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[摘要]本文介紹了一種應(yīng)對(duì)板類材料的工業(yè)機(jī)器人手部創(chuàng)新設(shè)計(jì)。針對(duì)在工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)器人手抓取板類材料這一難題，我們提出了將運(yùn)用真空吸附技術(shù)運(yùn)用到智能機(jī)器人手部的設(shè)計(jì)中的方法。另外，運(yùn)用三維建模軟件設(shè)計(jì)了手掌關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)處的真空管道這一結(jié)構(gòu)。

[關(guān)鍵詞]智能機(jī)器人；真空吸附；三維建模

隨著社會(huì)的逐步發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的飛快進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展速度也越來越快，我們對(duì)于機(jī)器人的要求也越來越高，特別是工業(yè)機(jī)器人和特殊機(jī)器人越來越受歡迎，可見，以后的工廠生產(chǎn)中更多的是機(jī)器人代替人類加工。平常工廠生產(chǎn)中，機(jī)器人對(duì)于平板（薄片）類的工程材料抓取不怎么方便，這也恰恰是人類的手不方便完成甚至無法完成的，但是在生產(chǎn)中，這類材料是很多的，比如眼鏡鏡片、各類芯片、玻璃等等工件的加工生產(chǎn)中，因此對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人手進(jìn)行吸附功能的設(shè)計(jì)來解決此類問題就有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值和良好的發(fā)展前景了。

1國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代后期，國(guó)內(nèi)一些機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)和部分高校對(duì)于機(jī)器人手的研究就已經(jīng)相繼展開，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)，國(guó)防科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京科技大學(xué)等都在此方面做了大量研究。而國(guó)外在20世紀(jì)70年代就開始研究，日本，德國(guó)，意大利，美國(guó)等都做了大量研究，可以說國(guó)內(nèi)外對(duì)于靈巧手的研究已經(jīng)趨于成熟[1]。國(guó)內(nèi)外機(jī)器器人吸附技術(shù)的應(yīng)用主要在壁面移動(dòng)方面，而對(duì)于將吸附方式應(yīng)用到靈巧手上進(jìn)行普通靈巧手難以抓取一些平板材料問題還涉及很少，在國(guó)內(nèi)主要是一些大型機(jī)械手在一些包裝工程等方面的應(yīng)用。機(jī)器人的發(fā)展將會(huì)是衡量一個(gè)國(guó)家科技水平的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)之一，而機(jī)器人的發(fā)展在于機(jī)器人的實(shí)用價(jià)值，那么機(jī)器人手抓取各種人類不方便抓取材料的能力也是其研究的一個(gè)方面，將會(huì)得到研究人員的關(guān)注。

2整體靈巧手設(shè)計(jì)

圖2工作情況示意圖靈巧手設(shè)計(jì)及手掌中的吸盤設(shè)計(jì)至關(guān)重要的，其主要要求如下：在面對(duì)不同的板類材料都需要能夠自適應(yīng)，手腕可以90°旋轉(zhuǎn)，吸盤能夠緊貼材料，保證能夠密閉產(chǎn)生真空，進(jìn)而產(chǎn)生吸附力，手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。在吸附起來后，靈巧手彎曲，能夠抓住板狀材料，進(jìn)而提起，如圖2所示。

3吸附力的大小計(jì)算分析

真空吸盤接觸板類材料，貼緊后抽取里面的氣體。由于周圍壓力（大氣壓）高于真空吸盤和板類材料表面的壓力，故真空吸盤吸附于物料表面。真空吸盤與真空泵相連，壓力愈低（真空度越高），真空吸盤的吸附力愈大[2]。吸附力大小可用以下公式計(jì)算：上式中，F(xiàn)：理論吸附力大小，單位：kgf（公斤力）；P絕對(duì)壓力：為真空泵的絕對(duì)真空度，單位取：KPa（千帕）；S吸盤面積：為吸盤有效面積，單位取：cm2（平方厘米）。通過現(xiàn)有真空泵，真空吸盤可以達(dá)到10kPa的真空度，那么它與大氣壓的壓差為101-10=91kPa。此時(shí)真空吸盤的有效面積假設(shè)為10cm2（機(jī)器人手掌大小），那么這時(shí)候的吸附力為91×10×0.01，也就是說這個(gè)真空吸盤理論上能達(dá)到9.1kgf左右的吸附力，可以提起9.8kg的物體，對(duì)于一般的機(jī)器手而言這是足夠的。

4關(guān)節(jié)處真空管道設(shè)計(jì)

由于需要的吸附力較大，微型電機(jī)的功率不夠，必須需要較大功率的電機(jī)，大功率電機(jī)的體積往往也是比較大的，而手掌處的空間不足以直接裝備電機(jī)。我們考慮將在手腕關(guān)節(jié)以上的手臂或者其它位置裝備電機(jī)，在手掌處裝備吸附盤，中間通過管道或通道傳遞真空吸力。設(shè)計(jì)這個(gè)真空傳遞管道，必然會(huì)通過關(guān)節(jié)處，關(guān)節(jié)又是必定能旋轉(zhuǎn)或者彎曲的，也就是說需要手腕既可以旋轉(zhuǎn)90°，也要保證真空管道的封閉性以及抗壓性。要在關(guān)節(jié)處能彎曲，這需要軟管道，但是抽真空要求管道的硬度和抗壓強(qiáng)度都比較高，因此要設(shè)計(jì)出既可以彎曲也能夠保證能夠承受真空狀態(tài)壓力的氣體通道，或者是通過其他機(jī)構(gòu)解決這一問題。真空管道關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)既要考慮內(nèi)部真空時(shí)的抗吸能力，又要考慮能彎曲。幾個(gè)真空管道關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)想法是：類比于吸管，雖然吸管內(nèi)部工作時(shí)并不是真空，但也在一定程度上達(dá)到了既可以抗壓力又可以彎曲的目的，有一定的借鑒價(jià)值。但通過實(shí)驗(yàn)我們知道，此方法對(duì)于材料的性能要求極高，并且能夠承受的壓力較小，安全系數(shù)不高，因此不可取。由于外部手腕關(guān)節(jié)的大小大于管道，也可以直接設(shè)置成硬管彎曲狀態(tài)，外部也可以進(jìn)行彎曲，伸直，而不影響內(nèi)部的彎曲狀態(tài)。此方法需求機(jī)器人手關(guān)節(jié)處的空間很大，所以此方法對(duì)于大型機(jī)械手是適用的，但在小型機(jī)器人手腕處的真空管道關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)是存在局限性的。基于上訴想法的實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)真空關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)既要考慮內(nèi)部真空時(shí)的抗吸能力，又要考慮能彎曲，這是一個(gè)矛盾。國(guó)內(nèi)外均還沒有此成果出現(xiàn)，因此我們嘗試避開這一矛盾，在關(guān)節(jié)處設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)解決了這一真空管道問題，見圖3、圖4。如圖4所示，手腕關(guān)節(jié)處由兩個(gè)零件組成，零件2是手掌上的固定零件，固定不動(dòng)；零件1是連接手臂的，可做90°旋轉(zhuǎn)。如圖5所示，為了保證可旋轉(zhuǎn)裝配面是間隙配合的，配合間隙不宜過大，能夠容納潤(rùn)滑油即可。當(dāng)手腕處不需彎曲時(shí)，零件2的連接口1與零件2的連接電機(jī)通道相連；當(dāng)手腕處轉(zhuǎn)過90°時(shí)，零件2的連接口2與零件2的連接電機(jī)通道相連，兩個(gè)工作位置均保持連接吸附盤通道與連接電機(jī)通道相聯(lián)通，讓手腕以上的電機(jī)與手掌上的吸附盤相連，實(shí)現(xiàn)吸附功能。另外，在兩個(gè)工作位置時(shí)，吸附力是由連接電機(jī)通道傳出，到連接口1或連接口2，由氣體流動(dòng)力學(xué)知識(shí)可以知道，零件2將會(huì)受到吸附力，配合間隙中的潤(rùn)滑油被壓縮，連接處的間隙變小，使得配合得更加緊密，形成封閉的空間管道，保證了密封性。

5結(jié)語

隨著人工智能的逐漸普及，企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化地不斷推進(jìn)，智能機(jī)器人應(yīng)用得越來越多。通過一個(gè)生活中的實(shí)際需求工程問題——智能機(jī)器人抓取板類材料，我們提出了一種智能機(jī)器人手部的創(chuàng)新設(shè)計(jì)想法。面對(duì)板類材料難抓取的問題，我們將真空吸附技術(shù)運(yùn)用到機(jī)器人手部設(shè)計(jì)中，巧妙地解決了這一問題。另外，我們對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀做了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹和手掌關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)處真空管道的三維建模等相關(guān)內(nèi)容，希望能夠?yàn)橹悄軝C(jī)器人抓取板類材料這一方向的后來者提供了一些借鑒與參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]羅建國(guó),何茂艷,薛鐘霄,等.靈巧手研究現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2009,26(10):4-8+22.

[2]張利平,Horg.真空吸附技術(shù)[J].輕工機(jī)械,1998(4):41-43.

作者：吳浪 姚輝學(xué) 董鑫 單位：江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院