一種用于測量的機(jī)器人抓手設(shè)計(jì)

王劉菲

【摘 要】文章針對機(jī)器人的末端執(zhí)行元件進(jìn)行分析，利用三維繪圖軟件進(jìn)行實(shí)體建模，并對所設(shè)計(jì)的抓手結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析、模擬測試，使其結(jié)構(gòu)功能能夠滿足目標(biāo)件測量的要求。采用軟件對零件進(jìn)行三維建模，生成二維圖紙，對抓手結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝分析及加工制造，加工包括了外形加工、型腔銑削、孔加工等加工知識，并對零件進(jìn)行了表面應(yīng)力處理。應(yīng)用此抓手結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，滿足設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】建模;結(jié)構(gòu)分析;受力分析

【中圖分類號】TP242 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）03-0054-02

工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人主要由主體、驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)3個部分組成。機(jī)器人主體包含機(jī)座及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有些還帶有行走機(jī)構(gòu)。機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的臂部多采用連桿機(jī)構(gòu)。關(guān)節(jié)個數(shù)是機(jī)器人的自由度，一般機(jī)器人具有3個以上的自由度。驅(qū)動裝置指的是能夠驅(qū)使機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，由控制系統(tǒng)發(fā)出指令信號，然后動力元件操縱機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動。驅(qū)動系統(tǒng)指的是動力裝置和傳動機(jī)構(gòu)，用以驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作。

1 機(jī)器人抓手的結(jié)構(gòu)分析

機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常采用抓手實(shí)現(xiàn)其功能，機(jī)器人完成一些特定動作需要通過機(jī)械臂對物體進(jìn)行抓取操作。末端執(zhí)行器即指各種夾持裝置，對于被夾緊的目標(biāo)物體，可以使用執(zhí)行器來抓取或者吸附。夾持裝置有很多類型，按照用途可以分為搬運(yùn)用、加工用及測量用等。加工用的夾持裝置一般帶有噴槍、焊槍、銑刀等加工工具，可以進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。測量用的夾持裝置一般裝著測量頭及傳感器等裝置，可以進(jìn)行測量和檢驗(yàn)作業(yè)。本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人抓手裝置是用于測量用的夾持裝置，抓手夾持是機(jī)器人末端執(zhí)行器的一種分類形式。

在設(shè)計(jì)機(jī)器人的末端執(zhí)行器時，需要注意以下問題：①機(jī)器人末端執(zhí)行器根據(jù)作業(yè)設(shè)定要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。更換不同種類的末端執(zhí)行器，機(jī)器人可以應(yīng)用在其他場合。機(jī)器人末端執(zhí)行器的創(chuàng)新及改造可以擴(kuò)大機(jī)器人的使用領(lǐng)域。②設(shè)計(jì)時需要考慮末端執(zhí)行器的形狀、重量，以及被抓取物體的形狀、重量，考慮機(jī)器人能夠承載的最大承重力。一般設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。③末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)時要能兼顧萬能性和專用性，但在實(shí)際生產(chǎn)中很難實(shí)現(xiàn)。萬能性的末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上非常復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在多數(shù)還是使用結(jié)構(gòu)簡單的末端執(zhí)行器，能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。

2 機(jī)器人抓手的設(shè)計(jì)過程

首先要設(shè)計(jì)機(jī)器人抓手的形狀、尺寸、裝配結(jié)構(gòu)，用三維繪圖軟件對抓手進(jìn)行建模，分析設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)是否合理，進(jìn)行受力分析，使抓手具有足夠的剛度和強(qiáng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)功能。加入電機(jī)連接、齒輪嚙合、末端執(zhí)行器等連接部件。電機(jī)作為驅(qū)動元件，帶動連接的齒輪進(jìn)行嚙合運(yùn)動，從而控制抓手的張開和閉合，完成執(zhí)行末端的夾緊，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)零件的測量操作。

機(jī)器人使用電機(jī)的選擇，需要考慮機(jī)器人的最大負(fù)載能力和工作半徑、機(jī)器人的轉(zhuǎn)動慣量及如何實(shí)現(xiàn)抓取功能。對機(jī)器人的抓手進(jìn)行設(shè)計(jì)，加入齒輪嚙合機(jī)構(gòu)，通過齒輪嚙合原理實(shí)現(xiàn)抓手機(jī)構(gòu)的功能。本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人抓手采用電機(jī)驅(qū)動作為動力來源，是一種比較經(jīng)濟(jì)的工作方式，涉及結(jié)構(gòu)及其制造、使用和維護(hù)成本較低，極大降低了制造成本。機(jī)器人抓手需要抓緊的機(jī)械零件較小，抓手目標(biāo)的重量輕、尺寸小，可以選擇承重大小合適的抓手，即可滿足抓緊要求。根據(jù)末端執(zhí)行器的大小選擇功率和尺寸合適的電機(jī)。電機(jī)動力帶動抓手張開和閉合，電機(jī)功率無需太大。齒輪嚙合結(jié)構(gòu)中抓手與齒輪通過螺栓進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)嚙合運(yùn)動。

使用三維軟件對抓手結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，建模時要使用切除—拉伸、凸臺—拉伸等功能。建好模后，對設(shè)計(jì)的三維模型進(jìn)行模擬分析，確保能達(dá)到使用要求，然后生成零件圖、裝配圖，并且校核圖紙尺寸。抓手裝配圖如圖1所示。

3 機(jī)器人抓手的受力分析及模擬測試

需要對抓手結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，給抓手機(jī)構(gòu)10 N的力，力垂直分布在抓手面上，對抓手面進(jìn)行受力分析，可看到抓手受力變形情況，其中質(zhì)量為0.041 602 4 kg，體積為5.402 91e-006 m3，密度為7 700 kg/m3，重量為0.407 704 N。經(jīng)驗(yàn)證，此抓手受力變形情況良好，符合要求。機(jī)器人抓手受力分析圖如圖2所示。

對其進(jìn)行模擬運(yùn)動測試及實(shí)物驗(yàn)證，用此抓手對零件進(jìn)行抓緊、測量，能夠?qū)崿F(xiàn)其功能。最后根據(jù)圖紙尺寸進(jìn)行零件的加工，完成各個零部件的加工，并對抓手進(jìn)行組裝裝配。模擬測試如圖3所示。

在設(shè)計(jì)制造時還應(yīng)考慮機(jī)器人運(yùn)動末端工件放置的空間布局，能夠保證目標(biāo)零件的測量操作。對機(jī)器人抓手結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過目標(biāo)零件的驗(yàn)證，此設(shè)計(jì)抓手能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)功能。另外，設(shè)計(jì)的抓手在載荷承重和強(qiáng)度上仍需進(jìn)一步改進(jìn)，以使其應(yīng)用范圍更加廣泛。

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