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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、减速比大,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。