雙機器人協同鼠標裝配末端夾具的設計

孟銀娜，張云鵬，王一明

（河南機電職業學院，河南鄭州 451191）

0 引言

在機器人應用領域不斷擴大的環境下，多機器人在特定場合的協同作業越來越重要，根據任務要求，多機器人可以有序無誤地協同配合，以完成特定場合的工作需要。機器人末端夾具是根據作用對象的形狀特征來設計的，無論是夾持式還是吸附式夾具，設計時都需要滿足機器人作業所需要的重復精度，最大程度上使機器人末端執行器的結構簡單、緊湊、質量輕，以減輕手臂負荷。機械夾持式末端執行器多為雙指頭爪式，按手指的運動區分，可以分為平移型和回轉型；若按照機械夾持方式區分，可以分為外夾式和內撐式；若按照機械結構特性區分，可以分為電動（電磁）式、液壓式與氣動式，以及它們相互的組合。氣吸式機器人末端執行器，利用吸盤內的負壓吸住并移動工件，根據應用場合不同，末端執行器可以做成單吸盤、雙吸盤、多吸盤或特殊形狀的吸盤。經比較分析，本方案中工作站采用的是夾持式末端執行器。

1 機器人1 的末端夾具分析

機器人1 末端夾具的夾持對象是鼠標底座和鼠標USB 端口，根據鼠標底座和USB 的形狀特點，所設計的末端夾具手指需要有一定的開合范圍。考慮到鼠標裝配效率，為節省裝配時間，設計多功能夾具，一個夾具配備兩對手指，能夠分別加持鼠標底座和USB。設計前考慮以下方面：①末端夾具夾持的對象較薄，夾持力不應過大，為避免夾持力度過大，在末端夾具中添加傳感器感應夾持對象；②夾具承載變形要求，所設計的末端夾具承載不低于3 kg，應具備一定的剛度，夾持鼠標零部件時，最大變形量≤1 mm；③所設計的末端夾具應考慮鼠標底座和USB的形狀尺寸，根據所夾持對象的形狀特征設計夾具開合度；④根據鼠標底座以及鼠標USB 的形狀特征，采用雙指夾持相比三指夾持更加牢固。

綜合考慮以上四點設計機器人1 的末端夾具，根據夾持對象的形狀特征，設計出的夾具可以穩固夾持對象移動，不產生滑移，并且能夠在夾持鼠標底座和USB 端口時順利完成鼠標裝配工作。

2 機器人1 的末端夾具設計

因機器人1 末端夾具主要作用對象是鼠標底座和鼠標USB 端口，所以設計的夾具是根據鼠標底座和鼠標USB 設計的多功能末端夾具。機器人1 末端執行器主要由夾具底座、手指1 和手指2 三部分組成：手指1 的夾持對象是鼠標USB 端口，手指2 的夾持對象是鼠標底座。在設計夾具底座時需要考慮負載力，保證能夠完全承載兩對手指夾持對象時的重量，并且在不發生碰撞的情況下，夾持對象運動到裝配鼠標的動作位置（圖1）。

圖1 夾具1 底座

機器人1 手指1 的夾持對象為鼠標USB 端口，根據鼠標USB 的形狀尺寸，所設計的手指1 需要滿足至少13 mm 的開合度，夾持深度為3 mm（圖2）。鼠標USB體積小且質地比較薄，夾持力度不應過大，設計手指1時可以適當增強手指1 夾持面的粗糙度以增加夾持鼠標USB 時的摩檫力。

圖2 夾具1 手指1

機器人1 手指2 的夾持對象是鼠標底座，根據鼠標底座的形狀尺寸，手指2 需要至少96 mm 的開合度，夾持深度為3 mm（圖3）。考慮到鼠標底座較薄，夾持力度不應過大，可以通過增強夾持面的粗糙度來增大夾持鼠標底座時產生的摩擦力。

圖3 夾具1 手指2

3 機器人2 的末端夾具分析

機器人2 的作用對象是鼠標電池、鼠標上蓋和鼠標整體，為提高鼠標裝配效率、縮短裝配時間，根據鼠標上蓋和鼠標上蓋的形狀尺寸設計了一種多功能夾具，該夾具只設計了一種綜合性手指，通過設置其不同的開合度來完成鼠標電池、鼠標上蓋和鼠標整體的夾持和裝配。在設計之前應該考慮以下方面：①鼠標電池外表比較光滑，在設計夾具手指時應適當增強夾持面的粗糙度，并添加傳感器感應電池以便順利完成夾持作業；②夾具承載變形要求，所設計的夾具承載不低于2 kg，并且具備一定的剛度，在夾持鼠標電池、鼠標上蓋和鼠標整體時，最大變形量≤1 mm；③夾持鼠標上蓋時，考慮到上蓋比較薄，在增強夾持面的粗糙度、添加傳感器的基礎上要注意夾持力度不應過大，滿足夾持裝配所需就可以；④所設計的手指應具備一定的開合度，且開合度滿足對鼠標電池、鼠標上蓋和鼠標整體的夾持、裝配。

綜合考慮以上要求和鼠標電池、鼠標上蓋的形狀尺寸，為盡可能讓所設計的末端夾具結構簡單、緊湊，減輕手臂載荷，所設計的機器人2 的多功能末端夾具采用一指多用，通過兩個手指開合度的不同完成對鼠標上蓋、鼠標電池和鼠標整體的夾持、裝配。

4 機器人2 的末端夾具設計

機器人2 末端夾具作用對象是鼠標上蓋、鼠標整體和鼠標電池，根據鼠標電池以及鼠標上蓋的形狀尺寸設計了一種多功能夾具。機器人2末端夾具的設計主要包含夾具底座、夾具手指兩部分：手指可以設置不同的開合度來完成對鼠標電池、鼠標上蓋和鼠標整體的夾持、裝配。底座設計需考慮兩個手指和夾持對象的負載力，保證在夾持對象時可以完成一定角度的旋轉，保障裝配作業順利進行（圖4）。

圖4 夾具2 底座

根據夾具2 手指不同夾持對象的形狀特征，設置不同的手指特征（圖5）：①對于鼠標電池的夾持裝配，設置手指的開合度至少為12 mm，夾持深度為3 mm，夾持力度適中且夾持面具有一定的粗糙度并添加傳感器；②對于鼠標上蓋的夾持裝配，設置手指的開合度至少為50 mm，夾持深度為3 mm，夾持力度不應過大，同時增強夾持面的粗糙度并添加傳感器；③對于鼠標整體的夾持放置，設置手指的開合度至少為50 mm，夾持深度為4 mm，夾持力度適中。

圖5 夾具2 手指

5 結束語

工業機器人廣泛應用在現代制造行業領域中，在RobotStudio 中離線/在線編程、模擬仿真，對輔助工作人員進行機器人工作站布局構建、模擬仿真示教、工作姿態設計優化具有重要作用。在RobotStudio 中對末端夾爪進行改進優化，以此獲得更高的裝配效率。