對(duì)于工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，搬運(yùn)物料是其抓取作業(yè)方式中較為重要的應(yīng)用之一。工業(yè)機(jī)器人作為一種具有較強(qiáng)通用性的作業(yè)設(shè)備，其作業(yè)任務(wù)能否順利完成直接取決于夾持機(jī)構(gòu)，因此機(jī)器人末端的夾持機(jī)構(gòu)要結(jié)合實(shí)際的作業(yè)任務(wù)以及工作環(huán)境的要求來(lái)設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致了夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的多樣化。
圖1 末端執(zhí)行器要素、特征、參數(shù)的聯(lián)系
大多數(shù)機(jī)械式夾持機(jī)構(gòu)為雙指頭爪式，根據(jù)手指運(yùn)動(dòng)方式的可分為：回轉(zhuǎn)型、平移型；夾持方式的不同又可分成內(nèi)撐式與外夾式；根據(jù)結(jié)構(gòu)特性可分為氣動(dòng)式、電動(dòng)式、液壓式及其組合夾持機(jī)構(gòu)。
一、氣壓式末端夾持機(jī)構(gòu)
氣壓傳動(dòng)的氣源獲取較為方便，動(dòng)作速度快，工作介質(zhì)無(wú)污染，同時(shí)流動(dòng)性?xún)?yōu)于液壓系統(tǒng)，壓力損失較小，適用于遠(yuǎn)距離控制。以下為幾種氣動(dòng)式機(jī)械手裝置：
1.回轉(zhuǎn)型連桿杠桿式夾持機(jī)構(gòu)
該種裝置的手指（如V型手指、弧形手指）通過(guò)螺栓固定在夾持機(jī)構(gòu)上，更換較為方便，因此能夠顯著擴(kuò)大夾持機(jī)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)合。
圖 2 回轉(zhuǎn)型連桿杠桿式夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)
2.直桿式雙氣缸平移夾持機(jī)構(gòu)
這種夾持機(jī)構(gòu)的指端通常安裝于配備有指端安裝座的直桿上，當(dāng)壓力氣體進(jìn)入單作用式雙氣缸的兩個(gè)有桿腔時(shí)，會(huì)推動(dòng)活塞逐漸向中間移動(dòng)，直至將工件夾緊。
圖3 直桿式雙氣缸平移夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
3.連桿交叉式雙氣缸平移夾持機(jī)構(gòu)
一般由單作用雙聯(lián)氣缸與交叉式指部構(gòu)成。氣體進(jìn)入氣缸的中間腔后，會(huì)推動(dòng)兩個(gè)活塞往兩邊運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，交叉式指端便會(huì)將工件牢牢固定；如果沒(méi)有空氣進(jìn)入中間腔體，活塞會(huì)在彈簧推力的作用下復(fù)位，固定的工件會(huì)被松開(kāi)。
圖4 交叉式雙氣缸平移夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
4.內(nèi)撐式連桿杠桿式夾持機(jī)構(gòu)
通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)力的傳遞，其撐緊方向和外夾式相反，主要用于抓取帶有內(nèi)孔的薄壁工件。夾持機(jī)構(gòu)撐緊工件后，為了確保其能夠順利的用內(nèi)孔定位，通常安裝 3 個(gè)手指。
圖 5 內(nèi)撐式連桿杠桿式夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
5.固定式無(wú)桿活塞缸驅(qū)動(dòng)的增力機(jī)構(gòu)
固定式無(wú)桿活塞缸的氣動(dòng)系統(tǒng)如下所示，該缸為單作用氣缸，反向靠彈簧力作用，由兩位三通電磁閥實(shí)現(xiàn)換向。
圖6 固定式無(wú)桿活塞缸的氣動(dòng)系統(tǒng)
在無(wú)桿活塞缸的活塞徑向位置安裝有一個(gè)過(guò)渡滑塊，而在滑塊的兩端對(duì)稱(chēng)地鉸接兩鉸桿，如果有外力作用于活塞，活塞便會(huì)左右運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)滑塊上下移動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)夾緊時(shí)，鉸點(diǎn)B將繞A點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)，而滑塊上下運(yùn)動(dòng)可增加一個(gè)自由度，用C點(diǎn)的擺動(dòng)代替整個(gè)汽缸體的擺動(dòng)。
圖7 固定式無(wú)桿活塞缸驅(qū)動(dòng)的增力機(jī)構(gòu)
6.鉸桿2杠桿串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)的內(nèi)夾持氣動(dòng)裝置
當(dāng)壓縮空氣的方向控制閥處于圖所示左位工作狀態(tài)時(shí),氣壓缸的左腔即無(wú)桿腔進(jìn)入壓縮空氣,活塞將在空氣壓力的作用下向右運(yùn)動(dòng)，使鉸桿壓力角α逐漸減小,借助角度效應(yīng)將空氣壓力放大，接著將力傳到恒增力杠桿機(jī)構(gòu)杠桿上，作用力將被再一次放大，變?yōu)閵A持工件的作用力 F。當(dāng)方向控制閥處于右位工作狀態(tài)時(shí)，氣壓缸的右腔即有桿腔進(jìn)入壓縮空氣,推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng),夾持機(jī)構(gòu)松開(kāi)工件。
圖8 鉸桿2杠桿串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)的內(nèi)夾持氣動(dòng)機(jī)械手
二、氣吸式末端夾持機(jī)構(gòu)
氣吸式末端夾持機(jī)構(gòu)借助吸盤(pán)內(nèi)的負(fù)壓所形成的吸力來(lái)移動(dòng)物體。主要用于抓取外形較大、厚度適中、剛性較差的玻璃、紙張、鋼材等物體。根據(jù)負(fù)壓產(chǎn)生方法可分為以下幾種：
1.擠壓式吸盤(pán)
吸盤(pán)內(nèi)的空氣由向下的擠壓力排擠而出，使吸盤(pán)內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，形成吸力將物體吸住。用于抓取形狀不大，厚度較薄且質(zhì)量較輕的工件。
圖9 擠壓式吸盤(pán)結(jié)構(gòu)圖
2.氣流負(fù)壓式吸盤(pán)
控制閥將來(lái)自氣泵的壓縮空氣自噴嘴噴入，壓縮空氣的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生高速射流，從而帶走吸盤(pán)內(nèi)中的空氣，如此便在吸盤(pán)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓所形成的吸力便可吸住工件。
圖10 氣流負(fù)壓式吸盤(pán)結(jié)構(gòu)圖
3.真空泵排氣式吸盤(pán)
利用電磁控制閥將真空泵與吸盤(pán)相聯(lián)，當(dāng)抽氣時(shí)，吸盤(pán)腔內(nèi)空氣被抽走時(shí)，形成負(fù)壓而吸住物體。反之，控制閥將吸盤(pán)與大氣相聯(lián)時(shí)，吸盤(pán)失去吸力而松開(kāi)工件。
圖11 真空泵排氣式吸盤(pán)結(jié)構(gòu)圖
三、液壓式末端夾持機(jī)構(gòu)
1.常閉式夾持機(jī)構(gòu)
借助彈簧強(qiáng)大預(yù)緊力固定鉆具，液壓松開(kāi)。夾持機(jī)構(gòu)未執(zhí)行抓取任務(wù)時(shí)，處于夾緊鉆具狀態(tài)。其基本結(jié)構(gòu)為一組經(jīng)過(guò)預(yù)壓縮的彈簧作用在斜面或杠桿等增力機(jī)構(gòu)上，使卡瓦座產(chǎn)生軸向移動(dòng)，帶動(dòng)卡瓦徑向移動(dòng)，夾緊鉆具；高壓油進(jìn)入卡瓦座與外殼形成的液壓缸，進(jìn)一步壓縮彈簧，使卡瓦座和卡瓦產(chǎn)生反向運(yùn)動(dòng)，松開(kāi)鉆具。
2.常開(kāi)式夾持機(jī)構(gòu)
通常采用彈簧松開(kāi)、液壓夾緊的方式，未執(zhí)行抓取任務(wù)時(shí)處于松開(kāi)狀態(tài)。夾持機(jī)構(gòu)靠液壓缸的推力產(chǎn)生夾持力，油壓減低將導(dǎo)致夾持力的減小，通常要在油路上設(shè)置性能可靠的液壓鎖來(lái)保持油壓。
3.液壓松緊型夾持機(jī)構(gòu)
松開(kāi)、夾緊均通過(guò)液壓實(shí)現(xiàn)，如果兩側(cè)液壓缸進(jìn)油口均通通高壓油，則卡瓦會(huì)隨著活塞運(yùn)動(dòng)向中心收攏，夾緊鉆具，改變高壓油入口，卡瓦則背離中心，松開(kāi)鉆具。
4.復(fù)合式液壓夾持機(jī)構(gòu)
這種裝置有主液壓缸與副液壓缸，副液壓缸側(cè)連接一組碟簧，當(dāng)高壓油進(jìn)入主液壓缸，推動(dòng)主液壓缸缸體移動(dòng)，通過(guò)頂柱將力傳給副液壓缸側(cè)的卡瓦座，碟簧被進(jìn)一步壓縮，卡瓦座移動(dòng)；同時(shí)，主液壓缸側(cè)卡瓦座在彈簧力作用下移動(dòng)，松開(kāi)鉆具。
四、磁吸式末端夾持機(jī)構(gòu)
分為電磁吸盤(pán)和永久吸盤(pán)兩種。電磁吸盤(pán)是用接通和切斷線圈中的電流，產(chǎn)生和消除磁力的方法來(lái)吸住和釋放鐵磁性物體。永磁吸盤(pán)則是利用永久磁鋼的磁力來(lái)吸住鐵磁性物體的它是通過(guò)移動(dòng)隔磁物體來(lái)改變吸盤(pán)中磁力線回路，從而達(dá)到吸住和釋放物體的目的。但同樣是吸盤(pán)，永久吸盤(pán)的吸力不如電磁吸盤(pán)大。