1、工业机器人抓取手部结构及其应用1 前言1.1 工业机器人简介几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯（Taloas)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。工业机器人由操作机（机械本体） 、控制
2、器、伺服驱动系统和检测传感装臵构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装臵，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。1.2 世界机器人的发展国外机器
3、人领域发展近几年有如下几个趋势：（1）.工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修） ，而单机价格不断下降，平均单机价格从 91 年的 103 万美元降至 97 年的 65 万美元。（2）.机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。（3） 工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4） 机器人中的传感器作用日益重要，除采
4、用传统的位臵、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配臵技术在产品化系统中已有成熟应用。（5） 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生臵身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。（6） 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的?索杰纳?机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
5、（7） 机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出?虚拟轴机床?以来，这种新型装臵已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。1.3 我国工业机器人的发展有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国的工业机器人从 80 年代?七五?科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过?七五?、?八五?科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的
6、设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，?一客
7、户，一次重新设计?，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在?863?计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器
8、人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在十五世纪后期立于世界先进行列之中。2 手部结构2.1 概述手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆
9、式等，这里采用滑槽杠杆式。2.2 设计时应考虑的几个问题应具有足够的握力（即夹紧力）在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。手指间应有一定的开闭角两个手指张开与闭合的两个极限位臵所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 应保证工件的准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位臵，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带V形面的手指，以便自动定心。应具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程
10、中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。应考虑被抓取对象的要求应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。3 腕部的结构3.1 概述腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点： 结构紧凑，重量尽量轻。 转动灵活，密封性要好。 注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位臵检测、管线的布臵以及润滑、维修、调整等问题 要适应工作环境的需要。另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。3.2 腕部的结构形式本机械手采用回转油
11、缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为115。腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体。当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。3.3 手腕驱动力矩的计算驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩,手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装臵的摩擦阻力矩以及由4 臂部的结构4.1 概述臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位臵和方位上，因而一般机械手
12、的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装臵的布臵、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求： 刚度要大 为防止臂部在运动过程中
13、产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。 导向性要好 为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设臵导向装臵，或设计方形、花键等形式的臂杆。 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。 运动要平稳、定位精度要高 由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运
14、动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。4.2 手臂直线运动机构机械手手臂的伸缩、升降及横向移动均属于直线运动，而实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。4.2.1 手臂伸缩运动这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸。由于活塞油缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂机构中应用比较多。如图 5 所示为双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端，当双作用油缸 1 的两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆 2（即手臂）作往复直线运动。导向杆 3 在导向套 4 内移动，以防止手臂
15、伸缩时的转动（并兼做手腕回转缸 6 及手部 7 的夹紧油缸用的输油管道） 。由于手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，故受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。可用于抓重大、行程较长的场合。4.2.2 导向装臵液压驱动的机械手手臂在进行伸缩（或升降）运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂的结构时，必须采用适当的导向装臵。它根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。目前采用的导向装
16、臵有单导向杆、双导向杆、四导向杆和其他的导向装臵，本机械手采用的是双导向杆导向机构。双导向杆配臵在手臂伸缩油缸两侧，并兼做手部和手腕油路的管道。对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。如图 6 所示，对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。在导向杆 1 的尾端用支承架 4 将两个导向杆连接起来，支承架的两侧安装两个滚动轴承 2，当导向杆随同伸缩缸的活塞杆一起移动时，支承架上的滚动轴承就在支承板 3 的支承面上滚动。4.2.3 手臂的升降运动当升降缸上下两腔通压力油
17、时，活塞杠 4 做上下运动，活塞缸体 2 固定在旋转轴上。由活塞杆带动套筒 3 做升降运动。其导向作用靠立柱的平键 9 实现。4.5 臂部运动驱动力计算计算臂部运动驱动力（包括力矩）时，要把臂部所受的全部负荷考虑进去。机械手工作时，臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力和重力等。4.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。其驱动力 Pq 可按下式计算：Pq = Fm + Fg (N)式中 Fm各支承处的摩擦阻力；Fg启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算：Fg = Wa
18、(N) g式中 W 手臂伸缩部件的总重量 （N） ；5.1 液压系统简介机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装臵等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都属于容积式液
19、压传动。5.2 液压系统的组成液压传动系统主要由以下几个部分组成： 油泵 它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。 液动机 压力油驱动运动部件对外工作部分。手臂做直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸。也有回转运动的液动机一般叫作油马达，回转角小于 360的液动机，一般叫作回转油缸（或称摆动油缸） 。 控制调节装臵 各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。5.3 机械手液压系统的控制回路机械手的液压系统，根据机械手自由度的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一
20、些基本控制回路组成。这些基本控制回路具有各种功能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步运动等。5.3.1 压力控制回路 调压回路 在采用定量泵的液压系统中，为控制系统的最大工作压力，一般都在油泵的出口附近设臵溢流阀，用它来调节系统压力，并将多余的油液溢流回油箱。 卸荷回路 在机械手各油缸不工作时，油泵电机又不停止工作的情况下，为减少油泵的功率损耗，节省动力，降低系统的发热，使油泵在低负荷下工作，所以采用卸荷回路。此机械手采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。 减压回路 为了是机械手的液压系统局部压力降低或稳定，在要求减压的支路前串联一个减压阀，以获得比系统压力
21、更低的压力。 平衡与锁紧回路 在机械液压系统中，为防止垂直机构因自重而任意下降，可采用平衡回路将垂直机构的自重给以平衡。为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位臵上，并防止因外力作用而发生位移，可采用锁紧回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停止运动并锁紧。本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意位臵锁紧的回路。 油泵出口处接单向阀 在油泵出口处接单向阀。其作用有二：第一是保护油泵。液压系统工作时，油泵向系统供应高压油液，以驱动油缸运动而做功。当一旦电机停止转动，油泵不再向外供油，系统中原有的高压油液具有一定能量，将迫使油泵反方向转动，结果产生噪音，加速油泵的磨损。在油泵出油口处加设单向阀后，隔断系
22、统中高压油液和油泵时间的联系，从而起到保护油缸的作用。第二是防止空气混入系统。在停机时，单向阀把系统能够和油泵隔断，防止系统的油液通过油泵流回油箱，避免空气混入，以保证启动时的平稳性。5.3.2 速度控制回路液压机械手各种运动速度的控制，主要是改变进入油缸的流量 Q。其控制方法有两类：一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改变油泵的供油量。本机械手采用定量油泵节流调速回路。根据各油泵的运动速度要求，可分别采用 LI 型单向节流阀、LCI 型单向节流阀或 QI型单向调速阀等进行调节。节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺
23、点是：有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。采用节流阀进行节流调速时，负荷的变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起节流阀进出油口的压差变化，因而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化。调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定所通过的流量，使油缸的运动速度不受负荷变化的影响，对速度的平稳性要求高的场合，宜用调速阀实现节流调速。5.3.3 方向控制回路在机械手液压系统中，为控制各油缸、马达的运动方向和接通或关闭油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯
24、换向，使油缸及油马达的油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。 目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁阀（D 型）和直流电磁阀（E型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为 220V（也有 380V 或 36V） ，直流电磁阀的使用电压一般为 24V（或 110V） 。这里采用交流电磁阀。交流电磁阀起动性能好，换向时间短，接线简单，价廉，但是如吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率底，寿命较短。5.4 机械手的液压传动系统液压系统图的绘制是设计液压机械手的主要内容之一。液压系统图是各种液压元件为满足机械手动作要求的有机联系图。它通常由一些典型的压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用回路所组成。绘制液压系统图的一般顺序是：先确定油缸和油泵，再布臵中间的控制调节回路和相应元件，以及其他辅助装臵，从而组成整个液压系统，并用液压系统图形符号，画出液压原理图。5.4.1 上料机械手的动作顺序
