一種凸輪直線平夾自適應手指裝置的設計

石杰 李夢雨 張海洋 林云熹

摘要：傳統的平夾自適應機器人手指裝置往往只具備平行夾持和自適應抓取的功能，這些機器手雖能在一定程度上實現自動適應被抓物體的形狀、尺寸，實現包絡、捏夾等抓取動作，但是當抓取平放的厚度較薄物體時，便會徹底喪失抓取能力。本文提出了一種凸輪直線平夾自適應手指裝置，以克服現有裝置結構的不足之處。

關鍵詞：機器人手指；欠驅動；凸輪；直線平夾

0 引言

機器人技術是當今科技發展的重要技術之一，其末端執行裝置機器人手的結構、功能也在不斷發展和完善。其中指爪式末端執行器具備可完成任務多樣化的特征，既能對物體進行抓取，也能對目標進行裝配、維修等操作，近年來發展迅速。

工業上有關自適應抓取的研究雖有一定創新性，但均未對柔性抓取多種工件，即在不更換夾具類型下進行工件的一對多裝夾有拓展研究，即使有一定的柔性探索，這些機器手雖能在一定程度上實現自動適應被抓物體的形狀、尺寸，實現包絡、捏夾等抓取動作，如加拿大拉瓦爾大學研發出的Robotiq手。當抓取平放的厚度較薄物體時，便會徹底喪失抓取能力，還未達到完全的自適應。圖1為Robotiq手由于末端軌跡為弧線而無法抓取薄壁類零件的示意圖。

1 直線平夾自適應功能

為克服現有技術的不足之處，本文提出了一種新型的直線平夾自適應欠驅動手。該裝置具有多種抓取模式，既能用平夾捏持方式夾持物體，也能在第一指段接觸物體后轉動第二指段去自適應包絡物體，對不同形狀、尺寸的物體具有自適應性；該裝置在平行夾持階段能夠達到第二指段末端沿直線精確運動，從而適應在工作臺面上平行夾持抓取不同尺寸的物體，而無需調整機器人手整體的位置，降低了成本；采用單個動力源驅動，無需復雜的傳感和實時控制系統。圖2為凸輪直線平夾自適應手指裝置結構圖。

2 直線平夾功能原理

抓取物體時，電機轉動，通過傳動機構帶動第一傳動輪和凸輪，通過柔性傳動件使得第二傳動輪轉動，第一連桿轉動；在初始狀態下，由于限位凸塊在第一簧件的作用下緊靠在第二連桿上，四邊形ABCD為平行四邊形，第二指段保持初始姿態相對于基座上部不變。同時，第一傳動輪與凸輪轉動，推動推桿移動，實現基座上部在基座下部的滑槽中直線滑動，使得基座上部第一指段及第二指段整體相對于基座下部作平動；上述兩個運動的綜合使得第二指段的末端呈現直線軌跡運動，即實現了直線平動夾持效果。

在平行抓取過程中，如圖2所示，隨著第一指段相對于基座上部的轉動，第二指段相對于基座上部的高度將隨著抓取進程的推進而不斷變化，此時基座下部的凸輪將推動推桿使與推桿相連的基座上部整體位置發生變化，消除了因為第一指段轉動帶來的第二指段末端高度變化量，從而在平夾過程中實現第二指段直線軌跡平行夾持物體。

在上述過程中，張緊輪、第三簧件和張緊輪軸的相互配合，使得在基座上部被凸輪頂起的過程中，柔性傳動件保持張緊，從而保證了在基座上部和基座下部相對運動時，第一傳動輪的動力仍能傳遞到第二傳動輪，帶動第一連桿；第三簧件和基座下部的直線滑槽相互配合，保證了在基座上部被抬高的過程中，基座上部的推桿仍能與基座下部的凸輪保持接觸，保證凸輪對基座上部的支撐作用，從而保證直線平動抓取效果。

當第一指段接觸物體時，電機繼續轉動，通過傳動機構帶動第一傳動輪，第二傳動輪轉動；第一連桿轉動，第一簧件發生變形，第二連桿與第一連桿的夾角增加，此時第二連桿推動第二指段繞遠關節軸轉動，直到第二指段接觸物體，抓取結束，該過程對不同形狀、尺寸物體有適應性，實現了自適應抓取效果。

本手指釋放物體時，電機反轉，釋放過程與上述抓取過程相反，不再贅述。

凸輪輪廓的尺寸與第二指段的長度、兩個傳動輪之間的傳動比密切相關，三者尺寸的契合程度決定了手指直線平夾的效果。

3 結束語

本文提出了一種凸輪直線平夾自適應手指裝置，并對功能原理進行了較為詳盡的闡述。裝置整體構造簡單，摩擦損耗小，效率高，較容易制造安裝。具以下抓取模式：

（1）該裝置可以直線平動第二指段，以平夾捏持方式夾持物體，對厚度較薄的物體有較強適應性；

（2）該裝置能夠實現自適應握持物體，在第一指段接觸物體被阻擋后，第二指段自動繞遠關節軸轉動，直到接觸物體，達到自適應包絡握持物體的效果，對不同形狀、尺寸的物體具有自適應性。該裝置結構簡單，制造成本低，抓取范圍廣，僅采用單個動力源驅動，無需復雜的傳感和實時控制系統，適用于各種需要抓取不同物體的機器人。

參考文獻：

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