气动机械手结构设计研究现状

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气动搬运机械手主要由操作臂、气动手爪、手腕组成。压力空气作为整个驱动装置的动力源。

1 操作臂和手腕

操作臂运动的坐标形式有如下四种类型：直角坐标、球坐标、圆柱坐标、关节。见表1.1。

表1.1 操作臂运动类型

运动类型优点缺点68687

直角坐标型

定位精度高，易控制相对工件操作范围较小、灵活性比较差，占据空间较大

圆柱坐标型

相对工件操作范围较大、结构简单手部外伸离中心轴愈远，其切向线位移分辨精度愈低

球坐标型结构紧凑，所占空间尺寸小，有较大的动作范围

控制较为复杂

关节型结构紧凑，所占空间体积小，

相对工件操作范围较大控制比较复杂，难以达到高精度，

成本比较高

这四种不同坐标形式的机械臂包含着移动副、旋转副，而直线气缸、旋转气缸、摆动气缸等执行元件的有序组合就能实现这四种不同类型的机械臂。手腕安装在操作臂末端和手爪之间，用来调节手爪的姿态。一般可由旋转气缸（旋转关节）和摆动气缸（摆动关节）组成。市场上的气动元件规格种类选择范围较大，且能实现大量的动作形式：直线、夹持、放

松等，基于上述特点，这些气动元件能够很好地搭建拼装结构形式的气动工业机器人或机械手[5]。其组装成的形式有多种：龙门型、立柱型、门架型等等。

孙振英基于对搬运机械手的研究[6]，提出了一种圆柱坐标式气动搬运机械手，由五个部分构成：底座、手臂、手部结构、立柱、手腕。手臂和立柱部分安装有直线气缸，直线气缸的来回动作对应着升降、伸缩。安装在立柱底部的旋转气缸能够带动整个操作臂做回转运动，手腕处有回转气缸，手部安装有两爪型气爪，能实现较大范围类移动和搬运。

王雪松，彭光正，薛阳等人提出了一种关节型机械手方案[7]，由五个部分构成：底座、腰、大臂、小臂、腕部。腰部关节安装有齿轮齿条大型摆缸，工作时，大型摆缸机械手相对于底座作以一定角度的回转运动，大臂一端和腰铰接，另一端和小臂铰接。大臂和腰之间、大臂和小臂之间均安装了直线气缸，安装形式都是一端铰接、一端固定，当气缸运动时，就会带动操作臂绕着铰轴转动，继而带动腕部转动，腕部安装齿轮齿条小型摆缸。这种结构较复杂，但相对工件操作范围较大。论文网

2 手爪

手爪是搬运机械手重要的末端执行器，其稳定性直接影响工件的搬运效果。手爪的结构主要分为夹持式及气流负压式吸盘两种[8]。负压式吸盘能够搬运一些尺寸较大、厚度较薄的工件。夹持式手爪种类很多，普通的刚性二指型和三指型气爪能够夹持一些形状比较规则、尺寸较小的工件；多指变形手爪通常可以形成对工件的包络，将损害工件质量的可能性降至最低。下面仅对变形手爪作一些概述。

Suzumori等[9]基于对三自由度FMA（flexiblemicroactuator）的研究，设计并制作了一种四指柔性手爪,如图1.1所示，它能完成一些不同的动作,例如：四指弯曲抓握工件。Tanaka等[10]采用了一种与三自由度FMA相似的驱动器，设计了一种多指柔性手爪,如图1.2所示。由图可以看出，这两种手爪的结构比较相似,但各具特点。四指手爪和多指手爪的手指都是独立的，这样就为手指向特定方向弯曲提供了可能。后者的灵活度大于前者，在稳定性方面，多指手爪能够表现得更好，也更能适应工件，即柔性更好。但手指数量增多，带来的另一个问题就是控制变得较复杂。