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本科畢業(yè)設(shè)計（論文）文獻(xiàn)綜述
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自動抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計
1. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
自動抓取機(jī)構(gòu)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，具有多自由度動作功能的柔性自動化設(shè)備［3］，也是典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。其中，通用自動抓取機(jī)構(gòu)具有獨立的控制系統(tǒng)，程序多變，動作靈活多變等特點，在中小批量的自動化生產(chǎn)中得到大量應(yīng)用。
近年來，在我國，隨著氣動技術(shù)的迅速發(fā)展，氣動元件及氣動自動化技術(shù)已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于自動抓取機(jī)構(gòu)中，構(gòu)成了氣動自動抓取機(jī)構(gòu)。氣動自動抓取機(jī)構(gòu)的最大優(yōu)勢就是低成本，模塊化和集成化［4］。氣動自動抓取機(jī)構(gòu)包含感知部分，控制部分和主機(jī)部分三方面。采集感應(yīng)信號及控制信號均由智能閥島處理；氣動伺服定位系統(tǒng)代替伺服電機(jī)，步進(jìn)馬達(dá)或液壓伺服系統(tǒng)；汽缸，擺動馬達(dá)完成原來由液壓缸或機(jī)械部分所做的執(zhí)行動作。主機(jī)部分采用了標(biāo)準(zhǔn)型輔以模塊化的裝配形式，使得氣動自動抓取機(jī)構(gòu)能拓展成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。在國外，像日本，美國，德國等國家，以微型內(nèi)置伺服電機(jī)作為控制系統(tǒng)主動力的精密自動抓取機(jī)構(gòu)，則是世界自動化領(lǐng)域中更深高次的發(fā)展。相對一般的工業(yè)領(lǐng)域自動抓取機(jī)構(gòu)，這種精密型的自動抓取機(jī)構(gòu)具有動作精度高，體積相對小巧，高度智能化的特點［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)果實采摘等領(lǐng)域。由于這種類型的自動抓取機(jī)構(gòu)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)動型，每個關(guān)節(jié)都有獨立伺服電機(jī)作為驅(qū)動源，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)到靈活多變的控制要求。
現(xiàn)今使用的自動抓取機(jī)構(gòu)主要可分為極坐標(biāo)型自動抓取機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)型自動抓取機(jī)構(gòu)，這兩種自動抓取機(jī)構(gòu)可以提供較大的工作空間［6］，恰好可以滿足一般的自動抓取機(jī)構(gòu)在工作空間上的要求。韓國最早開發(fā)的用于果實采摘的極坐標(biāo)自動抓取機(jī)構(gòu)臂，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以自由移動，絲杠關(guān)節(jié)可以上下移動，從而使作業(yè)空間達(dá)到3m［7］。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)型自動抓取機(jī)構(gòu)［8］。實驗表明這種自動抓取機(jī)構(gòu)在運(yùn)動空間上雖然沒有極坐標(biāo)自動抓取機(jī)構(gòu)到位，且末端執(zhí)行器的可操作能力較低，但結(jié)構(gòu)相對簡單，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［9］［10］。京都大學(xué)在此基礎(chǔ)上又開發(fā)出了7個自由度的自動抓取機(jī)構(gòu)［11］，解決了其相對極坐標(biāo)自動抓取機(jī)構(gòu)在工作空間上不足的缺點，在關(guān)節(jié)型自動抓取機(jī)構(gòu)領(lǐng)域達(dá)到了一個更高的高度。自動抓取機(jī)構(gòu)可以模仿人手的某些動作和功能，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，勞動力成本日益提高的社會背景下，自動抓取機(jī)構(gòu)的使用可以替代人的繁重勞動，實現(xiàn)工業(yè)自動化的同時也大大減少了企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)效益。同時，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
自動抓取機(jī)構(gòu)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，不同的工作場合和不同的工作對象給自動抓取機(jī)構(gòu)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)。自動抓取機(jī)構(gòu)在某種程度和場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個關(guān)鍵的問題［14］：一方面，自動抓取機(jī)構(gòu)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)的特點需要自動抓取機(jī)構(gòu)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，購買和研制自動抓取機(jī)構(gòu)成本高，會加重企業(yè)的生產(chǎn)成本，而且其工作范圍較局限，自動抓取機(jī)構(gòu)的使用效率并不高。
現(xiàn)今自動抓取機(jī)構(gòu)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，更換工作場合甚至更換工作對象都需要對自動抓取機(jī)構(gòu)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)自動抓取機(jī)構(gòu)的操作動作比較復(fù)雜的時候，由于機(jī)器人的自由度較多，雖然運(yùn)動靈活，但是對其的控制也愈困難，增加了研發(fā)的難度，對技術(shù)人員的要求較高。
因此自動抓取機(jī)構(gòu)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，另一方面要能夠使自動抓取機(jī)構(gòu)特別是手臂部分移動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)用于不同場合和不同工作對象。
2.1自動抓取機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式
驅(qū)動裝置是帶動自動抓取機(jī)構(gòu)達(dá)到指定位置的動力源。目前使用的主要有4種驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，直流電機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動?？紤]到提高效率的需要，自動抓取機(jī)構(gòu)的動作一般都需要快速、精確且平穩(wěn)，因此液壓或氣壓傳動在這之中的應(yīng)用比較廣。相對而言，氣壓傳動可避免油液泄露和減小壓力損失，節(jié)能，高效且對環(huán)境污染小［17］，故選用氣壓傳動的方式最為常見。
2. 2 自動抓取機(jī)構(gòu)手臂結(jié)構(gòu)
目前，應(yīng)用最多的自動抓取機(jī)構(gòu)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)型自動抓取機(jī)構(gòu)臂結(jié)構(gòu)，氣動式積木自動抓取機(jī)構(gòu)臂結(jié)構(gòu)和純關(guān)節(jié)型自動抓取機(jī)構(gòu)臂結(jié)構(gòu)。
如圖2-1所示為滑塊連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)型自動抓取機(jī)構(gòu)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個關(guān)節(jié)組成平面內(nèi)的3個自由度，A為腰關(guān)節(jié)，構(gòu)成空間內(nèi)的第4個自由度。自動抓取機(jī)構(gòu)的3個氣缸分別用液壓系統(tǒng)驅(qū)動，通過氣缸內(nèi)活塞的運(yùn)動來驅(qū)動相應(yīng)的滑塊連桿機(jī)構(gòu)，帶動相應(yīng)的臂部做往復(fù)運(yùn)動。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)計控制部分時只需相應(yīng)設(shè)置相應(yīng)液壓缸的動作即可，但自動抓取機(jī)構(gòu)臂的動作相對顯得有些束縛，不是很靈活［19］。
圖2-1 滑塊連桿機(jī)構(gòu)自動抓取機(jī)構(gòu)臂
如圖2-2所示為氣動積木式自動抓取機(jī)構(gòu)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，垂直升降缸沿Y方向移動，伸縮缸沿Z 軸方向伸縮和伸擺式氣缸繞Z 軸旋轉(zhuǎn)四個自由度。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)動作原理比較簡單，X方向的移動主要靠自動抓取機(jī)構(gòu)工作臺的移動來實現(xiàn)，Y和Z方向的移動則通過氣功的伸縮運(yùn)動來實現(xiàn)，滿足自由度要求的同時，簡化了手臂結(jié)構(gòu)。
圖2-2 氣動積木式自動抓取機(jī)構(gòu)臂
如圖2-3所示為純關(guān)節(jié)型自動抓取機(jī)構(gòu)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，每個關(guān)節(jié)內(nèi)部都有一臺步進(jìn)電機(jī)控制其關(guān)節(jié)的動作。
圖2-3 純關(guān)節(jié)型自動抓取機(jī)構(gòu)臂
自動抓取機(jī)構(gòu)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個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺，以實現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài)。手腕的端部為一個法蘭，以連接末端操作器，這是一個通用性接口，以供用戶配置多個手部裝置或工具［22］。這種手臂結(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，動作直接由內(nèi)部的步進(jìn)電機(jī)控制，機(jī)動性和靈活性更強(qiáng)，但內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。
2.3自動抓取機(jī)構(gòu)機(jī)座結(jié)構(gòu)
機(jī)座除了對自動抓取機(jī)構(gòu)起到固定和支撐作用外，還要確保其腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。目前應(yīng)用最多的幾座分為固定式機(jī)座和移動式機(jī)座兩種。固定式機(jī)座通常作為關(guān)節(jié)型自動抓取機(jī)構(gòu)臂等空間自由度較多且動作相對靈活的自動抓取機(jī)構(gòu)底座，通常只提供一個腰部的旋轉(zhuǎn)自由度。移動式機(jī)座則通常作為積木式自動抓取機(jī)構(gòu)臂等要求結(jié)構(gòu)簡化且不需要太多自由度的自動抓取機(jī)構(gòu)的底座，通常需要提供水平面上的兩個移動自由度和繞的腰部旋轉(zhuǎn)一個自由度，這種結(jié)構(gòu)可以將本該設(shè)置在自動抓取機(jī)構(gòu)臂上的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到機(jī)座中，有效簡化自動抓取機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)，使控制和設(shè)計都更加簡單。
如圖2-4所示的腰部回轉(zhuǎn)傳動機(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，動力靠步進(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)確的傳動比可保證機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動的靈活性和準(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)軸器將動力傳遞到頂端的自動抓取機(jī)構(gòu)臂部分［24］，實現(xiàn)在空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的第4個自由度。這種座機(jī)結(jié)構(gòu)把主要的控制結(jié)構(gòu)都設(shè)在了自動抓取機(jī)構(gòu)臂上，設(shè)計思路簡單，但結(jié)構(gòu)較繁瑣，在裝吊場合如吊車機(jī)械臂等場合應(yīng)用較多。
圖2-4 固定式腰部回轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)
如圖2-5 所示的移動式車體機(jī)座是典型的移動式機(jī)座，和固定式機(jī)座相似機(jī)身可做360度回轉(zhuǎn)運(yùn)動，動力靠電機(jī)室里的電機(jī)通過十字聯(lián)軸器供給，但動力的過度部分是普通的減速器結(jié)構(gòu)，同樣通過傳動比來設(shè)置轉(zhuǎn)速，保證機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動的準(zhǔn)確性和靈活性。在基礎(chǔ)平臺上它多了滑輪和滑槽，分別為自動抓取機(jī)構(gòu)提供水平面里X、Y方向的X向移動和Y向移動。采用這種機(jī)座的自動抓取機(jī)構(gòu)把許多控制結(jié)構(gòu)都設(shè)置在了小車的內(nèi)部，大大簡化了手臂部分的設(shè)計，在室內(nèi)倉庫和生產(chǎn)流水線上應(yīng)用較多［25］。
圖2-5 移動式車體機(jī)座
2.4 自動抓取機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)
自動抓取機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動抓取機(jī)構(gòu)能否完成抓取或其他作業(yè)動作的關(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)取決于工作對象的特性及工作方式［26］。選用或設(shè)計末端執(zhí)行器之前都需要預(yù)先考慮和分析操作對象的生物特性，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2-6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2-6 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，主要靠氣壓推動滑塊活塞向下運(yùn)動，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，發(fā)生脹緊，從而抓起工件。放料時氣缸退回，為防止活塞和楔形快卡死，在活塞底部采用一個復(fù)位彈簧，使活塞在放氣后能自行退回。此類機(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)計可以和手臂部分的設(shè)計保持相對獨立，這樣就可以針對不同的工作對象設(shè)計不同的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)了自動抓取機(jī)構(gòu)的通用性。
如圖2-7所示的三只自動抓取機(jī)構(gòu)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)有九個自由度，為關(guān)節(jié)式，各關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動式，并在每個關(guān)節(jié)處配有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，結(jié)構(gòu)精細(xì)而復(fù)雜［28］。在進(jìn)行抓取等操作動作時，是靠三個指的協(xié)調(diào)運(yùn)動來完成操作，對控制系統(tǒng)的要求較高。
圖2-7 三只自動抓取機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)
和它類似的還有五指自動抓取機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這種仿真型手指式結(jié)構(gòu)所提供的動作都比較精細(xì)，通常應(yīng)用在手術(shù)等復(fù)雜作業(yè)場合［29］，其設(shè)計對技術(shù)的要求也較高，是高科技領(lǐng)域的新型產(chǎn)品。一般而言，手指的形狀和數(shù)量的設(shè)計要與具體的操作對象和作業(yè)任務(wù)有關(guān)，手指數(shù)量越多，操作動作的精密性越好，但控制也越復(fù)雜。
３．結(jié)束語
自動抓取機(jī)構(gòu)充分利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和自動化技術(shù)，結(jié)構(gòu)愈加簡單，功能更加強(qiáng)大，可根據(jù)實際應(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)計思想，反應(yīng)了自動化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的一個發(fā)展方向。另外，氣動技術(shù)在自動化技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，也將逐漸貫徹于自動抓取機(jī)構(gòu)的開發(fā)及應(yīng)用中。實踐證明，隨著自動化水平的日益提高和普及，自動抓取機(jī)構(gòu)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，自動抓取機(jī)構(gòu)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對自動抓取機(jī)構(gòu)精密操作這種高科技領(lǐng)域的研究與開發(fā)還很不成熟，在自動抓取機(jī)構(gòu)的具體機(jī)構(gòu)設(shè)計，各部位的驅(qū)動，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。
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