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本科畢業(yè)設計（論文）文獻綜述
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自動抓取機構設計
1. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
自動抓取機構起源于20世紀50年代，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式，能適應產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化設備［3］，也是典型機電一體化產(chǎn)品。其中，通用自動抓取機構具有獨立的控制系統(tǒng)，程序多變，動作靈活多變等特點，在中小批量的自動化生產(chǎn)中得到大量應用。
近年來，在我國，隨著氣動技術的迅速發(fā)展，氣動元件及氣動自動化技術已經(jīng)越來越多的應用于自動抓取機構中，構成了氣動自動抓取機構。氣動自動抓取機構的最大優(yōu)勢就是低成本，模塊化和集成化［4］。氣動自動抓取機構包含感知部分，控制部分和主機部分三方面。采集感應信號及控制信號均由智能閥島處理；氣動伺服定位系統(tǒng)代替伺服電機，步進馬達或液壓伺服系統(tǒng)；汽缸，擺動馬達完成原來由液壓缸或機械部分所做的執(zhí)行動作。主機部分采用了標準型輔以模塊化的裝配形式，使得氣動自動抓取機構能拓展成系列化和標準化的產(chǎn)品。在國外，像日本，美國，德國等國家，以微型內(nèi)置伺服電機作為控制系統(tǒng)主動力的精密自動抓取機構，則是世界自動化領域中更深高次的發(fā)展。相對一般的工業(yè)領域自動抓取機構，這種精密型的自動抓取機構具有動作精度高，體積相對小巧，高度智能化的特點［5］，被廣泛應用于水下精密作業(yè)，人體內(nèi)部手術作業(yè)，農(nóng)業(yè)果實采摘等領域。由于這種類型的自動抓取機構更突出的要求是精密型，故其整體結構為多關節(jié)、多驅(qū)動型，每個關節(jié)都有獨立伺服電機作為驅(qū)動源，這些伺服電機則由軀干內(nèi)部的PLC等核心處理器做統(tǒng)一控制管理，以達到靈活多變的控制要求。
現(xiàn)今使用的自動抓取機構主要可分為極坐標型自動抓取機構和關節(jié)型自動抓取機構，這兩種自動抓取機構可以提供較大的工作空間［6］，恰好可以滿足一般的自動抓取機構在工作空間上的要求。韓國最早開發(fā)的用于果實采摘的極坐標自動抓取機構臂，旋轉(zhuǎn)關節(jié)可以自由移動，絲杠關節(jié)可以上下移動，從而使作業(yè)空間達到3m［7］。日本東都大學也在20世紀80年代研制出了5自由度關節(jié)型自動抓取機構［8］。實驗表明這種自動抓取機構在運動空間上雖然沒有極坐標自動抓取機構到位，且末端執(zhí)行器的可操作能力較低，但結構相對簡單，工作更加靈活，在不需要較復雜操作的工作環(huán)境下，體現(xiàn)出一定優(yōu)勢［9］［10］。京都大學在此基礎上又開發(fā)出了7個自由度的自動抓取機構［11］，解決了其相對極坐標自動抓取機構在工作空間上不足的缺點，在關節(jié)型自動抓取機構領域達到了一個更高的高度。自動抓取機構可以模仿人手的某些動作和功能，用固定的程序和軌跡完成抓取、搬運物件等操作。特別是在當前勞工緊缺，勞動力成本日益提高的社會背景下，自動抓取機構的使用可以替代人的繁重勞動，實現(xiàn)工業(yè)自動化的同時也大大減少了企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)效益。同時，由于它可在高溫、高壓、多粉塵、易燃易爆、放射性等惡劣或危險環(huán)境下，替代人類作業(yè)保護工人的人身安全，因而被廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能工業(yè)等部門［12］。
2．研究方向
自動抓取機構的工作環(huán)境是非結構的開放系統(tǒng)［13］，涉及到多門學科知識，不同的工作場合和不同的工作對象給自動抓取機構的研制特別是末端執(zhí)行機構的研制帶來了無限的空間和全新的挑戰(zhàn)。自動抓取機構在某種程度和場合上代替了人類的大量工作，但是它的使用卻并沒有達到廣泛普及的程度，這主要是由于存在2個關鍵的問題［14］：一方面，自動抓取機構的智能化程度沒有達到工業(yè)生產(chǎn)的要求。工業(yè)生產(chǎn)的特點需要自動抓取機構具有相當高的智能和柔性作業(yè)的能力以適應復雜的非結構環(huán)境；另一方面，購買和研制自動抓取機構成本高，會加重企業(yè)的生產(chǎn)成本，而且其工作范圍較局限，自動抓取機構的使用效率并不高。
現(xiàn)今自動抓取機構使用效率低的原因是其工作通用性不強，在使用上不夠靈活，更換工作場合甚至更換工作對象都需要對自動抓取機構的結構和控制系統(tǒng)做出較大的改進，加大了研發(fā)技術人員的工作量，也加大了研發(fā)成本［15］。當自動抓取機構的操作動作比較復雜的時候，由于機器人的自由度較多，雖然運動靈活，但是對其的控制也愈困難，增加了研發(fā)的難度，對技術人員的要求較高。
因此自動抓取機構必須具有以下的特征［16］：一方面要能夠準確的定位和并抓牢物件，另一方面要能夠使自動抓取機構特別是手臂部分移動自如而不和物件或其他設備碰撞，使其結構緊湊，容易轉(zhuǎn)彎；再者，其通用性要強，可以使其應用于不同場合和不同工作對象。
2.1自動抓取機構的驅(qū)動方式
驅(qū)動裝置是帶動自動抓取機構達到指定位置的動力源。目前使用的主要有4種驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，直流電機驅(qū)動和步進電機驅(qū)動。考慮到提高效率的需要，自動抓取機構的動作一般都需要快速、精確且平穩(wěn)，因此液壓或氣壓傳動在這之中的應用比較廣。相對而言，氣壓傳動可避免油液泄露和減小壓力損失，節(jié)能，高效且對環(huán)境污染?。?7］，故選用氣壓傳動的方式最為常見。
2. 2 自動抓取機構手臂結構
目前，應用最多的自動抓取機構的手臂結構總體可分為三大類，滑塊連桿機構的關節(jié)型自動抓取機構臂結構，氣動式積木自動抓取機構臂結構和純關節(jié)型自動抓取機構臂結構。
如圖2-1所示為滑塊連桿機構的關節(jié)型自動抓取機構臂，其應用最廣，如鏟車、吊車手臂都采用此類機構［18］。其手臂采用平面內(nèi)3自由度滑塊連桿機構，主要由1機座，2上臂氣缸，3下臂氣缸，4手腕氣缸和5末端執(zhí)行機構組成。其中B、C、D 3個關節(jié)組成平面內(nèi)的3個自由度，A為腰關節(jié)，構成空間內(nèi)的第4個自由度。自動抓取機構的3個氣缸分別用液壓系統(tǒng)驅(qū)動，通過氣缸內(nèi)活塞的運動來驅(qū)動相應的滑塊連桿機構，帶動相應的臂部做往復運動。這種手臂結構的控制均由相應手臂部分的液壓缸的活塞來完成，設計控制部分時只需相應設置相應液壓缸的動作即可，但自動抓取機構臂的動作相對顯得有些束縛，不是很靈活［19］。
圖2-1 滑塊連桿機構自動抓取機構臂
如圖2-2所示為氣動積木式自動抓取機構臂結構，這種結構以升降缸作為手臂的支撐主干，以伸擺式汽缸作為執(zhí)行部分的手臂結構，具有水平無杠桿沿X方向移動，垂直升降缸沿Y方向移動，伸縮缸沿Z 軸方向伸縮和伸擺式氣缸繞Z 軸旋轉(zhuǎn)四個自由度。由于手臂采用懸臂方式，活塞桿所承受的徑向彎曲力矩較大，為解決這個問題，一般選用具有良好導向性能的高精度導軌型無桿缸和導向型伸縮缸［20］。這種手臂結構動作原理比較簡單，X方向的移動主要靠自動抓取機構工作臺的移動來實現(xiàn)，Y和Z方向的移動則通過氣功的伸縮運動來實現(xiàn)，滿足自由度要求的同時，簡化了手臂結構。
圖2-2 氣動積木式自動抓取機構臂
如圖2-3所示為純關節(jié)型自動抓取機構臂結構，由1機身、2肩關節(jié)、3肘關節(jié)、4腕擺動關節(jié)、5臂旋轉(zhuǎn)關節(jié)和6腕彎曲關節(jié)組成，每個關節(jié)內(nèi)部都有一臺步進電機控制其關節(jié)的動作。
圖2-3 純關節(jié)型自動抓取機構臂
自動抓取機構整機可分為機身、大臂、小臂(含手腕) 3部分［21］。機身與大臂、大臂與小臂、小臂與手腕有3個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，以保證達到工作空間的任意位置，手腕中又有3個旋轉(zhuǎn)關節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺，以實現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài)。手腕的端部為一個法蘭，以連接末端操作器，這是一個通用性接口，以供用戶配置多個手部裝置或工具［22］。這種手臂結構和滑塊連桿機構的關節(jié)型手臂類似，但缺少了連桿，動作直接由內(nèi)部的步進電機控制，機動性和靈活性更強，但內(nèi)部控制結構相對復雜。
2.3自動抓取機構機座結構
機座除了對自動抓取機構起到固定和支撐作用外，還要確保其腰部的回轉(zhuǎn)運動。目前應用最多的幾座分為固定式機座和移動式機座兩種。固定式機座通常作為關節(jié)型自動抓取機構臂等空間自由度較多且動作相對靈活的自動抓取機構底座，通常只提供一個腰部的旋轉(zhuǎn)自由度。移動式機座則通常作為積木式自動抓取機構臂等要求結構簡化且不需要太多自由度的自動抓取機構的底座，通常需要提供水平面上的兩個移動自由度和繞的腰部旋轉(zhuǎn)一個自由度，這種結構可以將本該設置在自動抓取機構臂上的結構轉(zhuǎn)移到機座中，有效簡化自動抓取機構的整體設計結構，使控制和設計都更加簡單。
如圖2-4所示的腰部回轉(zhuǎn)傳動機構為典型的固定式機座結構［23］，其機身可做360度回轉(zhuǎn)運動，動力靠步進電機供給。步進電機的輸出軸接至渦輪蝸桿減速器的輸入端，可根據(jù)實際需要選擇渦輪蝸桿的減速比。渦輪蝸桿一方面提供減速功能，其準確的傳動比可保證機身回轉(zhuǎn)運動的靈活性和準確性；另一方面改變旋轉(zhuǎn)軸的方向，使之由水平方向改為垂直方向，最終通過十字聯(lián)軸器將動力傳遞到頂端的自動抓取機構臂部分［24］，實現(xiàn)在空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的第4個自由度。這種座機結構把主要的控制結構都設在了自動抓取機構臂上，設計思路簡單，但結構較繁瑣，在裝吊場合如吊車機械臂等場合應用較多。
圖2-4 固定式腰部回轉(zhuǎn)傳動機構
如圖2-5 所示的移動式車體機座是典型的移動式機座，和固定式機座相似機身可做360度回轉(zhuǎn)運動，動力靠電機室里的電機通過十字聯(lián)軸器供給，但動力的過度部分是普通的減速器結構，同樣通過傳動比來設置轉(zhuǎn)速，保證機身回轉(zhuǎn)運動的準確性和靈活性。在基礎平臺上它多了滑輪和滑槽，分別為自動抓取機構提供水平面里X、Y方向的X向移動和Y向移動。采用這種機座的自動抓取機構把許多控制結構都設置在了小車的內(nèi)部，大大簡化了手臂部分的設計，在室內(nèi)倉庫和生產(chǎn)流水線上應用較多［25］。
圖2-5 移動式車體機座
2.4 自動抓取機構末端執(zhí)行機構
自動抓取機構的末端執(zhí)行機構是自動抓取機構能否完成抓取或其他作業(yè)動作的關鍵部分，控制最為復雜，結構也最為精細緊湊，其基本機構取決于工作對象的特性及工作方式［26］。選用或設計末端執(zhí)行器之前都需要預先考慮和分析操作對象的生物特性，機械特性或者理化特性，到目前為止，末端執(zhí)行器都是專用的［27］，以避免碰傷或損壞操作對象。目前使用最多的末端執(zhí)行器結構有卡盤式結構和仿真型手指式結構。
如圖2-6所示的滑塊脹緊式末端執(zhí)行機構是典型的卡盤式結構，其結構和彈性心軸類似，主要由楔形塊，滑塊活塞和復位彈簧組成。
圖2-6 滑塊脹緊式末端執(zhí)行機構
此類末端執(zhí)行機構適合于抓取環(huán)類或帶內(nèi)孔的工件，主要靠氣壓推動滑塊活塞向下運動，滑塊的斜面和楔形快的楔形面接觸，并使楔形塊向兩邊運動，發(fā)生脹緊，從而抓起工件。放料時氣缸退回，為防止活塞和楔形快卡死，在活塞底部采用一個復位彈簧，使活塞在放氣后能自行退回。此類機構的功能主要由腕臂末端的滑塊活塞和楔形塊完成，其設計可以和手臂部分的設計保持相對獨立，這樣就可以針對不同的工作對象設計不同的末端執(zhí)行機構，增強了自動抓取機構的通用性。
如圖2-7所示的三只自動抓取機構末端執(zhí)行機構是典型的仿真型手指式結構，其結構有九個自由度，為關節(jié)式，各關節(jié)均為轉(zhuǎn)動式，并在每個關節(jié)處配有相應的驅(qū)動裝置，結構精細而復雜［28］。在進行抓取等操作動作時，是靠三個指的協(xié)調(diào)運動來完成操作，對控制系統(tǒng)的要求較高。
圖2-7 三只自動抓取機構末端執(zhí)行機構
和它類似的還有五指自動抓取機構末端執(zhí)行機構。這種仿真型手指式結構所提供的動作都比較精細，通常應用在手術等復雜作業(yè)場合［29］，其設計對技術的要求也較高，是高科技領域的新型產(chǎn)品。一般而言，手指的形狀和數(shù)量的設計要與具體的操作對象和作業(yè)任務有關，手指數(shù)量越多，操作動作的精密性越好，但控制也越復雜。
３．結束語
自動抓取機構充分利用結構優(yōu)化設計和自動化技術，結構愈加簡單，功能更加強大，可根據(jù)實際應用要求選擇相應功能、參數(shù)和機構模塊，像搭積木一樣進行組合，靈活多變［30］。這是一種先進的設計思想，反應了自動化技術在工業(yè)生產(chǎn)中的一個發(fā)展方向。另外，氣動技術在自動化技術中的廣泛應用，也將逐漸貫徹于自動抓取機構的開發(fā)及應用中。實踐證明，隨著自動化水平的日益提高和普及，自動抓取機構在現(xiàn)代工業(yè)大生產(chǎn)的使用已經(jīng)逐漸占據(jù)舉足輕重的地位。但就目前而言，自動抓取機構的應用主要停留在粗放型作業(yè)的環(huán)境中，這主要是由于世界各國對自動抓取機構精密操作這種高科技領域的研究與開發(fā)還很不成熟，在自動抓取機構的具體機構設計，各部位的驅(qū)動，控制系統(tǒng)，甚至更高要求的傳感器選擇方面有待更深層次的研究。
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