操作机器人机械手爪的设计研究及应用

孔令超　赫彩

摘   要：随着人工智能的普及，工业上机器人大规模应用越来越广泛，机器人的使用场景也越来越多。在机器人的设计研究之中，机械手爪是一个重要的部件，文章主要介绍了一种典型的机械手爪的设计方案，该方案主要运用丝杠和电机组合进行运行的平动方法，其能够实现手爪所属的两个夹钳灵活进行关闭和打开。该设计方案优势十分明显，在工业生产中效率很高，而且不容易出现故障。整体结构非常巧妙灵活，在使用时方便、可靠，能够胜任大部分机器人的工作场景。

关键词：机器人设计;机械手爪;自动化;二指爪

在整个机器人的设计和生產中，机器人手爪是一个关键的部件。机器人的手爪相当于人手的作用，是用来执行握持工件或者产品的重要零件之一。不仅是能够主动感知工作信号的仪器和执行机械，还是一个具有高度集成的智能化和感知元器件的机械构件，这样一个构件的设计和研究涉及自动化控制、传感器设置、计算机程序、机械结构学、微电子学和工程材料等多个学科的知识和技术。

1    设计思路和整体解决方案

机器人手爪虽然是一个小部件，但在整个机器人的工作和运行中却起到非常关键的作用。机器人手爪设计的合理与否直接关系着机器人的工作和运行效率。而且机器人的手爪在设计上需要运用到许多个学科的知识和技术，这也给机器人手爪的设计和研究带来了很多困难。一个运转良好的机器人手爪的标志是能在工作中可靠抓取以及能否适应工业生产场景的需要，且操控简单、便捷，能抵抗外部环境的骚扰，可以实现对产品和物件的精准抓取。机器人手爪的运动模式有两种，分别是平动和张角两种，所以机器人二指手爪分为这两种，本文主要介绍和研究的是二指平动机械手爪。需要设计一种抓取精准，能够快速释放物件和产品的机械手爪来满足机器人的日常运转。

在整个机器人运转系统中，机器人手爪的抓取和释放等动作是整个运转系统的关键，需要设计出经过优化的方案来维持机器人的工作运转。在符合理论设计的基础上，还要依据具体的运用场景来进行改进和优化。在分析整个机器人的系统结构之后，设计这样的手部结构要注意以下因素：（1）要有适当的夹紧力，在保证精准抓取的同时又要确保物件不受到力量的冲击而损坏。（2）两个手指之间要有充足的移动空间，最少要确保两个手指之间张开时要有物件最大的直径这么大。（3）根据实际的需要有一定程度的强度和刚度。（4）能够灵活适应不同的尺寸大小，抓取物件有一定的灵活性，在工作中能够自动对心。（5）结构安排合理且紧凑，能节省空间。

经过机器人手爪的分析和实际中的运用，可以运用该设计流程进行完善的研究和设计：整体方案的提出，手爪设计思路，进行初步设计，进行校验分析，调整尺寸大小，最终得到符合实际需要尺寸的合理手爪。这样设计出来的手爪运用夹持的方式，整个手爪的二指经过双旋和丝杠进行完整的驱动运行，丝杠和轮轴的中心在整个平面之内。抓取物体的时候只需要在单个手肘上做平动，在手指钳和丝杠螺母及双导轨的综合作用下转动变为平动，最终实现两个手指的开关和闭合，这样就完成了一个抓取物品的完整过程。

2    机器人手爪的参数和结构设计分析

设计的机器人手爪有一个灵活的平动自由度，能够抓取的产品可以是小件的、规则的、圆柱形的产品或者物件，比如玻璃瓶和注射器等。根据实际工作中机器人要实现的功能和生产场景，计算得出整个机械手爪的抓取直径范围大约是10～25 mm。机械手爪在实际工作中的抓取范围是手指的长度，这就是机器人工作能够控制的空间大小。如果手指过长也会带来强度的减弱和损失。在抓取的长度为70 mm时，整个物品的总质量为2.225 kg。

这样设计的机器人工作的空间是一个二维的平面，而不是三维立体空间。因此不管产品摆放在哪个位置，机械手爪抓取的产品都应该准确无误地抓取到这个平面范围内。机械手指在抓取物品的时候，需要将钳口设计为12°，在抓取产品的过程中会形成一个大概的曲线和轨迹。

3    结构模型设计和运动流程轨迹分析

在机械手结构设计的过程中可以形成基本的结构模型图，电动动力由齿轮传递产生，齿轮通过键连带动做旋转运动，丝杠和夹钳上的螺母进行精准配合，共同传递动力。机械手爪在完整抓取整个产品的过程中就像人的手一样两指在固定的范围内进行配合抓取，一张一合，实现抓取过程的完成，还可以配合其他过程完成整个抓取流程。机械手爪的工作流程图是物品达到目标工作地点，检测物品的直径范围，传递到机械手，机械手两指展开适合的范围，机械手前进和闭合，机械手后退回到原位。这样就完成了一个产品的抓取和释放过程，完成了整个工作和作业流程。如果没有完成则进行重复抓取，实现生产线的自动化。

4    结语

综合上文对机械手爪结构设计和工作过程的研究和分析，可以设计出符合工作要求的机械手爪，其具备的特点包括结构简单完整、抓取物品可靠以及手指的钳口较灵活，还可以增加抓取的整个适应能力，让被作业的不同直径和大小的物品能够实现自动对心，稳定、可靠地抓取产品，抓取过程精准和简洁。这些都是这种机械手爪设计研究中最突出的优势，能够很好地满足工业化的实际需求。在设计中，丝杠传动还有自动上锁的作用，受到驱动力的打击或者震动时可以有效防止松开和脱落，让整个结构变得可靠和紧实。结构简单但很紧凑，整体质量很轻，能够有效减小和机器直接摩擦产生的动力和负载。整体工作效率良好，两个导轨和直线上的轴承能够保证工作中抓取产品的精准度，还可以提高传动效率。这种设计不仅理论上可行，在实际的工作中也具有良好的效果。

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