【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 進(jìn)入 20世紀(jì) 90年代后，裝配機(jī)器人及柔性裝配技術(shù)進(jìn)入了大發(fā)展時(shí)期。日本一直擁有全世界機(jī)器人總數(shù)的 60%左右。到 1998年，美國(guó)擁有機(jī)器人 8萬臺(tái)，德國(guó)為 7萬多臺(tái)，分別占世界機(jī)器人總數(shù)的 15%和 13%左右。到 2021年，服役的機(jī)器人總數(shù)約 100萬臺(tái)。 我國(guó)機(jī)器人起步于 70年代初期，經(jīng)過 20多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了 3個(gè)階段 :70年代的萌芽期， 80年代的 開發(fā)期和 90年代的應(yīng)用期?！捌呶濉逼陂g，國(guó)家投入資金，對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了“示教”再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā) 。 1986年國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (863計(jì)劃 )開始實(shí)施，智能機(jī)器人主題跟蹤世界機(jī)器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人 。 從 90年代初期起，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)踐中邁進(jìn)一大步，先后研制出了桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 4 頁 共 47 頁 點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切 割、搬運(yùn)、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。 但是，由于起步較晚以及受到投入研究資金的影響，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人和國(guó)外還是存在較大的差距，在機(jī)器人的使用數(shù)量和使用行業(yè)領(lǐng)域方面還需要有很大的提高。 機(jī)器人技術(shù)涉及很多學(xué)科領(lǐng)域，是多學(xué)科綜合交叉的邊緣學(xué)科，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展依賴于很多相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步。 機(jī)械手的當(dāng)代應(yīng)用 機(jī)械化、自動(dòng)化已成在現(xiàn)代工業(yè)中突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自 動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械 工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的，機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。機(jī)械手多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國(guó)內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)械手或通用機(jī)械手）。 機(jī)械手工作方式 機(jī)械手是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。機(jī)械 手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)械手稱為專用機(jī)械手，而把工業(yè)機(jī)械手稱為通用機(jī)械手。 機(jī)械手的分類 簡(jiǎn)而言之，機(jī)械手就是用機(jī)器代 替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作 位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。機(jī)械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（ Manipulator）。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在 國(guó)外通常被稱之為“ Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。機(jī)械手按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)械手以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)械手中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式。 機(jī)械手的一般組成 要機(jī)械手像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類似于指、腕、桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 5 頁 共 47 頁 臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu) —— 執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的 控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手的性能。一般而言，機(jī)械手通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 11所示。 圖 11 機(jī)械手的一般組成 對(duì)于現(xiàn)代智能機(jī)械手而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和 語言識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)械手“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及機(jī)械手的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)械手的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)械手的各部分之間必然還存在著相互關(guān) 聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖 12所示。 圖 12 機(jī)械手系統(tǒng)圖 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械 手賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供機(jī)械手各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)則將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)械手各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)械手分為機(jī)桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 6 頁 共 47 頁 械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。 2 任務(wù)要求與總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 許多娛樂場(chǎng)合設(shè)有投幣手動(dòng)抓物機(jī)械手。仿照娛樂場(chǎng)合中的手動(dòng)抓物機(jī)械手，設(shè)計(jì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)，能夠配合機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)抓物。 要求： 在資料調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的分析和設(shè)計(jì)；要求完成如下主要功能： （ 1） 機(jī)械手的控制可以用單片機(jī)或 PLC； （ 2） 通過按鍵，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上升、下降、左移、右移。 （ 3） 采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方式。 總體設(shè)計(jì)方案 確定機(jī)械手的任務(wù)要求，根據(jù)任務(wù)要求初步擬 定機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)形式、驅(qū)動(dòng)方案、控制系統(tǒng)方案等。本課題主要涉及到一下三部分內(nèi)容： 第一， 機(jī)械手有上移、下移、左移、右移的運(yùn)行方式 ； 第二，使機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)的設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的選擇； 第三，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 基本設(shè)計(jì)思路 總體設(shè)計(jì)框圖如下： 圖 21 總體設(shè)計(jì)框圖 CPU CPU 部分有兩種選擇 :單片機(jī)控制和 PLC控制。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)種類繁多，常見的有齒輪傳動(dòng)、齒條傳動(dòng)、絲桿傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁 共 47 頁 由于一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩較小，需 要通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對(duì)機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一般要求有： （ 1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動(dòng)功率和傳動(dòng)比時(shí)體積最小，重量最輕； （ 2）傳動(dòng)剛度大，即由驅(qū)動(dòng)器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動(dòng)； （ 3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度； （ 4）壽命長(zhǎng)、價(jià)格低。 機(jī)械手組成 機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三個(gè)部分組成。 （ 1）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 1) 手腕 手腕是聯(lián)接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用以調(diào)整末端執(zhí)行器的方 位和姿態(tài)。 2) 手臂 手臂是支承手腕和末端執(zhí)行器的部件。它由動(dòng)力關(guān)節(jié)和連桿組 成，用來改變末端執(zhí)行器的位置。 3) 機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部件，并承受相應(yīng)的載荷，機(jī)座分為固定式 和移動(dòng)式兩類。 （ 2）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)用來控制機(jī)械手按規(guī)定要求動(dòng)作，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)械手采用計(jì)算機(jī)控制，這類控制系統(tǒng)分為決策級(jí)，策略級(jí)和執(zhí)行級(jí)三級(jí)：決策級(jí)的功能是識(shí)別環(huán)境、建立模型、將工作任務(wù)分解 為基本動(dòng)作序列；策略級(jí)將基本動(dòng)作變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級(jí)給出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。 （ 3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令將信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng) 裝置。常用的由電氣、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械等四種驅(qū)動(dòng)方式。除此之外，機(jī)械手可以配置多種傳感器（如位置、力，觸覺，視覺等傳感器），用以檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)位置和工作狀態(tài)。 機(jī)械手按坐標(biāo)形式、控制方式、驅(qū)動(dòng)方式和信號(hào)輸入方式四種分類方法： （ 1）按坐標(biāo)形式分 坐標(biāo)形式是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所取 的參考坐標(biāo)系的形式。 1）直角坐標(biāo)式 直角坐標(biāo)機(jī)械手的末端執(zhí)行器在空間位置的改變式通過三個(gè)互相垂直的軸線移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，即沿 X軸的縱向移動(dòng)、沿 Y軸的橫向 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁 共 47 頁 移動(dòng)及沿 Z 軸的升降。這種機(jī)械手位置精度最高，控制無耦合，比較簡(jiǎn)單，避障性好，但結(jié)構(gòu)較龐大，動(dòng)作范圍小，靈活性差。 2）圓柱坐標(biāo)式 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手是通過兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器空間位置的改變，其手臂的運(yùn)動(dòng)由在垂直立柱的平面伸縮和沿立柱升降兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)及手臂繞立柱轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合而成。這種機(jī)械手位置精度較高，控制簡(jiǎn)單，避障性好 ，但結(jié)構(gòu)也較龐大。 3）極坐標(biāo)式 極坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)式由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)組成，即沿手臂方向 X 的伸縮，繞 Y 軸的俯仰和繞 Z 軸的回轉(zhuǎn)。這種機(jī)械手占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可，但避障性差，有平衡問題。 4）關(guān)節(jié)坐標(biāo)式 關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)械手主要是由立柱、大臂和小臂組成，立柱繞 Z軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，立柱和大臂形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂形成肘關(guān)節(jié)，大臂和小臂作俯仰運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)械手工作范圍大，動(dòng)作靈活，避障性好，但位置精度低，有平衡問題，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來越多。 （ 2）按控制方式分 1) 點(diǎn)位控制 采用點(diǎn)位控制的機(jī)械手，其運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的直線運(yùn)動(dòng)，不涉及兩點(diǎn)之間的移動(dòng)軌跡，只在目標(biāo)點(diǎn)處控制機(jī)械手末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。這種控制方式簡(jiǎn)單，適用于上下料、點(diǎn)焊等作業(yè)。 2）連續(xù)軌跡控制 采用連續(xù)軌跡控制的機(jī)械手，其運(yùn)動(dòng)軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線。機(jī)器人在空間的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程都要控制，末端執(zhí)行器在空間任何位置都可以控制姿態(tài)。 （ 3）按驅(qū)動(dòng)方式分 1) 電力驅(qū)動(dòng) 電力驅(qū)動(dòng)式目前采用最多的一種。早期多采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動(dòng)，后來發(fā)展了直流伺服電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)在交流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也得到了迅速發(fā)展。這類驅(qū)動(dòng)單元可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，也可以通過諧波減速器裝置減速后驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。 2）液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手具有很大的抓起能力，可抓取質(zhì)量達(dá)上百公斤的物體，油壓可達(dá) 7MPa，液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封性要求較高，不宜在高溫或低桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 9 頁 共 47 頁 溫現(xiàn)場(chǎng)工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。 3）氣壓驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，價(jià)格低廉，由于空氣可壓縮性，導(dǎo)致工作速度穩(wěn)定性差，氣源壓力一般為 ，因此抓取力小，只能抓取重量為幾公斤到十幾公斤的物體。 （ 4）按信號(hào)輸入方式分 1) 人操作機(jī)械手 這是一種由操作人員直接進(jìn)行操作的具有幾個(gè)自由度的機(jī)械手。 2）固定程序操作機(jī)械手 按預(yù)先規(guī)定的順序、條件和位置，逐步地重復(fù)執(zhí)行給定的作業(yè)任務(wù)的機(jī)械手。 3）可變程序操作機(jī)械手 它與固定程序機(jī)械手基本相同，但其工作次序等信息易于修改。 4）程序控制機(jī)械手 它的作業(yè)指令是由計(jì)算機(jī)程序向機(jī)械手提供的，其控制方式與數(shù)控機(jī)床一樣。 5）示教再現(xiàn) 機(jī)械手 這類機(jī)械手能夠按照記憶裝置存儲(chǔ)的信息來復(fù)現(xiàn)由人示教的動(dòng)作，其示教動(dòng)作可自動(dòng)地重復(fù)執(zhí)行。 6）智能機(jī)械手 采用傳感器來感知工作環(huán)境或工作條件的變化，并借助其自身的決策能力，完成相應(yīng)的工作任務(wù)。 抓取機(jī)構(gòu) 抓取機(jī)構(gòu)是機(jī)械手執(zhí)行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。抓取 機(jī)構(gòu)可分為機(jī)械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸附等。 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式 該機(jī)械手一共具有三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，連同末端機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，一共需要 三個(gè)動(dòng)力源。機(jī)械手常用的驅(qū)動(dòng)方 式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。 表 21 常用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性 特性 輸出功率和使用范圍 控制性能和安全性 結(jié)構(gòu)性能 安裝和維護(hù)要求 效率和制造成本 氣壓較低，輸出功率小，當(dāng)輸出功率增壓縮性大，對(duì)速度、位置精確控制困難。結(jié)構(gòu)體積較大，結(jié)構(gòu)易于標(biāo)準(zhǔn)化。易實(shí)安裝要求不高，能在惡劣環(huán)境種工作，效率低，（為~）氣源方便，結(jié)構(gòu)桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 10 頁 共 47 頁 氣壓驅(qū)動(dòng) 大時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸將過大只適用于小型，快速驅(qū)動(dòng) 阻尼效果差。低速不易控制，排氣有噪音 現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，密封問題不突出 維護(hù)方便 簡(jiǎn)單，成本低 液壓驅(qū)動(dòng) 油壓高，可獲得較大的輸出功率，適用于重型，低速驅(qū)動(dòng)器 液體不可壓