螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含7張CAD圖
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附錄1：外文翻譯
機(jī)械手的機(jī)械和控制系統(tǒng)
摘要: 最近，全球內(nèi)帶有多指夾子或手的機(jī)械人系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)了，多種方法應(yīng)用其上，有擬人化的和非擬人化的。不僅調(diào)查了這些系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu),而且還包括其必要的控制系統(tǒng)。如同人手一樣，這些機(jī)械人系統(tǒng)可以用它們的手去抓不同的物體，而不用改換夾子。這些機(jī)械手具備特殊的運(yùn)動(dòng)能力（比如小質(zhì)量和小慣性），這使被抓物體在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)做更復(fù)雜、更精確的操作變得可能。這些復(fù)雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉(zhuǎn)。本文概述了這種機(jī)械手的一般設(shè)計(jì)方法，同時(shí)給出了此類機(jī)械手的一個(gè)示例，如卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ。本文末介紹了一些新的構(gòu)想，如利用液體驅(qū)動(dòng)器為類人型機(jī)器人設(shè)計(jì)一個(gè)全新的機(jī)械手。
關(guān)鍵詞：多指機(jī)械手；機(jī)器人手；精操作；機(jī)械系統(tǒng)；控制系統(tǒng)
1. 引言
2001年6月在德國(guó)卡爾斯魯厄開展的“人形機(jī)器人”特別研究，是為了開發(fā)在正常環(huán)境（如廚房或客廳）下能夠和人類合作和互動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這些機(jī)器人系統(tǒng)是為了能夠在非專業(yè)、非工業(yè)的條件下（如身處多物之中），幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時(shí)，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強(qiáng)的靈活性只能通過(guò)一個(gè)適應(yīng)性極強(qiáng)的機(jī)械人手抓系統(tǒng)來(lái)獲得，即所謂的多指機(jī)械手或機(jī)器人手。
上文提到的研究項(xiàng)目，就是要制造一個(gè)人形機(jī)器人，此機(jī)器人將裝備這種機(jī)器人手系統(tǒng)。這個(gè)新手將由兩個(gè)機(jī)構(gòu)合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學(xué)的IPR（過(guò)程控制和機(jī)器人技術(shù)研究院）和c（計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)研究院）。這兩個(gè)組織都有制造此種系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但是稍有不同的觀點(diǎn)。
IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（如圖1所示），是一個(gè)四指相互獨(dú)立的手爪，我們將在此文中詳細(xì)介紹。IAI制造的手（如圖17所示）是作為殘疾人的
2.機(jī)器人手的一般結(jié)構(gòu)
一個(gè)機(jī)器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
機(jī)械系統(tǒng)又可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進(jìn)一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。
我們將對(duì)這兩大子系統(tǒng)的問(wèn)題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ演示一下。
3.機(jī)械系統(tǒng)
機(jī)械系統(tǒng)將描述這個(gè)手看起來(lái)如何以及由什么元件組成。它決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動(dòng)器（如電動(dòng)機(jī)）、傳感器（如位置編碼器）的位置。
3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將對(duì)機(jī)械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類型的物體以及能對(duì)被抓物體進(jìn)行何種操作。設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人手的時(shí)候，必須確定三個(gè)基本要素：手指的數(shù)量、手指的關(guān)節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。
為了能夠在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠?qū)Ρ蛔ノ矬w的操作獲得6個(gè)自由度（3個(gè)平移和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度），每個(gè)手指必須具備3個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過(guò)。但是，為了能夠重抓一個(gè)物件而無(wú)需將它先釋放再拾取的話，至少需要4根手指。
要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機(jī)器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個(gè)手指不同的尺寸和不對(duì)稱的安置位置將增加加工費(fèi)用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，因?yàn)槊總€(gè)手指都必須分別加以控制。對(duì)于相同手指的對(duì)稱布置，常采用非擬人化方法。因?yàn)橹恍杓庸ず蜆?gòu)建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費(fèi)用，同時(shí)也可是控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化。
3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
指關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器對(duì)手的靈活度也有很大的影響，因?yàn)樗鼪Q定潛在的力量、精度及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的速度。機(jī)械運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)方面需加以考慮：運(yùn)動(dòng)來(lái)源和運(yùn)動(dòng)方向。在這方面，文獻(xiàn)里描述了有幾種不同的方法，如文獻(xiàn)[3]中說(shuō)可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，或者，正如大部分情況一樣使用電動(dòng)機(jī)。在多數(shù)情況下，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器（如電機(jī)）太大而不能直接與相應(yīng)的指關(guān)節(jié)結(jié)合在一起，因此，這個(gè)運(yùn)動(dòng)必須由驅(qū)動(dòng)器（一般位于機(jī)器臂最后的連接點(diǎn)處）轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)。有幾種不同的方法可實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)方式，如使用鍵、傳動(dòng)帶以及活動(dòng)軸。使用這種間接驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)的方法，或多或少地降低了整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度和精度，同時(shí)也使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，因?yàn)槊扛种傅牟煌P(guān)節(jié)常常是機(jī)械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨(dú)立控制。由于具有這些缺點(diǎn)，因此小型化的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器與指關(guān)節(jié)的直接融合就顯得相當(dāng)必要。
3.3 傳感系統(tǒng)
機(jī)器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對(duì)手指或被抓物體建立一個(gè)閉環(huán)控制是很必要的。在機(jī)器手中使用了3種類型的傳感器：
1）手爪狀態(tài)傳感器確定指關(guān)節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會(huì)打破它。
2）抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺(jué)信息可在抓取過(guò)程中及時(shí)確定與物體第一次接觸的位置點(diǎn)，同時(shí)也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺(jué)到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。
3）物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測(cè)是否滑落。
根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有關(guān)指關(guān)節(jié)位置的幾何信息可以在運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器或直接在關(guān)節(jié)處出測(cè)量。例如，如在電動(dòng)機(jī)和指關(guān)節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機(jī)軸上的一個(gè)角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來(lái)測(cè)量關(guān)節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或者要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。
3.4卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的機(jī)械系統(tǒng)
為了能夠獲得如重抓等更加復(fù)雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指組成，且每根手指由3個(gè)相互獨(dú)立的關(guān)節(jié)組成。設(shè)計(jì)該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個(gè)相同手指，將它們作對(duì)稱、非擬人化配置，且每個(gè)手指都能旋轉(zhuǎn)90°（圖4所示）。
鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設(shè)計(jì)中得到的經(jīng)驗(yàn)，比如因傳動(dòng)帶而導(dǎo)致的機(jī)械問(wèn)題以及較大摩擦因數(shù)導(dǎo)致的控制問(wèn)題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設(shè)計(jì)決策。每根手指的關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3之間的直流電機(jī)被整合到手指前部肢體中（圖5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運(yùn)動(dòng)傳遞到手指的關(guān)節(jié)處。處在電機(jī)軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時(shí)可作為一個(gè)精度很高的位置狀態(tài)傳感器。
為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個(gè)六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個(gè)傳感器可當(dāng)作手指末端肢體使用，且配有一個(gè)球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時(shí)也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測(cè)量X、Y和Z方向的力及繞相關(guān)軸的力矩。另外，3個(gè)共線的激光三角測(cè)量傳感器被安置在KDHⅡ的手掌上（圖5所示）。因?yàn)橛?個(gè)這樣的傳感器，因此不僅可以測(cè)量3單點(diǎn)之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測(cè)出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率為1kHz，它能檢測(cè)和避免物體的滑落。
4. 控制系統(tǒng)
機(jī)器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實(shí)際利用，這些技能都是由機(jī)械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計(jì)算機(jī)即硬件和控制算法即軟件。
控制系統(tǒng)必須滿足以下幾個(gè)的條件：
1) 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，具有9個(gè)自由度的低級(jí)手，其驅(qū)動(dòng)器至少需要9路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個(gè)手指上的力傳感器、觸覺(jué)傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號(hào)好倍。
2) 需具備對(duì)外部事件快速實(shí)時(shí)反應(yīng)的能力。例如，當(dāng)檢測(cè)到物體滑落時(shí)，能立即采取相應(yīng)的措施。
3) 需具備較高的計(jì)算能力以應(yīng)對(duì)一些不同的任務(wù)。如可以對(duì)多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及閉環(huán)控制等任務(wù)。
4) 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠?qū)⑵渲苯蛹傻讲僮飨到y(tǒng)當(dāng)中。
5) 在控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對(duì)傳感器來(lái)說(shuō)，若沒(méi)有的話，很多的干擾信號(hào)將會(huì)干擾傳感器信號(hào)。
4.1 控制硬件
為了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個(gè)專門的處理器中。如可通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達(dá)和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計(jì)算能力，且需要一個(gè)靈活實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持。這可以通過(guò)PC機(jī)輕易地解決。
因此，控制硬件常由一個(gè)非均勻的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個(gè)功能強(qiáng)大的處理器。不同的計(jì)算單元?jiǎng)t通過(guò)一個(gè)通信系統(tǒng)連接起來(lái)，比如總線系統(tǒng)。
4.2 控制軟件
機(jī)器人手的控制軟件是相當(dāng)復(fù)雜的。必須對(duì)要對(duì)手指進(jìn)行實(shí)時(shí)及平行控制，同時(shí)還要計(jì)劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問(wèn)題的復(fù)雜性，就有必要將此問(wèn)題分成幾個(gè)子問(wèn)題來(lái)處理。
另一方面涉及軟件的開發(fā)。機(jī)器人手其實(shí)是一個(gè)研究項(xiàng)目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設(shè)施都必須十分強(qiáng)大和靈活。這些只能使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機(jī)械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過(guò)了修剪，以滿足機(jī)械手的特殊控制要求。
4.3卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制系統(tǒng)
如在4.1節(jié)中所說(shuō)，對(duì)于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制硬件，采用了一種分布式方法（圖7所示）。一個(gè)微控制器分別控制一個(gè)手指的驅(qū)動(dòng)器和傳感器，另外一個(gè)微控制器用于控制物體狀態(tài)傳感器（激光三角傳感器）。這些微控制器（圖7左側(cè)和右側(cè)的外箱）直接安裝在手上，所以可以保證和驅(qū)動(dòng)器及傳感器之間較短的電氣連接。這些微控制器都是使用串行總線系統(tǒng)和主控計(jì)算機(jī)連在一起的。這個(gè)主控計(jì)算機(jī)（圖7、圖8中的灰色方塊）是由六臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)組成的一個(gè)并行計(jì)算機(jī)。這些電腦都被排列在一個(gè)二維平面。相鄰電腦模塊（一臺(tái)電腦最多有8個(gè)相鄰模塊）使用雙端口RAM進(jìn)行快速通信（圖7中暗灰色方塊所示）。一臺(tái)電腦用于控制一個(gè)手指。另一臺(tái)用于控制物體狀態(tài)傳感器及計(jì)算物體之間的位置。其余的電腦被安在前面提到的電腦的周圍。這些電腦用于協(xié)調(diào)整個(gè)控制系統(tǒng)。控制軟件的結(jié)構(gòu)反映了控制硬件的架構(gòu)。如圖9所示。
一個(gè)關(guān)于此手控制系統(tǒng)的三個(gè)最高層次的網(wǎng)上計(jì)劃正在規(guī)劃。理想的物體位移命令可由優(yōu)越的機(jī)器人控制系統(tǒng)得到，并可用作物體路徑的精確規(guī)劃。根據(jù)已產(chǎn)生的目標(biāo)路徑就可規(guī)劃可行的抓取行為（手指作用在物體上的可行抓取位置點(diǎn)）?，F(xiàn)在知道了物體的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)軌跡，并傳遞給系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力部分。如果一個(gè)物體被抓取了，那么其手指的運(yùn)動(dòng)路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個(gè)控制器控制物體的姿態(tài)，它由手指和物體狀態(tài)傳感器所決定，用以獲得所需的物體姿態(tài)。如果一個(gè)手指沒(méi)有跟物體接觸，那么它的移動(dòng)路徑將會(huì)直接傳遞給手控制器。這個(gè)手控制器將相關(guān)的預(yù)期手指位置傳遞給所有的手指控制器，以協(xié)調(diào)所有手指的運(yùn)動(dòng)。這些在手指?jìng)鞲衅鞯膸椭掠址催^(guò)來(lái)驅(qū)動(dòng)手指驅(qū)動(dòng)器。
5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的能力，我們選擇了兩個(gè)要求操作問(wèn)題。一個(gè)問(wèn)題是在網(wǎng)上對(duì)處于外部影響下的被抓物體姿態(tài)（位置和方向）的控制。另一個(gè)問(wèn)題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉(zhuǎn)，這只能通過(guò)重抓才能實(shí)現(xiàn)。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)?fù)雜任務(wù)的操作能力。
附錄2：外文原文
一、選題依據(jù)
1、研究領(lǐng)域
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，CAD。
2、論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
機(jī)械手正處于一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段，它實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化與商品化，在先進(jìn)的工業(yè)發(fā) 達(dá)國(guó)家里，機(jī)械手的開發(fā)與研制正在形成一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)。機(jī)械手是自動(dòng)執(zhí)行工作的 機(jī)器裝置，是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò) 程中機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械手的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi) 迅速發(fā)展起來(lái)的一門技術(shù)。機(jī)械手操作的準(zhǔn)確性和在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在 國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
機(jī)械手己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)用最多 的是汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機(jī)械制造等行業(yè)也有普遍應(yīng)用。 機(jī)械手的應(yīng)用可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故；在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰 塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中應(yīng)用；可以 減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)，可以改善勞動(dòng)條件、減少安全事故 ；可以提高經(jīng)濟(jì)效益，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)，減少人工勞動(dòng)力引起的支出；可以提高生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量， 使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)高精度、高質(zhì)量的生產(chǎn)；可以增加產(chǎn)品的生產(chǎn)速度，提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)
化程度，提高了生產(chǎn)效率。
3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)
在裝配線上，螺栓的裝配是一項(xiàng)很繁瑣的工作。對(duì)于裝配螺栓的機(jī)械工具，國(guó)內(nèi) 外研究成果顯著。包括手動(dòng)扳手、電動(dòng)扳手、液壓扳手、氣動(dòng)扳手、 裝配機(jī)械手等工具，這些工具不僅節(jié)省人力，而且方便實(shí)用。眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)如何利用機(jī)械工 具代替人工完成螺栓連接的裝配這一繁瑣工作展開了深入研究。國(guó)內(nèi)對(duì)于擰螺栓工具 以及機(jī)械手的研究亦獲得了相當(dāng)多的成果。機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè) 裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。機(jī)械手大致可以分為以下幾種，按用途分：專用 機(jī)械手、通用機(jī)械手；按主要功能分：操作機(jī)械手、移動(dòng)機(jī)械手、信息機(jī)械手、人機(jī) 機(jī)械手；按坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)分：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型；按受控方 式分: 點(diǎn)位控制型、連續(xù)控制型；按驅(qū)動(dòng)方式分: 液壓傳動(dòng)機(jī)械手、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手、電力傳動(dòng)機(jī)械手等。
我國(guó)從第七個(gè)五年計(jì)劃開始，政府大大加大了機(jī)械手的重視程度，并且為此項(xiàng)目 投入大量的資金，在眾多學(xué)者及研究人員的參與下，研究開發(fā)并且制造一系列的機(jī)械
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手，其中有北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)械手，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī) 床研究所合作設(shè)計(jì)的電焊機(jī)械手，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)械手，沈陽(yáng)工 業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)械手等。這些機(jī)械手的控制器，都是由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自 動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的。與此同時(shí)，一系列的機(jī)械手關(guān)鍵部 件也被開發(fā)出來(lái)，如機(jī)械手專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)等，編碼器等。我國(guó) 機(jī)械手的起步較晚，相信在不久的將來(lái)，機(jī)械手在我國(guó)會(huì)被廣泛應(yīng)用。作為國(guó)產(chǎn)自主 創(chuàng)新品牌的廣東拓斯達(dá)機(jī)械手目前在國(guó)內(nèi)制造業(yè)市場(chǎng)中份額每年逐漸攀升，廣東拓斯 達(dá)機(jī)械手榮獲廣東省名牌產(chǎn)品，并且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，以及 戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)品。
國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制模塊化、智能化的機(jī)械手。使它具有一定的 傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，既能更 正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定的成績(jī)。視覺(jué)功 能即在機(jī)械手上安裝有點(diǎn)視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀以及微型計(jì)算機(jī)。觸覺(jué)功能是在機(jī)械 手上安裝有觸覺(jué)反饋控制裝置；隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一 步提高。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變 目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。目前裝配機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是：
（1）向多元化、高精度發(fā)展；
（2）向精密、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展；
（3）向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化方向發(fā)展；
（4）機(jī)電一體化發(fā)展。
總之國(guó)內(nèi)企業(yè)只有不斷引進(jìn)吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行自主創(chuàng)新并在機(jī)械手機(jī)構(gòu) 加大研發(fā)力度，國(guó)內(nèi)螺栓裝配設(shè)備才能取得長(zhǎng)足發(fā)展，才能走向世界。
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容
1.重點(diǎn)解決的問(wèn)題
（1）螺栓裝配機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)
（2）螺栓裝配機(jī)械手的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）
（1）收集裝配機(jī)械手相關(guān)的文獻(xiàn)資料，掌握其機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成及工作原理， 各部件功能；
（2）根據(jù)機(jī)械手的初始條件，確定了機(jī)械手的總體方案的設(shè)計(jì)，機(jī)械手的坐標(biāo) 形式和自由度的確定，運(yùn)動(dòng)空間的計(jì)算等；螺栓裝配機(jī)械手的工作過(guò)程：
1 基座 2 立柱 3 手臂 4 手腕及手爪
圖 1 螺栓轉(zhuǎn)配機(jī)械手的方案簡(jiǎn)圖
①手臂 3 繞立柱 2 轉(zhuǎn)動(dòng) 90 度；
②手爪在抓取螺栓頭并保持夾緊狀態(tài)；
③手臂 3 繞著立柱 2 轉(zhuǎn)回 90°；
④機(jī)械手整體沿著導(dǎo)軌水平運(yùn)動(dòng)，手臂 3 在沿著立柱 2 移動(dòng)；通過(guò)水平方向與垂直方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械手的手抓位置調(diào)節(jié)，從而保證螺栓與螺栓孔的精確定位；
⑤手爪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)手臂沿著軸線方向進(jìn)給，將螺栓旋緊；
⑥手爪張開，手臂 3 回到初始位置，循環(huán)到下一個(gè)裝配動(dòng)作。
（3）對(duì)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、手爪執(zhí)行機(jī)構(gòu)等 進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，包括電機(jī)的選型，軸承的選擇，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等做了具體計(jì) 算；
（4）繪制裝配圖及主要零件圖，編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。
3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果
（1）一套完整的螺栓裝配機(jī)械手的裝配圖及零件圖；
（2）一份螺栓裝配機(jī)械手的設(shè)計(jì)說(shuō)明書；
（3）一篇外文文獻(xiàn)翻譯。
三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）
(1) 根據(jù)螺栓裝配的工藝要求，設(shè)計(jì)一種四個(gè)自由度機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對(duì)螺母的抓取、定位、旋緊等一系列動(dòng)作，確定機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而采用傳統(tǒng)的理論力 學(xué)計(jì)算方法和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)械手各組成部件完成設(shè)計(jì)。
(2)機(jī)械手主要的參數(shù)夾持力：250N；
機(jī)械手的移動(dòng)速度：5m/min；
手爪夾持螺母的尺寸范圍：M10-M40； 自由度：4個(gè)；
機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型：采用圓柱坐標(biāo)式與直角坐標(biāo)式組合的形式。
2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃
第 1-4 周:根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，收集參考文獻(xiàn)資料，撰寫開題報(bào)告等；
第 5 周:擬定螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；
第 6-8 周:機(jī)械手的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)，夾持機(jī)構(gòu)及關(guān)鍵元器件的選擇計(jì)算；
第 9-10 周:繪制機(jī)械手的裝配圖，各零部件的圖紙； 第 11-12 周:繪制裝配機(jī)械手組件或部件 3D 圖；
第 13 周:書寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書，翻譯與本設(shè)計(jì)相關(guān)的英文文獻(xiàn)；
第 14 周:準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
[1] 王世偉，自抗擾控制器參數(shù)整定方法研究及其在螺栓裝配機(jī)械手中的應(yīng)用[D]. 蘭州交通大學(xué)碩士論文. 2015.
[2] 舒志斌,謝福亮,鄭之開.專用機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J].南京工業(yè)大學(xué),2013.
[3] 張博,圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].北京大學(xué)工程訓(xùn)練中心,2014.
[4] 汪新中.平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人擰螺釘手抓的研究[J].機(jī)電工程,2015,25(9):18-20.
[5] 楊育林, 包倩倩, 段昌生, 趙楠楠. 車輪裝配機(jī)械手氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床,2017,(08):131-134.
[6] 郭洪武.淺析機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)[D].山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公司，2012.
[7] 趙云偉,耿德旭.氣動(dòng)柔性五指機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)及抓持能力 [J]. 機(jī)器, 2014,36(2):171-178.
[8] 張兆陽(yáng). 一種適合狹窄空間下零部件裝配機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究[D].燕山大學(xué),2013.
[9] 陳國(guó)良,黃心漢,周祖德.微型裝配機(jī)器人系統(tǒng)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,45(2):288-293.
[10] 羅璟,劉克定,陶湘廳等.工業(yè)機(jī)器人的控制策略探討[J].機(jī)床與液壓,2016,36(10):95-100.
[11] 楊帥, 鄒智慧. 多自由度 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系 統(tǒng)的研究 [J]. 制造業(yè) 自動(dòng)化 ,2013, 35(5):117-121.
[12] 陶珍軍, 陳坤, 螺栓裝配自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014, 22 (4):36-39.
[13] 李玉航,梅江平,劉松濤等. 一種新型 4 自由度高速并聯(lián)機(jī)械手動(dòng)力尺度綜合[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2014,50(19):32-40.
[14] Alexander Winkler, Jozef Suchy. Robot Force/Torque Control in Assembly Tasks[J]. IFAC Proceedings Volumes, 2013,46(9):796-801.
[15] Afshin T, Jorge A, Larry L. Constraint-wrench analysis of robotic manipulators[J]. Multibody System Dynamic, 2013, 29:139-168.
[16] Han Yuan, Zheng Li. Workspace analysis of cable-driven continuum manipulators based on static model[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2017,49(2): 240-252.
[17] Han Y, Eric C, Dominique D. Static and dynamic stiffness analyses of cable -driven parallel robots with non-negligible cable mass and elasticity[J]. Mechanism and Machine Theory, 2015, 85(12):64-81.
附：文獻(xiàn)綜述
文獻(xiàn)綜述
1.機(jī)械手的目的與意義
機(jī)械手是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編 排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代 人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。有些人認(rèn)為，最高級(jí)的機(jī) 械手要做的和人一模一樣，其實(shí)非也。實(shí)際上，機(jī)械手是利用機(jī)械傳動(dòng)、現(xiàn)代微電子 技術(shù)組合而成的一種能模仿人某種技能的機(jī)械電子設(shè)備，他是在電子、機(jī)械及信息技 術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。然而，機(jī)械手的樣子不一定必須像人，只要能獨(dú)立完成一些 人類的技能或有一定危險(xiǎn)性的工作，就屬于機(jī)械手大家族的成員。
機(jī)械手己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)用最多 的市汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機(jī)械制造等行業(yè)也有普遍應(yīng)用， 并逐漸向纖維加。食品工業(yè)、家用產(chǎn)品制造等行業(yè)發(fā)展。焊接作業(yè)包括點(diǎn)焊和弧焊， 是機(jī)械手用得最多的作業(yè)之一。機(jī)械手對(duì)于改善勞動(dòng)條件、減少安全事故 ，減少人受危險(xiǎn)環(huán)境的傷害等方面都有顯著的效果。蘭州交通大學(xué)王世偉【1】提出鑒于螺栓裝 配與拆卸作業(yè)是制造業(yè)中重復(fù)性高、勞動(dòng)強(qiáng)度大的一項(xiàng)工作,因此有必要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)螺栓 自動(dòng)裝配的工業(yè)機(jī)器人。
2 .機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成
機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)械手本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副常稱
為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)械手的自由度數(shù)。出于擬人化的考慮，常將機(jī)械手本體 的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。
驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于動(dòng) 力元件使機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是電信號(hào)，輸出的是線、角位移量。機(jī)械手使用 的驅(qū)動(dòng)裝置主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置，此外也有采用液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置。
檢測(cè)裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系 統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)械手的動(dòng)作符合預(yù)定的 要求。
控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)械手的全部控制由一臺(tái)微型計(jì)算 機(jī)完成。另一種是分散式控制，即采用多臺(tái)微機(jī)來(lái)分擔(dān)機(jī)械手的控制。根據(jù)作業(yè)任務(wù) 要求的不同，機(jī)械手的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力控制。
3. 機(jī)械手的分類
（1）按用途分：
專用機(jī)械手：它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。 專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用 于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)。南京工業(yè)大學(xué)舒志斌【2】等人指出專用機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 與分析。
通用機(jī)械手：它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械
手。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變化生產(chǎn)品種的 中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。
（2）按坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)分：
直角坐標(biāo)型：只具有移動(dòng)關(guān)節(jié)，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高，適用于主機(jī) 位置成行排列的場(chǎng)合。但是由于占地面積大而工作范圍小以及靈活性差，限制了它的 使用范圍。
圓柱坐標(biāo)型：具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)、其余為移動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)械手。它與直角坐標(biāo)式相 比較，占地面積小且活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，因此應(yīng)用 較廣泛。但由于機(jī)械手結(jié)構(gòu)的關(guān)系，移動(dòng)的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的 物件。北京大學(xué)工程訓(xùn)練中心張博【3】指出了圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)。
球坐標(biāo)型：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)、其余為移動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)械手。這種機(jī)械手手臂的俯 仰運(yùn)動(dòng)能抓取地面上的物件，為了使手部能適應(yīng)被抓取物件方位的要求，常常設(shè)有手 腕上下擺動(dòng)，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種機(jī)械手具有動(dòng)作靈活，占地面 積小而工作范圍大等特點(diǎn)，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)的傳動(dòng)形式。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 此外手臂擺角的誤差通過(guò)手臂會(huì)引起手部中心處的誤差放大。
關(guān)節(jié)型：具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)械手。它的特點(diǎn)是工作范圍大，動(dòng)作靈活，通用 性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的物件，并能繞過(guò)機(jī)體和工作主機(jī)之間的障礙物去抓取物件。 但是關(guān)節(jié)式機(jī)械手的手指定位是由各個(gè)關(guān)節(jié)相互轉(zhuǎn)角來(lái)決定的，所以定位精度較差， 控制裝置和機(jī)械結(jié)構(gòu)比其它形式的機(jī)械手均復(fù)雜。杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汪 新中【4】設(shè)計(jì)了一種擰螺釘多關(guān)節(jié)機(jī)械手，其手部采用結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的機(jī)械夾持實(shí)現(xiàn)螺 釘?shù)膴A持，保證螺釘?shù)臏?zhǔn)確定位和高可靠性。
（3）按受控方式分:
點(diǎn)位控制型：它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中幾個(gè)點(diǎn)的 位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。
連續(xù)控制型：它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的， 整個(gè)移動(dòng)過(guò)程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣 控制系統(tǒng)復(fù)雜。
（4）按驅(qū)動(dòng)方式分:
液壓傳動(dòng)機(jī)械手：其主要特點(diǎn)是抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、 動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大影響， 且不宜在高溫、低溫下工作。
氣壓傳動(dòng)機(jī)械手：其主要特點(diǎn)是介質(zhì)來(lái)源較方便、氣動(dòng)動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成 本低。但是由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，而且氣源壓力較低， 適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作；燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院楊育林 等【5】提出針對(duì)不同重量車輪的裝配問(wèn)題,提出了一種新型機(jī)械手氣動(dòng)控制系統(tǒng),該控制 系統(tǒng)通過(guò)對(duì)減壓閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良,僅用一個(gè)平衡回路完成空載和負(fù)載之間的無(wú)級(jí)切 換。
電氣傳動(dòng)機(jī)械手：即由特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū) 動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線 電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。
4.國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r
機(jī)械手首先是從美國(guó)開始研制的，美國(guó)聯(lián)合控制公司首先研制出第一臺(tái)機(jī)械手， 它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是
示教形的，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機(jī)械將進(jìn)入高度自動(dòng)化和智能 化時(shí)期，機(jī)械手機(jī)器人的應(yīng)用可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,改善勞動(dòng)條件,解決勞 動(dòng)力不足等問(wèn)題構(gòu)成。
從第七個(gè)五年計(jì)劃開始，我國(guó)政府大大加大了工業(yè)機(jī)器人的重視程度，并且為此 項(xiàng)目投入大量的資金，在眾多學(xué)者及研究人員的參與下，研究開發(fā)并且制造一系列的 工業(yè)機(jī)器人，其中有北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所 和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)的電焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器 人，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國(guó)科 學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的。與此同時(shí)，一系列的機(jī) 器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來(lái)，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)等，編碼 器等。我國(guó)機(jī)械手的起步較晚，相信在不久的將來(lái)，機(jī)械手在我國(guó)會(huì)被廣泛應(yīng)用。作 為國(guó)產(chǎn)自主創(chuàng)新品牌的廣東拓斯達(dá)機(jī)械手目前在國(guó)內(nèi)制造業(yè)市場(chǎng)中份額每年逐漸攀 升，廣東拓斯達(dá)機(jī)械手榮獲廣東省名牌產(chǎn)品，并且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、核心技術(shù)和關(guān) 鍵技術(shù)，以及戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)品。
國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感 能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并 自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。視覺(jué)功能即在 機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體 形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并 發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺(jué)功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺(jué)反饋控制裝置。 工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過(guò)安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺(jué)作 用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過(guò)裝在手指內(nèi)的敏感元件來(lái)控制，達(dá) 到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一 步提高。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變 目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公司郭洪武【6】指出 了機(jī)械手的概念,發(fā)展歷史,以及機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)。
國(guó)外機(jī)械手的控制類型大致可分為四類：①簡(jiǎn)易控制型機(jī)械手，定位用機(jī)械制動(dòng) 器或者行程開關(guān)，這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，在一般的上下料作業(yè)中較為適用；
②示教再現(xiàn)控制的機(jī)械手，UNIMATE 型機(jī)械手是示教再現(xiàn)的控制系統(tǒng)，日本川崎重工生產(chǎn)的川崎 UNIMATE 機(jī)械手也屬于此類；③用電子計(jì)算機(jī)群控多臺(tái)機(jī)械手，若在一條生產(chǎn)線上使用多臺(tái)機(jī)械手，往往用一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)控制幾臺(tái)機(jī)械手，這樣成本大 大降低，自動(dòng)化程度反而提高；④智能機(jī)械手，機(jī)械手具有視覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等感覺(jué) 機(jī)能，還能識(shí)別圖形，進(jìn)行分析判斷，可以行走等。該類機(jī)械手目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段。 我國(guó)機(jī)械手的控制類型分為：①全繼電器控制，控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都用繼電器進(jìn)行 控制，它適用于專用的或通用的具有固定程序或可變程序的機(jī)械手。定位方式采用機(jī) 械制動(dòng)器，此類型控制形式都稱為簡(jiǎn)易型，具有線路簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是動(dòng) 作速度慢，體積較大，定位精度較差；②無(wú)觸點(diǎn)程序控制的通用機(jī)械手，這種機(jī)械手 在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了比較成熟的制造經(jīng)驗(yàn)，研制單位甚多。優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)，程序變換簡(jiǎn) 單可靠，循環(huán)周期短，提高機(jī)械手的工作效率；③簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)械手，簡(jiǎn)易數(shù)控分為開 環(huán)和閉環(huán)兩種，優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，反應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)停留和連續(xù)軌跡的運(yùn)動(dòng) 方式。
國(guó)外機(jī)械手定位在發(fā)展初期，由于技術(shù)的不成熟，利用氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手的定位 精度很低，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)在任意位置的起停，能靠氣缸兩個(gè)終點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的定 位，無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在任意位置得起停。以早期的氣動(dòng)機(jī)械手不能實(shí)現(xiàn)任意位置的定 位，因此大大限制氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展隨著氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，氣動(dòng)伺服技術(shù)的出現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)了氣缸在任意位置定位，世界上各國(guó)都相繼開發(fā)出了可在任意位置實(shí)現(xiàn)起停的氣 動(dòng)工業(yè)機(jī)械手，且定位精度可以達(dá)到±0.5mm，如日本 SMC 公司、德國(guó) FESTO 公司等。氣動(dòng)伺服技術(shù)的出現(xiàn)，大大提高了氣動(dòng)機(jī)械手的定位精度，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)機(jī)械手在 任意位置的定位，擴(kuò)大了氣動(dòng)機(jī)械手在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。國(guó)內(nèi)應(yīng)用的機(jī)械手定 位方法有機(jī)械方法，電氣控制方法，機(jī)械擋塊的方法。電氣定位方法可分為簡(jiǎn)易型與 伺服型兩類。上海電器塑料廠 15 克立式注塑機(jī)采用簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)械手，能達(dá)到給定精度約 5 毫米，重變定位精度±1 毫米左右；一機(jī)部機(jī)械院機(jī)電所與北京汽車廠合制的CJS-1 機(jī)械手采用點(diǎn)位計(jì)檢測(cè)的定位方法，配合液壓節(jié)流緩沖，重復(fù)定位精度約為±3 毫米。
美國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫 Versatran 機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是 示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基 礎(chǔ) 。 美 國(guó) Unimate 公 司 和 斯 坦 福 大 學(xué) 、 麻 省 理 工 學(xué) 院 聯(lián) 合 研 制 一 種Unimate-Vic-arm 型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1 毫米。美國(guó)還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。比如 Unimate 公司建立了 8 年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。把故障前平均時(shí)間，由 400 小時(shí)提高到 1500 小時(shí)，精度可提高到±0.1 毫米。
德國(guó) KnKa 公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
瑞士 RETAB 公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。
日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自 1969 年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手。在數(shù)量上已占世界首位，約占 70%，并以每年 50%～60% 的速度增長(zhǎng)。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。
5.機(jī)械手未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)
機(jī)械手在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實(shí)踐證明，它在提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，提高勞動(dòng)生 產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動(dòng)條件等方面，有著令世人矚目的作用， 引起了世界各國(guó)和社會(huì)各層人士的廣泛興趣。在新的世紀(jì)，機(jī)械手工業(yè)必將得到更加 快速的發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用。山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公司郭洪武【6】淺析了機(jī) 械手的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)。從近年世界機(jī)械手推出的產(chǎn)品看，未來(lái)機(jī)械手具有如下的發(fā) 展趨勢(shì)：
（1）重復(fù)高精度
精度是指機(jī)械手達(dá)到指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有 關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)次數(shù)多，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度 比精度更重要，如果一個(gè)機(jī)械手定位不夠精確，通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差，這個(gè)誤 差是可以預(yù)測(cè)的，因此可以通過(guò)編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范 圍，它通過(guò)一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)械手來(lái)測(cè)定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā) 展，機(jī)械手的重復(fù)精度將越來(lái)越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè) 等。
（2）模塊化
有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械手稱為簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼 裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更具靈活的 安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手動(dòng)作自如。模塊 化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用 范圍，是機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。
（3）節(jié)能化
為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無(wú)污染要求不 加潤(rùn)滑脂的不供油潤(rùn)滑元件已經(jīng)問(wèn)世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料的出現(xiàn)，構(gòu)造 特殊、用自潤(rùn)滑材料制造的無(wú)潤(rùn)滑元件，不僅節(jié)省潤(rùn)滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡(jiǎn) 單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長(zhǎng)。
（4）機(jī)電一體化
由“可編程控制器—傳感器—液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技 術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān) 控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制” ；節(jié)省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡(jiǎn)單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越 來(lái)越小，而 PLC 的輸出功率在增大，由 PLC 直接控制線圈變得越來(lái)越可能。
（5）控制智能化
機(jī)械人的控制智能化由引導(dǎo)教向 NC，離線編程發(fā)展，進(jìn)而發(fā)展到進(jìn)一步應(yīng)用。隨著系統(tǒng)化、集成化生產(chǎn)的發(fā)展，基于 PC 的開放式控制系統(tǒng)將機(jī)械手控制和車間一級(jí)控制的發(fā)展方向。
綜上所述，本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是通過(guò)對(duì)螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，并分 析常用機(jī)械手的特點(diǎn)，確定自己所設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)，運(yùn)用 CAD 的軟件把裝配圖及其原理圖繪制出。并進(jìn)行裝置的可實(shí)施性進(jìn)行分析判斷，最終完成本次螺栓裝配機(jī) 械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
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