（机械工程专业论文）新型拟人机械手的设计与分析.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 在当今大规模制造中，企业为提高效率，保障质量，重视生产过程的自动化 程度，机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所采用。机器人的水 平和应用程度反映了一个国家工、i k 自动化的水平。 拟人化发展是机械手发展趋势之一。本课题所设计的拟人指关节适合目前机 械手的发展趋势，能够达到拟人仿真，工业应用等目的。首先通过分析对象应用 领域和工作要求，拟定符合要求的结构形式；其次，在满足系统功能并且适应工 况条件的情况下，分析拟人机械手的精度要求，从而得到拟人手爪的工作受力情 况、工艺尺寸和质量大小等参数；最后，在以上研究的基础上，对拟人机械手的 驱动方案和控制系统进行设计。在选取拟人机械手的关键零部件的过程中，优先 考虑标准零件，既简化了设计制造过程，又能满足专用零件的互换性要求。本文 设汁的拟人机械手是一种模拟人类工作的机械运动设备，可以改变动作程序的操 作设备，适用于运动频繁的场合。 论文首先介绍j ，拟人机械手的研究现状和发展趋势，分析了当前研究中存在 的一些问题，并根据研究需求，结合实际需要，提m 了课题的研究方法和实验步 骤。 其次，概述了机械手的定义和分类，详细地分析了常用机械手的几种类型和 对应自由度的选择。以球坐标机械手基本原理为参照，对拟人机械手进行总体设 计，包括传动机构设计、驱动方案设计和控制系统设计。 然后，进行了拟人机械手的运动学分析。在经典的dl i 矩阵的基础上，对拟 人机械手的关节和连杆添加了固有坐标系，并构建了拟人机械手的运动学方程。 求解了相应的关节变量，为机械手的运动控制提供了依据。 再次，利用a u t o c a d 软件对拟人机械手进行了二维装配图的绘制并用 s o lid w o r k s 软件对其三维模拟。对拟人机械手部分关键部件进行了分析和校核， 其中包括齿轮类零件、轴类零件和轴承类零件。 最后，通过s o l id w o r k s 与a n s y s 数据共享完成了拟人机械手关键部件中轴的 新型拟人机械手的设计与分析 静力学分析，并在w o r k b e n c h 的仿真环境中对直齿圆柱齿轮模拟齿轮啮合的接触 应力，验证了中轴和直齿圆柱齿轮均符合强度要求。 本文对拟人机械手进行了分析计算，研究结果表明：拟人机械手的设计正确 合理，符合实际应用要求，且关键零部件的力学性能可靠，达到了预期效果，为 后续拟人机械手的研制工作奠定了基础。 关键词：拟人机械手；球坐标机构；运动学分析；有限元分析 a b s t r a c t i nt h em a s sp r o d u c t i o n t h er o b o ta sa n i m p o r t a n tm e m b e ro fa u t o m a t e d p r o d u c t i o nl i n ew a sa d o p t e db ym o s tc o m p a n i e st oi m p r o v ee f f i c i e n c y , q u a l i t ya n d d e g r e eo fa u t o m a t i o n t h el e v e la n de x t e n to ft h er o b o th a n da p p l i c a t i o nr e f l e c t st h e l e v e lo fac o u n t r y si n d u s t r i a la u t o m a t i o nr o b o th a n di st h ei n e v i t a b l e p r o d u c to f m a n u f a c t u r i n g ，i th a sap a r to fa r m sf u n c t i o nt oi m i t a t eb o d yi na c c o r d a n c ew i t ht h e s c h e d u l e d r e q u i r e m e n t s t o h o l da n d d e l i v e r yw o r k p i e c e t h ed e s i g no f a n t h r o p o m o r p h i cf i n g e rj o i n t si n t r o d u c e di nt h i sp a p e rc o u l ds u i t a b l ef o rt h ec u r r e n t r e q u i r e m e n t so fa u t o m a t i cp r o d u c t i o n ，a n da c h i e v ea n t h r o p o m o r p h i cs i m u l a t i o na n d i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s t h e r ea r ed e s i g np r i n c i p l e so fa n t h r o p o m o r p h i cr o b o t ，s u c h a sa n a l y s i so p e r a t i o nt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h eo b j e c t ，d e v e l o pr a t i o n a lp r o c e d u r e s a n dp r o c e s s e s ，t om e e tt h e s y s t e m f u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t sa n de n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s ，c l e a rp o s i t i o n i n go fa c c u r a c y , c r a w l i n g t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f m o v e m e n t ，s i z ea n dq u a l i t yp a r a m e t e r s t h e nf u r t h e rd e f i n et h e s t r u c t u r ea n d r e q u i r e m e n t so fo p e r a t i o na n dc o n t r 0 1 u s et h es t a n d a r dp a r t s ，s i m p l i f yt h ep r o c e s so f d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，t a k ea c c o u n to fg e n e r a l i t ya n ds p e c i f i c i t y ，c o u l da c h i e v e f l e x i b l ec o n t r o lo fc o n v e r s i o na n dp r o g r a m m i n g t h ea n t h r o p o m o r p h i cr o b o th a n di n t h i sd e s i g ni sak i n do fs i m u l a t eh u m a n sm o v e m e n tm e c h a n i c a le q u i p m e n t s i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , i ti n t r o d u c e st h ec u r r e n c ys i t u a t i o n ，d e v e l o p m e n tt e n d e n c y a n dt h ec l a s s i f i c a t i o no fr o b o t ，a n dp o i n t so u tt h ep r o b l e m so fd e v e l o p m e n to fr o b o t t h e na c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d ，i tp r o p o s e st h em e t h o da n dt h ep r o g r e s so ft h e r e s e a r c h s e c o n d l y , i tg i v e st h ed e f i n i t i o na n dt h ec l a s s i f i c a t i o no ft h em a n i p u l a t o rr o b o t a n da n a l y z e st h ed i f f e r e n tt y p e so ft h em a n i p u l a t o rw i t hd i s c u s s i n gt h ec o r r e s p o n d i n g d e g r e e so ff r e e d o m b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h ep o l a rc o o r d i n a t em a c h i n es t r u c t u r e ， i td e s i g n st h en e wt y p ea n t h r o p o m o r p h i cm a n i p u l a t o r , i n c l u d i n gm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ， d r i v i n gm o d ea n dc o n t r o ls y s t e m 新型拟人机械手的设计与分析 t h i r d l y , i tc o n d u c t st h er e s e a r c ho ft h em o t i o ns y s t e mo ft h ea n t h r o p o m o r p h i c m a n i p u l a t o r b e s i d e s ，i tb u i l d st h ep o l ec o o r d i n a t es y s t e mo fm a n i p u l a t o rb yt h e c l a s s i ca l g o r i t h mo fd h ，t of i xt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dj o i n tv a r i a b l e s ，w h i c h c o n t r i b u t e st h ef o l l o w i n gr e s e a r c ha b o u ti t f i n a l l y , i td e p i c t e dt h ea c c u r a t em o d e lo ft h ea n t h r o p o m o r p h i cm a n i p u l a t o rw i t h t h eh e l po fa u t o c a da n ds o l i d w o r k ss o f t w a r e t h ec r i t i c a lp a r t sa r ev e r i f i e du n d e r t h ep r i n c i p l eo fm e c h a n i c a lt h e o r y , s u c ha st h es h a f tp a r t s ，g e a rs e t s ，b e a r i n g sa n ds o o n c o n n e c t i n gw i t ht h ea n s y s ，i ti sv e r i f i e dt h a tt h ec r i t i c a l s h a f ta n dg e a r sr e a c h t h er e q u i r e m e n t sb a s e do nt h ep r o p o s e da n t h r o p o m o r p h i cm a n i p u l a t o r i t a n a l y z e s t h es t r u c t u r eo fa n t h r o p o m o r p h i cm a n i p u l a t o ra n dv e r i f i e st h e r a t i o n a l i t yo fm a n i p u l a t o r ss t r u c t u r ea n da c c u r a c yo fk i n e m a t i c sa n dr e l i a b i l i t yo f m e c h a n i c a lp r o p e r t y t h ed e s i r e di sa t t a i n a b l ea n dr e l i a b l ef o rt h er e s e a r c hi nt h e f o l l o w i n g k e y w o r d s ：a n t h r o p o m o r p h i cm a n i p u l a t o r ；p o l a rc o o r d i n a t em e c h a n i s m ：k i n e m a t i c s a n a l y s i s ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s l v 江苏大学工程硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 在当今大规模制造中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产 过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所 认同并且采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家 工业自动化的水平，对于工业机械手的定义，我们一般可以认为它是类似于人体 上肢并且能够按照人们设定的程序要求完成各种操作命令的自动化设备，比如加 工车间的运送工件或上下料的机械手。机械手在工业生产领域有着重要的作用， 不仅实现生产的自动化，而且推动着工业技术不断改进和升级，是工业自动化领 域强有力的推动力。事实上，工业机械手的应用把人力从重复、繁重、单调的劳 动中解放出来，把艰苦的人力劳动转变为轻松的机械化操作，使 ：人的劳动条件 明显改善，同时，它不仅提高了工人生产技术水平，还提高了劳动生产率【。除 此之外，机械手的优越性还表现在它能够在超常的不适合人类活动的环境下正常 工作，比如极寒、超高温、高辐射和有毒污染等环境。这一点在保护人身安全的 前提下显得尤为重要，这使得机械手有着广阔的发展前景和实际的研究价值 2 1 。 1 2 拟人机械手的研究背景和研究现状 随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶 劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作 安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于 一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重型3 1 。这样可以避免一 些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。 同时，在经济全球化的影响之下，现代工业更多的是要面对十分激烈的市场 经济的竞争，产品的商业寿命正在不断地缩短，人们需求的种类也在不断的增加。 传统的制造生产模式显然很难适应现代化的市场需求。市场经济促使产品生产从 传统的单一品种、大批量生产逐步向多品种、4 , t t 量柔性化生产发展 4 】。工业机 新型拟人机械手的设计与分析 器人是制造系统中的重要设备，对于提高数控机床的柔性化生产具有重要作用。 而安装于机器人手臂末端的机器人末端执行器，作为机器人与环境相互作用的执 行部件，其性能的好坏在一定程度上决定了整个机器人的工作性能。因此，研究 新型的末端执行器具有很重要的意义。 工业机械手广泛应用于机械制造行业，主要服务于各种加工机床，其中包括 数控机床的上下料、运送工件、进库出库及工件分拣和堆叠任务；除此之外，还 有典型的焊接机械手、喷漆机械手等。一般来说，目前普通工业机械手需要依靠 事先设定的程序进行操作，借助于外部传感器，采集外部环境数据并根据反馈的 数据做出相应的调整，一般调整操作也是在设定程序范围之内。 应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器 的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现 工业生产机械化和自动化的步伐。 机械手技术是一门多专业交叉多学科集成的复杂技术，它融合了机械学、控 制理论、电气液自动化、计算机等科学技术。近些年，随着计算机技术、电子 技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，机械手已经成为工业生产中 提高劳动生产率的重要因素【5 】。 拟人机械手具有模仿人手操作的特点，i i j 4 时它也具有一般机械手的优点，比 如代替繁重、单调、重复的人工劳动；适用于在复杂恶劣的环境卜工作；提高生 产的自动化和机械化水平等。总的来说，拟人机械手具有类似人体上肢能够完成 固定操作命令的自动装置，因具有典型的机械手优势而广泛应用于机械制造、冶 金、电子、轻工和原子能等部门 6 1 。 早在2 0 世纪4 0 年代，机械手就被运用在美国的原子能实验中，代替人工作 业，作为搬运放射性物质的主要装置，从而保护人身安全不被伤害【7 。从此之后， 人们逐渐发挥机械手更多的用途，将它引入剑工业生产部门，尤其在高温或者高 污染等恶劣条件下进行材料的换取和装卸，也作为机床的辅助装置，在自动机床、 自动生产线和加工中心中使用。 机械手一般由本体和手爪组成。本体主要由连杆和各种运动副连接起来的机 械结构。运动副有低副和高副之分，低副包括简单的转动副、平面滑动副等，高 副主要有滚动副等。手爪也称为末端执行器，可以是连杆组合构件，也可以是简 江苏大学工程硕士学位论文 单的吸盘、磁铁等部件，它的结构形式必须与机械手所要执行的任务紧密相关并 由所执行的任务需要决定。手爪在机械手中处于最远端，同时也是与环境接触的 最近端。机械手的具体操作最终由手爪与环境问的相互作用完成。机械手的灵活 度与自由度有关，一般的专用机械手有2 - - 3 个自由度。事实上，自由度越多， 机械手的灵活性越大，通用性越广，结构也越复杂【引。 机械手的种类很多，按照驱动方式来分的话，可以分为液压式、气压式、电 控式和机械式；按照适用范围来分的话，町以分为专用型和通用型：如果按照运 动轨迹的控制方式来分，就可以分为点位控制式与连续轨迹控制式。机械手通常 用作机床或其他机器的附加装置，一般没有独立的控制装置。甚至有些操作装置 需要由人来直接操纵，如曾用了：原子能部门操持危险物品的主从式操作手。 拟人机械手的研究方法和手段主要包含f 的四个方面：( 1 ) 人手基本生 理结构的研究：( 2 ) 模拟人手的结构和功能：( 3 ) 拟人机械手的感知系统研究； ( 1 ) 拟人机械手控制方法的研究。 针对拟人机械手的研究内容，幽夕l - f l j 学者们栩继取得了重要的研究成果，一， 批著彩的多关节多指灵巧手问世。例如：美囤麻省理工学院和犹他大学于1 9 8 0 年联合研制成功j - u t a h m l t 手爪( 图1 1 ) ；美国斯坦福大学1 9 8 3 年研制成功 s t a n o r d j p l 多指灵巧手( 图1 2 ) 等h 。 图1 1u t a h + 7 m i t 四指手图1 2s t a n f o r d j p l 三指手 近些年，如t e t s u y am o u r i ，h a r u h i s ak a w a s a k i ，k e i s u k ey o s h i k a w a ，j u n t a k a i ，s a t o s h iit o 所在的团队开发的g jf ut l a n diii ，s u n g m o or y e w 和 h y o u k r y e o lc h o i 所开发的s k kr o b o th a n di 都充分考虑了拟人的性质，其中 6i f uh a n d iii 偏重于整个1 r 掌包括五指的整体运动和抓取，握紧，但是拟人程 新型拟人机械手的设计与分析 度不如s k kr o b o th a n di 。s k i ( r o b o th a n di 更偏重于研究关节组合的自由度 以及拟人程度，更值得指出的是s k kr o b o tt t a n di 中的两种手指( 拇指，食指) 是高度模块化的，虽然制成的模型只有1 个拇指和2 个食指，但是由于高度模块 化，食指的数量可以轻易的更改【1 0 】。 到目前为止，多指灵巧手的研究仍然是最多的，但是多指灵巧手在服务机器 人一卜一直没有得到广泛的应用，关键就在于多指灵巧手的传动依靠腱和滑轮或软 管，虽然质量和体积都相应变小，但是它结构因素导致负载能力差并且控制复杂。 虽然在研究中采用了新技术和新的方法，但是仍然没有改变其根本的驱动和传动 方式，还是不能克服本身的缺陷。为了解决传动出力小的问题，欠驱动手爪成为 目前机械手研究领域中的重要热点】。 “4 赞。7 i 。一j 图1 3 研究抓取运动的g i f ut l a n di i i 拟人手掌 图1 4 研究关节自山度设计的s k ki l a n d1 号手爪 4 江苏大学工程硕士学位论文 除此之外，在拟人机械手的研究中，为了解决每个自由度均需要单独驱动源 而导致结构臃肿庞大的问题，研究人员开发了一种新型肌肉驱动器【眩】。该新型肌 肉驱动器一种靠气压驱动的人工肌肉驱动器，它的主要原理来自于苏联的发明家 s 6 a r a s i e v 。他在1 9 3 0 年就提出将做成管状体的弹性材料一段固定并密封，从 管予的另外一端送入压缩的空气，在气压的作用下，管子会不断膨胀，从而管子 在径向扩张，在轴向收缩，就产生了轴向的牵引力带动负载运动。最早这一实验 的目的是用于医学研究，但是随着人们在机械手的不断创新和探索，现已经运用 于机器人末端执行器【i 副的设计与制造。 英国s h a d o w 公司就利用气动肌肉成功研制出了模块化的拟人机械手【1 4 1 ，如 图1 5 所示。它的尺寸差不多与人手相当，每处关节都装有霍尔传感器，能够模 拟人手的运动，运动速度差不多是人手常速的二分之一。整个拟人机械于掌全部 由塑料和金属做成【l5 l ，质量非常轻，只有3 9 千克，而其中却包含了4 0 多根的 小型高速开关阀。 ( a ) 拟人机械手( b ) 抓取模拟 图1 5s h a d o w 公司的拟人机械手 相比之下，国内学者对拟人机械手的研究二1 ：作仍显不足，我国的工业机器人 从2 0 世纪8 0 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、 “八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统 硬件和软件设计技术、运动分析技术和轨迹规划技术，研制出的机器人主要用于 执行搬运、装配、点焊、弧焊、喷漆等任务；其中在2 0 多家的企业大型自动喷 漆生产线上有将近1 3 0 多台的喷漆机器人，弧焊和电焊机器人在大型汽车制造焊 装线上得到使用。同前，我国有超过2 0 0 多家研发机器人的企业单位。在当今的 工业机器人市场上，主要有以下的具有自主研发特色的机器人制造单位，它们是 哈尔滨焊接研究所、昆明雕i 舶公司、大连组合机床所、安川北科公司、l 海富安 新型拟人机械手的设计与分析 工厂自动化公司、东风汽车公司等。在“九五”、“十五”期间，北京机械工业 自动化所、一汽集团涂装技术开发中心、四川绵阳四维焊接自动化设备有限公司、 上海机电一体工程有限公司、哈尔滨博实自动化设备有限责任公司、沈阳新松机 器人自动化股份有限公司也在国家的“8 6 3 ”高技术发展项目中被列为智能机器 人主题产业化基地。另外，一些科研院所和大学也均在进行机器人技术及应用项 目方面的研发工作引。 但是，与国外相比，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平还是有不小 的差距，主要表现在：可靠性和稳定性差；工程应用技术起步晚，领域狭窄；生 产自动化水平落后等。究其根本原因，是因为我国的机器人产业技术群比较落后， 突出表现在品种杂乱、质量不过关、零部件生产效率低下且通用性不够、研发成 本较高。为了改变这一产业化面临的巨大难题，我国积极实施改进计划推进产业 化进程，首先要做的就是全面规划和调整产品品种结构，拟定通用化和系列化的 产品布局。在我国“8 6 3 ”计划的带动下，智能机器人和特种机器人取得了相当 大的成果。我国自行研制的水下机器人尤其是水下无缆机器人处于世界领先水 平。在机器人的基础技术研究工作方面，我国也取得了不小的成绩，其中包括机 器人视觉、声觉、触觉的开发应用。但是，仍需努力的地方还有很多，比如多传 感信息融合技术、智能装配、遥控与局部自主控制等方面仍处于起步阶段，与国 外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成 系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”、“十一五”以后立于世界先进 行列之中【1 7j 。 清华大学机械工程系张文增，陈强，孙振国所在的小组设计了一种新型的机 械手t h 1 【l8 1 。该手上的电动机、减速器、驱动与控制电路等完全嵌入手掌之 中，在外观与尺寸上均与人手相似，具有质量轻、自由度少、控制简单、结构紧 凑、适应性强等特点。从实验的结果看来，t h 1 手适合用于拟人机器人上，以 完成伸展、握拳和稳定抓取常见物体等动作。t h 1 手的进步在于将拟人程度推 进到了独立个体的地步，即能源与机械手结合在一起，可以独立的自由活动。 江苏大学工程硕士学位论文 1 3 存在的问题 1 3 1 重复高精度 图i 6 新型机械手t h 一1 机械手按照指定路线到达指定点的准确性，就称为机械手的精度。精度的大 小一般与反馈装置的灵敏度和驱动装置的分辨率火小有关，在研究机械手的精度 要求时，我们更加关心重复精度问题。重复精度是指机械手按照指定路线到达同 一指定点的精确程度。一般来说，由于机械手的币次定位基准失准引起的的精度 误差，可以由多次试验得到一个同定的误差反馈，这个误差反馈是可以预测并通 过编程避免的。重复精度误差包含丫随机误差的概念，通常通过一定遗次数地重 复机械手运动来测定。重复精度误差在现代j i ：业控制领域显得尤为重要。 1 3 2 模块化技术 在一些文献【j 中，研究人员把模块化技术运用到机械于的设计工作中，并称 之为现代机械传输技术。而在此之前的机械手称为简单机械传输技术。相比于带 有导向驱动装置的机械手来说，模块化机械手集成了电机接口、电缆及油管等装 置，它的安装体系更加灵活，符合生产实际的多变要求。模块化机械手使同一4 机 械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是 机械手的一个重要的发展方向。 1 3 3 机电一体化 机电一体化技术在机械手的研究和应用t ，使用得越来越广泛。目前，由可编 新型拟人机械手的设计与分析 程控制器为主要核心控制器的典型控制系统在自动化技术中仍居于主要的地位。 可编程控制器最为流行的是p l c 控制系统，它的使用功率小但输出功率大，编 程简单，容易接线和修改程序，大大提高了系统的重构性能。另外，自适应控制 液压元件技术的不断提高，使其从简单的开闭控制阶段进入高精度的反馈控制阶 段，提高了机械手零部件的系统集成度。 1 3 4 拟人化矛盾 同人类似，拟人机器人需要依靠手来进行物体操作。人手很灵巧，模仿很困 难，另外，拟人机器人的电源系统、驱动及控制系统、传感及信息处理系统等完 全由自身携带，这些对于的设计提出了非常严格的要求。 1 4 发展趋势 ( 1 )小型化、集成化技术的发展 末端执行器的重量与体积仍然是制约末端执行器应用的重要指标，如何缩小 末端执行器的尺寸并减轻其重量依然是一个重要的研究课题。 机械结构向模块化、可重构化发展。模块化是将一个复杂系统模型分解成若 干个子系统的过程，每个模块具有特定的功能，按照一定的方法组装起来，达到 完整系统要求的功能。 随着计算机技术的不断发展和电子信息集成技术的应用，越来越多的工业机 器人控制系统采用p c 机的开发控制器。这种架构方式提高了网络化和标准化水 平；而且从目前的趋势来看，由于采用模块化技术集成技术，控制柜在体积上越 来越小巧，但计算速度和响应速度却成倍地提高。 ( 2 ) 仿生技术的发展 人们试图从仿生的角度进行模拟，制造类皮肤传感器和人工肌肉，这一方面 的研究尚未出现大批量的成熟机械手产品，但是，研究人员在这一新型的研究方 向倾注了大量的研究心血。 ( 3 ) 主动信息获取技术的发展 随着机械传感技术的发展，机械手的发展正面临着多传感融合技术的任务， 它正由原先的被动接受到主动感知，局部信息接受到全面信息分析的转变过程 江苏大学工程硕士学位论文 中。从人们的实践过程得知主动感知技术将是一种优于被动接受技术的更好获取 外部信息并做出更加合理控制动作的方式。 ( 4 ) 信息融合技术的发展 信息融合就是利用计算机技术将来自多个传感器或者多源的测得信息进行 分析和综合处理，从而得出决策和估计任务所需的信息的处理过程，是在多种传 感器的基础上对时间和空间的冗余信息通过优化准则和组合导出更多有效信息 的过程。信息融合是目前机器人研究中的热点问题。 多传感融合技术在机械化系统中有成熟的应用。传统的机械手通常采用位 置、速度、加速度传感器来检测机械手的运动状态，随着传感技术的发展，视觉、 触觉、力觉传感器也被运用到了机械手领域，例如带有视觉系统的装配机械手和 焊缝机械手、带有声觉和触觉感应的遥控机械手等。 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与 机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统， 使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器 人就是这种系统成功应用的最著名实例。 与此同时，虚拟现实技术得到了广泛的发展和应用，己从纯粹地仿真模拟发 展到用于过程控制，例如手术机器人的应用使得外科医生可以在几千甚至几万公 里以外的地方对高危患者进行医疗救治，节约了治疗时间和医疗成本等等。 其实，虚拟化技术并不是新概念，早在2 0 世纪7 0 年代就产生了这一计算机 术语，但是直到最近，计算机软件和硬件的充分发展才导致虚拟化技术应用在机 器人领域。从1 9 9 4 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国 际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 1 5 本文研究的内容 通过对国内外拟人机械手的研究现状及存在的问题的分析，并结合实际的需 求，提出本文主要研究内容如下： ( 1 ) 以球坐标机械手基本原理为参照，对拟人机械手进行总体设计，包括 传动机构设计、驱动方案设计和控制系统设计。 ( 2 ) 在经典的d h 矩阵的基础上，对拟人机械手的关节和连杆添加了固有坐 新型拟人机械手的设计与分析 标系，并构建了拟人机械手的运动学方程。 ( 3 ) 利用a u t o c a d 软件对拟人机械手进行了二维装配图的绘制并用 s o l i d w o r k s 软件对其三维模拟。对拟人机械手部分关键部件进行了分析和校核， 其中包括齿轮类零件、轴类零件和轴承类零件。 ( 4 ) 通过s o l i d w o r k s 与a n s y s 数据共享完成了拟人机械手关键部件中轴的 静力学分析，并在w o r k b e n c h 的仿真环境中对直齿圆柱齿轮模拟齿轮啮合的接触 应力，验证了中轴和直齿圆柱齿轮均符合强度要求。 1 6 本章小结 本章首先介绍了拟人机械手的国内研究现状和发展趋势，列举了当前研究中 存在的一些问题，并根据研究需求，结合实际需要，提出了课题的研究方法和实 验步骤。总的来说，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。随着科学 与技术的发展，机械手不仅应用于传统制造业，同时也开始扩大到核能、航空、 航天、医药等高科技及家庭清洁，医疗康复等服务业领域中，比如抛光机器人、 擦玻璃机器人、高压线作业机器人、管道机器人等；而且，随着人类生活水平的 提高和文化生活的日益丰富多彩，各种专业服务机器人和家庭用消费机器人不断 贴近人类生活。 江苏大学工程硕士学位论文 2 1 机械手概述 第二章机械手的设计方案 机器人一般由操作机( 机械本体) 、检测传感装置、伺服驱动系统和控制器构 成。不仅能完成各种指定操作，还可以进行重复编程和自动化控制。作为一种自 动化生产设备，机器人对多批次多品种的生产起着非常重要的作用，一方面提高 了生产效率和产品的质量，另一方面提升了工人的技术水平并减轻了工人的劳动 强度，提高了工人的生产积极性。 机器人技术不仅融合了机构学、控制理论、计算机技术，同时它也综合了人 工智能、信息传感技术、仿生技术，是一门复杂而前沿且应用日益广泛的的科学 体系。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志【2 0 1 。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特 长的，它不仅具有人对环境状态的快速反应和分析判断能力的特点，还具有机器、 精确度高、可长时间持续工作、抗恶劣环境的能力特长，它是工业以及非产业界 的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 机械手是工业机器人领域的一个分支，应用于工业生产领域的机械手就称为 工业机械手。实践证明，工业机械手的应用大大提高了劳动生产率和自动化水平， 在减轻劳动强度、实现安全生产、保证产品质量方面有着优异的表现；尤其在人 体无法接近的恶劣条件下，它可以作为人工的替代装置，发挥了重要的作用。因 此，除了在机械制造方面，在交通运输业、娱乐业和其他的轻工业领域也得到越 来越多的应用。 一直以来，机械手的设计要求是制约机器人发展的瓶颈，它既要满足结构小 巧又需要具有足够的灵活度。在最初的应用阶段，机械手的机构和控制方式都是 比较简单的，常常只是作为某种机床的一个专用附属装置，完成辅助的一些操作， 比如上下料和换刀。随着工业生产规模的扩大，对机械手的需求提升了，除了需 要完成简单的操作之外，还需要能够实现自动化操作，因此，通用机械手得到了 重视。通用机械手也称为程序控制通用机械手，得益于便于修改的控制程序，广 泛用于中小批量产品的生产。 新型拟人机械手的设计与分析 2 2 机械手的定义与分类 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有 多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作【2 1 1 。 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正曰益为人们所认识。其一，它可以 替代人工工作：其二，根据程序设定的时间和位置，它能完成工件装卸、运送以 及装配；其三，它能使用其他的一些辅助工具加快工作的速度。因此，它在提高 生产效率和减轻劳动强度方面有着强大的优势，对工业生产机械化和自动化具有 推动作用。因而，受到各先进工业国家的重视，在机械手的研究和应用上投入了 大量的物力和财力。尤其在噪音、粉尘、高温、高压和带有放射性污染等的场合， 应用更为广泛 2 2 】。 机械手按照是否从属于主机来分的话，一般分为两类：通用型和专用型。 第一类是通用机械手，是一种独立的不依附其他机床的装置。它可以由不同 的任务来编制不同的程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的 物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械功能。通用机械手的工作范 围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生 产。 第二类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下 料和工件传送。这种机械手在国外称为“m e c h a n i c a lh a n d ”，它是为主机服务的， 由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。专用机械手具 有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量 的自动化生产，如自动机床，自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自 动换刀机械手。 通用型拟人机械手的设计内容主要包括三个部分：执行机构、驱动机构和控 制系统。 执行机构即机械手的本体，一般为空间开链连杆机构；在拟人化的思维模式 下，常常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部( 夹 持器或末端执行器) 和行走部分等。 驱动机构，顾名思义就是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指 令信号，借助于动力元件使机械手进行动作。 江苏大学工程硕士学位论文 2 3 机械手主要类型和自由度的选择 手臂的机构基本上决定了操作机的工作空间范围，执行机构即机械手的本 体，一般为空间开链连杆机构：在拟人化的思维模式下，常常将机器人本体的有 关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部( 夹持器或末端执行器) 和行走 部分等。按机械手手臂运动的不同运动的坐标形式和形态来进行分类，其座标型 式可分为直角座标型、圆柱座标型、球座标型和关节型。 2 3 1 直角坐标型 直角坐标型具有三个移动关节( p p p ) ，可使手部产生三个互相垂直的独立位 移。由于其运动方程可独立处理，且为线性的，具有定位精度高，控制简单等特 点，但操作灵活性较差，运动速度低的特点。如图2 1 所示。 2 3 2 圆柱坐标型 圆柱坐标型具有两个移动关节和一个转动关节( p p r ) ，手部的坐标为( z ，f ， o ) 。这种操作机的优点是所占的空问尺寸较小，相对工作范围较大，结构简单， 手部可获得较高的速度。而缺点是手部外f f f i 离中心轴愈远，其切向线位移分辨精 度愈低。通常用于搬运机器人。如图2 2 所示。 2 3 3 球坐标型 球座标型具有两个转动关节和一个移动关节( r r p ) ，优点是结构紧凑，所占 空间尺寸小，但目前应用较少。如图2 3 所示。 2 3 4 关节型 关节型是模拟人的上肢而构成的。它具有三个转动关节( r r r ) ，可绕铅垂轴 转动和绕两个平行于水平面的轴转动。具有结构紧凑，所占空间体积少，相对工 作空间大等特点，通常用于复杂设备之中。如图2 4 所示。 新型拟人机械手的设计与分析 ， ，? 、童 图2 i直角坐标型 图2 2圆柱坐标型 fp ， ， ：。，* “” o ，一”。 图2 3 球坐标系 除盼 “一、0 p 、 71 、之_ ”乡乡 、。 图2 4 关节型 本机械手要求达到高度拟人的目的，模拟的对象是人类手指近掌的第一关 节，所以采用球坐标型，相应的具有两个转动关节，两个自由度，通过采用两自 由度联合的机制，称为双驱动万向节来作为指关节，使机械手能够模拟人的动作。 这种机构优势是完全符合人类手指关节的工程学，能够完全模拟人类手指的运动 范围，为其达到灵巧拟人效果打下了基础【2 3 】。 2 4 机械指关节的设计 2 4 1 设计依据 对于通用机械手来说，它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵 1 4 k 。s 、 ，、吣、 忒 0 遵；嘉f，鎏饕# e ；、3 匿羚妒 冀必1礴。 一， 一 一 一 矿 江苏大学工程硕士学位论文 活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同 场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。 根据机械手的设计要求，选择通用机械手作为研究的对象。通用机械手按照 控制定位方式的不同可以分为简易型和伺服型两种。简易型是以“开一关”式控 制定位，只能进行点位控制；而伺服型则具有伺服系统定位控制系统，可以实现 点位控制，也可以实现连续轨迹控制 2 4 1 。 2 4 2 机械指关节的传动方式选择 一般来说，机械手有以下4 种传动方式： l 、液压传动 液压传动具有动作平稳、反应迅速、结构紧凑的优点，是一种依靠液体压力 作用来驱动机构运行的传动方式。但是它对于密封件的要求很高，因为油液的泄 漏对于机械手准确平稳的运动性能影响很大；并且液压传动的机构不适宜在低温 或者高温的环境中使用，因为油液的分子膨胀性很大，在温度变化极大的条件下 不适宜使用液压传动【2 5 ；除此之外，油液中的杂质也会对传动性能产生影响。 2 、气压传动 气动传动具有结构简单、气源方便、动作灵敏、成本较低的优点，是一种靠 压缩空气来驱动机构运动的传动方式。它的缺点主要是工作平稳性差，由于空气 分子间隙大、可压缩性强的特点，在气缸运行的过程始末，容易产生强大的冲击 力，而且输出力小，适宜在高速轻载和高温粉尘的环境中使用2 刚。 3 、机械传动 机械传动的动力来源于机械的传动机构【2 7 ，像齿轮齿条机构、凸轮机构、链 轮机构、间歇机构等，它的优点主要集中在可靠性高，常作为机床的辅助上下料 机构。但是其缺点是机构原理不可变而且结构不集中，体积较大。 4 、电力传动 电力传动主要是依靠电动机的驱动来完成机构传动的传动方式，包括步进电 机、直线电机、交流电机等。它的优点在于缺少中间的转换机构，所以结构相对 新型拟人机械手的设计与分析 简单。而且，对于电机传动方式来说，运动行程长，速度快，同时维护和使用方 便。此类机械手目前还不多，但发展前景良好。 本文设计的机械手采用的是机械传动方式来驱动，由于拟人度的要求，结构 不能明显超出人手第一指关节的尺寸，所以采用简单的机械传动，特点是运动准 确，动作频率高，能频繁启动，结构精简。初步的设计示意图如图2 5 所示。球 坐标型机械手具有两个转动关节，从图中可以看出，本文设计的机械手采用两组 直齿圆柱齿轮啮合的机械传动方式。拟人机械手主要零件设计详见第四章图4 1 。 2 4 3 驱动方案选择 图2 5 方案示意图 机械手的驱动方式主要有：气压驱动、液压驱动和电气驱动。各驱动方式的 特点如下表所示： 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 表2 一l 常见的驱动方式优缺点比较 方式优点缺点 举重能力强，结构紧凑，对密封要求高，且对制造 气压驱动传动平稳。加工精度高，不宜在较高