對(duì)于工業(yè)機(jī)器人來說，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)無污染，同時(shí)流動(dòng)性優(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。
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.固定式無桿活塞缸驅(qū)動(dòng)的增力機(jī)構(gòu)
固定式無桿活塞缸的氣動(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 固定式無桿活塞缸的氣動(dòng)系統(tǒng)
在無桿活塞缸的活塞徑向位置安裝有一個(gè)過渡滑塊，而在滑塊的兩端對(duì)稱地鉸接兩鉸桿，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)借助吸盤內(nèi)的負(fù)壓所形成的吸力來移動(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
吸盤內(nèi)的空氣由向下的擠壓力排擠而出，使吸盤內(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 擠壓式吸盤結(jié)構(gòu)圖
2.氣流負(fù)壓式吸盤
控制閥將來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，從而帶走吸盤內(nèi)中的空氣，如此便在吸盤內(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)壓式吸盤結(jié)構(gòu)圖
3.真空泵排氣式吸盤
利用電磁控制閥將真空泵與吸盤相聯(lián)，當(dāng)抽氣時(shí)，吸盤腔內(nèi)空氣被抽走時(shí)，形成負(fù)壓而吸住物體。反之，控制閥將吸盤與大氣相聯(lián)時(shí)，吸盤失去吸力而松開工件。
圖11 真空泵排氣式吸盤結(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。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)，松開鉆具。
2.常開式夾持機(jī)構(gòu)
通常采用彈簧松開、液壓夾緊的方式，未執(zhí)行抓取任務(wù)時(shí)處于松開狀態(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保持油壓。
3.液壓松緊型夾持機(jī)構(gòu)
松開、夾緊均通過液壓實(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)，松開鉆具。
四、磁吸式末端夾持機(jī)構(gòu)
分為電磁吸盤和永久吸盤兩種。電磁吸盤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吸住和釋放鐵磁性物體。永磁吸盤則是利用永久磁鋼的磁力來吸住鐵磁性物體的它是通過移動(dòng)隔磁物體來改變吸盤中磁力線回路，從而達(dá)到吸住和釋放物體的目的。但同樣是吸盤，永久吸盤的吸力不如電磁吸盤大。