机械手毕业设计文献综述

吉林化工学院

文献综述

300X200X120°物料机械手的设计

300X200X120°Material mechanical arm design 性质: 毕业设计□毕业论文

教学院：机电工程学院

系别：机械电子工程系

学生学号：11410209

学生姓名：吉国光

专业班级：机自1102

指导教师：王集思

职称：实验师

起止日期：2015.3.1～2015.3.28

吉林化工学院

Jilin Institute of Chemical Technology

摘要：在工业生产中，为了提高劳动生产率和自动化程度，工业机械手被广泛应用。工业机械手可以用于机床间传送工件；各类有自动夹紧、进刀、退刀和松开的功能半自动车床，上下料操作；还可以用于对人体有害的工作环境。它具有对环境适应性强、持久耐劳、动作准确、通用性好、灵活性好等优点。而工业机械手技术的高低更是一个国家工业发展水平的标志。工业机械手的设计能较鲜明地体现机电一体化的设计构思。所谓机电一体化技术，是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、传感技术等而形成的一种新的综合集成技术。工业机械手的设计更是对所学知识的综合运用。

本设计对程控通用机械手进行了较为详细的设计计算。分手部、手腕、手臂、液压驱动系统和电器控制系统五部分，每部分都对各部分的结构进行了较为详细的设计计算，根据要求及相关标准进行了部件材料和器件的选择。

关键词:机械手；手部；手腕；手臂

引言：

在当前的物料搬运设备中，可分为对大型物件和对小型物件。这两者的搬运设备选择主要针对搬运设备能提起的重量。对于小型物件而言，又可分为不易损坏和易损坏两个类型。在之前的生产搬运过程中，传统的搬运设备往往不能满足易损坏物品的要求。因为易损坏的物品对搬运设备的力度、精度、轨迹有着严格的控制，所以企业往往采用人工搬运的方式。人工搬运虽然可以满足易损坏物件的安全，但是这种搬运方式往往效率低，费用高。这阻碍企业实现自动化和提高自身竞争力。但随着20世纪50年代一种类似于人手的机械手的兴起，给这种易损坏物品在搬运方式上带来全新的改变。机械手的灵活多变，精确度高深受企业的喜爱。机械手现在应用领域正在不断扩大，在海洋开发和宇宙探测有着十分出彩的变现。应该说，机械手正改变着传统的搬运方式。机械手是近年发展起来的一种高科技自动化生产设备，它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，其中物料抓取机械手就是较为典型的一种机械手。要让机器人像人一样抓取东西，最简单的基本条件是要有一套类似手指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构—执行机构。在物流快递搬运过程中，由于货物尺寸变化较大，需要机械手能够适应不同物体的抓取需要，调整机械手的抓取运动幅度，基于此本文设计了一种多自由度机械手，满足不同货物的抓取需要。

1.机械手的研究现状

目前国内外针对机械手的发展定义三代机械手。通过输入相关程序，定义机械手的动作，近而使机械手重复进行作业的机械手称为第一代机械手。在机械手的搬运路径过程中，安放不同的传感器，利用传感器传递的信息控制机械手称为第二代机械手。第三代机械手就是“智能机器人”，尽管尽管欧美和日本等许多国家都投入了大量人力物力，但仍处于发展阶段[1]。

1.1 国外研究现状

国外的机械手在物料搬运的应用上发展的比较快。目前已经开发出具有多个自由度且精度高的机械手。除了在物料搬运方面，国外的机械手也应用于点焊、喷漆等方面。目前在物料搬运方面，主要是研究更加智能的机械手，使之具有感应物件材料的能力，并能通过查找信息库，自动设定相应的夹持方式和搬运参数，实现搬运的高度自动化。目前国外的机械手已经向电子信息、航天航空、生物技术、深海探测等方面发展。除了在自由度方面的突破，现在的机械手的定位精度已经可满足微米甚至是亚微米级的要求。

1.2 国内研究现状

国内机械手目前的发展还比较滞后。在物料搬运领域中，主要还是依赖于国外的进口。特别是在要求定位精度高的搬运机械手。目前国内的机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面。在实际的生产过程中，国内机械手的驱动方式、定位精度大部分无法满足易脆易损坏物品的需要[2]。

2.物料搬运机械手

本物料搬运机械手将适用于所设想的物料搬运与管理系统。在本系统中，由于所设计的搬运系统精度高、自动化高，主要针对昂贵的易损、易摔的物品，如花瓶古董、工艺品。该系统主要将之前的研究成果与物料管理系统有机结合，使企业在物料管理上自动化程度大大提高，对提高搬运效率和降低出错率，减少工作人员劳动强度，提高搬运调度管理水平具有重要作用。对类似于物料搬运与管理系统的开发具有重要借鉴作用。这个系统包括物料搬运和物料管理两个方面。其中机械手装置是整个系统的核心。其工作流程如下，首先通过检测物料获得相应的物料信息，通过物料信息确定物料是否需要进行再包装。在通过查找物料搬运信息库，确定物料的搬运方式，近而设定机械手的工作参数。针对于设计的物料搬运机械手不仅要满足机械手搬运物件的基本要求，更是要

与存放物料的仓库管理方式相适应。物料搬运机械手能实现的功能应有：①在本系统中给机械手提供四个自由度的选择，可根据实际物料情况选择自由度；②利用传感器扫描物料，获得物料的基本特征（形状、尺寸、重量、材料等）；③提供物料是否在加工包装确定；④提供物料信息库查询和搬运物料方式信息库查询；⑤提供二维码生成服务，即给扫描后的物料根据其特征由物料搬运方式信息库生成相应信息的二维码；⑥提供机械手执行机构抓取物件的选择（夹持型、托持型、吸附型）；⑦提供机械手驱动方式的选择（根据精度和重量选择液压、气压、电气、机械驱动）；⑧提供机械手控制方式工作顺序和运动速度的选择；⑨提供机械手控制方式选择（点位控制和连续轨迹控制）。物料搬运机械手各部分的说明如下：

2.1 执行部分

执行部分主要由手部、手臂、躯干组成。其中在手部中，手指的关节由电机带动轴转动。在手指处装有传感器当检测到三个手指都已经夹持住物件，电机停止转动。执行部分能实现的动作应包括水平伸出、夹持物件、竖直上升、竖直下降、顺向转动、逆向转动、松开物件等动作[3]。

2.2 驱动部分

机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。在选择的过程中，更根据物件的特点选择相应的驱动方式。重量大、抓取速度快的东西采用液压、体积大、坚固的东西采用气压、精度高的东西选择电气驱动、动作要求可靠，成本低的东西选用机械驱动[4]。

2.3 控制系统

控制系统是物料搬运机械手的核心部分。本系统主要可根据机械手本身的装置（传感器、光电增码器、旋转编码器、伺服电机）选择机械手的工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度、点位或连续控制。其中运动速度和定位精度是搬运过程中的重要参数。运动速度过低，无法保证机械手的运动时间和运动范围。运动速度过高，无法保证机械手搬运物料的平稳性。定位精度过低，无法保证物料搬运位置的准确性。定位精度过高，会使搬运的成本提高，降低企业的利润[5]。

2.4 机械手工作过程

按复位按扭后，PLC控制转盘电机、横轴和竖轴步进电机使机械手运行到初始位置。按启动按扭后，PLC控制转盘电机正转，通过底盘光电传感器记数到达设定位置后驱动转盘电机反转，运行到设定位置1后，PLC控制横轴和竖轴步进电机，横轴通过PLC内部脉冲记数，竖轴通过竖轴光电传感器记数，运行到设定位置2后，PLC控制单向电控阀使手爪抓紧物料，手爪电机正转若干秒之后，PLC控制横轴和竖轴电机按原路线返回到设定位置1后松开物料，PLC控制手爪电机反转若干秒后又按原路运行到位置2搬运第2个物料到位置1，结束以后机械手运行到初始位置0，一个循环结束。在搬运的过程中有4个接近开关实时检测障碍物信号，如遇到障碍物，马上改变运行路线以避开障碍物[6]。

2.5机械手总体结构设计

物料抓取机械手主要由控制系统、驱动-传动系统和执行机构组成。机械手的水平工作空间为6.8m×6.8 m，待抓取货物垂直运动位移为2m，基于此设计各部件的外廓尺寸，本文所设计的物料抓取机械手执行机构主要由工作台、底座总成、旋转台总成、连杆、中臂和手爪等组成.底座总成固定在工作台上，通过内部的驱动电机带动旋转台总成实现整个机械手结构总成在水平面上的旋转运动，通过主电动推杆驱动大臂的前后倾斜运动，通过副电动推杆带动副连杆和主连杆，使机械手靠近待抓取的货物，小臂和中臂之间通过电机驱动实现小臂的伸缩和旋转运动，从而调整小臂相对货物的位置，手爪总成和小臂之间通过电机，调整小臂和手爪座之间的夹角。由于要抓取的货物尺寸大小并不固定，但形状均为长方体，因此可以通过手爪电动推杆伸长量的调整，来控制左右手爪的相对位置，满足不同尺寸货物的夹持需要，同时通过调整手爪电动推杆的驱动力矩大小实现不同夹持力矩的控制，既可以避免货物夹不紧而导致的脱落，也可以避免因为夹持力矩过大，造成的货物损坏[7]。

3.结语

未来的物料搬运机械手将朝重复高精度、模块化、无给油化、机电一体化这四个方向发展。重复高精度主要指的是在搬运过程中机械手的定位精度。现在的普遍机械手只有实现三四次的可靠定位。如果未来机械手能实现多次可靠的定位精度，将极大地减少设备的维修和物料的二次搬运。模块化指的是未来机械手的搬运装置将各部分实现的相近功能为一个模块。如在设想的机械手物料搬运装置过程中将分为四个模块：物料信息

采集模块、物料再处理模块、物料搬运装置模块、搬运装置自检测模块。模块化可以使

得装置的维修更加方便，更加高效。无给油化是为了适应搬运要求更为严格的物料需要

而产生的。在日常的搬运过程中，有些物品如药物、纺织等不能接触油液。这使得需要

油液润滑的装置做出进一步的改变。如果未来的物料搬运机械手能实现无给油润滑，那

么将极大地丰富机械手的应用范围。机电一体化指的是将传统的搬运装置与电气、软件、

电子等高新装置结合起来，提高机械手的自动化程度，解放劳动力的重复操作。物料搬

运是企业生产环节中的重要一环，提高物料搬运的自动化对提高企业的自身竞争力有重

要的影响。在未来，将有更多的物料采用机械手进行搬运。这对于机械行业是个机遇，也

是个挑战。

参考文献：

[1] 菜自兴.机器人学的发展趋势和战略[J].机器人技术与应用，2001（4）：11-16.

[2] 于靖军,刘辛军等.机器人机构学的数学基础[M].北京：机械工业出版社，

2008(6):25-30.

[3] 郭艳萍.基于PLC的工业机械手控制系统[J].仪表技术与传感器，2007（9）：

31-32.

[4] 李允文.工业机械手设计[M].北京：机械工业出版社，1996.43-50.

[5] 日本三菱公司.三菱PLC编程说明书[Z].

[6] 张平霞，朱永强.钢板弹簧抓取机械手运动仿真[J].拖拉机与农用运输车，

2013.20-22.

[7] 刘晋霞，张明明.基于Solid Works的装载机工作装置设计及仿真.2000.13-18.

[8] Chen C K, Freudenstein F. Tward a more exact kinematics of roller

chain drives [J] . ASME Journal of Mechanisms Transmissions，1989.4.25 [9] SHI Xiaojuan.Operational state monitoring and fuzzy fault diagnostic

system of mine drainage.Mining Science and Technology，2010.7.15

[10] George K. Adam.Design and Control of a Mechatronic Hydraulic Press

System.In Electronic Proceedings (CD-ROM) of the IEEE International

Conference on Mechatronics (ICM’04), 3-5 June, 2004, Istanbul, Turkey.

Abstract

In order to raise work productivity and automation level, the recruit and use industry manipulator is extensively used in industry production. The industry manipulator can be used to convey the part between the machines. Various kind have voluntarily to nip tight and feeds and moving back knife and merit loosening can the semi-automatic lathe, and high and low operates by the material .Still can be used to the work in the environment what is harmful to the human body .The merits such as it possesses to environment adaptability strongly and lasting able to endure hardships and the action is accurate and the commonality is good and the flexibility is good etc. And the height of industry manipulator technology is the mark of nation industry development standard .

The design of industry manipulator can brighter embody the design conception of mechanical and electrical integration .The so-called mechanical and electrical integration technology, is the mechanical engineering technology absorb microelectronics and information processing technology and passes the sense technology etc and one kind of new synthetically integration technology that forms. The design of industry manipulator is the synthetically application to knowledge.

This design has been carried on the comparatively detailed design calculation to the SPC universal machine tool hand. Saying good-bye to grab and trick , arm , hydraulic pressure drive system and five parts electrical equipment control systems , every part has all been carried on the comparatively detailed design calculation to the structure of various part , and according to asks and the correlation standard has carried on the selection of material and parts .

Keyword ：Manipulator；finger ；trick ；arm