机械手技术综述

机器人机械手技术综述

一、引言

机器人是现代高科技技术高度集成和融合的产物，它涉及机械、电子、控制、传感器、计算机、仿生学、人工智能、知识库系统以及认识科学等众多学科领域，是当代最具代表性的机电一体化技术之一[1]。

机械手是模拟人手的部分动作，按给定程序流程和技术要求实现自动抓取、搬运（码垛）或操作（装配、喷涂等）的自动机械装置。随着我国工业自动化生产的迅速发展，可实现工件的加工、装配、传递等操作的自动化，已引起了人们广泛的重视。在生产中应用工业机器人机械手可以提高自动化的生产水平和劳动生产率，可用工业机器人逐渐取代人工做某些单调、重复、繁重、危险的劳动。

针对工业机器人机械手结构进行深入研究，为了设计出结构最佳的机械手，对其进行力学分析是非常必要的。对工业机器人机械手结构进行有限元建模及静力学和模态分析，这也是结构设计和分析所要研究的重要内容。

有限元法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解[2]。有限元分析是目前应用最多，也是应用最广的结构优化设计。有限元分析方法有较高的实用性,为工业机器人机械手结构的优化提供了理论基础。本文采用有限元法进行机器人机械手结构的优化设计。

机器人的受力分析可分成静态分析和动态分析两大类，静态分析主要是研究关节处驱动扭矩与机械手臂杆之间的静力关系[3]。动态分析的主要任务是讨论驱动力和机械手臂杆之间的运动关系，研究的主要目的是为了实现对机器人机械手的控制[3]。对机器人进行有限元分析是为了检验机器人的结构设计是否满足强度和刚度要求，验证机器人机械结构设计振动稳定性要求，及时避免因结构设计不合理而造成的共振。

二、背景

2000年日本HONDA（本田）公司诞生的“ASIMO”智能机器人，经过短短十多年发展迅速（如图1.1所示）。ASIMO身高1.2m，可以双腿行走、跑步、爬楼梯，识别各种声音，还能够通过头部的照相机捕捉到的画面和事先设计好的程序进行图像处理[6]。此外，他还具有基本的记忆与辨识本领。本田公司将ASIMO定位为家用服务型智能机

第 1 页

器人，目标是进入家庭为人类服务。因此，它的设计充分利用了人因工程的相关知识，注重考虑与人的友善和亲和力。

图1 HONDA公司生产的ASIMO智能仿人机器人

2007年，日本Yaskawa Electric（安川电机）Motoman机器人公司开发出双臂机器人SDA10（见图1.2）。它灵活的双臂可以独立或合作地完成各项任务，可以把一个东西直接从一只手传递到另一只手[7]。Motoman SDA10还配备了语音识别技术，这让它甚至能按照人的口令执行相应的动作。

图2 Yaskawa Electric公司生产的Motoman SDA10

图3 Motoman SDA10正在在烤煎饼

Motoman SDA10身高135厘米，体重220Kg，每只手臂有7个自由度。在一定范围内能自动工作，只须电源供电就将不间断工作，适合大型的快餐店。Motoman SDA10可达智能制作煎饼的程度，烹饪完毕后会把食物放在盘子里进行调味[8]。图 1.3为Motoman SDA10正在在烤煎饼。

图4 ABB公司生产的FRIDA

作为电气自动化技术领域的领导者，全球500强之一的企业ABB推出了一款名为“FRIDA”的机器人。尽管FRIDA拥有类似人类的双臂，但在现阶段它还没有简洁到适合安装在为人所设计的工作空间内。要将FRIDA投入实际生产，还需要简化机器人的安装过程，并使之能迅速开始运行[9]。

2011年日本核泄漏事件，日本本田公司提供智能机械手（图1.4）来进行危险区域的工作，图1.5为机械手在关闭阀门。设计出的工业机器人机械手可以取代人工从事核电站危险的工作，不仅可提高劳动生产效率，而且可以减少人身危险。

图5 本田公司生产的小型工业机械手图6 机械手进行阀门关闭作业

扫地机器人（Sweeping Robot）是智能家用电器中的一种，能凭借一定的人工智能技术，自动在房间内完成地板清扫工作。图1.6所示为两款家用扫地机器人。

图7 扫地机器人

2013年国内科沃斯公司的地宝系列，劳伦斯老仆人系列、奥禾系列，福玛特006系列，Cicoos的iColor、Smart、Find三大系列等智能扫地机器人，满足大多数时尚消费人群的需求，为消费人群创造了更美好的生活体验。随着科技的日趋先进，消费者的生活已不断的得到提高。然而，人们对生活的品质要求却愈来愈高。本课题就是在这样一个背景下展开工作的。

三、历史意义

目前，市场上大型工业机器人已经日趋成熟。市场上的工业机器人大多数从事焊接、装配、搬运、冲压和喷漆等工作。而对于贴近人们生活层面的小型工业机器人机械手却很稀少，而我国在这一方面存在更大的空缺。将工业机器人小型化，引入人们的生活做一些必要的工作，将大大提高人们的生活品质。

针对这一思想，本课题提出了小型七自由度工业机器人机械手。工业上普遍采用六自由度，本文采用七自由度设计机械手更具灵活性。本文通过运行Solidworks软件，对七自由度工业机器人机械手结构进行有限元建模，通过运行ANSYS Workbench软件对有限元模型进行静力学和模态分析，可以充分了解解机械手结构的特点，熟悉机械手结

构有限元静力学分析和模态分析的基本原理和步骤，了解和掌握ANSYS软件的静力学分析和模态分析等基本功能，为以后从事设计机器人结构进行有限元分析及动力学分析打下基础。

四、国内外现状

1、机器人的发展历史以及应用现状

美国和日本多年来都引领国际机器人的发展方向，代表着国际上机器人领域的最高科技水平。在各种机器人中，工业机器人应用较早，发展最为成熟。同时，技术的不断创新一直都在指引着机器人学科的发展，使机器人的应用领域从工业机器人扩展到特种机器人和服务机器人等。机器人技术也正越来越深刻地影响着我们的生活。

以本田机器人发展史简述代介绍机器人的发展历史。

图8 ASIMO机器人的发展历程

机器人技术己成为世界各国竞相发展的高新技术，其发展己成为衡量一个国家技术水平发展程度的重要指标之一，并且成为21 世纪各国争夺的经济技术制高点。

在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。

工业机器人是目前机器人领域中技术最成熟、应用最广泛的一类机器人。工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电器行业等领域。在工业生产中，弧焊机器人、电焊机器人、装配机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量使用。在制造业中，尤其是在汽车行业，如在毛坯制造、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测等作业中，机器人己逐步取代人工作业。汽车行业首先是代表高技术的领域，投入也是相当大，也是率先广泛应用工业机器人的领域；从汽车