文獻(xiàn)綜述-機械手設(shè)計

1、機械手的設(shè)計與研究機械手的設(shè)計與研究1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀機械手起源于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］，也是典型機電一體化產(chǎn)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(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)用于機械手中，構(gòu)成了氣動機械手。氣動機械

2、手的最大優(yōu)勢就是低成本，模塊化和集成化［4］。氣動機械手包含感知部分，控制部分和主機部分三方面。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，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械部分所做的執(zhí)行動作。主機部分采用了標(biāo)準(zhǔn)型輔以模塊化的裝配形式，使得氣動機械手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)置伺服電機作為控制系統(tǒng)主動力的精密機械手，則是世界自動化領(lǐng)域中更深

3、高次的發(fā)展。相對一般的工業(yè)領(lǐng)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［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。由于這種類型的機械手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)都有獨立伺服電機作為驅(qū)動源，這些伺服電機則由軀干內(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)今使用的機械手主要可分為極坐標(biāo)型機械手和關(guān)節(jié)型機械手，這兩種機械手可

4、以提供較大的工作空間［6］，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(biāo)機械手臂，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)型機械手［8］。實驗表明這種機械手在運動空間上雖然沒有極坐標(biāo)機械手到位，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

5、方式：液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，直流電機驅(qū)動和步進(jìn)電機驅(qū)動?？紤]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(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?。?7］，故選用氣壓傳動的方式最為常見。2.2機械手手臂結(jié)構(gòu)機械手手臂結(jié)構(gòu)目前，應(yīng)用最多的機械手的手臂結(jié)構(gòu)總體可分為三大類，滑塊連桿機構(gòu)的關(guān)節(jié)型機械手臂結(jié)構(gòu)，氣動式積木機械手臂結(jié)構(gòu)和純關(guān)節(jié)型機械手臂結(jié)構(gòu)。如圖1所

6、示為滑塊連桿機構(gòu)的關(guān)節(jié)型機械手臂，其應(yīng)用最廣，如鏟車、吊車手臂都采用此類機構(gòu)［18］。其手臂采用平面內(nèi)3自由度滑塊連桿機構(gòu)，主要由1機座，2上臂氣缸，3下臂氣缸，4手腕氣缸和5末端執(zhí)行機構(gòu)組成。其中B、C、D3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。機械手的3個氣缸分別用液壓系統(tǒng)驅(qū)動，通過氣缸內(nèi)活塞的運動來驅(qū)動相應(yīng)的滑塊連桿機構(gòu)，帶動相應(yīng)的臂部做往復(fù)運動。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

7、，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，但機械手臂的動作相對顯得有些束縛，不是很靈活［19］。圖1滑塊連桿機構(gòu)機械手臂如圖2所示為氣動積木式機械手臂結(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