六自由度搬运机械手设计绪论

绪言

1.1 引言

在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交货周期缩短带来的挑战。

机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定，而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的市场机会。

可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。

图1-1 Unimate工业机器人

机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，1954年，美国人（George C.Devol）提出了一个关于工业机器人的技术方案，随后注册成为专利。1960年推出的工业机器人的实验样机。1961年推出了定名为“Unimate”的第一台工业

机器人，用于模铸生产。自60年代初问世以来，经历了40多年的发展才取得长足的进步。

在国家标准中，工业机器人被定义为:“一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。”机器人赖以完成各种作业的机械实体(称作操作机或操作器或机械手)被定义为:“具有和人手臂相似的动作功能，可以在空间抓放物体或者进行其他操作的机械装置。”可见，工业机器人是一个机电系统，机械手是它的执行机构。工业机器人在经历了诞生一成长一成熟期后，已成为制造业中不可缺少的核心装备。同时随着社会的发展和人们生活水平的提高，各种各样的机器人也被开发出来去适应制造领域以外的各个行业。

这些机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。其中移动机器人成为机器人学发展中的一个重要分支。实际上早在60年代，国外就有了关于移动机器人的研究。发展到今天，移动机器人涉及到的各学科门类日益丰富，也给国内外的研究人员及学者提出了许多新的挑战，更由于其在军事侦察、排雷排险、防核污染等危险与恶劣环境具有广阔的应用，从而得到了普遍的关注。

图1-2 英国的“土拨鼠”和“野牛”图1-3 漫游者走出着陆装置遥控电动排爆机

1.2 机械手概述

机械手是机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它能模仿人的手和臂的某些动作功能，用以按照固定程序抓取、搬运物件或者操作工具的自动操作装置。在现代化生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术领域内、迅速发展起来的一门新的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能够更好地实现以机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样子灵活，但它具有不断重复工作和劳动，不知疲劳、不怕危险，抓取重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手也受到了许多部门的重视，并越来越广泛地得到应用。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气自动控制技术、传感器技术和许多计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

机械手是一种能够自动化定位控制并可重复编写程序以变动的多功能机器，它有许多的自由度，可用来搬运物体以完成各个不同环境中的工作。

1.3 机械手的组成和分类

1.3.1械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置说组成。各系统相互关系如下方框图1-4所示。

图1-4 机械手组成部分

（1）执行机构

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。

A.手部

即与物件接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可以分为夹持式和吸附式。在本课题中我们选用的是夹持式手部结构。夹持式手部由手指（或手抓）和传力机构组成。手指是与物体直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单、制造容易，故应用较广泛。平移型运用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物体的表面形状、被抓部位（是外廓还是内孔）和物体的重量及尺寸。常用的指型有平面的、V型面的和曲面的；手指有外夹式和内撑式；指数有双指、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生加紧力来完成夹放物体的任务。传力机构型式较多，时常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杆螺母弹簧式和重力式等。

B.手腕

是连接手部和手臂的部件，并可用来调整抓取物件的方位（即姿势）。

C.手臂

手臂是支撑被抓取物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按照预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。

D.立柱

立柱是支撑手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系，机械手的立柱因工作需要，有时也做横向运动，即称为可移式立柱。

E.行走机构

当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可以在基座上安装轮式行走机构，可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整体运动，滚轮式分为有轨和无轨的两种。驱动滚轮运动应另增设机械传动装置。

F.基座

基座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均装在基座上。故能起到支撑和连接的作用。

（2）驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手执行机构的动力装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。控制系统是支配工业机械手按规定要求运动系统。目前机械手的控制系统一般由程序控制系统或电气定位（机械挡块定位）系统组成。

（3）控制系统

控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按照规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度和时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生错误时发出报警信号。

（4）位置检测装置

控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。

1.3.2 械手的分类

机械手一般分为三类：①需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编写程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能以外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。

②需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来探测月球等。工业上应用的锻