三指形旋轉手爪的設計與實現

吳天強 徐 兵

（臺州科技職業學院，浙江 臺州318020）

0 引言

機器人末端執行器（手爪）是針對特定任務、特定被夾零件而設計的，手爪的通用性是裝配機器人柔性的重要體現［1］。常用的二指或三指型手爪，依照抓手手指的運動方式分類，有平動和張角旋轉兩種。平動方式的二指手爪，手指運動范圍較小；張角旋轉方式的手爪，手爪指尖在運動過程中不能保持在同一高度，夾持細小物體時，對手爪運動控制要求高。

三爪自動定心卡盤采用圓錐齒輪副和平面螺紋副來實現增力夾緊，機床切削加工一般都是通過三爪、四爪卡盤夾持工件，其動作也都半依靠手動來實現，不但費時，且十分費力［2］。

本文設計的三指形旋轉手爪，與張角旋轉方式手爪或三爪自動定心卡盤相比較，降低了運動控制要求，提高了夾持動作的靈活性，可以抓取放置在平面上或套在定位桿中的物體，對于規則幾何形狀的物體具有自定心作用。例如，能夾取多種型號的螺母，完成螺母預裝配等任務，適用于物體的抓取與搬運。

1 手爪結構設計

圖1是三指形旋轉手爪結構圖［3］。手爪軸心是圓管2，細桿類等障礙物可以從圓管2中穿過。例如，將螺母旋進一根細長的螺絲，螺絲可以從空心管穿出。圓管2上開有槽孔，滑環1的電源線通過槽孔，與電機12連接。圓管2上裝有軸承3、大摩擦輪4及圓柱環8。上支撐板6與下支撐板10分別由4顆沿圓周均勻分布的沉頭螺釘7固定在圓柱環8上。電機12由3顆內六角圓柱頭螺釘5及共用沉頭螺釘7固定在上支撐板6上。

圖1 三指形旋轉手爪結構圖

電機12為手爪手指夾緊與松開的動力源，該電機采用蝸輪蝸桿減速直流電機，利用蝸輪蝸桿的自鎖特點及同步帶的張力，使手爪具有斷電夾持功能。同步帶9帶動3個沿圓周對稱分布的同步輪17旋轉，通過旋轉臂16，使指尖15運動保持一致，3個指尖始終在同一平面，同步張開或收攏，實現手爪指尖同步自轉。

電機21使用行星減速直流電機，直接驅動小摩擦輪19，帶動大摩擦輪4，使三指形手爪整體旋轉，實現3個手指繞軸公轉。滑環1通過電刷與電源相連，為電機12供電。電刷結構使三指形手爪整體旋轉圈數不受電源連線限制。摩擦輪用于限定傳動力矩的上限，當發生旋轉卡死時，不使電機21堵轉發熱而損壞。

手爪固定板11是手爪整體與其他機械裝置相連接的固定部件。

2 力學特性分析

圖2是手爪抓取圓形物體時指尖受力平面投影后的示意圖。

圖2 手爪夾持圓形物體受力示意圖

圖中設手爪與被抓物均為剛體，并將受力投影到同一水平面。A、B、C三點為指尖自轉軸心，AD、BE、CF是旋轉臂的長度，D、E、F為手爪指端與被抓物的夾持點，設各點的彈力分別為N1、N2與N3，AG為N1的力臂。夾緊電機輸出扭矩為M，被抓物重力為G。設為理想狀態，由對稱性，每個旋轉手指分配的扭矩為M／3，夾持點彈力N1＝N2＝N3，以A點為瞬心得：

式中，f為抓手手指與被抓物之間的靜摩擦力；μ為最大靜摩擦因數。

滿足式（4）時，手爪可以豎直夾持并提起被抓物體。

由以上分析可知，旋轉手爪有以下3個特點：（1）夾緊電機輸出扭矩保持一定時，力臂越小，可夾持提升物的重量越大；（2）手指AD張開與AO在同一直線時，力臂為0，抓手處于自鎖狀態；（3）爪手指尖收回到原點時，手指與被抓物之間的彈力取最小值，此時，被提升物重量最小。

3 試制結果

圖3是三指形旋轉手爪實物原型照片，同步輪型號為XL10，同步帶為XL80齒。3個手指自轉軸之間的軸心距為AB＝BC＝CA＝50.77mm；旋轉臂長AD＝CF＝BE＝30mm；指尖長30mm；手爪最大張角位置時，指尖所在圓的直徑120mm。

原型手爪可以順利抓取平面放置的6310深溝球軸承、M20平墊圈、M16六角螺母等大小、厚薄各不相同的物體，藉由手指的繞軸公轉功能，完成螺母初裝配等任務。將手爪指端加以修正，使其收攏時完全閉合，可以抓取細線等細小物體。

圖3 手爪實物原型照片

［1］汪新中.平面關節型裝配機器人擰螺釘手爪的研究［J］.機電工程，2008（6）：18～20

［2］盧學玉，常德功.分體式三爪卡盤的設計［J］.機械設計與制造，2005（1）：29～30

［3］吳天強，徐兵，劉二強.三爪旋轉抓手：中國，201320343354.7［P］.2013－11－20