螺栓裝配機械手結構設計含7張CAD圖

螺栓裝配機械手結構設計含7張CAD圖,螺栓,裝配,機械手,結構設計,cad 附錄1：外文翻譯 機械手的機械和控制系統(tǒng) 摘要: 最近，全球內(nèi)帶有多指夾子或手的機械人系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來了，多種方法應用其上，有擬人化的和非擬人化的。不僅調(diào)查了這些系統(tǒng)的機械結構,而且還包括其必要的控制系統(tǒng)。如同人手一樣，這些機械人系統(tǒng)可以用它們的手去抓不同的物體，而不用改換夾子。這些機械手具備特殊的運動能力（比如小質(zhì)量和小慣性），這使被抓物體在機械手的工作范圍內(nèi)做更復雜、更精確的操作變得可能。這些復雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉。本文概述了這種機械手的一般設計方法，同時給出了此類機械手的一個示例，如卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ。本文末介紹了一些新的構想，如利用液體驅動器為類人型機器人設計一個全新的機械手。 關鍵詞：多指機械手；機器人手；精操作；機械系統(tǒng)；控制系統(tǒng) 1. 引言 2001年6月在德國卡爾斯魯厄開展的“人形機器人”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的機器人系統(tǒng)。設計這些機器人系統(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，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強的靈活性只能通過一個適應性極強的機械人手抓系統(tǒng)來獲得，即所謂的多指機械手或機器人手。 上文提到的研究項目，就是要制造一個人形機器人，此機器人將裝備這種機器人手系統(tǒng)。這個新手將由兩個機構合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學的IPR（過程控制和機器人技術研究院）和c（計算機應用科學研究院）。這兩個組織都有制造此種系統(tǒng)的相關經(jīng)驗，但是稍有不同的觀點。 IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（如圖1所示），是一個四指相互獨立的手爪，我們將在此文中詳細介紹。IAI制造的手（如圖17所示）是作為殘疾人的 2.機器人手的一般結構 一個機器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。 機械系統(tǒng)又可分為結構設計、驅動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進一步介紹。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。 我們將對這兩大子系統(tǒng)的問題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ演示一下。 3.機械系統(tǒng) 機械系統(tǒng)將描述這個手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結構設計、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅動器（如電動機）、傳感器（如位置編碼器）的位置。 3.1 結構設計 結構設計將對機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被抓物體進行何種操作。設計一個機器人手的時候，必須確定三個基本要素：手指的數(shù)量、手指的關節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。 為了能夠在機械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠對被抓物體的操作獲得6個自由度（3個平移和3個旋轉自由度），每個手指必須具備3個獨立的關節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是，為了能夠重抓一個物件而無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器人手轉移抓取意圖。但是每個手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復雜，因為每個手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置，常采用非擬人化方法。因為只需加工和構建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費用，同時也可是控制系統(tǒng)簡化。 3.2 驅動系統(tǒng) 指關節(jié)的驅動器對手的靈活度也有很大的影響，因為它決定潛在的力量、精度及關節(jié)運動的速度。機械運動的兩個方面需加以考慮：運動來源和運動方向。在這方面，文獻里描述了有幾種不同的方法，如文獻[3]中說可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運動，或者，正如大部分情況一樣使用電動機。在多數(shù)情況下，運動驅動器（如電機）太大而不能直接與相應的指關節(jié)結合在一起，因此，這個運動必須由驅動器（一般位于機器臂最后的連接點處）轉移過來。有幾種不同的方法可實現(xiàn)這種運動方式，如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅動指關節(jié)的方法，或多或少地降低了整個系統(tǒng)的強度和精度，同時也使控制系統(tǒng)復雜化，因為每根手指的不同關節(jié)常常是機械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨立控制。由于具有這些缺點，因此小型化的運動驅動器與指關節(jié)的直接融合就顯得相當必要。 3.3 傳感系統(tǒng) 機器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個閉環(huán)控制是很必要的。在機器手中使用了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。這種觸覺信息可在抓取過程中及時確定與物體第一次接觸的位置點，同時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)測是否滑落。 根據(jù)不同的驅動系統(tǒng)，有關指關節(jié)位置的幾何信息可以在運動驅動器或直接在關節(jié)處出測量。例如，如在電動機和指關節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機軸上的一個角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測量關節(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的機械系統(tǒng) 為了能夠獲得如重抓等更加復雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指組成，且每根手指由3個相互獨立的關節(jié)組成。設計該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個相同手指，將它們作對稱、非擬人化配置，且每個手指都能旋轉90°（圖4所示）。 鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設計中得到的經(jīng)驗，比如因傳動帶而導致的機械問題以及較大摩擦因數(shù)導致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設計決策。每根手指的關節(jié)2和關節(jié)3之間的直流電機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動傳遞到手指的關節(jié)處。處在電機軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時可作為一個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)明了一個六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個傳感器可當作手指末端肢體使用，且配有一個球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測量X、Y和Z方向的力及繞相關軸的力矩。另外，3個共線的激光三角測量傳感器被安置在KDHⅡ的手掌上（圖5所示）。因為有3個這樣的傳感器，因此不僅可以測量3單點之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測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，它能檢測和避免物體的滑落。 4. 控制系統(tǒng) 機器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實際利用，這些技能都是由機械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計算機即硬件和控制算法即軟件。 控制系統(tǒng)必須滿足以下幾個的條件： 1) 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，具有9個自由度的低級手，其驅動器至少需要9路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號好倍。 2) 需具備對外部事件快速實時反應的能力。例如，當檢測到物體滑落時，能立即采取相應的措施。 3) 需具備較高的計算能力以應對一些不同的任務。如可以對多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標轉換及閉環(huán)控制等任務。 4) 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠將其直接集成到操作系統(tǒng)當中。 5) 在控制系統(tǒng)與驅動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。 4.1 控制硬件 為了應對系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個專門的處理器中。如可通過一個簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達和傳感器），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算能力，且需要一個靈活實時操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC機輕易地解決。 因此，控制硬件常由一個非均勻的分布式計算機系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個功能強大的處理器。不同的計算單元則通過一個通信系統(tǒng)連接起來，比如總線系統(tǒng)。 4.2 控制軟件 機器人手的控制軟件是相當復雜的。必須對要對手指進行實時及平行控制，同時還要計劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復雜性，就有必要將此問題分成幾個子問題來處理。 另一方面涉及軟件的開發(fā)。機器人手其實是一個研究項目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設施都必須十分強大和靈活。這些只能使用一個標準的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過了修剪，以滿足機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，對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）。一個微控制器分別控制一個手指的驅動器和傳感器，另外一個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左側和右側的外箱）直接安裝在手上，所以可以保證和驅動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)和主控計算機連在一起的。這個主控計算機（圖7、圖8中的灰色方塊）是由六臺工業(yè)計算機組成的一個并行計算機。這些電腦都被排列在一個二維平面。相鄰電腦模塊（一臺電腦最多有8個相鄰模塊）使用雙端口RAM進行快速通信（圖7中暗灰色方塊所示）。一臺電腦用于控制一個手指。另一臺用于控制物體狀態(tài)傳感器及計算物體之間的位置。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)整個控制系統(tǒng)?？刂栖浖慕Y構反映了控制硬件的架構。如圖9所示。 一個關于此手控制系統(tǒng)的三個最高層次的網(wǎng)上計劃正在規(guī)劃。理想的物體位移命令可由優(yōu)越的機器人控制系統(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）?，F(xiàn)在知道了物體的運動計劃，就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個手指的運動軌跡，并傳遞給系統(tǒng)的實時能力部分。如果一個物體被抓取了，那么其手指的運動路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個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)。如果一個手指沒有跟物體接觸，那么它的移動路徑將會直接傳遞給手控制器。這個手控制器將相關的預期手指位置傳遞給所有的手指控制器，以協(xié)調(diào)所有手指的運動。這些在手指傳感器的幫助下又反過來驅動手指驅動器。 5. 實驗結果 為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的能力，我們選擇了兩個要求操作問題。一個問題是在網(wǎng)上對處于外部影響下的被抓物體姿態(tài)（位置和方向）的控制。另一個問題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉，這只能通過重抓才能實現(xiàn)。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ對復雜任務的操作能力。 附錄2：外文原文 一、選題依據(jù) 1、研究領域 機械結構設計，CAD。 2、論文（設計）工作的理論意義和應用價值 機械手正處于一個蓬勃發(fā)展的階段，它實現(xiàn)了實用化與商品化，在先進的工業(yè)發(fā) 達國家里，機械手的開發(fā)與研制正在形成一個龐大的產(chǎn)業(yè)。機械手是自動執(zhí)行工作的 機器裝置，是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過 程中機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械手的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內(nèi) 迅速發(fā)展起來的一門技術。機械手操作的準確性和在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在 國民經(jīng)濟領域有著廣闊的發(fā)展前景。 機械手己廣泛地應用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個領域。產(chǎn)業(yè)部門應用最多 的是汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機械制造等行業(yè)也有普遍應用。 機械手的應用可以改善勞動條件、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合中應用；可以 減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)，可以改善勞動條件、減少安全事故 ；可以提高經(jīng)濟效益，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)，減少人工勞動力引起的支出；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)過程的自動 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 在裝配線上，螺栓的裝配是一項很繁瑣的工作。對于裝配螺栓的機械工具，國內(nèi) 外研究成果顯著。包括手動扳手、電動扳手、液壓扳手、氣動扳手、 裝配機械手等工具，這些工具不僅節(jié)省人力，而且方便實用。眾多國內(nèi)外學者針對如何利用機械工 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。國內(nèi)對于擰螺栓工具 以及機械手的研究亦獲得了相當多的成果。機械手一般由執(zhí)行機構、驅動裝置、檢測 裝置和控制系統(tǒng)和復雜機械等組成。機械手大致可以分為以下幾種，按用途分：專用 機械手、通用機械手；按主要功能分：操作機械手、移動機械手、信息機械手、人機 機械手；按坐標系統(tǒng)來分：直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關節(jié)型；按受控方 式分: 點位控制型、連續(xù)控制型；按驅動方式分: 液壓傳動機械手、氣壓傳動機械手、電力傳動機械手等。 我國從第七個五年計劃開始，政府大大加大了機械手的重視程度，并且為此項目 投入大量的資金，在眾多學者及研究人員的參與下，研究開發(fā)并且制造一系列的機械 16 手，其中有北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機械手，廣州機床研究所和北京機 床研究所合作設計的電焊機械手，大連機床研究所設計制造的氬弧焊機械手，沈陽工 業(yè)大學設計制造的裝卸載機械手等。這些機械手的控制器，都是由中國科學院沈陽自 動化研究所和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的。與此同時，一系列的機械手關鍵部 件也被開發(fā)出來，如機械手專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機等，編碼器等。我國 機械手的起步較晚，相信在不久的將來，機械手在我國會被廣泛應用。作為國產(chǎn)自主 創(chuàng)新品牌的廣東拓斯達機械手目前在國內(nèi)制造業(yè)市場中份額每年逐漸攀升，廣東拓斯 達機械手榮獲廣東省名牌產(chǎn)品，并且擁有自主知識產(chǎn)權、核心技術和關鍵技術，以及 戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、先進制造業(yè)產(chǎn)品。 國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制模塊化、智能化的機械手。使它具有一定的 傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，既能更 正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定的成績。視覺功 能即在機械手上安裝有點視照相機和光學測距儀以及微型計算機。觸覺功能是在機械 手上安裝有觸覺反饋控制裝置；隨著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一 步提高。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變 目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。目前裝配機械手的發(fā)展趨勢是： （1）向多元化、高精度發(fā)展； （2）向精密、自動化、智能化方向發(fā)展； （3）向標準化、模塊化方向發(fā)展； （4）機電一體化發(fā)展。 總之國內(nèi)企業(yè)只有不斷引進吸收國外先進技術，進行自主創(chuàng)新并在機械手機構 加大研發(fā)力度，國內(nèi)螺栓裝配設備才能取得長足發(fā)展，才能走向世界。 二、論文（設計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題 （1）螺栓裝配機械手總體結構的方案設計 （2）螺栓裝配機械手的詳細結構設計 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） （1）收集裝配機械手相關的文獻資料，掌握其機械手的結構組成及工作原理， 各部件功能； （2）根據(jù)機械手的初始條件，確定了機械手的總體方案的設計，機械手的坐標 形式和自由度的確定，運動空間的計算等；螺栓裝配機械手的工作過程： 1 基座 2 立柱 3 手臂 4 手腕及手爪 圖 1 螺栓轉配機械手的方案簡圖 ①手臂 3 繞立柱 2 轉動 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 轉回 90°； ④機械手整體沿著導軌水平運動，手臂 3 在沿著立柱 2 移動；通過水平方向與垂直方向實現(xiàn)對機械手的手抓位置調(diào)節(jié)，從而保證螺栓與螺栓孔的精確定位； ⑤手爪的旋轉帶動螺栓轉動，同時手臂沿著軸線方向進給，將螺栓旋緊； ⑥手爪張開，手臂 3 回到初始位置，循環(huán)到下一個裝配動作。 （3）對機械手的驅動方式、動力機構、回轉機構、移動機構、手爪執(zhí)行機構等 進行詳細的設計與計算，包括電機的選型，軸承的選擇，軸的結構設計等做了具體計 算； （4）繪制裝配圖及主要零件圖，編寫設計說明書。 3.本論文（設計）預期取得的成果 （1）一套完整的螺栓裝配機械手的裝配圖及零件圖； （2）一份螺栓裝配機械手的設計說明書； （3）一篇外文文獻翻譯。 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)） (1) 根據(jù)螺栓裝配的工藝要求，設計一種四個自由度機械手實現(xiàn)對螺母的抓取、定位、旋緊等一系列動作，確定機械手的總體設計方案，進而采用傳統(tǒng)的理論力 學計算方法和現(xiàn)代計算機輔助設計方法對機械手各組成部件完成設計。 (2)機械手主要的參數(shù)夾持力：250N； 機械手的移動速度：5m/min； 手爪夾持螺母的尺寸范圍：M10-M40； 自由度：4個； 機械手結構類型：采用圓柱坐標式與直角坐標式組合的形式。 2. 論文（設計）進度計劃 第 1-4 周:根據(jù)畢業(yè)設計任務書要求，收集參考文獻資料，撰寫開題報告等； 第 5 周:擬定螺栓裝配機械手結構設計方案； 第 6-8 周:機械手的動力機構，回轉機構，移動機構，夾持機構及關鍵元器件的選擇計算； 第 9-10 周:繪制機械手的裝配圖，各零部件的圖紙； 第 11-12 周:繪制裝配機械手組件或部件 3D 圖； 第 13 周:書寫畢業(yè)設計說明書，翻譯與本設計相關的英文文獻； 第 14 周:準備畢業(yè)設計答辯。 四、需要閱讀的參考文獻 [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械手中的應用[D]. 蘭州交通大學碩士論文. 2015. [2] 舒志斌,謝福亮,鄭之開.專用機械手控制系統(tǒng)設計與分析[J].南京工業(yè)大學,2013. [3] 張博,圓柱坐標型機械手結構與控制系統(tǒng)設計[J].北京大學工程訓練中心,2014. [4] 汪新中.平面關節(jié)型裝配機器人擰螺釘手抓的研究[J].機電工程,2015,25(9):18-20. [5] 楊育林, 包倩倩, 段昌生, 趙楠楠. 車輪裝配機械手氣動控制系統(tǒng)設計[J]. 制造技術與機床,2017,(08):131-134. [6] 郭洪武.淺析機械手的應用與發(fā)展趨勢[D].山西華電廣靈風力發(fā)電有限公司，2012. [7] 趙云偉,耿德旭.氣動柔性五指機械手的運動學及抓持能力 [J]. 機器, 2014,36(2):171-178. [8] 張兆陽. 一種適合狹窄空間下零部件裝配機械手的設計與研究[D].燕山大學,2013. [9] 陳國良,黃心漢,周祖德.微型裝配機器人系統(tǒng)[J].機械工程學報,2014,45(2):288-293. [10] 羅璟,劉克定,陶湘廳等.工業(yè)機器人的控制策略探討[J].機床與液壓,2016,36(10):95-100. [11] 楊帥, 鄒智慧. 多自由度 工業(yè)機器人運動控制系 統(tǒng)的研究 [J]. 制造業(yè) 自動化 ,2013, 35(5):117-121. [12] 陶珍軍, 陳坤, 螺栓裝配自動化的關鍵技術研究[J]. 華南理工大學學報，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)機械手動力尺度綜合[J].機械工程學報, 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：文獻綜述  文獻綜述 1.機械手的目的與意義 機械手是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編 排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協(xié)助或取代 人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。有些人認為，最高級的機 械手要做的和人一模一樣，其實非也。實際上，機械手是利用機械傳動、現(xiàn)代微電子 技術組合而成的一種能模仿人某種技能的機械電子設備，他是在電子、機械及信息技 術的基礎上發(fā)展而來的。然而，機械手的樣子不一定必須像人，只要能獨立完成一些 人類的技能或有一定危險性的工作，就屬于機械手大家族的成員。 機械手己廣泛地應用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個領域。產(chǎn)業(yè)部門應用最多 的市汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機械制造等行業(yè)也有普遍應用， 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)包括點焊和弧焊， 是機械手用得最多的作業(yè)之一。機械手對于改善勞動條件、減少安全事故 ，減少人受危險環(huán)境的傷害等方面都有顯著的效果。蘭州交通大學王世偉【1】提出鑒于螺栓裝 配與拆卸作業(yè)是制造業(yè)中重復性高、勞動強度大的一項工作,因此有必要設計實現(xiàn)螺栓 自動裝配的工業(yè)機器人。 2 .機械手的結構組成 機械手一般由執(zhí)行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復雜機械等組成。執(zhí)行機構即機械手本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機構，其中的運動副常稱 為關節(jié)，關節(jié)個數(shù)通常即為機械手的自由度數(shù)。出于擬人化的考慮，常將機械手本體 的有關部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。 驅動裝置是驅使執(zhí)行機構運動的機構，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動 力元件使機械手進行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機械手使用 的驅動裝置主要是電力驅動裝置，此外也有采用液壓、氣動等驅動裝置。 檢測裝置的作用是實時檢測機械手的運動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系 統(tǒng)，與設定信息進行比較后，對執(zhí)行機構進行調(diào)整，以保證機械手的動作符合預定的 要求。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機械手的全部控制由一臺微型計算 機完成。另一種是分散式控制，即采用多臺微機來分擔機械手的控制。根據(jù)作業(yè)任務 要求的不同，機械手的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力控制。 3. 機械手的分類 （1）按用途分： 專用機械手：它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。 專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、實用可靠和造價低等特點，適用 于大批量的自動化生產(chǎn)。南京工業(yè)大學舒志斌【2】等人指出專用機械手控制系統(tǒng)設計 與分析。 通用機械手：它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械 手。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變化生產(chǎn)品種的 中小批量自動化的生產(chǎn)。 （2）按坐標系統(tǒng)來分： 直角坐標型：只具有移動關節(jié)，它的特點是結構簡單，定位精度高，適用于主機 位置成行排列的場合。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。 圓柱坐標型：具有一個轉動關節(jié)、其余為移動關節(jié)的機械手。它與直角坐標式相 比較，占地面積小且活動范圍大，結構較簡單，并能達到較高的定位精度，因此應用 較廣泛。但由于機械手結構的關系，移動的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的 物件。北京大學工程訓練中心張博【3】指出了圓柱坐標型機械手結構與控制系統(tǒng)的設 計。 球坐標型：具有兩個轉動關節(jié)、其余為移動關節(jié)的機械手。這種機械手手臂的俯 仰運動能抓取地面上的物件，為了使手部能適應被抓取物件方位的要求，常常設有手 腕上下擺動，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種機械手具有動作靈活，占地面 積小而工作范圍大等特點，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)的傳動形式。但結構復雜， 此外手臂擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。 關節(jié)型：具有三個轉動關節(jié)的機械手。它的特點是工作范圍大，動作靈活，通用 性強，能抓取靠近機座的物件，并能繞過機體和工作主機之間的障礙物去抓取物件。 但是關節(jié)式機械手的手指定位是由各個關節(jié)相互轉角來決定的，所以定位精度較差， 控制裝置和機械結構比其它形式的機械手均復雜。杭州電子科技大學機械工程學院汪 新中【4】設計了一種擰螺釘多關節(jié)機械手，其手部采用結構較復雜的機械夾持實現(xiàn)螺 釘?shù)膴A持，保證螺釘?shù)臏蚀_定位和高可靠性。 （3）按受控方式分: 點位控制型：它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的 位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。 連續(xù)控制型：它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的， 整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣 控制系統(tǒng)復雜。 （4）按驅動方式分: 液壓傳動機械手：其主要特點是抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、 動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大影響， 且不宜在高溫、低溫下工作。 氣壓傳動機械手：其主要特點是介質(zhì)來源較方便、氣動動作迅速、結構簡單、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)境中進行工作；燕山大學機械工程學院楊育林 等【5】提出針對不同重量車輪的裝配問題,提出了一種新型機械手氣動控制系統(tǒng),該控制 系統(tǒng)通過對減壓閥的結構進行改良,僅用一個平衡回路完成空載和負載之間的無級切 換。 電氣傳動機械手：即由特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅 動執(zhí)行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線 電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。 4.國內(nèi)外的發(fā)展狀況 機械手首先是從美國開始研制的，美國聯(lián)合控制公司首先研制出第一臺機械手， 它的結構是：機體上安裝一個回轉臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是 示教形的，隨著計算機和自動控制技術的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機械將進入高度自動化和智能 化時期，機械手機器人的應用可以提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,改善勞動條件,解決勞 動力不足等問題構成。 從第七個五年計劃開始，我國政府大大加大了工業(yè)機器人的重視程度，并且為此 項目投入大量的資金，在眾多學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)機器人，其中有北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機器人，廣州機床研究所 和北京機床研究所合作設計的電焊機器人，大連機床研究所設計制造的氬弧焊機器 人，沈陽工業(yè)大學設計制造的裝卸載機器人等。這些機器人的控制器，都是由中國科 學院沈陽自動化研究所和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的。與此同時，一系列的機 器人關鍵部件也被開發(fā)出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機等，編碼 器等。我國機械手的起步較晚，相信在不久的將來，機械手在我國會被廣泛應用。作 為國產(chǎn)自主創(chuàng)新品牌的廣東拓斯達機械手目前在國內(nèi)制造業(yè)市場中份額每年逐漸攀 升，廣東拓斯達機械手榮獲廣東省名牌產(chǎn)品，并且擁有自主知識產(chǎn)權、核心技術和關 鍵技術，以及戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、先進制造業(yè)產(chǎn)品。 國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感 能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并 自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在 機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀以及微型計算機。工作是電視照相機將物體 形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并 發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。 工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作 用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達 到自動調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一 步提高。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變 目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。山西華電廣靈風力發(fā)電有限公司郭洪武【6】指出 了機械手的概念,發(fā)展歷史,以及機械手在國內(nèi)外的研究動態(tài)。 國外機械手的控制類型大致可分為四類：①簡易控制型機械手，定位用機械制動 器或者行程開關，這種機械手結構簡單，價格便宜，在一般的上下料作業(yè)中較為適用； ②示教再現(xiàn)控制的機械手，UNIMATE 型機械手是示教再現(xiàn)的控制系統(tǒng)，日本川崎重工生產(chǎn)的川崎 UNIMATE 機械手也屬于此類；③用電子計算機群控多臺機械手，若在一條生產(chǎn)線上使用多臺機械手，往往用一臺小型計算機控制幾臺機械手，這樣成本大 大降低，自動化程度反而提高；④智能機械手，機械手具有視覺、觸覺、嗅覺等感覺 機能，還能識別圖形，進行分析判斷，可以行走等。該類機械手目前仍處于實驗階段。 我國機械手的控制類型分為：①全繼電器控制，控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)都用繼電器進行 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械手。定位方式采用機 械制動器，此類型控制形式都稱為簡易型，具有線路簡單，成本低等優(yōu)點，缺點是動 作速度慢，體積較大，定位精度較差；②無觸點程序控制的通用機械手，這種機械手 在國內(nèi)已經(jīng)有了比較成熟的制造經(jīng)驗，研制單位甚多。優(yōu)點是通用性強，程序變換簡 單可靠，循環(huán)周期短，提高機械手的工作效率；③簡易數(shù)控機械手，簡易數(shù)控分為開 環(huán)和閉環(huán)兩種，優(yōu)點是定位精度高，反應速度快，可實現(xiàn)多點停留和連續(xù)軌跡的運動 方式。 國外機械手定位在發(fā)展初期，由于技術的不成熟，利用氣壓驅動的機械手的定位 精度很低，更無法實現(xiàn)在任意位置的起停，能靠氣缸兩個終點位置來實現(xiàn)機械手的定 位，無法實現(xiàn)機械手在任意位置得起停。以早期的氣動機械手不能實現(xiàn)任意位置的定 位，因此大大限制氣動工業(yè)機械手的發(fā)展隨著氣動技術的發(fā)展，氣動伺服技術的出現(xiàn) 實現(xiàn)了氣缸在任意位置定位，世界上各國都相繼開發(fā)出了可在任意位置實現(xiàn)起停的氣 動工業(yè)機械手，且定位精度可以達到±0.5mm，如日本 SMC 公司、德國 FESTO 公司等。氣動伺服技術的出現(xiàn)，大大提高了氣動機械手的定位精度，實現(xiàn)了氣動機械手在 任意位置的定位，擴大了氣動機械手在自動化領域的應用范圍。國內(nèi)應用的機械手定 位方法有機械方法，電氣控制方法，機械擋塊的方法。電氣定位方法可分為簡易型與 伺服型兩類。上海電器塑料廠 15 克立式注塑機采用簡易數(shù)控機械手，能達到給定精度約 5 毫米，重變定位精度±1 毫米左右；一機部機械院機電所與北京汽車廠合制的CJS-1 機械手采用點位計檢測的定位方法，配合液壓節(jié)流緩沖，重復定位精度約為±3 毫米。 美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫 Versatran 機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮，采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是 示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基 礎 。 美 國 Unimate 公 司 和 斯 坦 福 大 學 、 麻 省 理 工 學 院 聯(lián) 合 研 制 一 種Unimate-Vic-arm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1 毫米。美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。比如 Unimate 公司建立了 8 年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。把故障前平均時間，由 400 小時提高到 1500 小時，精度可提高到±0.1 毫米。 德國 KnKa 公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。 瑞士 RETAB 公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進兩種典型機械手后，大力研究機械手。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。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。 5.機械手未來的發(fā)展趨勢 機械手在許多生產(chǎn)領域的使用實踐證明，它在提高生產(chǎn)自動化水平，提高勞動生 產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟效益，改善工人勞動條件等方面，有著令世人矚目的作用， 引起了世界各國和社會各層人士的廣泛興趣。在新的世紀，機械手工業(yè)必將得到更加 快速的發(fā)展和更加廣泛的應用。山西華電廣靈風力發(fā)電有限公司郭洪武【6】淺析了機 械手的應用與發(fā)展趨勢。從近年世界機械手推出的產(chǎn)品看，未來機械手具有如下的發(fā) 展趨勢： （1）重復高精度 精度是指機械手達到指定點的精確程度，它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有 關。重復精度是指如果動作重復次數(shù)多，機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度 比精度更重要，如果一個機械手定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤 差是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范 圍，它通過一定次數(shù)地重復運行機械手來測定。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā) 展，機械手的重復精度將越來越高，它的應用領域也將更廣闊，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向驅動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術，而把模塊化拼 裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。模塊化拼裝的機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的 安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手動作自如。模塊 化機械手使同一機械手可能應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應用 范圍，是機械手的一個重要的發(fā)展方向。 （3）節(jié)能化 為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不 加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術的進步，新型材料的出現(xiàn)，構造 特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡 單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 （4）機電一體化 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)仍然是自動化技 術的重要方面；發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制液壓元件，使液壓技術從“開關 控制”進入到高精度的“反饋控制” ；節(jié)省配線的復合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越 來越小，而 PLC 的輸出功率在增大，由 PLC 直接控制線圈變得越來越可能。 （5）控制智能化 機械人的控制智能化由引導教向 NC，離線編程發(fā)展，進而發(fā)展到進一步應用。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)將機械手控制和車間一級控制的發(fā)展方向。 綜上所述，本次的畢業(yè)設計主要是通過對螺栓裝配機械手結構設計的研究，并分 析常用機械手的特點，確定自己所設計的機械手機構，運用 CAD 的軟件把裝配圖及其原理圖繪制出。并進行裝置的可實施性進行分析判斷，最終完成本次螺栓裝配機 械手的結構設計。