第 卷 第 期 2012年12文章编号：
大 学 学 报 大 连 交 通
JOURNAL OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY
Vol.1 No.12 Feb. 2012
工业机器人的末端执行器
结构分析综述
姜楚峰,潘传奇,马野,王磊,张芝虎
（大连交通大学 机械工程学院，辽宁大连116028）
摘 要：工业机器人的末端执行器(夹持器机构)是机器人操作机与工件、工具等直接接触并进行作业的装置，是机器人的关键部件之一.末端执行器是直接执行工作的装置，它对扩大机器人的作业功能、应用范围和提高工作效率都有很大的影响，因此对机器人的各种末端执行器结构分析研究有着非常重要的意义.抓取不同特征的物件需要有着不同类型的结构和驱动源..本文就末端执行器的常用结构，根据不同类型的结构特性分类来进行分析各种夹持机构的特点和适用范围.
关键词：末端执行器，夹持器，结构分析，结构特性分类 中图分类号： 文献标识码：A
Review of End-effectors Structure of industrial robot Analysis
Jiang Chu feng，Pan Chuan-qi，Ma Ye，Wang Lei，Zhang Zhi-hu
(College of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)
Abstract: End-effector (the clamping device) of the industrial robot is the robot manipulator is in direct contact with the workpiece, the tool and operating the apparatus, is one of the key components of the robot. End-effector is a direct implementation of the device, it expand miracle job functions, application range and improve work efficiency has a significant impact, and a variety of robot end effector structure analysis of the research has a very important significance. Crawling different characteristics of the object need to have different types of structures and the driving source. In this paper, the common structure of End-effector according to the classification of different types of structure characteristics to carry out analysis of various characteristics of the clamping mechanism and scope.
Key words: End-effector; griper; structure analysis; structure characteristics classification
0引言
“机器人的末端执行器是一个安装在移动设备或者机器人手臂上,使其能够拿起一个对象,并且具有处理、传输、夹持、放置和释放对象到一个准确的离散位置等功能的机构。”的一个定义。
工业机器人的抓取作业方式是工业生产中的一个重要应用.工业机器人是一种通用性较强的自
收稿日期：2012-12-6
[1]
动化作业设备，末端执行器则是直接执行作业任务的装置，大多数末端执行器的结构和尺寸都是根据其不同的作业任务要求来设计的，从而形成了多种多样的结构形式。通常，根据其用途和结构的不同可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用的工具（如焊枪、喷嘴、电磨头等）三类。 [2] 它安装在操作机手腕（如果配置有手腕的话）或手臂的机械接口上。多数情况下末端执行器是为特定的用途而专门设计的，但也可以设计成一种适用性较大
这是末端执行器
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的多用途末端执行器，为了方便的更换末端执行器可设计一分钟末端执行器的接换器来形成操作机上的机械接口。较简单的可用法兰盘可作为机械接口处的转换器，为了实现快速和自动更换末端执行器，可以采用电磁吸盘或者气动缩紧的接换器。
总之,末端执行器机构的种类较多,但是其中有些在技术上尚不成熟。因此,如何在现有的末端执行器机构的性能并从国情出发,研制出能满足各种作业要求,实用可靠,结构简单,造价低廉的末端执行器是我们的主要任务。
2.1 机电结合型末端执行器[4]
如前所述，要扩大机器人应用领域, 要提高机器人效率, 要解决机器人的通用性与专用性矛盾,首先要加强新型夹持器机构的研究，并且把常见结构的要素和优点结合起来，开发出实用和经济的末端执行器。
下面介绍一种爪型的机、电、传感器结合的新
型夹持器。该机构的结构如图1所示。它是由锥形螺杆2、爪指9及爪指滑动导槽10三者组成一螺旋机构。其工作原理是: 当电机驱动锥形螺杆顺时针转动时, 与之旋合的爪指沿其导槽所在的半径方向 向内移动, 夹紧工件, 直至工件上承受的夹紧力达 到设计值时, 指端的压觉和滑觉传感器发出信号, 控制系统控制电机停转; 释放工件时, 由控制系统 发出信号, 使电机带动锥形螺杆反转即可。上述为 抓取实心工件的动作。
该机构还可作为内撑式夹持机构, 如抓取管材时, 爪指的抓放动作与之相反。若用于拧紧螺母时, 首先用该机构将螺母套在螺栓上, 后驱动锥形螺杆顺时针转动, 由于螺母已被夹紧, 故爪指不再向内滑动, 螺母、爪指及壳体连成一体旋转, 拧紧螺母, 直至满足螺栓预紧力的要求, 由指端传感器发出信号, 控制系统迫使电机停转。
.在该机构壳体的圆周方向上除相隔120°布置三个爪指导槽外, 另在与其中一爪指导槽相隔180度处开有另一个爪指导槽, 其目的是根据需要该机构可由三爪转换成二爪使用。另外在指端还可快速
2
1 末端执行器的设计要求及分类[2]
1.1 设计要求
(1)不论是夹持或吸附,末端执行器需要有满足作业需要的足够的夹持(吸附)力和所需的夹持位置精度。
(2)应尽可能使末端执行器结构简单和紧凑，质量轻，以减轻手臂负荷。专用的末端执行器结构简单，工作效率高，而能够完成各种作业的“万能”末端执行器可能带来结构复杂，费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器.。下面是末端执行器的要素-特征-参数的联系的示意图：[3]
1.2 结构分类
工业机器人中应用的机械式夹持器多为双指头爪式，按其手指的运动可以分为平移型和回转型。按照夹持方式来分可以分为外夹式和内撑式.本文是按照结构特性来进行分类的，可分为电动（电磁）式、液压式和气动式，以及他们的组合。下面的内容将对常见的结构进行详细地分析。 [2]
2 常见末端执行器的结构原理分析
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更换不同型式的手爪, 以适应不同形状和尺寸的工件要求。
锥形螺杆2是夹持器的关键零件, 其锥角的选取与夹持器所能夹持的工件最大重量和最大尺寸有关。锥角设计得越小, 夹持器所能产生的夹紧力与夹持工件的尺寸范围越大, 但锥角过小会影响爪指沿径向运行的夹持速度, 所以锥角不能设计得太小, 最好取在20°～30°范围内( 推导从略) 。该爪型夹持器的锥角为30°, 所能夹持的工件最大重量为25kg, 工件最大尺寸: 柱类为??150mm,管类内径为??200mm。
该机构为可换爪指的平移式夹持器机构, 即根据抓取工件的轮廓外形, 可选换该机构的爪指数目, 或用三指, 或换成二指。在抓取工件时, 爪指同时在半径方向做伸缩运动, 确保夹持中心线不变。其主要特点是:
(1) 保证工件准确定心、定位, 定位误差为零。即工件定位精度不受工件直径的变化影响。
(2) 有足够的开闭距离, 便于抓取和退出物 体。
(3) 具有足够的夹紧力。因为该机构具有自锁性, 所以在驱动力突然去掉的情况下以及受振动和由于工件本身的重量及移动过程中产生的惯性力时, 决不会自行松开而脱落, 夹紧可靠。
(4) 通过力反馈装置控制电机运转以实现对 夹紧力的控制, 从而使夹紧力的大小适宜。
(5) 在保证本身刚度、强度的前提下, 结构紧 凑重量轻, 以利于减轻臂部的负载。
(6) 可适应被抓取对象的多种要求, 并具有一定的通用性。如为了适应不同形状和尺寸的工件 要求, 可更换不同的爪指部件: V型钳口、圆弧形二指或三指等, 从而扩大了该机构的使用范围。
该机构的主要功能为:
(1) 能够夹持各种形状的实体工件如方形、柱形、球形、多边形等, 对工件轮廓和形状的适应性较强。
(2) 可作为内撑式夹持机构夹持各种管状类零件。
(3) 可拧紧螺母, 并能控制螺栓的预紧力。
类似的还有下面的一个半导体处理机器人的手臂,它的手臂上安装了一个集成的具有定向组件和检测组件的边缘夹持器该定向组件的操作以旋转为基准在检测组件上进行标记.检测组件检测标
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记的位置并且把到处的信息集成在边缘夹持器的相对方向上.其结构图如下: [5]
2.2 液压式末端执行器 (1). 液压夹持器的分类和特点
1) 常闭式夹持器：依靠弹簧的预紧力夹紧钻具，液压松开。在不工作时，处于夹紧钻具状态。常用在钻进大角度倾斜孔的钻机上。其基本结构为一组经过预压缩的弹簧作用在斜面或杠杆等增力机构上，使卡瓦座产生轴向移动，带动卡瓦径向移动，夹紧钻具；高压油进入卡瓦座与外壳形成的液压缸，进一步压缩弹簧，使卡瓦座和卡瓦产生反向运动，松开钻具。此类夹持器结构紧凑，工作可靠。夹持力大小取决于弹簧预紧力，不受油压变化的影响，而且可在突然停电时实现快速、可靠地夹紧钻具，防止跑钻事故。本文设计的夹持器即属于此种类型。
例如：一组经过预压缩的弹簧作用在斜面(如图1-1 卡瓦座) 或杠杆等增力机构上, 使卡瓦座产生轴向移动, 带动卡瓦径向移动, 夹紧钻具; 高压油进入卡瓦座与外壳形成的油缸, 进一步压缩弹簧, 使卡瓦座和卡瓦产生反向运动, 松开钻具。
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1 —外壳; 2 —卡瓦座; 3 —卡瓦; 4 —碟形弹簧; 5 —主轴
图1-1 斜面增力常闭式夹持器
此类夹持器结构紧凑、工作可靠、夹持力取决于弹簧预紧力不受油压变化的影响。可在突然停电时实现快速、可靠地夹紧钻具, 防止跑钻事故。
2) 常开式夹持器：一般采用液压夹紧、弹簧松开的方式，在不工作时处于松开状态。这种夹持器的结构与常闭式夹持器相似，不同的是弹簧和液压缸使卡瓦产生的运动方向与常闭式相反。夹持器靠液压缸的推力产生夹持力，油压的下降将直接引起夹持力的下降，一般需在油路上设置性能可靠的液压锁来保持油压[6]。
3) 液压松紧型夹持器：夹紧、松开都由液压实现，两侧液压缸进油口分别通高压油时，卡瓦跟随活塞运动向中心收拢，夹紧钻具，改变高压油入口，卡瓦则背离中心，松开钻具[7]。此类夹持器结构较为简单，但夹紧力容易受油压变化影响，当出现断电等异常情况时存在一定的安全隐患。
4) 复合式液压夹持器：有主液压缸和副液压缸，副液压缸侧连接一组碟簧，当高压油进入主液压缸，推动主液压缸缸体移动，通过顶柱将力传给副液压缸侧的卡瓦座，碟簧被进一步压缩，卡瓦座移动；同时，主液压缸侧卡瓦座在弹簧力作用下移动，松开钻具。需要夹紧时，副液压缸在油路上与动力头反转相连，当钻机反转拧卸钻具时，高压油进入副液压缸，副液压缸活塞对卡瓦座产生推力，与压缩的碟簧共同作用夹紧钻具[6]。复合式液压夹持器开口量大、开启压力低、体积小、性能可靠，可以实现突然断电时钻具夹紧，但其结构设计比较复杂，重量非对称布置，在某些特定的使用场合可能引起一定的偏载。
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(2) 新型液压夹持器的设计
1) 主要结构及工作原理
本文设计的碟簧液压夹持器属于常闭型，其内部结构如图2-1所示，采用上、下、左、右4个夹头，但只有上、下夹头的卡瓦内侧圆弧面与钻杆表面为30接触(非整段圆弧全接触)。左、右夹头的夹头端与上、下夹头通过9力放大斜面接触，另一端通过内螺纹分别与左、右液压缸的活塞杆连接。左、右夹头两侧均有液压缸和碟簧对称布置，因碟簧安装好后已有一定的压缩变形产生预紧力，故图2-1中只标出其安装位置。在碟簧弹力的作用下，左、右夹头向中间靠拢，通过9力放大斜面传递压
力给上、下夹头，使上、下夹头也向中间靠拢，夹
1.液压缸壳体2．螺母3．缸头4．活塞杆5．左侧碟簧安装位置6．拉杆7．左夹头 8．上夹头9．钻杆 10．下夹头 11．右夹头 12．右侧碟簧安装位置
图2-1 夹持器内部结构
紧钻杆。需要松开钻杆时，左、右液压缸有杆腔同时进油，在液压力的作用下推动活塞向无杆腔运动，左、右活塞分别带动与之相连的左、右夹头向两侧运动，左、右夹头与上、下夹头的斜面接触部分减少，上、下夹头松开钻杆。两侧液压缸端盖的法兰通过拉杆和螺母拉紧。夹头和碟簧部分的外部有固定夹头套(见图2-2夹持器外部结构)，使之与外界隔开，不仅可以起到防尘、储油的作用，而且可以对主液压缸进行限位，防止压平碟簧，确保安全。调节螺栓上的螺母，可调节碟簧预紧力的大小，并可对卡瓦和钻杆的磨损进行补偿。
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图2-2 夹持器外部结构
2) 设计计算 a. 夹持能力计算
工作要求：钻杆最大钻人深度l=80 m，转矩= 1500 N·m，钻杆直径d=50 mm，钻杆单位长度质量q=6.56 kg／m。文中设计夹持器用于拆卸钻杆时夹紧作用，正常钻进时夹持器不工作，因此夹持器只承受进人岩层部分钻杆的重量，与动力部分连接的最后端一截钻杆及钻头重量由夹紧卡盘和机架承受。钻垂直孔，拆卸钻杆时，所需夹持器的夹紧力为最大，设计计算按极限情况考虑，此时夹持器
要克服两个方向的力[7]。 克服钻杆自重: [7] 夹持所需最大摩擦力
f1=G=qlg=6.56×80×10=5248 N (1) 式中：．
f1---竖直方向最大摩擦力，N； G---钻杆自重，N；
q---钻杆单位长度质量，kg／m； l——钻杆总长度，m。 克服卸钻杆时的转矩:
正常工作时转矩M =1500 N·m，卸钻杆时转矩M2 =1.2M1 =l800 N·m。
因为
f2×d/2=M2，得卸钻杆时所需最大摩擦力 f2=2 M2/d=72000N (2) 总的摩擦力合力
f=√（f12+f22）=72191N (3)
取摩擦系数μ=0.4，满足要求的夹紧正压力 FN=f/μ=180478 N (4)
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上、下夹头与钻杆为30。接触，有4个接触点，钻杆受力分析如图3所示。故夹头与钻杆4个接触点处反作用力
图3 钻杆受力分析
F1=F2=F3=F4=1/4 FN=45119.5N (5) 以上夹头为研究对象，受力分析见图4。建立竖直方向的力平衡方程：
图4 上夹头受力分析 FH+2Ffsin 9=2FN1COS 9(6)
式中： FN一夹紧力的反作用力在竖直方向的合力，
FH=2F1sin 30=F1=45119.5 N； 上夹头与左、右夹头接触面的摩擦力， Ff=μFN1 ,因采用T10材料，摩擦系数μ=0.15； FN1--- 9力放大斜面间的正压力。 由式(6)可得：
FN1=23445 N，摩擦力Ff=3516.75 N。 以右夹头为研究对象，受力分析如图5所示。
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