浅谈机械手的研究进展

2017-03-28宁崧然

中国设备工程 2017年4期

关键词：机械手工业机器人

宁崧然

（四川省成都市七中高新校区高三7班，四川成都 6 1 0 0 3 1）

浅谈机械手的研究进展

宁崧然

（四川省成都市七中高新校区高三7班，四川成都 6 1 0 0 3 1）

机械手在最近几十年发展迅速，作为一种新技术被广泛用于工程实践中，机械手能模仿人肢体的一些功能，虽然不够灵活，但是能解决很多生产中面对的问题。本文主要对机械手在工业中的应用情况，讲述了机械手发展的意义，接着讲述了机械手在各个领域的发展，然后对其在国内外的发展进行综述，最后对机械手的发展趋势进行了分析。

机械手；自动化；工业机械人

随着经济的发展和工业自动化水平的不断提高，许多企业都寻求机器人代替劳动力，实现工业的自动化，因此工业机器人应运而生。众所周知，手是人类实现劳动生产力最为关键的一环，由此可见机械手也是机器人中最关键的部位，很多功能都得依靠机械手实现，已经引起人们的重视。

机械手从结构还有结构形式上看简单，专用性和实用性强，简单的说就是机械的上下料装置。机械手在美国发展最早，随后很多国家都积极发展机械手以及对它的研究，每个国家都取得了不错的成果。各行各行都涌现出各式各样的机器手，在农业用机器手采摘水果修剪树叶，在军事领域用机械手排除炸弹和危险品，在医药行业出现了纳米机器人，在码头出现了搬运机械手等。从图1可以看出，机械手就是能模仿人的手臂，比如我们的手臂能够1 8 0度自由旋转，能够抓取东西，可以灵活的应用手指干活，因此机械手也是趋向于模仿这些功能。

机械手手腕运动有：绕X轴转动称回转运动，绕y轴转动称为上下摆动(或节距)，绕Z轴转动称为左右摆动，沿y轴方向的称为横向移动(或沿Z轴方向纵向移动)。因此，手腕有一个最大的四个独立的运动，即四个自由度。腕关节设计的基本要求可以概括为以下三点：（1）结构紧凑，重量轻。手腕是在手臂的前面，手与它一起由手臂所承受的静态和动载荷。显然，手腕上的结构、重量和功率负荷，直接影响臂的结构、重量和工作性能。因此，在手腕上必须努力设计，结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局。作为机械手的手腕，并承担着连接和支撑的功能，除了保证力和运动的要求外，必须有足够的强度、刚度，合理的布局也应考虑，并解决了手腕和手臂的连接。（3）必须考虑工作条件。机械手的工作条件没有太大的影响的环境，所以机械手腕没有太多不利因素。

图1 工业机械手

1 研究意义

机器人手主要由三个部分组成，手、运动机构和控制系统。用于保持工件（或工具）的零件，根据形状、尺寸、重量、材料和作业要求的对象是有各种结构形式，如夹持式、保持型和吸附式等，使手完成各种旋转（摆动），运动或复合运动达到规定的动作，改变物体的位置和姿态来把握。升降、拉伸、旋转等独立运动的运动机制，称为机械手的自由度。为了抓住任何位置和方向的对象在空间中，有6个自由度。自由度是机械手设计中的关键参数。自由度越大，机械手的灵活性越大，通用性越广，结构越复杂。一般专用机械手有2个3度的自由度。控制系统是通过控制每个机器人的自由度来完成具体动作的。在同一时间，接收传感器的反馈，并形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或数字信号处理器等微控制芯片组成。

机械手能在脏、乱、差以及能周而复始的做一个动作和在高温、低温、放射、有毒、下水道环境下进行操作，具有很好的发展前景。因此机械手在各行各业得到广泛应用，例如汽车行业的生产线、各种装配生产线和军事领域。搬运机械手的研究具有如下意义：首先，使用、机械手可以节省大量的人力和资源。其次，在大型材料的搬运中具有重要的优势。

2 机械手的应用

2.1 完善生产过程自动化

机械手来实现ma t e r i a l c o n v e y o r工件的装卸、刀具的更换和机械装配等自动化程度的应用，可以提高劳动生产率，降低生产成本。

2.2 改善工作条件，避免事故发生

在高温、高压、低温、低压、灰尘、噪声、异味、放射性或其他有毒物质污染及作业空间狭小的情况下，手动操作是危险的或不可能的，而应用的机械手可以代替部分或全部的安全工作，劳动条件得以改善。在一些简单的、重复的，尤其是重操作的工作，可以用机械手代替人，可以避免由于操作或个人疏忽引起的意外。

2.3 可以减少人为误差，并便于生产的节奏

因为机械手可以周而复始的做一个动作，因此可以节省大量的时间，由于机械手的应用可以连续操作，它永远能保持一样的加工精度，不会产生人为误差。因此，在自动机床的综合加工自动线，对机械手的使用越来越多，工厂更加依赖机械手使用。因此，机械手的广泛被使用是根据时代进步所发展的，是以后必然发展的结果。

3 机械手发展的领域

3.1 工业制造领域

机器人在传统制造业中可以保证机械加工的精度，同时也能提高其高效率，如汽很多制造业，像富士康和汽车生产线大量使用机械手。很多自动化生产线在现场焊接、电弧焊接、喷漆、切割、电子装配和物流系统处理、包装等工作，也是机器人的一部分完成。

3.2 军事领域

排爆和排除炸弹等危险工作以前只能靠我们人去排除，当机械手应用后可以完全代替人去危险的地方工作，这样可以保护士兵的生命财产。

3.3 医疗领域

在医疗行业众所周知使用最多的是纳米机器人，可以对肿瘤进行安全的切除，可以完成一些高难度的操作，很多医疗机器人可以更加准确的进行手术。

3.4 娱乐领域

机器人广泛应用于娱乐领域，例如，机器人足球比赛、机器人跳舞、机器人和机器人操作比赛、宠物等。机械手是在机械化和自动化过程中发展的一种新装置。在现代生产过程中，机械手被广泛应用在自动生产线上，机器人的研制和生产已在附近成为高科技、新技术的迅速发展，把机械手和各种应用相结合创造出更大的利益，给人们带来更多的方便。塑料机械已成为发展最快的行业之一，且每年需求增加。在我国的塑料机械行业高速发展的主要因素有两个：一是高技术装备的需求所带来的设备更新和淘汰陈旧设备；二是国内的加工行业对机器人的使用呈现多样化发展。

随着网络技术的发展，机器人手的网络运行问题也是未来发展的方向。工业机器人是近几十年发展的一种高科技自动化生产设备。智能机器人是工业机器人的一个重要分支，它的特点是通过编程来完成预期的各种任务，在结构和性能上的人和机的优势，特别是反映了人类的智力和适应性。机械手的准确度和完成工作的能力，在各种环境中有着广阔的发展前景。

4 机械手在国内外的发展现状

4.1 机械手在国内的发展现状

由于种种原因，我国工业机器人技术的发展相对缓慢。目前，我国已经开始计划引进工业柑橘采摘机器人技术，通过引进、模仿、改造、创新，机器人将能够获得快速发展。

经过多年不断努力，我国的工业机器人也出现了百花齐放的局面，很多机器人更加超越了其他发达国家。在制造业，特别是在汽车行业，工业机械已被广泛使用。如毛坯制造（冲压、铸造、锻造、机械加工、焊接等）、热处理、表面涂层、切割、装配、测试和仓库堆垛作业，机器人正在逐步取代人工操作。

4.2 机械手在国外的发展现状

美国在1 9 4 7开发一个可以遥控的机械手，1 9 4 8，开发了一个机械主从机械手。第一个是从美国开始发展的，1 9 5 4美国s.w e a r沃尔玛提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的关键是利用伺服技术来控制机器人的关节，机器人可以通过人类的手来实现对动作的记录和再现。这个机器人被称为教学和回放机器人。几乎所有的现有机器人都使用这种控制，1 9 5 8美国联合控制公司开发第一台机器人手铆接机器人。作为其中的一个机器人产品最早的实用模型（显示）是美国的1 9 6 2，美国启动V E RS T RA NA MF与Un i ma t i o n公司推出“UNI MA T E”。这些工业机器人主要由相似的人的手和手臂组成，它可以代替繁重的劳动，以实现生产的机械化和自动化。1 9 6 3年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，试制成了数控教学与回放的机械手。企业名称是通用机械手（即通用自动）。以转台为蓝本的运动系统，用液压驱动可带动旋转伸缩节距，作为滚筒控制系统的存储装置。在此基础上开发了大量的坐标通用机械手。在同一年，俄国的一家WE RF公司采用双坐标来发明了一种新型功能。中央柱的机械手可以旋转和升降，液压驱动控制系统也是一个教学和播放模式。这两种机械手出现在2 0世纪6 0年代初，这是国外工业机器人发展的基础。1 9 7 8日本本田公司研发了一种小型的RI D S机器人，用于装配操作和定位误差的一个小型电子计算机控制小于1 mm。联邦德国K n K a公司还生产一种点焊机器人，关节结构和过程控制的应用。美国是在工业机器人方面发展最快，应用最多的国家。

目前，大多数工业机器人仍然属于第一代，主要依靠手动控制；控制方式是开放的，没有识别能力；改进的方向主要是实现高度智能化。第二代机器人正在加紧开发。它配备了一个微机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究和安装各种传感器，对感官信息进行反馈，使柑橘采摘机器人具有感觉功能。第三代机器人可以独立完成工作过程中的任务。

随着工业机器人在制造业和应用领域的不断扩大，国际学术交流活动非常活跃，欧美国家和其他国家开展了大量的学术交流。国际工业柑橘采摘机器人会议I S I R决定召开会议讨论研究每年的柑橘采摘机器人的开发应用。目前，很多行业的机器人主要用于全方位的使用，基本覆盖了所有的行业，无论数量、品种和性能都不能满足工业生产发展的需要。使用工业柑橘采摘机器人代替人工操作，主要是在危险操作（广义）、多尘、高温、噪声、工作空间不适合人工操作的环境中。

国外机械手的发展趋势是开发一种智能机械手。可以反馈外部条件的变化，做出相应的变化。由于位置稍有偏差，它可以纠正和检测，重点是视觉和触觉功能。已经取得了一定的效果。视觉功能是安装在机器人手上的电视摄像机和光学测距仪和微型计算机。工作是将电视摄像机的图像的对象转换成视频信号，然后发送到计算机上，以分析对象的类型、大小、颜色和位置，并发出命令来控制机器人的工作。触觉功能是安装在机器人手上的触觉反馈控制装置。工作时，首先把机器人调到所需要的位置，通过安装在手指上的传感器对工件实现定位，当信号反馈到传感器中再进行命令。手柄尺寸由安装在手指上的敏感元件来控制，从而实现手柄尺寸的自动调整。总之，随着传感技术的发展，机械手装配作业的能力将得到进一步的提高。将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，更重要的是要改变目前机械制造系统的手工操作状态。随着科学技术的发展，机器人手的应用领域也在不断扩大。目前，机械手的使用范围已经向多方面发展，而且在各个行业都取得了不错的成就，因此对机械手的更一步研究更加重要。

5 机械手的发展趋势

（1）工业机械手可继续改进（高速、高精度、高可靠性、易操作和维护）。（2）机械结构的模块化，可重构开发。（3）工业机械手控制系统在基于P C机的开放式控制系统的方向发展，便于标准化和网络化设备；集成控制柜的改进、结构紧凑、模块化结构，提高了系统的可靠性、可操作性和可维护性。（4）传感器起着重要的作用，装配、焊接机器人还用于视觉、触觉传感器和使用融合技术的远程机器人；在产品配置系统的多传感器融合技术已经成熟的应用。（5）虚拟现实技术在机械手的仿真，从开发到排练的过程控制，如遥控器操作人员在操作环境中的遥控器的感觉。（6）当代遥控机器人系统的发展特点是非自治系统的人机交互控制的追求，是致力于运营商和机械手，形成一个完整的系统，智能机器人走出实验室进入实用化阶段。