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1、日木东都大学也在20世纪80年代研制出了 5自由 度关节型机械手8。实验表明这种机械手在运动空间上虽然没有极 坐标机械手到位，且末端执行器的可操作能力较低，但结构相对简单, 工作更加灵活，在不需要较复杂操作的工作环境下，体现出一定优势 910。京都大学在此基础上又开发出了 7个自由度的机械手11, 解决了其相对极坐标机械手在工作空间上不足的缺点，在关节型机械 手领域达到了一个更高的高度。机械手可以模仿人手的某些动作和功能，用固定的程序和轨迹完成 抓取、搬运物件等操作。特别是在当前劳工紧缺，劳动力成本日益提 高的社会背景下，机械手的使用可以替代人的繁重劳动，实现工业自 动化的同时也大大减少了企业

2、的生产成木，提高企业效益。同时，由 于它可在高温、高压、多粉尘、易燃易爆、放射性等恶劣或危险环境 下，替代人类作业保护工人的人身安全，因而被广泛应用于机械制造、 冶金、电子、轻工和原子能工业等部门12。2.研究方向机械手的工作环境是非结构的开放系统13,涉及到多门学科知 识，不同的工作场合和不同的工作对象给机械手的研制特别是末端执 行机构的研制带来了无限的空间和全新的挑战。机械手在某种程度和 场合上代替了人类的大量工作，但是它的使用却并没有达到广泛普及 的程度，这主要是由于存在2个关键的问题14： 一方面，机械手的 智能化程度没有达到工业生产的要求。工业生产的特点需要机械手具 有相当高的智能和

3、柔性作业的能力以适应复杂的非结构环境；另一方 面，购买和研制机械手成本高，会加重企业的生产成本，而且其工作 范围较局限，机械手的使用效率并不高。现今机械手使用效率低的原因是其工作通用性不强，在使用上不够 灵活，更换工作场合甚至更换工作对象都需要对机械手的结构和控制 系统做出较大的改进，加大了研发技术人员的工作量，也加大了研发 成本15。当机械手的操作动作比较复杂的时候，由于机器人的自由 度较多，虽然运动灵活，但是对其的控制也愈困难，增加了研发的难 度，对技术人员的要求较高。因此机械手必须具有以下的特征16： 方面要能够准确的定位 和并抓牢物件，另一方面要能够使机械手特别是手臂部分移动自如而 不

4、和物件或其他设备碰撞，使其结构紧凑，容易转弯；再者，其通用 性要强，可以使其应用于不同场合和不同工作对象。2. 1机械手的驱动方式驱动装置是带动机械手达到指定位置的动力源。目前使用的主要有 4种驱动方式：液压驱动，气压驱动，直流电机驱动和步进电机驱动。 考虑到提高效率的需要，机械手的动作一般都需要快速、精确且平稳, 因此液压或气压传动在这之中的应用比较广。相对而言，气压传动可 避免油液泄露和减小压力损失，节能，高效且对环境污染小17,故 选用气压传动的方式最为常见。2. 2机械手手臂结构目前，应用最多的机械手的手臂结构总体可分为三大类，滑块连杆 机构的关节型机械手臂结构，气动式积木机械手臂结构

5、和纯关节型机 械手臂结构。如图1所示为滑块连杆机构的关节型机械手臂，其应用最广，如铲 车、吊车手臂都采用此类机构18。其手臂采用平面内3自由度滑块 连杆机构，主要由1机座，2上臂气缸，3下臂气缸，4手腕气缸和5 末端执行机构组成。其中B、C、D 3个关节组成平而内的3个自由度, A为腰关节，构成空间内的第4个自由度。机械手的3个气缸分别用液 压系统驱动，通过气缸内活塞的运动来驱动相应的滑块连杆机构，带 动相应的臂部做往复运动。这种手臂结构的控制均由相应手臂部分的 液压缸的活塞来完成，设计控制部分时只需相应设置相应液压缸的动 作即可，但机械手臂的动作相对显得有些束缚，不是很灵活19。如图2所示为

6、气动积木式机械手臂结构，这种结构以升降缸作为手 臂的支撐主干，以伸摆式汽缸作为执行部分的手臂结构，具有水平无 杠杆沿X方向移动，垂直升降缸沿Y方向移动，伸缩缸沿Z轴方向伸缩 和伸摆式气缸绕Z轴旋转四个自由度。由于手臂采用悬臂方式，活塞 杆所承受的径向弯曲力矩较大，为解决这个问题，一般选用具有良好 导向性能的高精度导轨型无杆缸和导向型伸缩缸20。这种手臂结构 动作原理比较简单，X方向的移动主要靠机械手工作台的移动来实现， Y和Z方向的移动则通过气功的伸缩运动来实现，满足自由度要求的同 时，简化了手臂结构。.BM3m连接負简、中拠气知迪接板、升降組一违搖板位移代凛JS无村缸 莫序图2气动积木式机械

7、手臂如图3所示为纯关节型机械手臂结构，由1机身.2肩关节.3肘关节、4腕摆动关节、5臂旋转关节和6腕弯曲关节组成，每个关节内部都有一台步进电机控制其关节的动作。图3纯关节型机械手臂机械手整机可分为机身、大臂、小臂（含手腕）3部分21。机身 及大臂、大臂及小臂、小臂及手腕有3个旋转关节，以保证达到工作空 间的任意位置，手腕中又有3个旋转关节：腕转、腕曲、腕摆，以实现 末端操作器的任意空间姿态。手腕的端部为一个法兰，以连接末端操 作器，这是一个通用性接口，以供用户配置多个手部装置或工具22。 这种手臂结构和滑块连杆机构的关节型手臂类似，但缺少了连杆，动 作直接由内部的步进电机控制，机动性和灵活性更

8、强，但内部控制结 构相对复朵。2. 3机械手机座结构机座除了对机械手起到固定和支撐作用外，还要确保其腰部的回转 运动。目前应用最多的几座分为固定式机座和移动式机座两种。固定 式机座通常作为关节型机械手臂等空间自由度较多且动作相对灵活的 机械手底座，通常只提供一个腰部的旋转自由度。移动式机座则通常 作为积木式机械手臂等要求结构简化且不需要太多自由度的机械手的 底座，通常需要提供水平而上的两个移动自由度和绕的腰部旋转一个 自由度，这种结构可以将本该设置在机械手臂上的结构转移到机座中, 有效简化机械手的整体设计结构，使控制和设计都更加简单。如图4所示的腰部回转传动机构为典型的固定式机座结构23, 其

9、机身可做360度回转运动，动力靠步进电机供给。步进电机的输出 轴接至涡轮蜗杆减速器的输入端，可根据实际需要选择涡轮蜗杆的减 速比。涡轮蜗杆一方面提供减速功能，其准确的传动比可保证机身回 转运动的灵活性和准确性；另一方而改变旋转轴的方向，使之由水平 方向改为垂直方向，最终通过十字联轴器将动力传递到顶端的机械手 臂部分24,实现在空间内旋转的第4个自由度。这种座机结构把主 要的控制结构都设在了机械手臂上，设计思路简单，但结构较繁琐， 在装吊场合如吊车机械臂等场合应用较多。图4固定式腰部回转传动机构如图5所示的移动式车体机座是典型的移动式机座，和固定式机座相似，机身可做360度回转运动，动力靠电机室

10、里的电机通过十字联轴器供给, 但动力的过度部分是普通的减速器结构，同样通过传动比来设置转速, 保证机身回转运动的准确性和灵活性。在基础平台上它多了滑轮和滑 槽，分别为机械手提供水平面里X、Y方向的X向移动和Y向移动。采 用这种机座的机械手把许多控制结构都设置在了小车的内部，大大简 化了手臂部分的设计，在室内仓库和生产流水线上应用较多25。图5移动式车体机座2.4机械手末端执行机构机械手的末端执行机构是机械手能否完成抓取或其他作业动作的 关键部分，控制最为复杂，结构也最为精细紧凑，其基本机构取决于 工作对象的特性及工作方式26。选用或设计末端执行器之前都需要 预先考虑和分析操作对象的生物特性，机

11、械特性或者理化特性，到目 前为止，末端执行器都是专用的27,以避免碰伤或损坏操作对象。 目前使用最多的末端执行器结构有卡盘式结构和仿真型手指式结构。如图6所示的滑块胀紧式末端执行机构是典型的卡盘式结构，其结 构和弹性心轴类似，主要由楔形块，滑块活塞和复位弹簧组成。图6滑块胀紧式末端执行机构此类末端执行机构适合于抓取环类或带内孔的工件，主要靠气压推 动滑块活塞向下运动，滑块的斜而和楔形快的楔形而接触，并使楔形 块向两边运动，发生胀紧，从而抓起工件。放料时气缸退回，为防止 活塞和楔形快卡死，在活塞底部采用一个复位弹簧，使活塞在放气后 能自行退回。此类机构的功能主要由腕臂末端的滑块活塞和楔形块完 成

12、，其设计可以和手臂部分的设计保持相对独立，这样就可以针对不 同的工作对象设计不同的末端执行机构，增强了机械手的通用性。如图7所示的三只机械手末端执行机构是典型的仿真型手指式结 构，其结构有九个自由度，为关节式，各关节均为转动式，并在每个 关节处配有相应的驱动装置，结构精细而复杂28。在进行抓取等操 作动作时，是靠三个指的协调运动来完成操作，对控制系统的要求较咼。 ffl! 三iS机 钱手站WN0图7三只机械手末端执行机构和它类似的还有五指机械手末端执行机构。这种仿真型手指式结构所提供的动作都比较精细，通常应用在手术等复朵作业场合29,其 设计对技术的要求也较高，是高科技领域的新型产品。一般而言

13、，手 指的形状和数量的设计要及具体的操作对象和作业任务有关，手指数 量越多，操作动作的精密性越好，但控制也越复朵。3结束语机械手充分利用结构优化设计和自动化技术，结构愈加简单，功能 更加强大，可根据实际应用要求选择相应功能、参数和机构模块，像 搭积木一样进行组合，灵活多变30。这是一种先进的设计思想，反 应了自动化技术在工业生产中的一个发展方向。另外，气动技术在自 动化技术中的广泛应用，也将逐渐贯彻于机械手的开发及应用中。实 践证明，随着自动化水平的日益提高和普及，机械手在现代工业大生 产的使用已经逐渐占据举足轻重的地位。但就目前而言，机械手的应 用主要停留在粗放型作业的环境中，这主要是由于世

14、界各国对机械手 精密操作这种高科技领域的研究及开发还很不成熟，在机械手的具体 机构设计，各部位的驱动，控制系统，甚至更高要求的传感器选择方 面有待更深层次的研究。参考文献（含开题报告和文献综述）1江鹏.无人车间的发展趋势D.山西.山西电子科技大学，2007.2李飞，王方建.先进制造技术的研究D.天津.南开大学滨海学 院，2003.3张建民.工业机器人M.北京：北京理工大学出版社，1996.4陆鑫盛.气动自动化系统的优化设计M.上海：上海科学技术出 版社，2000.5李洪剑.西方机器人技术D.哈尔滨.哈尔滨工业大学，2008.6何存兴.液压传动及气压传动M.武汉:华中科技大学出版社， 2000.

15、7STEVEN M. SPANO and NIKOLAOS G. BOURBAKIS. Design and Implementation of a Low Cost Multi-Fingered Robotic Hand Using a Method of Blocks J Journal of Intelligent and Robotic Systems Vol. 30: 209 - 226, 2001.8Naoshikondon , Ting K C Robotics for bio-production system ASAE paper, 1998.9Brock, D. L. an

16、d Salisbury, J K. 1991 Implementation of Behavioral Control on a Robot Hand/Arm System J Brooks, R. A. 1994. L. IS Robotics, Inc.10Ceres R, Pons FL, Jimenez AR. Design and implementation of an aided fruit-harvesting Rob ot （Agribot） JJ Indus trial Robot, 1998, 25（5） : 337-346.11Bue mi F, Massa M, Sa

17、ndini G， et al. The robot project J Advanced Space Research, 1996. 18 （1/2）: 185-189.12蔡自兴.机器人学M.北京：清华大学出版社，2000.13龚振帮.机器人技术研究M.北京：电子工业岀版社，1995.14陆祥生，杨秀莲.机械手理论及应用M.北京中国铁道出版社,1985.15王天然.16李寿刚.17左键民.18朱春波.21-24.机器人技术改良M.北京:化学工业出版社，2002.关节型机械手M.北京：北京理工大学出版社，2002.液压及气压传动M.北京：机械工业出版社，1996.19 何广平.连杆型机械臂的线

18、性分析M.北京:机械工业出版气动关节型机械手J液压气动及密封，1999, 78 （6）:社,2004.20SMC（中国）有限公司.现代实用气动技术M.北京：机械工业出版社，1998.21刘双全.基于飞利浦P8XC591的CAX总线节点扩展J.电子设计应用，2003 （3） :77 - 80.22孙靖.机器人执行机构分析D.北京.北京邮电大学，2002.23孙靖民.机械优化设计M.北京：机械工业岀版社，2000年.24邱宣怀，郭可谦.机械设计M.北京：高等教育出版社，1989.25中永胜.机械原理M.北京：清华大学出版社，2007.26刘团辉.机器人末端执行器的研究综述D.河北.河北大学，2002.27姜丽萍.果实采摘机器人的研究综述D.江苏.江苏大学农业 工程研究院，2004.28王殿君，刘淑晶.三指机械手可达空间的仿真技术研究D.北 京.北京石油化工学院，2007.29李平.三指灵巧手指及抓取动作规划的研究D.哈尔滨哈尔滨工业大学2003.30马香峰.机器人机构学M.北京.机械工业出版社,1991.