1末端执行器的设计
【精品论文】码垛机器人多功能末端执行器的设计
【精品论文】码垛机器人多功能末端执行器的设计摘要：码垛机器人是一种用于物料的自动堆叠或拆卸的机器人。
末端执行器是码垛机器人中起到抓取和堆叠物料的重要组成部分。
本论文在对码垛机器人末端执行器的功能需求进行分析的基础上，设计了一种多功能末端执行器。
该末端执行器具有抓取、旋转、推动、举升等功能，并能够根据不同的物料进行灵活的调整。
通过对末端执行器的力学和电气设计的详细分析，验证了其设计的可行性。
实验结果表明，该多功能末端执行器能够满足各种物料的堆叠需求，并具有较好的抓取稳定性和操作精度。
关键词：码垛机器人；末端执行器；多功能；抓取稳定性；操作精度1. 引言码垛机器人作为现代物流领域中的重要装备，能够提高物料的堆垛效率和减少人工劳动，广泛应用于仓库、物流中心等场所。
末端执行器作为码垛机器人中与物料直接接触的部分，其功能的设计和性能的优化对整个系统的效率和稳定性有着重要影响。
2. 码垛机器人末端执行器的功能需求分析针对码垛机器人的末端执行器，其主要功能需求包括抓取、旋转、推动、举升等。
首先，末端执行器需要具有足够的抓取力和抓取稳定性，以确保能够稳定地抓取不同形状和材料的物料。
其次，末端执行器还需要能够对物料进行旋转调整位置，以适应不同堆叠方式的需求。
此外，末端执行器还需要能够推动物料，以便将其准确地堆叠到目标位置。
最后，末端执行器还需要能够对物料进行举升，以便于在堆叠过程中调整高度。
3. 多功能末端执行器的设计在对末端执行器的功能需求进行分析的基础上，设计了一种多功能末端执行器。
该末端执行器由机械臂、抓取器、旋转装置、推动装置和举升装置组成。
机械臂负责控制末端执行器的运动轨迹，抓取器负责抓取物料，旋转装置通过驱动装置实现物料的旋转，推动装置通过轮胎或滚轮实现物料的推动，举升装置通过液压或电动机实现物料的举升。
各个部件之间通过传感器和执行器进行信息传递和控制。
4. 多功能末端执行器的力学设计针对多功能末端执行器的力学设计，进行了详细的分析和计算。
工业机器人的末端执行器结构分析综述..
文章编号：工业机器人的末端执行器结构分析综述姜楚峰，潘传奇，马野，王磊,张芝虎（大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028）摘要：工业机器人的末端执行器(夹持器机构)是机器人操作机与工件、工具等直接接触并进行作业的装置,是机器人的关键部件之一.末端执行器是直接执行工作的装置，它对扩大机器人的作业功能、应用范围和提高工作效率都有很大的影响，因此对机器人的各种末端执行器结构分析研究有着非常重要的意义.抓取不同特征的物件需要有着不同类型的结构和驱动源.。
本文就末端执行器的常用结构，根据不同类型的结构特性分类来进行分析各种夹持机构的特点和适用范围。
关键词:末端执行器，夹持器，结构分析，结构特性分类中图分类号:文献标识码：AReview of End—effectors Structure of industrial robot Analysis Jiang Chu feng，Pan Chuan—qi，Ma Ye,Wang Lei,Zhang Zhi—hu(College of Mechanical Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， China）Abstract： End—effector (the clamping device） of the industrial robot is the robot manipulator is in direct contact with the workpiece, the tool and operating the apparatus，is one of the key components of the robot. End-effector is a direct implementation of the device, it expand miracle job functions, application range and improve work efficiency has a significant impact, and a variety of robot end effector structure analysis of the research has a very important significance。
基于TRIZ理论的苹果采摘机器人末端执行器的设计
（1） 结构合理紧凑并且可靠性高就会给批量生产带来难
度，即可制造性（32）；
（2）执行器要尽可能做到适应复杂环境的采摘作业，可能
增加执行器机构的复杂程度，即装置的复杂性（36）。
以 上 两 类 条 件 通 用 工 程 参 数 为 27 、32 、35 、36 、39 ， 分 别 将
以上参数作为行、列建立矛盾矩阵列表[4]，如表2所示。
表2 执行器冲突矩阵
27
32
35
36
39
27
13、35、8、24 13、35、1 1、35、29、38
32
2、13、15
27、26、1 35、1、10、8
35 35、13、8、24 1、13、31
15、29、37、28 35、28、6、37
36 13、5、1 27、26、1、13 19、15、28、37
灵活程度高，结构设置合理紧凑，即结构的稳定性（39）；
（2）采摘作业往往时间长、任务紧，所以末端执行器必须
可靠性高，即可靠性（27）；
（3）为了节省资源，末端执行器的适用范围应该广泛，即
适应性及多用性（35）。
设计制作时在保证以上条件的过程中很有可能导致其他
性能有所下降，现将可能下降的性能总结如下：
Sheji yu Fenxi◆设计与分析
基于TRIZ理论的苹果采摘机器人末端执行器的设计
乔海龙 李卫国 王利利 （内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051）
摘 要：以苹果为采摘对象，研究苹果的物理性质，制定末端执行器的设计要求，阐述TRIZ理论的原理和方法，结合设计要求应用 TRIZ理论解决问题的方法合理安排末端执行器的设计流程，最终设计出符合要求的苹果采摘机器人末端执行器。
3.1末端执行器(手爪)20121010
喷气式吸盘
当压缩空气刚进入时，由于 喷嘴口逐渐缩小，致使气流 速度逐渐增加。当管路截面 收缩到最小处时，气流速度 达到临界速度，然后喷嘴管 路的截面逐渐增加，使与橡 胶皮碗相连的吸气口处，造 成很高的气流速度而形成负 压。
挤气式吸盘
（2）承托型手爪
承托是将物体放置在托架上，不需要握住，靠自重和托 架的构形，就可使物体定位并搬运到指定位置。
1、按夹持原理分
（1）吸盘式/吸着型 负压吸盘：真空式、喷气式、挤气式。 磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。 （2）承托型手爪 （3）悬挂型手爪 （4）手指式： 外夹式、内撑式、内外夹持式。 平移式、平动式、旋转式。 二指式、多指式。 单关节式、多关节式。
（1）吸着型手爪
吸式执行器是目前应用较多的一种执行器，特别是用于 搬运机器人。该类执行器可分磁吸和气吸两类。
3.1 末端执行器 （手爪）
张建瓴
末端执行器
末端执行器，又称为末端操作器、末端操作手，有时也称 为手部、手爪、机械手等。（机械手、机械臂往往混淆） 机器人的主要功能就是用“手爪”抓取物品，并对它进行 操作。
末端执行器多为形形色色的夹持器， 一般可以开合或吸放。 比如电焊、喷涂等用途的机器人， 其末端执行器即为焊钳和喷具。
末端执行器
末端执行器是装在机器人操作机的机械结口上，用于使 机器人完成作业任务而专门设计的装置。 末端执行器种类繁多，与机器人的用途密切相关，最常 见的有用于抓拿物件的夹持器；用于加工工件的铣刀、 砂轮和激光切割器；用于焊接、喷涂用的焊枪、喷具； 用于质量检测的测量头、传感器。
一般说来，一种新的作业需要一种新的末端执行器，而一 种新的末端执行器的出现又往往为机器人开辟一种新的应 用领域。
UTACH/MIT手爪
末端执行器的设计
末端执行器的设计末端执行器（End effector）是机器人系统中的最后一部分，它连接到机器人臂的末端，负责与环境进行交互和完成特定任务。
末端执行器的设计对于机器人的性能和功能起着至关重要的作用。
本文将探讨末端执行器的设计原则、常见类型以及相关应用。
1.末端执行器的设计原则：a.功能性：末端执行器应能够实现所需的任务。
不同的任务可能需要不同的末端执行器设计，如抓取器、钻头、喷涂器等。
b.灵活性：末端执行器应具备适应性和灵活性，可以适应不同的工件形状和尺寸，并能完成不同的操作。
c.高精度：末端执行器应具备高精度和稳定性，以确保任务能够以准确的方式完成。
d.安全性：末端执行器设计应考虑安全因素，以防止误操作或对人员和环境造成伤害。
2.常见类型的末端执行器：a.机械手爪：机械手爪是最常见的末端执行器之一，具备可调节的爪状结构，可以通过夹爪抓住和释放物体。
机械手爪可以根据抓取对象的形状和尺寸进行调整。
b.吸盘：吸盘末端执行器使用真空或气流来固定和释放物体。
它适用于平面或光滑工件的抓取任务，如玻璃板、金属板等。
c.刀具：刀具末端执行器可以用于加工、切割和打磨任务。
它们可以是旋转刀具、磨石或剪切器等。
d.喷嘴：喷嘴末端执行器用于涂覆、喷涂和喷射任务。
它们可以是喷枪、喷嘴或涂装墨斗等。
3.末端执行器的相关应用：a.工业自动化：末端执行器在工业自动化中广泛应用。
例如，机器人装配线上的机械手爪可以用来抓取和放置零件，以实现自动化装配。
b.医疗领域：末端执行器可以用于手术机器人和康复机器人中。
例如，手术机器人的末端执行器可以用于精确的手术操作，康复机器人的末端执行器可以用于辅助患者进行康复训练。
c.服务机器人：末端执行器可以用于服务机器人中，用于抓取和搬运物体，如无人送餐机器人或清洁机器人。
d.农业领域：末端执行器可以用于农业机器人中，用于收割、种植和灌溉等任务。
总结：末端执行器的设计在机器人系统中起着重要的作用。
《工业机器人技术基础》(第3章)
（a）
（b）
图3-12 磁吸式末端执行器的工作原理
1—线圈；2—铁芯；3—衔铁
3.1.4 专用工具
工业机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求装配各种专用的末端 执行器来执行各种动作。
这些专用工具可通过电磁吸盘式换接器快速地进行更换，形成一整套系列满足用户 的不同加工需求，如图3-13所示。
（a）
（b） 图3-31 三轮行走机构
（c）
2．四轮行走机构
四轮行走机构在工业机器人中的应用最为广泛，其可采用不同的方式实现驱动和转 向，如图3-32所示。其中，图3-32〔a〕所示为后轮分散驱动；图3-32〔b〕所示为四轮 同步转向机构，这种机构可实现更灵活的转向和较大的回转半径。
（a）
（b）
图3-32 四轮行走机构
3.4.3 轮式行走机构
轮式行走机构在工业机器人中应用十分普遍，其主要应用在平坦的地面上，如图330所示。车轮的结构、材料取决于地面的性质和车辆的承载能力。
图3-30 轮式行走机构在工业机器人中的应用
1．三轮行走机构
三轮行走机构稳定性较好，代表性的车轮配置方式是一个前轮、两个后轮，如图331所示。其中，图3-31〔a〕所示为两个后轮独立驱动，前轮仅起支承作用，通过后轮 速度差实现转向；图3-31〔b〕所示为前轮驱动，并通过前轮转向；图3-31〔c〕所示为 两后轮驱动并配有差动器，通过前轮转向。
3.3.3 臂部结构的设计
工业机器人臂部结构的设计具体设计要求有以下几点：
〔1〕臂部的结构应该满足工业机器人作业空间的要求。 〔2〕合理选择臂部截面形状，选用高强度轻质制造材料。工字形截面的 弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多， 所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。 〔3〕尽量减小臂部重量和整个臂部相对于转动关节的转动惯量，以减小 运动时的动载荷与冲击。 〔4〕合理设计臂部与腕部、机身的连接部位。臂部安装形式和位置不仅 关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响机器人的外观。
一种水果采摘机器人末端执行器
一种水果采摘机器人末端执行器一种水果采摘机器人的末端执行器随着科技的不断进步，机器人技术正在越来越广泛地应用于各种领域。
其中，水果采摘领域也不例外。
水果采摘机器人的末端执行器是实现采摘水果的关键部分，它能够通过精确的操作，快速、高效地完成水果采摘任务。
一、末端执行器的设计水果采摘机器人的末端执行器一般采用机械手或机器人手臂的设计。
它通常由多个关节组成，具有高度的灵活性和操作性。
末端执行器可以通过感应器来感知水果的位置和形状，并通过复杂的算法来确定最佳的采摘路径。
二、末端执行器的操作流程1、感应水果：末端执行器使用感应器来探测水果的位置和形状。
这些感应器可以是光学相机、红外相机或深度相机等。
通过对采集到的图像进行处理和分析，可以确定水果的精确位置和大小。
2、路径规划：一旦确定了水果的位置，末端执行器将通过复杂的算法计算出最佳的采摘路径。
这些算法通常考虑多种因素，如机械手的灵活性、水果的位置和形状等。
3、采摘水果：在规划好路径后，末端执行器将开始执行采摘操作。
它可以使用夹持器或剪刀等工具来抓住或切断水果的茎干。
在采摘过程中，末端执行器需要保证水果不受损伤，同时也要保证机械手的操作安全。
4、放置水果：一旦采摘完成，末端执行器将把水果放置到指定的位置。
这个位置可以是篮子、箱子或其他容器。
放置过程中，末端执行器需要保证水果的稳定性和整齐性，以便后续的处理和运输。
三、末端执行器的优势1、高效性：末端执行器可以快速、准确地完成采摘任务，大大提高了采摘效率。
2、准确性：通过感应器和算法的配合，末端执行器可以精确地定位水果的位置和形状，从而保证采摘的准确性。
水果采摘机器人末端执行器的研究进展随着现代农业技术的不断发展，自动化和机器人技术在农业生产中的应用越来越广泛。
其中，水果采摘机器人在提高生产效率、降低劳动成本、提升水果质量等方面具有明显优势。
然而，采摘水果的精度和效率在很大程度上取决于机器人末端执行器的设计和功能。
液压传动自动上料机械手结构设计
液压传动自动上料机械手结构设计液压传动自动上料机械手是一种用于工业生产线的自动化机器人，用于将原材料或零件从一个位置移动到另一个位置。
液压传动自动上料机械手具有强大的承载能力、高速运动和高精度定位的优点，适用于重型工件的搬运和装配。
下面将分析液压传动自动上料机械手的结构设计。
1.机械手的框架结构：2.液压系统：液压传动是液压传动自动上料机械手的核心部分。
液压系统由液压泵、液压缸、液压阀门等组成。
通过液压泵提供的压力，液压缸可以实现各种动作，例如伸缩、旋转、举升等。
液压阀门控制液压传动系统的流量和压力，实现机械手的各种动作和操作。
3.机械手臂的设计：机械手臂是液压传动自动上料机械手的关键组成部分。
机械手臂通常由多个关节连接而成，可以实现多自由度的运动。
机械手臂的关节通过液压缸驱动，使机械手能够完成各种复杂的动作和任务。
机械手臂材质需要具有足够的强度和刚度，同时要求尽量轻量化，以减少能量消耗和摩擦损失。
4.末端执行器的设计：末端执行器是液压传动自动上料机械手的末端装置，用于抓取、搬运或装配工件。
末端执行器通常由夹具、卡盘或吸盘等组成，具有可调节的抓取力和灵活的动作。
末端执行器需要与机械手臂的关节连接，同时能够快速、稳定地完成工件的抓取和释放。
5.控制系统：液压传动自动上料机械手的控制系统由电气控制和液压控制两部分组成。
电气控制系统包含传感器、电机、编码器和控制器等，用于实时监测和控制机械手的运动和状态。
液压控制系统包含液压泵、液压缸、液压阀门等，用于控制机械手的动作和操作。
综上所述，液压传动自动上料机械手的结构设计涉及框架结构、液压系统、机械手臂、末端执行器和控制系统等多个方面。
合理的结构设计可以提高机械手的稳定性、精度和可靠性，从而提高生产效率和产品质量。
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1末端执行器的设计
1.1末端执行器控制系统
如图1所示，为末端执行器控制系统的原理图，其工作原理是：由上位机接收来自传感器的信号，发出启动指令，启动指令驱动伺服电动机工作，带动执行机构工作，通过安装在手抓末端的传感器实时检测夹板的为止信息，将其反馈给上位机，在反馈信号的作用下，执行机构能够准确的到达指定位置。
在末端执行器定位完成后，末端执行器开始动作，旋转以及实现对物料的放置。
同时，在控制循环系统的作用下，不停地对物料进行有规律的码垛。
图1 末端执行器控制系统原理图
1.2末端执行器的选型
末端执行器是码垛机器人的一个非常重要的组成部分，它装在操作手腕的前端，用以直接抓取码垛物料，并进行移动和码垛。
根据被码垛物料的种类和形状，如码垛物料有箱形、袋形、圆形，因此，为了使用被码垛物料的要求，其末端执行器的结构也各不相同。
如图1所示，最左边的是叉形末端执行器，一般用于比较重、大的袋装物料（如肥料袋等）；中间的是真空吸盘形末端执行器，一般用于块状物料（如玻璃板等）；最右边的是夹板形末端执行器，一般用于尺寸较大的箱形、袋形物料（如冰箱包装箱等）。
图1 几种常见的末端执行器结构图
在本课题中，用到了第三种夹板型末端执行器，配合一个推臂用于装取袋装的码垛物料。
其优点在于：能够快速的完成物料的装取任务，方便接下来的搬运以及码垛任务，并且不会造成包装袋的损坏，避免了包装物料的流失，效率高，控制简单等。
从驱动方式上来看，末端执行器可以采用电力驱动、液压驱动以及气压驱动。
下面是几种驱动方式的优缺点。
电力驱动：精确度高，调速方便，但推力较小，大推力成本高。
液压驱动：体积小，调速方便，但系统成本高，可靠性差，维修保压麻烦。
气压驱动：成本低，动作可靠，不发热，无污染。
但推力偏小，不能实现精确的中间位置调节，通常是两个极限位置使用。
因为实际中，末端执行器抓取以及推臂的推送物料不需要太精确的过程控制，并且考虑到造价以及维修费用的问题，末端执行器一般选用气压驱动。
气压驱动系统通常由气缸、气阀、气动马达以及其他附件等组成。
1.2传感器系统
为了能够准确快速的完成码垛任务，机器人需要安装很多传感器来接收外部信号。
传感器是把非物理量（如化学量）转化成电量的电子器件或部件。
其作用是把非物理量转化成电量，便于后续用电子电路、计算机风处理，相当于电子设备的“感觉器官”，并且电量的数值跟被感知的物理量成一定的函数关系。
例如把压力转换成对应的电压、把光线转化成对应的电流等。
本课题研究的末端执行器所用的传感器分为内部传感器和外部传感器两类。
内部传感器用来检测自身状态的信息，主要是位置、速度、加速度等传感器，并且作为反馈信号构成伺服系统，完成物料的定位搬运。