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沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述 三自由度全液壓機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 班級(jí) 機(jī)制 1102 姓名 張鐸 指導(dǎo)老師 趙艷春 1 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)品種類變更 具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化設(shè)備 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 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) 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 現(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) 械手可以提供較大的工作空間 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 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 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) 京都大 學(xué)在此基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)出了 7 個(gè)自由度的機(jī)械手 解決了其相對(duì)極坐標(biāo)機(jī)械手在 工作空間上不足的缺點(diǎn) 在關(guān)節(jié)型機(jī)械手領(lǐng)域達(dá)到了一個(gè)更高的高度 機(jī)械手可以模仿人手的某些動(dòng)作和功能 用固定的程序和軌跡完成抓取 搬運(yùn)物件等操作 特別是在當(dāng)前勞工緊缺 勞動(dòng)力成本日益提高的社會(huì)背景下 機(jī)械手的使用可以替代人的繁重勞動(dòng) 實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的同時(shí)也大大減少了企 業(yè)的生產(chǎn)成本 提高企業(yè)效益 同時(shí) 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(xiǎn)環(huán)境下 替代人類作業(yè)保護(hù)工人的人身安全 因而 被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造 冶金 電子 輕工和原子能工業(yè)等部門(mén) 2 研究方向 機(jī)械手的工作環(huán)境是非結(jié)構(gòu)的開(kāi)放系統(tǒng) 涉及到多門(mén)學(xué)科知識(shí) 不同的工 作場(chǎng)合和不同的工作對(duì)象給機(jī)械手的研制特別是末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研制帶來(lái)了無(wú) 限的空間和全新的挑戰(zhàn) 機(jī)械手在某種程度和場(chǎng)合上代替了人類的大量工作 但是它的使用卻并沒(méi)有達(dá)到廣泛普及的程度 這主要是由于存在 2 個(gè)關(guān)鍵的問(wèn) 題 一方面 機(jī)械手的智能化程度沒(méi)有達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的要求 工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn) 需要機(jī)械手具有相當(dāng)高的智能和柔性作業(yè)的能力以適應(yīng)復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境 另 一方面 購(gòu)買(mǎi)和研制機(jī)械手成本高 會(huì)加重企業(yè)的生產(chǎn)成本 而且其工作范圍 較局限 機(jī)械手的使用效率并不高 現(xiàn)今機(jī)械手使用效率低的原因是其工作通用性不強(qiáng) 在使用上不夠靈活 更換工作場(chǎng)合甚至更換工作對(duì)象都需要對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)做出較大的 改進(jìn) 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(dāng)機(jī)械手的操作動(dòng) 作比較復(fù)雜的時(shí)候 由于機(jī)器人的自由度較多 雖然運(yùn)動(dòng)靈活 但是對(duì)其的控 制也愈困難 增加了研發(fā)的難度 對(duì)技術(shù)人員的要求較高 因此機(jī)械手必須具有以下的特征 一方面要能夠準(zhǔn)確的定位和并抓牢物件 另一方面要能夠使機(jī)械手特別是手臂部分移動(dòng)自如而不和物件或其他設(shè)備碰撞 使其結(jié)構(gòu)緊湊 容易轉(zhuǎn)彎 再者 其通用性要強(qiáng) 可以使其應(yīng)用于不同場(chǎng)合和 不同工作對(duì)象 2 1 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式 驅(qū)動(dòng)裝置是帶動(dòng)機(jī)械手達(dá)到指定位置的動(dòng)力源 目前使用的主要有 4 種驅(qū) 動(dòng)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) 考慮到提高效 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)境污染小 故選用氣壓傳動(dòng)的方式最為常見(jiàn) 2 1 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 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) 機(jī)械手整機(jī)可分為機(jī)身 大臂 小臂 含手腕 3 部分 機(jī)身與大臂 大臂 與小臂 小臂與手腕有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 以保證達(dá)到工作空間的任意位置 手腕 中又有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 腕轉(zhuǎn) 腕曲 腕擺 以實(shí)現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài) 手腕的端部為一個(gè)法蘭 以連接末端操作器 這是一個(gè)通用性接口 以供用戶 配置多個(gè)手部裝置或工具 這種手臂結(jié)構(gòu)和滑塊連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)型手臂類似 但缺少了連桿 動(dòng)作直接由內(nèi)部的步進(jìn)電機(jī)控制 機(jī)動(dòng)性和靈活性更強(qiáng) 但內(nèi) 部控制結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜 2 3 機(jī)械手機(jī)座結(jié)構(gòu) 機(jī)座除了對(duì)機(jī)械手起到固定和支撐作用外 還要確保其腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 目前應(yīng)用最多的幾座分為固定式機(jī)座和移動(dòng)式機(jī)座兩種 固定式機(jī)座通常作為 關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂等空間自由度較多且動(dòng)作相對(duì)靈活的機(jī)械手底座 通常只提供 一個(gè)腰部的旋轉(zhuǎn)自由度 移動(dòng)式機(jī)座則通常作為積木式機(jī)械手臂等要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 化且不需要太多自由度的機(jī)械手的底座 通常需要提供水平面上的兩個(gè)移動(dòng)自 由度和繞的腰部旋轉(zhuǎn)一個(gè)自由度 這種結(jié)構(gòu)可以將本該設(shè)置在機(jī)械手臂上的結(jié) 構(gòu)轉(zhuǎn)移到機(jī)座中 有效簡(jiǎn)化機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 使控制和設(shè)計(jì)都更加簡(jiǎn)單 2 4 機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu) 機(jī)械手的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械手能否完成抓取或其他作業(yè)動(dòng)作的關(guān)鍵部分 控制最為復(fù)雜 結(jié)構(gòu)也最為精細(xì)緊湊 其基本機(jī)構(gòu)取決于工作對(duì)象的特性及工 作方式 選用或設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器之前都需要預(yù)先考慮和分析操作對(duì)象的生物特 性 機(jī)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(duì)象 目前使用最多的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)有卡盤(pán)式結(jié)構(gòu)和仿真型手 指式結(jié)構(gòu) 此類末端執(zhí)行機(jī)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(dòng)滑塊 活塞向下運(yùn)動(dòng) 滑塊的斜面和楔形快的楔形面接觸 并使楔形塊向兩邊運(yùn)動(dòng) 發(fā)生脹緊 從而抓起工件 放料時(shí)氣缸退回 為防止活塞和楔形快卡死 在活 塞底部采用一個(gè)復(fù)位彈簧 使活塞在放氣后能自行退回 此類機(jī)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(shè)計(jì)可以和手臂部分的設(shè)計(jì)保持相對(duì) 獨(dú)立 這樣就可以針對(duì)不同的工作對(duì)象設(shè)計(jì)不同的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu) 增強(qiáng)了機(jī)械 手的通用性 結(jié)束語(yǔ) 機(jī)械手充分利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和自動(dòng)化技術(shù) 結(jié)構(gòu)愈加簡(jiǎn)單 功能更加強(qiáng) 大 可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求選擇相應(yīng)功能 參數(shù)和機(jī)構(gòu)模塊 像搭積木一樣進(jìn)行 組合 靈活多變 這是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想 反應(yīng)了自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中 的一個(gè)發(fā)展方向 另外 氣動(dòng)技術(shù)在自動(dòng)化技術(shù)中的廣泛應(yīng)用 也將逐漸貫徹 于機(jī)械手的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用中 實(shí)踐證明 隨著自動(dòng)化水平的日益提高和普及 機(jī) 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(jī)械手的應(yīng)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(guó)對(duì)機(jī)械 手精密操作這種高科技領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā)還很不成熟 在機(jī)械手的具體機(jī)構(gòu)設(shè) 計(jì) 各部位的驅(qū)動(dòng) 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 參考文獻(xiàn) 1 江鵬 無(wú)人車(chē)間的發(fā)展趨勢(shì) D 山西 山西電子科技大學(xué) 2007 2 李飛 王方建 先進(jìn)制造技術(shù)的研究 D 天津 南開(kāi)大學(xué)濱海學(xué)院 2003 3 陸鑫盛 氣動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) M 上海 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 2000 4 張建民 工業(yè)機(jī)器人 M 北京 北京理工大學(xué)出版社 1996 5 李洪劍 西方機(jī)器人技術(shù) D 哈爾濱 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2008 6 何存興 液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng) M 武漢 華中科技大學(xué)出版社 2000 7 李壽剛 關(guān)節(jié)型機(jī)械手 M 北京 北京理工大學(xué)出版社 2002 8 左鍵民 液壓與氣壓傳動(dòng) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1996 9 朱春波 氣動(dòng)關(guān)節(jié)型機(jī)械手 J 液壓氣動(dòng)與密封 1999 10 何廣平 連桿型機(jī)械臂的線性分析 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2004 11 SMC 中國(guó) 有限公司 現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1998 12 劉雙全 基于飛利浦 P8XC591 的 CAN 總線節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展 J 電子設(shè)計(jì)應(yīng)用 2003