机械手文献综述汇总

燕山大学

本科毕业设计（论文）文献综述

课题名称：顺序动作机械手

学院

（系）：

机械工程学院年级专

业：

机电控制

学生姓

名：

杨忠合

指导教

师：

郑晓军

完成日

期：

2014.03.25

一、课题国内外现状

目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、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。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，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。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量新产品达到6轴，负载2KG 的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。

二、研究主要成果

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。

搬运机械手仿真设计和制作，机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的气缸来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个

转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车的进退运动，并利用ADAMS软件对搬运机械手进行建模，对其进行运动学及动力学仿真，检查机械手在运动工作过程中的正确性和准确性，同时获得各部件机械手结构设计及其受力情况是否合理，为机械手设计提供参考。并在此基础上成功研制出物理样机，通过仿真设计提高了设计质量并缩短了设计周期。

采摘机械手虚拟设计与仿真系统的研究，在产品虚拟设计与仿真系统的开发中，为了实现智能设计，虚拟设计与企业产品设计的协同性、同一性和可重用性，实体建模属性的统一规范和标准定义十分必要。第一，首次提出和制定了可以用于虚拟产品建模与仿真的命名规则标准，为虚拟机械产品的设计提供参考。第二，构建水果采摘机械手虚拟设计与仿真系统的体系结构，建立了机械手机构设计模块，它包括机构的参数化设计和知识重用；第三，构建了机械手设计知识库和三维仿真模块；第四，已知机械手视觉获取目标的三维坐标，用软件实现反求机械手运动及其算法，并实现虚拟环境下的机械手对目标定位和采摘的三维仿真；第五，开发了水果采摘机械手虚拟设计与仿真系统。最后，通过三维仿真和实验样机对关键技术进行了验证。

工业机器人机械手设计，在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。工业机器人多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置。机器人是一种具有人体上肢的部分功能工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。

假肢用机械手的机构设计与运动学分析，一般而言, 人们所称的

“手” 有两种意义, 一是指整个的上肢, 二是腕部到指尖的部分,

也就是所谓的手部。人类的单只手臂以机械学的形式分析, 可以用大约27 个自由度的连杆机构来表示。但其中大约20 个自由度集中在手部[1 ] 。文中着重于假肢的手部设计。在假肢的手部应用方面, 目前主流的应用是一种具有手形状的假手, 市场上销售的假手大都已经具有一个自由度, 可以利用拇指、食指、中指进行三指的抓取动作, 自由度位于手指的根部, 手指本身并没有关节。文中所设计的假手也有三个手指, 除指根部的关节外, 拇指另有一个关节, 其余二指有两个关节, 而且假手的腕部有2 个自由度, 可以完成腕部的屈伸和回转。

水下机器人- 机械手系统构建与研究，近年来, 随着海洋资源开发和海洋科学研究需求的不断提高, 人们对水下机器人的作业能力提出了挑战, 如进行定点取样、水下结构的建造与维护、管线铺设、援潜救生以及军事应用等。水下机器人2机械手系统(U nderw aterV eh

i2cle2M anipulato r System , UVMS ) 是配备机械手的水下机器人系统, 是水下作业系统的一个重要分支, 对其的科学和军事、民用应

用研究逐渐受到重视。受水下机器人发展的影响, 早期的UVM S 研

究主要集中于遥控水下机器人(ROV ) 与搭载的液压机械手系统之间的研究, 随着自主水下机器人技术的成熟, 研究热点转移至自治水下机器人2机械手系统的研究上。如斯坦福大学开展的自治水下机器人(A utonomous U nderw ater V eh icles, AUV ) 与单关节机械手的协调控制研究[1 ] , 日本开展的水下电动机械手与Tw in2Burger AUV 之间的控制技术研究[2 ] , 另有部分单位对半自主作业型AUV 展开研究, 如夏威夷大学启动的SAUVIM [3 ] (Sem i2A utonomousUn derw aterV eh icle fo r In2tervent ionM issions) 项目, 韩国海洋系统发展中心开展的半自

主作业型水下机器人计划, 法国Cyber2net ix 公司进行的轻作业型AUV 开发, 美国Woods Ho le 海洋学研究所着手研制的半自主作业型11 000 m 混合型遥控水下机器人[4 ] , 均对半自主水下机器人系统进行载体和机械手的开发设计。

三、发展趋势：目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能在不断提

高。由于发展时间较短，人们对它有一个逐步认识的过程，机械手在技术上还有一个逐步完善的过程，其目前的发展趋势是：

( 一) 扩大机械手在热加工行业上的应用，国内机械手应用在机械工业冷加工作业中的较多，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重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带来不少困难，这就需要解决技术上的难点，使机械手更好地为热加工作业服务。同时，在其它行业和工业部门，也将随着工业技术水平的不断提高，而逐步扩大机械手的使用。

（二）提高工业机械手的工作性能

机械手工作性能的优劣，决定着它能否正常地应用于生产中。机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成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，除了从解决缓冲定位措施入手外，还应发展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀，将伺服控制系统应用于机械手上。

（三）发展组合式机械手

从机械手本身的特点来说，可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新，多品种小批量的要求，但是它的成本高，专用机械手价廉，但适用范围又受到限制。因此，对一些特殊用途的场合，就需要专门设计、专门加工，这样就提高了产品成本。为了适应应用领域分门别类的要求，可将机械手的结构设计成可以组合的型式。组合式机械手是将一些通用部件（如手臂伸

缩部件，升降部件、回转部件和腕部回转、俯仰部份等＞根据作业的要求S选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其业的要求S 选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。它可以简化结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，便于标准化、系列化设计和组织专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价，是一种有发展前途的机械手。

（四）研制具有“视觉''和“触觉”的所谓“智能机器人” 对于需

用人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合，工业机械手很难代替人的劳动。如在工作过程中出现事故、障碍和情况变化等，机械手不能自动分辨纠正，而只能停机，待人们排除意外事故后才能继续工作。因此，人们对机械手提出了更高的要求，希望使其具有“视觉” 、“触觉”等功能，使之对物件进行判断、选择，能连续调节以适应变化的条件，并能进行协调动作。这就需要一个能处理大量信息的计算机，要求人与机器“对话”进行信息交流。这种带“视觉" 、“触觉”反馈的，由计算机控制的，具有人的部分“智能”的机械装置称为“智能机器人” 。所谓“智能”，是包括。识别、学习、记忆、分析判断的功能。

四、存在问题

（一）应具有足够的握力（HP夹紧力）

在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。

（二）手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。

（三）应保证工件准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应状。例如圆柱形工件采用带“ V”形面的手指，以便自动定心。

（四）应具有足够的强度和刚度

手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，但出尽重傥玷嗣间早紫暌，目重轻，并使手部的重心在手腕的回转轴线上，使手指开闭角示意图手腕的扭转力矩最小为佳。

（五）应考虑被抓取对象的要求

1 ．抓取形状手指形状应根据工件形状而设计。如工件为圆柱形，则采用“ V”形手指，圆球状工件用圆弧形三指手指方料用平面形手指；

细丝工件用尖指勾形或细齿钳爪手指。总之应根据工件形状来选定手指形状。

2 ．抓取部位抓取部位的尺寸尽可能是不变的，若加工后尺寸有变化，手指应能适应尺寸变化的要求，否则不允许定为抓取部位。对于工件表面质量要求高的，抓取时尽量避开高质量表面或在手指上加软质垫片（如橡皮、泡沫塑料、石棉衬垫等）以防夹持时损坏工件。

3．抓取数量若用一对手指抓取多个工件，为了不发生个别工件的松动或脱落现象，在手指上可增加弹性衬垫，如橡皮、泡沫塑料等。

（六）应考虑手指的多用性

手指是专用性较强的部件，为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸

的要求，可制成组合式的手指。对于这种手指要求结构简单，安装维修方便，更换简便。

五、主要参考文献

[1]王建军. 搬运机械手仿真设计和制作，2012-9.

[2]李明.单臂回转式机械手设计，2004-9.

[3]程明.弹簧式机械手设计原理，2005-12.

[4]张军.多工步搬运机械手设计，2000-4.

[5]黄贤新. 工业机器人机械手设计，2013-3.

[6]吴志敏，熊锐. 工业机械手运动学仿真，2009-1.

[7]蔡卫国. 关节型搬运机械手设计，2008-11.

[8]张海英，陈子珍，翟志永.基于PLC的物料搬运机械手设计，2010-5.

[9]李明，栗全庆. 基于PLC的液压搬运机械手设计，2009-8.