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机械手的设计与研究1.国内外研究现状机械手起源于20世纪50年代，是基于示教再现和主从控制方式，能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化设备［3］，也是典型机电一体化产品。其中，通用机械手具有独立的控制系统，程序多变，动作灵活多变等特点，在中小批量的自动化生产中得到大量应用。近年来，在我国，随着气动技术的迅速发展，气动元件及气动自动化技术已经越来越多的应用于机械手中，构成了气动机械手。气动机械手的最大优势就是低成本，模块化和集成化［4］。气动机械手包含感知部分，控制部分和主机部分三方面。采集感应信号及控制信号均由智能阀岛处理；气动伺服定位系统代替伺服电机，步进马达或液压伺服系统；汽缸，摆动马达完成原来由液压缸或机械部分所做的执行动作。主机部分采用了标准型辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化和标准化的产品。在国外，像日本，美国，德国等国家，以微型内置伺服电机作为控制系统主动力的精密机械手，则是世界自动化领域中更深高次的发展。相对一般的工业领域机械手，这种精密型的机械手具有动作精度高，体积相对小巧，高度智能化的特点［5］，被广泛应用于水下精密作业，人体内部手术作业，农业果实采摘等领域。由于这种类型的机械手更突出的要求是精密型，故其整体结构为多关节、多驱动型，每个关节都有独立伺服电机作为驱动源，这些伺服电机则由躯干内部的PLC等核心处理器做统一控制管理，以达到灵活多变的控制要求。现今使用的机械手主要可分为极坐标型机械手和关节型机械手，这两种机械手可以提供较大的工作空间［6］，恰好可以满足一般的机械手在工作空间上的要求。韩国最早开发的用于果实采摘的极坐标机械手臂，旋转关节可以自由移动，丝杠关节可以上下移动，从而使作业空间达到3m［7］。日本东都大学也在20世纪80年代研制出了5自由度关节型机械手［8］。实验表明这种机械手在运动空间上虽然没有极坐标机械手到位，且末端执行器的可操作能力较低，但结构相对简单，工作更加灵活，在不需要较复杂操作的工作环境下，体现出一定优势［9］［10］。京都大学在此基础上又开发出了7个自由度的机械手［11］，解决了其相对极坐标机械手在工作空间上不足的缺点，在关节型机械手领域达到了一个更高的高度。机械手可以模仿人手的某些动作和功能，用固定的程序和轨迹完成抓取、搬运物件等操作。特别是在当前劳工紧缺，劳动力成本日益提高的社会背景下，机械手的使用可以替代人的繁重劳动，实现工业自动化的同时也大大减少了企业的生产成本，提高企业效益。同时，由于它可在高温、高压、多粉尘、易燃易爆、放射性等恶劣或危险环境下，替代人类作业保护工人的人身安全，因而被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能工业等部门［12］。2．研究方向机械手的工作环境是非结构的开放系统［13］，涉及到多门学科知识，不同的工作场合和不同的工作对象给机械手的研制特别是末端执行机构的研制带来了无限的空间和全新的挑战。机械手在某种程度和场合上代替了人类的大量工作，但是它的使用却并没有达到广泛普及的程度，这主要是由于存在2个关键的问题［14］：一方面，机械手的智能化程度没有达到工业生产的要求。工业生产的特点需要机械手具有相当高的智能和柔性作业的能力以适应复杂的非结构环境；另一方面，购买和研制机械手成本高，会加重企业的生产成本，而且其工作范围较局限，机械手的使用效率并不高。现今机械手使用效率低的原因是其工作通用性不强，在使用上不够灵活，更换工作场合甚至更换工作对象都需要对机械手的结构和控制系统做出较大的改进，加大了研发技术人员的工作量，也加大了研发成本［15］。当机械手的操作动作比较复杂的时候，由于机器人的自由度较多，虽然运动灵活，但是对其的控制也愈困难，增加了研发的难度，对技术人员的要求较高。因此机械手必须具有以下的特征［16］：一方面要能够准确的定位和并抓牢物件，另一方面要能够使机械手特别是手臂部分移动自如而不和物件或其他设备碰撞，使其结构紧凑，容易转弯；再者，其通用性要强，可以使其应用于不同场合和不同工作对象。2.1机械手的驱动方式驱动装置是带动机械手达到指定位置的动力源。目前使用的主要有4种驱动方式：液压驱动，气压驱动，直流电机驱动和步进电机驱动。考虑到提高效率的需要，机械手的动作一般都需要快速、精确且平稳，因此液压或气压传动在这之中的应用比较广。相对而言，气压传动可避免油液泄露和减小压力损失，节能，高效且对环境污染小［17］，故选用气压传动的方式最为常见。2.2机械手手臂结构目前，应用最多的机械手的手臂结构总体可分为三大类，滑块连杆机构的关节型机械手臂结构，气动式积木机械手臂结构和纯关节型机械手臂结构。如图1所示为滑块连杆机构的关节型机械手臂，其应用最广，如铲车、吊车手臂都采用此类机构［18］。其手臂采用平面内3自由度滑块连杆机构，主要由1机座，2上臂气缸，3下臂气缸，4手腕气缸和5末端执行机构组成。其中B、C、D3个关节组成平面内的3个自由度，A为腰关节，构成空间内的第4个自由度。机械手的3个气缸分别用液压系统驱动，通过气缸内活塞的运动来驱动相应的滑块连杆机构，带动相应的臂部做往复运动。这种手臂结构的控制均由相应手臂部分的液压缸的活塞来完成，设计控制部分时只需相应设置相应液压缸的动作即可，但机械手臂的动作相对显得有些束缚，不是很灵活［19］。图1滑块连杆机构机械手臂如图2所示为气动积木式机械手臂结构，这种结构以升降缸作为手臂的支撑主干，以伸摆式汽缸作为执行部分的手臂结构，具有水平无杠杆沿X方向移动，垂直升降缸沿Y方向移动，伸缩缸沿Z轴方向伸缩和伸摆式气缸绕Z轴旋转四个自由度。由于手臂采用悬臂方式，活塞杆所承受的径向弯曲力矩较大，为解决这个问题，一般选用具有良好导向性能的高精度导轨型无杆缸和导向型伸缩缸［20］。这种手臂结构动作原理比较简单，X方向的移动主要靠机械手工作台的移动来实现，Y和Z方向的移动则通过气功的伸缩运动来实现，满足自由度要求的同时，简化了手臂结构。图2气动积木式机械手臂如图3所示为纯关节型机械手臂结构，由1机身、2肩关节、3肘关节、4腕摆动关节、5臂旋转关节和6腕弯曲关节组成，每个关节内部都有一台步进电机控制其关节的动作。图3纯关节型机械手臂机械手整机可分为机身、大臂、小臂(含手腕)3部分［21］。机身与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有3个旋转关节，以保证达到工作空间的任意位置，手腕中又有3个旋转关节：腕转、腕曲、腕摆，以实现末端操作器的任意空间姿态。手腕的端部为一个法兰，以连接末端操作器，这是一个通用性接口，以供用户配置多个手部装置或工具［22］。这种手臂结构和滑块连杆机构的关节型手臂类似，但缺少了连杆，动作直接由内部的步进电机控制，机动性和灵活性更强，但内部控制结构相对复杂。2.3机械手机座结构机座除了对机械手起到固定和支撑作用外，还要确保其腰部的回转运动。目前应用最多的几座分为固定式机座和移动式机座两种。固定式机座通常作为关节型机械手臂等空间自由度较多且动作相对灵活的机械手底座，通常只提供一个腰部的旋转自由度。移动式机座则通常作为积木式机械手臂等要求结构简化且不需要太多自由度的机械手的底座，通常需要提供水平面上的两个移动自由度和绕的腰部旋转一个自由度，这种结构可以将本该设置在机械手臂上的结构转移到机座中，有效简化机械手的整体设计结构，使控制和设计都更加简单。如图4所示的腰部回转传动机构为典型的固定式机座结构［23］，其机身可做360度回转运动，动力靠步进电机供给。步进电机的输出轴接至涡轮蜗杆减速器的输入端，可根据实际需要选择涡轮蜗杆的减速比。涡轮蜗杆一方面提供减速功能，其准确的传动比可保证机身回转运动的灵活性和准确性；另一方面改变旋转轴的方向，使之由水平方向改为垂直方向，最终通过十字联轴器将动力传递到顶端的机械手臂部分［24］，实现在空间内旋转的第4个自由度。这种座机结构把主要的控制结构都设在了机械手臂上，设计思路简单，但结构较繁琐，在装吊场合如吊车机械臂等场合应用较多。图4固定式腰部回转传动机构如图5所示的移动式车体机座是典型的移动式机座，和固定式机座相似，机身可做360度回转运动，动力靠电机室里的电机通过十字联轴器供给，但动力的过度部分是普通的减速器结构，同样通过传动比来设置转速，保证机身回转运动的准确性和灵活性。在基础平台上它多了滑轮和滑槽，分别为机械手提供水平面里X、Y方向的X向移动和Y向移动。采用这种机座的机械手把许多控制结构都设置在了小车的内部，大大简化了手臂部分的设计，在室内仓库和生产流水线上应用较多［25］。图5移动式车体机座2.4机械手末端执行机构机械手的末端执行机构是机械手能否完成抓取或其他作业动作的关键部分，控制最为复杂，结构也最为精细紧凑，其基本机构取决于工作对象的特性及工作方式［26］。选用或设计末端执行器之前都需要预先考虑和分析操作对象的生物特性，机械特性或者理化特性，到目前为止，末端执行器都是专用的［27］，以避免碰伤或损坏操作对象。目前使用最多的末端执行器结构有卡盘式结构和仿真型手指式结构。如图6所示的滑块胀紧式末端执行机构是典型的卡盘式结构，其结构和弹性心轴类似，主要由楔形块，滑块活塞和复位弹簧组成。图6滑块胀紧式末端执行机构此类末端执行机构适合于抓取环类或带内孔的工件，主要靠气压推动滑块活塞向下运动，滑块的斜面和楔形快的楔形面接触，并使楔形块向两边运动，发生胀紧，从而抓起工件。放料时气缸退回，为防止活塞和楔形快卡死，在活塞底部采用一个复位弹簧，使活塞在放气后能自行退回。此类机构的功能主要由腕臂末端的滑块活塞和楔形块完成，其设计可以和手臂部分的设计保持相对独立，这样就可以针对不同的工作对象设计不同的末端执行机构，增强了机械手的通用性。如图7所示的三只机械手末端执行机构是典型的仿真型手指式结构，其结构有九个自由度，为关节式，各关节均为转动式，并在每个关节处配有相应的驱动装置，结构精细而复杂［28］。在进行抓取等操作动作时，是靠三个指的协调运动来完成操作，对控制系统的要求较高。图7三只机械手末端执行机构和它类似的还有五指机械手末端执行机构。这种仿真型手指式结构所提供的动作都比较精细，通常应用在手术等复杂作业场合［29］，其设计对技术的要求也较高，是高科技领域的新型产品。一般而言，手指的形状和数量的设计要与具体的操作对象和作业任务有关，手指数量越多，操作动作的精密性越好，但控制也越复杂。３．结束语机械手充分利用结构优化设计和自动化技术，结构愈加简单，功能更加强大，可根据实际应用要求选择相应功能、参数和机构模块，像搭积木一样进行组合，灵活多变［30］。这是一种先进的设计思想，反应了自动化技术在工业生产中的一个发展方向。另外，气动技术在自动化技术中的广泛应用，也将逐渐贯彻于机械手的开发及应用中。实践证明，随着自动化水平的日益提高和普及，机械手在现代工业大生产的使用已经逐渐占据举足轻重的地位。但就目前而言，机械手的应用主要停留在粗放型作业的环境中，这主要是由于世界各国对机械手精密操作这种高科技领域的研究与开发还很不成熟，在机械手的具体机构设计，各部位的驱动，控制系统，甚至更高要求的传感器选择方面有待更深层次的研究。参考文献（含开题报告和文献综述）[1]江鹏.无人车间的发展趋势[D].山西.山西电子科技大学,2007.[2]李飞，王方建.先进制造技术的研究[D].天津.南开大学滨海学院,2003.[3]张建民.工业机器人[M].北京:北京理工大学出版社,1996.[4]陆鑫盛.气动自动化系统的优化设计[M].上海:上海科学技术出版社,2000.[5]李洪剑.西方机器人技术[D].哈尔滨.哈尔滨工业大学,2008.[6]何存兴.液压传动与气压传动[M].武汉:华中科技大学出版社,2000.[7]STEVENM.SPANOandNIKOLAOSG.BOURBAKIS.DesignandImplementationofaLowCostMulti-FingeredRoboticHandUsingaMethodofBlocks[J].JournalofIntelligentandRobo