三指形旋转手爪的设计与实现

吴天强 徐 兵

（台州科技职业学院，浙江 台州318020）

0 引言

机器人末端执行器（手爪）是针对特定任务、特定被夹零件而设计的，手爪的通用性是装配机器人柔性的重要体现［1］。常用的二指或三指型手爪，依照抓手手指的运动方式分类，有平动和张角旋转两种。平动方式的二指手爪，手指运动范围较小；张角旋转方式的手爪，手爪指尖在运动过程中不能保持在同一高度，夹持细小物体时，对手爪运动控制要求高。

三爪自动定心卡盘采用圆锥齿轮副和平面螺纹副来实现增力夹紧，机床切削加工一般都是通过三爪、四爪卡盘夹持工件，其动作也都半依靠手动来实现，不但费时，且十分费力［2］。

本文设计的三指形旋转手爪，与张角旋转方式手爪或三爪自动定心卡盘相比较，降低了运动控制要求，提高了夹持动作的灵活性，可以抓取放置在平面上或套在定位杆中的物体，对于规则几何形状的物体具有自定心作用。例如，能夹取多种型号的螺母，完成螺母预装配等任务，适用于物体的抓取与搬运。

1 手爪结构设计

图1是三指形旋转手爪结构图［3］。手爪轴心是圆管2，细杆类等障碍物可以从圆管2中穿过。例如，将螺母旋进一根细长的螺丝，螺丝可以从空心管穿出。圆管2上开有槽孔，滑环1的电源线通过槽孔，与电机12连接。圆管2上装有轴承3、大摩擦轮4及圆柱环8。上支撑板6与下支撑板10分别由4颗沿圆周均匀分布的沉头螺钉7固定在圆柱环8上。电机12由3颗内六角圆柱头螺钉5及共用沉头螺钉7固定在上支撑板6上。

图1 三指形旋转手爪结构图

电机12为手爪手指夹紧与松开的动力源，该电机采用蜗轮蜗杆减速直流电机，利用蜗轮蜗杆的自锁特点及同步带的张力，使手爪具有断电夹持功能。同步带9带动3个沿圆周对称分布的同步轮17旋转，通过旋转臂16，使指尖15运动保持一致，3个指尖始终在同一平面，同步张开或收拢，实现手爪指尖同步自转。

电机21使用行星减速直流电机，直接驱动小摩擦轮19，带动大摩擦轮4，使三指形手爪整体旋转，实现3个手指绕轴公转。滑环1通过电刷与电源相连，为电机12供电。电刷结构使三指形手爪整体旋转圈数不受电源连线限制。摩擦轮用于限定传动力矩的上限，当发生旋转卡死时，不使电机21堵转发热而损坏。

手爪固定板11是手爪整体与其他机械装置相连接的固定部件。

2 力学特性分析

图2是手爪抓取圆形物体时指尖受力平面投影后的示意图。

图2 手爪夹持圆形物体受力示意图

图中设手爪与被抓物均为刚体，并将受力投影到同一水平面。A、B、C三点为指尖自转轴心，AD、BE、CF是旋转臂的长度，D、E、F为手爪指端与被抓物的夹持点，设各点的弹力分别为N1、N2与N3，AG为N1的力臂。夹紧电机输出扭矩为M，被抓物重力为G。设为理想状态，由对称性，每个旋转手指分配的扭矩为M／3，夹持点弹力N1＝N2＝N3，以A点为瞬心得：

式中，f为抓手手指与被抓物之间的静摩擦力；μ为最大静摩擦因数。

满足式（4）时，手爪可以竖直夹持并提起被抓物体。

由以上分析可知，旋转手爪有以下3个特点：（1）夹紧电机输出扭矩保持一定时，力臂越小，可夹持提升物的重量越大；（2）手指AD张开与AO在同一直线时，力臂为0，抓手处于自锁状态；（3）爪手指尖收回到原点时，手指与被抓物之间的弹力取最小值，此时，被提升物重量最小。

3 试制结果

图3是三指形旋转手爪实物原型照片，同步轮型号为XL10，同步带为XL80齿。3个手指自转轴之间的轴心距为AB＝BC＝CA＝50.77mm；旋转臂长AD＝CF＝BE＝30mm；指尖长30mm；手爪最大张角位置时，指尖所在圆的直径120mm。

原型手爪可以顺利抓取平面放置的6310深沟球轴承、M20平垫圈、M16六角螺母等大小、厚薄各不相同的物体，藉由手指的绕轴公转功能，完成螺母初装配等任务。将手爪指端加以修正，使其收拢时完全闭合，可以抓取细线等细小物体。

图3 手爪实物原型照片

［1］汪新中.平面关节型装配机器人拧螺钉手爪的研究［J］.机电工程，2008（6）：18～20

［2］卢学玉，常德功.分体式三爪卡盘的设计［J］.机械设计与制造，2005（1）：29～30

［3］吴天强，徐兵，刘二强.三爪旋转抓手：中国，201320343354.7［P］.2013－11－20