机器人夹爪类型，以及如何确定夹持力

末端执行器就是机器人

手臂是定位系统，按重复性、臂展、速度评分，那是手册上的数。但没人买机器人去定位空气——活永远是末端的东西干的，首次自制多数败在末端执行器。

本文按顺序做两个决策。先选类型，因为那是几何，约束之后一切。再配力，因为那是算术，只有一个公式。

四种类型

平行（双指）夹爪

两爪闭合保持平行，丝杠、齿条、剪叉连杆或双舵机驱动。

• 擅长： 有两大致平行面的东西。盒、块、瓶、PCB、多数台架零件。
• 不擅长： 球、锥、软塌塌、不能留印的东西。
• 人们选它因为： 能干活的最简单东西，爪位可预测，手臂自身标定传到零件上。
• 小心： 抓取线须落在两侧摩擦锥内，力封闭表明那是几何测试，加力过不了。

夹爪模拟器建模的就是它，因为几乎人人第一台做它。

张角（枢轴爪）夹爪

爪绕枢轴摆动而非平移。舵机舵盘直连一指是最便宜的夹爪，它就是张角式。

• 擅长： 小执行器换大开口，便宜，伸进杂乱料箱。
• 不擅长： 可预测。接触点随闭合沿指移动，力臂——从而夹持力——随物体宽度变。
• 坑： 按 40 mm 件配好力，拿起 20 mm 件力完全不同。按实际用的宽度量力臂。

真空（吸盘）夹爪

吸盘、密封、压差。力为 ΔP × A，密封好 60 kPa 下 30 mm 盘约提 42 N。

• 擅长： 平、滑、不透气、单面可达。板材、玻璃、盒、手机屏。快，单次便宜，温柔。
• 不擅长： 透气（纸板边、布、原木）、曲面、灰、油、打孔面。切向强度没值得依赖的——吸盘侧向剪掉远早于正拉掉。
• 坑： 按重量配、忘加速度，和下面一模一样，第一次快速运动零件自己从盘上发射。

柔性与自适应夹爪

打印柔性铰、fin-ray 手指、气囊、颗粒阻塞。手指顺应物体，而非物体顺应手指。

• 擅长： 不规则、娇嫩、每次形状不同的东西。果蔬、生物样本、每次形状都不同的任何东西。
• 不擅长： 精度。零件落在柔顺放的地方，不在你命令的地方。
• 刚性件也关它事因为： 柔顺让力窗口瞄得准。fin-ray 指是串联弹簧，把位置命令变成容差可用的力命令——见舵机夹爪力、堵转与柔顺。

选择

最常见错误是默认平行爪再和物体较劲。件是平的、够得着顶面，4 英镑吸盘加便宜气泵每个维度吊打打印夹爪。

配力

算术在此。摩擦夹持的机械夹爪，单爪所需夹持力：

F = m · (g + a) · SF / (μ · n)

加速度项不是选配

挥负载的手臂在工具处打出几个 g，抓取要扛挥舞而非抓取。算颗鸡蛋——58 g、μ 0.35、安全系数 2：

台架按 1.7 N 配的抓取，静态测试全过，0.9 s 抬升 40 ms 掉蛋——手臂还没走一厘米，读起来像“夹爪突然松手”而非配错。夹爪模拟器里拖抬升时间滑杆、其余不动，能看同样的故障。

不知道 a 就从真要走的运动拿。梯形或 S 形曲线直接给，a ≈ 4·d/t² 对行程 d、时间 t 的点到点运动是够用的包络。

算例：业余级手臂上的 200 g 零件

• m = 0.2 kg、μ = 0.4（TPU 垫对烤漆钢）、n = 2、SF = 2
• 运动：300 mm 用 0.6 s，a ≈ 4 × 0.3 / 0.36 ≈ 3.3 m/s²

F = 0.2 × (9.81 + 3.3) × 2 / (0.4 × 2) = 6.6 N per jaw

再对执行器能给的。SG90 在 30 mm 指上堵转 0.176 N·m 出 5.9 N，连续约 4.1 N——不够。按改动从小到大：力臂缩到 18 mm（堵转 9.8 N、连续 6.8 N），软垫提 μ，放慢运动，或换大舵机。夹爪模拟器实时权衡。

另两堵墙

夹持力有地板，也有两天花板，天花板把它从配算变成设计：

floor     m(g + a)·SF / (μ·n)        below this it slips
ceiling   min( F_crush , τ·k/L )     above this it is destroyed, or the servo gives up first

F_crush 是物体变形前承受的，量——厨房秤加几个祭天件进 20% 足够，胜过网上任何数。起点：草莓约 3 N，纸杯约 4 N，空 PET 瓶约 8 N，鸡蛋短轴约 30 N。

地板天花板之间是全部工程问题，常比以为的窄得多，再除手指刚度换毫米，常比舵机一档还窄——那时怎么设都不行。这就是下一篇，也是柔顺手指存在的理由。

吸盘配算，简版

走真空路线算术不同更简单：

F = ΔP · A · (1/SF)          A = π·d²/4 for a round cup

用像样的文丘里吸到低于大气 60 kPa，30 mm 盘理论 60000 × 0.000707 = 42 N。安全系数竖直取 2、水平取 4——吸盘剪切强度远低于正拉，坏在水平运动。漏比盘大重要：盘半出盒边不是强度减半，是不干活。

错误，按人们犯的顺序

1. 按重量配，不按运动配。 快臂上加速度项通常比重大。
2. μ 查表。 表假设干净干燥平整。用行李秤加斜坡量自己的。
3. 忘 n。 两接触分载；单 V 槽接触不分。
4. 按堵转扭矩设计。 舵机顶堵转烧，按约 70% 降额，见堵转讨论。
5. 压坏天花板碎了才想起。 地板天花板一起查，只查一半等于半台夹爪。
6. 几何问题加力治。 件滋出去是力封闭，挤不是修复。

下一步

• 摩擦、力封闭与为什么两接触是赌——加力过不了的几何测试
• 舵机夹爪力、堵转与柔顺——窗口、舵机档位，以及硬指为什么败
• 夹爪模拟器——拖上面的数看墙移动
• 取放状态机——夹爪调通后，外面时序