自適應機械抓手的設計與研究＊

張宇浩 莊澤正 袁建斌 趙宇昂

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

0.引言

機器人技術的迅猛發展使得機器人在生產、生活各領域中的應用越來越廣泛，許多行業的產業結構正向以機器人為主要生產力的流水生產線過渡。生產方式的轉型趨勢，對機器人的末端執行器[1]的性能和形式提出了更高的要求。

本文研究設計了一款基于欠驅動的自適應機械抓手，所謂欠驅動即在機械系統或機構中，原動件的個數少于機構的自由度。這種機構的機械抓手相比較于全驅動機構的機械抓手，有以下優點：（1）欠驅動機械手的控制邏輯簡單，故障率小得多；（2）欠驅動機械抓手在滿足作業及手的靈活度的同時，原動件少，能夠顯著地降低重量及成本；（3）欠驅動機械抓手的自適應性和包絡性要更出色，這一點得益與其巧妙的機構設計。

國外對欠驅動手爪的研究起步較早，Hirose等[2]于1978年提出了2指10指節欠驅動機械手Soft Gripper，采用腱繩傳動的方式，通過收緊和放松驅動絲使手指彎曲和伸展，該機械手的出現證明了欠驅動手爪的可行性。Gosselin等[3]于2008年提出一種5指欠驅動手，每個手指3個關節，在造型上實現了仿人手指的設計，并對不規則物體穩定抓取。在國內，華中科技大學研制過一個自然抓握機械手，命名為X/hand，為了實現拇指與其他手指在自然抓握時的良好協作，提出了一種確定拇指和其余4指的運動學的方法，具有里程碑式的意義。

本文基于以上介紹到的背景和概念而設計出的基于連桿欠驅動方式的機械抓手，其由3指構成，每指由單電機驅動，手指能根據抓握不同大小及形狀的物體進行變換位置，使其具有良好的自適應性，實現穩定抓握。

1.單根手指機構設計

欠驅動自適應機械抓手由3段指節組成，分別是遠指節1、中指節2和近指節3（如圖1所示），總共具有3個自由度，3個指節之間通過銷軸連接，手指的近指節通過一根推桿4與傳動系統連接。另外，圖中連桿1（件5）連接著遠指節與近指節，連桿2（件6）連接著中指節與基架（圖中灰色零件）。

圖1 單根手指結構圖

抓握動作的運動過程為：當推桿前后運動時，會帶動近指節繞軸旋轉，并帶動中指節旋轉；中指節與遠指節之間組成另一連桿機構，此機構可以使遠指節在中指節彎曲時跟隨其運動。因此，當推桿向前的平動時（即靠近近指節的運動），遠指節則會相應向外轉動，在手指張開將所抓物體包絡住后收緊手指，便可使得所抓物體被緊緊抓住。反之，在推桿發生向后的平動時，手指就會將所抓物體松開。

如圖2所示，近指節的外側有一打通的槽，該設計解決了連桿1的運動受限問題，使得近指節的轉動角度增大，使抓手可抓握的物體范圍變大。近指節的旋轉角度只受到電機傳動軸旋轉角度的影響，整體可控。

圖2 近指節結構圖

抓手在遠指節處進行了減重處理，如圖3所示，加入了防止其變形的肋板，使遠指節強度不受影響。

圖3 遠指節結構圖

手指材料選用6061鋁合金，具有加工性能極佳、優良的焊接特點及電鍍性、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形、材料致密無缺陷及易于拋光、上色膜容易、氧化效果極佳等優良特點；圓柱銷則選用奧氏體304，不銹鋼，強度高，能夠承受較大的扭矩。

手指各指節尺寸及重量參數在表1中給出。

表1 手指各指節尺寸參數及重量（注：尺寸參數取的是最大值）

2.手掌部分設計

機械抓手的手掌部分結構圖如圖4所示，由第一部分、第二部分、第三部分組成，手指與第一部分連接，提供手指運動的動力系統與部分傳動裝置也將安裝于此；第二部分的機構使機械抓手繞手臂進行轉動；第三部分則是機械抓手與后續手臂進行連接的位置。

圖4 手掌結構圖

3.機械抓手總體設計

3.1 整體結構

本文設計的自適應機械抓手具有3根完全相同的手指，采用上二下一式安裝方位，并且下方手指位于上方兩根手指的中心位置，稱為模式一，如圖5所示。該種布在抓取細長型物體時具有更好的包絡性，在同等條件下可以把物體抓得更穩。上方的兩根手指可以繞著手掌上的軸轉動，進而使得3根手指形成120°的對心布局，對于球體類的物體有更好的抓握能力，當然還可根據不同物體的形狀無極調整角度，該種手指布局在稱為模式二，如圖6所示。此種安裝方式可以使機構更為簡潔，能夠大大降低抓手的故障率，還可以節省內部的空間，該布局頗具優勢。

圖5 機械抓手模式一結構圖

圖6 機械抓手模式二結構圖

3.2 傳動機構及驅動器設計

控制手指彎曲與伸直的傳動機構如圖7所示，推桿1與滑塊2相配合，該滑塊下的螺紋孔，與傳動軸3上的外螺紋組成螺旋傳動，齒輪4用鍵與傳動軸3連接，與齒輪5相嚙合，當電機6啟動時，通過齒輪傳動帶動螺桿旋轉，使滑塊2發生平動最終帶動推桿1前后的運動。

圖7 傳動機構機構圖

3.3 轉位機構設計

兩根手指具有的繞手掌轉動功能是由轉位機構實現，由單獨電機驅動（如圖8所示）。該電機安裝于手掌內部，電機的輸出軸通過鍵連接與小齒輪固定，與大齒輪配合的軸與手掌通過軸承連接，對于上方的兩根手指來說，該軸不僅承擔使手指旋轉的運動，也是手指部分與手掌的連接處。

圖8 轉位機構結構圖

4.機械手運動仿真

本文對機械抓手的運動仿真主要是：（1）在模式一情況下測試該抓手能夠抓起的最大直徑與最小直徑的圓柱體；（2）在模式二情況下測試該抓手能夠抓起的最大直徑與最小直徑的球體。

4.1 抓握圓柱體

通過Solidworks對抓手抓握動作進行仿真，當圓柱體直徑在140mm內時，抓手可對其可以實現穩定抓握。在抓握小尺寸的圓柱體時，遠指節則向外翻轉，通過內側部分抓握物體，經過測試驗證當圓柱體的最小直徑不小于60mm時，均可實現穩定抓握。

在Solidworks Motion中，給予螺桿上的滑塊20N的恒力來模擬電機的驅動力，使手指作抓握的動作，其中圓柱體的材料渲染為POM乙縮醛共聚物，密度與常見的塑料材質接近（效果圖如圖9所示），由導出遠指節與圓柱體接觸點的接觸力曲線后可以得出，在指尖與物體接觸上之后能夠順利施加壓力0.24N，故只需使用足夠扭力的電機便可滿足抓握該物體的條件。

圖9 模式一抓取圓柱體（直徑140mm）

而在抓握小尺寸圓柱時（如圖10所示），基于同樣的參數可以得出接觸力的數值大約為0.6N，同樣可以保持接觸力。

圖10 模式一抓取圓柱體（直徑60mm）

4.2 抓握球體

通過Solidworks motion插件進行運動仿真，當球體直徑在150mm～100mm時，抓手可實現穩定抓握。如圖11和圖12所示。

圖11 模式二抓取球體（直徑150mm）

圖12 模式二抓取球體（直徑100mm）

賦予4.1中同樣的參數，在指尖與物體接觸上之后能對指尖施加接觸力0.5N，故只需使用足夠扭力的電機便可滿足抓握該物體的條件。

5.結語

本文設計一種基于連桿欠驅動的三指機械爪手，運用Solidworks完成設計及裝配，并運用motion插件對其進行運動仿真，驗證了該機械抓手可以可靠抓取不同大小、不同形狀的物體，具有較好的自適應性。