文献综述---机械手的设计与研究

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1、机械手的设计与研究机械手的设计与研究 1. 国内外研究现状国内外研究现状 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

2、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

3、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

4、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

5、 。 2研究研究方向方向 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

6、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