一種具有單向輪指端的機械抓手*

劉明德 ， 倪 健 ， 蘇 蕓 ， 肖文兵

（江西機電職業技術學院，江西 南昌 330013）

0 前言

機械抓手是制造業中的關鍵產品，同時也是自動化中高度通用的組件[1]。中藥是我國的國粹，中藥有粉末及微小顆粒、籽實類、葉草類、塊莖切片類和昆蟲類等形態特征[2]，中藥飲片實行定量小包裝能保證用藥劑量的準確，解決藥屜沉灰的損失[3]，易于實現規范化和標準化，有利于穩定貯藏質量，還可改善工作環境等[4]。定量小包裝從20世紀90年代開始，到如今已得到廣泛應用。但小包裝形態特征多樣，以常用的機械手抓取難度較大，不利于實現自動化抓藥。隨著我國經濟的迅速發展，勞動力成本不斷提高，自動化趨勢已不可阻擋。小包裝中藥飲片的抓藥渴望實現自動化，但對應的機械抓手，市場上目前還沒有成熟的產品。當前的狀態是，國內有幾家公司正在研發相關的自動化設備，有采用連續袋裝結構形式的，也有采用負壓吸取的，但都還存在不少問題，主要表現為容易出現漏抓和多抓現象，效果并不理想。需要繼續完善，并沒有得到推廣。主要原因還是有許多技術難點不易解決，特別是對不規則且易變形的塑料袋等軟包裝物品的機械抓取，既要機構簡單，抓取可靠，自適應性強，還要保證成本不過高，便于陣列布置大量使用。

在專門用于非剛性物品抓取的機械抓手研發方面，文獻[5]介紹了抓取軟體塑料環的剛性機械手爪，針對塑料的環形結構物品進行抓取，創造性地用大錐度下模引導和定位，解決了用剛性機械手抓取容易使塑料環變形的難題，但這種結構不能用于抓取塑料袋包裝物品。文獻[6]采用了仿人手五指多關節的機械手形式，每根手指用拉線連接，應用于采摘果蔬等容易破損的物品，但也不適合用于抓取塑料袋包裝的物品。而其他常用的夾持式機械手基本只適合于形態固定、較為方正物品的抓取。文獻[7]公開的一項發明專利，是把單向輪安裝在指端的創新設計，通過彈簧的彈力夾緊物品，具有一定的自適應能力，可用于抓取用塑料袋包裝的軟包裝物品，將其應用到小包裝中藥飲片自動化抓取設備上具有一定的優勢。現對該機械抓手進行介紹，供大家共同研討和開發應用。

1 總體結構

本機械抓手采用了板型結構設計，整套機構夾在兩塊平行的板之間，便于實現陣列安裝。采用雙指形式夾取。指端夾持部位設置單向輪，輪外圓表面襯橡膠圈。手指的夾持力來源于彈簧的彈力，具有一定的自適應能力。手指的動作僅僅由一個氣缸來控制，可實現抓取和移送兩項功能。結構簡單，易于控制，極大地節約了自動控制電路的輸出端口使用數量，有利于節省設備成本。

機械抓手的總體結構組成如圖1所示，主要包含支架、氣缸、開指塊、手指座和手指等。其中，支架是其他零部件的連接基礎，也是與外部應用設備的連接件；氣缸缸筒一端與支架通過銷軸鉸接，缸桿一端與手指座螺紋連接，是本機械抓手的唯一驅動元件；開指塊固定在支架上，設計有位置調節余量，用于強迫兩手指張開，釋放被抓的物品；手指座與手指通過銷軸連接，兩手指繞銷軸形成夾角，通過夾角的大小變化實現張開和夾緊，手指跟隨手指座移動。以下對幾個主要部件進行詳細介紹。

圖1 機械抓手總體結構

1.1 支架

支架主要由兩塊形狀一致的平板構成，兩塊板平行對齊布置，兩塊板之間有等厚的隔塊支撐隔開，通過螺栓拉緊固定。兩塊板之間的距離保證氣缸和手指座能在兩板間運動。板上開有導槽，導槽由三段組成，參照圖1中AB、BC和CD，相鄰兩段之間有倒圓弧平滑過渡，兩段間的夾角∠ABC和∠BCD都必須大于90°，AB段和CD段的中心連線延長將通過氣缸缸筒端的軸孔中心，CD段垂直于水平面。

1.2 手指座

如圖2所示，手指座的結構外形類似于氣缸叉頭，但比叉頭多了一個用于貫穿導向軸的銷孔以及用于固定彈簧的限位孔。導向軸貫通于支架兩側板的導槽，可在導槽內滑動，用于限制手指座的移動軌跡。

1.3 手指

如圖2所示，每個抓手均由一對相向對稱安裝的手指組成，用于夾持物品。手指主要由指桿和指端單向輪組成。單向輪安裝時一定要注意方向，只能按圖中箭頭方向旋轉，即左側輪只可逆時針旋轉，右側輪只可順時針旋轉，反方向不能轉動，可用單向軸承或棘輪等來實現（圖2所示為單向軸承結構）。

圖2 手指結構

手指通過銷軸與手指座鉸接。彈簧為扭轉彈簧，其一端定位于手指座上，另一端定位于指桿上，用于產生兩指相向的夾緊力，實現夾緊物品的功能。

另外，在單向輪的外圈牢固粘貼有橡膠圈，用于增加黏附力和摩擦力（注：下文所述的單向輪都是指包含了單向輪和橡膠圈的一體結構）。

2 工作原理

本機械抓手主要是用于抓取用塑料袋包裝的軟包裝物品，以兩個單向輪之間的彈簧夾緊力實現夾持物品功能，通過移動手指座的位置實現移送物品目的。本抓手只使用了一個氣缸作為驅動元件，僅需要控制氣缸的伸出和縮回兩種狀態，控制極其簡單。下面以一個“抓取—移送—釋放”周期，分步驟說明其工作原理。機械抓手的各動作狀態位置如圖3所示。

圖3 機械抓手動作位置

2.1 抓取

2.1.1 抓取準備

當氣缸收縮到最短位置時，導向軸處于A位置。此時，手指在開指塊的擠壓下呈張開狀態。之前夾持的物品都已釋放，機械抓手處于空閑狀態。當氣缸筒端進氣時便逐漸伸長，導向軸從A位置到達B位置，開指塊與手指脫離接觸，手指在彈簧的彈力作用下合攏，使兩單向輪相互貼緊。此時的手指已經松弛。氣缸繼續伸長，在支架導槽的引導下，使導向軸從B位置移到C位置，單向輪處于待夾持物品的正上方（未接觸），此時的手指仍是松弛狀態，但已進入抓取準備狀態。

2.1.2 張開手指

氣缸從抓取準備狀態位置繼續伸長，手指的單向輪逐漸接近物品，當接觸到物品后，繼續下壓，物品受臺面的支撐，對單向輪產生反作用力，使得兩手指逐漸張開。單向輪受到的摩擦力方向正好可以使其轉動，由于滾動摩擦非常小，兩手指很容易張開。當導向軸到達D位置時，氣缸伸到最長，手指張開到最大，兩單向輪接近物品包裝袋的邊緣。

2.1.3 夾持物品

當氣缸伸到最長位置開始，控制氣缸從桿端進氣，缸桿收縮，此時，單向輪一直處于壓緊物品狀態。銷軸上移，兩手指在彈簧的作用力下朝著夾緊方向運動，這時物品對單向輪產生的摩擦力方向反向，單向輪不旋轉，輪外的橡膠圈的黏附力使塑料袋與輪面保持相對位置不滑動，塑料袋受兩側擠壓產生變形，被單向輪夾緊，直到銷軸上移到C位置。

2.2 移送

當銷軸到達C位置時，氣缸繼續收縮，在支架導槽引導下，銷軸從C位置到達B位置，手指的夾持狀態不變，物品隨著手指的移動而移動，在沒有增加其他驅動元件的情況下實現移送物品功能。

2.3 釋放

當銷軸到達B位置時，氣缸繼續收縮，在支架導槽引導下，銷軸從B位置向A位置移動。由于受到開指塊的阻擋，手指在開指塊的擠壓下，被迫張開。物品在自身重力作用下掉落，繼而移送到目的位置。從此，機械抓手已空閑，又可以開始進行下一次抓取準備，周而復始。

3 氣動原理

機械抓手只用了一只氣缸作為驅動元件，氣動原理圖如圖4所示。

圖4 氣動原理圖

當氣缸筒端氣孔進氣時，桿端氣孔排氣，缸桿伸出，擠壓物體后張開手指；當氣缸的桿端氣孔進氣、筒端氣孔排氣時，缸桿收縮，張開的手指向內收縮夾緊物品。而在氣缸收縮過程中，由于受支架導槽的引導，自動實現移送和釋放功能。

4 結語

本機械抓手將單向輪設置于抓手指端，主要用于塑料袋包裝物品的抓取，通過彈簧的彈力夾緊物品，具有一定的自適應能力，解決了不規則且易變形物品的抓取難題，也可抓取小方盒等規則物品。而且，結構簡單，占用空間小，制作難度低，只使用了一個氣缸作為驅動元件，實現了“抓取—移送—釋放”的完整動作周期，結構巧妙，既節約了設備成本又降低了控制難度[8-10]。該抓手單元有利于陣列布置大量使用。但是，本機械抓手只能對單一定位物品進行抓取，如果要應用到非定位物品的抓取，還需增加機械抓手的移動機構來實現，另外，目前還不能實現從一堆混亂狀態的袋裝物品中選擇性抓取，需要進一步完善。