文獻(xiàn)綜述-機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究1.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀機(jī)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(lèi)變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化設(shè)備［3］，也是典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。其中，通用機(jī)械手具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，程序多變，動(dòng)作靈活多變等特點(diǎn)，在中小批量的自動(dòng)化生產(chǎn)中得到大量應(yīng)用。近年來(lái)，在我國(guó)，隨著氣動(dòng)技術(shù)的迅速發(fā)展，氣動(dòng)元件及氣動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用于機(jī)械手中，構(gòu)成了氣動(dòng)機(jī)械手。氣動(dòng)機(jī)械

2、手的最大優(yōu)勢(shì)就是低成本，模塊化和集成化［4］。氣動(dòng)機(jī)械手包含感知部分，控制部分和主機(jī)部分三方面。采集感應(yīng)信號(hào)及控制信號(hào)均由智能閥島處理；氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)代替伺服電機(jī)，步進(jìn)馬達(dá)或液壓伺服系統(tǒng)；汽缸，擺動(dòng)馬達(dá)完成原來(lái)由液壓缸或機(jī)械部分所做的執(zhí)行動(dòng)作。主機(jī)部分采用了標(biāo)準(zhǔn)型輔以模塊化的裝配形式，使得氣動(dòng)機(jī)械手能拓展成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。在國(guó)外，像日本，美國(guó)，德國(guó)等國(guó)家，以微型內(nèi)置伺服電機(jī)作為控制系統(tǒng)主動(dòng)力的精密機(jī)械手，則是世界自動(dòng)化領(lǐng)域中更深

3、高次的發(fā)展。相對(duì)一般的工業(yè)領(lǐng)域機(jī)械手，這種精密型的機(jī)械手具有動(dòng)作精度高，體積相對(duì)小巧，高度智能化的特點(diǎn)［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(shí)采摘等領(lǐng)域。由于這種類(lèi)型的機(jī)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(dòng)型，每個(gè)關(guān)節(jié)都有獨(dú)立伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，這些伺服電機(jī)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?，F(xiàn)今使用的機(jī)械手主要可分為極坐標(biāo)型機(jī)械手和關(guān)節(jié)型機(jī)械手，這兩種機(jī)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(jī)械手在工作空間上的要求。韓國(guó)最早開(kāi)發(fā)的用于果實(shí)采摘的極坐標(biāo)機(jī)械手臂，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以自由移動(dòng)，絲杠關(guān)節(jié)可以上下移動(dòng)，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(jī)械手［8］。實(shí)驗(yàn)表明這種機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)空間上雖然沒(méi)有極坐標(biāo)機(jī)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(duì)簡(jiǎn)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(shì)［9］［10］。京都

5、方式：液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？紤]到提高效率的需要，機(jī)械手的動(dòng)作一般都需要快速、精確且平穩(wěn)，因此液壓或氣壓傳動(dòng)在這之中的應(yīng)用比較廣。相對(duì)而言，氣壓傳動(dòng)可避免油液泄露和減小壓力損失，節(jié)能，高效且對(duì)環(huán)境污染?。?7］，故選用氣壓傳動(dòng)的方式最為常見(jiàn)。2.2機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)目前，應(yīng)用最多的機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)總體可分為三大類(lèi)，滑塊連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)式積木機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)和純關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)。如圖1所

6、示為滑塊連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂，其應(yīng)用最廣，如鏟車(chē)、吊車(chē)手臂都采用此類(lèi)機(jī)構(gòu)［18］。其手臂采用平面內(nèi)3自由度滑塊連桿機(jī)構(gòu)，主要由1機(jī)座，2上臂氣缸，3下臂氣缸，4手腕氣缸和5末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其中B、C、D3個(gè)關(guān)節(jié)組成平面內(nèi)的3個(gè)自由度，A為腰關(guān)節(jié)，構(gòu)成空間內(nèi)的第4個(gè)自由度。機(jī)械手的3個(gè)氣缸分別用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)氣缸內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的滑塊連桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)相應(yīng)的臂部做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。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(lái)完成

7、，設(shè)計(jì)控制部分時(shí)只需相應(yīng)設(shè)置相應(yīng)液壓缸的動(dòng)作即可，但機(jī)械手臂的動(dòng)作相對(duì)顯得有些束縛，不是很靈活［19］。圖1滑塊連桿機(jī)構(gòu)機(jī)械手臂如圖2所示為氣動(dòng)積木式機(jī)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(wú)杠桿沿X方向移動(dòng)，垂直升降缸沿Y方向移動(dòng)，伸縮缸沿Z軸方向伸縮和伸擺式氣缸繞Z軸旋轉(zhuǎn)四個(gè)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(gè)問(wèn)題，一般選用具有良好導(dǎo)向性能的高