9A文文獻綜述-機械手設(shè)計

1、MeiWei 81 重點借鑒文檔】機械手的設(shè)計與研究1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀機械手起源于 20 世紀 50 年代，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式，能適應(yīng)產(chǎn) 品種類變更， 具有多自由度動作功能的柔性自動化設(shè)備 3，也是典型機電一體化產(chǎn) 品。其中，通用機械手具有獨立的控制系統(tǒng)，程序多變，動作靈活多變等特點， 在中小批量的自動化生產(chǎn)中得到大量應(yīng)用。近年來，在我國，隨著氣動技術(shù)的迅速發(fā)展，氣動元件及氣動自動化技術(shù)已 經(jīng)越來越多的應(yīng)用于機械手中，構(gòu)成了氣動機械手。氣動機械手的最大優(yōu)勢就是 低成本，模塊化和集成化 4。氣動機械手包含感知部分， 控制部分和主機部分三方 面。采集感應(yīng)信號及控制信號均由智能閥島處理；氣

2、動伺服定位系統(tǒng)代替伺服電 機，步進馬達或液壓伺服系統(tǒng)；汽缸，擺動馬達完成原來由液壓缸或機械部分所 做的執(zhí)行動作。主機部分采用了標準型輔以模塊化的裝配形式，使得氣動機械手 能拓展成系列化和標準化的產(chǎn)品。在國外，像日本，美國，德國等國家，以微型 內(nèi)置伺服電機作為控制系統(tǒng)主動力的精密機械手，則是世界自動化領(lǐng)域中更深高 次的發(fā)展。相對一般的工業(yè)領(lǐng)域機械手，這種精密型的機械手具有動作精度高， 體積相對小巧，高度智能化的特點 5，被廣泛應(yīng)用于水下精密作業(yè)，人體內(nèi)部手 術(shù)作業(yè)，農(nóng)業(yè)果實采摘等領(lǐng)域。由于這種類型的機械手更突出的要求是精密型， 故其整體結(jié)構(gòu)為多關(guān)節(jié)、多驅(qū)動型，每個關(guān)節(jié)都有獨立伺服電機作為驅(qū)動源，

3、這 些伺服電機則由軀干內(nèi)部的 PLC 等核心處理器做統(tǒng)一控制管理，以達到靈活多變 的控制要求。現(xiàn)今使用的機械手主要可分為極坐標型機械手和關(guān)節(jié)型機械手，這兩種機械 手可以提供較大的工作空間 6，恰好可以滿足一般的機械手在工作空間上的要求。 韓國最早開發(fā)的用于果實采摘的極坐標機械手臂，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以自由移動，絲杠 關(guān)節(jié)可以上下移動，從而使作業(yè)空間達到 3m7。日本東都大學(xué)也在 20世紀 80 年 代研制出了 5 自由度關(guān)節(jié)型機械手 8。實驗表明這種機械手在運動空間上雖然沒 有極坐標機械手到位，且末端執(zhí)行器的可操作能力較低，但結(jié)構(gòu)相對簡單，工作 更加靈活，在不需要較復(fù)雜操作的工作環(huán)境下，體現(xiàn)出一定優(yōu)勢

4、910。京都大學(xué)MeiWei_81 重點借鑒文檔】【MeiWei_81 重點借鑒文檔】 在此基礎(chǔ)上又開發(fā)出了 7 個自由度的機械手 11，解決了其相對極坐標機械手在工 作空間上不足的缺點，在關(guān)節(jié)型機械手領(lǐng)域達到了一個更高的高度。 機械手可以模仿人手的某些動作和功能，用固定的程序和軌跡完成抓取、搬 運物件等操作。特別是在當(dāng)前勞工緊缺，勞動力成本日益提高的社會背景下，機 械手的使用可以替代人的繁重勞動，實現(xiàn)工業(yè)自動化的同時也大大減少了企業(yè)的 生產(chǎn)成本，提高企業(yè)效益。同時，由于它可在高溫、高壓、多粉塵、易燃易爆、 放射性等惡劣或危險環(huán)境下，替代人類作業(yè)保護工人的人身安全，因而被廣泛應(yīng) 用于機械制造、

5、冶金、電子、輕工和原子能工業(yè)等部門 12 。 2研究方向機械手的工作環(huán)境是非結(jié)構(gòu)的開放系統(tǒng) 13，涉及到多門學(xué)科知識，不同的工 作場合和不同的工作對象給機械手的研制特別是末端執(zhí)行機構(gòu)的研制帶來了無限 的空間和全新的挑戰(zhàn)。機械手在某種程度和場合上代替了人類的大量工作，但是 它的使用卻并沒有達到廣泛普及的程度，這主要是由于存在 2個關(guān)鍵的問題 14： 一方面，機械手的智能化程度沒有達到工業(yè)生產(chǎn)的要求。工業(yè)生產(chǎn)的特點需要機 械手具有相當(dāng)高的智能和柔性作業(yè)的能力以適應(yīng)復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境；另一方面， 購買和研制機械手成本高，會加重企業(yè)的生產(chǎn)成本，而且其工作范圍較局限，機 械手的使用效率并不高?，F(xiàn)今機械手使

6、用效率低的原因是其工作通用性不強，在使用上不夠靈活，更 換工作場合甚至更換工作對象都需要對機械手的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)做出較大的改 進，加大了研發(fā)技術(shù)人員的工作量，也加大了研發(fā)成本 15。當(dāng)機械手的操作動作 比較復(fù)雜的時候，由于機器人的自由度較多，雖然運動靈活，但是對其的控制也 愈困難，增加了研發(fā)的難度，對技術(shù)人員的要求較高。因此機械手必須具有以下的特征 16：一方面要能夠準確的定位和并抓牢物件， 另一方面要能夠使機械手特別是手臂部分移動自如而不和物件或其他設(shè)備碰撞， 使其結(jié)構(gòu)緊湊，容易轉(zhuǎn)彎；再者，其通用性要強，可以使其應(yīng)用于不同場合和不 同工作對象。2.1 機械手的驅(qū)動方式驅(qū)動裝置是帶動機械手達到

7、指定位置的動力源。目前使用的主要有 4 種驅(qū)動MeiWei_81 重點借鑒文檔】MeiWei 81 重點借鑒文檔】方式：液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，直流電機驅(qū)動和步進電機驅(qū)動。考慮到提高效率的 需要，機械手的動作一般都需要快速、精確且平穩(wěn)，因此液壓或氣壓傳動在這之 中的應(yīng)用比較廣。相對而言，氣壓傳動可避免油液泄露和減小壓力損失，節(jié)能， 高效且對環(huán)境污染小 17，故選用氣壓傳動的方式最為常見。2.2 機械手手臂結(jié)構(gòu) 目前，應(yīng)用最多的機械手的手臂結(jié)構(gòu)總體可分為三大類，滑塊連桿機構(gòu)的關(guān) 節(jié)型機械手臂結(jié)構(gòu)，氣動式積木機械手臂結(jié)構(gòu)和純關(guān)節(jié)型機械手臂結(jié)構(gòu)。如圖 1 所示為滑塊連桿機構(gòu)的關(guān)節(jié)型機械手臂，其應(yīng)用最廣，

8、如鏟車、吊車 手臂都采用此類機構(gòu) 18。其手臂采用平面內(nèi) 3 自由度滑塊連桿機構(gòu)，主要由 1 機 座， 2 上臂氣缸， 3 下臂氣缸， 4 手腕氣缸和 5 末端執(zhí)行機構(gòu)組成。其中 B、C、 D3 個關(guān)節(jié)組成平面內(nèi)的 3 個自由度， A 為腰關(guān)節(jié)，構(gòu)成空間內(nèi)的第 4 個自由度。 機械手的 3 個氣缸分別用液壓系統(tǒng)驅(qū)動，通過氣缸內(nèi)活塞的運動來驅(qū)動相應(yīng)的滑 塊連桿機構(gòu)，帶動相應(yīng)的臂部做往復(fù)運動。這種手臂結(jié)構(gòu)的控制均由相應(yīng)手臂部 分的液壓缸的活塞來完成，設(shè)計控制部分時只需相應(yīng)設(shè)置相應(yīng)液壓缸的動作即可， 但機械手臂的動作相對顯得有些束縛，不是很靈活 19。圖 1 滑塊連桿機構(gòu)機械手臂如圖2所示為氣動積木

9、式機械手臂結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)以升降缸作為手臂的支撐主 干，以伸擺式汽缸作為執(zhí)行部分的手臂結(jié)構(gòu)，具有水平無杠桿沿 R方向移動，垂直 升降缸沿 R方向移動，伸縮缸沿 Z軸方向伸縮和伸擺式氣缸繞 Z軸旋轉(zhuǎn)四個自由度。 由于手臂采用懸臂方式，活塞桿所承受的徑向彎曲力矩較大，為解決這個問題， 一般選用具有良好導(dǎo)向性能的高精度導(dǎo)軌型無桿缸和導(dǎo)向型伸縮缸 20。這種手臂 結(jié)構(gòu)動作原理比較簡單， R方向的移動主要靠機械手工作臺的移動來實現(xiàn)， R和 Z 方向的移動則通過氣功的伸縮運動來實現(xiàn)，滿足自由度要求的同時，簡化了手臂MeiWei_81 重點借鑒文檔】MeiWei 81 重點借鑒文檔】結(jié)構(gòu)圖 2 氣動積木式機械

10、手臂如圖3所示為純關(guān)節(jié)型機械手臂結(jié)構(gòu)，由 1機身、 2肩關(guān)節(jié)、 3肘關(guān)節(jié)、 4腕擺動 關(guān)節(jié)、 5臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和 6腕彎曲關(guān)節(jié)組成，每個關(guān)節(jié)內(nèi)部都有一臺步進電機控制其 關(guān)節(jié)的動作。圖3純關(guān)節(jié)型機械手臂機械手整機可分為機身、大臂、小臂 （含手腕 ）3部分21。機身與大臂、大臂與 小臂、小臂與手腕有 3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以保證達到工作空間的任意位置，手腕中又有 3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺，以實現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài)。手腕的端 部為一個法蘭，以連接末端操作器，這是一個通用性接口，以供用戶配置多個手 部裝置或工具 22。這種手臂結(jié)構(gòu)和滑塊連桿機構(gòu)的關(guān)節(jié)型手臂類似， 但缺少了連 桿，動作直接由內(nèi)部的步進電

11、機控制，機動性和靈活性更強，但內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)相 對復(fù)雜。2.3 機械手機座結(jié)構(gòu)機座除了對機械手起到固定和支撐作用外，還要確保其腰部的回轉(zhuǎn)運動。目 前應(yīng)用最多的幾座分為固定式機座和移動式機座兩種。固定式機座通常作為關(guān)節(jié) 型機械手臂等空間自由度較多且動作相對靈活的機械手底座，通常只提供一個腰MeiWei_81 重點借鑒文檔】MeiWei 81 重點借鑒文檔】部的旋轉(zhuǎn)自由度。移動式機座則通常作為積木式機械手臂等要求結(jié)構(gòu)簡化且不需 要太多自由度的機械手的底座，通常需要提供水平面上的兩個移動自由度和繞的 腰部旋轉(zhuǎn)一個自由度，這種結(jié)構(gòu)可以將本該設(shè)置在機械手臂上的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到機座 中，有效簡化機械手的整體設(shè)計結(jié)

12、構(gòu)，使控制和設(shè)計都更加簡單。如圖 4 所示的腰部回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)為典型的固定式機座結(jié)構(gòu) 23，其機身可做 360 度回轉(zhuǎn)運動，動力靠步進電機供給。步進電機的輸出軸接至渦輪蝸桿減速器的輸 入端，可根據(jù)實際需要選擇渦輪蝸桿的減速比。渦輪蝸桿一方面提供減速功能， 其準確的傳動比可保證機身回轉(zhuǎn)運動的靈活性和準確性；另一方面改變旋轉(zhuǎn)軸的 方向，使之由水平方向改為垂直方向，最終通過十字聯(lián)軸器將動力傳遞到頂端的 機械手臂部分 24，實現(xiàn)在空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的第 4 個自由度。這種座機結(jié)構(gòu)把主要的控 制結(jié)構(gòu)都設(shè)在了機械手臂上，設(shè)計思路簡單，但結(jié)構(gòu)較繁瑣，在裝吊場合如吊車圖 4 固定式腰部回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)如圖 5 所示的移動式

13、車體機座是典型的移動式機座，和固定式機座相似，機 身可做 360 度回轉(zhuǎn)運動，動力靠電機室里的電機通過十字聯(lián)軸器供給，但動力的 過度部分是普通的減速器結(jié)構(gòu)，同樣通過傳動比來設(shè)置轉(zhuǎn)速，保證機身回轉(zhuǎn)運動 的準確性和靈活性。在基礎(chǔ)平臺上它多了滑輪和滑槽，分別為機械手提供水平面 里 R、R 方向的 R 向移動和 R 向移動。采用這種機座的機械手把許多控制結(jié)構(gòu)都 設(shè)置在了小車的內(nèi)部，大大簡化了手臂部分的設(shè)計，在室內(nèi)倉庫和生產(chǎn)流水線上 應(yīng)用較多 25。MeiWei_81 重點借鑒文檔】MeiWei 81 重點借鑒文檔】圖 5 移動式車體機座2.4 機械手末端執(zhí)行機構(gòu)機械手的末端執(zhí)行機構(gòu)是機械手能否完成抓取

14、或其他作業(yè)動作的關(guān)鍵部分， 控制最為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)也最為精細緊湊，其基本機構(gòu)取決于工作對象的特性及工作 方式26。選用或設(shè)計末端執(zhí)行器之前都需要預(yù)先考慮和分析操作對象的生物特性， 機械特性或者理化特性，到目前為止，末端執(zhí)行器都是專用的27， 以避免碰傷或損壞操作對象。目前使用最多的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)有卡盤式結(jié)構(gòu)和仿真型手指式結(jié) 構(gòu)。如圖 6 所示的滑塊脹緊式末端執(zhí)行機構(gòu)是典型的卡盤式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和彈性 心軸類似，主要由楔形塊，滑塊活塞和復(fù)位彈簧組成。圖 6 滑塊脹緊式末端執(zhí)行機構(gòu)此類末端執(zhí)行機構(gòu)適合于抓取環(huán)類或帶內(nèi)孔的工件，主要靠氣壓推動滑塊活 塞向下運動，滑塊的斜面和楔形快的楔形面接觸，并使楔形塊向

15、兩邊運動，發(fā)生 脹緊，從而抓起工件。放料時氣缸退回，為防止活塞和楔形快卡死，在活塞底部 采用一個復(fù)位彈簧，使活塞在放氣后能自行退回。此類機構(gòu)的功能主要由腕臂末 端的滑塊活塞和楔形塊完成，其設(shè)計可以和手臂部分的設(shè)計保持相對獨立，這樣 就可以針對不同的工作對象設(shè)計不同的末端執(zhí)行機構(gòu)，增強了機械手的通用性。MeiWei_81 重點借鑒文檔】【MeiWei_81 重點借鑒文檔】如圖 7 所示的三只機械手末端執(zhí)行機構(gòu)是典型的仿真型手指式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu) 有九個自由度，為關(guān)節(jié)式，各關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動式，并在每個關(guān)節(jié)處配有相應(yīng)的驅(qū)動 裝置，結(jié)構(gòu)精細而復(fù)雜 28。在進行抓取等操作動作時，是靠三個指的協(xié)調(diào)運動來 完成操作

16、，對控制系統(tǒng)的要求較高。圖 7 三只機械手末端執(zhí)行機構(gòu)和它類似的還有五指機械手末端執(zhí)行機構(gòu)。這種仿真型手指式結(jié)構(gòu)所提供的 動作都比較精細，通常應(yīng)用在手術(shù)等復(fù)雜作業(yè)場合 29，其設(shè)計對技術(shù)的要求也較 高，是高科技領(lǐng)域的新型產(chǎn)品。一般而言，手指的形狀和數(shù)量的設(shè)計要與具體的 操作對象和作業(yè)任務(wù)有關(guān)，手指數(shù)量越多，操作動作的精密性越好，但控制也越 復(fù)雜。結(jié)束語 機械手充分利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和自動化技術(shù)，結(jié)構(gòu)愈加簡單，功能更加強大， 可根據(jù)實際應(yīng)用要求選擇相應(yīng)功能、參數(shù)和機構(gòu)模塊，像搭積木一樣進行組合， 靈活多變 30。這是一種先進的設(shè)計思想， 反應(yīng)了自動化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的一個 發(fā)展方向。另外，氣動技術(shù)

17、在自動化技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，也將逐漸貫徹于機械手 的開發(fā)及應(yīng)用中。實踐證明，隨著自動化水平的日益提高和普及，機械手在現(xiàn)代 工業(yè)大生產(chǎn)的使用已經(jīng)逐漸占據(jù)舉足輕重的地位。但就目前而言，機械手的應(yīng)用 主要停留在粗放型作業(yè)的環(huán)境中，這主要是由于世界各國對機械手精密操作這種 高科技領(lǐng)域的研究與開發(fā)還很不成熟，在機械手的具體機構(gòu)設(shè)計，各部位的驅(qū)動， 控制系統(tǒng)，甚至更高要求的傳感器選擇方面有待更深層次的研究。MeiWei_81 重點借鑒文檔】MeiWei_81 重點借鑒文檔】參考文獻(含開題報告和文獻綜述)1 江鵬.無人車間的發(fā)展趨勢 D. 山西.山西電子科技大學(xué) ,20RR.2 李飛，王方建 .先進制造技術(shù)

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