图8-1　夹持式末端执行器的结构

1—手指；2—传动机构；3—驱动机构；4—支架；5—工件

夹持式末端执行器是工业机器人作业中最常用的一种末端执行器，它一般由手指、驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成，如图8-1所示。它能通过手指的张开与闭合实现对物体的夹持，根据手指的动作特点，可分为回转型和平移型两大类。

8.2.1.1　回转型夹持式末端执行器

回转型夹持式末端执行器的手指是一对杠杆，它同斜楔、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆或螺杆等机构，组成复合式杠杆的传动机构。手指绕其支点的运动为圆弧运动，对抓取物品夹持力的大小由驱动机构施加的力来决定。

1）斜楔杠杆式

图8-2所示为单作用斜楔杠杆式手爪结构简图。斜楔向下运动，克服弹簧拉力，使杠杆手指装着滚子的一端向外撑开，从而夹紧工件；斜楔向上移动，则在弹簧拉力作用下使手指松开工件。手指与斜楔通过滚子接触可以减少摩擦力。

图8-2　斜楔杠杆式手爪

1—斜楔驱动杆；2—滚子；3—圆柱销；4—拉簧；5—铰销；6—手指；7—工件

2）滑槽杠杆式

图8-3所示为滑槽杠杆式手爪，其杠杆形手指的一端开有长滑槽。驱动杆上的圆柱销套在滑槽内，当驱动连杆同圆柱销一起做往复运动时，可拨动两个手指各绕其支点做相对回转运动，从而实现手指的夹紧与松开动作。

如图8-3b所示，驱动杆向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指的滑槽对圆柱销的反作用力分别为P 1、P 2，其力的方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2，并指向O点，P 1和P 2的延长线交O1O2于A与B。

图8-3　滑槽杠杆式手爪

1—手指；2—圆柱销；3—驱动杆；4—壳体

由∑Fx＝0可得

P1＝P 2

由∑Fy＝0可得

由∑MO1（F）＝0可得

P′1h＝P 1h＝Nb

由图8-3可知：h＝a／cosα，故由上两式可得

式中，P为驱动杆的驱动力（N）；b为手指的夹紧力N到手指的回转支点O 1的距离（mm）；a为手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）；α为工件被夹紧时，手指的滑槽方向与两回转支点连线O1O2的夹角（°）；N为手指的夹持力（N）。

由式（8-1）可知，当驱动力P一定时，α角增大，则手指的夹紧力N也增大，但α角过大，会导致驱动杆的行程过大，也使手指滑槽长度增大，从而致使手指的整体结构加大，因此，一般取α＝30°～40°。

滑槽杠杆式手爪具有结构简单、动作灵活、手指开闭角度大等特点。

3）双支点连杆杠杆式

图8-4a所示为双支点连杆杠杆式手爪，驱动杆的末端与连杆铰接，当驱动杆做往复直线运动时，通过连杆推动两连杆手指各绕其支点做回转运动。P 1和P 2为两连杆对驱动杆的反作用力，作用方向沿连杆两铰链中心连线，指向O点并与水平方向成α角，如图8-4b所示。

图8-4　双支点连杆杠杆式手爪

1—调整垫片；2—手指；3—连杆；4—驱动杆

由∑Fx＝0可得

P 1＝P2

由∑Fy＝0可得

由∑Mo1（F）＝0可得

P′1h＝P 1h＝Nb(www.daowen.com)

由图8-4可知：h＝c cosα，故由上两式可得

式中，P为驱动杆的驱动力（N）；b为手指的夹紧力N到手指的回转支点O 1的距离（mm）；c为手指的两个回转支点的距离（mm）；α为工件被夹紧时，手指的滑槽方向与两回转支点连线O1O2的夹角（°）；N为手指的夹持力（N）。

由式（8-2）可知，当结构尺寸b、c和驱动力P一定时，手指的夹持力N与α角的正切成反比，当α角较小时，可得到较大的夹持力。当α＝0时，手指闭合到最小的位置，即自锁位置，这时如果撤去驱动力，工件也不会自行脱落。若驱动杆再向下移动，则手指反而会松开，为避免这种情况出现，可以为不同尺寸规格的工件配不同的手指，当工件尺寸变化较小时，也可采取更换调整垫片的办法，使手指在夹紧工件后保持α＞0。

4）弹簧杠杆式

图8-5所示为弹簧杠杆式手爪的结构，它靠压缩弹簧把工件夹紧，不需要外加驱动力，结构简单。弹簧手指在抓取工件前，两手指在弹簧力的作用下闭合，并靠在定位销上；当手指碰到工件时，工件对手指产生反作用力P 1和P2将手指撑开，然后靠弹簧力将工件夹紧。为了使手指容易被撑开，必须使P1和P 2的作用线方向偏离手指回转轴心一定距离H。当工件传送到指定位置后，弹簧手指本身不会自动地松开工件，需要外力夹紧工件后，手爪返回过程中使手指再次撑开脱离工件。由于弹簧作用力有限，弹簧杠杆式手爪只适用于抓取轻小工件，如螺钉、小棒料、小轴套等。

图8-5　弹簧杠杆式手爪

1—手指；2—定位销；3—弹簧

8.2.1.2　平移型夹持式末端执行器

平移型夹持式末端执行器是通过手指做直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作，手指完成的是平行开闭运动，抓取工件时夹持力的大小由驱动机构施加的力来决定。这种末端执行器常用于夹持具有平行平面的工件，但其结构较复杂，没有回转型手爪应用广泛。

1）直线往复移动机构

机器人手爪常用的直线往复机构主要采用斜楔传动、齿条传动、螺旋传动等，如图8-6所示。它们可以采用两指，也可以采用三指或多指型的；既可自动定心，也可非自动定心。

图8-6　直线往复移动式末端执行器

2）平面平行移动机构

图8-7所示为三种平面平行移动型夹持式末端执行器的简图，它们采用了平行四边形的铰链四杆机构，以实现手指平移。

图8-7　平面平行移动式末端执行器

1—驱动器；2—驱动元件；3—驱动摇杆；4—从动摇杆；5—手指

8.2.1.3　夹持式末端执行器驱动力计算实例

某一液压机械手的手爪结构如图8-8所示。要求工件做水平方向的移动，其工件重力G＝100 N，b＝50mm，R＝36 mm，试求夹紧油缸的驱动力。

图8-8　齿轮杠杆式末端执行器

1—驱动杆；2—扇齿轮；3—连接件；4—手指；5—工件

该液压机械手为齿轮杠杆式末端执行器，其执行过程是：驱动杆末端制成双面齿，与扇齿轮相啮合，而扇齿轮与手指固连在一起，可绕支点回转。驱动力推动齿条直线往复运动，以带动扇齿轮回转，从而使手指松开或闭合。

1）手指对工件的夹紧力

N≥K 1K 2K 3G　（8-3）

式中，K 1为安全系数，通常取1.2～2.0；K 2为工况系数，考虑惯性力的影响，可近似估算，K 2＝1＋a／g，其中a为重力方向的最大上升加速度，若a＝g，则K 2＝2；K 3为方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择，取K 3＝0.5；G为被抓取工件的重力（N）。

由式（8-3）可得

N≥1.5×2×0.5×100＝150（N）

2）液压驱动力

由式（8-4）可得

3）实际驱动力

因传力机构为齿轮齿条传动，所以取传动效率η＝0.94。则实际驱动力为