工业机器人手部创新设计研究范文

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[摘要]本文介绍了一种应对板类材料的工业机器人手部创新设计。针对在工业生产中机器人手抓取板类材料这一难题，我们提出了将运用真空吸附技术运用到智能机器人手部的设计中的方法。另外，运用三维建模软件设计了手掌关节旋转处的真空管道这一结构。

[关键词]智能机器人；真空吸附；三维建模

随着社会的逐步发展，科学技术的飞快进步，机器人技术发展速度也越来越快，我们对于机器人的要求也越来越高，特别是工业机器人和特殊机器人越来越受欢迎，可见，以后的工厂生产中更多的是机器人代替人类加工。平常工厂生产中，机器人对于平板（薄片）类的工程材料抓取不怎么方便，这也恰恰是人类的手不方便完成甚至无法完成的，但是在生产中，这类材料是很多的，比如眼镜镜片、各类芯片、玻璃等等工件的加工生产中，因此对现有机器人手进行吸附功能的设计来解决此类问题就有实际的应用价值和良好的发展前景了。

1国内外发展现状

20世纪80年代后期，国内一些机器人研究机构和部分高校对于机器人手的研究就已经相继展开，如哈尔滨工业大学、北京航空航天大学，国防科技大学、北京理工大学、北京科技大学等都在此方面做了大量研究。而国外在20世纪70年代就开始研究，日本，德国，意大利，美国等都做了大量研究，可以说国内外对于灵巧手的研究已经趋于成熟[1]。国内外机器器人吸附技术的应用主要在壁面移动方面，而对于将吸附方式应用到灵巧手上进行普通灵巧手难以抓取一些平板材料问题还涉及很少，在国内主要是一些大型机械手在一些包装工程等方面的应用。机器人的发展将会是衡量一个国家科技水平的一个重要标准之一，而机器人的发展在于机器人的实用价值，那么机器人手抓取各种人类不方便抓取材料的能力也是其研究的一个方面，将会得到研究人员的关注。

2整体灵巧手设计

图2工作情况示意图灵巧手设计及手掌中的吸盘设计至关重要的，其主要要求如下：在面对不同的板类材料都需要能够自适应，手腕可以90°旋转，吸盘能够紧贴材料，保证能够密闭产生真空，进而产生吸附力，手部结构设计如图1所示。在吸附起来后，灵巧手弯曲，能够抓住板状材料，进而提起，如图2所示。

3吸附力的大小计算分析

真空吸盘接触板类材料，贴紧后抽取里面的气体。由于周围压力（大气压）高于真空吸盘和板类材料表面的压力，故真空吸盘吸附于物料表面。真空吸盘与真空泵相连，压力愈低（真空度越高），真空吸盘的吸附力愈大[2]。吸附力大小可用以下公式计算：上式中，F：理论吸附力大小，单位：kgf（公斤力）；P绝对压力：为真空泵的绝对真空度，单位取：KPa（千帕）；S吸盘面积：为吸盘有效面积，单位取：cm2（平方厘米）。通过现有真空泵，真空吸盘可以达到10kPa的真空度，那么它与大气压的压差为101-10=91kPa。此时真空吸盘的有效面积假设为10cm2（机器人手掌大小），那么这时候的吸附力为91×10×0.01，也就是说这个真空吸盘理论上能达到9.1kgf左右的吸附力，可以提起9.8kg的物体，对于一般的机器手而言这是足够的。

4关节处真空管道设计

由于需要的吸附力较大，微型电机的功率不够，必须需要较大功率的电机，大功率电机的体积往往也是比较大的，而手掌处的空间不足以直接装备电机。我们考虑将在手腕关节以上的手臂或者其它位置装备电机，在手掌处装备吸附盘，中间通过管道或通道传递真空吸力。设计这个真空传递管道，必然会通过关节处，关节又是必定能旋转或者弯曲的，也就是说需要手腕既可以旋转90°，也要保证真空管道的封闭性以及抗压性。要在关节处能弯曲，这需要软管道，但是抽真空要求管道的硬度和抗压强度都比较高，因此要设计出既可以弯曲也能够保证能够承受真空状态压力的气体通道，或者是通过其他机构解决这一问题。真空管道关节的设计既要考虑内部真空时的抗吸能力，又要考虑能弯曲。几个真空管道关节的设计想法是：类比于吸管，虽然吸管内部工作时并不是真空，但也在一定程度上达到了既可以抗压力又可以弯曲的目的，有一定的借鉴价值。但通过实验我们知道，此方法对于材料的性能要求极高，并且能够承受的压力较小，安全系数不高，因此不可取。由于外部手腕关节的大小大于管道，也可以直接设置成硬管弯曲状态，外部也可以进行弯曲，伸直，而不影响内部的弯曲状态。此方法需求机器人手关节处的空间很大，所以此方法对于大型机械手是适用的，但在小型机器人手腕处的真空管道关节设计是存在局限性的。基于上诉想法的实验，我们发现真空关节的设计既要考虑内部真空时的抗吸能力，又要考虑能弯曲，这是一个矛盾。国内外均还没有此成果出现，因此我们尝试避开这一矛盾，在关节处设计了这样一个结构解决了这一真空管道问题，见图3、图4。如图4所示，手腕关节处由两个零件组成，零件2是手掌上的固定零件，固定不动；零件1是连接手臂的，可做90°旋转。如图5所示，为了保证可旋转装配面是间隙配合的，配合间隙不宜过大，能够容纳润滑油即可。当手腕处不需弯曲时，零件2的连接口1与零件2的连接电机通道相连；当手腕处转过90°时，零件2的连接口2与零件2的连接电机通道相连，两个工作位置均保持连接吸附盘通道与连接电机通道相联通，让手腕以上的电机与手掌上的吸附盘相连，实现吸附功能。另外，在两个工作位置时，吸附力是由连接电机通道传出，到连接口1或连接口2，由气体流动力学知识可以知道，零件2将会受到吸附力，配合间隙中的润滑油被压缩，连接处的间隙变小，使得配合得更加紧密，形成封闭的空间管道，保证了密封性。

5结语

随着人工智能的逐渐普及，企业生产自动化、智能化地不断推进，智能机器人应用得越来越多。通过一个生活中的实际需求工程问题——智能机器人抓取板类材料，我们提出了一种智能机器人手部的创新设计想法。面对板类材料难抓取的问题，我们将真空吸附技术运用到机器人手部设计中，巧妙地解决了这一问题。另外，我们对国内外发展现状做了一个简单的介绍和手掌关节旋转处真空管道的三维建模等相关内容，希望能够为智能机器人抓取板类材料这一方向的后来者提供了一些借鉴与参考。

【参考文献】

[1]罗建国,何茂艳,薛钟霄,等.灵巧手研究现状及挑战[J].机械设计,2009,26(10):4-8+22.

[2]张利平,Horg.真空吸附技术[J].轻工机械,1998(4):41-43.

作者：吴浪 姚辉学 董鑫 单位：江苏大学机械工程学院