基于四點探測法的氣動機器人抓手的設計

何東明， 吳 剛， 鐘先友

（三峽大學機械與動力學院， 湖北 宜昌 443002）

引言

氣動控制在工業應用領域已經得到了非常廣泛的普及，因此，近年國內的智能制造領域經常會把工業機器人與氣動控制相結合，即氣動機器人[1]。氣動機器人在執行不同的作業任務時具有較好的通用性，更換工業機器人手部末端操作器（抓手、工具等）便可執行不同的作業任務[2-3]。隨著工業機器人應用日趨廣泛，企業對工業機器人應用的智能化要求日益提高，進而對相關從業人員的設計要求也越高[4-6]。每一個企業的設計師都有設計對應的機器人抓手，從而機器人抓手結構多種多樣，實際設計中很多初級的設計師不會去校核抓手的強度，因此雖然最后完成項目，但是還存在著很多安全隱患。

基于上述分析，本研究獨創性地設計了基于四點位光電傳感器的機器人抓手探測方法，設計出一種結構簡單、安全可靠以及實用性強的機械設計與氣動控制相結合的工業機器人抓手，并對其進行工業現場的實際測試以驗證本設計的可行性和穩定性。

1 抓手機械結構的設計

工業機器人在搬運和碼垛中的工作對象大致可以分為兩類：一類是塊狀工件，主要以物流包裹和機械零件為主，機器人搬運或者是碼垛這類工件時，機器人抓手一般采用氣缸夾緊裝置來夾取工件；另一類則為片狀工件，其中主要以玻璃和瓷磚為主，機器人搬運或碼垛這一類工件主要采用真空吸盤吸取工件。本研究中將以搬運/碼垛中的第二大類片狀工件——玻璃加工為例來進行對片狀工件的加工工藝的機器人抓手設計。

圖1 為機器人抓手總設計圖，其中：1 為鋁型材，整個抓手結構由四根鋁型材做支撐；2 為吸盤總成，吸盤一般與氣管相連，利用真空負壓來吸取玻璃；3 為玻璃；4 為分氣接頭，作用是把一路氣分為三路；5 為固定鋁板，其作用是固定四根鋁型材，穩定抓手的框架結構；6 為真空發生器，作用是產生真空，為抓手吸取玻璃提供真空壓力；7 為法蘭盤，其作用是將抓手與機器人連接。圖2 為機器人抓手的側視圖，在圖中1，2，3，4 號位置分別獨立安裝有光電傳感器和壓力表。

圖1 機器人抓手設計總體裝配圖

圖2 抓手側視及光電位置示意圖

2 抓手氣動控制系統的設計

本研究中氣動控制系統的主要作用是輔助機器人對工件進行抓取。機器人的抓手上面的吸盤上連接氣管，由氣管供氣，對片狀工件進行抓取和釋放，氣動系統的結構如下頁圖3 所示。

圖3 中1 為氣源，由廠房里面的空壓機對空氣進行壓縮，通過氣管導出，然后通過后冷卻器2 對其進行冷卻凈化，之后連接儲氣罐3，儲氣罐的作用是用來貯存一定量的壓縮空氣，調節空壓機輸出氣量與機器人耗氣量之間的不平衡狀況，保證連續、穩定的氣流輸出。儲氣罐出氣口接一個壓力表，用來監測儲氣罐里的氣體壓力。儲氣罐后接2 路二位二通電磁閥，用來實現氣路的自動控制。兩路電磁閥分別接真空發生器和消音器，真空發生器就是利用正壓氣源產生負壓的一種新型、高效、清潔、經濟、小型的真空元器件，機器人中用的負壓場合少，所以相比于真空泵的大功率輸出，真空發生器更加簡單方便。真空發生器后面接消音器的原因是氣體高速噴出會產生很大的噪音，會影響工廠的人員，所以加入消音器可以大大地削弱噪音；兩路真空發生器的真空接口分別連接壓力表，用來檢測真空壓力值的大小，并作為輸入傳遞到PLC 中，如果真空壓力達不到設置值，中央處理單元就會讓機器人停止工作并報警。真空口除了并一個壓力表外，每個真空口會接3 個吸盤，兩個真空口一共接6 個吸盤，分別對應機器人抓手上的6 個吸盤位。

圖3 氣動控制原理圖

3 四點探測法在抓手設計中的應用

四點探測法即利用抓手四個方位的光電傳感器和壓力表，通過檢查四個方向的吸盤壓縮量和真空壓力值來判斷工件的具體位置信息的一種方法。光電傳感器以及壓力表位置信息已于圖2 中標出。如圖2 所示，吸盤1，2，3，4 的氣管接頭處分別安裝有相互獨立的光電傳感器和壓力表。當機器人抓手沿直線軌跡向前探取時，如果原片位置偏差較大，抓手接觸到原片表面繼續向前探取，吸盤1，2，3，4 的壓縮量不同，達到設定壓縮值（即光電感應觸發距離）后先被壓縮的光電會動作，而其他光電無動作，機器人就能通過四個光電的動作信息來判斷工件位置。而四點位的壓力表檢測的真空壓力值是機器人判斷是否穩定抓取到工件的判定條件。

1）原片的傾斜度偏差過大。如圖4 所示，上排居中的圖片為原片放置傾斜角太大的示意圖，此時機器人抓手按照指定軌跡進給，吸盤3 會先接觸原片并擠壓，當吸盤3 的壓縮量到位時，光電3 動作，機器人收到信號后命令執行元件電磁閥開啟，吸盤3 的氣管接頭處壓力到達指定值，但是吸盤1 處此時還未接觸到原片，此時抓手抓不住原片，吸盤1處的壓力表沒有真空壓力，機器人接受到壓力表1的信號之后關閉電磁閥，抓手退回準備吸取點。根據以上信息，機器人會加大抓手的傾斜角繼續沿原軌跡探測，此時抓手的傾斜角加大后與原片的傾斜度平齊，抓手抓取時吸盤1，3 處同時抓取到位，則機器人記錄當前傾斜角，之后每次抓取按照此角度進行抓取，機器人便能在原片的傾斜度偏差過大時通過內部程序自動修改抓手傾斜度進行抓取，依然能夠正常工作。

2）原片放置上下偏差過大。圖4 下排左圖中，原片的位置相對于標準位置向上的位置偏差過大，機器人控制抓手按照固定軌跡進給，當到達原片的平面時，吸盤1 與原片接觸，但是吸盤3 則偏到工作邊界之外了，抓手繼續進給，壓縮吸盤1，吸盤1 壓縮到位后光電1 動作并發送給機器人的中央處理單元吸盤壓縮到位的信號，機器人中央處理單元命令電磁閥開啟，吸盤1 處吸取到原片，1 處的壓力表到達設定值，但是3 處吸盤沒有吸取到工件，壓力表處為大氣壓則不會動作，此信號反饋給機器人后，機器人會立即關閉電磁閥，然后退回到抓取點。此時先進行抓手的傾斜度改變，如果改變傾斜度抓取后還是沒有抓取到玻璃，則自動把抓手調整回原傾斜度，然后把整個抓手的位置向上偏移一定值，最后直線進給抓取。

圖4 原片位置偏差圖（側視）

4 結語

本文針對片狀工件的搬運/碼垛工藝進行了工業機器人的抓手設計。設計中采用了機械設計與氣動控制相結合的設計方法。為解決機器人的視覺問題，本研究提出四點探測法，并在實際生產中對本研究設計的工業機器人抓手進行了故障測試和原片位置偏差測試。測試結果和實際生產情況符合本文所分析的各種情況，從而驗證了本設計的可行性和創新性，為通用機器人的抓手設計提供了一種設計思路。