机器人概述
机器人科学是一门综合了机械、电子、材料、计算机、传感器、仿生、人工智能等多种前沿科学的综合性学科，是最能体现一个国家基础科学技术和制造业水平的学科之一。
1920年捷克作家卡雷尔.卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”、“Robota”是奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响、引起了大家的广泛关注，被当成为机器人一词的起源。该剧中。机器人按照其主人的命令默默地工作，没有感觉和感情，导致机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务劳动中，机器人成为了必不可少的成员。成为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”：
（1） 机器人不应伤害人类；
（2） 机器人应该遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；
（3） 机器人应该保护自己、与第一条相抵者除外；
这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将在三原则作为机器人开发的准则。
机器人真正出现在人类社会中的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才算真正开始。机器人发展到现在，可以分为三代：第一代是示教再现型机器人；它由人操作机械手做一遍应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一切过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并能自动重复的执行。这类机器人不具有外界信息的反馈能力，很适应变化的环境。 第二代是有感觉的机器人：它们对外界环境有一定感知能力，并能有感觉、视觉、触觉等功能。机器人工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息、灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。第三代是具有智能的机器人：智能机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人、它们根据感觉到的信息，进行独立思维、识别、推理、并作出判断和决策、不用人的参与就可以完成一些复杂的工作。目前、智能机器人已在许多方面具有人类的热点，随着机器人技术不断发展与完善，机器人的智能水平将越来越接近人类。
1.2目前研究的概况和发展趋势
当今世界，机器人特别是工业机器人已经发展成为一个规模巨大的产业。据粗略估算，全球现在至少有76万机器人正在投入使用。中国于1972年开始研制自己的工业机器人。我国与1985年研制成功第一台弧焊机器人研发、制造的单位已达200多家。2000年，我国工业机器人的拥有量约为3500台、其中国产的占五分之一。但是由于我国机器人产业起步较晚、步伐较慢、基础工业力量比较薄弱‘致使4工业机器人长期大量依赖进口。研发与市场脱节是我国机器人产业化过程中一个急需解决的问题。同时、我国的企业也缺少大规模集成的经验，难以形成很强的竞争力。
一种工业机器人手部的设计
摘要：机器人手部是安装于机器人手臂末端，直接作用于工作对象的装置，其手部的结构、重量、尺寸对于机器人整体的运动学和动力学性能有直接、显著的影响，因此手部设计中的一个重要环节。本文进行了一种手部在v型指上增加平面指的设计。能扩大夹持范围，避免因频繁更换手部而影响工作效率；在传动机构上运行连杆平行机构、提高了整个手部的刚性、使爪嵌开合不同时夹紧力保持不
变，同时手爪运动始终保持平行，保证定心误差为零；通过建立手指库实现机器人的一机多能，减少了设计和制造误差、进而降低成本。
关键词：机器人手部；抓取；连杆；手指库
中图分类号：THI2;TP24 文献标识码：A
工业机器人常用于焊接、喷漆、上下和搬运，延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人从事危险、有害有毒、低温和高温等恶劣环境中的工作。手部是工业机器人的关键部件之一，主要作用是夹持工件或工具（如喷漆、刀具等），按照规定的动作程序完成指定的动作，其加紧和松开动作都是自动完成的。机器人装配系统里面，机械臂末端的设计对于降低误差和循环周期来说是非常重要的。 设计良好的机械末端夹具可以在很大程度上提高效率和系统的可靠性，并对机器人的误差提供臂的载荷，在设计连杆部分时，可将杆设计成某一部分为挖空结构、且在杆件的装配精度。
连杆主要采用45调质碳素钢。转动副采用双头螺栓来实现，要求螺栓的耐磨性高，与连杆接触部分采用间隙配合，实现连杆的转动，因此所加预紧力不应过大。通过手部传动静力学分析并依据夹紧力确定各个连杆的长度，分别对连杆进行疲劳强度安全系数校核和静强度安全系数校核，以确定最终各个杆件的长度。手部传动机构如图所示
补偿给装配系统带来很高的附加价值。为此，本文设计了一种可以夹持不同尺寸，形状的柔性夹具，同时建立了具有标准件性质可随工件需要任意更换手指库。 1 机器人手部的结构设计
1.1机器人手部结构
在分析常用典型手部结构基础上，传动机构总体上采用以连杆为主体的运动机构，使传动机构简单，动作灵活，手指张开角度大，转动平稳，易于获得较高的制造精度，降低成本；同时利用连杆机构中的平行四边形结构可以实现手部的相对平行移动，提高工件的定心精度，手部的自重增加了机械设计的手部是可以更换的，手部形式可以不同，但是与手腕的机械接口必须相同，即接口匹配。在保证尺寸与手腕匹配的基础上，在驱动杆上还装了活塞与弹簧。当手部的驱动杆在臂部液压缸活塞的作用下向右运动时，实现了手抓的加紧运动。当液压缸活塞向左运动后。由于手部传动机构所需的驱动力不大，仅为5.23n。，因此手部驱动杆在弹簧的反弹力作用下向左运动，实现了手抓的放松运动，在形式上就实现了手抓与手腕的接口匹配。无论手部结构的传动机构如何，只要保证与腕部接口尺寸相同，即课实现手部与腕部的匹配，使手部模块化合标准化为了扩大手部的通用性，在v型指上增加了平面指，设计的手指形状课夹持方形或者圆柱形工件，以避免工业机器人在生产中频繁更换手指而降低生产率。手指部分采用倒三角的作用是使手部在中作中避免做各种运动时与机器一些部位发生不必要的碰撞，使手指在工作中更加灵活，同时减轻手部重量，提高了手部在工作生产中的效率。 机器手部结构特征：机器人手部结构特征可以从传力比、动作范围、传动比和定位精度四个方面进行描述，通过MAT-LAB对机器人手部结构特征进行仿真、如图所示、图反映机器人手部在不同角度下工作的传力比大小。传力比关系式为Fn\F，图中由于手部在任意角度工作下N\P>1。因此机构是增力的。下面得式子为机器人手部在某角度工作下的传力比：Fn、F=图反映了机器人手部在不同角度下工作的动作范围，包括最大关闭角 和最大加紧行程 研究 可以使工作更加好的夹取或退出
机器人手部能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决与机械手定位的
精度，而且与手指的夹持误差大小有关。因此结构设置的二手指始终保持平行，夹持的圆柱形工件直径的变化不影响其轴心的位置，即理论误差为零，故能很好的客服由于回转型手部夹持不同半径圆柱工件带来的夹持误差，使手部的使用更为精确。2.3 机器人手部手指库的建立3.7~10
一般情况下手部多是专用的，为了扩大机器人的使用范围，降低机器人的成本，提高其通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可更换的办法。通常根据机器人的实际使用要求，确定手指库的容量。手指库容量过大会造成结构庞大复杂，造价昂贵；容量过小又不能满足机器人的多种夹持功能要求。针对夹持不同形状、不同尺寸的工作，可以按手指库设计成各种形状的手指，如各种v形指、平面指、尖指、特形指等等。针对工件的表面质量、夹持部位、材质、软硬不同，手指库还可以将各种手指表面做成光滑指面、齿形指面和柔性指面。将这些手指形状、大小与表面形式进行结合所组成的手指库可增加工业生产的柔性化，如图4所示。
手指与手部的连接可以通过销钉来实现。将手指与销钉连接部分设计成标准件，便于实现手指库中手指的更换，只要更换手指，即实现对不同形状、不同尺寸工件的夹持功能。因此，建立机器人手部手指库，经济、实用且具有一定的通用性。
3 结论
（1） 在机器人传动结构上运用连杆平行机构，结合了杠杆式与平移式的优点，易于制造且可防止手部过重。
（2） 在v型指上增加了平面指，以提高手部的柔性化，扩大其实用范围，有利于提高其互换性，进而提高生产率，降低成本。
参考文献：
【1】 天津工业大学《工业机械手设计基础》编写组，工业机械手设计基础
【m】。天津：天津科学技术出版社，1980。
【2】 张 铁，谢存禧。机器人学【m】广州：华南理工出版社，2001
【3】 李瑞琴，薄瑞琴，薄瑞峰，装配机器人夹持器库的设计【j】。华北工学
院学报，1999,20（4）：368-370
【4】 徐元昌，工业机器人【m】。北京：中国轻工业出版社，1999。
【5】 杨可桢，程光蕴，机械设计基础【m】。北京：高等教育出版社2002。
【6】 吴宗泽，罗圣国，机械设计与课程设计手册【m】。北京：高等教育出
版社2003.
【7】 吴振彪。工业机器人【m】。武汉：华中科技大学出版社，2003
【8】 于敏耀，马俊骑，陈永星，等。基于MATLAB的POMA机器人运功学
仿真【j】。2003,28（6）：50-53。
【9】 罗家佳，胡国清。基于MATLB的运动学仿真研究【j】。2005,44（5）：
640-644。
【10】钱济国，杨志伊。基于机械手夹持误差的手指设计【j】。2005,34（5）：
27-29
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机器人概述
机器人科学是一门综合了机械、电子、材料、计算机、传感器、仿生、人工智能等多种前沿科学的综合性学科，是最能体现一个国家基础科学技术和制造业水平的学科之一。
1920年捷克作家卡雷尔.卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”、“Robota”是奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响、引起了大家的广泛关注，被当成为机器人一词的起源。该剧中。机器人按照其主人的命令默默地工作，没有感觉和感情，导致机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务劳动中，机器人成为了必不可少的成员。成为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”：
（1） 机器人不应伤害人类；
（2） 机器人应该遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；
（3） 机器人应该保护自己、与第一条相抵者除外；
这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将在三原则作为机器人开发的准则。
机器人真正出现在人类社会中的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才算真正开始。机器人发展到现在，可以分为三代：第一代是示教再现型机器人；它由人操作机械手做一遍应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一切过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并能自动重复的执行。这类机器人不具有外界信息的反馈能力，很适应变化的环境。 第二代是有感觉的机器人：它们对外界环境有一定感知能力，并能有感觉、视觉、触觉等功能。机器人工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息、灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。第三代是具有智能的机器人：智能机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人、它们根据感觉到的信息，进行独立思维、识别、推理、并作出判断和决策、不用人的参与就可以完成一些复杂的工作。目前、智能机器人已在许多方面具有人类的热点，随着机器人技术不断发展与完善，机器人的智能水平将越来越接近人类。
1.2目前研究的概况和发展趋势
当今世界，机器人特别是工业机器人已经发展成为一个规模巨大的产业。据粗略估算，全球现在至少有76万机器人正在投入使用。中国于1972年开始研制自己的工业机器人。我国与1985年研制成功第一台弧焊机器人研发、制造的单位已达200多家。2000年，我国工业机器人的拥有量约为3500台、其中国产的占五分之一。但是由于我国机器人产业起步较晚、步伐较慢、基础工业力量比较薄弱‘致使4工业机器人长期大量依赖进口。研发与市场脱节是我国机器人产业化过程中一个急需解决的问题。同时、我国的企业也缺少大规模集成的经验，难以形成很强的竞争力。
一种工业机器人手部的设计
摘要：机器人手部是安装于机器人手臂末端，直接作用于工作对象的装置，其手部的结构、重量、尺寸对于机器人整体的运动学和动力学性能有直接、显著的影响，因此手部设计中的一个重要环节。本文进行了一种手部在v型指上增加平面指的设计。能扩大夹持范围，避免因频繁更换手部而影响工作效率；在传动机构上运行连杆平行机构、提高了整个手部的刚性、使爪嵌开合不同时夹紧力保持不
变，同时手爪运动始终保持平行，保证定心误差为零；通过建立手指库实现机器人的一机多能，减少了设计和制造误差、进而降低成本。
关键词：机器人手部；抓取；连杆；手指库
中图分类号：THI2;TP24 文献标识码：A
工业机器人常用于焊接、喷漆、上下和搬运，延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人从事危险、有害有毒、低温和高温等恶劣环境中的工作。手部是工业机器人的关键部件之一，主要作用是夹持工件或工具（如喷漆、刀具等），按照规定的动作程序完成指定的动作，其加紧和松开动作都是自动完成的。机器人装配系统里面，机械臂末端的设计对于降低误差和循环周期来说是非常重要的。 设计良好的机械末端夹具可以在很大程度上提高效率和系统的可靠性，并对机器人的误差提供臂的载荷，在设计连杆部分时，可将杆设计成某一部分为挖空结构、且在杆件的装配精度。
连杆主要采用45调质碳素钢。转动副采用双头螺栓来实现，要求螺栓的耐磨性高，与连杆接触部分采用间隙配合，实现连杆的转动，因此所加预紧力不应过大。通过手部传动静力学分析并依据夹紧力确定各个连杆的长度，分别对连杆进行疲劳强度安全系数校核和静强度安全系数校核，以确定最终各个杆件的长度。手部传动机构如图所示
补偿给装配系统带来很高的附加价值。为此，本文设计了一种可以夹持不同尺寸，形状的柔性夹具，同时建立了具有标准件性质可随工件需要任意更换手指库。 1 机器人手部的结构设计
1.1机器人手部结构
在分析常用典型手部结构基础上，传动机构总体上采用以连杆为主体的运动机构，使传动机构简单，动作灵活，手指张开角度大，转动平稳，易于获得较高的制造精度，降低成本；同时利用连杆机构中的平行四边形结构可以实现手部的相对平行移动，提高工件的定心精度，手部的自重增加了机械设计的手部是可以更换的，手部形式可以不同，但是与手腕的机械接口必须相同，即接口匹配。在保证尺寸与手腕匹配的基础上，在驱动杆上还装了活塞与弹簧。当手部的驱动杆在臂部液压缸活塞的作用下向右运动时，实现了手抓的加紧运动。当液压缸活塞向左运动后。由于手部传动机构所需的驱动力不大，仅为5.23n。，因此手部驱动杆在弹簧的反弹力作用下向左运动，实现了手抓的放松运动，在形式上就实现了手抓与手腕的接口匹配。无论手部结构的传动机构如何，只要保证与腕部接口尺寸相同，即课实现手部与腕部的匹配，使手部模块化合标准化为了扩大手部的通用性，在v型指上增加了平面指，设计的手指形状课夹持方形或者圆柱形工件，以避免工业机器人在生产中频繁更换手指而降低生产率。手指部分采用倒三角的作用是使手部在中作中避免做各种运动时与机器一些部位发生不必要的碰撞，使手指在工作中更加灵活，同时减轻手部重量，提高了手部在工作生产中的效率。 机器手部结构特征：机器人手部结构特征可以从传力比、动作范围、传动比和定位精度四个方面进行描述，通过MAT-LAB对机器人手部结构特征进行仿真、如图所示、图反映机器人手部在不同角度下工作的传力比大小。传力比关系式为Fn\F，图中由于手部在任意角度工作下N\P>1。因此机构是增力的。下面得式子为机器人手部在某角度工作下的传力比：Fn、F=图反映了机器人手部在不同角度下工作的动作范围，包括最大关闭角 和最大加紧行程 研究 可以使工作更加好的夹取或退出
机器人手部能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决与机械手定位的
精度，而且与手指的夹持误差大小有关。因此结构设置的二手指始终保持平行，夹持的圆柱形工件直径的变化不影响其轴心的位置，即理论误差为零，故能很好的客服由于回转型手部夹持不同半径圆柱工件带来的夹持误差，使手部的使用更为精确。2.3 机器人手部手指库的建立3.7~10
一般情况下手部多是专用的，为了扩大机器人的使用范围，降低机器人的成本，提高其通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可更换的办法。通常根据机器人的实际使用要求，确定手指库的容量。手指库容量过大会造成结构庞大复杂，造价昂贵；容量过小又不能满足机器人的多种夹持功能要求。针对夹持不同形状、不同尺寸的工作，可以按手指库设计成各种形状的手指，如各种v形指、平面指、尖指、特形指等等。针对工件的表面质量、夹持部位、材质、软硬不同，手指库还可以将各种手指表面做成光滑指面、齿形指面和柔性指面。将这些手指形状、大小与表面形式进行结合所组成的手指库可增加工业生产的柔性化，如图4所示。
手指与手部的连接可以通过销钉来实现。将手指与销钉连接部分设计成标准件，便于实现手指库中手指的更换，只要更换手指，即实现对不同形状、不同尺寸工件的夹持功能。因此，建立机器人手部手指库，经济、实用且具有一定的通用性。
3 结论
（1） 在机器人传动结构上运用连杆平行机构，结合了杠杆式与平移式的优点，易于制造且可防止手部过重。
（2） 在v型指上增加了平面指，以提高手部的柔性化，扩大其实用范围，有利于提高其互换性，进而提高生产率，降低成本。
参考文献：
【1】 天津工业大学《工业机械手设计基础》编写组，工业机械手设计基础
【m】。天津：天津科学技术出版社，1980。
【2】 张 铁，谢存禧。机器人学【m】广州：华南理工出版社，2001
【3】 李瑞琴，薄瑞琴，薄瑞峰，装配机器人夹持器库的设计【j】。华北工学
院学报，1999,20（4）：368-370
【4】 徐元昌，工业机器人【m】。北京：中国轻工业出版社，1999。
【5】 杨可桢，程光蕴，机械设计基础【m】。北京：高等教育出版社2002。
【6】 吴宗泽，罗圣国，机械设计与课程设计手册【m】。北京：高等教育出
版社2003.
【7】 吴振彪。工业机器人【m】。武汉：华中科技大学出版社，2003
【8】 于敏耀，马俊骑，陈永星，等。基于MATLAB的POMA机器人运功学
仿真【j】。2003,28（6）：50-53。
【9】 罗家佳，胡国清。基于MATLB的运动学仿真研究【j】。2005,44（5）：
640-644。
【10】钱济国，杨志伊。基于机械手夹持误差的手指设计【j】。2005,34（5）：
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