機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

1、吉林化工學(xué)院文 獻(xiàn) 綜 述300X200X120物料機(jī)械手的設(shè)計(jì)300X200X120 Material mechanical arm design 性 質(zhì): R畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文教 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院系 別：機(jī)械電子工程系學(xué)生學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：吉國(guó)光專(zhuān)業(yè)班級(jí)：機(jī)自1102指導(dǎo)教師：王集思職 稱(chēng)：實(shí)驗(yàn)師起止日期：2015.3.12015.3.28吉 林 化 工 學(xué) 院Jilin Institute of Chemical Technology摘要：在工業(yè)生產(chǎn)中，為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用。工業(yè)機(jī)械手可以用于機(jī)床間傳送工件；各類(lèi)有自動(dòng)夾緊、進(jìn)刀、退刀和松開(kāi)的功能半自動(dòng)

2、車(chē)床，上下料操作；還可以用于對(duì)人體有害的工作環(huán)境。它具有對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、持久耐勞、動(dòng)作準(zhǔn)確、通用性好、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)。而工業(yè)機(jī)械手技術(shù)的高低更是一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志。工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)能較鮮明地體現(xiàn)機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)構(gòu)思。所謂機(jī)電一體化技術(shù)，是機(jī)械工程技術(shù)吸收微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、傳感技術(shù)等而形成的一種新的綜合集成技術(shù)。工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)更是對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用。本設(shè)計(jì)對(duì)程控通用機(jī)械手進(jìn)行了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算。分手部、手腕、手臂、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)五部分，每部分都對(duì)各部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了部件材料和器件的選擇。關(guān)鍵詞: 機(jī)械手；手部；手腕；手臂

3、引言： 在當(dāng)前的物料搬運(yùn)設(shè)備中，可分為對(duì)大型物件和對(duì)小型物件。這兩者的搬運(yùn)設(shè)備選擇主要針對(duì)搬運(yùn)設(shè)備能提起的重量。對(duì)于小型物件而言，又可分為不易損壞和易損壞兩個(gè)類(lèi)型。在之前的生產(chǎn)搬運(yùn)過(guò)程中，傳統(tǒng)的搬運(yùn)設(shè)備往往不能滿(mǎn)足易損壞物品的要求。 因?yàn)橐讚p壞的物品對(duì)搬運(yùn)設(shè)備的力度、精度、軌跡有著嚴(yán)格的控制，所以企業(yè)往往采用人工搬運(yùn)的方式。人工搬運(yùn)雖然可以滿(mǎn)足易損壞物件的安全，但是這種搬運(yùn)方式往往效率低，費(fèi)用高。這阻礙企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和提高自身競(jìng)爭(zhēng)力。但隨著20世紀(jì)50年代一種類(lèi)似于人手的機(jī)械手的興起， 給這種易損壞物品在搬運(yùn)方式上帶來(lái)全新的改變。機(jī)械手的靈活多變，精確度高深受企業(yè)的喜愛(ài)。 機(jī)械手現(xiàn)在應(yīng)用領(lǐng)域正

4、在不斷擴(kuò)大，在海洋開(kāi)發(fā)和宇宙探測(cè)有著十分出彩的變現(xiàn)。應(yīng)該說(shuō)，機(jī)械手正改變著傳統(tǒng)的搬運(yùn)方式。機(jī)械手是近年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，其中物料抓取機(jī)械手就是較為典型的一種機(jī)械手。要讓機(jī)器人像人一樣抓取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類(lèi)似手指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在物流快遞搬運(yùn)過(guò)程中，由于貨物尺寸變化較大，需要機(jī)械手能夠適應(yīng)不同物體的抓取需要，調(diào)整機(jī)械手的抓取運(yùn)動(dòng)幅度，基于此本文設(shè)計(jì)了一種多自由度機(jī)械手，滿(mǎn)足不同貨物的抓取需要。1.機(jī)械手的研究現(xiàn)狀 目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)機(jī)械手的發(fā)展定義三

5、代機(jī)械手。通過(guò)輸入相關(guān)程序，定義機(jī)械手的動(dòng)作，近而使機(jī)械手重復(fù)進(jìn)行作業(yè)的機(jī)械手稱(chēng)為第一代機(jī)械手。 在機(jī)械手的搬運(yùn)路徑過(guò)程中，安放不同的傳感器，利用傳感器傳遞的信息控制機(jī)械手稱(chēng)為第二代機(jī)械手。第三代機(jī)械手就是 “智能機(jī)器人”，盡管盡管歐美和日本等許多國(guó)家都投入了大量人力物力，但仍處于發(fā)展階段1。1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外的機(jī)械手在物料搬運(yùn)的應(yīng)用上發(fā)展的比較快。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出具有多個(gè)自由度且精度高的機(jī)械手。除了在物料搬運(yùn)方面，國(guó)外的機(jī)械手也應(yīng)用于點(diǎn)焊、噴漆等方面。目前在物料搬運(yùn)方面，主要是研究更加智能的機(jī)械手，使之具有感應(yīng)物件材料的能力，并能通過(guò)查找信息庫(kù)，自動(dòng)設(shè)定相應(yīng)的夾持方式和搬運(yùn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)

6、的高度自動(dòng)化。目前國(guó)外的機(jī)械手已經(jīng)向電子信息、航天航空、生物技術(shù)、深海探測(cè)等方面發(fā)展。除了在自由度方面的突破，現(xiàn)在的機(jī)械手的定位精度已經(jīng)可滿(mǎn)足微米甚至是亞微米級(jí)的要求。1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)機(jī)械手目前的發(fā)展還比較滯后。在物料搬運(yùn)領(lǐng)域中，主要還是依賴(lài)于國(guó)外的進(jìn)口。特別是在要求定位精度高的搬運(yùn)機(jī)械手。目前國(guó)內(nèi)的機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，國(guó)內(nèi)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式、定位精度大部分無(wú)法滿(mǎn)足易脆易損壞物品的需要2。2.物料搬運(yùn)機(jī)械手本物料搬運(yùn)機(jī)械手將適用于所設(shè)想的物料搬運(yùn)與管理系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，由于所設(shè)計(jì)的搬運(yùn)系統(tǒng)精度高、自動(dòng)化高，主要針對(duì)昂貴的易損、易摔的物品，如花瓶

7、古董、工藝品。該系統(tǒng)主要將之前的研究成果與物料管理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，使企業(yè)在物料管理上自動(dòng)化程度大大提高，對(duì)提高搬運(yùn)效率和降低出錯(cuò)率，減少工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高搬運(yùn)調(diào)度管理水平具有重要作用。對(duì)類(lèi)似于物料搬運(yùn)與管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有重要借鑒作用。這個(gè)系統(tǒng)包括物料搬運(yùn)和物料管理兩個(gè)方面。其中機(jī)械手裝置是整個(gè)系統(tǒng)的核心。其工作流程如下，首先通過(guò)檢測(cè)物料獲得相應(yīng)的物料信息，通過(guò)物料信息確定物料是否需要進(jìn)行再包裝。在通過(guò)查找物料搬運(yùn)信息庫(kù)，確定物料的搬運(yùn)方式，近而設(shè)定機(jī)械手的工作參數(shù)。針對(duì)于設(shè)計(jì)的物料搬運(yùn)機(jī)械手不僅要滿(mǎn)足機(jī)械手搬運(yùn)物件的基本要求，更是要與存放物料的倉(cāng)庫(kù)管理方式相適應(yīng)。物料搬運(yùn)機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)的功能應(yīng)

8、有：在本系統(tǒng)中給機(jī)械手提供四個(gè)自由度的選擇，可根據(jù)實(shí)際物料情況選擇自由度；利用傳感器掃描物料，獲得物料的基本特征（形狀、尺寸、重量、材料等）；提供物料是否在加工包裝確定；提供物料信息庫(kù)查詢(xún)和搬運(yùn)物料方式信息庫(kù)查詢(xún)；提供二維碼生成服務(wù)，即給掃描后的物料根據(jù)其特征由物料搬運(yùn)方式信息庫(kù)生成相應(yīng)信息的二維碼； 提供機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)抓取物件的選擇（夾持型、托持型、吸附型）；提供機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇（根據(jù)精度和重量選擇液壓、氣壓、電氣、機(jī)械驅(qū)動(dòng)）；提供機(jī)械手控制方式工作順序和運(yùn)動(dòng)速度的選擇；提供機(jī)械手控制方式選擇（點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制）。物料搬運(yùn)機(jī)械手各部分的說(shuō)明如下：2.1 執(zhí)行部分執(zhí)行部分主要由手部、

9、手臂、軀干組成。其中在手部中，手指的關(guān)節(jié)由電機(jī)帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在手指處裝有傳感器當(dāng)檢測(cè)到三個(gè)手指都已經(jīng)夾持住物件，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。執(zhí)行部分能實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作應(yīng)包括水平伸出、夾持物件、豎直上升、豎直下降、順向轉(zhuǎn)動(dòng)、逆向轉(zhuǎn)動(dòng)、松開(kāi)物件等動(dòng)作3。2.2 驅(qū)動(dòng)部分機(jī)械手常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。在選擇的過(guò)程中，更根據(jù)物件的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)方式。重量大、抓取速度快的東西采用液壓、體積大、堅(jiān)固的東西采用氣壓、精度高的東西選擇電氣驅(qū)動(dòng)、動(dòng)作要求可靠，成本低的東西選用機(jī)械驅(qū)動(dòng)4。2.3 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是物料搬運(yùn)機(jī)械手的核心部分。本系統(tǒng)主要可根據(jù)機(jī)械手本身的裝置（傳感器、光電增碼器、旋轉(zhuǎn)編

10、碼器、伺服電機(jī)）選擇機(jī)械手的工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度、加減速度、點(diǎn)位或連續(xù)控制。其中運(yùn)動(dòng)速度和定位精度是搬運(yùn)過(guò)程中的重要參數(shù)。運(yùn)動(dòng)速度過(guò)低，無(wú)法保證機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)范圍。運(yùn)動(dòng)速度過(guò)高，無(wú)法保證機(jī)械手搬運(yùn)物料的平穩(wěn)性。定位精度過(guò)低，無(wú)法保證物料搬運(yùn)位置的準(zhǔn)確性。 定位精度過(guò)高，會(huì)使搬運(yùn)的成本提高， 降低企業(yè)的利潤(rùn)5。2.4 機(jī)械手工作過(guò)程按復(fù)位按扭后，PLC控制轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)、橫軸和豎軸步進(jìn)電機(jī)使機(jī)械手運(yùn)行到初始位置。按啟動(dòng)按扭后，PLC控制轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)底盤(pán)光電傳感器記數(shù)到達(dá)設(shè)定位置后驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)反轉(zhuǎn)，運(yùn)行到設(shè)定位置1后，PLC控制橫軸和豎軸步進(jìn)電機(jī)，橫軸通過(guò)PLC內(nèi)部脈沖記

11、數(shù)， 豎軸通過(guò)豎軸光電傳感器記數(shù)，運(yùn)行到設(shè)定位置2后，PLC控制單向電控閥使手爪抓緊物料，手爪電機(jī)正轉(zhuǎn)若干秒之后，PLC控制橫軸和豎軸電機(jī)按原路線(xiàn)返回到設(shè)定位置1后松開(kāi)物料，PLC控制手爪電機(jī)反轉(zhuǎn)若干秒后又按原路運(yùn)行到位置2搬運(yùn)第2個(gè)物料到位置1，結(jié)束以后機(jī)械手運(yùn)行到初始位置0，一個(gè)循環(huán)結(jié)束。在搬運(yùn)的過(guò)程中有4個(gè)接近開(kāi)關(guān)實(shí)時(shí)檢測(cè)障礙物信號(hào)，如遇到障礙物，馬上改變運(yùn)行路線(xiàn)以避開(kāi)障礙物6。2.5機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)物料抓取機(jī)械手主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。機(jī)械手的水平工作空間為6.8m6.8 m，待抓取貨物垂直運(yùn)動(dòng)位移為2m，基于此設(shè)計(jì)各部件的外廓尺寸，本文所設(shè)計(jì)的物料抓取機(jī)械手執(zhí)

12、行機(jī)構(gòu)主要由工作臺(tái)、底座總成、旋轉(zhuǎn)臺(tái)總成、連桿、中臂和手爪等組成.底座總成固定在工作臺(tái)上，通過(guò)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)總成實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)總成在水平面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)主電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)大臂的前后傾斜運(yùn)動(dòng)， 通過(guò)副電動(dòng)推桿帶動(dòng)副連桿和主連桿，使機(jī)械手靠近待抓取的貨物，小臂和中臂之間通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)小臂的伸縮和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)整小臂相對(duì)貨物的位置，手爪總成和小臂之間通過(guò)電機(jī)，調(diào)整小臂和手爪座之間的夾角。由于要抓取的貨物尺寸大小并不固定，但形狀均為長(zhǎng)方體，因此可以通過(guò)手爪電動(dòng)推桿伸長(zhǎng)量的調(diào)整，來(lái)控制左右手爪的相對(duì)位置，滿(mǎn)足不同尺寸貨物的夾持需要，同時(shí)通過(guò)調(diào)整手爪電動(dòng)推桿的驅(qū)動(dòng)力矩大小實(shí)現(xiàn)不同夾持力矩

13、的控制，既可以避免貨物夾不緊而導(dǎo)致的脫落，也可以避免因?yàn)閵A持力矩過(guò)大，造成的貨物損壞7。3.結(jié) 語(yǔ) 未來(lái)的物料搬運(yùn)機(jī)械手將朝重復(fù)高精度、模塊化、無(wú)給油化、機(jī)電一體化這四個(gè)方向發(fā)展。重復(fù)高精度主要指的是在搬運(yùn)過(guò)程中機(jī)械手的定位精度?，F(xiàn)在的普遍機(jī)械手只有實(shí)現(xiàn)三四次的可靠定位。如果未來(lái)機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)多次可靠的定位精度，將極大地減少設(shè)備的維修和物料的二次搬運(yùn)。模塊化指的是未來(lái)機(jī)械手的搬運(yùn)裝置將各部分實(shí)現(xiàn)的相近功能為一個(gè)模塊。如在設(shè)想的機(jī)械手物料搬運(yùn)裝置過(guò)程中將分為四個(gè)模塊：物料信息采集模塊、物料再處理模塊、物料搬運(yùn)裝置模塊、搬運(yùn)裝置自檢測(cè)模塊。模塊化可以使得裝置的維修更加方便，更加高效。無(wú)給油化是為了適

14、應(yīng)搬運(yùn)要求更為嚴(yán)格的物料需要而產(chǎn)生的。在日常的搬運(yùn)過(guò)程中，有些物品如藥物、紡織等不能接觸油液。這使得需要油液潤(rùn)滑的裝置做出進(jìn)一步的改變。如果未來(lái)的物料搬運(yùn)機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)無(wú)給油潤(rùn)滑，那么將極大地豐富機(jī)械手的應(yīng)用范圍。機(jī)電一體化指的是將傳統(tǒng)的搬運(yùn)裝置與電氣、軟件、電子等高新裝置結(jié)合起來(lái)，提高機(jī)械手的自動(dòng)化程度，解放勞動(dòng)力的重復(fù)操作。物料搬運(yùn)是企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)，提高物料搬運(yùn)的自動(dòng)化對(duì)提高企業(yè)的自身競(jìng)爭(zhēng)力有重要的影響。在未來(lái)，將有更多的物料采用機(jī)械手進(jìn)行搬運(yùn)。這對(duì)于機(jī)械行業(yè)是個(gè)機(jī)遇， 也是個(gè)挑戰(zhàn)。參考文獻(xiàn)：1 菜自興.機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和戰(zhàn)略J.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001（4）：11-16.2

15、于靖軍,劉辛軍等.機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008(6):25-30.3 郭艷萍.基于PLC的工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)J.儀表技術(shù)與傳感器，2007（9）：31-32.4 李允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.43-50.5 日本三菱公司.三菱PLC編程說(shuō)明書(shū)Z.6 張平霞，朱永強(qiáng).鋼板彈簧抓取機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真J.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，2013.20-22.7 劉晉霞，張明明.基于Solid Works的裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)及仿真.2000.13-18.8 Chen C K, Freudenstein F. Tward a more exact kinemati

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17、ronic Proceedings (CD-ROM) of the IEEE International Conference on Mechatronics (ICM04), 3-5 June, 2004, Istanbul, Turkey.Abstract In order to raise work productivity and automation level, the recruit and use industry manipulator is extensively used in industry production. The industry manipulator c

18、an be used to convey the part between the machines. Various kind have voluntarily to nip tight and feeds and moving back knife and merit loosening can the semi-automatic lathe, and high and low operates by the material .Still can be used to the work in the environment what is harmful to the human bo

19、dy .The merits such as it possesses to environment adaptability strongly and lasting able to endure hardships and the action is accurate and the commonality is good and the flexibility is good etc. And the height of industry manipulator technology is the mark of nation industry development standard

20、.The design of industry manipulator can brighter embody the design conception of mechanical and electrical integration .The so-called mechanical and electrical integration technology, is the mechanical engineering technology absorb microelectronics and information processing technology and passes the sense techn