机械手的发展

1、机械手的发展1 、引言机械手作为工业机器人的一个重要分支， 是最早出现的工业机器人， 也是最早出现的现代机器人， 他代替了人的繁重的劳动从而实现加工生产的机械化和自动化， 并能在有害坏境洗吖作业以保护我们的人身安全， 因而广泛应用于机械制造、电子、冶金、轻工等众多工业行业。进入 21 世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海还出现了严重的劳动力稀缺的现象， 这就迫切要求我们提高劳动生产力， 降低工人的劳动强度， 提高我国工业自动化水平势在必行， 将机械手， 应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另瓦一条生产线， 实现自动化生产， 减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以

2、提高劳动生产率。2、机械手的分类机械手按适用范围一般可分为三类： 第一类是专用机械手， 这类机械手专业性强， 配合在某台主机或生产线上以完成辅助性的工作， 例如抓取工件、 上料下料等， 这类机械手是为主机服务的并由主机驱动， 除极少数外， 它们的工作程序一般是固定的， 因此是专用的； 第二类是不需要人工操作的通用机械手， 这类机械手能够独立地按照控制程序且自动重复操作，并可以根据任务的需要编制程序， 以完成各项规定的操作， 这类机械手适应性强， 在工业生产中得到了广泛的应用；第三类是需要人工操作的机械手，简称操作机，这类机械手起源于原子、军事工业， 开始是通过操作机来完成特定的作业， 后来发展

3、到用无线电讯号操作机来进行航天活动等。机械手按驱动方式可分为液压式、 气动式、 电动式和机械式机械手。 按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等3、机械手的构成机械手主要由执行机构、 驱动机构和控制系统三大部分组成。 手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动） 、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓出物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓去空间中任意位置和方位的物体， 需要 6 个自由度。 自由度是机械手设

4、计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广。其结构也越复杂。一般专用机械手有2 3 个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制来完成特定的动作。同时接受传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp 等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要的功能。（ 1 ）执行机构机械手的执行机构分为手部、手臂、躯干；手部手部安装在手臂的前端。 手臂的内孔中装有传动轴， 可把运动传给手腕， 以转动、伸曲手腕、开闭手指。机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节 3种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。可根据夹持对象

5、的形状和大小配备多种形状和大小的夹头以适应操作的需要。 所谓没有手指的手部，一般都是指真空吸盘或磁性吸盘。手臂手臂的作用是引导手指准确地抓住工件， 并运送到所需的位置上。 为了使机械手能够正确地工作，手臂的 3 个自由度都要精确地定位。躯干躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。（ 2 ）驱动机构机械手所用的驱动机构主要有4 种： 液压驱动、 气压驱动、 电气驱动和机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动用的最多。液压驱动式液压驱动式机械手通常由液动机（各种油缸、油马达） 、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机械手执行机构进行工作。通常具有很大的抓举力，其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、

6、耐震动、防爆性好，但液压元件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。气压驱动式其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是气源方便、动作迅速、 结构简单、 造价较低、 维修方便。 但难以进行速度控制， 气压不可太高，故抓举能力较低。电气驱动式电气驱动是机械手使用的最多的一种驱动方式。 其特点是电源方便， 响应快，驱动力较大，信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机， 直流伺服电机为主要的驱动方式。 由于电机速度高， 通常采用减速机构。 有些机械手已开始采用无减速机构的大转矩、 低转速电机进行直接驱动，这即可使机构简单化，又可提高控制精

7、度。机械驱动式机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。其他还有采用混合驱动，即液-气或电-液混合驱动。（ 3 ）控制系统机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种。控制系统可根据动作的要求， 设计采用数字顺序控制。 它首先要编制程序加以存储， 然后再根据规定的程序， 控制机械手进行工作。 程序的存储方式有分离存储和集中存储两种。 分离存储是将各种控制因素的信息分别存储于两种以上的存储设置中；集中存储是将各种控制因素的信息全部存储于一种存储装置

8、内。4、机械手在工业中的应用现状机械手研究始于 20 世纪中期，它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的， 随着计算机和自动化技术的发展， 同时， 大批量生产的迫切需求也推动了自动化家属的近战， 又为机械手的开发奠定了基础。 近些年， 机械手已经成为工业生产中提高劳动成产率的重要因素。 当前国内外工业机械手主要应用于一下几个方面。（ 1）冷加工方面的应用在冷加工方面， 机械手主要用于柴油机配件以及箱体类、 轴类和盘类等零件单机加工时的刀具安装和上料下料等。 通过在程序控制、 数字控制等机床上的使用，成为加工设备的一个重要组成部分，以及在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重

9、要环节。（ 2）热加工方面的应用热加工是高温、 危险的重体力工作， 很久以来就要求实现生产自动化。 为了提高工作效率以及确保工作人员的人身安全， 尤其对于大件和人力所不能胜任的作业任务就更需要采用机械手操作。（ 3）拆修装方面的应用拆修装是铁路工业系统中体力劳动较多的部门之一，随着机械手的迅速发展， 目前国内铁路工厂、 机务段等部门， 已使用机械手分解制动缸、 拆装三通阀、钩舌、组装轮对、装卸轴箱、清除石棉等，近些年来还研制了一种客车车内喷漆通用机械手， 用以对客车内部进行连续喷漆。 在这些机械手的试用下， 改善了工作人员的劳动条件，提高了工作的质量和效率。5、机械手的传动方式的比较现在的机械

10、手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点：（ 1 ）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄露损失） ：液压传动易泄露，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。（ 2 ）工作室受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。（ 3 ）因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。（ 4 ）为了减少泄露，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高；且使用维护需要较高的技术水平。鉴于以上这些缺陷，机械手可采用气压传动，气压传动有以下有点：（ 1 ）介质的提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取较为容易，而后排入大

11、气，处理也较为方便，一般不需设置回收管道和容器：介质清洁，不易堵塞管道，介质稳定，不存在介质变质及补充的问题。（ 2 ）阻力损失和泄露较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小，空气便于集中供应和远距离输送。 外泄漏不会像液压传动一样， 造成压力明显降低和严重污染。（ 3 ）动作迅速，反应灵敏。气压传动一般只需要0.02s-0.3s ，即可建立起所需的压力和速度。气压传动也能是实现过载保护，便于自动控制。（ 4 ）能源可储存。压缩空气可存储在储气罐中，因此，若突然发生断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。（ 5 ）工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，

12、气压传动与控制系统比机械、 机器及液压系统优越， 而且不会因温度变化影响传动及控制性能。（ 6 ）成本低廉。由于气压传动系统工作压力较低，因此降低了气压传动元件和辅件的材质和加工精度要求，容易制造，降低成本。传统观点认为：由于气体具有可压缩性， 因此， 在气压传动伺服系统中要实现高精度定位比较困难。 此外， 气源工作压力较低， 抓举力较小。 虽然气压传动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受， 而且对于不太复杂的机械手， 用气压传动元件组成的控制系统已被接受， 但有一点气压传动机器人这一体系已经取得的一系列重要发展过去介绍的不够， 因此在工业自动化领域里， 对气压传动机械手、 气压传

13、动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。6、国内外机械手的发展趋势当下机械手在工业中的应用逐步扩大， 技术性能也在不断的提高， 但是机械手在技术上还有一个逐步完善的过程，其发展趋势有以下几点。（ 1）重复高精度精度是指机械手达到指定点的精度程度， 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复进行多次，机械手到达同样位置的精度程度。重复精度比精度更重要， 更难， 如果一个机械手定位不够精确， 通常会显示一个固定的误差， 这个误差是可以预测的， 因此可以通过编程予以校正。 重复精度的限定是一个随机误差的范围， 它通过一定次数地重复运行机械手来测定。 随着微电子技术和现代控制技术的发展，

14、 机械手的重复精度将越来越高， 它的应用领域也将越来越广阔，如核工业和军事工业等。（ 2）模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术， 而用模块化拼装的机械手称为现代传输技术。 模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置的机械手更具灵活的安装体系。 它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置， 使机械手动作自如。 模块化机械手使同一机械手可能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。（ 3）节能化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的元件已经问世。 随着材料技术的进步， 新型材料的出现， 构造特殊

15、、用自润滑材料制造的雾润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。4）机电一体化由“可编程控制器传感器液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面； 发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件， 使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制” ； 节省配线的复合集成系统， 不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小， 而 PLC 的输出功率在增大， 由 PLC 直接控制线圈变得越来越可能。（ 5）逐步扩大机械手在热加工行业上的应用。就目前国内机械手行业来说，机械手应用在机械工业冷加工作业中的

16、较多，而在铸、锻、焊、热处理等热加工以及装配作业等方面的应用较少。因热加工作业的物件较重、 形状复杂、 环境温度高等， 给机械手的设计与制造带来了很多的困难，这就需要解决技术上的难点，使机械手可以更好的为热加工作业服务。（ 6）提高机械手的工作性能。机械手工作性能的优劣， 决定了机械手能否正常地应用于生产工作中。 机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度这两个指标， 是机械手能否保质保量地完成各种操作任务的关键因素。 因此， 要解决好机械手的工作平稳性和快速性的要求， 不仅应从解决缓冲定位措施人手外， 还应发展满足机械手性能要求且价格便宜的电液伺服阀，将伺服控制系统应用于机械手。（ 7）发展组

17、合式机械手。从机械手本身的设计特点来说， 可改编程序的机械手更适应产品设计、 设备更新、多品种小批量的生产要求，但是它的成本较高，专用机械手价格便宜，但适用范围受到限制。因此，对一些特殊用途的场合，就需要专门设计加工，这样就提高了产品的成本。 为了适应不同领域的要求， 可将机械手的结构设计成组合型式。 这种机械手兼顾了设计上的通用性和使用上的专用性， 便于标准化、 系列化设计生产， 有利于提高机械手的质量同时有降低了成本， 是一种很有发展前景的机械手。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。 使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，而做出相应的改变。如位置发生偏移时，能及时自行检测并更正， 重点是研究视觉功能和触觉功能， 目前已经取得一定的成绩。 视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。 工作时， 电视照相机将物体形象变成视频信号， 然后将信号传送给计算机， 以便计算机分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。 在工作时， 机械手首先伸出手指寻找工件， 通过安装在手指内的敏感元件产生触觉作用， 然后伸向前方， 抓住工件。 收的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来