四个自由度气动机械手结构设计

1 前言

机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。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，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。①

1.1机械手简史

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长机构，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，机构回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械

手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。

1962年，美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，机构可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年，美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate 公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。

德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。

瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1976年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1979年120多个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。

第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

随着工业机器手（机器人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动

十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。②

1.2 机械手的分类

目前对机械手还没有统一的分类标准。按照不同的分类方式可以把机械手分成多种类型。

1.2.1 按驱动方式分类

按驱动装置的动力源，机械手可分为以下的几种。

（1）液压式机械手。这种机械手的驱动系统通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组成，这种机器人通常具有很大的抓举能力并且结构紧凑，动作平稳，耐冲击、耐振动，防爆性好，但对制造精度和密封性能要求很高，否则易发生漏油而污染环境。

（2）气压式机械手。其驱动系统通常采用通常汽缸、气阀、气罐和空压机组成。特点是气源方便，动作迅速，结构简单、造价较低、维修方便，但难于进行速度控制，并因气压不能太高，固抓举能力较小。

（3）电动式机械手。电力驱动是目前机械手使用的最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，可以采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用交流伺服电机、直流伺服电机和步进电机。由于电机速度高，通常还须采用减速机构（如谐波减速机构、论析减速机构、滚珠丝杠和多杆机构）。目前也有一些特制电机直接进行驱动，以简化机构，提高控制精度。

其他还有采用混合驱动的机械手，如液-气混合驱动机械手或电-气混合驱动机械手。③

1.2.2 按用途分类

机械手按用途可分为下列几种。

（1）搬运机械手;

（2）喷涂机械手;

（3）焊接机械手;

（4）装配机械手;

（5）其他用途的机械手。如航天用机械手，探海用机械手，以及排险作业机械手等。④

1.2.3按操作机的位置机构类型和自由度数量分类

操作机的位置机构是机械手的重要外形特征，固常用作分类的依据。按这一分类要求，机械手可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节型机械

手。

操作机本身的自由度最能反应机器人的作业能力，也是分类的重要依据。按这一分类要求，机械手可分为4自由度、5自由度、6自由度和7自由度机械手。

1.2.4按其他方法还可以分为

（1）家务型机械手：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。

（2）操作型机械手：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。

（3）程控型机械手：按预先要求的顺序及条件，依次控制机械手的机械动作。

（4）示教再现型机械手：通过引导或其它方式，先教会机械手动作，输入工作程序，机械手则自动重复进行作业。

（5）数控型机械手：不必使机械手动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机械手根据示教后的信息进行作业。

（6）感觉控制型机械手：利用传感器获取的信息控制机械手的动作。

（7）适应控制型机械手：能适应环境的变化，控制其自身的行动。

（8）学习控制型机械手：能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。

（9）智能机械手：以人工智能决定其行动的机械手。⑤

1.3 机械手的组成

工业机械手通常由执行机构、驱动传动装置、控制系统和智能系统四部分组成。

图.1.1工业机械手的典型结构

图1.2工业机械手的组成方框图⑥

执行机构（也称操作机）是机械手赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。从功能的角度，执行机构可分为：手部、腕部、机构部、腰部和基座等。

手部又称末端执行器，是工业机械手直接进行工作的部分，可以是各种夹持器。有时人们也把诸如电焊枪、油漆喷头等划作机器手的手部；腕部与手部相连，主要功能是带动手部完成预定姿态，是操作机的中结构最为复杂的部分；机构部用以连接腰部和腕部，通常由两个机构杆（小机构和大机构）组成，用于带动腕部做平面运动；腰部是连接机构和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动加上机构部的平面运动，就能使腕部做空间运动。腰部是执行结构的关键部件，它的制造误差、运动精度和平稳性，对机械手的定位精度有决定性的影响；基座是整个机械手的支撑部分，有固定式和移动式两种。该部件必须有足够的刚度和稳定性。

工业机械手的驱动-传动装置包括驱动器和传动机构两个部分，它们通常与执行机构连成一体。传动装置常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮系。驱动器通常有电机（直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机）、液压或气动装置，目前使用最多的是交流伺服电机。

控制系统一般有控制计算机和伺服控制器组成。控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机械手的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机械手的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。

智能系统是目前机械手系统中一个不够完善但发展很快的子系统。它可分为两个部

分：感知系统和分析-决策智能系统。前者主要靠硬件（各种传感器）实现;后者主要靠软件（如专家系统）实现。⑦

1.4应用机械手的意义

随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。

在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：

一、以提高生产过程中的自动化程度

应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

二、以改善劳动条件，避免人身事故

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产

应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。⑧

2 机械手总体设计方案

2.1 设计课题

气动机械手

要求：(1)采用气压传动，工作压力为0.6MPa；

(2)具有四个自由度；

(3)抓取工件为直径100*100铝制圆柱体；

(4)机身可以升降300mm，手机构可以伸长300mm，机身可以回转90°

(5)抓取灵活，放松平稳，作用平稳。

2.2 坐标方式的选择

本次设计的气动机械手的要求是机械手具有4个自由度，机身可以实现300的升降和90°旋转，机构部可以实现300的伸缩。

分析各个坐标方式的特点：

(1)圆柱坐标方式，机构部可沿X、Z座标轴作直线移动，绕Z轴转动即伸缩、升降和左右回转。占地面积小而活动范围大，结构比较简单，并能达到较高的定位精度。(2)直角坐标式，机构部可沿X、Y、Z座标轴作直线移动，即伸缩、升降和横移。虽然结构简单，直观性强，所需空间范围大，工作范围小，灵活性差。

(3)球坐标式，机构部可沿X座标轴作直线移动，绕Y、Z轴转动，即伸缩、俯视和左右回转。其缺点是运动直观性差，结构较复杂，位置误差较大。

(4)多关节坐标式，机构部可绕各座标轴转动，没有直线移动。虽然占空间小，灵活性大，可绕过障碍物抓取物体，但其运动直观性差，运动精度控制比较困难，设计制造较为复杂。

从分析可以得到，圆柱坐标方式最符合要求，所以选择圆柱坐标方式。

2.3 驱动系统的选择

驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。气动机械手因为结构简单、成本低廉、重量轻、动作迅速、平稳、安全、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用在生产自动化的各个行业。本次设计的机械手要求精度不高，抓取的工件重量比较小，因此，机械手的驱动方案选择气压驱动。⑨

3气动机械手的结构设计

3.1 机械手手部的设计

3.1.1关于手部的概述

末端执行器是装在机械手手部的末端处，用于机械手完成作业任务而专门设计的装置。末端执行器种类繁多，与机械手的用途密切相关，根据其用途，末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等种类。

搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。

加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。

测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。

在设计机械手末端执行器时，应注意以下问题；

1.机械手末端执行器是根据机械手作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机械手新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机械手末端执行器，将不断的扩大机械手的应用领域。

2.机械手末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力和机械手容许的负荷力。因此，要求机械手末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。

3.机械手末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机械手末端执行器。从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机械手多种作业功能，而不主张用一个万能的末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。

4.通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的末端执行器，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化和积木化。

5.机械手末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此，工业机械手执行机构的主流是电气式，其次是液压式和气压式。⑩

3.1.2手部的运动和驱动方式

末端执行器即机械手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。

机械手夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种：

1.气动驱动方式这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。

2.电动驱动方式电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。

3.液压驱动方式液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位置控制。11

3.1.3手部的典型结构。

(1)楔块杠杆式手爪

利用楔块与杠杆来实现手爪的松开和夹紧，来实现抓取工件。

(2)滑槽式手爪

当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。

(3)连杆杠杆式手爪

这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。

(4)齿轮齿条式手爪

这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。

(4)平行杠杆式手爪

这种手爪采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。12

3.1.4手部结构形式的确定

本次设计的机械手的任务是抓取Φ100×100的铝制圆柱体，因此采用滑槽式手爪，机构比较简单，动作灵活，手爪开闭角度较大。