文献综述 - 三自由度全液压机械手结构设计

沈阳化工大学科亚学院毕业论文文献综述三自由度全液压机械手结构设计班级： 1. 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，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。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，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，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。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。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环境下，体现出一定优势。京都大学在此基础上又开发出了 7 个自由度的机械手，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。2研究方向 机械手的工作环境是非结构的开放系统，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：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。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：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，故选用气压传动的方式最为常见。 2.1 机械手手臂结构 目前，应用最多的机械手的手臂结构总体可分为三大类，滑块连杆机构的关节型机械手臂结构，气动式积木机械手臂结构和纯关节型机械手臂结构。 机械手整机可分为机身、大臂、小臂(含手腕)3 部分。机身与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有 3 个旋转关节，以保证达到工作空间的任意位置，手腕中又有 3 个旋转关节：腕转、腕曲、腕摆，以实现末端操作器的任意空间姿态。手腕的端部为一个法兰，以连接末端操作器，这是一个通用性接口，以供用户配置多个手部装置或工具。这种手臂结构和滑块连杆机构的关节型手臂类似，但缺少了连杆，动作直接由内部的步进电机控制，机动性和灵活性更强，但内部控制结构相对复杂。2.3 机械手机座结构 机座除了对机械手起到固定和支撑作用外，还要确保其腰部的回转运动。目前应用最多的几座分为固定式机座和移动式机座两种。固定式机座通常作为关节型机械手臂等空间自由度较多且动作相对灵活的机械手底座，通常只提供一个腰部的旋转自由度。移动式机座则通常作为积木式机械手臂等要求结构简化且不需要太多自由度的机械手的底座，通常需要提供水平面上的两个移动自由度和绕的腰部旋转一个自由度，这种结构可以将本该设置在机械手臂上的结构转移到机座中，有效简化机械手的整体设计结构，使控制和设计都更加简单。2.4 机械手末端执行机构 机械手的末端执行机构是机械手能否完成抓取或其他作业动作的关键部分，控制最为复杂，结构也最为精细紧凑，其基本机构取决于工作对象的特性及工作方式。选用或设计末端执行器之前都需要预先考虑和分析操作对象的生物特性，机械特性或者理化特性，到目前为止，末端执行器都是专用的，以避免碰伤或损坏操作对象。目前使用最多的末端执行器结构有卡盘式结构和仿真型手指式结构。此类末端执行机构适合于抓取环类或带内孔的工件，主要靠气压推动滑块活塞向下运动，滑块的斜面和楔形快的楔形面接触，并使楔形块向两边运动，发生胀紧，从而抓起工件。放料时气缸退回，为防止活塞和楔形快卡死，在活塞底部采用一个复位弹簧，使活塞在放气后能自行退回。此类机构的功能主要由腕臂末端的滑块活塞和楔形块完成，其设计可以和手臂部分的设计保持相对独立，这样就可以针对不同的工作对象设计不同的末端执行机构，增强了机械手的通用性。结束语 机械手充分利用结构优化设计和自动化技术，结构愈加简单，功能更加强大，可根据实际应用要求选择相应功能、参数和机构模块，像搭积木一样进行组合，灵活多变。这是一种先进的设计思想，反应了自动化技术在工业生产中的一个发展方向。另外，气动技术在自动化技术中的广泛应用，也将逐渐贯彻于机械手的开发及应用中。实践证明，随着自动化水平的日益提高和普及，机械手在现代工业大生产的使用已经逐渐占据举足轻重的地位。但就目前而言，机械手的应用主要停留在粗放型作业的环境中，这主要是由于世界各国对机械手精密操作这种高科技领域的研究与开发还很不成熟，在机械手的具体机构设计，各部位的驱动，控制系统，甚至更高要求的传感器选择方面有待更深层次的研究。参考文献1江鹏.无人车间的发展趋势D.山西.山西电子科技大学,2007.2李飞，王方建.先进制造技术的研究D.天津.南开大学滨海学院, 2003.3陆鑫盛. 气动自动化系统的优化设计M.上海:上海科学技术出版社,2000. 4张建民.工业机器人M.北京:北京理工大学出版社,1996. 5李洪剑.西方机器人技术D.哈尔滨.哈尔滨工业大学,2008. 6何存兴.液压传动与气压传动M.武汉:华中科技大学出版社,2000. 7李寿刚.关节型机械手M.北京:北京理工大学出版社,2002. 8左键民.液压与气压传动M.北京