工业机器人执行机构多为形状简单的夹钳式、托持式、吸附式等结构,其结构和抓握目标物的原理决定了其有限的抓握功能。随着机器人应用范围的日益扩大和向智能化、拟人化方向的发展,其手部也有多指多关节的拟人化要求;另外,工伤、事故中断手的残疾人也需要功能价格比高的假手。
本文讨论了一种经济实用的五指多关节机械手爪的结构设计。
1 总体设计思想
电动机器人的数量日增,有逐渐取代气动和液压机器人的趋势;残疾人所用假手都希望用电操纵,因而用直流电动机作为机械手爪的动力,并应用机电一体化思想,充分发挥机电优势互补,通过谐波减速器及灵巧机构的组合,使机器人手爪具有类似人手的功能,是机器人手爪的一种发展趋势。
2 电机与减速器的选择
无论机器人手爪还是残疾人的假手,都要求质量和体积小、性能可靠、容易控制。因此空心杯形转子和印刷电路转子等低惯量直流电机相继问世,但其价格昂贵,应用尚不广泛。
谐波减速器的出现,推动了机电一体化的发展。它由刚轮、柔轮和波发生器构成,质量和体积小、精度高、减速比大,应用广泛。
笔者选用24v/40w的普通直流电机和减速比为1:100的微型谐波减速器作为本设计的动力配置。
3 多指多关节的机械结构
最理想的机器人手爪或残疾人假手,是每个手指的各个关节都各有一台独立的电机驱动,并配有传感和控制系统,使手爪能完全模拟人手动作,但其结构复杂,价格十分昂贵。
笔者从提高功能价格比、简单实用的角度出发,设计用单动力源驱动手爪的五指多关节,其结构如图1所示。直流电机1经谐波减速器2减速后带动丝杠3旋转,使螺母4在导向杆12中上下移动,螺母4带动五根连杆5使五个手指的第一指节7转动,手指安装在弹性支座(手掌)6上,弹性支座6上另有五根固定拨杆8插入各手指的第二指节10上端的凹槽中,使第二指节在第一指节旋转时能同时绕第一、第二指节间的关节轴转动,而第一指节7下端装有固定拨杆9插入第三指节11上端的凹槽中,使第三指节同时随第一、第二指节的转动而绕第二、第三指节间的关节轴转动,从而形成三个指节联动抓握或放开目标物体。其抓握原理如图2a所示。
图1 五指十五关节手爪结构原理
1.直流电机 2.谐波减速器 3.丝杆 4.螺母 5.连杆
6.弹性支座 7.第一指节 8.拨杆 9.拨杆 10.第二指节
11.第三指节 12.导向杆
当抓取的目标物各边形状与手爪中心不对称时,每个手指各关节的弯曲程度可以不同,手爪对被抓物体的形状具有适应性。先接触物体的手指其指关节产生较大的抗力而不能弯曲,当螺母带动连杆5继续上移时,该手指的弹性支座6将向上翘起使手指不再弯曲,而其他未接触到物体的手指将继续弯曲,直到每一个手指都接触物体,如图2b所示。因而,同一电机驱动的五个手指能像人手一样适应目标物体的形状,进行可靠抓取。
图2
4 实验结果
笔者曾用24v／40w、转速为3500r／min的普通直流电动机,经1:100的谐波减速器及丝杠、螺母驱动的五指机械手爪进行抓握实验,可将质量为1500g的方形、球形及形状不规则的物体可靠地抓取。
5 结论
(1)一台几十瓦功率的普通直流电动机通过大减速比的谐波减速器、丝杆、螺母及连杆机构,可以同时驱动五个手指的十五个指节,使手爪具有可靠的抓握功能。
(2)采用弹性支座可以使同一电机驱动的五个手指的弯曲程度不同,实现自适应抓取。
(3)抓重与电机型号及谐波减速器的减速比相关,应根据应用对象选择适宜的型号,形成最佳匹配。
