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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(jié)構(gòu)設計
班級：機制1102 姓名：張鐸 指導老師：趙艷春
1.?國內(nèi)外研究現(xiàn)狀?
機械手起源于20世紀50年代，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式，能適應產(chǎn)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(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)中得到大量應用。
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，被廣泛應用于水下精密作業(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型機械手和關(guān)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(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(guān)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(jié)構(gòu)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(xiàn)出一定優(yōu)勢。京都大學在此基礎(chǔ)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(guān)節(jié)型機械手領(lǐng)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(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(jié)構(gòu)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(gòu)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(guān)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(chǎn)的要求。工業(yè)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)成本，而且其工作范圍較局限，機械手的使用效率并不高。?
現(xiàn)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(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)做出較大的改進，加大了研發(fā)技術(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)緊湊，容易轉(zhuǎn)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(qū)動方式
驅(qū)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(qū)動方式：液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，直流電機驅(qū)動和步進電機驅(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(jié)構(gòu)?
目前，應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)。?
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(zhuǎn)關(guān)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(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。這種手臂結(jié)構(gòu)和滑塊連桿機構(gòu)的關(guān)節(jié)型手臂類似，但缺少了連桿，動作直接由內(nèi)部的步進電機控制，機動性和靈活性更強，但內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)相對復雜。
2.3機械手機座結(jié)構(gòu)?
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(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)自由度。移動式機座則通常作為積木式機械手臂等要求結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)一個自由度，這種結(jié)構(gòu)可以將本該設置在機械手臂上的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到機座中，有效簡化機械手的整體設計結(jié)構(gòu)，使控制和設計都更加簡單。
2.4?機械手末端執(zhí)行機構(gòu)?
機械手的末端執(zhí)行機構(gòu)是機械手能否完成抓取或其他作業(yè)動作的關(guān)鍵部分，控制最為復雜，結(jié)構(gòu)也最為精細緊湊，其基本機構(gòu)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(jié)構(gòu)有卡盤式結(jié)構(gòu)和仿真型手指式結(jié)構(gòu)。
此類末端執(zhí)行機構(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(gòu)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(gòu)，增強了機械手的通用性。
３．結(jié)束語??
機械手充分利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計和自動化技術(shù)，結(jié)構(gòu)愈加簡單，功能更加強大，可根據(jù)實際應用要求選擇相應功能、參數(shù)和機構(gòu)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(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(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，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(lǐng)域的研究與開發(fā)還很不成熟，在機械手的具體機構(gòu)設計，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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