一种具有单向轮指端的机械抓手*

刘明德 ， 倪 健 ， 苏 芸 ， 肖文兵

（江西机电职业技术学院，江西 南昌 330013）

0 前言

机械抓手是制造业中的关键产品，同时也是自动化中高度通用的组件[1]。中药是我国的国粹，中药有粉末及微小颗粒、籽实类、叶草类、块茎切片类和昆虫类等形态特征[2]，中药饮片实行定量小包装能保证用药剂量的准确，解决药屉沉灰的损失[3]，易于实现规范化和标准化，有利于稳定贮藏质量，还可改善工作环境等[4]。定量小包装从20世纪90年代开始，到如今已得到广泛应用。但小包装形态特征多样，以常用的机械手抓取难度较大，不利于实现自动化抓药。随着我国经济的迅速发展，劳动力成本不断提高，自动化趋势已不可阻挡。小包装中药饮片的抓药渴望实现自动化，但对应的机械抓手，市场上目前还没有成熟的产品。当前的状态是，国内有几家公司正在研发相关的自动化设备，有采用连续袋装结构形式的，也有采用负压吸取的，但都还存在不少问题，主要表现为容易出现漏抓和多抓现象，效果并不理想。需要继续完善，并没有得到推广。主要原因还是有许多技术难点不易解决，特别是对不规则且易变形的塑料袋等软包装物品的机械抓取，既要机构简单，抓取可靠，自适应性强，还要保证成本不过高，便于阵列布置大量使用。

在专门用于非刚性物品抓取的机械抓手研发方面，文献[5]介绍了抓取软体塑料环的刚性机械手爪，针对塑料的环形结构物品进行抓取，创造性地用大锥度下模引导和定位，解决了用刚性机械手抓取容易使塑料环变形的难题，但这种结构不能用于抓取塑料袋包装物品。文献[6]采用了仿人手五指多关节的机械手形式，每根手指用拉线连接，应用于采摘果蔬等容易破损的物品，但也不适合用于抓取塑料袋包装的物品。而其他常用的夹持式机械手基本只适合于形态固定、较为方正物品的抓取。文献[7]公开的一项发明专利，是把单向轮安装在指端的创新设计，通过弹簧的弹力夹紧物品，具有一定的自适应能力，可用于抓取用塑料袋包装的软包装物品，将其应用到小包装中药饮片自动化抓取设备上具有一定的优势。现对该机械抓手进行介绍，供大家共同研讨和开发应用。

1 总体结构

本机械抓手采用了板型结构设计，整套机构夹在两块平行的板之间，便于实现阵列安装。采用双指形式夹取。指端夹持部位设置单向轮，轮外圆表面衬橡胶圈。手指的夹持力来源于弹簧的弹力，具有一定的自适应能力。手指的动作仅仅由一个气缸来控制，可实现抓取和移送两项功能。结构简单，易于控制，极大地节约了自动控制电路的输出端口使用数量，有利于节省设备成本。

机械抓手的总体结构组成如图1所示，主要包含支架、气缸、开指块、手指座和手指等。其中，支架是其他零部件的连接基础，也是与外部应用设备的连接件；气缸缸筒一端与支架通过销轴铰接，缸杆一端与手指座螺纹连接，是本机械抓手的唯一驱动元件；开指块固定在支架上，设计有位置调节余量，用于强迫两手指张开，释放被抓的物品；手指座与手指通过销轴连接，两手指绕销轴形成夹角，通过夹角的大小变化实现张开和夹紧，手指跟随手指座移动。以下对几个主要部件进行详细介绍。

图1 机械抓手总体结构

1.1 支架

支架主要由两块形状一致的平板构成，两块板平行对齐布置，两块板之间有等厚的隔块支撑隔开，通过螺栓拉紧固定。两块板之间的距离保证气缸和手指座能在两板间运动。板上开有导槽，导槽由三段组成，参照图1中AB、BC和CD，相邻两段之间有倒圆弧平滑过渡，两段间的夹角∠ABC和∠BCD都必须大于90°，AB段和CD段的中心连线延长将通过气缸缸筒端的轴孔中心，CD段垂直于水平面。

1.2 手指座

如图2所示，手指座的结构外形类似于气缸叉头，但比叉头多了一个用于贯穿导向轴的销孔以及用于固定弹簧的限位孔。导向轴贯通于支架两侧板的导槽，可在导槽内滑动，用于限制手指座的移动轨迹。

1.3 手指

如图2所示，每个抓手均由一对相向对称安装的手指组成，用于夹持物品。手指主要由指杆和指端单向轮组成。单向轮安装时一定要注意方向，只能按图中箭头方向旋转，即左侧轮只可逆时针旋转，右侧轮只可顺时针旋转，反方向不能转动，可用单向轴承或棘轮等来实现（图2所示为单向轴承结构）。

图2 手指结构

手指通过销轴与手指座铰接。弹簧为扭转弹簧，其一端定位于手指座上，另一端定位于指杆上，用于产生两指相向的夹紧力，实现夹紧物品的功能。

另外，在单向轮的外圈牢固粘贴有橡胶圈，用于增加黏附力和摩擦力（注：下文所述的单向轮都是指包含了单向轮和橡胶圈的一体结构）。

2 工作原理

本机械抓手主要是用于抓取用塑料袋包装的软包装物品，以两个单向轮之间的弹簧夹紧力实现夹持物品功能，通过移动手指座的位置实现移送物品目的。本抓手只使用了一个气缸作为驱动元件，仅需要控制气缸的伸出和缩回两种状态，控制极其简单。下面以一个“抓取—移送—释放”周期，分步骤说明其工作原理。机械抓手的各动作状态位置如图3所示。

图3 机械抓手动作位置

2.1 抓取

2.1.1 抓取准备

当气缸收缩到最短位置时，导向轴处于A位置。此时，手指在开指块的挤压下呈张开状态。之前夹持的物品都已释放，机械抓手处于空闲状态。当气缸筒端进气时便逐渐伸长，导向轴从A位置到达B位置，开指块与手指脱离接触，手指在弹簧的弹力作用下合拢，使两单向轮相互贴紧。此时的手指已经松弛。气缸继续伸长，在支架导槽的引导下，使导向轴从B位置移到C位置，单向轮处于待夹持物品的正上方（未接触），此时的手指仍是松弛状态，但已进入抓取准备状态。

2.1.2 张开手指

气缸从抓取准备状态位置继续伸长，手指的单向轮逐渐接近物品，当接触到物品后，继续下压，物品受台面的支撑，对单向轮产生反作用力，使得两手指逐渐张开。单向轮受到的摩擦力方向正好可以使其转动，由于滚动摩擦非常小，两手指很容易张开。当导向轴到达D位置时，气缸伸到最长，手指张开到最大，两单向轮接近物品包装袋的边缘。

2.1.3 夹持物品

当气缸伸到最长位置开始，控制气缸从杆端进气，缸杆收缩，此时，单向轮一直处于压紧物品状态。销轴上移，两手指在弹簧的作用力下朝着夹紧方向运动，这时物品对单向轮产生的摩擦力方向反向，单向轮不旋转，轮外的橡胶圈的黏附力使塑料袋与轮面保持相对位置不滑动，塑料袋受两侧挤压产生变形，被单向轮夹紧，直到销轴上移到C位置。

2.2 移送

当销轴到达C位置时，气缸继续收缩，在支架导槽引导下，销轴从C位置到达B位置，手指的夹持状态不变，物品随着手指的移动而移动，在没有增加其他驱动元件的情况下实现移送物品功能。

2.3 释放

当销轴到达B位置时，气缸继续收缩，在支架导槽引导下，销轴从B位置向A位置移动。由于受到开指块的阻挡，手指在开指块的挤压下，被迫张开。物品在自身重力作用下掉落，继而移送到目的位置。从此，机械抓手已空闲，又可以开始进行下一次抓取准备，周而复始。

3 气动原理

机械抓手只用了一只气缸作为驱动元件，气动原理图如图4所示。

图4 气动原理图

当气缸筒端气孔进气时，杆端气孔排气，缸杆伸出，挤压物体后张开手指；当气缸的杆端气孔进气、筒端气孔排气时，缸杆收缩，张开的手指向内收缩夹紧物品。而在气缸收缩过程中，由于受支架导槽的引导，自动实现移送和释放功能。

4 结语

本机械抓手将单向轮设置于抓手指端，主要用于塑料袋包装物品的抓取，通过弹簧的弹力夹紧物品，具有一定的自适应能力，解决了不规则且易变形物品的抓取难题，也可抓取小方盒等规则物品。而且，结构简单，占用空间小，制作难度低，只使用了一个气缸作为驱动元件，实现了“抓取—移送—释放”的完整动作周期，结构巧妙，既节约了设备成本又降低了控制难度[8-10]。该抓手单元有利于阵列布置大量使用。但是，本机械抓手只能对单一定位物品进行抓取，如果要应用到非定位物品的抓取，还需增加机械抓手的移动机构来实现，另外，目前还不能实现从一堆混乱状态的袋装物品中选择性抓取，需要进一步完善。