機械手文獻綜述

1、燕 山 大 學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）文獻綜述 課題名稱： 順序動作機械手 學院（系）： 機械工程學院 年級專業(yè)： 機電控制 學生姓名： 楊忠合 指導(dǎo)教師： 鄭曉軍 完成日期： 2014.03.25 一、課題國內(nèi)外現(xiàn)狀目前國內(nèi)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應(yīng)大力

2、研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。國外機械手在機械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3

3、M/S，量新產(chǎn)品達到6軸，負載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機械 手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。二、研究主要成果 機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。 搬運機械手仿真設(shè)計和制作，機械手的機械結(jié)構(gòu)主要包括由兩個

4、電磁閥控制的氣缸來實現(xiàn)機械手的上升下降運動及夾緊工件的動作，兩個轉(zhuǎn)速不同的電動機分別通過兩線圈控制電動機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)小車的進退運動，并利用ADAMS 軟件對搬運機械手進行建模，對其進行運動學及動力學仿真，檢查機械手在運動工作過程中的正確性和準確性，同時獲得各部件機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及其受力情況是否合理，為機械手設(shè)計提供參考。并在此基礎(chǔ)上成功研制出物理樣機，通過仿真設(shè)計提高了設(shè)計質(zhì)量并縮短了設(shè)計周期。 采摘機械手虛擬設(shè)計與仿真系統(tǒng)的研究，在產(chǎn)品虛擬設(shè)計與仿真系統(tǒng)的開發(fā)中，為了實現(xiàn)智能設(shè)計，虛擬設(shè)計與企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的協(xié)同性、同一性和可重用性，實體建模屬性的統(tǒng)一規(guī)范和標準定義十分必要。第一，首次提出和

5、制定了可以用于虛擬產(chǎn)品建模與仿真的命名規(guī)則標準，為虛擬機械產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。第二，構(gòu)建水果采摘機械手虛擬設(shè)計與仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，建立了機械手機構(gòu)設(shè)計模塊，它包括機構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計和知識重用；第三，構(gòu)建了機械手設(shè)計知識庫和三維仿真模塊；第四，已知機械手視覺獲取目標的三維坐標，用軟件實現(xiàn)反求機械手運動及其算法，并實現(xiàn)虛擬環(huán)境下的機械手對目標定位和采摘的三維仿真；第五，開發(fā)了水果采摘機械手虛擬設(shè)計與仿真系統(tǒng)。最后，通過三維仿真和實驗樣機對關(guān)鍵技術(shù)進行了驗證。工業(yè)機器人機械手設(shè)計，在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工

6、、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎(chǔ)。工業(yè)機器人多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置。機器人是一種具有人體上肢的部分功能工作程序固定的自動化裝置。機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。假肢用機械手的機構(gòu)設(shè)計與運動學分

7、析，一般而言,人們所稱的“手”有兩種意義,一是指整個的上肢,二是腕部到指尖的部分,也就是所謂的手部。人類的單只手臂以機械學的形式分析,可以用大約27 個自由度的連桿機構(gòu)來表示。但其中大約20 個自由度集中在手部1 。文中著重于假肢的手部設(shè)計。在假肢的手部應(yīng)用方面,目前主流的應(yīng)用是一種具有手形狀的假手,市場上銷售的假手大都已經(jīng)具有一個自由度,可以利用拇指、食指、中指進行三指的抓取動作,自由度位于手指的根部,手指本身并沒有關(guān)節(jié)。文中所設(shè)計的假手也有三個手指,除指根部的關(guān)節(jié)外,拇指另有一個關(guān)節(jié),其余二指有兩個關(guān)節(jié),而且假手的腕部有2 個自由度,可以完成腕部的屈伸和回轉(zhuǎn)。 水下機器人-機械手系統(tǒng)構(gòu)建與

8、研究，近年來, 隨著海洋資源開發(fā)和海洋科學研究需求的不斷提高, 人們對水下機器人的作業(yè)能力提出了挑戰(zhàn), 如進行定點取樣、水下結(jié)構(gòu)的建造與維護、管線鋪設(shè)、援潛救生以及軍事應(yīng)用等。水下機器人2機械手系統(tǒng)(U nderw aterV eh i2cle2M anipulato r System , UVM S) 是配備機械手的水下機器人系統(tǒng), 是水下作業(yè)系統(tǒng)的一個重要分支, 對其的科學和軍事、民用應(yīng)用研究逐漸受到重視。受水下機器人發(fā)展的影響, 早期的UVM S 研究主要集中于遙控水下機器人(ROV ) 與搭載的液壓機械手系統(tǒng)之間的研究, 隨著自主水下機器人技術(shù)的成熟, 研究熱點轉(zhuǎn)移至自治水下機器人2機

9、械手系統(tǒng)的研究上。如斯坦福大學開展的自治水下機器人(A utonomous U nderw ater V eh icles, AUV ) 與單關(guān)節(jié)機械手的協(xié)調(diào)控制研究1 , 日本開展的水下電動機械手與Tw in2Burger AUV 之間的控制技術(shù)研究2 , 另有部分單位對半自主作業(yè)型AUV 展開研究, 如夏威夷大學啟動的SAUV IM 3 (Sem i2A utonomousU nderw aterV eh icle fo r In2tervent ionM issions) 項目, 韓國海洋系統(tǒng)發(fā)展中心開展的半自主作業(yè)型水下機器人計劃, 法國Cyber2net ix 公司進行的輕作業(yè)型AU

10、V 開發(fā), 美國Woods Ho le 海洋學研究所著手研制的半自主作業(yè)型11 000 m 混合型遙控水下機器人4 , 均對半自主水下機器人系統(tǒng)進行載體和機械手的開發(fā)設(shè)計。3、 發(fā)展趨勢： 目前工業(yè)機械手的應(yīng)用逐步擴大，技術(shù)性能在不斷提高。由于發(fā)展時間較短，人們對它有一個逐步認識的過程，機械手在技術(shù)上還有一個逐步完善的過程，其目前的發(fā)展趨勢是：   (一)擴大機械手在熱加工行業(yè)上的應(yīng)用，   國內(nèi)機械手應(yīng)用在機械工業(yè)冷加工作業(yè)中的較多，而在鑄、鍛、焊、熱處理等 熱加工以及裝配作業(yè)等方面的應(yīng)用較少。因熱加工作業(yè)的物件重、形狀復(fù)雜、環(huán)境溫度高等，給

11、機械手的設(shè)計、制造帶來不少困難，這就需要解決技術(shù)上的難點，使機械手更 好地為熱加工作業(yè)服務(wù)。同時，在其它行業(yè)和工業(yè)部門，也將隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，而逐步擴大機械手的使用。   (二)提高工業(yè)機械手的工作性能   機械手工作性能的優(yōu)劣，決定著它能否正常地應(yīng)用于生產(chǎn)中。機械手工作性能中的重復(fù)定位精度和工作速度兩個指標，是決定機械手能否保質(zhì)保量地完成操作任務(wù)的關(guān)鍵因素。因此要解決好機械手的工作平穩(wěn)性和快速性的要求，除了從解決緩沖定位措施入手外，還應(yīng)發(fā)展?jié)M足機械手性能要求價廉的電液伺服閥，將伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于機械手上。   (

12、三)發(fā)展組合式機械手   從機械手本身的特點來說，可變程序的機械手更適應(yīng)產(chǎn)品改型、設(shè)備更新，多品種 小批量的要求，但是它的成本高，專用機械手價廉，但適用范圍又受到限制。因此，對一些特殊用途的場合，就需要專門設(shè)計、專門加工，這樣就提高了產(chǎn)品成本。為了適應(yīng) 應(yīng)用領(lǐng)域分門別類的要求，可將機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計成可以組合的型式。組合式機械手是將一些通用部件(如手臂伸縮部件，升降部件、回轉(zhuǎn)部件和腕部回轉(zhuǎn)、俯仰部份等>根據(jù)作 業(yè)的要求S選擇必要的能完成預(yù)定機能的單元部件，以機座為基礎(chǔ)進行組合，配上與其業(yè)的要求S選擇必要的能完成預(yù)定機能的單元部件，以機座為基

13、礎(chǔ)進行組合，配上與其相適應(yīng)的控制部分，即成為能完成特殊要求的機械手。它可以簡化結(jié)構(gòu)，兼顧了使用上的專用性和設(shè)計上的通用性，便于標準化、系列化設(shè)計和組織專業(yè)化生產(chǎn)，有利于提高機械手的質(zhì)量和降低造價，是一種有發(fā)展前途的機械手。  (四)研制具有“視覺和“觸覺”的所謂“智能機器人” 對于需用人工進行靈巧操作及需要進行判斷的工作場合，工業(yè)機械手很難代替人的勞動。如在工作過程中出現(xiàn)事故、障礙和情況變化等，機械手不能自動分辨糾正，而只能停機，待人們排除意外事故后才能繼續(xù)工作。因此，人們對機械手提出了更高的要求，希望使其具有“視覺”、“觸覺”等功能，使之對物件進行判斷、選擇，能連續(xù)調(diào)節(jié)以適應(yīng)變化的

14、條件，并能進行協(xié)調(diào)動作。這就需要一個能處理大量信息的計算機，要求人與機器“對話”進行信息交流。這種帶“視覺"、“觸覺”反饋的，由計算機控制的，具有人的部分“智能”的機械裝置稱為“智能機器人”。所謂“智能”，是包括。識別、學習、記憶、分析判斷的功能。四、存在問題 (一)應(yīng)具有足夠的握力(HP夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。   (二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角   兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進入或

15、脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。  (三)應(yīng)保證工件準確定位   為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。   (四)應(yīng)具有足夠的強度和剛度      手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，但出盡重儻玷嗣間早紫暌，目重輕，并使手部的

16、重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，使手指開閉角示意圖手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。   (五)應(yīng)考慮被抓取對象的要求   1抓取形狀手指形狀應(yīng)根據(jù)工件形狀而設(shè)計。如工件為圓柱形，則采用“V”形手指，圓球狀工件用圓弧形三指手指方料用平面形手指；細絲工件用尖指勾形或細齒鉗爪手指?？傊畱?yīng)根據(jù)工件形狀來選定手指形狀。   2抓取部位抓取部位的尺寸盡可能是不變的，若加工后尺寸有變化，手指應(yīng)能適應(yīng)尺寸變化的要求，否則不允許定為抓取部位。對于工件表面質(zhì)量要求高的，抓取時盡 量避開高質(zhì)量表面或在手指上加軟質(zhì)墊片(如橡皮、泡沫塑料、石棉襯墊等)以防夾持時損壞

17、工件。  3抓取數(shù)量若用一對手指抓取多個工件，為了不發(fā)生個別工件的松動或脫落現(xiàn) 象，在手指上可增加彈性襯墊，如橡皮、泡沫塑料等。  (六)應(yīng)考慮手指的多用性   手指是專用性較強的部件，為適應(yīng)小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求，可制成組合式的手指。對于這種手指要求結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便，更換簡便。五、主要參考文獻 1王建軍.搬運機械手仿真設(shè)計和制作，2012-9.2李明.單臂回轉(zhuǎn)式機械手設(shè)計，2004-9.3程明.彈簧式機械手設(shè)計原理，2005-12.4張軍.多工步搬運機械手設(shè)計，2000-4.5黃賢新.工業(yè)機器人機械手

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