闭合绕支点所转过的角度)或开闭距离(对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离)，以便于摘取或退出工件。

3. 应保证工件在手指内的夹持精度。

应保证每个被夹持的工件，在手指内都有准确的相对位置。

这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。

4. 要求结构紧凑、重量轻、效率高在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。

5. 应考虑通用性和特殊要求一般情况一下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法。

如更换手指甚至更换整个手部。

此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。

二、典型机械爪结构
1）回转型
1. 滑槽杠杆式。

图3为常见的滑槽杠杆式手部结构。

在杠杆3作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1、F2，其力的方向垂直于滑槽的是中心线OO1和OO2并指向O点，F1和F2的延长线交O1O2于A及B。

1一手指2一销轴3一杠杆
图3 滑槽杠杆式手部结构、受力分析
由∑F x=0得F1=F2
由∑F y=0得 F1=F
2cosα
由∑M O1=0得 F1h=F N b
最后可得：
cos2αF N（2-1）F=2b
a
式中a—手指的回转支点到对称中心线的距离；
b—工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。

由式（2-1）可知，当驱动力F一定时，α角增大，则握力F N也随之增加，但α角过大会导致拉杆的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使结构加大，
因此建议α=30°~40°。

2. 连杆杠杆式。

图4为连杆杠杆式手部结构，作用在拉杆3上的驱动力为F，两连杆2对拉杆的反作用力为F1、F2，其方向沿连杆两铰链中心的连线，指向O点并与水平方向成α角。

1一调整垫片指2一连杆3一拉杆
图4 连杆杠杆式手部结构、受力分析
通过分析可得：
tanα⋅F N(2-2) F=2b
c
由式(2-2)可知，若结构尺寸c、b和驱动力F一定时，握力F N与α角正切成反比。

显然当α角小时，可获得较大的握力。

当α=0时，是使手指闭合到最小的位置，即为自锁位置，这时如果撤去驱动力，工件也不会自行脱落。

若拉杆再向下移动，则手指反而会松开，为了避免出现上述情况，对于不同规格尺寸的工件可以更换手指。

如果工件允许少量的尺寸变化时，可更换调整垫片1，使夹紧工件后α≥0。

2）移动型
1. 简单移动型
简单移动型即两手指相对支座作往复移动。

如图5所示，其驱动力为：
F=2F N （2-3）
图5 简单移动型手部结构、受力分析
2. 平面平行移动型
平面平行移动型，如图6所示。

若拉杆5的驱动力为F，两连杆4、6对拉杆的反作用力F45=F65，经分析可得：
1—手指 2、3、4、6—连杆 5—拉杆
图6 平面平行移动盈手部结构
同样可推出各类运动型式的机构的驱动力如表1。

表1 各种机械爪传动机构一览表
表1 各种机械爪传动机构一览表（续）
三、夹钳式手部的计算与分析
1）夹紧力的计算
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。

必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。

一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷(惯性力或惯性力矩)，以使工件保持可靠的夹紧状态。

手指对工件的夹紧力可按下式计算：
（3-1）式中K1——安全系数，通常取1.2~2.0；
K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。

K2可近似按下式估算
其中g—重力加速度；
a——运载工件时重力方向的最大上升加速度；
v max——运载工件时重力方向的最大上升速度；
t响——系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取。

一般取
0.03~0.5s。

K3——方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。

按表2选取。

G——被抓取工件所受重力(N)。

表2 夹紧力的方位系数
平直指端夹方形件V形指端夹圆形件
2）夹紧缸驱动力计算
1. 夹紧装置夹紧装置是使手爪开、闭动作的动力装置。

其动力源可以是液压或气动。

图7是夹紧装置的三种结构型式的原理示意图。

手爪壳和缸壳连成一体，当压力油(或压缩空气)从液压缸右边油管进油时，活塞杆向左运动，推动手爪闭合;当压力油从液压缸左边进油时，拉动手爪张开。

图7 夹紧装置原理图
图7所示缸的拉力(或推力)(N)为:
式中D——活塞直径（m）；
d—活塞杆直径（m）；
p—驱动压力（Pa）。

图7b所示，由压缩弹簧使爪牙张开，称之为常开式夹紧装置。

图7c所示，压缩弹簧使手爪闭合夹住工件，称之为常闭式夹紧装置。

2. 各种夹紧装置驱动力计算手爪的结构很多，在设计和确定手爪的结构方案时，一方面应根据实际要求选取具体的结构，另一方面必须进行力的分析，以便在设计选取时进行比较，才能正确选择手爪结构方案，确定各构件的尺寸，以满足夹持工件的具体要求。

设计者可根据表1所列的机构进行选取。

3）计算步骤
1. 首先根据对机械手的工艺及设计要求确定安全系数K1;计算出最大加速度，确定工作情况系数K2，根据手爪夹持方位从表2查出方位系数K3，求出夹紧力F N。

2. 根据手爪的结构方案，由表1查出驱动力的计算公式，求出液压(气)缸。

应具有的驱动力F
计算
3. 实际所采取的液压(气)缸驱动力F实际大于F计算。

考虑手爪的机械效率，一般取0.8~0.9。

4）手爪的夹持误差分析与计算
机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度(由臂部和腕部等运动部件确定)，而且也与手指的夹持误差大小有关。

特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一避免产生手指夹持的定位误差，必须注意选用合理的手部结构参数(参见图8) ，从而使夹持误差控制在较小的范围内。

在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过±1mm就可以了。

这就可以在满足定位精度的条件下，采用简单的回转型手爪。

而避免单纯追求自动定心，而使设计出的结构过分复杂。

现以常见的V形指夹持圆棒为例，分析工件尺寸的改变与夹持误差之间的关系，同时还讨论V形指的几何尺寸的选择与减小夹持误差的关系。

当然手部最终的夹持误差将决定于手部装置加工精度和控制系统补偿能力。

1. 平移型手指的夹持误差平移型手指，工件直径的变化不影响其轴心的位置（图8），即理论夹持误差为零。

但是其结构比较复杂，体积较大，故一般应用不多。

图8 平移型手指
2. 单支点回转型手指的夹持误差图9为单支点回转型手指分别夹持两种半径不同工件时的情形，其中：l AB为手指长，即回转点A到V形槽顶点B的距离；2θ为V形槽的夹角；β为偏转角，即V形槽的角平分线BC与手指AB间的夹角；R为工件半径。

图9 单支点回转型手指
工件的轴心位置C与手爪的回转支点A间的距离X，以下式求出：
为了看出半径R的变化对x的影响，将土式简化为：
或
此方程为双曲裁方程。

如图10所示。

图10 工件半径与夹持误差关系曲线
从图10可以看出，当工件半径为R0时，X取最小值X min。

又从上式可以求出：
若工件的半径R max变化到R min时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用△表示。

在设计时，希望按给定的R max和R min来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大;另一方面可选取合适的偏转角β，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。

不难看出，只有当工件的平均半径R cp取为R0时，夹持误差最小。

而此时最佳偏转角s则为:
工件直径变化时手指夹持的夹持误差，可采用以下方法解决:
1)使手指支承杆长度可调，指态可变。

例如采用连杆夹持与凸轮组合的新
型机构，使夹持装置和姿态得到控制。

其结构特点:在连杆上固定一凸轮;V形手指与支承杆的联接是铰接而不是固接;在V形手指与支承杆之间装有调节杆。

当夹持器工作时，连杆通过凸轮驱动调节杆，使调节杆长度因端部滑槽运动而得到改变，从而使v形手指的偏转角也随之改变，只要计算求得的凸轮曲线方程满足特定的关系式，即可保证指形夹角的中心线位置妒终保持不变，内切圆保持同心，以消除夹持误差。

2)采用三指机构，三个手指同时在半径方向.伸缩运动，宛如三爪卡盘。

3)用控制程序补偿已知的夹持误差使定位误差趋于零。

四、常用气爪
气动手指又名气动机械夹或气动夹指或者手指气缸，是用压缩空气的轴向力转为手指的横向力，从而夹起或者抓起所需要完全能抓取的工件。

气动机械夹起源于日本，现在已经被我国轻工业普遍应用。

根据机械夹的样式可以分为V 型夹与U型夹（平等夹）两种，一般常用缸径有6mm，10 mm，16 mm，20 mm，32 mm，40 mm等。

主要作用是夹取工作，多数都配合其它直线传动气缸，或者旋转气缸一起使用，可以有效的提高生产效率，以及减少人工操作的危险性。

SMC 气动手指目前在市场上最为多见。

其它气动手指机械夹也比较常见。

1）气动手指气缸具有如下特点：
1、外形紧凑，体积小，重量轻；安装方式多样可装载在其它装夹或气缸上使用。

2、动作方式有双作用与单作用，大部份的结构以双作用居多，可以实现双向抓取；可自动对中，重复精度高。

3、抓取力矩恒定，以保证使用稳定。

4、气爪样式多样，有两爪，三爪，四爪；抓取方式有平行开闭型，支点开闭型，圆柱型爪体等多种气爪样式与开闭形式。

5、装载磁性开关可实现自动化的控制
6、可适用特殊环境下使用。

2）气动手指气缸主要类型与型号
1. 平行开闭型气爪
平行气爪的手指气缸是通过两个活塞动作的，每一活塞由一个滚轮和一个双曲炳与气功手指相连，形成一个特殊的驱动单元。

实现气动手指总是轴向对心移动，每个手指是不能单独移动的。

如果手指反向移动，则先前受压的活塞处于排气状态，而另一个活塞处于受压状态。

主要有平行轨道式气爪与宽形平行开闭型气爪。

1、双曲炳
2、滚轮
2. 支点开闭形-Y形气爪
Y形夹爪的活塞杆上有一个环槽，由于手指耳轴与环形槽相连，因而手指可同时移动且居中对中，并确保抓取力矩始终恒定。

主要有C形开闭气爪和凸轮式180度开闭气爪。

3、环形槽
4、耳轴
5、环形槽（3条）6驱动轮7环形槽8、曲柄
3. 旋转夹爪
如图（c）所示旋转夹爪的动作是按照齿条的啮合原理工作的，活塞与一根可以上下移动的轴固定在一起，轴的末端有三个环形槽，这些槽与两个驱动轮的啮合。

因而，气动手指可同时移动并自动对中，齿轮齿条原理确保了抓取力度始终恒定。

4. 圆柱形爪体的气爪
圆柱形爪体的气爪有两爪，三爪和四爪；楔形凸轮结构可增加夹持力；可自动对中，重复精度高。

活塞上有一个环形槽，每一个曲柄与一个气功手指相连，活塞运动能马上驱动三个曲柄动作，因而可控制三个手指同时打开和合拢。