双机器人协同鼠标装配末端夹具的设计

孟银娜，张云鹏，王一明

（河南机电职业学院，河南郑州 451191）

0 引言

在机器人应用领域不断扩大的环境下，多机器人在特定场合的协同作业越来越重要，根据任务要求，多机器人可以有序无误地协同配合，以完成特定场合的工作需要。机器人末端夹具是根据作用对象的形状特征来设计的，无论是夹持式还是吸附式夹具，设计时都需要满足机器人作业所需要的重复精度，最大程度上使机器人末端执行器的结构简单、紧凑、质量轻，以减轻手臂负荷。机械夹持式末端执行器多为双指头爪式，按手指的运动区分，可以分为平移型和回转型；若按照机械夹持方式区分，可以分为外夹式和内撑式；若按照机械结构特性区分，可以分为电动（电磁）式、液压式与气动式，以及它们相互的组合。气吸式机器人末端执行器，利用吸盘内的负压吸住并移动工件，根据应用场合不同，末端执行器可以做成单吸盘、双吸盘、多吸盘或特殊形状的吸盘。经比较分析，本方案中工作站采用的是夹持式末端执行器。

1 机器人1 的末端夹具分析

机器人1 末端夹具的夹持对象是鼠标底座和鼠标USB 端口，根据鼠标底座和USB 的形状特点，所设计的末端夹具手指需要有一定的开合范围。考虑到鼠标装配效率，为节省装配时间，设计多功能夹具，一个夹具配备两对手指，能够分别加持鼠标底座和USB。设计前考虑以下方面：①末端夹具夹持的对象较薄，夹持力不应过大，为避免夹持力度过大，在末端夹具中添加传感器感应夹持对象；②夹具承载变形要求，所设计的末端夹具承载不低于3 kg，应具备一定的刚度，夹持鼠标零部件时，最大变形量≤1 mm；③所设计的末端夹具应考虑鼠标底座和USB的形状尺寸，根据所夹持对象的形状特征设计夹具开合度；④根据鼠标底座以及鼠标USB 的形状特征，采用双指夹持相比三指夹持更加牢固。

综合考虑以上四点设计机器人1 的末端夹具，根据夹持对象的形状特征，设计出的夹具可以稳固夹持对象移动，不产生滑移，并且能够在夹持鼠标底座和USB 端口时顺利完成鼠标装配工作。

2 机器人1 的末端夹具设计

因机器人1 末端夹具主要作用对象是鼠标底座和鼠标USB 端口，所以设计的夹具是根据鼠标底座和鼠标USB 设计的多功能末端夹具。机器人1 末端执行器主要由夹具底座、手指1 和手指2 三部分组成：手指1 的夹持对象是鼠标USB 端口，手指2 的夹持对象是鼠标底座。在设计夹具底座时需要考虑负载力，保证能够完全承载两对手指夹持对象时的重量，并且在不发生碰撞的情况下，夹持对象运动到装配鼠标的动作位置（图1）。

图1 夹具1 底座

机器人1 手指1 的夹持对象为鼠标USB 端口，根据鼠标USB 的形状尺寸，所设计的手指1 需要满足至少13 mm 的开合度，夹持深度为3 mm（图2）。鼠标USB体积小且质地比较薄，夹持力度不应过大，设计手指1时可以适当增强手指1 夹持面的粗糙度以增加夹持鼠标USB 时的摩檫力。

图2 夹具1 手指1

机器人1 手指2 的夹持对象是鼠标底座，根据鼠标底座的形状尺寸，手指2 需要至少96 mm 的开合度，夹持深度为3 mm（图3）。考虑到鼠标底座较薄，夹持力度不应过大，可以通过增强夹持面的粗糙度来增大夹持鼠标底座时产生的摩擦力。

图3 夹具1 手指2

3 机器人2 的末端夹具分析

机器人2 的作用对象是鼠标电池、鼠标上盖和鼠标整体，为提高鼠标装配效率、缩短装配时间，根据鼠标上盖和鼠标上盖的形状尺寸设计了一种多功能夹具，该夹具只设计了一种综合性手指，通过设置其不同的开合度来完成鼠标电池、鼠标上盖和鼠标整体的夹持和装配。在设计之前应该考虑以下方面：①鼠标电池外表比较光滑，在设计夹具手指时应适当增强夹持面的粗糙度，并添加传感器感应电池以便顺利完成夹持作业；②夹具承载变形要求，所设计的夹具承载不低于2 kg，并且具备一定的刚度，在夹持鼠标电池、鼠标上盖和鼠标整体时，最大变形量≤1 mm；③夹持鼠标上盖时，考虑到上盖比较薄，在增强夹持面的粗糙度、添加传感器的基础上要注意夹持力度不应过大，满足夹持装配所需就可以；④所设计的手指应具备一定的开合度，且开合度满足对鼠标电池、鼠标上盖和鼠标整体的夹持、装配。

综合考虑以上要求和鼠标电池、鼠标上盖的形状尺寸，为尽可能让所设计的末端夹具结构简单、紧凑，减轻手臂载荷，所设计的机器人2 的多功能末端夹具采用一指多用，通过两个手指开合度的不同完成对鼠标上盖、鼠标电池和鼠标整体的夹持、装配。

4 机器人2 的末端夹具设计

机器人2 末端夹具作用对象是鼠标上盖、鼠标整体和鼠标电池，根据鼠标电池以及鼠标上盖的形状尺寸设计了一种多功能夹具。机器人2末端夹具的设计主要包含夹具底座、夹具手指两部分：手指可以设置不同的开合度来完成对鼠标电池、鼠标上盖和鼠标整体的夹持、装配。底座设计需考虑两个手指和夹持对象的负载力，保证在夹持对象时可以完成一定角度的旋转，保障装配作业顺利进行（图4）。

图4 夹具2 底座

根据夹具2 手指不同夹持对象的形状特征，设置不同的手指特征（图5）：①对于鼠标电池的夹持装配，设置手指的开合度至少为12 mm，夹持深度为3 mm，夹持力度适中且夹持面具有一定的粗糙度并添加传感器；②对于鼠标上盖的夹持装配，设置手指的开合度至少为50 mm，夹持深度为3 mm，夹持力度不应过大，同时增强夹持面的粗糙度并添加传感器；③对于鼠标整体的夹持放置，设置手指的开合度至少为50 mm，夹持深度为4 mm，夹持力度适中。

图5 夹具2 手指

5 结束语

工业机器人广泛应用在现代制造行业领域中，在RobotStudio 中离线/在线编程、模拟仿真，对辅助工作人员进行机器人工作站布局构建、模拟仿真示教、工作姿态设计优化具有重要作用。在RobotStudio 中对末端夹爪进行改进优化，以此获得更高的装配效率。