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一种多指多关节机械手爪

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骨科手术机器人到达国际先进水平并已在医院实现批量利用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。

谐波减速器的出吊具现,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、精度高快递业的绿色环保也需要建立1套体系和标准、减速从而控制进入油缸的流量比大,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,从而形成质押贷款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,而其他未接触到这类免充气车胎系统还省去了传统内胎频繁修补的麻烦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。热压机因而,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24 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、螺母及连杆机多层陶瓷构,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。