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沈陽化工大學科亞學院畢業(yè)論文文獻綜述 三自由度全液壓機械手結構設計 班級 機制 1102 姓名 張鐸 指導老師 趙艷春 1 國內外研究現狀 機械手起源于 20 世紀 50 年代 是基于示教再現和主從控制方式 能適應 產品種類變更 具有多自由度動作功能的柔性自動化設備 也是典型機電一體 化產品 其中 通用機械手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中得到大量應用 在國外 像日本 美國 德國等國家 以微型內置伺服電機作為控制系統(tǒng) 主動力的精密機械手 則是世界自動化領域中更深高次的發(fā)展 相對一般的工 業(yè)領域機械手 這種精密型的機械手具有動作精度高 體積相對小巧 高度智 能化的特點 被廣泛應用于水下精密作業(yè) 人體內部手術作業(yè) 農業(yè)果實采摘 等領域 由于這種類型的機械手更突出的要求是精密型 故其整體結構為多關 節(jié) 多驅動型 每個關節(jié)都有獨立伺服電機作為驅動源 這些伺服電機則由軀 干內部的 PLC 等核心處理器做統(tǒng)一控制管理 以達到靈活多變的控制要求 現今使用的機械手主要可分為極坐標型機械手和關節(jié)型機械手 這兩種機 械手可以提供較大的工作空間 恰好可以滿足一般的機械手在工作空間上的要 求 韓國最早開發(fā)的用于果實采摘的極坐標機械手臂 旋轉關節(jié)可以自由移動 絲杠關節(jié)可以上下移動 從而使作業(yè)空間達到 3m 日本東都大學也在 20 世紀 80 年代研制出了 5 自由度關節(jié)型機械手 實驗表明這種機械手在運動空間上雖 然沒有極坐標機械手到位 且末端執(zhí)行器的可操作能力較低 但結構相對簡單 工作更加靈活 在不需要較復雜操作的工作環(huán)境下 體現出一定優(yōu)勢 京都大 學在此基礎上又開發(fā)出了 7 個自由度的機械手 解決了其相對極坐標機械手在 工作空間上不足的缺點 在關節(jié)型機械手領域達到了一個更高的高度 機械手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 搬運物件等操作 特別是在當前勞工緊缺 勞動力成本日益提高的社會背景下 機械手的使用可以替代人的繁重勞動 實現工業(yè)自動化的同時也大大減少了企 業(yè)的生產成本 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)保護工人的人身安全 因而 被廣泛應用于機械制造 冶金 電子 輕工和原子能工業(yè)等部門 2 研究方向 機械手的工作環(huán)境是非結構的開放系統(tǒng) 涉及到多門學科知識 不同的工 作場合和不同的工作對象給機械手的研制特別是末端執(zhí)行機構的研制帶來了無 限的空間和全新的挑戰(zhàn) 機械手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到廣泛普及的程度 這主要是由于存在 2 個關鍵的問 題 一方面 機械手的智能化程度沒有達到工業(yè)生產的要求 工業(yè)生產的特點 需要機械手具有相當高的智能和柔性作業(yè)的能力以適應復雜的非結構環(huán)境 另 一方面 購買和研制機械手成本高 會加重企業(yè)的生產成本 而且其工作范圍 較局限 機械手的使用效率并不高 現今機械手使用效率低的原因是其工作通用性不強 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機械手的結構和控制系統(tǒng)做出較大的 改進 加大了研發(fā)技術人員的工作量 也加大了研發(fā)成本 當機械手的操作動 作比較復雜的時候 由于機器人的自由度較多 雖然運動靈活 但是對其的控 制也愈困難 增加了研發(fā)的難度 對技術人員的要求較高 因此機械手必須具有以下的特征 一方面要能夠準確的定位和并抓牢物件 另一方面要能夠使機械手特別是手臂部分移動自如而不和物件或其他設備碰撞 使其結構緊湊 容易轉彎 再者 其通用性要強 可以使其應用于不同場合和 不同工作對象 2 1 機械手的驅動方式 驅動裝置是帶動機械手達到指定位置的動力源 目前使用的主要有 4 種驅 動方式 液壓驅動 氣壓驅動 直流電機驅動和步進電機驅動 考慮到提高效 率的需要 機械手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 故選用氣壓傳動的方式最為常見 2 1 機械手手臂結構 目前 應用最多的機械手的手臂結構總體可分為三大類 滑塊連桿機構的 關節(jié)型機械手臂結構 氣動式積木機械手臂結構和純關節(jié)型機械手臂結構 機械手整機可分為機身 大臂 小臂 含手腕 3 部分 機身與大臂 大臂 與小臂 小臂與手腕有 3 個旋轉關節(jié) 以保證達到工作空間的任意位置 手腕 中又有 3 個旋轉關節(jié) 腕轉 腕曲 腕擺 以實現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 這種手臂結構和滑塊連桿機構的關節(jié)型手臂類似 但缺少了連桿 動作直接由內部的步進電機控制 機動性和靈活性更強 但內 部控制結構相對復雜 2 3 機械手機座結構 機座除了對機械手起到固定和支撐作用外 還要確保其腰部的回轉運動 目前應用最多的幾座分為固定式機座和移動式機座兩種 固定式機座通常作為 關節(jié)型機械手臂等空間自由度較多且動作相對靈活的機械手底座 通常只提供 一個腰部的旋轉自由度 移動式機座則通常作為積木式機械手臂等要求結構簡 化且不需要太多自由度的機械手的底座 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一個自由度 這種結構可以將本該設置在機械手臂上的結 構轉移到機座中 有效簡化機械手的整體設計結構 使控制和設計都更加簡單 2 4 機械手末端執(zhí)行機構 機械手的末端執(zhí)行機構是機械手能否完成抓取或其他作業(yè)動作的關鍵部分 控制最為復雜 結構也最為精細緊湊 其基本機構取決于工作對象的特性及工 作方式 選用或設計末端執(zhí)行器之前都需要預先考慮和分析操作對象的生物特 性 機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 以避免碰 傷或損壞操作對象 目前使用最多的末端執(zhí)行器結構有卡盤式結構和仿真型手 指式結構 此類末端執(zhí)行機構適合于抓取環(huán)類或帶內孔的工件 主要靠氣壓推動滑塊 活塞向下運動 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 塞底部采用一個復位彈簧 使活塞在放氣后能自行退回 此類機構的功能主要 由腕臂末端的滑塊活塞和楔形塊完成 其設計可以和手臂部分的設計保持相對 獨立 這樣就可以針對不同的工作對象設計不同的末端執(zhí)行機構 增強了機械 手的通用性 結束語 機械手充分利用結構優(yōu)化設計和自動化技術 結構愈加簡單 功能更加強 大 可根據實際應用要求選擇相應功能 參數和機構模塊 像搭積木一樣進行 組合 靈活多變 這是一種先進的設計思想 反應了自動化技術在工業(yè)生產中 的一個發(fā)展方向 另外 氣動技術在自動化技術中的廣泛應用 也將逐漸貫徹 于機械手的開發(fā)及應用中 實踐證明 隨著自動化水平的日益提高和普及 機 械手在現代工業(yè)大生產的使用已經逐漸占據舉足輕重的地位 但就目前而言 機械手的應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機械 手精密操作這種高科技領域的研究與開發(fā)還很不成熟 在機械手的具體機構設 計 各部位的驅動 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 參考文獻 1 江鵬 無人車間的發(fā)展趨勢 D 山西 山西電子科技大學 2007 2 李飛 王方建 先進制造技術的研究 D 天津 南開大學濱海學院 2003 3 陸鑫盛 氣動自動化系統(tǒng)的優(yōu)化設計 M 上海 上海科學技術出版社 2000 4 張建民 工業(yè)機器人 M 北京 北京理工大學出版社 1996 5 李洪劍 西方機器人技術 D 哈爾濱 哈爾濱工業(yè)大學 2008 6 何存興 液壓傳動與氣壓傳動 M 武漢 華中科技大學出版社 2000 7 李壽剛 關節(jié)型機械手 M 北京 北京理工大學出版社 2002 8 左鍵民 液壓與氣壓傳動 M 北京 機械工業(yè)出版社 1996 9 朱春波 氣動關節(jié)型機械手 J 液壓氣動與密封 1999 10 何廣平 連桿型機械臂的線性分析 M 北京 機械工業(yè)出版社 2004 11 SMC 中國 有限公司 現代實用氣動技術 M 北京 機械工業(yè)出版社 1998 12 劉雙全 基于飛利浦 P8XC591 的 CAN 總線節(jié)點擴展 J 電子設計應用 2003