论文部分内容阅读
摘要：机械手已经成为现代工业生产中不可缺少的部分，本文主要探讨了机械手的概念，以及機械手在国内外的研究动态，并重点分析了机械手的发展趋势，以期为工业应用提供一定的借鉴。
关键词：机械手；重复高精度；模块化
中图分类号：TP241
1 前言
机械手具有模仿人类手臂功能并可完成各种作业的自动控制设备，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人。这种机器人系统有多关节连结，并允许在平面或三度空间进行运动或使用线性位移移动。构造上由机械主体、控制系统、伺服系统和传感器组成，并由程式根据作业需求设定其一定的指定动作。机械手的动作由伺服系统驱动移动一只手臂，张开或关闭一个夹子的动作，并精确的回馈至控制系统。它可代替或部分代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，并且能在高危环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。随着我国经济的腾飞，国家在工业方面也得到了迅猛发展，机械手已经成为工业生产中极为重要的工具，对其技术的不断突破也变得日趋重要，目前，机械手的种类大至可按驱动方式分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
2 机械手的国内外概况
2.1机械手的产生与发展
工业机械手的第一次迅猛发展是在第二次世界大战，最早应用在美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，时间大约是在上世纪40年代，它是一种主从型的控制系统。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。控制系统有别于40年代的主从型而是示教型的；1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，研制出一种更新兴的机械手，运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。这个机械手对机械手的发展有着深远的意义，日后的不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同一年该公司和普曼公司合并成重组为万能制动公司，专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制。虽然上述的2种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的重要基础。在机械手得到一定程度的发展后，从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation-Vic.arn1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。联邦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；值得一提的是曰本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家， 自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前已成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。
2.2机械手在我国工业的发展与应用
我国工业机械手的研究与开发起步较晚，比欧美要晚30年左右，起步于上世纪70年代，1972年我国第一台机械手在上海开发成功，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1986～1990年）开始，我国政府大大加大了对工业机器人的重视程度，并且为此项目投入大量的资金，在众多学者及研究人员的参与下，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，其中有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氚弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。值得注意的是，这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的。与此同时，一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器等等。
在国内，工业机器人半数以上运用在汽车行业，但越是高端产品下游行业越分散，在激光切割、涂胶、注塑等领域均有较好的增长。有助于替代人工降低成本，工业机器人对中国制造业最有吸引力之处是能够降低成本。一台简单的搬运机器人，其成本相当于3年的工人工资，而寿命在10年以上。已经有很多民营企业出于成本考虑，计划用机器替代部分工人。成本导向的技术升级在中国有巨大的市场空间。特别是一些在危险、恶劣环境下的作业，如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作，都需要由机器人来完成。
3 机械手的未来发展趋势
随着工业的发展，人们也对机械手的应用提出了更高的要求，一是重复高精度，精度是指机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置密切相关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。显然，重复精度比精度更重要；二是模块化，有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向；三是无给油化，无给油化是个新提出的概念，主要是为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用白润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长；四是机电气一体化， 机电一体化的核心思想在于发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的
“反馈控制”，大大提高了系统的可靠性。
目前中国还处在发展中国家，各行各业的经济水平不是参差不齐，低成本是各企业首先考虑的问题。所以在设计机械手臂时，应先使用标准件、通用件，同时提高设备可维修性、易维修性等后续问题，最终达到节约成本的效果。对机械手臂而言，由于是长时间使用的设备，要保证其长期稳定性是很重要的。所以对机械手臂的各个零件的精度、装配间隙、耐磨性等都有较高的要求。对于这些关键零件应使用较好的材质，并由技术能力较强的企业生产，才能保证质量的稳定性，并延长其使用寿命。
参考文献：
[1]徐炳辉.气动手册[K]上海科学技术出版社，2005：26—28.
[2] 机器人发展简史.环球科学.2007—02-01.
[3]隋立明，张立勋.气动肌肉驱动仿生关节的理论分析[J]_机床与液压，2007，35（6）：218-219.
[4]王雄耀.近代气动机器人（气动机械手）的发展及应用[J].液压与气动技1999，l2（5）：13-16.
关键词：机械手；重复高精度；模块化
中图分类号：TP241
1 前言
机械手具有模仿人类手臂功能并可完成各种作业的自动控制设备，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人。这种机器人系统有多关节连结，并允许在平面或三度空间进行运动或使用线性位移移动。构造上由机械主体、控制系统、伺服系统和传感器组成，并由程式根据作业需求设定其一定的指定动作。机械手的动作由伺服系统驱动移动一只手臂，张开或关闭一个夹子的动作，并精确的回馈至控制系统。它可代替或部分代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，并且能在高危环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。随着我国经济的腾飞，国家在工业方面也得到了迅猛发展，机械手已经成为工业生产中极为重要的工具，对其技术的不断突破也变得日趋重要，目前，机械手的种类大至可按驱动方式分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
2 机械手的国内外概况
2.1机械手的产生与发展
工业机械手的第一次迅猛发展是在第二次世界大战，最早应用在美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，时间大约是在上世纪40年代，它是一种主从型的控制系统。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。控制系统有别于40年代的主从型而是示教型的；1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，研制出一种更新兴的机械手，运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。这个机械手对机械手的发展有着深远的意义，日后的不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同一年该公司和普曼公司合并成重组为万能制动公司，专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制。虽然上述的2种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的重要基础。在机械手得到一定程度的发展后，从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation-Vic.arn1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。联邦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；值得一提的是曰本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家， 自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前已成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。
2.2机械手在我国工业的发展与应用
我国工业机械手的研究与开发起步较晚，比欧美要晚30年左右，起步于上世纪70年代，1972年我国第一台机械手在上海开发成功，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1986～1990年）开始，我国政府大大加大了对工业机器人的重视程度，并且为此项目投入大量的资金，在众多学者及研究人员的参与下，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，其中有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氚弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。值得注意的是，这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的。与此同时，一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器等等。
在国内，工业机器人半数以上运用在汽车行业，但越是高端产品下游行业越分散，在激光切割、涂胶、注塑等领域均有较好的增长。有助于替代人工降低成本，工业机器人对中国制造业最有吸引力之处是能够降低成本。一台简单的搬运机器人，其成本相当于3年的工人工资，而寿命在10年以上。已经有很多民营企业出于成本考虑，计划用机器替代部分工人。成本导向的技术升级在中国有巨大的市场空间。特别是一些在危险、恶劣环境下的作业，如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作，都需要由机器人来完成。
3 机械手的未来发展趋势
随着工业的发展，人们也对机械手的应用提出了更高的要求，一是重复高精度，精度是指机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置密切相关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。显然，重复精度比精度更重要；二是模块化，有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向；三是无给油化，无给油化是个新提出的概念，主要是为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用白润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长；四是机电气一体化， 机电一体化的核心思想在于发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的
“反馈控制”，大大提高了系统的可靠性。
目前中国还处在发展中国家，各行各业的经济水平不是参差不齐，低成本是各企业首先考虑的问题。所以在设计机械手臂时，应先使用标准件、通用件，同时提高设备可维修性、易维修性等后续问题，最终达到节约成本的效果。对机械手臂而言，由于是长时间使用的设备，要保证其长期稳定性是很重要的。所以对机械手臂的各个零件的精度、装配间隙、耐磨性等都有较高的要求。对于这些关键零件应使用较好的材质，并由技术能力较强的企业生产，才能保证质量的稳定性，并延长其使用寿命。
参考文献：
[1]徐炳辉.气动手册[K]上海科学技术出版社，2005：26—28.
[2] 机器人发展简史.环球科学.2007—02-01.
[3]隋立明，张立勋.气动肌肉驱动仿生关节的理论分析[J]_机床与液压，2007，35（6）：218-219.
[4]王雄耀.近代气动机器人（气动机械手）的发展及应用[J].液压与气动技1999，l2（5）：13-16.