文献综述三自由度机械手结构设计.docx

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文献综述三自由度机械手结构设计

文献综述

我国机械手的研究现状和发展趋势

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

本文参阅了大量的国内外期刊杂志，论述了机械手的组成和分类，同时对国内外机械手的研究现状和发展趋势做了一定的了解。

对应用机械手的工业机器人市场四大家族竞争分析。

另外，本文还对机械手的常见驱动方式做了一番分析，并预测了机械手的发展趋势。

1.机械手的研究现状

1.1.概述及现状

机械手是一种模拟人手操作的自动机械。

它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。

应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。

50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。

机械手主要由手部和运动机构组成。

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，改变被抓持物件的位置和姿势。

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。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

由度是机械手设计的关键参数。

由度自自越多，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。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；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。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

1.2机械手技术发展现象概述

1.2.1机械手技术的发展

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

它是机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性（王希敏，1992）。

在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

（王承义，1995）机械手首先是从美国开始研制的。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

它的结构是:

机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。

1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。

商名为Unimate（即万能自动）。

运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动;控制系统用磁鼓作为存储装置。

不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。

同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。

该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。

这两种出现在六十年代初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。

联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

目前，机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制;改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机械手正在加紧研制。

它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。

第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。

它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环节。

1.2.2机械手的组成分类及驱动

1）.机械手的组成一般来说，机械手主要有以下几部分组成:

1.手部（或称抓取机构）包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。

2.传送机构（或称臂部）包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用。

3.驱动部分它是前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压气压电力和机四种驱动形式。

4.控制部分它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度与加速度）等。

5.其它部分如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。

（侯沂,刘涛.2004）

2）机械手的分类机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为:

1.手部（或称抓取机构）包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。

2.传送机构（或称臂部）包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用。

3.驱动部分它是前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压气压电力和机四种驱动形式。

4.控制部分它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度与加速度）等。

5.其它部分如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。

（侯沂,刘涛.2004）

1.2.3机械手的分类

机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：

1）.按使用范围分类:

1专用机械手一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。

它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。

这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。

2通用机械手指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工其的机械装置。

通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。

简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型（李允文，1994）。

2）.按运动坐标型式分类:

1.直角坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩（定为沿X方向的移动）、左右移动（定为沿Y方向的移动）和上下升降（定为沿Z方向的移动）（张军，冯志辉，2004）;

2.圆柱坐标式机械手手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动（定为绕Z轴转动），亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动;

3.球坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩（沿X方向移动）、上下摆动（定为绕Y轴摆动）和左右转动（仍定为绕Z轴转动）;

4.多关节式机械手这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。

其小臂和大臂的连接（肘部）以及大臂和机体的连接（肩部）均为关节（铰链）式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。

（孙桓等，2006）

3）按驱动方式分类:

1.液压驱动机械手以压力油进行驱动;

2.气压驱动机械手以压缩空气进行驱动;

3.电力驱动机械手直接用电动机进行驱动;

4.机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。

4）按机械手的臂力大小分类:

1.微型机械手臂力小于1㎏;

2.小型机械手臂力为1-10㎏;

3.中型机械手臂力为10-30㎏;

4.大型机械手臂力大于30㎏。

2.机械手的应用—机械人市场分析

日本和欧洲是全球工业机器人市场的两大主角，并且实现了传感器、控制器、精密减速机等核心零部件完全自主化。

　　通过满足具有国际性竞争力的汽车、电子/电机产业等企业使用者之严苛的要求，以及销售实绩与专门技能的累积，日本工业机器人产业已经成为全球的领导者。

而在经过了日本国内市场激烈的价格竞争后，也获得了国际性的价格竞争力。

目前家用机器人也处于优势地位。

　　欧州工业机器人和医疗机器人领域已居于领先地位。

美国积极致力于以军事、航天产业等为背景的开发或创投企业，体现在系统集成领域，医疗机器人和国防军工机器人具有主要优势。

　　在机器人系统集成方面，除了机器人本体企业的集成业务，知名独立系统集成商还包括杜尔、徕斯和柯马等。

2013年德国杜尔和意大利柯玛的系统集成业务收入均约为7亿美元，折人民币100亿元。

　机器人减速机70%以上市场份额由日本纳博特斯克（Nabtesco）和哈默（Harmonicdrive）垄断。

2013年纳博的减速器业务收入约为5亿美元。

中国产业信息网发布的《2014-2019年工业机器人产业全景调研及投资方向研究报告》指出：

2013年ABB、发那科、库卡、安川电机收入分别为418、60、24、38亿美元；净利润分别为28、15、0.8、0.8亿美元；工业机器人收入均为10-14亿美元左右，但收入占比差别较大，分别为3%、23%、42%、34%；2013年末市值分别为610、300、16、24亿美元。

　　注：

工业机器人收入除ABB为2009年数据，其他为2013年末数据

　　四大家族除了发那科综合毛利率接近50%，其余毛利率水平基本在25-30%左右。

四家净利润水平相差较大，发那科净利率达25%，ABB为7%，库卡和安川电机仅为2-3%。

从历史数据看，过去十年四大家族PE水平保持在20-30倍左右。

3.机械手发展前景及方向

1）重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度,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多次,机械手到达同样位置的精确程度。

重复精度比精度更重要,如果一个机器人定位不够精确,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。

重复精度限定的是一个随机误差的范围,它通过一定次数地重复运行机器人来测定。

随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高,它的应用领域也将更广阔,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,而把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,使机械手运动自如。

模块化机械手使同一机械手可能由于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）无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。

随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，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“可编程序控制器-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”;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。

随着科学与技术的发展,机械手的应用领域也不断扩大.目前,机械手不仅应用于传统制造业如采矿,冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能,航空,航天,医药,生化等高科技领域以及家庭清洁,医疗康复等服务业领域中.如,水下机器人,抛光机器人,打毛刺机器人,擦玻璃机器人,高压线作业机器人,服装裁剪机器人,制衣机器人,管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人,作战机器人,侦察机器人,哨兵机器人,排雷机器人,布雷机器人等军用机器人都是机械手应用的典型。

机械手广泛应用于各行各业.而且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺。

5）手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

是最早出现的工业人，也是最早出现的现代，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械、、、轻工和原子能等部门。

机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。

目前主要用于注塑辅机上自动取出产品、机、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。

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，作相应的变更。

如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。

1.工业机械手性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修）。

2.机械结构向模块化、可重构化发展。

例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:

由关节模块、连杆模块用重组方式构造机械手整机;国外已有模块化装配机械手产品问市。

3.工业机械手向基于机的开放型控制器方向发展，便于标准化、化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:

大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

4.作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

5.虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。

6.当代遥控机械手系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机械手的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机械手走出实验室进入实用化阶段。

4.结束语

中国作为制造业大国，要实现制造业自动化必然缺不了机械手的应用，谁将会肩负重任完成这一伟大的使命呢？

外国品牌机械手在技术上和做工上达到先进的水平，但我们不能一味依赖外国品牌，我们要始终坚持自主创新，做强做大我们的民主品牌。

作为国产自主创新品牌的拓斯达机械手目前在国内制造业市场中份额每年逐渐攀升，广东拓斯达机械手荣获广东省名牌产品，并且拥有自主知识产权、核心技术和关键技术，以及战略性、先进制造业产品。

拓斯达自动化主张“让工业文明回归自然之美”品牌价值，打造中国制造业自动化第一品牌，实现无人化车间，积极推动机器换人时代，而努力奋斗前行，

　　机械手市场前景开阔为工业的制造生产带来变化的不仅仅是机械手使用的现代化生产技术，而且随之而来的现代化模式也大大改变了企业的生机和活力和市场竞争力。

机械手的应用对于企业调整产业结构，升级转型，是一个良好的契机。