文獻(xiàn)綜述機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究1. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀機(jī)械手起源于20世紀(jì)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(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化設(shè)備3，也是典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。其中，通用機(jī)械手具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，程序多變，動(dòng)作靈活多變等特點(diǎn)，在中小批量的自動(dòng)化生產(chǎn)中得到大量應(yīng)用。近年來，在我國(guó)，隨著氣動(dòng)技術(shù)的迅速發(fā)展，氣動(dòng)元件及氣動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于機(jī)械手中，構(gòu)成了氣動(dòng)機(jī)械手。氣動(dòng)機(jī)械手的最大優(yōu)勢(shì)就是低成本，模塊化和集成化4。氣動(dòng)機(jī)械手包含感知部分，控制部分和主機(jī)部分三方面。采集感應(yīng)信號(hào)及控制信號(hào)均由智能閥島處理；氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)代替伺服電機(jī)，步進(jìn)馬達(dá)或液壓伺服系統(tǒng)；汽缸，擺

2、動(dòng)馬達(dá)完成原來由液壓缸或機(jī)械部分所做的執(zhí)行動(dòng)作。主機(jī)部分采用了標(biāo)準(zhǔn)型輔以模塊化的裝配形式，使得氣動(dòng)機(jī)械手能拓展成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。在國(guó)外，像日本，美國(guó)，德國(guó)等國(guó)家，以微型內(nèi)置伺服電機(jī)作為控制系統(tǒng)主動(dòng)力的精密機(jī)械手，則是世界自動(dòng)化領(lǐng)域中更深高次的發(fā)展。相對(duì)一般的工業(yè)領(lǐng)域機(jī)械手，這種精密型的機(jī)械手具有動(dòng)作精度高，體積相對(duì)小巧，高度智能化的特點(diǎn)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(shí)采摘等領(lǐng)域。由于這種類型的機(jī)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(dòng)型，每個(gè)關(guān)節(jié)都有獨(dú)立伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，這些伺服電機(jī)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(dá)到靈活多變的控

3、制要求?，F(xiàn)今使用的機(jī)械手主要可分為極坐標(biāo)型機(jī)械手和關(guān)節(jié)型機(jī)械手，這兩種機(jī)械手可以提供較大的工作空間6，恰好可以滿足一般的機(jī)械手在工作空間上的要求。韓國(guó)最早開發(fā)的用于果實(shí)采摘的極坐標(biāo)機(jī)械手臂，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以自由移動(dòng)，絲杠關(guān)節(jié)可以上下移動(dòng)，從而使作業(yè)空間達(dá)到3m7。日本東都大學(xué)也在20世紀(jì)80年代研制出了5自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手8。實(shí)驗(yàn)表明這種機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)空間上雖然沒有極坐標(biāo)機(jī)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(duì)簡(jiǎn)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(shì)910。京都大學(xué)在此基礎(chǔ)上又開發(fā)出了7個(gè)自由度的機(jī)械手11，解決了其相對(duì)極坐標(biāo)機(jī)械手在工作空間上不足的缺點(diǎn)，在關(guān)節(jié)

4、型機(jī)械手領(lǐng)域達(dá)到了一個(gè)更高的高度。機(jī)械手可以模仿人手的某些動(dòng)作和功能，用固定的程序和軌跡完成抓取、搬運(yùn)物件等操作。特別是在當(dāng)前勞工緊缺，勞動(dòng)力成本日益提高的社會(huì)背景下，機(jī)械手的使用可以替代人的繁重勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的同時(shí)也大大減少了企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)效益。同時(shí)，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(xiǎn)環(huán)境下，替代人類作業(yè)保護(hù)工人的人身安全，因而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能工業(yè)等部門12。2研究方向機(jī)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(shí)，不同的工作場(chǎng)合和不同的工作對(duì)象給機(jī)械手的研制特別是末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研制帶來了無限的空間和全新的挑戰(zhàn)

5、。機(jī)械手在某種程度和場(chǎng)合上代替了人類的大量工作，但是它的使用卻并沒有達(dá)到廣泛普及的程度，這主要是由于存在2個(gè)關(guān)鍵的問題14：一方面，機(jī)械手的智能化程度沒有達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的要求。工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)需要機(jī)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(gòu)買和研制機(jī)械手成本高，會(huì)加重企業(yè)的生產(chǎn)成本，而且其工作范圍較局限，機(jī)械手的使用效率并不高。現(xiàn)今機(jī)械手使用效率低的原因是其工作通用性不強(qiáng)，在使用上不夠靈活，更換工作場(chǎng)合甚至更換工作對(duì)象都需要對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)做出較大的改進(jìn)，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(jī)械手的操作動(dòng)作比較復(fù)雜的時(shí)候，由于機(jī)器人的自由度較多

6、，雖然運(yùn)動(dòng)靈活，但是對(duì)其的控制也愈困難，增加了研發(fā)的難度，對(duì)技術(shù)人員的要求較高。因此機(jī)械手必須具有以下的特征16：一方面要能夠準(zhǔn)確的定位和并抓牢物件，另一方面要能夠使機(jī)械手特別是手臂部分移動(dòng)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(qiáng)，可以使其應(yīng)用于不同場(chǎng)合和不同工作對(duì)象。2.1機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)裝置是帶動(dòng)機(jī)械手達(dá)到指定位置的動(dòng)力源。目前使用的主要有4種驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？紤]到提高效率的需要，機(jī)械手的動(dòng)作一般都需要快速、精確且平穩(wěn)，因此液壓或氣壓傳動(dòng)在這之中的應(yīng)用比較廣。相對(duì)而言，氣壓傳動(dòng)可避免油液泄露和減小壓力損失，節(jié)能，

7、高效且對(duì)環(huán)境污染小17，故選用氣壓傳動(dòng)的方式最為常見。2. 2 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)目前，應(yīng)用最多的機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)總體可分為三大類，滑塊連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)式積木機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)和純關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)。如圖1所示為滑塊連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂，其應(yīng)用最廣，如鏟車、吊車手臂都采用此類機(jī)構(gòu)18。其手臂采用平面內(nèi)3自由度滑塊連桿機(jī)構(gòu)，主要由1機(jī)座，2上臂氣缸，3下臂氣缸，4手腕氣缸和5末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其中B、C、D 3個(gè)關(guān)節(jié)組成平面內(nèi)的3個(gè)自由度，A為腰關(guān)節(jié)，構(gòu)成空間內(nèi)的第4個(gè)自由度。機(jī)械手的3個(gè)氣缸分別用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，通過氣缸內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的滑塊連桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)相應(yīng)的臂部做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

8、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(jì)控制部分時(shí)只需相應(yīng)設(shè)置相應(yīng)液壓缸的動(dòng)作即可，但機(jī)械手臂的動(dòng)作相對(duì)顯得有些束縛，不是很靈活19。圖1 滑塊連桿機(jī)構(gòu)機(jī)械手臂如圖2所示為氣動(dòng)積木式機(jī)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X方向移動(dòng)，垂直升降缸沿Y方向移動(dòng)，伸縮缸沿Z 軸方向伸縮和伸擺式氣缸繞Z 軸旋轉(zhuǎn)四個(gè)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(gè)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(dòng)作原理比較簡(jiǎn)單，X方向的移動(dòng)主要靠機(jī)械手工作臺(tái)的移動(dòng)來

9、實(shí)現(xiàn)，Y和Z方向的移動(dòng)則通過氣功的伸縮運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，滿足自由度要求的同時(shí)，簡(jiǎn)化了手臂結(jié)構(gòu)。圖2 氣動(dòng)積木式機(jī)械手臂如圖3所示為純關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)，由1機(jī)身、2肩關(guān)節(jié)、3肘關(guān)節(jié)、4腕擺動(dòng)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(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)部都有一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制其關(guān)節(jié)的動(dòng)作。圖3 純關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂機(jī)械手整機(jī)可分為機(jī)身、大臂、小臂(含手腕) 3部分21。機(jī)身與大臂、大臂與小臂、小臂與手腕有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以保證達(dá)到工作空間的任意位置，手腕中又有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺，以實(shí)現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài)。手腕的端部為一個(gè)法蘭，以連接末端操作器，這是一個(gè)通用性接口，以供用戶配置多個(gè)手部裝置或工具22。這種

10、手臂結(jié)構(gòu)和滑塊連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)型手臂類似，但缺少了連桿，動(dòng)作直接由內(nèi)部的步進(jìn)電機(jī)控制，機(jī)動(dòng)性和靈活性更強(qiáng)，但內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。2.3機(jī)械手機(jī)座結(jié)構(gòu)機(jī)座除了對(duì)機(jī)械手起到固定和支撐作用外，還要確保其腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。目前應(yīng)用最多的幾座分為固定式機(jī)座和移動(dòng)式機(jī)座兩種。固定式機(jī)座通常作為關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂等空間自由度較多且動(dòng)作相對(duì)靈活的機(jī)械手底座，通常只提供一個(gè)腰部的旋轉(zhuǎn)自由度。移動(dòng)式機(jī)座則通常作為積木式機(jī)械手臂等要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化且不需要太多自由度的機(jī)械手的底座，通常需要提供水平面上的兩個(gè)移動(dòng)自由度和繞的腰部旋轉(zhuǎn)一個(gè)自由度，這種結(jié)構(gòu)可以將本該設(shè)置在機(jī)械手臂上的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到機(jī)座中，有效簡(jiǎn)化機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使

11、控制和設(shè)計(jì)都更加簡(jiǎn)單。如圖4所示的腰部回轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為典型的固定式機(jī)座結(jié)構(gòu)23，其機(jī)身可做360度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力靠步進(jìn)電機(jī)供給。步進(jìn)電機(jī)的輸出軸接至渦輪蝸桿減速器的輸入端，可根據(jù)實(shí)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(zhǔn)確的傳動(dòng)比可保證機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的靈活性和準(zhǔn)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(dòng)力傳遞到頂端的機(jī)械手臂部分24，實(shí)現(xiàn)在空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的第4個(gè)自由度。這種座機(jī)結(jié)構(gòu)把主要的控制結(jié)構(gòu)都設(shè)在了機(jī)械手臂上，設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)較繁瑣，在裝吊場(chǎng)合如吊車機(jī)械臂等場(chǎng)合應(yīng)用較多。圖4 固定式腰部回轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖5 所示的移動(dòng)式車體機(jī)座是典型

12、的移動(dòng)式機(jī)座，和固定式機(jī)座相似，機(jī)身可做360度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力靠電機(jī)室里的電機(jī)通過十字聯(lián)軸器供給，但動(dòng)力的過度部分是普通的減速器結(jié)構(gòu)，同樣通過傳動(dòng)比來設(shè)置轉(zhuǎn)速，保證機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和靈活性。在基礎(chǔ)平臺(tái)上它多了滑輪和滑槽，分別為機(jī)械手提供水平面里X、Y方向的X向移動(dòng)和Y向移動(dòng)。采用這種機(jī)座的機(jī)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(jiǎn)化了手臂部分的設(shè)計(jì)，在室內(nèi)倉庫和生產(chǎn)流水線上應(yīng)用較多25。 圖5 移動(dòng)式車體機(jī)座2.4 機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械手能否完成抓取或其他作業(yè)動(dòng)作的關(guān)鍵部分，控制最為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)也最為精細(xì)緊湊，其基本機(jī)構(gòu)取決于工作對(duì)象的特性及工作方式26。選用或

13、設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器之前都需要預(yù)先考慮和分析操作對(duì)象的生物特性，機(jī)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(duì)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(jī)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(jī)構(gòu)此類末端執(zhí)行機(jī)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(dòng)滑塊活塞向下運(yùn)動(dòng)，滑塊的斜面和楔形快的楔形面接觸，并使楔形塊向兩邊運(yùn)動(dòng)，發(fā)生脹緊，從而抓起工件。放料時(shí)氣缸退回，為防止活塞和楔形快卡死，在活塞底部采用一個(gè)復(fù)位彈簧，使活塞在放氣后能自行退回。此類

14、機(jī)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(jì)可以和手臂部分的設(shè)計(jì)保持相對(duì)獨(dú)立，這樣就可以針對(duì)不同的工作對(duì)象設(shè)計(jì)不同的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)了機(jī)械手的通用性。如圖7所示的三只機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是典型的仿真型手指式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)有九個(gè)自由度，為關(guān)節(jié)式，各關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動(dòng)式，并在每個(gè)關(guān)節(jié)處配有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)精細(xì)而復(fù)雜28。在進(jìn)行抓取等操作動(dòng)作時(shí)，是靠三個(gè)指的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來完成操作，對(duì)控制系統(tǒng)的要求較高。圖7 三只機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)和它類似的還有五指機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這種仿真型手指式結(jié)構(gòu)所提供的動(dòng)作都比較精細(xì)，通常應(yīng)用在手術(shù)等復(fù)雜作業(yè)場(chǎng)合29，其設(shè)計(jì)對(duì)技術(shù)的要求也較高，是高科技領(lǐng)域的新型產(chǎn)品。一般

15、而言，手指的形狀和數(shù)量的設(shè)計(jì)要與具體的操作對(duì)象和作業(yè)任務(wù)有關(guān)，手指數(shù)量越多，操作動(dòng)作的精密性越好，但控制也越復(fù)雜。結(jié)束語機(jī)械手充分利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和自動(dòng)化技術(shù)，結(jié)構(gòu)愈加簡(jiǎn)單，功能更加強(qiáng)大，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求選擇相應(yīng)功能、參數(shù)和機(jī)構(gòu)模塊，像搭積木一樣進(jìn)行組合，靈活多變30。這是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，反應(yīng)了自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)發(fā)展方向。另外，氣動(dòng)技術(shù)在自動(dòng)化技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，也將逐漸貫徹于機(jī)械手的開發(fā)及應(yīng)用中。實(shí)踐證明，隨著自動(dòng)化水平的日益提高和普及，機(jī)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(jī)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(guó)對(duì)機(jī)械手精

16、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(jī)械手的具體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，各部位的驅(qū)動(dòng)，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。參考文獻(xiàn)（含開題報(bào)告和文獻(xiàn)綜述）1 江鵬. 無人車間的發(fā)展趨勢(shì)D. 山西. 山西電子科技大學(xué), 2007.2 李飛，王方建. 先進(jìn)制造技術(shù)的研究D. 天津. 南開大學(xué)濱海學(xué)院, 2003.3 張建民. 工業(yè)機(jī)器人M. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 1996. 4 陸鑫盛. 氣動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)M . 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2000.5 李洪劍. 西方機(jī)器人技術(shù)D. 哈爾濱. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2008.6 何存興. 液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)M. 武漢

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